回热式低温制冷机及其

在超导电力技术中的应用

邱利民

浙江大学制冷与低温研究所

2014年11月

2014年中国电机工程学会年会

说在最前面的感谢

感谢电工所、理化所等国内同行的支持

感谢美国、德国、荷兰、法国等国际同行的支持

感谢日本住友、美国CRYOMECH、万瑞冷电、中船鹏力（南京）超低温技术有限公司等国内外企业的大

力支持

… …

不当之处，敬请批评指证，谢谢！

Limin.Qiu@zju.edu.cn

3

一、低温制冷机的应用需求一、低温制冷机的应用需求

二、GM制冷机发展状况二、GM制冷机发展状况

三、脉管制冷机发展状况三、脉管制冷机发展状况

四、回热式低温制冷机发展方向四、回热式低温制冷机发展方向

4

低温外科

核磁共振

低温生物

红外制导

γ射线传感

红外侦查 磁谱仪

燃料存储

红外探测

超导输电 超导磁悬浮

粒子加速器

超导储能

国家重大需求

可靠、高效、低成本的低温制冷技术是工业、科学发展的基本支撑条件之一

直接冷却 液体浸泡 载冷剂冷却 热管冷却

低温制冷

5

制冷量：0.01K-120K，数毫瓦到数千瓦、数十千瓦；

应用范围广、辐射性强、制冷工质种类少、性质特殊！

应用类 应用温度 所需冷量

军事航天 0.01-110K 0.01-10W

超导磁体 2-77K 0.01-20kW

医疗卫生 4.2-80K 1-1000W

小型液化 4.2-110K 1-1000W

科学实验 0.01-120K 0.1-1000W

国家重大需求

6

应用类 应用温度 所需冷量

军事航天 0.01-110K 0.01-10W

超导磁体 2-77K 0.01-20kW

医疗卫生 4.2-80K 1-1000W

小型液化 4.2-110K 1-1000W

科学实验 0.01-120K 0.1-1000W

超导电力：大冷量，需求大——灵活、高可靠性低温制冷机

军事航天：要求苛刻——高效、紧凑、高可靠、长寿命低温制冷机

国家重大需求

7低温制冷机的需求

Helium Supply and Demand Liquid Helium Price

- 为减少液氦的挥发，储备氦资源，推广基于液氦制冷机的氦气回收方法，需要4K低温制冷机！

1.氦资源战略储备—中国：氦资源贫乏，主要依赖进口

8

2.超导行业需求

液氦消耗主要领域-超导领域

- 超导电力技术迅速发展，20-80K低温制冷机需求日益剧增！国内年产量

9低温制冷技术族谱

Cryogenic Refrigeration

Open Cycle

Stored GasHigh pressureAmbient temp.

Stored CryogenAmbient pressureLow temperature

Closed CycleCryocoolerDynamic Static

Radiator

Sorptioncompressor

Solid stateMagneticThermoelectricLaser

Regenerative RecuperativeJoule-ThomsonBraytonClaude

StirlingVuilleumierPulse tube

Gifford-McMahonPulse tube

ValvelessValves

Joule-Thomson Solid Liquid Supercritical

Cryogenic Refrigeration

Open Cycle

Stored GasHigh pressureAmbient temp.

