DE102017203506A1

DE102017203506A1 - Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Regenerators sowie einen Kryo-Kühler mit einem solchen Regenerator

Info

Publication number: DE102017203506A1
Application number: DE102017203506.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Höhne
Original assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Current assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-06-14
Also published as: DE202016106860U1; JP2022084912A; US20190323737A1; EP3551947B1; CN110050161B; US11333406B2; CN110050161A; US20220057114A9; WO2018104410A1; JP2019536972A; EP3551947A1

Abstract

Periodisch betriebene Kryo-Kühler, wie z. B. Stirling-, Gifford-McMahon- und Pulsrohr-Kühler werden regeneratorisch betrieben. D. h. man nutzt die Wärmekapazität eines Materials aus, um die Kälte zu speichern bzw. um warmes Gas beim Eintritt in die Expansionskammer vor zu kühlen. Ein Problem hierbei ist, dass bei Temperaturen im Bereich 2K bis 20K die Wärmekapazität fast aller Materialien stark abnimmt. Damit ist es sehr schwer, Materialien zu finden, die in diesem Bereich eine ausreichend hohe Wärmekapazität aufweisen. Helium wird häufig als Arbeitsgas bei Kryo-Kühler eingesetzt. Helium besitzt in dem Temperaturbereich von 2K bis 20K eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität, die der Wärmekapazität von seltenen Erdverbindungen in diesem Temperaturbereich gleich kommt. Daher wird Helium als Regenerator-Material eingesetzt. Der Regenerator besteht im einfachsten Fall aus einer hohlen Zelle mit Wärme leitenden Zellwänden. Der Hohlraum ist mit Helium gefüllt und ist über eine Druckausgleichsöffnung mit Außenseite der Zelle verbunden. Das Arbeitsgas, in der Regel auch Helium, umströmt die dosenförmige Zelle, wodurch über die Zellwände ein Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsgas Helium außerhalb des Hohlraums und dem Helium innerhalb des Hohlraums stattfindet. Die Größe der Zelle(n) in Relation zu der Größe des Strömungskanals des Arbeitsgases ist so gewählt, dass sich zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Regenerators die gewünschten Druckdifferenzen bei einem möglichst geringen Totvolumen einstellen. Die Zellwände der Zelle weisen eine sehr geringe Wandstärke auf, sodass der gewünschte Wärmeaustausch erfolgen kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas gemäß Anspruch 1, Verfahren zur Herstellung eines solchen Regenerators nach Anspruch 25 und 26 sowie einen mit einem solchen Regenerator versehenen Kryo-Kühler nach Anspruch 27.
Periodisch betriebene Kryo-Kühler, wie z. B. Stirling-, Gifford-McMahon- und Pulsrohr-Kühler werden regeneratorisch betrieben. D. h. man nutzt die Wärmekapazität eines Materials aus, um die Kälte zu speichern bzw. um warmes Gas beim Eintritt in die Expansionskammer vor zu kühlen. Ein Problem hierbei ist, dass bei Temperaturen im Bereich 2K bis 20K die Wärmekapazität fast aller Materialien stark abnimmt. Damit ist es sehr schwer, Materialien zu finden, die im Bereich zwischen 2K und 20K eine ausreichend hohe Wärmekapazität aufweisen. 10 zeigt den typischen Aufbau eines zweistufigen Pulsröhrenkühlers mit einer ersten Kaltstufe 20 bis ca. 30K und einer zweiten Kaltstufe 22 bis ca. 2K. Die erste Kaltstufe 220 umfasst ein erstes Pulsrohr 224 einen ersten Regenerator 226. Die zweite Kaltstufe 222 umfasst ein zweites Pulsrohr 228 und einen zweiten Regenerator 230 gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit der ersten Kaltstufe 220 werden ca. 30K und mit der zweiten Kaltstufe 222 werden ca. 4K erreicht. Das erste Pulsrohr 224, der erste Regenerator 226 und das zweite Pulsrohr 228 enden in einem Verbindungsmittel 