Pulse-Tube-Kaltkopf

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kaltkopf für Gaskältemaschinen mit einer Leistung zwischen 10 W und einigen Kilowatt Kälteleistung für die Erzeugung von Temperaturen im Bereich von 80 K (einstufig) und 20 K (zweistufig) nach dem Pulse-Tube-Prinzip. Der Pulse-Tube-Kaltkopf zeichnet sich dadurch aus, dass der warme Wärmetauscher 2 ein Rohr ist, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Pulsrohrs 1 und dass sich zwischen dem warmen Wärmetauscher 2 und dem Reservoir eine zweistufige Inertance-Tube anschließt, die aus einem Trägheitsrohr 3, das möglichst geringe Reibungsverluste verursacht, und einem anschließenden Reibungsrohr mit einem im Vergleich zum Trägheitsrohr 4 geringerem Querschnitt besteht, wobei das Trägheitsrohr 3 mit dem warmen Wärmetauscher 2 und das Reibungsrohr 4 mit dem Reservoir verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kaltkopf für Gaskältemaschinen mit einer Leistung zwischen 10 W und einigen Kilowatt Kälteleistung für die Erzeugung von Temperaturen im Bereich von 80 K (einstufig) und 20 K (zweistufig) nach dem Pulse-Tube-Prinzip. Die Anwendung des Pulse-Tube-Kaltkopf bietet sich besonders für die direkte Kühlung von Vorrichtungen/Anlagen mit mittleren bis größeren Kälteleistungsbedarf, wie z. B. passive Magnetlager auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern, die für (HTSL) Ultrazentrifugen, Schwungrad-Energiespeicher etc. verwendet werden, und (Rück-)Verflüssigungsanlagen für permanente Gase (z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Erdgas einstufig; Neon, Wasserstoff zweistufig) an.

[0002] Die technische Nutzung des Pulse-Tube-Prinzips ist bereits seit 1941 durch den Basic Pulse Tube Refrigerator (BPTR) von W. E. Gifford und R. C. Longsworth bekannt, mit dem Temperaturen von 124 K (= -149 °C) erreicht wurden. Weiterentwicklungen führten zu Pulse-Tube-Kühlern, die Temperaturen von 1,7 K ermöglichen.

[0003] Für Pulse-Tube-Kühler mittlerer und größerer Kälteleistung wird derzeit nahezu ausschließlich eine sogenannte Inertance-Tube zur Einstellung der Phasendifferenz zwischen Druckwelle und Volumenstrom eingesetzt. Das Inertance-Prinzip, das Ende der neunziger Jahre entwickelt wurde, stellt eine Weiterentwicklung des Orifice-Prinzips dar. Im Gegensatz zum Orifice-Prinzip (z.B. US 6,442,947 B1) wo lediglich ein Druckdifferenz-monotoner Volumenstrom durch eine Lochblende eingestellt werden kann, wird beim Inertance-Prinzip die Reaktanz der Gasträgheit zur Vergrößerung der Phasenverschiebung ausgenutzt. In der bewegten Gassäule wird zudem kinetische Energie gespeichert, welche beim Zurückströmen des Gases aus der Inertance-Tube zum Druckaufbau genutzt werden kann (Stagnation, Umwandlung kinetischer Energie in potentielle Energie).

[0004] In US 2009/0107150 A1 wird eine Verschaltung aus einer Inertance-Tube und einem Drucktank, wie er üblicherweise in Pulse-Tube-Kühlsystemen eingesetzt wird, beschrieben. Der Drucktank ist als schraubenförmiger Kanal ausgeformt, der in die Außenwand der Pulse-Tube eingebracht ist.

