Druga strona rezonansu

-- środa, 06 maj 2009

Po drugi przykład zwróciłem się do mojego długoletniego współpracownika i przyjaciela, doktora Freda Stolfi, profesora me chatroniki na Columbia University w Nowym Jorku. Stolfi ma ponad 25-letnie doświadczenie w projektowaniu, które zdobył w firmach Smith Corona, Philips i Xerox, w związku z czym na wykładach demonstruje, w jaki sposób rozwiązywać spotykane w praktyce, multidyscyplinarne problemy związane z projektowaniem, koncentrując się na ogólnych technikach, które można stosować do szerokiego zakresu produktów. Podczas pracy w firmie Philips, Stolfi i jego zespół zaprojektował wykorzystującą obieg Stirlinga chłodziarkę niskotemperaturową dla Centrum Lotów Kosmicznych NASA im. Goddarda. Chłodziarka miała zostać zamontowana na satelicie. Aby zapewnić jej długi okres sprawności, zastosowano łożyska magnetyczne podtrzymujące ruchome wałki. Cykl Stirlinga składa się z dwóch elementów. Element wypierający przemieszcza gaz roboczy – hel z chłodzonej końcówki do części, w której następuje sprężanie. Gdy gaz znajduje się w części kompresyjnej, tłok spręża go i wydziela ciepło. Gdy gaz znajduje się w chłodzonej końcówce, tłok powoduje rozprężanie się gazu i pochłania ciepło. W ten sposób tłok i element wypierający oscylują z tą samą częstotliwością, ale przesunięte w fazie. Nominalna temperatura robocza zamrażarki wynosiła 65o K.

Lustro oscylujące w skanerze kodów paskowych.

By możliwe było uzyskanie wysokiej sprawności, jakiej wymagała obsługa satelity, tłok pracował z częstotliwością drgań własnych — w rezonansie. Masa tłoka rezonowała na sprężynie gazowej uformowanej przez kompresję gazu za pomocą czoła tłoka. W ten sposób liniowy silnik tłoka musiał tylko kompensować straty, ale nie musiał w każdym cyklu przyspieszać i spowalniać masy. Aby możliwe było sterowanie w pętli zamkniętej, tłok i element wypierający wykorzystywały różnicowe przetworniki przemieszczeń liniowych (linear vari able differential transformers - LVDT) do pomiaru położenia liniowego. W celu osiągnięcia rezonansu, częstotliwość cyklu była korygowana w pętli synchronizacji fazy, więc prędkość tłoka i siła działały w fazie. Druga pętla synchronizacji fazy służyła do kontroli elementu wypierającego względem tłoka.

---