DE202016106860U1

DE202016106860U1 - Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas

Info

Publication number: DE202016106860U1
Application number: DE202016106860.6U
Authority: DE
Original assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Current assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2026-12-09
Also published as: WO2018104410A1; US20190323737A1; EP3551947B1; CN110050161B; EP3551947A1; US11333406B2; JP2019536972A; CN110050161A; DE102017203506A1; US20220057114A9; JP2022084912A

Abstract

Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas, miteiner Mehrzahl von Zellen (4), die in Form einer zwei- oder dreidimensionalen Matrix (6) angeordnet und mechanisch miteinander verbunden sind,wobei die Matrix (6) durch das Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist,wobei die Zellen (4) jeweils einen Hohlkörper (8) mit einer Wärme leitenden Hülle (9) ist, der eine Druckausgleichsöffnung (10) aufweist, undwobei die Zellen (4) mit Helium gefüllt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas gemäß Anspruch 1 sowie einen damit versehenen Kryo-Kühler nach Anspruch 16.
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. 3 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 20 umfasst ein erstes Pulsrohr 24 einen ersten Regenerator 26. Die zweite Kaltstufe 22 umfasst ein zweites Pulsrohr 28 und einen zweiten Regenerator 30 gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit der ersten Kaltstufe 20 werden ca. 30K und mit der zweiten Kaltstufe werden ca. 4K erreicht. Das erste Pulsrohr 24, der erste Regenerator 26 und das zweite Pulsrohr 28 enden in einem Verbindungsmittel 32, der die Umgebung von dem zu kühlenden Bereich trennt. Über Arbeitsgasleitungen 34 wird von einer nicht dargestellten Pumpe pulsierend Arbeitsgas zu- und abgeführt. Die Arbeitsgasleitungen 34 münden in den ersten Regenerator 22 und über Ventile 36 besteht eine Verbindung mit dem ersten Pulsrohr 24 und dem zweiten Pulsrohr 28 sowie mit Balastvolumen 38. Der zweite Regenerator 30 in der zweiten Kaltstufe 22 besteht aus einem ersten Regeneratorabschnitt 40 und aus einem Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt 42. Der erste Regeneratorabschnitt 40 besteht aus übereinanderliegenden Metallsieben 44 - siehe 4. Der Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt 42 enthält seltene Erdverbindungen, z. B. ErNi, HoCu₂ und dergleichen. Der Aufbau des zweiten Regenerators 30 ist schematisch in 4 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 4 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 2 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.
Es wird daher eine zwei- oder dreidimensionale Matrix-Struktur aus Zellen vorgeschlagen. Die Zellen umfassen Hohlräume mit einer Druckausgleichöffnung und die Hohlräume sind mit Helium gefüllt. Die Matrixanordnung ist durch das Arbeitsgas durchströmbar. Die Größe der Zellen und deren Abstände in der Matrix sind so gewählt, dass sich zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Regenerators die gewünschten Druckdifferenzen bei einem möglichst geringen Totvolumen einstellen. Die Hülle des Hohlraums der Zelle umfasst eine sehr geringe Wandstärke, sodass der gewünschte Wärmeaustausch erfolgen kann. Das Verhältnis von Volumen zu Öffnungsfläche bzw. Ausströmwiderstand der einzelnen Hohlkörper ist so gewählt, dass sich der Druck im Volumen des Hohlkörpers im Frequenzbereich des Kühlerbetriebs (ca. 1 bis 60 Hz) so gut wie nicht 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 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.
Bei der Matrix-Struktur ist es wichtig, dass man möglichst viel Oberfläche der Zelle mit dem Gasfluss überströmt und dass der Wärmeaustausch zwischen der Außenseite der Hohlkörper und dem Helium im Inneren der Hohlkörper gut stattfinden kann. Gleichzeitig wird der Raum zwischen den Zellen - Totvolumen - möglichst klein gehalten. Die Druckausgleichsöffnung hat vorzugsweise die Form einer Kapillare, d. h. die Querschnittsfläche der Öffnung ist im Vergleich zur Oberfläche des Hohlkörpers sehr klein. Die einzelnen Zellen sind in Strömungsrichtung des Arbeitsgases hintereinander thermisch isolierend und nebeneinander thermisch leitend miteinander verbunden. Auf diese Weise wird verhindert, dass in Strömungsrichtung ein Temperaturausgleich in dem Regenerator durch Wärmeleitung zwischen den Zellen der verschiedenen Lagen stattfindet.
Um den Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas Helium und dem in dem Hohlkörper gespeicherten Helium zu verbessern sind die Oberflächen der Hohlkörper mit Verwirbelungsstrukturen versehen.
Die Zellen sind vorzugsweise entweder ellipsoid-, quader- oder würfelförmig.
Die Herstellung erfolgt vorzugsweise mittels eines 3D-Druckers. Die Hülle der Hohlkörper und die Verbindungen werden hierbei aus unterschiedlichen Materialen hergestellt.
Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 9 bis 11 beziehen sich auf vorteilhafte Dimensionierung der Zelle und des Regenerators.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigt

1 eine dreidimensionale Matrixanordnung mit zwei Lagen von Zellen mit einem kreisringförmigen Außendurchmesser,
2 eine Detaildarstellung der Matrixanordnung mit drei Lagen von Zellen senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases betrachtet,
3 den typischen Aufbau eines Kryo-Kühlers in Form einer Pulsrohrkühlers mit zwei Kaltstufen, wobei die zweite Kaltstufe einen Tieftemperatur-Regenerator aufweist, und
4 den schematischen Aufbau eines Tieftemperatur-Regenerators nach dem Stand der Technik mit seltenen Erden in Form von Kügelchen.

1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. 1 zeigt einen Regenerator 2 mit einer Vielzahl von Zellen 4, die in Form einer 3-dimensionalen Matrix 6 mit zwei Lagen von Zellen 4 angeordnet sind. Die Zellen 4 sind würfelförmig und grundsätzlich in ihrem Aufbau identisch. Da jedoch der Regenerator 2 einen Rohrquerschnitt ausfüllt, weisen die Zellen 4 im Randbereich zwangsweise eine abweichende Form auf. Die einzelnen Zellen 4 umfassen einen würfelförmigen Hohlkörper 8 mit einer Wärme leitenden Hülle 9 und einer Druckausgleichsöffnung 10 in Form einer Kapillare. Wie aus 2 zu ersehen ist, sind die einzelnen Hohlkörper 8 in Strömungsrichtung 12 hintereinander versetzt angeordnet. Die nebeneinander liegenden Hohlkörper 8 sind mittels thermisch leitender Verbindungselemente 14 miteinander verbunden. Die in Strömungsrichtung 12 hintereinander liegenden Hohlkörper 8 sind mit thermisch isolierenden bzw. schlecht leitenden Verbindungselementen 16 miteinander verbunden. Auf diese Weise ergibt sich die mechanisch feste Matrixanordnung 6 aus Zellen 4. In 1 sind lediglich zwei Lagen von Zellen 4 gezeigt, während in 2 drei Schichten bzw. Lagen von Zellen 4 gezeigt sind. Das Gasvolumen der Hohlkörper beträgt ca. 1mm² die Wandstärke, der Hohlkörper beträgt ca. 0,2 mm. Der Abstand zwischen den einzelnen Hohlkörpern beträgt ca. 0,2 mm. Der gesamte Platzbedarf einer Zelle beträgt ca. 8mm³.
Der erfindungsgemäße Regenerator 2 wird vorzugsweise in der kältesten Kaltstufe eines Kryo-Kühlers als Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt 42 eingesetzt.
Bezugszeichenliste

2: Regenerator
4: Zelle
6: Matrixanordnung
8: Hohlkörper
9: Hülle von 8
10: Druckausgleichsöffnung, Kapillare
12: Strömungsrichtung des Arbeitsgases
14: thermisch leitende Verbindungselemente
16: thermisch isolierende Verbindungselemente
20: erste Kaltstufe
22: zweite Kaltstufe
24: erstes Pulsrohr
26: erster Regenerator
28: zweites Pulsrohr
30: zweiter Regenerator
32: Verbindungsmittel
34: Arbeitsgasleitungen
36: Ventile
38: Balastvolumen
40: erster Regeneratorabschnitt von 30
42: Tieftemperatur-Regeneratorabschnitt von 30
44: Metallsiebe in 30
46: Kügelchen aus seltenen Erdverbindungen

Claims

Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas, mit einer Mehrzahl von Zellen (4), die in Form einer zwei- oder dreidimensionalen Matrix (6) angeordnet und mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die Matrix (6) durch das Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist, wobei die Zellen (4) jeweils einen Hohlkörper (8) mit einer Wärme leitenden Hülle (9) ist, der eine Druckausgleichsöffnung (10) aufweist, und wobei die Zellen (4) mit Helium gefüllt sind.
Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnung (10) als Kapillare ausgebildet ist.
Regenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (12) des Arbeitsgases hintereinander angeordnete Zellen (4) thermisch isolierend mechanisch miteinander verbunden sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (12) des Arbeitsgases nebeneinander angeordnete Zellen (4) thermisch leitend mechanisch miteinander verbunden sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (12) des Arbeitsgases hintereinander angeordnete Zellen (4) gegeneinander versetzt sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Hohlkörper (8) Verwirbelungsstrukturen aufweist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (6) aus Zellen (4) mittels 3D-Druck hergestellt ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (9) der Hohlkörper (8) und die mechanische Verbindungen (14, 16) der Zellen (4) aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus Kunststoff und/oder Metall bestehen.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen der Hohlkörper (8) zwischen 0,5 und 2 mm³ beträgt.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Hülle (9) der Hohlkörper (8) zwischen 0,1mm und 0,5mm beträgt.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator in Strömungsrichtung (12) zwischen 5mm und 100mm dick ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (8) der Zellen (4) würfel- oder quaderförmig sind.
Regenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Zellen (4) voneinander zwischen 0,1mm und 0,5mm beträgt.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (8) der Zellen (4) kugel- oder ellipsoidförmig sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (4) in Strömungsrichtung (12) des Arbeitsgases stromlinienförmig gestaltet sind.
Kryo-Kühler in Form eines Stirling-, Gifford-McMahon- oder Pulsrohr-Kühlers mit wenigstens einem Regenerator (2), gekennzeichnet durch einen Regenerator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.