Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6929

Instructions for Using the Numeric Code FZKPTR for the Design of Pulse Tube Coolers

A. Hofmann

Abstract
Pulse tube refrigerators (PTR) are most attractive devices for cooling at cryogenic temperatures (T<100 K). Such coolers are based on Stirling process gas cycles, but they are so designed that they have no mechanical components moving at low temperatures. By this fact, they will run very smoothly, and they become very reliable. Temperatures down to about 20 K can be achieved with single stage configurations and even less than 2 K with two-stage systems. Single stage systems are ranging typically from sizes lifting less than 1 W up to several 100 W from 80 K to ambient temperature, and typical two-stage systems will lift about 1 W from 4 K. Operational frequencies may range from about 1 Hz for two-stage systems and more than 50 Hz for single-stage coolers. The design of such coolers is a difficult task. But the present computer code FZKPTR proves to be a valuable tool for doing such work and for getting a profound understanding of the thermodynamic process going on in the whole system. The easy-to-handle code is based on the thermoacoustic theory. It has been written for a two-stage 4 K PTR. But is can also be used for many other configurations. The basic use and the installation to a PC platform is described in the first chapters. The theoretical background and the basic architecture of the code will be explained with respect to use the code for manifold applications. This is being explained on hand of different examples ranging from low frequency (2 Hz) 4 K coolers to high frequency (60 Hz) single stage coolers with inertance tube phase shifters. Moreover it is shown how this code can be used to describe simple configurations of thermoacoustic drivers. This report serves as a manual for solving user defined applications. A wide spectrum of such applications can be treated just by modification of a clearly organized list of input data. The compiled code will run on any PC. Most users will not need a Fortran compiler.

Anleitung zum Rechenprogramm FZKPTR für die Auslegung von Pulsrohrkühlern

Zusammenfassung
Pulsrohrkühler (Pulse Tube Refrigerator, PTR) gewinnen zunehmend an Bedeutung zur Kühlung im kryogenen Temperaturbereich (T<100K). Hierbei handelt es sich um Gaskältemaschinen mit einem Stirling-Prozess, der ohne Komponenten, die bei tiefen Temperaturen bewegt werden müssen, funktioniert. Dadurch werden extrem gute Laufruhe und hohe Zuverlässigkeit erzielt. Mit einstufigen Einrichtungen erreicht man Kühltemperaturen bis herab zu etwa 20 K und mit zweistufigen Anordnungen sogar weniger als 2 K. Die Kühlleistungen von einstufigen Systemen reichen von weniger als 1 W bis zu einigen 100 W bei 80 K, und typische zweistufige Pulsrohrkühlern werden eingesetzt um bei 4K eine Kühlleistung von etwa 1 W aufzubringen. Die Betriebsfrequenzen reichen von etwa 1 Hz bei zweistufigen Kühlern bis zu mehr als 50 Hz bei einstufigen. Trotz des sehr einfach wirkenden Aufbaus ist die Auslegung solcher Geräte noch eine große Herausforderung. Der hier beschriebene Rechencode FZKPTR erweist sich als sehr wertvolles Werkzeug für solche Arbeiten. Er vermittelt auch einen vertieften Einblick in die thermodynamischen Prozesse, die in einem solche solchen System ablaufen. Der leicht zu handhabende Code basiert auf der thermoakustischen Theorie. Er wurde primär für zweistufige 4K-Pulsrohrkühler konzipiert, aber er kann auch für vielfältige andere Konfigurationen genutzt werden. In den ersten Kapiteln werden grundlegende Dinge zur Handhabung und zur Installation des Rechenprogramms auf einen PC erklärt. Danach werden die theoretischen Grundlagen und der Aufbau des Rechenverfahrens beschrieben. Die unterschiedlichen Modifikationen werden anhand von Beispielen, die von niederfrequenten (2 Hz) 4K-Kühlern bis zu hochfrequenten (60 Hz) einstufigen Kühlern mit 'Trägheitsrohr-Phasenschiebern', reichen. Darüber hinaus wird auch gezeigt, wie der Code verwendet werden kann, um einfache thermoakustische Treiber zu behandeln. Dieser Bericht dient als Handbuch zur Lösung von nutzerspezifischen Anwendungen. Die spezifischen Vorgaben werden in einer übersichtlich aufgebauten Liste eingegeben. Die Ergebnisse werden in Tabellen ausgegeben und können leicht in Grafikprogramme übertragen werden. Die hier beschriebenen Anwendungen können mit dem compilierten Code, der auf jedem PC läuft, bearbeitet werden. Somit werden die meisten Nutzer keinen zusätzlichen Fortran-Compiler benötigen.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK