現(xiàn)有的主流微型制冷系統(tǒng)按照其產(chǎn)生冷量方式的不同，可以分為蒸氣壓縮制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和半導(dǎo)體制冷，不同制冷方式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合。

1 微型蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)

蒸氣壓縮式制冷是發(fā)展最早、使用最廣泛的一種制冷方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前95%的制冷系統(tǒng)屬于蒸氣壓縮式制冷。

優(yōu)點(diǎn)：制冷量大、性能系數(shù)高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；

趨勢(shì)：換熱器的體積大幅縮小，使得蒸氣壓縮制冷循環(huán)的微型化成為可能；

1.  1  蒸氣壓縮系統(tǒng)制冷原理  

典型的單級(jí)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)如圖 1 所示。制 冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，將熱量從蒸發(fā)器側(cè)帶往冷凝器側(cè)，達(dá)到制冷的目的。

1.  2  微型蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的發(fā)展  

楊宇飛等研制并測(cè)試了一套在高溫環(huán)境下用于個(gè)人冷卻的微型蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，如圖 2 所示。

工質(zhì)為Ｒ134a；

制冷量可達(dá) 260 W；

性能系數(shù)COP可達(dá)1. 5及以上；

設(shè)備尺寸為 190 mm×190 mm×100 mm；

重量為2. 75 kg；

鋰電池供電，可供個(gè)人穿戴使用；

Wu Zhihui 等研制了一套用于電子器件冷卻的微型制冷系統(tǒng)，如圖 3 所示。

工質(zhì)為Ｒ134a；

設(shè)備尺寸為 300 mm×230 mm×70 mm；

制冷劑充注量為100 g；

毛細(xì)管長為 1 800 mm；

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 858 r/min 時(shí)系統(tǒng)達(dá)到運(yùn)行工況；

制冷量可達(dá)200 W；

COP 可達(dá) 8. 5；

He Jing 等實(shí)驗(yàn)研究了微型制冷系統(tǒng)中兩級(jí)蒸發(fā)器并聯(lián)和串聯(lián)的不同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在制冷量為 100 W 的條件下，改變制冷劑的充注量，串聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng) COP 變化范圍為1. 81～3.22，并聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng) COP 變化范圍為 1. 51～2. 91; 串聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng)級(jí)制冷量大于第二級(jí); 在并聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng)中由于制造工藝等誤差，兩個(gè)蒸發(fā)器制冷劑的分配量是不同的。

P.A.de Oliveira等設(shè)計(jì)了一套基于蒸氣壓縮制冷循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)，用于高熱流密度電子器件的冷卻，如圖 4 所示。

冷凝器出口的液態(tài)制冷劑在微型噴嘴的作用下噴射到加熱塊表面，吸熱蒸發(fā)帶走熱量。作者建立了噴霧腔體的數(shù)學(xué)模型并通過模擬給出了噴嘴直徑、噴嘴空間位置、制冷量和 COP 的變化關(guān)系，結(jié)果顯示制冷量可達(dá) 560 W。

所示為該系統(tǒng)的噴霧腔體的模型。

Ｒ.P.Yee 等對(duì)一套用于冷卻電子器件的微型蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了熱動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)，模型如圖 6 所示。

結(jié)合基本原理和經(jīng)驗(yàn)公式建立了一套用于評(píng)估微型制冷系統(tǒng)性能的數(shù)學(xué)模型，通過模擬確 定了微型制冷系統(tǒng)均衡競(jìng)爭(zhēng)傳熱和壓降影響的尺寸的存在。并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制冷劑為Ｒ134a，換熱器尺寸為 50 mm×50 mm×12 mm，系統(tǒng)制冷量為110 W，COP 為1. 5～1. 9，與同等尺寸的熱電制冷系統(tǒng)相比，制冷量增加65%，COP 提升了5 倍。

表 1 總結(jié)了近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)中提到的微型蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，列出了其主要性能參數(shù)。

