EP1063482A1 - Kühlvorrichtung - Google Patents
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- EP1063482A1 EP1063482A1 EP99112174A EP99112174A EP1063482A1 EP 1063482 A1 EP1063482 A1 EP 1063482A1 EP 99112174 A EP99112174 A EP 99112174A EP 99112174 A EP99112174 A EP 99112174A EP 1063482 A1 EP1063482 A1 EP 1063482A1
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- 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 claim 1 and 3.
- Such cooling device have due to their use one or more pulse tube coolers a wide one Area of application and are used especially for cooling objects used by electrical or mechanical Lines are connected.
- a cooling device according to the invention is therefore suitable, for example, for cooling High temperature superconductor devices, such as SQUIDs, for cooling semiconductor components, such as infrared detectors or high speed circuitry for a very fast data processing, or also for cooling sensors, based on a low temperature effect.
- a cooling device known in the form of a pulse tube cooler
- the pulse tube cooler has (see Figure 1): a pulse tube 20, on one end of which is a cold heat exchanger 24 or cold head 24, on which heat is absorbed by an object 82 to be cooled is provided (here at a temperature of about 77K) is, and at the other end a warm heat exchanger (not shown), on the heat to the outside (here at a temperature of about 300K) is provided is a regenerator 40, which acts as an intermediate heat store serves, and a pressure oscillator (not shown), which is used to generate periodic pressure changes, the pulse tube at the end where the cold heat exchanger 24 is provided, via respective lines via the Regenerator 40 is connected to the pressure oscillator, so that a periodic shift of a working gas between the pulse tube and the pressure oscillator is made possible.
- Such a device for cooling a magnet is from C. Wang et al .: Cryogen Free Operation of a Niobium-Tin Magnet Using a Two-Stage Pulse Tube Cooler ", in Proceedings of the conference "Applied Superconductivity” 1998 known in Palm Desert, where instead of a one-tier Pulse tube cooler system uses a two-stage becomes.
- a device for liquefying 4 He housed in a cryostat is known two-stage pulse tube cooler system connected in series.
- a gas line for cooling or liquefying a gas is led from the outside of the cryostat into the inside, where it is wound around the cold head of the second pulse tube, which provides a higher temperature than the first pulse tube, around the regenerator of the first pulse tube Cold head of the first pulse tube wound 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.
- Cooling device with a pulse tube cooler for cooling to further develop an object such that the heat load on the pulse tube cold head by electrical or mechanical Connection devices to the object to be cooled is caused, is minimized.
- the cooling device comprises a first pulse tube cooler with a first pulse tube, which has a warm head with a first temperature T A1 and a cold head with a second temperature T E lower than the first temperature, and a first regenerator which has a warm end section and 'has 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, 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 T V than the second temperature T E.
- 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 A1 and a cold head with a second temperature T E which is 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 a region, such as a connecting device, which has a higher temperature T V than the second temperature T E.
- 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 this in the form of a two-part holding device be trained.
- a first part or holding part consists preferably of a poorly heat-conducting Material, such as plastic, is used for the real thing Holding the object to be cooled on the connection device.
- a second part or contact part is preferably made made of a highly conductive material, such as metal, and serves to bring the holding device into thermal contact with a pulse tube or regenerator, and thus for Pre-cooling of 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 from T A1 or T A2 , and then leads to the object to be cooled.
- a shaft which, for example, starts from a motor at a temperature level, for example from T A1 or T A2 , and then leads to the object to be cooled.
- wires or threads can also be used to act mechanically on the object to be cooled.
- the Connection device at least partially in thermal Contact along the first pulse tube from the warm head to Cold head and / or partially in thermal contact along of the first regenerator from the warm end section to the cold one End section.
- This measure causes the Connection device before contact with the cooling object or cold head of the first pulse tube the thermal contact at least partially along the first Pulse tube from warm head to cold head and / or thermal Contact at least partially along the first regenerator from the warm end section to the cold end section is pre-cooled. Because of the heat or temperature gradient between the hot head and cold head of the (first) Pulse tube thus becomes the temperature of one or more Place with the pulse tube or regenerator in thermal Contact connecting device at different Temperature levels "caught" or adjusted.
