Pulsrohr

Ein Pulsröhrenkühler (auch Pulse-Tube-Kühler) ist eine auf dem Prinzip des Stirlingmotors basierende Kältemaschine. Der Vorteil gegenüber dem Stirlingmotor liegt darin, dass in der Nähe des kalten Wärmetauschpunktes keine mechanisch beweglichen Teile nötig sind. Dadurch ist die erreichbare Endtemperatur nicht mehr durch die mechanische Reibungswärme dieser Teile begrenzt. Heute können mit reinen Pulsröhrenkühlern Temperaturen von 1.3 K (= -272 °C) erreicht werden. Die Einsatzgebiete erstrecken sich über weite Gebiete in der Industrie, Forschung und Medizin: Verflüssigung von Gasen, Kühlung von Sensoren, Kühlung supraleitender Magnetfeldspulen, supraleitende Schaltungen in Mobilfunk-Empfangsstationen, Weltraumexperimente und Tieftemperaturexperimente. In der Forschung können sie Kryostate unabhängig von kryogenen Flüssigkeiten machen, wie flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium. Sie werden dabei als direkte Vorstufe für weitere Kühlstufen verwendet, wie ³He-Verdampfungskühler, ³He-⁴He-Mischkühler oder paramagnetische Entmagnetisierungsstufen. Mit einem Mischkryostat mit Pulsrohr-Vorstufe wurde eine Temperatur von 4.3 mK erreicht ohne Zufuhr von kryogenen Flüssigkeiten (2003, Walther-Meißner-Institut, Garching).

Geschichte

Abb. 1: Die Entwicklung der erreichten Temperaturen von Pulsröhrenkühleren über die Jahre. 1.2 K wurde in einer Kollaboration zweier Forschergruppen aus Giessen und Eindhoven erreicht. Hier dient ein suprafluider Wirbelkühler als zusätzliche Kühlstufe.

Mit dem 1964 von W.E. Gifford und R.C. Longsworth vorgestellten Grundprinzip, dem BPTR (Basic Pulse Tube Refrigerator), konnten minimale Temperaturen von 124 K (= -149 °C) erreicht werden. Im Laufe der Jahre veröffentlichten verschiedene Forschergruppen Variationen mit immer höherer Effizienz und tieferer Minimaltemperatur. Eine 1984 veröffentlichte Variante vom Typ OPTR (Orifice Pulse-Tube Refrigerator) erreichte eine Temperatur von 60 K. Mit einer weiteren Variante von 1993, vom Typ DIPTR (Double-Inlet Pulse-Tube Refrigerator), sowie Aneinanderreihungen von zwei bzw. drei Pulsröhrenkühler, konnte schließlich die Siedetemperatur von Helium unterschritten werden (kleiner 4 K). Eine Forschergruppe aus Giessen erreichte 1.3 K (2004) und zusammen mit einer Gruppe aus Eindhoven 1.2 K mit einer zusätzlichen Kühlstufe (2005).

Funktionsweise

Der Pulsröhrenkühler arbeitet nach dem Prinzip des Stirlingmotors. Dieser nutzt den Effekt, dass die Kompression eines Gases zur Erhöhung und die Expansion zur Absenkung der Temperatur führt. Der Kolben des Stirlingmotors komprimiert und expandiert in einem Zylinder periodisch das darin enthaltene Gas. Das Gas und die Wand des Zylinders würden dabei gleichmäßig heiß und kalt werden, es sei denn ein sogenannter Regenerator, ein gasdurchlässiges Material mit großer Wärmekapazität, wird im Zylinder periodisch hin und her bewegt. Der Regenerator kühlt das Gas am einen Ende des Kolbens während der heißen Phase, nimmt dabei selbst Wärme auf, und wärmt damit das Gas am anderen Ende während der kalten Phase. Der Regenerator bewegt sich idealerweise mit einer viertel Periode zeitversetzt gegenüber dem Kolben und transportiert dabei Wärme in immer dieselbe Richtung. Das Ende an dem er die Wärme einmal pro Durchlauf an das Gas abgibt, ist im zeitlichen Mittel wärmer als das Ende, an dem er das Gas kühlt. Wird das im Mittel wärmere Ende auf Umgebungstemperatur gehalten, kann das kältere Ende zur Kühlung genutzt werden.

Abb. 2: Schematischer Aufbau eines OPTR-Pulsrohrkühlers. Von rechts nach links: Kompressor, Wärmetauscher (X₁), Regenerator, Wärmetauscher (X₂), verlängerter Zylinder (das eigentliche Pulsrohr), Wärmetauscher (X₃), Verzögerungsdüse und Puffervolumen. Die Kälteerzeugung findet bei der Temperatur T_L statt, bei Raumtemperatur T_H muss die entstandene Wärme abgeführt werden.

Beim Pulsröhrenkühler ist der Regenerator unbeweglich. Stattdessen wird der Zylinder auf der geschlossenen Seite verlängert. In diesem sogenannten Pulsrohr wird das Gas ebenfalls komprimiert. Betrachtet man ein Volumenelement des Gases in der Mitte des Pulsrohres während der periodischen Kompression, so bewegt sich dieses relativ zum Regenerator hin und her. Das Pulsrohr ersetzt daher den im Sterlingmotor notwendigen zweiten beweglichen Kolben oder einen beweglichen Regenerator. Ein Wärmetransport tritt allerdings nur auf, wenn die Bewegung phasenverschoben, also zeitverzögert stattfindet. Beim BPTR-Typ wird diese Zeitverzögerung erreicht, indem die Wand des Pulsrohrs Wärme aufnimmt und naturgemäß etwas zeitverzögert abgibt. Eine deutlich höhere Zeitverzögerung erreicht der OPTR bei dem das Pulsrohr über eine Verzögerungsdüse mit einem Puffervolumen verbunden ist, das mit gewisser Trägheit befüllt und entleert wird. Zwischen dem Regenerator und dem Pulsrohr befindet sich der kälteste Punkt, der zur Kühlung genutzt werden kann.