小型气动分置式斯特林制冷机的研究现状
DEVELOPMENT OF THE SMALL PNEUMATICALLY DRIVEN SPLIT STIRLING
CRYOCOOLERS
李娜 吴亦农
中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
Tel: 021-********-31219, E-mail: julylee19840701@https://www.doczj.com/doc/aa9202697.html,
摘要：气动分置式斯特林制冷机的膨胀机活塞不用电机驱动, 使得整机重量进一步减轻, 对制冷机轻量化有重要作用。气动膨胀机的一个设计关键在于推移活塞位移与系统压力波间相位的控制。本文分析了气动分置式斯特林制冷机的相位特点，介绍了国内外常见的几种气动分置式斯特林制冷机气动膨胀机的相位控制方法以及国内外研究进展。 关键词：气动膨胀机 相位 阻尼
0 前言
小型低温制冷机具有广泛的用途,并且随着制冷机性能的提高,其应用领域不断拓展。其中,最早的应用大约在50 年前,为军用夜视系统中的红外探测器冷却,温度在80 K 左右。自从二十世纪八十年代以来，红外技术得到了迅速发展和广泛应用，红外系统对低温制冷机有严格的重量、体积和功耗限制。近年来，气动型斯特林制冷机的可靠性、寿命、振动噪声等性能指标均得到提高,相比双驱动型斯特林制冷机, 气动型斯特林制冷机的膨胀机活塞不用电机驱动, 这样整个制冷机只有压缩机一个电机, 可以使整机重量进一步降低, 在红外技术和超导电子学等领域具有诱人的应用前景, 其研究工作一直是低温领域的一个热点。
1 气动分置式斯特林制冷机的一般分析
气动分置式斯特林制冷机膨胀机没有电机驱动，推移活塞在气动力的作用下往复运动，为了达到制冷的目的，推移活塞位移与系统压力波动间需要存在一定的相位，如图1所示：
根据热力学第一定律，制冷机的冷量为：
∫?=?=dV P f W Q e （1）
其中，f 为系统运行频率，e P 为膨胀腔压力波，
V 为膨胀腔容积。[1]
以膨胀腔压力波cos()e ch e P P P t ω=+Δ （2）
为基准有：
002cos()d d V V Ax V AX t ωφ=+=++ （3）
将（2）、（3）式代入（1）式，可以得到
2sin e d Q f P A X πφ=Δ
（4）
式中：e P Δ——膨胀腔压力波动幅值；
A ——推移活塞截面积； d X ——推移活塞振幅。
若使膨胀腔产生制冷效应即从外界吸收热量，则Q 应大于0，故2sin φ>0,因此2φ的取值范围应该是(0,)π，且当2/2φπ=时，即推移活塞位移超前
膨胀腔压力波动相位/2π时，制冷量最大。
[2]
图1 分置式斯特林制冷机相位分析图
因此，相位控制是膨胀机设计的关键之一。由推移活塞运动方程： ...
()d d d m x c x kx F t ++= （5） 可见膨胀机的相位调节主要靠弹簧刚度和阻尼。以下详细介绍目前国际上常见的几种气动分置
式斯特林制冷机的膨胀机的相位控制方法。[5]
2 气动膨胀机的相位控制方法
2.1 传统气动型
传统气动型分置式斯特林制冷机的结构及推移活塞受力见图2所示。这种气动膨胀机有一个背压腔1，活塞的气动力由背压腔压力1P 和系统压力c P 、e P 提供。它没有弹簧组件，仅仅依靠气动调节腔与室温腔2间的间隙密封产生的气体粘性摩擦阻尼来调节相位。图中d A 为蓄冷器截面积，rod A 为
驱动杆截面积。
[3]
以压缩活塞位移cos()p p x X t ω=为基准，系统压力波可表示为：
1cos()c e ch P P P P t ωφ==+Δ+ （6） 推移活塞的运动方程为： ...