- the connecting device can, for example, by means of Clamps or the like or by gluing the connecting device with the pulse tube or regenerator in thermal Be brought in contact. It is also conceivable that Connection device around the pulse tube or the regenerator to wrap.
- 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 having a second pulse tube, which is a hot head with a third temperature T A2, and a cold head with respect to the third temperature T A2 deeper fourth temperature T Z, the first between the temperature T A1 and the second temperature T E, and a second regenerator which has a warm end section and a cold end section which is connected to the second pulse tube cold head.
- the fourth temperature T Z 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 E , ie temperature at the first pulse tube cold head, is reached in several successive cooling stages, to which the object to be cooled is to be cooled.
- the fourth temperature T Z of the cold head of the second pulse tube cooler can be set such that it is lower than the temperature T V of the area or of the connecting device, the connecting device for its pre-cooling being at least partially in thermal contact is guided 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.
- That to be cooled by the cooling device according to the invention Object has, for example, one on a superconducting one or normal conductive material based magnet or a sensor for detecting particles, radiation or Fields.
- sensors can be sensors with a Operating temperature in the range of about 30 to 100 K, such as for example silicon detectors (Si (Li) detectors), germanium detectors (HPGe detectors) or on high-temperature superconductors based SQUIDs ("Superconducting Quantum Interference Device ", superconducting quantum interference devices) his.
- the object to be cooled can also also sensors based on a low temperature effect, have, these sensors due to their operating temperature less than 20 K, usually even less than 4K, of a low-temperature cooling device (e.g. a demagnetization stage), the one with the cold head of the first pulse tube is cooled to the appropriate operating temperature become.
- a low-temperature cooling device e.g. a demagnetization stage
- Such sensors are advantageous a two
- the object to be cooled can also be a variety of Have sensors. This is advantageous, for example, if two different types of sensors are used, their Energy resolution in different energy areas is different.
- FIG. 2 the one schematic representation of a first embodiment of a shows cooling device according to the invention.
- the cooling device according to the invention of this embodiment partially to improve cooling performance in one Arranged cooling container or a cryostat (not shown), where the temperature levels shown in the figures Represent areas that are advantageous surrounded by heat or radiation shields for thermal insulation are.
- a connection device 60 is located on a cover of the cryostat, which represents the 300 K temperature level (or the temperatures T A1 , T V mentioned in the introduction) due to the thermal contact with the exterior of the cryostat or cooling area for electrical supply 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.
- a cold head 24 is provided, is received at the heat from an object to be cooled, in this case of a magnet 82, at a temperature of about 77K (or T E).
- 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 electrical supply lines run 62, which is a connecting device between the Exterior of the cooling area in thermal contact Connection device 60 or the cryostat cover and the Magnet 82 forms, partially or over a predetermined Distance in thermal contact along the pulse tube 20 in Direction from the hot head (not shown) to the cold head 24.
- the electrical leads 62 are already in front the contact with the magnet 82 or cold head 24 of the first Pulse tube 20 pre-cooled, resulting in a lower heat load leads to the cold head 24.
- the electrical leads 62 made of superconducting can by gluing the leads 62 to the pulse tube 20 or the regenerator 40 or by winding the supply lines 62 around these components 20.40. It is further possible with the supply lines over a certain distance Clamps or the like on components 20, 40 (or to attach the second pulse tube 30).
- FIG. 3 is a schematic Representation of a second embodiment of the invention Cooling device shows.
- the second Embodiment the connection device 60 for electrical Supply lines 62, and the hot head (not shown) of first pulse tube 20 and the warm end portion 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 provided on the magnet 82 of about 77K becomes. Furthermore, the cold head 24 of the first pulse tube 20 via line 42 with a cold end portion 46 of the Regenerator 40 connected.
- the electrical leads 62 partially or via a certain distance in thermal contact along the regenerator 40 toward the warm end portion 44 the cold end section 46, which is connected via line 42 to the Cold head 24 is connected. Because of the exchange a working gas between the regenerator 40 and the Pulse tube 20 (the general principle of operation of the pulse tube cooler is explained in more detail below) is the regenerator 40 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 section 46.
- FIG. 4 is a schematic Representation of a third embodiment of the invention Cooling device shows, 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 (T A1 , T A2 , T 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, is provided at the cooling temperature at an object to be cooled, here on a magnet 82, of about 4K (T E).
