Infineon Memajukan Pendinginan Kriogenik dengan Pendingin Stirling Berdaya Tinggi

Seiring dengan meningkatnya permintaan akan refrigerasi suhu rendah, terutama dalam aplikasi di mana batasan pasar dan persyaratan pengguna sangat berbeda dari sistem pendingin tradisional, pengembangan solusi refrigerasi yang berkinerja tinggi dan efisien menjadi semakin penting. Infinia Technology Corporation (ITC) secara aktif mengembangkan cryocooler siklus Stirling daya tinggi, satu tahap yang dirancang untuk memenuhi kebutuhan pasar yang muncul ini.

Cryocooler menggunakan konsep desain yang sangat modular sejak awal, memungkinkan adaptasi ke berbagai aplikasi tanpa perubahan besar pada sistem penggerak linier daya tinggi inti. Unit ini dapat menggunakan daya input listrik hingga 8 kW tergantung pada kondisi pengoperasian, dengan dimensi panjang 1000 mm, tinggi 530 mm (tanpa isolasi), kedalaman 300 mm, dan massa total 160 kg (tidak termasuk catu daya/pengontrol).

Sistem ini menampilkan dua generator gelombang tekanan penggerak linier yang berlawanan yang secara efektif membatalkan semua getaran motor penggerak. Getaran sisa bersih dari gerakan piston tetap minimal. ITC menilai cryocooler pada kapasitas pendinginan bersih 650 W pada 77K dengan input listrik 5800 W, meskipun beroperasi pada rentang suhu yang luas. Model saat ini yang disediakan untuk Angkatan Laut AS memberikan pendinginan 300 W pada 50K.

Rakitan ujung dingin modular—terdiri dari rakitan piston, penolak panas, regenerator, dan penukar panas kepala dingin—dioptimalkan untuk persyaratan operasional tertentu. Sistem ITC berbeda dari cryocooler berkapasitas besar lainnya dalam ukuran fisik, kinerja, dan karakteristik pengoperasian. Perusahaan menggunakan model simulasi siklus Stirling SAGE dari Gedeon Associates, yang menunjukkan korelasi yang sangat baik dengan hasil pengujian perangkat keras yang sebenarnya.

Modul generator gelombang tekanan ITC menggabungkan bantalan fleksur yang terbukti untuk menyediakan penyegelan celah gas sambil menghilangkan keausan sebagai mekanisme degradasi. Rakitan ringkas yang dihasilkan mencapai efisiensi konversi daya >87% (daya PV piston siklus Stirling/daya listrik motor penggerak) relatif terhadap kapasitas input listrik 8 kW-nya.

Untuk rentang suhu 60-110K yang menjadi perhatian khusus, konfigurasi siklus Stirling menunjukkan keunggulan kinerja 20-50% dibandingkan alternatif tabung pulsa. Keunggulan ini tumbuh secara signifikan pada suhu pengoperasian yang lebih tinggi (175K ke atas). Kekhawatiran keandalan tentang bagian bergerak tambahan dalam sistem Stirling dikurangi oleh pengalaman ekstensif ITC dengan desain bantalan fleksur yang telah menunjukkan pengoperasian berkelanjutan yang melebihi 100.000 jam.

Sistem penolakan panas limbah cryocooler merupakan pertimbangan desain yang kritis, terutama saat bertransisi dari kondisi laboratorium ke lapangan. Dampak kinerja dari suhu pendingin yang tinggi memerlukan optimasi yang cermat dari sistem manajemen termal lengkap, termasuk penukar panas penolak siklus Stirling, penukar panas sisi udara, pompa sirkulasi pendingin, dan kipas pendingin.

Arsitektur modular sistem memungkinkan beberapa opsi konfigurasi yang saat ini sedang dikembangkan:

• Pengaturan dua tahap untuk aplikasi superkonduktor 20-30K
• Konfigurasi kepala dingin ganda untuk keseimbangan yang lebih baik dengan rakitan piston besar
• Modul penggerak quad (empat generator gelombang tekanan) untuk peningkatan kapasitas pendinginan

Pengembangan motor linier yang sedang berlangsung bertujuan untuk menggandakan kapasitas penggerak saat ini dari 4 kW menjadi 8 kW per modul sambil mempertahankan atau mengurangi biaya per kilowatt, memungkinkan sistem di masa mendatang dengan daya input melebihi 30 kW.