斯特林型制冷機集成制冷的發(fā)展

李 勇，羅新奎，張 安，范 超，馮天佑

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

斯特林型制冷機集成制冷的發(fā)展

李 勇，羅新奎，張 安，范 超，馮天佑

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

隨著對空間制冷的要求越來越高，具有多級制冷能力的制冷機比使用多個制冷機有更高的系統(tǒng)效率。這種制冷機通過減小冗余提高系統(tǒng)的可靠性，同時又滿足了空間低溫系統(tǒng)集成化的需求。針對單個線性壓縮機驅動多個膨脹機的方式，總結分析其在多溫區(qū)多冷量需求下的制冷效果和發(fā)展前景。

斯特林型制冷機；線性壓縮機；多膨脹機；制冷量

0 引言

常用的回熱式制冷機有斯特林制冷機、G-M制冷機和脈管制冷機，其中脈管制冷機分為G-M型脈管制冷機和斯特林型脈管制冷機。按照壓縮機和膨脹機之間是否采用配氣閥門，回熱式制冷機又分為兩種基本類型，其中沒有配氣閥門而采用容積變化來控制流率的制冷機傳統(tǒng)上稱為斯特林型制冷機，包括斯特林制冷機和斯特林型脈管制冷機；而采用配氣閥門控制工質流率的制冷機被稱為埃里克森（Ericsson）型制冷機，包括G-M制冷機和G-M脈管制冷機[1]。由于斯特林型制冷機不存在切換閥，且多采用線性驅動技術，因此具有結構緊湊、質量輕、振動小、可靠性高等優(yōu)勢，目前在航空航天、國防軍工、低溫超導、醫(yī)療儀器等方面的應用越來越廣泛。隨著制冷機的要求日益復雜以及空間低溫系統(tǒng)集成化的要求越來越高，斯特林型制冷機出現(xiàn)了串聯(lián)多缸和并聯(lián)多缸等不同結構形式，以滿足不同條件下的制冷需求。下面統(tǒng)一對單壓縮機驅動的不同結構的斯特林型制冷機進行分類概述。

1 單級斯特林制冷機和單級斯特林型脈管制冷機

單級斯特林制冷機和單級斯特林型脈管制冷機都是由直線無閥壓縮機驅動的單級制冷機，其中對單級斯特林制冷機的研究起步較早，技術成熟度較高，商用或軍工用的型號產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟；而對單級斯特林型脈管制冷機的研究晚于單級斯特林制冷機，但是由于其膨脹腔部分未用運動部件，在減小振動和延長壽命方面有其獨特的優(yōu)勢，近年來已經(jīng)成為研究熱點。

1.1 單級斯特林制冷機

在19世紀60年代，國外發(fā)達國家就已經(jīng)開始對于斯特林制冷機展開研究，但是由于當時生產(chǎn)力水平低下，整套制冷設備的經(jīng)濟性比較差，斯特林制冷機未能得到推廣，直到20世紀60年代才得到大力發(fā)展。國外典型的長壽命斯特林制冷機匯總如表1所列。

表1 國外長壽命斯特林制冷機Table1 The long life endurance of stirling cryocooler of foreign countries

國內特林制冷機的研制水平一直落后于國外發(fā)達國家。上海技術物理所在“九五”期間研制成功了77 K/0.5 W的星載斯特林制冷機樣機，輸入功率22 W，質量4.3 kg，不維修工作壽命達到10 000 h。2012年又研制出6 W@80 K氣動分置式斯特林制冷機樣機，輸入功率106 W，整機質量5.5 kg。蘭州空間技術物理研究所在“十五”期間完成了80 K/2 W斯特林制冷機與輻射制冷器復合制冷系統(tǒng)的研制，并于“十一五”期間于2007年首次實現(xiàn)了星載斯特林制冷機的產(chǎn)品化研制，完成了80 K/1 W斯特林制冷機的產(chǎn)品，實現(xiàn)了小批量（10臺）生產(chǎn)[2]。

