自由活塞斯特林制冷机的研究与应用进展

曾烊平，陈 曦

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

自由活塞斯特林制冷机的研究与应用进展

曾烊平，陈 曦

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

对自由活塞斯特林制冷机（FPSC）的发展历史以及当前的研究进展进行总结，比较了自由活塞斯特林制冷机与分置式斯特林制冷机的性能，结果显示自由活塞斯特林制冷机的相对卡诺效率明显高于分置式斯特林制冷机。自由活塞斯特林制冷机具有高效、紧凑、制冷温区广等优势，分别从航天、超导、低温冰箱、家用制冷等方面详细总结了自由活塞斯特林制冷机应用情况。最后，根据自由活塞斯特林制冷机的发展现状，提出了一些有用的建议，对自由活塞斯特林制冷机的发展及应用具有一定指导意义。

自由活塞斯特林制冷机；航天；超导；低温冰箱；家用制冷

0 引言

自1816年Robert Stirling发明第一台斯特林发动机以来，至今年刚好200年历史，如今各种类型的斯特林发动机和制冷机被商业化生产，广泛用于科学研究、军用、民用及商用的各个领域。斯特林循环由两个等温过程和两个等容过程组成。分析斯特林循环的主要方法有等温分析方法、绝热分析方法、节点模型以及一维模型（SAGE软件）等[1]。等温分析方法由Schmidt于1861年提出，是分析斯特林循环的最经典的方法之一，该方法假设循环的压缩和膨胀过程都是等温的（而实际情况更接近于绝热过程），所以其结果准确性一般不高。绝热分析方法获得的结果则更接近于实际。最近几十年来，随着计算机技术的迅速发展，利用各种软件对斯特林制冷机进行模拟以及优化计算成为了重要的研究方法之一。

斯特林制冷机采用斯特林逆循环，理论制冷效率和逆卡诺循环的效率相等。自由活塞斯特林制冷机（FPSC）采用直线压缩机驱动、柔性弹簧支撑、间隙密封等技术，使得和其他制冷系统相比，具有结构紧凑、噪音小、寿命长、可靠性高等优点[2]。凭借以上优点，自由活塞斯特林制冷机在航空、航天、超导、低温冰箱，甚至家用制冷领域得到了广泛应用。历史上对自由活塞斯特林制冷机的发展有重要影响的时间节点及研究状态如表1所列。

表1 自由活塞斯特林制冷机的发展Table1 The development offree piston stirling cryocooler

由表1可见，斯特林制冷技术已发展200年历史，但发展成熟、大规模生产和应用也是最近10年的事情，国内外对自由活塞斯特林制冷机的研究已经从低温领域延伸到普冷领域，至今为止，研究者对自由活塞斯特林制冷机应用于商用和家用制冷领域持乐观态度[3]。

1 自由活塞斯特林制冷机介绍

自由活塞斯特林制冷机由直线电机带动直线压缩机工作，压缩活塞在压缩腔内压缩工质，工质经过热端换热器换热后进入回热器，其部分热量被回热器中的丝网储存，最后进入膨胀空间膨胀制冷，膨胀后的气体再次流经回热器，吸收丝网储存的热量，完成一个热力循环。一种典型的动磁式直线电机驱动的自由活塞斯特林制冷机结构如图1所示。

图1 动磁式直线电机驱动的自由活塞斯特林制冷机结构图Fig.1 Moving magnet linear motor driven free piston stirling refrigerator structure1.冷头；2.散热器；3.活塞；4.直线电机；5.平衡块；6.板弹簧；7.排出器/回热器

从图1可看出，自由活塞斯特林制冷机主要由板弹簧、直线电机、活塞、回热器、排出器和冷头组成。虽然理想的斯特林循环效率等于卡诺循环效率，但是实际情况却并非如此。除了压缩和膨胀过程很难保证等温条件外，电机效率、回热器效率、轴向导热损失、冷头漏热损失和穿梭损失等都会导致斯特林制冷机应用于实际情况时，效率并不能达到卡诺循环效率。

