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Die
Erfindung betrifft einen Regenerator, der mit wenigstens einem Hohlkörper gefüllt ist,
welcher mit einem kryogenen Gas als einem Material hoher Wärmekapazität gefüllt ist,
um ein pulsierend durchströmendes
Arbeitsgas durch Wärmeaustausch
abzukühlen
oder zu erwärmen.
Ein entsprechender Regenerator ist
DE 103 18 510 A1 zu entnehmen.
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Regeneratoren
für kryogene
Refrigeratoren kommen unter anderem in der Medizintechnik zum Einsatz.
Bei der Magnetresonanztomographie werden supraleitende Magnete eingesetzt,
welche typischerweise durch Kontakt mit flüssigem Helium (LHe) auf Betriebstemperatur
gehalten werden. Die dabei anfallenden Verluste führen zu
einer Verdampfung von LHe, so dass in regelmäßigen Abständen (typischerweise mehrere
Monate) LHe nachgefüllt werden
muss. Inzwischen stehen Kältemaschinen zur
Rekondensation des verdampften Heliums zur Verfügung, welche nach dem Stirling-,
dem Gifford-McMahon- oder dem Pulsröhrenprinzip arbeiten. Dabei
werden Pulsröhrenkühler bevorzugt,
da sie keinen bewegten Verdrängerkolben
im Kaltteil besitzen. Bei den genannten Kältemaschinen wird durch eine
periodische Druckänderung
eine Verschiebung des Arbeitsgases in einem Zylinder mit Wärmetauschern
an beiden Enden erzeugt. Dabei dient der Regenerator als Wärmezwischenspeicher,
welcher das vom Druckoszillator einströmende Gas vor dem Entspannen
abkühlt
und das ausströmende
Gas anschließend
wieder erwärmt.
Der Regenerator muss daher mit einem Material hoher Wärmekapazität gefüllt werden,
das einen guten Wärmeaustausch
mit dem durchströmenden
Arbeitsgas aufweist.
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Derzeit
eingesetzte Regeneratoren sind mit Bleischrot gefüllt, das
in bestimmten Temperaturbereichen eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität besitzt.
Allerdings werden inzwischen sehr niedrige Temperaturen angestrebt,
bis zu unter 15 K. Bei diesen niedrigen Temperaturen besitzt Blei
und die meisten anderen Feststoffe eine deutlich kleinere Wärmekapa zität pro Volumen
als das Arbeitsgas, das etwa einen Druck von 18 bar besitzt, wobei
vorzugsweise Helium als Arbeitsgas eingesetzt wird. Es ist daher
nicht möglich,
Blei oder andere Feststoffe als Regeneratormaterial für kryogene
Refrigeratoren einzusetzen.
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Es
ist daher üblich,
Verbindungen mit Seltenen Erden zu verwenden, die durch Ummagnetisierungseffekte
bei den niedrigen Temperaturen vergleichsweise hohe Wärmekapazitäten besitzen.
Allerdings sind diese Materialien sehr teuer und besitzen die geforderte
erhöhte
Wärmekapazität nur über einen
sehr kleinen Temperaturbereich.
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Aus
der
US 4 835 973 ist
ein Regenerator bekannt, bei dem, adsorbiertes Helium verwendet wird,
das sich auf der Oberfläche
von Aktivkohle ablagern soll. Dazu wird allerdings ein spezielles
Polymer benötigt,
das eine chemische Verbindung mit der Aktivkohle eingeht.
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Ein
kryogener Refrigerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1 ist aus der
DE 103
18 510 A1 zu entnehmen.
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Er
weist einen Satz schüttbaren
Hohlkörper auf,
in denen sich jeweils gasdicht eine Füllung aus einem tiefsiedenden
Gas wie Helium befindet. Dabei soll die Heliumfüllung bei einer Betriebstemperatur von
4 K einen Druck von mehr als 0,5 bar aufweisen.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Regenerator mit den
eingangs genannten Merkmalen für
einen kryogenen Refrigerator anzugeben, der bei der niedrigen Betriebstemperaturen
einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt und der zudem kostengünstig herstellbar
ist.
