小型低温制冷机技术(93)
微型斯特林制冷机的研究进展
温 医 学 和 低 温 生 物 学 等 现代 科 学 技 术 迅 速 发 展
的年 代 。 由于 与 这 些 技 术 相 关 的许 多 科 学 仪 器 在 低 温 条 件 下 性 能 更 好 、运 行 速 度 更 快 、效 率
和 灵 敏 度 更 高 ， 因此 推 动 了 低 温 技 术 中 的 一 个
维普资讯
第 ８期
《 红
外 》 月 刊
微 型 斯 特 林 制 冷 机 的 研 究 进 展
陈 永 生
（ 中国科 学院 上海 技术物 理研 究所 ，上 海， ２ ０８ ） ００ ３
破 性 的 提 高 ，为 斯 特 林 制 冷 机 的 进 一 步 发 展开 创 了 广 阔 的道 路 。 、英 、法 、 、日等 发 达 国 美 德
重 要 分 支 一 小 型 低 温 制 冷 机 的蓬 勃 发 展 ，其 一 应 从 国 防 、军 事 、 航 部 门 向交 通 、 息 、医 宇 信 疗 、 子 等 商 业 领 域 渗 透 。 许 多 场 是 作 为 产 品开 发 过 程 中 的 辅 助 手 段 ，但
冷设 备 的 经 济 性 比较 差 ，未 能 得 到 推 广 ，直 到
世 纪 ８ 年 代 初 ，各 国纷 纷 选 择 斯 特 林 制 冷 机 作 ０ 为 研 制 的重 点 。经过 近 ２ 年 的 努 力 ，微 型斯 特 ０
林 制 冷 机 的性 能 得 到 了进 一 步 提 高 ，制 冷 温 度
最近 ３ ０年 是 航 天 技 术 、红 外 技 术 、原 子 能 技 术 、 导 技 术 以及 低 温 电子 学 、 温 物 理 、 超 低 低
家 纷纷加入 了斯特林制冷 机研发 的行列 。 斯 特林制冷 机的热 力过程是 变质量 过程 ，
中国电子科技集团民用产品名录
中国电子科技集团民用产品名录,内部资料供参考,中国电子科技集团公司产业发展部CETC序技术/单位类型专业方向主要产品 1. 中国电子科技设备研究所电子专用设备 1、液晶生产设备,2、非ODS清洗设备,3、表面贴装设备,4、集团公司第二研,太原, 真空处理设备,5、片式元器件生产设备,6、电镀设备,7、究所粉末冶金制品;8、HGL系列工业炉等 2. 中国电子科技集电视电声研究所电视电声技术研究、产品开发、1、数字广播传输系统,标准清晰度电视机顶盒,高清晰度电团公司第三研究,北京, 标准制修订、产品检测视机顶盒,条件接收系统,电视监控数字录像系统,数字所会议系统,2、警用声学心理战装备,3、轨道交通多媒体显示系统 3. 中国电子科技集通信、系统工程、通信网络设计, 1、环境保护在线实时监测信息系统与设备, 团公司第七研究元器件研究所无线测控系统, 2、无线/有线遥测、遥信、遥控,三遥,系统及自动化系统与所 ,广州, 元器件及加工类设备,3、技术安全防范系统与设备,区域联网防盗报警系统,4、CDMA、GSM蜂窝通信直放站系列产品、直放站网管系统及室内分布系统,5、移动通信各频段基站天线及馈电系列产品, 4. 中国电子科技集光缆传输与通各种光缆及连接器, 1、光缆产品:各类特种光缆团公司第八研究信、元器件、设各种光纤传感器, 2、光缆设备: 光缆制造专用设备所备研究所,淮南, 光纤光缆传输系统及专用设备。
5. 中国电子科技集应用磁学、元器磁性材料与器件的研制、开发、1、微波、毫米波铁氧体器件系列、器件系列～集成电路,MIC,- 1 -CETC 序技术/单位类型专业方向主要产品团公司第九研究件、材料研究所生产、以及应用磁学基础研究。
组件系列～单晶与多晶材料系列,稀土永磁材料与器件系所 ,绵阳, 列,EMI材料与器件系列,磁敏感元件及传感器系列,薄膜磁存储、磁记录材料与器件系列,磁性测量仪器与专用设备系列。
小型制冷装置(制冰机冷藏柜)
图5—12平式风幕结构示意图 • 1一玻璃；2—风扇；3一融霜加热器；4-保温层；5一 蒸发器；6一出风口； 7_回风口；8—风幕气流
