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4大微型制冷系统技术发展趋势

2022-05-23 20:32:29

现有的主流微型制冷系统按照其产生冷量方式的不同,可以分为蒸气压缩制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和半导体制冷,不同制冷方式具有不同的优缺点,适用于不同的场合。



1 微型蒸气压缩式制冷系统

   

蒸气压缩式制冷是发展Z早、使用Z广泛的一种制冷方式,据统计,目前95%的制冷系统属于蒸气压缩式制冷。

优点:制冷量大、性能系数高和结构简单可靠;

趋势:换热器的体积大幅缩小,使得蒸气压缩制冷循环的微型化成为可能;

 

1.  1  蒸气压缩系统制冷原理  

典型的单级蒸气压缩制冷系统如图 1 所示。制 冷剂在系统中循环流动,将热量从蒸发器侧带往冷凝器侧,达到制冷的目的。

 


1.  2  微型蒸气压缩制冷系统的发展  

杨宇飞等研制并测试了一套在高温环境下用于个人冷却的微型蒸气压缩制冷系统,如图 2 所示。

工质为R134a;

制冷量可达 260 W;

性能系数COP可达1. 5及以上;

设备尺寸为 190 mm×190 mm×100 mm;

重量为2. 75 kg;

锂电池供电,可供个人穿戴使用;



Wu Zhihui 等研制了一套用于电子器件冷却的微型制冷系统,如图 3 所示。

工质为R134a;

设备尺寸为 300 mm×230 mm×70 mm;

制冷剂充注量为100 g;

毛细管长为 1 800 mm;

压缩机转速为 2 858 r/min 时系统达到运行工况;

制冷量可达200 W;

COP 可达 8. 5;

 


He Jing 等实验研究了微型制冷系统中两级蒸发器并联和串联的不同。

实验结果表明,在制冷量为 100 W 的条件下,改变制冷剂的充注量,串联蒸发器系统 COP 变化范围为1. 81~3.22,并联蒸发器系统 COP 变化范围为 1. 51~2. 91; 串联蒸发器系统级制冷量大于第二级; 在并联蒸发器系统中由于制造工艺等误差,两个蒸发器制冷剂的分配量是不同的。

 

P.A.de Oliveira等设计了一套基于蒸气压缩制冷循环的喷雾冷却系统,用于高热流密度电子器件的冷却,如图 4 所示。

冷凝器出口的液态制冷剂在微型喷嘴的作用下喷射到加热块表面,吸热蒸发带走热量。作者建立了喷雾腔体的数学模型并通过模拟给出了喷嘴直径、喷嘴空间位置、制冷量和 COP 的变化关系,结果显示制冷量可达 560 W。

 


所示为该系统的喷雾腔体的模型。



R.P.Yee 等对一套用于冷却电子器件的微型蒸气压缩制冷系统进行了热动力学分析和设计,模型如图 6 所示。



结合基本原理和经验公式建立了一套用于评估微型制冷系统性能的数学模型,通过模拟确 定了微型制冷系统均衡竞争传热和压降影响的尺寸的存在。并通过实验进行了验证,实验系统的制冷剂为R134a,换热器尺寸为 50 mm×50 mm×12 mm,系统制冷量为110 W,COP 为1. 5~1. 9,与同等尺寸的热电制冷系统相比,制冷量增加65%,COP 提升了5 倍。

 

表 1 总结了近年来国内外文献中提到的微型蒸气压缩制冷系统,列出了其主要性能参数。



2 微型吸收式制冷系统

   1

吸收式制冷相对于蒸气压缩制冷而言,具有以下优点:


1) 不使用 CFCs 和 HCFCs 等对大气有严重污染 的工质,近些年来,各国越来越强调环境保护的重要性,吸收式制冷意义重大;

2) 使用低品位热能作为能量补偿方式,在余热利用等方面可以发挥巨大的节能减排作用。但同样吸收式制冷也存在缺点:

1) 相较于蒸气压缩制冷循环,性能系数较低,COP通常在0. 5 以下;

2) 吸收剂的浓溶液,例如Z典型的吸收式制冷工质对溴化锂/水,对设备具有腐蚀性等。

 

