DE102004033027B4

DE102004033027B4 - Erfindung betreffend Tieftemperaturkühlvorrichtungen

Info

Publication number: DE102004033027B4
Application number: DE200410033027
Authority: DE
Inventors: Günter Prof. Dr. Thummes
Original assignee: Transmit Gesellschaft fuer Technologietransfer mbH
Current assignee: Transmit Gesellschaft fuer Technologietransfer mbH
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: DE102004033027A1

Abstract

Zwei- oder Mehrstufige-Tieftemperaturkühlvorrichtung (20) mit
– einem Druckoszillator (1) zur Erzeugung von Druckoszillationen in einem ersten Arbeitsgas,
– sowie mit mindestens zwei Pulsrohr-Kühlstufen (30; I, II), wobei jeder der Pulsrohr-Kühlstufen (30; I, II) mindestens einen Regenerator (2, 2') und ein mit dem mindestens einen Regenerator (2, 2') zur Wechselflussgasführung eines zweiten Arbeitsgases verbundenes Pulsrohr (3, 3') aufweist, wobei in jedem Pulsrohr (3, 3') ein kalter Wärmeaustauscher (4a) an einem Ende des Pulsrohres (3) und ein warmer Wärmeaustauscher (4b) am anderen Ende des Pulsrohres (3) vorgesehen ist und das kalte Ende des ersten Pulsrohres (3) zur Vorkühlung der zweiten Pulsrohr-Kühlstufe (30, II) thermisch gekoppelt ist und im Falle von weiteren Kühlstufen, das kalte Ende einer jeden Kühlstufe zur Vorkühlung der nächsten Stufe mit dieser Stufe thermisch gekoppelt ist und das kalte Ende der letzten Kühlstufe mit dem zu kühlenden Objekt (99) thermisch gekoppelt ist,
wobei die Vorrichtung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tieftemperaturkühlvorrichtung. Derartige Vorrichtungen werden zur Kühlung von Objekten auf Temperaturen meist weit unter 0°C im mittlerweile breiten Umfang eingesetzt, so z. B. zur Kühlung von Bauelementen aus Hochtemperatursupraleitern oder konventionellen Supraleitern, wie SQUIDs und Elektromagnete aus supraleitenden Materialien, oder zur Kühlung von Halbleiterfunktionselementen, wie Infrarotdetektoren oder anderen Sensoren oder aber zur Kühlung von elektronischen Verstärkern, um deren Signal-Rauschverhältnis zu verbessern.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind 1-, 2- oder mehr-stufige Kühlvorrichtungen mit einem Pulsrohrkühler bekannt. Der Kühleffekt bei einem Pulsrohrkühler entsteht durch die periodische Druckänderung und Verschiebung ("Puls") eines Arbeitsgases in einem dünnwandigen Zylinder mit Wärmeaustauschern an beiden Enden, dem so genannten Pulsrohr. Dazu ist das Pulsrohr mit einer allgemein als Druckoszillator zu bezeichnenden Vorrichtung über einen so genannten Regenerator zur Durchströmung mit dem Arbeitsgas verbunden. Der Regenerator eines Pulsrohrkühlers dient als Wärmezwischenspeicher, der das vom Druckoszillator einströmende Gas vor Eintritt in das Pulsrohr abkühlt und anschließend das ausströmende Gas wieder auf die Austrittstemperatur erwärmt.
Für diesen Zweck ist der Regenerator mit einem Material, vorzugsweise mit hoher Wärmekapazität, gefüllt, wobei der Regenerator vorzugsweise einen guten Wärmeaustausch mit dem durchströmenden Arbeitsgas bei möglichst geringem Strömungswiderstand aufweisen sollte. Für Kühltemperaturen oberhalb 30 K verwendet man meist Stapel von feinmaschigem Edelstahl- oder anderen Metallsieben. Für noch tiefere Temperaturen setzt man wegen der höheren Wärmekapazität bei solch tiefen Temperaturen Bleischrot oder gar magnetische Materialien, z. B. Er-Ni-Legierungen oder andere seltene Erden ein.
Der Kühlprozess läuft bei einem Pulsrohrkühler, welcher immer aus einem Regenerator und einem damit zur Durchströmung mit Arbeitsgas verbundenen Pulsohr mit zwei Wärmeaustauschern am warmen und kalten Ende des Pulsrohrs besteht, qualitativ wie im Folgenden beschrieben ab (s. auch 1a): In der Kompressionsphase strömt das im Regenerator vor gekühlte Gas in das Pulsrohr ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Pulsrohr erwärmt und gleichzeitig zum warmen Wärmeaustauscher am warmen Ende des Pulsrohres bzw. zum so genannten Warmkopf hin verschoben, wo ein Teil der Kompressionswärme an die Umgebung abgeführt wird. Durch die anschließende Expansion erfolgt eine Abkühlung des Gases im Pulsohr. Das Gas, welches das Pulsrohr in der Expansionsphase verlässt, ist daher kälter als beim Eintritt und kann daher Wärme aus dem kalten Wärmeaustauscher bzw. Kaltkopf und dem zu kühlenden Objekt oder/und einer weiteren Kühleinrichtung, die thermisch mit der dann ersten Stufe der Kühlvorrichtung in Form des Pulsrohrkühler verbunden ist, aufnehmen. Die genauere Betrachtung des Wärmetransports vom kalten zum warmen Ende des Pulsrohr (mit den dort jeweils vorgesehenen Wärmeaustauschern) zeigt, dass der Wärmetransport durch so genanntes Oberflächenwärmepumpen, d. h. einem Austauschvorgang von Wärme zwischen Gas und Rohrwand innerhalb einer relativ dünnen Gasschicht erfolgt und wahrscheinlich aufgrund der schlechten Wärmeleitung des Gases durch diese Gasschicht noch nicht optimiert ist.
Bei der Durchströmung des Regenerators wird der mit dem Kaltkopf oder warmen Wärmeaustauscher des Pulsrohrs direkt strömungstechnisch verbundene Teil ebenfalls abgekühlt (oder vorgekühlt für die nächste Kompressionsphase).
