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Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus mehreren Pulse-Tube-Kühlern mit aktiven Phasenschiebern, mit der im Tieftemperaturbereich Kälteleistungen und Wirkungsgrade erreicht werden, die mindestens so hoch sind, wie sie von Stirlingkühlern derselben Leistungsklasse bekannt sind. Die Anwendung der Erfindung bietet sich besonders zur Kryostatierung von hochtemperatur-supraleitenden Kabeln in Motoren und in Generatoren sowie von Fehlerstrombegrenzern an.
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Im Tieftemperaturbereich werden für hohe Kühlleistungen von mehreren hundert Watt bis Kilowatt üblicherweise Stirlingkühler oder Pulse-Tube-Kühler eingesetzt.
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Mit Stirlingkühlern sind zwar prinzipiell höhere Kreisprozesswirkungsgrade erreichbar als mit Pulse-Tube-Kühlern, andererseits führen bei Stirlingkühlern prinzipbedingte Verluste, wie z. B. Reibungs- und Shuttleverluste des Displacers, zu einer Verringerung des Gesamtwirkungsgrads. Bei Pulse-Tube-Kühlern treten derartige Verluste nicht auf.
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Deshalb sind auch mit Pulse-Tube-Kühlern hohe Wirkungsgrade erreichbar, insbesondere dann, wenn es gelingt die üblicherweise eingesetzten passiven Phasenschieber (Orifice-, Double-Inlet-, Inertance-Tube-Prinzip) durch aktive zu ersetzen.
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In
DE 100 51 115 A1 wird ein Pulse-Tube-Kühler offenbart, der einen Kompressions- und Expansionszylinder mit darin geführten Kolben umfasst. Der Kompressions- und der Expansionskolben werden mittels eines Kurbelantriebs mit einer Phasenverschiebung von 55 bis 78 Grad angetrieben; der Kompressionszylinder eilt dem Expansionszylinder voraus. Beim Betrieb des Kühlers wird hierdurch das Reservoir der Pulse-Tube zyklisch variiert (aktiver Phasenschieber), sodass eine genaue Steuerung des Verlaufs des thermodynamischen Kreisprozesses (insbesondere der Phasenverschiebung zwischen Druckwelle und Volumenstrom) möglich ist. Gleichzeitig wird der Kühlerantrieb durch eine phasenrichtige Rückspeisung von der in der Pulse-Tube freiwerdenden Expansionsenergie unterstützt.
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Mit einer Ausführungsform des Kühlers, der für Weltraumanwendungen mit kleineren Kälteleistungen (1,5 W bei 80 K) konzipiert war, konnte eine Leistungszahl von 5% erreicht werden. Dieser Wert wird von Stirlingkühlern derselben Leistungsklasse nicht erreicht. Der Pulse-Tube-Kühler hat jedoch den Nachteil, dass der für den phasenversetzten Antrieb von Kompressions- und Expansionszylinder erforderliche Kurbelantrieb hohe Reibungsverluste (ca. 80% der Gesamtreibungsverluste entfallen allein auf den Kurbelantrieb) verursacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Kryokühler ohne bewegte Teile im kalten Bereich vorzuschlagen, welcher sich durch eine hohe Kälteleistungsdichte und eine hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.
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Ausgegangen wird von einer Anordnung mehrerer Pulse-Tube-Kühler mit aktiven Phasenschiebern. Die einzelnen Pulse-Tube-Kühler bestehen jeweils aus einer kombinierten Verdichter-Expander-Einheit, in der ein Antrieb mittels eines Kompressions- und eines Expansionskolbens eine zueinander phasenverschobene Volumenänderung in einer Kompressions- und einer Expansionskammer bewirkt, einen kalten Wärmetauscher, eine Kompressorleitung, die die Kompressionskammer mit dem Regenerator verbindet, und eine Expanderleitung, die die Expansionskammer mit dem kalten Ende des Pulse-Tubes verbindet. Der Regenerator und das Pulse-Tube sind in Serie geschaltet, der warme Wärmetauscher befindet sich am warmen Ende des Regenerators und der kalte Wärmetauscher ist zwischen dem Regenerator und dem Pulse-Tube angeordnet.