Stored CryogenAmbient pressureLow temperature

Closed CycleCryocoolerDynamic Static

Radiator

Sorptioncompressor

Solid stateMagneticThermoelectricLaser

Regenerative RecuperativeJoule-ThomsonBraytonClaude

StirlingVuilleumierPulse tube

Gifford-McMahonPulse tube

ValvelessValves

Joule-Thomson Solid Liquid Supercritical

回热式低温制冷机：体积小、重量轻、灵活、地面和空间应用方便，是应用面最广的低温制冷机

10回热式低温制冷机

GM制冷机斯特林制冷机

ＧＭ脉管制冷机斯特林脉管制冷机

• 驱动高效，紧凑，可靠• 高频损失，匹配复杂，难以达到液氦

• 压缩机简单，远驱动，油污，电磁阀• 低频损失小，压比大，冷端膨胀充分

1、2：军事航天探测器，小型电子器件，磁谱仪，JT制冷机预冷

3、4：超导磁体，电子器件，小型液化器，低温真空泵

12

34

11

核心技术过去长期被国外垄断，国外已产业化，我国起步晚，自主创新少，主要依赖进口，或一边研制一边使用

斯特林型脉管制冷机 GM型脉管制冷机

斯特林制冷机 GM制冷机

回热式低温制冷机

12

数据来源：Web of Science Core Collection 核心合集；BIOSIS Citation Index(生命科学学术信息)；Chinese Science Citation Database 中国科学引文数据库；Derwent Innovations Index（德温特专利检索）；MEDLINE（医学索引）； SciELO Citation Index(图书引文索引）12国家: USA, Germany，England，France，Netherland，Russia，Israel，Iran，Korea，Japan，India，China

