斯特林冰箱的关键技术分析

摘要：斯特林制冷技术具有“绿色”制冷剂﹑制冷温度低﹑节能﹑制冷量易控等特点，在冰箱上的应用具有极大的优势。本文对斯特林冰箱的研制提出了初步的构思，并对斯特林冰箱的几个关键技术分别进行了介绍，最后展望了这种极具潜力的冰箱技术的发展前景。

0 前言

19 世纪60年代A. Kirk利用逆向斯特林循环进行制冷，获得成功以来，斯特林制冷技术发展已有百多年历史【1】，然而由于技术水平的限制，在20世纪90年代才有美国的 Sunpower公司研制成功可用于冰箱系统的斯特林制冷机。目前国内还无斯特林冰箱产品。作为一种新型的冰箱制冷技术，相对于传统的蒸汽压缩节流冰箱系统，采用斯特林制冷循环的冰箱具有高效率﹑“绿色”制冷剂﹑制冷温区广﹑启动电流低﹑制冷量易控等特点，在环保及节能方面具有明显的优势。斯特林冰箱与传统的冰箱有极大的不同，斯特林冰箱采用整体式自由活塞斯特林制冷机作为冷源，其原理是氦气膨胀制冷，因而无节流系统和蒸发器。

斯特林冰箱的核心是斯特林制冷机，其技术和性能决定了斯特林冰箱的研究和发展。因此设计制造高效率﹑长寿命﹑大冷量的斯特林制冷机是研究的关键；斯特林制冷机冷头到冰箱冷空间的冷量传递是影响系统整体效率的重要因素，也有必要进行详细研究。

1 自由活塞斯特林制冷机

斯特林制冷机的结构有多种，按形状分有整体式和分体式；按结构分有 型﹑ 型﹑ 型【2】。用于冰箱的斯特林制冷机宜采用整体式自由活塞结构。William Beale在20世纪60年代早期首次在斯特林冷机中使用自由活塞技术，自由活塞型斯特林制冷机（FPSC）的特点是利用气动技术进行膨胀制冷的，即通过气体压力差和弹簧控制推移活塞的运动，而不在膨胀机部分使用电机。采用直线电机驱动压缩机，利用气体轴承和板弹簧支撑内部的运动部件。自由活塞斯特林制冷机具有结构紧凑、重量轻、无油、运动部件少、可靠性高、低噪音、低振动、不易磨损、寿命长、制冷量方便可调等优点【3，4】。整体式自由活塞斯特林制冷机（FPSC）结构如图1所示。

图1 整体式自由活塞斯特林制冷机结构图

整体式自由活塞斯特林制冷机80年代得到极大发展。这导致了国外90年代初开始的斯特林冰箱研究热潮。FPSC的实验和理论研究还很不完善，特别是国内还没有单位对其进行详细的研究，对其关键技术还没有完全掌握，有待于详细研究。结合国外的研制情况，在此对其基本的关键技术进行初步分析。主要包括环形蓄冷器﹑直线电机﹑静压气体轴承支撑技术﹑板弹簧支撑技术及热端散热器和冷量换热器的设计。

1.1 环形蓄冷器

蓄冷器是斯特林制冷机的重要部件，其效率的高低对制冷机的制冷效率影响很大。针对大冷量自由活塞斯特林制冷机的结构需要，研究中采用环形柱形蓄冷器结构，内部填充丝网结构。蓄冷器对填料的基本要求是：保证有足够的回热能力；获得小温差传热要求；提供足够的气流空隙通道；满足气体流通及压力波的传播【2】。因而对所填充的材料性能要求是：具有大的热容性；热导率较高；空穴率适当。蓄冷器内部结构极其复杂，丝网（金属球）的排列是不规则的，作为一个整体研究一般把它当成多孔介质。环形蓄冷器的优化在于保证足够回热能力的同时，降低空隙容积以提高压比，而氦气流过蓄冷器的压降要小。

图2为环形蓄冷器的结构示意图。

1上封头； 2上导流板； 3 蓄冷器外套； 4 金属网片；5 蓄冷器内套； 6 下导流板； 7 下封头

图2 环形蓄冷器的剖面图?

1.2 直线电机

目前，小型斯特林制冷机多采用动圈式直线振荡电机，它产生的平均推力小，而且由于电机动子在工质中往复运动、动子线圈的导线易短路和断路，并且电流产生的焦耳热也很难散出，由于上述结构特点，动圈式直线电机不宜用于中大冷量的斯特林制冷机中。动磁式直线振荡电机不仅结构简单、损耗小、寿命长，控制电路也不复杂，容易对振荡的频率和振幅实现控制，而且随着NdFeB等具有高磁通量新型永磁材料的出现，动磁式电动机在少量磁铁下就能产生足够的动力，因此相对于其它电动机来说，其运动部件的质量要轻的多。较小的运动部件质量就意味着容易设计满足线性压缩机的谐振弹簧。图3为动磁和动圈直线电机示意图。

图3 动磁和动圈直线电机示意图

1.3 静压气体轴承支撑技术

气体轴承是使用气体代替油作为润滑剂，所以它几乎无摩擦，无磨损，不发热，对使用环境和使用部位没有任何污染。在斯特林制冷机里采用静压气体轴承，其作用在于支撑运动活塞，减小磨损，提高自由活塞型斯特林制冷机的寿命。