• 立式风幕是向内弯曲的弓形空间 形成的气流，带动柜内冷空气的 循环。 • 立式风幕的气流不如平式风幕的 平稳，它与外界空气的动量、热 量交换较大，所以一般采用二层 或三层风幕。 • 内层风幕是经过蒸发器的冷风幕， 主要起到对陈列商品的冷却作用； 外层风幕是不经过蒸发器的循环 风幕，主要起隔绝内外空气的作 用。 • 过高或过低的风速都将降低立式 风幕的性能。但多层风幕各层的 风速和方向都有差异，外层风幕 风道长，阻力大，风速低，以减 少对外界空气的卷吸和内层冷空 气的外溢；内层风幕风道短，阻 力小，风速高，以增强对柜内商 品的冷却和防止柜内冷量的外溢
立式冷柜
• 立式冷柜通常使用搁架存放食品， 如图5—5所示。搁架用金属制造 并用合成树脂进行表面处理。架 子的高度要可以调节。由于食品 堆积会阻碍冷气的循环，必须考 虑在食品之间留有空隙。 • 冷柜柜内的冷却方式：立式冷 柜可以是自然对流方式或强迫对 流方式。目前倾向于采用强迫对 流方式。强迫对流方式的冷柜， 打开门时风机停止运转冷柜可以 使用冷水作间接冷却介质。
2
冷柜总体结构
• 冷柜主要由柜体、制冷系统和电气控制设备等 组成。 • 立式冷柜还具有搁架或吊钩等设施；而卧式冷 柜则随贮存食品的不同在结构上也差别较大。 • 低温冷柜通常还具有融霜及排水等功能。因而 冷柜的总体结构依冷柜的种类、形式和功能的 不同而不同，满足不同用户对冷柜功能和档次 的需要。 • 冷柜的柜体通常采用两种结构：一种是柜体采 用整体发泡，另一种是柜体采用预制聚氨酯泡 沫塑料板拼装。
7. 除霜方式
8风幕
• 敞开式陈列柜的风幕对其制冷性能有很大影响，通常 应保证风幕气流平稳流动，减少柜内食品与外部空气 的热、质交换及消除冷气溢流。按照陈列柜型式的不 同，有平式和立式风幕两种。 • 良好的平式风幕会在陈列柜的敞口处形成一层稳定的 积存空气，使外部空气与柜内空气的热、质交换减小。 另外，平式陈列柜容易受店堂辐射热的影响，为减少 陈列商品表面的辐射热，最好使风幕略带波动 。 • 注：平式风幕出风口风速不能太大，也不能太小。风 速太大会使部分冷风不能回到吸风口，形成冷气外溢， 造成冷损失，同时增强风幕与外界空气的质交换，增 大风幕热负荷。风速太小时敞口处形不成完整的风幕， 起不到隔热的作用。
微型斯特林制冷机的进展
〈制冷技术〉微型斯特林制冷机的进展胡白楠1，陈晓屏2，夏明2(1.中国北方工业公司，北京 100053；2.昆明物理研究所，云南昆明 650223）摘要：随着高温超导和空间技术的发展对微型低温制冷机的制冷量、效率和可靠性提出了更高的要求。
新出现的技术如柔性支撑和脉管将对未来的制冷机产生巨大的影响。
介绍了最近几十年里各种微型制冷机的发展状况，特别是重点介绍了微型斯特林制冷机的发展，给出了世界各大制冷机生产厂家的生产水平。
同时本文介绍了目前国内的微型斯特林制冷机发展状况。
关键词：斯特林；制冷机；进展中图分类号：TB66 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2006)12-0730-04The Development of Low-Power Stirling CryocoolerHU Bai-nan1，CHEN Xiao-Ping2，XIA Ming2(1.China North Industries Corporation, Beijing 100053, China; 2.Kunming Institute of Physics, Kunming Yunnan 650223, China)Abstract：With the development of high temperature superconduct and space technology, the requirements for the high efficiency, reliability and cooling max of the low-power cryocoolers will be higher. The new technologies of flexure and pulse tube have enormous effect