燕窝 亚硝酸盐
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)12-0730-04
The Development of Low-Power Stirling Cryocooler
HU 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。斯特林制冷机具有高效率、快速制冷、小尺寸、重量轻、低功耗和高可靠性的优点，因此微型斯特林制冷机被广泛地应用于红外探测器和高温超导领域。目前由线性压缩机驱动的分置式斯特林制冷机已经可以达到几万小时的寿命。同时随着超导技术的发展，对一些高性能的制冷机提出了要求。在新的时代里传统的气体低温制冷机已经不能满足需求，许多工程师开发出了新的制冷机。磁斯特林制冷机就是一个具有高效率
、高可靠性和无污染优点的新型制冷机，并且制冷温度可以低于1K。这些优点使得磁斯特林制冷机吸引了许多工程师。
斯特林制冷机是逆向斯特林循环工作的制冷机，收稿日期：2006-08-25
作者简介：胡白楠（1949－），高级工程师，从事红外技术跟踪。斯特林循环是由O．R．Stirling于1816年提出的[1]，由两个等温过程和两个等容回热过程组成，最初用于热力发动机。19世纪60年代A．Kirk利用逆向斯特林循环进行制冷，获得成功。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年代它才得到大力发展。斯特林制冷机包括一个压缩机和一个膨胀机，两部分通过一个分置管来连接。斯特林制冷机的热力过程是变质量过程，而且每一个工质微团在每一次循环中所经历的循环过程并非完全相同，因此对斯特林制冷机的研究，国外的重点是在整机的研制上，理论研究是作为产品开发过程中的辅助手段，但两者是相互结合的。 pet打包带生产线
1 小型低温制冷机的研究进展
在过去40年里，低温制冷机的应用和发展保持着稳定的增长速度。在早期低温制冷机的应用主要限于低温泵和红外探测中，在低温泵和核磁共振仪中主要使用的G-M制冷机，而红外探测器更多的是使用
真空注型机730
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斯特林制冷机。在低温制冷领域一个最大的技术进步是磁性物质在二级低温制冷机回热器应用，使得在4K 低温时也能获得1W 的制冷量。1963年发明的脉管制冷机是一种新型制冷机[2]，它由压缩机（压力波发生器）、回热器和脉管等几部分组成。其核心元件脉管单元是一根两端装有换热器的绝热管道，通过进出脉管的气体周期性压缩和膨胀，在脉管冷端获取制冷量。1967年0iBrord 采用无阀压缩机驱动单级脉管制冷机获得165 K 的低温，同年Longsworth 采用有阀压缩机获得124 K 的最低制冷温度。脉管制冷机完全消除了冷端的运动部件，不存在密封材料的磨损现象，比常规的回热式制冷机具有更高的可靠性、更小的振动，使得彻底解决回热式低温制冷机可靠性差的问题成为可能。在随后一段时间里小型低温制冷机的发展主要是对价格、尺寸、可靠性进行了改进。高可靠性和长寿命的低温制冷机最初是在空间技术中应用，最近一段时间在高温超导中也开始使用高可靠性和长寿命的低温制冷机。在高可靠性和长寿命技术上最大的技术改进是间隙密封和柔性支撑技术，这种技术使得商业制冷机从半年的寿命提高到5年，但采用这种技术的成本较高，如何降低它的成本是制冷机生产厂家需要面对的另一个挑战。最近制冷机的生产厂家开始关注制冷机的尺寸，一些对小尺寸和小冷量制冷机的需求使制冷机的生产厂家不得不采用更先进的技术来减小制冷机的尺寸。表1给出了目前世界上主要的制冷机生产厂家[3]。
2 微型斯特林制冷机的发展
为满足航天、军事技术对小型低温制冷机的迫切需求，发达国家投入了大量资源进行制冷机的研制。由于牛津型斯特林制冷机在性能上的重大突破，满足了可靠性要求，因此在20世纪80年代初，各国纷纷选择斯特林制冷机作为研制的重点。经过近20年的努力，微型斯特林制冷机的性能得到了进一步提高，制冷温度可满足低温超导的需求，结构从整体式发展到分置式，同时发展了电磁、气动等多种驱动方式，寿命达到了5至10年。下面对国外主要研制单位研制斯特林制冷机所采取的研制路线、关键技术、最新成果进行简单的介绍。 2.1 Thales Cryogenics [4]
Thales 公司有着超过30年和65000台的小型低温制冷机生产经验，目前是世界上较权威的低温制冷机生产厂家。其产品覆盖了比较宽的制冷机范围，包括旋转式整体集成低温制冷机、线性对置低温制冷机和快速制冷节流制冷器。这些制冷机在较低和较高的环境温度条件也有很高的可靠性和制冷能力。随着对设计和生产技术的革新，在微型斯特林制冷机和脉管制冷机领域Thales 公司已经成为引导者。
Thales 公司对分置式斯特林制冷机设计，压缩机和冷指已被作为标准组件设计。这种标准组件概念使得使用同一种压缩机可以和一系列的冷指相配得到一系列冷量的制冷机，同样可以使用同一种杜瓦和冷指和一系列的压缩机相配得到一系列冷量的制冷机。表2给出了系列化分置式斯特林制冷机的型号、尺寸和制冷量。
