noch ne Kompressorfrage, Pulsröhrenkühler

[Rapp-Instruments]

Hallo,
ich baue zur Zeit Pulsröhrenkühler, das funktioniert schon ganz gut, siehe Bilder. Die Kühlleistung hängt offenbar stark vom Betriebsdruck ab. Käufliche Teile arbeiten mit 10 bis 30 bar. Bisher habe ich nur mit 4 bar auf der Niederdruckseite gearbeitet.
Meine Frage, wie hoch ist den der Betriebsdruck auf der Niederdruckseite in einem üblichen Kompressorkühlssystem, kann man der Kapsel 10 oder gar 15 bar zumuten.
Um Einwänden vorzubeugen, ich plane nicht Prozessoren zu kühlen, da wäre die Leistung sicher zu klein. Der Kühlkopf soll Sensoren kühlen und vielleicht sogar HT-Supraleiter.


Thomas

[UnRockStar]

was du der kapsel zumuten kannst hängt von dem Druckverhältnis und dem einsatzbereich ab.

wenn die kapsel noch ein wenig gekühlt wird würd ich sagen ein HBP verdichter sollte noch so 5 bar saugdruck grade so mitmachen

ich würd dir einen R410a verdichter ans herz legen die kann man öfters auf ebay aus ausgeschlachteten klimaanlagen erwerben.

mit denen kannst du ca bei 7 bar saugdruck arbeiten. solange du nicht auf 30 bar hoch willst ist das kein thema.
andernfalls muss er auch eine sauggaskühlung haben.
sprich es sollte mit minusgraden da rein gehen.


oder du nimmst kein hermetischen verdichter sondern etwas halbhermetisches mit einem fremdgekühltem motor.

[Patrickclouds]

meinst du wirklich die niederdruckseite?
weil bei so hohen saugdrücken wirds doch schwer damit supraleiter zu kühlen?
welche gase willst du da nehmen?

[Rapp-Instruments]

Hi,
ja, der Druck auf der Saugseite beträgt bei kommerziellen Kühler 10 bis 15 bar. Zum Betrieb werden Druckpulse mit einer Amplitude von 10 bis 15 bar benötigt, ein Kreislauf wäre garnicht nötig. Es gibt auch Pulsröhrenkühler die ohne Ventile arbeiten und die Druckpulse nur mit einem hin und her schwingenden Kolben erzeugen. Die werden dann bei Mittelstellung des Kolbens mit z.B. 15 bar gefüllt. Ist dann der Kolben am oberen Totpunkt ist der Druck 20 bar und am unteren Totpunkt 10 bar.
Momentan arbeite ich noch mit Luft, wenn aber die letzen kleinen Lecks zu sind werde ich mit Helium (billiges Ballongas) füllen. Deswegen hätte ich lieber einen hermetisch dichten Kompressor.
Ich hätte gedacht einem Kompressor ist's egal ob er von z.B. 1 bar auf 8 bar, oder von 11 bar auf 18 bar verdichten muss, solange er nicht auseinander fliegt, die aufzubringende Leistung ist doch die gleiche?

Gruß
Thomas

[UnRockStar]

nein eben nicht .

das druckverhältnis im ersten fall ist = 2 bar zu 9 bar --> 9 Bar / 2 bar =ratio 4,5
in fall 2 : 12 bar zu 19 bar =--> 19/12 = ratio 1,58

in fall 2 passt auserdem viel mehr gas in den hubraum.

[Rapp-Instruments]

Ja, da hast Du recht. In welchem Fall brauch ich dann mehr Arbeit, doch wohl bei größerem Kompressionsverhältniss, also im ersten Fall. Das wäre ja noch günstiger für meine Betriebsverhältnisse, mit hohem Druck auf der Ansaugseite.
Habe gerade noch eine Messung mit verbesserter Isolation des Kaltkopfes gemacht, wird schon ganz gut.

[Patrickclouds]

wird der COP mit kleiner werdenden druckverhältnis nicht besser.

kannst du noch paar infos und evtl. bilder zu der anlage raus hausen.

[Rapp-Instruments]

Ich hab mal ein paar Bilder gemacht. Entschuldigt den schlampigen Aufbau ist ja erst in der Testphase.
Ein Pulsröhrenkühler arbeitet wie ein Stirlingkühler nur das hier der bewegliche Verdrängerkolben durch eine hin- und her schwingende Gassäule ersetzt ist. Das macht den Aufbau ziemlich einfach. Im Grunde besteht der Kühler nur aus zwei Röhren, eine die Regeneratorröhre ist mit porösem wärmespeicherndem Material gefüllt, die andere ist leer, in ihr bildet sich die schwingende Gassäule. Wie bei Stirling müssen Druckpuls und Massenfluss eine Phasenverschiebung von 90° haben. Das wird mit einem Puffervolumen und einem Drosselventil am warmen Ende des Pulsrohrs erreicht. Um eine gute Wärmeübertragung zu erreichen sind noch zwei Wärmetauscher, einer am kalten und einer am warmen Ende der Pulsröhre.
Bei mir bestehen die Röhren aus dünnwandigen V2A-Röhren. Die Regeneratorröhre ist mit Stahlwolle gefüllt, die Wärmetauscher sind aus Kupferdrahtknäuel. Zum Betrieb wird die Anordnung über die Magnetventile periodisch mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verbunden so enstehen die Druckpulse. Die Ventile werden abwechselnd mit 2,5 Hz geöffnet und geschlossen.

