A Infineon Avança a Refrigeração Criogênica com Refrigerador Stirling de Alta Potência

À medida que a demanda por refrigeração de baixa temperatura cresce, particularmente em aplicações onde as restrições do mercado e os requisitos do usuário diferem significativamente dos sistemas de resfriamento tradicionais, o desenvolvimento de soluções de refrigeração eficientes e de alto desempenho torna-se cada vez mais crítico. A Infinia Technology Corporation (ITC) está ativamente desenvolvendo um criocooler de ciclo Stirling de estágio único e alta potência, projetado para atender a essas necessidades de mercado emergentes.

O criocooler emprega um conceito de design altamente modular desde o início, permitindo a adaptação a várias aplicações sem grandes alterações no sistema central de acionamento linear de alta potência. A unidade pode utilizar até 8 kW de potência de entrada elétrica, dependendo das condições de operação, com dimensões de 1000 mm de comprimento, 530 mm de altura (sem isolamento), 300 mm de profundidade e uma massa total de 160 kg (excluindo fonte de alimentação/controlador).

O sistema apresenta dois geradores de onda de pressão de acionamento linear opostos que cancelam efetivamente todas as vibrações do motor de acionamento. A vibração residual líquida do movimento do pistão permanece mínima. A ITC classifica o criocooler em 650 W de capacidade líquida de resfriamento a 77K com 5800 W de entrada elétrica, embora opere em uma ampla faixa de temperatura. O modelo atual fornecido à Marinha dos EUA fornece 300 W de resfriamento a 50K.

O conjunto modular de extremidade fria—compreendendo o conjunto do pistão, rejeitor de calor, regenerador e trocador de calor da cabeça fria—é otimizado para requisitos operacionais específicos. O sistema da ITC difere de outros criocoolers de grande capacidade em tamanho físico, desempenho e características operacionais. A empresa emprega o modelo de simulação de ciclo Stirling SAGE da Gedeon Associates, que mostra excelente correlação com os resultados reais dos testes de hardware.

O módulo gerador de onda de pressão da ITC incorpora rolamentos de flexão comprovados para fornecer vedação de folga de gás, eliminando o desgaste como um mecanismo de degradação. O conjunto compacto resultante atinge >87% de eficiência de conversão de energia (potência PV do pistão do ciclo Stirling/potência elétrica do motor de acionamento) em relação à sua capacidade de entrada elétrica de 8 kW.

Para a faixa de temperatura de 60-110K de particular interesse, a configuração do ciclo Stirling demonstra vantagens de desempenho de 20-50% em relação às alternativas de tubo de pulso. Essas vantagens crescem significativamente em temperaturas operacionais mais altas (175K e acima). As preocupações com a confiabilidade sobre peças móveis adicionais em sistemas Stirling são mitigadas pela vasta experiência da ITC com projetos de rolamentos de flexão que demonstraram operação contínua superior a 100.000 horas.

O sistema de rejeição de calor residual do criocooler representa uma consideração crítica de projeto, particularmente ao fazer a transição do laboratório para as condições de campo. Os impactos de desempenho das temperaturas elevadas do refrigerante exigem uma otimização cuidadosa do sistema completo de gerenciamento térmico, incluindo o trocador de calor do rejeitor do ciclo Stirling, o trocador de calor do lado do ar, a bomba de circulação do refrigerante e os ventiladores de resfriamento.

A arquitetura modular do sistema permite múltiplas opções de configuração atualmente em desenvolvimento:

• Arranjos de dois estágios para aplicações supercondutoras de 20-30K
• Configurações de cabeça fria dupla para melhor equilíbrio com grandes conjuntos de pistões
• Módulos de acionamento quádruplo (quatro geradores de onda de pressão) para maior capacidade de resfriamento

O desenvolvimento contínuo do motor linear visa dobrar a capacidade de acionamento atual de 4 kW para 8 kW por módulo, mantendo ou reduzindo o custo por quilowatt, permitindo sistemas futuros com potência de entrada superior a 30 kW.