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5W@77K气体轴承斯特林制冷机研究 摘要：气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量中体积最小、重量最轻、效率最高及寿命最长的制冷机。 对于小型化的5W@77K型气体轴承斯特林制冷机，以其独特的优势，在高温超导、低温制冷与深空探测 等领域，赢得了广泛的需求。因此，基于redich线性电机形式，运用气体轴承支撑技术和高效回热器 技术，国内首次研制成功了小型化气体轴承斯特林制冷机，为我国的低温制冷领域的发展提供坚实的 基础。 关键词：气体轴承 ；线性电机；斯特林制冷机 Investigation on a gas bearing Stirling cryocooler of 5W@77K Kong Zhongke1,2，Wang Bo1,2，Hou Guangze1,2，Liu Hao1,2，Yang Yuling1 (1.16th Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei, 230043) (2.Laboratory of Cryogenic and Refrigeration Technology in Anhui Province, Hefei, 230043) Abstract ：The gas bearing Stirling cryocooler possess many advantages in contrast to the others, including small volume, light wheight, high efficiency, long life. As to the gas bearing Stirling cryocooler of 5W@77K, it has many advantages with applying to the HTS、cryocooler and deep space exploration widely. Therefore adopting redich linear motor, gas bearing and high efficiency recuperator, it developed the miniaturization gas bearing Stirling cryocooler for the first domestic. And it promotes the development of the cryocooler field in the future. Keywords: Gas bearing, Linear motor, Stirling cryocooler 0前言 自1987年发现高温超导材料以来，发达国家先 进行了大量有关超导电 子器件应用的研究，已将高温超导技术用到了通信卫星、侦查卫星、深空探测 和移动数据传输等领域。对比国外的研究进展，国内超导电子器件、系统最主 要的差距位于工程化应用领域，其中主要制约因素是为之配套的低温制冷技 术。与红外器件相比，超导器件冷却需要的制冷机冷量大、可靠性高，并且对 体积和重量提出较高的要求。气体轴承斯特林制冷机是相同制冷机下体积最 小、重量最轻、效率最高以及寿命最长的制冷机，能够为超导器件提供满意的 低温 境。随着超导器件集成化的快速发展，小型化、轻量化的气体轴承斯特 林制冷机将会越来越受到重视，得到快速的应用。 空间用斯特林制冷机的寿命和可靠性是制约其使用的一大瓶颈，影响寿 命和可靠性的重要因素就是运动部件造成的摩擦磨损。因此，减少运动部件 的摩擦、改善活塞的支撑方式是提高自有活塞斯特林制冷机的重要途径。气 体轴承作为新型的活塞和排出器支撑技术，它在活塞、排出器与气缸之间形 成压力气膜，形成气体润滑效率，从理论上消除了运动部件之间的摩擦磨损， 满足长寿命的使用要求。 因此，基于redich线性电机形式，优化回热器参数，匹配压缩机运行参数 ，并运用气体轴承支撑技术，设计了国内首款小型化气体轴承斯特林制冷机 原型样机，为 续的工程化应用提供了坚实基础。 1气体轴承斯特林制冷机性能数值模拟 本文使用Sage软件对气体轴承斯特林制冷机进行数值模拟和优化。通过 对制冷机内部制冷工质的质量、动量和能量守恒方程，以及理想气体状态方 程进行数值计算，模拟制冷机内部复杂的交变流动状态，计算内部动态参数 和制冷性能变化规律，为制冷机的设计和优化提供理论支撑。 1.1运行频率对制冷机性能的影响 设置Sage模型模拟制冷机运行频