Cooling for Microsystems: Miniaturization Prospects for Pulse Tube Cryocooler
Creators: name: Almtireen, Natheer
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Pulse tube cryocooler
Numerical simulations
cryogenics
miniature engineering applications

description: Regenerative Kryokühler wie Stirling-, Gifford-McMahon- und Pulsrohr-Kryokühler besitzen große Vorzüge wie geringe Größe, niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit und gute Kühlleistung. Diese Vorzüge führten dazu, dass sie viele Anforderungen von IR- und supraleitenden Anwendungen erfüllen. Unter diesen Kryokühlern gibt es eine Maschine, die als Pulsröhren-Kryokühler (PTC) bezeichnet wird, die ausgezeichnete Vorzüge aufweist und das Potenzial hat, für On-Chip- und Mikrosystem-Anwendungen miniaturisiert zu werden. In dieser Arbeit werden die Miniaturisierungsaspekte dieser Maschine anhand verschiedener numerischer Analysen und computergestützter fluiddynamischer (CFD) Simulationsmodelle untersucht. In dieser Arbeit wird eine Analyse des komplexen Betriebs für das Röhrenelement für einen Orifice Pulse Tube Cryocooler (OPTC) vorgeschlagen. Dies wird durch eine Phasenanalyse unter Verwendung fundamentaler thermodynamischer Beziehungen erreicht, um die mit dieser Maschine verbundene Kühlleistung näherungsweise abzuschätzen. Darüber hinaus wird der Effekt des Phasenverschiebungswinkels veranschaulicht, indem eine Analogie zwischen dem Phasenverschiebungsmechanismus und einem Serien-RLC-Schaltungsmodell gebildet wird. Anschließend wird ein eindimensionales Modell vorgestellt, das auf Massen- und Energieerhaltungsgleichungen basiert; das reduzierte Modell wird numerisch für die Temperatur und Geschwindigkeit des Gases entlang des Rohrs gelöst, um den Massenstrom und die zeitlich gemittelten Enthalpieströme am kalten und heißen Ende des Rohrs zu bestimmen. Die Erkenntnisse aus der eindimensionalen Analyse werden mit den bisherigen Ergebnissen der Phasoranalyse verglichen. Der Regenerator ist eine kritische Komponente in diesen Kryokühlern mit geschlossenem Kreislauf. Die Arbeit präsentiert eine eindimensionale numerische Analyse der idealisierten thermischen Gleichungen der Matrix und des Arbeitsgases innerhalb des Regenerators. Der Algorithmus prognostiziert die Temperaturprofile des Gases während des Aufheizens und Abkühlens sowie die Matrix-Knotentemperaturen. Es wird untersucht, wie die Länge und der Durchmesser des Regenerators, die geometrischen Parameter der Matrix, die Anzahl der Wärmeübertragungseinheiten und der Volumenstrom die Leistung eines idealen Regenerators beeinflussen. Es wird auch ein achsensymmetrisches 2D-CFD-Modell vorgeschlagen, um das Modell des idealen Regenerators zu bewerten und zu validieren. Darüber hinaus wird ein analytisches Verfahren entwickelt, um die im Regenerator vorhandenen Verluste abzuschätzen. Die Ergebnisse werden mit denen einer anderen Software, genannt REGEN, die vom NIST entwickelt wurde, verglichen. Danach wird über eine achsensymmetrische numerische CFD-Simulation berichtet, die die oszillierenden Strömungs- und Wärmeübertragungsprozesse in einem Inertanz-Pulsrohr-Kryokühler aufzeigt. Die Auswirkungen der Betriebsfrequenz werden untersucht, und die Auswirkungen der reduzierten Größe des Systems bei Betrieb mit hoher Frequenz auf die Kühlleistung des Systems werden untersucht. Darüber hinaus wird eine spezielle Software namens Sage und CFD-Modellierung verwendet, um Ultra-Miniatur-PTC-Modelle zu entwickeln. Ihre Leistungsparameter werden untersucht und ihre Eignung für On-Chip- und Mikrosystemanwendungen wird bestimmt.