WO2001001048A1 - Kühlvorrichtung - Google Patents

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WO2001001048A1
WO2001001048A1 PCT/EP2000/005812 EP0005812W WO0101048A1 WO 2001001048 A1 WO2001001048 A1 WO 2001001048A1 EP 0005812 W EP0005812 W EP 0005812W WO 0101048 A1 WO0101048 A1 WO 0101048A1
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WO
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pulse tube
temperature
cooling device
cooled
regenerator
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PCT/EP2000/005812
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English (en)
French (fr)
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Jens HÖHNE
Matthias Bühler
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Csp Cryogenic Spectrometers Gmbh
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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
    • F25B9/14—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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2309/002—Gas cycle refrigeration machines with parallel working cold producing expansion devices in one circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • 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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    • 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
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • 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 cooling device according to claims 1, 3 and 6.
  • cooling devices have a wide range of uses due to the use of one or more pulse tube coolers and are used in particular for cooling objects which are connected by electrical or mechanical lines and for cooling or liquefying gases.
  • a cooling device according to the invention is therefore suitable, for example, for cooling components made of high-temperature superconductors, such as SQUIDs, for cooling semiconductor components, such as infrared detectors or high-speed circuits for very fast data processing, or also for cooling sensors based on a low-temperature effect.
  • a cooling device in the form of a pulse tube cooler is known from Info-Phys-Tech No. 6, 1996, from VDI Technology Center, Physical Technologies, the pulse tube cooler having (see FIG. 1): a pulse tube 20, at one end of which a cold heat exchanger 24 or cold head 24, on which heat is absorbed by an object 82 to be cooled (here at a temperature of about 77K), and at the other end of which a warm heat exchanger (not ), at which heat is released to the outside (here at a temperature of approximately 300K), a regenerator 40, which serves as a heat buffer, and a pressure oscillator (not shown), which serves to produce periodic pressure changes, whereby the pulse tube at the end at which the cold heat exchanger 24 is provided is connected to the pressure oscillator via respective lines via the regenerator 40, so that a periodic shift of a working gas between the pulse tube and the pressure oscillator is made possible.
  • an object such as a magnet 82
  • thermally couple the object to the cold head 24 of the pulse tube 20, which can be arranged in a cooling container, and to connect it to electrical lines 62.
  • a disadvantage of this conventional cooling arrangement is that the thermal load on the cold head 24 is considerable in this cooling arrangement. This is because, on the one hand, the electrical lines are in (thermal) contact with the outside of the cooling container or with devices 60 (connection device 60), the temperature of which is above the temperature of the cold head 24, and, on the other hand, because the current flows through the electrical lines 62, which can assume values of 20 to 120 A in the above-mentioned magnet 82, generate heat.
  • a device for liquefying He housed in a cryostat which has a two-stage sequential pulse tube cooler system used.
  • a gas line for cooling or liquefying a gas is led from the outside of the cryostat into the inside, wound around the cold head of the second pulse tube, which provides a higher temperature than the first pulse tube, and wound around the regenerator of the first pulse tube. wrapped around the cold head of the first pulse tube and finally connected to a container containing the gas to be liquefied, which is arranged on the cold head of the first pulse tube.
  • a sensor runs from the outside of the cryostat directly to the liquefaction container, as a result of which a certain additional heat load is applied to the container due to the large temperature gradient. It also turns out to be disadvantageous in the above-mentioned gas liquefaction device that a large thermal load acts on the cold head of the first pulse tube, since the precooling of the gas between the cold head of the second pulse tube and that of the first pulse tube only occurs due to the attachment to the regenerator of the first pulse tube low power. This can result in the heat sink to be provided by the cold head of the first pulse tube no longer reaching the desired low temperature or temperature fluctuations occurring.
  • the cooling device comprises a first pulse tube cooler with a first pulse tube, which has a warm head with a first temperature AI and a cold head with a second temperature g lower than the first temperature, and a first regenerator which has a warm end section and a cold end portion, which is connected to the cold head of the first pulse tube; an object to be cooled, which is thermally coupled to the cold head of the first pulse tube cooler; and a connecting device, in particular in the form of superconducting or high-temperature superconducting and / or normal-conducting electrical leads, for electrically connecting the object to be cooled to a region, such as a connecting device, which has a higher temperature Ty than the second temperature Tg.
  • the connecting device runs at least partially in thermal contact with the first pulse tube and / or partially in thermal contact with the first regenerator in order to cause the connecting device to be precooled.
  • the cooling device comprises a first pulse tube cooler with a first pulse tube, which has a warm head with a first temperature T 1 and a cold head with a second temperature T g lower than the first temperature, and a first regenerator which has a warm end section and a cold end portion connected to the cold head of the first pulse tube; an object to be cooled, which is thermally coupled to the cold head of the first pulse tube cooler; and a connecting device, for example in the form of rods, wires, threads made of metal or plastic, for mechanically connecting the object to be cooled to an area, such as a connecting device, which has a temperature v higher than the second temperature Tg.
  • the mechanical connection includes that the object to be cooled is held or supported on the area or the connecting device via the connecting device or that the object to be cooled is mechanically acted on via the connecting device.
  • the connecting device runs at least partially in thermal contact with the first pulse tube and / or partially in thermal contact with the first regenerator in order to cause the connecting device to be precooled.
  • the connecting device can be designed in the form of a two-part holding device.
  • a first part or holding part preferably consists of a poorly heat-conducting material, such as plastic, and is used to actually hold the object to be cooled on the connection device.
  • a second part or contact part preferably consists of a highly conductive material, such as metal, and is used for thermal bring the holding device into contact with a pulse tube or regenerator, and thus for pre-cooling the entire holding device.
  • the connecting device can be designed in the form of a shaft which, for example, starts from a motor at a temperature level, for example T 1 or T A2 , and then leads to the object to be cooled.
  • a temperature level for example T 1 or T A2
  • wires or threads can also be used to act mechanically on the object to be cooled.
  • the cooling device comprises a first pulse tube cooler with a first pulse tube, which has a warm head with a first temperature T ⁇ i and a cold head with a second temperature Tg lower than the first temperature, and a first regenerator which has a warm end section and a cold end portion connected to the cold head of the first pulse tube; an object to be cooled, which is thermally coupled to the cold head of the first pulse tube cooler; and a connection device for providing a fluid channel between the object to be cooled and an area, such as a connection device, which has a temperature Ty which is higher than the second temperature Tg.
  • the connection device runs at least partially in thermal contact with the first pulse tube in order to achieve a pre-cooling of the connection device or the fluid carried therein.
  • the connecting device runs at least partially in thermal contact along the first pulse tube from the warm head to the cold head and / or partially in thermal contact along the first regenerator from the warm end section to the cold end section.
  • This measure has the effect that the connecting device or the fluid guided in the connecting device, before contact with the object or cold head of the first pulse tube to be cooled, at least partially along the first pulse tube from the hot head to the cold head and / or thermal along the first pulse tube Contact is at least partially precooled along the first regenerator from the warm end section to the cold end section with high cooling capacity. Due to the heat or temperature gradient between the warm head and cold head of the (first) pulse tube, the temperature of the connecting device which is in thermal contact with the pulse tube or regenerator at one or more points is "intercepted" or adjusted at different temperature levels.
  • the connecting device can be brought into thermal contact with the pulse tube or regenerator, for example by means of clamps or the like or by gluing the connecting device on. It is also conceivable to wind the connecting device around the pulse tube or the regenerator.
  • a second pulse tube cooler can be used to effectively counteract the heat load on the first pulse tube cold head or to improve the cooling capacity of the first pulse tube cold head connected to the object to be cooled, and thus also to lower the cooling temperature.
  • This has a second pulse tube that has a warm head with a third temperature ⁇ 2 and one Cold head with a fourth temperature Tz lower than the third temperature T ⁇ 2 , which lies between the first temperature T ⁇ i and the second temperature Tg, and a second regenerator, which has a warm end section and a cold end section, which is connected to the cold head of the second pulse tube cooler is connected.
  • the fourth temperature Tz provided by the second pulse tube cooler serves to precool the first pulse tube cooler.
  • a plurality of pulse tube coolers can also be used for pre-cooling the first pulse tube cooler.
  • the entirety of the pulse tube coolers is advantageously arranged such that a predetermined temperature T £ , ie temperature at the cold head of the first pulse tube cooler, to which the object to be cooled is to be cooled, is reached in several successive cooling stages.
  • the fourth temperature Tz of the cold head of the second pulse tube cooler can be set such that it is lower than the temperature Ty of the area or the connecting device, the connecting device for its pre-cooling being at least partially in thermal contact along the second pulse tube in the direction from the warm head to the cold head and / or at least partially in thermal contact along the second regenerator in the direction from the warm end section to the cold end section.
  • Cooling device advantageously housed in a cryostat.
  • the connection device is then in
  • Form one or more gas lines formed by the gas is conducted from an area or a connection device which is in thermal contact with the exterior of the cryostat to the object to be cooled.
  • the object to be cooled then advantageously consists of a container containing a gas to be liquefied. If gases with a low condensation point or liquefaction point, such as helium at about 4K, are to be liquefied, a two- or three-stage pulse tube cooler system is advantageously used. For gases with a higher condensation point, such as nitrogen at around 77 K, a single-stage pulse tube cooler system can also be used.
  • the object to be cooled by the cooling device according to the invention can, for example, also have a magnet based on a superconducting or normally conducting material or a sensor for detecting particles, radiation or fields.
  • sensors can be sensors with an operating temperature in the range of approximately 30 to 100 K, such as silicon detectors (Si (Li) detectors), germanium detectors (HPGe detectors) or SQUIDs ("superconducting quantum interference device”) based on high-temperature superconductors. , superconducting quantum interference devices).
  • the object to be cooled can also have sensors which are based on a low-temperature effect, these sensors being based on their operating temperature less than 20 K, usually even less than 4K, from a low-temperature cooling device (for example a demagnetization stage) which is connected to the cold head of the first pulse tube is connected to be cooled to the appropriate operating temperature.
  • a low-temperature cooling device for example a demagnetization stage
  • a two-stage or three-stage pulse tube cooling system is advantageously used in such sensors.
  • the sensors used in the detector device based on a low-temperature effect, or also cryodetectors or cryogenic detectors, are sensors which measure energy deposited by radiation or particle absorption by means of an effect which only or in particular occurs at low temperatures. These temperatures are provided by a heat sink which is thermally coupled to the detector device, which has a respective sensor based on a low-temperature effect.
  • thermometer such as a sensor in a microcalorimeter
  • a phase transition thermometer superconducting layer, e.g. made of tungsten, iridium, aluminum or tantalum
  • a cooling device or a coupling to a heat sink In the temperature transition area between its superconducting and normal conducting phase, the thermometer changes its electrical resistance very strongly depending on the temperature, i.e. even after absorption of lattice vibrations and quasiparticles.
