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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，,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
2、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,T,S,T0,Tc,Carnot,T,S,T0,Tc,Stirling,T,S,T0,Tc,Ericsson,V1,V2,P2,P1,T,S,Brayton,T,S,Joule-Thomson,dQ TdSdQ=TdS(可逆),Heat transfer,T0,T
3、c,T0,Tc,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
4、(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 Robert Stirling,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,John Hershel提出将斯特林热机循环作为制冷循环来制作冰1861年,Alexander Kirk 将它变为现实,发展历史,发展非常
5、缓慢，直到1946年荷兰的Philips Company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(0.15W/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,
6、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510年。得到了广泛的应用美国宇航局和欧洲航天局从八
7、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:650 W PV功:450 W 频率:60 Hz 长:504 mm 高:216 mm 重量:28 kg 充气压力:2MPa,美国CFIC公司,荷兰Thales公司,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 0.3-1.75W at 65-80 K,红外摄像仪
8、,制冷量0.15 W/80 K输入功:3W14%卡诺效率,Inframetric-01.jpg,与SADA（军用标准先进杜瓦）配合,超导量子干涉仪（SQUID）,高温超导滤波器件移动通讯基站,结构特点工作原理和过程研究现状和发展趋势应用实例,5、G-M制冷机,1956年,美国人Gifford和 McMahon,发明了Gifford-McMahon(G-M)制冷机。运用绝热气体放气膨胀原理(西蒙膨胀原理)获得低温 压缩机,进气阀,排气阀,回热器,换热器和膨胀机组成进排气阀由机械控制其开启和关闭,用来控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、排气阀的控制机构组合在一起，由电
9、机带动,结构特点,G-M制冷机组成,10-200W/80K,优点：高可靠、运行稳定、寿命长 商业化、中等价格25,000/年(40,000美元/台,1亿美元）缺点：重量和体积机械振动效率,优缺点,工作原理及过程,G-M制冷机工作过程,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。其工作过程主要分为四阶段，其中膨胀过程产生冷量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振幅以及它们之间的合适的相位差，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,P,V,1,a,假设：1.理想气体；2.死容积忽略不计；3.蓄冷器及换热器没有换热损失；4.不计流阻损失
10、；5.汽缸体与活塞绝热良好；6.无泄漏损失；7.进排气阀提前关闭和开启的影响不计,理想P-V图,b,c,d,这时的GM循环可视为理想循环。以冷腔为研究对象，以冷腔和换热器做为一个热力系统，稳定工况下，一个循环的理想制冷量为,实际情况,实际气体（氦）热物性变化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、换热器换热损失，纵向热漏汽缸体与活塞之间摩擦气体泄漏损失进、排气阀提前关闭和开启理想PV图的形状发生了变化，直接影响了GM制冷机PV图效率。实际制冷量远小于理想制冷量。PV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。,发展趋势,进一步提高制冷机效率和制冷量高比热磁性蓄冷填
11、料改进蓄冷器填料结构优化运行参数阀门优化控制向应用方向拓展,通常两级GM制冷机中第二级蓄冷器都用铅为填料，其体积比热在20K以下迅速降低，因此，蓄冷器效率大大降低，这就导致了GM制冷机性能恶化，制约了所能达到的最低制冷温度，当时，双级GM机最低制冷温度只有7.5K，三级GM机最低制冷温度只有6.5K 为了降低温度，从七十年代初就开始寻找20K以下高比热的蓄冷材料,蓄冷材料,1988年，T.Hashimoto等研究了Er(Ni1-xCox)2材料，发现当x0.2时，由于磁相变在20K以下有较大的比热，可以用做蓄冷材料蓄冷填料1989年，日本东芝公司和东京工业大学发展了一种新型磁性材料R3T,R代
12、表Er、Nd，T代表Ni、Co。这种材料不仅在412K有较大的比热，而且从20K到室温也有很大的比热，这个特性使其在20K以上易与铅填料相匹配80年代中后期，液氦温区高比热的磁性蓄冷材料(Er3Ni、ErNi、GdRh等)的发现，G-M制冷机得以向液氦温区发展迄今为止，GM制冷机最低制冷温度为2.09K，4.2K最大制冷量达到3W左右（12KW输入）,磁性蓄冷材料,应用实例,低温恒温器高清洁真空低温泵小型液氮机，液氦机，氦冷凝器高低温超导器件（超导MRI，SQUID磁强计）低温保存，器官移植，低温外科等,低温恒温器,高清洁真空低温泵,小型液氮机，液氦机，氦冷凝器,磁共振成像仪（MRI）,NbT