Zur Verbesserung dieses Kühlvorgangs ist es bekannt (s. 1b) den Warmkopf, oder den warmen Wärmeaustauscher oder das warme Ende des Pulsrohres über einen Gasströmungswiderstand, wie z. B. über ein Nadelventil mit einem so genannten Ballastvolumen zu verbinden. Dadurch strömt in der Kompressionsphase mehr Gas durch den warmen Wärmeaustauscher, welches dort dann mehr Kompressionswärme abgeben kann, zum anderen leistet das Gas im Pulsrohr dann Verschiebungsarbeit in das Ballastvolumen. Durch beide Effekte wird der Kühleffekt verbessert.
Zur weiteren Verbesserung des Kühleffektes ist es bekannt (s. 1c) zur Druckerhöhung im warmen Teil des Pulsrohres, neben dem Gasfluss vom kalten zum warmen Ende des Pulsrohres, einen weiteren Gasfluss vorzusehen, welcher nicht durch den Regenerator geleitet wird. Dieser zweite Gasfluss wird daher in vorteilhafter Abstimmung mit der Kompressionsphase im Pulsrohr an der Verbindung zwischen dem warmen Ende des Pulsrohrs und dem Ballastvolumen eingeleitet, vorzugsweise über ein weiteres Ventil. Durch diese Maßnahme wird eine günstigere zeitliche Abfolge von Druck- und Flussvariation erreicht, welche nicht durch weiter gesteigerte Strömungs- oder Druckverluste im Regenerator belastet wird.
Zur Bereitstellung von Kühlvorrichtungen, welche noch tiefere Temperaturen erreichen ist es bekannt mehrstufige Kühlvorrichtungen vorzusehen.
Aus der DE 196 12 539 A1 ist dazu eine mehrstufige Tieftemperaturkältemaschine bekannt. Die dortige Erfindung betrifft eine Tieftemperaturkältemaschine mit einer ersten Stufe, die als Verdränger-Refrigerator ausgebildet ist, sowie mit mindestens einer weiteren Stufe, die als Pulsrohr-Refrigerator ausgebildet ist, wobei zur Unterdrückung von Vibrationen vorgeschlagen wird, dass sich zwischen dem Verdränger-Refrigerator und dem Pulsrohr-Refrigerator ein flexibles, die Übertragung von Vibrationen verminderndes Bauteil befindet. Unter einem Verdränger-Refrigerator wurde in dieser Schrift eine Gifford McMahon-, Stirling- oder eine ähnliche Kältemaschine mit beweglichen, massebehafteten Teilen in Form eines Verdrängers verstanden. Die oben genannte Schrift kann als eine Weiterentwicklung der EP 04 487 38 A1 verstanden werden, wo ebenfalls die Aufgabe/Lösung darin bestand, die von den Verdrängerkältemaschinen bekannten Vibrationen durch Vorsehung einer Dämpfungseinrichtung zu mindern.
Da die Sensoren, welche von solchen mehrstufigen Vorrichtungen gekühlt werden meist sehr empfindlich gegenüber Vibrationen sind (z. B. SQUID-Sensoren) ist man in der technischen Entwicklung anschließend dazu übergegangen am Kaltkopf der niedrigsten Temperaturstufe nahezu vibrationslose Pulsrohrkühler oder sogar mehrstufige Pulsrohrkühler zu verwenden.
Ein zweistufiger Pulsrohrkühler ist z. B. bekannt aus der Zeitschrift "Cryogenics", Band 37 (1997), Nummer 3, Seiten 159–164, von, C. Wang, G. Thummes und C. Heiden. In der dort beschriebenen zweistufigen Pulsrohrkühler-Vorrichtung werden zwei Pulsrohrkühler verwendet, wobei der erste für eine Kühlung bei höherer Temperatur und der zweite zur Kühlung bei niedrigerer Temperatur ausgelegt ist. Das Arbeitsgas in beiden Pulsrohrkühlern ist reines Heliumgas, welches im Wesentlichen aus dem Isotop ⁴He besteht. Mit dieser Tieftemperaturkühlvorrichtung konnten Temperaturen unterhalb von 4 K bis herab zu etwa 2,2 K erreicht werden. Bei einer Kühltemperatur von 4,2 K konnte so noch eine Kühlleistung von 0,37 W erzeugt werden.
Eine Abwandlung dieses zweistufigen Pulsrohrkühlers ist auch aus der DE 199 54 077 C1 bekannt. In der vorgenannten Schrift wurde es als nachteilig empfunden, dass die Zeitdauer der Inbetriebnahme, d. h. bis zum Erreichen einer Kühltemperatur von ca. 4 K am Kaltkopf (ausgehend von Umgebungstemperatur) für die niedrigste der beiden Temperaturstufen, recht lange dauert. Als Lösung wurde vorgeschlagen, dass der Kühlbereich auf der höheren Temperaturstufe über einen so genannten Wärmeschalter mit dem Pulsrohr oder dem Regenerator für den niedrigeren Kühlbereich und/oder dem dort angebrachten zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar ausgeführt wird.
Aus der US 2005/0223714 ist in dem dortigen fünften Ausführungsbeispiel ein zweistufiges Pulsrohrkühlsystem bekannt, welches zwei getrennte Gaskreisläufe aufweist. Dort wird vorgeschlagen diese jeweils gleich mit Helium oder anderen Arbeitsgasen zu füllen.
Nachteil im Stand der Technik
Ein Nachteil der bekannten zwei- oder mehrstufigen Kühlvorrichtungen, welche zur Vermeidung der Vibrationen mit einem nahezu vibrationslosen Pulsrohrkühler ausgestattet sind, besteht darin, dass bei Einsatz nur eines Pulsrohrkühlers in Kombination mit einem Verdränger-Refrigerator immer noch ein relativ hohes Maß an Vibrationen am zu kühlenden Objekt auftreten können. Diese Vibrationen können nur mit einem hohen apparativen Aufwand an mechanischer Entkopplung und damit einhergehend schlechter thermischer Kopplung verringert werden.
