现代低温制冷技术2.ppt

第二章 斯特林循环制冷机n第一节 斯特林制冷循环n第二节 整体式斯特林制冷机n第三节 分置式斯特林制冷机n第四节 斯特林制冷机中的损失n第六节 斯特林制冷机系统的发展123（600W/80K，15kW 输入功）(0.15W/80K,3W 输入功)4优缺点：n优点：က 高效（卡诺循环效率）က 紧凑，易于微型化n缺点：က 活塞密封，磨损က 机械振动，电磁干扰က 精确的相位控制567第一节 斯特林制冷循环n1.结构特点n2.工作过程n3.热机循环、制冷循环和热泵循环的区别n4.循环计算—等温模型81.结构特点910n制冷机由回热器R、冷却器A、冷量换热器C及两个气缸和两个活塞组成左面为膨胀活塞，右面为压缩活塞两个气缸与活塞形成两个工作腔：冷腔（膨胀腔）Vc0和室温（压缩）腔Va，由回热器R连通，两个活塞作折线式间断运动n假设在稳定工况下，回热器中已经形成了温度梯度，冷腔保持温度Tc0，室温腔保持温度Ta 112.工作过程n等温压缩过程1－2：压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动气体被等温压缩，压缩热经冷却器A传给冷却介质（水或空气），温度保持恒值Ta，压力升高到P2，容积减小到V2。

n定容放热过程2－3：两个活塞同时向左移动，气体的容积保持不变，直至压缩活塞到达左止点当气体通过回热器R时，将热量传给填料，因而温度由Ta降低到Tc0，同时压力由P2降低到P3n等温膨胀过程3－4：压缩活塞停止在左止点，而膨胀活塞继续向左移动，直至左止点，温度为Tc0的气体进行等温膨胀，通过冷量换热器 C 从低温热源（冷却对象）吸收一定的热量Qc0（制冷量）容积增大到V4而压力降低到P4n定容吸热过程4－1：两个活塞同时向右移动直至右止点,气体容 积保持不变, V1=V4，回复到起始位置当温度为Tc0的气体流经时从回热器R填料吸热，温度升高到T1，同时压力增加到P14－1过程，气体吸收的热量等于2－3过程气体所放出的热量1213 循环中3－4过程是制冷过程，理论制冷量等于膨胀功　　　　　　 过程1－2是放热过程，理论放热量等于压缩功　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　由于回热过程2－3和4－1中的换热量属于内部换热，与整个循环的能量消耗无关，故循环消耗的功等于压缩功与膨胀功之差　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　由此可求出循环的理论性能系数等于同温限下卡诺循环的性能系数　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　 14n理想斯特林循环要求活塞作折线式的间断运动，这是难以实现的。

n有几种结构可以近似地实现连续斯特林制冷循环,如曲柄连杆机构带动的双活塞结构，通常作为热力分析的基本形式n右图表示了当曲轴以匀角速度转动时两工作腔容积变化曲线（实线），该活塞的运动是简谐运动可见活塞作简谐运动时的容积变化与理想折线式的容积变化是近似的，因而能够近似实现斯特林制冷循环n必须使冷腔的容积变化Vc0超前于室温腔Va，其相位差为φ如图示情况ф＝90°（两气缸中心线夹角β=90°）在活塞作简谐运动的情况下，循环的P－V图变成一个连续变化的光滑曲线 15Ø在工作过程中，工质分布在冷腔、室温腔和死容积（不变的容积）内的，这三部分容积之和为总容积VØ冷腔的P－V图是顺时针方向，说明该腔中气体膨胀作功，故该腔又称膨胀腔Ø室温腔的P－V图是逆时针，说明该腔内气体吸收功而被压缩Ø在制冷机的情况下，室温腔大于冷腔两幅图中曲线所围的面积分别是两个腔内的气体所作的功或者所吸收的功，两者之差为制冷机所消耗的理论功在等温膨胀和压缩的情况下， P－V图的封闭面积则分别代表冷腔气体所吸收的热量和室温腔气体所排出（向冷却器）的热量Ø斯特林循环的工质在室温腔、冷却器、回热器、冷量换热器和冷腔等部分来回交变流动，而气体总量不变，所以是闭式循环。

16Ø斯特林制冷机是小型低温制冷机中研究最深入、应用最广泛、发展最成熟、变型最多的一种，特点是结构紧凑、工作温度范围宽、起动快、效率高、操作简便Ø斯特林制冷机的发展变化主要有以下几方面： 1）制冷温度从普冷到深冷，最低温度达到3K； 2）冷量同时向微型（毫瓦级）和大型（46.8Kw）发展； 3）发展了多缸制冷机； 4）由单级发展到多级，已有5级制冷机出现； 5）从单作用发展到多作用式制冷机； 6）从整体式发展到分置式； 7）发展了多种驱动方式如曲柄－连杆机构、摇盘驱动、斜盘驱动、菱形驱动、液压驱动、电磁驱动、气动等； 8）形式多样，如双活塞式、推移活塞式、平行排列、角形排列、同轴排列等17斯特林热机循环和制冷循环的区别18斯特林制冷循环和热泵循环的区别194.循环计算—等温模型n（1）基本假设n（2）容积变化n（3）压力变化n（4）循环参数变化n（5）质量分配n（6）冷量、功耗、制冷系数、火用效率20（1）基本假设21（2）容积变化22（3）压力变化2324（4）循环参数变化2526（5）质量分配斯特林制冷机中质量分配是非常复杂的，因而流动方式是复杂的不稳定流动。

