Stirling cycle cryocoolers are used widely in military applications. The regenerator is the key element of Stirling cycle cryocoolers. It is known that performance of the regenerator directly affects the cryocooler performance. Therefore, any improvement on the regenerator will lead to a more efficient cryocooler. Thus, it is essential to have an idea about regenerator parameters and their effects on the system. In this study Stirling engine regenerator, which is constructed by wire mesh screens, is accepted as a porous medium. Using energy balance and continuity equation, matrix and fluid thermal equations are derived. Simplified versions of these equations are obtained for not only the ideal case, but also two other cases which take into account the effects of longitudinal conduction and the effects of regenerator wall. A computer code is developed in Matlab to solve these equations using finite difference method. The developed code is validated by using Sage. Afterwards, effects of all regenerator parameters on regenerator performance are investigated in detail and results are presented. To make this investigation easier, a graphical user interface is also built (in Matlab) and used.

Les pulses tubes sont des cryoréfrigérateurs similaires aux machines Stirling mais sans pièce mobile à froid, ce qui diminue les vibrations et augmente leur fiabilité. Toutes ces caractéristiques sont les bienvenues pour les applications spatiales, un domaine où le poids et la taille de la machine sont critiques. C'est dans ce cadre qui s'insère la recherche sur la miniaturisation des pulses tubes ; pour le réussir, on peut diminuer le volume déplacé pendant un cycle de la machine, en augmentant simultanément la fréquence d'opération. Pour savoir quels sont les limitations à l'augmentation de fréquence, des simulations sur le comportement du régénérateur et l'inertance à très hautes fréquences ont été faits; une étude expérimentale sur les pertes thermiques dans le tube a été aussi élaborée; et, finalement, des prototypes de pulse tube ont été dimensionnés et caractérisés, l'un desquels satisfait les spécifications initialement données : 0.25 W à 120 K avec 20 W puissance mécanique, à 100 Hz. / Pulse Tubes are a kind of cryocoolers similar to Stirling refrigerators, apart from the cold mobile element, absent in the first, which lessens their exported vibrations and increases their reliability. Spatial applications seek these characteristics for the instruments embarked, along with small weight and size. These needs stimulate the research on pulse tube miniaturization; to achieve this reduction, one can decrease the swept volume per cycle, whilst increasing the frequency of operation. To understand the barriers to carry out very high frequency operation, simulations on the behavior of the regenerator and inertances were made, as well as an experimental study on the thermal losses of the expansion tube. Finally, several very high frequency pulse tube prototypes were built and benchmarked, one of which fulfills the requirements we had initially set : 0.25 W at 120 K, with 20 W of input power at 100 Hz.

Certaines missions d'astrophysique embarquent des détecteurs infrarouges ou X qui sont refroidis à des températures subkelvin via un système cryogénique qui comporte soit un bain d'hélium (comme pour Herschel), soit un réfrigérateur Joule-Thomson (comme pour Planck) pour le pré-refroidissement de l'étage subkelvin. Un doigt froid à tube à gaz pulsé ayant les mêmes performances qu'un Joule-Thomson pourrait offrir un certain nombre d'avantages pour les futures chaines cryogéniques (pas de pré-refroidissement nécessaire, simplicité d'intégration, fiabilité accrue).L'objectif de cette thèse concerne l'étude et la réalisation d'un doigt froid à tube à gaz pulsé 4K qui pourrait remplacer une machine Joule-Thomson. Deux principaux axes d'étude ont été menés parallèlement : des études sur les matériaux régénérateur et des études de performances. Des développements technologiques portant sur le régénérateur (étude et mise en forme de différents matériaux ayant des anomalies de chaleur spécifique à basse température) ont été menés afin d'améliorer les performances d'un doigt froid à tube à gaz pulsé haute fréquence (30Hz) travaillant avec de l'hélium 4.Cette thèse a permis d'obtenir la meilleure performance mondiale en terme de température limite en utilisant de l'hélium 4 et avec un pré-refroidissement à 20K. Une température limite de 3,86K a été obtenue et une puissance froide de 25mW est disponible à 5K. Cette thèse a également permis d'étudier l'effet du gaz réel sur le comportement de la