微型壓縮式熱泵制冷系統(tǒng)的研究進(jìn)展

胡金杰，雷海燕，戴傳山

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

微型壓縮式熱泵制冷系統(tǒng)的研究進(jìn)展

胡金杰，雷海燕，戴傳山

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

微型熱泵制冷系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在特殊空間環(huán)境條件下的冷卻，但存在微加工工藝復(fù)雜、系統(tǒng)效率低等問題。本文對(duì)微型熱泵制冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較系統(tǒng)的文獻(xiàn)檢索，總結(jié)歸納了有關(guān)壓縮式微型熱力循環(huán)以及核心部件微型壓縮機(jī)的最新應(yīng)用與研究進(jìn)展，分析討論了與常規(guī)尺寸熱泵制冷系統(tǒng)相比，微型系統(tǒng)所具有的主要熱力學(xué)特征和規(guī)律以及影響其性能的主要因素；介紹了微型壓縮機(jī)具有增壓比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，以及加工難度高、穩(wěn)定性較低、噪聲較大等缺點(diǎn)，指出了微型壓縮機(jī)的振動(dòng)和噪聲應(yīng)是個(gè)體微環(huán)境制冷需要關(guān)注的方向。針對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)壓縮式微型熱泵制冷循環(huán)研究現(xiàn)狀，提出了相關(guān)研究的未來發(fā)展趨勢(shì)以及與可再生能源，如太陽能結(jié)合應(yīng)用的可行性。

微型熱力循環(huán)；微型壓縮機(jī)；可再生能源

熱泵制冷熱力循環(huán)主要有壓縮式、吸收式、吸附式和噴射式。目前為止，以電能驅(qū)動(dòng)的壓縮式占市場(chǎng)的絕大多數(shù)，因?yàn)闊狎?qū)動(dòng)的吸收式、吸附式熱泵其制冷系統(tǒng)由于熱力循環(huán)周期比較長(zhǎng)、系統(tǒng)復(fù)雜、占用空間大，性能系數(shù)相對(duì)較低，因此，電驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵制冷循環(huán)仍備受重視。

為了滿足占地小、攜帶方便、適宜于局部空間環(huán)境且節(jié)能的要求，熱泵制冷系統(tǒng)設(shè)備需要微型化。這導(dǎo)致主要部件的熱力學(xué)和傳熱學(xué)規(guī)律會(huì)有所改變，也帶來了一些新的研究課題和方向。本文通過總結(jié)歸納前人在相關(guān)領(lǐng)域的最新研究基礎(chǔ)上，主要討論以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：微型與常規(guī)熱力循環(huán)的主要區(qū)別、研究現(xiàn)狀及熱點(diǎn)分析；微型熱力循環(huán)核心部件微型壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展；微型熱泵制冷循環(huán)與太陽能結(jié)合的可行性分析。

1 微制冷研究現(xiàn)狀及熱點(diǎn)分析

近年來，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的迅速發(fā)展，許多微細(xì)加工方法得到了發(fā)展和應(yīng)用，使過程機(jī)械裝置的微型化和輕量化成為可能。如微型換熱器的傳遞效果有明顯的增強(qiáng)，比常規(guī)尺度提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。

Munkejord等[2]認(rèn)為將MEMS技術(shù)應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)是很有前途的。首先，微通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性良好；其次，微熱泵部件相互連接能逐步逼近理論循環(huán)，從而提高系統(tǒng)效率；再次，小的熱泵系統(tǒng)能更好地調(diào)節(jié)和分配冷熱量；最后，用微型熱泵系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。

但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，隨著尺度的減小，微尺度下的換熱系數(shù)提高的同時(shí)壓降也增大，而且壓縮機(jī)不能簡(jiǎn)單的按負(fù)荷比例縮小[3]。2004年，Jeong[4]分析了發(fā)展微型制冷系統(tǒng)的困難，指出隨著尺度的減小，系統(tǒng)的熵增是主要障礙之一，提出發(fā)展性能良好的微型制冷系統(tǒng)需努力研發(fā)出可靠的微型壓縮機(jī)并減少內(nèi)部熱泄漏。