[0005] Das Prinzip der Inertance-Tube wird auch bei der in JP 2002 106 992 beschriebenen zweistufigen Inertance-Tube angewendet, die aus einem Trägheitsrohr und einem Reibungsrohr besteht. Diese sind derart zwischen Pulse-Tube und Reservoir angeordnet, dass das Reibungsrohr mit der Pulse-Tube und das Trägheitsrohr mit dem Reservoir verbunden sind. Diese Anordnung von Reibungs- und Trägheitsrohr (letzteres unmittelbar vor dem Reservoir) führt jedoch dazu, dass eine Ausnutzung der kinetischen Energie des Gases im Trägheitsrohr zur Rekompression der Gassäule in der Pulse-Tube nicht möglich ist. Die Verbesserung der Bruttokälteleistung und des Wirkungsgrads resultiert hier lediglich aus der exakten Einstellung der Phasenverschiebung zwischen Druckwelle und Volumenstrom.

[0006] Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Phasenverschiebung ist der Regenerator-Bypass beim Double-Inlet-Prinzip. Hier wird ein Teil des Gasstroms für die Kompression und Expansion am Regenerator vorbei direkt zum warmen Ende der Pulse-Tube geleitet, wodurch sich das Verhältnis der Volumenströme über den Wärmetauscher bzw. in die Pulse-Tube einstellen lässt. Das Double-Inlet-Prinzip wird heute nur noch selten benutzt, da der Bypass über den Regenerator sehr exakt eingestellt werden muss. Außerdem können schwer kontrollierbare Instabilitäten durch Differenz-Gasströme zwischen Kompression und Expansion hervorgerufen werden, welche zu gleichgerichteten Nettomassenströmen (DC-Flow) führen.

[0007] In DE 10 051 115.5 wird eine weitere Lösung, die eines aktiven Expanders, gezeigt, die die beim Pulse-Tube-Prinzip nötige Phasenverschiebung zwischen Druckwelle und Volumenstrom erzeugt. In einem Verdichter befinden sich zwei Zylinder, die um 55°...78° zueinander versetzt sind. Die Zylinder, ein Kompressionszylinder und ein Expansionszylinder, werden von derselben Welle angetrieben. Die Volumina von Kompressionszylinder und Expansionszylinder sind so aneinander angepasst, dass im Arbeitspunkt des Kryokühlers sowohl die Phasenverschiebung zwischen Druckwelle und Volumenstrom als auch der Volumenstrom selbst optimiert sind. Außerdem wird über die Kopplung des Expansionskolbens an die Welle ein großer Anteil der Expansionsenergie auf die Antriebswelle gebracht und damit die notwendige Antriebsenergie pro Zyklus verkleinert. Über diese Maßnahme kann eine hohe Kälteleistung bei hohem Wirkungsgrad erreicht werden. Das Prinzip des aktiven Expanders stellt funktionell gegenwärtig die effektivste Lösung dar, da Leistungsdaten erreicht werden, die mit denen von Stirlingkühlern vergleichbar sind bzw. diese sogar übertreffen. Nachteilig ist jedoch vor allem die Komplexität des Systems, namentlich die Vielzahl der beweglichen Teile und deren Abstimmung zueinander.

[0008] Als Wärmetauscher am warmen Ende der Pulse-Tube werden bei mittleren Kälteleistungen üblicherweise Kupfer-Siebgewebescheiben eingesetzt oder es werden Wärmetauscher mit mehreren parallelen Bohrungen bzw. Rohren verwendet. Bei Pulse-Tube-Kühlern größerer Kälteleistung und hoher Arbeitsfrequenz werden Wärmetauscher mit erodierten Schlitzen benutzt.

[0009] Jeder der vorgestellten Wärmetauscher ist aufgrund seiner Komplexität in der Herstellung aufwendig und kostenintensiv.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kältemaschine nach dem Pulse-Tube-Prinzip zur Verfügung zu stellen, die die Effektivität eines Pulse-Tube-Kühlers mit aktivem Expander und den einfachen Aufbau des Pulse-Tube-Kühlers mit Inertance-Tube vereint und zudem einen einfach aufgebauten, aber leistungsstarken Wärmetauscher besitzt.

[0011] Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

[0012] Nach Maßgabe der Erfindung wird für die Kältemaschine ein Pulse-Tube-Kaltkopf verwendet, der eine zweistufige Inertance-Tube und einen neuartigen warmen Wärmetauscher aufweist.