()d d m x c x F t += （7） 1()()()e c rod rod F t P A P A A P t A ωφ=??=Δ+ （8）
图2 传统气动型分置式斯特林制冷机结构及推移活塞受力简图
气动调节腔与室温腔间的这道密封既起密封气体的作用，又起为排出器振子运动提供阻尼的作用，同时该结构制冷机中驱动杆直径对膨胀机的气动性能有直接影响。这样导致这道密封的设计、制作难度很大，并且更换气体驱动杆不便、成本高，这是此种气动膨胀机的一大缺点。 2.2 狭缝调相型
狭缝调相型式分置式斯特林制冷机结构及推移活塞受力见图3所示。这种气动膨胀机在传统型的基础上增加了圆柱弹簧组件，相位的控制不仅仅依靠摩擦阻尼，同时依赖于弹簧刚度。活塞的气动
力由气动调节腔的两子腔体的压力1P 、2P 与系统压力c P 、e P 提供，s A 为调节件截面积。
压力波同样有：
1cos()c e ch P P P P t ωφ==+Δ+ 推移活塞的运动方程为： ...
()d d d m x c x kx F t ++=
21()()()e d c d rod s rod s F t p A p A A p A A p A =??+?? 21()c rod s rod s P A P A A P A =+?? （9）
图 3 狭缝调相式气动型分置式斯特林制冷机结构及推移活塞受力图
气体流经背压腔内固定于驱动杆顶部的相位调节件与汽缸之间的狭缝间隙时受到的粘性摩擦，通过更换不同的相位调节件，可以产生不同的狭缝
间隙，从而得到不同大小的阻尼，调节相位大小。
另外，改变弹簧刚度也可以改变相位大小。[2]
此气动调相方式是我所陈永生创新提出的，图4为狭缝
调相式背压腔结构图。
[3]
图4 狭缝调相式气动腔结构
这种气动调节方法通过弹簧与阻尼的双重调节，能够更好地维持制冷效应所需的合适相位，并且解决了传统气动型气体驱动杆更换不便的问题，但是这种结构也有其缺点:气动腔内压力波提供的不仅有阻尼力，还有一部分弹性力；并且调节机构提供的阻尼系数随着降温的过程是不断增大的，而不是一个常数；另外，采用圆柱弹簧支撑对保持活塞的轴向垂直度有不可避免的影响，从而影响间隙动密封的保证与制冷机的寿命。
2.3 磁性阻尼调相式
以色列RICOR公司采用磁性阻尼提供相位调节所需的阻尼力，具体是利用导体在磁场中往复运动产生的涡流效应来提供阻尼力。这种结构是在图5（a）所示的类似狭缝调相式气动膨胀机的基础上提出的。[6]
如图5（a）所示，膨胀机推移活塞3在柱弹簧9和气动腔5、6中压力波动的作用力下运动，推移活塞与一个固体件4相连，固体件4将气动腔分为5、6 两个腔体。气流由连接管10经过蓄冷器 7进入膨胀腔8，当8中气体压力超过气动腔作用压力，排出器和与其相连的固体件4一起向上运动，使得气动腔5中气体经过狭缝11流向气动腔6，在这个过程中产生粘性阻尼。这个粘性阻尼越大，气动力与推移活塞位移之间的相位差越大，因此可以将固体件4做成如图5（b）所示的杯形，可以得到更大的粘性阻尼，从而增大气动力与推移活塞位移之间的相位差。
图5 磁性阻尼调相式气动膨胀机结构图
在上述气动调相方案的基础上，RICOR公司进
行了进一步的改进设计，在汽缸2上安装两个永磁体13、14，杯形固体件4用导电率很高的材料制作，导体4在永磁体13和14产生的磁场范围内运动，这样就造成了经过导体4的磁通量的变化，在其中产生感应电流。由于电涡流的产生，对排出器和杯形固体件的运动产生相应的阻碍，得到不同大小的磁性阻尼。
弹簧与磁性阻尼的双重调节，能够更好地维持制冷效应所需的合适相位，可以有效消除单纯狭缝调相中气体弹性力和温度变化带来的阻尼系数变化的影响，从而更加准确地调节相位差。但是磁性阻尼形式使膨胀机结构复杂化，增加了系统的体积与重量，限制了其微型化的发展。
2.4 无背压腔式
以法国Thales公司为代表，其结构及推移活塞受力简图见图6。这种气动膨胀机没有传统的背压腔，其推移活塞的驱动力是膨胀腔与室温腔的压差也即蓄冷器的压降，前面所述各种类型的气动膨胀机中，我们都忽略蓄冷器的压降，认为
e
P等于
c
P，在这种气动膨胀机中，这一压降是不可忽略的。推
移活塞的运动方程为：
...