  • Superconducting tunnel diodes They consist of two overlapping thin superconducting films (SIS:
  • Superconductor-insulator-superconductor whereby the films do not necessarily have to consist of the same superconductor on both sides) or a superconducting and a normal-conducting film (NIS: normal-conductor-insulator-superconductor), the respective films being separated by a thin electrically insulating barrier , The barrier is so thin that it allows quantum mechanical tunneling of electrons or quasiparticles from one electrode to the other. If the NIS diode or SIS diode is operated below the step temperature of the respective superconductor, and the applied voltage is less than the voltage (NIS) corresponding to the superconducting energy gap or less than twice this voltage (SIS), this rises above the barrier flowing electricity when energy is deposited in the tunnel diode. The deposition of the energy can by Increase in temperature, absorption of lattice vibrations or quasiparticles or directly by absorption of radiation or particles.
  • NTD NTD thermometer
  • NTD Neurotron Transmutation Doping
  • semiconductors highly doped with neutrons These thermometers can be used to measure temperature fluctuations because, like all semiconductors, the resistance increases with decreasing temperature. In order to avoid that the resistors grow so high at very low temperatures that they can no longer be measured with sufficient accuracy, the semiconductors used are heavily doped, as a result of which their resistance is reduced.
  • Magnetic bolometers These sensors, which have a weak thermal coupling to a cold bath or a heat sink with a temperature preferably in the millikelvin range, comprise a weak concentration of paramagnetic ions in a magnetic field. As such ions, rare earth ions such as erbium (Er) are advantageously used. If a small amount of energy, for example due to electromagnetic radiation, is deposited in such a sensor, the rise in temperature causes a change in the magnetization of the paramagnet formed by the paramagnetic ions, which is measured, for example, using a coil connected to an input of a SQUID can. An absorber is advantageously thermally coupled to the magnetic bolometer.
  • Er erbium
  • SQUIDs based on low-temperature superconductors as sensors.
  • the object to be cooled can also be a variety of
  • Figure 1 is a schematic representation of a cooling device using a pulse tube cooler in the prior art
  • Figure 2a is a schematic representation of a cooling device according to the invention according to a first embodiment
  • Figure 2b is a schematic representation of a cooling device according to the invention according to a second embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of a cooling device according to the invention according to a third embodiment
  • Figure 4a is a schematic representation of a cooling device according to the invention according to a fourth embodiment
  • Figure 4b is a schematic representation of a cooling device according to the invention according to a fifth embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of a cooling device according to the invention according to a sixth embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a cooling device according to the invention in accordance with a seventh embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a cooling device according to the invention in accordance with an eighth embodiment
  • Figure 8 is a schematic representation of a cooling device according to the invention according to a ninth embodiment
  • Figure 9 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a first embodiment
  • Figure 10 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a second embodiment
  • Figure 11 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a third embodiment
  • Figure 12 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to the third embodiment in a more concrete representation than in Figure 11;
  • Figure 13 is a schematic representation of a two-stage pulse tube cooler system with the most important components. Preferred embodiments
  • FIG. 2a is a schematic representation of a first one
  • Embodiment of a cooling device according to the invention shows.
  • the cooling device according to the invention of this embodiment is advantageously arranged to improve the cooling performance in a cooling container or a cryostat (not shown), the temperature levels shown in the figures representing areas which advantageously range from heat or radiation shields for heat insulation are surrounded.
  • a cold head 24 is provided on the pulse tube, on which heat from an object to be cooled, in this case a magnet 82, is at a temperature of approximately 77K (or Tg) is recorded. Furthermore, the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected via a line 42 to a cold end section 46 of the regenerator 40. Further components which are important for the operation of a pulse tube cooler and which are not necessary to illustrate the invention are illustrated below in the general description of the functional principle of a pulse tube cooler.
  • temperature levels given here and in all of the following embodiments are illustrative and can have different values depending on the prevailing operating state or depending on the ambient temperature.
  • the electrical supply lines 62 which form a connection device between the connection device 60 that is in thermal contact with the exterior of the cooling area or the cryostat cover and the magnet 82, run partially or over a predetermined distance in thermal contact along the pulse tube 20 in the direction of Warm head (not shown) to cold head 24.
  • the electrical supply lines 62 are pre-cooled with relatively high cooling capacity even before contact with the magnet 82 or cold head 24 of the first pulse tube 20 by the thermal contact with the first pulse tube 20, which leads to a lower cooling capacity Heat load leads to the cold head 24, whereby the desired low temperature, here of 77K, is reached and temperature fluctuations are minimized.
  • Embodiments can the electrical leads 62 made of superconducting (superconducting means both high temperature and low temperature superconducting) and / or normally conductive wires, which are advantageously electrically insulated.
  • the thermal contact of the supply lines 62 or line 62 (for example the gas line 62 in the second embodiment) with the pulse tube 20 (or the second pulse tube 30, see FIG. 5), or as in the third embodiment with the regenerator 40, generally by gluing the supply lines 62 or line 62 to the pulse tube 20 or the regenerator 40 or by winding the supply lines 62 or line 62 around these components 20, 40. It is also possible to fasten the supply lines or line over a certain distance to the components 20, 40 (or the second pulse tube 30) using clamps or the like.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a second embodiment of a cooling device according to the invention, which is used to liquefy gas.
  • a connection device 60 for Gas lines 62, as well as a warm head (not shown) of a first pulse tube 20 and a warm end section 44 of an associated first regenerator 40 are arranged.
  • a cold head 24 is provided, on which heat from an object 82 to be cooled, in this case from one to one liquefying gas-containing container 82 is received at a temperature of about 77K (or Tg).
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected via a line 42 to a cold end section 46 of the regenerator 40.
  • the gas line 62 which forms a connection device between the connection device 60 that is in thermal contact with the exterior of the cooling area or the cryostat cover and container 82, runs partially or over a predetermined distance in thermal contact along the pulse tube 20 in the direction of the warm head (not shown) to the cold head 24. More specifically, the gas line 62 in the second and in the fifth embodiment is wound around a partial length of the pulse tube 20.
  • the gas line 62 and rather the gas flowing in the gas line to the container 82, is already in contact with the container 82 or cold head 24 of the first pulse tube 20 due to the thermal contact with the first pulse tube 20 (the general functional principle of the pulse tube cooler pre-cooled below) with a relatively high cooling capacity, which leads to a lower thermal load on the cold head 24, whereby the desired low temperature, here of 77K, is reached and temperature fluctuations are minimized.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a third embodiment of the cooling device according to the invention.
  • connection device 60 stands for in the third embodiment electrical supply lines 62, as well as the warm head (not shown) of the first pulse tube 20 and the warm end section 44 of the associated first regenerator 40 in thermal contact with the 300 K temperature level.
  • the cold head 24 is again provided, at which a cooling temperature of approximately 77 K is provided on the magnet 82.
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via the line 42.
  • the electrical supply lines 62 here run partially or over a certain distance in thermal contact along the regenerator 40 in the direction from the warm end section 44 to the cold end section 46, which is connected to the cold head 24 via the line 42 . Due to the exchange of a working gas between the regenerator 40 and the pulse tube 20 (the general functional principle of the pulse tube cooler is explained in more detail below), the regenerator 40 is also in thermal contact with the pulse tube 20 and, like this, has a temperature gradient from the warm end portion 44 to the cold end portion 46 on.
  • the temperature of the electrical leads 62 which are in thermal contact with the regenerator at one or more points is "intercepted" or (for the purpose of precooling) at different temperature levels before they reach the magnet 82, which in turn leads to a lower thermal load the cold head 24 leads.
  • FIG. 4a shows a schematic representation of a fourth embodiment of the cooling device according to the invention, the The characteristic of this embodiment is the two-stage pulse tube cooler system.
  • connection device 60 for electrical leads 62 a warm head (not shown) of a first pulse tube 20, a warm head (not shown) of a second pulse tube 30, and a warm end section 54 of a second regenerator 50 in thermal contact with the 300 K temperature level (TAI, A2 T V) I for example a cryostat cover.
  • TAI 300 K temperature level
  • the two regenerators 40 and 50 are connected to one another, so that the upper regenerator 50 is used as a warm regenerator section 50 or for coupling to the 300K temperature level from the regenerator 40.
  • an arrangement with two separate regenerators is conceivable.
  • a cold head 24 is provided at the lower end of the first pulse tube 20, at which a cooling temperature of approximately 4K (Tg) is provided on an object to be cooled, here on a magnet 82.
  • a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77K (Tz) is provided for precooling the first pulse tube 20. More specifically, the temperature of 77K is provided to a cooling area containing the cold head 24 of the first pulse tube and the magnet 82, which in the case of using a cryostat is surrounded by a heat shield for thermal insulation.
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42 and the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected to a cold end section 56 of the second regenerator 50 via a line 52.
  • electrical supply lines 62 which form a connection device between the connection device 60 or cryostat cover that is in thermal contact with the exterior of the cooling area and the magnet 82, first meet a thermal interception device 64 located at the 77K temperature level, in which the temperature of the supply lines 62 is "caught" at 77K or adjusted (for the purpose of pre-cooling).
  • the supply lines 62 run partially or over a predetermined distance in thermal contact along the pulse tube 20 in the direction from the warm head (not shown) to the cold head 24.
  • the electrical supply lines 62 are already before contact with the Magnet 82 or cold head 24 of the first pulse tube 20 pre-cooled, which leads to a lower thermal load on the cold head 24.
  • FIG. 4b shows a schematic representation of a fifth embodiment of the cooling device according to the invention, which also serves to liquefy gas, the characteristic of this embodiment being the two-stage pulse tube cooler system.
  • connection device 60 for a gas line 62 a warm head (not shown) of a first pulse tube 20, a warm head (not shown) of a second pulse tube 30, and a warm end section 54 of a second regenerator 50 thermal contact with the 300 K temperature level (TI T A2 / ⁇ v) / for example a cryostat cover.
  • the two regenerators 40 and 50 are connected to one another, so that the upper regenerator 50 is used as a warm regenerator section 50 or for coupling to the 300K temperature level by the regenerator 40.
  • an arrangement with two separate regenerators is conceivable.
  • a cold head 24 is provided, at which a cooling temperature of approximately 4K (Tg) is provided on an object to be cooled, here on a container 82 containing a gas to be liquefied.
  • a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77K (Tz) is provided for precooling the first pulse tube 20. More specifically, the temperature of 77K is provided to a cooling area containing the cold head 24 of the first pulse tube and the container 82, which in the case of using a cryostat is surrounded by a heat shield for thermal insulation.