1.2 單級斯特林型脈管制冷機

從制冷溫度看，目前中等功率的單級斯特林型脈管制冷機的最低制冷溫度已經(jīng)達到30 K[3]。

在美國空軍的經(jīng)費支持下，NGST從1989年開始研究線性壓縮機驅動的空間用斯特林型脈管制冷機技術。1992年其研制的微型脈管制冷機在壓縮機輸入功率為20 W的情況下可以提供0.3 W@ 73 K的制冷量。2002年NASA發(fā)射的大氣溫度紅外探測器中搭載了兩臺1.5 W@55 K斯特林型脈管制冷機，用于冷卻HgCdTe探測器焦平面[4]

荷蘭THALES在斯特林線性壓縮機的基礎上，開發(fā)了兩款斯特林型脈管制冷機LPT9310和 LPT9510，分別在150 W和60 W的輸入功率下，產(chǎn)生4 W@80 K和1 W@80 K的制冷量[5-6]。

美國LMATC從1987年開始發(fā)展空間低溫制冷機，并于1994年開始研制空間脈管制冷機，其目標在于達到可與斯特林制冷機競爭的效率。其開發(fā)的Mark III型制冷機，由高效線性壓縮機驅動，當輸入功率為100 W、環(huán)境溫度為295 K時，最低制冷溫度為32 K，可獲得2.4 W@60 K的制冷量，卡諾效率為18%[7]。

為冷卻第四代移動通信用超導濾波器，2000年日本Aisin公司、Daikin公司和Fujidenki等公司相繼研發(fā)了各自的高頻脈管制冷機產(chǎn)品，在77 K時具有2～3 W的制冷量[8]。

2001年韓國LG公司研制的直線型風冷高頻脈管制冷機在280 W輸入功率時，具有5.5 W@65 K的制冷量[9]。

2003年中科院理化技術研究所低溫中心研制的高頻脈管制冷機在輸入功率為29 W時，制冷功率達到250 mW@85 K，質量小于3 kg，連續(xù)工作壽命達1 100 h10]。

2007年，法國的液化空氣公司、CEA/SBT及荷蘭的Thales cryogenics公司聯(lián)合為歐空局研制了一種溫度40～60 K制冷要求的斯特林型同軸脈管制冷機，整機質量不到5.1 kg，壓縮機輸入功率155 W時，在55 K有2.3 W的制冷量[11]。

2 雙級斯特林型制冷機

雙級的斯特林型制冷機有雙級斯特林制冷機、雙級斯特林型脈管制冷機和復合型雙級制冷機三種結構。

2.1 雙級斯特林制冷機

目前國際上空間雙級斯特林制冷機研制單位主要集中在歐美及日本等發(fā)達國家。1963年菲利浦公司在原用于液化空氣的單級斯特林制冷機的基礎上增加了1個回熱器和1個膨脹腔，制成了雙級斯特林制冷機，被用于菲利浦氫液化器。制冷機分別在兩個溫位工作，兩級的制冷溫度分別為60 K和20 K。

國內的主要研究單位有蘭州空間技術物理研究所和中科院上海技術物理研究所。2011年，李奧等[12]研制出高效35 K雙級斯特林制冷機，如圖1所示，結果表明兩級冷端溫度在35 K時，可獲得1.11 W冷量，壓縮機功耗為70 W，比卡諾效率達到11.8%。但由于采用雙驅動控制，額外增加了系統(tǒng)功耗和負重。

圖1 35 K雙級斯特林制冷機Fig.1 35 K two-stage stirling refrigerator

2.2 雙級斯特林型脈管制冷機

雙級斯特林型脈管制冷機按前后級耦合方式分為氣耦合與熱耦合兩種。圖2（a）、（b）兩種均為氣耦合方式，（a）是回熱器串聯(lián)，脈管并聯(lián)的方法，每級脈管的熱端都處于室溫，冷端則分別與同級的回熱器冷端相連，稱為并行布置，這種布置方式避免了上一級脈管為了冷卻下一級脈管而增加負荷的問題；（b）是回熱器和脈管均采用串連的方式，即第二級脈管的熱端與第一級脈管的冷端相連，可減少冷量損失，稱為串行布置。

圖2 雙級斯特林脈管制冷機結構形式圖Fig.2 The structureof two-stage pulse tube refrigerator

圖2（c）為熱耦合方式，是用第一級脈管的冷端通過熱橋冷卻第二級回熱器的中部，工質只在分開的兩個回熱器中單獨運動，二者之間沒有氣流交換，只有熱交換，從而避免了兩級之間的相互干擾，便于分別進行相位調節(jié)和參數(shù)性能優(yōu)化。

目前從事液氦溫區(qū)兩級脈管制冷機及其應用研究的國家很多，主要包括美國、日本、德國、中國、法國、荷蘭、韓國等。雙級的斯特林脈管制冷機最低制冷溫度已達到13 K以下。1999年，中科院低溫中心在1臺雙向進氣型兩級脈管制冷機上，實現(xiàn)了25 K的低溫[13]。

2003年，美國Lockheed Martin研究中心報道了采用一級和二級Stirling型脈管制冷機分別獲得了19.8 K和5.35 K的低溫[14]。

2004年，美國Sierra Lobo公司成功研制了1臺在第二級回熱器中使用了稀土磁性蓄冷材料的雙級斯特林型脈管制冷機，在600 W的輸入功下，一、二級在67 K和18.3 K下分別具有6 W和1.4 W的制冷量。同年研制了1臺兩級斯特林型脈管制冷機[15]，在運行頻率為32.3 Hz，輸入PV功600 W時，獲得性能為第一級3.5 W@65 K，第二級4.0 W@20 K。

2007年，中國科學院理化技術研究所報道了1臺斯特林型單級高頻多路旁通型脈管制冷機，采用雙向進氣作為調相裝置獲得23.8 K的最低無負荷制冷溫度，輸入功率為150 W時，獲得0.25 W@35 K冷量。由于單級脈管制冷機制冷最低溫度保持在30 K附近，再降溫比較困難，所以用雙級脈管制冷機。第一級是同軸結構，第二級是U型結構，輸入功率為100 W時，獲得0.28 W@35 K，性能明顯優(yōu)于單級脈管制冷機。同年，顏鵬達等[16]對1臺斯特林型雙級脈管制冷機改進后，制冷機的制冷性能得到了顯著的提高。在充氣壓力1.2 MPa，輸入400 W/ 32 Hz的正弦交流電時，第一、第二級分別獲得了93.3 K和14.2 K的最低制冷溫度。并且，第一級和第二級在97.8 K和34.9 K時，分別具有2.5 W和1 W的制冷量。

2008年，中科院低溫中心的楊魯偉在德國Gies?sen大學訪問期間采用了并聯(lián)雙閥雙向進氣和慣性管調相機構的雙級斯特林型脈管制冷機，無負荷溫度達到19.6 K[17]。

2009年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構報道了1臺斯特林型高頻脈管制冷機[18]，充氣壓力0.9 MPa，輸入功率為90 W時，第一級1 W@83.6 K，第二級0.2 W@16 K。壓縮機質量7 kg，冷頭質量2 kg。該制冷機在15～20 K溫區(qū)給J-T制冷機提供預冷量，使其在5年內可以維持4.5 K的溫度。

目前雙級斯特林型脈管制冷機的最低制冷溫度尚未達到液氦溫區(qū)，仍需進一步的研究和探索。

2.3 復合型雙級斯特林型制冷機

Raytheon公司的Kirkconnell等[19]于2001年提出了一種新型的斯特林/脈管復合型二級制冷機。這種復合型二級制冷機的第一級為傳統(tǒng)的牛津型斯特林制冷機，第二級為1個高頻脈管制冷機，如圖3所示，兼具斯特林制冷機和脈管制冷機的優(yōu)點，同時消除或者減弱了其無效損失，從而使得該制冷機具有較高的效率，可以在非常寬的溫區(qū)內高效工作，同時滿足動載荷的需求，具有很好的應用前景。

