The Effect of Helium Gas on the Cooling Characteristics of a Beta-Type Stirling Cooler Converted from a Beta-Type Stirling Engine

Yıl 2025, Cilt: 6 Sayı: 2, 394 - 408, 26.12.2025

Mustafa Ceyhun Erkoca , Yaşar Özgören

https://doi.org/10.55546/jmm.1816204

Öz

In this study, the cooling characteristics of a regeneratorless beta-type Stirling cooler converted from a beta-type Stirling engine were investigated. Helium was used as the working fluid to examine the effect of its superior thermodynamic properties, such as low viscosity and high thermal conductivity, on the minimum temperature achievable by the cooler. Experiments were conducted at charge pressures of 1, 2, and 3 bar within a speed range of 300 to 900 rpm. The lowest stable cold-end temperature was measured as −17.67 oC at a charge pressure of 3 bar and 500 rpm. This corresponds to a significant temperature difference of 41.07 oC relative to an ambient temperature of 23.4 oC. The results demonstrate that helium, as the working fluid, enables the Stirling cycle to successfully reach sub-zero temperatures. Schmidt thermodynamic analysis and pressure–volume (P–V) diagrams helped to understand the theoretical potential of the cooling characteristic data. Overall, the findings clearly reveal the high cooling potential of helium.

Anahtar Kelimeler

Stirling engine , Stirling cooler , Cooling machine , Helium

Etik Beyan

This study was produced from the doctoral thesis prepared by Mustafa Ceyhun ERKOCA.

Teşekkür

The doctoral thesis in preparation, which produced this study, was supported by Afyon Kocatepe University Scientific Research Projects Coordination Unit with the project code “23.FEN.BİL.11”.

Beta Tipi Stirling Motorundan Dönüştürülmüş Beta Tipi Bir Stirling Soğutucunun Soğutma Karakteristiğine Helyum Gazının Etkisi

Öz

Bu çalışmada, beta tipi bir Stirling motorundan dönüştürülmüş, rejeneratörsüz bir beta tipi Stirling soğutucunun soğutma karakteristiği incelenmiştir. Çalışma akışkanı olarak helyum kullanılarak, helyumun düşük viskozite ve yüksek termal iletkenlik gibi üstün termodinamik özelliklerinin soğutucunun minimum sıcaklığı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deneyler 1, 2 ve 3 bar şarj basınçlarında, 300 rpm ile 900 rpm devir aralığında gerçekleştirilmiştir. Elde edilen en düşük kararlı soğuk uç sıcaklığı, 3 bar şarj basıncında ve 500 rpm’de -17,67 oC olarak ölçülmüştür. Bu sıcaklık değeri, 23,4 oC ortam sıcaklığına karşılık 41,07 oC’lik kayda değer bir sıcaklık farkı oluşturmaktadır. Bu sonuçlar, helyum çalışma akışkanının Stirling çevrimini başarıyla sıfırın altı sıcaklıklara taşıdığını göstermektedir. Schmidt termodinamik analizi ve basınç–hacim (P–V) diyagramları, soğutma karakteristiği verilerinin teorik potansiyelini anlamada yardımcı olmuştur. Sonuçlar, helyumun yüksek soğutma potansiyelini açıkça ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

Stirling motoru , Stirling soğutucu , Soğutma makinesi , Helyum

Etik Beyan

Bu çalışma Mustafa Ceyhun ERKOCA’nın hazırlamakta olduğu Doktora tezinden üretilmiştir.

Teşekkür

Bu çalışmanın üretildiği hazırlanmakta olan doktora tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından “23.FEN.BİL.11” kodlu proje ile desteklenmiştir.