machine, en particulier grâce à des mesures de profils de température du régénérateur. Cinq configurations différentes de régénérateur (variation de la répartition de chaleur spécifique le long du régénérateur froid) ont été testées. Elles ont permis de mieux comprendre le rôle de la répartition de la chaleur spécifique dans le régénérateur. Ces différentes mesures ont été complétées avec des études de fluctuations de températures pariétales réalisées à l'aide d'une centrale d'acquisition rapide (toutes les millisecondes). / Some astrophysics missions embark infrared or X detectors which are cooled down to subkelvin temperatures using a cryogenic cooling system that features helium bath (like for the Herschel satellite) or a Joule-Thomson cryocooler (like for the Planck satellite) for the precooling of the subkelvin cooling stage. A pulse tube cold finger which would have the same performances as a Joule-Thomson cryocooler could offer some advantages for future cryogenic chains (no need of precooling, simplicity of integration, increased reliability).The goal of this PhD is the making and the study of a pulse tube cold finger working at temperature around 4K which could replace a Joule-Thomson cryocooler. Two main lines have been worked on simultaneously : studies on materials for the cold regenerator and studies on the cold finger performances. Technological developments on the cold regenerator (including study and shaping of different materials with specific heat anomalies at low temperature) have been performed to enhance the performances of a cold finger working at high frequency (30Hz) with helium 4.The work done during this PhD led to the best no-load temperature never achieved using helium 4 and with a precooling of 20K. A no-load temperature of 3.86K has been obtained and 25mW of cooling power are available at 5K. In addition the effect of real gas on the cryorefrigerator operation has been studied in particular thanks to the measurement of regenerator thermal profiles. Five configurations with different regenerator fillings (variation of the distribution of the specific heat along the cold regenerator) have been tested. These five tests led to a better understanding of the role of the distribution of the specific heat in the regenerator. These measurements have been completed with studies of regenerator wall temperature fluctuations recorded thanks to a fast data acquisition system (each millisecond).

Cette thèse porte sur la recherche et l'amélioration de cryoréfrigérateurs à désaimantation adiabatique (ADR) pour la gamme 4 K - 50 mK. Ce refroidissement à 50 mK permettra de répondre aux besoins de réfrigération des détecteurs les plus sensibles envisagés pour les instruments des missions d'astrophysique. Ce réfrigérateur doit être efficace et de masse optimisée.Les axes clefs de ce travail sont la mise au point d’une méthode d’identification de réfrigérants magnétiques de haute performance et l'étude d’interrupteurs thermiques efficaces. Parmi les matériaux étudiés, le YbGG (Yb3Ga5O12) a été identifié comme un excellent réfrigérant potentiel pour la gamme 1.5 K - 0.4 K, confirmé par sa caractérisation expérimentale. Le travail sur les interrupteurs thermiques à gaz d'échange a permis de supprimer ou de réduire de façon importante des effets de courts-circuits thermiques transitoires parasites, lesquels apparaissent dans les conditions particulières d’utilisation de ce type de cryocooler. Finalement, un démonstrateur de cryoréfrigérateur constitué de 3 étages d’ADR en série, adapté pour les besoins des futures missions spatiales, a été dimensionné et fabriqué. / Highly sensitive detectors required for astrophysics missions demand temperatures of about 50 mK to operate with the targeted sensitivity. This PhD work is dedicated on the research and development of Adiabatic Demagnetization Refrigerators (ADR) for space in the 4 K - 50 mK range. In particular, this cryocooler is required to be efficient with optimized mass.The key points of this work are the development of a method allowing the identification of highly efficient paramagnetic materials and the improvement of thermal heat switches. Among the material studied, YbGG (Yb3Ga5O12) was identified to have a great potential as a magnetic refrigerant in the 1.5 K - 0.4 K range, which was confirmed by its characterization. Transient thermal short circuits may appear on the gas-gap thermal switches under the working conditions of this cryocooler. This study allowed us to suppress or to considerably attenuate this effect. Finally, a cryocooler prototype consisting of 3 ADR stages was designed and built.

