制冷技術(shù)研究新進(jìn)展

1、制冷技術(shù)研究新進(jìn)展論文導(dǎo)讀:：主要的新型制冷技術(shù)?，F(xiàn)在高效的半導(dǎo)體制冷器在溫差50時。綠色環(huán)保。以期實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、溫控精確、技術(shù)穩(wěn)定的目的。論文關(guān)鍵詞：新型制冷技術(shù)，高效，環(huán)保，節(jié)能1 前言尋找和開發(fā)更優(yōu)越的低溫制冷技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)。到目前為止，傳統(tǒng)制冷技術(shù)已臻于成熟，各種新型制冷手段半導(dǎo)體制冷、磁制冷、激光制冷等以其獨(dú)特的優(yōu)越性能得到了人們廣泛關(guān)注。本文總結(jié)了多種典型的新型制冷技術(shù)的原理、特點(diǎn)、開展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景。2. 主要的新型制冷技術(shù)2.1 半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷無機(jī)械運(yùn)動、無磨損、無噪音、運(yùn)行可靠、制冷迅速，可做成重量輕、體積小的微型、亞微型、小型半導(dǎo)體制冷器。它不使用制冷劑，綠色

2、環(huán)保新型制冷技術(shù)，可在失重或超重等極端環(huán)境下運(yùn)行，而且便于通過工作電流來實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制方法，容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動控制系統(tǒng)；缺點(diǎn)是制冷效率較低李冰，2021。目前的研究主要集中在對半導(dǎo)體材料的研發(fā)、模塊設(shè)計(jì)制造和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。影響其制冷效率的主要因素是材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率(劉華軍，2004)下載中心。在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、航空、日用品等方面有著廣闊應(yīng)用前景：在工業(yè)中，熱電制冷零點(diǎn)基準(zhǔn)儀的應(yīng)用就是對傳統(tǒng)以冰塊作為零度基準(zhǔn)點(diǎn)的重大創(chuàng)新；在醫(yī)療衛(wèi)生上，它可用于對高燒病人的降溫，在外科手術(shù)中實(shí)施冷凍麻醉等；在軍事上，它可應(yīng)用于導(dǎo)彈、雷達(dá)裝置中紅外探

3、測器的冷卻等；太空望遠(yuǎn)鏡的熱設(shè)計(jì)中就利用了半導(dǎo)體制冷；此外它也正被研究應(yīng)用于控制紅外探測器的工作溫度、提高光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性、迅速到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)方面；在日常生活中，半導(dǎo)體制冷可用于冰箱、空調(diào)、電腦CPU散熱；對溫度反響靈敏、使用條件嚴(yán)格的電子元器件，用半導(dǎo)體制冷很適合；在高精尖科技領(lǐng)域內(nèi)，常對各種電子元器件的溫度性能要求很高，為了定標(biāo)測量標(biāo)準(zhǔn)電子元器件的溫度性能，國產(chǎn)超級恒溫槽采用半導(dǎo)體制冷，溫度控制精度可在0.005左右。此外具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高效半導(dǎo)體熱電元件其優(yōu)值系數(shù)已在原來的根底上成倍增長，可以超過13*10-3K，現(xiàn)在高效的半導(dǎo)體制冷器在溫差50時，制冷系數(shù)大于3，制冷

4、效率高于常規(guī)壓縮機(jī)制冷謝玲，2021。2.2 磁制冷它采用磁性物質(zhì)作為制冷工質(zhì)，不會危害臭氧層，也不導(dǎo)致溫室效應(yīng)。其運(yùn)動部件少，減小了機(jī)械振動和噪聲，可靠性高，效率高能到達(dá)卡諾循環(huán)的30-60%。其應(yīng)用范圍廣，從K、mK直到室溫以上均適用；在低溫制取液氮、液氦、液氫領(lǐng)域和高溫特別是近室溫領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景E. Bruck，2021；劉敏，2007。當(dāng)前新型制冷技術(shù)，低溫區(qū)20K以下磁制冷的研究已比擬成熟并實(shí)用化。高溫區(qū)磁制冷還處于實(shí)驗(yàn)研究開發(fā)階段，目前80K至室溫的磁制冷技術(shù)是研究的熱點(diǎn)。研究出低本錢且具有巨磁卡效應(yīng)的材料以利用NdFeB等永磁體產(chǎn)生外場不用結(jié)構(gòu)復(fù)雜而昂貴的超導(dǎo)磁體是室溫磁制

