Preguntas frecuentes

  1. ¿Cuáles son las partes principales de un refrigerador criogénico CryoTel®?
  2. ¿Cómo funciona un refrigerador criogénico?
  3. ¿Qué es la elevación de calor?
  4. ¿Qué es la temperatura de rechazo?
  5. ¿Qué es un refrigerador criogénico integral?
  6. ¿Qué es un refrigerador de división?
  7. ¿Cómo controlo el refrigerador?
  8. ¿Qué necesito además del refrigerador criogénico?
  9. ¿Cuánto tiempo durará?
  10. ¿Qué mantenimiento se requiere?
  11. ¿Qué tensión de entrada necesita?
  12. ¿Hay un nivel mínimo de potencia?
  13. ¿Qué son los cojinetes de gas?
  14. ¿Qué puede provocar daños al refrigerador criogénico?
  15. ¿Cómo puedo reducir la vibración?
  16. ¿Cuál es el porcentaje de eficiencia de Carnot?
  17. ¿Qué es el MTTF?
  18. ¿Qué hay de nuevo en el controlador de Generación II / de 2ª generación?
  19. ¿Puedo utilizar el sistema en el vacío?
  20. ¿Cuál es la temperatura máxima a la que puede exponerse el refrigerador criogénico?
  21. ¿Cuántas etapas tiene su refrigerador criogénico?
  22. ¿Qué es el equilibrador pasivo?
  23. ¿Qué es el equilibrador pasivo de doble frecuencia?
  24. ¿Existen requisitos especiales de montaje para el refrigerador criogénico CryoTel®?
  25. A temperatura ambiente, mi carga de calor en estado estacionario es baja. ¿Puedo utilizar un refrigerador criogénico de mayor capacidad para reducir el tiempo de enfriamiento?
  26. La sección de diámetro grande del refrigerador criogénico se pone muy caliente al tacto. ¿Representa esto un problema?
  27. ¿Qué se incluye con un refrigerador?
  28. ¿El refrigerador criogénico está controlado por el Reglamento Internacinal de Tráfico de Armas (ITAR, por sus siglas en inglés)?
  29. ¿Puedo obtener una punta de refrigeración personalizada?
  30. ¿El refrigerador criogénico y el controlador tienen certificación CE?

1. ¿Cuáles son las partes principales de un refrigerador criogénico CryoTel®?

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2. ¿Cómo funciona un refrigerador criogénico?

La respuesta corta:
Un refrigerador criogénico Stirling utiliza el ciclo de Stirling para convertir la electricidad en movimiento del calor desde la punta de refrigeración hacia el rechazador de calor.  La energía eléctrica se convierte a través de un motor lineal en movimiento del pistón, que por la dinámica del sistema hace que el desplazador se mueva, lo que resulta en un ciclo de Stirling entre el pistón y el desplazador.

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El ciclo de Stirling se produce 60 veces por segundo.  El resultado es que la punta de refrigeración del CryoTel®  bajará hasta una temperatura de 40 °K (-233 °C o -387 °F) sin carga en un vacío.

Para la respuesta larga:
Consulte en libros de termodinámica o en Internet, donde hay un montón de información sobre el ciclo de Stirling y otros métodos de enfriamiento como los de Joule-Thompson, Gifford-McMahon, y refrigeradores de dilución.

3. ¿Qué es la elevación de calor?

Elevación de calor es la capacidad de un refrigerador criogénico para eliminar el calor de la punta de refrigeración mientras se mantiene la temperatura indicada. Por ejemplo, la elevación de calor publicitada para el CryoTel® CT a 77 °K es de 11 W. Esto significa que el cliente podría tener una carga de 11 W y el refrigerador criogénico todavía podría mantener una temperatura de 77 °K para la punta de refrigeración y la carga.

