斯特林型制冷机集成制冷的发展

李 勇，罗新奎，张 安，范 超，冯天佑

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

斯特林型制冷机集成制冷的发展

李 勇，罗新奎，张 安，范 超，冯天佑

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

随着对空间制冷的要求越来越高，具有多级制冷能力的制冷机比使用多个制冷机有更高的系统效率。这种制冷机通过减小冗余提高系统的可靠性，同时又满足了空间低温系统集成化的需求。针对单个线性压缩机驱动多个膨胀机的方式，总结分析其在多温区多冷量需求下的制冷效果和发展前景。

斯特林型制冷机；线性压缩机；多膨胀机；制冷量

0 引言

常用的回热式制冷机有斯特林制冷机、G-M制冷机和脉管制冷机，其中脉管制冷机分为G-M型脉管制冷机和斯特林型脉管制冷机。按照压缩机和膨胀机之间是否采用配气阀门，回热式制冷机又分为两种基本类型，其中没有配气阀门而采用容积变化来控制流率的制冷机传统上称为斯特林型制冷机，包括斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机；而采用配气阀门控制工质流率的制冷机被称为埃里克森（Ericsson）型制冷机，包括G-M制冷机和G-M脉管制冷机[1]。由于斯特林型制冷机不存在切换阀，且多采用线性驱动技术，因此具有结构紧凑、质量轻、振动小、可靠性高等优势，目前在航空航天、国防军工、低温超导、医疗仪器等方面的应用越来越广泛。随着制冷机的要求日益复杂以及空间低温系统集成化的要求越来越高，斯特林型制冷机出现了串联多缸和并联多缸等不同结构形式，以满足不同条件下的制冷需求。下面统一对单压缩机驱动的不同结构的斯特林型制冷机进行分类概述。

1 单级斯特林制冷机和单级斯特林型脉管制冷机

单级斯特林制冷机和单级斯特林型脉管制冷机都是由直线无阀压缩机驱动的单级制冷机，其中对单级斯特林制冷机的研究起步较早，技术成熟度较高，商用或军工用的型号产品已经非常成熟；而对单级斯特林型脉管制冷机的研究晚于单级斯特林制冷机，但是由于其膨胀腔部分未用运动部件，在减小振动和延长寿命方面有其独特的优势，近年来已经成为研究热点。

1.1 单级斯特林制冷机

在19世纪60年代，国外发达国家就已经开始对于斯特林制冷机展开研究，但是由于当时生产力水平低下，整套制冷设备的经济性比较差，斯特林制冷机未能得到推广，直到20世纪60年代才得到大力发展。国外典型的长寿命斯特林制冷机汇总如表1所列。

表1 国外长寿命斯特林制冷机Table1 The long life endurance of stirling cryocooler of foreign countries

国内特林制冷机的研制水平一直落后于国外发达国家。上海技术物理所在“九五”期间研制成功了77 K/0.5 W的星载斯特林制冷机样机，输入功率22 W，质量4.3 kg，不维修工作寿命达到10 000 h。2012年又研制出6 W@80 K气动分置式斯特林制冷机样机，输入功率106 W，整机质量5.5 kg。兰州空间技术物理研究所在“十五”期间完成了80 K/2 W斯特林制冷机与辐射制冷器复合制冷系统的研制，并于“十一五”期间于2007年首次实现了星载斯特林制冷机的产品化研制，完成了80 K/1 W斯特林制冷机的产品，实现了小批量（10台）生产[2]。

1.2 单级斯特林型脉管制冷机

从制冷温度看，目前中等功率的单级斯特林型脉管制冷机的最低制冷温度已经达到30 K[3]。

在美国空军的经费支持下，NGST从1989年开始研究线性压缩机驱动的空间用斯特林型脉管制冷机技术。1992年其研制的微型脉管制冷机在压缩机输入功率为20 W的情况下可以提供0.3 W@ 73 K的制冷量。2002年NASA发射的大气温度红外探测器中搭载了两台1.5 W@55 K斯特林型脉管制冷机，用于冷却HgCdTe探测器焦平面[4]

荷兰THALES在斯特林线性压缩机的基础上，开发了两款斯特林型脉管制冷机LPT9310和 LPT9510，分别在150 W和60 W的输入功率下，产生4 W@80 K和1 W@80 K的制冷量[5-6]。