[UnRockStar]

die stromaufnahme liegt bei einem verdichter vom saugdruck ab.

Hochdruck also das Druckverhältnis spielt zwar auch eine rolle ist aber eher nebensache.

die stromaufnahme liegt in erster linie vom saugdruck ab.

ein blick in ein datenblatt eines X beliebigen verdichters sollte deine frage eigentlich klären =)

[Rapp-Instruments]

Hallo UnRockStar,
Du hast natürlich recht, hab's eben nachgemessen.
Bei 1 bar Ansaugdruck und Verdichtung auf 10 bar Stromaufnahme 2 Ampere
bei 4 bar Ansaugdruck und Verdichtung auf 12 bar Stromaufnahme 4 Ampere
Hab noch ne Messung gemacht, in 25 Minuten auf -51°C

[Patrickclouds]

echt beeindruckend
wie schnell schaltest du das magnetventil um (wert in sek oder ms wäre ganz nett)?

aber so ganz blick ich noch nicht durch, zumal dein hochdruck ja relativ niedrig zu sein scheint. ist das nur möglich durch das schnelle umschalten der magnetventile?

war stirling nicht so, dass hd und nd seite sich immer abwechseln? und das erreichst du mit den magnetventilen?

[Rapp-Instruments]

Die Ventile werden mit 2,5 Hz geschaltet, jedes Ventil ist abwechselnd für 400 ms geöffnet und geschlossen. Dadurch werden Druckpulse mit einer Frequenz von 2,5 Hz und einer Amplitude von etwa 10 bar erzeugt.
Beim Stirlingkühler ist's doch so dass das Arbeitsgas an der kalten Seite entspannt und an der warmen Seite verdichtet wird. Das Entspannen und Verdichten besorgt der Arbeitskolben und das Bewegen des Gases von der kalten zur warmen Seite und zurück bewirkt der Verdrängerkolben. Bei Pulsröhrenkühler ist das ähnlich, nur gibt's keinen Verdrängerkolben sondern das Gas bewegt sich durch die Druckstöße von der kalten zur warmen Seite und zurück.
Die Magnetventile erzeugen die Druckstöße, man könnte wie gesagt auch einen Kolben verwenden der hin- und herbewegt wird.

[teurorist]

auf jedenfall ein Thema das das Forum belebt das grobe Prinzip hab ich verstanden da ich mich der Thematik zu lange nicht mehr gewidmet habe muss ich mich erst wieder etwas einarbeiten aber es macht einen interessanten Eindruck
hast du nahmen von Herstellern die solche Anlagen industriell fertigen ??

[august123]

sehr interessant das ganze, danke dass du uns daran teilhaben lässt. Auch wenn ich jetzt fachlich leider nicht allzuviel beitragen kann

[Patrickclouds]

wenn ich mich recht erinnere sind pulsrohr nicht für unsere lasten geeignet, dann eher stirling, wobei wir da schwer an die komponenten ran kommen. daher eignet sich am besten der mixed gas joule thomsen kreislauf mit nem kältemittelgemisch. allerdings macht es sinn um die effizienz zu steigern das ganze auch zweistufig zu bauen um so die hoch siedenden kältemittel wir r600a weg lassen zu können.

[Rapp-Instruments]

Hi Teuroist,
Pulsröhrenkühler werden von viele Kryofirmen wie z.B. Oxford Instruments, Cryo Physiks, SHI u.s.w. hergestellt. Vor kurzem hab ich im Original ein Teil von SHI gesehen. Mit Kompressor so groß wie eine kleine Milchkanne mit 100 Watt Kälteleistung bei 80 °K und 3 Watt bei 4°K.
Hi Patrickclouds
sicher für Prozessorkühlung oversized( Temperatur) and undersized (Leistung) aber doch ein interessantes Prinzip.
Noch eine Frage, mein Kompressor ist mit 4 Bar Ansaugdruck bereits am oberen Limit, und wird schnell recht heiß. Ich habe aber noch einen Kompressor von einer Autoklimaanlage, könnte der einen höheren Druck ab. Zum Antrieb hätte ich den Motor einer alten Ständerbohrmaschine

[august123]

also gefühlsmäßig würde ich von einem offenen Verdichter (Wellenabdichtung) bei sowas eher abraten. Interessant wäre doch das was Unrockstar gerade ausprobiert, zweistufige Verdichtung mit Rollkolbenverdichtern bzw. R410A Rollkolben allgemein. Wie heiss wird er denn überhaupt? 70°C wären sicher noch in Ordnung, wenns Richtung 100°C geht müsste man natürlich über Maßnahmen/ Alternativen nachdenken weil das macht eine Kapsel nicht ewig mit.

