4大微（wēi）型製冷係統（tǒng）技（jì）術發展趨勢

現有的主流微型製冷係統按照其產生冷量方式的不同，可（kě）以分為蒸（zhēng）氣壓縮製冷、吸收式製冷、吸附式製冷和半導體製冷，不同製（zhì）冷方式具有不同（tóng）的優缺（quē）點，適用於不同的場合。

1 微型蒸（zhēng）氣壓縮式製冷係統

蒸氣壓縮式製冷是（shì）發展最早（zǎo）、使用最廣泛的一種製冷方式，據統計，目前95%的（de）製冷係統屬於蒸氣壓縮式製冷。

優點（diǎn）：製冷（lěng）量大、性能係數高和結構簡單可靠；

趨勢（shì）：換熱器的體積大幅縮小，使得蒸氣壓縮製冷循環的微（wēi）型化成為可能；

1.  1  蒸氣壓縮係統製冷原理  

典型的單級蒸氣壓縮製冷係統如圖 1 所示。製 冷劑在係統中循環流動，將熱（rè）量從蒸發器側帶（dài）往冷凝器側，達到製冷的目的。

1.  2  微型蒸氣壓縮製冷係統的發展  

楊（yáng）宇飛等研製並測試了一套（tào）在高溫環境下用於個人冷卻的微型蒸氣壓縮製冷係統，如圖（tú） 2 所示。

工質為（wéi）Ｒ134a；

製冷量可達 260 W；

性能係數COP可達1. 5及以上；

設備尺寸為 190 mm×190 mm×100 mm；

重量（liàng）為2. 75 kg；

鋰電（diàn）池供電，可供個（gè）人穿戴（dài）使用；

Wu Zhihui 等研製了一套用於電子器件冷卻的微型製冷係統，如圖 3 所示（shì）。

工質為Ｒ134a；

設備尺寸為 300 mm×230 mm×70 mm；

製冷劑充注量為100 g；

毛細管長為 1 800 mm；

壓縮機轉速為 2 858 r/min 時係統達到運行工況；

製冷量可達200 W；

COP 可達 8. 5；

He Jing 等實驗（yàn）研（yán）究了微型製冷係統中兩級蒸發器並聯和串聯的不同。

實驗結果表明，在製冷量為 100 W 的條件下，改變製冷劑的充注（zhù）量，串聯蒸發器係（xì）統 COP 變化範圍為1. 81～3.22，並聯蒸發器（qì）係統（tǒng） COP 變化範圍為 1. 51～2. 91; 串（chuàn）聯蒸發器係統級製冷量大（dà）於第二級（jí）; 在並聯蒸發器係統中由於製造工藝等誤差，兩個蒸（zhēng）發器製冷（lěng）劑（jì）的（de）分配量是不同的。

P.A.de Oliveira等設計了一套基於蒸氣壓縮製冷循環的噴霧（wù）冷卻係統（tǒng），用於高（gāo）熱流密度電子器件的冷卻，如圖 4 所示。

冷（lěng）凝器出口的液態製冷劑在微型噴嘴的作用下噴射到（dào）加熱塊表麵，吸熱蒸發（fā）帶走熱量。作者建（jiàn）立了噴（pēn）霧腔體的數學模（mó）型並通過模擬給出了噴嘴直徑、噴嘴空間位置、製冷量和 COP 的變化關係，結果顯示（shì）製冷（lěng）量可達 560 W。

所示為該係統的噴霧腔（qiāng）體的模型。

Ｒ.P.Yee 等對一（yī）套用於冷卻電子器件的微型蒸氣壓縮製冷係統進（jìn）行了（le）熱動力學分析和設計，模型如圖 6 所示（shì）。

結合基本原理和經驗公式建立了一套用於評估微型製冷係統性能的數學模型，通過模擬確 定了微型製冷係統均衡競爭傳熱和壓降影響的尺寸的存（cún）在。並通過實驗進行了驗證，實驗係統的製冷劑為Ｒ134a，換熱器尺寸為 50 mm×50 mm×12 mm，係統製冷量為110 W，COP 為1. 5～1. 9，與同等尺寸的熱電製冷係統相比（bǐ），製冷量增加65%，COP 提升了5 倍。