美国LMATC从1987年开始发展空间低温制冷机，并于1994年开始研制空间脉管制冷机，其目标在于达到可与斯特林制冷机竞争的效率。其开发的Mark III型制冷机，由高效线性压缩机驱动，当输入功率为100 W、环境温度为295 K时，最低制冷温度为32 K，可获得2.4 W@60 K的制冷量，卡诺效率为18%[7]。

为冷却第四代移动通信用超导滤波器，2000年日本Aisin公司、Daikin公司和Fujidenki等公司相继研发了各自的高频脉管制冷机产品，在77 K时具有2～3 W的制冷量[8]。

2001年韩国LG公司研制的直线型风冷高频脉管制冷机在280 W输入功率时，具有5.5 W@65 K的制冷量[9]。

2003年中科院理化技术研究所低温中心研制的高频脉管制冷机在输入功率为29 W时，制冷功率达到250 mW@85 K，质量小于3 kg，连续工作寿命达1 100 h10]。

2007年，法国的液化空气公司、CEA/SBT及荷兰的Thales cryogenics公司联合为欧空局研制了一种温度40～60 K制冷要求的斯特林型同轴脉管制冷机，整机质量不到5.1 kg，压缩机输入功率155 W时，在55 K有2.3 W的制冷量[11]。

2 双级斯特林型制冷机

双级的斯特林型制冷机有双级斯特林制冷机、双级斯特林型脉管制冷机和复合型双级制冷机三种结构。

2.1 双级斯特林制冷机

目前国际上空间双级斯特林制冷机研制单位主要集中在欧美及日本等发达国家。1963年菲利浦公司在原用于液化空气的单级斯特林制冷机的基础上增加了1个回热器和1个膨胀腔，制成了双级斯特林制冷机，被用于菲利浦氢液化器。制冷机分别在两个温位工作，两级的制冷温度分别为60 K和20 K。

国内的主要研究单位有兰州空间技术物理研究所和中科院上海技术物理研究所。2011年，李奥等[12]研制出高效35 K双级斯特林制冷机，如图1所示，结果表明两级冷端温度在35 K时，可获得1.11 W冷量，压缩机功耗为70 W，比卡诺效率达到11.8%。但由于采用双驱动控制，额外增加了系统功耗和负重。

图1 35 K双级斯特林制冷机Fig.1 35 K two-stage stirling refrigerator

2.2 双级斯特林型脉管制冷机

双级斯特林型脉管制冷机按前后级耦合方式分为气耦合与热耦合两种。图2（a）、（b）两种均为气耦合方式，（a）是回热器串联，脉管并联的方法，每级脉管的热端都处于室温，冷端则分别与同级的回热器冷端相连，称为并行布置，这种布置方式避免了上一级脉管为了冷却下一级脉管而增加负荷的问题；（b）是回热器和脉管均采用串连的方式，即第二级脉管的热端与第一级脉管的冷端相连，可减少冷量损失，称为串行布置。

图2 双级斯特林脉管制冷机结构形式图Fig.2 The structureof two-stage pulse tube refrigerator

图2（c）为热耦合方式，是用第一级脉管的冷端通过热桥冷却第二级回热器的中部，工质只在分开的两个回热器中单独运动，二者之间没有气流交换，只有热交换，从而避免了两级之间的相互干扰，便于分别进行相位调节和参数性能优化。

目前从事液氦温区两级脉管制冷机及其应用研究的国家很多，主要包括美国、日本、德国、中国、法国、荷兰、韩国等。双级的斯特林脉管制冷机最低制冷温度已达到13 K以下。1999年，中科院低温中心在1台双向进气型两级脉管制冷机上，实现了25 K的低温[13]。

2003年，美国Lockheed Martin研究中心报道了采用一级和二级Stirling型脉管制冷机分别获得了19.8 K和5.35 K的低温[14]。

2004年，美国Sierra Lobo公司成功研制了1台在第二级回热器中使用了稀土磁性蓄冷材料的双级斯特林型脉管制冷机，在600 W的输入功下，一、二级在67 K和18.3 K下分别具有6 W和1.4 W的制冷量。同年研制了1台两级斯特林型脉管制冷机[15]，在运行频率为32.3 Hz，输入PV功600 W时，获得性能为第一级3.5 W@65 K，第二级4.0 W@20 K。