232, der die Umgebung von dem zu kühlenden Bereich trennt. Über Arbeitsgasleitungen 234 wird von einer nicht dargestellten Pumpe pulsierend Arbeitsgas zu- und abgeführt. Die Arbeitsgasleitungen 234 münden in den ersten Regenerator 226 und über Ventile 236 besteht eine Verbindung mit dem ersten Pulsrohr 224 und dem zweiten Pulsrohr 228 sowie mit Balastvolumen 238. Der zweite Regenerator 230 in der zweiten Kaltstufe 222 besteht aus einem ersten Regeneratorabschnitt 240 und aus einem Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt 242. Der erste Regeneratorabschnitt 240 besteht aus übereinanderliegenden Metallsieben 244 - siehe 11. Der Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt 242 enthält seltene Erdverbindungen, z. B. ErNi, HoCu₂ und dergleichen. Der Aufbau des zweiten Regenerators 230 ist schematisch in 11 dargestellt. Seltene Erdverbindungen sind relativ teuer. Weiterhin werden diese Materialen in Form von Kügelchen 46 (100 bis mehrere 100 Mikrometer Durchmesser) eingesetzt. Ein Problem hierbei ist die Fixierung der Kugeln im oszillierenden Fluss des Arbeitsgases, da jede Art von Bewegung zum Abrieb und damit Staub führt, welche die Lebensdauer der Kryo-Kühler drastisch reduziert. Darüber hinaus bedingen Kugelschüttungen gemäß 11 ein erhebliches Totvolumen, das nicht zum Wärmetausch beiträgt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen im Vergleich zu Regeneratoren mit seltenen Erdverbindungen kostengünstigen Regenerator anzugeben, der im Temperaturbereich von 2 bis 20K eine vergleichbare Wärmekapazität und ein geringeres Totvolumen aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1.
Helium wird häufig als Arbeitsgas bei Kryo-Kühler eingesetzt. Helium besitzt in dem Temperaturbereich von 2K bis 20K eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität, die der Wärmekapazität von seltenen Erdverbindungen in diesem Temperaturbereich gleich kommt. Daher wird Helium als Regenerator-Material eingesetzt. Es wurde bereits angedacht, Kügelchen mit Helium zu füllen und diese anstelle der Kügelchen mit seltenen Erdverbindungen in Regeneratoren im Tieftemperaturbereich einzusetzen. Diese Grundidee hat bis jetzt zu keinem fertigen Produkt geführt. Darüber hinaus würden diese Kügelchen wieder zu Abrieb führen, was die Einsatzdauer des Kryo-Kühlers verringert.
Der Regenerator besteht im einfachsten Fall aus einer hohlen Zelle mit Wärme leitenden Zellwänden. Der Hohlraum ist mit Helium gefüllt und ist über eine Druckausgleichsöffnung mit Außenseite der Zelle verbunden. Das Arbeitsgas, in der Regel auch Helium, umströmt die dosenförmige Zelle, wodurch über die Zellwände ein Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsgas Helium außerhalb des Hohlraums und dem Helium innerhalb des Hohlraums stattfindet. Die Größe der Zelle(n) in Relation zu der Größe des Strömungskanals des Arbeitsgases ist so gewählt, dass sich zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Regenerators die gewünschten Druckdifferenzen bei einem möglichst geringen Totvolumen einstellen. Die Zellwände der Zelle weisen eine sehr geringe Wandstärke auf, sodass der gewünschte Wärmeaustausch erfolgen kann. Das Verhältnis von Volumen des oder der Hohlräume zu Öffnungsfläche bzw. Ausströmwiderstand der Druckausgleichsöffnung ist so gewählt, dass sich der Druck im Hohlraum oder in den Hohlräumen im Arbeitsfrequenzbereich des Kühlerbetriebs (ca. 1 bis 60 Hz) kaum oder zumindest nur wenig ändert. Diese Funktionsweise ist vergleichbar mit einem Kondensator bei hohen Frequenzen - dieser bekommt von der Änderung der Spannung quasi nichts mit, wenn die Kapazität hoch genug ist und die Spannungsänderung gering. Im typischen