这给回热器和换热器的传热与流动阻力计算带来了复杂性27（6）冷量、功耗、制冷系数、火用效率2829第二节 整体式斯特林制冷机30 实际的斯特林循环只是准斯特林循环，仍然存在绝热压缩和绝热膨胀过程，只是部分地取代了按工程热力学原则所设想的等温换热过程这种替换使气体的不可逆换热成分加大，偏离了局部等温的条件31n活塞处于室温，垂直安装n排出器安装于气缸内，气端部为冷头n曲柄连杆机构连接活塞压缩机与排出器n回热器安装于排出器内n优点：结构紧凑，效率高32n热力学问题：需要精确地控制加入热量与压缩周期的相位角，以及排出热量与膨胀周期的相位角否则，热机可能变成发动机而不会泵热传统的方法靠机械机构控制回热器的运动相位角（ 型斯特林机） 型斯特林机，不用复杂机构控制相位33第三节 分置式斯特林制冷机（一）基本原理n 型斯特林机，利用整机系统中的压差控制相位n整机系统： 压缩机1， 冷头6 活塞13产生近似于正弦的周期压力波，此压力波被接管2送到冷头6压缩机一般靠电动机驱动，也可能使热力驱动的n筒状的排出器7位于冷头6内，它可以自由往复运动，可分别改变位于室温腔3和冷腔5内的容积。

n回热器4位于排出器7内，内装填料n驱动杆9驱动排出器7作往复运动，它深入气动腔11（位于冷头的室温端）n容积（2个）： 工作容积（压缩腔12，压力接管2，室温腔3和冷腔5） 气动腔1134n工作原理353637（二（二 ）分置式斯特林制冷机的相关实验）分置式斯特林制冷机的相关实验38n整机系统中各腔的动态压力幅值和相角都有很大差别，在系统中不存在均一的压力npw，室温腔压力；pc，压缩腔压力；nXd，排出器位移；xp，压缩活塞位移；39n在气动排出器的条件下，在一定的冷腔温度下，排出器的位移波幅值和相角决定于以下因素：1.室温腔压力的幅值和相角2.驱动杆的直径3.充气压力4.排出器的运动阻尼5.排出器和压缩活塞的安装余隙容积6.频率40n冷腔温度Tc对整机系统参数的有影响41n冷腔温度Tc下降，排出器运动的阻尼因子逐渐增大42n冷腔温度Tc降低，室温腔压力pw降低，排出器位移xd减小43n冷腔温度Tc降低，排出器运动中心点向冷端飘移44n同样尺寸的排出器—气缸组合，在同样运行条件下，可能会出现不同的运动相位差，即室温腔压力与位移波相位差的随机性很大。

装配质量）45n存在最优化的p-V图形状，并非p-V图越丰满越好如果过分追求丰满，会使压缩机的耗功骤增，并使冷腔温度上升46(三)采用缝隙回热器的塑料斯特林制冷机n美国国家标准技术研究所（NIST）1976研制n特点：小冷量，低转速；用塑料做排出器构件，以适应测磁传感器的需要；缝隙式回热器，采用低压力工质n塑料制冷机的动力（压缩机）采用低转速，小功率和低压力可减小系统的振动噪音，提高制冷效率47塑料制冷机的结构n分置的压缩机和排出器通过氦气管道相连；工质借排出器的自由运动而流动；当气体在热端和冷端运动时，与排出器进行换热；在任何瞬间，整个系统的压力几乎是相同的n气体在缝隙中与排出器和气缸壁之间的热交换过程，即为回热过程n不依靠蓄冷填料的缝隙蓄冷器，特别适合于低功率的制冷机48（1）多级制冷头n齐默尔曼，1978n最低制冷温度，8.5Kn多级制冷机的每一级排出器，都有一个环形的膨胀空间，在该处产生制冷量它的下一级相当于加上另一级制冷机，它将热量释放给上一级每一级都有一个同心辐射屏将下面的几级包围，以便辐射漏热可以在制冷效率较高的中间温度初被遮断引出4950n需考虑制冷机预冷过程中轴向长度的不同收缩，以保证最小的死容积；n排出器径向缝隙的控制。

