DE19612539A1 - Mehrstufige Tieftemperaturkältemaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige Tieftem­ peraturkältemaschine mit einer ersten Stufe, die als Verdränger-Refrigerator ausgebildet ist, sowie mit min­ destens einer weiteren Stufe, die als Pulsrohr-Refrige­ rator ausgebildet ist.

Unter einem Verdränger-Refrigerator soll eine Gifford McMahon-, Sterling- oder ähnliche Kältemaschine verstan­ den werden. Einstufige Kältemaschinen dieser Art weisen einen Arbeitsraum mit einem Verdränger auf. Der Arbeits­ raum wird alternierend mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Gasquelle derart verbunden, daß während der erzwungenen Hin- und Herbewegung des Verdrängers ein thermodynamischer Kreisprozeß abläuft. Das Arbeitsgas wird über einen vorzugsweise innerhalb des Verdrängers untergebrachten Regenerator (Wärmespeicher zum Vorkühlen des eintretenden Gases) im Kreislauf geführt. Während des Betriebs der Kältemaschine wird einem der beiden En­ den des Arbeitsraumes Wärme entzogen. Mit einem einstu­ figen Refrigerator dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich Temperaturen bis hinab auf 10-30 K erzeugen. Verdränger-Refrigeratoren haben den Vorteil einer rela­ tiv hohen Leistung und sind technisch theoretisch gut verstanden. Ihr Nachteil liegt in der Erzeugung von Vi­ brationen, verursacht durch die Masse des sich hin und her bewegenden Verdrängers.

Bekannt sind weiterhin nach dem Pulsrohr-Prinzip arbei­ tende Kältemaschinen. Diese umfassen einen Bereich mit einem stationären Regenerator, in dem einströmendes Gas durch Wärmeaustausch mit dem Regeneratormaterial vorge­ kühlt wird, sowie ein Pulsrohr, in das von einer Seite her (kaltes Ende) periodisch Arbeitsgas aus dem Regene­ ratorbereich ein- und ausströmt. An das andere Ende (warmes Ende) des Pulsrohres ist vorzugsweise über eine Engstelle ein abgeschlossenes Volumen angeschlossen. Über geeignete Wahl dieser Drosselstelle läßt sich die Phasenlage zwischen Massendurchsatz und Druckvariation im Pulsrohrbereich zur Erzielung optimaler Leistung be­ einflussen. Neben dieser beschriebenen Möglichkeit ("Orifice Pulse Tube") gibt es auch noch andere Ausfüh­ rungsformen ("Double Inlet", "4-valve") zur Modifizierung der Phasenlage. Der Wirkungsgrad von Kältemaschinen dieser Art ist begrenzt. Ihr Vorteil liegt darin, daß sie keine Vibrationen erzeugen, da sie keine bewegten Teile beinhalten.

Durch einen Vortrag auf der "Cryogenic Engineering Con­ ference" Columbus, OH, im Juli 1995 ist es bekannt, ei­ nen Verdränger-Refrigerator mit einem Pulsrohr-Refrige­ rator zu kombinieren. Der Verdränger-Refrigerator bildet die erste Stufe, der Pulsrohr-Refrigerator die zweite Stufe einer mehrstufigen Tieftemperatur-Kältemaschine. Um zu erreichen, daß das kalte Ende des Verdränger-Re­ frigerators und das warme Ende des Pulsrohr-Refrigera­ tors die gleiche Temperatur haben, ist eine aus einer starren Kupferplatte bestehende Wärmebrücke vorgesehen, welche jeweils mit den genannten Enden der beiden Refri­ geratoren gut wärmeleitend verbunden ist. Infolge dieser starren Verbindung werden vom Verdränger-Refrigerator erzeugte Vibrationen auf den Pulsrohr-Refrigerator über­ tragen. Zur Kühlung vibrationsempfindlicher Objekte ist deshalb die vorbekannte kombinierte Kältemaschine nicht geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer kombinierten Kältemaschine der eingangs er­ wähnten Art zumindest im Bereich der zweiten bzw. weite­ ren Stufe vom Vorteil der Vibrationsfreiheit des Puls­ rohr-Refrigerators Gebrauch machen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich zwischen der ersten als Verdränger-Refrigerator ausgebildeten Stufe und der weiteren als Pulsrohr-Refri­ gerator ausgebildeten Stufe ein flexibles, die Übertra­ gung von Vibrationen verhinderndes Bauteil befindet. Durch diese Maßnahme kann der Pulsrohr-Refrigerator von den Vibrationen des Verdränger-Refrigerators freigehal­ ten werden. Das kalte Ende der weiteren, als Pulsrohr- Refrigerator ausgebildeten zweiten Stufe kann deshalb ohne weiteres mit vibrationsempfindlichen Objekten, Ge­ räten oder dergleichen thermisch gekoppelt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 4 schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zei­ gen:

• - Fig. 1 und 2 kombinierte Kältemaschinen nach der Erfindung mit unterschiedlichen Zuführungen des Ar­ beitsgases zum Pulsrohr-Refrigerator,
• - Fig. 3 den Einsatz einer Kältemaschine nach der Erfindung in einem Kryostaten, der der Kühlung von Magneten mit flüssigem Helium dient, und
• - Fig. 4 eine Kryostaten mit einer Kältemaschine nach der Erfindung, in welchem Magnete unmittelbar gekühlt werden.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Verdränger-Re­ frigerator 1 hat ein Gehäuse, welches aus den beiden Teilen 2 und 3 besteht. Im Gehäuseteil 2 ist der zylin­ drische Arbeitsraum 4 für den Verdränger 6 unterge­ bracht. Im Verdränger 6 befindet sich der Regenerator 7.

Der Verdränger 6 ist im Falle eines pneumatischen An­ triebs mit einem Antriebskolben 8 ausgerüstet, dessen zugehöriger Zylinder 9 in einer Führungsbuchse 10 unter­ gebracht ist, die den Arbeitsraum 4 zum Gehäuseteil 3 hin abschließt. Die Führungsbuchse 10 ist mit Bohrungen zum Verteilen des von einem Drehventil gesteuerten Hoch- und Niederdruckgases auf das Steuervolumen (9) sowie in den eigentlichen Arbeitsraum ausgestattet. Die Bohrungen 11 münden in den Arbeitsraum 4 und dienen der Versorgung dieses Raumes mit Arbeitsgas. Die Bohrung 13 mündet in eine Querbohrung 14, die mit einer Ringnut 15 in der Au­ ßenwandung der Führungsbuchse 10 verbunden ist. Hierüber wird die Niederdruckseite in die Ventilsteuerung einge­ speist. Zwei weitere Bohrungen 12 sind durch strichpunk­ tierte Linien angedeutet. Sie dienen dem pneumatischen Antrieb des Verdrängers 6. Die verschiedenen Bohrungen liegen in von der Zeichenebene unterschiedlichen Ebenen, so daß sie einander nicht kreuzen, was durch die Stri­ chelung beziehungsweise Strichpunktierung angedeutet ist.

Im Gehäuseteil 3 ist der Steuermotor 16 untergebracht, der über die Welle 17 das Steuerventil 18 betätigt. Die­ ses Steuerventil 18 dient in an sich bekannter Weise der Versorgung der verschiedenen Bohrungen mit unter Hoch­ druck und unter Niederdruck stehendem Arbeitsgas, vor­ zugsweise Helium. Das Arbeitsgas wird außerhalb des Re­ frigerators 1 durch die Leitung 22 mit dem Kompressor 21 im Kreislauf 23 geführt. Der Hochdruckanschluß 19 am Re­ frigerator 1 steht mit der Hochdruckseite des Kompres­ sors 21, der Niederdruckanschluß 20 mit der Niederdruck­ seite des Kompressors 21 in Verbindung.