Anwendungsfall würde der Druck in der Zelle immer um den Mitteldruck des Kühlsystems, typischer Weise ca. 16 bar, schwanken. Der stabile Druck ist deshalb wichtig, da ansonsten das Volumen des oder der Hohlräume einen großen Beitrag zum „Totvolumen“ wäre, wenn dessen Druck bei jeder Periode zwischen z. B. 8 und 24 bar schwanken würde, ohne dass es zur Kühlung beiträgt. Die Öffnungsfläche bzw. der Ausströmwiderstand der Druckausgleichsöffnung ist so gewählt, dass unmittelbar vor Inbetriebnahme des Regenerators aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse Helium in den oder die Hohlräume eindringt. Durch den hohen Ausströmwiderstand der Druckausgleichsöffnung ergibt sich der vorstehend erläuterte „Kondensator-Effekt“ während der Druckschwankungen im Bereich des Regenerators mit der Arbeitsfrequenz eines Kühlers. Ohne Druckausgleichsöffnung müssten die Hohlräume in der Zelle vorab mit Helium befüllt werden, was aufgrund der Drücke im Bereich von 16 bar erheblich dickere Zellwände bedingen würde, was wiederum zu einem erheblich höheren Wärmedurchgangswiderstand der Zellwände führen würde. Durch die dickeren Zellwände würde einen Wärmedurchgangswiderstand der Zellwände so hoch, dass im Arbeitsfrequenzbereich von Kryo-Kühlern kaum mehr zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas Helium und dem Helium im Inneren des oder der Hohlräume kommen würde.
Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird die Zelle von Strömungskanälen durchsetzt - Anspruch 3, die von Zellwänden begrenzt sind. Hierdurch ergibt sich eine vergrößerte Wärmeaustauschfläche und somit ein verbesserter Wärmübergang zwischen dem Helium in den Hohlräumen und dem Arbeitsgas außen.
Die schlitzförmigen Strömungskanäle für Arbeitsgas verlaufen vorzugsweise geradlinig und parallel zueinander, um zum einen den Strömungswiderstand zu minimieren und zum anderen, um die rohrförmigen Hohlräume zwischen den gleichförmig zu gestalten. Durch die Geradlinigkeit und die Parallelität ergibt sich auf einfache Weise zwischen zwei Strömungskanälen ein gleicher Abstand - Anspruch 4.
Durch eine thermische Isolierung zwischen aufeinander liegenden Zellen - Anspruch 7 - wird verhindert, dass zwischen den Hohlräumen in Strömungsrichtung Wärme ausgetauscht wird. Ein solcher Wärmeaustausch in Strömungsrichtung des Arbeitsgases würde einen Kurzschluss des Regenerators bedeuten; ein Wärmeaustausch in Strömungsrichtung des Arbeitsgases trägt nicht zur Funktion des Regenerators bei.
Durch die Ausrichtelemente nach Anspruch 9 bis 12 wird die fluchtende Ausrichtung der Strömungskanäle aufeinander liegender Zellen vereinfacht.
Die Druckausgleichsöffnung hat vorzugsweise die Form einer Kapillare, d. h. die Querschnittsfläche der Öffnung ist im Vergleich zur Oberfläche des Hohlkörpers sehr klein - Anspruch 13.
Die Druckausgleichsöffnung kann auch durch Undichtigkeiten bereitgestellt sein, die bei der Herstellung der Zellen auftreten - Anspruch 14.
Die Größe und damit die Durchlässigkeit der Druckausgleichsöffnung werden so gewählt, dass während eines Arbeitszyklus des Regenerators die Druckänderung in der Zelle maximal 20% und vorzugsweise maximal 10% beträgt. Es handelt sich hier um einen Optimierungsprozess. Je größer die Kapillare, desto größer ist der unerwünschte Stoffaustausch, desto größer sind die Druckschwankungen im Hohlraum der Zelle und umso schneller erfolgt das Eindringen des Heliums in die Hohlräume bei Inbetriebnahme des Regenerators. Je kleiner die Kapillare desto weniger Kompressionsarbeit muss verrichtet werden, aber desto länger dauert das Eindringen des Heliums in die Hohlräume bei Inbetriebnahme des Regenerators. - Anspruch 15 und 28.
