WO1997037174A1 - Mehrstufige tieftemperaturkältemaschine - Google Patents

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WO1997037174A1
WO1997037174A1 PCT/EP1997/000342 EP9700342W WO9737174A1 WO 1997037174 A1 WO1997037174 A1 WO 1997037174A1 EP 9700342 W EP9700342 W EP 9700342W WO 9737174 A1 WO9737174 A1 WO 9737174A1
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WO
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refrigerator
pulse tube
displacer
machine according
cryostat
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PCT/EP1997/000342
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Ulrich HÄFNER
Christoph Heiden
Günter THUMMES
Original Assignee
Leybold Vakuum Gmbh
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Priority to US09/155,127 priority patent/US6263677B1/en
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
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    • F25B2309/006—Gas cycle refrigeration machines using a distributing valve of the rotary type
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    • F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1424—Pulse tubes with basic schematic including an orifice and a reservoir
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    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface

Definitions

  • the invention relates to a multi-stage low-temperature refrigerator with a first stage, which is designed as a displacer refrigerator, and with at least one further stage, which is designed as a pulse tube refresher.
  • a Gifford McMahon, Sterling or similar refrigeration machine is to be understood as a displacement refrigerator.
  • Single-stage chillers of this type have a work space with a displacer.
  • the work space is alternately connected to a high-pressure and a low-pressure gas source in such a way that a thermodynamic cycle takes place during the forced reciprocating movement of the displacer.
  • the working gas is circulated via a regenerator (heat store for precooling the incoming gas), which is preferably accommodated within the displacer.
  • heat is extracted from one of the two ends of the work area.
  • Displacement refrigerators have the advantage of a relatively high output and are technically well understood theoretically. Their disadvantage is the generation of vibrations, caused by the mass of the reciprocating displacer.
  • Chillers operating on the pulse tube principle are also known. These include an area with a stationary regenerator in which inflowing gas is pre-cooled by heat exchange with the regenerator material, as well as a pulse tube into which working gas periodically flows in and out from the regenerator area from one side (cold end). A closed volume is preferably connected to the other end (warm end) of the pulse tube via a constriction.
  • the phase position between mass flow rate and pressure variation in the pulse tube area can be influenced by means of a suitable choice of this throttle point in order to achieve optimum performance.
  • the displacer refrigerator forms the first stage, the pulse tube refrigerator the second stage of a multi-stage cryogenic refrigerator.
  • a warm bridge consisting of a rigid copper plate is provided, each with the ends of the two refreshers mentioned is well connected to heat.
  • vibrations generated by the displacer refrigerator are transmitted to the pulse tube refrigerator.
  • the previously known combined refrigeration machine is therefore not suitable for cooling vibration-sensitive objects.
  • the present invention is based on the object of being able to make use of the advantage of the vibration-free nature of the pulse tube refrigerator in a combined refrigeration machine of the type mentioned at least in the region of the second or further stage.
  • this object is achieved in that a flexible component preventing the transmission of vibrations is located between the first stage designed as a displacer refrigerator and the further stage designed as a pulse tube refractor.
  • This measure allows the pulse tube refrigerator to be kept free from the vibrations of the displacement refrigerator.
  • the cold end of the further second stage, designed as a pulse tube refrigerator, can therefore easily be thermally coupled to vibration-sensitive objects, devices or the like.
