微型制冷系统

微型制冷系统是指结构紧凑、器件的几何尺寸较小、制冷量通常在1 kW以下的制冷设备。它具有体积小、重量轻、便于分布式布置等优点，且应用越来越广泛。

1、背景及基本情况

   

1.1  使用情景   

（1）随着我国基础建设的蓬勃发展，大量人群在极端环境下工作，人体微环境温度的调节对他们的身体健康至关重要。

（2）我国冷链物流起步晚，据统计，我国冷链流通中果蔬的损腐率高达25%～30%。

（3）便携式微型制冷系统有着巨大的市场需求。大规模集成电路技术和制造技术的发展，使电子器件体积不断减小，功率不断增加，单位体积的发热量越来越大。据统计，有55%的电子器件失效源于使用温度长期超过规定值。芯片的散热问题成为了限制其发展的主要因素之一。

1.2   分类     

（1）被动式冷却装置：主要指以外加冰块等方式提供冷量的“制冷”装置，如含冰块的水冷服、保温箱。

（2）主动式冷却装置指含有主动冷源的制冷装置，目前主流的装置按冷量产生原理可以分为蒸气压缩制冷、半导体制冷和吸收式制冷。

2、微型制冷系统

   

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。

2.1 微型蒸气压缩式制冷系统  

蒸气压缩式制冷是发展最早、使用最广泛的一种制冷方式，具有制冷量大、性能系数高和结构简单可靠等优点，据统计，目前95%的制冷系统属于蒸气压缩式制冷。随着制造技术的发展和进步，越来越多的微型压缩机被研发出来，微机电系统在传热传质中的应用使换热器的体积大幅缩小，这使得蒸气压缩制冷循环的微型化成为可能。

2.1.1  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。

2.1.2 微型蒸气压缩制冷系统的最新发展

如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，工质为R134a，制冷量可达260 W，性能系数COP可达1.5及以上，整套设备尺寸为190mm×190 mm×100 mm，质量为2.75 kg，锂电池供电，可供个人穿戴使用，如下图所示。

2.2微型吸收式制冷系统  

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，例如最典型的吸收式制冷工质对溴化锂/水，对设备具有腐蚀性等。

2.2.1 吸收式制冷系统原理

下图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。

2.3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。

2.3.1 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下图所示，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。

2.4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。

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。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。