Η Infineon προωθεί την κρυογενική ψύξη με ψύκτη Stirling υψηλής ισχύος

Καθώς η ζήτηση για ψύξη χαμηλής θερμοκρασίας αυξάνεται, ιδιαίτερα σε εφαρμογές όπου οι περιορισμοί της αγοράς και οι απαιτήσεις των χρηστών διαφέρουν σημαντικά από τα παραδοσιακά συστήματα ψύξης, η ανάπτυξη λύσεων ψύξης υψηλής απόδοσης και αποδοτικότητας γίνεται όλο και πιο κρίσιμη. Η Infinia Technology Corporation (ITC) αναπτύσσει ενεργά ένα ψυκτικό μηχάνημα κρυοψύξης Stirling μονού σταδίου υψηλής ισχύος, σχεδιασμένο να καλύπτει αυτές τις αναδυόμενες ανάγκες της αγοράς.

Το κρυοψυκτικό μηχάνημα χρησιμοποιεί μια εξαιρετικά αρθρωτή σχεδιαστική ιδέα από την αρχή, επιτρέποντας την προσαρμογή σε διάφορες εφαρμογές χωρίς σημαντικές αλλαγές στο βασικό σύστημα γραμμικής κίνησης υψηλής ισχύος. Η μονάδα μπορεί να χρησιμοποιήσει έως και 8 kW ηλεκτρικής ισχύος εισόδου ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας, με διαστάσεις 1000 mm μήκος, 530 mm ύψος (χωρίς μόνωση), 300 mm βάθος και συνολική μάζα 160 kg (εκτός τροφοδοτικού/ελεγκτή).

Το σύστημα διαθέτει δύο αντίθετους γεννήτριες κυμάτων πίεσης γραμμικής κίνησης που ακυρώνουν αποτελεσματικά όλες τις δονήσεις του κινητήρα κίνησης. Η καθαρή υπολειμματική δόνηση από την κίνηση του εμβόλου παραμένει ελάχιστη. Η ITC βαθμολογεί το κρυοψυκτικό μηχάνημα στα 650 W καθαρής ψυκτικής ικανότητας στους 77K με 5800 W ηλεκτρικής εισόδου, αν και λειτουργεί σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Το τρέχον μοντέλο που παρέχεται στο Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ παρέχει 300 W ψύξης στους 50K.

Η αρθρωτή διάταξη ψυχρού άκρου—που περιλαμβάνει τη διάταξη εμβόλου, τον απορροφητή θερμότητας, τον αναγεννητή και τον εναλλάκτη θερμότητας ψυχρής κεφαλής—είναι βελτιστοποιημένη για συγκεκριμένες λειτουργικές απαιτήσεις. Το σύστημα της ITC διαφέρει από άλλα κρυοψυκτικά μηχανήματα μεγάλης χωρητικότητας σε φυσικό μέγεθος, απόδοση και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Η εταιρεία χρησιμοποιεί το μοντέλο προσομοίωσης κύκλου SAGE Stirling της Gedeon Associates, το οποίο δείχνει εξαιρετική συσχέτιση με τα πραγματικά αποτελέσματα των δοκιμών υλικού.

Η μονάδα γεννήτριας κυμάτων πίεσης της ITC ενσωματώνει αποδεδειγμένα ρουλεμάν κάμψης για να παρέχει στεγανοποίηση κενού αερίου, εξαλείφοντας παράλληλα τη φθορά ως μηχανισμό υποβάθμισης. Η προκύπτουσα συμπαγής διάταξη επιτυγχάνει >87% απόδοση μετατροπής ισχύος (ισχύς εμβόλου PV κύκλου Stirling/ηλεκτρική ισχύς κινητήρα κίνησης) σε σχέση με την ηλεκτρική ισχύ εισόδου 8 kW.

Για το εύρος θερμοκρασίας 60-110K ιδιαίτερου ενδιαφέροντος, η διαμόρφωση του κύκλου Stirling επιδεικνύει πλεονεκτήματα απόδοσης 20-50% σε σχέση με τις εναλλακτικές λύσεις σωλήνων παλμού. Αυτά τα πλεονεκτήματα αυξάνονται σημαντικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας (175K και άνω). Οι ανησυχίες αξιοπιστίας σχετικά με τα πρόσθετα κινούμενα μέρη στα συστήματα Stirling μετριάζονται από την εκτεταμένη εμπειρία της ITC με σχέδια ρουλεμάν κάμψης που έχουν αποδείξει συνεχή λειτουργία που υπερβαίνει τις 100.000 ώρες.

Το σύστημα απόρριψης θερμότητας αποβλήτων του κρυοψυκτικού μηχανήματος αντιπροσωπεύει μια κρίσιμη σχεδιαστική σκέψη, ιδιαίτερα κατά τη μετάβαση από εργαστηριακές σε συνθήκες πεδίου. Οι επιπτώσεις στην απόδοση από τις αυξημένες θερμοκρασίες ψυκτικού απαιτούν προσεκτική βελτιστοποίηση του πλήρους συστήματος θερμικής διαχείρισης, συμπεριλαμβανομένου του εναλλάκτη θερμότητας απορριπτήρα κύκλου Stirling, του εναλλάκτη θερμότητας αέρα, της αντλίας κυκλοφορίας ψυκτικού και των ανεμιστήρων ψύξης.

Η αρθρωτή αρχιτεκτονική του συστήματος επιτρέπει πολλαπλές επιλογές διαμόρφωσης που βρίσκονται επί του παρόντος υπό ανάπτυξη:

• Διατάξεις δύο σταδίων για εφαρμογές υπεραγωγιμότητας 20-30K
• Διαμορφώσεις διπλής ψυχρής κεφαλής για βελτιωμένη ισορροπία με μεγάλες διατάξεις εμβόλων
• Μονάδες τετραπλής κίνησης (τέσσερις γεννήτριες κυμάτων πίεσης) για αυξημένη ψυκτική ικανότητα

Η συνεχής ανάπτυξη γραμμικού κινητήρα στοχεύει να διπλασιάσει την τρέχουσα χωρητικότητα κίνησης από 4 kW σε 8 kW ανά μονάδα, διατηρώντας ή μειώνοντας το κόστος ανά κιλοβάτ, επιτρέποντας μελλοντικά συστήματα με ισχύ εισόδου που υπερβαίνει τα 30 kW.