Khi nhu cầu về làm lạnh nhiệt độ thấp ngày càng tăng, đặc biệt trong các ứng dụng mà các ràng buộc thị trường và yêu cầu của người dùng khác biệt đáng kể so với các hệ thống làm mát truyền thống, việc phát triển các giải pháp làm lạnh hiệu quả, hiệu suất cao trở nên ngày càng quan trọng. Tập đoàn Công nghệ Infinia (ITC) đang tích cực phát triển một thiết bị làm lạnh bằng chu trình Stirling một giai đoạn, công suất cao, được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu thị trường mới nổi này.
Thiết bị làm lạnh sử dụng khái niệm thiết kế mô-đun cao từ khi bắt đầu, cho phép thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau mà không cần thay đổi lớn đối với hệ thống truyền động tuyến tính công suất cao cốt lõi. Thiết bị có thể sử dụng công suất đầu vào điện lên đến 8 kW tùy thuộc vào điều kiện vận hành, với kích thước 1000 mm chiều dài, 530 mm chiều cao (không có lớp cách nhiệt), 300 mm chiều sâu và tổng khối lượng 160 kg (không bao gồm bộ nguồn/bộ điều khiển).
Hệ thống có hai bộ tạo sóng áp suất truyền động tuyến tính đối diện nhau, triệt tiêu hiệu quả tất cả các rung động của động cơ truyền động. Rung động còn lại ròng từ chuyển động của piston vẫn ở mức tối thiểu. ITC đánh giá thiết bị làm lạnh ở mức 650 W công suất làm lạnh ròng ở 77K với đầu vào điện 5800 W, mặc dù nó hoạt động trên một dải nhiệt độ rộng. Mẫu hiện tại được cung cấp cho Hải quân Hoa Kỳ cung cấp 300 W làm lạnh ở 50K.
Cụm đầu lạnh mô-đun—bao gồm cụm piston, bộ phận thải nhiệt, bộ tái sinh và bộ trao đổi nhiệt đầu lạnh—được tối ưu hóa cho các yêu cầu vận hành cụ thể. Hệ thống của ITC khác với các thiết bị làm lạnh dung lượng lớn khác về kích thước vật lý, hiệu suất và đặc tính vận hành. Công ty sử dụng mô hình mô phỏng chu trình Stirling SAGE của Gedeon Associates, cho thấy sự tương quan tuyệt vời với kết quả thử nghiệm phần cứng thực tế.
Mô-đun bộ tạo sóng áp suất của ITC kết hợp các ổ đỡ uốn đã được chứng minh để cung cấp khả năng bịt kín khe hở khí trong khi loại bỏ sự mài mòn như một cơ chế suy giảm. Cụm lắp ráp nhỏ gọn thu được đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng >87% (công suất PV piston chu trình Stirling/công suất điện động cơ truyền động) so với công suất đầu vào điện 8 kW của nó.
Đối với dải nhiệt độ 60-110K đặc biệt quan tâm, cấu hình chu trình Stirling thể hiện những lợi thế về hiệu suất từ 20-50% so với các lựa chọn thay thế ống xung. Những lợi thế này tăng lên đáng kể ở nhiệt độ vận hành cao hơn (175K trở lên). Các mối quan tâm về độ tin cậy về các bộ phận chuyển động bổ sung trong hệ thống Stirling được giảm thiểu bởi kinh nghiệm phong phú của ITC với các thiết kế ổ đỡ uốn đã chứng minh hoạt động liên tục vượt quá 100.000 giờ.
Hệ thống thải nhiệt thải của thiết bị làm lạnh đại diện cho một cân nhắc thiết kế quan trọng, đặc biệt khi chuyển từ điều kiện phòng thí nghiệm sang điều kiện thực địa. Tác động hiệu suất từ nhiệt độ chất làm mát tăng cao đòi hỏi phải tối ưu hóa cẩn thận hệ thống quản lý nhiệt hoàn chỉnh, bao gồm bộ trao đổi nhiệt thải chu trình Stirling, bộ trao đổi nhiệt phía không khí, bơm tuần hoàn chất làm mát và quạt làm mát.
Kiến trúc mô-đun của hệ thống cho phép nhiều tùy chọn cấu hình hiện đang được phát triển:
Việc phát triển động cơ tuyến tính liên tục nhằm mục đích tăng gấp đôi công suất truyền động hiện tại từ 4 kW lên 8 kW trên mỗi mô-đun trong khi vẫn duy trì hoặc giảm chi phí trên mỗi kilowatt, cho phép các hệ thống trong tương lai có công suất đầu vào vượt quá 30 kW.