表1 制冷机生产厂家 Table1 The company of cryocooler
公司名称
网址
公司名称
网址
Advanced Research Systems www.arscryo ILK Dresden www.ilkdresden.de AEG Infrarot-Module (AIM-IR)
www.aim-ir Litton Life Supporta www.littonls
Air Liquide www.airliquide Leybold Vacuuma www.leyboldvac.de Aisin Seiki jp
Mesoscopic Devicesa
www.raytheon CMC Electronics Cincinnati
Raytheon Infrared Operations
www.raytheon are Ricor www.ricor ch Stirling Cryogenics & Refrigeration www.stirling.nl CTI Cryogenics www.helixtechnology
Stirling Technology Company www.stirlingtech
DAIKIN Industries jp Sumitomo Heavy Industries jp Denso Corporation (Cryodevice)
jp Superconductor Technologies Inc
www.suptech
DRS Technologiesa www.drs Sunpower www.sunpower
FLIR Systems www.flir Thales Cryogenics www.thales-cryogenics
IGC Polycold Systems www.polycold
TRWa
732表2 Thales 分置式斯特林制冷机 Table2 The split Stirling cryocooler of Thales Corp
表3 RICOR 公司斯特林制冷机 Table3 The Stirling cryocooler of RICOR Corp
2.2 RICOR 公司[5]
成立于1967年的RICOR 公司在制冷机研制和生产有着很高的水平，RICOR 公司开发了很宽的低温制冷机产品，其制冷机产品应用领域包括红外探测器、真空低温泵和高温超导设备中。目前RICOR 公司的小型低温制冷机年产量达到5500。自1997年以来RICOR 开发的小型低温制冷机包括斯特林制冷机、G-M 制冷机和脉管制冷机。表3给了RICOR 公司的斯特林制冷机产品。 2.3 Hymatic 公司[6]
Hymatic 公司成立于1937年，在国防和航空的流体控制技术上Hymatic 一直保持着领先的地步。对红外技术使用的节流制冷器Hymatic 公司已有超过50年的生产的经验。最近Hymatic 公司开发的长寿命斯特林制冷机已经成功地应用于工业、商业和空间环境中。1989年，Hymatic 公司开始与牛津大学进行密切合作，研制微型斯特林制冷机，Hymatic 公司在牛津型斯特林制冷机线性电机驱动、间隙动密封、板簧支撑等技术的基础上，着重进行了加工与装配工艺的探索：精心选择低放气率材料；充气前，
整机在接近真空、温度达100℃的环境下烘烤去气；在洁净间进行装配。Hymatic 制冷机有三道静态压力密封，采用电子束焊接；充气后的最后一道密封采用金属一金属冷压焊，证实在600bar 的压力下仍有长时间的可靠性；
制冷机漏率小于0.4×10－甲醇控制器
10mbar 。
Hymatic 现在是Honeywell 空间系统公司的一个部分，同时也是该公司的低温研究中心。目前，Hymatic 公司已经成功开发了200mW 、500mW 、5w 制冷量的三个系列斯特林制冷机，多次被应用于航天项目中。制冷机效率均超过4%，寿命测试超过25000 h 。 2.4 BAE 系统公司[7]
BAE 系统公司在空间应用和国防领域在国际上都是一家领先的公司。BAE 研究、设计、生产小型低温制冷机，在低温技术领域BAE 一直是一个先锋。表4是BAE 系统公司的部分斯特林制冷机产品。
综观近20年来微型斯特林制冷机的发展，国外研制单位所采用的关键技术主要有[8]：(1)无磨损技术。牛津型制冷机的板弹簧支撑加间隙密封技术被广
型号 重量/kg 输入功率/W MTTF 制冷量/W K532 1.1 45 ＞5000 hours 0.6 K533 7.2 200 ＞25000 hours 5 K539 1.2 90 ＞5000 hours 1 K508 0.45 17 ＞8000 Hours 0.22 K548 0.6 40 ＞8000 Hours 0.
