FAQs circa i criorefrigeratori CryoTel

  1. Quali sono le parti principali di un criorefrigeratore CryoTel®?
  2. Come funziona un criorefrigeratore?
  3. Che cosa è il lift?
  4. Cos’è la temperatura di smaltimento?
  5. Cos’è un criorefrigeratore integrale?
  6. Che cosa è un raffreddatore frazionato (split cooler)?
  7. Come faccio a controllare il raffreddatore?
  8. Di cosa ho bisogno oltre al criorefrigeratore?
  9. Quanto tempo durerà?
  10. Quale manutenzione è necessaria?
  11. Di quanta potenza ha bisogno?
  12. C’è un livello di potenza minimo?
  13. Cosa sono i cuscinetti a gas?
  14. Come potrei danneggiare il criorefrigeratore?
  15. Come posso ridurre le vibrazioni?
  16. Cos’è la percentuale del rendimento di Carnot?
  17. Cos’è l’MTTF?
  18. Cosa c’è di nuovo nel controller Generation II / Generation 2?
  19. Posso utilizzare il sistema nel vuoto?
  20. Qual è la temperatura massima a cui può essere esposto il criorefrigeratore?
  21. Quante fasi ha il vostro criorefrigeratore?
  22. Cos’è il bilanciatore passivo?
  23. Cos’è il bilanciatore passivo a doppia frequenza?
  24. Ci sono dei requisiti speciali di montaggio per il criorefrigeratore CryoTel®?
  25. A temperatura, il mio carico stazionario di calore è basso. Posso usare un criorefrigeratore di maggiore capacità per ridurre il tempo di raffreddamento?
  26. La sezione ad ampio diametro del criorefrigeratore diventa molto calda al tatto. È un problema?
  27. Che cosa è incluso in un dispositivo di raffreddamento?
  28. Il criorefrigeratore è sottoposto a controllo ITAR (International Traffic in Arms Regulation)?
  29. Posso avere una punta fredda personalizzata?
  30. Il criorefrigeratore e il controller sono certificati dalla CE?

1. Quali sono le parti principali di un criorefrigeratore CryoTel®?

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2. Come funziona un criorefrigeratore?

Risposta breve:
Un criorefrigeratore Stirling utilizza il ciclo Stirling per convertire energia elettrica in trasmissione di calore dalla punta fredda verso lo smaltitore di calore. L’elettricità viene convertita tramite un motore lineare in movimento del pistone, che per la dinamica del sistema causa a sua volta il movimento del dislocatore, dando come risultato un ciclo Stirling tra il pistone e il dislocatore.

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Il ciclo Stirling si verifica 60 volte al secondo. Il risultato è che la punta fredda del CryoTel® scenderà a 40 K (-233°C o -387°F), in assenza di carico e nel vuoto.

Per la risposta lunga:
Fare riferimento a libri di termodinamica o internet dove vi è abbondanza di informazioni sul ciclo Stirling e altri metodi di raffreddamento, quali Joule-Thompson, Gifford-McMahon e refrigeratori a diluizione.

3. Che cosa è il lift?

Il lift è la capacità di un criorefrigeratore di rimuovere il calore dalla punta fredda mantenendo la temperatura indicata. Per esempio, il lift pubblicizzato per il CryoTel® CT @ 77K è 11W. Ciò significa che il cliente potrebbe avere un carico di 11W e il criorefrigeratore potrebbe ancora mantenere una temperatura di 77K per la punta fredda e il carico.

Ecco la potenza nominale pubblicizzata per il CT:

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Ci sono diversi aspetti di questa curva importanti per l’ingegnere per la loro applicazione. In basso a destra vi è la legenda della temperatura di smaltimento. Questa riguarda la temperatura dello smaltitore di calore sul criorefrigeratore. Lo smaltitore di calore è dove il calore proveniente dalla punta fredda viene rimosso dal criorefrigeratore. Per smaltire questo calore, un cliente può utilizzare alette, una camicia d’acqua, o la rimozione di calore per conduzione.