  • FIGS. 1 to 4. shows:
  • Figure 3 shows the use of a refrigerator according to the invention in a cryostat, which is used to cool magnets with liquid helium, and
  • Figure 4 shows a cryostat with a refrigerator according to the invention, in which magnets are cooled directly.
  • the displacer-regenerator 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a housing which consists of the two Parts 2 and 3 exist.
  • the cylindrical working space 4 for the displacer 6 is accommodated in the housing part 2.
  • the regenerator 7 is located in the displacer 6.
  • the displacer 6 is equipped with a drive piston 8, the associated cylinder 9 of which is accommodated in a guide bush 10, which closes the working space 4 from the housing part 3 hm.
  • the guide bushing 10 is equipped with bores for distributing the high and low pressure gas controlled by a rotary valve to the control volume (9) and into the actual work space.
  • the holes 11 open into the working space 4 and serve to supply this space with working gas.
  • the bore 13 opens into a transverse bore 14 which is connected to an annular groove 15 in the outer wall of the guide bush 10.
  • the low-pressure side is fed into the valve control via this.
  • Two further bores 12 are indicated by dash-dotted lines. They serve for the pneumatic drive of the displacer 6.
  • the different bores lie in different planes from the plane of the drawing, so that they do not cross each other, which is indicated by the broken line or dash-dot line.
  • control motor 16 is accommodated, which actuates the control valve 18 via the shaft 17.
  • This control valve 18 serves in a manner known per se to supply the various bores with working gas under high pressure and under low pressure, preferably helium.
  • the working gas is led outside the refrigorator 1 through the line 22 with the compressor 21 in the circuit 23.
  • the high-pressure connection 19 on the regenerator 1 is connected to the high-pressure side of the compressor 21, and the low-pressure connection 20 is connected to the low-pressure side of the compressor 21.
  • the pulse tube refrigerator 25 shown as an example comprises the pulse tube 26, at the warm end of which the gas volume 27 is connected via the constriction 28.
  • a cold flange located in the area of the cold end of the pulse tube 26 is designated 29.
  • the pulse tube is supplied with gas via line 31, in which regenerator 32 is located.
  • the pulse tube 26 is supplied with gas from the working gas circuit 23 with the compressor 21.
  • the gas supply line 31 ends in two lines 34 and 35, each of which is equipped with a control valve 36 and 37, respectively.
  • Line 34 communicates with the high pressure side of compressor 21.
  • the control valve 36 is arranged so that working gas can flow through the lines 34 and 31 to the pulse tube 26.
  • the line 35 is connected to the low pressure side of the compressor 21.
  • the control valve 37 is arranged so that gas flowing in the opposite direction can flow through the lines 31 and 35 into the working gas circuit 23.
  • the first heat exchanger 41 preferably a regenerative heat exchanger, is permeated by the working gas which flows back and forth.
  • the gas flowing back from the pulse tube 26 into the working gas circuit 23 pre-cools the gas flowing to the pulse tube 26.
  • the second heat exchanger 42 is connected via a warm bridge 43 to the cold side of the displacer-refiner 1 m. In the heat exchanger 42, the gas flowing to the pulse tube refresh 25 is cooled to the temperature of the cold side of the displacer refrigerator 1.
  • the gas supply line 31 merges in the area of the cold side of the supply dranger-Ref ⁇ gerators 1 in the work area 4.
  • the pulse tube refrigerator 25 is supplied with working gas directly from the cold part of the displacer refrigerator 1.
  • this embodiment has the advantage of an overall simpler construction, but also has the disadvantage that the cycle frequency (high pressure / low pressure changeover) for the displacement machine and the pulse tube part are always identical, which can be an obstacle to achieving optimal cooling performance at both stages.
  • the line 31 is equipped with a flexible component 45 in both exemplary embodiments.