Um den Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas Helium und dem in dem Hohlkörper gespeicherten Helium zu verbessern sind die Oberflächen der Hohlkörper mit Verwirbelungsstrukturen versehen - Anspruch 16.
Gemäß den Ansprüchen 18 bis 21 geben verschieden Formen für die Form der Hohlräume in den Zellen an. Die Quaderform ist für den Wärmeaustausch optimal lässt sich jedoch nicht ohne weiteres mittels 3D-Druck - Anspruch 25 - erzeugen. Zellen mit rohrförmigen Hohlräumen mit Dreiecksquerschnitt lassen sich mittels 3D-Druck erzeugen. Mittels 3D-Druck können nur vertikale Zellwände und schräge Zellwände mit einer Schräge von maximal 45° Schräge zur Vertikalen hergestellt werden. Quaderförmige Hohlräume oder ellipsoidförmige Hohlräume müssen daher in zwei Schritten aus zwei Komponenten hergestellt werden - Anspruch 26. Zunächst wird eine erste Komponente mit „offenen Hohlräumen“ bzw. mit topfförmigen Vertiefungen erzeugt. Diese Vertiefungen werden dann in einem zweiten Schritt durch zweite Komponenten abgedeckt. Die ersten und zweiten Komponenten werden dauerhaft miteinander verbunden, z. B. durch Verklebung oder Verschweißung.
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 22 wird ein gleichmäßiger Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsgas in den Strömungskanälen und dem Helium in den Hohlräumen erreicht.
Die übrigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:

1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des Regenerators in einem Strömungskanal für Arbeitsgas,
2 eine Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform entlang II - II in 1,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform,
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform,
5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform,
6 eine fünfte Ausführungsform in Form einer dreidimensionalen Matrixanordnung mit zwei Lagen von Zellen mit einem kreisringförmigen Außendurchmesser,
7 eine Detaildarstellung der Matrixanordnung mit drei Lagen von Zellen senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases betrachtet,
8 und 9 schematische Darstellungen zur Herstellung des Regenerators aus einer Schalenstruktur und einer Abdeckung,
10 den typischen Aufbau eines Kryo-Kühlers in Form einer Pulsrohrkühlers mit zwei Kaltstufen, wobei die zweite Kaltstufe einen Tieftemperatur-Regenerator aufweist, und
11 den schematischen Aufbau eines Tieftemperatur-Regenerators nach dem Stand der Technik mit seltenen Erden in Form von Kügelchen.

Die 1 und 2 zeigen eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Regenerators 1 in seiner einfachsten Form. Der Regenerator 1 besteht aus einer Zelle 2 mit Zellwänden 4, die einen Hohlraum 6 umschließen. Die Zellwände 4 werden von einer Druckausgleichsöffnung in Form einer Kapillare 8 durchsetzt. Der Regenerator 1 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf und ist in einem rohrförmigen Strömungskanal 10 für Arbeitsgas Helium angeordnet. Das Innere des Hohlraums 6 ist mit Helium gefüllt. Der Regenerator 1 bzw. die Zelle 2 ist so dimensioniert, dass zwischen dem rohrförmigen Strömungskanal 10 für Arbeitsgas ein Ringspalt 12 verbleibt. Damit kann das Arbeitsgas Helium den Regenerator 1 umströmen und über die Wärme leitenden Zellwände 4 mit dem Helium im Hohlraum 6 Wärme austauschen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Mehrzahl von Zellen 2-1, 2-2, 2-3 übereinander gestapelt sind. Die drei scheibenförmigen Zellen 2-i mit kreisförmigem Querschnitt weisen einen identischen Aufbau auf. Die Zellen 2-i unterscheiden sich von der Zelle nach 1 und 2 dadurch, dass die Zellen 2-i von einer Mehrzahl von geradlinig in einer Ebene verlaufenden Schlitzen 20 als Strömungskanäle für Arbeitsgas durchsetzt sind. Die schlitzförmigen Strömungskanäle 20 verlaufen parallel zueinander, enden jedoch vor dem Rand der Zellen 2-i, sodass die die Zelle 2 nicht auseinander fallen kann. In den durch Zellwände 4 umschlossenen quaderförmigen Bereichen zwischen den schlitzförmigen Strömungskanälen 20 befinden sich rohrförmige Hohlräume 6-i, die einen Querschnitt in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit rechtem Winkel aufweisen. Die Spitze des Dreiecks mit dem rechten Winkel zeigt nach oben, so dass sich die beiden Seiten des gleichseitigen Dreiecks in einem Winkel von 45° nach oben erstrecken. Die Dreiecksform ergibt sich aus dem Umstand, dass die Zellen 2-i mittels 3D-Druck hergestellt werden und sich mit 3D-Druck nur Wandstrukturen mit einer Schräge von minimal 45° erzeugen lassen. Die Hohlräume 6-i sind am Rand der scheibenförmigen Zellen 2-i miteinander verbunden. Eine Druckausgleichsöffnung 8 verbindet die Hohlräume 6-i mit dem Bereich außerhalb der Zellen 2-i.
