贤集网手机站

高温超导用自由活塞式斯特林制冷机技术

技术简介

      自1987年发现高温超导材料以来,高温超导薄膜材料实际应用已在许多工业领域进行了实验,用高温超导材料制备的滤波器件具有优越的性能和巨大的商业应用价值,其中对高温超导滤波器的研究已经成为近些年来国内外超导应用的一个热点,其中欧洲、美国及日本等国家对微波滤波器在通信领域中的实际应用都付出了很大的努力。这一个领域中最有前景的是移动通信系统基站接收前端滤波器的应用。

      高温超导滤波系统的核心部分是滤波放大电路,其工作温度需要在液氮温区(77K),由制冷机提供低温环境。与红外器件相比,超导器件配套的制冷机冷量大、可靠性要求高,并且对体积和重量提出了较高的要求。目前国内所研制的制冷机都难以在重量、体积和价格上达到最优。自由活塞式斯特林制冷机是所有制冷机中体积最小、重量最轻、效率最高以及寿命最长的制冷机,是最适合于超导器件冷却的制冷机。而由于国外实行禁运,难以通过购买国外的制冷机解决,即使可以购买,数量很少,且价格也是难以承受。因此制冷机成为了限制高温超导技术发展的一个关键因素。

      斯特林制冷机的寿命是制约其使用的一大瓶颈,影响其寿命和性能的重要因素就是运动部件造成的摩擦和磨损。因此,减少运动部件的摩擦、改善活塞的支撑方式是提高自由活塞斯特林制冷机寿命的重要途径。静压气体轴承作为最新型的活塞支撑技术,从理论上消除了运动部件之间的磨损,它在活塞与气缸之间形成压力气膜,支撑荷载,减少其间的接触摩擦,以使制冷机满足长寿命的要求。另外整体式斯特林制冷机运行时产生的振动也是影响其使用的一个重要因素。本单位研制的自由活塞式斯特林制冷机重点突破了气体轴承技术、减振设计,逐步解决产业化前期的产品关键技术和制造工艺等关键问题。使产品可直接推向市场,引导军工高技术产业化发展,促进军工经济可持续发展。本项目研制的自由活塞式斯特林制冷机重量轻、体积小、冷量大、寿命长、价格适中,作为超导滤波技术的关键组成,具有极大的市场应用前景。


    


技术指标

      本项目所提出的技术是利用我单位已有的高温超导用轻型斯特林制冷机的技术,攻克了气体轴承支承、振动控制等关键技术,该制冷机目前在国内是同等重量和体积下、冷量最大的。目前该制冷机所能达到的主要技术指标如下:

      1) 冷量:≥10W@77K;

      重量:≤4.5Kg;(含散热器、减振器,不含风扇

      2) 功耗:≤180W;

      工作环境温度:-40℃—+70℃


技术特点

      本项目研制的制冷机具有以下技术特点及优势:

      1)在国内首次掌握了斯特林制冷机中的气体轴承技术。其有以下好处:气体轴承技术大幅提高了制冷机的寿命,活塞在运动过程中受到气体轴承的支撑,合理设计的气体轴承避免了活塞和气缸之间的磨损,使制冷机的寿命大为增加;制冷机的性能受冷头朝向的影响较小,无论冷头朝上,朝下还是水平,制冷机的性能基本没有变化。

      2)制冷机采用了紧凑的整体直线结构型式,整机重量小于4.5 kg;

      3)制冷机瞄准工程实用化目标,在热端换热器采用风冷进行冷却;

      4)由于采用单侧式压缩机形式,本制冷机专门针对减振问题开展专题研究,目前能够满足超导器件的振动要求;

      5)相同制冷量下,是目前国内体积最小、重量最轻的一款制冷机。

      国外已有许多斯特林制冷机产品应用于高温超导领域,主要有美国Sunpower公司同LG Electronics合作开发CryotelCT系列制冷机三个产品。以色列Ricor公司开发的型号为K535的斯特林制冷机等。我国斯特林制冷机发展起步晚,主要为红外探测器配套,需要的冷量很小。关于超导用斯特林脉管制冷机的研制均处于实验室探索阶段,离产品化的距离较远。


预期效益

      本项目研制的自由活塞式斯特林制冷机具有优越的综合性能,是高温超导滤波器的最佳选择,可大大提升高温超导器件的性能及寿命。目前全球有几十亿移动通信用户,这就需要大量的超导滤波器。作为超导滤波器的关键组成部分,自由活塞式斯特林制冷机具有极大的市场应用前景。预计潜在需求1.2W台。