- a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77K (T Z ) 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 leads meet 62 which is a connecting device between the in thermal contact with the exterior of the cooling area standing connection device 60 or cryostat cover and the magnet 82 forms, initially on one on the 77K temperature level thermal interception device 64, at which the temperature of the supply lines 62 to 77K "intercepted" or (for the purpose of pre-cooling) adjusted becomes. From there, the supply lines 62 partially run or over a predetermined distance in thermal contact along the pulse tube 20 towards the hot head (not to the cold head 24. As in the first embodiment the electrical supply lines 62 even before contact with the magnet 82 or cold head 24 of the first pulse tube 20 pre-cooled, resulting in a lower Thermal load on the cold head 24 leads.
- FIG. 5 is a schematic Representation of a fourth embodiment of the invention Cooling device shows.
- the fourth Embodiment a connection device 60 for electrical Supply lines 62, a warm head (not shown) a first pulse tube 20, a warm head (not shown) 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, for example of a cryostat cover.
- a cold head 24 is provided at which a cooling temperature on an object to be cooled, here on a magnet 82, of about 4K is provided.
- Cooling temperature of about 77K for pre-cooling the first one Pulse tube 20 is provided.
- the cold head 24 of the first pulse tube 20 via a line 42 with a cold end portion 46 of the regenerator 40 and is the Cold head 34 of the second pulse tube 30 via a line 52 with a cold end portion 56 of the second regenerator 50 connected.
- the electrical Supply lines 62 partially or over a predetermined distance in thermal contact along the second pulse tube 30 performed where the temperature of the leads 62 already on the Temperature of the second pulse tube 30 (for the purpose of pre-cooling) is adjusted.
- the supply lines run from there 62 partially or over a predetermined distance in thermal contact along the pulse tube 20 in the direction from the hot head (not shown) to the cold head 24.
- the electrical Leads 62 even before contact with the magnet 82 or Cold head 24 of the first pulse tube 20 pre-cooled, resulting in a leads to a lower heat load on the cold head 24.
- FIG. 6 is a schematic Representation of a fifth embodiment of an inventive Cooling device shows.
- same parts with the same reference numerals designated.
- a connection device 60 is located on a cover of the cryostat, which represents the 300 K temperature level (or the temperatures T A1 , T V mentioned in the introduction) due to the thermal contact with the exterior of the cryostat or cooling area for a vertical holding device 62 or supporting device 62 for holding or supporting an object 82 to be cooled, 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.
- a vertical holding arrangement 63 is provided, which establishes thermal contact between the components 62 and 20.
- a cold head 24 is provided, is received at the heat from an object to be cooled, in this case of a magnet 82, at a temperature of about 77K (or T E). 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.
- the holding device 62, 63 two parts, namely the actual holding part 62 and the Contact part 63 for making a thermal contact formed between the holding part 62 and the pulse tube 20.
- the holding part 62 is advantageously from a poorly heat-conducting material, such as for example plastics, in particular glass fibers or Kevlar threads.
- a poorly heat-conducting material such as for example plastics, in particular glass fibers or Kevlar threads.
- a stable bracket from heavy to cooling objects can also be rod-shaped or tubular Holding parts, especially made of poorly heat-conducting materials be used.
- the contact part 63 a thermally highly conductive material, such as metal, to be used in the form of wires, rods, pipes, etc. Because of this holding arrangement, the holding device 62,63 pre-cooled before contact with magnet 82, resulting in a lower thermal load on the cold head 24 leads.
- the thermal contact of the holding or contact parts 62 and 63 with each other or with the pulse tube 20 or as in the seventh embodiment with the regenerator 40 can by gluing the holding or contact parts 62 and 63 together with each other or by sticking to the pulse tube 20 or the regenerator 40, or by winding the contact parts 63 around components 20, 40 or 62. It is further possible to use clamps or the like for fastening.
- FIG. 7 is a schematic Representation of a sixth embodiment of the invention Cooling device shows, the characteristic of this Embodiment again the two-stage pulse tube cooler system is.
- 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 (T A1 , T A2 , T 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, is provided at the cooling temperature at an object to be cooled, here on a magnet 82, of about 4K (T E).
