เนื่องจากความต้องการตู้เย็นอุณหภูมิต่ำเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ข้อจำกัดของตลาดและความต้องการของผู้ใช้แตกต่างกันอย่างมากจากระบบทำความเย็นแบบดั้งเดิม การพัฒนาโซลูชันการทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงและมีประสิทธิภาพจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ Infinia Technology Corporation (ITC) กำลังพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบวงจร Stirling แบบขั้นตอนเดียวกำลังสูง ซึ่งออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการของตลาดที่เกิดขึ้นใหม่เหล่านี้
เครื่องทำความเย็นใช้แนวคิดการออกแบบแบบแยกส่วนสูงตั้งแต่เริ่มต้น ทำให้สามารถปรับให้เข้ากับแอปพลิเคชันต่างๆ ได้โดยไม่ต้องมีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ต่อระบบขับเคลื่อนเชิงเส้นกำลังสูงหลัก หน่วยนี้สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าได้สูงสุด 8 กิโลวัตต์ ขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน โดยมีขนาดความยาว 1000 มม. ความสูง 530 มม. (ไม่มีฉนวน) ความลึก 300 มม. และมีมวลรวม 160 กก. (ไม่รวมแหล่งจ่ายไฟ/ตัวควบคุม)
ระบบมีเครื่องกำเนิดคลื่นความดันแบบไดรฟ์เชิงเส้นสองตัวที่ตรงกันข้าม ซึ่งช่วยขจัดแรงสั่นสะเทือนของมอเตอร์ขับเคลื่อนทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ การสั่นสะเทือนที่เหลือสุทธิจากการเคลื่อนที่ของลูกสูบยังคงน้อยที่สุด ITC ให้คะแนนเครื่องทำความเย็นที่ความสามารถในการทำความเย็นสุทธิ 650 W ที่ 77K พร้อมกำลังไฟฟ้าเข้า 5800 W แม้ว่าจะทำงานในช่วงอุณหภูมิกว้างก็ตาม รุ่นปัจจุบันที่จัดหาให้กับกองทัพเรือสหรัฐฯ ให้ความเย็น 300 W ที่ 50K
ชุดประกอบปลายเย็นแบบแยกส่วน ซึ่งประกอบด้วยชุดลูกสูบ ตัวปฏิเสธความร้อน ตัวสร้างใหม่ และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนส่วนหัวเย็น ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับข้อกำหนดการทำงานเฉพาะ ITC's system แตกต่างจากเครื่องทำความเย็นความจุขนาดใหญ่อื่นๆ ในด้านขนาดทางกายภาพ ประสิทธิภาพ และลักษณะการทำงาน บริษัทใช้แบบจำลองการจำลองวงจร SAGE Stirling ของ Gedeon Associates ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่ดีเยี่ยมกับผลการทดสอบฮาร์ดแวร์จริง
โมดูลเครื่องกำเนิดคลื่นความดันของ ITC มีตลับลูกปืนแบบเฟล็กเชอร์ที่พิสูจน์แล้ว เพื่อให้การซีลช่องว่างก๊าซ ในขณะเดียวกันก็ขจัดรอยสึกหรอเป็นกลไกการเสื่อมสภาพ ชุดประกอบขนาดกะทัดรัดที่ได้จึงมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน >87% (พลังงาน PV ของลูกสูบวงจร Stirling/กำลังไฟฟ้าของมอเตอร์ขับเคลื่อน) เทียบกับกำลังไฟฟ้าเข้า 8 กิโลวัตต์
สำหรับช่วงอุณหภูมิ 60-110K ที่น่าสนใจเป็นพิเศษ การกำหนดค่าวงจร Stirling แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพ 20-50% เหนือทางเลือกแบบพัลส์ทิวบ์ ข้อได้เปรียบเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างมากที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น (175K ขึ้นไป) ข้อกังวลด้านความน่าเชื่อถือเกี่ยวกับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเพิ่มเติมในระบบ Stirling ได้รับการบรรเทาลงด้วยประสบการณ์ที่กว้างขวางของ ITC กับการออกแบบตลับลูกปืนแบบเฟล็กเชอร์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการทำงานอย่างต่อเนื่องเกินกว่า 100,000 ชั่วโมง
ระบบปฏิเสธความร้อนของเครื่องทำความเย็นแสดงถึงข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการไปสู่สภาวะภาคสนาม ผลกระทบด้านประสิทธิภาพจากอุณหภูมิสารหล่อเย็นที่สูงขึ้นจำเป็นต้องมีการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างรอบคอบของระบบการจัดการความร้อนทั้งหมด รวมถึงตัวแลกเปลี่ยนความร้อนตัวปฏิเสธวงจร Stirling ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนด้านอากาศ ปั๊มหมุนเวียนสารหล่อเย็น และพัดลมระบายความร้อน
สถาปัตยกรรมแบบแยกส่วนของระบบช่วยให้มีตัวเลือกการกำหนดค่าหลายแบบที่อยู่ระหว่างการพัฒนา:
การพัฒนาเซอร์โวมอเตอร์เชิงเส้นอย่างต่อเนื่องมีเป้าหมายที่จะเพิ่มความจุไดรฟ์ปัจจุบันเป็นสองเท่าจาก 4 กิโลวัตต์เป็น 8 กิโลวัตต์ต่อโมดูล ในขณะที่ยังคงรักษาหรือลดต้นทุนต่อกิโลวัตต์ ซึ่งช่วยให้ระบบในอนาคตมีกำลังไฟฟ้าเข้าเกิน 30 กิโลวัตต์