Die Zellen 2-i weisen auf ihrer Oberseite eine Mehrzahl von Ausrichtzapfen 30 auf und an der gegenüberliegenden Seite sind entsprechende Ausrichtvertiefungen 32 angeordnet. Durch diese Ausrichtelemente 30, 32 wird erreicht, dass die schlitzförmigen Strömungskanäle 20 der übereinander liegenden Zellen 6-i zueinander fluchten, sodass sich durch den Regenerator durchgehende Strömungskanäle ergeben. Zwischen den einzelnen Zellen 6-i ist jeweils eine thermisch-isolierende Schicht 34 angeordnet, die von dem Ausrichtzapfen 30 durchsetzt wird, sodass die Ausrichtzapfen in die darüber liegenden Ausrichtöffnungen 32 eingreifen können.
4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des Regenerators in Form einer scheibenförmigen Zelle 2, die sich von den Zellen 2-i nach 3 dadurch unterscheidet, dass statt einem rohrförmigem Hohlraum mit Dreiecksquerschnitt jeweils zwei rohrförmige Hohlräume 6a und 6b vorgesehen sind. Der Querschnitt der rohrförmigen Hohlräume 6a und 6b weist ebenfalls die Form eines gleichseitigen Dreiecks mit rechtem Winkel auf. Der rechte Winkel setzt an der Innenseite der Trennwand 4 an, die die schlitzförmigen Strömungskanäle begrenzt. Hierdurch ergibt sich eine Trennwand 4 mit konstanter Wandstärke zwischen den Strömungskanälen 20 und den Hohlräumen 6-i. Dies führt zu einem verbesserten Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsgas im Strömungskanal 20 und dem Helium in den Hohlräumen 6a und 6b. Die Druckausgleichsöffnung 8 verbindet die Hohlräume 6a, 6b mit dem Bereich außerhalb der Zelle 2.
5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass die rohrförmigen Hohlräume 6a, 6b mit Dreiecksquerschnitt mit der Basis des rechtwinkligen Dreiecks zu den Strömungskanälen 20 hin angeordnet sind. Da die Basis die Länge der Seite des gleichseitigen Dreiecks ist, wird hierdurch der Wärmeübergang verbessert.