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Zur
Lösung
dieses Problems sind erfindungsgemäß die in Anspruch 1 angegebenen
Merkmale vorgesehen. Dementsprechend soll der Druck des kryogenen
Gases in dem wenigstens einen Hohlkörper bei der Betriebstemperatur
derart eingestellt sein, dass die spezifische Wärmekapazität zumindest weitgehend maximal
ist. Dabei sollen Abweichungen von höchstens ± 20 %, insbesondere von höchstens ± 10% gegenüber dem
theoretischen Maximalwert mit vom Schutzumfang eingeschlossen sein.
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Die
Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, dass bestimmte kryogene
Gase bei einem bestimmten Druck wesentlich höhere Wärmekapazitäten besitzen als die bisher
verwendeten Regeneratormaterialien. Da meist Helium als Arbeitsgas
benutzt wird, kommen erfindungsgemäß mit einem kryogenen Gas gefüllte Hohlkörper zum
Einsatz, wobei das kryogene Gas eine höhere Wärmekapazität als Helium bei Arbeitsdruck
besitzt, der typischerweise im Mittel 18 bar beträgt. Dabei
wurde erkannt, dass die beim Stand der Technik gewählten Druckverhältnisse
nicht optimal sind im Hinblick auf die bei der tiefen Betriebstemperatur
nutzbare Wärmekapazität.
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Erfindungsgemäß kann das
kryogene Gas Helium und/oder Neon und/oder Wasserstoff und/oder
Argon oder eine Mischung dieser Gase sein. Von den verschiedenen
kryogenen Gasen wird Helium bevorzugt, da dann für das Arbeitsgas und die Hohlkörper lediglich
ein einziges kryogenes Gas bereitgestellt werden muss.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
der erfindungsgemäße Regenerator
eine Mehrzahl von gasgefüllten Hohlkörpern enthält. Diese
können ähnlich wie
Bleikugeln in den Generator eingebracht werden, so dass die Oberfläche der
Hohlkörper
von dem Arbeitsgas überströmt wird.
Da das Volumen der gasgefüllten
Hohlkörper
bei Temperaturänderungen
konstant bleibt, wird es bevorzugt, dass der Druck des kryogenen
Gases beim Befüllen
eines Hohlkörpers
so gewählt
wird, dass bei Betriebstemperatur ein Druck herrscht, bei dem die
spezifische Wärmekapazität des kryogenen
Gases maximal ist. Der gewünschte Druck
bei der niedrigen Arbeitstemperatur kann auf diese Weise durch Befül len des
Hohlkörpers
bei Umgebungstemperatur mit dem erhöhten Druck eingestellt werden.
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Eine
weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Regenerators kann erzielt
werden, wenn sich das kryogene Gas bei Betriebstemperatur im Phasengleichgewicht
befindet. Wenn sich das Gas im Phasengleichgewichtszustand befindet,
liegt entweder Siedegleichgewicht oder Schmelzgleichgewicht vor.
Die latente Wärme
kann dann zusätzlich zur
Wärmeaufnahme
genutzt werden. Durch die Nutzung der latenten Wärme kann das Maximum der temperaturabhängigen Wärmekapazität an die
jeweils im Regenerator vorliegende Temperatur angepasst werden.
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Wenn
Helium als kryogenes Gas benutzt wird, ist die Ausnutzung der latenten
Wärme unterhalb
der kritischen Temperatur möglich,
die bei Helium bei 5,19 K liegt.
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Der
erfindungsgemäße Regenerator
zeichnet sich insbesondere durch beträchtlich verringerte Herstellungskosten
aus, da auf die sehr teuren Regeneratormaterialien aus Seltenen
Erden verzichtet werden kann, die die Kosten eines Pulsrohrkühlers für 4 K wesentlich
mitbestimmen.
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Als
weiterer Vorteil ist anzuführen,
dass mit dem erfindungsgemäßen Regenerator
deutlich höhere
Wärmekapazitäten im Vergleich
zu bekannten Materialien möglich
sind, so dass der erfindungsgemäße Regenerator
einen höheren
Wirkungsgrad besitzt. Für
die Anwendung ist es zudem besonders günstig, dass die höheren Wärmekapazitäten über einen
größeren Temperaturbereich
erzielt und genutzt werden können.
Schließlich
ermöglicht
es der erfindungsgemäße Regenerator,
noch tiefere Temperaturen als mit bisherigen Regeneratoren zu erreichen.
