斯特林循环低温制冷机的发展

斯特林循环低温制冷机的发展

1逆斯特林循环制冷设备1816年，来自苏格兰的斯科特莱姆提出了一个由两个等温过程和两个等载过程组成的热力环境的专利申请，即斯托林循环。该循环最初用于热力发动机,系统中的工质在不同温位下被不断压缩和膨胀,最后输出功。1834年,J.Hershel试用逆斯特林循环来制冰,1860年Kirk利用逆斯特林循环制冷获得成功。这种采用逆斯特林循环制冷的机器通常称为斯特林制冷机,其中的回热过程变成蓄冷过程,回热器也被称之为蓄冷器。大约100年之后,荷兰菲利浦实验室在1954年首次制成实用的微型斯特林循环低温制冷机,在77K具有580W制冷量。这种结构紧凑的斯特林制冷机很快就在工业和军事应用中显示出诱人的潜力。19世纪初出现的首台斯特林热机是一个庞然大物,气缸具有0.6m直径和3.05m高度。目前,斯特林制冷机的尺寸可以微型化到厘米级的程度。1950年代以来,随着技术水平的提高和加工工艺的进步,人们采用了高效蓄冷材料、精密间隙密封技术、柔性轴承设计以及先进电子技术,使斯特林制冷机变成非常可靠、耐用,应用于低温电子器件、红外探测器、超导器件等的冷却,在导弹制导、红外前视和夜视、热像仪等军事和民用装备上发挥了重要作用。除了用于制造液氮和液氢的菲利浦制冷机之外,斯特林制冷机一直向微型化和长寿命的方向发展,实现在液氮温区高效率制冷。这些机器从结构上来分,主要有整体式和分置式两种,可以适应许多地面和空间应用的要求。2斯特林制冷机整体式斯特林制冷机将压缩部分与膨胀制冷部分制成一体(见图1a),其压缩活塞与排出器通过曲柄连杆机构将电机的旋转运动变为活塞的简谐运动,工质在压缩空间、蓄冷器(回热器)和膨胀空间等部分来回交替流动,而气体质量不变,构成闭式循环。斯特林循环的机器内没有阀门,内部不可逆损失小,因此效率高、结构紧凑、体积小、重量轻,但由于机器的旋转运动导致振动大、噪音大。在斯特林循环制冷机中,高压室温气体与低压膨胀气体之间的换热是通过回热器(蓄冷器)来实现的,蓄冷器通常装于称之为排出器的推移活塞中。排出器按一定规律把气体从室温推向冷腔(膨胀空间),或者反之。气体在排出器两端只有流动压差。排出器的连杆与压缩活塞的连杆是由同一个曲轴驱动的,称之为双活塞结构。但两者保持一定的相位差(夹角),使冷腔容积的变化超前于压缩腔。当曲轴均速转动时,压缩活塞和排出器以给定的相位差作间谐运动,实现由两个等温过程和两个等容过程组成的斯特林循环。整体式斯特林制冷机在1954年就在军事上获得应用。1960年代美国将整体式斯特林制冷机用于U-2飞机上的红外摄像,1965年在中国领空被击落,中国科学院上海技术物理所修复美制红外航空相机用斯特林制冷机取得成功。1966年7月研制出中国第一台实用的微型斯特林制冷机,即整体式651回热式微型制冷机,用于高空红外相机,为中国早期遥感事业作出了贡献。整体式斯特林制冷机中的非金属弹性环的接触密封、曲柄连杆机构的压缩机旋转运动导致的侧向力等会造成振动、密封磨损和泄漏,限制了整机寿命。润滑油及线圈绝缘的排气,工质污染,也导致整机寿命的缩短。这些因素成为斯特林制冷机进一步发展的瓶颈。随后的研究工作包括采用菱形驱动、V型液压驱动等方案,但这些方案要么结构太复杂,要么效率过低,仍难以满足应用要求。近30年来,随着科学技术的发展,加工工艺完善,斯特林制冷机也与时俱进,其结构得到重大改进,性能有了很大提高。图1b给出了斯特林制冷机的一种改进方案,将排出器的运动由机械传动改为气动,因而使振动和侧向力大为减小。近年出现的一种称为战术斯特林制冷机引起广泛的关注。