In der Tieftemperaturtechnik werden Refrigeratoren eingesetzt, um beispielsweise Gase zu pumpen oder um supraleitende Bauteile dauerhaft kalt zu halten. Ein kryogener Refrigerator wird allgemein auch als Kaltfinger bezeichnet, der nach dem Prinzip des Gifford McMahon-Kreislaufs arbeitet. Beispiele für derartige Refrigeratoren sind beschrieben in US 4,987, 743 und DE 43 18 406 A1. Der Refrigerator enthält eine Ventilvorrichtung für die Zufuhr und den Rücklauf von unter Druck stehendem Prozessgas, in der Regel Helium. Die Ventilvorrichtung besteht aus einem Drehschieber, der zyklisch bestimmte Öffnungen zur Deckung bringt und dadurch die beiden Kaltstufen des Refrigerators synchron steuert. Die Steuerung erfolgt in der Weise, dass beide Kaltstufen zeitgleich mit dem Vorlauf und zeitgleich mit dem Rücklauf verbunden werden, so dass ein Synchronbetrieb erzwungen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kryogenen Refrigerator zu schaffen, bei dem die Steuerungen der Kaltstu- fen voneinander entkoppelt sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist die Ventilvor- richtung derart ausgebildet, dass sie für mindestens zwei Kaltstufen unterschiedliche Zeitpunkte des Einlasses und/oder Auslasses des Prozessgases festlegt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine Entkopp- lung der Kaltstufen zu günstigeren Ergebnissen führen kann, als ein strenger Synchronbetrieb. Ein Grund liegt darin, dass in den Kaltstufen unterschiedliche Temperaturniveaus erreicht werden. In der letzten Kaltstufe, in der die Temperatur in der Nähe des absoluten Nullpunktes liegt, steigt die Viskosität des Prozessgases, zumeist Helium, stark an, so dass hier andere Strömungsverhältnisse gelten als in der ersten Kaltstufe. Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, die Entnahme des Prozessgases aus dem Vorlauf zu entzerren und eine gleichzeitige Entnahme für zwei oder mehr Kaltstufen zu vermeiden und dadurch die Strömungs-und Druckverluste zu vermindern.

Erfindungsgemäß werden mehrere Kreisläufe, die jeweils eine Kaltstufe enthalten, von einer einzigen Ventilvorrichtung ge- steuert. Hierdurch wird der Aufwand für die Ventilvorrichtung nur unwesentlich erhöht, da die entsprechenden Steueröffnungen anders anzuordnen sind. Dies betrifft aber nur die spezielle Gestaltung des Anschlussorgans.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge- sehen, dass die Ventilvorrichtung ein Anschlussorgan mit Öff- nungen, die an einen Druckerzeuger angeschlossen sind, und weiteren Öffnungen, die an die Kaltstufen angeschlossen sind, aufweist und ein relativ zu dem Anschlussorgan bewegliches Steuerorgan, das in zylindrischer Folge bestimmte Öffnungen des Anschlussorgans miteinander verbindet. Das Anschlussorgan und das Steuerorgan sind vorzugsweise aus zwei dichtend gegeneinander liegenden Scheiben gebildet, so dass die Ventilvorrichtung als Drehschieber ausgebildet ist. Es ist auch möglich, als Ventilvorrichtung eine Kombination aus einem hohlen Zylinder und einem darin enthaltenen Drehkolben zu verwenden. Auch andere Ventilkonstruktionen sind möglich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Anschlussorgan paarweise angeordnete Öffnungen aufweist, von denen jeweils eine Öffnung eines Öffnungspaares an eine Kaltstufe und die andere an den Vorlauf oder Rücklauf ange- schlossen sind. Dabei werden jeweils in den einzelnen Kaltstu- fen kurzzeitige Druckstöße erzeugt. Das zugeführte Gas wird nach einer Zeit des. Abschlusses der betreffenden Kaltstufe durch den Rücklauf abgelassen. Danach folgt zeitlich getrennt oder überlappend mit dem ersten Vorgang die Druckbeaufschlagung der nächstfolgenden Kaltstufe.

Wie nachfolgend gezeigt wird, können für jede Umdrehung der Ventilvorrichtung gleiche oder unterschiedliche Anzahlen von Taktzyklen der einzelnen Kaltstufen vorgesehen sein. Es ist daher möglich, dass eine Kaltstufe in derjenigen Zeit, in der die andere Kaltstufe drei Taktzyklen durchläuft, nur zwei Taktzyklen durchläuft.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus- führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Erläute- rungen sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich des Patents einschränken. Dieser wird vielmehr durch die Pa- tentansprüche bestimmt.

Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung der funktionswesent- lichen Teile eines kryogenen Refrigerators, bei dem die Kaltstufen jeweils ein kolbenloses Expansionsrohr (Pulse Tube) enthalten, Fig. 2 eine Darstellung des Anschlussorgans und des Steuer- organs der Ventilvorrichtung, Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch die Ventilvorrich- tung entlang der Linie III-III aus Figur 2, und Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Figur 2 eine andere Aus- führungsform der Ventilvorrichtung.

In Figur 1 ist das Arbeitsschema des Refrigerators dargestellt. Dieser weist eine erste Kaltstufe KS1 und eine zweite Kaltstufe KS2 auf. Die erste Kaltstufe KS1 besteht aus einem länglichen Expansionsrohr 10, das an seinem einen Ende mit einem Anschluss 11 versehen ist. Parallel zu dem Expansionsrohr 10 ist in einem rohrförmigen Gehäuse ein thermischer Regenerator 12 angeordnet, der an seinem einen Ende mit einem Anschluss 13 versehen ist. Die zweiten Enden von Expansionsrohr 10 und Regenerator 12 sind durch eine Verbindungsleitung 14 untereinander verbunden.

Die zweite Kaltstufe KS2 besteht aus einem Expansionsrohr 20, das an seinem einen Ende mit einem Anschluss 21 versehen ist, und einem in einem rohrförmigen Gehäuse enthaltenen thermischen Regenerator 22, dessen eines Ende mit einem Anschluss 23 versehen ist. Das Expansionsrohr 20 und der Regenerator 22 haben eine größere Länge als die betreffenden Komponenten der ersten Kaltstufe. Die unteren Enden des Expansionsrohres 20 und des Regenerators 22 sind durch eine Verbindungsleitung 24 verbunden. Die durch die Verbindungsleitung 14 verbundenen zweiten Enden des Expansionsrohrs 10 und des Regenerators 12 sind über eine Kopplungsleitung 25 thermisch mit dem mittleren Bereich des Regenerators 22 verbunden. Durch die Kopplungsleitung 25 wird erreicht, dass sich im mittleren Bereich des Regenerators 22 etwa das gleiche Temperaturniveau einstellt wie am Ende der ersten Kaltstufe KS1. Der untere Bereich der zweiten Kaltstufe KS2 bewirkt demnach eine Nachkühlung, so dass Temperaturen bis in der Nähe des absoluten Nullpunktes erreicht werden können.

Das Prozessgas für den Betrieb des Refrigerators wird von einem Kompressor 27 bereitgestellt, der einen Vorlauf V und einen Rücklauf R hat, welche an eine Ventilvorrichtung 30 angeschlossen sind. Von der Ventilvorrichtung 30 führt eine erste Leitung 31 zu den Anschlüssen 11 und 13 der ersten Kaltstufe KS1 und eine zweite Leitung 32 zu den Anschlüssen 21 und 23 der zweiten Kaltstufe KS2.

Die erste Leitung 31 ist über eine Drossel oder Blende 33 mit dem Anschluss 11 verbunden. Dieser ist über eine weitere Dros- sel oder Blende 34 mit einem Reservoir 35 verbunden. In glei- cher Weise ist eine Blende 36 am Mündungsende der zweiten Lei- tung 32 in den Anschluss 21 vorgesehen und eine weitere Blende 37 ist zwischen dem Anschluss 21 und einem Reservoir 38 vorge- sehen.

Beim Betrieb erzeugt die Ventilvorrichtung 30 Druckimpulse aus dem vom Kompressor 27 gelieferten Prozessgas. Der Impulsbetrieb bewirkt das Durchlaufen einen Gifford McMahon Prozess, wobei die oberen Enden der beiden Kaltstufen KS1 und KS2, die durch eine gemeinsame Trägerplatte 39 verbunden sind, eine Temperatur von 270 K annehmen (Raumtemperatur), während das untere Ende der ersten Kaltstufe KS1 20 bis 40 K aufweist und das untere Ende der zweiten Kaltstufe KS2 4 K.