常用小型低温制冷机的研究比例

回热式低温制冷机

1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 20130.0

0.5

1.0J-T cooler 628项 G-M cooler 730项

Stirling cooler 1739项

Pulse Tube cooler 1991项

13

1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 20130.0

0.5

1.0J-T cooler 628项 G-M cooler 730项

Stirling cooler 1739项

Pulse Tube cooler 1991项

回热式低温制冷机

两类特殊制冷机

GM制冷机: 研究趋于成熟，惟一工业化大批量生产的低温制冷机，

社会需求量最大低温制冷机，年产过2万台。

脉管制冷机: 当前最大研究热点，应用潜力巨大，理想替代机型。

常用小型低温制冷机的研究比例

14

一、低温制冷机的应用需求一、低温制冷机的应用需求

二、GM制冷机发展状况二、GM制冷机发展状况

三、脉管制冷机发展状况三、脉管制冷机发展状况

四、回热式低温制冷机发展方向四、回热式低温制冷机发展方向

15GM制冷机发展状况

1.GM制冷机发展历史

快速发展与推广的主要原因：

压缩机由空调压缩机改造而成，制造简单，成本低，性

能稳定；远距离驱动，冷头振动干扰小；

低频换热充分，阻力损失小，压比较大，膨胀效率高，

易达到深低温。工作温度宽，冷量范围大

16GM制冷机发展状况

1.GM制冷机发展历史

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 20100

10

20

30

40

50

60

10kW 大压缩机 （1.8W/4.2 K冷量）

2013

1级GM100W/30K

多层填料技术 （获得2.09K制冷）

MRI发明（促进超导应用）

文献

专利

雏形机

整机优化：CFD模拟(多维定量）

整机优化：Sage模拟（一维定量）

核心部件优化：REGEN3.1（一维定量）

液氦温区商品化液氮温区商品化

GM制冷机发明（实现连续回热制冷）

2级GM3.0W/4.2K

GM制冷机研究文献数量

2013

3级GM 2.09K

热力学分析：西蒙膨胀原理（一维定性）

3级GM 6.5K

2级GM 7.5K

磁性填料发明(实现液氦制冷）

1级GM~700W/80K

1960 1970 1980 1990 2000 2010

理论发展

17

公司 产品型号 最低温度 制冷量 输入功率

单级GM制冷机商品信息

CTI M1050 32K 80W/77K 5.5kW

CRYOMECH AL600 25K 620W/80K 15kW

CRYOMECH AL330

18

2. GM制冷机商品化状况（技术指标）

国外 2）Cryomech

• 拥有30 K和77 K 温区最大制冷量的GM制冷机

AL330 AL600

特点：

• 20-40K温区大冷量

• Tc

19

2. GM制冷机商品化状况（技术指标）

国内 1）万瑞冷电，20K，77K系列

• 已实现应用：

探测器冷却，电子器件冷却，低温泵，材料低温

测试，超导磁体测试，超导电缆等HTS冷却……

型号 双级制冷机 单级制冷机

GM205 GM210 GM150最低温度

20

2. GM制冷机商品化状况（技术指标）

国内 2）中船超低温（南京柯德），4K，20K，40K，77K系列

氦压缩机 GM 制冷机KDC6000，KDC6000V 210，210S 410，410S，415 400S

GM制冷机发展状况

5项国内及全球核心专利

• 气体间隙调相低温制冷技术• 纳米过滤通道油分离技术

4K GM系列：1.5W@4.2K；1W@4.2K10K GM系列：18W@20K, < 8K单级GM系列：54W@40K, < 30K

21

2. GM制冷机商品化状况（技术指标）

国内 2）中船超低温（南京柯德）

GM制冷机发展状况

部分成功应用案例：

液氢温区大型低温系统：某军工单位；

MRI：丰盛超导、宁波某公司等；

低温内纯化系统：中科院理化所；

磁制冷：中科院 理化所；

科研用无液氦超导磁体：电工所；

低温测试装置： 中科院等离子所、国家脉冲强磁场科学中心等 ；

氦液化器：京安古贝（北京）公司；

选矿用超导除铁器：某单位。

22

1.可靠性、寿命（维护~1年，寿命~5年） 压缩机润滑油失效、污染

材料放气污染

运动部件磨损、振动

高磁场环境运行干扰

生产商型号 机型 维护（h） 制冷量及温度

CryomechAL600 GM 10000 600 W@80 K

Cryomech AL325 GM 10000 230W@50K住友CH-110 GM 15000 200 W@77 K

住友CH-208L GM 15000 10 W@20 K

万瑞冷电GM150 GM 10000 35W@77K南京柯德400S GM 15000 35W@50K

Cryomech PT90 GM脉管 ~20000 48W@50K

Qdrive 2S362 斯特林脉管 无维护 1000@77K

GM制冷机存在问题

氦压缩机（5年）

电磁阀&排出器电控箱

进气

排气

摩擦密封（1-3年 ）

冷头

旋转阀（3年 ）

15 K

300 K

70 K

排出器(振动)

吸附筒（1年）

来自Ray.Radebaugh

23

2.成本高 当前成本 80K: ~$100/W，20K: ~$800/W 理想成本 80K: ~$25/W， 20K：??

制造商/型号 机型 美元/W 制冷量

77K

StirlingC&R/LPC-1 斯特林 77 1000W

Cryomech/AL330 G-M 83 340W

Cryomech/PT-60 G-M脉管 285 60W

25K

StirlingC&R/SPC-1T 斯特林 1600 50W

StirlingC&R/SPC-4T 斯特林 800 200W

Leybold/120T G-M 720 25W

Cryomech/AL330 G-M 1000 50W

GM制冷机存在问题

24

2.成本高1）效率低 电磁阀阻力损失大；

解决方法？

回热填料比热有限;

冷量传递损失

2）需求小，产量低

3）维护周期短

制冷温度(K)

比功

率(W

/W )

（ 当前GM制冷机）

GM制冷机存在问题

（斯特林：27%，斯特林脉管：22%）

25

2.成本高1）效率低 电磁阀阻力损失大；

解决方法？

回热填料比热有限;

冷量传递损失

2）需求小，产量低

3）维护周期短

制冷机产量和成本关系（60-80K）

每年产量/台

每台成本比

GM制冷机存在问题

10：1

（斯特林：27%，斯特林脉管：22%）

26

一、低温制冷机的需求背景一、低温制冷机的需求背景

二、GM制冷机发展状况二、GM制冷机发展状况

三、脉管制冷机发展状况三、脉管制冷机发展状况

四、回热式低温制冷机发展方向四、回热式低温制冷机发展方向

27

1级stirling型 165K1级GM型

124K

1984 1989 1994 1999 2004 20090

20

40

60

80

100

120

140

160

1802013

1级GM型 10.6K

3级stirling型 5.35K

雏形机

CFD模拟 (多维定量）

表面泵热原理 (一维定性)