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42 and the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected to a cold end section 56 of the second regenerator 50 via a line 52.
  • a gas line 62 which forms a connection device between the connection device 60 or cryostat cover, which is in thermal contact with the exterior of the cooling area, and the container 82 first meets the cold head 34 of the second pulse tube, which is at the 77K temperature level ( or is in thermal contact with it), at which the temperature of line 62 is "caught" at 77K or (for the purpose of pre-cooling) is adjusted. From there, the line 62 runs partially or over a predetermined distance in thermal contact along the pulse tube 20 in the direction from the warm head (not shown) to the cold head 24. More specifically, the gas line 62 is wound around a partial length of the pulse tube 20 as in the second embodiment.
  • the gas line 62 and rather the gas flowing in the gas line to the container 82, is pre-cooled with relatively high power even before contact with the container 82 or cold head 24 of the first pulse tube 20 by the thermal contact with the first pulse tube 20, which leads to a lower thermal load on the cold head 24.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a sixth embodiment of the cooling device according to the invention.
  • connection device 60 for electrical leads 62 there is a connection device 60 for electrical leads 62, a warm head (not shown) of a first pulse tube 20, a warm head (not shown) of a second pulse tube 30, and a warm end section 54 of a second regenerator 50 thermal contact with the 300 K temperature level, for example a cryostat cover.
  • a cold head 24 is again provided, on which a cooling temperature of approximately 4K is provided on an object to be cooled, here on a magnet 82.
  • a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77K is provided for precooling the first pulse tube 20.
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42 and the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected via a line 52 connected to a cold end portion 56 of the second regenerator 50.
  • the electrical leads 62 are partially or over a predetermined distance in thermal contact along the second pulse tube 30, where the temperature of the leads 62 is already adjusted to the temperature of the second pulse tube 30 (for the purpose of pre-cooling). From there, the supply lines 62 run partially or over a predetermined distance in thermal contact along the pulse tube 20 in the direction from the warm head (not shown) to the cold head 24. As in the first embodiment, the electrical supply lines 62 are already before contact with the Magnet 82 or cold head 24 of the first pulse tube 20 pre-cooled, which leads to a lower thermal load on the cold head 24.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a seventh embodiment of a cooling device according to the invention.
  • the same parts are denoted by the same reference numerals.
  • a connection device 60 for a cover of the cryostat which represents the 300 K temperature level (or the temperatures TAI, T V mentioned in the introduction) due to the thermal contact with the exterior of the cryostat or cooling area a vertical holding device 62 or supporting device 62 for holding or supporting an object 82 to be cooled, and a warm head (not shown) of a first pulse tube 20 and a warm end portion 44 of an associated first regenerator 40 is arranged.
  • a vertical holding arrangement 63 is provided, which establishes thermal contact between the components 62 and 20.
  • a cold head 24 is provided at the lower end of the pulse tube, on which heat is absorbed by an object to be cooled, in this case by a magnet 82, at a temperature of approximately 77K (or Tg). Furthermore, the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected via a line 42 to a cold end section 46 of the regenerator 40. Further components which are important for the operation of a pulse tube cooler and which are not necessary to illustrate the invention are illustrated below in the general description of the functional principle of a pulse tube cooler.
  • Temperature levels are for illustration purposes only and may have different values depending on the prevailing operating state or depending on the ambient temperature.
  • the holding device 62, 63 is made of two parts in this embodiment, namely the actual holding part 62 and the contact part 63 for producing a thermal one
  • the holding part 62 advantageously consists of a poorly heat-conducting one
  • Material such as plastics, in particular
  • the thermal contact of the holding or contact parts 62 and 63 with one another or with the pulse tube 20 or, as in the ninth embodiment with the regenerator 40, can be glued together by holding the holding or contact parts 62 and 63 with one another or by sticking to the pulse tube 20 or the regenerator 40, or by winding the contact parts 63 around the components 20, 40 or 62. It is also possible to use clamps or the like for fastening.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of an eighth embodiment of the cooling device according to the invention.
  • Characteristic of this embodiment is again the two-stage pulse tube cooler system.
  • a warm head (not shown) of a first pulse tube 20, a warm head (not shown) of a second pulse tube 30, and a warm end section 54 of a second regenerator 50 are in thermal contact with the 300 K temperature level (TAI, T A2 # ⁇ v) / for example a cryostat cover.
  • the two regenerators 40 and 50 are connected to one another, so that the upper regenerator 50 is used as a warm regenerator section 50 or for coupling to the 300K temperature level from the regenerator 40.
  • an arrangement with two separate regenerators is conceivable.
  • a cold head 24 is provided at the lower end of the first pulse tube 20, at which a cooling temperature of approximately 4K (TE) is provided on an object to be cooled, here on a magnet 82.
  • a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77K (Tz) is provided for precooling the first pulse tube 20. More specifically, the temperature of 77K is provided to a cooling area containing the cold head 24 of the first pulse tube and the magnet 82, which in the case of using a cryostat is surrounded by a heat shield for thermal insulation.
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42 and the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected to a cold end section 56 of the second regenerator 50 via a line 52.
  • a holding device 62, 63 is provided, the holding part 62 (vertical) of which holds the magnet 82 via a connecting device 60 on the cold head 34 or on a 77K heat shield of a cryostat.
  • Contact parts 63 (horizontal) are provided for establishing thermal contact between the holding part 62 and the lower part of the pulse tube 20 and thus for pre-cooling the entire holding device 62, 63.
  • the materials of the individual holding or contact parts are to be selected in accordance with the seventh embodiment.
  • the thermal contact with the pulse tube 20 thus "intercepts" the temperature of 77K of the holding device 62, 63 or at low temperatures in the region of the cold head temperature adjusted, which leads to a reduction in the thermal load on the cold head.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a ninth embodiment of the cooling device according to the invention.
  • the two-stage pulse tube cooler system has essentially the same structure as that of the eighth embodiment. The difference in this embodiment, however, is in holding the magnet 82.
  • a holding device 62, 63 is provided, the holding part 62 (vertical) of which holds the magnet 82 via a connecting device 60 on the cold head 34 or on a 77K heat shield of a cryostat.
  • thermal contact is provided between the holding part 62 and the regenerator 40 for pre-cooling the entire holding device 62, 63 by means of contact parts 63 (horizontal).
  • the materials of the individual holding or contact parts are to be selected according to the specific embodiment.
  • the thermal contact with the regenerator 40 thus "intercepts" the temperature of 77K of the holding device 62, 63 or adjusts it to lower temperatures in the region of the cold head temperature, which leads to a reduction in the thermal load on the cold head.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a pulse tube cooler according to a first embodiment.
  • the same parts are again identified by the same reference numerals.
  • the cooling effect in the pulse tube cooler is based on the periodic change in pressure and displacement ("pulsation") of a working gas in a thin-walled cylinder with heat exchangers at both ends, the so-called pulse tube 20.
  • the pulse tube 20 is connected to the pressure oscillator 10 via a regenerator 40.
  • the regenerator 40 serves as an intermediate heat store, which cools the gas flowing in from the pressure oscillator 10 before entering the pulse tube 20 and then warms the outflowing gas back to room temperature.
  • it is advantageously filled with a material with a high heat capacity, which has a good heat exchange with the flowing gas and at the same time a low flow resistance.
  • stacks of fine-meshed stainless steel or bronze sieves are used as the regenerator filling.
  • a compressor 10 is used in combination with a downstream rotary valve 15, which periodically connects the high and low pressure side of the compressor to the cooler.
  • the pressure oscillation can be generated directly via the piston movement of a valveless compressor.
  • the pulse tube is closed at the warm end 22. The quality of the cooling process is as follows: in the compression phase, the gas which has been precooled in the regenerator 40 flows into the pulse tube 20.
  • the gas in the pulse tube 20 is heated and at the same time moved to the warm heat exchanger 22 or warm head 22, where part of the heat of compression is dissipated to the environment.
  • the gas in the pulse tube 20 is cooled.
  • the gas which leaves the pulse tube 20 is colder than when it enters and can therefore heat from the cold heat exchanger 24 or cold head 24 and the object to be cooled or a further cooling device , take up.
  • a more detailed analysis of the process in this embodiment shows that the heat transfer from the cold 24 to the warm 22 end requires a heat exchange between the gas and the pipe wall ("surface heat pumps"). However, since the heat contact only occurs in a thin gas layer on the pipe wall, this cooling process has not yet been optimized.
  • FIG. 10 now shows a schematic illustration of a pulse tube cooler 20 according to a second one
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a pulse tube cooler according to a third embodiment, in which the effectiveness of the cooler can be increased further by the portion of the gas flow that is necessary for changing the pressure in the warm part of the pulse tube 20 through a second inlet at the warm end is directed. Since this gas flow no longer passes through the regenerator 40, the losses in the regenerator 40 are reduced.
  • a second inlet with a valve 28
  • a chronological sequence of pressure and flow variation which is more favorable for cooling is established.
  • FIG. 12 shows a schematic overall structure of a pulse tube cooler according to the third embodiment in a more concrete representation than in FIG. 11.
  • a commercial helium compressor 10 feeds a motor-driven rotary valve 15, which is used to control the helium gas flow.
  • the actual cooler and the rotary valve can be connected to one another via a flexible plastic line 12.
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of a two-stage pulse tube cooler system with the most important components, as can be used, for example, for the fourth or sixth and fifth embodiment of the cooling device according to the invention.
  • a compressor 10 is coupled to a rotary valve 15.
  • a line 12 connects the rotary valve 15 to the pulse tube cooler system.
  • This has a regenerator 40 of the first stage and a regenerator 50 of the second stage, a flow straightener 55 being arranged between them.
  • regenerator arrangement in which, for example, two separate regenerators are used.
  • the pulse tube cooler system has a first pulse tube 20 with a warm heat exchanger 22 and a cold heat exchanger or cold head 24 and a second pulse tube 30 with a warm heat exchanger 32 and a cold heat exchanger or cold head 34.
  • the respective warm heat exchangers 22 and 32 are connected to a common ballast container or ballast volume 70 via throttle valves, for example in the form of needle valves 26 and 36. It is also conceivable that two separate ballast volumes are used instead of the common ballast volume.
  • valves 38 and 28 are provided on the respective warm heat exchangers 22 and 32 for a second inlet.
  • the cold head 24 of the second pulse tube 30 pre-cools an area surrounded by a heat or radiation shield 92 to approximately a maximum of 50 K, while a temperature of approximately 2.2 to 4.2 K is provided on the cold head 24 of the first pulse tube 20 (cf. C. Wang et al.: "A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K", Cryogenics 1997, Volume 37, No. 3).