除第一级具有0.1mm的径向缝隙外，其余几级在室温下几乎无径向缝隙；（预冷过程中，玻璃钢管和尼农棒的收缩率不同，将会出现大约1%的径向间隙n实验时，制冷机的冷端一般朝下安装或水平安装若冷头朝上安装，制冷温度会比朝下安装高0.2Kn装配多级制冷机时，必须注意玻璃管内外表面间的同轴度n所有的仪表引线，均以螺旋形紧密缠绕在各级气缸壁上，以保证良好的热接触，然后涂上绝缘胶51（2）锥形制冷头n制冷级数的增加有可能使制冷温度降低，但级数的增加往往会受到尺寸和工艺条件的限制采用锥形排出器结构，理论上可认为是级数增加的极限 nK.Myrtlen系统：膜式压缩机，锥形膨胀腔n压缩气体进排气由电磁阀1控制n压力0.41~0.12Mpa，需用最小功率12W52(3)具有J-T级的塑料制冷头n利用多级制冷机直接达到液氦温度十分困难，因为制冷温度低于10K时，蓄冷器效率损失急剧增大，降低制冷性能n为了利用斯特林塑料制冷机获得液氦温度，通常再附加一个焦耳—汤姆逊级（J-T级）n缺点：增加了一个气体回路，使系统复杂；截流回路对杂质阻塞的敏感性很大n节流装置与制冷系统共用一台压缩机，采用相同的工作压力，从而简化系统，增加系统可靠性。

53（4）塑料制冷机中的压缩机n低转速，小功率，低压力（减小系统的振动噪音，提高制冷效率）；n减小压缩机在冷端产生的直接磁干扰（将压缩机与排出器分置；将电动机与压缩机加以屏蔽，减弱干扰信号；采用无磁材料制造压缩机，如黄铜，铝合金，不锈钢，陶瓷和尼龙等）；n长期运转的塑料制冷机中的工质污染，主要因为往复运动的压缩机轴密封，由于润滑或可能的微小泄露所引起（波纹管压缩机，陶瓷压缩机和橡皮膜式压力波发生器的研制，为制冷机的有效密封和无污染提供了可能）54（5）塑料制冷机中的冷损分析n穿梭损失n回热损失n轴向导热损失n流阻损失n漏热损失55第四节 斯特林制冷机中的损失Ø1.回热损失Ø2.流阻损失Ø3.穿梭损失Ø4.泵气损失Ø5.轴向导热损失Ø6.冷头漏热损失Ø7.换热器不完全换热损失Ø8.其他损失561.回热损失n回热损失是由于回热器的不完全换热引起的冷量(或热量)损失包括换热温差、壁效应、填料温度波动等因素引起的损失5758n回热器巾存在着相当大的空容积，充满气体；而且，由于循环压力的变比，使得回热器空容积中贮存的气体质量发生变化，因而流过回热器各截面上的质量流量是不相等的n假设回热器中气体处于平均温度TR，则回热器空容积VR中所贮存的气体量为，n冷腔中气体质量为n流过回热器的质量流量为59n式中，前两项分别为压力变化和存积变化引起冷肢中工质质量的变化率；而冷腔只与回热器相连，所以其工质的变化是由流出回热器的工质流量引起的。

式中第三项是压力变化引起回热器中贮存气体量的变化对于斯特林制冷机来说，三项中第二项是主要的n右图示出了一台斯持林制冷机通过回热器的质量流量变化6061622.流阻损失n 气体通过回热器、换热器及各通道的流动阻力，使冷腔的压比小于室温腔，这就导致了冷量的减小，其减小的量即为流动阻力引起的冷量损失，简称流阻损失；流动阻力还使制冷机的功耗增加n图中阴影表示压降损失63n 出上表可看出，回热器的流动阻力损失最大，差不多要占总损失的三分之二；其次是冷却器和冷量换热器在较粗略的计算中，往往只计回热器流阻损失64653.穿梭损失n 在气体制冷机中，推移活塞(或活塞)与气缸具有类似的轴向温度分布由于推移活塞作往复运动，其上各点与气缸相对应的点之间有温差存在，这就造成了部分热量由热端传至冷端，形成冷量损失，称为穿棱损失，或运动热漏损失66传热机理Ø 制冷机的冷推移活塞和气缸的两端分别处于两个温度水平（Ta和Tco)，对于单级制冷机和双级制冷机的第一级，温降(Ta-Tco)＞200K，而对于第二级温降(Ta-Tco)＞50KØ当椎移活塞处于气缸的中间位置时(b)，认为推移活塞和气缸壁的径向温度梯度一致(假设为直线分布)，也就是推推移活塞上任一点的温度与其相邻近的缸壁温度相同。