不過在20世紀(jì)末期，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）已經(jīng)制造出了微型熱泵系統(tǒng)部件，并成功研發(fā)出了微型熱泵系統(tǒng)，其整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量約為5kg，可提供350W的制冷量[5]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，微型制冷系統(tǒng)得到了較大的發(fā)展，表1 為國(guó)內(nèi)外具有代表性的幾種微型制冷系統(tǒng)。由表1可以看出：①就用途而言，微型制冷系統(tǒng)主要應(yīng)用于電子設(shè)備冷卻和人體微環(huán)境冷卻；②制冷劑應(yīng)用最廣泛的是R134a，這是因?yàn)槠渚哂辛己玫奈锢硇再|(zhì)，安全無毒，成本低，與壓縮機(jī)及其他部件相容性好；③微型壓縮機(jī)的類型有轉(zhuǎn)子式[6-11]、線性[12]及活塞式[13-14]，轉(zhuǎn)子式應(yīng)用相對(duì)較多，特別是美國(guó)Aspen公司生產(chǎn)的微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)[6，10-11]（型號(hào)14-24-000X）頗受青睞，上述都是可變速壓縮機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)需要改變系統(tǒng)制冷量，延長(zhǎng)系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間；④文獻(xiàn)中多采用帶翅片的微通道冷凝器與蒸發(fā)器，材質(zhì)為銅或鋁，不帶翅片的微通道蒸發(fā)器很少[6-7，9，14]，其原因是微通道具有良好的流動(dòng)與傳熱特性，翅片增大了換熱面積從而強(qiáng)化換熱；⑤微型制冷系統(tǒng)的節(jié)流設(shè)備有毛細(xì)管和膨脹閥，采用膨脹閥的相對(duì)少一些[8，10，14]，選用毛細(xì)管是考慮系統(tǒng)的緊湊性、質(zhì)量和價(jià)格等因素，但是毛細(xì)管容易出現(xiàn)堵塞且調(diào)節(jié)范圍有限，而膨脹閥的調(diào)節(jié)范圍較大，并能更好地適應(yīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化；⑥系統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)能量源可以分為燃料、鋰電池及輸入直流電機(jī)的電能3種，不過直流電機(jī)都可以使用電池來驅(qū)動(dòng)，其中Ernst等[14]設(shè)計(jì)的背包式蒸汽壓縮系統(tǒng)質(zhì)量和體積都比較大，其原因是燃料驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)及其附件較多，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

圖1 給出根據(jù)文獻(xiàn)查到的微型與常規(guī)制冷系統(tǒng)體積隨制冷量負(fù)荷的變化情況?？梢钥闯?，系統(tǒng)體積隨制冷量的增加而增加，當(dāng)制冷量在50W～1kW變化時(shí)，系統(tǒng)體積增加的趨勢(shì)較為平緩，這是因?yàn)閷?duì)微型制冷系統(tǒng)而言，制冷量變化量較小，系統(tǒng)體積相差不大；當(dāng)制冷量在1～100kW變化時(shí)，其斜率較大的原因是常規(guī)系統(tǒng)制冷量變化量較大，系統(tǒng)體積相差較大。

表1 關(guān)于微型制冷系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果

圖1 系統(tǒng)體積隨制冷量的變化曲線

圖2 顯示了微型制冷系統(tǒng)COP隨單位體積制冷量的變化情況。除了Wu等[6]、Ribeiro[12]和桑岱等[11]，隨著單位體積制冷量的增大，系統(tǒng)COP減小，其曲線斜率較大，這反映了微型制冷系統(tǒng)的尺度效應(yīng)，主要是微通道換熱器產(chǎn)生的尺度效應(yīng)引起的壓降增大，降低了壓縮機(jī)的吸氣壓力，壓縮機(jī)耗功增加；同時(shí)，體積的減小導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部摩擦阻力增大，效率降低。假設(shè)給定制冷量，系統(tǒng)體積越小，COP越小，系統(tǒng)體積一定時(shí)，制冷量越大，而COP越小。Wu等[6]的結(jié)果高于趨勢(shì)線，可能是由于制冷劑過熱、環(huán)境溫度偏低及系統(tǒng)不可逆損失較小的緣故；而Ribeiro[12]的結(jié)果低于趨勢(shì)線，可能是微型線性壓縮機(jī)性能不穩(wěn)定、損失較大；桑岱等[11]的結(jié)果偏離趨勢(shì)線，可能是由于環(huán)境溫度高達(dá)60℃、風(fēng)機(jī)消耗功率較大引起的。