  • the cooling device according to the invention which has pulse tube coolers, is very low-vibration due to the lack of moving parts and is therefore particularly well suited for cooling sensitive sensors such as SQUIDs.
  • a cooling device which comprises the following components: a first pulse tube cooler with a first pulse tube 20, which has a warm head with a first temperature TAI and a cold head 24 with a second temperature g lower than the first temperature, and a first regenerator 40 having a warm end section 44 and a cold end portion 46 connected to the cold head of the first pulse tube; an object to be cooled 82 that is thermally coupled to the cold head of the first pulse tube cooler; and a connection device 62 for mechanically or electrically connecting the object to be cooled to an area 60 or for providing a fluid channel between the object to be cooled and a connection device 60.
  • the area 60 which generally is an area or a device with a temperature TE related to the second has higher temperature Ty, can be formed by a connection device 60 for the connecting device or be in thermal contact with it.
  • the connection device can furthermore have a mechanical fastening means, such as, for example, an adhesive or a screw connection, or else an electrical connection.
  • the connecting device 62 runs at least partially in thermal contact along the first pulse tube from the hot head to the cold head and / or partially in thermal contact along the first regenerator from the warm end section to the cold end section. As a result, the connecting device is pre-cooled even before contact with the object or cold head of the first pulse tube 20 to be cooled, which leads to a lower thermal load on the cold head 24.

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Abstract

Eine Kühlvorrichtung umfaßt: einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen Warmkopf und einen Kaltkopf (24), und einem ersten Regenerator (40), der einen warmen Endabschnitt (44) und einen kalten Endabschnitt (46), welcher mit dem Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; ein zu kühlendes Objekt (82), das an den Kaltkopf (24) des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist; und eine Verbindungseinrichtung (62) zum mechanischen oder elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts (82) mit einer Anschlußeinrichtung (60). Die Verbindungseinrichtung (62) verläuft zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Pulsrohrs (20) vom Warmkopf zum Kaltkopf (24) und/oder teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Regenerators (48) vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt. Dadurch wird die Verbindungseinrichtung schon vor dem Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt bzw. Kaltkopf des ersten Pulsrohrs (20) vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf (24) führt.

Description

Beschreibung
Kühlvorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 , 3 und 6.
Derartige Kühlvorrichtungen haben aufgrund ihrer Verwendung eines oder mehrerer Pulsröhrenkühler einen breiten Einsatzbereich und werden insbesondere zum Kühlen von Objekten verwendet, die durch elektrische bzw. mechanische Leitungen verbunden sind, und zum Kühlen bzw. Verflüssigen von Gasen. Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eignet sich somit beispielsweise zur Kühlung von Bauelementen aus Hochtemperatursupraleitern, wie SQUIDs, zur Kühlung von Halbleiterbauelementen, wie Infrarotdetektoren oder Hochgeschwindigkeitsschaltkreise für eine sehr schnelle Datenverarbeitung, oder auch zur Kühlung von Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren.
Stand der Technik
Aus Info-Phys-Tech Nr.6, 1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien, ist eine Kühlvorrichtung in Form eines Pulsröhrenkühlers bekannt, wobei der Pulsröhrenkühler aufweist (siehe Figur 1): ein Pulsrohr 20, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher 24 bzw. Kaltkopf 24, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt 82 aufgenommen wird (hier bei einer Temperatur von etwa 77K) , vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher (nicht dargestellt), an dem Wärme nach außen (hier bei einer Temperatur von etwa 300K) abgegeben wird, vorgesehen ist, einen Regenerator 40, der als Wärmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator (nicht dargestellt), der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen, wobei das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher 24 vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator 40 mit dem Druckoszillator verbunden ist, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird.
Soll ein Objekt, wie beispielsweise ein Magnet 82, gekühlt werden, so ist es bekannt, das Objekt an den Kaltkopf 24 des Pulsrohrs 20, das in einem Kühlbehälter angeordnet sein kann, thermisch zu koppeln und mit elektrischen Leitungen 62 zu verbinden. Als nachteilig bei dieser herkömmlichen Kühlanordnung stellt sich jedoch heraus, daß die Wärmelast auf den Kaltkopf 24 bei dieser Kühlanordnung beträchtlich ist. Dies liegt zum einen daran, daß die elektrischen Leitungen mit dem Äußeren des Kühlbehälters bzw. mit Einrichtungen 60 (Anschlußeinrichtung 60), deren Temperatur oberhalb der Temperatur des Kaltkopfs 24 liegt, in (thermischem) Kontakt stehen und zum anderen daran, daß der Strom durch die elektrischen Leitungen 62, der bei dem oben erwähnten Magnet 82 Werte von 20 bis 120 A annehmen kann, Wärme erzeugt. Dies kann dazu führen, daß die vom Kaltkopf 24 bereitzustellende Wärmesenke nicht mehr die gewünschte niedrige Temperatur erreicht bzw. Temperaturschwankungen auftreten. Eine derartige Vorrichtung zur Kühlung eines Magnets ist aus C. Wang et al.:"Cryogen Free Operation of a Niobiu -Tin Magnet Using a Two-Stage Pulse Tube Cooler", in Proceedings zur Konferenz "Applied Superconductivity" 1998 in Palm Desert bekannt, wobei dort anstelle eines einstufigen Pulsröhrenkühlersystems ein zweistufiges verwendet wird.
Aus G. Thummes et al.:"Small scale He liguefaction using a two-stage 4K pulse tube cooler", in Cryogenics 1998 Volume 00, Nu ber 0, ist eine in einem Kryostaten untergebrachte Vorrichtung zum Verflüssigen von He bkannt, die ein zweistufiges hintereinander geschaltetes Pulsröhrenkühlersystem verwendet. Dabei wird ein Gas- leitung zum Kühlen bzw. Verflüssigen eines Gases vom Äußeren des Kryostaten in das Innere geführt, dort um den Kaltkopf des zweiten Pulsrohrs, das eine höhere Temperatur als das erste Pulsrohr bereitstellt, gewickelt, um den Regenerator des ersten Pulsrohrs gewickelt, um den Kaltkopf des ersten Pulsrohrs gewickelt und schließlich mit einem das zu verflüssigende Gas enthaltenden Behälter, der am Kaltkopf des ersten Pulsrohrs angeordnet ist, verbunden. Ferner verläuft ein Meßfühler vom Äußeren des Kryostaten direkt zum dem Verflüssigungsbehälter, wodurch aufgrund des großen Temperaturgradienten eine bestimmte zusätzliche Wärmelast am Behälter aufgebracht wird. Ferner stellt sich als nachteilig bei der oben erwähnten Gasverflüssigungsvorrichtung heraus, daß auf den Kaltkopf des ersten Pulsrohrs eine große Wärmelast wirkt, da das Vorkühlen des Gases zwischen dem Kaltkopf des zweiten Pulsrohrs und dem des ersten Pulsrohrs aufgrund der Anbringung am Regenerator des ersten Pulsrohrs nur mit geringer Leistung erfolgt. Dies kann dazu führen, daß die vom Kaltkopf des ersten Pulsrohrs bereitzustellende Wär- mesenke nicht mehr die gewünschte niedrige Temperatur erreicht bzw. Temperaturschwankungen auftreten.
Darstellung der Erfindung Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung mit einem Pulsröhrenkühler zum Kühlen eines Objekts derart weiter zu bilden, daß die Wärmelast auf den Pulsrohrkaltkopf, die durch elektrische oder mechanische Verbindungseinrichtungen zu dem zu kühlenden Objekt oder durch Fluidzuleitungen an das zu kühlende Objekt hervorgerufen wird, minimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1, 3 oder 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Gemäß einem ersten Aspekt umfaßt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur AI und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur g aufweist, und einem ersten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrε verbunden ist, aufweist; ein zu kühlendes Objekt, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist; und eine Verbindungseinrichtung, insbesondere in Form von supraleitenden bzw. hochtemperatursupraleitenden und/oder normalleitenden elektrischen Zuleitungen, zum elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts mit einem Bereich, wie beispielsweise einer Anschlußeinrichtung, der eine bezüglich der zweiten Temperatur Tg höhere Temperatur Ty aufweist. Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr und/oder teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Regenerator, um ein Vorkühlen der Verbindungseinrichtung zu bewirken. Gemäß einem zweiten Aspekt umfaßt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur T^i und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur Tg aufweist, und einem ersten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; ein zu kühlendes Objekt, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist; und eine Verbindungseinrichtung, beispielsweise in der Form von Stangen, Drähten, Fäden aus Metall oder Kunststoff, zum mechanischen Verbinden des zu kühlenden Objekts mit einem Bereich, wie beispielsweise einer Anschlußeinrichtung, der eine bezüglich der zweiten Temperatur Tg höhere Temperatur v aufweist. Das mechanische Verbinden umfaßt dabei, daß das zu kühlende Objekt über die Verbindungseinrichtung an dem Bereich bzw. der Anschlußeinrichtung gehalten bzw. gestützt wird oder, daß auf das zu kühlende Objekt über die Verbindungseinrichtung mechanisch eingewirkt wird. Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr und/oder teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Regenerator, um ein Vorkühlen der Verbindungseinrichtung zu bewirken.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung kann diese in Form einer zweiteiligen Halteeinrichtung ausgebildet sein. Ein erster Teil bzw. Halteteil besteht dabei vorzugsweise aus einem schlecht wärmeleitendem Material, wie Kunststoff, und dient zum eigentlichen Halten des zu Kühlenden Objekts an der Anschlußeinrichtung. Eine zweiter Teil bzw. Kontaktteil besteht vorzugsweise aus einem gut leitenden Material, wie Metall, und dient zum thermischen in Kontakt bringen der Halteeinrichtung mit einem Pulsrohr oder Regenerator, und damit zum Vorkühlen der gesamten Halteeinrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung kann diese in Form einer Welle ausgebildet sein, die beispielsweise von einem Motor auf einem Temperatur Niveau beispielsweise von T^i oder TA2 ausgeht und dann zu dem zu kühlenden Objekt führt. Anstelle der Welle können jedoch auch Drähte oder Fäden zum mechanischen Einwirken auf das zu kühlende Objekt verwendet werden .
Gemäß einem dritten Aspekt umfaßt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur T^i und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur Tg aufweist, und einem ersten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; ein zu kühlendes Objekt, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist; und eine Verbindungseinrichtung zum Bereitstellen eines Fluidkanals zwischen dem zu kühlenden Objekts und einem Bereich, wie beispielsweise einer Anschlußeinrichtung, der eine bezüglich der zweiten Temperatur Tg höhere Temperatur Ty aufweist. Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr, um ein Vorkühlen der Verbindungseinrichtung bzw. des in dieser geführten Fluids zu erreichen.