2007年，中国科学院理化技术研究所报道了1台斯特林型单级高频多路旁通型脉管制冷机，采用双向进气作为调相装置获得23.8 K的最低无负荷制冷温度，输入功率为150 W时，获得0.25 W@35 K冷量。由于单级脉管制冷机制冷最低温度保持在30 K附近，再降温比较困难，所以用双级脉管制冷机。第一级是同轴结构，第二级是U型结构，输入功率为100 W时，获得0.28 W@35 K，性能明显优于单级脉管制冷机。同年，颜鹏达等[16]对1台斯特林型双级脉管制冷机改进后，制冷机的制冷性能得到了显著的提高。在充气压力1.2 MPa，输入400 W/ 32 Hz的正弦交流电时，第一、第二级分别获得了93.3 K和14.2 K的最低制冷温度。并且，第一级和第二级在97.8 K和34.9 K时，分别具有2.5 W和1 W的制冷量。

2008年，中科院低温中心的杨鲁伟在德国Gies⁃sen大学访问期间采用了并联双阀双向进气和惯性管调相机构的双级斯特林型脉管制冷机，无负荷温度达到19.6 K[17]。

2009年，日本宇宙航空研究开发机构报道了1台斯特林型高频脉管制冷机[18]，充气压力0.9 MPa，输入功率为90 W时，第一级1 W@83.6 K，第二级0.2 W@16 K。压缩机质量7 kg，冷头质量2 kg。该制冷机在15～20 K温区给J-T制冷机提供预冷量，使其在5年内可以维持4.5 K的温度。

目前双级斯特林型脉管制冷机的最低制冷温度尚未达到液氦温区，仍需进一步的研究和探索。

2.3 复合型双级斯特林型制冷机

Raytheon公司的Kirkconnell等[19]于2001年提出了一种新型的斯特林/脉管复合型二级制冷机。这种复合型二级制冷机的第一级为传统的牛津型斯特林制冷机，第二级为1个高频脉管制冷机，如图3所示，兼具斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，同时消除或者减弱了其无效损失，从而使得该制冷机具有较高的效率，可以在非常宽的温区内高效工作，同时满足动载荷的需求，具有很好的应用前景。

图3 混合双级制冷机Fig.3 Hybrid two-stage refrigerator

2004年，Raytheon公司研制第二代斯特林-脉管混合型两级低温制冷机[19]，在输入PV功为124 W时，一、二级的冷量分别为6.6 W@110 K和1.1W@ 40 K。2010年，为满足市场需求，Raytheon公司生产了两个成熟机型：HCK-RSP2和MC-RSP2。其中，HG-RSP2在输入功率为513 W时，实现了在85 K和35 K能够同时提供16.2 W和2.6 W制冷量的性能；MC-RSP2输人功率为166 W时，在110 K和58 K能够同时提供6.1 W和2.4 W的制冷量，基本实现了在输入功小于500 W时，在35 K具有2 W制冷量，同时在85 K具有18 W制冷量的需求性能[20]。

研究者认为，当前社区治理矛盾频发的根源在于社区治理结构的不合理，决策者未能关注到社区中发生的社会结构变化和居民、业主的需求变化，缺少外部有效的政治引导和内部足够的凝聚力，导致社区治理“多中心”但“无秩序”的困境。⑬有关业主组织及业委会的政策文本均出自房地建设部门而非民政部门，显然是误将业主组织定位为管理组织而非社会自治组织。《物权法》和《物业管理条例》将法律手段赋予业主维权的同时，却没有相应地赋予业主组织以同样的权力和地位，由此导致了法律在业主维权中既是“维权的武器”又是“维权的瓶颈”。⑭

2008年，Raytheon公司报道了由美国空气动力研究实验室（Air Force Research Laboratory）资助的大容量RSP2（High Capacity Raythen Stirling/Pulse Tube Two-Stage）[21]混合型两级制冷机，第一级是斯特林膨胀机，第二级是脉管膨胀机，在输入功率497 W下，其制冷量分别为10 W@85 K和3 W@ 35 K。

2009年6月，Raytheon公司研制了采用低温惯性管和低温气库作为调相装置的35 K混合型低温制冷机，获得了2.6 W@35 K。通过分析指出采用低温惯性管和低温气库调相比常温惯性管具有更高的热力学效率[22]。