Khi nhu cầu về làm lạnh nhiệt độ thấp ngày càng tăng, đặc biệt trong các ứng dụng mà các ràng buộc thị trường và yêu cầu của người dùng khác biệt đáng kể so với các hệ thống làm mát truyền thống, việc phát triển các giải pháp làm lạnh hiệu quả, hiệu suất cao trở nên ngày càng quan trọng. Tập đoàn Công nghệ Infinia (ITC) đang tích cực phát triển một thiết bị làm lạnh bằng chu trình Stirling một giai đoạn, công suất cao, được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu thị trường mới nổi này.
Thiết bị làm lạnh sử dụng khái niệm thiết kế mô-đun cao từ khi bắt đầu, cho phép thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau mà không cần thay đổi lớn đối với hệ thống truyền động tuyến tính công suất cao cốt lõi. Thiết bị có thể sử dụng công suất đầu vào điện lên đến 8 kW tùy thuộc vào điều kiện vận hành, với kích thước 1000 mm chiều dài, 530 mm chiều cao (không có lớp cách nhiệt), 300 mm chiều sâu và tổng khối lượng 160 kg (không bao gồm bộ nguồn/bộ điều khiển).
Hệ thống có hai bộ tạo sóng áp suất truyền động tuyến tính đối diện nhau, triệt tiêu hiệu quả tất cả các rung động của động cơ truyền động. Rung động còn lại ròng từ chuyển động của piston vẫn ở mức tối thiểu. ITC đánh giá thiết bị làm lạnh ở mức 650 W công suất làm lạnh ròng ở 77K với đầu vào điện 5800 W, mặc dù nó hoạt động trên một dải nhiệt độ rộng. Mẫu hiện tại được cung cấp cho Hải quân Hoa Kỳ cung cấp 300 W làm lạnh ở 50K.
Cụm đầu lạnh mô-đun—bao gồm cụm piston, bộ phận thải nhiệt, bộ tái sinh và bộ trao đổi nhiệt đầu lạnh—được tối ưu hóa cho các yêu cầu vận hành cụ thể. Hệ thống của ITC khác với các thiết bị làm lạnh dung lượng lớn khác về kích thước vật lý, hiệu suất và đặc tính vận hành. Công ty sử dụng mô hình mô phỏng chu trình Stirling SAGE của Gedeon Associates, cho thấy sự tương quan tuyệt vời với kết quả thử nghiệm phần cứng thực tế.
Mô-đun bộ tạo sóng áp suất của ITC kết hợp các ổ đỡ uốn đã được chứng minh để cung cấp khả năng bịt kín khe hở khí trong khi loại bỏ sự mài mòn như một cơ chế suy giảm. Cụm lắp ráp nhỏ gọn thu được đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng >87% (công suất PV piston chu trình Stirling/công suất điện động cơ truyền động) so với công suất đầu vào điện 8 kW của nó.
Đối với dải nhiệt độ 60-110K đặc biệt quan tâm, cấu hình chu trình Stirling thể hiện những lợi thế về hiệu suất từ 20-50% so với các lựa chọn thay thế ống xung. Những lợi thế này tăng lên đáng kể ở nhiệt độ vận hành cao hơn (175K trở lên). Các mối quan tâm về độ tin cậy về các bộ phận chuyển động bổ sung trong hệ thống Stirling được giảm thiểu bởi kinh nghiệm phong phú của ITC với các thiết kế ổ đỡ uốn đã chứng minh hoạt động liên tục vượt quá 100.000 giờ.
Hệ thống thải nhiệt thải của thiết bị làm lạnh đại diện cho một cân nhắc thiết kế quan trọng, đặc biệt khi chuyển từ điều kiện phòng thí nghiệm sang điều kiện thực địa. Tác động hiệu suất từ nhiệt độ chất làm mát tăng cao đòi hỏi phải tối ưu hóa cẩn thận hệ thống quản lý nhiệt hoàn chỉnh, bao gồm bộ trao đổi nhiệt thải chu trình Stirling, bộ trao đổi nhiệt phía không khí, bơm tuần hoàn chất làm mát và quạt làm mát.
Kiến trúc mô-đun của hệ thống cho phép nhiều tùy chọn cấu hình hiện đang được phát triển:
Việc phát triển động cơ tuyến tính liên tục nhằm mục đích tăng gấp đôi công suất truyền động hiện tại từ 4 kW lên 8 kW trên mỗi mô-đun trong khi vẫn duy trì hoặc giảm chi phí trên mỗi kilowatt, cho phép các hệ thống trong tương lai có công suất đầu vào vượt quá 30 kW.