Der beispielhaft dargestellte Pulsrohr-Refrigerator 25 umfaßt das Pulsrohr 26, an dessen warmen Ende das Gasvo­ lumen 27 über die Engstelle 28 angeschlossen ist. Ein im Bereich des kalten Endes des Pulsrohres 26 befindlicher Kaltflansch ist mit 29 bezeichnet. Die Gasversorgung des Pulsrohres erfolgt über die Leitung 31, in der sich der Regenerator 32 befindet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt die Gas­ versorgung des Pulsrohres 26 aus dem Arbeitsgaskreislauf 23 mit dem Kompressor 21. Dazu mündet die Gasversor­ gungsleitung 31 in zwei Leitungen 34 und 35, die jeweils mit einem Steuerventil 36 bzw. 37 ausgerüstet sind. Die Leitung 34 steht mit der Hochdruckseite des Kompressors 21 in Verbindung. Das Steuerventil 36 ist so angeordnet, daß Arbeitsgas durch die Leitungen 34 und 31 zum Puls­ rohr 26 strömen kann. Die Leitung 35 steht mit der Nie­ derdruckseite des Kompressors 21 in Verbindung. Das Steuerventil 37 ist so angeordnet, daß in umgekehrter Richtung strömendes Gas durch die Leitungen 31 und 35 in den Arbeitsgaskreislauf 23 strömen kann.

Um das zum Pulsrohr 26 strömende Arbeitsgas vorkühlen zu können, sind zwei Wärmetauscher 41 und 42 vorgesehen. Der erste Wärmetauscher 41, vorzugsweise ein regenerati­ ver Wärmetauscher, ist vom hin- und rückströmenden Ar­ beitsgas durchsetzt. Das jeweils vom Pulsrohr 26 in den Arbeitsgaskreislauf 23 zurückströmende Gas kühlt das je­ weils zum Pulsrohr 26 strömende Gas vor. Der zweite Wär­ metauscher 42 steht über eine Wärmebrücke 43 mit der kalten Seite des Verdränger-Refrigerators 1 in Verbin­ dung. Im Wärmetauscher 42 wird das zum Pulsrohr-Refrige­ rator 25 strömende Gas auf die Temperatur der kalten Seite des Verdränger-Refrigerators 1 gekühlt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mündet die Gasver­ sorgungsleitung 31 im Bereich der kalten Seite des Ver­ dränger-Refrigerators 1 in den Arbeitsraum 4. Die Ver­ sorgung des Pulsrohr-Refrigerators 25 erfolgt mit unmit­ telbar aus dem Kaltteil des Verdränger-Refrigerators 1 stammendem Arbeitsgas. Diese Ausführungsform hat gegen­ über der Ausführungsform nach Fig. 1 den Vorteil eines insgesamt einfacheren Aufbaus, hat aber auch den Nach­ teil, daß die Zyklusfrequenz (Hochdruck/Niederdruck-Um­ schaltung) für die Verdrängermaschine und den Pulsrohr­ teil stets identisch sind, was zur Erreichung optimaler Kühlleistungen an beiden Stufen hinderlich sein kann.

Um die Übertragung von Vibrationen, erzeugt vom Verdrän­ ger-Refrigerator 1, auf den Pulsrohr-Refrigerator 25 zu vermeiden, ist die Leitung 31 bei beiden Ausführungsbei­ spielen mit einem flexiblen Bauteil 45 ausgerüstet. Die­ ses kann beispielsweise ein metallischer Wellschlauchab­ schnitt (Edelstahl) sein. Auch der Einsatz eines aus Kunststoff bestehenden Schlauchabschnittes ist möglich. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht auch die Möglichkeit, die Wärmebrücke 43 flexibel zu gestalten, um eine Vibrationsübertragung zu verhindern.

Bei einer dritten, in den Fig. 1 und 2 nicht darge­ stellten Alternative erfolgt der Betrieb der beiden Ma­ schinen 1 und 25 mit separaten Kompressoren. Durch z. B. den Einsatz eines Linearkompressors für die Pulsrohr-Ma­ schine kann die Ventilsteuerung entfallen. Auch bei dieser Version kann die Vibrationsentkopplung durch ein flexibles Bauteil erreicht werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen als Anwendungsbeispiele zwei mit einer Kältemaschine nach der Erfindung ausgerüstete Kryostate. Sie dienen der Kühlung von supraleitenden Ma­ gneten 52. Andere Objekte, bei denen eine Flüssighelium- oder direkte Kühlung eingesetzt werden könnte, sind z. B.