这种制冷机的平均无故障运行时间或平均不维修运行时间(MTBF或MTTF)已从数百小时提高到数千小时甚至上万小时,具有体积小、结构紧凑、功耗低等优点,可应用于坦克、火箭、夜视镜等军事装备。但振动仍然较大、寿命也有待提高。为了适应武器系统装备的需要,美、法、荷兰、以色利和日本等国都建成军用商品机生产线,如美国已具备年产千台微型军用制冷机的能力,多家公司(休斯公司、Texas公司、CTI公司和TRW等)能生产规格齐全的多种型号产品。表1给出了目前生产的小型整体式斯特林制冷机典型产品。对于0.1～0.5W/80K小冷量整体式斯特林制冷机,常用于手提式和便携式红外军事装备以及坦克等严酷的环境中,见图2所示。法国Thales低温公司已经生产了10000余台RM2,RM4,RM5旋转式斯特林制冷机,其中RM2适于手持红外照相机或无人驾驶飞行器;RM4适于坦克应用,在77K下的制冷量为730mW,输入功率小于5.3W,预冷降温时间5min,噪声51dB,MTTF大于9000h。图3表示的是以色列Ricor公司生产的K508型微型斯特林制冷机,图4表示K508型制冷机的制冷量与环境温度的关系。这种设计将探测器传感元件直接装于制冷机的冷头上,与制冷机本体及杜瓦组装成一体,因此也叫集成式设计。微型制冷机由DC无电刷马达驱动,马达线圈置于工质气体外,具有清洁、噪声小、高可靠等特点。制冷机上具有随机温度控制器、遥控开关和超温、超流保护装置。1994年以后形成系列产品,已有28000余台投入运行,在地面、空中、海洋及空间获得广泛应用。K508型微型斯特林制冷机的单机重量为450g,输入电压为12～16VDC或18～28VDC,最大输入功率为17W、稳定输入功率为7W,适用的环境温度为-40℃～+85℃,在23℃环境中的制冷量为220mW/77K,预冷时间为5min(250J@23℃),平均无故障运行时间大于8000h。通过选择不同类型的杜瓦,这种制冷机能满足大多现代红外探测器的冷却要求。近年来,一种采用线性压缩机代替旋转压缩机和采用排出器气动的新产品已经出现(见图1c),这种方案消除了旋转压缩机造成的侧向力及连杆带动排出器的振动,使制冷机的振动减小、寿命提高。图5所示为以色列Ricor公司生产的K535双活塞线性整体式斯特林制冷机,这种制冷机的两压缩机对置,使压机的振动降低。制冷机重量为9.5kg,在50V下直流输入功率240W(最大),环境温度范围为-20℃～+70℃,在23℃环境中的制冷量为7W/65K,无故障运行时间MTTF大于25000h。用于探测器的冷却和蜂窝电话、高温超导RF滤波器天线的冷却,可在严酷的室外环境下耐久工作。中国斯特林制冷技术研究起始于1958年,在苏联专家的指导下,西安交通大学与杭州制氧机厂合作研究回热式低温制冷机。中国上海技术物理所在1966年研制出中国第一台整体式651回热式微型制冷机,用于高空红外相机。1978年经过改进的651制冷机的主要技术指标:充气压力0.6MPa,转速1500r/min,输入功率350W,降温时间10min,重量5.5kg,寿命200h(最高可达500h)。合肥低温电子研究所的斯特林制冷机研发经历了预研到产品阶段。在预研阶段,根据红外探潜系统配套的需要,在1981年研制成0.5W/38K的二级整体式斯特林制冷机。1991年研制成单级分置式斯特林制冷机,其主要技术性能:最低制冷温度为46.5K;制冷量为1.43W。1999年完成4W/80K整体式斯特林制冷机研究,用于超导滤波器的冷却。2001年研制0.7W/80K整体式斯特林制冷机,主要性能指标为:制冷量:≥0.7W/80K;总重量:≤1kg(含电源)。