2.1 吸收式制冷系统原理

所示为吸收式制冷系统原理。吸收式制冷的吸收回路相当于蒸气压缩制冷中的压缩机,通过吸收外界供给的热量,它将制冷剂气体从低温低压的状态升至高温高压的状态,使循环得以进行。


 

2.2 微型吸收式制冷系统的发展  

微机电系统的发展为微型吸收式制冷系统的出现提供了有效的途径。

 

李跃智等提出了无水 LiBr 吸收式制冷系统小型化过程中需要解决的主要问题,其中包括降低热源启动温度、研制热虹吸溶液提升器和较小吸收阻力的吸收器、微型换热器的改进。Hu J.S.等借助微型换热器在实验室建立了一套 LiBr/H2O 溶液微型吸收式制冷系统,冷凝温度为 50 ℃,蒸发温度变化范围为 11~19℃ 时,系统 COP 可以达到 0. 511~0. 489。

 

美国太平洋西北国家实验室研发出一套由引擎驱动的 LiBr/H2O 溶液微型吸收式制冷系统,燃料在引擎内燃烧,提供 250 ℃的高温烟气,微型吸收式热泵 的质量只有 0. 65 kg,外形尺寸为 90 mm×90 mm×60 mm,制冷量为 350 W。

 

 S.Garimella等将一种微通道技术应用到氨/ 水吸收式制冷系统的各个组件上,该微通道内部结构如图 8 所示。该模型适用于两相流体的传热与传质,液态流体从 A1 口流入,经过一系列平行微通道后汇集D1口,再进入下一层通道; 层与层之间微通道 的方向互相垂直,这种微通道模型以较小的压力损失为代价,大大强化了传热与传质。

 



M.D.Determan 等设计、制造并成功实验了一 套热能驱动的微型吸收式制冷系统,工质对为氨/水,系统的尺寸仅为 200 mm×200 mm×34 mm,质量为7 kg,制冷量为300 W,系统的内部结构如图 9 所示,结果表明,优化解吸器以增加制冷剂的生成量和优化蒸 馏器以纯化制冷剂蒸气有利于提高系统的 COP。近年来国内外微型吸收式制冷系统对比如表 2 所示。




3 微型半导体制冷系统

   

半导体制冷系统,又称热电制冷系统,没有压缩 机等运动部件,也没有制冷剂,因此具有控制方便、运行可靠、布局灵活、适应性强等特点,在小型空调系统中应用广泛,且随着近年来材料科学的进步,该系统的 COP 不断上升,与其他微型制冷系统相比优势日益凸显。

 

3. 1 半导体制冷系统原理

帕尔贴效应是热电制冷的基本原理。典型的半导体制冷器如图 10 所示。

接上直流电源后,电流由 N 型半导体流向 P 型半导体时吸收热量,形成冷端,电 流由 P 型半导体流向 N 型半导体时释放热量,形成热端。N 型和 P 型半导体交替排列,将热量从冷端转移至热端,达到制冷的目的。



 

 3. 2 微型半导体制冷系统的发展

 

罗清海等对半导体制冷和蒸气压缩制冷的成本进行了对比,指出半导体制冷的成本和制冷量呈线性增长关系,千瓦级的大型半导体制冷机成本是同容量蒸气压缩制冷机的 3 倍以上;

百瓦级的小型半导制冷机可以做到与蒸气压缩制冷机成本相差较小而系统更加安全可靠、易于调控;

十瓦级的微型半导体 制冷机成本远低于蒸气压缩制冷机,具有无法替代的优势。半导体制冷系统在家用汽车和船用空调系统中得到了越来越广泛地应用。

 

司宗根等对热电制冷系统、余热制冷系统和蒸气压缩制冷系统在电动汽车空调上的应用进行了对比,指出热电制冷系统由于结构紧凑、可靠易于控制、无噪声耐冲击等特性很适用于电动汽车,但是由于目前半导体材料优质系数较低,制冷性能不够理想而Z终确定了蒸气压 缩制冷系统为电动汽车空调系统。

 

李帅兵等将半导体制冷运用到空调服的设计中,空调服使用太 阳能供电,制冷系统使用蓝牙进行控制,为达到美观和舒适性的目的,对各个部件的位置进行了合理规划,空调服外形如图 11 所示。