6 und 7 zeigen schematisch den Aufbau einer fünften Ausführungsform der Erfindung. 6 zeigt einen Regenerator 101 mit einer Vielzahl von Zellen 102, die in Form einer 3-dimensionalen Matrix 103 mit zwei Lagen von Zellen 102 angeordnet sind. Die Zellen 102 sind würfelförmig und grundsätzlich in ihrem Aufbau identisch. Da jedoch der Regenerator 101 einen Rohrquerschnitt ausfüllt, weisen die Zellen 102 im Randbereich zwangsweise eine abweichende Form auf. Die einzelnen Zellen 102 umfassen jeweils einen würfelförmigen Hohlraum 106 mit einer Wärme leitenden Hülle 104 und einer Druckausgleichsöffnung 108 in Form einer Kapillare. Wie aus 7 zu ersehen ist, sind die einzelnen Zellen 102 in Strömungsrichtung 112 des Arbeitsgases hintereinander versetzt angeordnet. Die nebeneinander liegenden Zellen 102 sind mittels thermisch leitender Verbindungselemente 114 miteinander verbunden. Die in Strömungsrichtung 112 hintereinander liegenden Zellen 102 sind mit thermisch isolierenden bzw. schlecht leitenden Verbindungselementen 116 miteinander verbunden und bilden einen Strömungskanal 120. Auf diese Weise ergibt sich die mechanisch feste Matrixanordnung 103 aus Zellen 102. In 6 sind lediglich zwei Lagen von Zellen 102 gezeigt, während in 7 drei Schichten bzw. Lagen von Zellen 102 gezeigt sind. Das Gasvolumen der einzelnen Hohlräume 106 beträgt ca. 1mm², die Wandstärke der Hülle 104 beträgt ca. 0,2 mm. Der Abstand zwischen den einzelnen Zellen 102 beträgt ca. 0,2 mm. Der gesamte Platzbedarf einer Zelle 102 beträgt ca. 8mm³.
Der erfindungsgemäße Regenerator 101 wird vorzugsweise in der kältesten Kaltstufe eines Kryo-Kühlers als Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt 242 eingesetzt.
8 und 9 zeigen Zelle 2 mit schlitzförmigen Strömungskanälen 20 entsprechend den Ausführungsformen nach den 3 bis 5. Der Unterschied zu den Ausführungsformen nach den 3 bis 5 besteht in der Form der rohrförmigen Hohlräume 6'. Die Hohlräume 6' sind im Querschnitt rechteckig. Die Herstellung erfolgt in zwei Schritten mit wenigstens zwei Komponenten. Zunächst wird eine erste Komponente 40 mit „offenen Hohlräumen“ bzw. mit topfförmigen Vertiefungen 42 erzeugt, z. B. mittels 3D-Druck. Diese Vertiefungen 42 werden dann in einem zweiten Schritt durch zweite Komponenten 44 abgedeckt. Die ersten und zweiten Komponenten 40, 44 werden dauerhaft miteinander verbunden, z. B. durch Verklebung oder Verschweißung.
Bezugszeichenliste

1: Regenerator
2: Zelle
4: Zellwand
6, 6-i, 6a, 6b: Hohlraum
8: Druckausgleichsöffnung
10: Strömungskanal für Arbeitsgas
12: Ringspalt zwischen 2 und 10
20: schlitzförmige Strömungskanäle für Arbeitsgas
30: Ausrichtzapfen
32: Ausrichtvertiefungen
34: thermisch isolierende Schicht
40: erste Komponente mit topfförmigen Vertiefungen
42: topfförmige Vertiefungen
44: Abdeckungen
101: Regenerator
102: Zellen
103: Matrixanordnung
104: Hülle bzw. Zellwände
106: Hohlraum
108: Druckausgleichsöffnung
112: Strömungsrichtung des Arbeitsgases
114: thermisch leitende Verbindungselemente
116: thermisch isolierende Verbindungselemente
120: Strömungskanal
220: erste Kaltstufe
222: zweite Kaltstufe
224: erstes Pulsrohr
226: erster Regenerator
228: zweites Pulsrohr
230: zweiter Regenerator
232: Verbindungsmittel
234: Arbeitsgasleitungen
236: Ventile
238: Balastvolumen
240: erster Regeneratorabschnitt von 230
242: Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt von 230
244: Metallsiebe in 230
246: Kügelchen aus seltenen Erdverbindungen

Claims

Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas, mit wenigstens einer Zelle (2; 102) mit Zellwänden (4; 104), wobei die Zellwände (4; 104) wenigstens teilweise Wärme leitend sind, wobei die wenigstens eine Zelle (2; 102) einen oder mehrere miteinander verbundene Hohlräume (6; 6-i; 6a, 6b; 106) aufweist, die von den Zellwänden (4: 104) umschlossen sind, wobei die wenigstens eine Zelle (2; 102) eine Druckausgleichsöffnung (8; 108) aufweist, und wobei der oder die Hohlräume (6; 6-i; 6a, 6b; 106) mit Heliumgas gefüllt sind.
Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zelle (2; 102) Strömungskanäle (20; 120) für das Arbeitsgas aufweist, die durch die Zellwände (4; 104) begrenzt sind.
Regenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (20) für das Arbeitsgas als Schlitze ausgebildet sind, die die Zelle (2) vollständig durchsetzen.
Regenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (20) geradlinig sind und parallel zueinander verlaufen.
Regenerator nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (2) als Scheibe mit einem runden Querschnitt ausgebildet ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zellen (2) in Strömungsrichtung des Arbeitsgases hintereinander angeordnet sind.
Regenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zellen (2) durch eine thermisch isolierende Schicht (34) mit Strömungskanälen (20) für das Arbeitsgas voneinander getrennt sind.
Regenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der thermisch isolierenden Schicht (34) zwischen 0,1mm und 0,5mm beträgt.
Regenerator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) und die thermisch isolierende Schicht (34) jeweils Ausrichtelemente (30, 32) aufweisen, so dass die Strömungskanäle (20) der Zellen (2) und der thermisch isolierenden Schicht oder Schichten (34) miteinander fluchten.
Regenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtelemente mehrere Ausrichtzapfen (30) auf einer Seite der Zellen (2) und komplementär geformte Ausrichtvertiefungen (32) auf der anderen Seite der Zellen umfassen.
Regenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtzapfen (30) eine konische oder pyramidenförmige Spitze aufweisen.
Regenerator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch isolierende Schicht (34) Ausrichtöffnungen aufweist, die von den Ausrichtzapfen (30) durchsetzt sind, so dass die Strömungskanäle (20) für das Arbeitsgas in den Zellen (2) und in der thermisch isolierenden Schicht (34) miteinander fluchten.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnung (8; 108) als Kapillare ausgebildet ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Druckausgleichsöffnung (8; 108) aufgrund von Undichtigkeiten während der Herstellung des Regenerators ergibt.
Regenerator nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Druckausgleichsöffnung (8; 108) so gewählt ist, dass während eines Arbeitszyklus des Regenerators die Druckänderung in der Zelle maximal 20% und vorzugsweise maximal 10% beträgt.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Zellwände (4; 104) in den Strömungskanälen (20) für Arbeitsgas Verwirbelungsstrukturen aufweisen.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwände (4; 104) aus Kunststoff und/oder Metall bestehen.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (106) quaderförmig sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume Form eines Ellipsoids aufweisen.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) mehrere rohrförmige Hohlräume (6-i; 6', 6a, 6b) mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks aufweisen, und dass rohrförmigen Hohlräume (6-i; 6', 6a, 6b) zwischen den Strömungskanälen (20) für das Arbeitsgas angeordnet sind.
Regenerator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der rohrförmigen Hohlräume (6-i; 6', 6a, 6b) in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit rechtem Winkel ausgebildet ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Zellwände (4; 104) zumindest entlang der Strömungskanäle (20) für Arbeitsgas konstant ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Zellwände (4; 104) zumindest entlang der Strömungskanäle (20) zwischen 0,1mm und 0,5mm beträgt.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (1; 101) in Strömungsrichtung (112) zwischen 5mm und 100mm dick ist.
Verfahren zur Herstellung eines Regenerators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (1; 101) mittels 3D-Druck hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Regenerators nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (101) aus wenigstens zwei Komponenten (40, 44) hergestellt ist, die nach Herstellung der beiden Komponenten (40, 44) miteinander verbunden werden, und dass wenigstens eine Komponente (40) eine Vertiefung (42) aufweist, die zumindest einen Teil des oder der Hohlräume (6') bildet.
Kryo-Kühler in Form eines Stirling-, Gifford-McMahon- oder Pulsrohr-Kühlers mit wenigstens einem Regenerator (1; 101), gekennzeichnet durch einen Regenerator (1; 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kryo-Kühler nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Arbeitszyklus des Kryo-Kühlers die Druckänderung in der wenigstens einen Zelle (2; 102) des Regenerators (1; 101) maximal 20% und vorzugsweise maximal 10% beträgt.