In the planned linear accelerator called Compact Linear Collider, CLIC, electrons and positrons will be accelerated to velocities near the speed of light. A limiting factor in accelerating structures are vacuum breakdowns, which are electrical discharges from a surface as a result of a large electric field being applied. In the preparatory studies for the CLIC, Uppsala University in collaboration with The European Organization for Nuclear Research, CERN, is building a DC Spark system to analyze vacuum breakdowns. This system containing large planar electrodes will be cooled down all the way down to around 4 K in order to limit the rate of wich vacuum breakdowns happen. When cooling a system like this, which consists of different components made of different materials there is the question of how the system will be affected. The objective of this project is to investigate how the cooling will affect the stability in terms of stresses and to analyze the cool down time of the system. Another goal is to make a material recommendation for a few parts based on the results. This will be done by simulating the cooling in COMSOL Multiphysics, which is a program that uses finite element analysis to solve complex problems where different branches of physics interact. The conclusion is that the system will most likely be stable as it is and there is no need to redesign it. The choice of recommended material is alumina with the reason being it should cause the least stress and the smallest gap between the electrodes when the cooling is done. There was no big difference in the cool down time between the materials. Further studies and simulations on the system is also recommended since there are many factors not taken into consideration in this study.

Dans ce travail, un moteur Stirling de type Gamma alimenté par énergie solaire avec une faible différence de température a été étudié numériquement et expérimentalement. Un nouveau modèle appelé Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) a été proposé et appliqué au moteur GPU-3 Stirling. Un cryoréfrigérateur basé sur un moteur Stirling intégral de type Alpha a été étudié numériquement, après avoir mesuré ses dimensions géométriques au laboratoire. Pour le moteur Stirling de type gamma du laboratoire, le modèle ait thermodynamique à vitesse finie et le modèle isotherme a été développé, incluant les bilans de masse et d’énergie à travers les différents volumes (compression, régénération et expansion) dans le moteur. Différents types de pertes thermiques et mécaniques ont été considérés dans le modèle afin d'analyser les processus thermodynamiques et les pertes dans le moteur Stirling. En outre, des études paramétriques sur les performances du moteur Stirling alimenté à l’énergie solaire ont également été étudiées expérimentalement et numériquement. La comparaison entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation à différents déphasages entre le déplaceur et le piston, et à différentes course de piston montre que le modèle est convaincant dans la prédiction des performances du moteur Stirling. Basé sur la méthode thermodynamique en dimension physique finie, une méthode d’algorithme génétique multi-objectives, objectifs étant la puissance fournie, le rendement énergétique et le taux de génération d'entropie a été utilisé pour optimiser la fonction et la géométrie du moteur du type Gamma. En comparant avec la méthode d'optimisation écologique, la méthode multi-objectif permet de mieux équilibrer les trois objectifs. Le nouveau modèle (PSML) proposé pour prédire les performances du moteur de type Bêta ou Gamma du moteur Stirling, il divise l'espace de travail en 5 parties (volume de compression, refroidisseur, régénérateur, chauffage et volume d'extension). Une liaison entre volume de compression et volume d'extension a été ajoutée dans le modèle adiabatique classique du moteur Stirling. Ainsi, des processus polytropiques ont été considérés dans les volumes de compression et d'expansion du moteur Stirling. Le moteur Stirling GPU-3 a été utilisé pour valider le nouveau modèle. Il a été démontré que le nouveau modèle (PSML) prédit correctement la puissance de sortie et le rendement du moteur. Dans la dernière partie de la thèse, un Cryorefroidisseur Stirling de type Alpha, a été étudié en utilisant un modèle isotherme prenant en considération différentes pertes. Les volumes de compression et d'expansion sont considérés isothermes, et la variation de la température du régénérateur est considéré linéaire. Les bilans d'énergie et d'exergie du Cryorefroidisseur ont été réalisés, et l'effet de divers paramètres sur la performance (puissance de refroidissement et puissance mécanique consommée) est étudié. Les résultats de la simulation pour PPG-102 Stirling cryocooler ont été comparés avec deux autres résultats de simulation de la littérature et des résultats expérimentaux indiquant que ce modèle est convaincant pour prédire la performance du Cryorefroidisseur. / In this work a solar powered low temperature difference Gamma type Stirling engine has been studied experimentally and numerically using an isothermal model coupled with various losses and using an objective optimization. A new model named Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) has been proposed which was applied to the Beta type GPU-3 Stirling engine. An Alpha type integral Stirling cryocooler has been studied numerically using an isothermal model with losses. To