Ein Verdränger-Refrigerator besitzt zudem verschleißbehaftete Dichtungen am Verdränger-Kolben, die in gewissen Zeitabständen ausgetauscht werden müssen, wodurch die wartungsfreie Betriebszeit der gesamten Kühlvorrichtung herabgesetzt wird.
Beim demzufolge favorisierten Einsatz von zwei- oder mehrstufigen Kühlvorrichtungen mit einem Pulsrohrkühler in jeder Stufe oder mindestens zwei Stufen besteht dann wieder ein Nachteil darin, dass eine hohe gegenseitige Beeinflussung der beiden Kühlstufen durch die gemeinsame Nutzung eines gemeinsamen, in der Richtung alternierenden, Gasflusses innerhalb dieser Kühlvorrichtungen zu beobachten ist. Dabei stellt es sich immer wieder als sehr nachteilig heraus, dass eine Veränderung der Strömungs- oder/und Druckparameter an einer Stufe starke oder/und zeitlich direkte und letztendlich unendkoppelbare Auswirkungen auf alle anderen Kühlstufen nach sich zieht, so dass diese Kühlvorrichtungen schwer regel- oder optimier- oder steuerbar sind.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Kühlleistung der ersten Stufe (wärmeren Stufe) zwar höher als die der zweiten Stufe ist – welche auf niedrigerem Temperaturniveau arbeitet –, jedoch immer noch relativ gering ist, so dass die Zeitdauer bis zur Erreichung der merklichen Abkühlung der zweiten Stufe, mit dem das zu kühlende Objekt thermisch verbunden ist, relativ lang ist. Insbesondere weisen solche Kühlvorrichtungen in der entsprechenden Kühlstufe im Bereich der Verflüssigungstemperatur von Stickstoff (ca. 77 K) noch eine unbefriedigend niedrige Kühlleistung auf.
Generell besteht bei diesen Kühlvorrichtungen natürlich auch immer ein Nachteil darin, dass die erreichbare minimale Temperatur an der entsprechend in der Temperatur niedrigsten letzten Kühlstufe meist unbefriedigend gering ist. Ganz besonders wirtschaftlich interessant ist es dabei, bei der Verflüssigungstemperatur von Helium (ca. 4,2 K) eine möglichst hohe Kühlleistung zu erreichen.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine apparativ einfache, zugleich vibrationsarme zwei- oder mehrstufige Kühlvorrichtung vorzusehen, bei welcher die Stufen weitgehend entkoppelt sind, in dem Sinne, dass diese Kühlstufen möglichst getrennt voneinander optimierbar oder einstellbar sind und bei welcher die Kühlleistung der ersten im Temperaturbereich höchsten Kühlstufe höher ist, als bei den bekannten Vorrichtungen und bei welcher die Kühlleistung der im Temperaturbereich niedrigsten Kühlstufe möglichst hoch ist.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung einer Tieftemperaturkühl-Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
Den Kern der Erfindung bildet die Vorsehung von getrennten Wechselfluss-Gasflussführungen und unterschiedlichen Arbeitsgasen für zwei miteinander zum Austausch von Wärme gekoppelte Pulsrohrkühlerkühlstufen, wodurch einerseits eine sehr vibrationsarme Tiefkühlvorrichtung bereitgestellt wird, die je nach Wahl der Anzahl der Kühlstufen sehr tiefe Temperaturen an einem zu kühlenden Objekt bereitstellen kann, wobei die verbesserte Einstell- und Optimierbarkeit der einzelnen Pulsrohrkühlerkühlstufen durch die Trennung der Wechselfluss-Gasflussführungen (AC-Gasflussführungen) erzielt wird.
Überraschenderweise wurde schon am Beispiel von ⁴He-Gas als Arbeitsmedium in den beiden getrennten AC-Gasflussführungen eines zweistufigen Pulsrohrkühlers gefunden, dass sich – im Vergleich zu einer für beide Kühlstufen gemeinsamen AC-Gasflussführung mit ⁴He – neben der Entkopplung der beiden Kühlstufen im Sinne einer einfacheren Handhabbarkeit der Einstell- oder Optimierbarkeit auch eine deutlich erhöhte Kühlleistung am kalten Ende des Pulsrohres der ersten, im Temperaturbereich höchsten, Pulsrohrkühler-Kühlstufe einstellt.
So wurde im Vergleich zu einem ebenfalls zweistufigen Pulsrohrkühler mit einem 6 kW (Eingangsleistung) Heliumkompressor als Druckoszillator für die eine gemeinsame AC-Gasflussführung, bei einem erfindungsgemäßen zweistufigen Pulsrohrkühler (siehe 5) mit vergleichbarer summierter Kompressorleistung (Druckoszillatorleistung) für die beiden erfindungsgemäß getrennten AC-Gasflussführungen eine deutlich höhere Kühlleistung im Temperaturbereich um 50 K gemessen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wies bei 53 K (erste Kühlstufe) mit getrennter ⁴He AC-Gasflussführung (d. h. ⁴He in jeder Stufe) eine Kühlleistung von 50 W auf, während die Vorrichtung mit gemeinsamer AC-Gasflussführung von ⁴He bei 54 K nur eine Kühlleistung von 20 W aufwies. D. h. die Kühlleistung der ersten Pulsrohrkühlerstufe konnte um 150% gesteigert werden.
Dies geschah nicht zu Ungunsten der Kühlleistung der zweiten Stufe, welche bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit 0,5 W bei 4,6 K vergleichbar hoch lag, wie mit 0,5 W bei 4,3 K, bei der oben genannten Vorrichtung mit gemeinsamer AC-Gasflussführung.
Durch den Einsatz von ⁴He in der auf höherem Temperaturniveau arbeitenden Pulsrohrkühler und von ³He in dem im Temperaturbereich darunter (jeweils im stationären Zustand betrachtet) konnten noch weitere Steigerungen der Kühlleistungen oder überhaupt die Erreichung von Temperaturen unter 2 K auf der niedrigsten Kühlstufe erreicht werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele seien in den folgend beschriebenen Figuren ab und incl. 2 und den folgenden Textabschnitten – ohne abschließend zu sein – beschrieben.