Aquí está el rendimiento nominal publicitado para el CT:

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Hay varios aspectos de esta curva importantes para el ingeniero para su aplicación. En la parte inferior derecha está la leyenda de la temperatura de rechazo. Esto es con respecto a la temperatura del rechazador de calor del refrigerador criogénico. El rechazador de calor es donde el calor de la punta de refrigeración se elimina del refrigerador criogénico. Un cliente puede utilizar aletas de aire, una camisa de agua, o la eliminación de calor por conducción, para rechazar este calor.

La temperatura de la punta de refrigeración (en grados Kelvin) está indicada a lo largo del eje X de abajo. La elevación de calor en vatios está indicada a lo largo del eje Y. El ingeniero deberá mirar la temperatura de la punta de refrigeración deseada, y después leer la curva de temperatura de rechazo estimada a fin de encontrar la elevación del refrigerador criogénico. Esto les dirá la cantidad de vatios de carga de calor que el refrigerador criogénico puede soportar permaneciendo en la temperatura deseada de la punta de refrigeración.
El grosor de las líneas representa la variabilidad debida a la fabricación en el rendimiento del refrigerador criogénico.

4. ¿Qué es la temperatura de rechazo?

El rechazador de calor es donde el calor de la punta de refrigeración se elimina del refrigerador criogénico.  Un cliente puede utilizar aletas de aire, una camisa de agua, o la eliminación de calor por conducción.  Cuando se usan aletas de aire, la temperatura de rechazo será mayor que la temperatura ambiente.  Para una habitación de temperatura ambiente de 28 °C, el rechazador de calor de aletas de aire está a aproximadamente 35 °C.   Si el cliente está utilizando una camisa de agua, el rechazador de calor está ligeramente más caliente (2-5 °C) que la temperatura del agua.  Cuanto menor sea la temperatura de rechazo, mejor será el rendimiento del refrigerador criogénico, hasta un punto.  La temperatura de rechazo más baja que un cliente puede utilizar para un CryoTel estándar es de alrededor de 10 °C.  Es posible utilizar temperaturas más bajas, pero sería mejor ponerse en contacto con Sunpower para obtener soporte de ingeniería, ya que hay modificaciones que deben realizarse en el refrigerador para optimizar el rendimiento.

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5. ¿Qué es un refrigerador criogénico integral?

Un refrigerador criogénico integral incorpora el compresor (o generador de ondas de presión) y el desplazador (o cabeza refrigeradora) en un orificio cilíndrico concéntrico.  He aquí un ejemplo de un refrigerador criogénico integral:

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6. ¿Qué es un refrigerador de división?

Un refrigerador criogénico de división tiene una cabeza refrigeradora separada conectada al compresor o generador de ondas de presión por un tubo de transferencia.  He aquí un ejemplo de un refrigerador criogénico de división:

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7. ¿Cómo controlo el refrigerador?

El controlador del refrigerador criogénico tiene dos modos de funcionamiento: el modo de control de la temperatura y el modo de control de potencia.  En el modo de control de la temperatura, el usuario introduce una temperatura de la punta de refrigeración deseada y el controlador intentará mantener esa temperatura.  En el modo de control de potencia, el usuario introduce un nivel de potencia deseado del refrigerador criogénico y el controlador mantendrá ese nivel.  El refrigerador criogénico utiliza un sensor de temperatura RTD (incluido con la compra) para el control.  El sensor RTD debe colocarse en la punta de refrigeración del refrigerador o muy cerca de ella.

8. ¿Qué necesito además del refrigerador criogénico?

Esto depende de la aplicación. La mayoría de los clientes necesitarán enfriar el refrigerador criogénico, ya sea con una camisa de agua o las aletas de aire. Ambos están disponibles como opciones permanentes o desmontables. Algunos clientes diseñarán su propio sistema de enfriamiento del refrigerador criogénico, pero esto se debe dejar para el usuario avanzado con experiencia en termodinámica. La cantidad de enfriamiento requerida por el refrigerador criogénico es igual a la potencia de entrada del refrigerador.

La mayoría de los clientes también requieren una brida de vacío para fijar el refrigerador criogénico a su termo o criostato. Para obtener más información sobre las opciones CryoTel® haga clic aquí.

