Derartige Kühlvorrichtungen haben aufgrund ihrer Verwendung eines oder mehrerer Pulsröhrenkühler einen breiten Einsatzbereich und werden insbesondere zum Kühlen von Objekten verwendet, die durch elektrische bzw. mechanische Leitungen verbunden sind, und zum Kühlen bzw.

Verflüssigen von Gasen. Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eignet sich somit beispielsweise zur Kühlung von Bauelementen aus Hochtemperatursupraleitern, wie SQUIDs, zur Kühlung von Halbleiterbauelementen, wie Infrarotdetektoren oder Hochgeschwindigkeitsschaltkreise für eine sehr schnelle Datenverarbeitung, oder auch zur Kühlung von Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren.

Stand der Technik Aus Info-Phys-Tech Nr. 6,1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien, ist eine Kühlvorrichtung in Form eines Pulsröhrenkühlers bekannt, wobei der Pulsröhrenkühler aufweist (siehe Figur 1) : ein Pulsrohr 20, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher 24 bzw. Kaltkopf 24, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt 82 aufgenommen wird (hier bei einer Temperatur von etwa 77K), vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher (nicht

dargestellt), an dem Wärme nach außen (hier bei einer Temperatur von etwa 300K) abgegeben wird, vorgesehen ist, einen Regenerator 40, der als Wärmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator (nicht dargestellt), der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen, wobei das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher 24 vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator 40 mit dem Druckoszillator verbunden ist, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird.

Soll ein Objekt, wie beispielsweise ein Magnet 82, gekühlt werden, so ist es bekannt, das Objekt an den Kaltkopf 24 des Pulsrohrs 20, das in einem Kühlbehälter angeordnet sein kann, thermisch zu koppeln und mit elektrischen Leitungen 62 zu verbinden. Als nachteilig bei dieser herkömmlichen Kühlanordnung stellt sich jedoch heraus, daß die Wärmelast auf den Kaltkopf 24 bei dieser Kühlanordnung beträchtlich ist. Dies liegt zum einen daran, daß die elektrischen Leitungen mit dem Äußeren des Kühlbehälters bzw. mit Einrichtungen 60 (Anschlußeinrichtung 60), deren Temperatur oberhalb der Temperatur des Kaltkopfs 24 liegt, in (thermischem) Kontakt stehen und zum anderen daran, daß der Strom durch die elektrischen Leitungen 62, der bei dem oben erwähnten Magnet 82 Werte von 20 bis 120 A annehmen kann, Wärme erzeugt. Dies kann dazu führen, daß die vom Kaltkopf 24 bereitzustellende Wärmesenke nicht mehr die gewünschte niedrige Temperatur erreicht bzw. Temperaturschwankungen auftreten. Eine derartige Vorrichtung zur Kühlung eines Magnets ist aus C. Wang et al. :"Cryogen Free Operation of a Niobium-Tin Magnet Using a Two-Stage Pulse Tube Cooler", in Proceedings zur Konferenz"Applied Superconductivity"1998 in Palm Desert bekannt, wobei

dort anstelle eines einstufigen Pulsröhrenkühlersystems ein zweistufiges verwendet wird.

Aus G. Thummes et al. :"Small scale 4He liquefaction using a two-stage 4K pulse tube cooler", in Cryogenics 1998 Volume 00, Number 0, ist eine in einem Kryostaten untergebrachte Vorrichtung zum Verflüssigen von 4He bkannt, die ein zweistufiges hintereinander geschaltetes Pulsröhrenkühlersystem verwendet. Dabei wird ein Gas- leitung zum Kühlen bzw. Verflüssigen eines Gases vom Äußeren des Kryostaten in das Innere geführt, dort um den Kaltkopf des zweiten Pulsrohrs, das eine höhere Tempera- tur als das erste Pulsrohr bereitstellt, gewickelt, um den Regenerator des ersten Pulsrohrs gewickelt, um den Kaltkopf des ersten Pulsrohrs gewickelt und schließlich mit einem das zu verflüssigende Gas enthaltenden Behäl- ter, der am Kaltkopf des ersten Pulsrohrs angeordnet ist, verbunden. Ferner verläuft ein Meßfühler vom Äußeren des Kryostaten direkt zum dem Verflüssigungsbehälter, wodurch aufgrund des großen Temperaturgradienten eine bestimmte zusätzliche Wärmelast am Behälter aufgebracht wird.

Ferner stellt sich als nachteilig bei der oben erwähnten Gasverflüssigungsvorrichtung heraus, daß auf den Kaltkopf des ersten Pulsrohrs eine große Wärmelast wirkt, da das Vorkühlen des Gases zwischen dem Kaltkopf des zweiten Pulsrohrs und dem des ersten Pulsrohrs aufgrund der Anbringung am Regenerator des ersten Pulsrohrs nur mit geringer Leistung erfolgt. Dies kann dazu führen, daß die vom Kaltkopf des ersten Pulsrohrs bereitzustellende Wär- mesenke nicht mehr die gewünschte niedrige Temperatur er- reicht bzw. Temperaturschwankungen auftreten.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung mit einem Pulsröhrenkühler zum Kühlen eines Objekts derart weiter zu bilden, daß die Wärmelast auf den Pulsrohrkaltkopf, die durch elektrische oder mechanische Verbindungseinrichtungen zu dem zu kühlenden Objekt oder durch Fluidzuleitungen an das zu kühlende Objekt hervorgerufen wird, minimiert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1,3 oder 6 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt umfaßt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur TA1 und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur TE aufweist, und einem ersten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist ; ein zu kühlendes Objekt, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist ; und eine Verbindungseinrichtung, insbesondere in Form von supraleitenden bzw. hochtemperatursupraleitenden und/oder normalleitenden elektrischen Zuleitungen, zum elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts mit einem Bereich, wie beispielsweise einer Anschlußeinrichtung, der eine bezüglich der zweiten Temperatur TE höhere Temperatur Tv aufweist. Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr und/oder teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Regenerator, um ein Vorkühlen der Verbindungseinrichtung zu bewirken.

