Pulsröhrenkühler

Grundlagen:
Während der >>Stirlingkühler<< im Kaltkopf den Verdrängerkolben zur Funktion benötigt kommt der Pulsröhrenkühler ganz ohne bewegte Teile im Kaltkopf aus. Das hat mehrere Vorteile, zum Einen entfällt die technisch schwierige kalte bewegliche Abdichtung und zum anderen entstehen im Kaltkopf weniger mechanische Schwingungen die bei empfindlichen Messungen stören können. Statt des Verdrängers wird bei Pulsröhrenkühler ein Gasvolumen hin- und her bewegt. Angetrieben wird dieser Gaskolben von Druckstößen die mit einem Kompressor (Stirlingtype) oder mit einer Ventilanordnung (Giffordtype) auf der warmen Seite des Geräts.

Urform des Pulsröhrenkühlers, Gifford and Longsworth, 1965, ca. 120 °K
Pulsröhrenkühler mit Puffervolumen, Mikulin, 1984, ca. 60°K
Pulsröhrenkühler mit Puffervolumen und Bypass, Zhu,1990, ca. 20°K

Aufbau: Der Aufbau eines Pulsröhrenkühlers (PRT) ist nicht sehr schwierig.Ein einfaches Modell kann aus Glas, Kunstoff und Kupferröhren zusammen geklebt werden. Kritische Teile sind der Regenerator und die beiden Wärmetauscher. Der Regenerator besteht wird wie bei Stirlingmotoren aus feinen Draht- oder Kunststoffnetzen, die Wärmetauscher aus Kupfernetzen. Bei besonders tiefen Temperaturen werden auch Bleikügelchen verwendet. Während bei Regenerator die Wärmeleitung sowohl in radialer - wie vorallem in Längsrichtung minimiert sein muß sollten die Wärmetauscher eine sehr gute radiale Wärmeleitung zum Außenrohr haben. Sowohl Regenerator wie auch Wärmetauscher sollen zudem den Gasfluss wenig behindern.

Die Bilder zeigen den Aufbau des Prototyps. Die Puls- und die Regeneratorröhre sind aus 0,2 mm dünnem V2A-Blech. Die Regeneratorröhre ist mit dünner Stahlwolle gefüllt. Die Druckpulse werden mit zwei Magnetventilen erzeugt die abwechselnd angesteuert den Eingang der Regeneratorröhre mit der Hochdruck- und der Niederdruckseite des Kompressors verbindet. Der Ausgang der Pulsröhre ist über ein Nadelventil mit dem Puffervolumen in Form einer Champinggaskartusche verbunden. Der Druckverlauf wird mit drei Halbleitersensoren ( MPX5700DP, pmax 7 bar), die Temperatur mit Pt1000-Widerständen gemessen.

Als Kompressor dient ein Kälteverdichter aus einem Gefrierschrank. Da dieser einen hohen Ölausstoß hat wurde noch ein Ölabscheider in den Kreislauf eingefügt. Mit eine Bypassventil das die Hoch- mit der Niederdruckseite verbindet kann die Druckamplitude eingestellt werden. Über ein Füllventil kann Luft oder ein anderes Gas eingefüllt werden.

Mit einer Luftfüllung von 3 bar und einer Amplitude von 2 bar wird eine Temperatur von etwa -34°C an der kalten Verbindungsstelle von Puls- und Regeneratorröhre erreicht. Wird der Druck auf 15 bar erhöht und der Kaltkopf zwecks Wärmeisolation in Styropor verpackt sinkt die Temperatur auf - 116°C.
Noch tiefere Temperaturen (-161°C) können mit einer Heliumfüllung erreicht.

Für noch tiefere Temperaturen müßte der Fülldruck weiter erhöht werden. Werte um 20 bar wären wünschenswert sind aber mit dem Kühlschrankkompressor nicht zu machen. Schon beim Betrieb mit 15 bar wird er sehr heiß und zeigt von Zeit zu Zeit Aussetzer.

Mit dem neuen, selbstgebauten >>Heliumkompressor<< können diese höheren Drücke problemlos erreicht werden. So konnte mit Heliumfüllung eine vorerst ultimative Temperatur von -180,5 °C entsprechend 92,6°K erreicht werden.

Zur Messung der Kühlleistung wurde ein Heizwiderstand (10Ohm) am Kaltkopf befestigt. Die Kühlleistung beträgt 2 Watt bei -108°C und 8 Watt bei -40°C, und ist ausreichend zur Kühlung von Sensoren oder zum Testen von Supraleitern. Zumindest mit dem nicht allzu schwer erhältlichen BiSSCO (Colorado Superconductor) kann der supraleitende Zustand gut erreicht werden.