优化斯特林制冷机一般从主要部件着手，直线电机的效率直接关系到制冷机最终的效率，提高电机效率是优化自由活塞斯特林制冷机的一个重要方面[4]。回热器丝网材料以及填料的孔隙率、冷头材料及膨胀腔的死容积等也会对制冷机的性能产生一定影响，优化制冷机的时候也应该考虑这些因素[5]。

2 自由活塞特林制冷机的研制情况

自从上世纪50年代Philips公司首次实现斯特林制冷机的商业应用以及60年代William Beale提出自由活塞斯特林制冷机以来，自由活塞斯特林制冷机在过去半个世纪取得了突飞猛进的发展。如今，能满足不同温区和制冷量需求的斯特林制冷机出现在军用、民用和科学研究的各个领域，其在家用制冷领域的应用也在积极的研究之中。表2列出了目前的一些自由活塞斯特林制冷机研制公司及其产品研制情况。表格中主要列出了制冷机型号、制冷量、输入功、热端温度和质量等信息。

图2为液氮温区下，Sunpower公司生产的自由活塞斯特林制冷机与Thales公司生产的分置式斯特林制冷机的比制冷量，图中横坐标代表斯特林制冷机型号，纵坐标代表制冷机的比制冷量。可以看出，自由活塞斯特林制冷机在液氮温区的比制冷量明显大于分置式斯特林制冷机的，最高可达5 W/kg以上，最低也在1 W/kg以上，而分置式的斯特林制冷机最高在1 W/kg左右。这说明在相同的温度下制取相同 的冷量，自由活塞斯特林制冷机将会更轻巧、紧凑。

表2 自由活塞斯特林制冷机的研制情况Table2 The development of the free piston stirling cryocooler

图2 液氮温区下斯特林制冷机的比制冷量图Fig.2 Refrigerating capacity of Stirling refrigerator in liquid nitrogen temperature

图3给出了一些自由活塞斯特林制冷机和分置式斯特林制冷机的相对卡诺循环效率，其中横坐标为制冷机型号，纵坐标为相对卡诺效率。可以看到，在液氮温区下，Sunpower公司的Cryotel系列、M77和M87型号的自由活塞斯特林制冷机效率明显高于Thales公司LSF95系列的分置式斯特林制冷机，很大的原因是由两种制冷机不同结构所导致的自由活塞斯特林制冷机没有连接管，从而降低了很大一部分损失。另外，还可看出Cryotel系列制冷机的相对卡诺效率高于Twinbird公司生产的在250 K温度下工作的自由活塞斯特林制冷机效率，其主要原因则是，高温温区下，理想卡诺循环效率本身就很高，造成了制冷机的相对卡诺循环效率不是太高。另外，Cryotel系列制冷机主要应用于航空、航天和超导领域，其工艺和技术要求十分高，如更高的电机效率和间隙密封要求等，而Twinbird公司生产的制冷机则主要用于民用领域，相比之下没有很高的技术要求，因此制冷机的损失增加，导致效率较低。

图3 自由活塞和分置式斯特林制冷机效率对比图Fig.3 Comparison of efficiency of free piston and split type Stirling refrigerator

3 自由活塞斯特林制冷机的应用

3.1 航天上的应用

1992年，Martin Marietta Services公司负责了NASA的一个子项目，采用Sunpower公司用研制的对置斯特林制冷机设计了1台在“发现号”航天飞机上使用的制冷机。该制冷机由两台M223的自由活塞斯特林制冷机耦合而成，机器总重为5 kg，这是对置斯特林制冷机的首次利用，能在4℃提供124 W或-22℃提供88 W的冷量，并且通过采用对置结构，缓解了震动问题[6-7]。图4为对置自由活塞斯特林制冷机的实物图。

图4 Sunpower公司研制的对置斯特林制冷机[8]Fig.4 Opposed Stirling refrigerator developed by Sunpower company

NASA于2002年发射的拉马第高能太阳光谱成像探测器（RHESSI）上安装了1台Sunpower公司生产的型号为M77B的自由活塞斯特林制冷机。制冷机的制冷温度为65 K，可将探测器的工作温度维持在75 K，实现该探测器的两年在轨目标[9]。迄今为止，制冷机仍然能稳定维持探测器的温度，RHESSI已正常工作12万小时，这也体现了自由活塞斯特林制冷机长寿命和高可靠性的优点。图5为M77B的实物图。