[0013] Der Pulse-Tube-Kaltkopf besteht aus einem Kompressor, einem kalten Wärmetauscher, einem Pulsrohr, einem warmen Wärmetauscher, einem nachgeschalteten Phasenschieber und einem Reservoir. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Strömungsquerschnitt des Wärmetauschers gegenüber des Strömungsquerschnitts des Pulsrohrs stetig oder sprunghaft zu vergrößern. Damit wird die im Unterschallbereich liegende Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases beim Übergang vom warmen Ende des Pulsrohrs in den Wärmetauscher allmählich oder sprunghaft verringert.

[0014] Durch die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts im Wärmetauscher stagniert das Arbeitsgas in diesem. Die Stagnation des Arbeitsgases bewirkt aufgrund des Bernoulli-Effekt eine lokale Erhöhung des statischen Drucks. Infolge dessen erfährt das Arbeitsgas eine Zustandsänderung, welche im allgemeinen Fall einer polytropen Kompression entspricht. Die kinetische Energie des Arbeitsgases wird in innere Energie umgewandelt, wobei die Temperatur des Gases im Wärmetauscher ansteigt und folglich mehr Energie über die Wandung des Wärmetauschers übertragen werden kann.

[0015] Aufgrund dieses Effekts kann ohne zusätzliche Innenstruktur im Wärmetauscher bzw. mit einfacher Innenstruktur eine Wärmeübertragung des Wärmetauschers erreicht werden, die sonst nur durch komplexe Innenstrukturen möglich ist.

[0016] Die Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases innerhalb des Wärmetauschers schafft gleichzeitig die Vorbedingung für den optimalen Betrieb eines nachgeschalteten Phasenschiebers.

[0017] Um die notwendigen funktionellen Parameter für die Phasenverschiebung unabhängig voneinander einstellen zu können, ist es erforderlich, einen Phasenschieber zu haben, mit dem sich Phasenverschiebung, Volumenstrom und Reibungsanteil separat einstellen lassen.

[0018] Hierfür ist vorgesehen, eine zweistufige Inertance-Tube zu verwenden, welche aus einem Trägheitsrohr und einem Reibungsrohr besteht. Das Trägheitsrohr zeichnet sich durch möglichst geringe Reibungsverluste aus, und das anschließende Reibungsrohr, mit dem der Reibungsanteil konstruktiv eingestellt werden kann, weist einen im Vergleich zum Trägheitsrohr geringeren Querschnitt auf. Das Trägheitsrohr ist mit dem warmen Wärmetauscher und das Reibungsrohr mit dem Reservoir verbunden.

[0019] Die Gestaltung der zweistufigen Inertance-Tube bietet vier Möglichkeiten der Einstellung, nämlich zusätzlich zur optimalen Einstellung von Phasenverschiebung, Volumenstrom und Reibungsanteil die Speicherung der kinetischen Energie durch die geeignete Gestaltung von Länge und Durchmesser des Trägheitsrohrs. Auf diese Weise lassen sich alle Eigenschaften des strukturell und funktionell komplexen aktiven Expanders mit einer einfachen Rohrstruktur nachbilden.

[0020] Im Gegensatz zum aktiven Expander, der aufgrund der Vibrationsentkopplung (Massenausgleich 1. Ordnung) beim Antriebssystem möglichst mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad zu betreiben ist, lassen sich mit der zweistufigen Inertance-Tube problemlos auch andere Phasenverschiebungen einstellen. Theoretische Berechnungen zeigen, dass sich mit Phasenverschiebungen von etwa 60°...70° optimale Bedingungen hinsichtlich Kälteleistung und Wirkungsgrad einstellen lassen.