study a Gamma type Stirling engine of our laboratory, an isothermal model coupled with finite speed method has been developed, including mass and energy balances through different spaces of the engine. The engine is divided into 3 volumes: compression volume, regeneration volume, and expansion volume. Different kind of thermal and mechanical losses have been considered in the model, in order to analyze thermodynamic processes and losses in the Stirling Engine. In addition, parameter effects on the performance of the solar powered gamma type Stirling engine have also been studied experimentally and numerically. The comparison between the experimental results and the simulation results at different phase shift between the displacer and the piston, and at different piston stroke shows that the model is convincing to predict the Stirling engine performance. Based on the Finite Physical Dimensional Thermodynamic method, a multi-objective genetic method considering output power, thermal efficiency and entropy generating rate as objective functions simultaneously, has been used to multi-objective optimize the Gamma type Stirling engine. Comparing with the ecological optimization method, the multi-objective method can better balance the three objective goals. The new model (PSML) proposed in the thesis for predicting performance of Beta or Gamma type of Stirling engine divides the working space into 5 parts (compression volume, cooler, regenerator, heater, and expansion volume). A bypass linking compression volume and expansion volume has been added in the classic adiabatic model of Stirling engine. Thus, polytropic processes have been considered in the compression and expansion volumes of the Stirling engine. The GPU-3 Stirling engine has been used to validate the new model. It was shown that the new model (PSML) predict well the output power and the thermal efficiency of the engine well. An isothermal model considering various losses was developed and presented in the last part of this thesis to study an Alpha type Stirling cryocooler, whose geometrical dimensions were measured in our laboratory. The compression and expansion volumes are supposed to be isothermal, the variation of the regenerator temperature is supposed to be linear. Energy and exergy balances of the cryocooler were developed. The effect of various parameters on the cryocooler performance (cooling power and input power) are investigated. The simulation results for PPG-102 Stirling cryocooler were compared with two other simulation results of the literature and with experimental results which indicated that this model is convincing to predict the performance of the Stirling cyocooler

Cryocoolers are closed cycle devices which produce cooling below 120 K. Usually, one or two linear motors are used to drive one pulse tube cryocooler. Cryocoolers are used for various applications like, cooling of infra red detectors, cryo surgical knife, cryogen recondenser etc. In this thesis the design development and testing of Twin Pulse Tube Cryocooler (TPTC) are discussed. TPTC consists of two pulse tubes driven by dual piston head linear compressor. This dual piston linear compressor is operated using single linear motor. Using this configuration, cooling power is doubled with reduced cost of compressor. The design, fabrication and testing of Linear Moving Magnet Synchronous Motor (LMMSM) based dual piston head linear compressor are carried out indigenously. Finite Element Method (FEM) analysis is used for estimating eddy current loss and flux distribution pattern in various mover configurations of the linear motor. The developed fabrication and assembly procedure of linear motor are discussed in detail. The mover of linear motor is supported by using a pair of cross armed C – type flexures. These flexures are designed using FEM and are fabricated indigenously. The flexure pairs are tested for 108 cycles with ± 3 mm stroke length of linear motor before assembling compressor. Linear motor is usually required to be operated at different frequencies. Thus, a variable frequency and variable voltage Pulse Width Modulated (PWM) based power supply is designed using analog circuits like Op-Amps. This cost effective power supply is capable of delivering 27 A at 100 V with frequency range of 25 Hz to 80 Hz continuously. Sage software was used to carry out 1-D simulation and obtain dimensions of various Pulse Tube Cryocooler (PTC) components. Various pulse tube configurations like Joint Twin PTC, Twin PTC with buffer volume and single PTC with buffer volume were carried out. A Computational Fluid Dynamics (CFD) Fluent 2-D analysis was carried out for single PTC with buffer volume. The fabrication and assembly procedure of PTC is discussed in detail. A novel method of heat exchanger fabrication was developed and analyzed using FEM and its performance is tested experimentally. The twin PTC is operated at 34 bar and 48 Hz. A light weight High Temperature Superconductor (HTS) based level sensor is developed to monitor the cryogen level. The developed sensor was calibrated against discrete diode array and pre-calibrated continuous capacitance type level sensor. The calibrations were carried out in indigenously designed and fabricated 4-wall cryostat using Liquid Nitrogen (LN2) and LOX as cryogen. LabVIEW software based data acquisition was designed for testing, recording and monitoring the performance of twin PTC and level sensors during experiments.