圖3 混合雙級制冷機Fig.3 Hybrid two-stage refrigerator

2004年，Raytheon公司研制第二代斯特林-脈管混合型兩級低溫制冷機[19]，在輸入PV功為124 W時，一、二級的冷量分別為6.6 W@110 K和1.1W@ 40 K。2010年，為滿足市場需求，Raytheon公司生產(chǎn)了兩個成熟機型：HCK-RSP2和MC-RSP2。其中，HG-RSP2在輸入功率為513 W時，實現(xiàn)了在85 K和35 K能夠同時提供16.2 W和2.6 W制冷量的性能；MC-RSP2輸人功率為166 W時，在110 K和58 K能夠同時提供6.1 W和2.4 W的制冷量，基本實現(xiàn)了在輸入功小于500 W時，在35 K具有2 W制冷量，同時在85 K具有18 W制冷量的需求性能[20]。

研究者認為，當前社區(qū)治理矛盾頻發(fā)的根源在于社區(qū)治理結構的不合理，決策者未能關注到社區(qū)中發(fā)生的社會結構變化和居民、業(yè)主的需求變化，缺少外部有效的政治引導和內部足夠的凝聚力，導致社區(qū)治理“多中心”但“無秩序”的困境。?有關業(yè)主組織及業(yè)委會的政策文本均出自房地建設部門而非民政部門，顯然是誤將業(yè)主組織定位為管理組織而非社會自治組織?！段餀喾ā泛汀段飿I(yè)管理條例》將法律手段賦予業(yè)主維權的同時，卻沒有相應地賦予業(yè)主組織以同樣的權力和地位，由此導致了法律在業(yè)主維權中既是“維權的武器”又是“維權的瓶頸”。?

2008年，Raytheon公司報道了由美國空氣動力研究實驗室（Air Force Research Laboratory）資助的大容量RSP2（High Capacity Raythen Stirling/Pulse Tube Two-Stage）[21]混合型兩級制冷機，第一級是斯特林膨脹機，第二級是脈管膨脹機，在輸入功率497 W下，其制冷量分別為10 W@85 K和3 W@ 35 K。

2009年6月，Raytheon公司研制了采用低溫慣性管和低溫氣庫作為調相裝置的35 K混合型低溫制冷機，獲得了2.6 W@35 K。通過分析指出采用低溫慣性管和低溫氣庫調相比常溫慣性管具有更高的熱力學效率[22]。

3 三級斯特林型制冷機

對于液氦溫區(qū)多級制冷機的研究，主要是用于冷卻低溫超導磁體以及其他低溫電子學器件。斯特林制冷機方面，1971年Daniels等[23]報道了研制的1臺三級斯特林制冷機，最低制冷溫度為7.8 K。

斯特林型脈管制冷機方面，三級的方案目前最低制冷溫度已經(jīng)達到液氦溫區(qū)。2002年，sunpower公司開始研究用于SBIR第二階段的三級脈管制冷機，并預期在輸入功率200 W的情況下，在三級分別獲得4.8 W@80 K/270 mW@27 K/10 mW@5.5 K的制冷能力，結構如圖4所示。同年LM（洛克希德一馬丁）公司研制的三級脈管制冷機取得5.35 K的無負荷溫度，第二級的溫度約為25 K，輸入電功在240 W時，獲得了18 mW@6 K的制冷量[24]。

2005年LMATC在美國空軍的支持下開發(fā)了大冷量的三級制冷機，用于冷卻中程彈道導彈的超長紅波紅外傳感器。輸入電功在450 W時，第一、二級的制冷溫度分別為75 K和35 K，第三級在10 K提供高達0.2 W的制冷量[25]。NGST針對“ACTDP”計劃的1臺三級斯特林型脈管制冷機于2006被報道，獲得了6.4 K的無負荷制冷溫度[26]。

2008年NGST在兩級的基礎上，增加了第三級，無負荷溫度達到了10 K以下。當輸入功率為113.6 W時，三級的制冷量分別為0.296 W@151 K、0.134 W@59 K和0.213 W@18 K[27]。其三級脈管與JT耦合制冷機已被NASA“先進低溫制冷機技術發(fā)展計劃”（Advanced Cryocooler Technology Devel?opment Program，ACTDP）項目選中，將用于James Webb太空望遠鏡上。