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Nach Maßgabe der Erfindung besteht die Anordnung aus mehreren Pulse-Tube-Kühlern. Jeweils über die Expanderleitung ist das warme Ende des Pulse-Tubes jedes Pulse-Tube-Kühlers mit der Expansionskammer eines anderen Pulse-Tube-Kühlers verbunden. Die Antriebe der Verdichter (Verdichter-Expander-Einheiten) sind Linearantriebe, die einen freischwingenden Kolben antreiben, der beweglich in einer beidseitig geschlossenen, röhrenförmigen Kammer gelagert ist. Durch die eine Seite des Kolbens und den an diesen angrenzenden Abschnitt der röhrenförmigen Kammer wird die Kompressionskammer definiert, durch dessen andere Seite und den daran angrenzenden Abschnitt der röhrenförmigen Kammer wird die Expansionskammer gebildet, d. h. der kombinierte Kolben übernimmt gleichzeitig die Funktion des Kompressions- und Expansionskolbens.
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Bevorzugt is der Compound-Pulse-Tube Kühler aus vier einzelnen Pulse-Tube-Kühlern aufgebaut. Die Antriebe sind, indem sie z. B. an jeweils eine Phase eines 4-Phasen-Spannungsystems angeschlossen sind, derart geschaltet, dass der Kolben des ersten Pulse-Tube-Kühlers bezüglich des Kolbens des zweiten Pulse-Tube-Kühlers, der Kolben des zweiten Pulse-Tube-Kühlers bezüglich des Kolbens des dritten Pulse-Tube-Kühlers, der Kolben des dritten Pulse-Tube-Kühlers bezüglich des Kolbens des vierten Pulse-Tube-Kühlers und der Kolben des vierten Pulse-Tube-Kühlers bezüglich des Kolbens des ersten Pulse-Tube-Kühlers mit einer Phasenverschiebung von 90° bewegt wird.
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Der Compound-Pulse-Tube-Kühler kann alternativ auch aus drei Pulse-Tube-Kühlern bestehen, welche in beschriebener Weise verschaltet sind. Die Phasenverschiebung beträgt dann 120°. Eine solche Anordnung ist gegenüber der Anordnung aus vier Pulse-Tube-Kühlern seitens der Leistungszahl geringfügig ungünstiger. Dieser Compound-Pulse-Tube-Kühler kann jedoch vorteilhafterweise mit Dreiphasen-Wechselspannung mit einer Phasenverschiebung von 120° angetrieben werden.
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Der erfindungsgemäße Compound-Pulse-Tube-Kühler hat, wie auch der bekannte einstufige Pulse-Tube-Kühler mit aktivem Phasenschieber (variiertem Reservoir), gegenüber den herkömmlichen Pulse-Tube-Kühlern mit passiven Phasenschiebern, wie z. B. Inertance-Tube- oder Orifice-Kühlern, drei wesentliche Vorteile.
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Erstens wird bei dem erfindungsgemäßen Pulse-Tube-Kühlersystem am kalten Wärmetauscher aufgenommene Wärme durch Volumenarbeit erzeugt, ein großer Anteil der Volumenarbeit über das Pulse-Tube der Expansionskammer zugeführt und dort in mechanische Arbeit umgewandelt. Hierdurch wird ungefähr 30 bis 40% der eingesetzten Antriebsenergie zurückgewonnen und so der Wirkungsgrad gesteigert. Außerdem kann der Wärmetauscher am warmen Ende der Pulse-Tube eingespart werden.