Viele Anwendungen der Hochtemperatur-Supraleitung arbeiten vorteilhaft im Temperaturbereich zwischen 30 - 50 K. Für diesen Temperaturbereich existieren nur wenige geeignete Kältemaschinen mit kleiner Kälteleistung (1-2 W) u. gutem Wirkungsgrad. Neon ist aufgrund seiner Stoffeigenschaften ein hervorragendes Kältemittel für diesen Temperaturbereich, wie z.B. anhand einer realisierten Joule-Thomson (JT) Demonstrationsanlage deutlich wird. Als Ergebnis einer Prozessanalyse wird ein Kreislauf vorgestellt, der speziell den Eigenschaften von Neon angepasst ist. Durch die Überlagerung von Wärmeübertragung u. arbeitsleistender Expansion sowie der Einbeziehung einer JT-Stufe kann auch mit wenig effizienten Komponenten ein vergleichsweise hoher Gütegrad erreicht werden. Durch die Integration von Wärmeübertragerflächen in eine Kolbenexpansionsmaschine wird ein neues Konzept vorgeschlagen, um Kälte in einem großen Temperaturbereich in vielen Expansionsschritten zu erzeugen, ohne dafür viele Expander zu verwenden. Diese Einheit wird als Wärmeübertrager-Expander (WE) bezeichnet. Mit einem Arbeitsraum in konischer Grundform wird der Wärmeübergangskoeffizient günstig gestaltet u. die Wärmeübergangsfläche vergrößert. Mehrere Versuchsmaschinen wurden untersucht. Anhand der Versuche konnten die wesentlichen Verlustquellen u. Problembereiche identifiziert werden. Es wurde im Rahmen der Versuchsbedingungen nachgewiesen, dass für das vorgesehene Druckverhältnis eine nahe isotherme Expansion u. Kompression möglich ist. Es werden Möglichkeiten zur Verringerung der Längswärmeleitung vorgestellt. Zwei Simulationsprogramme wurden verwendet. Mit Hilfe des Wärmeübertrager-Programms wurden die Wärmeübertragungsvorgänge unter Berücksichtigung der Längswärmeleitung simuliert. Hierbei geht die Expansionsarbeit als stationäre Wärmesenke ein. Der im Ergebnis vorliegende stationäre Temperaturverlauf ist die Grundlage für die Berechnung der Expansionsarbeit unter Berücksichtigung der Realgaseigenschaften im Expander-Programm. Für die Neon-Tieftemperaturvariante wurde eine Grundvariante des WE definiert. Anhand dieser wurde mit Hilfe der Programme der Einfluss verschiedener Parameter auf Kälteleistung u. Gütegrad untersucht. Der WE wird als Teil des beschriebenen Prozesses mit einer JT-Stufe betrachtet. Die Kälteleistung weist sowohl in Abhängigkeit vom Massestrom als auch vom Hub ein Maximum auf. Der Shuttle-Verlust verschiebt durch Wärmetransport mittels des Kolbens die effektive Kälteleistung zu kleineren Hüben. Die durch die Güte (NTU) des JT-Wärmeübertragers bestimmte Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms in den WE hat einen großen Einfluss auf die Kälteleistung. Mit steigender Eintrittstemperatur steigen der NTU-Wert für den Arbeitsraum u. somit auch die Kälteleistung. Das Maximum der Kälteleistung stimmt nicht mit dem Optimum für den Gütegrad überein. Der Gütegrad strebt mit sinkenden Masseströmen einem Optimum zu. Durch den zunehmenden Einfluss der Längswärmeleitung u. begrenzt durch die Minimalfüllung der Maschine aufgrund des Schadraumes ergibt sich ein Optimum. Der Einfluss des Massestroms ist entscheidend. Als untergeordnete Größen beeinflussen die Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms u. der Hub den optimalen Gütegrad. Der Einfluss der Längswärmeleitung auf Kälteleistung u. Gütegrad wird exemplarisch anhand von vergleichenden Rechnungen gezeigt. Konkret kann für einen Eintrittsdruck von 200 bar, einen Austrittsdruck von 60 bar bei einer Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms von 80 K für die Grundvariante eine maximale effektive Kälteleistung von 1,3 W mit einem Massestrom von 0,22 g/ s bei einem Hub von ca. 17 mm ausgewiesen werden. Der effektive Gütegrad für diese Bedingungen beträgt ca. 14%. Kommerzielle Split-Stirlingkühler erreichen bei 42 K einstufig Gütegrade von ca. 7%. Mit der vorgeschlagenen Konfiguration wird ein Konzept vorgestellt, das trotz technologisch offener Fragen das Gütegradniveau bekannter Kryokühler übertreffen kann. / Many applications of high temperature superconductivity are working advantageously within a temperature range between 30 K and 50 K. But for this temperature range only few suitable cryocooler with small refrigerating capacity (1-2 W) and good efficiency exist.Due to its properties Neon is an excellent refrigerant for this temperature level as an example with realised Joule-Thomson plant shows. A process analysis results in the presented cycle which is especially adapted to the properties of Neon. By combination of heat exchange and work extracting expansion and integration of a Joule-Thomson stage a high efficiency could be reached in spite of less efficient components.By arranging heat exchanger surfaces into a piston expansion machine a new concept is suggested to produce refrigeration in a large temperature range with a lot of expansion steps with reduced number of expanders. This unit is referred hereinafter to as heat exchanger-expander.The conical shaped working space results in an increase of the heat transfer coefficient and the heat transfer area.Several test machines were investigated. By means of testing the main loss sources and critical zones could be identified. The test results prove the opportunity of a near isothermal expansion and compression for the specified pressure ratio.Options to reduce the axial heat conduction are presented.Two simulation programs were utilised. Using the heat exchanger program the heat transfer is simulated in consideration of the axial heat conduction. Thereby the expansion work is considered as a stationary heat sink. The resulting stationary temperature pattern is the base for the expansion work calculation using the real gas properties in the expander program. Referring to the defined basic neon low temperature application the influence of different parameters on refrigerating capacity and efficiency was researched with the programs. The heat exchanger-expander is part of the described process with a Joule-Thomson stage. The refrigerating capacity shows a maximum depending as well from the mass flow as from the stroke. In result of the shuttle loss smaller strokes lead to better capacity due to heat transport with the piston.The inlet temperature of the low pressure flow influenced by the quality (NTU) of the Joule-Thomson heat exchanger has a large influence on the refrigerating capacity. With increasing inlet temperature the number of transfer units (NTU) for the fluid in the working volume increases and so the refrigerating capacity, too. The location of refrigerating capacity maximum and efficiency optimum is different. While decreasing mass flow efficiency is increasing to an optimum caused by the increased influence of axial heat conduction but limited by the minimum charge of the machine due to the dead space. The influence of the mass flow is dominating. As lower range values the inlet temperature of the low pressure flow and the stroke are influencing the optimal efficiency. The influence of axial heat conduction on refrigerating capacity and efficiency is shown using comparing calculations.For an inlet pressure of 200 bar, an outlet pressure of 60 bar, an inlet temperature of the low pressure flow of 80 K, a mass flow of 0,22 g/ s and a stroke of about 17 mm for the basic version of heat exchanger-expander a maximal effective refrigerating capacity of 1,3 We could be shown. The effective efficiency therefore is 14 %. Current commercial split Stirling cryocooler reach with single stage operation efficiencies of about 7 % at 42 K. The suggested configuration represents a concept that could be able to master the efficiency level of known cryocooler.