Im folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des ersten und zweiten als auch dritten Aspekts erläutert: Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Regenerators vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, daß die Verbindungseinrichtung bzw. das in der Verbindungseinrichtung geführte Fluid schon vor dem Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt bzw. Kaltkopf des ersten Pulsrohrs durch den thermischen Kontakt zumindest teilweise entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder thermischen Kontakt zumindest teilweise entlang des ersten Regenerators vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt mit großer Kälteleistung vorgekühlt wird. Aufgrund des Wärme- oder Temperaturgradienten zwischen dem Warmkopf und Kaltkopf des (ersten) Pulsrohrs wird somit die Temperatur der an einer oder mehreren Stellen mit dem Pulsrohr oder Regenerator in thermischen Kontakt stehenden Verbindungseinrichtung an verschiedenen Temperaturniveaus "abgefangen" bzw. angeglichen.
Die Verbindungseinrichtung kann beispielsweise mittels Schellen oder dergleichen bzw. durch Aufkleben der Verbindungseinrichtung mit dem Pulsrohr bzw. Regenerator in thermischen Kontakt gebracht werden. Es ist ferner denkbar die Verbindungseinrichtung um das Pulsrohr bzw. den Regenerator zu wickeln.
Zum wirksamen Entgegenwirken der Wärmelast am ersten Pulsrohrkaltkopf bzw. zur Verbesserung der Kühlleistung des mit dem zu kühlenden Objekt verbundenen ersten Pulsrohrkaltkopfs und damit auch zum Absenken der Kühltemperatur kann ein zweiter Pulsröhrenkühler verwendet werden. Dieser hat ein zweites Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer dritten Temperatur ^2 und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der dritten Temperatur T^2 tieferen vierten Temperatur Tz, die zwischen der ersten Temperatur T^i und der zweiten Temperatur Tg liegt, aufweist, und einen zweiten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des zweiten Pulsröhrenkühlers verbunden ist, aufweist. Die von dem zweiten Pulsröhrenkühler bereitgestellte vierte Temperatur Tz dient dabei zum Vorkühlen des ersten Pulsröhrenkühlers . Es kann ferner anstelle des zweiten Pulsröhrenkühlers eine Vielzahl von Pulsröhrenkühlern zum Vorkühlen des ersten Pulsröhrenkühlers verwendet werden. Die Gesamtheit der Pulsröhrenkühler ist dabei vorteilhafterweise derart angeordnet, daß in mehreren aufeinanderfolgenden Kühlstufen eine vorbestimmte Temperatur T£, d.h. Temperatur am Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers, erreicht wird, auf die das zu kühlende Objekt gekühlt werden soll.
Zur weiteren Minimierung der Wärmelast am ersten Pulsrohrkaltkopf kann die vierte Temperatur Tz des Kaltkopfs des zweiten Pulsröhrenkühlers derart eingestellt sein, daß sie niedriger als die Temperatur Ty des Bereichs bzw. der Anschlußeinrichtung ist, wobei die Verbindungseinrichtung zu deren Vorkühlung zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des zweiten Pulsrohrs in Richtung vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des zweiten Regenerators in Richtung vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt geführt wird.
Im praktischen Gebrauch, insbesondere beim Kühlen bzw. Verflüssigen eines Gases, ist die erfindungsgemäße
Kühlvorrichtung vorteilhafterweise in einem Kryostaten untergebracht. Die Verbindungseinrichtung ist dann in
Form einer oder mehrerer Gasleitungen ausgebildet, durch die Gas von einem Bereich bzw. einer Anschlußeinrichtung, die mit dem Äußeren des Kryostaten in thermischem Kontakt steht, zu dem zu kühlenden Objekt geleitet wird. Das zu kühlende Objekt besteht dann vorteilhafterweise aus einem ein zu verflüssigendes Gas enthaltenden Behälter. Sollen Gase mit einem niedrigen Kondensationspunkt bzw. Verflüssigungspunkt, wie beispielsweise Helium bei etwa 4K, verflüssigt werden, so wird vorteilhafterweise ein zwei- oder dreistufiges Pulsröhrenkühlersystem verwendet. Für Gase mit einem höheren Kondensationspunkt, wie beispielsweise Stickstoff bei etwa 77 K, kann auch ein einstufiges Pulsröhrenkühlersystem verwendet werden.
Das von der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu kühlende Objekt kann beispielsweise auch einen auf einem supraleitenden oder normalleitenden Material basierenden Magneten oder einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern aufweisen. Derartige Sensoren können Sensoren mit einer Betriebstemperatur im Bereich von etwa 30 bis 100 K, wie beispielsweise Silizium- Detektoren (Si(Li)-Dektoren) , Germanium-Detektoren (HPGe- Dektoren) oder auf Hochtemperatursupraleitern basierende SQUIDs ( "Superconducting Quantum Interference Device", supraleitende Quanten-Interferenz-Vorrichtungen) sein. Das zu kühlende Objekt kann ferner auch Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren, aufweisen, wobei diese Sensoren aufgrund ihrer Betriebstemperatur kleiner als 20 K, meist sogar kleiner als 4K, von einer Tieftemperaturkühleinrichtung (z.B. einer Entmagnetisierungsstufe) , die mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, auf die entsprechende Betriebstemperatur gekühlt werden. Vorteilhafterweise wird bei derartigen Sensoren ein zweistufiges oder dreistufiges Pulsröhrenkühlsystem verwendet. Die in der Detektorvorrichtung verwendeten auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensoren, oder auch Kryodetektoren bzw. kryogene Detektoren, sind Sensoren, die durch eine Strahlungs- oder Teilchenabsorption deponierte Energie mittels eines Effektes, der nur oder insbesondere bei tiefen Temperaturen auftritt, messen. Diese Temperaturen werden von eine Wärmesenke bereitgestellt, die an die Detektoreinrichtung, welche einen jeweiligen auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor aufweist, thermisch gekoppelt ist. Diese Effekte können sein:
i) Temperaturerhöhung nach Energiedeposition (Kalorimeter) in einem Absorber (Dielektrikum, Metall, Supraleiter, usw. ) .
ii) Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen in einem Absorbermaterial) durch die Energiedeposition. Je tiefer die Ausgangstemperatur, desto weniger Gitterschwingungen sind vorhanden.
iii) Erzeugung von Quasiteilchen (Aufbrechen von Cooperpaaren) in einem Supraleiter. Supraleitung ist ein Tieftemperatureffekt . Je tiefer die Übergangstemperatur zur Supraleitung, desto mehr dieser Quasiteilchen werden durch die Energiedeposition erzeugt. Je mehr Quasiteilchen erzeugt werden, desto genauer kann die Energie bestimmt werden.
iv) Änderung der Spinausrichtung bzw. Magnetisierung in einem auf tiefe Temperaturen abgekühlten Spinsystem bestehend aus paramagnetischen Ionen aufgrund einer Energiedeposition.
Um die Temperaturerhöhung, die Gitterschwingungen, die Quasiteilchen (allgemein die Anregungen) bzw. die Änderung der Magnetisierung zu messen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei generell gilt, daß die Anregungen in einem Absorber erzeugt werden und in einem Sensor nachgewiesen werden. Sensor und Absorber können dabei identisch sein. Als Sensoren kommen in Frage:
a) Supraleitende Phasenübergangsthermometer, wie beispielsweise als Sensor in einem Mikrokalorimeter: Diese bestehen im wesentlichen aus einem Absorber, einem Phasenübergangsthermometer (supraleitende Schicht, beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal) und einer Kühleinrichtung bzw. einer Kopplung an eine Wärmesenke. Im Temperaturübergangsbereich zwischen seiner supraleitenden und normalleitenden Phase ändert das Thermometer seinen elektrischen Widerstand sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur, d.h. auch nach Absorption von Gitterschwingungen und Quasiteilchen.
b) Supraleitende Tunneldioden: Sie bestehen aus zwei überlappenden dünnen supraleitenden Filmen ( SIS:
Supraleiter-Isolator-Supraleiter, wobei die Filme nicht notwendigerweise aus dem gleichen Supraleiter auf beiden Seiten bestehen müssen) oder einem supraleitenden und einem normalleitenden Film ( NIS: Normalleiter-Isolator- Supraleiter) , wobei die jeweiligen Filme durch eine dünne elektrisch isolierende Barriere getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, daß sie quantenmechanisches Tunneln von Elektronen, bzw. Quasiteilchen von der einen Elektrode zur anderen erlaubt. Wird die NIS-Diode oder SIS-Diode unterhalb der Sprungtemperatur der jeweiligen Supraleiter betrieben, und ist die angelegte Spannung kleiner als die der supraleitenden Energielücke entsprechenden Spannung (NIS) bzw. kleiner als zweimal diese Spannung (SIS), so steigt der über die Barriere fließende Strom, wenn in der Tunneldiode Energie deponiert wird. Die Deposition der Energie kann durch Temperaturerhöhung, Absorption von Gitterschwingungen oder Quasiteilchen oder direkt durch Absorption von Strahlung oder Teilchen geschehen.
c) Thermistor, wie NTD-Thermometer ( NTD: "Neutron Transmutation Doping", d.h. mittels Neutronen hochdotierter Halbleiter) . Diese Thermometer können zum Messen von Temperaturschwankungen verwendet werden, da bei ihnen, wie bei allen Halbleitern, der Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Um zu vermeiden, daß bei sehr tiefen Temperaturen die Widerstände so hoch anwachsen, daß sie nicht mehr mit genügender Genauigkeit gemessen werden können, werden die verwendeten Halbleiter hochdotiert, wodurch ihr Widerstand abgesenkt wird.
d) Magnetische Bolometer. Diese Sensoren, die eine schwache thermische Kopplung an ein Kältebad bzw. eine Wärmesenke mit einer Temperatur vorzugsweise im Millikelvinbereich haben, umfassen eine schwache Konzentration von paramagnetischen Ionen in einem magnetischen Feld. Als derartige Ionen werden vorteilhafterweise Ionen von seltenen Erden, wie beispielsweise von Erbium (Er ), verwendet. Wenn ein kleiner Energiebetrag, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, in einem derartigen Sensor deponiert wird, verursacht der Temperaturanstieg eine Änderung der Magnetisierung des von den paramagnetischen Ionen gebildeten Paramagneten, die beispielsweise unter Verwendung einer Spule, die an einen Eingang eines SQUIDs angeschlossen ist, gemessen werden kann. Vorteilhafterweise ist an das magnetische Bolometer ein Absorber thermisch gekoppelt.