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Die
Hohlkörper
des erfindungsgemäßen Regenerators
können
kugelförmig
ausgebildet sein, in diesem Fall können die Kugeln einfach in
das Regeneratorgehäuse
geschüttet
werden, wobei das Arbeitsgas durch die Zwischenräume strömen kann. Alterna tiv können die
Hohlkörper
zylinderförmig
ausgebildet sein, so dass das Arbeitsgas analog durch die Zwischenräume zwischen
den einzelnen Zylindern strömen
kann. Für
die Ummantelung eines Hohlkörpers
kommt vorzugsweise ein Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit
zur Anwendung, besonders bevorzugt wird Blei oder eine Bleilegierung.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es jedoch auch vorgesehen
sein, dass keine Mehrzahl von gasgefüllten Hohlkörpern verwendet wird, sondern
dass der Regenerator eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, die
von dem Arbeitsgas durchströmbar
sind, wobei die zwischen den Ausnehmungen liegenden Regeneratorabschnitte
mit dem kryogenen Gas gefüllt
sind. Bei dieser Variante existiert vorzugsweise nur ein einziger
mit dem kryogenen Gas gefüllter
Hohlkörper,
der beispielsweise erzeugt werden kann, indem das Regeneratorgehäuse mit
einem Bündel
von für
das Arbeitsgas durchlässigen
Röhren
gefüllt
wird und die jeweiligen Rohrzwischenräume an beiden Endabschnitten
des Regeneratorgehäuses
verschlossen werden.
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Eine
noch bessere Funktion und ein genaueres Einstellen des benötigten Drucks
des kryogenen Gases lässt
sich erzielen, wenn der Abschnitt beziehungsweise die mit dem kryogenen
Gas gefüllten
Abschnitte an ein Puffervolumen angeschlossen sind. Vorzugsweise
ist das Puffervolumen an einer Füll- und/oder
Druckregelvorrichtung angeschlossen. Bei dieser Ausgestaltung der
Erfindung wird das kryogene Gas mit einem konstanten Druck beaufschlagt,
da das Puffervolumen durch das Arbeitsgas induzierte Druckschwankungen
ausgleicht. Diese Variante weist den Vorteil auf, dass die Wärmekapazität des kryogenen
Gases, insbesondere von Helium, bei konstantem Druck (cp)
wesentlich höher
als die Wärmekapazität bei konstantem
Volumen (cv) ist. Es ist daher möglich, eine
noch höhere
Wärmeübertragung zwischen
dem Regenerator und dem durchströmenden
Arbeitsgas zu erreichen, was in einer Wirkungsgradsteigerung des
Pulsröhrenkühlers resultiert.
Da sowohl die Füll-
und/oder Druckre gelvorrichtung als auch das Puffervolumen näherungsweise
Umgebungstemperatur besitzen, ergeben sich Vorteile hinsichtlich
des Aufbaus der Kältemaschine.
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Gemäß einer
dritten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass
der wenigstens eine Hohlkörper
ein federndes Element aufweist, dessen Federkonstante so gewählt ist,
dass der Druck im Inneren des Hohlkörpers näherungsweise konstant ist.
Diese Variante der Erfindung zeichnet sich durch einen besonders
einfachen Aufbau aus, da keine separate Füllund/oder Druckregelvorrichtung
benötigt
wird. Da der Druck in dem Hohlkörper durch
das federnde Element konstant gehalten wird, können die hohen Wärmekapazitäten bei
konstantem Druck vorteilhaft genutzt werden. Bei dieser Variante
wird es bevorzugt, dass das federnde Element als Membran ausgebildet
ist.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind
schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein
Diagramm, das qualitativ den Verlauf der Wärmekapazität in Abhängigkeit der Temperatur für Helium
und verschiedene Feststoffe zeigt;
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2 einen
Querschnitt durch einen mit Hohlkörpern gefüllten Regenerator gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3a einen
kugelförmigen
Hohlkörper;
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3b die
Herstellung von Hohlkörpern
mit einem festgelegten Innendruck;
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4a einen
Regenerator, der ein vom Arbeitsgas durchströmbares Rohrbündel aufweist
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4b einen
Schnitt entlang der Linie IV – IV von 4a;
und
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5 den
Regenerator von 4a, der an ein Puffervolumen
angeschlossen ist.
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Das
Diagramm von 1 zeigt den Verlauf der Wärmekapazität in Abhängigkeit
der Temperatur für
Helium und verschiedene Feststoffe.