表 1 總結了（le）近年來國內外文獻中提到的微型蒸氣壓縮製冷係統，列出了其主要性能參數（shù）。

2 微型吸收式製（zhì）冷係統

   １

吸收式製冷相（xiàng）對於蒸氣壓縮製（zhì）冷而言，具有以下優點:

1) 不（bú）使用 CFCs 和 HCFCs 等對大氣有（yǒu）嚴重汙染 的工質，近些年來（lái），各國越來越強調環境保（bǎo）護的重要性，吸收式製冷意義重大;

2) 使用低品位熱能作為能量補償方式，在餘（yú）熱利用等方麵可以發揮巨大的節能減排（pái）作（zuò）用。但同樣吸（xī）收式製冷（lěng）也（yě）存在缺點:

1) 相較於蒸氣壓縮製冷循環，性能係數較低，COP通常在（zài）0. 5 以下;

2) 吸收劑的濃溶液，例如最典型（xíng）的吸收式製冷工質對溴化鋰/水，對設備具（jù）有腐蝕性等。

2．1 吸收式製冷係統原理

所示為（wéi）吸收式製冷係統原理。吸收式製冷的吸收回路相當於（yú）蒸氣壓縮（suō）製冷中的壓（yā）縮機（jī），通過吸收外界供給的熱量，它將製冷劑氣體從低（dī）溫低壓（yā）的狀態升至高溫高壓的（de）狀態，使循環得（dé）以進行。

2．2 微型吸收式製冷係統的發展  

微機電係統（tǒng）的發展為微型（xíng）吸收式製冷係統的出現提供了有效的途徑。

李躍智等（děng）提出了無水 LiBr 吸收式製冷係統小型化過程中需要解決的主要問題，其中包括降低（dī）熱源啟動溫度、研製熱虹吸溶液提升（shēng）器（qì）和較小吸收阻力的吸收器、微型換熱（rè）器（qì）的（de）改進。Hu J.S.等（děng）借助微型換（huàn）熱器在（zài）實驗室建立了一套 LiBr/H2O 溶液微型吸（xī）收式製冷係統，冷凝（níng）溫度為 50 ℃，蒸發溫（wēn）度變化範圍為 11～19℃ 時（shí），係統 COP 可以達到 0. 511～0. 489。

美國太平洋西北國家實驗室研發出一（yī）套由引擎驅動的 LiBr/H2O 溶（róng）液微型吸收式製冷係統，燃料在引擎內燃燒（shāo），提供 250 ℃的高溫煙氣，微型吸收式熱泵 的質量隻（zhī）有 0. 65 kg，外形尺寸為 90 mm×90 mm×60 mm，製冷量為 350 W。

 S.Garimella等將一種微通道技術應用到氨（ān）/ 水吸收式製冷係統（tǒng）的各（gè）個組件上，該微通（tōng）道內部結構如圖 8 所示。該模型適（shì）用於兩相流體的傳（chuán）熱（rè）與傳質，液態流體從 A1 口流入，經過一係列平行微通道後匯集（jí）D1口，再進入下一層通道; 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（shī）為代價，大大強（qiáng）化了傳（chuán）熱與傳質。

M.D.Determan 等設計、製造並成功實驗了一 套熱能驅（qū）動的微型吸收式製冷係統，工質對為氨/水，係統的尺寸僅為 200 mm×200 mm×34 mm，質量為7 kg，製冷量為300 W，係統的（de）內部結構（gòu）如圖 9 所（suǒ）示，結果（guǒ）表明，優化解吸器（qì）以增（zēng）加（jiā）製冷劑的生成量和優化蒸 餾器以純化製冷劑蒸氣有利於提高係統的 COP。近年（nián）來國內外（wài）微型吸（xī）收式製冷係統對比如表 2 所示。