Es ist ferner denkbar, auf Tieftemperatursupraleitern basierende SQUIDs als Sensor zu verwenden. Das zu kühlende Objekt kann ferner eine Vielzahl von
Sensoren aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn zwei verschiedenartige Sensoren verwendet werden, deren Energieauflösung in jeweils verschiedenen Energiebereichen unterschiedlich gut ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung unter Verwendung eines Pulsröhrenkühlers im Stand der Technik;
Figur 2a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 2b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
Figur 4a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform; Figur 4b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemaßen Kühlvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer er indungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform;
Figur 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsfor ;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform;
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung;
Figur 10 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
Figur 11 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung;
Figur 12 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 11; und
Figur 13 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Pulsröhrenkühlersystems mit den wichtigstem Komponenten. Bevorzugte Ausführungsformen
Im folgenden wird die Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Es sei dabei zunächst auf Figur 2a verwiesen, die eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dieser Ausführungsform, sowie aller folgenden Ausführungsformen, ist vorteilhafterweise zur Verbesserung der Kühlleistung in einem Kühlbehälter bzw. einem Kryostaten (nicht dargestellt) angeordnet, wobei die in den Figuren dargestellten Temperaturniveaus Bereiche repräsentieren, die vorteilhafterweise von Wärme- bzw. Strahlungsschilden zur Wärmeisolierung umgeben sind.
Von oben nach unten betrachtet sind an einer Abdeckung des Kryostaten, die aufgrund des thermischen
Kontakts mit dem äußeren des Kryostaten bzw. Kühlbereichs das 300 K-Temperaturniveau (bzw. die in der Einleitung genannten Temperaturen T^i, Ty) repräsentiert, eine
Anschlußeinrichtung 60 für elektrische Zuleitungen 62, sowie ein Warmkopf (nicht gezeigt) eines ersten Pulsrohrs
20 und ein warmer Endabschnitt 44 eines dazugehörigen ersten Regenerators 40 angeordnet. Am unteren Ende des
Pulsrohrs ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt, in diesem Fall von einem Magnet 82, bei einer Temperatur von etwa 77K (bzw. Tg) aufgenommen wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden. Weitere für den Betrieb eines Pulsröhrenkühlers wichtige Komponenten, die zur Veranschaulichung der Erfindung nicht notwendig sind, werden unten bei der allgemeinen Beschreibung des Funktionsprinzips eines Pulsröhrenkühlers dargestellt.
Es sei bemerkt, daß die angegebenen Temperaturniveaus hier und in allen folgenden Ausführungsformen zur Veranschaulichung dienen und entsprechend dem vorherrschenden Betriebszustand bzw. abhängig von der Umgebungstemperatur andere Werte aufweisen können.
Erfindungsgemäß verlaufen die elektrischen Zuleitungen 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw. der Kryostatenabdeckung und dem Magnet 82 bildet, teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Dadurch werden die elektrischen Zuleitungen 62 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 durch den thermischen Kontakt mit dem ersten Pulsrohr 20 mit relativ hoher Kühlleistung vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt, wodurch die gewünschte niedrige Temperatur, hier von 77K, erreicht wird und Temperaturschwankungen minimiert werden .
In dieser, sowie in den entsprechenden folgenden
Ausführungsformen können die elektrischen Zuleitungen 62 aus supraleitenden (supraleitend bedeutet hierbei sowohl hochtemperatur- sowie tieftemperatursupraleitend) und/oder normalleitenden Drähten bestehen, die vorteilhafterweise elektrisch isoliert sind.
Ferner kann hier und in allen folgenden Ausführungsformen der thermische Kontakt der Zuleitungen 62 bzw. Leitung 62 (beispielsweise die Gasleitung 62 in der zweiten Ausführungsform) mit dem Pulsrohr 20 (oder dem zweiten Pulsrohr 30, siehe Figur 5), oder wie in der dritten Ausführungsform mit dem Regenator 40, allgemein durch Aufkleben der Zuleitungen 62 bzw. Leitung 62 an das Pulsrohr 20 bzw. den Regenerator 40 oder durch Wickeln der Zuleitungen 62 bzw. Leitung 62 um diese Komponenten 20,40 erfolgen. Es ist ferner möglich die Zuleitungen bzw. Leitung über eine bestimmte Strecke mit Schellen oder dergleichen an den Komponenten 20,40 (oder dem zweiten Pulsrohr 30) zu befestigen.
Zweite Ausführungsform
Es sei dabei zunächst auf Figur 1 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die zum Verflüssigen von Gas dient, zeigt.
Von oben nach unten betrachtet sind an einer Abdeckung des Kryostaten, die aufgrund des thermischen Kontakts mit dem äußeren des Kryostaten bzw. Kühlbereichs das 300 K-Temperaturniveau (bzw. die in der Einleitung genannten Temperaturen ^i, Ty) repräsentiert, eine Anschlußeinrichtung 60 für Gasleitungen 62, sowie ein Warmkopf (nicht gezeigt) eines ersten Pulsrohrs 20 und ein warmer Endabschnitt 44 eines dazugehörigen ersten Regenerators 40 angeordnet. Am unteren Ende des Pulsrohrs ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt 82, in diesem Fall von einem ein zu verflüssigendes Gas enthaltenden Behälter 82, bei einer Temperatur von etwa 77K (bzw. Tg) aufgenommen wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden.
Erfindungsgemäß verläuft die Gasleitung 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw. der Kryostatenabdeckung und Behälter 82 bildet, teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Genauer gesagt, ist die Gasleitung 62 in der zweiten, sowie in der fünften Ausführungsform um eine Teillänge des Pulsrohrs 20 gewickelt. Dadurch wird die Gasleitung 62, und vielmehr das in der Gasleitung zum Behälter 82 strömende Gas, schon vor dem Kontakt mit dem Behälter 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 durch den thermischen Kontakt mit dem ersten Pulsrohr 20 (das allgemeine Funktionsprinzip des Pulsröhrenkühlers wird unten näher erläutert) mit relativ hoher Kühlleistung vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt, wodurch die gewünschte niedrige Temperatur, hier von 77K, erreicht wird und Temperaturschwankungen minimiert werden.
Dritte Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 3 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemaßen Kühlvorrichtung zeigt.
Wie in der ersten Ausführungsform steht in der dritten Ausführungsform die Anschlußeinrichtung 60 für elektrische Zuleitungen 62, sowie der Warmkopf (nicht dargestellt) des ersten Pulsrohrs 20 und der warme Endabschnitt 44 des zugehörigen ersten Regenerators 40 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau . Am unteren Ende des Pulsrohrs 20 ist wieder der Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an dem Magnet 82 von etwa 77K bereitgestellt wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über die Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden.
Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform verlaufen hier die elektrischen Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine bestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Regenerators 40 in Richtung von dem warmen Endabschnitt 44 zu dem kalten Endabschnitt 46, der über die Leitung 42 mit dem Kaltkopf 24 in Verbindung steht. Aufgrund des Austauschs eines Arbeitsgases zwischen dem Regenerator 40 und dem Pulsrohr 20 (das allgemeine Funktionsprinzip des Pulsröhrenkühlers wird unten näher erläutert) steht der Regenerator 40 auch in thermischen Kontakt mit dem Pulsrohr 20 und weist wie dieses einen Temperaturgradienten vom warmen Endabschnitt 44 zum kalten Endabschnitt 46 auf. Somit wird die Temperatur der an einer oder mehreren Stellen mit dem Regenerator in thermischen Kontakt stehenden elektrischen Zuleitungen 62 bei verschiedenen Temperaturniveaus "abgefangen" bzw. (zum Zweck der Vorkühlung) angeglichen, bevor diese den Magnet 82 erreichen, was wiederum zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.
Vierte Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 4a verwiesen, die eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt, wobei das Kennzeichen dieser Ausführungsform das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.
Ähnlich zu der ersten und dritten Ausführungsform steht in der vierten Ausführungsform eine Anschlußeinrichtung 60 für elektrische Zuleitungen 62, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau (TAI, A2 TV) I beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. In dieser Darstellung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 miteinander verbunden, so daß der obere Regenerator 50 als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300K- Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar . Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4K (Tg) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K (Tz) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden. In der vierten Ausführungsform treffen elektrische Zuleitungen 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw. Kryostatenabdeckung und dem Magnet 82 bildet, zunächst auf eine sich auf dem 77K-Temperaturniveau befindliche thermische Abfangeinrichtung 64, bei der die Temperatur der Zuleitungen 62 auf 77K "abgefangen" bzw. (zum Zweck des Vorkühlens ) angeglichen wird. Von dort aus verlaufen die Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Wie in der ersten Ausführungsform werden dabei die elektrischen Zuleitungen 62 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.
Fünfte Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 4b verwiesen, die eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der er indungsgemäßen Kühlvorrichtung, die ebenfalls zum Verflüssigen von Gas dient, zeigt, wobei das Kennzeichen dieser Ausführungsform das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.
Ähnlich zu der zweiten Ausführungsform steht in der fünften Ausführungsform eine Anschlußeinrichtung 60 für eine Gasleitung 62, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau (T I T A2/ τv)/ beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. In dieser Darstellung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 miteinander verbunden, so daß der obere Regenerator 50 als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300K-Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem ein zu verflüssigendes Gas enthaltenden Behälter 82, von etwa 4K (Tg) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K (Tz) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Behälter 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden.
In der fünften Ausführungsform trifft eine Gasleitung 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw. Kryostatenabdeckung und dem Behälter 82 bildet, zunächst auf den sich auf dem 77K- Temperaturniveau befindlichen Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs (bzw. steht mit diesem in thermischem Kontakt), bei dem die Temperatur der Leitung 62 auf 77K "abgefangen" bzw. (zum Zweck des Vorkühlens) angeglichen wird. Von dort aus verläuft die Leitung 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Genauer gesagt, ist die Gasleitung 62 wie in der zweiten Ausführungsform um eine Teillänge des Pulsrohrs 20 gewickelt. Hierdurch wird die Gasleitung 62, und vielmehr das in der Gasleitung zum Behälter 82 strömende Gas, schon vor dem Kontakt mit dem Behälter 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 durch den thermischen Kontakt mit dem ersten Pulsrohr 20 mit relativ hoher Leistung vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.
Sechste Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 5 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer sechsten Aus führungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt.
Wie bei der vierten Ausführungsform steht in der sechsten Ausführungsform eine Anschlußeinrichtung 60 für elektrische Zuleitungen 62, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist wiederum ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4K bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden.
In der sechsten Ausführungsform werden die elektrischen Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des zweiten Pulsrohrs 30 geführt, wo die Temperatur der Zuleitungen 62 schon auf die Temperatur des zweiten Pulsrohrs 30 (zum Zweck des Vorkühlens ) angeglichen wird. Von dort aus verlaufen die Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Wie in der ersten Ausführungsform werden dabei die elektrischen Zuleitungen 62 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.
