Çift Katmanlı Joule-Thomson Mikro Kriyojenik Soğutucu İçin Isı Değiştirici Geometrisinin Optimizasyonu
Joule-Thomson soğutucuları¸ kriyojenik soğutucular olarak elektronik devrelerin soğutulması için kompakt bir çözüm sunmaktadırlar. Bu soğutucularda karşı akışlı ısı değiştiricisi (Counter Flow Heat Exchanger-CFHX) elemanı için önemli bir elemanı olup sistem verimliliğini büyük ölçüde etkilemektedir. Soğutucu sistemlerin tasarımında genellikle ısı transferi ve akış mekanizmaları ayrı olarak ele alınıp bu iki ayrı mekanizma için alınan sonuçlara göre tasarım boyutları belirlenir. Bu çalışmada ısı transferi ve akış sebebiyle olan kayıplar entropi üretimi olarak ele alınarak incelenmiştir. Bu sayede akıştan ve ısı transferinden dolayı oluşan kayıplar birbirlerine ekleyip çıkarabilmek ve karşılaştırabilmek mümkün olmuş ve toplam bir kayıp değerinin görülebilmesi sağlanmıştır. Ayrıca sistemin toplam kaybı tek bir değer üzerinden farklı durumlar için karşılaştırılabilmiştir. Sistemin artan soğutma kapasitesi ile birlikte en yüksek verimi sağlayan soğutucu boyutları özellikle kanal genişliği artmaktadır. Çalışma kapsamında bu artışa çözüm olarak tek bir çevrim kullanmak yerine biri diğerinin üzerinde bulunan iki çevrime sahip bir tasarım incelenmiştir. Üst üste yerleştirilmiş iki çevrimin etkileri, verimliliği ve optimum boyutları çalışma kapsamında belirlenmiştir. İki çevrimli tasarımın sonuçları sistem boyutları ve Soğutma Tesir Katsayısı (STK) yönünden ele alınarak tek çevrime sahip durumla karşılaştırılmıştır. Çalışma kapsamında 80 ile 790 mW arasında soğutma gücüne sahip soğutucu için optimum karşı akışlı ısı değiştiricisi boyutları belirlenmiştir.
Optimization of Heat Exchanger Geometry forTwo-Layer Joule-Thomson Micro Cryocooler
With the development of the electronics the dimensions of the circuits are becoming smaller more and more. Micro circuits need micro cooling system. Therefore, developing cooler as small as the circuits is important. The counter flow heat exchanger (CFHX) is an important part of a cryocooler. Generally, heat transfer and flow mechanisms are considered separately and an arbitrary value is chosen. In this paper the heat transfer and the flow in the channels are considered together as entropy production which gives the ability to compare and sum all the losses. With the increasing cooling power optimum dimensions of the CFHX is getting bigger. To be able to decrease the dimensions of the CFHX instead of one cycle of cooling, vertically placed two cycles is investigated. It’s effects, efficiency and optimum dimensions is founded. The results are compared to one cycle, regular cryocooler considering dimensions and COP. The optimum dimensions are presented for cooling powers between 80 to 790 mW
___
- [1] Nast T., Olson J., Roth E., Evti̇mov B., Frank D. and Champagne P., “Cryocoolers”, 2007, 11 163.
- [2] Radebaugh R., “Cryocoolers: The State of the Art and Recent Developments”, Journal of Physics: Condensed Matter, 21 164219 (9pp).
- [3] W. A. Li̇ttl, “Microminiature Refrigeration // Department of Physics”, Stanford University, Stanford, California 94305.
- [4] Wi̇dyaparaga, Adhi̇ka & Kuwamoto, Masashi̇ & Tanabe, Atsushisakoda, Naoya & Kubota, Hi̇romi̇ & Kohno, Masami̇chi̇ & Takata, “Study on a Wire-Type Joule Thomson Microcooler With a Concentric Heat Exchanger”, Applied Thermal Engineering, 30. 2563-2573. 10.1016/j.applthermaleng.2010.07.007.
- [5] A. Razani̇, T. Fraser, C. Dodson, K. W. Marti̇n, “Second-Law Analysis of a Cascade Joule-Thomson Microcooler”, 2015, The University of New Mexico Albuquerque.
- [6] Peng Li̇, Maoqi̇ong Gong, and Ji̇anfeng, “Geometric Optimization of An Active Magnetic Regenerative Refrigerator Via Second-Law Analysis” Journal of Applied Physics. 104, 103536.
- [7] H.J.M. Ter Brake; J.F. Burger; H.J. Holland; J.H. Derki̇n; H. Rogalla; P.P.P.M. Lerou, “Micromachined Cryogenic Coolers for Cooling Low-Temperature Detectors and Electronics”, IEEE 1930-0395
- [8] H.S. Cao A., A.V. Mudali̇a, J.H. Derki̇n, P.P.P.M. Lerou, H.J. Holland, D.R. Zalewski, S. Vanapalli, H.J.M. Ter Brake, “Design and Optimization of a Two-Stage 28 K Joule– Thomson Microcooler”, Cryogenics, (2012).
- [9] H S Cao, H J Holland, C H Vermeer, S Vanapalli̇, P P P M Lerou, Mblom And H J M Ter Brak, “Characterization of a Two-Stage 30 K Joule–Thomson Microcooler” J. Micromech. Microeng. 2013. 23
- [10] D. Halliday, R. Resnick and J. Walter, “Fundamentals of Physics Extended”, Wiley, New York 10th ed. 2014.
- [11] Bejan A., “Heat Transfer. New York”: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-502909-1. 1993.
- [12] P.P.P.M. Lerou, T.T. Veenstra, J.F. Burger, H.J.M. Ter Brake, H. Rogalla, “Optimization of Counterflow Heat Exchanger Geometry Through Minimization of Entropy Generation”, Cryogenics. 2005. 45 10-11.
- [13] P P P M Lerou, G C F Venhorst, C F Berends, T T Veenstra, M Blom, J F Burger, H J M Ter Brake And H Rogalla, “Fabrication of a Micro Cryogenic Cold Stage Using Mems-Technology”, J. Micromech. Microeng. 2006, 16 (2006) 1919–1925.
- [14] Kays W.M., London A.L., “Compact Heat Exchangers” Second Ed, New York: McGrawHill Book Company. 1993
- ISSN: 1300-3399
- Yayın Aralığı: Yılda 6 Sayı
- Başlangıç: 1993
- Yayıncı: TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI