WO2002046665A1 - Expander in einer pulsrohrkühlerstufe - Google Patents

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Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an expander for a cooling device which consists of a pulse tube cooler stage or at least two interacting pulse tube cooler stages.
  • a pulse tube cooler is based on the well-known Stirling process, in which gas is compressed and expanded cyclically.
  • the advantage is that there are no moving parts in the cold part. This enables relatively simple structures and therefore high reliability. In addition, mechanical vibrations remain very small. Single-stage structures are used to reach temperatures down to 20 K. Lower temperatures are achieved by multiplying the levels. Different types of such coolers are known from the prior art.
  • Each type of pulse tube cooler consists of a compressor to generate a cyclical gas stream that is fed into a regenerative heat exchanger - known as a regenerator - from there through the pulse tube with the heat exchanger cooling stage at its cold end and with an expander at its end in ambient temperature.
  • the expander is the device with which the acoustic work coupled with the pulsating gas flow is carried away from the pulse tube.
  • the main cooling capacity is given by the work flow belonging to the pulsating gas flow.
  • the expander must dissipate this mechanical work flow from the pulse tube, which is converted into heat by friction, into the environment.
  • phase shifts are in the range from 30 to 60 °.
  • Various methods are known for this. The most important ⁇ three should lead to the invention described below and are therefore briefly described in their mode of action and performance:
  • FIG. 9 shows the diagram of the pulse tube cooler based on the best known technique, the so-called double inlet system.
  • the pressure wave generator 2 it can be a reciprocating compressor or any compressor with separately controlled inlet and outlet valves.
  • the oscillating gas flow is through the connecting line 3 to the refrigeration generator 1, mainly to the regenerator 4, which is in series with the pulse tube 6 with the low-temperature heat exchanger 5 in between and the high-temperature heat exchanger 7 at the other end of the pulse tube.
  • a part of the gas flow generated by the pressure wave generator 2 is branched off from the connecting line and led through the bypass 8 with its flow resistance 9 into the connecting line 10 where it is connected between the heat exchanger 7 and the flow resistance 11.
  • the gas flow at the warm end of the pulse tube can be viewed as if it were composed of two parts, the so-called bypass flow, bypass flow, through the diversion 8 and the so-called throttle flow through the feed line 11. Both gas flows differ in their amplitude, and their phase positions can be adjusted in order to obtain optimal flow conditions at the warm end of the pulse tube, and the expansion work is dissipated in the throttle impedance given by the constriction 11.
  • the method suffers from the fact that it is very difficult to suppress a harmful, time-averaged current, the so-called direct current (DC) current, in the bypass branch 8.
  • DC direct current
  • the components within this Boxes are at low temperature, while the others are at ambient temperature.
  • Fig. 10 shows the diagram of another known pulse tube cooler.
  • the expander is implemented in the form of a so-called inertial tube phase shifter.
  • This part consists of the line 10a with a circular cross section, which lies between the pulse tube 6 and the buffer tank 12 a. Its function is based on the inertia of the gas column, which oscillates in line 10a. But, according to the small mass of the gas, it is necessary to operate such assemblies either at a relatively high frequency or with impractically long lines for low-frequency systems, as is the case when very low cooling temperatures are to be reached.
  • FIG. 11 shows a third diagram of a conventional pulse tube cooler.
  • the oscillating gas flow is generated by a rotary piston compressor 2a with valves 16a to 16d for closing and opening, which are connected to the suction line 14 and the supply line 15.
  • the gas flow that goes through the connecting line 3 into the regenerator 4 is controlled by the valves l ⁇ a and l ⁇ b, and the flow through the supply line 10a into the pulse tube 4 is controlled by the valves 10c and l ⁇ d.
  • it is very difficult to set the valve switching times so that there are optimal conditions for the cooler.
  • the known pulse tube coolers suffer from the fact that they do not bring about sufficient phase shift, or require controlled gas flows through four-valve pulse tube coolers, or they require a well-adjusted superimposition of two gas flows (two-input pulse tube cooler) or they do not work at low frequencies (Inertia phase shifter). They also need components that make a continuous transition from the large flow cross-section present in the pulse tube ensure the small cross-section of the connected connection. This function is contained in the heat exchanger 7.
  • the object of the invention is to remedy these disadvantages in the conventional systems.
  • the object is achieved by the construction of a pulse tube cooler according to the features of claim 1.
  • at least the heat exchanger and the connection between the pulse tube 6 and the buffer volume 21 form a structural unit 20.
  • the connection consists of at least one capillary flow channel or of a bundle of such capillary flow channels each having the same predetermined internal width and length made of good heat-conducting material to easily dissipate the heat into the environment.
  • the invention is based on the fact that an oscillating gas flow is maintained at a constant temperature. This has the effect that heat is returned to the surrounding medium during the compression and heat is absorbed by the surroundings during the expansion of the gas in the line. This process causes a phase shift between the oscillating pressure and the volume flow.
  • the parallel lines must be dimensioned in such a way that they have such a length and a clear width that the expansion work taken from the pulse tube - the part responsible for cooling - is converted into the heat flow to be released into the environment via friction.
  • the flow within each capillary must therefore be isothermal, so the diameter of the capillaries must be small compared to the thermal penetration depth in the gas.
  • the isothermal, pulsating gas flow in narrow lines can be described by differential equations of the same type used for lossy electrical transmission lines. Therefore, an arrangement of parallel lines can be made to behave like transmission lines in which the inductive effects dominate the capacitive ones. With the capillaries or the bundle of capillaries and the gas buffer volume as the terminating impedance, the input impedance of such an arrangement is such that the pressure wave leads the volume flow as required for the removal of the expansion work from the pulse tube.
  • the impedance matching is achieved in that in each capillary there is a sufficiently large frictional resistance for the gas and a sufficiently large heat exchange through the capillary wall. To do this, the inner and outer surface of the capillaries must be large enough to dissipate this heat.
