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Pulse-Tube Kryokühler

Industrie und Forschungsinstitute

Dipl.-Ing. Gunar Schroeder

+49-351-4081-628

für kryogene Hochleistungsanwendungen

Im Rahmen des Forschungsvorhaben „Supraleitendes Hochstromsystem für DC Anwendungen“ wurde ein leistungsstarker, auf dem Pulse-Tube (PT)-Prinzip basierender Kryokühler entwickelt. Der einstufige Aufbau verfügt über zwei Druckwellenerzeuger mit einem gemeinsamen Antrieb, siehe Abbildung 1. Anders als bei einem klassischem PT Kühler mit Orifice und Buffervolumen kann die Phasenlage zwischen Druck und Massenstrom über den Drehwinkel der beiden Druckwellenerzeugern zueinander fest vorgegeben werden. Diese Technik wird als „active phase shift“ bezeichnet. Damit lässt sich eine wesentlich höhere Effizienz realisieren, da die Expansionsenergie am warmen Ende des Pulse-Tube nicht dissipiert sondern rekuperiert wird.

Technische Daten

Der Kaltkopf dieses PT Kühlers ist speziell auf die Anwendung als Rückkühler / Verflüssiger angepasst. Die Kaltfläche ist als Wärmeübertrager ausgeführt, um die zu kühlenden Medien direkt daran anzuschließen zu können. So wird ein optimaler Wärmeübergang zwischen dem inneren thermodynamischen Prozess und dem zu kühlenden Medium (z.B. LN2) ermöglicht. Der PT Kühler kommt durch den besonderen Aufbau ganz ohne Ventile und ohne bewegte Teile im Kaltteil aus. Damit kann eine hohe Lebensdauer, eine hohe Zuverlässigkeit und ein geringer Wartungsaufwand gewährleistet werden.
Dieser PT Kryokühler (Hochleistungskühler) eignet sich besonders für den Einsatz als:

  • Kühler für Kleinverflüssiger, z. B. für die Verflüssigung von O2, N2, H2,
  • Rückkühler für kryogene Kühlkreisläufe mit LN2 oder LAr, z. B. für HTSL-Anwendungen (Hochtemperatursupraleiter)

Die Vorteile des Systems sind:

  • Hohe Effizienz
  • Hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit bei geringem Wartungsaufwand
  • Spezielle Systemlösung mit in der Kaltfläche integriertem Wärmeübertrager- und Prozessanschlüssen
  • Anpassungsfähigkeit des Kühlers an vielfältige spezielle Anforderungen
  • Regelbare Kälteleistung über die Verdichterdrehzahl

In der bisherigen Konfiguration mit dem einstufigen Aufbau wird eine minimale Temperatur von 60 K erreicht. Die Kälteleistung beträgt 300 W bei 80 K. Die Temperaturstabilität des Systems wurde in einem Dauerversuch nachgewiesen, siehe hierzu auch Abbildung 2. Geplant sind weitere Modifi-kation zur Steigerung von Wirkungsgrad und Kälteleistung. Zusätzlich sollen die Druckwellener-zeuger noch weiter angepasst werden, um die Abmessungen des Systems weiter zu reduzieren.

Wir suchen Kunden und Projektpartner für mögliche Weiterentwicklungen oder auch Adaptionen für spezielle Anwendungszwecke. Denkbar sind zum Beispiel ein kompakteres System oder eine Weiterentwicklung des derzeitigen Kühlers zu noch mehr Kälteleistung, tieferen Temperaturen und höherer Effizienz.


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