3 微（wēi）型半導體製冷係統（tǒng）

半導體製冷（lěng）係統（tǒng），又（yòu）稱熱電製冷係統（tǒng），沒有壓縮 機等運動部件，也沒有製冷劑，因此具有控製方便、運行可靠、布（bù）局靈活、適應性強等特點，在小型空調係統中應用廣泛，且隨著（zhe）近年（nián）來材料科學的進步，該係統（tǒng）的 COP 不斷上升，與其他微型製冷係統相比優勢日益凸顯。

3. 1 半導體製冷係統原理

帕爾貼效應是熱電製冷的基本原理。典型的半導體製（zhì）冷器如圖 10 所示。

接上直流電源後（hòu），電流由 N 型半導體流（liú）向 P 型半導體時吸收熱量（liàng），形成冷端，電 流（liú）由 P 型半導體流向（xiàng） N 型半導體時釋放熱量，形成熱端。N 型和（hé） P 型半導體交替排列（liè），將（jiāng）熱量從冷端轉移至熱端，達到製冷的目的。

 3. 2 微型半導體製冷係統的發展

羅清海等（děng）對半導體製冷和蒸氣壓縮製冷的成本進行了（le）對比，指出半導體製冷的成本（běn）和製冷量呈（chéng）線性增長關係，千瓦級的大型（xíng）半導體製冷機成本是同容量蒸（zhēng）氣壓縮製冷機的 3 倍以上;

百瓦級的小（xiǎo）型半導製冷機可以做到與蒸氣壓縮製冷機成本相差較小而係統更加安全（quán）可靠、易於調控;

十瓦級（jí）的微型半導體（tǐ） 製冷機成（chéng）本遠低於蒸氣壓縮製冷（lěng）機，具（jù）有無法替代的（de）優勢。半導體製（zhì）冷係統（tǒng）在家用汽（qì）車和船用空調係統中得（dé）到了越來越廣泛地應用。

司宗根等對熱（rè）電製冷係（xì）統、餘熱製冷係統和蒸（zhēng）氣壓縮製冷係統在電（diàn）動汽車空調上的應用進行了對比，指出熱電製冷係統由於結構緊湊（còu）、可靠易於控製、無噪聲（shēng）耐衝擊等特性很適用於電動汽車，但是由於目前半導體材（cái）料優質係數（shù）較低，製冷性能不夠理想而最終確定了（le）蒸氣壓（yā） 縮製冷係統為電動汽車空調係統。

李帥兵等將半導體製冷運用到空調（diào）服的設（shè）計中（zhōng），空調服使用太 陽（yáng）能供電（diàn），製冷係統使用藍牙（yá）進（jìn）行控製，為達到美觀和（hé）舒適（shì）性的目的，對各個部件的位置進行了合理規劃，空調服外形如圖 11 所示。

針對目前市場（chǎng）上半導體冰箱的半導體製冷元件常以一個恒定的工作電流運行的現（xiàn）狀：

徐言生等利用半導體製冷易於控製的特點，提出了一種自調節電流的半導體製冷冰箱，通過實驗研究發現，在（zài）同樣 的工作條件下，自調節半（bàn）導體（tǐ）製冷冰箱在冷卻運行時的冷卻時間能耗均有所降（jiàng）低（dī），在穩（wěn）定運行時的耗電量 明顯下降。

孫哲等建立了一套將直接蒸發冷卻和 半導體製（zhì）冷相（xiàng）結合的製冷係統，並對該係統的製冷性 能進行了初步測試，實驗結果表明性能（néng）係數（shù）為 3. 3，係統如圖 12 所示。

金聽祥等將半導體製（zhì）冷運用到家用（yòng）空調係統（tǒng）的過冷（lěng）器中，以增加係統的過冷度，在最小（xiǎo）製冷、額定製冷和（hé）製冷 3 種工況下進行了實驗研究，結（jié）果顯示係統（tǒng）的製冷（lěng）量分別提升了3. 6%、3. 2%和 4. 0%，係統的性能指數分（fèn）別提升了 3. 7%、3. 1%和 4. 2%。

