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斯特林小孔型脉管制冷机以小孔型脉管制冷机为例，其主要部件有：

工作在室温Th下的压缩机；

对环境释放热量的换热器（压缩机与回热器之间）；

由多孔介质组成的高热容回热器（蓄冷器），多孔介质可以是不锈钢丝网，铜丝网或铅球等；

为低温Tl环境提供冷量的冷端换热器；

脉管，一根空管；

在室温Th下向环境散热的热端换热器；

小孔阀，通常也是用调相管（惯性管）；

气库，拥有较大的封闭体积，实际上压力恒定。

一般热力学上采用热力学性能系数和热力学完善度来衡量一类制冷机性能，卡诺循环的性能系数为 ：

，

理想情况下，脉管制冷机的性能系数为：

；

脉管制冷机的热力学完善度为：

。

从以上分析不难看出，脉管在较高温区的制冷并没有明显的优势，但是在低温下，尤其是液氮温度（77K）以下时，其热力学完善度接近卡诺效率，又由于其冷端没有运动部件，运行可靠且寿命长，因此在低温下有着广泛的使用。

脉管制冷机有着广泛的应用，可以应用在冷冻医疗，家畜育种，半导体加工场合和冷却超导量子干涉仪等领域。热声驱动的脉管制冷机可以直接利用热能，用燃烧的天然气作热源液化天然气等，更是极大的拓宽了脉管制冷机的应用领域。

此外，在军用和航空航天领域也被大量用，主要可用于：红外探测仪的冷却；太空探测设备，如阿塔卡马探路者实验望远镜，测量宇宙背景光谱的光学干涉设备的冷却；为稀释制冷提供预冷等；尤其在太空望远镜中，由于无法频繁更换制冷机，脉管制冷机的长寿命有着巨大的优势。此外，脉管制冷机还可以在火星探索中提供液氧。

发展历史(9)1963年，由美国雪城大学(Syracuse University)的 Gifford 和 Longsworth 在研制GM制冷机时偶然发现：一根中空管子内存在交变压力波时，它的封闭端会发热，沿管轴向可形成很大的温度梯度。于是，他们研究并研制了制冷机，命名为pulse tube refrigerator（中文译作脉管制冷机或脉冲管制冷机）。

1966年，为了解释这种现象，Gifford 和Longsworth 提出了表面泵热理论。

1967年，Longsworth优化了脉管制冷机的几何结构，达到最低温度124K的纪录。同年，Gifford 等做了改进，取消切换阀，直接以活塞在气缸内的往复运动而产生压力波。他们将这种形式的脉管制冷机称为可逆型脉管制冷机(一般称为斯特林型脉管制冷机），最终获得165 K 的最低制冷温度。实验表明可逆型的效率相对于GM 型得到了显著提高。

此后，由于基本型脉管的制冷温度依然很高，Longsworth 提出了多级结构。采用两级获得了79 K 的制冷温度，而采用四级结构则获得了32 K 的低温。

1982年，苏联学者Mikulin在基本型脉管的顶部和热端换热器之间安设了一个节流小孔，并在热端换热器后面连接一个容积相当大的气库，采用空气为工质获得105K的制冷温度。大大提高了脉管制冷机的制冷能力。

1986年，美国国家标准局（NIST）的Radebaugh 等对Mikulin 的方案作了进一步的改进，将小孔从脉管与热端换热器之间移到气库与热端换热器之间，并用可调针阀代替 节流孔板 ，采用氦气作为工质，获得了60K的无负荷制冷温度。同年，Radebaugh在改进小孔型结构的同时即开展热力学分析和实验测试。他借鉴了间壁换热式制冷系统中的焓流分析法,提出了相位理论。

1987年，Radebaugh的学生Peter提出了向量分析法，给出的制冷量表达式的计算结果与实验结果定性上符合。

1989年，日本松原洋一等提出了脉管气体对外做功分析法并提出双活塞型调相方法；中国西安交通大学的的吴沛宜、提出了充放气变工况热力学分析法。同年，中国科学院理化技术所 （原称低温技术实验中心）的周远、梁惊涛采用单级小孔型结构获得当时单级结构的最低温度——49K的无负荷温度。而受美国军方及NASA支持的Northrop Grumman（原称 TRW) 则采用两级结构获得26K的无负荷温度。