当推移活塞移向热端位置时，其上各点温度低于邻近缸壁的温度，因此，热量由缸壁传给推移活塞，即在图（b）中B→A当推移活塞移动到冷端时，推移活塞上各点的温度均高于邻近的缸壁温度，于是热量又从推移活塞传给缸壁，如图（c）中A→C而热量传递不仅仅在气缸壁和推移活塞径向间隙之间发生，由于推移活塞的往复运动，热量传递按B→A→C的次序，这样即产生了轴内传递Ø推移活塞每往复一次，热量传送的轴向距离为BC，即一个行程z若冷、热端之间的距离为L，那么热量由热端传到冷端所需要往复的次数为L／z这就是说，推移活塞经过L／z在次往复，一部分热量终于由热端传到冷端，形成了穿梭传热损失67穿梭损失的计算684.泵气损失n 推移活塞和气缸之间总有一定间隙，而且推移活塞一般是在室温端装有密封环；而另一端是开启的这样， 当机器中压力周期性变化时，这一环状死体积中的气体质量将周期性变化n以冷缸为例，当系统压力处十最低压力Pmin时，间隙中气体量为最少，随着系统压力的升高，将有一些气体(温度为TCO)由冷腔进入这一间隙中，在升压过程中，气体要从气缸和推移活塞中吸收热量，直至达到最高压力Pmax，这个进气过程才停止反之，当系统压力下降时，径向间隙中的气体会返回冷腔，在气体从间隙内流出的过程中，气体向缸壁和推移活塞壁放热，由于换热不完善，气体到达冷腔时的温度尚高于冷腔温度Tco，团而造成了冷腔的附加热负荷，这就是泵气损失。

69705.轴向导热损失71726.冷头漏热损失n热漏损失是由于外部环境传给冷头一定热量，使有效冷量减少，所以也称为制冷机的外部损失它取决于冷头的温度、尺寸和绝热情况低温制冷机中一般冷量铰小，而价值昂贵，为了将热漏损失减至最小，一般多采用真空绝热对多级制冷机还另加辐射屏n 在真空条件下，气体的对流换热一般可以忽略，热漏主要是由残余气体的导热和辐射产生的73n 当 真 空 罩 内 压 力 降 至 约 10-4毫 米 汞柱 时 ， 气 体 分 子 的 平 均 自 由 程 (约100cm)就 与 系 统 的 尺 度 不 相 上 下 了 这 时 ， 多 数 分 子 将 从 热 壁 直 接 飞 向 冷 壁 ，而 不 与 其 它 分 子 碰 撞 ， 于 是 ， 热 导 率 就与 分 子 数 (取 决 于 压 力 )成 正 比 稀 薄气 体 在 两 个 温 度 分 别 为 T1和 T2的 平 行平 面 或 同 心 圆 柱 面 之 间 的 导 热 量为74757.换热器不完全换热损失n制冷机中除回热器之外，还有冷量换热器、冷却器和加热器等换热器由于各换热器与外界热源间的不完全换热、使工作腔中的平均温度与外热源间有温差存在，因此用外热源温度所计算的冷量(加热量、排热量)与用工作腔内工质的平均温度计算的值不同，两者之差即为换热损失。

7677第六节 斯特林制冷机系统的发展Ø整体式斯特林制冷机整体式斯特林制冷机Ø分置式斯特林制冷机分置式斯特林制冷机78整体式斯特林制冷机整体式斯特林制冷机n整体式斯特林制冷机将压缩部分与膨胀制冷部分制成一体(见图1a) ；n其压缩活塞与排出器通过曲柄连杆机构将电机的旋转运动变为活塞的简谐运动；n工质在压缩空间、蓄冷器(回热器)和膨胀空间等部分来回交替流动,而气体质量不变,构成闭式循环；n斯特林循环的机器内没有阀门,内部不可逆损失小,因此效率高、结构紧凑、体积小、重量轻,但由于机器的旋转运动导致振动大、噪音大79n在斯特林循环制冷机中,高压室温气体与低压膨胀气体之间的换热是通过回热器(蓄冷器)来实现的,蓄冷器通常装于称之为排出器的推移活塞中n排出器按一定规律把气体从室温推向冷腔(膨胀空间) ,或者反之气体在排出器两端只有流动压差，排出器的连杆与压缩活塞的连杆是由同一个曲轴驱动的,称之为双活塞结构n但两者保持一定的相位差(夹角) ,使冷腔容积的变化超前于压缩腔当曲轴均速转动时,压缩活塞和排出器以给定的相位差作间谐运动,实现由两个等温过程和两个等容过程组成的斯特林循环80n整体式斯特林制冷机在1954年就在军事上获得应用。

1960年，美国将整体式斯特林制冷机用于U- 2飞机上的红外摄像, 1965年在中国领空被击落,中国科学院上海技术物理所修复美制红外航空相机用斯特林制冷机取得成功1966年7月研制出中国第一台实用的微型斯特林制冷机,即整体式651回热式微型制冷机,用于高空红外相机,为中国早期遥感事业作出了贡献81n整体式斯特林制冷机中的非金属弹性环的接触密封、曲柄连杆机构的压缩机旋转运动导致的侧向力等会造成振动、密封磨损和泄漏,限制了整机寿命润滑油及线圈绝缘的排气,工质污染,也导致整机寿命的缩短这些因素成为斯特林制冷机进一步发展的瓶颈随后的研究工作包括采用菱形驱动、V型液压驱动等方案,但这些方案要么结构太复杂,要么效率过低,仍难以满足应用要求82 近30年来,随着科学技术的发展,加工工艺完善,斯特林制冷机也与时俱进,其结构得到重大改进,性能有了很大提高 图1b给出了斯特林制冷机的一种改进方案,将排出器的运动由机械传动改为气动,因而使振动和侧向力大为减小 近年出现的一种称为战术斯特林制冷机引起广泛的关注这种制冷机的平均无故障运行时间或平均不维修运行时间(MT-BF或MTTF)已从数百小时提高到数千小时甚至上万小时,具有体积小、结构紧凑、功耗低等优点,可应用于坦克、火箭、夜视镜等军事装备。

