小型低温制冷机技术93

1、Institute of Refrigeration and Cryogenics 1.1. 研究背景和意义研究背景和意义 2.2. 回热式制冷循环回热式制冷循环 3.3. 回热式低温制冷机回热式低温制冷机 4.4. 斯特林制机（维勒米尔制冷机）斯特林制机（维勒米尔制冷机） 5.5. G-MG-M制冷机（索尔文制冷机）制冷机（索尔文制冷机） 6.6. 脉管制冷机脉管制冷机 7.7. 热声驱动制冷机热声驱动制冷机 主要内容主要内容 Institute of Refrigeration and Cryogenics 获得和维持低温的机械（装置）获得和维持低温的机械（装置） 由于简单、方便灵活得到了

2、重视和迅速发展。由于简单、方便灵活得到了重视和迅速发展。 它省去了它省去了低温液体储运低温液体储运、充注充注等麻烦，已在很等麻烦，已在很 多方面获得应用多方面获得应用 1 1、低温制冷机、低温制冷机 Institute of Refrigeration and Cryogenics Cryogenic Refrigeration Open Cycle S to re d G a s High pressure Ambient temp. Stored Cryogen Ambient pressure Low temperature Closed Cycle C ryo co o le r Dy

3、namic Static R a d ia tor Sorption compressor Solid state Magnetic Thermoelectric Laser Regenerative Recuperative Jo u le -T h o m so n B ra yto n C la u d e Stirling Vuilleumier Pulse tube Gifford-McMahon Pulse tube ValvelessValves Joule-Thomson SolidLiquidSupercritical 分类分类 Institute of Refrigerat

4、ion and Cryogenics 15 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1050100300 -1 0 1 2 3 4 5 -2 6 REFRIGERATION POWER (W) TEMPERATURE (K) Maglev LTS electronics SQUIDs NbN Elect. Transmission lines Transformers Generators Wireless Bearings HTS SQUIDs IRH ZBO O & CH ZBO IRIR 1 GJ Mid-size 1 TJ Large- size SM ES 1MJ Mi

5、cro-SM ES MRI asc 3ca1.cd r Air liquefaction Cryopumps SMES, Mag. Sep., MRI FCL FCL Accelerators & Fusion LNG Cryosurgery V acuum H O cryotraps 2 Radebaugh 2003 2 24 Liquid H2 M otors 红外探测红外探测 红外制导红外制导 卫星遥感遥测卫星遥感遥测 大气环境检测大气环境检测 低温真空泵低温真空泵 LNGLNG，LO2LO2，LH2LH2 磁悬浮磁悬浮 超导器件超导器件 低温保存低温保存 低温外科低温外科 低温恒温器低

6、温恒温器 应用背景应用背景 Institute of Refrigeration and Cryogenics 热机（发动机和制冷机）热机（发动机和制冷机） 热力学原理和工作特点热力学原理和工作特点 2 2、回热式制冷循环、回热式制冷循环 Institute of Refrigeration and Cryogenics 最基本的热机有两类：发动机和制冷机最基本的热机有两类：发动机和制冷机 ( (a)a)发动机发动机 ( (b)b)制冷机制冷机 HT QH T Q Refrigerator W Q HQ W T HT Engine C C C C 热机简介热机简介 Institute of R

7、efrigeration and Cryogenics WQQ ch Carnot ch cc COP TT T W Q COP Carnot h ch h T TT Q W 热力学第一定律热力学第一定律: : 热力学第二定律热力学第二定律: : 热力学第一，二定律规定了能量平衡关系与热功转热力学第一，二定律规定了能量平衡关系与热功转 换效率的上限换效率的上限 发动机发动机 制冷机制冷机 是同温限卡诺循环热机的工作系数，它在是同温限卡诺循环热机的工作系数，它在T-ST-S图上图上 由两个等温过程和两个等熵过程组成的，具有最高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

8、环不可能是完全可逆的，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而且实际工质的性质也不适合采用卡诺循环 Carnot Carnot COP 热力学原理热力学原理 Institute of Refrigeration and Cryogenics T S T0 Tc Carnot T S T0 Tc Stirling T S T0 Tc Ericsson V1 V2P2 P1 T S Brayton T S Joule-Thomson dQ TdS dQ = TdS (可逆可逆) Heat transfer T0 Tc T0 Tc 回热式热力循环（理想