Kaynakça

• Bataineh K., Hybrid fuel-assisted solar-powered stirling engine for combined cooling, heating, and power systems: A review. Energy 300 (131506), 2024.
• Cheng C. H., Huang C. Y., Yang H. S., Development of a 90-K beta type Stirling cooler with rhombic drive mechanism. International Journal of Refrigeration 98, 388-398, 2019.
• Çengel Y. A., Boles M. A., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Literatür Yayıncılık, İstanbul, pp. 789, 2000.
• Eid E. I., Khalaf-Allah R. A., Soliman A. M., Easa A. S., Performance of a beta Stirling refrigerator with tubular evaporator and condenser having inserted twisted tapes and driven by a solar energy heat engine. Renewable Energy 135, 1314-1326, 2019.
• Guo D., McGaughey A. J. H., Gao J., Fedder G. K., Lee M., Yao S. C., Multiphysics modeling of a micro-scale Stirling refrigeration system. International Journal of Thermal Sciences 74, 44-52, 2013.
• Hu J. Y., Luo E. C., Dai W., Zhang L. M., Parameter sensitivity analysis of duplex Stirling coolers. Applied Energy 190, 1039-1046, 2017.
• Karabulut H., Düzgün M., Topgül T., Nodal thermodynamic analysis of a three-cylinder gamma-type Stirling engine and a conventional gamma-type Stirling engine and performance comparison. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 38(1), 45-56, 2023.
• Kim H. S., Gwak I. C., Lee S. H., Numerical analysis of heat transfer area effect on cooling performance in regenerator of free-piston Stirling cooler. Case Studies in Thermal Engineering 32 (101875), 2022.
• Li X., Dai W., Zhang W., Zhou R., Xiao Q., Yu G., Luo E., Zhu S., A high-efficiency free-piston Stirling cooler with 350 W cooling capacity at 80 K. Energy Procedia 158, 4416-4422, 2019.
• Murti P., Shoji E., Biwa T., Analysis of multi-cylinder type liquid piston Stirling cooler. Applied Thermal Engineering 219 (119403), 2023.
• Narasaki K., Tsunematsu S., Ootsuka K., Kyoya M., Matsumoto T., Murakami H., Nakagawa T., Development of two-stage Stirling cooler for ASTRO-F. AIP Conference Proceedings 710, 1428-1435, 2004.
• Özgören Y. Ö., Stirling motorlarında ısı kayıplarının azaltılması için termal bariyer kullanımı, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 2004.
• Phung T. V., Cheng C. H., Quantifying damping coefficients in a rhombic-drive β-type Stirling engine based on a novel CFD-mechanism dynamic model and experimental data. Renewable Energy 235 (121299), 2024.
• Shigeto S., Tanaka K., Sato Y., Shinozaki K., Mitani S., Evaluation method for effect of active vibration control on cooling performance of Stirling cooler. Cryogenics 117 (103308), 2021.
• Smirnov S. A., Smirnov A. A., Zherlitsyn A. G., Belyaev M. V., Experimental study of Cryo-CMOS electronics cooling by free-piston Stirling cryocooler. Cryogenics 134 (103998), 2023.
• Sun D., Qiao X., Yang D., Shen Q., Experimental study on a two-stage large cooling capacity stirling cryocooler working below 30 K. Cryogenics 129 (103619), 2023.
• Sun H., Yu G., Dai W., Zhang L., Luo E., Dynamic and thermodynamic characterization of a resonance tube-coupled free-piston Stirling engine-based combined cooling and power system. Applied Energy 322 (119437), 2022.
• Sun Y., Luo K., Wang J., Luo E., Hu J., Wu Z., Zhang L., Zeng Y., Chi J., Integrated combined heating, cooling and electricity system based on triple-effect free-piston Stirling configuration. International Journal of Refrigeration 164, 117-121, 2024.
• Topgül T., Design, manufacturing, and thermodynamic analysis of a gamma-type Stirling engine powered by solar energy. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 68(12), 757-770, 2022.
• Topgül T., Okur M., Şahin M., Çınar C., Experimental investigation of the effects of hot-end and cold-end connection on the performance of a gamma type Stirling engine. Engineering Science and Technology, an International Journal 36 (101152), 2022.
• Wang J. X., Zhang L. M., Luo K. Q., Luo E. C., Hu J. Y., Wu Z. H., Yang R., Theoretical analysis of a direct-coupled Stirling combined cooling and power system for heat recovery. Applied Thermal Engineering 229 (120566), 2023.