2013年甘智華等[28]通過多參數(shù)優(yōu)化，采用He-4工質獲得了4.26 K的最低制冷溫度（f=28 Hz，p= 1.25 MPa，W=43 W），采用He-3工質獲得了4.03 K的最低制冷溫度，是目前三級結構的斯特林脈管制冷機達到的最低溫度。雖然三級斯特林型脈管制冷機可以達到較低的制冷溫度，并實現(xiàn)在不同溫位同時制冷，但是溫度越低制冷的難度就越大，所以三級脈管制冷機結構復雜且效率低下。

4 四級斯特林型制冷機

2006年，LMATC針對“ACTDP”研制的四級脈管制冷機以滿足在6 K、18 K提供制冷需求。在輸入電功300 W時，以He-4為工質，各級獲得的溫度為：75 K、30 K、18 K、4.9 K[30]。

2007年，受美國軍方HYPRES項目的支持，LM開發(fā)了1臺工作溫度低至4.5 K的四級斯特林型脈管制冷機[31]。在較高溫區(qū)和較低溫區(qū)分別采用He-4和He-3，既提高了液氦溫區(qū)的制冷性能又減小了He-3的消耗。該制冷機達到3.0 K的無負荷最低溫度，4.5 K時獲得42 mW的制冷量，相對卡諾效率僅為0.43%。已獲得液氦溫區(qū)制冷溫度的國外公司對國內實行技術封鎖，其多級耦合方式、結構尺寸、回熱填料等信息并不公開發(fā)表，從而使得國內在液氦溫區(qū)制冷可借鑒的研究很少。浙江大學采用預冷型結構研究液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機的損失機理，采用He-4已獲得4.23 K的無負荷溫度。然而該預冷型液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機所需的預冷溫度偏低，預冷量偏大，實驗結果與理論設計存在較大的差異[32]。

5 并列式斯特林型制冷機

多膨脹機并列布構的斯特林型制冷機有三種：單壓縮機驅動兩臺分置的斯特林脈管膨脹機、單壓縮機驅動兩臺分置的斯特林膨脹機、單壓縮機驅動兩臺分置單級脈管膨脹機+斯特林膨脹機。

5.1 單壓縮機驅動兩臺分置單級脈管膨脹機

2013年上海理工大學和上海技術物理研究設計了1臺線性壓縮機驅動兩臺同軸型脈管冷指的實驗方案并搭建了試驗臺，如圖5所示，與單直線壓縮機驅動單臺脈管冷指相比較，藕合后的制冷性能有所下降。當壓縮機輸入功為217 W時，兩臺脈管冷指能夠在不同的溫位同時獲得1.79 W@60 K和1.384 W@60 K的制冷量[33]。其優(yōu)點是制冷機可以對不同冷卻目標在同溫位下提供冷量，其難點在于兩個脈管制冷機的耦合與相位調節(jié)。

圖5 單直線壓縮機驅動兩臺脈管冷指系統(tǒng)圖Fig.5 The refrigerating system of driving two pulse tube refrigeratorsw ith single linear compressor

5.2 單壓縮機驅動兩臺分置式單級斯特林膨脹機

多缸膨脹機指的是1臺壓縮機驅動并聯(lián)的多個膨脹氣缸在相同溫位制冷的制冷機，菲利浦4缸空氣液化器是多缸膨脹機制冷應用的一個典型實例，是一種具有4個并聯(lián)膨脹氣缸的整體式斯特林制冷機。2016年蘭州空間技術物理研究所，創(chuàng)新的采用單壓縮機驅動兩臺分置式單級斯特林膨脹機，如圖6所示，在充氣壓力為3.5 MPa，壓縮機運行頻率47 Hz，在輸入電功220 W的功率下，分別達到1.4 W@95 K和7.83 W@150 K的制冷量。距離設定的目標還有很大差距，實驗還在進一步的調試[34]。這種制冷機的優(yōu)點是可以實現(xiàn)不同溫位的制冷，增加了集成度；缺點是兩個膨脹機與壓縮機的耦合及兩膨脹機之間的相位耦合比較困難。盡管這種集成結構的制冷機沒有足夠的理論基礎支撐，但是實驗結果表明，并聯(lián)式多膨脹機斯特林制冷機具有很強的實用價值，并為制冷機集成方式提供新的參考思路，以后甚至可能實現(xiàn)“一拖多”的新型集成結構的斯特林制冷機。