9、）回热式热力循环（理想） Institute of Refrigeration and Cryogenics 实际上，换热是在一定的温差下进行的，且各气体微元的热实际上，换热是在一定的温差下进行的，且各气体微元的热 力循环是不完整的。但是，可以认为在力循环是不完整的。但是，可以认为在T-ST-S图上一个完整图上一个完整 的热力循环是由许多在不同温差下的微小卡诺循环组合成的热力循环是由许多在不同温差下的微小卡诺循环组合成 的。实际循环效率是许多微小卡诺循环的平均值。的。实际循环效率是许多微小卡诺循环的平均值。 T S T T 3 1 2 H L PH PL 4 回热式热力循环（实际）回热式热力循

10、环（实际） Institute of Refrigeration and Cryogenics 斯特林制机（斯特林制机（Stirling）制冷机）制冷机 维勒米尔（维勒米尔（Vuillenmier）制冷机）制冷机 G-M制冷机制冷机 索尔文（索尔文（Solvay）制冷机）制冷机 脉管制冷机脉管制冷机 热声制冷机热声制冷机 3 3、回热式低温制冷机、回热式低温制冷机 Institute of Refrigeration and Cryogenics W . W . W . 0 00 Q . ,T Q . ,TQ . ,T Q . ,TQ . ,TQ . ,T 0 00 ccc 0 00 ccc

11、Q . ,T hh (a)(a)斯特林斯特林(b)(b)脉冲管脉冲管(c)G-M(c)G-M 蓄冷器蓄冷器 排出器排出器 脉冲管脉冲管 小孔小孔 气库气库 回热式低温制冷机回热式低温制冷机(Regenerative) Institute of Refrigeration and Cryogenics 压力波发生器（压缩机）：提供系统容积或压力变化压力波发生器（压缩机）：提供系统容积或压力变化 回热器回热器( (蓄冷器蓄冷器) )：在回热过程中存储和释放热量：在回热过程中存储和释放热量( (冷量冷量) ) 热端和冷端换热器：实现与不同温度下外热源的热量交换热端和冷端换热器：实现与不同温度下外热源

12、的热量交换 p,V,T,m pdV dQ CylinderHeat exchangerRegenerator Control volume mhdt Schematic diagram of regenerative cryocooler 结构特点结构特点 Institute of Refrigeration and Cryogenics 1.1. 发展历史发展历史 2.2. 结构特点结构特点 3.3. 工作过程和原理工作过程和原理 4.4. 进展和应用实例进展和应用实例 4 4、斯特林制冷机、斯特林制冷机(Stirling) Institute of Refrigeration and Cr

13、yogenics 1816, 1816, 苏格兰人苏格兰人 Robert Robert Stirling, Stirling, 发明了发明了斯特林循环斯特林循环 并获得了专利，它主要是作为并获得了专利，它主要是作为 热机热机 采用空气作为工质，通过工作采用空气作为工质，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，或膨胀过程将热能转换成功，或 将功转化为热能将功转化为热能 发展历史发展历史 Institute of Refrigeration and Cryogenics 18161816年，第一台年，第一台斯特林热机的气缸高为斯特林热机的气缸高为3.

14、053.05米米 18341834年年, , John HershelJohn Hershel提出将提出将斯特林热机循环作为制冷循环斯特林热机循环作为制冷循环 来制作冰来制作冰 18611861年年, , Alexander Kirk Alexander Kirk 将它变为现实将它变为现实 发展历史发展历史 Institute of Refrigeration and Cryogenics 发展非常缓慢，直到发展非常缓慢，直到19461946年荷兰的年荷兰的Philips Philips CompanyCompany研制出第一台液化空气的研制出第一台液化空气的斯特林制冷机斯特林制冷机 ，采用氦

15、气作为工作介质，极大的提高了性能采用氦气作为工作介质，极大的提高了性能 1010年后，年后，斯特林制冷机被用来冷却红外探测器件斯特林制冷机被用来冷却红外探测器件 近近100100年的发展过程中，年的发展过程中，斯特林热机的基本结构斯特林热机的基本结构 没有发生大的变化没有发生大的变化 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，得到了广泛的应用靠的制冷机，得到了广泛的应用 发展历史发展历史 Institute of Refrigeration and Cr

16、yogenics 大型斯特林制冷机大型斯特林制冷机 （7 70000W/80KW/80K，12kW 12kW 输入功）输入功） 微型斯特林制冷机微型斯特林制冷机 ( (0.15W/80K,3W 0.15W/80K,3W 输入功输入功) ) 商业的斯特林制冷机商业的斯特林制冷机 Institute of Refrigeration and Cryogenics 优点：优点： 高效（卡诺循环效率）高效（卡诺循环效率） 紧凑，易于微型化紧凑，易于微型化 缺点：缺点： 活塞密封，磨损活塞密封，磨损 机械振动，电磁干扰机械振动，电磁干扰 精确的相位控制精确的相位控制 优缺点优缺点 Institute o

