基于滚动转子压缩机微型制冷系统的研究进展分析_张惠铭.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G6 8-7 4专题关注小型压缩 机技术本栏目投稿邮箱:z l d t c h i n a c r a a.o r g*国家自然科学基金项目(5 2 1 0 6 0 0 2 7)收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 1,修回日期:2 0 2 2-0 7-2 8作者简介:张惠铭,硕士,主要从事电子设备散热相关研究。通信作者:杨山举,博士,副教授,主要从事高速旋转机械和低温制冷技术的研究。基于滚动转子压缩机微型制冷系统的研究进展分析*张惠铭1)杨山举1)单筱军2)郝代超2)郝杰1)李智国1)1)(西北农林科技大学)2)(东莞市立敏达电子科技有限公司)摘 要 相较于传统制冷系统设备,微型制冷系统具有体积小、质量轻、高集成等优势,目前主要被应用于空调服、便携式冷却设备以及集成电子散热等领域。目前随着传热理论的完善以及高精度工业制造水平的提升,近年来不断涌现与微型制冷系统相关的研究成果。针对微型制冷系统在现实中不同场合的应用,蒸气压缩式制冷系统的工作原理,对3种主流制冷系统进行概述,主要围绕蒸气压缩式微型制冷系统展开叙述;结合近年来国内外的研究成果,归纳目前蒸气压缩式微型制冷系统的发展现状;对近年来微型滚动转子式压缩机研究成果进行总结。最后论述微型制冷系统与微型滚动转子式压缩机在现阶段发展仍存在的问题,同时展望未来两者的发展趋势与方向。关键词 微型制冷系统;蒸气压缩制冷;微型滚动转子式压缩机;研究现状;发展趋势R e s e a r c hp r o g r e s so fm i n i a t u r e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mb a s e do nr o l l i n gr o t o rc o m p r e s s o rZ h a n gH u i m i n g1)Y a n gS h a n j u1)S h a nX i a o j u n2)H a oD a i c h a o2)H a o j i e1)L iZ h i g u o1)1)(N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y)2)(D o n g g u a nR e a d o r eT e c h n o l o g yC o.,L t d.)A B S T R A C T C o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a l r e f r i g e r a t i o ns y s t e m,t h em i n i a t u r e r e f r i g e r a-t i o ns y s t e mh a s t h ea d v a n t a g e so fs m a l l s i z e,l i g h tw e i g h ta n dh i g hi n t e g r a t i o n.A tp r e s-e n t,i t i sm a i n l yu s e di na i rc o n d i t i o n i n gc l o t h i n g,p o r t a b l ec o o l i n ge q u i p m e n ta n di n t e-g r a t e de l e c t r o n i ch e a td i s s i p a t i o n.W i t ht h ei m p r o v e m e n to fh e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dt h ea d v a n c e o f i n d u s t r i a l m a n u f a c t u r i n g l e v e l,r e s e a r c h r e s u l t s r e l a t e d t o m i n i a t u r er e f r i g e r a t i o ns y s t e mh a v ee m e r g e d i nr e c e n ty e a r s.T h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e s:t h ea p-p l i c a t i o no fm i n i a t u r er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi nr e a l i t y;s u mm a r i z e st h r e em a i n s t r e a mr e-f r i g e r a t i o ns y s t e m s,m a i n l yf o c u s i n go ns t e a m c o m p r e s s i o n m i n i a t u r er e f r i g e r a t i o ns y s t e m.B a s e do nt h e r e s e a r c hr e s u l t s a th o m ea n da b r o a d i nr e c e n t y e a r s,t h e r e s e a r c hp r o g r e s so fs t e a mc o m p r e s s i o nm i n i a t u r er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d,a n dt h ec o r et e c h n i c a la-c h i e