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Zweitens ermöglicht der aktive Phasenschieber eine optimale Einstellung der Phasenverschiebung zwischen Druckwelle und Volumenstrom, sodass insgesamt weniger Gas zirkulieren muss. Außerdem strömt während der Kompression und der Expansion, da in beiden Phasen ein Teil des Gases zwischen Expansionskammer und Pulse-Tube hin und her bewegt wird, ein geringerer Anteil über den Regenerator, was zur Entlastung des Regenerators beiträgt. Bei gleicher Leistung kann das Volumen des Pulse-Tube um 55% und das des Regenerator sogar um 80% reduziert werden. Entsprechend reduziert sich die Masse des Kaltteils (Regenerator und Pulse-Tube) um circa 65 bis 70%.
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Drittens werden die bei herkömmlichen Pulse-Tube-Kühlern mit passiven Phasenschiebern prinzipbedingt auftretenden, irreversiblen thermodynamischen Vorgänge und die damit verbundenen Energieverluste vermieden.
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Darüber hinaus hat der Compound-Pulse-Tube-Kühler gegenüber dem bekannten einstufigen Pulse-Tube-Kühler mit aktivem Phasenschieber den Vorteil, dass er ohne den reibungsbehafteten Kurbelantrieb realisiert werden kann. Hierdurch wird der Wirkungsgrad weiter erhöht; zudem entfällt ein Bauteil, das starken mechanischem Verschleiß unterworfen ist, während das Kaltteil des erfindungsgemäßen Pulse-Tube-Kühlers ohne bewegliche Teile auskommt. Da der Compound-Pulse-Tube-Kühler drei bzw. vier einzelne Pulse-Tubes umfasst, die alle zur Kühlleistung beitragen, ist es besonders für Anwendungen geeignet, die höhere Kühlleistungen (größer hundert Watt) erfordern.
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In einer bevorzugten Variante ist der Compound-Pulse-Tube-Kühler so aufgebaut, dass sich im Betrieb alle vier Kolben längs einer Achse (uniaxial) bewegen. Aufgrund der speziellen, zueinander phasenverschobenen Betriebsweise der Kolben, heben sich Einzelimpulse der Kolben zu jedem Zeitpunkt praktisch vollständig auf, sodass Vibrationen des Antriebteils minimiert werden. Außerdem ist der Mittelwert der Innendrücke der einzelnen Kaltteile nahezu konstant, sodass nur minimale Vibrationen am Kaltteil auftreten.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Kolben des ersten und des dritten Pulse-Tube-Kühlers sowie die Kolben des zweiten und des vierten Pulse-Tube-Kühlers strukturell zu Kolbeneinheiten zusammengefasst. Jede der beiden Kolbeneinheiten ist nur mit einem Antrieb ausgestattet. Die beiden Antriebe sind derart geschaltet, dass sich beim Betrieb die beiden Kolbeneinheiten jeweils um 90° phasenverschoben zueinander bewegen. Diese Ausführungsform ist kompakter aufgebaut als die Ausführungsform mit vier separaten Kolben. Außerdem werden zwei Antriebe eingespart. Andererseits gleichen sich die Einzelimpulse der Kolben nicht vollständig aus, sodass hier stärkere Vibrationen auftreten.
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Den Anforderungen entsprechend kann der Compound-Pulse-Tube-Kühler entweder in Kompakt- (die Kaltteile und die Verdichter-Expander-Einheiten sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht) oder in Splitbauweise (die Kaltteile und die Verdichter-Expander-Einheiten sind in räumlich voneinander getrennt) ausgeführt werden.
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Zur Erhöhung der Kälteleistung ist es möglich mehrere Compound-Pulse-Tube-Kühler parallel zu schalten; zur Verringerung der erreichbaren Minimaltemperatur können mehrere in Serie geschaltet werden
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Durch Umkehrung des Kreisprozesses kann der erfindungsgemäße Pulse-Tube-Kühler auch vorteilhaft als Wärmekraftmaschine verwendet werden. Hierzu werden die kalten Wärmetauscher zum Erhitzen und die warmen Wärmetauscher zum Kühlen eingesetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen:
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1: den Aufbau eines Pulse-Tube-Kühlers mit aktivem Phasenschieber und Kurbelantrieb (Stand der Technik);
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2: den Aufbau eines Compound-Pulse-Tube-Kühlers mit vier Pulse-Tubes und vier Arbeitszyklen und
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3: den Aufbau eines Compound-Pulse-Tube-Kühlers mit drei Pulse-Tubes und drei Arbeitszyklen.