17、f Refrigeration and Cryogenics 压缩腔压缩腔 活塞活塞 排出器排出器 回热器回热器 膨胀腔膨胀腔 结构特点结构特点 Institute of Refrigeration and Cryogenics stirling3c.cdr W . 0 Q . ,T cc Q . ,T 00 P isto n R e ge nera to r W . 0 Q . ,T cc T Q . ,T0 00 Displacer R e ge ne ra to r Piston E xtern al R egen e rato rInternal Regenerator Two Mov

18、ing Parts 活塞活塞- -排出器排出器 制冷性能取决于体积流量与压力的振幅以及它们之间的相位差制冷性能取决于体积流量与压力的振幅以及它们之间的相位差 由冷端运动活塞由冷端运动活塞( (排出器排出器) )与压缩机活塞以一定相位关系的相对与压缩机活塞以一定相位关系的相对 运动来实现制冷运动来实现制冷 Institute of Refrigeration and Cryogenics 旋转旋转( (机械机械) )压缩机驱动压缩机驱动 Institute of Refrigeration and Cryogenics 线性线性( (电磁电磁) )压缩机驱动压缩机驱动 Institute of

19、Refrigeration and Cryogenics T T T TT 0 c c 00 a a a b b b c c c d d d a a b c d a Tim e Displacem ent Regenerator Compression space Expansion space Compression Expansion Regenerative cooling Regenerative heating Volum e Entropy Pressure Temperature Stirling ideal 1c.cdr 工作过程工作过程 Institute of Refrig

20、eration and Cryogenics 制冷系数：制冷系数： 理想理想StirlingStirling制冷机具有卡诺效率制冷机具有卡诺效率 实际效率主要取决于控制电源，回热器，换热器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。，连接管等不可逆损失。 ch c carnot TT T COP W Q COP c 效率效率 Institute of Refrigeration and Cryogenics 研究进展和应用实例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新型低阻力、大热容、高比表面积回热器填料 间隙密封技术间隙密封技术 电磁轴承支撑技术电磁

21、轴承支撑技术 柔性板弹簧支撑技术柔性板弹簧支撑技术 对置式布置减小机械振动对置式布置减小机械振动 在效率、可靠性、小型轻量、寿命等方面取得了重在效率、可靠性、小型轻量、寿命等方面取得了重 大进展，寿命可达大进展，寿命可达5 51010年。得到了广泛的应用年。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探测卫星，大部分采用斯特林制冷机提供冷源 Institute of Refrigeration and Cryogenics 牛津型板弹簧支撑牛津型板弹簧支撑 To cold head Perm

22、anent magnet Moving coil Position sensor Clearance gap Flexure bearing Piston Linearflexure bearing Spiralflexure bearing a b Moving rigid spider Stationary rigid clamp Flexing element Linear compressor Back iron 特点：特点： 活塞和气缸活塞和气缸 之间无摩擦之间无摩擦 寿命：寿命：1010年年 a.a.螺旋线挠性螺旋线挠性 板弹簧板弹簧 b.b.直线直线挠性挠性板板 弹簧弹簧 Ins

23、titute of Refrigeration and Cryogenics 牛津仪器公司牛津仪器公司ISAMSISAMS Institute of Refrigeration and Cryogenics sunpowerM87schem.cdr Sunpower web Piston Linear Motor Displacer/regenerator Gas bearing Aftercooler Displacer flexure C old tip Balancer 美国美国SunpowerSunpower公司公司 Institute of Refrigeration and Cry

24、ogenics 美国美国TexasTexas仪器公司仪器公司 Institute of Refrigeration and Cryogenics CFIC CFIC 输入功输入功: 650 W: 650 W PV PV功功: 450 W: 450 W 频率频率: 60 Hz: 60 Hz 长长: 504 mm: 504 mm 高高: 216 mm: 216 mm 重量重量:28 kg:28 kg 充气压力充气压力: 2MPa: 2MPa 美国美国CFICCFIC公司公司 Institute of Refrigeration and Cryogenics 荷兰荷兰ThalesThales公司公司