圖2 COP隨單位體積制冷量的變化曲線

目前，一般用熱力學(xué)完善度來評(píng)價(jià)微型制冷系統(tǒng)的性能，即實(shí)際制冷循環(huán)COPR與逆卡諾循環(huán)COPC的比值。Wu等[6]、Ernst等[14]給出了熱力學(xué)完善度值分別為17%、22%，考慮到內(nèi)外兩部分不可逆損失，Jader等[3]基于制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中不同的飽和溫度提出了另一種卡諾COPI，COPR與COPI、COPI與COPC的比值可以理解為系統(tǒng)內(nèi)、外不可逆損失程度，兩者的乘積為熱力學(xué)完善度。

2 微型壓縮機(jī)的研究進(jìn)展

壓縮機(jī)是熱泵制冷循環(huán)微型化的核心部件，一般來說，微型壓縮機(jī)是指制冷量小于1kW的制冷壓縮機(jī)，其類型主要有活塞式、轉(zhuǎn)子式、線性和隔膜式4種?；钊綁嚎s機(jī)具有增壓比大、熱效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但作為容積式設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周期性進(jìn)排氣引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲并增加變頻難度[15]。Elbel和Ernst等[13-14]對(duì)微型活塞式壓縮機(jī)作了詳細(xì)的描述。轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是通過偏心圓筒狀轉(zhuǎn)子在汽缸內(nèi)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來改變工作容積，從而實(shí)現(xiàn)制冷劑壓縮的。

與活塞式壓縮機(jī)相比，轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)沒有往復(fù)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，不需要吸氣閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，性能較好。Wu[7]、楊宇飛[10]、桑岱[11]]和Sathe[16]等都是采用美國(guó)Aspen公司開發(fā)的一款型號(hào)為14-24-000X的微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)在24V直流電源下驅(qū)動(dòng)，選用制冷劑R134a為工質(zhì)，其體積為206cm3，質(zhì)量約0.6kg。Sathe等[16]通過實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)增壓比在2～3.5變化時(shí)，該壓縮機(jī)容積效率73%～90%、絕熱效率44%～70%，可制取163～489W冷量，COP在2.1～7.4變化。Trutassanawin等[17]采用型號(hào)XL0623D1日立轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，制冷工質(zhì)R134a，體積為941.48cm3，環(huán)境溫度為25～35℃，增壓比在1.9～3.2變化時(shí)，容積效率與絕熱效率分別為50%～80%、25%～60%，制冷量121～268W，COP為2.8～4.7。鐘曉暉等[18]自主設(shè)計(jì)研發(fā)了微型三角轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，其制冷工質(zhì)R22，體積為137.38cm3，質(zhì)量（包含電動(dòng)機(jī)）僅有0.55kg，在40℃環(huán)境下可產(chǎn)生300W的制冷量，COP可以達(dá)到2.0以上。

微型線性壓縮機(jī)是通過線性電動(dòng)機(jī)以電磁共振方式驅(qū)動(dòng)的，不是像轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)那樣的機(jī)械連接方式，且線性電動(dòng)機(jī)比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。與活塞式相比，摩擦損失小，效率高，可靠性高，只需少量或無須使用潤(rùn)滑油。Ribeiro[12]采用了Embraco公司生產(chǎn)的微型線性壓縮機(jī)，制冷工質(zhì)R134a，其體積為452.16cm3，質(zhì)量為1.2kg，被一塊體積為15mm×50mm×70mm的電路板控制，在環(huán)境溫度為35.1℃、中沖程條件下，COP為1.45，可產(chǎn)生72.68W的制冷量。另外，Unger[19]、Bailey[20]、Wang[21]和Bradshaw[22]等都對(duì)微型線性壓縮機(jī)進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。