整机优化：Sage模拟（一维定量）

热力学非对称原理、热声理论 （一维定性）；核心部件优化：REGEN3.1模拟 （一维定量）

介观热力学方法(一维定性，拉格朗日视角)

焓流-调相原理(一维定性)

2级Stirling型 12.8K

液氦温区产业化液氮温区商品化

惯性管型

基本型(Tc=124K)

小孔型(Tc=60K)

双向进气型（Tc=42K)

1级stirling型 60K

1级stirling型 42K

3级GM型 3.6K

2级GM型 3.1K

2级GM型 1.27K

3级Stirling型 4.26K

研究文献数量

20131964 1974

文献

专利

1964 1974 1984 1989 1994 1999 2004 2009

随着理论研究的进展，脉管制冷机的性能迅速提高！

尤其GM型脉管制冷机：液氮、液氦温区产业化！

脉管的发展状况脉管发展历史

28

1 10 10010-2

10-1

100

101

102

103

104

IR

制冷量

(W)

制冷温度 （K）5 50 300

LTSelectrinicsSQUIDs

MRI

Maglev

SMES

Transformer

H2ZBO

IRNbNElec.

FCL

Cryopumps

Motors

Generators

1JTMicro-SMES

HTSSQUIDs

VaccumH2O Cryotraps

CryosurgeryO2&CH4ZBO

Bearings

Wireless

SMESMRI

G-M型脉管制冷机

斯特林型脉管制冷机

液氮温区以斯特林脉管为主

脉管的发展状况

液氮温区脉管效率已经接近或超过传统低温制冷机;

开始逐步取代传统低温制冷机，并可望开拓新应用；

中国学者在脉管制冷机发展中起到了重要作用。

液氦温区以GM脉管为主

29

型号 制冷量 输入

日本住友

两级脉管SRP-082B 1.0W @ 4.2K&40W @ 45K 7.8kW

SRP-062B 0.5W @ 4.2K&30W @ 65K 6.5kW

Cryomech

两级脉管PT815 22W @ 20K&100W @ 80K 10.7kW

PT415 1.5W@4.2K&40W@45K 10.7kW

单级脉管 PT90 90W @ 80K 4.3kW

1. GM脉管制冷机商品化状况（技术指标）

国外：日本住友重机械，Cryomech

GM脉管的发展状况

国内 ：无产品线，供应空白

4.2K：最大制冷量1.5W，输入~10kW (GM制冷机：~8kW)

80K：相对卡诺效率~7%（GM制冷机：10-20%）

4.2K：最大制冷量1.5W，输入~10kW (GM制冷机：~8kW)

80K：相对卡诺效率~7%（GM制冷机：10-20%）

30

方法创新：

分离型两级新结构

复合回热器优化方法

交变流动强化换热法新型分离型（热耦合）

级间干扰小制冷效率高

传统耦合型（气耦合）

级间干扰大制冷效率低

2. 浙江大学GM脉管制冷机研制情况

GM脉管的发展状况

31

方法创新：

分离型两级新结构

复合回热器优化方法

交变流动强化换热法

2. 浙江大学GM脉管制冷机研制情况

GM脉管的发展状况

20 30 40 50 604

5

6

7

8

9

10

11

12

CASE1(HoCu2)

5.6K

7.9K

P0=1.0MPa, W

input=50W

T4 (K

)

(A) Frequency (Hz)

T2=10.6K T2=7.9K T2=5.6K

10.6K

30 35 40 454

5

6

7

8

9

10

CASE2(HoCu2+GOS )

T2=10.6K T2=7.9K T2=5.6K 5.6K

7.9K

P0=1.0MPa, Winput=50W

T4 (K

)

(B) Frequency (Hz)