Mich interessiert das ganze brennend, ob jetzt für PC tauglich oder nicht ist mir mittlerweile eigentlich egal, hauptsache kalt und technisch raffiniert Leider im Moment keine Zeit/ Muße mich damit zu befassen. Aber soweit ich das überblicke, ist es zumindest von der technischen Umsetzung durchaus machbar, auch wenn man wohl an an der maschinellen Fertigung einiger Metallteile nicht vorbeikommen wird.

[Rapp-Instruments]

Die Temperatur des ompressors habe ich noch nicht gemessen, und auch der Übertemperaturschalter hat noch nicht angesprochen, aber auf dem Typenschild steht 220V 2 A, somit ist er mit 4 A wohl weit überlasted. Zwar könnte ich eine Wasserkühlung an der Kapsel anbringen aber ich wollte das ganze möglichst einfach halten und ich weiß auch nicht wie gut der Motor an das Kapselblech thermisch gekoppelt ist, ob's Sinn macht nur das Blech zu kühlen.
Ich hab auch schon nach 410a Verdichtern geschaut aber alles was ich zu bezahlbaren Preisen gefunden habe sind große Teile die Drehstrom brauchen, den ich in meinem Hobbyraum nicht zur Verfügung habe.
Mechanisch sind Pulsröhrenkühler abgesehen vom Kompressor sehr einfach aufgebaut. Einen großen Maschinenpark braucht man nicht, mit einer besseren Bohrmaschine (und natürlich Säge, Feile und Lötkolben) ist alles zu machen

[Patrickclouds]

von was für einem lötkolben reden wir?
du hast die rohre nicht etwa weichgelötet?

[Rapp-Instruments]

Doch, natürlich. Wie gesagt nur ein Versuchsaufbau und da die Rohrdurchmesser klein sind sind bei 12 bar auch die Kräfte nicht so gewaltig.

[teurorist]

also wenn ich theoretisch eine höhere Druckdifferenz zustande bekomme kann ich mehr Leistung erreichen

80k 100w wäre für manch cpu schon ein Anfang wenn 120k 200w realistisch wären würde man bei einigen cpu gut was reisen können

das Pulsierende Gas gibt seine wärme wie an den Boden ? wäre ein Kammersystem Hindernisse usw sinnvoll ?

wie wirkt sich die Länge der beiden parallel laufenden roher aus ?

[Rapp-Instruments]

Hallo Teurorist,
leider bin ich nur ein Bastler und habe nicht den theoretischen Background so einen Kühler berechnen zu können. Ich kann mich nur an das halten was ich in diversen Papers gelesen habe.
1. Der Druck ist immer im Bereich von 10 bis max. 30 bar, Pulseamplitude 10 bis 20 bar ( vielleicht technologische Gründe ?)
2. der Durchmesser beider Röhren bestimmt die Kälteleistung, je dicker die Röhren desto mehr Leistung. Bei dem 100 W 80K Kühler hatten die Röhren etwa 30 mm Durchmesser, bei einem kleinen 1W 80K etwa 5 mm Durchmesser.
3. Die Länge der Röhre ist immer zwischen 100 und 300 mm
4. Eine große Bedeutung hat offenbar die Füllung der Regeneratorröhre. Meist gestappelte Drahtnetze, je nach Länge der Röhre 200 bis 1000 Stück. Die Netze sind aus Edelstahl- oder Bronzedraht. Für besonders tiefe Temperaturen werden auch kleine Bleikügelchen im kalten Teil des Regenerators verwendet.
5. Großen Einfluss haben auch die Wärmetauscher an den beiden Enden der Pulsröhre. Über sie erfolgt der Wärmeübergang vom Kaltkopf aufs Gas und vom Gas an die Umgebung. Im einfachsten Fall ein Stapels aus Kupferdrahtnetzen, besser aber Kupferblöcke mit vielen feinen Längsschlitzen. Es scheint wichtig zu sein eine möglichst große Fläche bei kleinem Totvolumen zu haben

[Rapp-Instruments]

Noch Messung,
da der Hochdruckausgang des Kompressors sehr heiß wird ab ich die fragwürdige Weichlötung an dieser Stelle durch eine Swagelock-Kupplung ersetzt. Auf den Kompressor folgt nun ein Aftercooler, eine Kupferrohrspirale in einem Eimer Wasser. Die Endtemperatur nach einer halben Stunde liegt nun bei -75° C. Die Kühlleistung hängt immer noch stark von der Pulsamplitude ab sodaß zu erwarten ist dass eine weitere Druckerhöhung noch einiges bringen kann. Mal sehen ob ich bis zum Wochenende die -100°C Grenze schaffe. Dann wär's an der Zeit auf die Kelvinskale umzuschalten. Weitere Versuche 1. Heliumfüllung ( 5 mal größere Wärmekapazität), 2. besseres Regeneratormaterial, 3. Optimierung des Drosselventils sind noch zu unternehmen

[UnRockStar]

Woher kommst du?

evt kann ich helfen.

[Patrickclouds]

braucht man da spezielle magnetventile die so schnell schalten können?