25、 旋转旋转, ,线性压缩机线性压缩机 0.5-6W/80K 0.5-6W/80K 输入功输入功:40-160W:40-160W Institute of Refrigeration and Cryogenics 斯特林制冷机应用斯特林制冷机应用 Institute of Refrigeration and Cryogenics 军事夜视仪军事夜视仪 军事夜视仪军事夜视仪 自自19801980年至今约年至今约140,000140,000台台 0.3-1.75W at 65-80 K 0.3-1.75W at 65-80 K Institute of Refrigeration and Cryog

26、enics 红外摄像仪红外摄像仪 制冷量制冷量0.15 W/ 80 K0.15 W/ 80 K 输入功输入功:3W:3W 14% 14% 卡诺效率卡诺效率 Inframetric-01.jpg Institute of Refrigeration and Cryogenics 与与SADASADA（军用标准先进杜瓦）配合军用标准先进杜瓦）配合 Institute of Refrigeration and Cryogenics 超导量子干涉仪（超导量子干涉仪（SQUIDSQUID） Institute of Refrigeration and Cryogenics 高温超导滤波器件高温超导滤波器

27、件 移动通讯基站移动通讯基站 Institute of Refrigeration and Cryogenics l结构特点结构特点 l工作原理和过程工作原理和过程 l研究现状和发展趋势研究现状和发展趋势 l应用实例应用实例 5 5、G-MG-M制冷机制冷机 Institute of Refrigeration and Cryogenics 19561956年年, , 美国人美国人GiffordGifford和和 McMahon, McMahon, 发明发明 了了Gifford-McMahon(G-M)Gifford-McMahon(G-M)制冷机。制冷机。 运用绝热气体放气膨胀原理运用绝热气

28、体放气膨胀原理( (西蒙膨胀原理西蒙膨胀原理) ) 获得低温获得低温 压缩机压缩机, ,进气阀进气阀, ,排气阀排气阀, ,回热器回热器, ,换热器和膨换热器和膨 胀机组成胀机组成 进排气阀由机械控制其开启和关闭进排气阀由机械控制其开启和关闭, ,用来控用来控 制通过回热器与膨胀机的气流和压力制通过回热器与膨胀机的气流和压力 推移活塞在气缸中的上下移动和进、排气阀推移活塞在气缸中的上下移动和进、排气阀 的控制机构组合在一起，由电机带动的控制机构组合在一起，由电机带动 结构特点结构特点 Ic e c 2 8 c .c dr ADVANTAGES High reliability (1-3 yrs

29、) Moderate cost Good service Over 20,000/yr made Large and heavy Intrinsic vibration from displacer Low efficiency DISADVANTAGES Institute of Refrigeration and Cryogenics G-MG-M制冷机组成制冷机组成 10-20010-200W/80KW/80K0.5-3.0W/4.2K0.5-3.0W/4.2K Institute of Refrigeration and Cryogenics 优点：优点： 高可靠、运行稳定、寿命长高可

30、靠、运行稳定、寿命长 商业化、中等价格商业化、中等价格 25,000/25,000/年年 ( (40,00040,000美元美元/ /台台, ,1 1亿美元）亿美元） 缺点：缺点： 重量和体积重量和体积 机械振动机械振动 效率效率 优缺点优缺点 Institute of Refrigeration and Cryogenics 工作原理及过程工作原理及过程 G-MG-M制冷机制冷机工作过程工作过程 Qc, Tc Qh, Th WW Qh, Th Qc, Tc Qht, Tht W Qh, Th Qc, Tc (a) Stirling(b) Pulse tube(c) Gifford-MacMa

31、hon 膨胀制冷蓄冷器换热活塞往复膨胀制冷蓄冷器换热活塞往复 移动以实现冷腔体积的循环变化。移动以实现冷腔体积的循环变化。 其工作过程主要分为四阶段，其中其工作过程主要分为四阶段，其中 膨胀过程产生冷量膨胀过程产生冷量 热力循环是回热式热力循环，制冷热力循环是回热式热力循环，制冷 性能取决于气体压力和冷腔体积的性能取决于气体压力和冷腔体积的 振幅以及它们之间的合适的相位差，振幅以及它们之间的合适的相位差， 由冷端运动活塞由冷端运动活塞( (排出器排出器) )与压缩机与压缩机 活塞以一定相位关系的相对运动来活塞以一定相位关系的相对运动来 实现实现 Institute of Refrigerati