10.6K

复合回热材料组合优化，回热器效率显著提高

32

方法创新：

分离型两级新结构

复合回热器优化方法

交变流动强化换热法

2. 浙江大学GM脉管制冷机研制情况

GM脉管的发展状况

狭缝式层流换热器低温热导成倍提高

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00

200

400

600

800

1000

Coo

ling

pow

er (m

W)

Temperature (K)

Case 1 Case 2 Ideal heat exchange

2 3 4 5 6 7 8 90.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6 Simulation results Experimental results

Q2

@ 4

.2 K

(W)

2nd stage mass flux (g/s)

Case 2

Case 1

Case 3Case 4

首次提出导热、传热、整流三合一设计理念

33

2. 浙江大学GM脉管制冷机研制情况

GM脉管的发展状况

实验突破：

连续8年，创造并保持单级脉管制冷机最低制冷温度纪录

两级分离型脉管制冷机获同类制

冷机国际最好结果

制冷效率提高50％(与2011年数据比较），性能达到应用要求

最低温度达10.6K的单级脉管制冷机

34

2. 浙江大学GM脉管制冷机研制情况

GM脉管的发展状况

实验突破：

连续8年，创造并保持单级脉管制冷机最低制冷温度纪录

两级分离型脉管制冷机获同类制

冷机国际最好结果

制冷效率提高50％(与2011年数据比较），性能达到应用要求

两级分离型脉管制冷机，4.2K制冷量达1.1W

35

首次采用单级GM脉管制冷机做冷源，开展了宽温区（20-80 K）泡沫材料低温吸湿性能研究。成果已应用于CZ-3系列和CZ-5火箭。

（合作单位：航天材料及工艺研究所、北京宇航系统工程研究所）

基于脉管制冷机的泡沫吸湿增重试验台

典型制冷机工作过程曲线

GM脉管的发展状况

36

当前最主要研究的低温制冷机种，低振动、长寿命、高可靠性，

满足军事航天的苛刻要求！

2009 2010 2011 2012 20130

20

40

60

80

100

120

研究数量

G-M 脉管制冷机 斯特林脉管制冷机

斯特林脉管制冷机的研究现状

近5年内两种脉管制冷机的研究数量分布

37

通过改变惯性管气库，调节冷头阻抗，实现压缩机与冷头高效匹配；

360W电功，27.7W@77 K，整机相对卡诺效率22%（斯特林最高~27%）

斯特林脉管制冷机的研究现状

1. 80K温区研究进展

1）高效率单级斯特林脉管制冷机，中科院理化所，2010

38

效率高于大功率GM制冷机，具有高可靠性，满足超导电力需求

斯特林脉管制冷机的研究现状

1. 80K温区研究进展

2)大功率型斯特林脉管制冷机，国际各单位汇总

时间 单位 调相方式压缩机型号

制冷性能输入功率

/kW输入型式

2009University of Giessen

惯性管2S297

100W@59.3K 4.59 声功惯性管2010 12.9W@25K 4.5 电功

2007Praxair 惯性管 2S241

300W@80K 4.3电功2008 1000W@77K 24.6

2006 Air Liquide 惯性管 自制 100W@74K 4.4 声功2008 210W@65K 7.5 电功

2004 American Superconductor 惯性管 自制 140W@80K 3.4 电功

2007日本大学 惯性管 2S241 169W@80K 4 电功2008 180W@80K 3.8 电功

2012 Sumitomo Heavy Industries惯性管

自制210W@77K 3.8 电功

惯性管 191W@77K 3.8 电功2014 中科院理化所 惯性管 自制 520W@80K 7.4 电功

39斯特林脉管制冷机的研究现状

1. 80K温区研究进展

2)大功率型斯特林脉管制冷机，中科院理化所，2014

充压： 2.7MPa

频率： 47Hz

活塞冲程：29mm

制冷量: 520W@80K

输入电功：7.6kW

相对卡诺：18.2%

技术突破：（1）自制10kW线性压缩机；（2）掌握阻抗匹配机理

40

2. 20K以下深低温区研究进展