2 微型吸收式制冷系統(tǒng)

   １

吸收式制冷相對(duì)于蒸氣壓縮制冷而言，具有以下優(yōu)點(diǎn):

1) 不使用 CFCs 和 HCFCs 等對(duì)大氣有嚴(yán)重污染 的工質(zhì)，近些年來，各國越來越強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)的重要性，吸收式制冷意義重大;

2) 使用低品位熱能作為能量補(bǔ)償方式，在余熱利用等方面可以發(fā)揮巨大的節(jié)能減排作用。但同樣吸收式制冷也存在缺點(diǎn):

1) 相較于蒸氣壓縮制冷循環(huán)，性能系數(shù)較低，COP通常在0. 5 以下;

2) 吸收劑的濃溶液，例如最典型的吸收式制冷工質(zhì)對(duì)溴化鋰/水，對(duì)設(shè)備具有腐蝕性等。

2．1 吸收式制冷系統(tǒng)原理

所示為吸收式制冷系統(tǒng)原理。吸收式制冷的吸收回路相當(dāng)于蒸氣壓縮制冷中的壓縮機(jī)，通過吸收外界供給的熱量，它將制冷劑氣體從低溫低壓的狀態(tài)升至高溫高壓的狀態(tài)，使循環(huán)得以進(jìn)行。

2．2 微型吸收式制冷系統(tǒng)的發(fā)展  

微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展為微型吸收式制冷系統(tǒng)的出現(xiàn)提供了有效的途徑。

李躍智等提出了無水 LiBr 吸收式制冷系統(tǒng)小型化過程中需要解決的主要問題，其中包括降低熱源啟動(dòng)溫度、研制熱虹吸溶液提升器和較小吸收阻力的吸收器、微型換熱器的改進(jìn)。Hu J.S.等借助微型換熱器在實(shí)驗(yàn)室建立了一套 LiBr/H2O 溶液微型吸收式制冷系統(tǒng)，冷凝溫度為 50 ℃，蒸發(fā)溫度變化范圍為 11～19℃ 時(shí)，系統(tǒng) COP 可以達(dá)到 0. 511～0. 489。

美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出一套由引擎驅(qū)動(dòng)的 LiBr/H2O 溶液微型吸收式制冷系統(tǒng)，燃料在引擎內(nèi)燃燒，提供 250 ℃的高溫?zé)煔?，微型吸收式熱?的質(zhì)量只有 0. 65 kg，外形尺寸為 90 mm×90 mm×60 mm，制冷量為 350 W。

 S.Garimella等將一種微通道技術(shù)應(yīng)用到氨/ 水吸收式制冷系統(tǒng)的各個(gè)組件上，該微通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。該模型適用于兩相流體的傳熱與傳質(zhì)，液態(tài)流體從 A1 口流入，經(jīng)過一系列平行微通道后匯集D1口，再進(jìn)入下一層通道; 層與層之間微通道 的方向互相垂直，這種微通道模型以較小的壓力損失為代價(jià)，大大強(qiáng)化了傳熱與傳質(zhì)。

M.D.Determan 等設(shè)計(jì)、制造并成功實(shí)驗(yàn)了一 套熱能驅(qū)動(dòng)的微型吸收式制冷系統(tǒng)，工質(zhì)對(duì)為氨/水，系統(tǒng)的尺寸僅為 200 mm×200 mm×34 mm，質(zhì)量為7 kg，制冷量為300 W，系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 9 所示，結(jié)果表明，優(yōu)化解吸器以增加制冷劑的生成量和優(yōu)化蒸 餾器以純化制冷劑蒸氣有利于提高系統(tǒng)的 COP。近年來國內(nèi)外微型吸收式制冷系統(tǒng)對(duì)比如表 2 所示。