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Die
Kurve K1 zeigt den Verlauf der Wärmekapazität für das Arbeitsgas
Helium bei einem Druck von 18 bar. Die Kurve K2 zeigt den Verlauf
für Blei. Aus
diesen Kurven ergibt sich, dass die Wärmekapazität von Blei unterhalb einer
Temperatur von etwa 15 K geringer als diejenige von Helium ist.
Aus diesem Grund scheidet Blei als Regeneratormaterial für kryogene
Refrigeratoren aus.
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Kurve
K3 zeigt zum Vergleich den Verlauf der Wärmekapazität für die Verbindung ErNi aus Seltenen
Erden, deren Wärmekapazität bei etwa
10 K ein ausgeprägtes
Maximum besitzt. Es ist jedoch nachteilig, dass dieses Maximum nur
in dem dargestellten begrenzten Temperaturbereich vorliegt, zudem
ist diese Verbindung vergleichsweise teuer.
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Kurve
K4 zeigt das in dem Ausführungsbeispiel
verwendete kryogene Gas Helium, wobei der Verlauf der Wärmekapazität in Abhängigkeit
des Drucks und der Temperatur mit cv berechnet
wurde. Diese Kurve gilt daher für
Helium bei konstantem Volumen. Es ist erkennbar, dass das Maximum
bei einem verhältnismäßig geringen
Druck von 0,22 bar erreicht wird. D.h.; ein Druckbereich von ± 20 %,vorzugsweise
von ± 10
% um das Maximum herum ist als besonders günstig im Hinblick auf eine
op timale Ausnutzung der Wärmekapazität zu betrachten.
Dieser Wert liegt deutlich niedriger als die beim Stand der Technik üblicherweise
gewählten
Werte. Ferner ist festzustellen, dass die maximale Wärmekapazität bei einer
geringeren Temperatur im Vergleich zu der Verbindung gemäß Kurve
K3 auftritt. Ferner ist es wesentlich kostengünstiger, Helium anstelle der
Verbindung ErNi zu verwenden.
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Kurve
K5 zeigt den Verlauf der Wärmekapazität für Helium
in Abhängigkeit
von Druck und Temperatur, wobei diese Kurve mit der Wärmekapazität cp für
konstanten Druck berechnet wurde. Aus dem Diagramm ist ersichtlich,
dass die maximal erreichbare Wärmekapazität wesentlich
höher als
diejenige der im Stand der Technik verwendeten Materialien gemäß Kurve
K3 ist, so dass der nach diesem Prinzip arbeitende Regenerator einen
höheren
Wirkungsgrad aufweist.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch einen mit Hohlkörpern gefüllten Regenerator gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Im
Inneren des Gehäuses 1 des
Regenerators 2 befindet sich eine Vielzahl von Hohlkörpern 3, die
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
kugelförmig
ausgebildet sind. Der Regenerator 2 ist Teil eines Pulsröhrenkühlers, zur
Kühlung
eines supraleitenden Magneten eingesetzt wird. Da der Aufbau derartiger
Pulsröhrenkühler bekannt
ist, ist auf die Darstellung der mit dem Regenerator 2 verbundenen Bauteile
verzichtet worden.
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Der
Regenerator 2 wird von einem Arbeitsgas, das in diesem
Fall aus Helium besteht, pulsierend durchströmt, was in 2 durch
den Doppelpfeil 4 angedeutet wird. Die pulsierenden Druckänderungen
werden durch einen Druckoszillator erzeugt und bewirken, dass das
Arbeitsgas vor dem Eintritt in das Pulsrohr abgekühlt und
anschließend
das ausströmende
Gas wieder auf Raumtemperatur erwärmt wird. Dabei kann das Arbeits gas
durch die Zwischenräume
zwischen den Hohlkörpern 3 strömen.
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3a zeigt
einen kugelförmigen
Hohlkörper.
Der Hohlkörper 3 besitzt
einen Mantel 5, der aus einem Material mit hoher Wärmekapazität wie eine Bleilegierung
hergestellt ist. Im Inneren des Hohlkörpers 3 befindet sich
ein kryogenes Gas, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird Helium 6 benutzt.
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Bei
der Herstellung der Hohlkörper 3 kommt es
darauf an, dass das Heliumgas 6 einen festgelegten Druck
besitzt. Dieser Druck muss so gewählt werden, dass nach der Abkühlung auf
die Arbeits- oder Betriebstemperatur derjenige Druck vorhanden ist, bei
dem die Wärmekapazität des eingeschlossenen kryogenen
Gases Helium 6 maximal ist, zumindest sollte der resultierende
Druck im Bereich des Maximums der Kurve K4 von 1 liegen.