• - supraleitende Zuleitungen und Drähte,
• - supraleitende (Josephson)-Schaltelemente,
• - zu kühlende Sensoren (wegen Supraleitung oder Rauschunterdrückung),
• - zu kühlende Elektronik-Bauteile (Rauschunter­ drückung),
• - Kryopump-Anordnungen.

Die bei den dargestellten Ausführungsbeispielen zu küh­ lenden Magnete 52 sind kreisringförmig im Kryostatgehäu­ se 53 angeordnet und umgeben einen zentralen Untersu­ chungsraum 54. Zwischen den Magneten 52 und dem äußeren Kryostatgehäuse 53 befindet sich jeweils eine von einem Strahlungsschild 55 gebildete thermische Abschirmstufe.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Magneten 52 in einem mit Flüssigkältemittel, vorzugsweise Helium gefüllten, im Querschnitt kreisringförmigen Tank 56 un­ tergebracht. Sein Helium-Einfüllstutzen 57 ist mit einem Sicherheitsventil 58 ausgerüstet. Die erfindungsgemäße Kältemaschine 1, 25 hat die Aufgabe, den flüssig Helium Tank auf einer Temperatur von ca. 4,2 K (Siedetemperatur des Kältemittels) zu halten, um so ein Verdampfen der Kühlflüssigkeit zu verhindern, bzw. verdampftes Kälte­ mittel rückzukondensieren. Dazu ist das kalte Ende des Pulsrohres 26 über eine Wärmebrücke 59 mit dem Einfüll­ stutzen 57 thermisch gekoppelt. Die Ankopplungsstelle 60 liegt in unmittelbarer Nähe der Mündung des Einfüllstut­ zens 57 in den Tank 56, so daß sie sich unterhalb der Oberfläche des flüssigen Heliums befindet. Das kalte En­ de des Verdränger-Refrigerators 1 ist mit einem Kalt­ flansch 62 ausgerüstet, der mit dem Stahlungsschild 55 thermisch gekoppelt ist, so daß dieser eine Temperatur von 30 bis 100 K annimmt. Die Gasversorgung des Puls­ rohr-Refrigerators 25 erfolgt aus dem kalten Ende des Arbeitsraumes 4 des Verdränger-Refrigerators 1 (vgl. Fig. 2), so daß die beiden Enden eine etwa gleiche Tempe­ ratur haben. Die vom kalten Ende des Verdränger-Refrige­ rators 1 zum warmen Ende des Pulsrohr-Refrigerators 25 führende Gasversorgungsleitung 31 ist ein metallischer, hochflexibler Wellschlauchabschnitt und bildet damit gleichzeitig die gewünschte flexible Ankopplung 45.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ein Helium- Tank nicht vorhanden. Das kalte Ende des Pulsrohr-Refri­ gerators 25 steht über einem Kaltflansch 29 unmittelbar mit den Magneten 52 in thermischer Verbindung. Diese Applikation ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Su­ praleitermaterial der Magneten 52 höhere Temperaturen (5 bis 10 K) zuläßt. Auch bei dieser Ausführungsform er­ folgt die Versorgung des Pulsrohr-Refrigerators 25 aus dem kalten Ende des Arbeitsraumes 4 des Verdränger-Re­ frigerators 1. Die aus einem Wellschlauchabschnitt be­ stehende Gasversorgungsleitung 31 bildet die flexible Ankopplung 45.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind neben dem kalten Ende des Verdränger-Refrigerators 1 auch das warme Ende des Pulsrohr-Refrigerators 25 mit dem Strah­ lungsschild 55 (über die Wärmebrücke 63) thermisch ge­ koppelt. Die Ausbildung einer gleichen Temperatur dieser beiden Enden wird dadurch gefördert. Zu diesem Zweck steht auch der Regenerator 32 mit seinem dem Pulsrohr 26 abgewandten Ende mit der Wärmebrücke 63 in thermischer Verbindung.

