回?zé)崾降蜏刂评溲芯窟M(jìn)展

王慧敏 張耀文 楊衛(wèi)彤 姬斌斌

【摘 ?要】隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，低溫技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并滲透到眾多領(lǐng)域之中。其中最具有代表性的低溫制冷技術(shù)是回?zé)崾街评?，回?zé)崾街评渲饕?種結(jié)構(gòu)形式：脈沖管制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)和斯特林制冷機(jī)，雖然G-M制冷機(jī)和斯特林制冷結(jié)構(gòu)技術(shù)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(duì)而言脈沖管制冷機(jī)具有較高的效率和可靠性特點(diǎn)，因此得到全面的發(fā)展。本文主要研究回?zé)崾降蜏刂评浒l(fā)展趨勢(shì)，首先分析傳統(tǒng)回?zé)崾街评鋭┑陌l(fā)展，然后分析回?zé)崾街评涞陌l(fā)展趨勢(shì)，最后分析當(dāng)下需要解決的幾個(gè)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】回?zé)崾?低溫;制冷機(jī);熱聲學(xué)

由于低溫的廣泛應(yīng)用，促使低溫制冷機(jī)得到了進(jìn)一步發(fā)展，不同類(lèi)型的低溫制冷機(jī)有不同的分類(lèi)，按照換熱器可以分為回?zé)崾街评錂C(jī)和間壁換熱式制冷機(jī)?；?zé)崾街评錂C(jī)的換熱器結(jié)構(gòu)為回?zé)崾?，主要包括G-M制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)和斯特林制冷機(jī)，如果按照驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)，回?zé)崾街评錂C(jī)分為埃里克森型和斯特林型。間壁換熱式制冷機(jī)的換熱器結(jié)構(gòu)為間壁結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為布萊頓循環(huán)制冷機(jī)、J-T節(jié)流制冷機(jī)。從低溫技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看，回?zé)崾街评涞膽?yīng)用更加豐富和廣泛，且是低溫制冷機(jī)中最重要的部分，因此得到廣泛的重視。

一、傳統(tǒng)回?zé)崾街评錂C(jī)的發(fā)展

（一）斯特林制冷

斯特林制冷機(jī)是由2個(gè)等溫膨脹和壓縮過(guò)程與2個(gè)等容回?zé)徇^(guò)程形成的一種閉式熱力學(xué)循環(huán)，并把該循環(huán)用于制冷。斯特林制冷機(jī)是最早應(yīng)用于空間制冷的主動(dòng)式制冷機(jī)，其最大的特點(diǎn)是在于結(jié)構(gòu)比較緊湊、效率高、沒(méi)有流動(dòng)損失，而在空間中的應(yīng)用對(duì)壽命提出了更高的要求，因此斯特林制冷機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)就是根據(jù)如何有效提供其運(yùn)行壽命[1]。

傳統(tǒng)的斯特林制冷機(jī)，不僅噪音大、振動(dòng)明顯，還很容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件的壽命受到限制，基本上使用1年，早期的結(jié)構(gòu)主要以整體式為主，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)排出器和壓縮機(jī)。隨后使用自由活塞斯特林結(jié)構(gòu)，使用氣動(dòng)傳動(dòng)的排出器，接著使用擺線(xiàn)懸臂梁型板狀彈簧支撐技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了間隙密封技術(shù)，并大大提供了斯特林制冷機(jī)的壽命和可靠性，在1991年成功應(yīng)用到高層大氣研究衛(wèi)星ISAMS，因此板狀彈簧支撐技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，壽命也達(dá)到了105h以上。但是斯特林制冷機(jī)的膨脹活塞在低溫下應(yīng)用受到了限制，所以研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到脈沖管制冷機(jī)上。

（二）G-M制冷機(jī)

G-M制冷機(jī)主要是利用回?zé)崞鞯男顭峁δ?，?shí)現(xiàn)控制制冷機(jī)內(nèi)的壓力，并控制工作氣體在回?zé)崞鞯倪\(yùn)動(dòng)順序，這樣就可以連續(xù)實(shí)現(xiàn)制冷的效果。在早期主要是使用普通制冷用的標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)，且成本低，隨后開(kāi)始使用低溫泵來(lái)冷卻真空系統(tǒng)的木炭。隨著半導(dǎo)體的發(fā)展促使G-M制冷機(jī)得到了全面發(fā)展，并大大減低了成本，提高了可靠性[2]。在上世紀(jì)末期，利用4-20K溫區(qū)高熱熔稀土材料可以應(yīng)用在G-M制冷機(jī)中，同時(shí)也可以作為MRI設(shè)備的冷卻系統(tǒng)。由于工作頻率較低，所以很容易減少回?zé)崞鞯膿Q熱和阻力的損失，還能獲得更低的溫度，在低溫區(qū)域內(nèi)比較適用。G-M制冷機(jī)的應(yīng)用主要是在商業(yè)產(chǎn)品上，例如超導(dǎo)輸電項(xiàng)目中。

（三）脈沖管制冷機(jī)

斯特林制冷機(jī)遇脈沖管制冷機(jī)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(dòng)性來(lái)調(diào)整回?zé)崞鲀?nèi)的聲場(chǎng)。脈沖管制冷機(jī)的回?zé)崞餍阅苁艿较辔挥绊?，從而出現(xiàn)不同大小的脈沖管制冷機(jī)，因此脈沖管制冷機(jī)經(jīng)歷了四個(gè)重要的發(fā)展階段，包括基本型、小孔型、雙向進(jìn)氣性和慣性管型。