  • a modification of the invention is characterized in the independent claim 2. If a very large number of parallel capillaries is necessary, it is in principle also possible for such a bundle to be pressed through a rod made of such porous, sintered material or from a felt or from a stack of mesh disks, in each case with a good thermal conductivity, which also provides heat is well covered skin / wall. He must be able to give a suitable flow resistance and the required heat flow to the environment over the cross-sectional area and its length.
  • Such a rod can be described by an equivalent capillary bundle if it is of sufficient quality for dimensioning. In order to have a continuous transition at the pulse tube outlet, the cross section of the rod would be the same, but at least the transition must be conical.
  • the sub-claims 3 to 8 represent devices with which the operation of the pulse tube cooler can be further optimized according to claim 1 or claim 2.
  • the pressure generator or compressor is connected according to claim 2 via a supply line coming from the inlet opening of the regenerator, which ends in two ends in the pressure generator, each with a controllable valve and provided, and to the pulse tube cooler (FIG. 2).
  • a smaller, changeable volume is introduced into the buffer volume, which is not compressible by the gas in the buffer volume and with which the buffer volume can be continuously changed from the outside within predetermined limits (FIG. 3). That can be a hydraulically operated stamp or a solid stamp that can be pushed into and pulled out of the buffer volume.
  • the heat release to the environment can be forced in that the heat exchanger is surrounded by a gas- and liquid-tight shell with inlet and outlet, which is connected to a cooling circuit (Fig. 4).
  • the wall of the buffer volume must be made of a good heat-conducting material in order to be able to provide sufficient heat flow to the surroundings (Fig. 5).
  • the terminating impedance, the expander then consists of the basic unit, which forms the heat exchanger at the pulse tube outlet and at the same time the supply line to the buffer volume, and the buffer volume itself.
  • the buffer volume can be connected to the pressure generator via a line with a metering valve (FIG. 7). So that can above it, a time-averaged net mass flow through the pulse tube can be set.
  • the unit for the heat emission to the environment and at the same time for the gas flow between the pulse tube and the buffer volume consists of parallel capillaries or the means listed in claim 2. If the capillaries are evenly distributed over the cross-section at the warm end of the pulse tube or the medium there according to claim 2 have the same cross-section, additional converters, as are still necessary according to the prior art, become superfluous.
  • the converter is the device for ensuring a uniform flow velocity distributed over the cross-sectional area.
  • the heat exchanger at the warm end causes the current to flow.
  • the device according to claim 1 and / or 2 has a large area for heat transfer.
  • the time-averaged net mass flow through the pulse tube is prevented, if desired, but can also be metered.
  • FIGS. 1 to 8 and FIGS. 9 to 11 The invention is explained in more detail with reference to the drawing.
  • the drawing consists of FIGS. 1 to 8 and FIGS. 9 to 11, the latter again recalling the basic construction methods for quick reading.
  • FIG. 1 shows the capillary flow channels built into the pulse tube cooler
  • FIG. 2 shows the valve-controlled feed line from the pressure generator to the regenerator
  • FIG. 3 shows the buffer volume with a built-in, controllable expander, 4 the forced heat removal from the expander, FIG. 5 the expander projecting into the buffer volume, FIG. 6 the sintered rod as the expander,
  • FIG. 7 shows the buffer volume coupled to the pressure generator
  • FIG. 8 shows the two-stage structure of a cooling device constructed from pulse tube coolers
  • FIG. 9 the known pulse tube cooler with built-in flow resistance in the supply line to the buffer volume and in the bypass line
  • FIG. 11 the known pulse tube cooler, each with a feed line controlled by two valves from the pressure generator to the regenerator and one to the heat exchanger at the warm end of the pulse tube.
  • the expander 20 according to FIG. 1 is constructed in such a way that an optimal phase shift between the pressure and the volume flow at the warm end of the pulse tube 6 can be set for the cyclic process.
  • This makes it possible to manufacture a pulse tube cooler of high efficiency and simple design.
  • the new part is the arrangement of narrow flow channels 20 or capillary lines 20 between the outlet of the pulse tube 6, the warm end, and the gas tank, the buffer volume 21, which is dimensioned for the performance of the pulse tube cooler. It is important that the flow channels 20 are made of good heat-conducting material Are material and there is good thermal contact with the environment, the cooling medium.
  • FIG. 2 shows a preferred implementation of the single-stage pulse tube cooler.
  • the physical processes are to be described in more detail using this structure:
  • This single-stage pulse tube cooler is provided by a rotary piston gas compressor with the intake port 14 and the exhaust port 15 driven. Both pipe sockets are closed on the one hand with a valve 16a and 16b for closing and opening. On the other hand, the T-piece connects both valves 16a and 16b and is connected via line 3 to the cold head 1 or the cold finger of the cooling device, more precisely to the input of the regenerator 4.
  • the cold finger 1 of the pulse tube cold generator consists of the regenerator 4, the heat exchanger 5 at the cold end, the pulse tube 6 and the terminating impedance connected to the output of the pulse tube and projecting into the environment. This consists of a large number of capillaries 20 going out at the output of the pulse tube and the buffer volume 21 in the form of the gas tank 21 attached at the other end.
  • the regenerator 4 consists of a stack of porous material with high specific heat, preferably composed of stainless steel grating disks, which are stacked in a cylindrical housing.
  • the pulse tube 6 is a cylindrical tube filled with refrigerant, typically with helium, which is held at pressures which oscillate around several bars around an average pressure of about 20 bar.
  • the heat exchanger 5 is the structural component for transferring the cold, which is generated by the oscillating internal gas flow, to the outside user, not indicated here. In addition, this heat exchanger must act as a converter such that an equal flow rate is distributed over the cross section at the input region of the pulse tube 6.
  • the pressure in the pulse tube 6 becomes higher than it is in the buffer volume 21, and the gas, with a temperature that is higher than that of the surrounding at the warm end of the pulse tube 6, becomes pushed back into the buffer volume 21 by the capillaries 20. During this process, heat is released from the capillaries into the surrounding atmosphere.