32、on and Cryogenics P P V V 1 a 假设：假设：1.1.理想气体；理想气体；2.2.死容积忽略不计；死容积忽略不计；3.3.蓄冷器及换热器蓄冷器及换热器 没有换热损失；没有换热损失；4.4.不计流阻损失；不计流阻损失；5.5.汽缸体与活塞绝热良好汽缸体与活塞绝热良好 ；6.6.无泄漏损失；无泄漏损失；7.7.进排气阀提前关闭和开启的影响不计进排气阀提前关闭和开启的影响不计 理想理想P-VP-V图图 b c d 这时的这时的G GM M循环可视为理想循环可视为理想 循环。以冷腔为研究对象，循环。以冷腔为研究对象， 以冷腔和换热器做为一个热以冷腔和换热器做为一个热 力系统，

33、稳定工况下，一个力系统，稳定工况下，一个 循环的理想制冷量为循环的理想制冷量为 clhc VPPPdVQ)( Institute of Refrigeration and Cryogenics 实际情况实际情况 实际气体（氦）热物性变化实际气体（氦）热物性变化 制冷机内死隙容积存在制冷机内死隙容积存在 蓄冷器、阀门管道及换热器的阻力蓄冷器、阀门管道及换热器的阻力 蓄冷器、换热器换热损失，纵向热漏蓄冷器、换热器换热损失，纵向热漏 汽缸体与活塞之间摩擦汽缸体与活塞之间摩擦 气体泄漏损失气体泄漏损失 进、排气阀提前关闭和开启进、排气阀提前关闭和开启 理想理想P PV V图的形状发生了变化，直接影响了

34、图的形状发生了变化，直接影响了GMGM 制冷机制冷机P PV V图效率。实际制冷量远小于理想制图效率。实际制冷量远小于理想制 冷量。冷量。P PV V图面积已经不能代表制冷量大小，图面积已经不能代表制冷量大小， 只能表示制冷量的变化趋势。只能表示制冷量的变化趋势。 Institute of Refrigeration and Cryogenics 发展趋势发展趋势 l进一步提高制冷机效率和制冷量进一步提高制冷机效率和制冷量 高比热磁性蓄冷填料高比热磁性蓄冷填料 改进蓄冷器填料结构改进蓄冷器填料结构 优化运行参数优化运行参数 阀门优化控制阀门优化控制 l向应用方向拓展向应用方向拓展 Instit

35、ute of Refrigeration and Cryogenics 通常两级通常两级G GM M制冷机中第二级蓄冷器都用铅为制冷机中第二级蓄冷器都用铅为 填料，其填料，其体积比热在体积比热在2020K K以下迅速降低以下迅速降低，因此，因此， 蓄冷器效率大大降低，这就导致了蓄冷器效率大大降低，这就导致了G GM M制冷机制冷机 性能恶化，制约了所能达到的最低制冷温度，性能恶化，制约了所能达到的最低制冷温度， 当时，当时，双级双级G GM M机最低制冷温度只有机最低制冷温度只有7.57.5K K，三三 级级G GM M机最低制冷温度只有机最低制冷温度只有6.56.5K K 为了降低温度，从七

36、十年代初就开始寻找为了降低温度，从七十年代初就开始寻找2020K K以以 下高比热的蓄冷材料下高比热的蓄冷材料 蓄冷材料蓄冷材料 Institute of Refrigeration and Cryogenics 19881988年，年，T.HashimotoT.Hashimoto等研究了等研究了Er(NiEr(Ni1-x 1-xCo Cox x) )2 2材料，发现材料，发现 当当x0.2x0.2时，由于磁相变在时，由于磁相变在2020K K以下有较大的比热以下有较大的比热，可以用，可以用 做蓄冷材料蓄冷填料做蓄冷材料蓄冷填料 19891989年，日本东芝公司和东京工业大学发展了一种新型磁年

37、，日本东芝公司和东京工业大学发展了一种新型磁 性材料性材料R R3 3T T,R,R代表代表ErEr、NdNd，T T代表代表NiNi、CoCo。这种材料不仅在这种材料不仅在 4 41212K K有较大的比热，而且从有较大的比热，而且从2020K K到室温也有很大的比热到室温也有很大的比热 ，这个特性使其在，这个特性使其在2020K K以上易与铅填料相匹配以上易与铅填料相匹配 8080年代中后期，液氦温区高比热的磁性蓄冷材料年代中后期，液氦温区高比热的磁性蓄冷材料( (ErEr3 3NiNi、 ErNiErNi、GdRhGdRh等等) )的发现，的发现，G-MG-M制冷机得以向液氦温区发展制冷

