20K以下温区斯特林型脉管制冷机的最新研究进展与损失机理分析

　　1 引 言

　　近年来，随着军事、医学、环境、交通、能源、农业和生物等诸多领域对低温环境的需求不断增大，小型低温制冷机得以迅速发展。由于军事和空间技术( 如亚毫米波、红外、X 射线、射线探测) 对制冷机的制冷温度、效率、可靠性、重量及寿命等要求越来越高，开发 20 K 以下温区高效紧凑的低温制冷机现已成为空间用低温制冷技术的研究热点。表 1给出了 20 K 以下温区的应用实例。从在美国举行的近 3 届( 2006、2008、2010) 国际低温制冷机会议上信息分析，欧美等发达国家已经掌握了 55—150K 温区的空间低温制冷技术，未来的研究重点将主要放在 6—20 K 空间低温制冷技术上。因此，积极探索 20 K 以下高效、紧凑的深低温制冷技术具有重要意义。

　　当前 20 K 以下温区应用的小型低温制冷机主要包括 G-M 制冷机、G-M/J-T 混合制冷机和 G-M 型脉管制冷机。G-M 型脉管制冷机具有冷端无运动部件的优点，发展历史悠久，其商品化制冷机已覆盖从液氦到液氮温区，然而 G-M 型脉管制冷机庞大的尺寸和重量限制了其应用范围。此外，以上 3 种低温制冷机均存在油污染、寿命低、振动大等问题。相比之下，斯特林型脉管制冷机采用线性压缩机技术，具有紧凑、可靠性高、寿命长等优点，在 20 K 以下温区有很大的应用潜力，特别在军事和空间技术领域，斯特林型脉管制冷机有着巨大的应用优势。

　　前单级 G-M 型脉管制冷机已获得 10 K 左右的低温，而单级斯特林型脉管制冷机尚无法达到 20K 以下，为了获得更低的制冷温度，斯特林脉管制冷机必须采用多级结构，使其应用场合受到限制。故追求更低的制冷温度，减少达到液氦温区的级数，已成为众多研究者追求的目标。此外，由于某些应用场合对大冷量的需求，也使得发展 20 K 以下温区的大功率( 4—20 kW) 斯特林型脉管制冷机成为当前的研究趋势。

　　本文系统总结了目前为止国内外达到 20 K 以下温度的斯特林型脉管制冷机的研究进展，并重点分析了在 20 K 以下温区影响制冷机性能的主要原因。

　　2 20 K 以下温区斯特林型脉管制冷机的研究进展

　　目前达到 20 K 以下制冷温度的斯特林型脉管制冷机包括纯斯特林型和预冷型两类。从事 20 K 以下温区斯特林型脉管制冷机研究的单位主要有美国的洛克希德·马丁研究中心( 简称 LMATC) 、诺斯罗普·格鲁门空间技术公司( 简称 NGST) 、Sierra Lobo 公司、美国国家标准技术研究院( 简称 NIST) ，德国吉森大学，法国原子能署低温部( 简称 CEA/SBT) ，浙江大学、中国科学院理化技术研究所等。