Viele Anwendungen der Hochtemperatur-Supraleitung arbeiten vorteilhaft im Temperaturbereich zwischen 30 - 50 K. Für diesen Temperaturbereich existieren nur wenige geeignete Kältemaschinen mit kleiner Kälteleistung (1-2 W) u. gutem Wirkungsgrad. Neon ist aufgrund seiner Stoffeigenschaften ein hervorragendes Kältemittel für diesen Temperaturbereich, wie z.B. anhand einer realisierten Joule-Thomson (JT) Demonstrationsanlage deutlich wird. Als Ergebnis einer Prozessanalyse wird ein Kreislauf vorgestellt, der speziell den Eigenschaften von Neon angepasst ist. Durch die Überlagerung von Wärmeübertragung u. arbeitsleistender Expansion sowie der Einbeziehung einer JT-Stufe kann auch mit wenig effizienten Komponenten ein vergleichsweise hoher Gütegrad erreicht werden. Durch die Integration von Wärmeübertragerflächen in eine Kolbenexpansionsmaschine wird ein neues Konzept vorgeschlagen, um Kälte in einem großen Temperaturbereich in vielen Expansionsschritten zu erzeugen, ohne dafür viele Expander zu verwenden. Diese Einheit wird als Wärmeübertrager-Expander (WE) bezeichnet. Mit einem Arbeitsraum in konischer Grundform wird der Wärmeübergangskoeffizient günstig gestaltet u. die Wärmeübergangsfläche vergrößert. Mehrere Versuchsmaschinen wurden untersucht. Anhand der Versuche konnten die wesentlichen Verlustquellen u. Problembereiche identifiziert werden. Es wurde im Rahmen der Versuchsbedingungen nachgewiesen, dass für das vorgesehene Druckverhältnis eine nahe isotherme Expansion u. Kompression möglich ist. Es werden Möglichkeiten zur Verringerung der Längswärmeleitung vorgestellt. Zwei Simulationsprogramme wurden verwendet. Mit Hilfe des Wärmeübertrager-Programms wurden die Wärmeübertragungsvorgänge unter Berücksichtigung der Längswärmeleitung simuliert. Hierbei geht die Expansionsarbeit als stationäre Wärmesenke ein. Der im Ergebnis vorliegende stationäre Temperaturverlauf ist die Grundlage für die Berechnung der Expansionsarbeit unter Berücksichtigung der Realgaseigenschaften im Expander-Programm. Für die Neon-Tieftemperaturvariante wurde eine Grundvariante des WE definiert. Anhand dieser wurde mit Hilfe der Programme der Einfluss verschiedener Parameter auf Kälteleistung u. Gütegrad untersucht. Der WE wird als Teil des beschriebenen Prozesses mit einer JT-Stufe betrachtet. Die Kälteleistung weist sowohl in Abhängigkeit vom Massestrom als auch vom Hub ein Maximum auf. Der Shuttle-Verlust verschiebt durch Wärmetransport mittels des Kolbens die effektive Kälteleistung zu kleineren Hüben. Die durch die Güte (NTU) des JT-Wärmeübertragers bestimmte Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms in den WE hat einen großen Einfluss auf die Kälteleistung. Mit steigender Eintrittstemperatur steigen der NTU-Wert für den Arbeitsraum u. somit auch die Kälteleistung. Das Maximum der Kälteleistung stimmt nicht mit dem Optimum für den Gütegrad überein. Der Gütegrad strebt mit sinkenden Masseströmen einem Optimum zu. Durch den zunehmenden Einfluss der Längswärmeleitung u. begrenzt durch die Minimalfüllung der Maschine aufgrund des Schadraumes ergibt sich ein Optimum. Der Einfluss des Massestroms ist entscheidend. Als untergeordnete Größen beeinflussen die Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms u. der Hub den optimalen Gütegrad. Der Einfluss der Längswärmeleitung auf Kälteleistung u. Gütegrad wird exemplarisch anhand von vergleichenden Rechnungen gezeigt. Konkret kann für einen Eintrittsdruck von 200 bar, einen Austrittsdruck von 60 bar bei einer Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms von 80 K für die Grundvariante eine maximale effektive Kälteleistung von 1,3 W mit einem Massestrom von 0,22 g/ s bei einem Hub von ca. 17 mm ausgewiesen werden. Der effektive Gütegrad für diese Bedingungen beträgt ca. 14%. Kommerzielle Split-Stirlingkühler erreichen bei 42 K einstufig Gütegrade von ca. 7%. Mit der vorgeschlagenen Konfiguration wird ein Konzept vorgestellt, das trotz technologisch offener Fragen das Gütegradniveau bekannter Kryokühler übertreffen kann. / Many applications of high temperature superconductivity are working advantageously within a temperature range between 30 K and 50 K. But for this temperature range only few suitable cryocooler with small refrigerating capacity (1-2 W) and good efficiency exist.Due to its properties Neon is an excellent refrigerant for this temperature level as an example with realised Joule-Thomson plant shows. A process analysis results in the presented cycle which is especially adapted to the properties of Neon. By combination of heat exchange and work extracting expansion and integration of a Joule-Thomson stage a high efficiency could be reached in spite of less efficient components.By arranging heat exchanger surfaces into a piston expansion machine a new concept is suggested to produce refrigeration in a large temperature range