インフィニオン、高出力スターリング冷凍機で極低温冷却を推進

低温冷凍の需要、特に市場の制約やユーザーの要件が従来の冷却システムとは大きく異なる用途において、高性能で効率的な冷凍ソリューションの開発がますます重要になっています。Infinia Technology Corporation (ITC) は、これらの新たな市場ニーズに対応するために設計された、高出力のシングルステージスターリングサイクルクライオクーラーを積極的に開発しています。

このクライオクーラーは、当初から高度なモジュール設計コンセプトを採用しており、コアの高出力リニア駆動システムを大きく変更することなく、さまざまな用途に適応できます。動作条件に応じて最大8kWの電気入力電力を利用でき、寸法は長さ1000mm、高さ530mm（断熱材なし）、奥行き300mm、総質量160kg（電源/コントローラーを除く）です。

このシステムは、2つの対向するリニアドライブ圧力波発生器を備えており、すべての駆動モーターの振動を効果的に打ち消します。ピストンの動きによる正味の残留振動は最小限に抑えられます。ITCは、5800Wの電気入力で77Kで650Wの正味冷却能力をこのクライオクーラーに評価していますが、幅広い温度範囲で動作します。米国海軍に提供されている現在のモデルは、50Kで300Wの冷却を提供します。

ピストンアセンブリ、熱排熱器、再生器、コールドヘッド熱交換器で構成されるモジュール式のコールドエンドアセンブリは、特定の動作要件に合わせて最適化されています。ITCのシステムは、物理的なサイズ、性能、および動作特性において、他の大容量クライオクーラーとは異なります。同社は、Gedeon AssociatesのSAGEスターリングサイクルシミュレーションモデルを採用しており、実際のハードウェアテスト結果との優れた相関を示しています。

ITCの圧力波発生器モジュールは、実績のあるフレクシャベアリングを組み込んでおり、摩耗を劣化メカニズムとして排除しながら、ガスギャップシールを提供します。その結果、コンパクトなアセンブリは、8kWの電気入力容量に対して>87%の電力変換効率（スターリングサイクルピストンPV電力/駆動モーター電気電力）を達成します。

特に注目される60〜110Kの温度範囲では、スターリングサイクル構成は、パルスチューブの代替案よりも20〜50％の性能上の利点を示します。これらの利点は、より高い動作温度（175K以上）で大幅に向上します。スターリングシステムにおける追加の可動部品に関する信頼性の懸念は、100,000時間を超える連続運転を実証しているITCのフレクシャベアリング設計に関する豊富な経験によって軽減されます。

クライオクーラーの廃熱除去システムは、特に実験室から現場条件に移行する際に、重要な設計上の考慮事項となります。冷却剤温度の上昇による性能への影響は、スターリングサイクル排熱器、空気側熱交換器、冷却剤循環ポンプ、および冷却ファンを含む完全な熱管理システムの慎重な最適化を必要とします。

システムのモジュールアーキテクチャにより、現在開発中の複数の構成オプションが可能になります。

• 20〜30Kの超伝導用途向けの2段構成
• 大型ピストンアセンブリとのバランスを改善するためのデュアルコールドヘッド構成
• 冷却能力を向上させるためのクワッドドライブモジュール（4つの圧力波発生器）

進行中のリニアモーター開発は、現在の駆動容量をモジュールあたり4kWから8kWに倍増させながら、キロワットあたりのコストを維持または削減することを目指しており、30kWを超える入力電力を持つ将来のシステムを可能にします。