  • This can be, for example, a metallic corrugated hose section (stainless steel). It is also possible to use a hose section made of plastic.
  • a thermal bridge 43 flexible in order to prevent the transmission of vibrations.
  • the two machines 1 and 25 are operated with separate compressors.
  • a linear compressor for the pulse tube machine eliminates the need for valve control.
  • vibration decoupling can be achieved with a flexible component.
  • FIGS. 3 and 4 show, as application examples, two cryostats equipped with a refrigerator according to the invention. They are used to cool superconducting magnets 52.
  • Other objects in which liquid helium or direct cooling could be used are, for example, superconducting leads and wires, superconducting (Josephson) switching elements, sensors to be cooled (due to superconductivity or noise suppression), electronic components to be cooled (noise suppression), cryopump arrangements.
  • the magnets 52 to be cooled in the illustrated exemplary embodiments are arranged in a ring shape in the cryostat housing 53 and surround a central examination space 54. Between the magnets 52 and the outer cryostat housing 53 there is in each case a thermal shielding stage formed by a radiation shield 55.
  • the magnets 52 are accommodated in a tank 56 which is filled with liquid refrigerant, preferably helium, and has an annular cross section. Its helium filler neck 57 is equipped with a safety valve 58.
  • the refrigeration machine 1, 25 according to the invention has the task of keeping the liquid helium tank at a temperature of approximately 4.2 K (boiling point of the refrigerant) in order to prevent the cooling liquid from evaporating or to recondense evaporated refrigerant.
  • the cold end of the pulse tube 26 is thermally coupled to the filler neck 57 via a thermal bridge 59.
  • the coupling point 60 is located in the immediate vicinity of the mouth of the filler neck 57 in the tank 56, so that it is located below the surface of the liquid helium.
  • the cold end of the displacer refrigerator 1 is equipped with a cold flange 62, which is thermally coupled to the steel shield 55 so that it assumes a temperature of 30 to 100 K.
  • the gas supply to the pulse tube refrigerator 25 takes place from the cold end of the working space 4 of the displacement refrigerator 1 (see FIG. 2), so that the two ends have an approximately identical temperature. have maturity.
  • the gas supply line 31 leading from the cold end of the displacer refresher 1 to the warm end of the pulse tube refrigerator 25 is a metallic, highly flexible corrugated hose section and thus simultaneously forms the desired flexible coupling 45.
  • a helium tank is not available.
  • the cold end of the pulse tube reflector 25 is in direct thermal contact with the magnets 52 via a cold flange 29. This application is particularly useful when the super conductor material of the magnets 52 permits higher temperatures (5 to 10 K).
  • the pulse tube refrigerator 25 is supplied from the cold end of the working space 4 of the displacer refrigerator 1.
  • the gas supply line 31 consisting of a corrugated hose section forms the flexible coupling 45.
  • the warm end of the pulse tube refrigerator 25 is also thermally coupled to the radiation shield 55 (via the heat bridge 63). This promotes the formation of an equal temperature of these two ends.
  • the regenerator 32 is also in thermal connection with its end facing away from the pulse tube 26 with the thermal bridge 63.
  • a further flexible coupling 64 is provided between the heat bridge 63 and the radiation shield. It comprises metallic bands 65, preferably made of copper, which are connected to the radiation shield 55 and a flange 66 on the thermal bridge 63 with good thermal conductivity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Tieftemperaturkältemaschine mit einer ersten Stufe, die als Verdränger-Refrigerator (1) ausgebildet ist, sowie mit mindestens einer weiteren Stufe, die als Pulsrohr-Refrigerator (25) ausgebildet ist; zur Unterdrückung von Vibrationen wird vorgeschlagen, daß sich zwischen dem Verdränger-Refrigerator (1) und dem Pulsrohr-Refrigerator (25) ein flexibles, die Übertragung von Vibrationen verhinderndes Bauteil (45) befindet.