v e m e n t so f v a p o u r r o l l i n gr o t o r c o m p r e s s o r a r e s u mm a r i z e d.F i n a l l y,t h ep r o b l e m s r e-s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fm i n i a t u r er e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n dv a p o u rr o l l i n gr o t o rc o m-p r e s s o ra r ed i s c u s s e d,a n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h e t w o i sp r o s p e c t e d.K E Y WO R D S m i n i a t u r er e f r i g e r a t i o ns y s t e m;v a p o u rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m;r o l l i n gr o t o rc o m p r e s s o r;r e s e a r c hs t a t u s;d e v e l o p m e n t t r e n d 第1期张惠铭 等:基于滚动转子压缩机微型制冷系统的研究进展分析6 9 1 微型制冷系统的需求与应用1.1 空调服领域需求受作业条件限制,作战士兵会长期处在飞行甲板、沙漠、潜艇轮机舱等高温环境,防疫人员会长期处于封闭的隔离服内等。此时,从业人员经常会面临人体难以承受的高温环境,从而受到热应激的威胁。人体热应激反应会使操作人员工作效率上限降低1、身体运动机能下降与下丘脑功能损伤等2,大幅增加了工作人员受伤与发生事故的几率。针对人体热应激问题,微型制冷系统以其体积小、轻量化、低能耗且降温效果明显等优势,被广泛应用于人体表面环境降温领域,以消除在高温环境下人体热应激反应所带来的负面影响3-4。1.2 便携式冷却设备需求近年来,车载冰箱、移动冰箱等便携式冷却设备的关注热度有着明显提升。相较于传统的制冷设备,便携式制冷设备具有灵活便捷、体积小且无需安装等优点5。目前中国的车载冰箱市场主要有两种产品:半导体式车载冰箱与压缩机式车载冰箱,而应用传统压缩机的车载冰箱受制于体积过大、携带不便等缺点难以得到大范围应用6,所以便携式冷却设备对微型制冷系统存在迫切需求。1.3 集成电子散热需求现如今,电子元件的发展方向是小体积、大功率、高效率与高集成化7,于是其对散热能力有了更严格的要求。已有研究表明:集成化半导体芯片的片内温度每升高1 0,芯片的可靠性就会降低5 0%,同时芯片的工作寿命也随着工作温度的升高而大幅缩减,因此,将集成化电子元件的工作温度稳定于合理范围内是电子设备提高工作稳定性与延长工作寿命的有效手段8-9,所以小空间快速冷却领域将会受到越来越多的关注,集成化电子元器件的散热领域对微型制冷手段的需求也会日益迫切1 0。2 微型制冷系统随着微通道换热器、微型压缩机等微型技术的进步,制冷系统迅速向轻量化与集成化方向发展,并且以其紧凑、轻便、高性能等优点得到广泛认可1 1-1 2。目前微型制冷系统主要分为:蒸气压缩式制冷系统、吸收式制冷系统与半导体制冷系统3种1 3。对于吸收式制冷系统,系统对其化学燃料与初始能量源的要求不高,多采用环境友好型的制冷工质,具有低噪声、绿色环保等优点。但由于热化学压缩机的部分零部件无法进行集成化处理,导致整体机构体积过大。目前吸收式制冷系统主要被应用于热工、化工、冶金等大量产生废热的工业领域1 4。对于目前半导体制冷系统行业,由于没有压缩机与制冷剂等模块的空间要求,使半导体制冷系统获得了良好的操作性与适应性,由于不需要泵机,系统产生的噪声也相对较弱。但受限于半导体的冷端与热端的散热区域面积,无法正常散去的热量需要借助其他辅助手段进行散热,这也变相增加了系统集成化与微型化的实现难度1 5-1 6。目前半导体制冷系统主要应用于电池包散热1 7、液体冷却散热1 8、热管散热1 9等领域。对于蒸气压缩式制冷系统,其作为发展历史最久,应用最为成熟的一种制冷系统,相比之下具有结构简单、成本低、集成化高等优点2 0,但蒸气压缩式制冷系统仍具有噪声、摩擦、振动等问题。另外,蒸气压缩式制冷系统中压缩机出口蒸气的过热度过高,也会进而导致换热器换热性能降低、冷凝压力过高,大幅提高系统功耗2 1。据统计,目前,制冷行业中的9 5%的设备都应用了蒸气压缩式制冷系统,应用范围广泛且发展趋势良好。故本文将微型蒸气压缩式制冷系统作为主要研究对象。2.1 蒸气压缩式制冷系统原理目前常见的单级微型蒸气压缩式制冷系统如图1所示,其主要由4部分组成,分别是压缩机、冷凝器、节流元件与换热器。各个模块通过管道连接使系统闭合从而保证对外部不流失压力,制冷剂作为流动传热工质,达到对热能转运的目的。制冷系统的工作原理为:液态制冷工质在蒸发器内汽化为低温低压的蒸气,而后被压缩机吸入压缩至高温高压,经冷凝器冷凝为液体的状态后继续通过节流元件降压为低温低压状态进入蒸发器,从而继续参与下一个循环,达到不间断制冷的效果。图1 单级蒸气压缩式制冷系统2.2 微型蒸气压缩制冷系统发展现状针对军工人员在密闭高温的环境下作业会产 7 0 第2 3卷 生热应激不良反应的问题,杨宇飞等4成功研制了对人体微表面进行温度调节的微型便携蒸气压缩式制冷系统。该系统应用了A s p e n1 4-2 4-0 0 0 X微型转子式直流压缩机,制冷工质为R 1 3 4 a,尺寸参数为1 9 0mm1 9 0mm1 0 0mm,在4 5 的环境温度制取2 0 冷水的工作要求下可以达到2 6 0W的制冷量,C O P在充注量为6 0g、占空比为4 5%时达到最佳,装置如图2所示。该系统弥补了其他传统制冷方式的不足,2 6 0 W的制冷量