La temperatura della punta fredda (in Kelvin) è lungo l’asse X inferiore. Il lift in Watt è lungo l’asse Y. L’ingegnere esaminerà la temperatura desiderata della punta fredda, e quindi leggerà la curva della temperatura di smaltimento stimata per trovare il lift del criorefrigeratore. Questo gli dirà quanti Watt di carico termico può gestire il criorefrigeratore, pur rimanendo alla temperatura della punta fredda desiderata .
Lo spessore delle linee rappresenta la variabilità di produzione nelle prestazioni del criorefrigeratore.

4. Cos’è la temperatura di smaltimento?

Lo smaltitore di calore è dove il calore proveniente dalla punta fredda viene rimosso dal criorefrigeratore. Per smaltire questo calore, un cliente può utilizzare alette, una camicia d’acqua, o la rimozione di calore per conduzione. Quando si utilizzano le alette, la temperatura di smaltimento sarà maggiore di quella dell’ambiente. Per una stanza a 28°C di temperatura ambiente, lo smaltitore di calore ad alette è a circa 35°C. Se il cliente utilizza una camicia d’acqua, lo smaltitore di calore è leggermente più caldo (2-5°C) rispetto alla temperatura dell’acqua. Minore è la temperatura di smaltimento, meglio il criorefrigeratore funzionerà ad un punto. La più bassa temperatura di smaltimento che un cliente può utilizzare per uno stock CryoTel è di circa 10C. Temperature più basse sono possibili, ma sarebbe meglio contattare Sunpower per un supporto ingegneristico in quanto esistono delle modifiche che dovrebbero essere apportate al dispositivo di raffreddamento per ottimizzarne le prestazioni.

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5. Cos’è un criorefrigeratore integrale?

Un criorefrigeratore integrale comprende il compressore (o generatore di onde di pressione) e il dislocatore (o testa fredda) nel diametro di un cilindro concentrico. Ecco un esempio di criorefrigeratore integrale:

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6. Che cosa è un raffreddatore frazionato (split cooler)?

Un criorefrigeratore frazionato ha una testa fredda separata collegata al compressore o generatore di onde di pressione tramite un tubo di trasferimento. Ecco un esempio di criorefrigeratore frazionato:

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7. Come faccio a controllare il raffreddatore?

Il controller del criorefrigeratore ha due modalità operative: modalità di controllo della temperatura e modalità di controllo della potenza. In modalità di controllo della temperatura l’utente immette un temperatura desiderata della punta fredda e il controller si adopererà per mantenere quella temperatura. Nella modalità di controllo di potenza l’utente immette un livello di potenza desiderato del raffreddatore criogenico e il controller manterrà quel livello. Il criorefrigeratore utilizza un sensore di temperatura RTD (incluso nell’acquisto) per il controllo. L’RTD dovrebbe essere posizionato sulla punta fredda del criorefrigeratore o comunque molto vicino ad essa.

8. Di cosa ho bisogno oltre al criorefrigeratore?

Ciò dipende dall’applicazione. La maggior parte dei clienti avranno bisogno di raffreddare il criorefrigeratore o con una camicia d’acqua o mediante alette. Entrambi sono disponibili come opzioni permanenti o rimovibili. Alcuni clienti progetteranno da sé il sistema di raffreddamento del proprio criorefrigeratore, ma questa dovrebbe essere una prerogativa riservata all’utente avanzato con esperienza in termodinamica. L’entità di raffreddamento richiesta del criorefrigeratore è uguale alla sua potenza di ingresso.

La maggior parte dei clienti richiederà anche una flangia di vuoto per collegare il criorefrigeratore al proprio Dewar o criostato. Per maggiori informazioni sulle opzioni CryoTel® clicca qui.

