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Das Pulsrohrkühler wurde 1984 erfunden. Im Gegensatz zu anderen Kühlern (wie z Stirling und Gifford-McMahon-Kühler) hat keine beweglichen Teile im Niedertemperaturbereich. Dadurch ist es für viele Anwendungen attraktiv und hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Inzwischen sind viele Varianten von Pulsrohrkühlern entwickelt worden. Hier der sogenannte Stirling-Typ Einzelöffnung Pulsrohrkühler behandelt mit einem idealen Gas.

Beschreibung

Abbildung 1 zeigt den üblichen Stirling-Pulsrohrkühler mit einer einzigen Öffnung. Von links nach rechts sind die Teile:

• ein Kompressor, bei dem sich ein Kolben bei Raumtemperatur auf und ab bewegt ${displaystyle T_{H}}$;
• ein Wärmetauscher ${displaystyle X_{1}}$ wo Wärme an die Umgebung abgegeben wird;
• ein Regenerator bestehend aus porös Material mit hohem Wärmekapazität;
• ein Wärmetauscher ${displaystyle X_{2}}$ wo die nutzbare Kühlleistung ${displaystyle {dot {Q}}_{L}}$ kommt bei der niedrigen temperatur ${displaystyle T_{L}}$;
• eine Röhre, die oft als "die Pulsröhre" bezeichnet wird;
• ein Wärmetauscher Biene Zimmertemperatur${displaystyle X_{3}}$ wo Wärme an die Umgebung abgegeben wird;
• ein Strömungswiderstand (Öffnung);
• ein Puffervolumen (ein großes geschlossenes Volumen bei nahezu konstantem Druck).

Abbildung 1: Schema eines Stirling-Typ-PTR mit einer einzigen Öffnung. Von links nach rechts: ein Kompressor, ein Wärmetauscher (${displaystyle X_{1}}$), ein Regenerator, ein Wärmetauscher (${displaystyle X_{2}}$), ein Rohr (oft "Pulsrohr" genannt), ein Wärmetauscher (${displaystyle X_{3}}$), einen Strömungswiderstand (O) und ein Puffervolumen. Die Kühlung wird bei der niedrigen Temperatur erzeugt ${displaystyle T_{L}}$. Raumtemperatur ist ${displaystyle T_{H}}$.

Der Teil zwischen ${displaystyle X_{1}}$ und ${displaystyle X_{3}}$ ist thermisch von der Umgebung isoliert, in der Regel durch ein Vakuum. Der Kühler ist mit Helium bei einem Druck von 10 bis 30 bar gefüllt. Der Druck ändert sich allmählich und die Geschwindigkeiten des Gases sind gering. Der Name "Impuls"Röhrenkühler ist daher eine äußerst unglückliche Wahl, da nirgendwo und nie im System Pulse auftreten.

Operation

Der Kolben bewegt sich periodisch von links nach rechts und wieder zurück. Dadurch wird auch das Gas von links nach rechts und zurück bewegt und der Druck im System allmählich erhöht und verringert. Wenn das Gas nach rechts durch den Regenerator strömt, tritt es links mit left ${displaystyle T_{H}}$ tritt in den Regenerator ein und fließt nach rechts mit ${displaystyle T_{L}}$ aus, so dass es Wärme an den Regenerator abgibt. Wenn es zurückfließt, nimmt es diese Wärme wieder auf.

Die Leistung des Kühlers wird maßgeblich von der Qualität des Regenerators bestimmt. Es muss widersprüchliche Anforderungen erfüllen: Es muss einen geringen Strömungswiderstand haben (d. h. es muss kurz sein bei breiten Kanälen), es muss aber auch einen guten Wärmeaustausch mit dem Gas haben (d. Das Material muss eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Oberhalb von 50 K sind fast alle Materialien geeignet. Häufig werden Bronze oder Edelstahl verwendet. Blei eignet sich am besten für den Temperaturbereich zwischen 10 und 50 K. Unterhalb von 10 K kommen speziell entwickelte magnetische Materialien zum Einsatz.