on future cryocoolers. The development of the low-power stirling cryocooler in several decades is proposed, and many high-power cryocooler companies are presented. The development stirling cryocooler in our country is introduced.Key words：Stirling；cryocooler；development引言在过去的三四十年里微型斯特林制冷机在军事和空间技术上得到了极大的发展。
微型斯特林制冷机可靠性现状及趋势
微型斯特林制冷机可靠性现状及趋势陈晓屏【摘要】制冷机的可靠性一直是军用微型斯特林制冷机最重要的性能指标.首先阐述了可靠性的一些基本知识,之后介绍了RICOR、Thales Cryogenics和BAE等几家公司的斯特林制冷机可靠性预测方法.同时还详细介绍了从上个世纪50年代至今国内外军用微型制冷机可靠性水平的增长情况及其发展趋势,最后介绍了一些制冷机常用的可靠性加速方法.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2010(016)004【总页数】5页(P198-202)【关键词】微型斯特林制冷机;可靠性;趋势;加速【作者】陈晓屏【作者单位】昆明物理研究所,云南,昆明,650223【正文语种】中文【中图分类】TB6611 引言微型斯特林制冷机具有效率高、体积小、质量轻、启动较快、振动低、工作温度宽等优点，广泛应用于车载、机载、舰载军事红外系统。
随着红外探测器的快速发展，热像系统对制冷机的性能及可靠性提出了更高要求，各国制冷机制造商都在努力提高其产品可靠性水平。
作者首先阐述了可靠性的一些基本知识，之后介绍了RICOR、Thales Cryogenics和BAE等几家公司对斯特林制冷机可靠性预测方法。
同时还详细介绍了从上个世纪50年代至今国内外军用微型制冷机可靠性水平的增长情况及其发展趋势。
最后介绍了一些制冷机常用的可靠性加速方法。
对于高成本、高可靠性的航天用微型斯特林制冷机本文不予讨论。
2 微型斯特林制冷机可靠性基本概念2.1 基本概念可靠性的技术指标主要有置信度、失效率、平均无故障工作时间、平均失效前时间、有效度等。
考核斯特林制冷机可靠性最基本指标就是MTBF（Mean Time Between Failures平均无故障工作时间）或MTTF（Mean Time To Failure平均失效前时间）。
MTBF是针对可修复系统而言的，而MTTF主要针对不可修复系统。
对应于浴盆曲线，MTBF描述偶然失效区的失效，而MTTF描述耗损区的失效情况。
中电科技研究所介绍
所
、以及应用磁学基础研究。
（MIC）组件系列，单晶与多晶材料系列；稀土永磁材料与器件
（绵阳）
系列；EMI材料与器件系列；磁敏感元件及传感器系列；薄膜磁
系统工程、元器件研究所
电子系统工程、软件产品、数字视听 1、 数字音频功放类系列产品；2、 石英晶体系列产品；
（成都）
产品以及信息类产品、石英晶体系列 3、 机载电子系列产品（通信、雷达、识别）；4、船载电子系
5、 卷烟机组电气控制设备；
6、 GG-2时间频率同步系统；
7、 远程图像监控及智能图像报警系统；
8、 PASSIM、PROTOS、890电控系统；
9、 数字卫星电视接收设备；
10、
冶金工业光电在线测控系统；
11、
冶金测控设备。
电子系统工程；
电子系统工程总体；
1、空中交通管制系统；
系统工程研究所
空中交通管制系统的研制；
1、 医疗电子设备；医用加速器；
所
所
（北京）
微波能应用；
2、 机电一体化设备；彩管生产检测设备；
医疗电子设备；
3、 提供真空电子束焊接机；
保安监控和智能建筑
4、 优质电子陶瓷材料；
5、 新型高亮度高分辨率双束投影管等。
13所河北半导体研究所
半导体元器件、材料研究所 集成电路器件、材料、设备
1.