- a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77K (T Z ) 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 is used to hold or support the magnet 82 62,63 provided, the holding part 62 (vertical) the magnet 82 via a connection device 60 on the cold head 34 or on a 77K heat shield of a cryostat holds.
- 63 contact parts 63 horizontal are provided.
- the materials of the individual holding or contact parts are corresponding to choose the fifth embodiment.
- FIG. 8 is a schematic Representation of a seventh embodiment of the invention Cooling device shows.
- the two-stage pulse tube cooler system essentially has the same structure as that of the sixth embodiment on. The difference in this embodiment however, consists of holding or supporting the magnet 82.
- a holding device is used to hold or support the magnet 82 62,63 provided, the holding part 62 (vertical) the magnet 82 via a connection device 60 on the cold head 34 or on a 77K heat shield of a cryostat holds.
- the Materials of the individual holding or contact parts are to choose according to the fifth embodiment. Consequently is due to thermal contact with the regenerator 40 the temperature of 77K of the holding device 62.63 "intercepted" or at low temperatures in the range of Cold head temperature adjusted, resulting in a decrease the heat load leads to the cold head.
- FIG. 9 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a first embodiment.
- Figure 9 is again the same parts with the the same reference numerals.
- the cooling effect in the pulse tube cooler is based on the periodic Pressure change 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 pressure oscillator 10 via a regenerator 40 connected.
- the regenerator 40 serves as an intermediate heat store, which flows in from the pressure oscillator 10 Gas cools before entering pulse tube 20 and then the escaping gas back to room temperature warmed up.
- At temperatures above 30 K one uses stacks of fine-meshed stainless steel or bronze sieves as regenerator filling.
- Temperatures are set due to the high heat capacity Lead shot and more recently magnetic materials, e.g. Er-Ni alloys, a.
- To generate the pressure oscillation becomes a compressor as shown in FIG 10 in combination with a downstream rotary valve 15 used that periodically the high and low pressure side of the compressor connects to the cooler.
- the pressure oscillation can be done directly via the Piston movement of a valveless compressor are generated.
- the pulse tube at the warm end 22 closed.
- the cooling process runs qualitatively as follows: in the compression phase the gas pre-cooled in the regenerator 40 flows into the pulse tube 20 a. By increasing the pressure, the gas is in the pulse tube 20 warmed and at the same time to the warm heat exchanger 22 or warm head 22 moved where part of the heat of compression is dissipated to the environment. Through the subsequent expansion, the gas is cooled in the Pulse tube 20.
- the gas leaving pulse tube 20 is colder than when entering and can therefore heat from the cold Heat exchanger 24 or cold head 24 and the one to be cooled Object or another cooling device.
- a more detailed analysis of the process in this embodiment shows that for the heat transfer from cold 24 to warm 22 Heat exchange between gas and pipe wall required is ("surface heat pumps"). Because the thermal contact however only in a thin layer of gas on the pipe wall this cooling process has not yet been optimized.
- FIG. 10 now shows a schematic representation of a Pulse tube cooler 20 according to a second embodiment.
- This results in a significant increase in effectiveness by connecting a ballast volume 70 over a flow resistance (needle valve) 26 on the warm heat exchanger 22.
- a flow resistance needle valve
- the gas in the pulse tube does 20 work when moving gas into the ballast volume 70, whereby a significantly higher cooling effect is achieved.
- Figure 11 shows a schematic representation of a Pulse tube cooler according to a third embodiment, at which further increases the effectiveness of the cooler lets by the proportion of gas flow that leads to pressure change is necessary in the warm part of the pulse tube 20, by a second inlet at the warm end. Because of this Gas flow no longer passes the regenerator 40, the Losses in regenerator 40 reduced. It also turns out at a second inlet (with a valve 28) one for the Cooling more favorable chronological sequence of pressure and flow variation on.
- Figure 12 shows a schematic overall structure of a Pulse tube cooler according to the third embodiment in one more concrete representation than in FIG. 11 a commercial helium compressor 10 motor-driven rotary valve 15, which for controlling the Helium gas flow is used.
- Electromagnetic interference can be the real cooler and the rotary valve via a flexible plastic line 12 connected to each other.