[0021] Zur Steigerung Kälteleistung können zudem mehrere Pulse-Tube-Kaltköpfe parallel kaskadiert (Parallelschaltung) angeordnet werden. Mittels serieller Anordnung (Mehrstufenanordnung) lässt sich eine Verringerung der Arbeitstemperatur erreichen

[0022] Des Weiteren lässt sich die Erfindung auch auf Gifford-McMahon-artige und Stirlingartige Pulse-Tube-Kühler übertragen.

[0023] Durch Zumischen von Gasen mit größerer Dichte (z.B. Neon) zum Arbeitsgas (z. B. Helium) lässt sich eine kompaktere Geometrie, insbesondere durch die mögliche Verkürzung des Trägheitsrohrs, erreichen. Weiterhin ist durch die Beimischung von Gasen größerer Dichte der Stagnations-Effekt im Wärmetauscher steigerbar, wodurch eine bessere Wärmeübertragung erreicht ist.

[0024] Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierbei zeigen:

Fig. 1

einen Pulse-Tube-Kaltkopf mit einer zweistufigen Inertance-Tube und einem Wärmetauscher, bei dem der Strömungsquerschnitt am warmen Ende des Pulsrohrs sprunghaft erweitert ist;

Fig. 2

einen Pulse-Tube-Kaltkopf mit einer zweistufigen Inertance-Tube und einem Wärmetauscher, bei dem der Strömungsquerschnitt am warmen Ende des Pulsrohrs stetig erweitert ist.

[0025] Wie aus den Figuren ersichtlich, umfasst der erfindungsgemäße Pulse-Tube-Kaltkopf das Pulsrohr 1, den warmen Wärmetauscher 2, das Trägheitsrohr 3 und das Reibungsrohr 4.

[0026] Bei dem Pulse-Tube-Kaltkopf gemäß Fig. 1 ist der Übergang des Querschnitts sprunghaft, wogegen in Fig. 2 der Übergang stetig ist.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

[0027] 

1.

Pulsrohr

2.

warmer Wärmetauscher

3.

Trägheitsrohr

4.

Reibungsrohr

Ansprüche

1. Pulse-Tube-Kaltkopf, bestehend aus einem Vorkühler, einem Regenerator, einem kalten Wärmetauscher, einem Pulsrohr (1), einem warmen Wärmetauscher (2), einem nachgeschalteten Phasenschieber und einem Reservoir, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Wärmetauscher (2) ein Rohr ist, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Pulsrohrs (1) und dass sich zwischen dem warmen Wärmetauscher (2) und dem Reservoir eine zweistufige Inertance-Tube anschließt, die aus einem Trägheitsrohr (3), das möglichst geringe Reibungsverluste verursacht, und einem anschließenden Reibungsrohr (4) mit einem im Vergleich zum Trägheitsrohr (3) geringerem Querschnitt besteht, wobei das Trägheitsrohr (3) mit dem warmen Wärmetauscher (2) und das Reibungsrohr (4) mit dem Reservoir verbunden ist.

2. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Wärmetauscher (2) ein Rohr ist, dessen Querschnitt über die gesamte Länge konstant ist.

3. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Wärmetauscher (2) ein Rohr ist, dessen Querschnitt zwischen Pulsrohr (1) und Trägheitsrohr (3) stetig ansteigt.

4. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Wärmetauscher (2) ein Rohr ist, dessen Querschnitt vom Pulsrohr (1) aus zunächst stetig ansteigt und danach im Bereich der Länge des Rohres in einen konstanten Querschnitt übergeht.

5. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen ansteigendem und stetigem Querschnitt in der Mitte der Länge des Rohres ist.

6. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas ein Gasgemisch verwendet wird.

7. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungen zur Steigerung der Kälteleistung parallel kaskadiert sind.

8. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungen zur Verringerung der Arbeitstemperatur seriell kaskadiert sind.

9. Pulse-Tube-Kaltkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperaturstufen mit einem Phasenschieber ausgestattet sind, welcher zur Steigerung der Effekte über die Vergrößerung der Gasdichte mit einem Reservoir auf dem Tieftemperaturniveau der seriell nächstgelegenen Stufe verbunden ist.

Zeichnung