微波分立器件、单片电路、微封装集成电路、混合集成
统工程建设为主要目标，为用户提供 程接入、安全路由器、安全交换机
构建安全信息系统所需的全面的、动 l
计算机应用安全系列产品：数据密码机/桌面密码机
态的解决方案和整体服务，包括安全 （RS232、USB）、数据密码卡（PCI/PCMCIA）、USB-KEY
低温冷却液循环泵的使用方法 低温冷却液循环泵技术指标
低温冷却液循环泵的使用方法低温冷却液循环泵技术指标（1）用把该设备的进、出液口分别与试验设备的出、进口对应连接好。
（保温软管是设备所带配件）2）将电源接头插入专用的插座上，插座必需有牢靠的接地线）打开漏电保护开关及电源开关。
在试验中，如需搅拌，请先将磁力搅拌子放到储液槽底部或将磁力搅拌子放入烧瓶，再把烧瓶放到储液槽内（烧瓶底与储液槽底之间距离应在25mm以内），然后按下搅拌开关，其相应指示灯亮，顺时针调整调速旋钮达到用户所需速度。
（1）先关闭需冷却的设备，然后依次关闭循环泵开关、搅拌开关、制冷机开关、电源开关，最后拉下安全开关，拔下电源插头。
低温冷却液循环泵使用中的注意事项低温冷却液循环泵可与多种仪器相配套（旋转蒸发器、发酵罐、化学反应釜、冷冻干燥设备、生物制药反应釜等）；制冷量大，制冷速度快，极大地提高了工作效率；本机循环泵的流量可调亦可定制，极大充分不同用户的实际需要；本机全部型号均可依据用户要求在低温与制冷量，低温与容器量之间合理搭配低温冷却液循环泵注意事项1.在使用低温冷却液循环泵之前在槽内应加入液体介质（纯水，酒精，防冻液也可），介质液面应没过槽内制冷盘管并低于工作台20mm为宜。
2.电源：220V50Hz，电源功率应大于仪器的总功率，电源必需有良好“接地”装置；3.避开酸碱类的物质进入槽内腐蚀盘管以及内胆。
4.仪器应安置于干燥通风处，仪器四周300mm内无障碍物；5.常常注意察看槽内液面高处与低处，当液面过低时，应适时添加液体介质6.当低温冷却液循环泵工作温度较低时，应注意不要开启上盖，手勿进入槽内，以防冻伤；7.使用完毕，全部开关置于关闭状态，切断电源；8.仪器应做好常常性清洁工作，长期不用，清空槽内的介质，并且擦拭干净，保持工作台面和操作面板的乾净；9.液体外循环时，客户应特别注意引出管连接处的坚固性，严防脱落，以免液体漏出。
低温冷却液循环泵怎么实现冷却1）冷却循环回路的有效部件可通过电动方式进行调整。
低温技术
G-M 制 冷 循 环
G-M 制 冷 机
（a）系统图
（b）P-V图 （c）四个工作阶段
G-M 制 冷 机
G-M制冷机中 单位质量气体 的T-s图
G-M 制 冷 机
系统所需净功：
W / m [T1 (s1 s2 ) (h1 h2 )]/co
m — 压缩气体总质量
co — 压缩机的总效率
斯特林制冷机
斯 特 林 制 冷 机
由于斯特林制冷机的高效性和可靠 性，它被广泛的应用于航天航空，导弹 制导，遥感遥测等诸多低温领域。 现在斯特林制冷机是小型低温制冷 机中应用最广，机型最多，技术最成熟 的一种。
斯特林制冷机
斯特林制冷机：冷量换热器C，回热器R， 冷却器A，两个汽缸，两个活塞
斯特林制冷机
低温技术与真空技术的关系
低温泵简介
获得低温的基本方法
低温技术与真空技术的关系
低温技术和真空技术之间存在着密不可分 的关系： 两者之间的关系主要以气体与固体 或液体表面之间的相互作用为基础。 在极低温下可以获得真空；为了获 得和保持低温，必须应用真空技术。
低温技术与真空技术的关系
低温凝聚 排氢
T 0 2.5K .3K
低温泵