主要性能指标达到国外90年代中期同类产品水平。2005年完成0.5W/80K与0.3W/80K整体式斯特林制冷机研制,在技术引进的基础上,解决了活塞表面类金刚石处理、电机外壳组件引线插针烧结工艺国产化等难题,通过了2500h的可靠性考核。这两种产品的体积小、重量轻、能耗低,可靠性高。尤其是0.3W/80K整体式斯特林制冷机,重量只有250g,用干电池供电,可在手持式热像仪中应用,现在该所已具备小批量生产能力。昆明物理研究所于1990年代进行了第一代热像仪应用研究,推进了斯特林制冷机技术的进步。经过了较长时间的原理样机研制和技术探索,在“八五”末期研制成功直线分置式斯特林制冷机样机,采用当时在国际上十分先进的动圈式直线电机驱动对压活塞技术,在直线电机技术、对置活塞压缩机技术、气动式推移活塞技术、推移活塞相位控制技术、制冷机与探测器杜瓦耦合技术方面作了大量的工作。但研制的样机与实际应用要求仍有很大的差距,不能满足热成像技术发展的大批量的应用需要。后来,他们经过数年努力,从国外引进0.5W/77K整体集成式斯特林制冷机生产技术和斯特林制冷机的小批量生产线,在中国二代焦平面探测器、杜瓦、制冷器组件技术中,低温制冷机成为最先突破的技术。目前,该所生产的集成整体式制冷机的MTTF值大于2500h,与国外同类型微型斯特林制冷机的技术指标相当。另外,中国科学院物理所、西安交通大学、北京大学、华中科技大学和浙江大学等都分别开展过单级或多级微型斯特林制冷机和无磁斯特林制冷机的研究。杭州制氧机厂早在1962年就引进荷兰菲利浦式单缸制冷机,经测绘和配制液氮塔,开始批量生产单缸液氮机(液氮产量6L/h),1964年又引进四缸机(液氮产量24L/h),生产了2000多台液氮机(其中60%为单缸机),这些机器在几十年中虽然基本没有任何改进,但基本上满足了国内科研、教学和生产的需要。在此基础上,他们还开发了11091产品,能分别生产液氧和液氮,以满足军工供氧需要。必须指出的是,上述产品无论从机器的尺寸大小、液体产量、效率和功耗,都比其母产地荷兰菲利浦公司的最新产品至少落后二代。3线性驱动系统斯特林制冷机是空间应用最早的机械制冷机,早在20世纪70年代就先后研制成双级菱形驱动、磁性轴承、双机并联驱动等整体式斯特林制冷机,并进行了卫星飞行试验。这些整体式制冷机一般由旋转电机通过曲柄连杆机构驱动,采用非金属弹性接触密封,因而结构复杂、振动和噪声大,尤其是运动部件的磨损和工质的泄漏和污染限制了制冷机的寿命。为满足军事和航天技术对小型低温制冷机的需要,西方发达国家投入大量的资源进行长寿命斯特林制冷机的研制,其重点是提高制冷机的工作寿命和可靠性。美国在1970年代初期在整体式斯特林制冷机的研究基础上发明了分置式斯特林制冷机,将压缩机与排出器完全独立地分开布置,在两者之间通过细管子相连接,以避免或减少压缩机的振动对冷头的影响,使被冷却的器件远离振动源。早期的分置式斯特林制冷机是由旋转电机驱动、具有曲柄连杆机构的压缩机。为避免工质气体被油润滑污染,采用了密闭的球轴承或干磨擦材料轴承。但是,这种机器由回转运动引起的侧向分力会将活塞推向气缸壁,引起磨擦和磨损,限制了机器的寿命。因此,由旋转电机驱动曲柄连杆的传动发展为直线电机驱动,进而采用双活塞对置直线驱动,使压缩机动子的动量得到了平衡。经过20多年的不断改进,分置式斯特林制冷机达到了军用商品化的程度,在海湾战争中大量装备坦克、飞机直至侦察兵。这类机器的平均不维修运行时间(MTBF)都在1000h以上,英国宇航(BAe)研制的0.8W/80K的分置式斯特林制冷机的寿命长达2～5年。目前,线性驱动系统获得了广泛的发展。这是一种自由排出器与自由压缩活塞组成的“双自由”型低温制冷机,在寿命上占有优势。线性驱动法不但减少了运动部件,简化了结构,而且大幅度减小了振动和噪音。图6示出了以色列Ricor生产的K535双活塞线性分置斯特林制冷机,采用高度平衡的双活塞压缩机、气动机构、柔性轴承和现代数字控制器,专用于军事环境的IR探测器和热成像系统。制冷机的重量为1100g,输入功率45W,适用环境温度-45℃～+70℃,MTTF大于5000h,输入电压20.28VDC,外形尺寸137×90×22mm。在地面应用的战术式斯特林制冷机产品中,通常有独立式(Slip-on)和集成式(IntegratedDewarCoolerAssembly)两种。传统制冷机的排出器大多套装在一个薄壁不锈钢管的气缸内,排出器与套管壁间具有微小的间隙,保证排出器与缸壁的不接触运动,套管气缸的存在使制冷机成为一个独立的封闭系统,故称之为独立式结构。独立式结构的一个缺点就是当制冷机的冷头从300K被冷却到77K时,在排出器套管上出现300K～77K的温度梯度,通过管壁的导热损失将导致冷头的有效制冷量减少。集成式(IDCA)是指与杜瓦及传感器集成的制冷机组件,针对独立套管式的缺点,直接将杜瓦的内筒体制成排出器的缸套,免除了传统的排出器外套管,因而也消除了其管壁的导热损失,使冷却传感器的有效制冷量增大。显然,集成式不仅提高了热效率,而且使系统的结构紧凑、体积和重量减小,这对于某些应用是至关重要的。表2给出法国Thales低温公司生产的独立式和集成式线性斯特林制冷机的技术数据。斯特林制冷机的振动和磨损不但来源于气缸与活塞,而且也来源于轴承。如果采用线性电机驱动的压缩机的两个活塞在同一轴线上对称布置,并且在活塞与气缸间采用间隙密封(10μm～20μm)结构,使气缸与活塞无接触,不需润滑油润滑,可将磨损降到最低。进而可采用挠性轴承、气体轴承或磁轴承等无磨擦密封。最普遍的方法是采用挠性轴承(也称柔性轴承)来支承置于相应气缸中的活塞和排出器,从而消除任何接触。图7a示出了具有挠性轴承的典型斯特林压缩机的简化剖面。采用板弹簧技术的挠性轴承提供了径向的刚性支承,保证了活塞和排出器的完全非接触的轴向往复运动,使制冷机的可靠性和寿命大为提高。图7b为螺旋形挠性轴承的几何形状,其材料可用铍青铜或弹簧不锈钢,采用光刻技术制造。与磁轴承相比,板弹簧柔性轴承具有简单、可靠、重量轻的优点,其难点在于气缸、活塞组件或板弹簧组件的对准和组装、间隙测量和准直等方面。虽然挠性轴承一直在许多地方应用,但在1980年代初才由牛津大学的Davy首次用于斯特林制冷机,故也称之为牛津型斯特林制冷机。牛津大学研制成的长寿命斯特林制冷机,采取了线性电机驱动、非接触间隙密封、摆线悬臂梁板弹簧支撑、工质泄漏污染控制等关键技术,使制冷机的工作寿命和可靠性显著提高,为斯特林制冷机在空间应用提供了可能。1991年,牛津大学为美国高层大气研究卫星(UARS)研制的牛津型斯特林制冷机首先发射成功,制冷机在80K时具有0.8W制冷量,在轨工作寿命达10600h。1992年,英国航空公司(BAe)研制的牛津型斯特林制冷机的地面试验平均无故障寿命(MTBF)达到40000h以上。在分置式斯特林制冷机中,排出器可以通过单独的直线电机驱动,同时采用复杂的电控系统来精确控制活塞和排出器之间运动的相位差。但是,为了简化结构,提高可靠性,一般都是采用气动型膨胀机。排出器由压机产生的周期性压力波所驱动,排出器及其支承弹簧组成一个受迫振动系统,产生的阻尼力能产生合适的相位差,使排出器的运动比压缩活塞运动总是超前一个相位角,从而产生有效的制冷效应。