3 stufiger Gifford McMahom Kühler (in Arbeit)

Der Kühler arbeitet wie der >2 stufige GM-Kühler< nur das die Dimensionen vergrößert und eine dritte Stufe angesetzt wurden. Das Bild zeigt den neuen Aufbau im Vergleich zum vorher gehenden. Der Durchmesser der drei Zylinder beträgt 30mm, 16 mm und 10 mm, die Länge der drei Zylinder ist gleich und beträgt 120 mm. Der ebenfalls dreiteilige Displacer ist aus Pertinax gefertigt. Die Regeneratorfüllung besteht aus Edelstahlsieben wie schon beim 2 stufigem Gerät. Die einzelnen Sektion des Displacers sind beweglich mit einfachen Gelenken verbunden. So werden Ungenauigkeiten beim Verkleben der Zylinderrohre ausgeglichen. Die für die Funktion äußerst wichtigen Dichtungen des Kolbens bestehen aus O-Ringen die mit dünnem Teflon-Dichtungsband überzogen werden. So wird zum Einen die Reibung herabgesetzt und zum Anderen besteht die Hoffnung das Hartwerden der O-Ringe in der Kälte etwas auszugleichen. Wie sich zeigt funktioniert das ganz gut.

Die Ventil des neuen Kühler verwendet 220V Ac Magnetspulen weshalb die Arduinosteuerung in ein Gehäuse eingebaut wurde um ein versehentliches Berühren der hohen Spannung zu vermeiden. Die Ansteuerung der Spulenerfolgt mit Solidstate-Relais statt mit Darlington-Trnasistoren.
Zusätzlich wurde noch ein Display eingebaut um jederzeit die Betriebsfrequenz kontrollieren zu können. Dazu gekommen sind auch ein Drucksensor und eine Lichtschranke im Kühler. Mit der Lichtschranke kann die Position des Displacers und mit dem Drucksensor der herrschende Druck gemessen werden. Die Temperaturen werden mit drei Pt1000 Widerständen gemessen.

Eine erste Messung mit Pressluft als Betriebsgas zeigt die linke Abkühlkurve. Die Temperatur der dritten Stufe sinkt auf -181 °C, 92,15 °K und bleibt auf diesem Wert, die Temperaturen der 1. und 2. Stufe fallen weiter.
Auch hier ist die minimale Temperatur der 3. Stufe durch die beginnende Verflüssigung des Betriebsgases begrenzt.
Eine Möglichkeit, zu mindest für kürzere Zeit die Temperatur noch weiter abzusenken, ist die Verminderung des Betriebsdrucks. Zwar sinkt dadurch die insgesamte Kälteleistung aber es wird auch die Verflüssingstemperatur der Gase erniedrig sodass eine tiefere Temperatur erreicht werden kann.
Wird der Gasdruck von fünf Bar auf zwei Bar abgesenkt steigt zwar die Temperatur der 1. und 2. Stufe an aber es erniedrigt sich die Temperatur der 3. Stufe von -178°C auf -186 °C.

	Unten noch ein Bild der Druck- und Ortskurven. Die erste, oberste Kurve zeigt die Position des Displacers, die dritte Kurve den Verlauf des Drucks. Die beiden roten Kurven zeigen die Steuer-spannungen für die Ventile. Wie für den Stirlingzyklus erforderlich ist der Displacer in der unteren Ruhestellung wenn der Druck ansteigt und in der oberen Stellung wenn der Druck abfällt.

Deutlich bessere Ergebnisse werden beim Betrieb mit Helium erreicht. Zu Allererst bleibt natürlich Helium bei diesen Temperaturen ein Gas und somit die Funktion des Kühlers erhalten. Aber es gibt noch weitere Vorteile. Helium hat eine höhere Arbeitsleistung da die hohe spezifische Wärme die geringere Dichte mehr als ausgleicht. Ein weiteres Plus ist die kleine Viskosität von Helium die sich an den steileren Druckkurven zeigt. Das Helium kann schneller durch die kleinen Ventilöffnungen strömen.
Der Erfolg zeigen die untere Abkühlkurven, mit Helium wird nach nur 20 Minuten die tiefste Temperatur von -213,6°C erreicht. MitLuft wird erst nach fast einer Stunde die Tiefsttemperatur von -179,3 °C erreicht.
Ein Nachteil ist natürlich der hohe Preis des Gases der nur einen Betrieb in einem geschlossenem Kreislauf errlaubt.