9. Quanto tempo durerà?

La vita strutturale del criorefrigeratore è di 5 anni, e questa è la durata consigliata, anche se il tempo medio di fallimento (MTTF) corrente è di oltre 200.000 ore, ovvero circa 23 anni. Per ulteriori informazioni sul MTTF vedere #19.

10. Quale manutenzione è necessaria?

I componenti del criorefrigeratore sono racchiusi in un contenitore a pressione saldato e non c’è modo di accedervi. Non è richiesta alcuna manutenzione sul criorefrigeratore. Noi consigliamo di tenere le alette libere da detriti sulle unità che dispongono di alette di raffreddamento.

11. Di quanta potenza ha bisogno?

I modelli MT e CT richiedono una alimentazione di 24 V CC. Il GT richiede un’alimentazione di 48 V CC.

12. C’è un livello di potenza minimo?

Sì, il criorefrigeratore utilizza cuscinetti a gas, che forniscono una soluzione efficiente per il funzionamento senza contatto. I cuscinetti a gas hanno un livello di potenza minima necessaria a fornire sufficiente pressione per mantenere l’assenza di contatto. Questo livello di potenza minimo è in funzione della temperatura della punta fredda; il controller monitora continuamente il sensore di temperatura per mantenere la potenza minima. La potenza di ingresso minima per il controller è la seguente:

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

13. Cosa sono i cuscinetti a gas?

Un cuscinetto a gas è un sistema ad assenza di contatto in cui un film di gas funge da lubrificante che separa due superfici in moto relativo tra loro. Il cuscinetto a gas funziona come un tavolo da air hockey, dove il disco è supportato da uno strato di aria. Alcune apparecchiature di misurazione ad alta precisione come macchine a misurazione coordinata (CMM) utilizzano un cuscinetto di gas per mantenere la massima precisione e accuratezza possibile.

14. Come potrei danneggiare il criorefrigeratore?

NON fare nessuna di queste cose

  • Sollevare il criorefrigeratore dal dito freddo
  • Posizionare il criorefrigeratore sulla punta fredda.
  • Lasciare che il dito freddo venga ammaccato. La minima ammaccatura potrebbe rendere l’unità inutilizzabile.
  • Praticare dei fori o, in qualsiasi altro modo, bucare o tentare di modificare il recipiente a pressione.
  • Utilizzare l’apparecchio senza un adeguato raffreddamento. Il calore deve essere rimosso dalla zona di smaltimento in rame del criorefrigeratore. Se il raffreddatore è provvisto di alette di raffreddamento esterne, l’aria deve essere forzata sopra le alette e il percorso del flusso non dovrebbe essere ostacolato.
  • Forare o danneggiare in altro modo il tubo di servizio in rame.
  • Sottoporre i passanti elettrici a stress meccanico, ovvero con movimenti assiali o radiali, carichi assiali, colpi o simili.
  • Montare il dispositivo di raffreddamento sospendendolo dal bullone di montaggio del sistema di bilanciamento.
  • Applicare pressione di serraggio al recipiente a pressione.
  • Rimuovere il coperchio di protezione della saldatura a freddo sulla estremità del tubo di servizio in rame. Non sottoporre la copertura a colpi.
  • Controllare l’alimentazione del criorefrigeratore inserendo o rompendo i cavi di alimentazione tra il controller e il criorefrigeratore.

15. Come posso ridurre le vibrazioni?

Ci sono una serie di misure che possono essere adottate per ridurre le vibrazioni del criorefrigeratore.

  • Isolare il criorefrigeratore utilizando smorzatori di vibrazioni.
  • Isolare la punta fredda dal carico mediante treccia di rame.
  • Sintonizzare l’assorbitore passivo in-situ. Contattare Sunpower per ulteriori informazioni.
  • Utilizzare un sistema di bilanciamento passivo a doppia frequenza, che è stato progettato per ridurre il moto armonico a 120 Hz.