13、i磁体Nb3Sn磁体LHe浸泡第一级制冷量：40W/40K第二级制冷量：1W/4.2K,特点和工作原理研究背景和意义研究现状和问题应用实例,6、脉管制冷机,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结构简单，整机控制方便失效率低，可靠性高工作寿命长,结构特点,基本型,小孔气库型,双向进气型,基本形式,基本型（1963）Gifford,Longsworth小孔型（1984）Mikulin et al双向进气型（1990）朱绍伟等,制冷原理,斯特林型：压缩机直接与制冷机相连，两者频率相同，运行频率较高（10-70Hz)，体积较小，常用于微型和液氮温区 G-M型：通过旋转阀(或电磁阀)
14、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（0.5-4Hz），扫气体积较大，常用于极低温区（20-3K）,分类,结构形式,Icec25c.cdr,斯特林,脉管,与斯特林制冷机区别,斯特林型脉管制冷机（整体）,斯特林型脉管制冷机（分置）,G-M脉管制冷机（单级）,G-M脉管制冷机（单级）,效率比较,90K：比功耗10W/W，卡诺效率:2480K：比功耗15W/W，卡诺效率:1860K：比功耗30W/W，卡诺效率:14,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）直流现象(DC-flow or Streaming)的机理，对制冷性
15、能的影响和抑制二次环流(Acoustic Streaming)对制冷性能的和冷头方向影响Inertance tube(惯性管)，第二小孔等新型相位调节机构膨胀活塞，非对称喷嘴等回收功装置热声驱动压缩机,最新进展,科研，资源，商业，医疗等民用国防，军事，空间技术等应用,应用实例,科研，资源，商业，医疗等民用,低温恒温器高清洁真空低温泵小型液氮机，液氦机，氦冷凝器高低温超导器件（超导MRI，SQUID磁强计）低温保存，器官移植，低温外科等,低温恒温器,高清洁真空低温泵,小型液氮机，液氦机，氦冷凝器,磁共振成像仪（MRI）,NbTi磁体Nb3Sn磁体LHe浸泡第一级制冷量：40W/40K第二级制冷量
16、：1W/4.2K,液化氧和氖装置,Transport of O2 to Mars too heavyMars atmosphere 95%CO2CO2 O2 chemicallyLiquefy gaseous O22007 flight goalFunded by NASA,国防，军事，空间技术等应用,红外制导，预警军事夜视装置卫星遥感遥测红外线探测器，-射线探测仪等红外热像仪，红外光镨仪,LMAT U型脉管制冷机-对置式线性压缩机（1cc）,主要性能指标：制冷量:0.3W/65K输入功率：15W制冷器:0.45Kg电驱动:1.6kg压缩机:1.55Kg整机重量：3.6Kg寿命：10 year
17、s整机的长寿命振动测试冷热环境实验,NIST同轴脉管制冷机-对置式线性压缩机（20cc）,主要性能指标：制冷量:19W/90K输入功率：222W制冷器:4Kg电驱动:10kg压缩机:20Kg整机重量：34Kg寿命：5 years2007年发射火星上液化氧,与SADA（军用标准先进杜瓦）配合,TRW3503脉管制冷机,大气红外光谱仪（AIRS）,NASA地球观测卫星(EOS),7、热声驱动制冷机,完全无运动部件低温制冷机,主要特点,一种利用热声效应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除内部的流动工质外没有任何的运动部件，从根本上消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
18、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实际意义,发展历史,完全无运动部件的热声制冷机是重要发展方向之一热声制冷的概念(基于热声理论)是LANL的Wheatley等于80年代提出1985年海军研究院的Hofler研制出第一台电扬声器驱动的热声制冷机，获得193K低温1986年发明了板叠式(Stack)回热器的热声发动机 1990年LANL的Swift与NIST的Radebaugh合作将此热声发动机用来驱动小孔脉冲管制冷机，研制成世界上第一台无运动部件的制冷机，获得90K低温1997年Swift等研制出世界上最大的热声驱动脉冲管制冷机，谐振管长12m，用
19、于天然气液化，2kW/120K，约需要燃烧30的原料天然气来液化剩余的70的气体,第一台电扬声器驱动的热声制冷机,1985年Hofler频率:500Hz压力:10bar压比：1.06温度：193K,舰载电子热声制冷机,1995年，Garrett，频率:320Hz，压力:20bar94%He+6%Ar,419W 制冷量,热声驱动脉管制冷机,驻波型()行波型(),世界上最大的热声驱动脉管制冷机,1997年Swift驻波声场频率40Hz压力30bar2kW/120K谐振管12m约需要燃烧30的原料天然气来液化剩余的70的气体600L/天,Backhaus-Swift行波型热声环路,Backhaus-
20、Swift行波型热声环路,热转换效率:30%卡诺效率的42%频率：80Hz，压力：30bar,热声脉管制冷机研究现状,关键技术：高效率热致声发动机研究发展方向：实用化的高效行波型热声发动机研究，以推动完全无运动部件制冷机的实用化一般驻波型热声发动机转换效率为10%-15%目前大型发电厂的郎肯循环发电机的热转换效率为30-50%，内燃机（汽车发动机）的效率是25-40%1999年LANL研制的行波型热声发动机实现了30%的热转换效率，达到卡诺效率的41%2005年中科院理化所采用聚能热声谐振腔抑制非线性声波的产生和耗散，获得了1.3高压比，研制出的热声制冷机获得了68K的低温，2008年获得了2
21、0K温度,热声脉管制冷机研究现状,2009年中科院理化所开始研制采用太阳能直接驱动的热声发电系统，2010年7月研制出样机主要由太阳能高温集热聚光器、热声发动机和往复直线发电机三个单元构成，输出电功率设计峰值1kW。,限制低温制冷机广泛应用的障碍,制冷性能(制冷温度，制冷量，功耗，效率等)振动，噪声和电磁干扰(压缩机运动活塞，弹簧，水冷却循环，气体工质运动，金属部件)工作寿命和可靠性(压缩机，旋转阀等机械运动部件，密封，磨损，工质污染)体积和重量(材料，强度，冷却方式)价格(制冷器，控制电路，真空系统)操作简易程度，方便性（非专业用户）心理因素（普通人惧怕低温）,发展趋势,空间：高效低功率空间用高频微型脉管制冷机研制，工作重点是高效长寿命电磁驱动线性压缩机大功率及普冷领域发展：低温冰箱，液化天然气，煤层气，深低温：液氦温度多级制冷机流程和机理深入研究，提高制冷量和效率完全无运动部件制冷机研究：热声驱动制冷机低温光电子电路，集成电路芯片冷却用微型制冷机研制和开发其它？,
