Q｜A

       “答”人 | 中国电科16所

       Q：

       为什么制冷比制热更难？　　

　　A：

　　众所周知，自然界中的热量会自动从高温物体向低温物体传递，低温物体在得到热量后温度升高、实现热平衡。对低温物体而言，此过程称之为“制热”；反之，从低温物体中吸取热量并将其转移给高温物体的过程，称为“制冷”。如果说制热过程的发生符合自然规律，那么制冷过程相当于能量传递的逆向通行，需要付出一定代价、消耗一定能量——这就决定了制冷技术的实现难度很大。

　　QUESTION ONE

　　制冷技术应用于哪些领域？

　　通常来说，制冷技术根据制冷温度划分为普通制冷和低温制冷两大类。普通制冷技术的制冷温度在-153℃以上，仅能实现常规制冷，如冰箱空调等家用电器、商业部门的冷库食品保鲜等，极限制冷温度不足、环境适应能力弱、控温精度不足，无法满足高精尖领域的超低温、高精度、高可靠、长寿命使用需求；而低温制冷技术的制冷温度在-153℃以下到-273.15℃，突破了普通制冷物理性能的天花板，是支撑航空航天、量子计算、大科学装置等前沿领域不可或缺的核心技术。

　　举例来说，采用液氢液氧推进剂的火箭需要低温环境使氢和氧保持液态，完成加注和储存；深空探测器、星载红外遥感器以及天气监测、海洋监测设备载荷的敏感元件也需要低温环境最大限度地降低热噪声；量子芯片信号的精准读取，依赖低温制冷机和高温超导滤波器、量子器件等低温电子器件共同创造的特殊低温环境；欧洲核子研究中心大型强子对撞机、北京正负电子对撞机、上海同步辐射光源、合肥超导托卡马克装置等大型科学装置依托大型氦低温制冷系统创造低温超导强磁场条件；低温制冷技术同样广泛应用于化工能源产业中的气体分离和液化、生物医疗领域的生物材料低温保存及冷冻外科手术……

　　如果说普通制冷设备是日常降温工具，那么低温制冷机可以被视作面向科研和高新技术产业的低温工业重器，二者在技术壁垒、性能、环境适配性、可靠性等方面有着天壤之别。低温制冷技术俨然成为一门方兴未艾、发展正“热”的“冷”科学。

　　随着航空航天事业的飞速发展，人类探索宇宙的脚步迈得更大、更远。当遥感卫星完成对地观测，当航天器在深空执行探测任务，当导弹实现自动寻找目标，当红外热成像与夜视装备灵敏捕捉热辐射信号——斯特林制冷机，正是支撑这一切稳定运转的幕后功臣。它以精妙的机械结构与奇妙的制冷循环，挣脱常温环境的束缚，持续构建稳定、纯净的低温环境，为前沿科研、高端装备、国防工业筑牢低温基底。今天，就来聊聊斯特林制冷机，看看它如何缔造低温环境、护航科技发展。

　　QUESTION TWO

　　什么是斯特林制冷机？

　　斯特林制冷机，依托精密机械结构与奇妙制冷循环，实现了人工可控、大范围、超稳定的低温环境营造。制冷机基于等温压缩、定容放热、等温膨胀、定容吸热的核心原理运作，压缩机单元首先将常温低压工质气体压缩到高温高压状态，通过散热单元完成热量释放，实现工质等温压缩；工质流经回热器实现降压降温，进入膨胀机冷头进行等温膨胀，从低温热源吸热实现制冷效果，低温环境便由此诞生了。同时，回热器会回收循环过程中的残余冷量，提升制冷效率；完成吸热工作的低压工质再次回流至压缩机开启新一轮制冷循环，周而复始形成闭环运作。

　　斯特林制冷机拥有多项行业领先的硬核优势：

　　制冷温域更广，极限温度更低。依托先进的斯特林制冷、脉管制冷等核心技术，可稳定实现宽温域低温调控，轻松突破超低温瓶颈，满足红外探测、超导材料、量子芯片、深空探测设备的极致低温工况需求。

　　控温精度更高，稳定性更强。搭载高精度传感监测与智能调控系统，搭配自主优化的回热循环技术，温度波动极小，可长期不间断稳定运行，全程保障实验、生产、测试工况的一致性。

　　能耗更低，运行效率更优。通过优化工质压缩系统、升级回热器核心工艺，精准回收冗余冷量，大幅降低无效能耗，相比传统设备能效比显著提升，适配大规模、长时程产业化应用。

　　适配性极强，可靠性顶尖。设备结构紧凑、抗振动、抗干扰、耐高低温，可适配实验室精密科研、户外极地探测、航天航空配套、工业精密制造等多场景复杂工况，国产化核心技术保障设备高可靠、长寿命运行。

　　一套完整的斯特林低温制冷系统，主要包含四大核心单元：

　　能量加压单元——压缩机：作为系统动力心脏，负责将低温低压制冷工质压缩为高温高压状态，为整个制冷循环提供动力支撑，保障循环持续运转。

　　热量消散单元——散热组件：承担系统散热核心作用，快速带走压缩过程产生的热量，让高压工质快速降温，为后续低温生成做好铺垫。

　　冷量生成单元——冷头/膨胀机：系统的低温核心，高压工质在此完成等温膨胀，通过吸热效应生成低温冷量，打造目标低温环境。

　　冷量回收单元——回热器：精准储存循环残余冷量，预冷工质，大幅降低能耗、提升整体制冷效率，是制冷机的核心精密部件。

　　四大单元精密配合、协同运转，最终实现常温到低温的精准转换，稳定构建所需低温环境，完成完整、高效、可靠的低温制冷闭环。

　　QUESTION THREE

　　智能时代，低温发展前景如何？

　　深耕低温制冷领域近五十年，中国电科16所在低温制冷领域不断开展核心技术攻关与产品迭代，突破了高效直线压缩机、高效回热工艺、精密膨胀结构、智能控温算法、高可靠长寿命设计等一系列关键技术难题。持续优化产品性能，攻克超宽温域制冷、高精度控温、抗恶劣环境干扰、小型化集成等核心技术。

图：斯特林型制冷机系列产品

　　依托成熟的技术积淀与量产能力，16所研制的斯特林制冷机已实现系列化、批量化应用，广泛配套于航空航天探测装备、精密光电仪器、极地科考设备等高端领域。产品可适配实验室静态科研、户外动态探测、工业连续生产、装备配套服役等多类场景，凭借高稳定性、高精度、长寿命、低能耗的优势，全面支撑我国前沿科研突破与高端装备国产化迭代。

　　所以，

　　制热是热量顺着温度梯度自然传递的过程，而制冷则是逆着自然规律，将热量从低温物体“搬”到高温环境中去——这本身就需要额外消耗能量来驱动核心部件做功。从实验室里的低温科研试验，到九天之上的航天深空探测，无处不在的低温制冷技术默默支撑着科技探索的每一步突破。我们持续缔造稳定可靠的低温环境，用极致精密的制冷力量守护每一次产品的技术突破与创新，助力我国国防事业、高端制造奔赴更远的未来！

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