16. Cos’è la percentuale del rendimento di Carnot?

Il ciclo di Carnot  per la refrigerazione è un ciclo termodinamico teorico destinato a rappresentare il ciclo più efficace in assoluto per creare una differenza di temperatura facendo una data quantità di lavoro.

Nel 1823 Nicolas Léonard Sadi Carnot propose il teorema di Carnot, in cui si afferma che nessun motore operante tra due sorgenti di calore può essere più efficiente di un motore che utilizza il ciclo di Carnot tra queste due stesse sorgenti.

Per un criorefrigeratore, le due sorgenti di calore sono la punta fredda e lo smaltitore di calore. L’efficienza di un ciclo di Carnot è:

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Dove  Qcold  è l’energia della sorgente fredda, e  Qhot   è l’energia della sorgente calda, e  W è il lavoro fatto per il sistema. L’energia di una sorgente è proporzionale alla temperatura, per cui possiamo convertire Q in T ma bisogna fare attenzione a convertire tutte le unità in Kelvin.

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Poiché nessun criorefrigeratore potrebbe essere più efficiente di un criorefrigeratore che utilizza il ciclo di Carnot, l’efficienza di un criorefrigeratore è data come percentuale del rendimento di Carnot.  L’equazione per determinare la % di rendimento di Carnot per un criorefrigeratore è:

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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. Cos’è l’MTTF?

Per capire a cosa si riferisce l’MTTF, diamo un’occhiata prima a un termine correlato chiamato MTBF. MTBF o tempo medio tra guasti (Mean Time Between Failures) si riferisce al predetto tempo trascorso fra i guasti inerenti di un sistema durante il funzionamento in un modello che in genere suppone che il sistema guasto venga immediatamente riparato. Tutto ciò è in contrasto con il tempo medio di fallimento (Mean Time To Failure, MTTF), che misura il tempo medio di guasti con l’ipotesi modello che il sistema non è stato o non può essere riparato. A causa della natura del processo di fabbricazione e di assemblaggio dei criorefrigeratori, questi non possono essere riparati dopo un guasto inerente, per cui l’MTTF è il termine standard usato dall’industria per indicare l’affidabilità di un criorefrigeratore.

La spiegazione statistica della probabilità di un guasto in un criorefrigeratore è rappresentata dalla curva a vasca da bagno, mostrata qui sotto:

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Dato che il criorefrigeratore è un meccanismo di precisione che fa affidamento sul fatto che i componenti siano nell’ordine di micron (0.000001 di metro, o .0002 “) vi è un fenomeno noto come mortalità infantile. Questo si verifica quando una parte del sistema del criorefrigeratore non è nella banda di tolleranza, il che a sua volta farà sì che il criorefrigeratore vada molto presto in avaria. I criorefrigeratori Sunpower sono sottoposti a un periodo di rodaggio in cui il dispositivo di raffreddamento viene tenuto costantemente in funzione per un certo lasso di tempo, in modo da identificare la mortalità infantile e rimuovere quei raffreddatori dalla linea. Sunpower ha raccolto esperienza sufficiente con il processo di fabbricazione da eliminare le cause della mortalità infantile, e per questo non la monitoriamo più. Tuttavia sottoponiamo ancora i criorefrigeratori ad un periodo di rodaggio come parte della garanzia della qualità e dei processi di controllo.

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L’MTTF è quindi il punto in cui il meccanismo generale di fallimento del criorefrigeratore entra in funzione e, coerentemente, l’intera popolazione di criorefrigeratori fabbricati fallirà. A oggi, non è ancora noto quale sia il tempo ultimo del meccanismo generale di fallimento per i criorefrigeratori CryoTel. L’MTTF dichiarato per i prodotti della linea CryoTel  è di oltre 200.000 ore (oltre 23 anni). Tale valore è stato determinato da un terzo soggetto indipendente utilizzando metodi statistici di là della portata di questa formazione, sulla base di dati  ricavati dai resi dei clienti e da test in-house.