Um zu verhindern, daß vom Verdränger-Refrigerator 1 aus­ gehende Vibrationen über den Strahlungsschild 55 auf den Pulsrohr-Refrigerator übertragen werden, ist zwischen der Wärmebrücke 63 und dem Strahlungsschild eine weitere flexible Ankopplung 64 vorgesehen. Sie umfaßt metalli­ sche, vorzugsweise aus Kupfer bestehende Bänder 65, die gut wärmeleitend mit dem Strahlungsschild 55 und einem Flansch 66 an der Wärmebrücke 63 verbunden sind.

Claims (16)

1. Mehrstufige Tieftemperaturkältemaschine mit einer ersten Stufe, die als Verdränger-Refrigerator (1) ausgebildet ist, sowie mit mindestens einer weite­ ren Stufe, die als Pulsrohr-Refrigerator (25) aus­ gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwi­ schen dem Verdränger-Refrigerator (1) und dem Puls­ rohr-Refrigerator (25) ein flexibles, die Übertra­ gung von Vibrationen verhinderndes Bauteil (45) be­ findet.

2. Maschine nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Bauteil (45) Bestandteil der Gas­ versorgungsleitung (31) für den Pulsrohr-Refrigera­ tor (25) ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Bauteil (45) ein metallischer Wellschlauchabschnitt oder ein aus Kunststoff be­ stehender Schlauchabschnitt ist.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasversorgung des Pulsrohr-Refrigerators (25) über eine Leitung (31) erfolgt, die mit einem Arbeitsgaskreislauf (23) des Verdränger-Refrigerators (1) in Verbindung steht.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasversorgungsleitung (31) über eine erste Leitung (34) mit der Hochdruckseite und über eine zweite Leitung (35) mit der Niederdruckseite eines im Arbeitskreislauf befindlichen Kompressors (21) verbunden ist.

6. Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich zwischen Pulsrohr-Refrigerator (25) und Arbeitskreislauf (23) ein Wärmetauscher (41), vorzugsweise ein regenerativer Wärmetauscher, befindet.

7. Maschine nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Bestandteil der Gasversorgungsleitung (31) ein Wärmetauscher (42) ist, der mit der kalten Seite des Verdränger-Refrigerators (1) thermisch gekoppelt ist.

8. Maschinen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Seite des Verdränger-Refrigerators (1) über eine Wärmebrücke (43) mit dem Wärme­ tauscher (42) in Verbindung steht und daß diese Wärmebrücke (43) flexibel ausgebildet ist.

9. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasversorgungsleitung (31) an die kalte Seite des Arbeitsraumes (4) des Verdränger- Refrigerators (1) angeschlossen ist.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Gasversorgungslei­ tung (31) ein Regenerator (32) befindet und daß die warme Seite des Pulsrohres (26) und das dem Puls­ rohr (26) abgewandte Ende des Regenerators (32) thermisch miteinander gekoppelt sind.

11. Mit einer Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 10 ausgerüsteter Kryostat (51) mit einem Gehäuse (53), einem zu kühlenden Objekt (52, 56) und einer Ab­ schirmstufe (55), dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmstufe (55) mit der kalten Seite des Ver­ dränger-Refrigerators (1) und/oder mit der warmen Seite des Pulsrohr-Refrigerators thermisch gekop­ pelt ist und daß das zu kühlende Objekt mit der kalten Seite des Pulsrohr-Refrigerators (25) ther­ misch gekoppelt ist.

12. Kryostat (51) nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zu kühlende Objekt ein mit flüs­ sigem Helium gefüllter Tank (56) ist.

13. Kryostat (51) nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kalte Seite des Pulsrohr-Refrige­ rators (25) mit dem Helium-Nachfüllstutzen (57) des Tanks (56) thermisch gekoppelt ist.

14. Kryostat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt ein Magnet (52) aus su­ praleitendem Werkstoff ist.

15. Kryostat (51) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die warme Seite des Pulsrohr-Refrigerators (25) mit der Abschirmstufe (55) thermisch verbunden ist und daß zwischen der Verbindungsstelle und dem übrigen Teil der Ab­ schirmstufe (55) ein weiteres flexibles Bauteil (64) vorgesehen ist.

16. Kryostat (51) nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Kupferbänder (65) das weitere flexi­ ble Bauteil (64) bilden.