Gemäß einem zweiten Aspekt umfaßt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur TA1 und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur TE aufweist, und einem ersten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist ; ein zu kühlendes Objekt, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist ; und eine Verbindungseinrichtung, beispielsweise in der Form von Stangen, Drähten, Fäden aus Metall oder Kunststoff, zum mechanischen Verbinden des zu kühlenden Objekts mit einem Bereich, wie beispielsweise einer Anschlußeinrichtung, der eine bezüglich der zweiten Temperatur TE höhere Temperatur Tv aufweist. Das mechanische Verbinden umfaßt dabei, daß das zu kühlende Objekt über die Verbindungseinrichtung an dem Bereich bzw. der Anschlußeinrichtung gehalten bzw. gestützt wird oder, daß auf das zu kühlende Objekt über die Verbindungseinrichtung mechanisch eingewirkt wird.

Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr und/oder teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Regenerator, um ein Vorkühlen der Verbindungseinrichtung zu bewirken.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung kann diese in Form einer zweiteiligen Halteeinrichtung ausgebildet sein. Ein erster Teil bzw. Halteteil besteht dabei vorzugsweise aus einem schlecht wärmeleitendem Material, wie Kunststoff, und dient zum eigentlichen Halten des zu Kühlenden Objekts an der Anschlußeinrichtung. Eine zweiter Teil bzw. Kontaktteil besteht vorzugsweise aus einem gut leitenden Material, wie Metall, und dient zum thermischen

in Kontakt bringen der Halteeinrichtung mit einem Pulsrohr oder Regenerator, und damit zum Vorkühlen der gesamten Halteeinrichtung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung kann diese in Form einer Welle ausgebildet sein, die beispielsweise von einem Motor auf einem Temperatur Niveau beispielsweise von TA1 oder TA2 ausgeht und dann zu dem zu kühlenden Objekt führt.

Anstelle der Welle können jedoch auch Drähte oder Fäden zum mechanischen Einwirken auf das zu kühlende Objekt verwendet werden.

Gemäß einem dritten Aspekt umfaßt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur TA1 und einen Kaltkopf mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur TE aufweist, und einem ersten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist ; ein zu kühlendes Objekt, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist ; und eine Verbindungseinrichtung zum Bereitstellen eines Fluidkanals zwischen dem zu kühlenden Objekts und einem Bereich, wie beispielsweise einer Anschlußeinrichtung, der eine bezüglich der zweiten Temperatur TE höhere Temperatur Tv aufweist.

Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem ersten Pulsrohr, um ein Vorkühlen der Verbindungseinrichtung bzw. des in dieser geführten Fluids zu erreichen.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des ersten und zweiten als auch dritten Aspekts erläutert :

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Verbindungseinrichtung dabei zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Regenerators vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, daß die Verbindungseinrichtung bzw. das in der Verbindungseinrichtung geführte Fluid schon vor dem Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt bzw.

Kaltkopf des ersten Pulsrohrs durch den thermischen Kontakt zumindest teilweise entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder thermischen Kontakt zumindest teilweise entlang des ersten Regenerators vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt mit großer Kälteleistung vorgekühlt wird. Aufgrund des Wärme-oder Temperaturgradienten zwischen dem Warmkopf und Kaltkopf des (ersten) Pulsrohrs wird somit die Temperatur der an einer oder mehreren Stellen mit dem Pulsrohr oder Regenerator in thermischen Kontakt stehenden Verbindungseinrichtung an verschiedenen Temperaturniveaus "abgefangen"bzw. angeglichen.

Die Verbindungseinrichtung kann beispielsweise mittels Schellen oder dergleichen bzw. durch Aufkleben der Verbindungseinrichtung mit dem Pulsrohr bzw.

Regenerator in thermischen Kontakt gebracht werden. Es ist ferner denkbar die Verbindungseinrichtung um das Pulsrohr bzw. den Regenerator zu wickeln.

Zum wirksamen Entgegenwirken der Wärmelast am ersten Pulsrohrkaltkopf bzw. zur Verbesserung der Kühlleistung des mit dem zu kühlenden Objekt verbundenen ersten Pulsrohrkaltkopfs und damit auch zum Absenken der Kühltemperatur kann ein zweiter Pulsröhrenkühler verwendet werden. Dieser hat ein zweites Pulsrohr, das einen Warmkopf mit einer dritten Temperatur TA2 und einen

Kaltkopf mit einer bezüglich der dritten Temperatur TA2 tieferen vierten Temperatur TZ, die zwischen der ersten Temperatur TA1 und der zweiten Temperatur TE liegt, aufweist, und einen zweiten Regenerator, der einen warmen Endabschnitt und einen kalten Endabschnitt, welcher mit dem Kaltkopf des zweiten Pulsröhrenkühlers verbunden ist, aufweist. Die von dem zweiten Pulsröhrenkühler bereitgestellte vierte Temperatur Tz dient dabei zum Vorkühlen des ersten Pulsröhrenkühlers. Es kann ferner anstelle des zweiten Pulsröhrenkühlers eine Vielzahl von Pulsröhrenkühlern zum Vorkühlen des ersten Pulsröhrenkühlers verwendet werden. Die Gesamtheit der Pulsröhrenkühler ist dabei vorteilhafterweise derart angeordnet, daß in mehreren aufeinanderfolgenden Kühlstufen eine vorbestimmte Temperatur TE, d. h.

Temperatur am Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers, erreicht wird, auf die das zu kühlende Objekt gekühlt werden soll.

Zur weiteren Minimierung der Wärmelast am ersten Pulsrohrkaltkopf kann die vierte Temperatur TZ des Kaltkopfs des zweiten Pulsröhrenkühlers derart eingestellt sein, daß sie niedriger als die Temperatur Tv des Bereichs bzw. der Anschlußeinrichtung ist, wobei die Verbindungseinrichtung zu deren Vorkühlung zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des zweiten Pulsrohrs in Richtung vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des zweiten Regenerators in Richtung vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt geführt wird.