Siebte Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 6 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Kühlvorrichtung zeigt. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Von oben nach unten betrachtet sind an einer Abdeckung des Kryostaten, die aufgrund des thermischen Kontakts mit dem Äußeren des Kryostaten bzw. Kühlbereichs das 300 K-Temperaturniveau (bzw. die in der Einleitung genannten Temperaturen TAI, TV) repräsentiert, eine Anschlußeinrichtung 60 für eine vertikale Halteeinrichtung 62 bzw. Stützeinrichtung 62 zum Halten bzw. Stützen eines zu kühlenden Objekts 82, sowie ein Warmkopf (nicht gezeigt) eines ersten Pulsrohrs 20 und ein warmer Endabschnitt 44 eines dazugehörigen ersten Regenerators 40 angeordnet. Zwischen der vertikalen Halteanordnung 62 und dem ersten Pulsrohr 20 ist eine vertikale Halteanordnung 63 vorgesehen, die einen thermischen Kontakt zwischen den Komponenten 62 und 20 herstellt. Am unteren Ende des Pulsrohrs ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt, in diesem Fall von einem Magnet 82, bei einer Temperatur von etwa 77K (bzw. Tg) aufgenommen wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden. Weitere für den Betrieb eines Pulsröhrenkühlers wichtige Komponenten, die zur Veranschaulichung der Erfindung nicht notwendig sind, werden unten bei der allgemeinen Beschreibung des Funktionsprinzips eines Pulsröhrenkühlers dargestellt.
Es sei nochmals bemerkt, daß die angegebenen
Temperaturniveaus nur zur Veranschaulichung dienen und entsprechend dem vorherrschenden Betriebszustand bzw. abhängig von der Umgebungstemperatur andere Werte aufweisen können.
Zur Verringerung der Wärmelast auf den Kaltkopf 24 ist in dieser Ausführungsform die Halteeinrichtung 62,63 aus zwei Teilen, nämlich dem eigentlichen Halteteil 62 und dem Kontaktteil 63 zur Herstellung eines thermischen
Kontakts zwischen dem Halteteil 62 und dem Pulsrohr 20, ausgebildet. Zur Wärmeisolation des zu kühlenden Objekts 82 von dem 300K-Temperaturniveau besteht der Halteteil 62 vorteilhafterweise aus einem schlecht wärmeleitendem
Material, wie beispielsweise Kunststoffen, insbesondere
Glasfasern oder Kevlarfäden. Für eine stabile Halterung von schweren zu kühlenden Objekten können auch stangen- oder rohrförmige Halteteile, insbesondere aus schlecht wärmeleitenden Materialien verwendet werden. Zur thermischen Ankopplung an das Pulsrohr 20 jedoch ist vorteilhafterweise für das Kontaktteil 63 ein thermisch gut leitendes Material, wie Metall, in Form von Drähten, Stangen, Rohren, etc. zu verwenden. Aufgrund dieser Halteanordnung wird die Halteeinrichtung 62,63 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.
Der thermische Kontakt der Halte- bzw. Kontaktteile 62 und 63 untereinander bzw. mit dem Pulsrohr 20 oder wie in der neunten Ausführungsform mit dem Regenerator 40 kann durch Zusammenkleben der Halte- bzw. Kontaktteile 62 und 63 untereinander bzw. durch Aufkleben an das Pulsrohr 20 oder den Regenerator 40, oder durch Wickeln der Kontaktteile 63 um die Komponenten 20,40 oder 62 erfolgen. Es ist ferner möglich, Schellen oder dergleichen zur Befestigung zu verwenden.
Achte Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 7 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform der erfindungsgemaßen Kühlvorrichtung zeigt, wobei das
Kennzeichen dieser Ausführungsform wiederum das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.
Ähnlich zu der siebten Ausführungsform steht in der achten Ausführungsform ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau (TAI, T A2# τv)/ beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. In dieser Darstellung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 miteinander verbunden, so daß der obere Regenerator 50 als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300K-Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar . Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4K (TE) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K (Tz) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden .
Zum Halten bzw. Stützen des Magnets 82 ist eine Halteeinrichtung 62,63 vorgesehen, deren Halteteil 62 (vertikal) den Magnet 82 über eine Anschlußeinrichtung 60 an dem Kaltkopf 34 bzw. an einem 77K-Wärmeschild eines Kryostaten hält. Zur Herstellung eines thermischen Kontakts zwischen dem Halteteil 62 und dem unteren Teil des Pulsrohrs 20 und somit zum Vorkühlen der gesamten Halteeinrichtung 62,63 sind Kontaktteile 63 (horizontal) vorgesehen. Die Materialien der einzelnen Halte- bzw. Kontaktteile sind entsprechend der siebten Ausführungsform zu wählen. Somit wird durch den thermischen Kontakt mit dem Pulsrohr 20 die Temperatur von 77K der Halteeinrichtung 62,63 "abgefangen" bzw. zu niederen Temperaturen im Bereich der Kaltkopftemperatur angeglichen, was zu einer Verminderung der Wärmelast auf den Kaltkopf führt.
Neunte Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 8 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform der erfindungsgem ßen Kühlvorrichtung zeigt.
Das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das der achten Ausführungsform auf. Der Unterschied in dieser Ausführungsform besteht jedoch in dem Halten bzw. Stützen des Magnets 82.
Zum Halten bzw. Stützen des Magnets 82 ist eine Halteeinrichtung 62,63 vorgesehen, deren Halteteil 62 (vertikal) den Magnet 82 über eine Anschlußeinrichtung 60 an dem Kaltkopf 34 bzw. an einem 77K-Wärmeschild eines Kryostaten hält. Im Gegensatz zur achten Ausführungsform wird hier ein thermischer Kontakts zwischen dem Halteteil 62 und dem Regenerator 40 zum Vorkühlen der gesamten Halteeinrichtung 62,63 durch Kontaktteile 63 (horizontal) vorgesehen. Die Materialien der einzelnen Halte- bzw. Kontaktteile sind entsprechend der sibten Ausführungsform zu wählen. Somit wird durch den thermischen Kontakt mit dem Regenerator 40 die Temperatur von 77K der Halteeinrichtung 62,63 "abgefangen" bzw. zu niederen Temperaturen im Bereich der Kaltkopftemperatur angeglichen, was zu einer Verminderung der Wärmelast auf den Kaltkopf führt.
Pulsröhrenkühler Im folgenden wird der allgemeine Aufbau und die Wirkungsweise eines in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu verwendenden Pulsröhrenkühlers beschrieben (vgl. dazu auch Info-Phys-Tech Nr.6, 1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien) . Dabei zeigt Figur 9 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden wiederum gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Der Kühleffekt beim Pulsröhrenkühler beruht auf der periodischen Druckänderung und Verschiebung ("Pulsieren") eines Arbeitsgases in einem dünnwandigen Zylinder mit Wärmetauschern an beiden Enden, dem sogenannten Pulsrohr 20. Das Pulsrohr 20 ist mit dem Druckozillator 10 über einen Regenerator 40 verbunden. Der Regenerator 40 dient als Wärmezwischenspeicher, der das vom Druckoszillator 10 einströmende Gas vor Eintritt in das Pulsrohr 20 abkühlt und anschließend das ausströmende Gas wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Für diesen Zweck ist er vorteilhafterweise mit einem Material hoher Wärmekapazität gefüllt, das einen guten Wärmeaustausch mit dem strömenden Gas bei gleichzeitig geringem Durchflußwiderstand aufweist. Bei Temperaturen oberhalb 30 K verwendet man Stapel von feinmaschigem Edelstahloder Bronzesieben als Regeneratorfüllung. Für tiefere Temperaturen setzt man aus Gründen der hohen Wärmekapazität Bleischrot und neuerdings auch magnetische Materialien, z.B. Er-Ni-Legierungen, ein. Zur Erzeugung der Druckoszillation wird, wie es in Figur 12 gezeigt ist, ein Kompressor 10 in Kombination mit einem nachgeschalteten Rotationsventil 15 verwendet, das periodisch die Hoch- und Niederdruckseite des Kompressors mit dem Kühler verbindet. Alternativ dazu kann die Druckoszillation direkt über die Kolbenbewegung eines ventillosen Kompressors erzeugt werden. In der ersten Ausgestaltung des Pulsröhrenkühlers ist das Pulsrohr am warmen Ende 22 geschlossen. Der Kühlprozeß läuft qualitativ wie folgt ab: In der Kompressionsphase strömt das im Regenerator 40 vorgekühlte Gas in das Pulsrohr 20 ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Pulsröhr 20 erwärmt und gleichzeitig zum warmen Wärmetauscher 22 bzw. Warmkopf 22 hin verschoben, wo ein Teil der Kompressionswärme an die Umgebung abgeführt wird. Durch die anschließende Expansion erfolgt eine Abkühlung des Gases im Pulsrohr 20. Das Gas, welches das Pulsrohr 20 verläßt, ist kälter als beim Eintritt und kann daher Wärme aus dem kalten Wärmetauscher 24 bzw. Kaltkopf 24 und dem zu kühlenden Objekt bzw. einer weiteren Kühleinrichtung, aufnehmen. Eine genauere Analyse des Prozesses in dieser Ausführungsform zeigt, daß für den Wärmetransport vom kalten 24 zum warmen 22 Ende ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Rohrwandung erforderlich ist ("Oberflächenwärmepumpen"). Da der Wärmekontakt jedoch nur in einer dünnen Gasschicht an der Rohrwandung erfolgt, ist dieser Kühlprozeß noch nicht optimiert.
Figur 10 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers 20 gemäß einer zweiten
Ausgestaltung. Hierbei ergibt sich eine wesentliche
Steigerung der Effektivität durch den Anschluß eines
Ballastvolumens 70 über einen Strömungswiderstand
(Nadelventil) 26 am warmen Wärmetauscher 22. Zum einen strömt hier mehr Gas durch den warmen Wärmetauscher 22, das dort dann Kompressionswärme abgeben kann. Zum anderen leistet das Gas im Pulsrohr 20 Arbeit beim Verschieben von Gas in das Ballastvolumen 70, wodurch ein wesentlich höherer Kühleffekt erreicht wird. Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung, bei der sich die Effektivität des Kühlers sich weiter steigern läßt, indem der Anteil des Gasflusses, der zur Druckänderung im warmen Teil des Pulsrohres 20 nötig ist, durch einen zweiten Einlaß am warmen Ende geleitet wird. Da dieser Gasfluß nicht mehr den Regenerator 40 passiert, werden die Verluste im Regenerator 40 verringert. Außerdem stellt sich bei einem zweitem Einlaß (mit einem Ventil 28) eine für die Kühlung günstigere zeitliche Abfolge von Druck- und Flußvariation ein.