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Das Funktionsprinzip eines Pulse-Tube-Kühlers 1 mit aktivem Phasenschieber wird im Folgenden am Beispiel der bereits aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung mit Kurbelantrieb 2 (1) erläutert. Der Kühler 1 unterscheidet sich von herkömmlichen Pulse-Tube-Kühlern (Orifice, Double-Inlet, Inertance-Tube) dadurch, dass sich am warmen Ende 4 des Pulse-Tubes 3 statt eines sonst üblichen passiven Phasenschiebers der aktiv variierbare Phasenraum (Expansionskammer 9) befindet.
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Durch zyklische Kompression, Expansion und Translation des Arbeitsgases (Helium oder Neon) wird in vier Arbeitsphasen im Pulse-Tube 3 Kälte erzeugt. Zwar überlagern sich im realen Ablauf die vier Arbeitsphasen, zur besseren Verständlichkeit werden jedoch im Folgenden die thermodynamischen Abläufe während der vier Arbeitsphasen für den vereinfachten Fall, dass sich die Temperaturverteilung im Pulse-Tube 3 und im Regenerator 5 stabil eingestellt hat (thermodynamischer Gleichgewichtszustand), beschrieben.
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Während der Kompression (Phase 1) wird mit Hilfe des Antriebs 6 und des Kurbelantriebs 2 gleichzeitig in der Kompressionskammer 7 der Kompressionskolben 8 und in der Expansionskammer 9 der Expansionskolben 10 in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt. Das Arbeitsgas wird somit aus der Kompressionskammer 7 über die Kompressorleitung 11, in der dem Gas ein großer Teil der Kompressionswärme entzogen wird, durch den Regenerator 5 und den kalten Wärmetauscher 12 in das Pulse-Tube 3 geschoben, und in diesem komprimiert. Dabei nimmt der Regenerator 5 Wärme aus dem Arbeitsgas auf, sodass es sich beim Einströmen in das kalte Ende 13 des Pulse-Tubes 3 auf ungefähr demselben Temperaturniveau wie der kalte Wärmetauscher 12 befindet. Im Pulse-Tube 3 erhöht sich der Druck des Arbeitsgases annähernd adiabatisch; im Bereich des warmen Endes 4 des Pulse-Tubes 3 wird das Arbeitsgas überhitzt.
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Beim „Überschieben bei Hochdruck” (Phase 2) bewegt sich der Kompressionskolben 8 nach wie vor zum oberen Totpunkt, während sich (aufgrund der Phasenverschiebung zwischen den beiden Kolben) der Expansionskolben 10 schon wieder in Richtung des unteren Totpunkts bewegt. Das überhitzte Arbeitsgas wird vom warmen Ende 4 des Pulse-Tubes durch die Expanderleitung 14 annähernd isobar in die Expansionskammer 9 geschoben. Beim Durchströmen durch die Expanderleitung 14 wird dem Arbeitsgas Wärme entzogen und dessen Temperaturüberhöhung weitgehend abgebaut
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Bei der Expansion (Phase 3) bewegen sich sowohl der Kompressionskolben 8 als auch der Expansionskolben 10 zu ihrem unteren Totpunkt. Das Arbeitsgas im Pulse-Tube 3 wird näherungsweise adiabatisch entspannt und kühlt ab. Die ursprüngliche Temperaturüberhöhung des Arbeitsgases, das sich in der Nähe des kalten Endes 4 des Pulse-Tubes 3 befindet, wird vollständig abgebaut. Gleichzeitig wird in der Nähe des kalten Endes 13 die für die Kälteerzeugung erforderliche Unterkühlung des Arbeitsgases erreicht. Ein großer Teil des unterkühlten Arbeitsgases strömt über den kalten Wärmetauscher 12, den Regenerator 5 und die Kompressorleitung 11 in die Kompressionskammer 7 zurück. Dabei wird dem kalten Wärmetauscher 12 vom unterkühlten Arbeitsgas Wärme entzogen und der Regenerator 5 wird teilweise rückgekühlt.
