Infineon fait progresser le refroidissement cryogénique avec un réfrigérateur Stirling haute puissance

Alors que la demande de réfrigération à basse température augmente, en particulier dans les applications où les contraintes du marché et les exigences des utilisateurs diffèrent considérablement des systèmes de refroidissement traditionnels, le développement de solutions de réfrigération performantes et efficaces devient de plus en plus crucial. Infinia Technology Corporation (ITC) développe activement un cryoréfrigérateur à cycle Stirling à un seul étage et à haute puissance, conçu pour répondre à ces nouveaux besoins du marché.

Le cryoréfrigérateur utilise un concept de conception hautement modulaire dès sa conception, ce qui permet de l'adapter à diverses applications sans modifications majeures du système d'entraînement linéaire haute puissance de base. L'unité peut utiliser jusqu'à 8 kW de puissance électrique en entrée, selon les conditions de fonctionnement, avec des dimensions de 1000 mm de longueur, 530 mm de hauteur (sans isolation), 300 mm de profondeur et une masse totale de 160 kg (hors alimentation/contrôleur).

Le système est équipé de deux générateurs d'ondes de pression à entraînement linéaire opposés qui annulent efficacement toutes les vibrations du moteur d'entraînement. Les vibrations résiduelles nettes dues au mouvement du piston restent minimes. ITC évalue le cryoréfrigérateur à une capacité de refroidissement nette de 650 W à 77K avec une entrée électrique de 5800 W, bien qu'il fonctionne sur une large plage de températures. Le modèle actuel fourni à la marine américaine fournit 300 W de refroidissement à 50K.

L'ensemble modulaire de l'extrémité froide — comprenant l'ensemble piston, le rejet de chaleur, le régénérateur et l'échangeur de chaleur de la tête froide — est optimisé pour des exigences opérationnelles spécifiques. Le système d'ITC diffère des autres cryoréfrigérateurs de grande capacité en termes de taille physique, de performances et de caractéristiques de fonctionnement. L'entreprise utilise le modèle de simulation du cycle Stirling SAGE de Gedeon Associates, qui montre une excellente corrélation avec les résultats réels des tests matériels.

Le module générateur d'ondes de pression d'ITC intègre des paliers à flexure éprouvés pour assurer l'étanchéité du jeu gazeux tout en éliminant l'usure en tant que mécanisme de dégradation. L'ensemble compact qui en résulte atteint une efficacité de conversion de puissance >87 % (puissance PV du piston du cycle Stirling/puissance électrique du moteur d'entraînement) par rapport à sa capacité d'entrée électrique de 8 kW.

Pour la plage de températures de 60 à 110 K d'un intérêt particulier, la configuration du cycle Stirling démontre des avantages de performance de 20 à 50 % par rapport aux alternatives de tube à impulsions. Ces avantages augmentent considérablement à des températures de fonctionnement plus élevées (175 K et plus). Les problèmes de fiabilité concernant les pièces mobiles supplémentaires dans les systèmes Stirling sont atténués par la vaste expérience d'ITC avec les conceptions de paliers à flexure qui ont démontré un fonctionnement continu dépassant 100 000 heures.

Le système de rejet de chaleur du cryoréfrigérateur représente une considération de conception critique, en particulier lors de la transition du laboratoire aux conditions de terrain. Les impacts sur les performances des températures de liquide de refroidissement élevées nécessitent une optimisation minutieuse du système de gestion thermique complet, y compris l'échangeur de chaleur de rejet du cycle Stirling, l'échangeur de chaleur côté air, la pompe de circulation du liquide de refroidissement et les ventilateurs.

L'architecture modulaire du système permet plusieurs options de configuration actuellement en développement :

• Dispositions à deux étages pour les applications supraconductrices de 20 à 30 K
• Configurations à double tête froide pour un meilleur équilibre avec les grands ensembles de pistons
• Modules à quatre entraînements (quatre générateurs d'ondes de pression) pour une capacité de refroidissement accrue

Le développement continu de moteurs linéaires vise à doubler la capacité d'entraînement actuelle de 4 kW à 8 kW par module tout en maintenant ou en réduisant le coût par kilowatt, ce qui permettra de futurs systèmes avec une puissance d'entrée dépassant 30 kW.