Infineon avanza il raffreddamento criogenico con il refrigeratore Stirling ad alta potenza

Con la crescente domanda di refrigerazione a bassa temperatura, in particolare in applicazioni in cui i vincoli di mercato e i requisiti degli utenti differiscono significativamente dai sistemi di raffreddamento tradizionali, lo sviluppo di soluzioni di refrigerazione efficienti e ad alte prestazioni diventa sempre più critico. Infinia Technology Corporation (ITC) sta attivamente sviluppando un criorefrigeratore a ciclo Stirling a stadio singolo e ad alta potenza, progettato per soddisfare queste esigenze di mercato emergenti.

Il criorefrigeratore impiega un concetto di progettazione altamente modulare fin dall'inizio, consentendo l'adattamento a varie applicazioni senza modifiche significative al sistema di azionamento lineare ad alta potenza principale. L'unità può utilizzare fino a 8 kW di potenza elettrica in ingresso a seconda delle condizioni operative, con dimensioni di 1000 mm di lunghezza, 530 mm di altezza (senza isolamento), 300 mm di profondità e una massa totale di 160 kg (escluso alimentatore/controller).

Il sistema è dotato di due generatori di onde di pressione ad azionamento lineare contrapposti che annullano efficacemente tutte le vibrazioni del motore di azionamento. La vibrazione residua netta dal movimento del pistone rimane minima. ITC valuta il criorefrigeratore a 650 W di capacità di raffreddamento netta a 77K con 5800 W di ingresso elettrico, sebbene operi in un'ampia gamma di temperature. L'attuale modello fornito alla Marina degli Stati Uniti eroga 300 W di raffreddamento a 50K.

L'assieme modulare dell'estremità fredda, composto dall'assieme pistone, dal rigetto di calore, dal rigeneratore e dallo scambiatore di calore della testa fredda, è ottimizzato per specifici requisiti operativi. Il sistema ITC differisce da altri criorefrigeratori di grande capacità per dimensioni fisiche, prestazioni e caratteristiche operative. L'azienda utilizza il modello di simulazione del ciclo Stirling SAGE di Gedeon Associates, che mostra un'eccellente correlazione con i risultati dei test hardware reali.

Il modulo generatore di onde di pressione di ITC incorpora cuscinetti a flessione collaudati per fornire tenuta del traferro del gas eliminando l'usura come meccanismo di degrado. Il gruppo compatto risultante raggiunge un'efficienza di conversione di potenza >87% (potenza PV del pistone del ciclo Stirling/potenza elettrica del motore di azionamento) rispetto alla sua capacità di ingresso elettrico di 8 kW.

Per la gamma di temperature di particolare interesse di 60-110K, la configurazione del ciclo Stirling dimostra vantaggi prestazionali dal 20 al 50% rispetto alle alternative a tubo a impulsi. Questi vantaggi crescono significativamente a temperature operative più elevate (175K e superiori). Le preoccupazioni di affidabilità sui componenti mobili aggiuntivi nei sistemi Stirling sono mitigate dalla vasta esperienza di ITC con i progetti di cuscinetti a flessione che hanno dimostrato un funzionamento continuo superiore a 100.000 ore.

Il sistema di reiezione del calore di scarto del criorefrigeratore rappresenta una considerazione progettuale critica, in particolare quando si passa dal laboratorio alle condizioni sul campo. Gli impatti sulle prestazioni dovuti alle temperature elevate del refrigerante richiedono un'attenta ottimizzazione dell'intero sistema di gestione termica, tra cui lo scambiatore di calore del rigetto del ciclo Stirling, lo scambiatore di calore lato aria, la pompa di circolazione del refrigerante e le ventole di raffreddamento.

L'architettura modulare del sistema consente più opzioni di configurazione attualmente in fase di sviluppo:

• Disposizioni a due stadi per applicazioni superconduttive a 20-30K
• Configurazioni a doppia testa fredda per un migliore equilibrio con grandi gruppi pistone
• Moduli quad-drive (quattro generatori di onde di pressione) per una maggiore capacità di raffreddamento

Lo sviluppo del motore lineare in corso mira a raddoppiare l'attuale capacità di azionamento da 4 kW a 8 kW per modulo, mantenendo o riducendo il costo per kilowatt, consentendo sistemi futuri con potenza in ingresso superiore a 30 kW.