9. ¿Cuánto tiempo durará?

La vida de diseño del refrigerador criogénico es de 5 años, y esta es la vida útil recomendada, aunque el tiempo medio actual hasta el fallo (MTTF) es de más de 200 000 horas, aproximadamente 23 años.  Para obtener más información sobre el MTTF, vea #19.

10. ¿Qué mantenimiento se requiere?

Los componentes del refrigerador criogénico están cerrados en un recipiente a presión soldado y no hay forma de acceder a ellos.  No se requiere ningún mantenimiento en el refrigerador criogénico.  No obstante, recomendamos mantener las aletas de aire libres de desechos en las unidades que tengan aletas para su enfriamiento.

11. ¿Qué tensión de entrada necesita?

Los modelos MT y CT requieren una tensión de entrada de 24 V de CC.  El GT requiere una tensión de 48 V de CC.

12. ¿Hay un nivel mínimo de potencia?

Sí, el refrigerador criogénico utiliza cojinetes de gas, que proporcionan una solución eficaz para la operación sin contacto.  Los cojinetes de gas tienen un nivel de potencia mínimo requerido para proporcionar suficiente presión para mantener la ausencia de contacto.  Este nivel de potencia mínimo es una función de la temperatura de la punta de refrigeración; el controlador está monitorizando siempre el sensor de temperatura para mantener la potencia mínima. La potencia de entrada mínima para el controlador es la siguiente:

  • GT – 70W
  • CT – 60W
  • MT – 30W

13. ¿Qué son los cojinetes de gas?

Un cojinete de gas es un sistema sin contacto, donde una película de gas actúa como el lubricante que separa dos superficies que están en movimiento relativo.  El cojinete de gas funciona como una mesa de hockey de aire donde el disco está soportado por una capa de aire.  Equipos de medición de precisión de alta gama  tales como máquinas de medición por coordenadas (CMM) utilizan un cojinete de gas para mantener la más alta precisión y exactitud posibles.

14. ¿Qué puede provocar daños al refrigerador criogénico?

NO haga ninguna de estas cosas

  • Levantar el refrigerador criogénico por el dedo refrigerante.
  • Colocar el refrigerador criogénico sobre la punta de refrigeración.
  • Permitir que el dedo refrigerante se abolle. La más pequeña abolladura podría hacer que la unidad dejase de funcionar.
  • Perforar agujeros o, de cualquier otra manera, perforar o intentar modificar la vasija de presión.
  • Hacer funcionar la unidad sin el enfriamiento adecuado. El calor se debe eliminar de la zona de rechazo de calor de cobre del refrigerador criogénico. Si el refrigerador está provisto de aletas de refrigeración externas, el aire debe ser forzado sobre las aletas y la trayectoria de flujo no debe obstruirse.
  • Perforar o de cualquier otra manera dañar el tubo de servicio de cobre.
  • Someter las vías de paso eléctricas a esfuerzos mecánicos, es decir, movimientos axiales o radiales, cargas axiales, golpes o similares.
  • Instalar el refrigerador suspendiéndolo del perno de montaje del absorbedor de equilibrio.
  • Aplicar presión de sujeción al recipiente a presión.
  • Retirar la cubierta protectora de la soldadura en frío en el extremo del tubo de servicio de cobre. No someta la cubierta a golpes.
  • Controlar la potencia al refrigerador haciendo o rompiendo los cables de alimentación entre el controlador y el refrigerador criogénico.

15. ¿Cómo puedo reducir la vibración?

Hay una variedad de pasos que se pueden tomar para reducir la vibración del refrigerador criogénico.

  • Aislar el refrigerador criogénico usando aisladores de vibración.
  • Aislar la punta de refrigeración de la carga con malla de cobre.
  • Ajustar el absorbedor pasivo in situ. Póngase en contacto con Sunpower para más información.
  • Utilizar un equilibrador pasivo de doble frecuencia, que está diseñado para reducir el armónico de 120 Hz.

16. ¿Cuál es el porcentaje de eficiencia de Carnot?