Im praktischen Gebrauch, insbesondere beim Kühlen bzw. Verflüssigen eines Gases, ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vorteilhafterweise in einem Kryostaten untergebracht. Die Verbindungseinrichtung ist dann in Form einer oder mehrerer Gasleitungen ausgebildet, durch

die Gas von einem Bereich bzw. einer Anschlußeinrichtung, die mit dem Äußeren des Kryostaten in thermischem Kontakt steht, zu dem zu kühlenden Objekt geleitet wird. Das zu kühlende Objekt besteht dann vorteilhafterweise aus einem ein zu verflüssigendes Gas enthaltenden Behälter. Sollen Gase mit einem niedrigen Kondensationspunkt bzw.

Verflüssigungspunkt, wie beispielsweise Helium bei etwa 4K, verflüssigt werden, so wird vorteilhafterweise ein zwei-oder dreistufiges Pulsröhrenkühlersystem verwendet.

Für Gase mit einem höheren Kondensationspunkt, wie beispielsweise Stickstoff bei etwa 77 K, kann auch ein einstufiges Pulsröhrenkühlersystem verwendet werden.

Das von der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu kühlende Objekt kann beispielsweise auch einen auf einem supraleitenden oder normalleitenden Material basierenden Magneten oder einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern aufweisen. Derartige Sensoren können Sensoren mit einer Betriebstemperatur im Bereich von etwa 30 bis 100 K, wie beispielsweise Silizium- Detektoren (Si (Li)-Dektoren), Germanium-Detektoren (HPGe- Dektoren) oder auf Hochtemperatursupraleitern basierende SQUIDs ("Superconducting Quantum Interference Device", supraleitende Quanten-Interferenz-Vorrichtungen) sein.

Das zu kühlende Objekt kann ferner auch Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren, aufweisen, wobei diese Sensoren aufgrund ihrer Betriebstemperatur kleiner als 20 K, meist sogar kleiner als 4K, von einer Tieftemperaturkühleinrichtung (z. B. einer Entmagnetisierungsstufe), die mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, auf die entsprechende Betriebstemperatur gekühlt werden. Vorteilhafterweise wird bei derartigen Sensoren ein zweistufiges oder dreistufiges Pulsröhrenkühlsystem verwendet.

Die in der Detektorvorrichtung verwendeten auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensoren, oder auch Kryodetektoren bzw. kryogene Detektoren, sind Sensoren, die durch eine Strahlungs-oder Teilchenabsorption deponierte Energie mittels eines Effektes, der nur oder insbesondere bei tiefen Temperaturen auftritt, messen.

Diese Temperaturen werden von eine Wärmesenke bereitgestellt, die an die Detektoreinrichtung, welche einen jeweiligen auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor aufweist, thermisch gekoppelt ist.

Diese Effekte können sein : i) Temperaturerhöhung nach Energiedeposition (Kalorimeter) in einem Absorber (Dielektrikum, Metall, Supraleiter, usw.). ii) Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen in einem Absorbermaterial) durch die Energiedeposition. Je tiefer die Ausgangstemperatur, desto weniger Gitterschwingungen sind vorhanden. iii) Erzeugung von Quasiteilchen (Aufbrechen von Cooperpaaren) in einem Supraleiter. Supraleitung ist ein Tieftemperatureffekt. Je tiefer die Übergangstemperatur zur Supraleitung, desto mehr dieser Quasiteilchen werden durch die Energiedeposition erzeugt. Je mehr Quasiteilchen erzeugt werden, desto genauer kann die Energie bestimmt werden. iv) Änderung der Spinausrichtung bzw.

Magnetisierung in einem auf tiefe Temperaturen abgekühlten Spinsystem bestehend aus paramagnetischen Ionen aufgrund einer Energiedeposition.

Um die Temperaturerhöhung, die Gitterschwingungen, die Quasiteilchen (allgemein die Anregungen) bzw. die

Änderung der Magnetisierung zu messen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei generell gilt, daß die Anregungen in einem Absorber erzeugt werden und in einem Sensor nachgewiesen werden. Sensor und Absorber können dabei identisch sein. Als Sensoren kommen in Frage : a) Supraleitende Phasenübergangsthermometer, wie beispielsweise als Sensor in einem Mikrokalorimeter : Diese bestehen im wesentlichen aus einem Absorber, einem Phasenübergangsthermometer (supraleitende Schicht, beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal) und einer Kühleinrichtung bzw. einer Kopplung an eine Wärmesenke. Im Temperaturübergangsbereich zwischen seiner supraleitenden und normalleitenden Phase ändert das Thermometer seinen elektrischen Widerstand sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur, d. h. auch nach Absorption von Gitterschwingungen und Quasiteilchen. b) Supraleitende Tunneldioden : Sie bestehen aus zwei überlappenden dünnen supraleitenden Filmen (SIS : Supraleiter-Isolator-Supraleiter, wobei die Filme nicht notwendigerweise aus dem gleichen Supraleiter auf beiden Seiten bestehen müssen) oder einem supraleitenden und einem normalleitenden Film (NIS : Normalleiter-Isolator- Supraleiter), wobei die jeweiligen Filme durch eine dünne elektrisch isolierende Barriere getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, daß sie quantenmechanisches Tunneln von Elektronen, bzw. Quasiteilchen von der einen Elektrode zur anderen erlaubt. Wird die NIS-Diode oder SIS-Diode unterhalb der Sprungtemperatur der jeweiligen Supraleiter betrieben, und ist die angelegte Spannung kleiner als die der supraleitenden Energielücke entsprechenden Spannung (NIS) bzw. kleiner als zweimal diese Spannung (SIS), so steigt der über die Barriere fließende Strom, wenn in der Tunneldiode Energie deponiert wird. Die Deposition der Energie kann durch