with a lot of expansion steps with reduced number of expanders. This unit is referred hereinafter to as heat exchanger-expander.The conical shaped working space results in an increase of the heat transfer coefficient and the heat transfer area.Several test machines were investigated. By means of testing the main loss sources and critical zones could be identified. The test results prove the opportunity of a near isothermal expansion and compression for the specified pressure ratio.Options to reduce the axial heat conduction are presented.Two simulation programs were utilised. Using the heat exchanger program the heat transfer is simulated in consideration of the axial heat conduction. Thereby the expansion work is considered as a stationary heat sink. The resulting stationary temperature pattern is the base for the expansion work calculation using the real gas properties in the expander program. Referring to the defined basic neon low temperature application the influence of different parameters on refrigerating capacity and efficiency was researched with the programs. The heat exchanger-expander is part of the described process with a Joule-Thomson stage. The refrigerating capacity shows a maximum depending as well from the mass flow as from the stroke. In result of the shuttle loss smaller strokes lead to better capacity due to heat transport with the piston.The inlet temperature of the low pressure flow influenced by the quality (NTU) of the Joule-Thomson heat exchanger has a large influence on the refrigerating capacity. With increasing inlet temperature the number of transfer units (NTU) for the fluid in the working volume increases and so the refrigerating capacity, too. The location of refrigerating capacity maximum and efficiency optimum is different. While decreasing mass flow efficiency is increasing to an optimum caused by the increased influence of axial heat conduction but limited by the minimum charge of the machine due to the dead space. The influence of the mass flow is dominating. As lower range values the inlet temperature of the low pressure flow and the stroke are influencing the optimal efficiency. The influence of axial heat conduction on refrigerating capacity and efficiency is shown using comparing calculations.For an inlet pressure of 200 bar, an outlet pressure of 60 bar, an inlet temperature of the low pressure flow of 80 K, a mass flow of 0,22 g/ s and a stroke of about 17 mm for the basic version of heat exchanger-expander a maximal effective refrigerating capacity of 1,3 We could be shown. The effective efficiency therefore is 14 %. Current commercial split Stirling cryocooler reach with single stage operation efficiencies of about 7 % at 42 K. The suggested configuration represents a concept that could be able to master the efficiency level of known cryocooler.

Pulse tube cryocoolers (PTC) are a class of rugged and high-endurance refrigeration systems that operate without moving parts at their low temperature ends, and are capable of reaching temperatures down to and below 123 K. PTCs are particularly suitable for applications in space, guiding systems, cryosurgery, medicine preservation, superconducting electronics, magnetic resonance imaging, weather observation, and liquefaction of gases. Applications of these cryocoolers span across many industries including defense, aerospace, biomedical, energy, and high tech. Among the challenges facing the PTC research community is the improvement of system efficiency, which is a direct function of the regenerator component performance. A PTC implements the theory of oscillatory compression and expansion of the gas within a closed volume to achieve desired refrigeration. An important deficiency with respect to the state of art models dealing with PTCs is the limited understanding of the hydrodynamic and thermal transport parameters associated with periodic flow of a cryogenic fluid in micro-porous structures. In view of the above, the goals of this investigation include: 1) experimentally measuring and correlating the steady and periodic flow Darcy permeability and Forchheimer’s inertial hydrodynamic parameters for available rare-Earth ErPr regenerator filler; 2) employing a CFD-assisted methodology for the unambiguous quantification of the Darcy permeability and Forchheimer’s inertial hydrodynamic parameters, based on experimentally measured steady and periodic flow pressure drops in porous structures representing recently developed regenerator fillers; and 3) performing a direct numerical pore-level investigation for steady and periodic flows in a generic porous medium in order to elucidate the flow and transport processes, and quantify the solid-fluid hydrodynamic and heat transfer parameters. These hydrodynamic resistances parameters were found to be significantly different for steady and oscillatory flows.