近年來，微型隔膜式壓縮機(jī)引起了部分學(xué)者的關(guān)注[23-25]，這種壓縮機(jī)是靠隔膜在汽缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)來壓縮和輸送氣體的，壓縮比大，體積很小，無須潤(rùn)滑油，密封性好。Sathe等[25]針對(duì)制冷量為80W、理論COP為12.0的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化了靜電驅(qū)動(dòng)的R134a微型隔膜式壓縮機(jī)組，整體體積約32cm3，每個(gè)單體壓縮腔半徑8.5mm，最大深度85μm，最大增壓35.6kPa，體積流量97mL/min，工作電壓387V，最小功耗30.1mW，但未對(duì)壓縮機(jī)的泄露、穩(wěn)定性、可靠性及噪聲等方面進(jìn)行分析。此外，與其他類型的微型壓縮機(jī)相比，該壓縮機(jī)排量很小，工作電壓高，加工比較困難，成本較高，不過隨著硅片精細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，微型隔膜式壓縮機(jī)有望在微型制冷系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

表2 對(duì)比了幾種微型壓縮機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)占的比例較大，而線性和隔膜式具有很大的潛力，缺少關(guān)于振動(dòng)和噪聲的相關(guān)水平，尚未研發(fā)出適用天然工質(zhì)的微型壓縮機(jī)。對(duì)個(gè)體微環(huán)境冷卻而言，振動(dòng)和噪聲水平要求相對(duì)較高，這對(duì)其在微型制冷系統(tǒng)上的應(yīng)用提出了新的要求。

3 與太陽能結(jié)合的可行性分析

就當(dāng)前而言，微型蒸汽壓縮制冷的主流能量源有鋰電池、氫燃料電池和直接使用化學(xué)燃料的內(nèi)燃機(jī)[15]。為了降低化石燃料消耗，減少二氧化碳的排放，將太陽能發(fā)電與微型制冷系統(tǒng)結(jié)合起來勢(shì)必成為一種新的機(jī)遇。

微型太陽能光伏蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)主要由光伏電池、蓄電池、控制器、微型直流變頻壓縮制冷系統(tǒng)構(gòu)成，利用光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，驅(qū)動(dòng)直流變頻壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到系統(tǒng)制冷的目的?？紤]到太陽輻射強(qiáng)度的間歇性以及環(huán)境溫度的波動(dòng)性，控制器可以使太陽能電池在最大功率點(diǎn)輸出電能，可以防止蓄電池的過充電、過放電保護(hù)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。當(dāng)太陽能光伏電池提供的電能能夠滿足微型制冷系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)，富裕的電量可以存儲(chǔ)到蓄電池中；如果不能滿足系統(tǒng)的運(yùn)行，蓄電池提供不足部分的電能，在夜間或陰雨天則提供全部的電能。

3.1 微型太陽能光伏蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的技術(shù)可行性

太陽能制冷技術(shù)主要包括太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，利用熱能制冷；以及太陽能轉(zhuǎn)化成電能制冷，利用電能驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備制冷兩大類型[27]。太陽能光熱制冷技術(shù)受太陽能的時(shí)間局限性影響較大，其中吸附式系統(tǒng)需要管路連接，能量損失大，利用率較低；吸收式系統(tǒng)龐大，運(yùn)行復(fù)雜，工作壓力高（具有一定危險(xiǎn)性）；噴射式系統(tǒng)制冷效果差[28]。半導(dǎo)體制冷的主要缺點(diǎn)是制冷效率低，COP一般為0.2～0.3[29]。而太陽能光伏制冷技術(shù)則以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、制冷系數(shù)高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注，具有良好的發(fā)展前景。

但是，太陽能光伏制冷技術(shù)也存在光伏電池成本較高、轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)，尤其是溫度對(duì)電池效率的影響，其中晶體硅太陽電池的工作溫度每上升1℃將導(dǎo)致輸出功率減少0.4%～0.5%[30]，對(duì)于微型太陽能光伏蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)而言，還需要系統(tǒng)設(shè)備的微型化。目前，受國(guó)際市場(chǎng)環(huán)境影響，太陽能電池的價(jià)格為4～5元/W，隨著技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)光伏電池的價(jià)格未來還會(huì)有所降低；而最新權(quán)威統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已達(dá)24.7%，多晶硅為19.8%，非晶硅為10.1%，CdTe為16.5%，CIGS為18.4%。然而，單位發(fā)電功率所需太陽能光伏電池的面積則逐漸縮小，現(xiàn)在商品化大批量生產(chǎn)使用的太陽能光伏電池的效率均在15%左右，太陽能電池的面積功率比約為0.0066m2/W[31]。效率的提高、價(jià)格的降低及電池板單位面積功率增大為太陽能光伏制冷技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)和市場(chǎng)支持。

表2 關(guān)于微型壓縮機(jī)的對(duì)比結(jié)果

3.2 微型太陽能光伏蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性

以采用額定功率為120W、額定電壓為24V的微型壓縮機(jī)為例，與常規(guī)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，微型太陽能光伏制冷系統(tǒng)的性價(jià)比如何主要是看商業(yè)用電電價(jià)與太陽能光伏發(fā)電部分的成本和使用年限的關(guān)系。假設(shè)電費(fèi)價(jià)格為0.9元/kW時(shí)，光伏電池板價(jià)格為5元/W，使用年限為15年，MPPT控制器300元/臺(tái)，為提高整體的緊湊性，降低系統(tǒng)質(zhì)量，滿足環(huán)保的要求，太陽能光伏制冷系統(tǒng)中的蓄電池則可以略去，按以額定功率運(yùn)行的壓縮機(jī)每天工作8h、電池板使用年限為15年計(jì)算，常規(guī)壓縮式制冷每年消耗電量費(fèi)用為4731元，而標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下、設(shè)計(jì)功率約為445W的光伏電池和MPPT控制器的總費(fèi)用僅為2525元。此外，隨著太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高、體積的不斷減小以及價(jià)格的不斷下降，同時(shí)由于太陽能光伏制冷系統(tǒng)不消耗化石燃料、無污染、節(jié)能環(huán)保且成本較低，可以說這是太陽能利用的一個(gè)有力途徑，體現(xiàn)了太陽能光伏制冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。

3.3 相關(guān)國(guó)家政策及應(yīng)用前景

我國(guó)具有豐富的太陽能資源，據(jù)估算我國(guó)陸地表面每年接受的太陽輻射能約為5×1018kJ，全國(guó)各地太陽年輻射總量達(dá)3340～8400MJ/(m2·a)，我國(guó)青海、西藏、新疆、河北、廣州、海南等廣大地區(qū)的太陽輻射量很大，具有開發(fā)利用太陽能的優(yōu)越資源條件。

2007年，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)發(fā)布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》確定了太陽能發(fā)電的中長(zhǎng)期目標(biāo)：太陽能發(fā)電將達(dá)到30萬千瓦；到2020年，我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中可再生能源比例將由2007年的7%提升到16%，太陽能發(fā)電達(dá)到180萬千瓦。2009年，財(cái)政部、住建部相繼出臺(tái)了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》、《太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》和《太陽能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目申報(bào)指南》3個(gè)太陽能發(fā)電激勵(lì)政策，新政策對(duì)太陽能光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合的示范項(xiàng)目進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼[32]。這些政策很大程度上促進(jìn)了太陽能光伏行業(yè)的發(fā)展。

此外，微型太陽能光伏蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

（1）小型便攜式太陽能光伏制冷系統(tǒng)對(duì)于在高溫條件下的個(gè)人來說，可以滿足個(gè)體微環(huán)境制冷的需求，如可以在轎車上搭載太陽能光伏壓縮式制冷系統(tǒng)，給予車內(nèi)的司機(jī)個(gè)體微環(huán)境冷卻。

（2）在航空航天領(lǐng)域，微電子設(shè)備需要在適宜的環(huán)境溫度下才能工作，微型太陽能光伏壓縮式制冷系統(tǒng)可為其提供獨(dú)立的環(huán)境控制。

（3）在偏遠(yuǎn)的山區(qū)農(nóng)村及沙漠地帶，電力供應(yīng)困難，但同時(shí)這些地方的太陽輻射量大，日照時(shí)間較長(zhǎng)，隨著生活水平的提高，冷量的需求將會(huì)增加，而太陽能光伏壓縮式制冷系統(tǒng)可以滿足這種需求。

4 結(jié) 論

通過總結(jié)前人在微型熱泵制冷循環(huán)、微型壓縮機(jī)、微型換熱器等領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，分析了微型熱泵制冷循環(huán)的發(fā)展方向，特別探討了與太陽能結(jié)合的可行性，可以獲得如下結(jié)論。

（1）微型熱泵制冷循環(huán)比常規(guī)循環(huán)有更好的傳熱特性，但是隨著尺度的減小，系統(tǒng)壓損和熵增也較大，且微型壓縮機(jī)的研制相對(duì)比較困難。目前，已開發(fā)出了幾種不同類型的微型壓縮機(jī)，系統(tǒng)多采用微通道換熱器，節(jié)流設(shè)備則采用毛細(xì)管和微型電子膨脹閥。通過對(duì)比微型與常規(guī)制冷系統(tǒng)，得出系統(tǒng)體積隨制冷量的增加而增加；而微型系統(tǒng)COP隨著系統(tǒng)單位體積制冷量的增大而減小，一般用熱力學(xué)完善度來評(píng)價(jià)微型制冷系統(tǒng)的性能。

（2）主流的微型壓縮機(jī)類型為轉(zhuǎn)子式，而線性和隔膜式具有很大的潛力，但缺少關(guān)于壓縮機(jī)振動(dòng)和噪聲的相關(guān)研究。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展，性能優(yōu)異的微型壓縮機(jī)商業(yè)化產(chǎn)品將會(huì)越來越多。

（3）將太陽能光伏發(fā)電作為微型壓縮式制冷系統(tǒng)的新能量源具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的可行性，國(guó)家相關(guān)政策也大力支持發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，同時(shí)，微型太陽能光伏壓縮式制冷系統(tǒng)也具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Miniature compression-type heat pump refrigeration systems

HU Jinjie，LEI Haiyan，DAI Chuanshan
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Ministry of Education，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Miniature heat pump refrigeration system（MHPRS） offers the advantages in size and weight that can realize the effect of cooling under special conditions，such as limited space，limited carrying weight load. However，its fabrication is complicated，and in general the system efficiency is low. This paper gives a review of MHPRS based on published literature，and summarizes latest applications and research progress of miniature compression-type thermodynamic cycles，and miniature compressors as core components compared with conventional size heat pump refrigeration systems. The main characteristics of MHPRS as well as the dominating factors influencing their performance are analyzed and discussed. The miniature compressors have the advantages of high pressure ratio，simple structure and good sealing，but have the disadvantages of difficulty in processing，low stability，high noise and others. The vibration and noise of miniature compressor also need to be paid attention for the individual micro-environment refrigeration. The future trends in relevant researches，and feasibility of combination with renewable energy，such as solar energy are proposed.

miniature thermodynamic cycle；miniature compressors；renewable energy

TB 65；TK 511

A

1000-6613（2014）12-3133-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.12.002

2014-05-06；修改稿日期：2014-07-21。

胡金杰（1984—），男，碩士研究生，主要從事微型制冷及太陽能相關(guān)研究。E-mail hu0507220105@163.com。聯(lián)系人：戴傳山，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事強(qiáng)化傳熱、多相流、微尺度傳熱傳質(zhì)、地?zé)崮荛_發(fā)及利用等相關(guān)研究。E-mail csdai@tju.edu.cn。