牛津型斯特林制冷机在卫星中的成功应用证明了这种制冷机完全可以满足星载制冷设备长寿命、高可靠性的要求。因此,在1980年代末期,各国纷纷选择分置式牛津型斯特林制冷机作为主攻方向,经过20多年的努力,星载斯特林制冷技术获得很大发展。目前英、美、日的星载斯特林制冷机的研制技术已经成熟,走向产业化。英国Astrium公司(原BAe公司)在1985年购买了牛津大学的专利,研制成50K～80K系列星载斯特林制冷机,单压缩机驱动,已经生产了上百套制冷机,其中10多套在卫星上获得应用。该公司还研制成两级斯特林制冷机,在20K具有120mW制冷量,功耗150W。英国Hymatic公司从1989年开始与牛津大学合作研制星载斯特林制冷机,在牛津技术的基础上完善了精密加工和装配规范,精心选择低放气率材料,采用整机真空烘烤除气、控制整机漏率等措施。根据不同需求开发出在80K分别具有0.2W,0.5W,1W,5W等系列产品,地面试验寿命达55000h。美国LockheedMartin公司从1987年开始进行牛津型斯特林制冷机的研制工作,提出在单压缩机制冷系统中采用减振电机实现主动减振的方法,获得比对置式压缩机更好的效果,研制成0.8W/60K和2.5W/65K两个系列的星载斯特林制冷机。美国Ball空间技术公司从1990年开始与牛津大学合作研制星载斯特林制冷机,采用两台压缩机同缸对置、压机与冷头分置方案,对材料选择、紧密加工检测和装配、减少污染等进行了深入研究,研制成单级斯特林制冷机在60K具有2W制冷量、两级机在30K可获得0.45W制冷量,三级机可同时为两组焦平面分别提供0.5W/35K和0.5W/65K制冷量,功耗75W。美国Sunpower公司主要从事斯特林制冷机的商业化开发,在自由活塞斯特林制冷机及线性压缩机技术方面处于领先地位。他们将空间与地面应用结合,降低生产成本,实现批量化生产。该公司研制的CryoTelTM斯特林制冷机的压缩机采用完全自由活动式,活塞无任何机械弹簧支撑,它的谐振完全是依靠压缩气体所产生的气体弹簧效应来实现的。活塞和气缸之间的非接触是通过静压式气体轴承实现的。加之使用了动磁式直线电机技术,使得低成本化、高效率化、轻量化成为可能。其中CryoTelTM-MT型制冷机的可使用温度范围为-40℃～60℃,在35℃环境温度下提供5W/77K制冷量消耗电力仅需80W。该制冷机的质量仅为2.1kg。综上所述,近年来有关长寿命斯特林制冷机的关键技术主要有以下几项。无磨损支承技术:采用板弹簧支承加间隙密封,实现活塞与气缸的无磨损运动;直线电机技术:减少运动部件,选择高性能磁体提高驱动效率,采用动圈式结构使工质与线圈隔离,避免工质污染;减振降噪技术:采用双活塞对置式压缩机(或双压机对置)降低振动,冷头采用主动减振电机或被动平衡器;防工质污染、泄漏控制技术:精心选择低出气率材料,烘烤与在洁净环境中规范装配,采用电子束焊或激光焊确保漏率;自适应控制技术:制冷机具有自识别,诊断和调节功能,自动补偿制冷机长期运行中的性能恶化,保证最佳工况,提高寿命。图8示出了分置式斯特林制冷机的结构图。这种空间用低温制冷机在输入功率为60W时,在80K时可获得2W的制冷量。牛津式斯特林制冷机能连续工作5～10年,美国宇航局、欧洲航天局等的多种卫星遥感器均采用这种制冷机。据报道,美国分置式斯特林制冷机的研究已达到在0.13W/80K条件下耗功3.5W的水平,制冷机重为0.3kg,最大尺寸为85mm,可用干电池供电。表3列出典型的长寿命斯特林制冷机产品性能。1980年以后,中国的斯特林制冷机研究工作有了很大发展,上海技术物理所,兰州物理所,合肥低温电子研究所,电子部11所,昆明物理所,华中理工大学,西安交通大学等单位相继开展了分置式斯特林制冷机研究,主要用于红外热成象及红外探测系统,但产品的可靠性指标与实用要求有较大差距。