低温泵：利用低温（低于100k）表面冷凝 气体的真空泵。 低温泵是获得清洁真空时的极限压力最 低、抽气速率最大的真空泵，广泛应用于半 导体和集成电路的研究和生产，以及分子束 研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、 离子注入机和空间模拟装置等方面。
低温泵
低 温 泵
低温泵的抽气原理与分类
低温泵的结构
低 温 泵 的 结 构
三部分： 低温介质冷却的 抽气表面、各种 形状和温度的辐 射屏、泵体
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分类
Solid
Open Cycle
Liquid Supercritical
Stored Cryogen
Ambient pressure Low temperature
Cryogenic Refrigeration
Closed Cycle
Dynamic
Cryocooler
Static
Regenerative
效率
▪ 制冷系数： COP Qc
W
▪ 理想Stirling制冷机具有卡诺效率
COcParnot ThTcTc
▪ 实际效率主要取决于控制电源，回热器，换热器， 连接管等不可逆损失。
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研究进展和应用实例
➢ 新型低阻力、大热容、高比表面积回热器填料 ➢ 间隙密封技术 ➢ 电磁轴承支撑技术 ➢ 柔性板弹簧支撑技术 ➢ 对置式布置减小机械振动
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热机简介
最基本的热机有两类：发动机和制冷机
TH
TH
QH W
Engine
QC
QH W
Refrigerator
QC
TC (a)发动机
TC (b)制冷机
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5
10
IR HTS SQUIDs
50 100
Radebaugh 2003
TEMPERATURE (K)
低温保存
低温外科
300
低温恒温器
as c3 c a1.c dr
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2、回热式制冷循环
➢ 热机（发动机和制冷机） ➢ 热力学原理和工作特点
小型低温制冷机技术(93)
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主要内容
1. 研究背景和意义 2. 回热式制冷循环 3. 回热式低温制冷机 4. 斯特林制机（维勒米尔制冷机） 5. G-M制冷机（索尔文制冷机） 6. 脉管制冷机 7. 热声驱动制冷机
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商业的斯特林制冷机
大型斯特林制冷机 （700W/80K，12kW 输入功）
微型斯特林制冷机 (0.15W/80K,3W 输入功)
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优缺点 优点：
➢ 高效（卡诺循环效率） ➢ 紧凑，易于微型化
缺点：
➢ 活塞密封，磨损 ➢ 机械振动，电磁干扰 ➢ 精确的相位控制
Magnetic Thermoefrigeration and Cryogenics
REFRIGERATION POWER (W)
应用背景
10 6
10 5
Accelerators & Fusion
10 4 10 3
1 TJ Largesize
T0
.
