斯特林制冷机，以其简约的结构设计、卓越的可靠性、高效的运行性能及长久的服役寿命，在过去一直是军用航天、红外探测等尖端领域的优选制冷解决方案。鉴于其宽温区制冷能力的独特优势，近年来国际上已成功将这一技术应用于制造-80℃的超低温冰箱，极大地拓展了其在低温医学等前沿领域的应用潜力。相比之下，国内在该领域的探索起步较晚，目前市场上-80℃超低温冰箱多采用复叠式制冷技术。为加速斯特林制冷技术在国内的普及与应用，进一步拓宽其低温技术应用的边界，本研究聚焦于设计基于斯特林制冷技术的低温冷箱系统，特别是针对-80℃温区下的低温存储设备进行了深入探讨。本文不仅展示了多种斯特林型低温冷箱的创新设计，还详细阐述了这些设备在特定应用场景下的实用性，如低温医学样本保存等，同时简要回顾了当前低温存储技术的现状。与复叠式制冷技术相比，斯特林制冷技术展现出了显著的环境友好性，采用的气体工质更加绿色环保；其低温制冷能力卓越，覆盖的温度范围更为广泛，从理论上讲，完全有潜力成为低温冷箱的理想冷源选择。因此，推动斯特林制冷技术在低温存储领域的深入应用，不仅是对现有技术的一次革新，更是对未来可持续发展战略的重要贡献。航烨能源一直致力于低温制冷领域的技术创新与拓展，为市场提供新型制冷设备。
从低温存储技术的发展看，实现-80℃及以下更低温度有液氮罐保存、双级压缩制冷技术、复叠式制冷技术、斯特林制冷技术等。
1.2.1液氮低温保藏
液氮，以其极低的沸点（-196℃），能够近乎完全抑制生物组织内的生理与生化活动，成为临床医学中细胞及组织低温保存的关键介质。特别是在胚胎干细胞、造血干细胞等珍贵生物资源的长期保存上，液氮罐发挥了不可替代的作用。这一超低温环境能有效防止细胞内部形成微细冰晶，从而维护细胞大分子的稳定结构、保持细胞活性以及组织结构的完整性，为生物活性物质的永久保存提供了可能。
液氮罐，作为实现这一低温存储的载体，采用不锈钢双层壁真空绝热设计，内部配备可升降的提筒，便于存取待保存的样品。其内胆与多层绝缘材料的组合，有效降低了辐射热传递和接触热传递，确保了内部温度的恒定。然而，尽管液氮罐能够将被冷却物体稳定维持在-196℃，实现长期低温保存，但其运行过程中的一个显著挑战在于液氮的高挥发性。这意味着用户必须频繁监测液氮储量，并及时补充，这不仅增加了操作的繁琐性，也提高了维护的成本，限制了液氮罐在大规模应用场景中的普及。
1.2.2压缩制冷
由于容积式压缩机在设计上存在单级压力比的限制，这限制了其单级压缩制冷循环所能达到的最低蒸发温度，大致被约束在-30℃附近。为了突破这一限制，实现更低的蒸发温度，工业上普遍采用两级或多级压缩制冷循环技术。
在两级压缩制冷循环中，根据节流方式的不同，可以区分为一级节流和二级节流两种模式。而依据中间冷却的程度，又可分为中间完全冷却和中间不完全冷却的两种情况。综合这两种分类，我们可以得到四种主要的两级压缩制冷循环形式：
一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环：此循环中，制冷剂在两级压缩之间仅部分冷却，且节流过程发生在第一级压缩之后，有助于降低整体压缩功耗，但冷却效果可能不如完全冷却。一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环：与前者相似，但中间冷却更为彻底，能有效提升第二级压缩的效率，减少压缩过程中的温度升高，从而允许更低的蒸发温度。两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环：在这种循环中，节流过程分别在两级压缩之间和之后进行，中间冷却不完全，虽然增加了系统的复杂性，但可能针对特定应用提供更灵活的调节能力。两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环：此循环结合了完全中间冷却和两级节流的优势，旨在最大化制冷效率和降低能耗，是追求极低蒸发温度时的优选方案。
1.2.3复叠式制冷
为了获取更低的蒸发温度，除了两级或多级压缩制冷循环，大多数系统往往采用复叠式制冷系统。复叠式蒸汽压缩式制冷循环可由两个(或数个)不同制冷剂工作的单级(也可以是多级)制冷系统组合而来。
除了复叠式制冷，自复叠制冷技术也可以实现超低温冷库所需的温度区间，自复叠制冷系统实质上是混合制冷剂的多级分凝循环。自复叠的基本流程是气液两相制冷剂从冷凝器进入气液分离器，高沸点组分节流产生冷量冷却低沸点组分至饱和或过冷状态，而后低沸点制冷剂节流并在蒸发器内蒸发。自复叠制冷技术有较宽的制冷温区，可实现-40℃到-160℃的传统制冷温区。
本文采用小孔节流和连续狭缝节流相结合的气体静压轴承，设计开发了15W@77K气体轴承整体直线式斯特林制冷机。气体轴承斯特林制冷机结构如图所示。
图：气体轴承斯特林制冷机结构示意图
图：斯特林制冷机实物图
在保持制冷量和一定效率的前提下，通过提高频率可以达到斯特林制冷机微型化的目的。
K527采用单活塞动磁技术，标准制冷量为1W@95k，MTTF大于30000h，压缩机长度为61.5mm,直径为33.5mm,冷指尺寸为8mm,制冷机重量为345g,冷却时间3min@250J,110k@23℃。
图1-6 K527制冷机。(a)线性压缩机、(b)膨胀机
图1-7 K527压缩机、标准冷指、短冷指外形图
K561是旋转式整体斯特林制冷机，制冷量为280mW@71℃，80K，冷却时间为5min@190J，80K，冷端温度为80~110K,制冷机质量为290g,可在-40~71℃的环境工作，MTTF为10000h。
K562SI 是在 k562 的模型上进行的改进，当制冷量为 200 mW@150 K@23 ℃ 时的功耗为 2.5 W，冷端温度范围为 130~180 K，冷却时间 3.5 min@150 J,150 K， 环境温度为-40~71℃，制冷机重量为 215 g, MTTF 为 17000 h。
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