回热式低温制冷研究进展

王慧敏 张耀文 杨卫彤 姬斌斌

【摘  要】随着科学技术的进步与发展，低温技术得到了广泛的应用，并渗透到众多领域之中。其中最具有代表性的低温制冷技术是回热式制冷，回热式制冷主要包括3种结构形式：脉冲管制冷机、G-M制冷机和斯特林制冷机，虽然G-M制冷机和斯特林制冷结构技术比较成熟，但是具有明显的不足，尤其是效率和寿命方面，相对而言脉冲管制冷机具有较高的效率和可靠性特点，因此得到全面的发展。本文主要研究回热式低温制冷发展趋势，首先分析传统回热式制冷剂的发展，然后分析回热式制冷的发展趋势，最后分析当下需要解决的几个专业问题。

【关键词】回热式;低温;制冷机;热声学

由于低温的广泛应用，促使低温制冷机得到了进一步发展，不同类型的低温制冷机有不同的分类，按照换热器可以分为回热式制冷机和间壁换热式制冷机。回热式制冷机的换热器结构为回热式，主要包括G-M制冷机、脉冲管制冷机和斯特林制冷机，如果按照驱动方式分类，回热式制冷机分为埃里克森型和斯特林型。间壁换热式制冷机的换热器结构为间壁结构，根据结构形式分为布莱顿循环制冷机、J-T节流制冷机。从低温技术的应用来看，回热式制冷的应用更加丰富和广泛，且是低温制冷机中最重要的部分，因此得到广泛的重视。

一、传统回热式制冷机的发展

（一）斯特林制冷

斯特林制冷机是由2个等温膨胀和压缩过程与2个等容回热过程形成的一种闭式热力学循环，并把该循环用于制冷。斯特林制冷机是最早应用于空间制冷的主动式制冷机，其最大的特点是在于结构比较紧凑、效率高、没有流动损失，而在空间中的应用对寿命提出了更高的要求，因此斯特林制冷机的主要发展趋势就是根据如何有效提供其运行寿命[1]。

传统的斯特林制冷机，不仅噪音大、振动明显，还很容易导致运动部件的寿命受到限制，基本上使用1年，早期的结构主要以整体式为主，旋转电机通过曲柄连杆机构驱动排出器和压缩机。随后使用自由活塞斯特林结构，使用气动传动的排出器，接着使用摆线悬臂梁型板状弹簧支撑技术，从而实现了间隙密封技术，并大大提供了斯特林制冷机的寿命和可靠性，在1991年成功应用到高层大气研究卫星ISAMS，因此板状弹簧支撑技术得到了广泛的应用，寿命也达到了105h以上。但是斯特林制冷机的膨胀活塞在低温下应用受到了限制，所以研究重点逐渐转移到脉冲管制冷机上。

（二）G-M制冷机

G-M制冷机主要是利用回热器的蓄热功能，实现控制制冷机内的压力，并控制工作气体在回热器的运动顺序，这样就可以连续实现制冷的效果。在早期主要是使用普通制冷用的标准压缩机，且成本低，随后开始使用低温泵来冷却真空系统的木炭。随着半导体的发展促使G-M制冷机得到了全面发展，并大大减低了成本，提高了可靠性[2]。在上世纪末期，利用4-20K温区高热熔稀土材料可以应用在G-M制冷机中，同时也可以作为MRI设备的冷却系统。由于工作频率较低，所以很容易减少回热器的换热和阻力的损失，还能获得更低的温度，在低温区域内比较适用。G-M制冷机的应用主要是在商业产品上，例如超导输电项目中。

（三）脉冲管制冷机

斯特林制冷机遇脉冲管制冷机最大的不同在于排出器被惹缓冲管所替代，并使用气体的流动性来调整回热器内的声场。脉冲管制冷机的回热器性能受到相位影响，从而出现不同大小的脉冲管制冷机，因此脉冲管制冷机经历了四个重要的发展阶段，包括基本型、小孔型、双向进气性和惯性管型。

二、回热式制冷的发展趋势

（一）向普冷区发展

随着环保和安全的意识不断提高，传统的蒸汽压缩是制冷机逐渐被否决，也进一步推动了回热式的发展。在本世纪初期，出现同轴行波热声制冷机，可在-24.6℃的环境下有效获得120W的制冷量。随后几年我国研制出一种利用热驱动双行波环路室温热声制冷机，同样的低温环境可以获得更多的制冷量[3]。在2013年研究出一种利用自由活塞斯特林制冷柜产品，最大的优势在于节能。另外把斯特林制冷技术用于室温热泵中，由于工作效率较低，所以应用价值较低。

（二）向超低温区发展

目前应用最广泛的制冷温区在4-20K，主要制冷机包括G-M型的脉管制冷机和G-M制冷机，且都是使用氦气压缩机和旋转阀产生压力波，但是效率较低，所以在20K以下温区脉冲管制冷机的研究和应用价值特别低，很少研究脉冲管制冷机。主要研究斯特林制冷机。在进20年内分别研究出液氢温度的脉冲管制冷机、多路旁通方式的脉冲管制冷机。浙江大学通过使用三级脉冲管制冷机结构，获得了最多量的温度[4]。目前脉冲管制冷机向深低温区发展和研究，主要是如何在小功流情况提高调相能力。

（三）向大制冷量发展

随着超导技术的发展和應用，在低温环境作业时，对制冷机提出了更高的要求，不仅需要具备较高的效率，同时还需要具备较长的使用寿命。那么在这种情况下只有脉冲管制冷机能够满足，强电超导设备对制冷机的要求是制冷量必须要在100-1000W量级之间，所以回热式制冷机成为当下研究的主要重点[5]。增大脉冲管制冷机功率时，就会导致回热器呈现出扁平状，这样会大大降低制冷机的效率。另外回热器内流动与温度分布不均，也会大大降低制冷功率。所以当下脉冲制冷的功率最大难题就是流动与温度分布不均。

三、需要深入研究的问题

从热声学角度看，回热式制冷主要是依靠固体避免和声波之间的相互作用，所以回热式制冷系统就是研究换热和流动的问题，另外回热式制冷还涉及到压缩机的电声转换特征。

回热式制冷系统的效率包括压缩机的电声转换效率和冷指的声冷转换效率，虽然电声转换不在热力学研究范围内，但是在回热式制冷系统中必须要研究的一个问题，目前国内回热式制冷应用发展缓慢的主要原因是研究力量薄弱，在压缩机电声转换过程中，电磁转换需要深入研究电磁转换中的损失，同时还需要研究磁声转换环节中的问题，例如活塞漂移、机械阻尼等等。

结语

随着社会的进步与发展，对低温制冷提出了更高的要求，同时也为回热式制冷机的应用与发展提供了机遇和挑战。要想促进回热式低温制冷机的发展，必须要使用科学的制冷理论作为指导，这样才能不断提高回热式制冷机的性能和应用范围，从而为社会的进步与发展奠定基础。

参考文献：

[1]胡剑英，罗二仓.回热式低温制冷研究进展[J].科技导报，2015，33（2）：99-107.

[2]阚安康，吴亦农，张安阔，等.回热式低温制冷装置回热器填料结构概述[J].低温与超导，2016，44（11）：28-34，74.

[3]徐冉冉，刘红敏.回热式制冷循环的热力学分析[J].制冷，2016，37（3）：84-88.

[4]李晓永，全加，刘彦杰，等.回热材料Gd2O2S在液氦温区高频脉管制冷机的实验研究[J].真空与低温，2017，23（3）：158-162.

（作者单位：兰州理工大学）