Plasma Actuation for Stirling Cryocooler Applications
2022 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Plasma-baserad drift av Stirling kryokylare (Swedish)
Abstract [en]
Stirling cryocoolers are state-of-the-art cryocoolers for use in observational satellite applications, but their mechanical compressors cause vibrations and other issues which motivate alternative solutions. In this thesis, electric gas discharge actuation is investigated as a means of pressure wave generation for driving a Stirling cryocooler, without moving mechanical parts. Electro-hydrodynamic (EHD) and electrothermal pressure-wave generation in helium gas is considered. An extensive literature review is conducted, and basic mathematical modelling, by which different methods are compared. A method for simulating shock waves generated by spark discharges is developed in COMSOL. It is concluded that according to the current research, EHD actuation is likely infeasible for the application, due to the upwards limitation on EHD pressure which is described by the Mott-Gurney law. Further modelling could however be fruitful in elucidating the exact role and scope of this limit. Electrothermal actuation is argued to be a more promising approach at present, considering pressure amplitude and efficiency. This method could benefit from further development towards increased durability, and improvements in thermodynamic modelling. Recommendations for future work are given. Extra chapters are provided to give overviews of the subjects of Stirling cryocoolers and gas discharge physics.
Abstract [sv]
Stirling kryokylare är högutvecklade kryogeniska kylare för satellit-baserad observation, men deras mekaniska kompressorer orsakar vibrationer och andra problem som motiverar ett sökande efter alternativa lösningar. I denna uppsats undersöks elektriska gas-urladdningar som ett medel för att skapa tryckvågor för att driva en Stirling kryokylare utan mekaniska rörliga delar. Tryckvågor skapade via elektrohydrodynamisk (EHD) och elektrotermisk effekt i helium studeras. En litteraturstudie genomförs, samt grundläggande matematisk modellering, genom vilket olika metoder jämförs. En metod för att simulera chock-vågor skapade av gnistor tas fram i COMSOL. En slutsats är att enligt nuvarande forskning så är drivning via EHD sannolikt tekniskt orimligt, på grund av den begränsning som finns hos EHD-tryck vilken beskrivs av Mott-Gurneys lag. Vidare modellering kan dock bidra till att klargöra den exakta rollen och omfattningen av denna begränsning. Elektrotermisk drivning argumenteras vara en rimligare metod i dagsläget, med hänsyn till tryckamplitud och verkningsgrad. Denna metod skulle vinna på ytterligare utveckling mot ökad livslängd, samt förbättrad termodynamisk modellering. Rekommendationer för framtida arbete ges. Två extra kapitel inkluderas för att ge överblick över områdena Stirling kryokylare och gas-urladdningar.
Place, publisher, year, edition, pages
2022. , p. 99
Series
TRITA-EECS-EX ; 2022:364
Keywords [en]
Plasma, Actuator, Gas discharge, Spark, Simulation, Space, Cryocooler
Keywords [sv]
Plasma, Aktuator, Urladdning, Gnista, Simulering, Rymd, Kryokylare
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-320403OAI: oai:DiVA.org:kth-320403DiVA, id: diva2:1705137
External cooperation
APR Technologies AB
Supervisors
Examiners
2022-10-242022-10-212024-01-12Bibliographically approved