二、回?zé)崾街评涞陌l(fā)展趨勢(shì)

（一）向普冷區(qū)發(fā)展

隨著環(huán)保和安全的意識(shí)不斷提高，傳統(tǒng)的蒸汽壓縮是制冷機(jī)逐漸被否決，也進(jìn)一步推動(dòng)了回?zé)崾降陌l(fā)展。在本世紀(jì)初期，出現(xiàn)同軸行波熱聲制冷機(jī)，可在-24.6℃的環(huán)境下有效獲得120W的制冷量。隨后幾年我國(guó)研制出一種利用熱驅(qū)動(dòng)雙行波環(huán)路室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，同樣的低溫環(huán)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(chǎn)品，最大的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)能。另外把斯特林制冷技術(shù)用于室溫?zé)岜弥?，由于工作效率較低，所以應(yīng)用價(jià)值較低。

（二）向超低溫區(qū)發(fā)展

目前應(yīng)用最廣泛的制冷溫區(qū)在4-20K，主要制冷機(jī)包括G-M型的脈管制冷機(jī)和G-M制冷機(jī)，且都是使用氦氣壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生壓力波，但是效率較低，所以在20K以下溫區(qū)脈沖管制冷機(jī)的研究和應(yīng)用價(jià)值特別低，很少研究脈沖管制冷機(jī)。主要研究斯特林制冷機(jī)。在進(jìn)20年內(nèi)分別研究出液氫溫度的脈沖管制冷機(jī)、多路旁通方式的脈沖管制冷機(jī)。浙江大學(xué)通過(guò)使用三級(jí)脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)，獲得了最多量的溫度[4]。目前脈沖管制冷機(jī)向深低溫區(qū)發(fā)展和研究，主要是如何在小功流情況提高調(diào)相能力。

（三）向大制冷量發(fā)展

隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在低溫環(huán)境作業(yè)時(shí)，對(duì)制冷機(jī)提出了更高的要求，不僅需要具備較高的效率，同時(shí)還需要具備較長(zhǎng)的使用壽命。那么在這種情況下只有脈沖管制冷機(jī)能夠滿(mǎn)足，強(qiáng)電超導(dǎo)設(shè)備對(duì)制冷機(jī)的要求是制冷量必須要在100-1000W量級(jí)之間，所以回?zé)崾街评錂C(jī)成為當(dāng)下研究的主要重點(diǎn)[5]。增大脈沖管制冷機(jī)功率時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致回?zé)崞鞒尸F(xiàn)出扁平狀，這樣會(huì)大大降低制冷機(jī)的效率。另外回?zé)崞鲀?nèi)流動(dòng)與溫度分布不均，也會(huì)大大降低制冷功率。所以當(dāng)下脈沖制冷的功率最大難題就是流動(dòng)與溫度分布不均。

三、需要深入研究的問(wèn)題

從熱聲學(xué)角度看，回?zé)崾街评渲饕且揽抗腆w避免和聲波之間的相互作用，所以回?zé)崾街评湎到y(tǒng)就是研究換熱和流動(dòng)的問(wèn)題，另外回?zé)崾街评溥€涉及到壓縮機(jī)的電聲轉(zhuǎn)換特征。

回?zé)崾街评湎到y(tǒng)的效率包括壓縮機(jī)的電聲轉(zhuǎn)換效率和冷指的聲冷轉(zhuǎn)換效率，雖然電聲轉(zhuǎn)換不在熱力學(xué)研究范圍內(nèi)，但是在回?zé)崾街评湎到y(tǒng)中必須要研究的一個(gè)問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)回?zé)崾街评鋺?yīng)用發(fā)展緩慢的主要原因是研究力量薄弱，在壓縮機(jī)電聲轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)換需要深入研究電磁轉(zhuǎn)換中的損失，同時(shí)還需要研究磁聲轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中的問(wèn)題，例如活塞漂移、機(jī)械阻尼等等。

結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)低溫制冷提出了更高的要求，同時(shí)也為回?zé)崾街评錂C(jī)的應(yīng)用與發(fā)展提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。要想促進(jìn)回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的發(fā)展，必須要使用科學(xué)的制冷理論作為指導(dǎo)，這樣才能不斷提高回?zé)崾街评錂C(jī)的性能和應(yīng)用范圍，從而為社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡劍英，羅二倉(cāng).回?zé)崾降蜏刂评溲芯窟M(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，33（2）：99-107.

[2]闞安康，吳亦農(nóng)，張安闊，等.回?zé)崾降蜏刂评溲b置回?zé)崞魈盍辖Y(jié)構(gòu)概述[J].低溫與超導(dǎo)，2016，44（11）：28-34，74.

[3]徐冉冉，劉紅敏.回?zé)崾街评溲h(huán)的熱力學(xué)分析[J].制冷，2016，37（3）：84-88.

[4]李曉永，全加，劉彥杰，等.回?zé)岵牧螱d2O2S在液氦溫區(qū)高頻脈管制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J].真空與低溫，2017，23（3）：158-162.

（作者單位：蘭州理工大學(xué)）