Temperaturerhöhung, Absorption von Gitterschwingungen oder Quasiteilchen oder direkt durch Absorption von Strahlung oder Teilchen geschehen. c) Thermistor, wie NTD-Thermometer (NTD :"Neutron Transmutation Doping", d. h. mittels Neutronen hochdotierter Halbleiter). Diese Thermometer können zum Messen von Temperaturschwankungen verwendet werden, da bei ihnen, wie bei allen Halbleitern, der Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Um zu vermeiden, daß bei sehr tiefen Temperaturen die Widerstände so hoch anwachsen, daß sie nicht mehr mit genügender Genauigkeit gemessen werden können, werden die verwendeten Halbleiter hochdotiert, wodurch ihr Widerstand abgesenkt wird. d) Magnetische Bolometer. Diese Sensoren, die eine schwache thermische Kopplung an ein Kältebad bzw. eine Wärmesenke mit einer Temperatur vorzugsweise im Millikelvinbereich haben, umfassen eine schwache Konzentration von paramagnetischen Ionen in einem magnetischen Feld. Als derartige Ionen werden vorteilhafterweise Ionen von seltenen Erden, wie beispielsweise von Erbium (Er3+), verwendet. Wenn ein kleiner Energiebetrag, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, in einem derartigen Sensor deponiert wird, verursacht der Temperaturanstieg eine Änderung der Magnetisierung des von den paramagnetischen Ionen gebildeten Paramagneten, die beispielsweise unter Verwendung einer Spule, die an einen Eingang eines SQUIDs angeschlossen ist, gemessen werden kann.

Vorteilhafterweise ist an das magnetische Bolometer ein Absorber thermisch gekoppelt.

Es ist ferner denkbar, auf Tieftemperatursupraleitern basierende SQUIDs als Sensor zu verwenden.

Das zu kühlende Objekt kann ferner eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn zwei verschiedenartige Sensoren verwendet werden, deren Energieauflösung in jeweils verschiedenen Energiebereichen unterschiedlich gut ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnung Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung unter Verwendung eines Pulsröhrenkühlers im Stand der Technik ; Figur 2a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ; Figur 2b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform ; Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform ; Figur 4a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform ;

Figur 4b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform ; Figur 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform ; Figur 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform ; Figur 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform ; Figur 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform ; Figur 9 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung ; Figur 10 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung ; Figur 11 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung ; Figur 12 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 11 ; und Figur 13 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Pulsröhrenkühlersystems mit den wichtigstem Komponenten.

Bevorzugte Ausfiihrungsformen Im folgenden wird die Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Erste Ausführungsform Es sei dabei zunächst auf Figur 2a verwiesen, die eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dieser Ausführungsform, sowie aller folgenden Ausführungsformen, ist vorteilhafterweise zur Verbesserung der Kühlleistung in einem Kühlbehälter bzw. einem Kryostaten (nicht dargestellt) angeordnet, wobei die in den Figuren dargestellten Temperaturniveaus Bereiche repräsentieren, die vorteilhafterweise von Wärme-bzw. Strahlungsschilden zur Wärmeisolierung umgeben sind.

Von oben nach unten betrachtet sind an einer Abdeckung des Kryostaten, die aufgrund des thermischen Kontakts mit dem äußeren des Kryostaten bzw. Kühlbereichs das 300 K-Temperaturniveau (bzw. die in der Einleitung genannten Temperaturen TA1, Tv) repräsentiert, eine Anschlußeinrichtung 60 für elektrische Zuleitungen 62, sowie ein Warmkopf (nicht gezeigt) eines ersten Pulsrohrs 20 und ein warmer Endabschnitt 44 eines dazugehörigen ersten Regenerators 40 angeordnet. Am unteren Ende des Pulsrohrs ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt, in diesem Fall von einem Magnet 82, bei einer Temperatur von etwa 77K (bzw. TE)

aufgenommen wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden. Weitere für den Betrieb eines Pulsröhrenkühlers wichtige Komponenten, die zur Veranschaulichung der Erfindung nicht notwendig sind, werden unten bei der allgemeinen Beschreibung des Funktionsprinzips eines Pulsröhrenkühlers dargestellt.

Es sei bemerkt, daß die angegebenen Temperaturniveaus hier und in allen folgenden Ausführungsformen zur Veranschaulichung dienen und entsprechend dem vorherrschenden Betriebszustand bzw. abhängig von der Umgebungstemperatur andere Werte aufweisen können.

Erfindungsgemäß verlaufen die elektrischen Zuleitungen 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw. der Kryostatenabdeckung und dem Magnet 82 bildet, teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Dadurch werden die elektrischen Zuleitungen 62 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 durch den thermischen Kontakt mit dem ersten Pulsrohr 20 mit relativ hoher Kühlleistung vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt, wodurch die gewünschte niedrige Temperatur, hier von 77K, erreicht wird und Temperaturschwankungen minimiert werden.

In dieser, sowie in den entsprechenden folgenden Ausführungsformen können die elektrischen Zuleitungen 62 aus supraleitenden (supraleitend bedeutet hierbei sowohl hochtemperatur-sowie tieftemperatursupraleitend)

und/oder normalleitenden Drähten bestehen, die vorteilhafterweise elektrisch isoliert sind.

Ferner kann hier und in allen folgenden Ausführungsformen der thermische Kontakt der Zuleitungen 62 bzw. Leitung 62 (beispielsweise die Gasleitung 62 in der zweiten Ausführungsform) mit dem Pulsrohr 20 (oder dem zweiten Pulsrohr 30, siehe Figur 5), oder wie in der dritten Ausführungsform mit dem Regenator 40, allgemein durch Aufkleben der Zuleitungen 62 bzw. Leitung 62 an das Pulsrohr 20 bzw. den Regenerator 40 oder durch Wickeln der Zuleitungen 62 bzw. Leitung 62 um diese Komponenten 20,40 erfolgen. Es ist ferner möglich die Zuleitungen bzw. Leitung über eine bestimmte Strecke mit Schellen oder dergleichen an den Komponenten 20,40 (oder dem zweiten Pulsrohr 30) zu befestigen.