El ciclo de Carnot para la refrigeración es un ciclo termodinámico teórico pensado para representar el ciclo más eficiente para la creación de una diferencia de temperatura realizando una cantidad determinada de trabajo.

En 1823, Nicolas Léonard Sadi Carnot propuso el teorema de Carnot, que establece queningún motor que funcione entre dos depósitos de calor puede ser más eficiente que un motor usando el ciclo de Carnot entre esos dos mismos depósitos.

Para un refrigerador criogénico, los dos depósitos de calor son la punta de refrigeración y el rechazador de calor.  La eficiencia de un ciclo de Carnot es:

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Donde Qcold es la energía del depósito frío, y Qhot es la energía del depósito caliente, y W es el trabajo realizado en el sistema. La energía de un depósito es proporcional a la temperatura, por lo que podemos convertir Q a T, pero se debe tener el cuidado de convertir todas las unidades a Kelvin.

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Debido a que ningún refrigerador criogénico podría ser más eficiente que un refrigerador criogénico que usara el ciclo de Carnot, la eficiencia de un refrigerador se da como un porcentaje de la eficiencia de Carnot.  La ecuación para determinar el % de eficiencia de Carnot para un refrigerador criogénico es:

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Thus, the overall equation for % Carnot efficiency is:

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To determine the % Carnot efficiency for a CryoTel  CT all we need is the performance curve given earlier. The Thot=35°C (35+273=308K), Tcold=77K. Pinput=160 Watts for the CryoTel CT, and lift = 10W.

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17. ¿Qué es el MTTF?

Para entender a qué se refiere el MTTF, vamos a echar primero un vistazo a un término relacionado llamado MTBF. MTBF o tiempo medio entre fallos (MTBF) se refiere al tiempo previsto transcurrido entre fallos inherentes de un sistema durante su funcionamiento en un modelo que asume típicamente que el sistema que ha fallado se repara inmediatamente. Esto es en contraste con el tiempo medio hasta el fallo (MTTF), que mide el tiempo medio hasta que se producen fallos con la suposición de que el sistema que falla no es o no puede ser reparado. Debido a la naturaleza del proceso de fabricación y montaje de los sistemas de refrigeración criogénicos, estos no pueden ser reparados después de un fallo inherente, el MTTF es el término estándar de la industria para indicar la fiabilidad de un refrigerador criogénico.

La explicación estadística de la probabilidad de fallo de un refrigerador criogénico está representada por la curva de la bañera, que se muestra a continuación:

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Debido a que el refrigerador criogénico es un mecanismo de precisión basado en componentes cuyo tamaño está en el rango de micras (0,000001 de un metro, o 0,0002 pulgadas) se da un fenómeno conocido como mortalidad infantil.  Esto es el resultado de que una parte del sistema de refrigeración criogénico no está dentro de la banda de tolerancia, lo que a su vez causará que el refrigerador falle muy pronto.  Los sistemas de refrigeración criogénicos Sunpower son sometidos a un período de burn-in durante el cual el refrigerador se mantiene en funcionamiento de forma continua durante un período de tiempo para determinar la mortalidad infantil y eliminar esos refrigeradores de la línea.  Sunpower ha reunido suficiente experiencia con el proceso de fabricación como para haber eliminado las causas de mortalidad infantil, y ya no se sigue observando. Sin embargo, aún sometemos los refrigeradores criogénicos a un período de burn-in como parte de los procesos de control de calidad y pruebas.

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El MTTF es entonces el período tras el cual el mecanismo de fallo global del refrigerador criogénico entra en juego y toda la población de refrigeradores criogénicos fabricados fallará constantemente.  A día de hoy, no se sabe cuál es el tiempo máximo para el mecanismo de fallo global de los refrigeradores criogénicos CryoTel.  El MTTF declarado de los productos CryoTel en línea es más de 200 000 horas (más de 23 años).  Este valor se calculó por un tercero independiente, utilizando métodos estadísticos más allá del alcance de este curso, en base a datos de devolución de los clientes y a pruebas internas.