  • a gas stream from the buffer volume 21 enters the warm end of the pulse tube 6 and at the same time a cold gas stream returns to the regenerator 4, heat being absorbed in the heat exchanger 5.
  • the continuous cycle can be described as a process in which the gas in the pulse tube as one.
  • Piston acts, which transfers a mechanical workflow, the expansion work, from the cold end of the pulse tube to the warm end, where it dissipates into a heat flow that is transferred to the environment. of the capillary bundle.
  • the warm end of the pulse tube must be terminated with a well-matched gas flow impedance, a component that must primarily meet three conditions:
  • different names for the device can be selected, such as pulse tube expanders or thermal phase shifters or inductively acting pulse tube termination impedance.
  • phase shifter is most advantageous for coolers operating at low frequencies.
  • a pulse tube cooler is analyzed to raise 50 W from 50 K to 300 K.
  • the corresponding pulse tube has a diameter of approximately 45 mm and is 200 mm long.
  • the associated expander consists of approximately 40 capillaries, each with a clear diameter of 0.3 mm and a respective length of 150 mm, and the gas tank of the buffer volume must have approximately 200 cm 3 .
  • the gas tank 21 or the buffer volume 21 in FIG. 3 is provided with the volume 22, which can be continuously varied within limits, for example in the form of a hydraulic or solid plunger, with a feed line 23 brought from the outside.
  • the buffer volume can thus be changed within limits and set in a targeted manner, so that the impedance matching can be very precisely adapted to the system.
  • FIG. 4 shows the force-cooled expander 20, which is jacketed for this purpose by a pipe 25 with the two connecting pieces 26a and 26b for the supply and discharge of the coolant which has flowed through.
  • the capillary arrangement is located within the buffer volume 21.
  • the wall of the buffer volume must be at least made of a material that conducts the heat well.
  • the not so good alternative to the bundle of parallel capillaries is the sintered rod made of good heat-conducting material and a suitable pore size or metal / stainless steel wool with a possibly pressed felt-like structure. Since the pores or passages are distributed over the entire surface and there are any statistically evenly distributed flow channels in the rod, the rod between the outlet of the pulse tube and the entrance to the buffer volume must be gas-tight but well heat-conducting, so that only flow channels from the entry surface Pulse tube exit to the exit surface to the buffer volume. As with the capillary bundle, the entry surface should be equal to the exit surface and should always be attached to the exit surface at the pulse tube outlet (FIG. 6).
  • a line 24 is installed between the buffer volume 21 and the pressure generator, the flow cross section of which can be set locally through the continuously adjustable valve 25, a metering valve. (Figure 7) (If the line 24 is not connected directly to the pressure generator, it should connect to the suction line 15 between the pressure generator 2a and the associated valve 16b.)
  • the previous schemes all show a single-stage pulse tube cooler. A multi-stage process may be required for very low temperatures.
  • the preliminary stage consists in the vacuum region 13 of the regenerator 4a, the pulse tube 6a and the heat exchanger 5a lying in between.
  • the associated expander 20a consisting of heat exchanger, capillary bundle and buffer volume projects into the surroundings and is connected via line 24 to metering valve 25a for specific net volume flow setting to pressure generator 2a.
  • the second stage in the vacuum vessel 13 consists of the regenerator 4b, the pulse tube 6b and the associated heat exchanger 5b.
  • the associated expander 20b is constructed here in the same way as that of the preliminary stage and also projects into the surroundings. It is also coupled to the pressure generator 2a via the associated metering valve 25b for the specific volume flow setting for the second stage.
  • the pressure generator of the second stage forms the connection from the regenerator 4a of the first stage to the pulse tube 6a of the first stage.
  • This connection and the corresponding of the second stage together with the heat exchangers 5a and 5b form the heat sinks used in the vacuum boiler 13.

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Abstract

Der Expander (20) in einer Pulsrohrkühlerstufe (1) in einer Kühleinrichtung, die aus mindestens einer solchen aufgebaut ist, besteht aus einem Wärmetauscher (7) und einer Rohrverbindung (10, 10a) zu einem Puffervolumen (12, 12a, 21). Er (20) ist aus einem kapillaren Strömungskanal oder aus einem Bündel aus mindestens wie kapillaren Strömungskanälen jeweils gleicher vorgegebener lichter Weite und Lange aus gut Warme leitendem Material. Er (20) kann aber auch aus einem Stab (20a) aus gesintert schwammartigem oder wolle-/filzartigem oder geschichteten, eventuell gepressten Gittern, aus die Wärme gut leitendem Material sein, der von einem gas- und flüssigkeitsdichten Mantel (20b, 25) aus ebenfalls die Warme gut leitendem Material ummantelt ist. Strömungsrichter wie in herkömmlichen Anlagen können dadurch entfallen.

Description

Expander in einer Pulsrohrkühlerstufe
Die Erfindung betrifft einen Expander für einer Kühlungseinrichtung, die aus einer Pulsrohrkühlerstufe oder mindestens zwei zusammenwirkenden Pulsrohrkühlerstufen besteht.
Ein Pulsrohrkühler basiert auf dem bekannten Stirling-Prozess, bei dem zyklisch Gas komprimiert und expandiert wird. Der Vorteil dabei ist, dass sich im kalten Teil keine bewegten Bauteile befinden. Das ermöglicht relativ einfache Aufbauten und damit hohe Zuverlässigkeit. Darüber hinaus bleiben mechanische Schwingungen sehr klein. Einstufige Aufbauten werden benutzt, um Temperaturen bis hinab zu 20 K zu erreichen. Tiefere Temperaturen werden über Stufenvervielfachung erreicht. Unterschiedliche Typen solcher Kühler sind aus dem Stand der Technik bekannt. Jeder Pulsrohrkühler-Typ besteht aus einem Kompressor, um einen zyklischen Gasstrom zu erzeugen, der in einen regenerativen Wärmetauscher gespeist wird - bekannt als Regenerator - von dort durch das Pulsrohr mit der Wärmetauscher-Kühlstufe an seinem kalten Ende und mit einem Expander an seinem Ende in Umgebungstemperatur. Der Expander ist die Einrichtung, mit der die mit dem pulsierenden Gasstrom gekoppelte akustische Arbeit von dem Pulsrohr abgeführt wird. Die hauptsächliche Kühlleistung ist durch den Arbeitsfluß, der zum pulsierenden Gasstrom gehört, gegeben. Der Expander muß diesen mechanischen Arbeitsfluß vom Pulsrohr, der in ihm durch Reibung in Wärme umgesetzt wird, in die Umgebung abführen.
