Optimierung eines Pulsröhrenkühler-Systems für die Sensorkühlung bei 80 K

Abstract

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Miniaturpulsröhrenkühler-Systems bestehend aus Kompressor und Kaltkopf für Kühlleistungen um 300 mW bei 80K vorgestellt. Solche Kühler sollen HTSL- und Infrarotsensoren kühlen, die in der Laborumgebung mit flüssigem Stickstoff als Kältemittel betrieben werden.Dabei ist der Pulsröhrenkühler als Neuentwicklung neben dem herkömlichen Stirlingkühler aufgrund seines einfachen Aufbaus ohne bewegliche Teile im kaltenBereich des Kühlers eine preisgünstige, störarme und langlebige Alternative. Im ersten Teil wird die Entwicklung zweier Kompressoren mit Linearmotor und Scheibenfederlagerung gezeigt, wobei eine Kolben- und eineZylinderbewegung getestet wurde. Dazu wird die Modellierung des Linearmotors einschließlich magnetischer Flußverteilung vorgestellt und verschiedenenMöglichkeiten der magnetischen Abschirmung des Streufeldes diskutiert, wobei die vielversprechenste Variante (hartmagnetische Abschirmung) eingesetztworden ist. Mit Hilfe einer Echtzeitpositionsbestimmung der Kolbenbewegung werden Modellberechnungen und Meßergebnisse verglichen. Als zweite Komponente eines Pulsröhrenkühlers wird der Kaltkopf vorgestellt. Zwei Varianten, Nadelventile und Kapillaren, zur Steuerung der Impedanzenvon Double-Inlet und Orifice sind realisiert worden und werden bewertet. Neben einer Modellierung der Vorgänge von Massenflüssen und dynamischenDrücken, sowie dem Verhalten des Durchflußwiderstands bei periodischem, laminaren und turbulentem Gasdurchfluß, wird besonders der Einfluß vonVerlustquellen wie Regeneratormatrix und DC-Fluß anhand von Meßergebnissen diskutiert. Nach der Optimierung des Kaltkopfes werden damit bei 90 Welektrischer Eingangsleistung Temperaturen <73 K und 283 mW bei 80 K erreicht.