18. ¿Qué hay de nuevo en el controlador de Generación II / de 2ª generación?

El controlador de 2ª generación genera una entrada más sinusoidal al refrigerador criogénico en comparación con la entrada del controlador de 1ª generación.  Esto resultará en una acústica más baja, y para algunas aplicaciones en una menor vibración del refrigerador criogénico.

El controlador de 2ª generación también tiene funcionalidades adicionales, tales como:

  • Puesta en marcha/parada remota: El usuario puede insertar un interruptor de hardware que ponga en marcha o detenga el refrigerador criogénico. El cliente podría insertar un termostato para apagar el refrigerador criogénico si el mecanismo de enfriamiento falla, para prevenir daños al refrigerador, o el cliente puede utilizar un lazo de control separado para determinar cuándo el refrigerador criogénico se enciende y se apaga en función de las necesidades de su sistema.
  • Límite máximo de potencia: El usuario puede limitar la potencia máxima al refrigerador criogénico.
  • Potencia mínima: El usuario puede ajustar la potencia mínima para el refrigerador. Tenga en cuenta que los requisitos de potencia mínima para los cojinetes de gas anularán los ajustes de potencia mínima del usuario.
  • Modificación de las constantes del lazo de control de temperatura: El usuario avanzado puede modificar las constantes del lazo de control de temperatura para que se ajusten mejor a la dinámica de su sistema.
  • Bloqueo por contraseña: El usuario puede requerir que se use una contraseña para modificar los parámetros del controlador.

19. ¿Puedo utilizar el sistema en el vacío?

El refrigerador criogénico puede operar en el vacío sin ningún problema.  El controlador, sin embargo, tiene condensadores que no están certificados para operar en el vacío y podrían explotar, por lo que el controlador no está aprobado para su uso en el vacío.

20. ¿Cuál es la temperatura máxima a la que puede exponerse el refrigerador criogénico?

Las especificaciones ambientales para el refrigerador criogénico son de -40 °C a 60 °C.

21. ¿Cuántas etapas tiene su refrigerador criogénico?

Los sistemas de refrigeración criogénicos de Sunpower utilizan una etapa.

22. ¿Qué es el equilibrador pasivo?

El equilibrador pasivo (también llamado el absorbedor pasivo) está diseñado para absorber la energía que el refrigerador criogénico disipa en el  sistema del cliente en forma de vibración.  El equilibrador pasivo está optimizado para absorber energía a 60 Hz, que es la frecuencia a la que opera el pistón del refrigerador. Mediante la absorción de la energía, el equilibrador pasivo ayuda a reducir la vibración de todo el sistema a la frecuencia a la que el equilibrador se sintoniza/optimiza.

El equilibrador pasivo se puede ajustar in situ para optimizar el rendimiento de la unidad basándose en el sistema del cliente.  Por favor, consulte a Sunpower cómo ajustar el equilibrador pasivo in situ.

23. ¿Qué es el equilibrador pasivo de doble frecuencia?

El equilibrador pasivo de doble frecuencia es otro equilibrador pasivo que se encuentra situado en el interior del equilibrador pasivo primario de 60 Hz.  El equilibrador pasivo de doble frecuencia se sintoniza para absorber también la energía a 120 Hz, además de 60 Hz.

24. ¿Existen requisitos especiales de montaje para el refrigerador criogénico CryoTel®?

Los sistemas de refrigeración criogénicos CryoTel® ofrecen varias opciones de montaje.  Hay patrones de orificios roscados en el cuerpo del refrigerador que están destinados para la integración de montaje. El refrigerador se puede montar en el sistema a través de la brida de criostato, ya sea vertical u horizontalmente, con el refrigerador criogénico en voladizo desde la brida.  Nota: Se debe tener cuidado de no asegurar el refrigerador criogénico a la estructura del sistema de tal manera que se induzca tensión en el cuerpo del refrigerador.