Bei der Herstellung der Hohlkörper 3 ist
es daher erforderlich, sowohl den Innendruck als auch die Temperatur
des kryogenen Gases zu beachten, da beide Größen den resultierenden Druck
bei Arbeitstemperatur des Regenerators beeinflussen.
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Um
die Wirksamkeit dieses Prinzips weiter zu verbessern, wird der Druck
in dem Hohlkörper 3 beim
Befüllen
so gewählt,
dass durch die latente Wärme
zusätzliche
Wärme aufnehmbar
ist.
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Dies
setzt voraus, dass das kryogene Gas bei Betriebstemperatur im Phasengleichgewichtszustand
vorliegt, wobei entweder Siedegleichgewicht oder Schmelzgleichgewicht
herrschen kann. Zudem lässt
sich in diesem Fall das Maximum der Wärmekapazität an die jeweils im Regenerator
vorliegende Temperatur anpassen.
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3b zeigt
die Herstellung von Hohlkörpern
mit einem festgelegten Innendruck.
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Es
wurde bereits erwähnt,
dass es entscheidend darauf ankommt, dass der benötigte Innendruck
beim Befüllen
möglichst exakt
eingehalten wird. Es ist daher möglich,
einen zylinderförmigen Hohlkörper 7 durch
abschnittsweises Quetschen und Abtrennen eines mit Helium 6 gefüllten Rohres 8 herzustellen.
Auf diese Weise lassen sich beliebig viele Hohlkörper 7 mit identischem
Innendruck herstellen.
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4a zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel,
bei dem der Regenerator ein vom Arbeitsgas durchströmbares Rohrbündel aufweist.
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Der
Regenerator 9 besteht im Wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse 10,
das mit einer Vielzahl von Einzelrohren 11 gefüllt ist.
Die Rohre 11 sind beidseitig offen, so dass das Arbeitsgas
den Regenerator 9 in Rohrlängsrichtung alternierend durchströmen kann,
was durch den Doppelpfeil 12 angedeutet wird.
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Die
Zwischenräume
zwischen den einzelnen Rohren 11 sind auf der Oberseite
und der Unterseite des Regenerators 9 durch Abdeckungen 13 verschlossen,
wobei die obere Abdeckung 13 in 4a teilweise
geschnitten dargestellt ist. Von oben betrachtet besitzt die Abdeckung 13 daher
eine Vielzahl von kreisförmigen Öffnungen,
durch die das Arbeitsgas Helium zur Wärmeübertragung strömen kann.
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4b ist
ein Schnitt entlang der Linie IV – IV von 4a und
zeigt die parallelen Rohre 11, durch die die pulsierende
Strömung
des Arbeitsgases geführt
wird. Die Zwischenräume
des aus den einzelnen Rohren 11 gebildeten Rohrbündels bilden im
Inneren des Gehäuses 10 einen
einzigen, zusammenhängenden
Hohlkörper,
der mit dem kryogenen Arbeitsgas Helium gefüllt ist.
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5 zeigt
den Regenerator von 4a der an ein Puffervolumen
angeschlossen ist.
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Der
Regenerator 9, dessen Aufbau vollständig demjenigen des in 4a dargestellten
Regenerators 9 entspricht, ist über eine Verbindungsleitung 14 mit
einem Puffervolumen 15 verbunden. Das Puffervolumen 15 ist
wesentlich größer als
das Volumen des Hohlkörpers
innerhalb des Regenerators 9, so dass sich Druckänderungen,
die durch Wärmeaufnahme
verursacht werden, nicht auf den Innendruck in dem Hohlkörper des
Regenerators 9 auswirken. Daraus resultiert, dass der Druck
in den Zwischenräumen
zwischen den Rohren 11 konstant bleibt und sich somit die
Wärmekapazität der Füllung dem
höheren
Stoffwert cp nähert. Um den Innendruck in
dem Puffervolumen 15 zu steuern oder zu regeln und um das
Puffervolumen und den Hohlraum innerhalb des Regenerators 9 erstmalig
zu befüllen,
ist das Puffervolumen 15 über eine Verbindungsleitung 16 an
eine Füll-
und/oder Druckregelvorrichtung 17 angeschlossen. Das Puffervolumen 15 und
die Druckregelvorrichtung 17 besitzen Umgebungstemperatur.