Zweite Ausführungsform Es sei dabei zunächst auf Figur 1 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die zum Verflüssigen von Gas dient, zeigt.

Von oben nach unten betrachtet sind an einer Abdeckung des Kryostaten, die aufgrund des thermischen Kontakts mit dem äußeren des Kryostaten bzw. Kühlbereichs das 300 K-Temperaturniveau (bzw. die in der Einleitung genannten Temperaturen TA1, Tv) repräsentiert, eine Anschlußeinrichtung 60 für Gasleitungen 62, sowie ein Warmkopf (nicht gezeigt) eines ersten Pulsrohrs 20 und ein warmer Endabschnitt 44 eines dazugehörigen ersten Regenerators 40 angeordnet. Am unteren Ende des Pulsrohrs ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt 82, in diesem Fall von einem ein zu

verflüssigendes Gas enthaltenden Behälter 82, bei einer Temperatur von etwa 77K (bzw. TE) aufgenommen wird.

Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden.

Erfindungsgemäß verläuft die Gasleitung 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw. der Kryostatenabdeckung und Behälter 82 bildet, teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Genauer gesagt, ist die Gasleitung 62 in der zweiten, sowie in der fünften Ausführungsform um eine Teillänge des Pulsrohrs 20 gewickelt. Dadurch wird die Gasleitung 62, und vielmehr das in der Gasleitung zum Behälter 82 strömende Gas, schon vor dem Kontakt mit dem Behälter 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 durch den thermischen Kontakt mit dem ersten Pulsrohr 20 (das allgemeine Funktionsprinzip des Pulsröhrenkühlers wird unten näher erläutert) mit relativ hoher Kühlleistung vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt, wodurch die gewünschte niedrige Temperatur, hier von 77K, erreicht wird und Temperaturschwankungen minimiert werden.

Dritte Ausführungsform Es sei nun auf Figur 3 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt.

Wie in der ersten Ausführungsform steht in der dritten Ausführungsform die Anschlußeinrichtung 60 für

elektrische Zuleitungen 62, sowie der Warmkopf (nicht dargestellt) des ersten Pulsrohrs 20 und der warme Endabschnitt 44 des zugehörigen ersten Regenerators 40 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau. Am unteren Ende des Pulsrohrs 20 ist wieder der Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an dem Magnet 82 von etwa 77K bereitgestellt wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über die Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden.

Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform verlaufen hier die elektrischen Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine bestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Regenerators 40 in Richtung von dem warmen Endabschnitt 44 zu dem kalten Endabschnitt 46, der über die Leitung 42 mit dem Kaltkopf 24 in Verbindung steht. Aufgrund des Austauschs eines Arbeitsgases zwischen dem Regenerator 40 und dem Pulsrohr 20 (das allgemeine Funktionsprinzip des Pulsröhrenkühlers wird unten näher erläutert) steht der Regenerator 40 auch in thermischen Kontakt mit dem Pulsrohr 20 und weist wie dieses einen Temperaturgradienten vom warmen Endabschnitt 44 zum kalten Endabschnitt 46 auf. Somit wird die Temperatur der an einer oder mehreren Stellen mit dem Regenerator in thermischen Kontakt stehenden elektrischen Zuleitungen 62 bei verschiedenen Temperaturniveaus"abgefangen"bzw.

(zum Zweck der Vorkühlung) angeglichen, bevor diese den Magnet 82 erreichen, was wiederum zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.

Vierte Ausführungsform Es sei nun auf Figur 4a verwiesen, die eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt, wobei das

Kennzeichen dieser Ausführungsform das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.

Ähnlich zu der ersten und dritten Ausführungsform steht in der vierten Ausführungsform eine Anschlußeinrichtung 60 für elektrische Zuleitungen 62, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau (TA1, TA2, Tv), beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. In dieser Darstellung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 miteinander verbunden, so daß der obere Regenerator 50 als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300K- Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet wird.

Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4K (TE) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K (Tz) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist.

Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden.

In der vierten Ausführungsform treffen elektrische Zuleitungen 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw.

Kryostatenabdeckung und dem Magnet 82 bildet, zunächst auf eine sich auf dem 77K-Temperaturniveau befindliche thermische Abfangeinrichtung 64, bei der die Temperatur der Zuleitungen 62 auf 77K"abgefangen"bzw. (zum Zweck des Vorkühlens) angeglichen wird. Von dort aus verlaufen die Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Wie in der ersten Ausführungsform werden dabei die elektrischen Zuleitungen 62 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.

Fünfte Ausführungsform Es sei nun auf Figur 4b verwiesen, die eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die ebenfalls zum Verflüssigen von Gas dient, zeigt, wobei das Kennzeichen dieser Ausführungsform das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.

Ähnlich zu der zweiten Ausführungsform steht in der fünften Ausführungsform eine Anschlußeinrichtung 60 für eine Gasleitung 62, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau (TA1 TA2, Tv), beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. In

dieser Darstellung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 miteinander verbunden, so daß der obere Regenerator 50 als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300K-Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem ein zu verflüssigendes Gas enthaltenden Behälter 82, von etwa 4K (TE) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K (TZ) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Behälter 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden.

In der fünften Ausführungsform trifft eine Gasleitung 62, die eine Verbindungseinrichtung zwischen der mit dem Äußeren des Kühlbereichs in thermischen Kontakt stehenden Anschlußeinrichtung 60 bzw. Kryostatenabdeckung und dem Behälter 82 bildet, zunächst auf den sich auf dem 77K- Temperaturniveau befindlichen Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs (bzw. steht mit diesem in thermischem Kontakt), bei dem die Temperatur der Leitung 62 auf 77K "abgefangen"bzw. (zum Zweck des Vorkühlens) angeglichen wird. Von dort aus verläuft die Leitung 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt

entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Genauer gesagt, ist die Gasleitung 62 wie in der zweiten Ausführungsform um eine Teillänge des Pulsrohrs 20 gewickelt. Hierdurch wird die Gasleitung 62, und vielmehr das in der Gasleitung zum Behälter 82 strömende Gas, schon vor dem Kontakt mit dem Behälter 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 durch den thermischen Kontakt mit dem ersten Pulsrohr 20 mit relativ hoher Leistung vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.