王振雨等提出（chū）了熱管型半導體製冷器，半導體製冷片和冷端散熱器、熱（rè）端散熱器並排布置，通（tōng）過熱（rè）管相 連。與常規半導體製冷器相比，改（gǎi）進後的熱管半導體製冷器厚度減小了29. 2%，製（zhì）冷量提高了2. 7%，COP提高了3. 45%，如（rú）圖13 所示。

4 其他新型微型製冷係統

近年來，一些新型的製冷方式被應用到微型製冷係統中，如磁製冷、激光製冷、熱聲製冷等，越來越多的新型製冷機被設計和（hé）製造出來，製冷係統不（bú）斷走向多元化。

4．1  磁製冷  

是指利用具（jù）有磁化放熱、退磁吸熱（rè）的磁製冷材（cái）料獲取冷量的製冷方式（shì），因（yīn）為係統小、無運動部件、運行可靠、無環境汙染等特點，磁製冷在（zài）微型製冷係統中的應（yīng）用（yòng）不斷擴展。磁製冷材料（liào）是磁製冷（lěng）係統的核心，Gd係材料，GdSiGe 係材料，Mn 基化合物，LaFeSi 係材料等是目前磁製冷材料的研究重點。

4．2  激光製（zhì）冷  

基於（yú）反Stokes 熒光製冷原理，相（xiàng）較於蒸 氣壓縮製冷和熱電製冷具有（yǒu）結構經湊（còu）、製冷溫度更低等優點（diǎn），在微型（xíng）製冷係統中有很大的應用（yòng）潛（qián）力。與磁製冷類似，固（gù）體激光製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（nóng）度為（wéi） 2 mol% 的圓柱 狀（zhuàng）Yb3+ : ZBLANP玻（bō）璃; 摻雜濃度為 5 mol%的（de）塊狀Yb3+ : YLiF4玻璃等。

4．3  熱聲製冷  

具有結構簡單、機（jī）械振動小、工作壽命（mìng）長、能（néng）量來源廣泛等特點，便於微型化，在微電子和集 成電路（lù）散（sàn）熱等方麵具（jù）有很大的應用前景。張彤設計了一種加強型的微型熱聲製冷機，通過（guò）引入完整的回熱器和換熱器，對整個熱聲製（zhì）冷係統進行了數值（zhí）模擬分析，得（dé）出了壓力和頻率對熱聲製冷效率的提升作用（yòng）重大的結論，其熱聲（shēng）製冷機模型如圖 14 所示。

圖片

5 微型換熱器和壓縮機

製冷係統微型化，製冷係統部件也要（yào）求微型（xíng）化、高效（xiào）、緊湊。

5．1 微型換熱器發（fā）展現狀 

換熱器（qì）種類繁多，有套管（guǎn）式、管殼式、板翅式、蓄熱式（shì）等，與此同時，很多新形式的換（huàn）熱器也在不斷研發出來，以適應於（yú）不同的場合。

在微型製冷係統中，應用較多的有平行流換熱器，如圖 15 所示（shì）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，結構緊湊。

E． Borquist 等設計了一種用銅（tóng）製造的（de）微通道換（huàn）熱器（qì），如圖 16 所示。使用電（diàn）鍍技術製造（zào）出（chū）寬為 300 μm，高為 120 μm 的微通道，通過實驗和（hé）數值模 擬的方法進行了研究，結果（guǒ）表明，當施加（jiā）熱載荷為8. 7 kW/m2 時，幹（gàn）通道換（huàn）熱能力為（wéi） 7. 6 kW/m2 ，濕通道的換熱能（néng）力（lì）為 8. 3 kW/m2 。

5．2 微型壓縮機發展現（xiàn）狀 

常用的製冷壓縮機有（yǒu）活塞壓縮機、滾動轉子壓縮機、 雙螺杆（gǎn）壓縮（suō）機、渦旋壓縮機（jī）等，其中微型壓縮機中以 滾動轉子壓縮機應用最為廣泛。

表 3 列舉（jǔ）了國外廠家生產的比較有代（dài）表性微型 滾動轉子壓縮機及關鍵參（cān）數（shù）

 翅片成型機,翅片衝床,脹管機

轉載（zǎi）至公眾號