1990年，肖家华等人在高频下关于表面热泵等研究基础上提出了热声理论分析法。同年，Northrop Grumman开发出年开发完成出一款数百毫瓦级的微型制冷机产品 ，也即世界上首台投入实际应用的脉管制冷机。

1990年，西安交通大学吴沛宜、朱绍伟等在理论分析的基础上提出了“双向进气”的方案,在回热器进口端和脉管热端之间增加一通道，使部分气体不经过回热器而直接从室温端流入脉管。在西安交通大学采用氮气为工质进行验证,双向进气获得了132 K的低温，相对于小孔型降低41 K；而在中科院低温中心采用氦气为工质获得了42K的低温，相比小孔型降低了13 K。自此，双向进气成为脉管制冷机主要的两种调相机构。

1993年，松原洋一提出来的四阀型。四阀型针对GM型，其中两个阀门用于制冷机的配气（从回热器热端流入）外，另两个阀门用于脉管的调相。四阀型具有很强的调相能力，通过阀门的时序控制，可将脉管制冷机的相位。

1994 年，中国科学院理化技术所 （原称低温技术实验中心）周远等提出了多路旁通型脉管制冷机，也即从回热器中部引出一股气流旁通至脉管中部。同年，日本Kanao 等在研究一台微型的高频（50~60 Hz）脉管制冷机时发现用一根尺寸合适的细管代替小孔阀可以提高制冷机的性能，并且比双向进气效果更优。

1996 年，巨永林在研究多路旁通进气方式时发现多路旁通能在双向进气的基础上使得最低温度降低13 K。

1997年，浙江大学邱利民，陈国邦等采用“第二小孔”型流程，通过小孔阀将气库与压缩机低压侧连接，取得了 3.1K的低温，用两级结构即获得了国外用三级结构才能实验的液氦温度。同年，朱绍伟提出主动气库型调相方法。

在这一时期还有内调相型、运动塞子型等调相方式，都能不同程度地提高制冷性能。

常规应用的脉管制冷机(运行在30~60Hz的液氮至液氢温区数瓦至数十瓦的斯特林型、液氮至液氧温区的GM型)已经逐渐成熟。新的研究手段、新的发展方向使得脉管制冷机焕发新的生机。

脉管制冷机根据驱动方式可分为GM型、斯特林型和热声驱动型。GM型利用有阀GM压缩机提供低频压力波（1~2Hz）工作，是目前获得4.2K以下低温及在该温区提供大制冷量的主要方法。斯特林型脉管制冷机通过无阀压缩机提供高频压力波（30~60Hz），随着板弹簧支撑、间隙密封和动圈式（或动磁式）线性压缩等技术的发展，其压缩机的电功转换效率通常能达到80%以上。而热声驱动型则主要利用热声振荡产生压力波，驱动脉管工作，去除了脉管中最后一个运动部件，使装置更为可靠和长寿命的运转。

不同类型脉管制冷机(4)按照布置方式可分为U型布置、直线型布置和同轴型布置。直线型布置比较简单，气流从回热器流到脉管过程中，流动方向保持不变，因此从理论上讲，直线型是最理想的布置方式。但将回热器和脉管成直线连接后，使制冷机的轴向尺寸成倍增加，以致管路布置和真空容器的结构变得非常复杂。同轴型布置将中空的脉管同轴布置在回热器中心，并与回热器具有一个共同的壁面，即回热器的内壁也就是脉管的外壁，把回热器的断面变成一个环形通道。这种布置的主要优点是结构紧凑，特别适用于对空间尺寸有特殊要求的场合。但是，气流从环形回热器流人脉管的过程中，要经过180“急转弯，不仅流向改变，而且受到颇大的局部弯曲阻力，气体的回流会产生比较大的损失。回热器和脉管通过共同管壁的热交换损失也是影响同轴型性能的重要原因之一。U型结构介于直线型和同轴型之间，其轴向尺寸几乎只有直线型的一半，具有较好的紧凑性。由于流体从回热器通过U型过渡管流到脉管，实现了平稳过渡，回流损失较同轴型来得小。

由于脉管制冷机在70K-4K的经济性。它可以广泛的应用在需要超导环境的场合，如量子干涉仪降噪，冷却MRI系统等。此外，还可以为液氦温区4He J-T和3He J-T节流制冷机提供预冷，冷端无运动部件的脉管制冷技术以及完全无运动部件的高可靠性有其特有的优势，但发展高频脉管制冷技术，提高其效率是当务之急。