回熱式低溫制冷研究進展

王慧敏 張耀文 楊衛彤 姬斌斌

【摘 ?要】隨著科學技術的進步與發展，低溫技術得到了廣泛的應用，并滲透到眾多領域之中。其中最具有代表性的低溫制冷技術是回熱式制冷，回熱式制冷主要包括3種結構形式：脈沖管制冷機、G-M制冷機和斯特林制冷機，雖然G-M制冷機和斯特林制冷結構技術比較成熟，但是具有明顯的不足，尤其是效率和壽命方面，相對而言脈沖管制冷機具有較高的效率和可靠性特點，因此得到全面的發展。本文主要研究回熱式低溫制冷發展趨勢，首先分析傳統回熱式制冷劑的發展，然后分析回熱式制冷的發展趨勢，最后分析當下需要解決的幾個專業問題。

【關鍵詞】回熱式;低溫;制冷機;熱聲學

由于低溫的廣泛應用，促使低溫制冷機得到了進一步發展，不同類型的低溫制冷機有不同的分類，按照換熱器可以分為回熱式制冷機和間壁換熱式制冷機。回熱式制冷機的換熱器結構為回熱式，主要包括G-M制冷機、脈沖管制冷機和斯特林制冷機，如果按照驅動方式分類，回熱式制冷機分為埃里克森型和斯特林型。間壁換熱式制冷機的換熱器結構為間壁結構，根據結構形式分為布萊頓循環制冷機、J-T節流制冷機。從低溫技術的應用來看，回熱式制冷的應用更加豐富和廣泛，且是低溫制冷機中最重要的部分，因此得到廣泛的重視。

一、傳統回熱式制冷機的發展

（一）斯特林制冷

斯特林制冷機是由2個等溫膨脹和壓縮過程與2個等容回熱過程形成的一種閉式熱力學循環，并把該循環用于制冷。斯特林制冷機是最早應用于空間制冷的主動式制冷機，其最大的特點是在于結構比較緊湊、效率高、沒有流動損失，而在空間中的應用對壽命提出了更高的要求，因此斯特林制冷機的主要發展趨勢就是根據如何有效提供其運行壽命[1]。

傳統的斯特林制冷機，不僅噪音大、振動明顯，還很容易導致運動部件的壽命受到限制，基本上使用1年，早期的結構主要以整體式為主，旋轉電機通過曲柄連桿機構驅動排出器和壓縮機。隨后使用自由活塞斯特林結構，使用氣動傳動的排出器，接著使用擺線懸臂梁型板狀彈簧支撐技術，從而實現了間隙密封技術，并大大提供了斯特林制冷機的壽命和可靠性，在1991年成功應用到高層大氣研究衛星ISAMS，因此板狀彈簧支撐技術得到了廣泛的應用，壽命也達到了105h以上。但是斯特林制冷機的膨脹活塞在低溫下應用受到了限制，所以研究重點逐漸轉移到脈沖管制冷機上。

（二）G-M制冷機

G-M制冷機主要是利用回熱器的蓄熱功能，實現控制制冷機內的壓力，并控制工作氣體在回熱器的運動順序，這樣就可以連續實現制冷的效果。在早期主要是使用普通制冷用的標準壓縮機，且成本低，隨后開始使用低溫泵來冷卻真空系統的木炭。隨著半導體的發展促使G-M制冷機得到了全面發展，并大大減低了成本，提高了可靠性[2]。在上世紀末期，利用4-20K溫區高熱熔稀土材料可以應用在G-M制冷機中，同時也可以作為MRI設備的冷卻系統。由于工作頻率較低，所以很容易減少回熱器的換熱和阻力的損失，還能獲得更低的溫度，在低溫區域內比較適用。G-M制冷機的應用主要是在商業產品上，例如超導輸電項目中。

（三）脈沖管制冷機

斯特林制冷機遇脈沖管制冷機最大的不同在于排出器被惹緩沖管所替代，并使用氣體的流動性來調整回熱器內的聲場。脈沖管制冷機的回熱器性能受到相位影響，從而出現不同大小的脈沖管制冷機，因此脈沖管制冷機經歷了四個重要的發展階段，包括基本型、小孔型、雙向進氣性和慣性管型。