Es ist bekannt, daß, um einen leistungsfähigen Kühler zu erhalten, es notwendig ist, daß der Expander so arbeitet, daß am warmen Ende des Pulsrohrs der Phasenwinkel der periodischen Druckwelle dem Phasenwinkel des Volumenstroms vorauseilt.
Bevorzugte Phasenverschiebungen liegen im Bereich von 30 bis 60°. Dazu sind verschiedene Methoden bekannt. Die wichtigsten ι drei sollen auf die weiter unten beschriebene Erfindung hinführen und deshalb in ihrer Wirkungsweise und Leistungsfähigkeit kurz geschildert werden:
In Fig. 9 ist das Schema des Pulsrohrkühlers, beruhend auf der bekanntesten Technik, dem sogenannten Doppel-Einlaß-System, dargestellt. Der Druckwellengenerator 2, er kann ein Hubkol- benkompressor oder irgend ein Kompressor mit getrennt gesteuerten Eingangs- und Ausgangsventilen sein. Der oszillierende Gasfluß wird durch die Verbindungsleitung 3 zum Kältegenerator 1, hauptsächlich zum Regenerator 4, der in Reihe mit dem Pulsrohr 6 mit dem Tieftemperatur-Wärmetauscher 5 dazwischen und dem Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 am andern Ende des Pulsrohrs liegt. Eine zweite Leitung 10 mit einem Strömungswiderstand 11, der Drosselimpedanz, verbindet den Wärmetauscher am warmen Ende mit dem Gastank 12. Ein Teil des vom Druckwellengenerator 2 erzeugten Gasstroms wird aus der Verbindungsleitung abgezweigt und durch die Umleitung 8 mit ihrem Strömungswiderstand 9 in die Verbindungsleitung 10 geführt, wo sie zwischen dem Wärmetauscher 7 und dem Strömungswiderstand 11 angeschlossen ist. Der Gasstrom am warmen Ende des Pulsrohrs kann derart betrachtet werden, als ob er aus zwei Anteilen zusammengesetzt wäre, dem sogenannten Umleitungsstrom, Bypass- Strom, durch die Umleitung 8 und dem sogenannten Drosselstrom durch die Zuleitung 11. Beide Gasströme unterscheiden sich in ihrer Amplitude, und ihre Phasenlagen können, um optimale Strömungsbedingen am warmen Ende des Pulsrohrs zu erhalten, eingestellt werden, und die Ausdehnungsarbeit wird in der Drosselimpedanz, gegeben durch die Verengung 11, dissipiert.
Das Verfahren leidet an der Tatsache, daß es sehr schwierig ist, einen schädlichen, zeitgemittelten Strom, den sogenannten Gleichstrom- (DC-) Strom, im Bypass-Zweig 8 zu unterdrücken. Die gestrichelte Linie, auf die die Bezugszahl 13 deutet, symbolisiert den Vakuumteil. Die Komponenten innerhalb dieses Kastens sind auf niedriger Temperatur, wohingegen die andern auf Umgebungstemperatur sind.
Fig. 10 zeigt das Schema eines andern bekannten Pulsrohrkühlers. Hier ist der Expander in Form eines sogenannten Trägheitsrohr-Phasenschiebers realisiert. Dieses Teil besteht aus der Leitung 10a mit kreisförmigem Querschnitt, die zwischen dem Pulsrohr 6 und dem Puffertank 12 a liegt. Seine Funktion beruht auf der Trägheit der Gassäule, die in der Leitung 10a oszilliert. Aber, entsprechend der kleinen Masse des Gases, ist es notwendig, solche Baugruppen entweder bei relativ hoher Frequenz oder aber mit unpraktisch langen Leitungen für niederfrequente Systeme zu betreiben, wie es der Fall ist, wenn sehr tiefe Kühltemperaturen erreicht werden sollen.
Figur 11 zeigt ein drittes Schema eines herkömmlichen Pulsrohrkühlers. Hier wird der oszillierende Gasstrom durch einen Drehkolbenkompressor 2a mit Ventilen 16a bis 16d zum Schließen und Öffnen erzeugt, die an die Saugleitung 14 und die Zuleitung 15 angeschlossen sind. Der Gasstrom, der durch die Verbindungsleitung 3 in den Regenerator 4 geht, wird durch die Ventile lβa und lβb gesteuert, und der Strom durch die Zuleitung 10a in das Pulsrohr 4 wird durch die Ventile 10c und lβd gesteuert. Hier ist es wiederum sehr schwierig, die Ventilschaltzeiten so einzustellen, daß optimale Bedingungen für den Kühler bestehen.
Die bekannten Pulsrohrkühler leiden unter der Tatsache, daß sie nicht genügend Phasenverschiebung zustande bringen, bzw. gesteuerte Gasströme durch Vier-Ventil-Pulsrohrkühler benötigen oder sie brauchen eine gut eingestellte Überlagerung zweier Gasströme (Zwei-Eingang-Pulsrohrkühler) oder sie arbeiten bei niedrigen Frequenzen nicht (Trägheits-Phasenschieber) . Außerdem benötigen sie Bauteile, die einen stetigen Übergang von dem im Pulsrohr vorliegenden großen Strömungsquerschnitt auf den kleinen Querschnitt der angeschlossenen Verbindung gewährleisten. Diese Funktion ist in dem Wärmeaustauscher 7 enthalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile an den herkömmlichen Systemen zu beheben.