 




针对目前市场上半导体冰箱的半导体制冷元件常以一个恒定的工作电流运行的现状:

 

徐言生等利用半导体制冷易于控制的特点,提出了一种自调节电流的半导体制冷冰箱,通过实验研究发现,在同样 的工作条件下,自调节半导体制冷冰箱在冷却运行时的冷却时间能耗均有所降低,在稳定运行时的耗电量 明显下降。

 

孙哲等建立了一套将直接蒸发冷却和 半导体制冷相结合的制冷系统,并对该系统的制冷性 能进行了初步测试,实验结果表明性能系数为 3. 3,系统如图 12 所示。

 


金听祥等将半导体制冷运用到家用空调系统的过冷器中,以增加系统的过冷度,在Z小制冷、额定制冷和制冷 3 种工况下进行了实验研究,结果显示系统的制冷量分别提升了3. 6%、3. 2%和 4. 0%,系统的性能指数分别提升了 3. 7%、3. 1%和 4. 2%。

 

王振雨等提出了热管型半导体制冷器,半导体制冷片和冷端散热器、热端散热器并排布置,通过热管相 连。与常规半导体制冷器相比,改进后的热管半导体制冷器厚度减小了29. 2%,制冷量提高了2. 7%,COP提高了3. 45%,如图13 所示。



 

4 其他新型微型制冷系统


近年来,一些新型的制冷方式被应用到微型制冷系统中,如磁制冷、激光制冷、热声制冷等,越来越多的新型制冷机被设计和制造出来,制冷系统不断走向多元化。

 

4.1  磁制冷  

是指利用具有磁化放热、退磁吸热的磁制冷材料获取冷量的制冷方式,因为系统小、无运动部件、运行可靠、无环境污染等特点,磁制冷在微型制冷系统中的应用不断扩展。磁制冷材料是磁制冷系统的核心,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点。


4.2  激光制冷  

基于反Stokes 荧光制冷原理,相较于蒸 气压缩制冷和热电制冷具有结构经凑、制冷温度更低等优点,在微型制冷系统中有很大的应用潜力。与磁制冷类似,固体激光制冷材料是其主要研究方向,常见的材料有: 掺杂浓度为 1 mol% 的块状 Tm3+ : ZBLANP 玻璃; 杂浓度为 2 mol% 的圆柱 状Yb3+ : ZBLANP玻璃; 掺杂浓度为 5 mol%的块状Yb3+ : YLiF4玻璃等。


4.3  热声制冷  

具有结构简单、机械振动小、工作寿命长、能量来源广泛等特点,便于微型化,在微电子和集 成电路散热等方面具有很大的应用前景。张彤设计了一种加强型的微型热声制冷机,通过引入完整的回热器和换热器,对整个热声制冷系统进行了数值模拟分析,得出了压力和频率对热声制冷效率的提升作用重大的结论,其热声制冷机模型如图 14 所示。

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5 微型换热器和压缩机

   

制冷系统微型化,制冷系统部件也要求微型化、高效、紧凑。

 

5.1 微型换热器发展现状 

换热器种类繁多,有套管式、管壳式、板翅式、蓄热式等,与此同时,很多新形式的换热器也在不断研发出来,以适应于不同的场合。

在微型制冷系统中,应用较多的有平行流换热器,如图 15 所示的平行流换热器,尺寸为 120 mm × 120 mm × 34 mm,换热量为 600 W,换热效率高,结构紧凑。



E. Borquist 等设计了一种用铜制造的微通道换热器,如图 16 所示。使用电镀技术制造出宽为 300 μm,高为 120 μm 的微通道,通过实验和数值模 拟的方法进行了研究,结果表明,当施加热载荷为8. 7 kW/m2 时,干通道换热能力为 7. 6 kW/m2 ,湿通道的换热能力为 8. 3 kW/m2 。


5.2 微型压缩机发展现状 

常用的制冷压缩机有活塞压缩机、滚动转子压缩机、 双螺杆压缩机、涡旋压缩机等,其中微型压缩机中以 滚动转子压缩机应用Z为广泛。

表 3 列举了国外厂家生产的比较有代表性微型 滚动转子压缩机及关键参数

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