Es zeigen schematisch:
1a: eine Tieftemperaturkühlvorrichtung mit einem einstufigen Pulsrohrkühler und Druckoszillator sowie einem fakultativen Gasflussverteiler, welcher z. B. als Drehventil mit einer entsprechenden Ansteuerung zur Steuerung der Drehfrequenz oder als elektromagnetisches oder als Schieber-Ventil ausgeführt sein kann nach dem Stand der Technik, wobei die Vorrichtung ohne Gasflussverteiler nur mit der Eigenfrequenz des Oszillators betreibbar ist,
1b: die Vorrichtung aus 1a mit Ballastvolumen und Strömungswiderstand (Ventil) zwischen warmer Pulsrohrende und Ballastvolumen nach dem Stand der Technik,
1c: die Vorrichtung aus 1b mit zusätzlicher Gaseinleitung mit Strömungswiderstand (Ventil), ausgehend von der Gasleitung zwischen Gasflussverteiler und Eingang des Regenerators und endend in der Gasleitung zwischen Ausgang des warmen Endes des Pulsrohres und Eingang in das Ballastvolumen nach dem Stand der Technik,
2: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei in Stufen hintereinander geschalteten Pulsrohrkühlvorrichtungen mit jeweils eigenem Druckoszillator und Gasflussverteiler,
3: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei in Stufen hintereinander geschalteten Pulsrohrkühlvorrichtungen mit nur einem gemeinsam genutzten Druckoszillator und Gasflussverteiler,
4: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei in Stufen hintereinander geschalteten Pulsrohrkühlvorrichtungen mit nur einem gemeinsam genutzten Druckoszillator aber jeweils einem Gasflussverteiler für jede Pulsrohrkühlvorrichtung.
5: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei in Stufen hintereinander geschalteten Pulsrohrkühlvorrichtungen mit jeweils eigenem Druckoszillator und Gasflussverteiler, wobei die Wärmeübertragung zwischen erster uns zweiter Stufe durch Wärmeleitung in den Bereich der Mitte des gestreckten Regenerators der zweiten Stufe erfolgt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße zweistufige Tieftemperaturkältevorrichtung 20, wobei für jede Stufe I und II ein eigener Druckoszillator 1 und ein eigener Gasflussverteiler 7 vorgesehen sind. Damit können die Arbeitsfrequenzen in beiden Kühlstufen I, II getrennt und unabhängig voneinander eingestellt werden. Zur weiteren Steigerung der Leistung weist jede Stufe I, II ein Ballastvolumen 5 und eine zweite Einleitung von Arbeitsgas im Bereich zwischen Ausgang des warmen Endes des Pulsrohres 3, 3' und dem Eingang zum Ballastvolumen 5 auf.
Die beiden Stufen I, II sind über eine Kaltfläche 99 zum Austausch von Wärme gekoppelt und zwar über eine Kopplung durch Wärmeleitung zwischen dem kalten Ende des Pulsrohres 3 und der Gaseinleitung der zweiten Stufe im Bereich zwischen Druckoszillator 1 oder Gasflussverteiler 7 und Eingang in den Regenerator 2'. Die Wärmekopplung kann selbstverständlich auch über Konvektion oder Strahlung oder kombiniert durch die weiteren bekannten Wärmeübertragungsmöglichkeiten erfolgen. Als Arbeitsmedien in den beiden getrennten AC-Gaskreisläufen können die dem Fachmann bekannt Gase, so z. B. ⁴He eingesetzt werden. Durch die Trennung der beiden AC-Gaskreisläufe können auch die bei gekoppelten Pulsrohrkühlern 30 mit gemeinsamem AC-Gaskreislauf bekannten Leistungsverluste durch unidirektionale Gasteilkreisläufe stark vermindert werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen mindestens zweistufigen Tieftemperaturkältevorrichtung 20 bei welcher zur Reduktion der Kosten ein Druckoszillator 1 und ein Gasflussverteiler 7 von beiden Pulsrohr-Kühlerstufen I, II gemeinsam genutzt wird. Zur Trennung der Gaskreisläufe ist innerhalb des Gaskreislaufs der ersten Stufe I ein Druckoszillations-Übertragungselement 40 vorgesehen, welches im Bereich zwischen den Eingängen der beiden Regeneratoren 2, 2' und dem einen Gasflussverteiler 7 angebracht ist. Damit wird erreicht, dass im AC-Gaskreislauf der ersten Stufe und des AC-Gaskreislaufes zwischen Druckoszillator 1 und Gasflussverteiler 7 ein erstes Arbeitsgas i und im Gaskreislauf der zweiten Pulsrohr-Kühlstufe II ein zweites Arbeitsgas ii eingesetzt werden kann. Damit sind die beiden Gaskreisläufe getrennt und es können die Vorteile der jeweiligen Arbeitsgase in den jeweiligen, den Stufen I, II zugeordneten Temperaturbereichen genutzt werden.
Als Übertragungselement 40 kann ein in einem Zylinder beweglich und gegen diesen gasdicht abgedichteter Kolben oder auch eine flexible Membran zur Trennung der beiden Gaskreisläufe eingesetzt werden. Natürlich ist eine Druckübertragung auch mit inkompressiblen Flüssigkeitssäulen oder mit Druckoszillatoren möglich, weshalb solche Bauteile auch als Druck-Übertragungselemente 40 angesehen werden.
Im Falle des Einsatzes eines Kolbens, kann die Bewegung des Kolbens während der Hochdruck- und Niederdruckphase durch die Steuerzeit des Gasflussverteilers 7 oder durch geeignete Formgebung von Kolben und Zylinder eingestellt werden. Diese Ausführungsart erlaubt eine Übertragung der Druckoszillation des Gasflussverteilers 7 auf die Pulsrohr-Kühlstufe(n) I, II, ohne dass ein Gasaustausch zwischen dem Gas im Kompressor oder im Gaskreislauf des Druckoszillators und dem Gas in der (den) Pulsrohr-Kühlerstufe(n) I, II stattfindet. Diese Ausführungsart erlaubt einen Betrieb mit unterschiedlichen Arbeitsmedien in beiden (oder in mehreren) Pulsrohr-Kühlerstufen I, II bei Betrieb mit nur einem Kompressor, der mit nur einem Arbeitsmedium gefüllt ist. Als Beispiel sei wieder der Betrieb mit ⁴He in der ersten Pulsrohr-Kühlstufe I und ³He in der zweiten Pulsrohr-Kühlstufe II genannt. In dem Ausführungsbeispiel nach 3, würde vorteilhafterweise ⁴He in der ersten Pulsrohr-Kühlstufe I und auch im Kompressorkreislauf eingesetzt werden.