Die Aufgabe wird durch den Aufbau eines Pulsrohrkühlers gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei bildet konstruktiv mindestens der Wärmetauscher und die Verbindung zwischen dem Pulsrohr 6 und dem Puffervolumen 21 eine bauliche Einheit 20. Die Verbindung besteht dabei aus mindestens einem kapillaren Strömungskanal oder aus einem Bündel solcher kapillaren Strömungskanälen jeweils gleicher vorgegebener lichter Weite und Länge aus gut Wärme leitendem Material, um die Wärme leicht in die Umgebung abzuführen.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß eine oszillierende Gasströmung bei einer konstanten Temperatur aufrecht erhalten wird. Das hat den Effekt, daß während der Kompression Wärme an das umgebende Medium zurückgegeben wird und während der Expansion des Gases in der Leitung von der Umgebung Wärme aufgenommen wird. Dieser Prozeß verursacht eine Phasenverschiebung zwischen dem oszillierenden Druck und dem Volumenstrom.
Die parallelen Leitungen müssen so dimensioniert sein, also eine solche Länge und eine solche lichte Weite haben, daß die vom Pulsrohr entnommene Expansionsarbeit - der verantwortliche Anteil für die Kühlung - über Reibung in den an die Umgebung abzugebenden Wärmestrom umgewandelt wird. Die Strömung innerhalb jeder Kapillaren muß deshalb isotherm sein, demzufolge muß der Durchmesser der Kapillaren klein gegen die thermische Eindringtiefe im Gas sein. Der isothermale, pulsierende Gasstrom in engen Leitungen kann durch Differentialgleichungen desselben Typs beschrieben werden, wie sie für verlustbehaftete elektrische Übertragungsleitungen benutzt werden. Daher kann eine Anordnung paralleler Leitungen derart gemacht werden, daß sie sich wie Übertragungsleitungen verhalten, bei denen die induktive Wirkung die kapazitive dominieren. Mit der Kapillaren oder dem Bündel aus Kapillaren und dem Gaspuffervolumen als Abschlußimpedanz wird die Eingangsimpedanz einer solchen Anordnung so, daß die Druckwelle dem Volumenstrom vorauseilt, wie es für die Entnahme der Ausdehnungsarbeit aus dem Pulsrohr verlangt wird.
Die Impedanzanpassung wird dadurch erreicht, daß in jeder Kapillaren ein hinreichend großer Reibungswiderstand für das Gas und ein hinreichend großer Wärmeaustausch durch die Kapillarenwand hindurch besteht. Dazu muß die innere und äußere Oberfläche der Kapillaren groß genug sein, um diese Wärme abführen zu können.
Eine Modifikation der Erfindung ist in dem nebengeordneten Anspruch 2 gekennzeichnet. Bei einer notwendigen sehr großen Anzahl an parallelen Kapillaren ist es prinzipiell auch möglich ein solches Bündel durch einen Stab aus derart porigem, gesintertem Material oder aus einem Filz oder aus einem Stapel Netzscheiben, eventuell gepresst, jeweils mit guter Wärmeleitfähigkeit, der mit einer ebenfalls die Wärme gut leitenden Haut/Wand ummantelt ist. Er muß über die Querschnittsfläche und seine Länge einen tauglichen Strömungswiderstand und den geforderten Wärmestrom an die Umgebung abgeben können. Ein solcher Stab kann bei für eine Anlage hinreichender Qualität zur Dimensionierung ersatzweise durch ein äquivalentes Kapillarenbündel beschrieben werden. Um einen stetigen Übergang am Pulsrohrausgang zu haben, wäre der Querschnitt des Stabes gleich diesem, zumindest aber muß der Übergang konisch sein. Die Unteransprüche 3 bis 8 geben Einrichtungen wieder, mit denen der Betrieb des Pulsrohrkühlers gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 weiter optimiert werden kann. Der Druckerzeuger oder Kompressor ist gemäß Anspruch 2 über eine von der Eingangsöffnung des Regenerators kommenden Zuleitung, die in zwei, im Druckerzeuger endenden, mit je einem steuerbaren Ventil und versehenen Zweig und an den Pulsrohrkühler angeschlossen (Fig. 2) .
Zur Feinabstimmung ist im Puffervolumen ein durch das Gas im Puffervolumen nicht komprimierbares, kleineres, veränderbares Volumen eingebracht ist, mit dem das Puffervolumen in vorgegebenen Grenzen von außen her kontinuierlich verändert werden kann (Fig 3) . Das ein hydraulisch betriebener Stempel oder ein in das Puffervolumen hineinschiebbarer und herausziehbarer Festkörperstempel sein kann.
Bei nicht ausreichend vorhandener Oberfläche kann die Wärmeabgabe an die Umgebung dadurch forciert werden, daß der Wärmetauscher von einer gas- und flüssigkeitsdichten Hülle mit Zu- und Ablauf und umgeben ist, die an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist (Fig. 4).
Ragt der kapillare Strömungskanal oder ragen die kapillaren Strömungskanäle oder der ummantelte und gesinterte Stab in das Puffervolumen, dann muß für die Ausbildungsmöglichkeit des ausreichenden Wärmestroms in die Umgebung die Wand des Puffervolumens aus gut Wärme leitendem Material sein (Fig. 5) . Die Abschlußimpedanz, der Expander, besteht dann aus der prinzipiellen Einheit, die den Wärmetauscher am Pulsrohrausgang und gleichzeitig die Zuleitung zum Puffervolumen bildet, und dem Puffervolumen selber.
Das Puffervolumen kann über eine Leitung mit einem Dosierventil mit dem Druckerzeuger verbunden sein (Fig. 7) . Damit kann darüber ein zeitgemittelte Netto-Massen-Strom durch das Pulsrohr eingestellt werden.