图5 Sunpower公司生产的M77B制冷机[9]Fig.5 M77B produced by Sunpower company

2011年，NASA将阿尔法磁谱仪-02（AMS-02）送入国际空间站，用于观测暗物质和反物质。AMS-02上就装有4台Sunpower公司生产的M87N型自由活塞斯特林制冷机，制冷机的作用是冷却杜瓦外部的蒸气冷却罩来延长磁谱仪的运行寿命。基本性能要求是当输入功为400 W时能在80 K下提供16 W的冷量[10-11]。空间站中还需使用低温冰箱以保存一些重要材料和生物样本，冰箱通过自由活塞斯特林制冷机获得冷量，图6是用于空间站的低温冰箱（NASA）示意图。

图6 用于空间站的斯特林低温冰箱Fig.6 For the space station low temperature refrigerator

3.2 超导领域的应用

相比于食品储存温区大冷量自由活塞斯特林制冷机的研究，在更低的温度下增大制冷机的制冷量显得更加困难，因为在低温下，包括穿梭损失和轴向导热损失在内的各种冷量损失会对系统的效率造成非常大的影响，这些都意味着设计和优化制冷机对提高低温温区下制冷机的制冷量有重大意义。

图7为用于冷却手机信号基站中的高温超导微波滤波器的自由活塞斯特林制冷机，其性能为当输入功为100 W时，能在77 K下提供6 W的冷量[12]。

图7 用于高温超导滤波器的自由活塞斯特林制冷机[12]Fig.7 For the free piston refrigerating machine HTS filter[12]

2000年，Sunpower公司开发了Cryotel系列的自由活塞斯特林制冷机，可在77 K的制冷温度下提供不同的冷量，该系列的制冷机相对卡诺循环效率均在20%以上，是目前世界上效率最高的自由活塞斯特林制冷机[13-14]。图3可以找到Cryotel系列制冷机和该公司另外三种机型的相对卡诺效率。作为对比，Thales公司生产的LSF95系列的分置式斯特林制冷机效率也在图3中显示。可以发现，Sunpower公司的Cryotel系列制冷机在液氮温区的相对卡诺效率远高于Thales公司的LSF95系列的效率[15]。

在液氮温区，大冷量（＞50 W）自由活塞斯特林制冷机应用于高温超导领域的市场前景仍然占主导地位。据美国能源部在2011年的估计，在未来15年内仅超导故障电流限制器（SCFLs）就有数十亿美元的市场[16]。鉴于目前第二代高温超导导线技术已经问世，预测高温超导领域对相应的制冷机有较大需求。

近年来，大冷量斯特林制冷机的研究也越来越活跃。2011年，Infinia公司开始展开对低温区下大冷量制冷机的研究，采用对置式直线压缩机，共用冷指的整体式技术路线，于2014年研制出了650 W@ 77 K大冷量的自由活塞斯特林制冷机[17]。国内对液氮温区自由活塞斯特林制冷机进行样机开发的包括中科院上海技术物理研究所、中科院理化技术研究所、合肥电科16所等。2016年，合肥电科16所基于sunpower自由活塞斯特林制冷机的技术方案开发了7.7 W@80 K的自由活塞斯特林制冷机[18]。中科院理化技术研究所采用类似Infinia公司的技术方案，于2015年搭建了1台能在80 K获得78 W冷量的对置式自由活塞斯特林制冷机，其相对卡诺效率达18.8%[19]。

3.3 在低温冰箱上的应用

2006年，上海理工大学和中科院上海技术物理研究所合作研制了1台40 W@200 K的自由活塞斯特林制冷机，其应用背景为-80℃的低温冰箱。实验研究显示，增大充气压力可以增大压缩机的共振频率，并且对于1台自由活塞斯特林制冷机存在着一个最佳充气压力，从而实现最佳制冷性能[20]。值得注意的是，斯特林制冷机的充气压力一般在2～3 MPa[21-22]。

2012年，Global Cooling公司比较了两级复叠低温冰箱和斯特林低温冰箱，从系统原理和结构出发，分析了两种制冷系统生产、运行和调节制冷量等过程对环境的影响[23]。衡量了会对环境影响的主要参数，包括系统运行的COP，当量CO2排量以及能耗等。表3为两个系统的一些重要参数的对比。