Wie schon zur Dämpfung der Übertragung von mechanischen Schwingungen, welche vom Druckoszillator übertragen werden, kann auch zur Dämpfung der Übertragung der Schwingungen vom Übertragungselement 40 auf die nachgeschalteten Elemente der Pulsrohrkühler 30 eine lange Gasleitung (z. B. in der Größenordnung von 10 Metern) zwischen dem Übertragungselement 40 bis zum Eingang in den Regenerator 2, 2' vorgesehen werden. Dies wird durch die gestrichelten Linien d1 und d2 in 3 angedeutet.
Für die Abgabe von besonders hohen Kühlleistungen können die beiden in 3 dargestellten, gekoppelten Pulsrohr-Kühlerstufen I, II auch durch Kühlstufen anderer Bauart (Verdränger-Refrigeratoren, oder passive Kühlstufen, wie Stickstoff-Bäder oder Kühlschilde etc.) oder durch weitere Pulsrohrkühlstufen mit anderen oder gleichen Arbeitsgasen vorgekühlt werden. Die Vorkühlung kann im Bereich der Zuleitungen zwischen dem Gasflussverteiler 7 und dem warmen Eingang des Regenerators 2 der ersten Stufe oder im Bereich bis etwa zur Mitte oder bis zum unteren Drittel (bis zu dem Bereich, welcher in der Expansionsphase kühler ist als die Vorkühltemperatur) des Regenerators 2 der ersten Stufe erfolgen.
Eine Vorkühlung kann auch oder zusätzlich am warmen Ende des Pulsrohres 3, 3' der ersten oder/und zweiten Kühlstufe I, II oder an den zugeordneten Ballastvolumina 5 erfolgen, soweit dies nicht das „Anfahren" der gesamten Tieftemperaturkühlvorrichtung 20 verhindert.
4 zeigt ein weiteres, besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, bei welchem die beiden Pulsrohrstufen I, II mit einem Kompressor aber zwei verschiedenen Gasflussverteilern 7, 7' betrieben werden, so dass die beiden Pulsrohrstufen I, II mit einer unterschiedlichen – für die jeweilige Stufe optimierten – Druckwellenfrequenz betrieben werden können. Zur Vermeidung eines Gasaustausches zwischen dem AC-Gaskreislauf des Kompressors 1 und denen der beiden AC-Gaskreisläufe der beiden Pulsrohrkühler 30 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Druckoszillations-Übertragungselemente 40 vorgesehen, welche jeweils in der Gasleitung zwischen Gasflussverteiler 7, 7' und dem warmen Eingang des Regenerators 2, 2' vorgesehen sind. Damit ist es möglich drei verschiedene Arbeitsgase (in der Zeichnung durch i, ii und iii gekennzeichnet) zu verwenden.
Wie in 4 dargestellt können den beiden Pulsrohr-Kühlerstufen I, II auch weitere Tieftemperaturkühlvorrichtungen 20' vorgeschaltet sein, z. B. durch Vorkühlung der Gasleitung der ersten Stufe im Bereich zwischen Kompressor 1 und warmer Eingang des Regenerators 2 der ersten Stufe über eine Kaltfläche 99' oder andere bekannte Wärmeübertragungselemente (Kühlschilder oder Konvektions- oder Wärmeleit-Elemente etc.). Die Vorkühlung kann natürlich auch an anderen Stellen der ersten Kühlstufe I erfolgen. Zur Vermeidung der Übertragung von Vibrationen dieser an den Kühlvorrichtungen 20 etwa von Verdränger-Refrigeratoren kann die Wärmeübertragung oder der Wärmeaustausch auch durch flexible oder andere vibrationsdämpfende Elemente, wie flexible Kunststoffschläuche etc. erfolgen.
In einem weiteren – nicht dargestellten – Ausführungsbeispiel, werden, wie in 4 zwei Gasflussverteiler 7, 7' und ein Kompressor 1 eingesetzt, jedoch wird auf das Druckoszillations-Übertragungselement 40 in der ersten Pulsrohr-Kühlerstufe I verzichtet. Damit können dann, wie im Ausführungsbeispiel zur 4 die beiden Pulsrohr-Kühlerstufen I, II mit verschiedenen Druckwellenfrequenzen, d. h. jeweils optimiert betrieben werden, jedoch werden die Kosten eines zweiten Elements 40 vermieden. Im gemeinsamen AC-Gaskreislauf des Kompressors 1 und der ersten Pulsrohr-Kühlerstufe I wird dann vorzugsweise ⁴He eingesetzt.
5 zeigt noch ein weiteres, ganz besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, bei welcher die beiden Pulsrohr-Kühlstufen I, II eine bauliche Einheit bilden. Dazu sind die oberen Enden der Elemente der beiden Pulsohrkühler 30 (d. h. der Regeneratoren 2, RG1; 2', RG2 und Pulsrohre 3, PT1; 3', PT2) miteinander mechanisch verbunden und auch die Enden vom Regenerator 2, RG1 und Pulsrohr 3, PT1 der ersten Stufe I sind mit den mittleren Bereichen vom Regenerator 2', RG2 und Pulsrohr 3', PT2 der zweiten Stufe II mechanisch verbunden.
