Ziel der Entwicklung

Preiswerte Kühler für den Tieftemperaturbereich zwischen 55 und 130 K und einer Kühlleistung von mehreren hundert Watt sind am Markt nicht verfügbar. Bestehende Hochleistungskühler sind teuer, vibrationsanfällig und mit häufigen Wartungsintervallen belastet. Dieser Zustand erschwert die Markteinführung von Systemen, die auf große Kälteleistungen sowie wartungsarme und kompakte Kühler angewiesen sind. Zu nennen wären beispielsweise Kryostatierungen oder auch die Kühlung von Anwendungen mit Hochtemperatursupraleitern (HTSL), wie Fehlerstrombegrenzer, Kabel, Motoren und Generatoren. Mit der Entwicklung eines energieeffizienten Hochleistungskühlers, der kompakt, preiswert und nahezu wartungsfrei sein soll, können solche HTSL-Anwendungen unterstützt und neue Einsatzfelder erschlossen werden.
Der Hochleistungskühler mit einer Kälteleistung von 1000 W bei 80 K (-193°C) arbeitet nach dem Pulse-Tube-Kühler-Prinzip. In der zyklischen Anordnung von drei oder vier einzelnen Pulse-Tube-Zyklen, welche zum Patent angemeldet wurde, wird auf passive Phasenschieber verzichtet und stattdessen die Energie am warmen Ende des Pulse-Tube über den Expansionskolben auf den Kompressionskolben des um 120° folgenden Zyklus gebracht. Auf diese Weise ist die Phasenverschiebung zwischen Druckwelle und Volumenstrom exakt fixiert. Im mehrzyklischen Pulse-Tube-Kühler unterstützt der Expansionskolben des einen Zyklus den Kompressionskolben des folgenden Zyklus. Auf diese Weise ist ein Wirkungsgrad von 12 Prozent möglich. Beide Kolben bilden innerhalb des Linearantriebs eine bewegte Einheit, sodass die Kurbelwelle entfällt und damit ein vibrations- und geräuscharmer Betrieb gewährleistet wird. Innerhalb des Projekts wurde ein 3-Zyklen-Pulse-Tube-Kühler realisiert und aufgebaut, da diese Anordnung mit einem kommerziellen 3-Phasen-Frequenzumrichter betrieben werden kann.

Vorteile und Lösungen

Dem Kunden steht eine Kühlmöglichkeit zur Verfügung, die lediglich einen Stromanschluss benötigt und nicht wie bisher üblich zusätzlich einen Versorgungsvertrag mit einem Lieferanten für flüssigen Stickstoff. Aufgrund großer Wartungsintervalle ist ein autarker Betrieb möglich. Die hohe Energieeffizienz führt zu einer erheblichen Einsparung von Primärenergie.

Zielgruppe und Zielmarkt

Anschließende Arbeiten an diesem Projekt konzentrieren sich auf die Adaption an einen bestimmten Einsatzfall, dabei steht insbesondere der Einsatz für HTSL-Fehlerstrombegrenzer im Vordergrund. Die zu erbringenden Ingenieurleistungen betreffen vor allem die Schnittstelle am Kaltkopf, also die Verteilung der Kälte zum zu kühlenden Objekt. Aber auch die Anpassung des Kühlers an andere Kaltkopftemperaturen oder Kälteleistung ist Gegenstand dieser und zukünftiger Arbeiten.