斯特林逆循环系统冷却散热技术
斯特林逆循环系统冷却散热技术
斯特林循环是一种独特的热力学循环方式，由苏格兰人罗伯特·斯特林于1816年提出。它通过四个特定的热力学过程（等温膨胀、等容冷却、等温压缩和等容加热）实现热量到机械能的转换。斯特林循环不仅在热机领域有广泛应用，其逆循环更是现代电子冷却和制冷技术的重要基础。
随着组件功率密度的增加，电子冷却出现了自然的发展。第一代电子元件几乎不需要外部冷却；散热到PCB通常就足够了。在此之后，被动散热器的发展，利用增加的表面积通过自然对流和辐射来散热。
随着时间的推移，电子外壳内的功率密度上升到需要强制对流来提供通风和增加通过散热器的传热系数的点。向液体冷却的发展是电子冷却的下一步，该行业仍在接受。
对液体的变化使其在冷却方面有了实质性的改善。然而，液体冷却，就像以前所有的方法一样，只是把热能从一个地方转移到另一个地方。无论采用被动冷却、主动冷却或液体冷却，从组件模传递到散热器，最后消散到周围环境中的基本循环保持不变。
多年来，人们一直在寻求改变基本的电子冷却方法。这种方法不仅可以将热量从一个地方输送到另一个地方，还可以将热量转化为一种更容易控制的能量形式。一个更合适的能量形式的例子是机械运动，它可以使用斯特林循环产生。理想的斯特林循环是一个四部分的热力学过程。
图1.斯特林循环的四个部分
上面所示的示例是一个用于讨论而不是分析的简化模型。
第一个循环，从点1到2，是等温膨胀，热量施加到气体。接下来，从点2到点3，气体在恒定体积期间被冷却，同时热量被传递回热交换器。从点3到点4，气体保持在低温并被压缩，从而将额外的热量传递到交换器中。
最后，从点4到点1，在进入膨胀室之前，气体在恒定体积期间被加热，从而再次开始循环。
斯特林循环，由26岁的苏格兰人斯特林（O. R. Stirling）在1816年提出。当时工业革命如火如荼，人们借助蒸汽机烧煤来驱动各种机械做功。斯特林循环就是为了提高蒸汽机的效率而提出的一种构想。
左图为斯特林，右图为瓦特。1816年瓦特已凭借其改良的蒸汽机富甲一方，罗伯特斯特林为了进一步改良蒸汽机提出了斯特林循环。
斯特林循环是由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环。后来，这种循环方式大规模应用于热力发动机，系统中的工质在不同温位下被不断压缩和膨胀，后输出功。
斯特林热机工作流程斯特林循环由两个等容吸热过程和两个等温膨胀过程组成的可逆循环，而且等容放热过程放出的热量恰好为等容吸热过程所吸收。热机在定等膨胀过程中从高温热源吸热，在等温压缩过程中向低温热源放热。
如前所述，在斯特林循环中有四个过程。这些过程在置换器斯特林发动机中的应用如图所示。
斯特林发动机的四个循环
首先是加热循环。当位移活塞向上驱动时，热量从热源传递到流体中，保持体积恒定并增加压力。
接下来，在膨胀过程中，迫使动力活塞上升，增加体积，降低压力。
在冷却阶段，随着压力的进一步减小，体积再次保持不变。
最后，动力活塞被迫向下移动，从而减少了流体体积，并开始增加系统内的压力。
斯特林逆循环
斯特林循环也可以反向操作，这就是逆向斯特林循环。这种逆向概念在1834年才被J Hershel提出来，此时距离斯特林循环的提出已经过了20年。Hershel的想法直到1860年才由Kirk变为现实。这种采用斯特林循环制冷的机器通常称为斯特林制冷机，原来热机中的回热过程变成蓄冷过程，回热器也被命名为蓄冷器。
斯特林制冷循环也是由两个等温过程和两个等容过程组成，只不过循环过程倒过来了，致冷逆循环是逆时针的，而致热循环是顺时针。
斯特林循环的原理决定了斯特林制冷机的主要构成：压缩机和膨胀机。其中压缩机的主要功能是产生交变压力波，经过传输管路传送到膨胀机中，带动排出器活塞运动，根据循环原理产生制冷量。
斯特林制冷器示意图，该系统由一个活塞在环境温度 Ta, 一个活塞在低温 TL| 来源：wiki
斯特林循环的四种状态 | 来源：wiki
斯特林制冷器正是利用逆卡诺循环来实现降温的，它由冷热活塞、冷量换热器、冷却器、回热器和两个气缸组成。冷却循环分为4个步骤；
等温压缩过程 a→b：冷活塞固定，热活塞右移，以环境温度 Ta 放热 Qa
定容放热过程 b→c：两个活塞同时向右移动，气体的体积保持不变，当热气体通过回热器时，将热量传给填料，因而温度由 Ta 降低到 TL ；
等温膨胀过程 c→d：热活塞固定，冷活塞右移，温度为 TL 的气体进行等温膨胀，从低温热源（冷却对象）吸收一定的热量 QL（制冷量）；
定容吸热过程 d→a：两个活塞同时向左移动直至左止点,气体体积保持不变，回复到起始位置。当温度为 TL 的气体流经时从回热器填料吸热，温度升高到 Ta。
外界对制冷器作功：
效率为：
发现其理想效率也只与两个温度有关。斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点。
冷却技术应用
自从斯特林制冷机产生以来，它就一直与高技术军用装备，特别是遥感、侦察紧密相连。此外，在大规模用到液氢、液氮、冷氦的地方，也少不了斯特林制冷机。
斯特林发动机和未来的电子冷却之间的关系在过去的几年里显著增长，这要归功于研究人员寻找新的热去除方法的工作。
MSI之前有过类似的概念产品，叫做“EColution”，不过是发热相对较低的北桥芯片散热器。后来因为种种原因未能商品化，如下图所示。
用作芯片冷却器的斯特林发动机
微星在2008年的CeBIT上展出了ECOLution散热器。这是一款用于主板北桥芯片的散热装置，而非CPU散热器。
这种发动机使用来自北桥处理器的热量来为发动机提供热量，发动机驱动一个小风扇。风扇有助于冷却发动机的顶部，也可以散热从连接在北桥的热管。实际转化为机械能的热量相当小，大约为1-5W。
冰箱应用：斯特林制冷器的核心是一台压缩机，冰箱内部的制冷系统与斯特林制冷器遵循着相同的热力学原理——逆向斯特林循环。
空调工作原理示意图 | 来源：removeandreplace.com
冰箱压缩机通电后，将蒸发器内已经吸热的低压、低温气态制冷剂吸入，经过压缩机压缩后，制冷剂形成高温高压蒸汽，进入冷凝器。
在毛细管的节流作用下，流体压力急剧降低。制冷剂流入蒸发器后，压力要低于冷凝器压力，此时液态制冷剂立即沸腾蒸发，这个过程吸收箱内热量变成低压、低温蒸汽，再次被压缩机吸收。随即进入下一个循环。
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