Bei diesem Beispiel erstreckt sich der Regenerator 2', RG2 der zweiten Stufe I baulich von der niedrigsten mit den beiden Pulsrohr-Kühlstufen I, II erreichbaren Temperatur (z. B. des flüssigen Heliums), welche an der Kaltfläche CP2 anliegt, bis zur oberen gemeinsamen mechanischen Verbindung, d. h. bis zur Umgebungstemperatur, welche bei nicht vorgesehener Vorkühlung, an den Eingängen in die beiden Kühlstufen I, II dieses Ausführungsbeispieles anliegen. Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Stufen erfolgt in diesem Beispiel etwa in der Mitte des Regenerators 2', RG2 der zweiten Stufe über einen wärmeleitenden Wärmeaustauscher, welcher zur Vorkühlung der zweiten Stufe mit der Kaltfläche 99 (oder dem so genannten Kaltkopf) der ersten Stufe gut wärmeleitend verbunden ausgeführt ist.
Zur weiteren Verbesserung der Einstell- oder Optimierbarkeit der beiden Pulsrohr-Kühlerstufen I, II ist im Ausführungsbeispiel der 5 vorgesehen, dass in den Gasleitungen zwischen dem Gasflussverteiler 7, RV1; 7', RV2 (in 5 als Rotationsventil ausgeführt) und dem Ballastvolumen 5, R1, R2 (in 5 mit R1, 2 für Reservoir gekennzeichnet) jeweils zwei Gasflusswiderstände 6, 6' vorgesehen sind, welche jeweils einer Gasflussrichtung zugeordnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel, wie auch in den anderen der 2 bis 4 ist als weiteres ganz besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ³He als Arbeitsmedium in der tiefsten oder im Betrieb kühlsten Pulsrohr-Kühlerstufe vorgesehen (neben ⁴He in der ersten Stufe), so dass bei entsprechender Vorkühlung in der ersten Stufe auch Temperaturen unter 2 K (!) erreicht werden, was mit ⁴He, aufgrund dessen suprafluiden Phasenübergangs bei etwa 2,1 K nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels besteht darin, dass nur eine, d. h. die zweite der beiden Kühlstufen I, II mit dem sehr teuren Isotop ³He gefüllt werden muss.
Wie in 5 dargestellt, ergibt sich eine weitere Leistungssteigerung der zweiten, tiefsten oder im Betrieb kühlsten Pulsrohr-Kühlerstufe dadurch, dass im unteren Teil des zugeordneten Regenerators Materialien, wie z. B. ErNi oder/und HoCu₂ eingesetzt werden, welche bei der Temperatur des flüssigen Heliums noch eine Wärmekapazität aufweisen. Pb weist bei 5 K nur noch eine sehr geringe Wärmekapazität auf, weshalb dieses Material nur im oberen Bereich des Regenerators der zweiten Stufe eingesetzt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, dass auch in 5 dargestellt ist, kann durch eine vorteilhafte Wahl der Verhältnisse der Volumina der Komponenten der beiden Pulsrohr-Kühlerstufen I, II eine weitere Leistungssteigerung realisiert werden.
Dazu ist das Pulsrohr der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe im Querschnitt schlanker, und im Volumen kleiner ausgeführt, als das Volumen des Pulsrohres der vorletzten Pulsrohr-Kühlerstufe. Besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis von 2:1, d. h. das Volumen des Pulsrohres der vorletzten Kühlstufe ist 2-mal so groß, wie das Volumen des Pulsrohres der letzten Kühlstufe.
Des Weiteren kann der Regenerator der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe rohrförmig und/oder im Querschnitt schlanker und im Volumen kleiner als das Volumen des Regenerator der vorletzten Pulsrohr-Kühlerstufe ausgebildet sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel – nicht dargestellt – ist zur schnelleren Abkühlung des abzukühlenden oder des zu kühlenden Objektes 99 vorgesehen, so genannte Wärmeschalter zwischen den Kaltflächen einer höheren Kühlstufe als der letzten Kühlstufe und dem zu kühlenden Objekt 99, welches der Kaltfläche der niedrigsten Kühlstufe zugeordnet ist, anzubringen. Als Wärmeschalter kommen alle aktiven oder passiven Wärmeschalter, insbesondere aber mechanische Wärmeschalter, welche durch Druck miteinander verbunden werden und einen Wärmeaustausch „schalten", aber auch Gaswärmeschalter, welche Gase zum Austausch über freie oder erzwungene Konvektion nutzen. Ein „Ausschalten" eines Gaswärmeschalters kann über Abpumpen des Übertragungsmediums (z. B. auch Flüssigkeiten) erfolgen.
In einer weiteren – nicht dargestellten – Ausführungsform weist die Vorrichtung 20 vorzugsweise im kühleren Bereich des Regenerators 2' der zweiten Pulsrohr-Kühlerstufe II ein Reservoir gefüllt mit ⁴He auf, um die Wärmekapazität in diesem Bereich zu steigern, oder um die ansonsten dort vorzusehenden, sehr teuren Materialien aus seltenen Erden (siehe oben) einzusparen. Das Reservoir kann dabei durch Röhren oder andere Bereich gebildet werden, welche vom gasförmigen Arbeitsfluid der zweiten Pulsrohr-Kühlerstufe II gut umströmt werden oder anderweitig mit gutem Wärmeaustausch mit dem Arbeitsfluid in Kontakt steht. Bei Einsatz von ³He als Arbeitsfluid in der zweiten Pulsrohr-Kühlerstufe II ist möglichst darauf zu achten, dass keine Vermischung der beiden Gase (³He, ⁴He) erfolgt.
Jedoch ist – in einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel – auch ein Betrieb mit einem Gemisch aus den oben genannten Isotopen in beiden oder der untersten Pulsrohr-Kühlstufe noch vorteilhaft, gegenüber einem Betrieb mit ⁴He in getrennten Pulsrohr-Kühlstufen, da ³He für tiefe Temperaturbereiche um 2 K prinzipielle Vorteile aufweist. Bei einem Gemisch von ³He/⁴He in den beiden, oder bei mehreren Pulsrohr-Kühlstufen in mehr als zwei oder in allen der mehreren Stufen ist es jedoch vorteilhaft, in der Stufe, welche für den Betrieb auf niedrigstem Temperaturniveau einen höheren Anteil von ³He vorzusehen.
