斯特林制冷机用于商业制冷的研究现状初析.kdh

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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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