图4 斯特林制冷机内静压气体轴承的结构示意图

图 4是采用静压气体轴承的自由活塞斯特林制冷机结构图。可以看出在压缩活塞和排出器与气缸壁接触的部位有压缩气体的节流，通过节流产生的压差支撑压缩活塞和排出器。达到减小 磨损，提高制冷机寿命的目的。节流气体来源于压缩腔的高压氦气，通过活塞上的阀门控制进气压力和进气量。活塞环形腔内的氦气一部分对气缸壁节流，一部分对膨胀活塞杆节流。避免了活塞内外壁面与膨胀活塞杆及气缸壁得直接接触带来的摩擦磨损，极大的提高了制冷机的运行寿命。通过合理的设计活塞的环形腔体﹑开启阀门以及节流孔的大小和形状，可以在极小的耗气量下保证制冷机的长寿命运行。

1.4 板弹簧支撑技术

板弹簧柔性支承具有结构简单可靠、重量轻等优点。板弹簧是斯特林制冷机的关键零件，用于支撑制冷机运动活塞与推移活塞，保持运动过程活塞与气缸的密封间隙。板弹簧在斯特林制冷机的间隙密封、减少磨损、提高整体可靠性和工作寿命方面有着至关重要的作用。板弹簧的寿命直接影响着制冷机的工作寿命和可靠性。对板弹簧的研究重点在于其型线研究和寿命考核。图5为典型的三线型板弹簧结构图。

图5 板弹簧结构图

1.5 热端换热器的设计

大冷量的斯特林制冷机的热端散热器的散热量是极大的，由于散热器内的氦气流道属于制冷机的空容积，因而斯特林制冷机的散热器要求高效紧凑。散热器的设计会极大得影响制冷机性能，死容积太大则会降低压比，减小制冷量；散热能力不强则会提高热端氦气温度，相当于提高了制冷机的工作温度，会降低制冷机的效率。

1.6 冷量换热器的设计

对于大冷量的斯特林制冷机，膨胀腔内的氦气与冷头内壁的换热量会比较大，为了提高制冷机效率，必须减小换热温差，所以要求设计高效紧凑的冷头内部换热器。

2 冷量传递技术分析

斯特林冰箱与传统的冰箱有极大的不同，斯特林冰箱采用整体式自由活塞斯特林制冷机作为冷源，其原理是氦气膨胀制冷，因而无节流系统和蒸发器。斯特林制冷机冷头到冰箱的冷量传递效率对斯特林冰箱系统的整体效率具有极大的影响，为了有效提高系统的制冷效率，对于冷量的传递技术有必要进行详细的分析。几种常用得冷量传递方式有：

2.1 直接式

直接式冷量传递方式如图6所示，采用斯特林制冷机的冷头直接伸入冰箱内部的结构。其优点在于结构简单，但由于冷头面积较小，不利于冷量的传递，且易使得冰箱内的温度分布不均。是一种最简单，最基本的冷量传递方式。

2.2 热虹吸式

两相闭式热虹吸管又叫重力热管，简称热虹吸管。与普通热管相比，热虹吸管没有吸液芯，因此结构简单， 制造方便，应用广泛。如图7为热虹吸系统原理图。?

图7 热虹吸系统原理图

在热虹吸管中，热量由加热段产生的蒸汽流输运到冷却段，冷却段产生的冷凝液则由重力作用返回到加热段。热虹吸系统制造简单，设计技术成熟可靠。2001年，针对40W的自由活塞型斯特林制冷机来冷却40L的冰箱，Global Cooling公司采用CO2作为传热媒介的热虹吸管来传递冷头到冰箱的冷量，获得成功，并申请了美国专利【4】。

2.3 液体泵循环

采用液体泵驱动的二次冷媒载冷循环是一种比较常用的载冷方式，特别在大冷量的情况下具有较大的优势，不足之处是低温液体泵的使用会增加冰箱系统的能耗，不利于提高系统效率以及降低成本。如图8为使用泵强制对流换热的斯特林冰箱系统

图8 泵循环载冷冰箱系统

通过以上的介绍及分析，可以得出以下结论：（1）在小冷量、小空间的冰箱中采用直接式冷量传递系统；（2）在大冷量、大空间冰箱中宜采用低温液体泵循环系统；（3）在高效率冰箱中采用热虹吸冷量传递系统是比较有潜力的。

3 斯特林冰箱的意义及发展前景

斯特林冰箱系统的研制开发具有极其重要的意义，是新一代的节能环保冰箱。其优势有：

（1）斯特林冰箱采用氦气作为制冷剂，解决了长期困扰的制冷剂替代问题，保护了大气臭氧层，彻底实现了“绿色冰箱”的环保理念。

（2）相对于压缩节流制冷系统，采用斯特林制冷技术可以极大的节能，可节能15%～30%【5～7】，降低了冰箱的能耗及运行成本。

（3）斯特林冰箱的制冷温度可以更低，控温精度可以更高，可以满足人们对保存食品及生物工业用品的更高要求。

目前，美国﹑日本﹑韩国和欧洲一些发达国家的研究机构和大公司已致力于这方面的研究工作，其中美国GE﹑Sunpower﹑新西兰Global Cooling BV﹑韩国LG﹑日本Toshiba和Twinbird等公司都有相关的研究报告【4～7】，其中Twinbird已有小型移动式斯特林冰箱的产品。斯特林冰箱的研制对于我国冰箱业的发展是一种超前研究，其研究不仅对现代冰箱业的发展和环境保护具有重大的现实意义，而且也具有极其重要的经济价值。