5、冷關(guān)鍵。面臨的困難主要有：(1)每次磁制冷循環(huán)所產(chǎn)生的溫差還不夠大，只有1-3K，磁性材料磁熵太?。?2)熱交換速度不夠快，從而使制冷周期延長，也使整個循環(huán)效率下降；(3)室溫條件下，假設(shè)不利用超導(dǎo)技術(shù)，仍利用電磁鐵或稀土永磁材料產(chǎn)生磁場，那么兩磁極面總存在空氣隙，因此進(jìn)入磁場的磁制冷材料有限，這要求有絕熱效果好的隔熱層。其突破方向?yàn)椋?磁場分析，完善磁體結(jié)構(gòu)；2針對相應(yīng)的溫區(qū)選擇換熱介質(zhì)，設(shè)計(jì)出最正確的熱開關(guān)或換熱回路，提高換熱效率；3制冷材料的研制，通過改良工藝和材料重組制備性能更優(yōu)越的材料劉濤，2021。磁制冷技術(shù)主要應(yīng)用于極低溫和液化氦等的小型裝置中。其高效、無污染、無噪聲等眾多特點(diǎn)使

6、其在未來的太空開發(fā)和民用需要方面讓人充滿期待。此外其在要求制冷源設(shè)備重量輕、振動和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期長、工作溫度和冷量范圍廣的國防領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景(孫立佳，2021；Steven，2006)。2.3 激光制冷激光制冷也稱反斯托克斯熒光制冷(Antistokes Fluorescent Cooling)，是正在開展的新概念制冷方法。其根本原理是反斯托克斯效應(yīng)，利用散射與入射光子的能量差來實(shí)現(xiàn)制冷。反斯托克斯效應(yīng)是一種特殊的散射效應(yīng)，其散射熒光光子波長比入射光子波長短。因此散射熒光光子能量高于入射光子能量。其過程可以簡單理解為：用低能量激光光子激發(fā)發(fā)光介質(zhì)，發(fā)光介質(zhì)散射出高

7、能量的光子，將發(fā)光介質(zhì)中的原有能量帶出介質(zhì)外而制冷。與傳統(tǒng)制冷方式相比，激光起到了提供制冷動力的作用，而散射出的反斯托克斯熒光那么是熱量載體孫海生，2006。由于制冷材料對泵浦光的吸收有限，激光冷卻材料一般含有雜質(zhì)離子如Cu2+、Co2+、Cr3+，雜質(zhì)中心會導(dǎo)致熒光猝滅和非輻射的多聲子馳豫振蕩和競爭，從而導(dǎo)致制冷效率降低，當(dāng)前小試效率均不高于3%閆興鵬，2021。為進(jìn)一步提高其性能，研究趨勢主要集中在：進(jìn)一步深化理論研究，尋找更適合當(dāng)能級結(jié)構(gòu)的原子或離子、基團(tuán)，作為制冷元件的熒光中心，以提高制冷循環(huán)的制冷量和制冷系數(shù)；優(yōu)化光路設(shè)計(jì)，提高激光利用率；提高介質(zhì)純度，減少雜質(zhì)引起的制冷消耗；改良系

8、統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)絕熱系數(shù)新型制冷技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)湯珂，2002下載中心。激光制冷器具有無振動、無噪聲、無電磁輻射、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航天好低溫等尖端領(lǐng)域如量子計(jì)算、大規(guī)模集成電路、空間遙感領(lǐng)域、光電子探測器制冷、電子芯片制冷、集成電路制冷、光通信集成光學(xué)器件制冷等方面有廣闊的應(yīng)用前景閆興鵬，2021。2.4 化學(xué)吸附式制冷化學(xué)吸附是吸附質(zhì)分子與吸附劑外表原子發(fā)生化學(xué)反響，生成外表絡(luò)合物的過程。一個無規(guī)那么運(yùn)動的氣態(tài)吸附質(zhì)分子與固體外表發(fā)生碰撞，如果是彈性碰撞，那么氣相與固相外表均不發(fā)生可發(fā)覺變化；如果發(fā)生非彈性碰撞，氣相分子向固相分子轉(zhuǎn)移能量。當(dāng)氣態(tài)分子與外

9、表碰撞損失的能量超過某一臨界值后，分子將沒有能力爬出外表勢阱而被俘獲。一個根本的化學(xué)吸附式制冷系統(tǒng)由吸附反響器和冷凝器、蒸發(fā)器構(gòu)成，工作過程由加熱解吸和冷卻吸附組成L.W. Wang，2021；陳茂平，2002。吸附式制冷采用低品位能源太陽能和廢熱作驅(qū)動源，其工質(zhì)對環(huán)境無污染，其整體結(jié)構(gòu)簡單、可靠，操作方便，無運(yùn)動部件，使用壽命長，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低廉，無噪聲，特別適用于無電地區(qū)、有大量低品位余熱排放的工業(yè)過程及震動頻繁的移動機(jī)械上T.X. Li，2021；陳礪，2002。當(dāng)前對吸附制冷的研究主要集中在對吸附特性和循環(huán)特性的理論分析上。由于化學(xué)吸附工質(zhì)的使用壽命短，反響速度慢，系統(tǒng)的導(dǎo)熱效率低，使得吸