25. A temperatura ambiente, mi carga de calor en estado estacionario es baja. ¿Puedo utilizar un refrigerador criogénico de mayor capacidad para reducir el tiempo de enfriamiento?

Los refrigeradores criogénicos CryoTel® tienen un umbral de potencia mínima de funcionamiento.  El controlador establece el nivel mínimo y no permitirá que el refrigerador criogénico opere por debajo de este punto.  Esto es necesario con el fin de mantener el sistema de cojinetes de aire que se utiliza para las partes móviles.  Si la potencia de refrigeración mínima (elevación) del modelo del refrigerador criogénico a la temperatura objetivo es mayor que la carga térmica del dispositivo del usuario, el sistema de refrigeración criogénico no será capaz de mantener la temperatura objetivo.  La temperatura de la carga bajará a la deriva hasta que se alcance el equilibrio entre la carga térmica y la elevación del refrigerador criogénico.  En estas situaciones, el cliente puede añadir un calentador para su carga.

26. La sección de diámetro grande del refrigerador criogénico se pone muy caliente al tacto. ¿Representa esto un problema?

Nos referimos a esta sección como la “parte de atrás” del refrigerador criogénico y es donde se aloja el motor.  El refrigerador criogénico puede funcionar indefinidamente con la parte de atrás a 80 °C o menos sin dañar el refrigerador.  Sin embargo, el rendimiento del refrigerador criogénico se verá afectado por las temperaturas de más de 80 °C.  Le recomendamos que siempre que sea posible, se proporcione algún tipo de enfriamiento activo de la parte de atrás: por flujo de aire, por conducción, o líquido.  Póngase en contacto con ingeniería de Sunpower, en info@sunpowerinc.com, para obtener ideas para la eliminación del calor del refrigerador.

27. ¿Qué se incluye con un refrigerador?

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Arriba se muestra lo que se incluye con la compra de un refrigerador criogénico.

  1. Refrigerador criogénico (se muestra con camisa de agua opcional)
  2. Controlador – para controlar el refrigerador
  3. Sensor de temperatura RTD – para fijar a la punta de refrigeración o muy cerca de la punta de refrigeración en la carga.
  4. Cable de alimentación – para conectar el refrigerador al controlador
  5. Cable serie – para conectar el controlador al PC
  6. Interfaz del sensor de temperatura – para conectar el sensor de temperatura RTD al controlador

28. ¿El refrigerador criogénico está controlado por el Reglamento Internacinal de Tráfico de Armas (ITAR, por sus siglas en inglés)?

La exportación de refrigeradores criogénicos de Sunpower está controlada conjuntamente por el Departamento de Estado de EE.UU. – Dirección de Controles Comerciales de Defensa y la Oficina de Industria y Seguridad del Departamento de Comercio de EE.UU..  El ITAR controla los datos técnicos del producto, incluyendo pero no limitado a:

  • Dibujos de ingeniería
  • Información de fabricación

El refrigerador criogénico en sí está controlado por el Departamento de Comercio y su número de ECCN es 6A002.D.2.A.  Se necesita una licencia de exportación para algunos países.  Para determinar qué países requieren una licencia de exportación consulte la Tabla de Países del Departamento de Comercio (suplemento nº 1 a la parte 738) y determine si hay una “X” en la celda contigua a la del país en cuestión para los identificadores de columna “NS2” o “AT1”. En caso afirmativo, se requiere una licencia.

29. ¿Puedo obtener una punta de refrigeración personalizada?

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Sí, SunPower ofrece a los clientes la posibilidad de modificar la configuración de la punta de refrigeración (o aceptador) por un coste adicional, dependiendo de la complejidad.  Una punta de refrigeración de encargo también aumentará el plazo de entrega del refrigerador criogénico.

30. ¿El refrigerador criogénico y el controlador tienen certificación CE?

Como ni el controlador ni el refrigerador criogénico se enchufan directamente a la toma de corriente, no es aplicable una certificación CE.  Tanto el controlador como el refrigerador criogénico han pasado la certificación CE, como parte de los productos del cliente.