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Während des „Überschiebens bei Niederdruck” (Phase 4) bewegt sich der Kompressionskolben 8 in Richtung des unteren Totpunkts und der Expansionskolben 10 in Richtung des oberen Totpunkts, sodass der restliche Anteil des unterkühlten Arbeitsgases, das noch in der Nähe des kalten Endes 13 des Pulse-Tubes 3 verblieben ist, näherungsweise isobar über den kalten Wärmetauscher 12, den Regenerator 5 und die Kompressorleitung 11 in die Kompressionskammer 7 geschoben wird. Hierdurch wird dem kalten Wärmetauscher 12 weitere Wärme entzogen und der Regenerator 5 vollständig rückgekühlt. Auf diese Phase folgt wieder eine Kompressionsphase (neuer Kreislauf).
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Wie aus 2 ersichtlich, besteht das Pulse-Tube-Kühlersystem aus vier Pulse-Tube-Kühlern 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, wobei das warme Ende 4.1 des ersten Pulse-Tube-Kühlers 1.1 über dessen Expanderleitung 14.1 mit der Expansionskammer 9.2 des zweiten Pulse-Tube-Kühlers 1.2, das warme Ende 4.2 des zweiten Pulse-Tube-Kühlers 1.2 über die Leitung 14.2 mit der Expansionskammer 9.3 des dritten Pulse-Tube-Kühlers 1.3, das warme Ende 4.3 des dritten Pulse-Tube-Kühlers 1.3 ist über die Leitung 14.3 mit der Expansionskammer 9.4 des vierten Pulse-Tube-Kühlers 1.4 und das warme Ende 4.4 des vierten Pulse-Tube-Kühlers 1.4 ist über die Leitung 14.4 mit der Expansionskammer 9.1 des ersten Pulse-Tube-Kühlers 1.1 verbunden ist. Die Linearantriebe 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 werden außerdem mit 4-Phasenstrom angetrieben, sodass jeweils der kombinierte (Expansion und Kompression) Kolben 16.1 bezüglich des Kolbens 16.2, der Kolben 16.2 bezüglich des Kolbens 16.3, der Kolben 16.3 bezüglich des Kolbens 16.4 und der Kolben 16.4 des bezüglich des Kolbens 16.1 mit einer Phasenverschiebung von 90° bewegt wird.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass jeweils durch die Volumenarbeit des vorangehenden Pulse-Tubes 1.1, 1.2, 1.3 der Antrieb 6.1, 6.2, 6.3 des jeweils nachfolgenden Pulse-Tubes 1.1, 1.2, 1.3 bzw. durch die Volumenarbeit des letzten Pulse-Tubes 1.4 der Antrieb 6.1 des ersten Pulse-Tubes 1.1 unterstützt wird. Durch diese Ringschaltung der vier Pulse-Tubes 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 wird, da die Phasendifferenz zwischen Druckwelle und Volumenstrom in den Pulse-Tubes 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 jeweils 90° beträgt, eine optimale Ausnutzung der Volumenarbeiten erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pulse-Tube-Kühler
- 1.1
- Pulse-Tube-Kühler (erste Stufe)
- 1.2
- Pulse-Tube-Kühler (zweite Stufe)
- 1.3
