小型低温制冷机技术(93)

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1、小型低温制冷机技术巨永林上海交通大学制冷与低温工程研究所机械与动力工程学院A楼412室13816471805，yju@sjtu.edu.cn研究背景和意义回热式制冷循环回热式低温制冷机斯特林制机（维勒米尔制冷机）G-M制冷机（索尔文制冷机）脉管制冷机热声驱动制冷机主要内容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1、低温制冷机分类红外探测红外制导卫星遥感遥测大气环境检测低温真空泵LNG，LO2，LH2磁悬浮超导器件低温保存低温外科低温恒温器应用背景热机（发动

2、机和制冷机）热力学原理和工作特点2、回热式制冷循环最基本的热机有两类：发动机和制冷机(a)发动机(b)制冷机热机简介热力学第一定律: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换效率的上限发动机制冷机是同温限卡诺循环热机的工作系数，它在T-S图上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热力学原理TST0TcCarnotTST0TcStirlingTST0TcEricssonV1V2P2P1TSBraytonTSJoule-Thomso

3、ndQTdSdQ=TdS(可逆)HeattransferT0TcT0Tc回热式热力循环（理想）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T-S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。实际循环效率是许多微小卡诺循环的平均值。回热式热力循环（实际）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3、回热式低温制冷机(a)斯特林(b)脉冲管(c)G-M蓄冷器排出器脉冲管小孔气库回热式低

4、温制冷机(Regenerative)压力波发生器（压缩机）：提供系统容积或压力变化回热器(蓄冷器)：在回热过程中存储和释放热量(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结构特点发展历史结构特点工作过程和原理进展和应用实例4、斯特林制冷机(Stirling)1816,苏格兰人RobertStirling,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，或将功转化为热能发展历史1816年，第一台斯特林热机的气缸高为3.05米1834年,JohnHers

5、hel提出将斯特林热机循环作为制冷循环来制作冰1861年,AlexanderKirk将它变为现实发展历史发展非常缓慢，直到1946年荷兰的PhilipsCompany研制出第一台液化空气的斯特林制冷机，采用氦气作为工作介质，极大的提高了性能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，得到了广泛的应用发展历史大型斯特林制冷机（700W/80K，12kW输入功）微型斯特林制冷机(0.

6、15W/80K,3W输入功)商业的斯特林制冷机优点：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优缺点压缩腔活塞排出器回热器膨胀腔结构特点活塞-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旋转(机械)压缩机驱动线性(电磁)压缩机驱动工作过程制冷系数：理想Stirling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，连接管等不可逆损失。效率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

7、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牛津型板弹簧支撑特点：活塞和气缸之间无摩擦寿命：10年螺旋线挠性板弹簧直线挠性板弹簧牛津仪器公司ISAMS美国Sunpower公司美国Texas仪器公司CFIC输入功:650WPV功:450W频率:60Hz长:504mm高:216mm重量:28kg充气压力:2MPa美国CFIC公司荷兰Thales公

8、司旋转,线性压缩机0.5-6W/80K输入功:40-160W斯特林制冷机应用军事夜视仪军事夜视仪自1980年至今约140,000台0.3-1.75Wat65-80K红外摄像仪制冷量0.15W/80K输入功: