斯特林制冷机用于商业制冷的研究现状初析

文章编号：0253-4339(2008)06-0051-06
斯特林制冷机用于商业制冷的研究现状初析
陈曦张华1吴亦农2
(1上海理工大学动力工程学院上海 200093; 2 中国科学院上海技术物理研究所上海 200083)
摘要相对于传统的蒸汽压缩节流制冷系统，采用斯特林制冷循环的新型制冷系统具有高效率﹑“绿色”制冷剂﹑制冷温区广等特点，在环保及节能方面具有明显的优势。

通过对国内外斯特林制冷技术用于商业制冷领域的发展进行综述，展望了这种极具潜力的制冷技术的前景。

最后，大冷量中温区斯特林制冷机和冷头到冷空间的冷量传递作为斯特林制冷的两个关键技术分别进行了介绍。

关键词热工学；斯特林制冷机；综述；商业制冷
中图分类号：TB61+93 文献标识码：A
Review of Stirling Cooler Key Technologies Applied in
Commercial Refrigeration
Chen Xi1 Zhang Hua1 Wu Yinong2
(1. College of Power Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai, 200093, China;
2. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200083, China)
Abstract New refrigeration systems based on the Stirling cycle have remarkable advantages in energy saving and environment protection because of higher efficiency, using green refrigerant, and larger range of cooling temperature compared with conventional vapor compression systems. The research development of Stirling refrigeration technology for commercial application is described, and the prospects of the Stirling refrigeration technology are stated. In addition, the two key technologies of Stirling refrigeration, high capacity Stirling cooler for intermediate lift temperature and heat transfer between the cold end of Stirling cooler and the cooling space, are presented respectively.
Keywords Pyrology; Stirling cooler; Summary; Commerce refrigeration
斯特林制冷机是利用膨胀气缸内气体周期性膨胀和压缩来制取冷量的一种气体机械制冷机，其理论制冷效率为卡诺效率[1~2]。

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一百多年历史。

一直以来，由于技术成本和生产成本较高的原因，斯特林制冷机主要用于航天领域及红外探测器件的冷却，制冷温度大都低于100K，制冷量较小，在几毫瓦到几瓦范围内。

20世纪80年代以后，随着斯特林制冷技术的成熟，其设计和制造成本逐年下降，斯特林制冷机的应用面和产量逐渐增加。

特别是传统制冷系统由于ODP(臭氧层破坏)和GWP(温室效应)而受到越来越严格的限制，这为斯特林制冷技术的蓬勃发展提供了难得的历史机遇。

斯特林制冷与传统的蒸气压缩节流制冷有极大的不同，斯特林制冷技术一般采用整体式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。

相对于传统的蒸汽压缩节流制冷系统，采用斯特林制冷系统具有高效率、“绿色”制冷剂、制冷温区广等特点，在环保及节能方面具有明显的优势[2~4]。

1 斯特林制冷在商业制冷的研究现状
一般来说，120K是普冷(制冷)和深冷(低温)的分界点，低于120K称为深冷(低温)技术，高于120K称为普冷(制冷)技术。

上世纪90年代以来，国内外的斯特林技术研究机构先后提出并研制了可用于商业制冷(制冷温度高于120K)领域的斯特林制冷系统，其主要的研究机构包括美国的Sunpower公司、Infinia(STC)公司、以色列IST公司、法国电力公司、日本Twinbird公司、新西兰的
收稿日期：2008年5月22日
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2008年 2月
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Journal of Refrigeration
December. 2008
Global cooling 公司、西安交通大学、中国科学院以及上海理工大学等。

1.1 国外斯特林制冷用于商业制冷的研究
斯特林制冷技术在商业制冷上的研究包括，大冷量中高温区斯特林制冷机的研制和斯特林制冷机在制冷系统上的应用研究。

以色列IST 公司与法国电力公司 EDF 合作[5~6]
研制了采用旋转电机的曲柄连杆结构的斯特林制冷机，其结构如图1所示，基本完成了应用研发阶段。

其系统实验证明，该斯特林制冷机在小型制冷系统上具有比传统蒸汽节流制冷系统更高的制冷系数。

图
1 IST 公司的斯特林制冷机结构图Fig. Stirling cooler in IST Company
韩国LG 公司的Kim [7]等采用自由活塞斯特林制冷机对60L 的冰箱制冷，使冰箱内温度保持在-20℃，结果显示相对于蒸汽节流制冷系统节能25%。

牛津大学的Green [8]等研究了使用热虹吸系统对冷头和热端传热的FPSC 系统，研究结果显示比传统的制冷设备节能17%。

可见将自由活塞斯特林制冷机用于商业制冷方面具有极大的发展潜力。

图2 FPSC 与Rankine 制冷系统的质量比较[ ]Fig.2 FPSC VS. Rankine system by mass D.M. Berchowitz [9~12] 博士对自由活塞斯特林
制冷机与Rankine 制冷系统进行了比较，得出在小制冷量下，自由活塞斯特林制冷机具有重量轻、效率高的优势。

如图2所示为二者的质量比较。

由图2可见，在制冷量小于300W 时，FPSC 的制冷比Rankine 系统小很多。

图3为二者在小制冷量下的COP 比较。

明显可以看出，在200W 以下FPSC 的COP 值要比Rankine
制冷系统高。

图 FPSC 与Rankine 制冷系统的COP 比较[ 2]Fig. FPSC VS. Rankine system by COP
图4 夏普公司的自动售货机(FPSC )Fig. 4 Vendor (FPSC ) in Sharp Company
在2004年6月的布鲁塞尔自然制冷工质国际会议上Coca cola 公司副总裁Jeff [13]提出短期CO 2制冷技术将代替部分氟利昂制冷系统，但长期看来，斯特林制冷技术由于更环保，且制冷系统效率更高，因而在未来将更具有竞争力。

日本夏普公司计划在VM (Vending Machine )上使用FPSC 代替传统的Rankine 制冷系统[14]。

2004年4月在日本名古屋可口
可乐自动售货机上的实验测试结果显示，与传统的自动售货机相比，采用FPSC 可节能24%(测试条
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件：32℃，65RH ),
下一步改进目标是节能30%。

如图4为夏普公司的FPSC 自动售货机系统图。

2004年，室外用品商日本Coleman 公司[14](东京)已经投产配备FPSC 的小型冰柜“Portable Freezer Cooler 25L ”，而日本Twinbird [15]公司的FPSC 汽车冰箱也于2004年底上市。

图5即为Twinbird 公司生产的FPSC 汽车冰箱实物图。

(a ) FPSC 汽车冰箱 (b ) FPSC
图5 Twinbird 公司的汽车冰箱和FPSC
Fig. 5 Automobile fridge (
FPSC ) in Twinbird Company
1.2 国内斯特林制冷用于商业制冷的研究
最近3年以来，国内研究大冷量中高温区斯特林制冷机逐渐兴起，主要研究机构有中科院上海技术物理研究所、西安交通大学、中科院理化技术研究所、上海理工大学、华中科技大学等。

西安交通大学孙乐安等[16]开发了一种V 型整体式斯特林制冷机，其结构如图6所示。

图6 V 型整体式斯特林制冷机装置图[ 6]
Fig. 6 Structure drawing of V type Stirling cooler
该斯特林制冷机同样采用了成熟的大功率油润滑旋转压缩机技术，具有成本低，制造容易的特点。

在该斯特林制冷机中，压缩机活塞直径为65mm ，行程为50mm ，膨胀机活塞直径为
40mm ，行程为50mm ，采用0.1mm 钢丝直径的不锈钢丝网作为蓄冷器填充材料，采用风冷翅片散热。

通过
优化充气压力及压缩机转速，得到最大制冷量为170W ，针对家用冰箱得到的最大COP 为1.1左右。

该装置的缺点是润滑油的污染问题较难解决，润滑油可能到达冷端而污染冷腔和蓄冷器，因而可靠性较难保证。

中国科学院北京理化技术研究所的吴张华等
[17]
提出了一种脉管型双活塞斯特林制冷机结构，通
过在冷端与膨胀活塞间加入一段脉管后，采用气体活塞来实现冷端向室温的过渡，使得膨胀活塞完全处于室温环境中，从而避免了传统双活塞斯特林制冷机的膨胀活塞由于工作在低温环境，而导致的润滑、密封及磨损等方面的问题，从而提高了系统的可靠性。

该技术方案同样采用大功率油润滑压缩机, 为解决润滑油问题而采用弹性膜的方法对油润滑压缩机进行改装，通过弹性膜传递声功，可以将压缩机侧的气体与制冷机侧的工作气体隔开，从而
避免了润滑油的污染。

由此可得到低成本的大功率无油润滑压缩机。

该装置的结构如图7所示。

图7 脉管型双活塞斯特林制冷机的结构图[ ]
Fig. Drawing of pulse type two pistons Stirling cooler
压缩腔和膨胀腔的容积均为110cm 3，实验所用双缸油润滑压缩机额定功率为3.7kW ，单活塞扫气量为88cm 3，膨胀活塞落后压缩活塞120°相位。

该装置以氦气为工质，采用水冷结构，在-80℃获得了200W 的制冷量，-9℃获得了400W
的制冷量。

不考虑声功损失，制冷机制冷系数达到了0.72, 已经达到了与两级复叠制冷循环相当的程度。

该装置的优点是部分解决了润滑油对冷端的污染问题，但是弹性膜长期高频震动的可靠性需要验证，其次通过弹性膜传递声功带来极大的能量损失，在总效率上无法超越传统制冷方式。

中国科学院上海技术物理研究所在2006年开发了一台整体式自由活塞斯特林制冷机[18~21]，采用
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了动磁式无油润滑直线压缩机技术，利用柔性弹簧支撑内部的运动部件,压力波驱动膨胀活塞的运动。

自由活塞斯特林制冷机的参数如表1所示，其几何外形尺寸如图8所示。

当输入功为250W时，在200K制冷温度下有40W的制冷量，且通过改进相位差和活塞行程还可以进一步提高制冷量。

表1 自由活塞斯特林制冷机参数
Tab.1 Specifications of FPSC
图8 自由活塞斯特林制冷机的外形图[ 8] Fig. 8 Outside drawing of free piston Stirling cooler
上海理工大学[22]与中科院上海技术物理研究所联合在进行自由活塞斯特林制冷机的进一步研究工作。