10、附制冷的開展和推廣利用受到限制L.W. Wang，2021；陳茂平，2002。2.5 熱聲制冷其根本原理是熱聲效應(yīng)，熱聲效應(yīng)指可壓縮流體的聲振蕩與固體介質(zhì)由于相互作用而產(chǎn)生時均能量效應(yīng)。當(dāng)處于聲場中的固體介質(zhì)與振蕩的流體之間有相互作用時，在距離固體壁面的一定范圍內(nèi)沿聲傳播的方向會產(chǎn)生一個時均熱流，并在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生或吸收聲功余炎，2021。熱聲制冷分線性制冷和非線性制冷兩種。線性熱聲理論已經(jīng)成熟，非線性熱聲理論的研究也不斷取得開展，熱聲制冷機(jī)正朝著利用低品位能源的目標(biāo)前進(jìn)周遠(yuǎn)，2021。熱聲制冷具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分樂觀。近幾年，熱聲理論與實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，取得

11、了很大進(jìn)展。國外正在開發(fā)微型熱聲制冷裝置，利用壓電驅(qū)動器來驅(qū)動與微制造結(jié)合的熱聲元件和諧振腔新型制冷技術(shù)，應(yīng)用于微電子芯片和微電子電路系統(tǒng)的散熱冷卻。目前樣機(jī)使用一個大氣壓的空氣工質(zhì)，壓電喇叭作為聲驅(qū)動器，制冷溫差到達(dá)11。而這僅僅只是一個實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，還有許多改良空間如用其他惰性氣體，提高工質(zhì)的均壓及改良諧振腔形狀等石華林，2021。2.6 太陽能制冷主要有吸收式、吸附式、冷管式、除濕式、噴射式和光伏等制冷類型K.F. Fong，2021；段芮，2021。(1) 吸收式制冷利用儲存液態(tài)冷劑的相變潛熱來儲存能量。它是利用液態(tài)制冷劑在低壓低溫下氣化而制冷A. Lecuona，2021；GuYaxiu

12、，2021；萬忠民，2006。(2) 吸附式制冷是將太陽能集熱與吸收式制冷相結(jié)合的一種蒸發(fā)制冷技術(shù)ZhaoHuizhong，2021；鄭宏飛，2021。(3) 冷管制冷是一種間歇式制冷，其主要結(jié)構(gòu)由太陽能冷管、集熱箱、制冷箱、蓄冷器、冷卻水回路等組成，是一種特殊的吸附式制冷系統(tǒng)(段芮，2021。(4) 除濕式制冷技術(shù)是將環(huán)境空氣或室內(nèi)回風(fēng)送入除濕器，利用除濕劑來吸附空氣中的水蒸氣以降低空氣濕度，然后再進(jìn)行一定的冷卻和絕熱加濕到達(dá)制冷的目的(P.Bourdoukan，2021；張小松，2021；K.Gommed，2007)。(5) 噴射式制冷循環(huán)由兩個子循環(huán)組成：太陽能集熱器子循環(huán)由集熱器、發(fā)生

13、器組成和噴射制冷子循環(huán)由發(fā)生器、噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器和循環(huán)泵組成JianlinYu，2021)下載中心。(6) 光伏制冷系統(tǒng)是將太陽能將轉(zhuǎn)化為直流電，直流電經(jīng)控制器到壓縮機(jī)，驅(qū)動壓縮機(jī)工作徐世林，2021。吸收式制冷和噴射制冷都已進(jìn)入了應(yīng)用階段，吸附式制冷和溶液除濕冷卻制冷還處在研究階段，利用光伏制冷系統(tǒng)制成的直流冰箱在國外已小批量生產(chǎn)(韓崇巍，2021)。2.7 其他新型制冷當(dāng)前，輻射制冷、噪聲制冷、鐵電致冷、余熱制冷等技術(shù)也開展很快張志強(qiáng)，2021。1輻射制冷：地面通過輻射換熱，將自身熱量以電磁波形式排放到外宇宙絕對零度空間，到達(dá)自身冷卻的目的。輻射制冷技術(shù)作為一種不耗能的制冷方法，已在