Sechste Ausführungsform Es sei nun auf Figur 5 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt.

Wie bei der vierten Ausführungsform steht in der sechsten Ausführungsform eine Anschlußeinrichtung 60 für elektrische Zuleitungen 62, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist wiederum ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4K bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52

mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden.

In der sechsten Ausführungsform werden die elektrischen Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des zweiten Pulsrohrs 30 geführt, wo die Temperatur der Zuleitungen 62 schon auf die Temperatur des zweiten Pulsrohrs 30 (zum Zweck des Vorkühlens) angeglichen wird.

Von dort aus verlaufen die Zuleitungen 62 teilweise bzw. über eine vorbestimmte Strecke in thermischem Kontakt entlang des Pulsrohrs 20 in Richtung vom Warmkopf (nicht dargestellt) zum Kaltkopf 24. Wie in der ersten Ausführungsform werden dabei die elektrischen Zuleitungen 62 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 bzw. Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.

Siebte Ausführungsform Es sei nun auf Figur 6 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Von oben nach unten betrachtet sind an einer Abdeckung des Kryostaten, die aufgrund des thermischen Kontakts mit dem Äußeren des Kryostaten bzw. Kühlbereichs das 300 K-Temperaturniveau (bzw. die in der Einleitung genannten Temperaturen TA1, Tv) repräsentiert, eine Anschlußeinrichtung 60 für eine vertikale Halteeinrichtung 62 bzw. Stützeinrichtung 62 zum Halten bzw. Stützen eines zu kühlenden Objekts 82, sowie ein Warmkopf (nicht gezeigt) eines ersten Pulsrohrs 20 und

ein warmer Endabschnitt 44 eines dazugehörigen ersten Regenerators 40 angeordnet. Zwischen der vertikalen Halteanordnung 62 und dem ersten Pulsrohr 20 ist eine vertikale Halteanordnung 63 vorgesehen, die einen thermischen Kontakt zwischen den Komponenten 62 und 20 herstellt. Am unteren Ende des Pulsrohrs ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt, in diesem Fall von einem Magnet 82, bei einer Temperatur von etwa 77K (bzw. TE) aufgenommen wird.

Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 verbunden. Weitere für den Betrieb eines Pulsröhrenkühlers wichtige Komponenten, die zur Veranschaulichung der Erfindung nicht notwendig sind, werden unten bei der allgemeinen Beschreibung des Funktionsprinzips eines Pulsröhrenkühlers dargestellt.

Es sei nochmals bemerkt, daß die angegebenen Temperaturniveaus nur zur Veranschaulichung dienen und entsprechend dem vorherrschenden Betriebszustand bzw. abhängig von der Umgebungstemperatur andere Werte aufweisen können.

Zur Verringerung der Wärmelast auf den Kaltkopf 24 ist in dieser Ausführungsform die Halteeinrichtung 62,63 aus zwei Teilen, nämlich dem eigentlichen Halteteil 62 und dem Kontaktteil 63 zur Herstellung eines thermischen Kontakts zwischen dem Halteteil 62 und dem Pulsrohr 20, ausgebildet. Zur Wärmeisolation des zu kühlenden Objekts 82 von dem 300K-Temperaturniveau besteht der Halteteil 62 vorteilhafterweise aus einem schlecht wärmeleitendem Material, wie beispielsweise Kunststoffen, insbesondere Glasfasern oder Kevlarfäden. Für eine stabile Halterung von schweren zu kühlenden Objekten können auch stangen- oder rohrförmige Halteteile, insbesondere aus schlecht wärmeleitenden Materialien verwendet werden. Zur

thermischen Ankopplung an das Pulsrohr 20 jedoch ist vorteilhafterweise für das Kontaktteil 63 ein thermisch gut leitendes Material, wie Metall, in Form von Drähten, Stangen, Rohren, etc. zu verwenden. Aufgrund dieser Halteanordnung wird die Halteeinrichtung 62,63 schon vor dem Kontakt mit dem Magnet 82 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.

Der thermische Kontakt der Halte-bzw. Kontaktteile 62 und 63 untereinander bzw. mit dem Pulsrohr 20 oder wie in der neunten Ausführungsform mit dem Regenerator 40 kann durch Zusammenkleben der Halte-bzw. Kontaktteile 62 und 63 untereinander bzw. durch Aufkleben an das Pulsrohr 20 oder den Regenerator 40, oder durch Wickeln der Kontaktteile 63 um die Komponenten 20,40 oder 62 erfolgen. Es ist ferner möglich, Schellen oder dergleichen zur Befestigung zu verwenden.

Achte Ausführungsform Es sei nun auf Figur 7 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt, wobei das Kennzeichen dieser Ausführungsform wiederum das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem ist.

Ähnlich zu der siebten Ausführungsform steht in der achten Ausführungsform ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf (nicht dargestellt) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau (TA1, TA2, TV), beispielsweise einer Kryostatenabdeckung. In dieser Darstellung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 miteinander verbunden, so daß der obere Regenerator 50

als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300K-Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4K (TE) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77K (Tz) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden.

Zum Halten bzw. Stützen des Magnets 82 ist eine Halteeinrichtung 62,63 vorgesehen, deren Halteteil 62 (vertikal) den Magnet 82 über eine Anschlußeinrichtung 60 an dem Kaltkopf 34 bzw. an einem 77K-Wärmeschild eines Kryostaten hält. Zur Herstellung eines thermischen Kontakts zwischen dem Halteteil 62 und dem unteren Teil des Pulsrohrs 20 und somit zum Vorkühlen der gesamten Halteeinrichtung 62,63 sind Kontaktteile 63 (horizontal) vorgesehen. Die Materialien der einzelnen Halte-bzw.