Die Einheit für die Wärmeabgabe an die Umgebung und gleichzeitig für die Gasführung zwischen dem Pulsrohr und dem Puffervolumen besteht aus parallelen Kapillaren oder den in Anspruch 2 aufgeführten Mitteln. Wenn die Kapillaren gleichverteilt über den Querschnitt am warmen Ende des Pulsrohrs sind oder die mittel gemäß Anspruch 2 dort den gleichen Querschnitt haben, werden zusätzliche Stromrichter, wie sie noch nach dem Stande der Technik notwendig sind, überflüssig. Hier ist der Stromrichter die Einrichtung zur Gewährleistung einer über die Querschnittsfläche verteilten, gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit. Der Wärmetauscher am warmen Ende bewirkt die Stromrichtung .
Solche Aufbauten sind sehr kompakt, selbst bei Frequenzen im Bereich von 2 Hz. Trotz der insgesamten Kompaktheit hat die Einrichtung gemäß Anspruch 1 und/oder 2 einen großen Bereich für den Wärmeübergang. Darüber hinaus ist der zeitgemittelte Netto-Massen-Strom durch das Pulsrohr unterbunden, wenn gewollt, aber auch dosierbar.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis 8 und den Figuren 9 bis 11, wobei letzterer zum raschen Einlesen die prinzipiellen Bauweisen nochmals erinnern.
Es zeigt:
Figur 1 die in den Pulsrohrkühler eingebauten kapillaren Strömungskanäle,
Figur 2 die ventilgesteuerte Zuleitung vom Druckerzeuger zum Regenerator ,
Figur 3 das Puffervolumen mit eingebautem, steuerbarem Expander, Figur 4 die forcierte Wärmeentnahme am Expander, Figur 5 der in das Puffervolumen ragende Expander, Figur 6 der gesinterte Stab als Expander,
Figur 7 das mit dem Druckerzeuger gekoppelte Puffervolumen, Figur 8 der zweistufige Aufbau einer aus Pulsrohrkühlern aufgebauten Kühleinrichtung,
Figur 9 der bekannte Pulsrohrkühler mit eingebautem Strömungswiderstand in der Zuleitung zum Puffervolumen und in der By- pass-Leitung,
Figur 10 der bekannte Pulsrohrkühler in seinem einfachsten Aufbau und
Figur 11 der bekannte Pulsrohrkühler mit einer jeweils mit zwei Ventilen gesteuerten Zuleitung vom Druckerzeuger zum Regenerator und einer zum Wärmetauscher am warmen Ende des Pulsrohrs .
Der Expander 20 gemäß Figur 1 ist derart aufgebaut, daß sich eine für den Kreisprozeß optimale Phasenschiebung zwischen dem Druck und Volumenstrom am warmen Ende des Pulsrohrs 6 einstellen kann. Damit wird ein Pulsrohrkühler hoher Effizienz und einfacher Bauart herstellbar. Das neue Teil ist die Anordnung enger Strömungskanäle 20 oder Kapillarleitungen 20 zwischen dem Ausgang des Pulsrohrs 6, dem warmen Ende, und dem für die Leistung des Pulsrohrkühlers notwendig dimensionierten Gastank, dem Puffervolumen 21. Dabei ist wichtig, daß die Strömungskanäle 20 aus gut Wärme leitendem Material sind und zu der Umgebung, dem Kühlmedium, ein guter Wärmekontakt besteht.
Das Aufbauschema gemäß Figur 2 zeigt eine bevorzugte Realisierung des einstufigen Pulsrohrkühlers. Die physikalischen Abläufe sollen anhand dieses Aufbaus detaillierter beschrieben werden:
Dieser einstufige Pulsrohrkühler wird von einem Drehkolbengaskompressor mit dem Ansaugstutzen 14 und dem Auspuffstutzen 15 angetrieben. Beide Rohrstutzen sind einerseits mit je einem Ventil 16a und 16b zum Schließen und Öffnen abgeschlossen. Andrerseits verbindet das T-Stück beide Ventile 16a und 16b und ist über die Leitung 3 an den Kältekopf 1 oder den Kältefinger der Kühleinrichtung, genauer an den Eingang des Regenerators 4 angeschlossen.
Der Kältefinger 1 des Pulsrohr-Kältegenerators besteht aus dem Regenerator 4, dem Wärmetauscher 5 am kalten Ende, dem Pulsrohr 6 und der am Ausgang des Pulsrohrs angeschlossenen, in die Umgebung ragenden Abschlußimpedanz. Diese besteht aus einer großen Anzahl am Ausgang des Pulsrohres abgehenden Kapillaren 20 und dem am andern Ende angesetzten Puffervolumen 21 in Form des Gastanks 21.
Der Regenerator 4 besteht aus einem Stapel porösen Materials mit hoher spezifischer Wärme, vorzugsweise aus gefaßten Edelstahlgitterscheiben, die in einem zylindrischen Gehäuse gestapelt sind. Das Pulsrohr 6 ist ein zylindrisches, mit Kältemittel, typischerweise mit Helium gefülltes Rohr, das bei Drucken, die um mehrere Bar um einen mittleren Druck von etwa 20 bar oszillieren, gehalten wird. Der Wärmetauscher 5 ist die Baukomponente zum Übertrag der Kälte, die durch den oszillierenden inneren Gasstrom erzeugt wird, an den außen anliegenden, hier nicht angedeuteten Nutzer. Zusätzlich muß dieser Wärmetauscher derart als Stromrichter wirken, daß da eine gleiche Fließrate über den Querschnitt am Eingangsbereich des Pulsrohrs 6 verteilt ist.
Die Kühlwirkung entsteht aus dem zyklischen Prozeß mit folgenden Schritten für das Gas innerhalb des Pulsrohrs:
A. Kompression
Durch das Öffnen des Auspuffventils 16a wird Gas durch den Regenerator 4, wo es herunter gekühlt wird, geblasen und fließt durch den Wärmetauscher 5 in das Pulsrohr 6. Ein zusätzlicher Gasstrom in entgegengesetzter Richtung tritt vom Puffertank 21 her durch die Kapillaren 20 am warmen Ende in das Pulsrohr 6 ein. Für diesen Vorgang ist es notwendig, daß das Puffervolumen 21 und die Kapillaren 20 so bemessen sind, daß eine Resonanz mit der entsprechenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Gasströmen, der in das Pulsrohr ein- bzw. daraus austritt .