但振动仍然较大、寿命也有待提高83 为了适应武器系统装备的需要,美、法、荷兰、以色利和日本等国都建成军用商品机生产线,如美国已具备年产千台微型军用制冷机的能力,多家公司(休斯公司、Texas公司、CTI公司和TRW等)能生产规格齐全的多种型号产品84n对于0. 1 ～0. 5 W /80 K小冷量整体式斯特林制冷机,常用于手提式和便携式红外军事装备以及坦克等严酷的环境中n法国Thales低温公司已经生产了10 000余台RM2, RM4, RM5旋转式斯特林制冷机,其中RM2适于手持红外照相机或无人驾驶飞行器; RM4适于坦克应用,在77 K下的制冷量为730 mW,输入功率小于5. 3W,预冷降温时间5 min,噪声51 dB,MTTF大于9 000 h85n　近年来,一种采用线性压缩机代替旋转压缩机和采用排出器气动的新产品已经出现(见图1c) ,这种方案消除了旋转压缩机造成的侧向力及连杆带动排出器的振动,使制冷机的振动减小、寿命提高86n以色列Ricor公司生产的K535双活塞线性整体式斯特林制冷机,这种制冷机的两压缩机对置,使压机的振动降低制冷机重量为9. 5 kg,在50 V下直流输入功率240W (最大) ,环境温度范围为- 20℃～ + 70℃,在23 ℃环境中的制冷量为7 W /65 K,无故障运行时间MTTF大于25 000 h。

用于探测器的冷却和蜂窝、高温超导RF滤波器天线的冷却,可在严酷的室外环境下耐久工作87n中国斯特林制冷技术研究起始于1958年,在苏联专家的指导下,西安交通大学与杭州制氧机厂合作研究回热式低温制冷机n中国上海技术物理所在1966年研制出中国第一台整体式651回热式微型制冷机,用于高空红外相机1978 年经过改进的651制冷机的主要技术指标:充气压力0. 6 MPa,转速1500 r/min,输入功率350 W,降温时间10 min,重量5. 5 kg,寿命200 h (最高可达500 h) 88Ø合肥低温电子研究所的斯特林制冷机研发经历了预研到产品阶段Ø在预研阶段,根据红外探潜系统配套的需要,在1981年研制成0. 5W /38 K的二级整体式斯特林制冷机Ø1991年研制成单级分置式斯特林制冷机,其主要技术性能: 最低制冷温度为46. 5K;制冷量为1. 43WØ1999年完成4W /80 K整体式斯特林制冷机研究,用于超导滤波器的冷却Ø2001年研制0. 7W /80 K整体式斯特林制冷机, 主要性能指标达到国外90年代中期同类产品水平89n昆明物理研究所于1990年代进行了第一代热像仪应用研究,推进了斯特林制冷机技术的进步。

经过了较长时间的原理样机研制和技术探索,在“八五”末期研制成功直线分置式斯特林制冷机样机,采用当时在国际上十分先进的动圈式直线电机驱动对压活塞技术,在直线电机技术、对置活塞压缩机技术、气动式推移活塞技术、推移活塞相位控制技术、制冷机与探测器杜瓦耦合技术方面作了大量的工作但研制的样机与实际应用要求仍有很大的差距,不能满足热成像技术发展的大批量的应用需要n后来,他们经过数年努力,从国外引进0. 5 W /77 K整体集成式斯特林制冷机生产技术和斯特林制冷机的小批量生产线,在中国二代焦平面探测器、杜瓦、制冷器组件技术中,低温制冷机成为最先突破的技术目前,该所生产的集成整体式制冷机的MTTF值大于2 500 h,与国外同类型微型斯特林制冷机的技术指标相当90分置式斯特林制冷机分置式斯特林制冷机n为满足军事和航天技术对小型低温制冷机的需要,西方发达国家投入大量的资源进行长寿命斯特林制冷机的研制,其重点是提高制冷机的工作寿命和可靠性91n美国在1970年代初期在整体式斯特林制冷机的研究基础上发明了分置式斯特林制冷机,将压缩机与排出器完全独立地分开布置,在两者之间通过细管子相连接,以避免或减少压缩机的振动对冷头的影响,使被冷却的器件远离振动源。