เนื่องจากความต้องการตู้เย็นอุณหภูมิต่ำเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ข้อจำกัดของตลาดและความต้องการของผู้ใช้แตกต่างกันอย่างมากจากระบบทำความเย็นแบบดั้งเดิม การพัฒนาโซลูชันการทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงและมีประสิทธิภาพจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ Infinia Technology Corporation (ITC) กำลังพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบวงจร Stirling แบบขั้นตอนเดียวกำลังสูง ซึ่งออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการของตลาดที่เกิดขึ้นใหม่เหล่านี้
เครื่องทำความเย็นใช้แนวคิดการออกแบบแบบแยกส่วนสูงตั้งแต่เริ่มต้น ทำให้สามารถปรับให้เข้ากับแอปพลิเคชันต่างๆ ได้โดยไม่ต้องมีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ต่อระบบขับเคลื่อนเชิงเส้นกำลังสูงหลัก หน่วยนี้สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าได้สูงสุด 8 กิโลวัตต์ ขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน โดยมีขนาดความยาว 1000 มม. ความสูง 530 มม. (ไม่มีฉนวน) ความลึก 300 มม. และมีมวลรวม 160 กก. (ไม่รวมแหล่งจ่ายไฟ/ตัวควบคุม)
ระบบมีเครื่องกำเนิดคลื่นความดันแบบไดรฟ์เชิงเส้นสองตัวที่ตรงกันข้าม ซึ่งช่วยขจัดแรงสั่นสะเทือนของมอเตอร์ขับเคลื่อนทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ การสั่นสะเทือนที่เหลือสุทธิจากการเคลื่อนที่ของลูกสูบยังคงน้อยที่สุด ITC ให้คะแนนเครื่องทำความเย็นที่ความสามารถในการทำความเย็นสุทธิ 650 W ที่ 77K พร้อมกำลังไฟฟ้าเข้า 5800 W แม้ว่าจะทำงานในช่วงอุณหภูมิกว้างก็ตาม รุ่นปัจจุบันที่จัดหาให้กับกองทัพเรือสหรัฐฯ ให้ความเย็น 300 W ที่ 50K
ชุดประกอบปลายเย็นแบบแยกส่วน ซึ่งประกอบด้วยชุดลูกสูบ ตัวปฏิเสธความร้อน ตัวสร้างใหม่ และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนส่วนหัวเย็น ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับข้อกำหนดการทำงานเฉพาะ ITC's system แตกต่างจากเครื่องทำความเย็นความจุขนาดใหญ่อื่นๆ ในด้านขนาดทางกายภาพ ประสิทธิภาพ และลักษณะการทำงาน บริษัทใช้แบบจำลองการจำลองวงจร SAGE Stirling ของ Gedeon Associates ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่ดีเยี่ยมกับผลการทดสอบฮาร์ดแวร์จริง
โมดูลเครื่องกำเนิดคลื่นความดันของ ITC มีตลับลูกปืนแบบเฟล็กเชอร์ที่พิสูจน์แล้ว เพื่อให้การซีลช่องว่างก๊าซ ในขณะเดียวกันก็ขจัดรอยสึกหรอเป็นกลไกการเสื่อมสภาพ ชุดประกอบขนาดกะทัดรัดที่ได้จึงมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน >87% (พลังงาน PV ของลูกสูบวงจร Stirling/กำลังไฟฟ้าของมอเตอร์ขับเคลื่อน) เทียบกับกำลังไฟฟ้าเข้า 8 กิโลวัตต์
สำหรับช่วงอุณหภูมิ 60-110K ที่น่าสนใจเป็นพิเศษ การกำหนดค่าวงจร Stirling แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพ 20-50% เหนือทางเลือกแบบพัลส์ทิวบ์ ข้อได้เปรียบเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างมากที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น (175K ขึ้นไป) ข้อกังวลด้านความน่าเชื่อถือเกี่ยวกับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเพิ่มเติมในระบบ Stirling ได้รับการบรรเทาลงด้วยประสบการณ์ที่กว้างขวางของ ITC กับการออกแบบตลับลูกปืนแบบเฟล็กเชอร์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการทำงานอย่างต่อเนื่องเกินกว่า 100,000 ชั่วโมง
ระบบปฏิเสธความร้อนของเครื่องทำความเย็นแสดงถึงข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการไปสู่สภาวะภาคสนาม ผลกระทบด้านประสิทธิภาพจากอุณหภูมิสารหล่อเย็นที่สูงขึ้นจำเป็นต้องมีการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างรอบคอบของระบบการจัดการความร้อนทั้งหมด รวมถึงตัวแลกเปลี่ยนความร้อนตัวปฏิเสธวงจร Stirling ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนด้านอากาศ ปั๊มหมุนเวียนสารหล่อเย็น และพัดลมระบายความร้อน
สถาปัตยกรรมแบบแยกส่วนของระบบช่วยให้มีตัวเลือกการกำหนดค่าหลายแบบที่อยู่ระหว่างการพัฒนา:
การพัฒนาเซอร์โวมอเตอร์เชิงเส้นอย่างต่อเนื่องมีเป้าหมายที่จะเพิ่มความจุไดรฟ์ปัจจุบันเป็นสองเท่าจาก 4 กิโลวัตต์เป็น 8 กิโลวัตต์ต่อโมดูล ในขณะที่ยังคงรักษาหรือลดต้นทุนต่อกิโลวัตต์ ซึ่งช่วยให้ระบบในอนาคตมีกำลังไฟฟ้าเข้าเกิน 30 กิโลวัตต์