()
d d d
m x c x kx F t
++=
()
e d c d d
F t P A P A PA
=?=Δ（9）
图6 无气动腔型气动型分置式斯特林制冷机结构及推
移活塞受力图
经研究发现，此结构的气动膨胀机，其相位调节与蓄冷器的水利特性和柱弹簧刚度有关，因此弹簧和蓄冷器的设计是此类型气动膨胀机相位控制的关键。
由于没有传统的气动调节腔，这种膨胀机的组
件较少，结构更加紧凑，更加有利于制冷机轻量化要求。
3 国内外研究进展
表1、2为国内外小型气动分置式斯特林制冷机研制情况。
表1 国外气动分置式斯特林制冷机研制情况[4] [7] [8] [9]
研制单位 型号
制冷能
力
（W/K）
功耗
（W）
重量
（Kg）
冷指
尺寸
（mm）SL035 0.5/80 32 8.25 SL100 0.5/80 32
SL150/
200
0.7/80 35
AIM 德
SL400 2.5/80 70 <3.5
13.7
STI 美 —— 6/77 100 3.4 —— SHI 日 —— 6/70 150
UP 70×× 0.4～
1.45/8
25～50
1.3～
1.7
5～10
LSF 91×× 0.55～
2.8/80
40～100
2.3～
2.4
5～13
LSF 9320 5.6/80 150 6.5 20
THALES 法
LSF 95×× 0.55～
2.8/80
40～100 1.7 5～13
表2 国内气动分置式斯特林制冷机研制情况[2] [3]
研制 单位 制冷量
（W/K）
输入功率
（W）
重量
（Kg） 1.75/80 100 2.3
电子部16
所 1.1/80 36 1.3
兵总211所 0.5/80 35 1
0.6/80 27 2.5
上海技物
所 1/80 40 2.5
4 总结
气动分置式斯特林制冷机是制冷机微型化的一个热点，其研究的关键在于气动膨胀机的设计，为了达到较好的制冷效果，需要控制推移活塞位移应该超前膨胀腔压力波动相位/2
π。国际上现有的几种气动斯特林制冷机的相位的控制都是依靠弹簧刚度和阻尼调节实现的。本文提到了几种类型的阻尼调节方法，可以总结为：摩擦阻尼、磁性阻尼、水利阻尼三种。
我国目前对气动膨胀机的研究已有了长足的进步，但与国外还有一定差距。在引进国外重要部件、材料、工艺、实验方法和设备的基础上，仍然需要大胆的创新和探索，形成自己的特色。
参 考 文 献
1边绍雄 等，小型低温制冷机，北京：机械工业出版社，1983
2陈永生，新型空间斯特林制冷机气动膨胀机研究，硕士论文，上海：上海技术物理研究所，2003
3张存泉，分置式斯特林制冷机气动特性与调相机制的理论研究与实验验证，博士论文，上海：上海交通大
学，2003。
4王永，大冷量分置式斯特林制冷机，上海技术物理研究所，《红外月刊》，2005.8
5 B.J.Huang, Y.P.Yang.F.M.Chen,A system dynamics
model of split-type Stirling refrigerator, Cryogenics 36(1996)513-516
6Nachman Pundak, Kibbutz Eyn Charod; Shmuel Shtrikman,Rechovot,Passive automatic phase delay control of the displacer motion in pneumatically driven split cycle type cryocoolers, US Patent, Patent number:4,514,987,May7,1985
7Th.Wiedmann, G.Schellenberger, C.Rosenhagen, J.petrie,Cryocooler for HTsc and IR Applications,Cryoeletrics_may2003 AMI
8J.C.Mullié, P.C.Bruins, T.Benschop, M.Meijers, Development of the LSF 95xx 2nd generation flexure bearing coolers, Thales Published Papers,SPIE,2005
9Tonny Benschop,Jeroen Mullié,Peter Bruins,Jean Yves Martin, Development of a 6W high reliability cryogenic cooler at Thales Cryogenics, Thales Published Papers,SPIE,2002