巨永林-回热式低温制冷机新发展

回热式低温制冷机新发展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 138********，yju@111053c489eb172ded63b73bInstitute of Refrigeration and Cryogenics

主要内容1. 研究背景和意义 2. 回热式制冷循环 3. 回热式低温制冷机 4. 斯特林制机（维勒米尔制冷机） 5. G-M制冷机（索尔文制冷机） 6. 脉管制冷机 7. 热声驱动制冷机Institute of Refrigeration and Cryogenics

1、低温制冷机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
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分类Joule Thomson Joule-Thomson S lid Solid Li id Liquid S Supercritical iti l
Stored GasHigh pressure Ambient temp.
Stored CryogenAmbient pressure Low temperature
Open Cycle
Cryogenic RefrigerationClosed Cycle Dynamic Regenerative ValvesGifford-McMahon Pulse tube Cryocooler
Static Radiator
RecuperativeJoule-Thomson Brayton Claude
ValvelessStirling Vuilleumier Pulse tube
Sorption compressor S lid state Solid t tMagnetic Thermoelectric Laser
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10 10
6
应用背景Accelerators & Fusion1 TJ Largesize 1 GJ Mid-size
5
Air liquefaction Liquid H2 Transmission lines Transformers Generators SMES, Mag. Sep., MRI Cryopumps
LNG
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
RE EFRIGER RATION P POWER ( (W)
10 4 10 103
Vacuum H2O cryotraps
FCL
2
SMES Maglev MRI
Motors FCL Bearings Wireless Cryosurgery O2 & CH4 IR ZBO IR HTS SQUIDs
10 1 10 0 10-12 10-2 1
1MJ Micro-SMES
H2 ZBO LTS electronics SQUIDs NbN Elect. IR
5
10
50
100
300asc3ca1.cdr
Radebaugh 2003
TEMPERATURE (K)Institute of Refrigeration and Cryogenics

2、回热式制冷循环
?
热机（发动机和制冷机） 热力学原理和工作特点
?
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热机简介最基本的热机有两类：发动机和制冷机TH QH W Engine QC TC TC W Refrigerator QC TH QH
(a)发动机
(b)制冷机
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热力学原理热力学第一，二定律规定了能量平衡关系与热功转 换效率的上限热力学第一定律: Qh ? Qc = W 热力学第二定律: η = Q ≤ hW T h ? Tc = η Carnot Th
发动机
Qc Tc COP = ≤ = COP 制冷机 Carnot W Th ? Tc
η CarnotCOP Carnot
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Institute of Refrigeration and Cryogenics

回热式热力循环（理想）T T0 Carnot T T0 V2 Tc S Tc S Brayton T T0 T Stirling V1 Tc S Joule-Thomson T0 T T0 P2 Ericsson P1
dQ ≤ TdS dQ = TdS (可逆)
Tc
Heat transfer f S
Tc S
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回热式热力循环（实际）实际上，换热是在一定的温差下进行的，且各气体微元的热 T PH 力循环是不完整的。但是，可以认为在T-S图上一个完整 PL 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 1 TH 的。实际循环效率是许多微小卡诺循环的平均值。2 4 TL 3 SInstitute of Refrigeration and Cryogenics

3、回热式低温制冷机9 斯特林制机（Stirling Sti li ）制冷机 9 维勒米尔（Vuillenmier）制冷机 9 G-M制冷机 9 索尔文（Solvay）制冷机 9 脉管制冷机 9 热声制冷机Institute of Refrigeration and Cryogenics

回热式低温制冷机(Regenerative). W0 . W0 . Q 0 ,T 0 . Q 0 ,T 0 . W0
气库 小孔 . Q h ,T h 脉冲管. Q 0 ,T T0
排出器. Q c ,T Tc
蓄冷器
. Q c ,T Tc
. Q c ,T Tc
(a)斯特林
(b)脉冲管
(c)G-M
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结构特点? ? ?
压力波发生器（压缩机）：提供系统容积或压力变化 回热器(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C ylinder Heat exchanger Regenerator
pVTm p,V,T,m pdV
mhdt
dQ
Control volume
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4、斯特林制冷机(Stirling) 1. 2. 3. 4. 发展历史 结构特点 工作过程和原理 进展和应用实例
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发展历史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
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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
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发展历史? 发展非常缓慢，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
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商业的斯特林制冷机
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)
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优缺点 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Institute of Refrigeration and Cryogenics

结构特点
排出器
回热器
活塞
膨胀腔
压缩腔
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活塞-排出器. W0
Two Moving g Partsω ωT0DisplacerPiston
. W0
ω
Piston
. Q0 ,T0
. ω Q ,T 0 0
Regenerator Regenerator
. Qc ,Tc
. Qc ,Tc
External Regenerator
Internal Regeneratorstirling3c.cdr
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Institute of Refrigeration and Cryogenics

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