低温製冷機

由於斯特林製冷機的高效性和可靠性，它被廣泛地應用於航空航天、導彈制導、遙感遙測等諸多低温領域。斯特林製冷機是小型製冷機中應用最廣、機型最多、技術最成熟的一種。斯特林製冷機按其結構可分為整體式和分置式兩種。整體式斯特林製冷機的優點是結構緊湊、啓動快、重量輕、工作温度範圍寬、效率高、操作簡便；存在的問題是振動較大、噪聲大，壽命相對短。分置式斯特林製冷機是在整體式斯特林製冷機研究的基礎上發展起來的，由於它的壓縮機與冷頭用細管連接，克服了整體式斯特林製冷機產生的振動和熱量對紅外探測器的影響，在軍事領域得到了廣泛的關注。斯特林循環由兩個等温過程和兩個等容回熱過程組成。定質量工質在該封閉循環中，在不同温度下重複壓縮和膨脹，實現熱功轉換。斯特林循環最初用於熱力發動機。其逆循環被稱為逆向斯特林循環或斯特林製冷循環，1864年前後，Alexander Kirk成功製造了世界上第一台斯特林製冷機。斯特林製冷機的製冷温度可以從普冷到深冷，冷量也可實現毫瓦級直至千瓦級。

低温製冷機採用了兩種工作原理：一種是兩級壓縮製冷；一種是多元復迭式製冷。根據製冷劑的性質，單級壓縮製冷系統一般只能製取-25~-35℃左右的温度，若要進一步降低温度，採用單級壓縮製冷系統是不能實現的。其主要原因是它的吸、排氣壓力都取決於蒸發温度與冷凝温度，如果要製取較低的温度就必然會使蒸發壓力降低，這樣就會造成壓力比的提高，壓力比的提高又會減少壓縮機的排氣量。製冷壓縮機的壓力比是有限度的，一般來説，吸、排氣的壓力比不應大於10。 ^[1] 

1、用於液化空氣、氧、氮的裝置：單級斯特林製冷機可製取77K低温，可用來在常壓下直接液化空氣、氧氣及氮氣。這種機器在製冷機冷頭的外側裝有用來淨化和液化氣體的淨化冷卻冷凝器及保温層。當機器正常工作後，冷頭的温度降到77K，在冷凝器的外空間造成一定的真空度，這時將頂部的軟木塞拔掉，空氣(與氧、氮氣瓶相連接時則為氧、氮氣)便被吸入，並按圖中箭頭方向逐步被冷卻並淨化，然後經冷凝器外側被液化。最後，液化氣體沿箭頭方向經導出管流出。

2、用於液化包，氖、氦的裝置：雙級St，G-M及SV製冷機均可用來直接液化常壓下的氫、氖等氣體。一般用於這種場合的裝置以St機較多，當要求振動極小且冷晝又較小時則用G-M或SV製冷機。

3、低温泵裝置：低温泵裝置是利用低温冷凝，冷捕集和低温吸附原理來抽除氣體，從而獲得清潔無污染高真空的設備。 ^[2] 

低温製冷機的分類方法很多，例如可以按其用途、製冷工質或機器結構來分類；也可按其工作温區，製冷量大小和換熱方式來分類。要是按製冷温度分類，低温製冷機指的是一種在低於120K的温度下產生製冷量的機器或裝置。低温製冷機的製冷量的大小，與其提供製冷量的温度有很大的關係。例如，基於卡諾循環的理想製冷機，在120K提供1W製冷量，只需29W能量輸入；若在0.5K提供lW製冷量，則需20多倍即600W的能量。而且實際製冷機需求的能量，往往比理論值大幾十倍，甚至數百倍，因為製冷機在實際工作過程中，要克服多項不可逆損失，這些損失將由製冷機的理論製冷量來補償。因此，低温製冷機實際輸出的可用製冷量，是其理論製冷量與實際工作過程中所有損失能量之和的差值。 ^[3]