3 三级斯特林型制冷机

对于液氦温区多级制冷机的研究，主要是用于冷却低温超导磁体以及其他低温电子学器件。斯特林制冷机方面，1971年Daniels等[23]报道了研制的1台三级斯特林制冷机，最低制冷温度为7.8 K。

斯特林型脉管制冷机方面，三级的方案目前最低制冷温度已经达到液氦温区。2002年，sunpower公司开始研究用于SBIR第二阶段的三级脉管制冷机，并预期在输入功率200 W的情况下，在三级分别获得4.8 W@80 K/270 mW@27 K/10 mW@5.5 K的制冷能力，结构如图4所示。同年LM（洛克希德一马丁）公司研制的三级脉管制冷机取得5.35 K的无负荷温度，第二级的温度约为25 K，输入电功在240 W时，获得了18 mW@6 K的制冷量[24]。

2005年LMATC在美国空军的支持下开发了大冷量的三级制冷机，用于冷却中程弹道导弹的超长红波红外传感器。输入电功在450 W时，第一、二级的制冷温度分别为75 K和35 K，第三级在10 K提供高达0.2 W的制冷量[25]。NGST针对“ACTDP”计划的1台三级斯特林型脉管制冷机于2006被报道，获得了6.4 K的无负荷制冷温度[26]。

2008年NGST在两级的基础上，增加了第三级，无负荷温度达到了10 K以下。当输入功率为113.6 W时，三级的制冷量分别为0.296 W@151 K、0.134 W@59 K和0.213 W@18 K[27]。其三级脉管与JT耦合制冷机已被NASA“先进低温制冷机技术发展计划”（Advanced Cryocooler Technology Devel⁃opment Program，ACTDP）项目选中，将用于James Webb太空望远镜上。

2013年甘智华等[28]通过多参数优化，采用He-4工质获得了4.26 K的最低制冷温度（f=28 Hz，p= 1.25 MPa，W=43 W），采用He-3工质获得了4.03 K的最低制冷温度，是目前三级结构的斯特林脉管制冷机达到的最低温度。虽然三级斯特林型脉管制冷机可以达到较低的制冷温度，并实现在不同温位同时制冷，但是温度越低制冷的难度就越大，所以三级脉管制冷机结构复杂且效率低下。

4 四级斯特林型制冷机

2006年，LMATC针对“ACTDP”研制的四级脉管制冷机以满足在6 K、18 K提供制冷需求。在输入电功300 W时，以He-4为工质，各级获得的温度为：75 K、30 K、18 K、4.9 K[30]。

2007年，受美国军方HYPRES项目的支持，LM开发了1台工作温度低至4.5 K的四级斯特林型脉管制冷机[31]。在较高温区和较低温区分别采用He-4和He-3，既提高了液氦温区的制冷性能又减小了He-3的消耗。该制冷机达到3.0 K的无负荷最低温度，4.5 K时获得42 mW的制冷量，相对卡诺效率仅为0.43%。已获得液氦温区制冷温度的国外公司对国内实行技术封锁，其多级耦合方式、结构尺寸、回热填料等信息并不公开发表，从而使得国内在液氦温区制冷可借鉴的研究很少。浙江大学采用预冷型结构研究液氦温区斯特林型脉管制冷机的损失机理，采用He-4已获得4.23 K的无负荷温度。然而该预冷型液氦温区斯特林型脉管制冷机所需的预冷温度偏低，预冷量偏大，实验结果与理论设计存在较大的差异[32]。

5 并列式斯特林型制冷机

多膨胀机并列布构的斯特林型制冷机有三种：单压缩机驱动两台分置的斯特林脉管膨胀机、单压缩机驱动两台分置的斯特林膨胀机、单压缩机驱动两台分置单级脉管膨胀机+斯特林膨胀机。

5.1 单压缩机驱动两台分置单级脉管膨胀机

2013年上海理工大学和上海技术物理研究设计了1台线性压缩机驱动两台同轴型脉管冷指的实验方案并搭建了试验台，如图5所示，与单直线压缩机驱动单台脉管冷指相比较，藕合后的制冷性能有所下降。当压缩机输入功为217 W时，两台脉管冷指能够在不同的温位同时获得1.79 W@60 K和1.384 W@60 K的制冷量[33]。其优点是制冷机可以对不同冷却目标在同温位下提供冷量，其难点在于两个脉管制冷机的耦合与相位调节。