38、机得以向液氦温区发展 迄今为止，迄今为止，G GM M制冷机最低制冷温度为制冷机最低制冷温度为2.092.09K K，4.2K4.2K最大最大 制冷量达到制冷量达到3 3W W左右（左右（1212KWKW输入）输入） 磁性蓄冷材料磁性蓄冷材料 Institute of Refrigeration and Cryogenics 应用实例应用实例 低温恒温器低温恒温器 高清洁真空低温泵高清洁真空低温泵 小型液氮机，液氦机，氦冷凝器小型液氮机，液氦机，氦冷凝器 高低温超导器件（超导高低温超导器件（超导MRIMRI，SQUIDSQUID磁强计）磁强计） 低温保存，器官移植，低温外科等低温保存，器官移植

39、，低温外科等 Institute of Refrigeration and Cryogenics 低温恒温器低温恒温器 Institute of Refrigeration and Cryogenics 高清洁真空低温泵高清洁真空低温泵 Institute of Refrigeration and Cryogenics 小型液氮机，液氦机，氦冷凝器小型液氮机，液氦机，氦冷凝器 Institute of Refrigeration and Cryogenics 磁共振成像仪（磁共振成像仪（MRIMRI） 0.2-1.5T0.2-1.5T NbTiNbTi磁体磁体 NbNb3 3SnSn磁体磁体

40、LHeLHe浸泡浸泡 第一级制冷量：第一级制冷量： 4040W/40KW/40K 第二级制冷量：第二级制冷量： 1 1W/4.2KW/4.2K Institute of Refrigeration and Cryogenics l特点和工作原理特点和工作原理 l研究背景和意义研究背景和意义 l研究现状和问题研究现状和问题 l应用实例应用实例 6 6、脉管制冷机、脉管制冷机 Institute of Refrigeration and Cryogenics 冷端无机械运动部件，无低温活塞密封，磨损冷端无机械运动部件，无低温活塞密封，磨损 振动和电磁干扰小振动和电磁干扰小 结构简单，整机控制方便结

41、构简单，整机控制方便 失效率低，可靠性高失效率低，可靠性高 工作寿命长工作寿命长 结构特点结构特点 Institute of Refrigeration and Cryogenics 基本型基本型 小孔气库型小孔气库型 双向进气型双向进气型 基本形式基本形式 基本型（基本型（19631963） Gifford, LongsworthGifford, Longsworth 小孔型（小孔型（19841984） Mikulin et alMikulin et al 双向进气型（双向进气型（19901990） 朱绍伟等朱绍伟等 Institute of Refrigeration and Cryoge

42、nics Pulse tube Orifice Buffer Orifice pulse tube Heat transfer Temperature Expansion/compression Basic pulse tube due to flow through orifice between gas and solid wall Tube position Temperature 3 1 2 4 1 2 4 3 制冷原理制冷原理 Institute of Refrigeration and Cryogenics a)a)斯特林型：压缩机直接与制冷机相连，两者频率相同，运行斯特林型：压缩

43、机直接与制冷机相连，两者频率相同，运行 频率较高（频率较高（10-7010-70Hz)Hz)，体积较小，常用于微型和液氮温区体积较小，常用于微型和液氮温区 b)b)G-MG-M型：通过旋转阀型：通过旋转阀( (或电磁阀或电磁阀) )交替与压缩机高低压端相连，交替与压缩机高低压端相连， 频率由旋转阀控制，而不是压缩机频率。一般频率较低频率由旋转阀控制，而不是压缩机频率。一般频率较低 （0.5-40.5-4HzHz），），扫气体积较大，常用于极低温区（扫气体积较大，常用于极低温区（20-320-3K K） PH PL Regenerator Pulse tube Gas buffer Cold H

44、x Double-inlet Orifice Hot Hx Pc t PPo Aftercooler Rotary valve Multi-bypass Stirling compressor G-M compressor 分类分类 Institute of Refrigeration and Cryogenics 结构形式结构形式 O rific e Orifice Reservoir volume Reservoir volume Reservoir volume Pulse tube Pulse tube Pulse tube R e g en era to r Regenerator

45、Piston PistonC o ld Warm U-tubeCoaxial Warm Warm Cold In-line Institute of Refrigeration and Cryogenics W . o Q . ,T cc Orifice Q . ,TQ . ,T h0h0 Reservoir volume Pulse tube Regenerator Piston One moving part Icec25c.cdr W . 0 Q . ,T cc T Q . ,T0 00 DisplacerRegenerator Piston Two moving parts 斯特林斯特