14、太陽能的熱技術(shù)利用中引起了廣泛注意。實(shí)現(xiàn)輻射制冷的方法主要有兩種：透明蓋板和選擇性輻射體的組合；具有選擇透過特性的蓋板與黑體輻射體的組合(Ghassem Heidarinejad.2021；Moien FarmahiniFarahani，2021；楊利香，2021)。2噪聲制冷：利用微弱的聲掀動來制冷的新技術(shù)，當(dāng)前第一臺樣機(jī)在美國已經(jīng)試制成功(漣鋼科技與管理，2021)。4余熱制冷：核心是化學(xué)壓縮，直接利用一次能源(熱能)驅(qū)動，幾乎不需運(yùn)動部件。當(dāng)前，利用余熱驅(qū)動制冰機(jī)制冰用作小型冷庫已經(jīng)應(yīng)用于漁輪，在氯堿生產(chǎn)中的應(yīng)用也得到深入研究(鐘吉湘，2021)。3. 小結(jié)與展望當(dāng)前，世界許多機(jī)構(gòu)不斷加

15、大制冷技術(shù)研究投入，以期實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、溫控精確、技術(shù)穩(wěn)定的目的。盡管傳統(tǒng)制冷技術(shù)得到了成熟而完善的開展，但無法擺脫熱交換器的束縛，相比于新型制冷技術(shù)有明顯缺乏，將被逐漸取代。參考文獻(xiàn)1)N.M. Khattab，E.T. El Shenawy. Optimaloperation of thermoelectric cooler driven by solar thermoelectric generator，Energy Conversion and Management,2006，474：407426.4)Steven L.Russek，Carl B. Zimm. Potential fo

16、r cost effective magnetocaloricair conditioning systems，International Journal of Refrigeration，2006，298：1366-1373.8)A. Lecuona，R.Ventas, M.Venegas, etal. Optimum hot water temperature for absorption solar cooling ，Solar Energy，2021，8310：18061814.9)Gu Yaxiu，Wu Yuyuan，Ke Xin. Experimental research on

17、a new solar pump-free lithiumbromide absorption refrigeration system with a second generator，Solar Energy，2021，821：3342.10)Zhao Huizhong，Zhang Min，Lv Jing，et al. Thermal conductivities studyof new types of compound adsorbents used in solar adsorption refrigeration，Energy Conversion and Management，20

18、21，505：12441248.11)P. Bourdoukan, E. Wurtz, P. Joubert. Experimental investigation of a solardesiccant cooling installation ，Solar Energy，2021，8311：20592073.12)K.Gommed，G.Grossman. Experimentalinvestigation of a liquid desiccant system for solar cooling anddehumidification ,Solar Energy，2007，811：131

19、138.13Jianlin Yu，Hua Zhao，Yanzhong Li. Application ofanejectorin autocascaderefrigeration cyclefor theperformance improvement，International Journal ofRefrigeration,2021，312：279-286.14)GhassemHeidarinejad，Moien Farmahini Farahani, Shahram Delfani. Investigation of a hybridsystem of nocturnal radiativ

20、e cooling and direct evaporative cooling，Building and Environment，2021，456：15211528.15)MoienFarmahini Farahani，Ghassem Heidarinejad，Shahram Delfani. Atwo-stage system of nocturnal radiative and indirect evaporative cooling for conditionsin Tehran，Energy and Buildings，2021，4211：21312138.17)劉華軍，李來風(fēng)。半導(dǎo)

21、體熱電制冷材料的研究進(jìn)展，低溫工程，2004，(1)：32-38。18)李冰。半導(dǎo)體制冷技術(shù)及其開展，山西科技，2021，4：95-101。19)謝玲，湯廣發(fā)。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的開展與應(yīng)用，潔凈與空調(diào)技術(shù)，2021，(1)：68-71。20)劉敏，俞炳豐，胡張保。室溫磁制冷最新研究進(jìn)展，制冷學(xué)報，2007，28(4)：1-11。21)劉濤。磁制冷技術(shù)的應(yīng)用與研究前景，制冷與空調(diào)，2021，23(1)：83-86。22)孫立佳，孫淑鳳，王玉蓮，等。磁制冷研究現(xiàn)狀，低溫技術(shù)，2021，36(9)：17-23。23)王貴，張世亮，趙侖，等。磁制冷技術(shù)研究現(xiàn)狀，制冷，2003，22(4)：19-23。24)孫海生，賈佑華，紀(jì)憲明，等。Tm3+摻雜光纖激光制冷的理論分析，物理學(xué)報，2006，55(6)：3112-3118。25)閆興鵬，柳強(qiáng)，曹杉。反斯托克斯熒光制冷技術(shù)綜述，紅外與激光工程，2021，373：474-480。26)湯珂，陳國邦，馮仰浦。激光制冷，低溫與超導(dǎo)，2002，303：5-11。27)陳茂平，晏剛，吳小華?；瘜W(xué)吸附式制冷新技術(shù)，制冷與空調(diào)，2002，2(1)：13-15。28)陳礪，方利國，譚盈科。氯化鍶-氨