Ein sich im System hin und her bewegendes Gaselement erfährt im Pulsrohr eine ganz andere thermische Umgebung als im Regenerator oder in einem Wärmetauscher. Im Regenerator oder in einem Wärmetauscher hat es einen guten Wärmekontakt mit seiner Umgebung, der hauptsächlich seine Temperatur bestimmt. Im Pulsrohr hingegen ist es wärmeisoliert. Dabei wird ein Gaselement bei Druckerhöhung wärmer und bei Druckabnahme kälter.

Figur 2: Links: (nahe ${displaystyle X_{2}}$): Ein Gaselement tritt mit Temperatur in das Pulsrohr ein ${displaystyle T_{L}}$ und das Rohr bei einer niedrigeren Temperatur verlassen. Rechts: (nahe ${displaystyle X_{3}}$): Ein Gaselement tritt mit Temperatur in das Rohr ein ${displaystyle T_{H}}$ und das Rohr mit einer höheren Temperatur verlassen.

Schauen Sie sich Abbildung 2 an und bemerken Sie Gaspartikel, die sich in der Nähe befinden ${displaystyle X_{3}}$ (auf der warmen Seite) in das Pulsrohr ein- und ausströmen. Ein in das Rohr eintretendes Gasteilchen tut dies bei niedrig drücken (es wird gesendet über ${displaystyle X_{3}}$ und die Blende aus dem Puffervolumen gesaugt) und hat im Moment des Eintritts eine Temperatur ${displaystyle T_{H}}$. Wenn es nach einiger Zeit wieder aus dem Pulsrohr strömt, geschieht dies bei hoch drücken (es wird gesendet über ${displaystyle X_{3}}$ und die Öffnung drückte das Puffervolumen). Dadurch strömt es wieder aus dem Pulsrohr (und tritt somit ein) ${displaystyle X_{3}}$ drinnen) mit einer Temperatur höher als ${displaystyle T_{H}}$. Der Wärmetauscher ${displaystyle X_{3}}$ würde sich dadurch erwärmen und somit muss Wärme abgeführt werden, um die Temperatur konstant zu halten.

Auf der kalten Seite tritt genau das Gegenteil ein: Dort strömen die Gaspartikel durch den Wärmetauscher ${displaystyle X_{2}}$ in das Pulsrohr bei hohem Druck mit der Temperatur ${displaystyle T_{L}}$ und Rückkehr bei niedrigem Druck mit einer Temperatur, die niedriger ist dann ${displaystyle T_{L}}$. Zu ${displaystyle X_{2}}$ bei konstanter Temperatur ${displaystyle T_{L}}$ dort muss also Wärme zugeführt werden: das ist die gewünschte Kühlung!

Effizienz

Die sogenannte Leistungszahl von Kühlern ist definiert als das Verhältnis zwischen der Kühlleistung ${displaystyle {dot {Q}}_{L}}$ und die benötigte Leistung ${displaystyle P:xi ={dot {Q}}_{L}/P}$. Für einen perfekt reversiblen Kühler, ${Anzeigestil xi}$ gegeben durch die berühmte Formel

${displaystyle xi_{C}={frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}}$

(1)

auch bekannt als Carnot-Rückkehr. Der Pulsrohrkühler ist jedoch nicht vollständig reversibel, da er einen Öffnungsströmungswiderstand aufweist. Daher gilt Gleichung 1 nicht. Die Effizienz eines idealen Pulsrohrkühlers wird weitergegeben

${displaystyle xi_{PTR}={frac {T_{L}}{T_{H}}}}$.

(2)

Der Vergleich von 1 mit 2 zeigt, dass der Wirkungsgrad des Pulsrohrkühlers tatsächlich geringer ist als der des idealen Kühlers.