3 微型半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，又稱熱電制冷系統(tǒng)，沒有壓縮 機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件，也沒有制冷劑，因此具有控制方便、運(yùn)行可靠、布局靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在小型空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，且隨著近年來材料科學(xué)的進(jìn)步，該系統(tǒng)的 COP 不斷上升，與其他微型制冷系統(tǒng)相比優(yōu)勢(shì)日益凸顯。

3. 1 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)原理

帕爾貼效應(yīng)是熱電制冷的基本原理。典型的半導(dǎo)體制冷器如圖 10 所示。

接上直流電源后，電流由 N 型半導(dǎo)體流向 P 型半導(dǎo)體時(shí)吸收熱量，形成冷端，電 流由 P 型半導(dǎo)體流向 N 型半導(dǎo)體時(shí)釋放熱量，形成熱端。N 型和 P 型半導(dǎo)體交替排列，將熱量從冷端轉(zhuǎn)移至熱端，達(dá)到制冷的目的。

 3. 2 微型半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的發(fā)展

羅清海等對(duì)半導(dǎo)體制冷和蒸氣壓縮制冷的成本進(jìn)行了對(duì)比，指出半導(dǎo)體制冷的成本和制冷量呈線性增長關(guān)系，千瓦級(jí)的大型半導(dǎo)體制冷機(jī)成本是同容量蒸氣壓縮制冷機(jī)的 3 倍以上;

百瓦級(jí)的小型半導(dǎo)制冷機(jī)可以做到與蒸氣壓縮制冷機(jī)成本相差較小而系統(tǒng)更加安全可靠、易于調(diào)控;

十瓦級(jí)的微型半導(dǎo)體 制冷機(jī)成本遠(yuǎn)低于蒸氣壓縮制冷機(jī)，具有無法替代的優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在家用汽車和船用空調(diào)系統(tǒng)中得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

司宗根等對(duì)熱電制冷系統(tǒng)、余熱制冷系統(tǒng)和蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)在電動(dòng)汽車空調(diào)上的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比，指出熱電制冷系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠易于控制、無噪聲耐沖擊等特性很適用于電動(dòng)汽車，但是由于目前半導(dǎo)體材料優(yōu)質(zhì)系數(shù)較低，制冷性能不夠理想而最終確定了蒸氣壓 縮制冷系統(tǒng)為電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)。

李帥兵等將半導(dǎo)體制冷運(yùn)用到空調(diào)服的設(shè)計(jì)中，空調(diào)服使用太 陽能供電，制冷系統(tǒng)使用藍(lán)牙進(jìn)行控制，為達(dá)到美觀和舒適性的目的，對(duì)各個(gè)部件的位置進(jìn)行了合理規(guī)劃，空調(diào)服外形如圖 11 所示。

針對(duì)目前市場(chǎng)上半導(dǎo)體冰箱的半導(dǎo)體制冷元件常以一個(gè)恒定的工作電流運(yùn)行的現(xiàn)狀：

徐言生等利用半導(dǎo)體制冷易于控制的特點(diǎn)，提出了一種自調(diào)節(jié)電流的半導(dǎo)體制冷冰箱，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在同樣 的工作條件下，自調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷冰箱在冷卻運(yùn)行時(shí)的冷卻時(shí)間能耗均有所降低，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的耗電量 明顯下降。

孫哲等建立了一套將直接蒸發(fā)冷卻和 半導(dǎo)體制冷相結(jié)合的制冷系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的制冷性 能進(jìn)行了初步測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明性能系數(shù)為 3. 3，系統(tǒng)如圖 12 所示。

金聽祥等將半導(dǎo)體制冷運(yùn)用到家用空調(diào)系統(tǒng)的過冷器中，以增加系統(tǒng)的過冷度，在最小制冷、額定制冷和制冷 3 種工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示系統(tǒng)的制冷量分別提升了3. 6%、3. 2%和 4. 0%，系統(tǒng)的性能指數(shù)分別提升了 3. 7%、3. 1%和 4. 2%。