Eine erste Ausführungsform der Ventilvorrichtung 30 ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Die Ventilvorrichtung ist hier als Drehventil ausgebildet. Sie enthält ein scheibenförmiges Anschlussorgan 40 und ein dazu passendes scheibenförmiges Steuerorgan 41. Das Anschlussorgan 40 enthält Öffnungen L1, die mit der der ersten Kaltstufe KS1 zugeordneten ersten Leitung 31 verbunden sind und Öffnungen L2, die mit der der zweiten Kaltstufe KS2 zugeordneten zweiten Leitung 32 verbunden sind. Ferner enthält das Anschlussorgan Öffnungen LR, die mit dem Rücklauf R verbunden sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen LR sämtlich auf einem ersten Kreis Kl angeordnet. Auf einem kleineren zweiten Kreis K2 sind drei Öffnungen Ll äquidistant angeordnet, auf einem dritten Kreis K3 sind zwei Öffnungen LR äquidistant angeordnet und auf einem inneren vierten Kreis K4 sind zwei Öffnungen L2 angeordnet. Dieses Anschlussorgan führt für die erste Kaltstufe KS1, der die Öffnungen L1 zugeordnet sind, während einer Umdrehung drei Zyklen durch, weil drei Öffnungen L1, LR auf den Kreisen Kl und K2 vorgesehen sind.

Während dieser Umdrehung führt die zweite Kaltstufe KS2 nur zwei Zyklen aus, weil zwei Öffnungen L2, LR auf den Kreisen K3 und K4 vorgesehen sind. Die beiden Kaltstufen werden somit mit unterschiedlichen Taktraten betrieben.

Aus Figur 2 ist ferner ersichtlich, dass die Öffnungen paar- weise angeordnet sind, wobei die Öffnungen eines Paares auf demselben Radius des scheibenförmigen Anschlussorgans liegen.

Zu dem Anschlussorgan 40 gehört das Steuerorgan 41. Dieses be- steht ebenfalls aus einer Scheibe, die zwei Öffnungen LV ent- hält, welche mit dem Vorlauf V verbunden sind. Durch diese Öffnungen wird also Druck zugeführt. Eines der Öffnungen LV liegt auf dem Radius des Kreises K2, auf dem auch die Öffnungen Ll für die erste Kaltstufe KS1 liegen. Die andere Öffnung LV liegt auf dem Kreis K4, auf dem die Öffnungen L2 für die zweite Kaltstufe KS2 liegen. Bei einer Drehung des Steuerorgans 41 relativ zu dem Anschlussorgan 41 überstreicht die eine Öffnung LV periodisch die Öffnungen L1 und die andere Öffnung LV überstreicht periodisch die Öffnungen L2, wobei die Zeitpunkte des Überstreichens gegeneinander versetzt sind.

Für jedes Öffnungspaar des Anschlussorgans 40 ist in dem Steuerorgan 41 ein Schlitz S1, S2 vorgesehen. Der Schlitz S1 überdeckt die beiden Kreise K1, K2 und der Schlitz S2 überdeckt die beiden Kreise K3, K4.

Wie aus Figur 2 hervorgeht, sind die Öffnungen umfangsmäßig gegeneinander versetzt, so dass die Phasen der Druckbeaufschlagung der beiden Kaltstufen zeitlich gegeneinander verschoben sind.

In Figur 3 gibt die Trennebene zwischen dem Anschlussorgan 40 und dem Steuerorgan 41 gleichzeitig die Grenze des Hochdrucks an, der nur in dem oberen Bereich, also im Bereich des Steuer- organs 41 herrscht und nur durch die Öffnungen LV in das An- schlussorgan gelangt.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 sind an dem Anschluss- organ die Öffnungen L1 und L2 auf einem gemeinsamen Kreis K2 angeordnet. Jedem der Öffnungen L1, L2 ist auf einem benachbar- ten Kreis eine Öffnung LV oder eine Öffnung LR zugeordnet. Die Öffnungen LV für die Druckbeaufschlagung liegen auf dem äußeren Kreis Kl und die Öffnungen LR für den Rücklauf liegen auf dem inneren Kreis K3. Da die Öffnungen umfangsmäßig alle gegeneinander versetzt sind, reichen zwei gerade Schlitze S1 und S2, die sich über sämtliche drei Kreise erstrecken, an dem Steuerorgan 41 aus, um die erforderlichen Verbindungen herzustellen.

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Steuerung besteht darin, dass durch die feste Zuordnung der Gaskreisläufe zu jeder Kaltstufe keine zeitlichen Überschneidungen der Gasver- sorgungsphasen auftreten. Somit erfolgt auch keine Beeinflus- sung der einzelnen Stufen durch die Gasversorgung.

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann das Anschlussorgan 40 ausgetauscht und durch ein anderes Anschlussorgan mit unterschiedlich angeordneten Öffnungen ersetzt werden, wenn eine andere Betriebsweise bzw. eine andere Abstimmung der Zyklen der Kaltstufen realisiert werden soll. Die Öffnungen müssen nicht notwendigerweise rund sein, sondern sie können auch langgestreckt sein und sich über einen gewissen Bogen erstrecken.