46、林脉管脉管 与斯特林制冷机区别与斯特林制冷机区别 Institute of Refrigeration and Cryogenics 斯特林型脉管制冷机（整体）斯特林型脉管制冷机（整体） Compressor Gas buffer Cold head Regenerator Pulse tube Control unit Institute of Refrigeration and Cryogenics Compressor Gas buffer Regenerator Cold head Pulse tube Control unit of gas flow Connection tube

47、斯特林型脉管制冷机（分置）斯特林型脉管制冷机（分置） Institute of Refrigeration and Cryogenics G-MG-M脉管制冷机（单级）脉管制冷机（单级） Institute of Refrigeration and Cryogenics G-MG-M脉管制冷机（单级）脉管制冷机（单级） Institute of Refrigeration and Cryogenics 效率比较效率比较 9 90K0K： 比功耗比功耗1010W/WW/W， 卡诺效率卡诺效率:24:24 8080K K： 比功耗比功耗1515W/WW/W， 卡诺效率卡诺效率:18:18 60K6

48、0K： 比功耗比功耗30W/W30W/W， 卡诺效率卡诺效率:14:14 Institute of Refrigeration and Cryogenics 新型低阻力、大热容、高比表面积回热器填料新型低阻力、大热容、高比表面积回热器填料 （如新材料，光刻，腐蚀，激光加工等技术）（如新材料，光刻，腐蚀，激光加工等技术） 直流现象直流现象( (DC-flow or Streaming)DC-flow or Streaming)的机理，对的机理，对 制冷性能的影响和抑制制冷性能的影响和抑制 二次环流二次环流( (Acoustic Streaming)Acoustic Streaming)对制冷性能

49、的对制冷性能的 和冷头方向影响和冷头方向影响 Inertance tube (Inertance tube (惯性管惯性管) )，第二小孔等新型，第二小孔等新型 相位调节机构相位调节机构 膨胀活塞，非对称喷嘴等回收功装置膨胀活塞，非对称喷嘴等回收功装置 热声驱动压缩机热声驱动压缩机 最新进展最新进展 Institute of Refrigeration and Cryogenics 科研，资源，商业，医疗等民用科研，资源，商业，医疗等民用 国防，军事，空间技术等应用国防，军事，空间技术等应用 应用实例应用实例 Institute of Refrigeration and Cryogenics

50、科研，资源，商业，医疗等民用科研，资源，商业，医疗等民用 低温恒温器低温恒温器 高清洁真空低温泵高清洁真空低温泵 小型液氮机，液氦机，氦冷凝器小型液氮机，液氦机，氦冷凝器 高低温超导器件（超导高低温超导器件（超导MRIMRI，SQUIDSQUID磁强计）磁强计） 低温保存，器官移植，低温外科等低温保存，器官移植，低温外科等 Institute of Refrigeration and Cryogenics 低温恒温器低温恒温器 Institute of Refrigeration and Cryogenics 高清洁真空低温泵高清洁真空低温泵 Institute of Refrigeratio

51、n and Cryogenics 小型液氮机，液氦机，氦冷凝器小型液氮机，液氦机，氦冷凝器 Institute of Refrigeration and Cryogenics 磁共振成像仪（磁共振成像仪（MRIMRI） 0.2-1.5T0.2-1.5T NbTiNbTi磁体磁体 NbNb3 3SnSn磁体磁体 LHeLHe浸泡浸泡 第一级制冷量：第一级制冷量： 4040W/40KW/40K 第二级制冷量：第二级制冷量： 1 1W/4.2KW/4.2K Institute of Refrigeration and Cryogenics 液化氧和氖装置液化氧和氖装置 Transport of O2

52、 to Mars too heavy Mars atmosphere 95% CO2 CO2 O2 chemically Liquefy gaseous O2 2007 flight goal Funded by NASA Institute of Refrigeration and Cryogenics 国防，军事，空间技术等应用国防，军事，空间技术等应用 红外制导，预警红外制导，预警 军事夜视装置军事夜视装置 卫星遥感遥测卫星遥感遥测 红外线探测器，红外线探测器， - -射线探测仪等射线探测仪等 红外热像仪，红外光镨仪红外热像仪，红外光镨仪 Institute of Refrigerati

53、on and Cryogenics LMAT ULMAT U型脉管制冷机型脉管制冷机 - -对置式线性压缩机（对置式线性压缩机（1 1cccc） 主要性能指标：主要性能指标： 制冷量制冷量: 0.3: 0.3W/65KW/65K 输入功率：输入功率： 15 15W W 制冷器制冷器: 0.45: 0.45KgKg 电驱动电驱动: 1.6: 1.6kgkg 压缩机压缩机: 1.55: 1.55KgKg 整机重量：整机重量：3.63.6KgKg -寿命：寿命：10 10 yearsyears -整机的长寿命整机的长寿命 -振动测试振动测试 -冷热环境实验冷热环境实验 Institute of Re