n经过20多年的不断改进,分置式斯特林制冷机达到了军用商品化的程度,在海湾战争中大量装备坦克、飞机直至侦察兵这类机器的平均不维修运行时间(MTBF)都在1 000 h 以上,英国宇航(BAe)研制的0. 8 W /80 K的分置式斯特林制冷机的寿命长达2～5年92n目前,线性驱动系统获得了广泛的发展这是一种自由排出器与自由压缩活塞组成的“双自由”型低温制冷机,在寿命上占有优势线性驱动法不但减少了运动部件,简化了结构,而且大幅度减小了振动和噪音93n以色列Ricor生产的K535双活塞线性分置斯特林制冷机,采用高度平衡的双活塞压缩机、气动机构、柔性轴承和现代数字控制器,专用于军事环境的IR探测器和热成像系统制冷机的重量为1 100 g,输入功率45 W,适用环境温度- 45 ℃～ +70 ℃,MTTF大于5 000 h,输入电压20. 28 VDC,外形尺寸137 ×90 ×22 mm94Ø在地面应用的战术式斯特林制冷机产品中,通常有独立式( Slip - on)和集成式( Integrated Dewar CoolerAssembly)两种Ø传统制冷机的排出器大多套装在一个薄壁不锈钢管的气缸内,排出器与套管壁间具有微小的间隙,保证排出器与缸壁的不接触运动,套管气缸的存在使制冷机成为一个独立的封闭系统,故称之为独立式结构。

独立式结构的一个缺点就是当制冷机的冷头从300 K被冷却到77 K时,在排出器套管上出现300 K～77 K的温度梯度,通过管壁的导热损失将导致冷头的有效制冷量减少Ø集成式( IDCA)是指与杜瓦及传感器集成的制冷机组件,针对独立套管式的缺点,直接将杜瓦的内筒体制成排出器的缸套,免除了传统的排出器外套管,因而也消除了其管壁的导热损失,使冷却传感器的有效制冷量增大 显然,集成式不仅提高了热效率,而且使系统的结构紧凑、体积和重量减小,这对于某些应用是至关重要的95Ø斯特林制冷机的振动和磨损不但来源于气缸与活塞,而且也来源于轴承Ø如果采用线性电机驱动的压缩机的两个活塞在同一轴线上对称布置,并且在活塞与气缸间采用间隙密封(10μm ～20μm)结构,使气缸与活塞无接触,不需润滑油润滑,可将磨损降到最低Ø进而可采用挠性轴承、气体轴承或磁轴承等无磨擦密封最普遍的方法是采用挠性轴承(也称柔性轴承)来支承置于相应气缸中的活塞和排出器,从而消除任何接触Ø采用板弹簧技术的挠性轴承提供了径向的刚性支承,保证了活塞和排出器的完全非接触的轴向往复运动,使制冷机的可靠性和寿命大为提高与磁轴承相比,板弹簧柔性轴承具有简单、可靠、重量轻的优点,其难点在于气缸、活塞组件或板弹簧组件的对准和组装、间隙测量和准直等方面。

96n虽然挠性轴承一直在许多地方应用,但在1980年代初才由牛津大学的Davy首次用于斯特林制冷机,故也称之为牛津型斯特林制冷机n1991年,牛津大学为美国高层大气研究卫星(UARS)研制的牛津型斯特林制冷机首先发射成功,制冷机在80 K时具有0. 8 W制冷量,在轨工作寿命达10 600 h1992年,英国航空公司(BAe)研制的牛津型斯特林制冷机的地面试验平均无故障寿命(MTBF)达到40000 h以上97n在分置式斯特林制冷机中,排出器可以通过单独的直线电机驱动,同时采用复杂的电控系统来精确控制活塞和排出器之间运动的相位差但是,为了简化结构,提高可靠性,一般都是采用气动型膨胀机排出器由压机产生的周期性压力波所驱动,排出器及其支承弹簧组成一个受迫振动系统,产生的阻尼力能产生合适的相位差,使排出器的运动比压缩活塞运动总是超前一个相位角,从而产生有效的制冷效应n牛津型斯特林制冷机在卫星中的成功应用证明了这种制冷机完全可以满足星载制冷设备长寿命、高可靠性的要求因此,在1980年代末期,各国纷纷选择分置式牛津型斯特林制冷机作为主攻方向,经过20多年的努力,星载斯特林制冷技术获得很大发展。

目前英、美、日的星载斯特林制冷机的研制技术已经成熟,走向产业化98n英国Astrium公司(原BAe公司)在1985年购买了牛津大学的专利,研制成50 K～80 K系列星载斯特林制冷机,单压缩机驱动,已经生产了上百套制冷机,其中10多套在卫星上获得应用该公司还研制成两级斯特林制冷机,在20 K具有120 mW制冷量,功耗150Wn英国Hymatic公司从1989年开始与牛津大学合作研制星载斯特林制冷机,在牛津技术的基础上完善了精密加工和装配规范,精心选择低放气率材料,采用整机真空烘烤除气、控制整机漏率等措施根据不同需求开发出在80 K分别具有0. 2 W, 0. 5W, 1 W,5W等系列产品,地面试验寿命达55 000 h99n美国Lockheed Martin 公司从1987 年开始进行牛津型斯特林制冷机的研制工作,提出在单压缩机制冷系统中采用减振电机实现主动减振的方法,获得比对置式压缩机更好的效果,研制成0. 8 W /60 K和215W /65 K两个系列的星载斯特林制冷机n美国Ball空间技术公司从1990年开始与牛津大学合作研制星载斯特林制冷机,采用两台压缩机同缸对置、压机与冷头分置方案,对材料选择、紧密加工检测和装配、减少污染等进行了深入研究,研制成单级斯特林制冷机在60 K具有2 W制冷量、两级机在30 K可获得0. 45W制冷量,三级机可同时为两组焦平面分别提供0. 5 W /35 K和0. 5 W /65 K制冷量,功耗75W。