- Pulse-Tube-Kühler (dritte Stufe)
- 1.4
- Pulse-Tube-Kühler (vierte Stufe)
- 2
- Kurbelantrieb
- 3
- Pulse-Tube
- 3.1
- Pulse-Tube (erste Stufe)
- 3.2
- Pulse-Tube (zweite Stufe)
- 3.3
- Pulse-Tube (dritte Stufe)
- 3.4
- Pulse-Tube (vierte Stufe)
- 4
- warmes Endes der Pulse-Tube
- 4.1
- warmes Endes der Pulse-Tube (erste Stufe)
- 4.2
- warmes Endes der Pulse-Tube (zweite Stufe)
- 4.3
- warmes Endes der Pulse-Tube (dritte Stufe)
- 4.4
- warmes Endes der Pulse-Tube (vierte Stufe)
- 5
- Regenerator
- 5.1
- Regenerator (erste Stufe)
- 5.2
- Regenerator (zweite Stufe)
- 5.3
- Regenerator (dritte Stufe)
- 5.4
- Regenerator (vierte Stufe)
- 6
- Antrieb
- 6.1
- Antrieb (erste Stufe)
- 6.2
- Antrieb (zweite Stufe)
- 6.3
- Antrieb (dritte Stufe)
- 6.4
- Antrieb (vierte Stufe)
- 7
- Kompressionskammer
- 7.1
- Kompressionskammer (erste Stufe)
- 7.2
- Kompressionskammer (zweite Stufe)
- 7.3
- Kompressionskammer (dritte Stufe)
- 7.4
- Kompressionskammer (vierte Stufe)
- 8
- Kompressionskolben
- 9
- Expansionskammer
- 9.1
- Expansionskammer (erste Stufe)
- 9.2
- Expansionskammer (zweite Stufe)
- 9.3
- Expansionskammer (dritte Stufe)
- 9.4
- Expansionskammer (vierte Stufe)
- 10
- Expansionskolben
- 11
- Kompressorleitung
- 11.1
- Kompressorleitung (erste Stufe)
- 11.2
- Kompressorleitung (zweite Stufe)
- 11.3
- Kompressorleitung (dritte Stufe)
- 11.4
- Kompressorleitung (vierte Stufe)
- 12
- kalter Wärmetauscher
- 12.1
- kalter Wärmetauscher (erste Stufe)
- 12.2
- kalter Wärmetauscher (zweite Stufe)
- 12.3
- kalter Wärmetauscher (dritte Stufe)
- 12.4
- kalter Wärmetauscher (vierte Stufe)
- 13
- kaltes Endes der Pulse-Tube
- 13.1
- kaltes Endes der Pulse-Tube (erste Stufe)
- 13.2
- kaltes Endes der Pulse-Tube (zweite Stufe)
- 13.3
- kaltes Endes der Pulse-Tube (dritte Stufe)
- 13.4
- kaltes Endes der Pulse-Tube (vierte Stufe)
- 14
- Expanderleitung
- 14.1
- Expanderleitung (erste Stufe)
- 14.2
- Expanderleitung (zweite Stufe)
- 14.3
- Expanderleitung (dritte Stufe)
- 14.4
- Expanderleitung (vierte Stufe)
- 15
- Verdichter-Expander-Einheit
- 15.1
- Verdichter-Expander-Einheit (erste Stufe)
- 15.2
- Verdichter-Expander-Einheit (zweite Stufe)
- 15.3
- Verdichter-Expander-Einheit (dritte Stufe)
- 15.4
- Verdichter-Expander-Einheit (vierte Stufe)
- 16.1
- kombinierter Kolben (erste Stufe)
- 16.2
- kombinierter Kolben (zweite Stufe)
- 16.3
- kombinierter Kolben (dritte Stufe)
- 16.4
- kombinierter Kolben (vierte Stufe)
- 17.1
- warmer Wärmetauscher (erste Stufe)
- 17.2
- warmer Wärmetauscher (zweite Stufe)
- 17.3
- warmer Wärmetauscher (dritte Stufe)
- 17.4
- warmer Wärmetauscher (vierte Stufe)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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