Infineon rozwija chłodzenie kriogeniczne za pomocą wysokomocowego chłodziarki Stirlinga

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na chłodzenie w niskich temperaturach, szczególnie w zastosowaniach, gdzie ograniczenia rynkowe i wymagania użytkowników znacznie różnią się od tradycyjnych systemów chłodzenia, rozwijanie wysokowydajnych, wydajnych rozwiązań chłodniczych staje się coraz bardziej krytyczne. Infinia Technology Corporation (ITC) aktywnie rozwija wysokowydajny, jednostopniowy kriochłodziarkę w cyklu Stirlinga, zaprojektowaną w celu zaspokojenia tych pojawiających się potrzeb rynkowych.

Kriochłodziarka wykorzystuje wysoce modułową koncepcję projektową od samego początku, umożliwiając adaptację do różnych zastosowań bez większych zmian w podstawowym, wysokowydajnym, liniowym systemie napędowym. Urządzenie może wykorzystywać do 8 kW mocy wejściowej w zależności od warunków pracy, o wymiarach 1000 mm długości, 530 mm wysokości (bez izolacji), 300 mm głębokości i całkowitej masie 160 kg (z wyłączeniem zasilacza/kontrolera).

System posiada dwa przeciwstawne generatory fal ciśnienia z napędem liniowym, które skutecznie eliminują wszystkie wibracje silnika napędowego. Pozostałe wibracje netto z ruchu tłoka pozostają minimalne. ITC ocenia kriochłodziarkę na 650 W netto mocy chłodniczej w temperaturze 77K przy wejściu elektrycznym 5800 W, chociaż działa w szerokim zakresie temperatur. Obecny model dostarczony Marynarce Wojennej Stanów Zjednoczonych zapewnia chłodzenie 300 W w temperaturze 50K.

Modułowy zespół zimnego końca — składający się z zespołu tłoka, odrzutnika ciepła, regeneratora i wymiennika ciepła zimnej głowicy — jest zoptymalizowany pod kątem specyficznych wymagań operacyjnych. System ITC różni się od innych kriochłodziarek o dużej pojemności pod względem wielkości fizycznej, wydajności i charakterystyki pracy. Firma wykorzystuje model symulacji cyklu Stirlinga SAGE firmy Gedeon Associates, który wykazuje doskonałą korelację z rzeczywistymi wynikami testów sprzętowych.

Moduł generatora fal ciśnienia ITC zawiera sprawdzone łożyska przegubowe, które zapewniają uszczelnienie szczeliny gazowej, jednocześnie eliminując zużycie jako mechanizm degradacji. Powstały kompaktowy zespół osiąga >87% sprawności konwersji mocy (moc tłoka PV cyklu Stirlinga/moc elektryczna silnika napędowego) w stosunku do jego mocy wejściowej 8 kW.

Dla zakresu temperatur 60-110K, który jest szczególnie interesujący, konfiguracja cyklu Stirlinga wykazuje 20-50% przewagi wydajności nad alternatywami rur impulsowych. Te zalety rosną znacznie w wyższych temperaturach pracy (175K i wyższych). Obawy dotyczące niezawodności dotyczące dodatkowych ruchomych części w systemach Stirlinga są łagodzone przez duże doświadczenie ITC z konstrukcjami łożysk przegubowych, które wykazały ciągłą pracę przekraczającą 100 000 godzin.

System odprowadzania ciepła z kriochłodziarki stanowi krytyczne zagadnienie projektowe, szczególnie podczas przechodzenia z warunków laboratoryjnych do terenowych. Wpływ na wydajność wynikający z podwyższonych temperatur chłodziwa wymaga starannej optymalizacji kompletnego systemu zarządzania termicznego, w tym wymiennika ciepła odrzutnika cyklu Stirlinga, wymiennika ciepła po stronie powietrza, pompy cyrkulacyjnej chłodziwa i wentylatorów chłodzących.

Modułowa architektura systemu umożliwia wiele opcji konfiguracji, które są obecnie w fazie rozwoju:

• Układy dwustopniowe dla zastosowań nadprzewodnikowych 20-30K
• Konfiguracje z podwójną zimną głowicą dla lepszej równowagi z dużymi zespołami tłoków
• Moduły czteronapędowe (cztery generatory fal ciśnienia) dla zwiększonej mocy chłodniczej

Trwający rozwój silników liniowych ma na celu podwojenie obecnej mocy napędu z 4 kW do 8 kW na moduł, przy jednoczesnym utrzymaniu lub obniżeniu kosztu na kilowat, umożliwiając przyszłe systemy o mocy wejściowej przekraczającej 30 kW.