In einer weiteren – nicht dargestellten – Ausführungsform weist die Vorrichtung 20, zur Reduktion von Kosten, kein Ballastvolumen 5 für jede der beiden Pulsrohr-Kühlstufen I, II oder nur ein gemeinsames Ballastvolumen 5 für die beiden Pulsrohr-Kühlstufen I, II auf.
Es ist dem Fachmann unmittelbar ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch ohne Gasflussverteiler 7, 7' und dessen Einrichtung zur Steuerung der Frequenz der Gasflussverteilung betreibbar ist, wobei dann aber die Frequenz der Druckwellen durch die Frequenz des Oszillators vorgegeben ist. Im Falle des Einsatzes nur eines Oszillators für zwei Pulsrohr-Kühlerstufen gemeinsam ist damit – ohne weiteres Zutun – die Arbeitsfrequenz beider Pulsrohr-Kühlstufen auf die Frequenz des gemeinsamen Oszillators festgelegt.
Es ist dem Fachmann unmittelbar ersichtlich, dass die hier dargestellte Tieftemperaturkühlvorrichtung 20 auch als Teil einer Tieftemperaturkühlvorrichtung vorteilhaft ist, insbesondere dann, wenn die beiden durch Wärmeaustausch gekoppelten erfindungsgemäßen Pulsrohr-Kühlstufen I, II die beiden letzten oder die beiden dem zu kühlenden Objekt 99 als nächstes zugeordneten Kühlstufen vorgesehen sind. Damit, d. h. wenn Kühlstufen anderer, vibrationsreicherer Bauart den beiden erfindungsgemäßen Pulsrohr-Kühlstufen I, II vorgeschaltet sind, wird das zu kühlende Objekt 99 deutlich geringeren Vibrationen ausgesetzt, als wenn die letzte Kühlstufe durch einen Verdränger-Refrigerator gebildet wird.
Es ist dem Fachmann ebenso unmittelbar ersichtlich, dass an der Stelle der Gase ⁴He oder dem Paar ⁴He und ³He oder Gemischen aus diesen beiden oder anderen Helium-Isotopen auch andere Gase eingesetzt werden können, sofern die zu erreichende Kühltemperatur nicht zu einer Verflüssigung der ausgewählten anderen Arbeitsgase oder deren Gemischen führt.

I, II: Pulsrohr-Kühlstufe (Stufe I, Stufe II)
1: Druckoszillator, z. B. Kompressor
2, 2': Regenerator
3, 3': Pulsrohr
4: Wärmeaustauscher
4a, b: Wärmeaustauscher am a, kalten und b, am warmen Ende des Pulsrohrs
5: Ballastvolumen
6, 6': Gasflusswiderstand
7, 7': Gasflussverteiler
20, 20': Tieftemperaturkühlvorrichtung
30: Pulsrohrkühler
i, ii, iii: i, erstes, ii, zweite und iii drittes gasförmiges Arbeitsmedium
40: Druckoszillations-Übertragungselement
99, 99': Kaltfläche oder zu kühlendes Objekt
C1, 2: Kompressors 1 oder 2 (der Stufe 1 oder 2)
R1, 2: Reservoir oder Ballastvolumen 1, 2
RV1, 2: Gasflussverteiler in Form eines „Rotary Valve" (Rotationsventil) 1, 2
CP1, 2: Kaltfläche 1, 2
RG1: Regenerator der Stufe 1
RG2H, L: Regenerator der Stufe 2 High, Low
PT1, 2: Pulsrohr 1 oder 2

Claims

Zwei- oder Mehrstufige-Tieftemperaturkühlvorrichtung (20) mit – einem Druckoszillator (1) zur Erzeugung von Druckoszillationen in einem ersten Arbeitsgas, – sowie mit mindestens zwei Pulsrohr-Kühlstufen (30; I, II), wobei jeder der Pulsrohr-Kühlstufen (30; I, II) mindestens einen Regenerator (2, 2') und ein mit dem mindestens einen Regenerator (2, 2') zur Wechselflussgasführung eines zweiten Arbeitsgases verbundenes Pulsrohr (3, 3') aufweist, wobei in jedem Pulsrohr (3, 3') ein kalter Wärmeaustauscher (4a) an einem Ende des Pulsrohres (3) und ein warmer Wärmeaustauscher (4b) am anderen Ende des Pulsrohres (3) vorgesehen ist und das kalte Ende des ersten Pulsrohres (3) zur Vorkühlung der zweiten Pulsrohr-Kühlstufe (30, II) thermisch gekoppelt ist und im Falle von weiteren Kühlstufen, das kalte Ende einer jeden Kühlstufe zur Vorkühlung der nächsten Stufe mit dieser Stufe thermisch gekoppelt ist und das kalte Ende der letzten Kühlstufe mit dem zu kühlenden Objekt (99) thermisch gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung (20) dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens zwei Pulsrohr-Kühlstufen (30; I, II) getrennte, d. h. im Wesentlichen gasdicht zur Vermeidung von Durchmischung im Betrieb, von einander getrennte Wechselfluss-Gasflussführungen (AC-Gasflussführungen) und mindestens zwei der mindestens zwei Pulsrohr-Kühlstufen (30) unterschiedliche Arbeitsgase aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden letzten, im stationären Zustand in den beiden niedrigsten Temperaturbereichen arbeitenden, Kühlstufen in Form eines Pulsrohrkühlers (30) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von mehr als zwei Kühlstufen, in jeder Kühlstufe ein Pulsrohrkühler (30) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den durch Pulsrohrkühler (30) gebildeten Kühlstufen (I, II) auf höherem Temperaturniveau ein Arbeitsgas mit höherem Siedepunkt und in der durch einen Pulsrohrkühler (30) gebildeten Kühlstufe (I, II) auf tieferem Temperaturniveau ein Arbeitsgas mit niedrigerem Siedepunkt als Arbeitsgas vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der letzten Kühlstufe, welche im stationären Betrieb auf der niedrigsten Temperaturstufe Wärme aufnimmt oder sich auf der niedrigsten Temperatur befindet, ³He als Arbeitsgas vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das warme Ende eines oder beider oder jedes Pulsrohres (3, 3') zur Wechselfluss-Gasflussdurchströmung mit einem Ballastvolumen (5) über einen Gasfluss- oder Strömungswiderstand (7, 7'), wie etwa ein Ventil verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das jedem Pulsrohr (3, 3') zugeordnete Ballastvolumen (5) ein eigenes, jeweils mit einer festen Wandung umgebenes Ballastvolumen, oder ein gemeinsames mit fester gemeinsamer Aussenwandung aber elastischer Trennwandung ausgeführtes Ballastvolumen, zur gasdichten Trennung der Arbeitsgase zweier Pulsrohre (3, 3'), vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eines, beide, oder im Falle von mehreren, jedes Pulsrohr (3, 3') im Bereich des warmen Endes über eine eigene Wechselfluss-Gasflussführung mit oder ohne einstellbaren Gasflusswiderstand (6, 6') mit der Hoch- oder Niederdruckseite des Druckoszillators (1) verbunden ausgeführt ist oder sind, zur Erhöhung oder Erniedrigung des Druckes im Bereich des warmen Wärmeaustauschers (4b).