研究单位 级数 Tc/ K Qc/ W/K η / %LMATC ２ 19.8 0.79/35 5.75

吉森 ２ 19.6 0.41/35 1.5

吉森 ２ 12.8 0.2/25 0.85吉森 ２ 13.7 12.9/25 3.8

理化所 ２ 16.1 0.6/35 2.2

理化所 ２ 15.6 0.75/25 3.2

浙江大学 ２ 14.2 1/35 1.46

浙江大学 ２ 13.8 1.5/20 2.9

LMATC 3 5.35 0.125/10 1.46

NGST 3 6.1 0.255/10 3.20

浙江大学 3 4.76 0.04/6 0.14LMATC 3 5.35 0.125/10 1.46

LMATC 4 4.85 0.05/6 0.79

浙江大学 预冷型 4.2 预冷：0.3/10.6 -

NIST 预冷型 10.6 预冷:1.23/19.7 -

2级最低12.8K

3、4级最低4.76K（2级GM型2.3K）

美国洛克希德马丁中心 美国国家标准局

中科院理化所 浙江大学

法国原子能署 德国吉森大学

斯特林脉管制冷机的研究现状

41

研究单位 级数 Tc/ K Qc/ W/K η / %LMATC ２ 19.8 0.79/35 5.75

吉森 ２ 19.6 0.41/35 1.5

吉森 ２ 12.8 0.2/25 0.85吉森 ２ 13.7 12.9/25 3.8

理化所 ２ 16.1 0.6/35 2.2

理化所 ２ 15.6 0.75/25 3.2

浙江大学 ２ 14.2 1/35 1.46

浙江大学 ２ 13.8 1.5/20 2.9

LMATC 3 5.35 0.125/10 1.46

NGST 3 6.1 0.255/10 3.20

浙江大学 3 4.76 0.04/6 0.14LMATC 3 5.35 0.125/10 1.46

LMATC 4 4.85 0.05/6 0.79

浙江大学 预冷型 4.2 预冷：0.3/10.6 -

NIST 预冷型 10.6 预冷:1.23/19.7 -

现状：

制冷性能差，多级结构复杂；

液氦温区制冷机细节多未公布

2. 20K以下深低温区研究进展

斯特林脉管制冷机的研究现状

42

结合相角影响，对制冷机理进行统一、全面解释：

-30°～+60°（调相型）：回热器制冷；～ +81°（基本型）：脉管制冷

基于微团传热机理研究，提出减小回热器和脉管热损失的方法

斯特林脉管制冷机的研究现状

浙江大学—制冷机理研究：微团热力学循环可视化分析

43

He-3: 4.03K， 40mW@5.69K；He-4: 4.26K ，40mW@5.8K首次以三级结构实现液氦温区制冷，国际上同类结构最低温度！

3. 浙江大学20K以下斯特林脉管制冷机

斯特林脉管制冷机的研究现状

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300For He-3:3rd stagef3=31.4Hzp3=1.15MPaWe3=64W

T3/ K

time/min

He-4 He-3

For He-4:3rd stagef3=28Hzp3=1.25MPaWe3=43W

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0 25.53.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

T3/K

T23/K

Q3=0mW Q3=20mW Q3=40mW

For 3rd stage:f3=31.4Hzp3=1.13-1.15MPaWe3=64W

三级斯特林脉管

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3. 浙江大学20K以下斯特林脉管制冷机

斯特林脉管制冷机的研究现状

Qre

Qpt80K

0 50 100 150 200 250 300 350 40010

60

110

160

210

260

310

for 1st:f=40.5 HzP0=2.5 MPaWe=340 W

for 2nd:f=30 HzP0=1 MPaWe=400 W

预冷脉管

Tc2

(K)

时间 (min)

15.87 KTpt=76.10 KQpt=1.6 W

16 18 20 22 24 26 28 30 32 340.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