Vergleich mit anderen Kühlern

In den meisten Kühlern wird Gas periodisch komprimiert und expandiert. Bekannte Kühler wie die Stirlingkühler und das beliebte Gifford-McMahon-Kühler über einen Verdränger verfügen, der dafür sorgt, dass die Abkühlung (bei Expansion) an einer anderen Stelle stattfindet als die Erwärmung (bei Kompression). Der Pulsrohrkühler hat jedoch keine Verdränger. Dies bedeutet, dass der Aufbau des Pulsrohrkühlers einfacher, billiger und zuverlässiger sein kann. Außerdem gibt es keine mechanischen Schwingungen und elektromagnetische Störungen Das hier schwingen bringt Masse mit sich.

Geschichte

Der Pulsrohrkühler wurde 1984 von Mikulin erfunden^[1].Er erreichte eine Temperatur von 105 K. Durch die Erfindung neuer Varianten^{[2][3][4][5][6]} Pulsröhrenkühler wurden schnell besser. Letzteres ist in Abbildung 3 dargestellt, in der die niedrigsten Temperaturen für Pulsrohrkühler über die Jahre aufgetragen sind.

Figur 3: Verlauf der niedrigsten mit Pulsrohrkühlern erreichten Temperatur über die Jahre. Die Temperatur von 1,2 K wurde in einer Zusammenarbeit der Gruppen van Giessen und Eindhoven erreicht. Als zusätzliche Kühlstufe setzten sie einen Suprafluid-Wirbelkühler ein, um die Temperatur weiter abzusenken.

Das Temperaturminimum ist heute niedriger als der Siedepunkt von flüssigem Helium (4,2 K), was in den Anfangsjahren für unmöglich gehalten wurde. Es sah auch so aus, als würde es unter den Lambda-Punkt von cooling abkühlen ${Anzeigestil ^{4}}$Er (2,17 K) wäre unmöglich, aber die Gruppe Niedrige Temperaturen der Technische Universität Eindhoven hast du es geschafft, eine Temperatur von 1,73 K nicht wie üblich zu erreichen? ${Anzeigestil ^{4}}$Er kann als Kühlmittel verwendet werden, aber das seltene Isotop ${Anzeigestil ^{3}}$Hallo. Später wurde dieser Rekord von der Gruppe aus Gießen gebrochen, die es sogar mit Hilfe von 1.3 unter 1,3 K schaffte ${Anzeigestil ^{3}}$Hallo. In einer Zusammenarbeit der Gruppen van Giessen und Eindhoven wurde eine Temperatur von 1,2 K erreicht. Sie verwendeten einen Pulsrohrkühler mit einem Suprafluid-Wirbelkühler als zusätzliche Kühlstufe, um die Temperatur weiter abzusenken^[7]

Ausblick

Da die Effizienz von Pulsrohrkühlern nahe der Raumtemperatur gering ist, spielen sie im Haushalt, im Garten und in der Küche wahrscheinlich keine Rolle. Ab ca. 80 K ist der Unterschied zum idealen Wirkungsgrad nicht mehr so ​​groß (siehe Gleichungen 1 und 2) und die Vorteile beginnen zu überwiegen. Pulsröhrenkühler sind bereits für den 70K- und 4K-Bereich im Handel erhältlich. Sie werden zur Kühlung von Infrarot-Detektoren für thermische Lärmminderung, von Geräten mit (Hoch-Tc-)Supraleitern wie SQUIDs und Filtern für die Telekommunikation. Es gibt auch Entwicklungen für Pulsrohrkühler in MRT-Systemen und für energiebezogene Systeme mit supraleitenden Magneten. Die Kühler kümmern sich wieder darum kondensieren des verdampften Helium oder für die sogenannten Trockenmagnete. Dabei handelt es sich um supraleitende Magnete ohne flüssiges Heliumbad, die durch einen Kryokühler vollständig gekühlt werden. Auch die Anwendung von Kryokühler in Kombination mit ³Hallo-⁴Die Mischkühler für den Temperaturbereich bis 2 mK liegen auf der Hand, zumal Mischkühler auch bei Kälte ohne bewegliche Teile auskommen. Auf diese Weise wird der gesamte Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 2 mK zugänglicher.