王振雨等提出了熱管型半導(dǎo)體制冷器，半導(dǎo)體制冷片和冷端散熱器、熱端散熱器并排布置，通過熱管相 連。與常規(guī)半導(dǎo)體制冷器相比，改進(jìn)后的熱管半導(dǎo)體制冷器厚度減小了29. 2%，制冷量提高了2. 7%，COP提高了3. 45%，如圖13 所示。

4 其他新型微型制冷系統(tǒng)

近年來，一些新型的制冷方式被應(yīng)用到微型制冷系統(tǒng)中，如磁制冷、激光制冷、熱聲制冷等，越來越多的新型制冷機(jī)被設(shè)計(jì)和制造出來，制冷系統(tǒng)不斷走向多元化。

4．1  磁制冷  

是指利用具有磁化放熱、退磁吸熱的磁制冷材料獲取冷量的制冷方式，因?yàn)橄到y(tǒng)小、無運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行可靠、無環(huán)境污染等特點(diǎn)，磁制冷在微型制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)展。磁制冷材料是磁制冷系統(tǒng)的核心，Gd系材料，GdSiGe 系材料，Mn 基化合物，LaFeSi 系材料等是目前磁制冷材料的研究重點(diǎn)。

4．2  激光制冷  

基于反Stokes 熒光制冷原理，相較于蒸 氣壓縮制冷和熱電制冷具有結(jié)構(gòu)經(jīng)湊、制冷溫度更低等優(yōu)點(diǎn)，在微型制冷系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。與磁制冷類似，固體激光制冷材料是其主要研究方向，常見的材料有: 摻雜濃度為 1 mol% 的塊狀 Tm3+ : ZBLANP 玻璃; 雜濃度為 2 mol% 的圓柱 狀Yb3+ : ZBLANP玻璃; 摻雜濃度為 5 mol%的塊狀Yb3+ : YLiF4玻璃等。

4．3  熱聲制冷  

具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械振動(dòng)小、工作壽命長、能量來源廣泛等特點(diǎn)，便于微型化，在微電子和集 成電路散熱等方面具有很大的應(yīng)用前景。張彤設(shè)計(jì)了一種加強(qiáng)型的微型熱聲制冷機(jī)，通過引入完整的回?zé)崞骱蛽Q熱器，對(duì)整個(gè)熱聲制冷系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了壓力和頻率對(duì)熱聲制冷效率的提升作用重大的結(jié)論，其熱聲制冷機(jī)模型如圖 14 所示。

圖片

5 微型換熱器和壓縮機(jī)

制冷系統(tǒng)微型化，制冷系統(tǒng)部件也要求微型化、高效、緊湊。

5．1 微型換熱器發(fā)展現(xiàn)狀 

換熱器種類繁多，有套管式、管殼式、板翅式、蓄熱式等，與此同時(shí)，很多新形式的換熱器也在不斷研發(fā)出來，以適應(yīng)于不同的場(chǎng)合。

在微型制冷系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的有平行流換熱器，如圖 15 所示的平行流換熱器，尺寸為 120 mm × 120 mm × 34 mm，換熱量為 600 W，換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。

E． Borquist 等設(shè)計(jì)了一種用銅制造的微通道換熱器，如圖 16 所示。使用電鍍技術(shù)制造出寬為 300 μm，高為 120 μm 的微通道，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模 擬的方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)施加熱載荷為8. 7 kW/m2 時(shí)，干通道換熱能力為 7. 6 kW/m2 ，濕通道的換熱能力為 8. 3 kW/m2 。

5．2 微型壓縮機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 

常用的制冷壓縮機(jī)有活塞壓縮機(jī)、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、 雙螺桿壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)等，其中微型壓縮機(jī)中以 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

表 3 列舉了國外廠家生產(chǎn)的比較有代表性微型 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)及關(guān)鍵參數(shù)

 翅片成型機(jī),翅片沖床,脹管機(jī)

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