Description

Mehrstufige Tieftemperaturkältemaschine
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- kuhlt 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 Ausfuh¬ rungsformen ("Double Inlet", "4-valve") zur Modifizie¬ rung der Phasenlage. Der Wirkungsgrad von Kältemaschi¬ nen dieser Art ist begrenzt. Ihr Vorteil liegt darin, daß sie keine Vibrationen erzeugen, da sie keine beweg¬ ten 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-Kaltemaschine. Um zu erreichen, daß das kalte Ende des Verdranger-Re- frigerators und das warme Ende des Pulsrohr-Refrigera- tors die gleiche Temperatur haben, ist eine aus einer starren Kupferplatte bestehende Warmebrücke 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 Figuren 1 bis 4 schematisch darge¬ stellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zei¬ gen:
Figuren 1 und 2 kombinierte Kältemaschinen nach der Erfindung mit unterschiedlichen Zuführungen des Ar¬ beitsgases zum Pulsrohr-Refrigerator,
Figur 3 den Einsatz einer Kältemaschine nach der Erfindung in einem Kryostaten, der der Kühlung von Magneten mit flüssigem Helium dient, und
Figur 4 eine Kryostaten mit einer Kältemaschine nach der Erfindung, in welchem Magnete unmittelbar gekühlt werden.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Verdränger-Re¬ frigerator 1 hat ein Gehäuse, welches aus den beiden Teilen 2 und 3 besteht. Im Gehauseteil 2 ist der zylin¬ drische Arbeitsraum 4 für den Verdranger 6 unterge¬ bracht. Im Verdranger 6 befindet sich der Regenerator 7.
Der Verdranger 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 Gehauseteil 3 hm abschließt. Die Fuhrungsbuchse 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 munden in den Arbeitsraum 4 und dienen der Versorgung dieses Raumes mit Arbeitsgas. Die Bohrung 13 mundet in eine Querbohrung 14, die mit einer Ringnut 15 in der Au¬ ßenwandung der Fuhrungsbuchse 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 Verdrangers 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 Gehauseteil 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 Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 1 erfolgt die Gas¬ versorgung des Pulsrohres 26 aus dem Arbeitsgaskreislauf 23 mit dem Kompressor 21. Dazu mundet 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 stromende Arbeitsgas vorkühlen zu können, sind zwei Wärmetauscher 41 und 42 vorgesehen. Der erste Wärmetauscher 41, vorzugsweise ein regenerati¬ ver Wärmetauscher, ist vom hm- und ruckstromenden Ar¬ beitsgas durchsetzt. Das jeweils vom Pulsrohr 26 in den Arbeitsgaskreislauf 23 zurückströmende Gas kühlt das je¬ weils zum Pulsrohr 26 stromende Gas vor. Der zweite Wär¬ metauscher 42 steht über eine Warmebrucke 43 mit der kalten Seite des Verdranger-Refπgerators 1 m Verbin¬ dung. Im Wärmetauscher 42 wird das zum Pulsrohr-Refrige¬ rator 25 stromende Gas auf die Temperatur der kalten Seite des Verdranger-Refrigerators 1 gekühlt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 mundet die Gasver- sorgungsleitung 31 im Bereich der kalten Seite des Ver- dranger-Refπgerators 1 in den Arbeitsraum 4. Die Ver¬ sorgung des Pulsrohr-Refrigerators 25 erfolgt mit unmit¬ telbar aus dem Kaltteil des Verdranger-Refrigerators 1 stammendem Arbeitsgas. Diese Ausfuhrungsform hat gegen¬ über der Ausführungsform nach Figur 1 den Vorteil eines insgesamt einfacheren Aufbaus, hat aber auch den Nach¬ teil, daß die Zyklusfrequenz (Hochdruck/Niederdruck-Um¬ schaltung) für die Verdrangermaschine und den Pulsrohr¬ teil stets identisch sind, was zur Erreichung optimaler Kuhlleistungen 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 Ausfuhrungsbei¬ 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 Figur 1 besteht auch die Möglichkeit, die Wärmebrucke 43 flexibel zu gestalten, um eine Vibrationsubertragung zu verhindern.
Bei einer dritten, in den Figuren 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 Figuren 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 konnte, 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 Figur 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. Fi¬ gur 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 fuhrende Gasversorgungsleitung 31 ist ein metallischer, hochflexibler Wellschlauchabschnitt und bildet damit gleichzeitig die gewünschte flexible Ankopplung 45.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 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) zulaßt. 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 Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 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 Warmebrucke 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 Warmebrucke 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 Warmebrucke 63 und dem Strahlungsschild eine weitere flexible Ankopplung 64 vorgesehen. Sie umfaßt metalli¬ sche, vorzugsweise aus Kupfer bestehende Bander 65, die gut wärmeleitend mit dem Strahlungsschild 55 und einem Flansch 66 an der Warmebrucke 63 verbunden sind.

Claims

Mehrstufige TieftemperaturkältemaschinePATENTANSPRÜCHE
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) em 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 Warmebrucke (43) mit dem Wärme¬ tauscher (42) in Verbindung steht und daß diese Warmebrucke (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 thhermisch 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.
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