55 K560 0.27 14 ＞5000
Hours 0.17
733
泛采用；气体轴承技术在Sunpower 公司获得了巨大成功；日立公司仍在进行电磁轴承技术的研究。(2)减振技术。采用双对置活塞压缩机或者使用主动平衡器与被动平衡器。(3)直线电机技术。目前广泛
采用的是动圈技术，但动铁技术可使电机线圈与工作气体隔离，避免污染，因此得到了愈来愈多的关注，而且已有成功的应用。(4)密封技术。电子束焊接与激光焊接密封技术逐渐成为静态密封的主流，而动密封主要采用间隙密封。(5)杜瓦集成技术。制冷机的冷指与杜瓦的连接采用集成一体式结构，消除冷量在传递过程中的损失。
表4 BAE 系统公司斯特林制冷机 Table 4 The Stirling cryocooler of BAE System 型号 B512C B602C B1000E 制冷量/ mW
212 350 3750 最大输入功率/W
20 35 60 冷指温度/K
78 78 145 环境温度/℃ 30 40 40 充气压力/ bar
44.8 31 31 活塞面积(任意单位)
1 1.4 5.3 3 国内微型斯特林制冷机的发展
二维液相谱
我国斯特林制冷机的研制也开展了多年的工作，积累了大量的技术和经验，但由于基础工业和工艺水平的限制，我国的微型斯特林制冷机的研制水平一直落后于发达国家。满足长寿命、轻质量、低功耗
等性能指标的制冷机还不成熟。各研制单位虽各有自己的特长与优势，但总体上的研制水平并不高[9]。
昆明物理研究所从上个世纪80年代开始研制微型斯特林制冷机，目前该所研制的微型斯特林制冷机在国内处于领先水平。2004年6月该所通过鉴定的SCI05H 和SCI03R 二个微型斯特林制冷机的MTTF 分别达到了4000小时和2500小时。目前该所研制的微型斯特林制冷机就已经形成系列化、多种机型的产品。其斯特林制冷机产品见表5。
表5 昆明物理研究所斯特林制冷机 Table5 The Stirling cryocooler of KIP 类型
型号
制冷量/W
分置式 SC05R 0.5 整体集成式 SCI05R 0.5 整体集成式 SCI03R 0.3 分置集成式 SCI05H 0.5 分置集成式 SCI10H
1.0 中国电子科技集团第十六研究所是专业从事低温研究的研究所，在小型制冷机研发和生产领域享有30年的历史和经验，研制的斯特林制冷机曾获部级科技进步一等奖、三等奖多次。其主要的微型斯特林制
冷机有SZX500、SZX300整体集成式微型斯特林制冷机，SFZ1000、SFZ500/01、SFZ1500分置式斯特林制冷机。
车载散热器
上海技术物理所从1986年开始在“863“计划的支持下开展牛津型分置式斯特林制冷机的研制[10]。在1995年研制成功我国第一台航天用分置式斯特林制冷机，单压缩机驱动，最低制冷温度42 K ，在80 K 可提供1 W 冷量，功耗小于40 W ，质量4.2 kg ，双机对置工作以减小振动。在“九五”期间，上海技术物理所又研制成功了77 K ／0.5 W 的星载斯特林制冷机样机，并已攻克了多项关键技术，其输入功率22W ，
质量4.3 kg ，不维修工作寿命已达到20000多小时。“十五”期间，上海技物所为了解决制冷机的振动，
已研制成功了对置式制冷机驱动的小型轻量化斯特林制冷机。“十五”期间，兰州物理研究所又研制成
功了0.25 W ／80 K 小型斯特林制冷机工程样机，功耗20 W ，质量1.69 kg ，寿命可达18000 h 。
4
小结
微型斯特林制冷机的发展动力主要有两个，一是市场的需求及对其性能的高要求，二是各研制单位间
的激烈竞争。这促使各研制单位进一步发展与提高微型斯特林制冷机的研制水平。未来的制冷机主要是进一步提高制冷机的制冷量和效率，同时与脉管冷指的耦合将是研究的另一热点。
而对于我国的斯特林制冷机则应从国外进口先进的制冷机进行解剖与仿制同时也需要坚实的实践基础，以自己的探索和钻研为后劲，否则只能永远落后于先进水平，形不成自己的竞争力，也无法满足将来巨大的国内市场需求。
参考文献：
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35: l ～18
[2] jpck.zju.edu/crs/gcrlx/courseware/course/engin/three1.htm [EB/OL]. [3] H.J.M. ter Brake, G.F.M. Wiegerinck. Low-power cryocooler survey[J].
Cryogenics . 2002, 42: 705～718.
[4] www.thales-cryogenics/[EB/OL]. [5] www.ricor/[EB/OL]. [6] uk/[EB/OL].
[7] www.baesystems/[EB/OL].
[8] 陈永生. 微型斯特林制冷机的研究进展[J]. 红外. 2002, 8: 11～19.
[9] 王三煜. 制冷器在导弹系统中的应用[J]. 红外技术. 2005, 27(5): 399～
402.
[10] 朱建炳, 潘雁频. 星载斯特林制冷技术研究进展[J]. 真空与低温.
2005, 11: 131～138.
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