1.1 背景

人类对能源开发带来的影响越来越关注的同时，能源利用技术也在几次改革中越来越可靠，清洁，高效，智能。在这个过程中，因为斯特林循环装置（包括发动机，热机，制冷机）具有工作效率高，结构简单，运转可靠，热源适应范围广等特点，受到了业内的特别关注。其中的斯特林循环制冷机在深冷的方面表现亮眼，其高效率，绿色，制冷温区广，结构紧凑，寿命长，为超导技术的研究提供了液氮温区的实验环境，为航空航天探测提供了有效的冷却技术。低温界内对斯特林制冷机也在不断探索，不断完善其技术。

在不存在配气阀门的前提下，采用容积变化来控制流率的制冷机称为斯特林制冷机，包括了机械压缩机和热压缩机两类。斯特林制冷机运用了斯特林循环的逆循环，其具有理论上等于卡诺循环的高效率。这种斯特林循环最早是由罗伯特#8226;斯特林在1816年提出的，其包括两个定温过程和两个定容过程。一开始，斯特林循环主要应用于发动机，并在几代科学家的努力下，不断完善，并得到产业化。1834年，J.Hershe1使用斯特林逆循环制冰，但直到1860年A.Krik才揭示了这种制冷方法。1946年，荷兰菲利浦实验室首次成立独立部门研究斯特林制冷机，并在1954年，成功研制单极斯特林制冷机。20世纪60年代，WillianBeale 发明了自由活塞斯特林制冷机，2000年，SunPower公司研制了CRYOTEL系列自由活塞斯特林制冷机，效率相对于卡诺效率达到20%以上。近半个世纪，斯特林制冷技术开始应用于军事，航天和精密仪器的冷却，低温冰箱等。斯特林制冷机在可靠性，寿命，大制冷量上都有很大的突破。

对于斯特林制冷机的探索，国内起步较晚，大约萌芽于1958年，西安交通大学和杭州制氧厂在苏联专家的指导下，合作研究回热式制冷机。1966年7月中国科学院上海技术物理研究所在探讨红外航空相机时，成功研制了中国第一台整体式回热式斯特林制冷机。合肥低温电子研究所为了配套红外探潜系统，在1981年成功研制了二级整体式斯特林制冷机，并在1991年，研制了单极分置式斯特林制冷机。昆明物理研究所在上个世纪90年代，也成功研制直线分置式斯特林制冷机样机。另外中国科学院物理研究所，理化研究所，西安交通大学，北京大学，，浙江大学，华中科技大学等都开展过斯特林制冷机的研究，使斯特林循环制冷这项技术日趋成熟。

1.2 国内外现状

斯特林循环制冷机的热力学分析是制冷机设计，特性分析，适用检验的一种重要途径。在对斯特林循环的近百年分析中，先后出现了多种研究方法，大致可分为五个阶段。

第一阶段：实验法，在实验基础上,对实验结果进行归纳总结,应用实验数据对斯特林循环性能进行分析，总结得出经验公式。如1860年A.Krik揭示斯特林逆循环用于制冷方法,并在1874年对该种制冷方法在酿酒厂进行试验，总结其可行性。

第二阶段：等温分析法，假设冷腔室和热腔室内工质的温度保持不变，工质经历两个等温过程，可根据理论公式推导出性能解析解,可以考虑各种热损失和流动损失。1861年，G.Schmiidt首次提出了等温分析，并成功进行模拟分析，但结果与实际结果有较大的差距，准确率一般都不大于50%。

第三阶段：多变分析法，在等温模型的分析中，学者发现实际斯特林制冷机的运转频率在15Hz以上是，等温模型的实验结果以偏离了实际结果。所以学者提出多变分析法，假设冷腔室和热腔室内工质的温度是时刻变化的，结合气体状态方程和边界条件推导出每个部件内的质量守恒方程和能量守恒方程,并进行数值求解。20世纪60年代末，Qvale和Smith 提出了绝热分析模型，实验证明绝热模型比等温模型更接近于实际。1960年Finkelstein提出了综合分析法，假设压缩过程和膨胀过程不是等温和绝热的，认为气缸中有传热的存在，等温模型和绝热模型只是特例。但多变分析法存在求解计算量大的缺点，需要借助计算机辅助数值计算。

第四阶段：节点分析法，将斯特林循环制冷机分为n 个节点，通过求解节点处的质量，动量和能量方程，来模拟制冷机中同时存在的流体流动和能量传递。由于计算量的递增，往往需要将求解方程组转化成微分方程组，采用小增量时间步长的数值法求解。Finkelstein在20世纪60年代末为NASA开发了节点法的斯特林循环热力分析程序，并在1975年提出节点分析的理论基础，描述了采用数值差分法求解微分方程组的方法。