Infineon bevordert cryogene koeling met krachtige Stirling-koelkast

Naarmate de vraag naar koeling bij lage temperaturen toeneemt, met name in toepassingen waar marktbeperkingen en gebruikersvereisten aanzienlijk verschillen van traditionele koelsystemen, wordt de ontwikkeling van hoogwaardige, efficiënte koeloplossingen steeds belangrijker. Infinia Technology Corporation (ITC) ontwikkelt actief een krachtige, één-traps Stirling-cyclus cryokoeler die is ontworpen om aan deze opkomende markbehoeften te voldoen.

De cryokoeler maakt vanaf het begin gebruik van een zeer modulair ontwerpconcept, waardoor aanpassing aan verschillende toepassingen mogelijk is zonder grote wijzigingen aan het kernsysteem met lineaire aandrijving met hoog vermogen. De unit kan tot 8 kW elektrisch ingangsvermogen gebruiken, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden, met afmetingen van 1000 mm lengte, 530 mm hoogte (zonder isolatie), 300 mm diepte en een totale massa van 160 kg (exclusief voeding/controller).

Het systeem beschikt over twee tegengestelde lineaire aandrijvingsdruk-golfgeneratoren die alle trillingen van de aandrijfmotor effectief opheffen. De netto resttrilling van de zuigerbeweging blijft minimaal. ITC beoordeelt de cryokoeler op 650 W netto koelcapaciteit bij 77K met 5800 W elektrisch ingangsvermogen, hoewel deze over een breed temperatuurbereik werkt. Het huidige model dat aan de Amerikaanse marine wordt geleverd, levert 300 W koeling bij 50K.

De modulaire koude-eindassemblage - bestaande uit zuigerassemblage, warmteafvoer, regenerator en koude-kopwarmtewisselaar - is geoptimaliseerd voor specifieke operationele vereisten. Het systeem van ITC verschilt van andere cryokoelers met grote capaciteit in fysieke grootte, prestaties en bedrijfskenmerken. Het bedrijf gebruikt het SAGE Stirling-cyclus simulatiemodel van Gedeon Associates, dat een uitstekende correlatie vertoont met de daadwerkelijke testresultaten van de hardware.

De drukgolfgeneratormodule van ITC bevat bewezen flexuurkogellagers om gasgap-afdichting te bieden en tegelijkertijd slijtage als degradatiemechanisme te elimineren. De resulterende compacte assemblage bereikt >87% vermogensconversie-efficiëntie (Stirling-cyclus zuiger PV-vermogen/elektrisch vermogen van de aandrijfmotor) ten opzichte van zijn 8 kW elektrisch ingangsvermogen.

Voor het temperatuurbereik van 60-110K van bijzonder belang, toont de Stirling-cyclusconfiguratie 20-50% prestatievoordelen ten opzichte van pulse tube-alternatieven. Deze voordelen nemen aanzienlijk toe bij hogere bedrijfstemperaturen (175K en hoger). Betrouwbaarheidsproblemen over extra bewegende delen in Stirling-systemen worden verzacht door de uitgebreide ervaring van ITC met flexuurkogellagerontwerpen die continue werking van meer dan 100.000 uur hebben aangetoond.

Het warmteafvoersysteem van de cryokoeler vertegenwoordigt een cruciale ontwerpoverweging, met name bij de overgang van laboratorium- naar veldomstandigheden. Prestatie-impacts van verhoogde koelmiddeltemperaturen vereisen zorgvuldige optimalisatie van het complete thermische beheersysteem, inclusief Stirling-cyclus afvoerwarmtewisselaar, lucht-zijdig warmtewisselaar, koelmiddelcirculatiepomp en koelventilatoren.

De modulaire architectuur van het systeem maakt meerdere configuratieopties mogelijk die momenteel in ontwikkeling zijn:

• Twee-traps arrangementen voor 20-30K supergeleidende toepassingen
• Dubbele koude-kopconfiguraties voor een betere balans met grote zuigerassemblages
• Quad-aandrijfmodules (vier drukgolfgeneratoren) voor verhoogde koelcapaciteit

De voortdurende ontwikkeling van lineaire motoren is gericht op het verdubbelen van de huidige aandrijfcapaciteit van 4 kW naar 8 kW per module, met behoud of verlaging van de kosten per kilowatt, waardoor toekomstige systemen met een ingangsvermogen van meer dan 30 kW mogelijk worden.