二、回熱式制冷的發展趨勢

（一）向普冷區發展

隨著環保和安全的意識不斷提高，傳統的蒸汽壓縮是制冷機逐漸被否決，也進一步推動了回熱式的發展。在本世紀初期，出現同軸行波熱聲制冷機，可在-24.6℃的環境下有效獲得120W的制冷量。隨后幾年我國研制出一種利用熱驅動雙行波環路室溫熱聲制冷機，同樣的低溫環境可以獲得更多的制冷量[3]。在2013年研究出一種利用自由活塞斯特林制冷柜產品，最大的優勢在于節能。另外把斯特林制冷技術用于室溫熱泵中，由于工作效率較低，所以應用價值較低。

（二）向超低溫區發展

目前應用最廣泛的制冷溫區在4-20K，主要制冷機包括G-M型的脈管制冷機和G-M制冷機，且都是使用氦氣壓縮機和旋轉閥產生壓力波，但是效率較低，所以在20K以下溫區脈沖管制冷機的研究和應用價值特別低，很少研究脈沖管制冷機。主要研究斯特林制冷機。在進20年內分別研究出液氫溫度的脈沖管制冷機、多路旁通方式的脈沖管制冷機。浙江大學通過使用三級脈沖管制冷機結構，獲得了最多量的溫度[4]。目前脈沖管制冷機向深低溫區發展和研究，主要是如何在小功流情況提高調相能力。

（三）向大制冷量發展

隨著超導技術的發展和應用，在低溫環境作業時，對制冷機提出了更高的要求，不僅需要具備較高的效率，同時還需要具備較長的使用壽命。那么在這種情況下只有脈沖管制冷機能夠滿足，強電超導設備對制冷機的要求是制冷量必須要在100-1000W量級之間，所以回熱式制冷機成為當下研究的主要重點[5]。增大脈沖管制冷機功率時，就會導致回熱器呈現出扁平狀，這樣會大大降低制冷機的效率。另外回熱器內流動與溫度分布不均，也會大大降低制冷功率。所以當下脈沖制冷的功率最大難題就是流動與溫度分布不均。

三、需要深入研究的問題

從熱聲學角度看，回熱式制冷主要是依靠固體避免和聲波之間的相互作用，所以回熱式制冷系統就是研究換熱和流動的問題，另外回熱式制冷還涉及到壓縮機的電聲轉換特征。

回熱式制冷系統的效率包括壓縮機的電聲轉換效率和冷指的聲冷轉換效率，雖然電聲轉換不在熱力學研究范圍內，但是在回熱式制冷系統中必須要研究的一個問題，目前國內回熱式制冷應用發展緩慢的主要原因是研究力量薄弱，在壓縮機電聲轉換過程中，電磁轉換需要深入研究電磁轉換中的損失，同時還需要研究磁聲轉換環節中的問題，例如活塞漂移、機械阻尼等等。

結語

隨著社會的進步與發展，對低溫制冷提出了更高的要求，同時也為回熱式制冷機的應用與發展提供了機遇和挑戰。要想促進回熱式低溫制冷機的發展，必須要使用科學的制冷理論作為指導，這樣才能不斷提高回熱式制冷機的性能和應用范圍，從而為社會的進步與發展奠定基礎。

參考文獻：

[1]胡劍英，羅二倉.回熱式低溫制冷研究進展[J].科技導報，2015，33（2）：99-107.

[2]闞安康，吳亦農，張安闊，等.回熱式低溫制冷裝置回熱器填料結構概述[J].低溫與超導，2016，44（11）：28-34，74.

[3]徐冉冉，劉紅敏.回熱式制冷循環的熱力學分析[J].制冷，2016，37（3）：84-88.

[4]李曉永，全加，劉彥杰，等.回熱材料Gd2O2S在液氦溫區高頻脈管制冷機的實驗研究[J].真空與低溫，2017，23（3）：158-162.

（作者單位：蘭州理工大學）