DE29911071U1 - Kühlvorrichtung - Google Patents
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Description
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Gaskühlvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers
Beschreibung
Kühlvorrichtung
Kühlvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1.
Derartige Kühlvorrichtung haben aufgrund ihrer Verwendung eines oder mehrerer Pulsröhrenkühler einen breiten Einsatzbereich und werden insbesondere zum Kühlen bzw. Verflüssigen von Gasen verwendet.
Aus G. Thummes et al.:"Small scale 4He liquefaction using a two-stage 4K pulse tube cooler", in Cryogenics 1998 Volume 00 r Number 0, ist eine in einem Kryostaten untergebrachte Vorrichtung zum Verflüssigen von 4He bekannt, die ein zweistufiges hintereinander geschaltetes Pulsröhrenkühlersystem verwendet. Dabei wird ein Gasleitung 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. Als nachteilig bei der oben erwähnten Gasverflüssigungsvorrichtung stellt sich 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
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CSP Crogenic Spectrometers
CSP Crogenic Spectrometers
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 Wärmesenke nicht mehr die gewünschte niedrige Temperatur erreicht bzw. Temperaturschwankungen auftreten.
Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung mit einem Pulsröhrenkühler zum Kühlen eines Objekts zu schaffen, bei der die Wärmelast auf den Pulsrohrkaltkopf, die durch Fluidzuleitungen an ein zu kühlendes Objekt hervorgerufen wird, minimiert wird.
Diese Aufgage wird durch eine Kühlvorrichtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung umfaßt einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur TA1 und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur TE 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 TE höhere Temperatur Tv 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.
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Gaskühlvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, daß die Verbindungseinrichtung, oder vielmehr 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 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 in thermischen Kontakt stehenden Verbrndungseinrichtung an verschiedenen Temperaturniveaus "abgefangen" bzw. angeglichen.
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 TA2 und einen Kaltkopf mit einer bezüglieh der dritten Temperatur TA2 tieferen vierten Temperatur T2, die zwischen der ersten Temperatur TA1 und der zweiten Temperatur TE liegt, aufweist, und einen zweiten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des zweiten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist. Die von dem zweiten Pulsröhrenkühler bereitgestellte vierte Temperatur Tz dient dabei zum Vorkühlen des ersten Pulsröhrenkühlers. Es ist jedoch ferner denkbar, anstelle dem zweiten Pulsröhrenkühler eine Vielzahl von Pulsröhrenkühlern zum Vorkühlen des ersten . Pulsröhrenkühlers zu verwenden. Die Gesamtheit der Pulsröhrenkühler ist dabei vorteilhafterweise derart angeordnet, daß in mehreren aufeinanderfolgenden Kühlstufen eine vorbe-
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stimmte Temperatur TE, 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 Tv des Bereichs (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. —
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.
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 PuIsröhrenkühlersystem verwendet. Für Gase mit einem höheren Kondensationspunkt, wie beispielsweise Stickstoff bei etwa
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Gaskühlvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers
77 K, kann auch ein einstufiges Pulsröhrenkühlersystem verwendet werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
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Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer ersten- Ausführungsform;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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Figur 3 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 5; und
Figur 7 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Pulsröhrenkühlersystems mit den wichtigstem Komponenten.
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Gaskühlvorrichtung CSP Crogenic Spectrometers
Im folgenden wird die Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Es sei dabei zunächst auf Figur 1 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die zum Verflüssigen von Gas dient, zeigt.. Hier, wie in—den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 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 Wärmebzw. Strah-lungsschilden 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 TA1, Tv) 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. TE) aufgenommen wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 2 0 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt
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Gaskühlvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers
Gaskühlvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers
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 nur zur Veranschaulichung dienen und entsprechend dem vorherrschenden Betriebszustand bzw. abhängig von der Umgebungstemperatur andere Werte aufweisen können.
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 ersten, sowie in der zweiten 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 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.
