Cooling for Microsystems: Miniaturization Prospects for Pulse Tube Cryocooler

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. ... mehr

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.

Regenerative cryocoolers such as Stirling, Gifford--McMahon, and pulse tube cryocoolers possess great merits such as small size, low cost, high reliability, and good cooling capacity. These merits led them to meet many IR and superconducting-based application requirements. Among these cryocoolers, a machine called \textit{pulse tube cryocooler (PTC)} that exhibits excellent merits and has the potential to be miniaturized for on-chip and microsystems applications. This thesis investigates the miniaturization aspects of this machine using various numerical analyses and computational fluid dynamic (CFD) simulation models. ... mehr

In this thesis, an analysis of the complex operation for the tube element is proposed for an orifice pulse tube cryocooler. This is achieved through phasor analysis using fundamental thermodynamic relations to estimate the approximated cooling power associated with this machine. Moreover, the phase shift angle effect is illustrated by forming an analogy between the phase shift mechanism and a series RLC circuit model. Following that, a one-dimensional model based on mass and energy conservation equations is presented; the reduced model is numerically solved for the temperature and velocity of the gas along the tube to determine the mass flow and time-averaged enthalpy flows at the cold and hot ends of the tube. The findings from the one-dimensional analysis are compared with the previous phasor analysis results.

The regenerator is a critical component in these closed-cycle cryocoolers. The thesis presents a one-dimensional numerical analysis of the idealized thermal equations of the matrix and working gas within the regenerator. The algorithm predicts the temperature profiles of the gas during heating and cooling and the matrix nodal temperatures. It investigates how the length and diameter of the regenerator, the geometric parameters of the matrix, the number of heat transfer units, and the volumetric flow rate affect the performance of an ideal regenerator. It also proposes a 2D axisymmetric CFD model to evaluate and validate the ideal regenerator model. Moreover, an analytic procedure is developed to estimate the losses that exist in the regenerator. The results are compared to that of another software, so-called REGEN, developed by NIST.

After that, an axisymmetrical CFD numerical simulation is reported that reveals the oscillating flow and heat transfer processes found in an inertance-type pulse tube cryocooler. The operating frequency effects are investigated, and the impacts of the system's reduced size operating at high-frequency on the system's cooling performance are studied. Furthermore, a special-purpose software called Sage and CFD modeling is utilized to develop ultra-miniature PTC models. Their performance parameters are studied, and their eligibility for on-chip and micro-system applications is determined.