B. Verschiebung zum warmen Ende hin
Nach einiger Zeit, entsprechend des Gasstromes, der am kalten Ende eintritt, wird der Druck im Pulsrohr 6 höher als er im Puffervolumen 21 ist, und das Gas, mit einer Temperatur die höher ist als die der umgebenden am warmen Ende des Pulsrohrs 6, wird durch die Kapillaren 20 zurück in das Puffervolumen 21 gedrängt. Während dieses Prozesses wird Wärme von den Kapillaren in die umgebende Atmosphäre abgegeben.
C. Ausdehnung
Jetzt ist das Auspuffventil 16a geschlossen und das Ansaugventil 16b geöffnet. Zu Beginn dieses Schrittes wird Gas an beiden Enden des Pulsrohrs ausgestoßen. Der Druck und die Temperatur werden abnehmen.
D. Verschiebung zum kalten Ende hin
Schließlich tritt ein Gasstrom vom Puffervolumen 21 in das warme Ende des Pulsrohrs 6 und gleichzeitig ein kalter Gasstrom zurück zum Regenerator 4, dabei wird Wärme im Wärmetauscher 5 aufgenommen.
Anders ausgedrückt, kann der kontinuierliche Zyklus als ein Prozeß beschrieben werden, bei dem das Gas im Pulsrohr als ein. Kolben wirkt, der einen mechanischen Arbeitsfluß, die Ausdehnungsarbeit, vom kalten Ende des Pulsrohrs zum warmen Ende überträgt, wo er in einen Wärmefluß dissipiert, der an die Um- gebung des Kapillarenbündels abgegeben wird. Zu diesem Zweck muß das warme Ende des Pulsrohrs mit einer gut angepaßten Gasstromimpedanz abgeschlossen werden, einem Bauteil, das hauptsächlich drei Bedingungen erfüllen muß:
- eingestellte Resonanz,
- angepaßter Strömungswiderstand,
- um Arbeit in Wärmefluß umzusetzen und
- weicher Fluß im Pulsrohr einrichten.
Entsprechend solcher unterschiedlicher Funktionen können unterschiedliche Benennungen für die Einrichtung ausgewählt werden, wie Pulsrohrexpander oder thermischer Phasenschieber oder induktiv wirkende Pulsrohr-Abschluß-Impedanz.
Die numerische Behandlung solcher Pulsrohr-Abschluß-Systeme zeigt, daß dieser Typ Phasenschieber am vorteilhaftesten für Kühler ist, die bei niedrigen Frequenzen arbeiten. Als Beispiel wird ein Pulsrohr-Kühler analysiert, um 50 W von 50 K auf 300 K anzuheben. Das entsprechende Pulsrohr hat einen Durchmesser von etwa 45 mm und ist 200 mm lang. Der dazu gehörige Expander besteht aus ungefähr 40 Kapillaren mit jeweils einem lichten Durchmesser von 0,3 mm und einer jeweiligen Länge von 150 mm und der Gastank des Puffervolumens muß etwa 200 cm3 haben.
Weitere mögliche Einrichtungen sind:
Der Gastank 21 oder das Puffervolumen 21 in Figur 3 ist mit dem in Grenzen kontinuierlich veränderbaren Volumen 22, beispielsweise in Form eines hydraulischen oder massiven Stempels, mit von außen herangeführter Zuleitung 23 versehen. Damit läßt sich das Puffervolumen in Grenzen verändern und gezielt einstellen, womit die Impedanzabstimmung sehr fein an das System angepaßt werden kann. Figur 4 zeigt den zwangsgekühlten Expander 20, der hierzu von einem Rohr 25 mit den beiden Stutzen 26a und 26b für die Zu- und Ableitung des durchgeströmten Kühlmittels ummantelt ist.
In Figur 5 sitzt die Kapillarenanordnung innerhalb des Puffervolumens 21. Um hierbei einen ausreichend guten Wärmeweg zu der Umgebung hin aufrecht zu erhalten, muß die Wand des Puffervolumens zumindest aus einem Material sein, das die Wärme gut leitet.
Die nicht so gute Alternative zu dem Bündel paralleler Kapillaren ist der gesinterte Stab aus gut Wärme leitendem Material und geeigneter Porengröße oder aber Metall-/Edelstahlwolle mit eventuell gepreßt filzartiger Struktur. Da die Poren oder Durchtrittsmöglichkeiten über die gesamte Oberfläche verteilt sind und im Stab damit irgendwelche statistisch gleichmäßig verteilten Strömungskanäle bestehen, muß der Stab zwischen dem Ausgang des Pulsrohrs und dem Eingang zum Puffervolumen gasdicht aber gut wärmeleitend ummantelt sein, so daß nur Strömungskanäle von der Eintrittsfläche am Pulsrohrausgang zur Austrittsfläche zum Puffervolumen zustande kommen. Es sollte wie beim Kapillarenbündel die Eintrittsfläche gleich der Austrittsfläche sein und stetig an die Austrittsfläche am Pulsrohrausgang ansetzen (Figur 6) .
Sollte ein von Null verschiedener Nettomassenstrom eingestellt werden müssen, wird zwischen dem Puffervolumen 21 und dem Druckerzeuger eine Leitung 24 eingebaut, deren Strömungsquerschnitt örtlich durch das kontinuierlich verstellbares Ventil 25, einem Dosierventil, eingestellt werden kann. (Figur 7) (Die Leitung 24 sollte dann, wenn sie nicht unmittelbar am Druckerzeuger anschließt, an der Saugleitung 15 zwischen dem Druckerzeuger 2a und dem zugehörigen Ventil 16b anschließen.) Die bisherigen Schemata zeigen alle einen einstufigen Pulsrohrkühler. Für sehr tiefe Temperaturen kann eine Mehrstufigkeit erforderlich sein.