100n美国Sunpower公司主要从事斯特林制冷机的商业化开发,在自由活塞斯特林制冷机及线性压缩机技术方面处于领先地位他们将空间与地面应用结合,降低生产成本, 实现批量化生产该公司研制的cryoTelTM斯特林制冷机的压缩机采用完全自由活动式,活塞无任何机械弹簧支撑,它的谐振完全是依靠压缩气体所产生的气体弹簧效应来实现的活塞和气缸之间的非接触是通过静压式气体轴承实现的加之使用了动磁式直线电机技术,使得低成本化、高效率化、轻量化成为可能其中CryoTelTM 2MT型制冷机的可使用温度范围为- 40 ℃～60 ℃,在35 ℃环境温度下提供5W /77 K制冷量消耗电力仅需80W该制冷机的质量仅为2. 1 kg101n分置式斯特林制冷机,这种空间用低温制冷机在输入功率为60W时,在80 K时可获得2W的制冷量牛津式斯特林制冷机能连续工作5～10年,美国宇航局、欧洲航天局等的多种卫星遥感器均采用这种制冷机n据报道,美国分置式斯特林制冷机的研究已达到在0. 13 W /80 K条件下耗功3. 5 W 的水平,制冷机重为0. 3 kg,最大尺寸为85 mm,可用干电池供电102n1980年以后,中国的斯特林制冷机研究工作有了很大发展,上海技术物理所,兰州物理所,合肥低温电子研究所,电子部11所,昆明物理所,华中理工大学,西安交通大学等单位相继开展了分置式斯特林制冷机研究,主要用于红外热成象及红外探测系统,但产品的可靠性指标与实用要求有较大差距。

在“九五”至“十五”期间,几乎都在进行更深入的研究,向实用化方向发展103Ø上海技术物理所从1988年开始双驱动分置式斯特林制冷机研究, 1992年制成牛津型星载分置式斯特林制冷机样机,主要技术指标:最低制冷温度低为55 K,制冷量为630 mW /77 K,输入功率为40 W,质量为4. 7 kg,寿命为2 000 hØ1996年制成对置式平衡斯特林制冷系统,通过了航天环模考核试验,持续运行时间超过10 000 h,于2002年3月25日在中国“神舟三号”上成功应用该制冷机的设计寿命为半年,在轨性能为:工作温度86. 5 K,制冷量500 mW,降温时间80 min,功耗68. 9W 104Ø兰州物理研究所也研制成功分置式斯特林制冷机样机,压缩机活塞对置安装,突破了线性板弹簧支撑、间隙密封、工质污染等关键技术,制冷机制冷量0. 5W /80 K,功耗42. 5W,质量4. 4 kg105Ø1990年代,合肥低温电子研究所的斯特林制冷机进入产品研发和实用化生产阶段Ø1991年完成了单级分置式斯特林制冷机研制,其主要技术性能:最低温温度为46. 5 K;制冷量为1. 43WØ1996年制成直线马达驱动型分置式斯特林制冷器,采用膜片弹簧支承,制冷机的最低制冷温度35. 4 K;制冷量为1. 78W /80 K; Ø1998年制成1. 75W /80 K分置式斯特林制冷机,采用双活塞对置直线马达驱动型柱簧支承。

这也是国内首创产品,达到了国外90年代初同类产品的水平,改进后的的两台样机完成了连续6 000 h 的可靠性考核,已形成批量生产能力Ø2000年初,该所完成国内第一个采用制冷机杜瓦集成式组件,其中包括0. 5W /80 K直线驱动分置式斯特林制冷机机器的技术性能达到了进口样机的水平106n合肥低温电子研究所在没有国外样机参考情况下,于2003年制成一种0. 8W /80 K分置式斯特林制冷机,两台样机在始终加热负载0. 5 W 的情况下正常运行2 000多小时n另一台1 W /80 K分置式斯特林制冷机在2005年底完成4 000 h可靠性考核,现已投产n该所研制的75 W /80 K分置式斯特林制冷机(双活塞对置直线马达驱动型柱簧支撑)的两台样机完成了连续6 000 h的可靠性考核107n昆明物理所在长期研究开发的基础上,于1990年代引进国外的旋转电机驱动分置式斯特林制冷机,并对制冷机的旋转无刷电机、气动分置式、独立冷指结构设计、电机线圈与制冷工质隔离、变频调速驱动控制、混合集成电路等技术进行了深入研究,于1998年完成样机技术鉴定, 2000年开始进入批量生产,目前年产量可达200台套,已在部分热成像系统应用,替代进口制冷机。