圖6 單直線壓縮機驅動兩臺分置單級斯特林膨脹機Fig.6 The refrigeratorw ith single linear compressor driving two stirling expanders

5.3 單壓縮機驅動兩臺分置單級脈管膨脹機+斯特林膨脹機

應用在NASA GOE上的新一代基線成像儀（Adavanced Baseline Imager）使用冷態(tài)探測器，在焦平面上使用兩級分置式低溫制冷機，由Northrop Grumman研制。制冷機要分別冷卻中波和長波紅外焦平面到60 K、可見光和近紅外焦平面到200 K，低溫制冷機采用該公司標準高效高功率密度壓縮機，分別驅動55 K斯特林膨脹機和183 K脈管膨脹機。制冷機如圖7所示，該制冷機在2007年9月發(fā)射。優(yōu)點是能夠實現(xiàn)同時在不同溫區(qū)的制冷，缺點也是兩個膨脹機的相位調節(jié)比較困難。

圖7 單壓縮機驅動兩臺分置脈管膨脹機+斯特林膨脹機Fig.7 The refrigeratorw ith one compressor driving two separated stirling expanderand pulse tubeexpander

6 斯特林型制冷機的發(fā)展趨勢

（1）研究重點由斯特林制冷機向斯特林型脈型管制冷機轉移。與傳統(tǒng)斯特林制冷機相比，脈管制冷機由于在制冷端沒有運動部件，從而消除了滑動摩擦、機械振動、間隙密封等問題，具有振動小、壽命長等優(yōu)勢，因而在各個制冷領域中引起高度重視；

（2）單級向多級和多缸的集成式發(fā)展。隨著空間探測任務多元化的發(fā)展，要求空間低溫系統(tǒng)同時能夠滿足多載荷多溫區(qū)不同冷量的需求，空間低溫系統(tǒng)要求集成化、總線化，包括制冷機本體的集成和控制器的集成等。多級和多缸制冷機將降低空間低溫系統(tǒng)的體積、質量和復雜性，提高制冷效率，進而增加系統(tǒng)的可靠性；

（3）向微型和大型發(fā)展的同時增加制冷量。斯特林制冷機的應用領域在不斷拓寬，制冷機的體型也在向大型和小型兩個方面發(fā)展，以滿足不同場合的需求。同時對制冷機冷量的需求也不斷增大，大冷量制冷機被廣泛需求；

（4）質量向小質量的發(fā)展?？臻g應用要求低溫制冷機在滿足性能要求的前提下，質量要足夠的輕，以減輕空間運載載荷；

（5）發(fā)展無磨損的更為穩(wěn)定可靠驅動方式。斯特林型制冷機發(fā)展了多種驅動方式，其中以曲柄連桿、動圈式電機驅動、動磁式電機驅動、氣動為代表。其目的在于發(fā)展更為高效穩(wěn)定的驅動方式，從而提高制冷機的效率、使用壽命和可靠性。

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THEDEVELOPMENTOFSTIRLING TYPECRYOCOOLERW ITH MULTIPLE EXPANDERSREFRIGERATINGW ITH INTEGRATED STUCTURE

LIYong，LUO Xin-kui，ZHANGAn，F(xiàn)AN Chao，F(xiàn)ENG Tian-you
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

As the future space refrigeration demand becomes higher and higher，the refrigerator with multiple refrigeration capacity is more efficient than multiple refrigerators. By reducing the redundancy，this kind of cryocooler not only improves the reliability of the system，but also meets the urgent need about integration of the cryogenic system. In this paper，according to different structure of stirling type cryocooler driving multiple expanders with single linear compressor，we summarize and analyze it`s refrigeration effect and prospects.

stirling type cryocooler；linear compressor；multiple expansion；refrigeration

TB651+.5

：A

：1006-7086（2017）04-0200-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.003

2017-03-18

李勇（1991-），男，陜西商洛人，碩士研究生，主要從事空間制冷技術研究。E-mail：443434529@qq.com。