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Helium Kompressor

Zum Betrieb eines Joule-Thompson, Stierling- oder >>Pulsrohrkühlers<< braucht man einen Kompressor. Solche Teile gibt's natürlich zu kaufen, für einige Tausend Euro. Aber glücklicherweise kann man aber einen geeigneten Kompressor auch selber bauen. Der erforderliche Gasdruck liegt bei 20 bis 30 bar und außerdem soll der Kompressor auch auf der Niederdruckseite dicht sein damit die Gasfüllung im Kreislauf zirkulieren kann und nichts verloren geht.
Geeignete Kompressoren werden in Kühlschranken und Klimaanlagen eingebaut und sind als Massenprodukte vergleichsweise billig zu bekommen. Allerdings sind für den Betriebszustand mit hohem Ansaugdruck nicht alle Kompressoren geeignet.
Besonders geeignet sind Kompressoren für Klimaanlagen die für das Kühlmittel R410A mit hohem Arbeitsdruck ausgelegt sind
Aubau:
Für den Kompressor wurde ein RollKolben-Verdichter von LG Typ GK113PAJ (13ccm Hubraum) verwendet.
Das vom Verdichter komprimierte Gas durchläuft einen Wärmetauscher (Aftercooler) wo es auf etwa 15°C abgekühlt wird. Anschließend durchströmt es einen Ölabscheider. Im Gegensatz zum Kreislauf einer Klimaanlage ist es bei dieser Anwendung sehr wichtig das Öl des Verdichters aus dem Heliumgasstrom abzutrennen. Das sich im Abscheider sammelnde Öl fliesst durch das in den Betriebspausen geöffnete Ventil zurück zum Kompressor. Auf den Abscheider folgt ein Aktivkohlefilter um letzte Ölreste zurück zuhalten. Ansonsten könnte sich das Öl im Regenerator der Pulsröhre sammeln und dessen Funktion einträchtigen. Die Magnetventile V4 und V5 erzeugen durch abwechselndes Öffnen und Schließen die Druckpulse. Vom Ausgang des Ventils V4 strömt das Helium dann durch ein Puffervolumen und einen Trockner zurück zum Verdichter.Sowohl der Aftercooler wie auch der Verdichter sind mit Wasser gekühlt.
Die Einsätze des Aftercoolers und des Ölabscheiders. Beim Aftercooler strömt das heiße Gas durch eine ins Kühlwasser getauchte Spirale.
Beim Ölabscheider strömt das ölhaltige Gas erst durch ein Kupferdrahtnetz woran sich Öltröpfchen sammeln und zum Bodensumpf des Behälters tropfen. Von dort wird das Öl durch den herschenden Überdruck bei geöffnetem Ventil V1 zurück in die Ansaugleitung des Verdichters gedrückt. Das ölarme Gas strömt weiter durch ein Ölfilter aus Papier zum Ausgang des Ölabscheiders.
V1 Ölrücklauf, Magnetventil T1 Pt100, Kühlwassertemperatur S1 Drucksensor, Hochdruck
V2 Bypassventil, Nadelventil T2 Pt100, Kapseltemperatur S2 Drucksensor, Reservoir
V3 Füllventil, Kugelventil T3 Pt100, Verdichterausgang S3 Drucksensor, Pulseröhre
V4 Pulsventil, Niederdruck, Magnetventil T4 Pt100, Verdichtereingang
V5 Pulsventil, Hochdruck, Magnetventil T5 Pt100, Hochdrucktemperatur
V6 Drosselventil, Nadelventil T6 Pt1000, Pulsröhre, warme Seite
V7 Bypassventil, Nadelventil T7 Pt1000, Pulsröhre, kalte Seite


Der Kompressor wurde mit fünf Pt100 Widerständen zur Temperaturmessung bestückt um die Wirksamkeit der Wasserkühlung zu überprüfen. Die Sensoren am eigentlichen Kaltkopf hingegen sind Pt1000 Widerstände Diese werden getrennt ausgelesen und der Temperaturverlauf im PC gespeichert.
An den wichtigen Positionen wurden Drucksensoren eingebaut.Die Sensoren vom Typ DS-KE-D-R25B des Herstellers Hygrosens arbeiten auf piezoresistiver Basis und haben einen Messbereich von 25 bar. Da die Ausgangsspannung der Sensoren mit 3mV / Vollausschlag recht klein ist wird jedem Sensor ein Vorverstärker mit 100facher Verstärkung nachgeschaltet.
 

Links ein Bild des fertigen Geräts.
Der Pulsgenerator zur Ansteuerung der Impulsventile V4 und V5 arbeitet mit einem PIC Prozessor 16F84. Die Ventile werden von den Prozessorausgängen über Halbleiterrelais angesteuert. Zum Betrieb des Pulsröhrenkühlers werden beide Ventil abwechselnd geöffnet und geschlossen. Die Pulsrate kann mit einem Potentiometer verändert werden. Dazu verändert die Ausgangsspannung des Potis über einen AD-Wandler die Wiederholrate des Softwarepulsgenerators.
Mit zwei weiteren Ausgängen können noch zwei Ventile angesteuert werden die z.B. zum Betriebs eines Kühlers mit bewegtem Regenerator (Gifford-McMahon Kühler) oder ein Pulsröhrenkühler mit vier aktiven Ventilen gebraucht werden. Für diese Erweiterung muss dann nur der Prozessor neu programmiert werden.

Betriebswerte des Kompressors mit Heliumfüllung, Hochdruck 20 bar, Niederdruck 10 bar
  T1 Kühlwasser T2 Kapsel T3 Druckleitung T4 Saugleitung T5 nach Aftercooler
0 Minuten 13° 26° 22° 21° 19°
15 Minuten 9° 44° 48° 17° 9°
30 Minuten 10° 59° 63° 15° 9°
45 Minuten 10° 61° 64° 15° 9°
60 Minuten 10° 62° 65° 15° 9°

Die Werte zeigen dass die Kühlung des Kompressors gut arbeitet und die Temperaturen weit unterhalb der zulässigen Werte bleiben