Zweistufig ist sie beispielhaft in Figur 8 dargestellt. Die eine Stufe, die Vorstufe besteht im Vakuumbereich 13 aus dem Regenerator 4a, dem Pulsrohr 6a und dem dazwischen liegenden Wärmetauscher 5a. Der zugehörige Expander 20a aus Wärmetauscher, Kapillarenbündel und Puffervolumen ragt in die Umgebung und ist über die Leitung 24 mit dem Dosierventil 25a zur spezifischen Netto-Volumenstrom-Einstellung mit dem Druckerzeuger 2a verbunden. Die zweite Stufe besteht im Vakuumkessel 13 aus dem Regenerator 4b, dem Pulsrohr 6b und dem zugehörigen Wärmetauscher 5b. Der zugehörige Expander 20b ist vom Prinzip her hier gleich aufgebaut wie der der Vorstufe und ragt ebenfalls in die Umgebung. Er ist ebenfalls über das zugehörige Dosierventil 25b zur spezifische Volumenstrom-Einstellung für die zweite Stufe an das Druckerzeuger 2a gekoppelt. Das Druckerzeuger der zweiten Stufe bildet gewissermaßen die Verbindung vom Regenerator 4a der ersten Stufe zum Pulsrohr 6a der ersten Stufe. Diese Verbindung und die entsprechende der zweiten Stufe zusammen mit den Wärmeübertragern 5a und 5b bilden im Vakuumkessel 13 die genutzten Wärmesenken.

Claims

Patentansprüche
1. Expander in einer Pulsrohrkühlerstufe, aus der oder aus mindestens zwei solcher zusammenwirkenden Pulsrohrkühlerstufen eine Kühleinrichtung aufgebaut ist, wobei die oder jede Pulsrohrkühlerstufe prinzipiell aus einem Druckerzeuger (2/2a) , einer daran angeschlossenen Einheit (1) , dem eigentlichen Pulsrohrkühler aus Regenerator (4) und Pulsrohr (6) mit dazwischen liegendem Wärmetauscher (5), einem Wärmetauscher (7) am Ausgang des Pulsrohrs (6) und einem daran angeschlossenen Ausdehnungsgefäß, dem Gastank oder Puffervolumen, aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) und die Rohrverbindung (10/10a) zum Puffervolumen (21) eine bauliche Einheit (20) , den Expander, bilden, die zugleich Leitungsverbindung (10/10a) und Wärmetauscher (7) ist, und aus einem kapillaren Strömungskanal oder aus einem Bündel aus mindestens zwei kapillaren Strömungskanälen jeweils gleicher vorgegebener lichter Weite und Länge aus gut Wärme leitendem Material besteht.
2. Expander in einer Pulsrohrkühlerstufe, aus der oder aus mindestens zwei solcher zusammenwirkenden Pulsrohrkühlerstufen eine Kühleinrichtung aufgebaut ist, wobei eine Pulsrohrkühlerstufe prinzipiell aus einem Druckerzeuger (2/2a) , einer daran angeschlossenen Einheit (1) , dem eigentlichen Pulsrohrkühler, aus Regenerator (4) und Pulsrohr (6) mit dazwischen liegendem Wärmetauscher (5) , einem Wärmetauscher
(7) am Ausgang des Pulsrohrs (6) und einem daran angeschlossenen Ausdehnungsgefäß (12/12a) , dem Gastank oder Puffervolumen, aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) und die Rohrverbindung (10/10a) zum Puffervolumen (21) eine bauliche Einheit (20), den Expander, bilden, zugleich Leitungsverbindung (10/10a) und Wärmetauscher (7) ist, und aus einem Stab (20a) aus gesintert schwammartigem oder wolle-/filzartigem, die Wärme gut lei- tendem Material ist, der von einem gas- und flüssigkeitsdichten Mantel (20b) aus ebenfalls die Wärme gut leitendem Material ummantelt ist.
3. Expander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckerzeuger (2a) über eine von der Eingangsöffnung des Regenerators (4) kommenden Zuleitung (3), die sich in zwei, im Druckerzeuger endenden, mit je einem steuerbaren Ventil (16a) und (16b) versehenen Zweig (14) und
(15) aufteilt, an den Pulsrohrkühler (1) angeschlossen ist (Fig. 2) .
4. Expander nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Puffervolumen (21) ein davon gas- und flüssigkeitsdicht abgetrenntes, kleineres einstellbares Volumen (22) eingebracht ist, das durch das Gas im Puffervolumen nicht komprimierbar ist und mit dem das Puffervolumen (21) in vorgegebenen Grenzen von außen (kontinuierlich?) verändert werden kann (Fig. 3) .
5. Expander nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (20) von einer gas- und flüssigkeitsdichten Hülle (25) mit Zu- und Ablauf (26a) und (26b) ummantelt ist, die an einen Kühlkreislauf angeschlossen werden kann (Fig. 4) .
6. Expander nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Wand des Puffervolumens (21) aus gut Wärme leitendem Material ist und die Einheit (20) mindestens teilweise dort hinein ragt (Fig. 5) .
7. Expander nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen (21) über eine Leitung (24) mit einem Dosierventil (25) mit dem Druckerzeuger (2/2a) verbunden ist (Fig. 7) . Expander nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren Wärmeabgabe an die Umgebung und/oder zur besseren Wärmeaufnahme im Puffervolumen (21) oberflächenvergrößernde Einrichtungen, wie Fahnen, Bänder oder Lamellen, aus gut wärmeleitendem Material gut wärmeleitend auf der Wand des Puffervolumens angebracht sind.
Expander nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren Wärmeabgabe an die Umgebung oberflächenvergrößernde Einrichtungen, wie Fahnen, Bänder oder Lamellen, aus gut wärmeleitendem Material gut wärmeleitend auf der äußeren Oberfläche des Mantel (20b) angebracht sind.
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GERSTER J ET AL: "Hot end loss at pulse tube refrigerators", CRYOGENICS, IPC SCIENCE AND TECHNOLOGY PRESS LTD. GUILDFORD, GB, vol. 38, no. 6, 1 June 1998 (1998-06-01), pages 679 - 682, XP004124498, ISSN: 0011-2275 *

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