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer, beide oder jeder der mindestens zwei Regeneratoren (2, 2') der Pulsrohr-Kühlerstufen (I, II) über eine eigene Wechselfluss-Gasflussführung mit oder ohne einstellbaren Gasflusswiderstand (6, 6') mit einem eigenem Druckoszillator (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckoszillator (1) ein Kompressor mit Hoch- und Niederdruckanschluss vorgesehen ist und in der Wechselfluss-Gasflussführung zwischen diesen Druckanschlüssen und dem mindestens einen Regenerator (2, 2') eines Pulsrohrkühlers (30) ein Gasflussverteiler (7, 7') in Form eines Rotationsventiles oder eines induktiven Ventils oder eines Schieberventils vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem kalten Ende einer Kühlstufe (I, II) und der nächstfolgenden, im stationären Betrieb auf niedrigerem Temperaturniveau arbeitenden oder befindlichen Kühlstufe (I, II) ein Wärmeschalter (4) vorgesehen ist, um die Abkühlzeit des an der niedrigsten Kühlstufe angeordneten zu kühlenden Objekts (99) zu verkürzen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas für den ersten Pulsrohrkühler (30) ⁴He und für den zweiten, im stationären Betrieb auf niedrigerem Temperaturniveau arbeitenden oder befindlichen, Pulsrohrkühler (30) ³He als Arbeitsgas vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrohre (3, 3') und Regeneratoren (2, 2') im wesentlichen parallel zueinander und zur Richtung der Schwerkraft angeordnet ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrohre (3, 3') und Regeneratoren (2, 2') im wesentlichen fest mechanisch miteinander verbunden ausgeführt sind und zwar am gemeinsamen oberen Ende und am unteren Ende der Pulsrohre (3, 3') und Regeneratoren (2, 2') im Bereich der Mitte der Regeneratoren (2, 2') und Pulsrohre (3, 3') der nächstfolgenden Pulsrohr-Kühlstufe.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Enden der Pulsrohre (3, 3') und/oder Regeneratoren (2, 2') im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (2, 2') der letzten, kältesten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) sich vom oberen Ende der Pulsrohre (3, 3') und Regeneratoren (2, 2') der nächst höheren Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) bis zum kalten Ende des Pulsrohres (2, 2') der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) erstreckend ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das warme Ende des Pulsrohres (3, 3') einer höheren oder der vorletzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) und/oder des kalten Endes des zugeordneten Regenerators (2, 2') über Wärmeleitung mit dem etwa mittleren Bereich des Regenerators (2, 2') der folgenden oder letzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) thermisch gekoppelt ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsrohr (3, 3') der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) im Querschnitt schlanker, aber im Volumen größer als das Pulsrohr (3, 3') der vorletzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrohre (3, 3') ein Volumen-Verhältnis von 2:1 zwischen dem Volumen des Pulsrohrs (3, 3') der vorletzten und der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsohr (3, 3') der vorletzten Stufe einen Durchmesser von 40 mm und eine Länge von 200 mm und damit ein Volumen von 239 cm³ aufweist, während das Pulsrohr (3, 3') der letzten Kühlstufe einen Durchmesser von 20 mm, eine Länge von 385 mm und ein Volumen von 109 cm³ aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (2, 2') der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) rohrförmig und/oder im Querschnitt schlanker, aber im Volumen größer als der rohrförmige und/oder im Volumen kleinere Regenerator (2, 2') der vorletzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) ausgebildet ist, vorzugsweise weist der Regenerator (2, 2') der letzten Stufe etwas weniger als die Hälfte des Volumens des Regenerators (2, 2') der vorletzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) auf, ganz besonders bevorzugt weist der Regenerator (2, 2') der letzten Stufe einen Durchmesser von 30 mm, eine Länge von 180 mm und ein Volumen von 119 cm³ und der Regenerator (2, 2') der vorletzten Stufe einen Durchmesser von 47 mm, eine Länge von 190 mm und ein Volumen von 316 cm³ auf.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (2, 2') der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II) im unteren Bereich mit Pb und/oder seltenen Erden wie ErNi und/oder Er₃Ni und/oder HoCu₂ und/oder GdAlO₃ und/oder Gd₂O₂S gefüllt ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, 6 bis 11 und 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Gase ⁴He, ³He, oder ein vergleichbares Gas oder ein Gemisch aus diesen Gasen in jeder Pulsrohr-Kühlerstufe (I, II), vorzugsweise aus ⁴He und ³He, ganz bevorzugt ein Gemisch mit höherem Anteil von ³He in der letzten Pulsrohr-Kühlerstufe im Vergleich zur vorletzten Pulsrohr-Kühlerstufe als Arbeitsgas vorgesehen ist.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Kühlung eines zu kühlenden Objektes (99), wie einem Halbleiterfunktionselement, einem Supraleiter, einem elektrischen Bauteil oder einem Gastank oder einem Kühlelement, welches durch Strahlung ein weiteres zu kühlendes Bauteil kühlt.