图5 单直线压缩机驱动两台脉管冷指系统图Fig.5 The refrigerating system of driving two pulse tube refrigeratorsw ith single linear compressor

5.2 单压缩机驱动两台分置式单级斯特林膨胀机

多缸膨胀机指的是1台压缩机驱动并联的多个膨胀气缸在相同温位制冷的制冷机，菲利浦4缸空气液化器是多缸膨胀机制冷应用的一个典型实例，是一种具有4个并联膨胀气缸的整体式斯特林制冷机。2016年兰州空间技术物理研究所，创新的采用单压缩机驱动两台分置式单级斯特林膨胀机，如图6所示，在充气压力为3.5 MPa，压缩机运行频率47 Hz，在输入电功220 W的功率下，分别达到1.4 W@95 K和7.83 W@150 K的制冷量。距离设定的目标还有很大差距，实验还在进一步的调试[34]。这种制冷机的优点是可以实现不同温位的制冷，增加了集成度；缺点是两个膨胀机与压缩机的耦合及两膨胀机之间的相位耦合比较困难。尽管这种集成结构的制冷机没有足够的理论基础支撑，但是实验结果表明，并联式多膨胀机斯特林制冷机具有很强的实用价值，并为制冷机集成方式提供新的参考思路，以后甚至可能实现“一拖多”的新型集成结构的斯特林制冷机。

图6 单直线压缩机驱动两台分置单级斯特林膨胀机Fig.6 The refrigeratorw ith single linear compressor driving two stirling expanders

5.3 单压缩机驱动两台分置单级脉管膨胀机+斯特林膨胀机

应用在NASA GOE上的新一代基线成像仪（Adavanced Baseline Imager）使用冷态探测器，在焦平面上使用两级分置式低温制冷机，由Northrop Grumman研制。制冷机要分别冷却中波和长波红外焦平面到60 K、可见光和近红外焦平面到200 K，低温制冷机采用该公司标准高效高功率密度压缩机，分别驱动55 K斯特林膨胀机和183 K脉管膨胀机。制冷机如图7所示，该制冷机在2007年9月发射。优点是能够实现同时在不同温区的制冷，缺点也是两个膨胀机的相位调节比较困难。

图7 单压缩机驱动两台分置脉管膨胀机+斯特林膨胀机Fig.7 The refrigeratorw ith one compressor driving two separated stirling expanderand pulse tubeexpander

6 斯特林型制冷机的发展趋势

（1）研究重点由斯特林制冷机向斯特林型脉型管制冷机转移。与传统斯特林制冷机相比，脉管制冷机由于在制冷端没有运动部件，从而消除了滑动摩擦、机械振动、间隙密封等问题，具有振动小、寿命长等优势，因而在各个制冷领域中引起高度重视；

（2）单级向多级和多缸的集成式发展。随着空间探测任务多元化的发展，要求空间低温系统同时能够满足多载荷多温区不同冷量的需求，空间低温系统要求集成化、总线化，包括制冷机本体的集成和控制器的集成等。多级和多缸制冷机将降低空间低温系统的体积、质量和复杂性，提高制冷效率，进而增加系统的可靠性；

（3）向微型和大型发展的同时增加制冷量。斯特林制冷机的应用领域在不断拓宽，制冷机的体型也在向大型和小型两个方面发展，以满足不同场合的需求。同时对制冷机冷量的需求也不断增大，大冷量制冷机被广泛需求；

（4）质量向小质量的发展。空间应用要求低温制冷机在满足性能要求的前提下，质量要足够的轻，以减轻空间运载载荷；

（5）发展无磨损的更为稳定可靠驱动方式。斯特林型制冷机发展了多种驱动方式，其中以曲柄连杆、动圈式电机驱动、动磁式电机驱动、气动为代表。其目的在于发展更为高效稳定的驱动方式，从而提高制冷机的效率、使用寿命和可靠性。

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THEDEVELOPMENTOFSTIRLING TYPECRYOCOOLERW ITH MULTIPLE EXPANDERSREFRIGERATINGW ITH INTEGRATED STUCTURE

LIYong，LUO Xin-kui，ZHANGAn，FAN Chao，FENG 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，陕西商洛人，硕士研究生，主要从事空间制冷技术研究。E-mail：443434529@qq.com。