18. Cosa c’è di nuovo nel controller Generation II / Generation 2?

Il controller Generation II inserisce più di un segnale sinusoidale nel criorefrigeratore rispetto all’ingresso Gen 1. Questo si tradurrà in segnali acustici più bassi, e per alcune applicazioni anche inferiori vibrazioni, del criorefrigeratore.

Il controller Generation 2, inoltre, ha delle funzionalità aggiuntive, quali:

  • Avvio/arresto a distanza: l’utente può inserire un interruttore hardware che avvia o arresta il criorefrigeratore. Il cliente può inserire un termostato per spegnere il criorefrigeratore se il meccanismo di raffreddamento non riesce, salvando così il criorefrigeratore da eventuali danni, oppure potrebbe utilizzare un anello di controllo separato per determinare quando il criorefrigeratore è acceso e spento in base alle proprie esigenze di sistema.
  • Limite di potenza massima: l’utente può limitare la potenza massima per il criorefrigeratore.
  • Potenza Min.: l’utente può impostare la potenza minima verso il raffreddatore. Si noti che i requisiti minimi di potenza per i cuscinetti a gas avranno la priorità rispetto alla potenza minima determinata dall’utente.
  • Modifica delle costanti del ciclo di controllo della temperatura: L’utente esperto può modificare le costanti di controllo del ciclo della temperatura per adattare meglio le dinamiche del suo sistema.
  • Blocco Password: l’utente può richiedere che venga utilizzata una password per modificare i parametri del controller.

19. Posso utilizzare il sistema nel vuoto?

Il criorefrigeratore può operare nel vuoto senza problemi. Il controller, tuttavia, ha dei condensatori che non sono testati per il vuoto e potrebbero esplodere, perciò il controller non è omologato per l’uso nel vuoto.

20. Qual è la temperatura massima a cui può essere esposto il criorefrigeratore?

Le specifiche ambientali per il criorefrigeratore vanno da -40°C a 60°C.

21. Quante fasi ha il vostro criorefrigeratore?

I criorefrigeratori Sunpower utilizzano una sola fase.

22. Cos’è il bilanciatore passivo?

Il bilanciatore passivo (detto anche assorbitore passivo) è progettato per assorbire l’energia che il criorefrigeratore dissipa nel sistema del cliente sotto forma di vibrazioni. Il bilanciatore passivo è ottimizzato per assorbire energia a 60Hz, che è la frequenza a cui si muove il pistone del criorefrigeratore. Assorbendo energia, il bilanciatore passivo aiuta a ridurre la vibrazione dell’intero sistema alla frequenza su cui il bilanciatore era sintonizzato/ottimizzato.

Il bilanciatore passivo può essere sintonizzato in situ per ottimizzare le prestazioni dell’unità di base sul sistema del cliente. Si prega di rivolgersi a Sunpower per le istruzioni su come sintonizzare il bilanciatore passivo in-situ.

23. Cos’è il bilanciatore passivo a doppia frequenza?

Il bilanciatore passivo a doppia frequenza è un altro bilanciatore passivo che si trova all’interno del bilanciatore passivo primario da 60Hz. Il bilanciatore passivo a doppia frequenza viene sintonizzato per assorbire energia anche a 120 Hz, oltre che a 60Hz.

24. Ci sono dei requisiti speciali di montaggio per il criorefrigeratore CryoTel®?

I criorefrigeratori CryoTel® offrono diverse opzioni per il montaggio. Ci sono schemi con foro filettato sul corpo del radiatore che sono ideati per l’integrazione di montaggio. Il raffreddatore può essere montato sul sistema attraverso la flangia del criostato sia verticalmente che orizzontalmente con il criorefrigeratore a sbalzo rispetto alla flangia. Nota: Bisogna fare attenzione a non fissare il criorefrigeratore alla struttura del sistema in modo tale da indurre stress nel corpo del criorefrigeratore.

25. A temperatura, il mio carico stazionario di calore è basso. Posso usare un criorefrigeratore di maggiore capacità per ridurre il tempo di raffreddamento?

I criorefrigeratori CryoTel® hanno una soglia minima di potenza di operazione. Il controller stabilisce il livello minimo e non consente al criorefrigeratore di operare al di sotto di questo punto. Ciò è necessario per mantenere in buono stato il sistema di cuscinetti ad aria che viene utilizzato per le parti in movimento.  Se la potenza minima di raffreddamento (lift) del modello di criorefrigeratore alla temperatura target è maggiore del carico termico del dispositivo dell’utente, il sistema del criorefrigeratore non sarà in grado di mantenere la temperatura target. La temperatura di carico devierà verso il basso fino al raggiungimento dell’equilibrio tra il carico termico e il lift del criorefrigeratore. In queste situazioni, il cliente può aggiungere un dispositivo di riscaldamento al suo carico.

26. La sezione ad ampio diametro del criorefrigeratore diventa molto calda al tatto. È un problema?

Ci riferiamo a questa sezione come al “back-end” o “estremità posteriore” del criorefrigeratore, ed è dove è alloggiato il motore.  Il criorefrigeratore può funzionare indefinitamente con l’estremità posteriore a 80°C o al di sotto, senza subire alcun danno. Tuttavia, le prestazioni del criorefrigeratore risentiranno di temperature superiori agli 80°C.  Si consiglia, quando possibile, di fornire una qualche forma di raffreddamento attivo all’estremità posteriore: a flusso d’aria, conduttivo o liquido. Contattare il reparto ingegneristico di Sunpower, info@sunpowerinc.com per suggerimenti circa la rimozione del calore dal criorefrigeratore.

27. Che cosa è incluso in un dispositivo di raffreddamento?

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Qui sopra è mostrato ciò che è incluso nell’acquisto del criorefrigeratore.

  1. Criorefrigeratore (indicato con camicia d’acqua opzionale)
  2. Controller – per comandare il raffreddatore
  3. Sensore di temperatura RTD – da apporre alla punta fredda o molto vicino alla punta fredda sul carico.
  4. Cavo di alimentazione – per collegare il raffreddatore al controller
  5. Cavi seriali – per collegare il controller al PC
  6. Interfaccia del sensore di temperatura – per collegare il sensore di temperatura RTD al controller

28. Il criorefrigeratore è sottoposto a controllo ITAR (International Traffic in Arms Regulation)?

L’esportazione dei criorefrigeratori Sunpower è controllata congiuntamente dal Dipartimento di Stato degli Stati Uniti – Direzione dei controlli di difesa commerciale e dal Bureau of Industry and Security del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. L’ITAR controlla i dati tecnici del prodotto, inclusi (ma non limitandosi a):

  • Disegni ingegneristici
  • Informazioni sulla produzione

Lo stesso criorefrigeratore è controllato dal Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti e l’ECCN # (Export Control Classification Number) è 6A002.D.2.A. Per alcuni paesi è necessaria una licenza di esportazione. Per determinare per quali paesi è richiesta una licenza di esportazione fare riferimento al Grafico dei Paesi del Dipartimento del Commercio (Supplemento n° 1 alla parte 738) e verificare se è segnata una “X” nella cella accanto al paese in questione per uno dei due identificatori di colonna “NS2” oppure “AT1”. Se sì, è necessaria una licenza.

29. Posso avere una punta fredda personalizzata?

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Sì, Sunpower offre ai clienti la possibilità di modificare la configurazione della punta fredda (o accettore) a un costo aggiuntivo, a seconda della complessità. Una punta fredda personalizzata aumenterà anche il tempo di esecuzione del criorefrigeratore.

30. Il criorefrigeratore e il controller sono certificati dalla CE?

Poiché né il controller né il criorefrigeratore vengono inseriti direttamente alla presa a muro, una certificazione CE non è applicabile. Il controller e il criorefrigeratore hanno entrambi superato la certificazione CE come parti di prodotti del cliente.