Kontaktteile sind entsprechend der siebten Ausführungsform zu wählen. Somit wird durch den thermischen Kontakt mit dem Pulsrohr 20 die Temperatur von 77K der Halteeinrichtung 62,63"abgefangen"bzw. zu niederen Temperaturen im Bereich der Kaltkopftemperatur

angeglichen, was zu einer Verminderung der Wärmelast auf den Kaltkopf führt.

Neunte Ausführungsform Es sei nun auf Figur 8 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt.

Das zweistufige Pulsröhrenkühlersystem weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das der achten Ausführungsform auf. Der Unterschied in dieser Ausführungsform besteht jedoch in dem Halten bzw. Stützen des Magnets 82.

Zum Halten bzw. Stützen des Magnets 82 ist eine Halteeinrichtung 62, 63 vorgesehen, deren Halteteil 62 (vertikal) den Magnet 82 über eine Anschlußeinrichtung 60 an dem Kaltkopf 34 bzw. an einem 77K-Wärmeschild eines Kryostaten hält. Im Gegensatz zur achten Ausführungsform wird hier ein thermischer Kontakts zwischen dem Halteteil 62 und dem Regenerator 40 zum Vorkühlen der gesamten Halteeinrichtung 62,63 durch Kontaktteile 63 (horizontal) vorgesehen. Die Materialien der einzelnen Halte-bzw.

Kontaktteile sind entsprechend der sibten Ausführungsform zu wählen. Somit wird durch den thermischen Kontakt mit dem Regenerator 40 die Temperatur von 77K der Halteeinrichtung 62,63"abgefangen"bzw. zu niederen Temperaturen im Bereich der Kaltkopftemperatur angeglichen, was zu einer Verminderung der Wärmelast auf den Kaltkopf führt.

Pulsröhrenkühler

Im folgenden wird der allgemeine Aufbau und die Wirkungsweise eines in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu verwendenden Pulsröhrenkühlers beschrieben (vgl. dazu auch Info-Phys-Tech Nr. 6,1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien).

Dabei zeigt Figur 9 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden wiederum gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Der Kühleffekt beim Pulsröhrenkühler beruht auf der periodischen Druckänderung und Verschiebung ("Pulsieren") eines Arbeitsgases in einem dünnwandigen Zylinder mit Wärmetauschern an beiden Enden, dem sogenannten Pulsrohr 20. Das Pulsrohr 20 ist mit dem Druckozillator 10 über einen Regenerator 40 verbunden. Der Regenerator 40 dient als Wärmezwischenspeicher, der das vom Druckoszillator 10 einströmende Gas vor Eintritt in das Pulsrohr 20 abkühlt und anschließend das ausströmende Gas wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Für diesen Zweck ist er vorteilhafterweise mit einem Material hoher Wärmekapazität gefüllt, das einen guten Wärmeaustausch mit dem strömenden Gas bei gleichzeitig geringem Durchflußwiderstand aufweist. Bei Temperaturen oberhalb 30 K verwendet man Stapel von feinmaschigern Edelstahl- oder Bronzesieben als Regeneratorfüllung. Für tiefere Temperaturen setzt man aus Gründen der hohen Wärmekapazität Bleischrot und neuerdings auch magnetische Materialien, z. B. Er-Ni-Legierungen, ein. Zur Erzeugung der Druckoszillation wird, wie es in Figur 12 gezeigt ist, ein Kompressor 10 in Kombination mit einem nachgeschalteten Rotationsventil 15 verwendet, das periodisch die Hoch-und Niederdruckseite des Kompressors mit dem Kühler verbindet. Alternativ dazu kann die Druckoszillation direkt über die Kolbenbewegung eines ventillosen Kompressors erzeugt werden.

In der ersten Ausgestaltung des Pulsröhrenkühlers ist das Pulsrohr am warmen Ende 22 geschlossen. Der Kühlprozeß läuft qualitativ wie folgt ab : In der Kompressionsphase strömt das im Regenerator 40 vorgekühlte Gas in das Pulsrohr 20 ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Pulsrohr 20 erwärmt und gleichzeitig zum warmen Wärmetauscher 22 bzw. Warmkopf 22 hin verschoben, wo ein Teil der Kompressionswärme an die Umgebung abgeführt wird. Durch die anschließende Expansion erfolgt eine Abkühlung des Gases im Pulsrohr 20. Das Gas, welches das Pulsrohr 20 verläßt, ist kälter als beim Eintritt und kann daher Wärme aus dem kalten Wärmetauscher 24 bzw. Kaltkopf 24 und dem zu kühlenden Objekt bzw. einer weiteren Kühleinrichtung, aufnehmen.

Eine genauere Analyse des Prozesses in dieser Ausführungsform zeigt, daß für den Wärmetransport vom kalten 24 zum warmen 22 Ende ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Rohrwandung erforderlich ist ("Oberflächenwärmepumpen"). Da der Wärmekontakt jedoch nur in einer dünnen Gasschicht an der Rohrwandung erfolgt, ist dieser Kühlprozeß noch nicht optimiert.

Figur 10 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers 20 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Hierbei ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Effektivität durch den Anschluß eines Ballastvolumens 70 über einen Strömungswiderstand (Nadelventil) 26 am warmen Wärmetauscher 22. Zum einen strömt hier mehr Gas durch den warmen Wärmetauscher 22, das dort dann Kompressionswärme abgeben kann. Zum anderen leistet das Gas im Pulsrohr 20 Arbeit beim Verschieben von Gas in das Ballastvolumen 70, wodurch ein wesentlich höherer Kühleffekt erreicht wird.

Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung, bei der sich die Effektivität des Kühlers sich weiter steigern läßt, indem der Anteil des Gasflusses, der zur Druckänderung im warmen Teil des Pulsrohres 20 nötig ist, durch einen zweiten Einlaß am warmen Ende geleitet wird.

Da dieser Gasfluß nicht mehr den Regenerator 40 passiert, werden die Verluste im Regenerator 40 verringert.