从表3可以发现，斯特林制冷系统显著的优点有制冷机环保无害，更高的COP，平均每天的耗电也比复叠系统减少了50%以上，当量CO2排量也比复叠系统小60%以上，显然斯特林系统更为节能环保。另外，斯特林制冷机采用气体轴承支撑运动部件而不使用润滑油从而使得系统运行更为安全可靠，其连续工作、通过活塞振幅调节制冷量是节能的重要原因之一，使用具有高换热效率的乙烷热虹吸管也是一大亮点。

表3 两级复叠低温冰箱和斯特林低温冰箱的比较Table3 Two stage cascade cryogenic refrigerator and the comparison of Stirling refrigerator at low temperature

目前，自由活塞斯特林制冷机已经投入商业应用，用于生产制造低温冰箱。表4和图8分别是Global Cooling公司（现Stirling Ultracold公司）应用自由活塞斯特林制冷机开发的冰箱参数和实物图，可用于实验室材料储存。冰箱通过自由活塞斯特林制冷机工作产生制冷效应，冷量由热虹吸管传递到冷却空间。

日本Twinbird公司也研发了低温冰箱温区下的自由活塞斯特林制冷机，可分别在-23.3℃和-80℃提供不同的冷量，其性能如表2所示，图3显示了该公司的自由活塞斯特林制冷机在-23.3℃下的相对卡诺效率。从图可以看出，就制冷效率而言，即使在更低的制冷温度下，Sunpower公司的Crytel系列制冷机仍具有非常大的优势。

表4 Stirling Ultracold公司应用自由活塞斯特林制冷机开发的低温冰箱[24]Table4 Application of free piston Stirling Ultracold company Stirling cryocooler development of cryogenic refrigerator

图8 三种型号的斯特林冰箱[24]Fig.8 Three types of Stirling refrigerator

近两年来，自由活塞斯特林制冷机还被试验用于CO2的回收。2013年，筑波大学和中国农业大学搭建了一个自由活塞斯特林制冷机试验台，利用制冷机产生的低温环境将CO2制成干冰从而实现对CO2的回收[25]，并于2014年优化了该系统[26]。不过该系统单位时间内只能回收少量的CO2，对于会产生大量CO2的场所，利用该系统对CO2回收不太现实，因为这种情况下要得到固态CO2需要大量的冷量，而这正是大冷量自由活塞斯特林制冷机的短板单台制冷量不大，成本较高。

3.4 家用制冷上的应用

在-40℃以上的制冷温度下，蒸气压缩循环具有较高的效率，所以家用制冷领域仍然广泛采用该循环来获得冷量[27]。当制冷温度低于-40℃，压缩节流制冷循环的效率降低，要想保持较为满意的效率，需要使用复叠循环来提升系统的性能。而斯特林制冷机凭借小巧、高效以及运行噪声小等优点，在低于-40℃的制冷温度下具有了竞争优势[28]。

2000年，土耳其图兹拉研发中心在-40～0℃的范围内测试了两台自由活塞斯特林制冷机的制冷量和制冷性能，此次研究对自由活塞斯特林制冷机在替代传统蒸气压缩制冷机方面的研究起到了积极作用[29]。

2008年，Global Cooling公司展开了对多缸制冷机的研究，并且总结了食品储存温区制冷机质量和制冷量之间的关系，如图9所示。所做的研究，对于推动自由活塞斯特林制冷机用于家用制冷领域有很大的促进作用，只是成本仍然是最大的问题。图中可以看出，在制冷量小于500 W的情况下，获取相同的制冷量自由活塞斯特林制冷机的质量比蒸气压缩制冷机更轻，即自由活塞斯特林制冷机拥有更高的比制冷量。

图9 食品储存温区制冷机质量和制冷量的关系[8]Fig.9 Food storage temperature chiler weight and refrigerating capacity

另外，为充分利用冷量，自由活塞斯特林制冷机应用于普冷领域时还应该考虑冷量传递问题。上海理工大学陈曦等[30]分析了斯特林制冷机用于普冷领域的关键技术，其中包括了冷量传递技术。主要讨论了三种冷量传递技术：直接式、热虹吸式和泵循环式。Stirling Ultracold公司生产制造的低温冰箱采用的就是热虹吸式传热技术。