- FIG. 13 shows a schematic representation of a two-stage pulse tube cooler system with the most important Components, such as for the third or fourth embodiment of the cooling device according to the invention is usable.
- a compressor 10 is coupled to a rotary valve 15.
- a line 12 connects the rotary valve 15 with the Pulse tube cooler system.
- This has a regenerator 40 of the first stage and a regenerator 50 of the second stage , with a flow aligner (“flow straightener ”) 55 is arranged. It is also conceivable to use a to choose another regenerator arrangement, for example two separate regenerators can be used.
- the pulse tube cooler system has a first pulse tube 20 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 via throttle valves, for example in the Form of needle valves 26 and 36, with a common Ballast container or ballast volume 70 connected. It is further conceivable that instead of the common ballast volume two separate ballast volumes can be used.
- valves 38 and 28 are provided for a second inlet.
- the cold head 24 of the second pulse tube 30 cools one area surrounded by a heat or radiation shield 92 up to a maximum of about 50 K, while on the cold head 24 of the first pulse tube 20 has a temperature of approximately 2.2 up to 4.2 K is provided (see also C. Wang et al.:"A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K ", Cryogenics 1997, Volume 37, No. 3).
- the pulse tube cooler has due to the lack of moving Parts with very little vibration and therefore particularly good for suitable 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 T A1 and a cold head 24 with a second temperature T E which is lower than the first temperature, and a first regenerator 40 having a warm end portion 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 connecting device 62 for mechanically or electrically connecting the object to be cooled to a region 60 which has a temperature T V that is higher than the second temperature T E.
- the region 60 which generally designates an area or a device with a temperature higher than T E , 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 an adhesive or a screw connection, or also an electrical connection.
- 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. 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
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 mechanischen oder elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts mit einer Anschlußeinrichtung 60, die eine bezüglich der zweiten Temperatur TE höhere Temperatur TV aufweist. Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung zur deren Vorkühlung 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. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch
1 und 3.
Derartige Kühlvorrichtung 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. 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.
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
Niobium-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 4He liquefaction
using a two-stage 4K pulse tube cooler", in Cryogenics 1998
Volume 00, 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. 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.
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
hervorgerufen wird, minimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung gemäß der
Merkmale des Anspruchs 1 oder 3 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
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,
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
TE höhere Temperatur TV 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
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,
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 TE höhere Temperatur TV 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 TA1 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.
Im folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl
des ersten, als auch des zweiten 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 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
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 TA2 und einen Kaltkopf 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 einen zweiten Regenerator,
der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt,
welcher mit dem zweiten Pulsrohrkaltkopf 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 TE,
d.h. Temperatur am ersten Pulsrohrkaltkopf, 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 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.
Das von der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu kühlende
Objekt weist beispielsweise einen auf einem supraleitenden
oder normalleitenden Material basierenden Magnet
oder einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder
Feldern auf. 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:
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:
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.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Im folgenden wird die Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
Es sei dabei zunächst auf Figur 2 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 der folgenden Ausführungsformen, ist vor_
teilhafterweise 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
TA1, TV) 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. TE) 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
nur 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 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast
auf den Kaltkopf 24 führt.
In dieser, sowie in den 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. Der thermische Kontakt der Zuleitungen 62 mit dem
Pulsrohr 20 (oder dem zweiten Pulsrohr 30, siehe Figur 5)
oder wie in der zweiten Ausführungsform mit dem Regenator
40 kann durch Aufkleben der Zuleitungen 62 an das Pulsrohr
20 bzw. den Regenerator 40 oder durch Wickeln der Zuleitungen
62 um diese Komponenten 20,40 erfolgen. Es ist ferner
möglich die Zuleitungen über eine bestimmte Strecke mit
Schellen oder dergleichen an den Komponenten 20,40 (oder
dem zweiten Pulsrohr 30) zu befestigen.
Es sei nun auf Figur 3 verwiesen, die eine schematische
Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung zeigt.
Wie in der ersten Ausführungsform steht in der zweiten
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.
Es sei nun auf Figur 4 verwiesen, die eine schematische
Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung zeigt, wobei das Kennzeichen dieser
Ausführungsform das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.
Ähnlich zu den beiden ersten Ausführungsformen steht in
der dritten 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 (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 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.