Außerdem stellt sich bei einem zweitem Einlaß (mit einem Ventil 28) eine für die Kühlung günstigere zeitliche Abfolge von Druck-und Flußvariation ein.

Figur 12 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 11. Dabei speist in diesem System ein kommerzieller Helium- Kompressor 10 ein motorgetriebenes Rotationsventil 15, das zur Steuerung das Heliumgasstromes dient.

Zur mechanischen Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen können der eigentliche Kühler und das Rotationsventil über eine flexible Kunststoffleitung 12 miteinander verbunden.

Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung eines zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem mit den wichtigstem Komponenten, wie es beispielsweise für die vierte bzw. sechste und fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung verwendbar ist. Zur Erzeugung von Druckoszillationen ist ein Kompressor 10 an ein Rotationsventil 15 gekoppelt. Eine Leitung 12 verbindet das Rotationsventil 15 mit dem Pulsröhrenkühlersystem.

Dieses weist einen Regenerator 40 der ersten Stufe und einen Regenerator 50 der zweiten Stufe auf, wobei zwischen diesen ein Flußausrichter ("flow straightener") 55 angeordnet ist. Es ist auch denkbar, eine andere

Regeneratoranordnung zu wählen, bei der beispielsweise zwei getrennte Regeneratoren verwendet werden. Ferner weist das Pulsröhrenkühlersystem ein erstes Pulsrohr 20 mit einem warmen Wärmetauscher 22 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 24 und ein zweites Pulsrohr 30 mit einem warmen Wärmetauscher 32 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 34 auf. Die jeweiligen warmen Wärmetauscher 22 und 32 sind über Drosselventile, beispielsweise in der Form von Nadelventilen 26 und 36, mit einem gemeinsamen Ballastbehälter bzw. Ballastvolumen 70 verbunden. Es ist ferner denkbar, daß anstelle des gemeinsamen Ballastvolumens zwei getrennte Ballastvolumina verwendet werden. Außerdem sind an den jeweiligen warmen Wärmetauschern 22 und 32 Ventile 38 und 28 für einen zweiten Einlaß vorgesehen. Der Kaltkopf 24 des zweiten Pulsrohrs 30 kühlt dabei einen von einem Wärme-bzw. Strahlungsschild 92 umgebenen Bereich bis auf ungefähr maximal 50 K vor, während am Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 eine Temperatur von ungefähr 2,2 bis 4,2 K bereitgestellt wird (vgl. dazu C. Wang et al. :"A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K", Cryogenics 1997, Volume 37, Nr. 3).

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, die Pulsröhrenkühler aufweist, ist aufgrund der fehlenden beweglichen Teile sehr vibrationsarm und deshalb auch besonders gut für die Kühlung von empfindlichen Sensoren wie SQUIDs geeignet.

Zusammengefaßt ist eine Kühlvorrichtung offenbart, die folgende Komponenten umfaßt : einen ersten Pulsröhrenkühler mit einem ersten Pulsrohr 20, das einen Warmkopf mit einer ersten Temperatur TAl und einen Kaltkopf 24 mit einer bezüglich der ersten Temperatur tieferen zweiten Temperatur TE aufweist, und einem ersten Regenerator 40, der einen warmen Endabschnitt 44 und

einen kalten Endabschnitt 46, welcher mit dem Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist ; ein zu kühlendes Objekt 82, das an den Kaltkopf des ersten Pulsröhrenkühlers thermisch gekoppelt ist ; und eine Verbindungseinrichtung 62 zum mechanischen oder elektrischen Verbinden des zu kühlenden Objekts mit einem Bereich 60 oder zum Bereitstellen eines Fluidkanals zwischen dem zu kühlenden Objekt und einer Anschlußeinrichtung 60. Der Bereich 60, der allgemein ein Gebiet oder eine Einrichtung mit einer bezüglich der zweiten Temperatur TE höheren Temperatur Tv aufweist, kann dabei von einer Anschlußeinrichtung 60 für die Verbindungseinrichtung gebildet werden oder mit dieser in thermischem Kontakt stehen. Die Anschlußeinrichtung kann ferner ein mechanisches Befestigungsmittel, wie beispielsweise ein Klebemittel oder eine Verschraubung, oder auch einen elektrischen Anschluß aufweisen.

Erfindungsgemäß verläuft die Verbindungseinrichtung 62 zumindest teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Pulsrohrs vom Warmkopf zum Kaltkopf und/oder teilweise in thermischem Kontakt entlang des ersten Regenerators vom warmen Endabschnitt zum kalten Endabschnitt. Dadurch wird die Verbindungseinrichtung schon vor dem Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt bzw.

Kaltkopf des ersten Pulsrohrs 20 vorgekühlt, was zu einer geringeren Wärmelast auf den Kaltkopf 24 führt.

Bezugszeichenliste 10 Kompressor 12 Leitung vom Kompressor weg 15 Rotationsventil 20 Pulsrohr, erstes Pulsrohr 22 warmer Wärmetauscher von 20 24 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 20 26 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70 28 Ventil des zweiten Einlasses 30 zweites Pulsrohr 32 warmer Wärmetauscher von 30 34 kalter Warmetauscher, Kaltkopf von 30 36 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70 38 Ventil des zweiten Einlasses 40 Regenerator, Regenerator der ersten Stufe 42 Leitung von 46 zu 24 44 warmer Endabschnitt von 40 46 kalter Endabschnitt von 40 50 Regenerator der zweiten Stufe 52 Leitung von 56 zu 34 54 warmer Endabschnitt von 50 55 Fluflausrichter zwischen 40 und 50 56 kalter Endabschnitt von 50 60 Anschlußeinrichtung, Bereich 62 Verbindungseinrichtung (elektr., mechanisch), Halteteil, elektrische Zuleitung, Gasleitung 63 Kontaktteil 64 thermische Abfangeinrichtung 70 Ballastvolumen 82 Magnet oder Verflüssigungsbehälter, zu kühlendes Objekt