Ziel der Entwicklung
Alle kommerziell verfügbaren Kryokühler werden mit Drehventilen ausgeführt, welche mechanisch starr programmiert den zeitlichen Ablauf des Arbeitsgas-Druckaufbaus und –abbaus relativ zur Bewegung des Regenerators steuern. Die Steuerzeiten des Drehventils sind werksseitig mit dem Ziel optimiert, bei einer möglichst tiefen Kryokühler-Temperatur eine möglichst hohe Kälteleistung bereitstellen zu können.
Real trifft dieser Punkt der tiefsten Temperatur jedoch nur selten zu, da bei der Anwendung des Kryokühlers das Einkoppeln der Nutz-Wärmelast zu einem Temperaturanstieg des Kaltkopfes führt. Ziel der Entwicklung ist die Erhöhung der Kälteleistung bei gegebener Anwendungs-Temperatur bzw. das Verringern der Kaltkopf-Temperatur bei gegebener Wärmelast durch das Erarbeiten einer Lösung für eine freie Wahl der Druckauf- und Druckabbau-Steuerzeiten relativ zur Regeneratorbewegung sowie deren automatischer Optimierung.
Vorteile und Lösungen
Die Nutzung von elektronisch ansteuerbaren Magnetventilen in Verbindung mit einer mikroprozessor-basierten Ansteuerungselektronik gestattet die freie Wahl der Steuerzeiten für den Druckauf- und –abbau des Arbeitsgases im Kryokühler relativ zur Bewegung des (direkt angetriebenen) Regenerators. Die oszillierende Bewegung des Regenerators wird hierzu erfasst, um unabhängig von Antriebsmotor-Drehwinkeln die tatsächliche Position des Verdrängers als Basis für den bewegungs-synchronen Druckauf- und -abbau nutzen zu können. Die Verwendung von Lock-in-Technologie in der Magnetventil-Ansteuerungselektronik ermöglicht eine äußerst präzise Synchronisierung mit der Regeneratorposition.
Als Magnetventile wurden nach gründlicher Recherche zwei Exemplare verschiedener Hersteller ausgewählt, die praxisnahe Erprobung der Ventil-Steuerzeiten ergab eine klare Bevorzugung eines Modells.
Elektrische Heizelemente auf den unterschiedlichen Temperaturstufen des ausgewählten Kryokühlers gestatteten das beliebige Einstellen von simulierten Anwendungs-Wärmelast-Kombinationen. Die mikroprozessor-basierte Magnetventil-Elektronik gestattete das weitgehend autonome Optimieren der Steuerzeiten (4 Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen sowohl des Druckaufbau- als auch des Druckabbau-Magnetventils) relativ zur Regenerator-Bewegung.
Es konnte gezeigt werden, dass für viele Anwendungs-Temperaturen eine deutliche Erhöhung der verfügbaren Kälteleistung durch die temperatur-abhängige Anpassung der Steuerzeiten erreicht wird.
Zielgruppe und Zielmarkt
Eine Zielgruppe sind Hersteller von Gifford-McMahon Kryokühlern, welche durch die Verwendung der innovativen Magnetventil-Technik eine Leistungssteigerung ihrer Produkte vermarkten können. Gleichzeitig entfällt die Verwendung von präzisionsgefertigten, kostenintensiven Drehventil-Komponenten, stattdessen können günstig verfügbare Magnetventile verwendet werden. Zusätzlich können kleinere, kostengünstiger dimensionierte Heliumkompressoren verwendet werden, da die Effizienz des Kryokühlers gesteigert wurde.
Eine weitere Zielgruppe sind die Anwender von Kryokühlern. Diese können ihre bestehenden Geräte mit der Magnetventil-Technik aufrüsten, um bei vorhandenen Maschinen, Anlagen und Kühlsystemen mehr Kälteleistung beziehungsweise tiefere Kaltkopftemperaturen zu erzielen. Der Vertrieb eines Nachrüstsatzes für einen gewissen Kryokühler-Typ ist denkbar. Wegen der Vielzahl von am Markt vorhandenen Kryokühlern ist aber auch eine jeweilige Anpassungsarbeit notwendig.