Figur 12 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 11. Dabei speist in diesem System ein kommerzieller Helium- Kompressor 10 ein motorgetriebenes Rotationsventil 15, das zur Steuerung das Heliumgasstromes dient.
Zur mechanischen Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen können der eigentliche Kühler und das Rotationsventil über eine flexible Kunststoffleitung 12 miteinander verbunden.
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung eines zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem mit den wichtigstem Komponenten, wie es beispielsweise für die vierte bzw. sechste und fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung verwendbar ist. Zur Erzeugung von Druckoszillationen ist ein Kompressor 10 an ein Rotationsventil 15 gekoppelt. Eine Leitung 12 verbindet das Rotationsventil 15 mit dem Pulsröhrenkühlersystem. Dieses weist einen Regenerator 40 der ersten Stufe und einen Regenerator 50 der zweiten Stufe auf, wobei zwischen diesen ein Flußausrichter ("flow straightener") 55 angeordnet ist. Es ist auch denkbar, eine andere Regeneratoranordnung zu wählen, bei der beispielsweise zwei getrennte Regeneratoren verwendet werden. Ferner weist das Pulsröhrenkühlersystem ein erstes Pulsrohr 20 mit einem warmen Wärmetauscher 22 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 24 und ein zweites Pulsrohr 30 mit einem warmen Wärmetauscher 32 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 34 auf. Die jeweiligen warmen Wärmetauscher 22 und 32 sind über Drosselventile, beispielsweise in der Form von Nadelventilen 26 und 36, mit einem gemeinsamen Ballastbehälter bzw. Ballastvolumen 70 verbunden. Es ist ferner denkbar, daß anstelle des gemeinsamen Ballastvolumens zwei getrennte Ballastvolumina verwendet werden. Außerdem sind an den jeweiligen warmen Wärmetauschern 22 und 32 Ventile 38 und 28 für einen zweiten Einlaß vorgesehen. Der Kaltkopf 24 des zweiten Pulsrohrs 30 kühlt dabei einen von einem Wärme- bzw. Strahlungsschild 92 umgebenen Bereich bis auf ungefähr maximal 50 K vor, während am Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 eine Temperatur von ungefähr 2,2 bis 4,2 K bereitgestellt wird (vgl. dazu C. Wang et al.:"A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K", Cryogenics 1997, Volume 37, Nr. 3).
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, die Pulsröhrenkühler aufweist, ist aufgrund der fehlenden beweglichen Teile sehr vibrationsarm und deshalb auch besonders gut für die Kühlung von empfindlichen Sensoren wie SQUIDs geeignet.
Zusammengefaßt ist eine Kühlvorrichtung offenbart, die folgende Komponenten umfaßt: einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr 20, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur TAI und einen Kaltkopf 24 mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur g aufweist, und einem ersten Regenerator 40, der einen warmen Endabschnitt 44 und einen kalten Endabschnitt 46, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; ein zu kühlendes Objekt 82, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist; und eine Verbindungseinrichtung 62 zum mechanischen oder elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts mit einem Bereich 60 oder zum Bereitstellen eines Fluidkanals zwischen dem zu kühlenden Objekt und einer Anschlußeinrichtung 60. Der Bereich 60, der allgemein ein Gebiet oder eine Einrichtung mit einer bezüglich der zweiten Temperatur TE höheren Temperatur Ty aufweist, kann dabei von einer Anschlußeinrichtung 60 für die Verbindungseinrichtung gebildet werden oder mit dieser in thermischem Kontakt stehen. Die Anschlußeinrichtung kann ferner ein mechanisches Befestigungsmittel, wie beispielsweise ein Klebemittel oder eine Verschraubung, oder auch einen elektrischen Anschluß aufweisen. Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung 62 zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Regenerators vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt . Dadurch wird die Verbindungseinrichtung schon vor dem Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt bzw. Kaltkopf des ersten Pulsrohrs 20 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.
Bezugszeichenliste Kompressor Leitung vom Kompressor weg Rotationsventil Pulsrohr, erstes Pulsrohr warmer Wärmetauscher von 20 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 20 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70 Ventil des zweiten Einlasses zweites Pulsrohr warmer Wärmetauscher von 30 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 30 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70 Ventil des zweiten Einlasses Regenerator, Regenerator der ersten Stufe Leitung von 46 zu 24 warmer Endabschnitt von 40 kalter Endabschnitt von 40 Regenerator der zweiten Stufe Leitung von 56 zu 34 warmer Endabschnitt von 50 Flußausrichter zwischen 40 und 50 kalter Endabschnitt von 50 Anschlußeinrichtung, Bereich Verbindungseinrichtung (elektr .,mechanisch) , Halteteil, elektrische Zuleitung, Gasleitung Kontaktteil thermische Abfangeinrichtung Ballastvolumen Magnet oder Verflüssigungsbehälter, zu kühlendes Objekt

Claims

Ansprüche
1. Kühlvorrichtung, die aufweist:
einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur (TAI) und einen Kaltkopf (24) mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur (Tg) aufweist, und einem ersten Regenerator (40), der einen warmen Endabschnitt (44) und einen kalten Endabschnitt (46), welcher mit dem Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) verbunden ist, aufweist;
ein zu kühlendes Objekt (82), das an den Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) thermisch gekoppelt ist; und
eine Verbindungseinrichtung (62) zum elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts (82) mit einem Bereich (60), der eine bezüglich der zweiten Temperatur (Tg) höhere Temperatur (Ty) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungseinrichtung (62) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Regenerator (40) verläuft.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62) supraleitende und/oder normalleitende elektrische Zuleitungen aufweist.
3. Kühlvorrichtung, die aufweist:
einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur (TAI) und einen Kaltkopf (24) mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur (TE) aufweist, und einem ersten Regenerator (40), der einen warmen Endabschnitt (44) und einen kalten Endabschnitt (46), welcher mit dem Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) verbunden ist, aufweist;
ein zu kühlendes Objekt (82), das an den Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) thermisch gekoppelt ist; und
eine Verbindungseinrichtung (62,63) zum mechanischen Einwirken auf das zu kühlende Objekt (82) und/oder zum Halten von diesem mit einem ersten Ende, das mit dem zu kühlenden Objekt (82) verbunden ist, und einem zweiten Ende, das mit einem Bereich (60), der eine bezüglich der zweiten Temperatur (Tg) höhere Temperatur (Ty) aufweist, verbunden ist,
wobei die Verbindungseinrichtung (62,63) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Regenerator (40) verläuft.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62,63) zum Halten des zu kühlenden Objekts (82) einen zweiteiligen Aufbau hat, der ein Halteteil (62) zum Halten des zu kühlenden Objekts (82) an einer Anschlußeinrichtung (60), die mit dem Bereich (60) in thermischem Kontakt steht, und ein Kontaktteil (63) zum Herstellen eines thermischen Kontakts zwischen dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) auf eist .
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (62) aus einem schlecht wärmeleitendem Material und das Kontaktteil (63) aus einem gut wärmeleitendem Material besteht.
6. Kühlvorrichtung, die aufweist:
einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur (TAI) und einen Kaltkopf (24) mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur (TE) aufweist, und einem ersten Regenerator (40), der einen warmen Endabschnitt (44) und einen kalten Endabschnitt (46), welcher mit dem Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) verbunden ist, aufweist;
ein zu kühlendes Objekt (82), das an den Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) thermisch gekoppelt ist; und
eine Verbindungseinrichtung (62) zum Bereitstellen eines Fluidkanals zwischen dem zu kühlenden Objekt (82) und einem Bereich (60), der eine bezüglich der zweiten
Temperatur (TE) höhere Temperatur (Ty) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungseinrichtung (62) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr (20) verläuft.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62; 62, 63) zumindest teilweise entlang des ersten Pulsrohrs (20) vom Warmkopf zum Kaltkopf (24) und/oder teilweise entlang des ersten Regenerators (40) vom warmen Endabschnitt (44) zum kalten Endabschnitt (46) verläuft.
8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen zweiten Pulsröhrenkühler mit einem zweiten Pulsrohr (30), das einen Warmkopf mit einer dritten Temperatur ( A2) und einen Kaltkopf (34) mit einer bezüglich der dritten Temperatur (TA2) tieferen vierten Temperatur (Tz), die zwischen der ersten Temperatur (TAI) und der zweiten Temperatur (TE) liegt, aufweist, und einem zweiten Regenerator (50), der einen warmen Endabschnitt (54) und einen kalten Endabschnitt (56), welcher mit dem Kaltkopf (34) des zweiten Pulsrohrs (30) verbunden ist, aufweist, wobei an dem zweiten Pulsröhrenkühler die vierte Temperatur (T ) zum Vorkühlen des ersten Pulsröhrenkühlers bereitgestellt wird.
9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regenerator (20) den zweiten Regenerator (30) als seinen warmen Endabschnitt mit verwendet .
10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (Ty) des Bereichs (60) höher als die vierte Temperatur (Tz) liegt, wobei die Verbindungseinrichtung ( 62 ; 62 , 63 ) zumindest teilweise entlang des zweiten Pulsrohrs (30) vom Warmkopf zum Kaltkopf (34) und/oder zumindest teilweise entlang des zweiten Regenerators (50) vom warmen Endabschnitt (54) zum kalten Endabschnitt (56) verläuft.
11. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung gleichzeitig eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3 ist und das zu kühlende Objekt (82) einen Magnet aufweist.
12. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung gleichzeitig eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3 ist und das zu kühlende Objekt (82) einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern aufweist.
13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Hochtemperatursupralteiter-SQUID oder ein Tieftemperatursupralteiter-SQUID ist.
14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein auf einem Tieftemperatureffekt basierender Sensor ist, der an eine Tieftemperaturkühleinrichtung thermisch gekoppelt ist und von dieser gekühlt wird.
15. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tieftemperaturkühleinrichtung eine Entmagnetisierungsstufe aufweist.
16. Kühlvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Phasenübergangsthermometer, eine supraleitende Tunneldiode, einen Thermistor oder ein magnetisches Bolometer aufweist.
17. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt (82) eine Vielzahl von Sensoren aufweist.
18. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung gleichzeitig eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 6 ist und die Verbindungseinrichtung (62) eine Gasleitung zum Vorkühlen von Gas ist, das von dem Bereich (60) zu dem zu kühlenden Objekt (82) geleitet wird.
19. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung gleichzeitig eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 6 ist und das zu kühlende Objekt (82) ein ein zu verflüssigendes Gas enthaltender Behälter (82) ist.
20. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62,63) durch Kleben, Wickeln oder mittels Schellen an dem ersten (20) bzw. zweiten (30)
Pulsrohr und/oder an dem ersten (40) bzw. zweiten (50) Regenerator in thermischen Kontakt gebracht wird.
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