4 结论与展望

斯特林循环发现以来，至今已有200年历史，基于斯特林制冷循环的自由活塞斯特林制冷机在最近10年来取得了巨大的进步，主要进步体现在制冷效率提高（达到20%以上的相对卡诺效率），工作寿命的延长（有效工作寿命达20万小时）。自由活塞斯特林制冷机最早在美国开发成功，其技术扩散主要途径是从美国到日本，再到中国。最近几年，通过多家商业公司的市场开拓，实现了规模化生产。目前的斯特林制冷技术已不仅是在科研院所或航空、航天机构内部开发使用，而是大规模向商业和民用转移，这是一种典型的航天军事科技向民用领域发展的案例。相信在不远的将来，不论是红外探测器的冷却，超导器件的冷却，液化天然气BOG的再液化，生物医疗领域的低温冰箱，还是冷链的食品储存，大冷量自由活塞斯特林制冷机会成为未来的研究热点，具有较大的发展空间。

就我国来说，斯特林制冷技术长期在高校和中科院等科研院所内部进行研究和开发，服务于国家航天军工产业，在民用和商业应用领域的开发远落后美国和日本。在我国的巨大市场和需求牵引下，采用引进-吸收-再开发的技术线路，通过科研院所的科技人员积极与商业企业合作，在自由活塞斯特林制冷机领域具有追赶和超越的能力和机会。目前面临的主要问题有：

（1）找到主要的应用领域。-80℃以下的低温冰箱是一个主要突破点，国内每年需求超过3万套，低温冰箱技术含量高，传统的压缩节流技术路线不如自由活塞斯特林制冷机可靠、节能环保；第二个领域是超导技术，超导领域的市场很大一部分被GM制冷机占领，但G-M制冷机制冷效率相对较低，且可靠性不如自由活塞斯特林制冷机；第三个领域是冷链领域，主要是小冷量的冷冻冷藏领域，市场大，但对成本敏感。

（2）开发面向市场的低成本自由活塞斯特林制冷机。首先需要确定斯特林机器的功率和制冷温度。现在主流的小型自由活塞斯特林制冷机的输入功率有40 W、80 W、150 W等，根据需要可以开发300 W的斯特林机器。更大功率的斯特林机器，考虑振动问题，最好采用对置压缩结构，可以开发500 W、1 kW、3 kW、5 kW、10 kW的机型。

（3）关键技术问题。第一，回热器对制冷性能影响较大，不同应用温区对回热器的技术要求不同，需要开发适应工作温区的高效率回热器；第二，气体轴承和板弹簧对自由活塞斯特林制冷机的寿命影响最大，需要设计可靠的静压气体轴承，研制大刚度长寿命的板弹簧；第三，自由活塞斯特林制冷机在单一温区的效率比较高，但如何在较大温区范围内仍能保持较高的效率，也是目前发展的一项重要技术问题。一旦有效解决了这些问题，自由活塞斯特林制冷机的发展将会在商用和民用制冷领域取得更加明显的优势。

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OVERVIEW OF RESEARCH AND APPLICATION OF FREE-PISTON STIRLING COOLER

ZENG Yang-ping，CHEN Xi
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science&Technology，Shanghai200093，China）

An overview about the development history and research progress of free-piston Stirling cooler（FPSC）is presented.FPSCs are compared with split-Stirling coolers.It is obvious that relative Carnot efficiency of FPSC is higher than that of split-Stirling cooler.With the advantages of high efficiency，compactness and large cooling temperature range，FPSC is applied in many fields such as space technology，superconductor，ultra-low temperature freezer and domestic refrigeration.FPSCs are also expected applied to many other fields.At last，according to the development status of FPSC，some advices are provided，which would be useful to the developments and applications of FPSCs.

FPSC；space technology；superconductor；ultra-low temperature freezer；domestic refrigeration

T651

A

1006-7086（2017）02-0068-08

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.002

2016-08-06

曾烊平（1993-），男，江西吉安人，硕士研究生，研究方向：低温制冷机。E-mail：zengyang.ping@163.com。