在“九五”至“十五”期间,几乎都在进行更深入的研究,向实用化方向发展。上海技术物理所从1988年开始双驱动分置式斯特林制冷机研究,1992年制成牛津型星载分置式斯特林制冷机样机,主要技术指标:最低制冷温度低为55K,制冷量为630mW/77K,输入功率为40W,质量为4.7kg,寿命为2000h。1996年制成对置式平衡斯特林制冷系统,通过了航天环模考核试验,持续运行时间超过10000h,于2002年3月25日在中国“神舟三号”上成功应用。该制冷机的设计寿命为半年,在轨性能为:工作温度86.5K,制冷量500mW,降温时间80min,功耗68.9W(图9)。兰州物理研究所也研制成功分置式斯特林制冷机样机,压缩机活塞对置安装,突破了线性板弹簧支撑、间隙密封、工质污染等关键技术,制冷机制冷量0.5W/80K,功耗42.5W,质量4.4kg。1990年代,合肥低温电子研究所的斯特林制冷机进入产品研发和实用化生产阶段。1991年完成了单级分置式斯特林制冷机研制,其主要技术性能:最低温温度为46.5K;制冷量为1.43W。1996年制成直线马达驱动型分置式斯特林制冷器,采用膜片弹簧支承,制冷机的最低制冷温度35.4K;制冷量为1.78W/80K;1998年制成1.75W/80K分置式斯特林制冷机,采用双活塞对置直线马达驱动型柱簧支承。这也是国内首创产品,达到了国外90年代初同类产品的水平,改进后的的两台样机完成了连续6000h的可靠性考核,已形成批量生产能力。2000年初,该所完成国内第一个采用制冷机杜瓦集成式组件,其中包括0.5W/80K直线驱动分置式斯特林制冷机。机器的技术性能达到了进口样机的水平。合肥低温电子研究所在没有国外样机参考情况下,于2003年制成一种0.8W/80K分置式斯特林制冷机,两台样机在始终加热负载0.5W的情况下正常运行2000多小时。另一台1W/80K分置式斯特林制冷机在2005年底完成4000h可靠性考核,现已投产。该所研制的75W/80K分置式斯特林制冷机(双活塞对置直线马达驱动型柱簧支撑)的两台样机完成了连续6000h的可靠性考核。图10为该所研制的三光窗斯特林制冷机杜瓦组件。表4和表5列出中国研制的斯特林制冷机的部分样机(1996年数据)的性能参数。昆明物理所在长期研究开发的基础上,于1990年代引进国外的旋转电机驱动分置式斯特林制冷机,并对制冷机的旋转无刷电机、气动分置式、独立冷指结构设计、电机线圈与制冷工质隔离、变频调速驱动控制、混合集成电路等技术进行了深入研究,于1998年完成样机技术鉴定,2000年开始进入批量生产,目前年产量可达200台套,已在部分热成像系统应用,替代进口制冷机。自2003年以来,从国外引进并建成了年产量超过1500台套的微型制冷器生产线,包括自调式J-T制冷器生产线和斯特林制冷机生产线,可根据用户需求,生产制冷量在0.3W～1W/77K的旋转电机驱动的分置式、整体集成式斯特林制冷机,直线电机驱动的各种型号的斯特林制冷机产品。其中,直线分置式制冷机MTTF值大于4000h,与国外同类型微型斯特林制冷机的技术指标相当。此外,浙江大学、西安交通大学、上海技术物理所和合肥低温电子研究所等单位分别在1983～1986年期间,曾研制成一种用于超导电子器件的分置式无磁斯特林制冷机,这种由尼龙和环氧玻璃钢制成的多级制冷机,可以达到大约10K的制冷温度。浙江大学制成的四级机,最低制冷温度为7.8K,在10K时具有250mW的制冷量,达到了该机的发明者美国国家标