Q
0
,T0
Regen erator
Displacer Regen erator
. Qc ,Tc
. Qc ,Tc
External Regenerator
Internal Regenerator
制冷性能取决于体积流量与压力的振幅以及它们之st间irling3c的.cdr 相位差 由冷端运动活塞(排出器)与压缩机活塞以一定相位关系的相对 运动来实现制冷
Regenerative
c
cooling
Pressure
b
c
a
d
d
Expansion
Volume
Tc
Regenerative
a T0
heating T0
ba
Temperature
Displacement
a b c d
Time
Tc
cd
Entropy
a
Stirling ideal 1c.cdr
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Clearance gap
Piston
Spiral flexure beari ng
Flexure bearing
Back iron
Permanent magnet
Moving coil
Stationary rigid clamp
Position sensor
a
Linear
compressor
Moving rigid spider
发展历史
1816, 苏格兰人 Robert Stirling, 发明了斯特林循环并 获得了专利，它主要是作为热 机 采用空气作为工质，通过工作 在不同温度之间空气的压缩和 膨胀过程将热能转换成功，或 将功转化为热能
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发展历史
在效率、可靠性、小型轻量、寿命等方面取得了重 大进展，寿命可达5～10年。得到了广泛的应用 美国宇航局和欧洲航天局从八十年代末至今发射的 探测卫星，大部分采用斯特林制冷机提供冷源
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牛津型板弹簧支撑
To cold head
Expansion space
Dynamic seals
Expanderregenerator
Expansion space
Institute of Refrigeration and Cryogenics
Compression Space
Piston
Linear motor
线性(电磁)压缩机驱动
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3、回热式低温制冷机
✓ 斯特林制机（Stirling）制冷机 ✓ 维勒米尔（Vuillenmier）制冷机 ✓ G-M制冷机 ✓ 索尔文（Solvay）制冷机 ✓ 脉管制冷机 ✓ 热声制冷机
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Valves Valveless
Gifford-McMahon Pulse tube
Stirling Vuilleumier Pulse tube
Recuperative
Joule-Thomson Brayton Claude
Radiator
Sorption compressor Solid state
Dynamic seals
Expanderregenerator
Expansion space
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工作过程
Compression
Expansion
space Regenerator space
a
T0
b
Compression
➢ 10年后，斯特林制冷机被用来冷却红外探测器件 ➢ 近100年的发展过程中，斯特林热机的基本结构
没有发生大的变化 ➢ 但是，蓄冷材料，密封技术，柔性板弹簧支撑技
术的发展使它已经成为一种非常高效，紧凑，可 靠的制冷机，得到了广泛的应用
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. Q 0 ,T 0
回热式低温制冷机(Regenerative)
. W0
. W0
. W0
气库
.
. Q 0 ,T 0
小. 孔 Q 0 ,T 0 Q h ,T h
排出器
脉冲管
. Q c ,T c
蓄冷器
(a)斯特林
. Q c ,T c
(b)脉冲管
. Q c ,T c
(c)G-M
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S chem atic diagram of regenerative cryocooler
Institute of Refrigeration and Cryogenics
4、斯特林制冷机(Stirling)
1. 发展历史 2. 结构特点 3. 工作过程和原理 4. 进展和应用实例
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1、低温制冷机
获得和维持低温的机械（装置）
▪ 由于简单、方便灵活得到了重视和迅速发展。 它省去了低温液体储运、充注等麻烦，已在很 多方面获得应用
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Joule-Thomson
Stored Gas
High pressure Ambient temp.
热力学原理
热力学第一，二定律规定了能量平衡关系与热功转 换效率的上限
热力学第一定律: QhQc W
热力学第二定律:
WTh Tc
Qh
Th
Carno发t 动机
COPQ Wc ThTcTc COCaPrno制t 冷机
Carnot
是同温限卡诺循环热机的工作系数，它在T-S图上
COP Carnot 由两个等温过程和两个等熵过程组成的，具有最高 的热力学完善度。但实际循环不可能是完全可逆的，
而且实际工质的性质也不适合采用卡诺循环
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