54、frigeration and Cryogenics NISTNIST同轴脉管制冷机同轴脉管制冷机 - -对置式线性压缩机（对置式线性压缩机（2020cccc） 主要性能指标：主要性能指标： 制冷量制冷量:19:19W/90KW/90K 输入功率：输入功率：222222W W 制冷器制冷器: 4: 4KgKg 电驱动电驱动: 10: 10kgkg 压缩机压缩机: 20: 20KgKg 整机重量：整机重量：3434KgKg -寿命：寿命：5 5 yearsyears -20072007年发射年发射 -火星上液化氧火星上液化氧 Institute of Refrigeration and Cryo

55、genics 与与SADASADA（军用标准先进杜瓦）配合军用标准先进杜瓦）配合 Institute of Refrigeration and Cryogenics TRW3503TRW3503脉管制冷机脉管制冷机 大气红外光谱仪（大气红外光谱仪（AIRSAIRS） Institute of Refrigeration and Cryogenics NASANASA地球观测卫星地球观测卫星( (EOS)EOS) Institute of Refrigeration and Cryogenics 7 7、热声驱动制冷机、热声驱动制冷机 完全无运动部件低温制冷机完全无运动部件低温制冷机 Insti

56、tute of Refrigeration and Cryogenics 主要特点主要特点 一种利用一种利用热声效应热声效应的能源转换和利用技术，它具有环保的能源转换和利用技术，它具有环保 和高可靠性等潜在优点和高可靠性等潜在优点 除内部的流动工质外没有除内部的流动工质外没有任何的运动部件任何的运动部件，从根本上消，从根本上消 除了常规机械制冷机所固有的磨损和振动除了常规机械制冷机所固有的磨损和振动 它可以采用热驱动，可以利用低品位能量，从而提高系它可以采用热驱动，可以利用低品位能量，从而提高系 统的热力学效率，这对于那些缺乏常规能源的地区具有统的热力学效率，这对于那些缺乏常规能源的地区具有

57、实际意义实际意义 Institute of Refrigeration and Cryogenics 发展历史发展历史 完全无运动部件完全无运动部件的热声制冷机是重要发展方向之一的热声制冷机是重要发展方向之一 热声制冷的概念热声制冷的概念( (基于热声理论基于热声理论) )是是LANLLANL的的WheatleyWheatley等等 于于8080年代年代提出提出 19851985年海军研究院的年海军研究院的HoflerHofler研制出研制出第一台第一台电扬声器驱电扬声器驱 动的热声制冷机动的热声制冷机，获得，获得193193K K低温低温 19861986年发明了年发明了板叠式板叠式( (S

58、tack)Stack)回热器的热声发动机回热器的热声发动机 19901990年年LANLLANL的的SwiftSwift与与NISTNIST的的RadebaughRadebaugh合作合作将此热声将此热声 发动机用来发动机用来驱动小孔脉冲管制冷机驱动小孔脉冲管制冷机，研制成世界上第，研制成世界上第 一台无运动部件的制冷机，获得一台无运动部件的制冷机，获得9090K K低温低温 19971997年年SwiftSwift等研制出世界上最大的热声驱动脉冲管制等研制出世界上最大的热声驱动脉冲管制 冷机，谐振管长冷机，谐振管长1212m m，用于天然气液化，用于天然气液化，2 2kW/kW/120120

59、K K，约约 需要燃烧需要燃烧3030的原料天然气来液化剩余的的原料天然气来液化剩余的7070的气体的气体 Institute of Refrigeration and Cryogenics 第一台电扬声器驱动的热声制冷机第一台电扬声器驱动的热声制冷机 Gas in Driver magnet Driver piston Cooling-water tube Driver house Hot heat exchanger Stack Cold heat exchanger Resonator small-diameter section Resonator sphere 10 cm 19851

60、985年年HoflerHofler 频率频率:500:500HzHz 压力压力:10:10barbar 压比：压比：1.061.06 温度：温度：193193K K Institute of Refrigeration and Cryogenics 舰载电子热声制冷机舰载电子热声制冷机 19951995年，年，GarrettGarrett，频率频率:320:320HzHz，压力压力:20:20barbar 94%94%He+6%Ar, He+6%Ar, 419419W W 制冷量制冷量 Institute of Refrigeration and Cryogenics 热声驱动脉管制冷机热声驱