T21=73.0~74.5 K

Tpt =82.9~87.9 KT21=80.7~84.7 K

模拟值

预冷脉管

Qc2

(W)

Tc2 (K)

实验值 预冷脉管

Qpt：1.35~1.55 W

自预冷脉管方法：高温级冷量预冷低温级脉管,

仅消耗高温区（80 K）少量的制冷量就可以使低温区 (20 K) 性能得到较大的提升。

因双向开度漂移等稳定性问题，预冷脉管有望作为航天用纯惯性斯特

林脉管提高20 K以下性能的有效手段！

目前纯惯性2级结构的最低温度

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4.深低温区存在科学问题

回热器损失高孔隙率、高传热填料?高效填料组合?15-25Hz 高效压缩机？

实际气体损失如何利用负焓流？实际气体传热、流阻方程？

低温调相复杂预冷温度与各运行参数耦合？新的调相方式？

斯特林脉管制冷机的研究现状

4K-10K 10K-80K 80K-300K0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

各部

分能

量所

占比

例

Qnet

Qcond

Qreg

Qpt

Hp

Po=1MPaf=30Hz

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一、低温制冷机的需求背景一、低温制冷机的需求背景

二、GM制冷机发展状况二、GM制冷机发展状况

三、脉管制冷机发展状况三、脉管制冷机发展状况

四、回热式低温制冷机发展方向四、回热式低温制冷机发展方向

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1.小型低温制冷机大功率化（多台并行：效率低、成本高、体积大）

大功率氦压缩机大冷量换热器 气流非均匀性 高效回热填料

关键科学、技术难题

高热导、强整流换热器 & 新型均匀、高孔隙率、高传热回热材料

• 压缩热大、冷却难度高

• 滤油困难• 效率低下

• 压缩热大、冷却难度高

• 滤油困难• 效率低下

• 大尺度温度非均匀损失

• 过渡区射流、涡旋损失

• 大尺度温度非均匀损失

• 过渡区射流、涡旋损失

• 流道非均匀影响显著

• 阻力、换热损失显著

• 流道非均匀影响显著

• 阻力、换热损失显著

• 换热器导热损失显著

• 整流、传热耦合设计难

• 换热器导热损失显著

• 整流、传热耦合设计难

科学问题 科学问题 工程问题 工程问题

回热式低温制冷机发展方向

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2.大冷量高效传输方式

热管式• 热阻大• 需载冷剂• 传热效率低

直接接触• 振动影响• 温度非均匀• 接触面有限

流体浸泡• 系统复杂• 投资高• 冷损大

回热式低温制冷机发展方向

面向对象直接冷却

（专利号：201010141061.1）

主要优点：

1、结构紧凑

2、低振动

3、高效冷量传输

4、多对象同时冷却

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输入模块

控制系统和数据测量得到原始数据

制冷机信息和预期性能

制冷机各部件寿命和维护更新历史

分析模块

分析数据和数据间关系

诊断模块

制冷机的性能表现是否在正常运

行范围内

判断可能的失效原因

否

预测模块

根据诊断模块获得可能的失效机制，计算可靠的剩余使用寿命（RRUL）

输出模块

确定失效机理、剩余寿命和可靠性估计

是

3.可靠性监测系统基于制冷机性能快速预测技术、在线测控技术、互联网技术

等综合交叉的低温制冷机可靠性监测系统

回热式低温制冷机发展方向

脉管制冷研究范式即将发生根本转变，以多

维低温交变模型为代表的脉管制冷理论和新的制

冷机构型将应运而生，有力支撑脉管制冷机精细

化研究，向大功率、高效率、紧凑化方向发展

深低温可视化技术将在脉管制冷研究中快速

推广应用，推动脉管制冷机理的深入研究。与智

能控制、互联网等新技术相结合，i-Cryocooler的时代也许即将到来

说在最后的感想

51衷心感谢！