Der thermische Kontakt der Leitung 62 mit dem Pulsrohr 20 kann allgemein durch Aufkleben der Leitung 62 an das Pulsrohr 20 oder durch Wickeln der Leitung 62 um diese Komponente 20, wie es in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, erfolgen. Es ist ferner möglich, die Leitung über eine be- ^ stimmte Strecke mit Schellen oder dergleichen am Pulsrohr 20 zu befestigen.
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Gaskühlvorrichtung CSP Crogenic Spectrometers
Zweite Ausführungsform
Es sei nun auf Figur 2 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die ebenfalls zum Verflüssigen von Gas dient, zeigt, wobei das Kennzeichen dieser Ausführungsform das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.
Ähnlich zu der ersten Ausführungsform steht in der
.10. zweiten 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 ei- ~nes zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau (TA1, TA2, Tv), 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 30OK-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 (TE) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K (T2) 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 2 0 über eine Leitung 42 mit - einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung
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CSP Crogenic Spectrometers
52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden.
In der zweiten 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 PuIsrohrs (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 PuIsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Genauer gesagt, ist die Gasleitung 62 wie in der ersten 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.
Pulsröhrenkühler
Im folgenden wird der allgemeine Aufbau und die Wirkungsweise eines in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu verwendenden Pulsröhrenkühlers beschrieben (vgl. dazu Info-Phys-Tech Nr.6, 1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien). Dabei zeigt Figur 3 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung. Hier, wie in den folgenden Figuren, . werden wiederum gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Gaskühlvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers
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 Edelstahl- oder 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 6 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 KoI-benbewegung 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 2 0 ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Pulsrohr 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 kai-
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ten 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 4 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers 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 5 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 4 0 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 6 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer
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Gaskühlvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers
konkreteren Darstellung als in Figur 5. Dabei speist in diesem System ein kommerzieller Helium-Kompressor 10 ein motorgetriebenes Rotationsventil 15, das zur Steuerung das Heliumgasstromes dient.
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Zur mechanischen Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen können der eigentliche Kühler und das Rotationsventil über eine flexible Kunststoffleitung 12 miteinander verbunden.
. ...
. ...
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem mit den wichtigstem Komponenten, wie es beispielsweise für die zweite Ausführungs-form 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 36 und 26, 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 2 8 für einen zweiten Einlaß vorgesehen. Der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 kühlt dabei einen von einem
[File:ANM\CS1507A1.DOC] Beschreibung, 21.06.99 .* Gaskühlvorrichtung CSP Crogenic Spectrometers
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 twostage pulse tube cooler operating below 4 K", Cryogenics 1997, Volume 37, Nr. 3).
Offenbart ist eine Kühlvorrichtung, die folgende Komponenten umfaßt: einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr 20, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur TA1 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 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 Bereitstellen eines Fluidkanals zwischen dem zu kühlenden Objekt und einem Bereich 60, der eine bezüglich der zweiten Temperatur TE höhere Temperatur Tv aufweist. Der Bereich 60, der allgemein ein Gebiet oder eine Einrichtung mit einer höheren Temperatur als TE bezeichnet, kann dabei von einer Anschlußeinrichtung 60 für die Verbindungseinrichtung gebildet werden oder mit dieser in thermischem Kontakt stehen. Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf. 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.
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[File:ANM\CS1507A1.DOC] Beschreibung, 21.06.99 #· Gaskühlvorrichtung **·*
CSP erogenic Spectrometers
10 12 15 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 50 52 54 55 56 60 62 70 82
Kompressor
Leitung vom Kompressor weg
Rotationsventil
Pulsrohr, erstes Pulsrohr
warmer Wärmetauscher von 2
kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von
Strömungswiderstand, Nadelventil zu
Ventil des zweiten Einlasses
zweites Pulsrohr
warmer Wärmetauscher von
kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von
Strömungswiderstand, Nadelventil zu
Ventil des zweiten Einlasses
Regenerator, Regenerator der ersten Stufe
Leitung von 46 zu
warmer Endabschnitt von 4
kalter Endabschnitt von 4
Regenerator der zweiten Stufe
Leitung von 56 zu
warmer Endabschnitt von
Flußausrichter zwischen 40 und
kalter Endabschnitt von
Anschlußeinrichtung, Bereich
Verbindungseinrichtung, elektr. Zuleitung
Ballastvolumen
Verflüssigungsbehälter, zu kühlendes Objekt
•Seite- U* :
Claims (8)
1. Kühlvorrichtung, die aufweist:
einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur (TA1) 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 (TV) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungseinrichtung (62) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr (20) verläuft.
einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur (TA1) 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 (TV) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungseinrichtung (62) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr (20) verläuft.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62) zumindest teilweise entlang des ersten Pulsrohrs (20) vom Warmkopf zum Kaltkopf (24) verläuft.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Pulsröhrenkühler mit einem zweiten Pulsrohr (30), das einen Warmkopf mit einer dritten Temperatur (TA2) und einen Kaltkopf (34) mit einer bezüglich der dritten Temperatur (TA2) tieferen vierten Temperatur (TZ), die zwischen der ersten Temperatur (TA1) 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 (TZ) zum Vorkühlen des ersten Pulsröhrenkühlers bereitgestellt wird.
4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regenerator (20) den zweiten Regenerator (30) als seinen warmen Endabschnitt mit verwendet.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (TV) des Bereichs (60) höher als die vierte Temperatur (TZ) liegt, wobei die Verbindungseinrichtung (62) 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.
6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62) eine Gasleitung zum Vorkühlen von Gas ist, das von dem Bereich (60) zu dem zu kühlenden Objekt (82) geleitet wird.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt (82) ein ein zu verflüssigendes Gas enthaltender Behälter (82) ist.
8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62) durch Kleben, Wickeln oder mittels Schellen an dem ersten (20) bzw. zweiten (30) Pulsrohr in thermischen Kontakt gebracht wird.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29911071U DE29911071U1 (de) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | Kühlvorrichtung |
| AU56850/00A AU5685000A (en) | 1999-06-24 | 2000-06-23 | Cooling device |
| PCT/EP2000/005812 WO2001001048A1 (de) | 1999-06-24 | 2000-06-23 | Kühlvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29911071U DE29911071U1 (de) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | Kühlvorrichtung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE29911071U1 true DE29911071U1 (de) | 2000-12-14 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29911071U Expired - Lifetime DE29911071U1 (de) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | Kühlvorrichtung |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DE (1) | DE29911071U1 (de) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4206609A (en) * | 1978-09-01 | 1980-06-10 | Actus, Inc. | Cryogenic surgical apparatus and method |
| US5335506A (en) * | 1992-01-07 | 1994-08-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Regenerative heat pump |
| DE19548273A1 (de) * | 1995-12-22 | 1997-06-26 | Spectrospin Ag | NMR-Meßeinrichtung mit Pulsrohrkühler |
| DE19612539A1 (de) * | 1996-03-29 | 1997-10-02 | Leybold Vakuum Gmbh | Mehrstufige Tieftemperaturkältemaschine |
| DE19704485C2 (de) * | 1997-02-07 | 1998-11-19 | Siemens Ag | Stromzuführungsvorrichtung für eine gekühlte elektrische Einrichtung |
-
1999
- 1999-06-24 DE DE29911071U patent/DE29911071U1/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4206609A (en) * | 1978-09-01 | 1980-06-10 | Actus, Inc. | Cryogenic surgical apparatus and method |
| US5335506A (en) * | 1992-01-07 | 1994-08-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Regenerative heat pump |
| DE19548273A1 (de) * | 1995-12-22 | 1997-06-26 | Spectrospin Ag | NMR-Meßeinrichtung mit Pulsrohrkühler |
| DE19612539A1 (de) * | 1996-03-29 | 1997-10-02 | Leybold Vakuum Gmbh | Mehrstufige Tieftemperaturkältemaschine |
| DE19704485C2 (de) * | 1997-02-07 | 1998-11-19 | Siemens Ag | Stromzuführungsvorrichtung für eine gekühlte elektrische Einrichtung |
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