Infineon продвигает криогенное охлаждение с помощью мощного холодильника Стирлинга

Поскольку спрос на низкотемпературное охлаждение растет, особенно в областях применения, где рыночные ограничения и требования пользователей существенно отличаются от традиционных систем охлаждения, разработка высокопроизводительных и эффективных решений для охлаждения становится все более важной. Компания Infinia Technology Corporation (ITC) активно разрабатывает высокомощный одноступенчатый криокулер цикла Стирлинга, предназначенный для удовлетворения этих новых рыночных потребностей.

Криокулер использует концепцию высокомодульного проектирования с самого начала, что позволяет адаптировать его к различным областям применения без существенных изменений в основной высокомощной линейной приводной системе. Устройство может использовать до 8 кВт электрической входной мощности в зависимости от условий эксплуатации, при размерах 1000 мм в длину, 530 мм в высоту (без изоляции), 300 мм в глубину и общей массе 160 кг (без учета источника питания/контроллера).

Система оснащена двумя встречными генераторами волн давления с линейным приводом, которые эффективно гасят все вибрации приводного двигателя. Остаточная вибрация от движения поршня остается минимальной. ITC оценивает криокулер на 650 Вт чистой охлаждающей способности при 77K при электрической входной мощности 5800 Вт, хотя он работает в широком диапазоне температур. Текущая модель, предоставленная ВМС США, обеспечивает охлаждение на 300 Вт при 50K.

Модульная сборка холодного конца, включающая поршневую сборку, теплоотвод, регенератор и теплообменник холодной головки, оптимизирована для конкретных эксплуатационных требований. Система ITC отличается от других криокулеров большой мощности по физическому размеру, производительности и рабочим характеристикам. Компания использует модель моделирования цикла Стирлинга SAGE от Gedeon Associates, которая показывает отличную корреляцию с фактическими результатами испытаний оборудования.

Модуль генератора волн давления ITC включает в себя проверенные подшипники с гибкими опорами для обеспечения герметизации газового зазора, исключая износ как механизм деградации. Полученная компактная сборка достигает эффективности преобразования энергии >87% (мощность поршня цикла Стирлинга PV/электрическая мощность приводного двигателя) по отношению к своей электрической входной мощности 8 кВт.

Для диапазона температур 60-110K, представляющего особый интерес, конфигурация цикла Стирлинга демонстрирует преимущества в производительности на 20-50% по сравнению с альтернативами импульсной трубки. Эти преимущества значительно возрастают при более высоких рабочих температурах (175K и выше). Проблемы надежности, связанные с дополнительными движущимися частями в системах Стирлинга, смягчаются обширным опытом ITC в разработке подшипников с гибкими опорами, которые продемонстрировали непрерывную работу, превышающую 100 000 часов.

Система отвода тепла криокулера представляет собой критический фактор проектирования, особенно при переходе от лабораторных к полевым условиям. Влияние производительности от повышенных температур теплоносителя требует тщательной оптимизации всей системы управления тепловым режимом, включая теплообменник отвода тепла цикла Стирлинга, теплообменник со стороны воздуха, насос циркуляции теплоносителя и вентиляторы охлаждения.

Модульная архитектура системы обеспечивает несколько вариантов конфигурации, находящихся в настоящее время в разработке:

• Двухступенчатые схемы для применений в сверхпроводниках 20-30K
• Конфигурации с двумя холодными головками для улучшения баланса с большими поршневыми сборками
• Четырехприводные модули (четыре генератора волн давления) для увеличения охлаждающей способности

Текущая разработка линейного двигателя направлена на удвоение текущей приводной мощности с 4 кВт до 8 кВт на модуль при сохранении или снижении стоимости за киловатт, что позволит создавать будущие системы с входной мощностью, превышающей 30 кВт.