华中科技大学[23]也对自由活塞斯特林制冷机的设计和调试理论进行了一些理论分析。

2 斯特林制冷机用于商业制冷的关键技术
斯特林制冷机用于商业制冷的核心是斯特林制冷机，其技术和性能决定了斯特林制冷技术在商业制冷领域的研究和发展。

因此设计和制造高效率、长寿命、大冷量的斯特林制冷机是斯特林制冷机商业化应用的关键。

其次，斯特林制冷机冷头到制冷空间的冷量传递是影响系统整体效率的重要因素，也很有必要进行详细研究。

2.1 大冷量中高温区斯特林制冷机研制
根据对国内外对斯特林制冷技术的研究，可以看出，大冷量中高温区斯特林制冷机主要有两种结构。

一种是采用普通的旋转电机和曲柄连杆结构[24]，其优点是技术成熟，价格较低，缺点是必须采用特殊方法解决润滑油污染问题，目前的研究机
构主要有西安交通大学、中科院北京理化技术研究所、以色列IST、 Infinia(STC)公司、法国电力公司等。

另一种是自由活塞斯特林制冷机(FPSC)结构[25]，其特点是采用动磁式直线压缩机[26]，通过柔性弹簧与静压气体轴承结合来代替润滑油技术[27]，其优点是既可保证运行的可靠性，又可以避免润滑油对制冷机的油污染问题，缺点是技术还不够成熟、价格较高，目前的研究机构主要有美国Sunpower、GE、新西兰Global Cooling BV、韩国LG、日本Toshiba、Twinbird、中科院上海技术物理研究所、上海理工大学、华中科技大学等。

总体来说，这两种技术方案目前都在发展，都有其不足之处，对于小型制冷系统(Q
<200W)来说，倾向于采用自由活塞结构(FPSC)；对于中
型制冷系统(200W<Q
<2000W
)来说，采用曲柄连杆结构较为方便；对于大型制冷系统，如冷库及空调系统来说，目前的斯特林制冷技术还不具有优势。

2.2 冷量传递技术分析
斯特林制冷系统与传统的压缩节流制冷系统有极大的不同，斯特林制冷采用整体式斯特林制冷机作为冷源，无节流系统和蒸发器。

斯特林制冷机冷头到冷空间的冷量传递对斯特林制冷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：
1)直接式[28]
图9 直冷式斯特林冰箱系统图
Fig. 9 System figure of direct cooling by Stirling c ooler 直接式冷量传递方式如图9所示，斯特林制冷机的冷头直接伸入冷空间内部，其优点在于结构简单，但由于冷头换热面积较小，不利于冷量的传递，易使箱内的温度分布不均。

是一种最简单，最
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基本的冷量传递方式。

2) 热虹吸式[29]
图
10 热虹吸系统原理图
Fig. 0 Schematic diagram of thermosiphon cooling system
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10为热虹吸系统原理图。

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CO 2作为传热媒介的热虹吸管来传递冷头到箱内空间的冷量，获得了成功，并申请了美国专利
[29]。

3) 液体泵循环[30~31]
图11 泵循环载冷冰箱系统
Fig. Schematic diagram of pump loop fridge system
采用液体泵驱动的二次冷媒载冷循环是一种比较成熟的冷量传递方式，特别在大冷量的情况下具有较大优势，不足之处是低温液体泵的使用会增加系统能耗，不利于提高系统效率以及降低成本。

如图11为使用泵强制对流换热的斯特林制冷系统。

通过以上的介绍及分析，可以得出以下结论：1)在小冷量、小空间制冷系统中宜采用直接式
冷量传递系统；2)在大冷量、大空间制冷系统中宜采用低温液体泵循环系统；3)在高效率制冷系统中宜采用热虹吸冷量传递系统。

热虹吸冷量传递与自由活塞斯特林制冷机的结合是未来小型斯特林制冷系统的发展方向。

3 结论
通过对国内外斯特林制冷技术用于商业制冷领域的发展进行综述，展望了这种极具潜力的制冷技术的前景。

对斯特林制冷系统的关键技术，包括
大冷量中温区斯特林制冷机和冷头到冷空间的冷量传递分别进行了详细的介绍。

比较了两种典型的斯特林制冷机结构，并以制冷量为标准对曲柄连杆型和自由活塞型斯特林制冷机的应用与发展进行了总结。

通过分析三种冷量传递方式，总结了不同冷量传递方式的应用场合，并提出热虹吸冷量传递与自由活塞斯特林制冷机的结合是未来小型斯特林制冷系统的发展方向。

随着斯特林制冷机性能的逐渐提高，其生产成本也将逐渐降低，相信斯特林制冷机在商业制冷领域必将占有一席之地。

(本文受上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金(563102)、上海市教育委员会重点学科建设项目(J50502)资助。

The project was supported by Science Foundation for the Excellent Youth Scholars of Shanghai (563102)and Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission (J50502).
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