In der dritten 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.
Es sei nun auf Figur 5 verwiesen, die eine schematische
Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung zeigt.
Wie bei der 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 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 vierten Ausführungsform werden die elektrischen
Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strekke
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.
Es sei nun auf Figur 6 verwiesen, die eine schematische
Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
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
TA1, 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. TE) 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 siebten 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.
Es sei nun auf Figur 7 verwiesen, die eine schematische
Darstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung zeigt, wobei das Kennzeichen dieser
Ausführungsform wiederum das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem
ist.
Ähnlich zu der fünften Ausführungsform steht in der
sechsten 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 (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 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 fünften 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.
Es sei nun auf Figur 8 verwiesen, die eine schematische
Darstellung einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung zeigt.
Das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem weist im wesentlichen
den gleichen Aufbau wie das der sechsten 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 sechsten 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 fünften 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.
Im folgenden wird der allgemeine Aufbau und die Wirkungsweise
eines in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
zu verwendenden Pulsröhrenkühlers beschrieben. 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 feinmaschigern 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 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 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 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 dritte bzw.
vierte 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.
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 mechanischen oder elektrischen Verbinden
des zu kühlenden Objekts mit 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. Die Anschlußeinrichtung kann
ferner ein mechanisches Befestigungsmittel, wie beispielsweise
ein Klebemittel oder eine Verschraubung, oder auch
einen elektrischen Anschluß aufweisen. Erfindungsgemäß verläuft
die Verbindungseinrichtung 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.
- 10
- Kompressor
- 12
- Leitung vom Kompressor weg
- 15
- Rotationsventil
- 20
- Pulsrohr, erstes Pulsrohr
- 22
- warmer Wärmetauscher von 20
- 24
- kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 20
- 26
- Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70
- 28
- Ventil des zweiten Einlasses
- 30
- zweites Pulsrohr
- 32
- warmer Wärmetauscher von 30
- 34
- kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 30
- 36
- Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70
- 38
- Ventil des zweiten Einlasses
- 40
- Regenerator, Regenerator der ersten Stufe
- 42
- Leitung von 46 zu 24
- 44
- warmer Endabschnitt von 40
- 46
- kalter Endabschnitt von 40
- 50
- Regenerator der zweiten Stufe
- 52
- Leitung von 56 zu 34
- 54
- warmer Endabschnitt von 50
- 55
- Flußausrichter zwischen 40 und 50
- 56
- kalter Endabschnitt von 50
- 60
- Anschlußeinrichtung, Bereich
- 62
- Verbindungseinrichtung (elektr.,mechanisch), Halteteil
- 63
- Kontaktteil
- 64
- thermische Abfangeinrichtung
- 70
- Ballastvolumen
- 82
- Magnet, zu kühlendes Objekt
Claims (17)
- 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; undeine Verbindungseinrichtung (62) zum elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts (82) mit 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) und/oder teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Regenerator (40) verläuft.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (62) supraleitende und/oder normalleitende elektrische Zuleitungen aufweist.
- 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; undeine 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 (TE) höhere Temperatur (TV) 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.
- 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) aufweist.
- 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.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (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.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regenerator (20) den zweiten Regenerator (30) als seinen warmen Endabschnitt mit verwendet.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (TV) des Bereichs (60) höher als die vierte Temperatur (TZ) liegt, wobei die Verbindungseinrichtung (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.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt (82) einen Magnet aufweist.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt (82) einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern aufweist.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Hochtemperatursupralteiter-SQUID oder ein Tieftemperatursupralteiter-SQUID ist.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein auf einem Tieftemperatureffekt basierender Sensor ist, der an eine Tieftemperaturkühleinrichtung thermisch gekoppelt ist und von dieser gekühlt wird.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tieftemperaturkühleinrichtung eine Entmagnetisierungsstufe aufweist.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Phasenübergangsthermometer, eine supraleitende Tunneldiode, einen Thermistor oder ein magnetisches Bolometer aufweist.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt (82) eine Vielzahl von Sensoren aufweist.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, 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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EP99112174A EP1063482A1 (de) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | Kühlvorrichtung |
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EP99112174A Withdrawn EP1063482A1 (de) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | Kühlvorrichtung |
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EP (1) | EP1063482A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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