n自2003年以来,从国外引进并建成了年产量超过1500 台套的微型制冷器生产线,包括自调式J - T制冷器生产线和斯特林制冷机生产线,可根据用户需求,生产制冷量在0. 3 W～1 W /77K的旋转电机驱动的分置式、整体集成式斯特林制冷机,直线电机驱动的各种型号的斯特林制冷机产品其中,直线分置式制冷机MTTF值大于4 000 h,与国外同类型微型斯特林制冷机的技术指标相当108n浙江大学、西安交通大学、上海技术物理所和合肥低温电子研究所等单位分别在1983～1986年期间,曾研制成一种用于超导电子器件的分置式无磁斯特林制冷机,这种由尼龙和环氧玻璃钢制成的多级制冷机,可以达到大约10 K的制冷温度109斯特林制冷机的主要应用领域nLNG长距离输送n红外遥感技术n红外成像技术n精确光电制导n红外预警和监视110LNG长距离管道输送n 由于LNG在管道输送过程中，不可避免的存在温度升高的问题为了避免温升而出现两相流，引起输送过程中的摩擦阻力增大和液体汽化使管道超压，需要在每隔一定的距离对过热的LNG进行冷却n斯特林制冷机应用最广、机型最多、技术最成熟111红外遥感技术主要应用在空间技术上 资源普查 环境监测 气象分析 海洋资源调查 天文观测112 制冷技术在遥感卫星上的应用主要是冷却红外探测元件，降低本底热噪声，屏蔽和排除视场外的热干扰113气象分析——风云三号卫星114HY-1系列海洋一号卫星nHY-1A中首次成功的将小型斯特林制冷机应用于航天遥感仪器n十波段海洋水色扫描仪n水色仪成像图115国际星载斯特林制冷机的应用n 美国高能太阳光谱成像仪（RHESSI)航天器对太阳活动高峰产生的黑子进行观测，2002年2月成功发射，这是商业制冷机的第一次空间应用。

采用Sunpower公司研制的M77B斯特林制冷机，冷却到75Kn 欧空局的环境卫星（ENVISAT-1)用于地球和大气环境监测，2002年3月成功发射采用英国Astrium公司的分置式斯特林制冷机，冷却到70kn NASA研制的阿尔法磁谱仪（AMS-2)，应用大型超导磁体探测反物质，2004年10月安装在国际空间站上采用Sunpower公司研制的M87斯特林制冷机116n 国际伽马射线宇宙物理实验室（integral），2002年10月发射升空，采用英国Astrium公司研制的50~80k 分置式斯特林制冷机n 高级地球观测卫星（ADEOS-II),日本的大型极轨遥感卫星2002年12月发射成功，采用日本住友株式会社研制的分置式斯特林制冷机冷却至80kn EOS-Aura是EOS第三颗大型卫星平台，于2004年1月发射红外探测器采用Ball公司单级分置式斯特林制冷机在55k提供0.72W冷量n 国内2002年3月，搭载于“SZ-3”飞船的中分辨率成像光谱仪上的斯特林制冷机工作温度86.5k，制冷量0.5W，降温时间为80min,系上海技术物理研究所研制。

117精确光电制导118夜视仪 夜视仪分为机载、舰载、车载、手持等类型 夜视仪首次应用于海湾战争，在战争中崭露头角，并得到迅速的应用119美军线性斯特林制冷机120n 线性斯特林制冷机的主要特点是：运动活塞采用间隙密封，电机采用动圈式或动磁式线性电机，为避免振动，两个电机对置分布n 美国国防部制订了SADA系列标准现已普遍应用于美军武器SADA组件包括低温制冷机，美军夜视传感器部门制订了完整的线性斯特林制冷机系列特点是：低成本、可靠性一般、降温时间快包括0.15WATT、0.6WAYY、1.0WATT、1.5WATT和1.75WATT制冷机n 国内尚无统一的焦平面探测器组用制冷机标准，可以先借鉴国外的标准尺寸直线电机驱动的压缩机是斯特林制冷机研发的难点，国内应先完成一到二个线性压缩机驱动的斯特林制冷机的批生产，再研发我国的系列化标准化的直线电机驱动的斯特林制冷机121菱形驱动的斯特林制冷机 采用普通曲柄连杆机构采用普通曲柄连杆机构驱动的单缸斯特林制冷机驱动的单缸斯特林制冷机的振动较大，菱形驱动的的振动较大，菱形驱动的有较好的动力学平衡，启有较好的动力学平衡，启动时对机座不会产生反向动时对机座不会产生反向转矩，用于卫星中不会引转矩，用于卫星中不会引起卫星自转起卫星自转122本章小结一.整体式斯特林制冷机Ø原理Ø制冷循环与热机循环，热泵循环的区别Ø损失分析二. 分置式斯特林制冷机Ø原理Ø缝隙回热式的塑料制冷机三. 斯特林制冷机中的损失Ø1.回热损失Ø2.流阻损失Ø3.穿梭损失Ø4.泵气损失Ø5.轴向导热损失Ø6.冷头漏热损失Ø7.换热器不完全换热损失123 素材和资料部分来自素材和资料部分来自网络，如有帮助请下载网络，如有帮助请下载!。