Infineon treibt kryogene Kühlung mit Hochleistungs-Stirling-Kühler voran

Da der Bedarf an Tieftemperaturkühlung wächst, insbesondere in Anwendungen, bei denen sich Marktbeschränkungen und Benutzeranforderungen erheblich von herkömmlichen Kühlsystemen unterscheiden, wird die Entwicklung von leistungsstarken, effizienten Kühllösungen immer wichtiger. Die Infinia Technology Corporation (ITC) entwickelt aktiv einen Hochleistungs-Ein-Stufen-Stirling-Kryokühler, der darauf ausgelegt ist, diese neuen Marktanforderungen zu erfüllen.

Der Kryokühler verwendet von Anfang an ein hochmodulares Designkonzept, das eine Anpassung an verschiedene Anwendungen ohne größere Änderungen am Kern-Hochleistungs-Linearantriebssystem ermöglicht. Das Gerät kann je nach Betriebsbedingungen bis zu 8 kW elektrische Eingangsleistung nutzen, mit Abmessungen von 1000 mm Länge, 530 mm Höhe (ohne Isolierung), 300 mm Tiefe und einer Gesamtmasse von 160 kg (ohne Stromversorgung/Steuerung).

Das System verfügt über zwei gegenläufige Linearantriebs-Druckwellengeneratoren, die alle Vibrationen des Antriebsmotors effektiv ausgleichen. Die verbleibende Restvibration durch die Kolbenbewegung bleibt minimal. ITC bewertet den Kryokühler mit 650 W Netto-Kühlleistung bei 77 K mit 5800 W elektrischer Eingangsleistung, obwohl er über einen weiten Temperaturbereich arbeitet. Das aktuelle Modell, das der US-Marine zur Verfügung gestellt wird, liefert 300 W Kühlung bei 50 K.

Die modulare Kaltendbaugruppe – bestehend aus Kolbenbaugruppe, Wärmeableiter, Regenerator und Kaltkopf-Wärmetauscher – ist für spezifische Betriebsanforderungen optimiert. Das System von ITC unterscheidet sich von anderen Kryokühlern mit großer Kapazität in Bezug auf Größe, Leistung und Betriebseigenschaften. Das Unternehmen verwendet das SAGE-Stirling-Zyklus-Simulationsmodell von Gedeon Associates, das eine ausgezeichnete Korrelation mit den tatsächlichen Testergebnissen der Hardware zeigt.

Das Druckwellengeneratormodul von ITC enthält bewährte Flexurlager, um eine Gasabdichtung zu gewährleisten und gleichzeitig Verschleiß als Abbau-Mechanismus zu eliminieren. Die resultierende kompakte Baugruppe erreicht einen Wirkungsgrad von >87 % (Stirling-Zyklus-Kolben-PV-Leistung/elektrische Antriebsmotorleistung) im Verhältnis zu seiner elektrischen Eingangsleistung von 8 kW.

Für den für uns besonders interessanten Temperaturbereich von 60-110 K zeigt die Stirling-Zyklus-Konfiguration Leistungs-vorteile von 20-50 % gegenüber Pulswellenrohr-Alternativen. Diese Vorteile nehmen bei höheren Betriebstemperaturen (175 K und höher) deutlich zu. Zuverlässigkeitsprobleme hinsichtlich zusätzlicher beweglicher Teile in Stirling-Systemen werden durch die umfangreiche Erfahrung von ITC mit Flexurlager-Konstruktionen gemildert, die einen Dauerbetrieb von über 100.000 Stunden gezeigt haben.

Das Wärmeableitungssystem des Kryokühlers stellt eine kritische Designüberlegung dar, insbesondere beim Übergang vom Labor in den Feldeinsatz. Leistungsauswirkungen durch erhöhte Kühlmitteltemperaturen erfordern eine sorgfältige Optimierung des gesamten Wärmemanagementsystems, einschließlich Stirling-Zyklus-Ableiter-Wärmetauscher, luftseitiger Wärmetauscher, Kühlmittelzirkulationspumpe und Lüfter.

Die modulare Architektur des Systems ermöglicht mehrere Konfigurationsoptionen, die sich derzeit in der Entwicklung befinden:

• Zweistufige Anordnungen für 20-30 K Supraleiteranwendungen
• Doppelkaltkopfkonfigurationen für eine verbesserte Balance mit großen Kolbenbaugruppen
• Quad-Antriebsmodule (vier Druckwellengeneratoren) für erhöhte Kühlleistung

Die laufende Entwicklung von Linearmotoren zielt darauf ab, die aktuelle Antriebsleistung von 4 kW auf 8 kW pro Modul zu verdoppeln und gleichzeitig die Kosten pro Kilowatt zu halten oder zu senken, was zukünftige Systeme mit einer Eingangsleistung von über 30 kW ermöglicht.