馬澤昆，張華，劉煜森，欒逸嫻

（1-上海理工大學制冷及低溫工程研究所，上海 200093；2-青島唐島恒元能源有限公司，山東青島 266000）

0 引言

自動復疊制冷循環(huán)（Auto-cascade Refrigeration Cycle，ARC）是-40 ℃至-160 ℃溫區(qū)的一種重要制冷方式，這種制冷系統(tǒng)采用多元混合工質，經一次壓縮，通過自動分離、多級復疊的方法，使非共沸的混合工質實現復疊，使沸點最低的制冷劑進入蒸發(fā)器，達到制取低溫的目的。

ARC使用一臺壓縮機，結構簡單、性能可靠。通過選擇合適的制冷劑組成，可以獲得廣闊的制冷溫度區(qū)間，特別適用于小型低溫裝置，廣泛應用于生物醫(yī)藥、低溫電子和軍工等領域[1-2]，同時可以使用低全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）綠色混合工質，滿足環(huán)保要求[3-4]。潘垚池等[5]對氣液分離器溫度偏低、蒸發(fā)器制冷量過小等問題進行了分析論證。馬冰奇等[6]通過換熱模擬，驗證了自復疊系統(tǒng)中R410a替代R22的可能性。肖麗媛等[7]、芮勝軍等[8]和張慶慶等[9]研究了混合工質配比、汽液相平衡及自復疊運行過程的特性等。陳秋燕[10]對自復疊中氣液分離器進行了模擬，并提出了提高分離效果的方法。

目前，得益于微電子機械系統(tǒng)的快速發(fā)展，制冷設備得以實現微型化和輕量化。微型制冷系統(tǒng)具有體積小、重量輕和便攜性強等特點，其開發(fā)與應用在越來越多的行業(yè)中受到重視。微型制冷系統(tǒng)主要部件有微型壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器等，其中微型壓縮機是整個系統(tǒng)的核心[11]。目前，國內外開發(fā)并投入應用的主要有線性式和轉子式兩種。美國Aspen公司研制開發(fā)了一系列微型轉子式壓縮機，Sunpower公司和Embraco公司開發(fā)了微型線性壓縮機；我國在微型壓縮機的開發(fā)方面起步較晚，商業(yè)化方面，有部分國內企業(yè)可以提供產品，但由于制造工藝和加工水平有限，相比國外產品仍有差距。2012年，周樹光等[12]研制并委托某公司加工出配有無刷直流電機的滾動轉子式微型壓縮機，壓縮機重 0.6 kg，氣缸半徑 15.0 mm，轉子半徑12.6 mm，氣缸厚度17.8 mm。上海日立電器有限公司研制開發(fā)了一款單缸微型滾動轉子式制冷壓縮機[13]，該壓縮機應用了一體式機架的結構和激光焊接的新技術，經ASHRAE工況測試，具有噪聲小、振動低、效率高的特點。薛衛(wèi)東等[14]介紹了對微型二氧化碳壓縮機的開發(fā)，解決了壓縮機冷卻、潤滑等關鍵問題。

微型壓縮機用于低溫冷卻的研究較少，閆彪等[15]將Aspen微型壓縮機應用于混合工質J-T節(jié)流制冷器，實驗系統(tǒng)運行 16 min，冷頭溫度降到190 K左右。但是，由于微型壓縮機發(fā)熱量太大，壓縮機外殼溫度迅速升高，導致系統(tǒng)連續(xù)運行能力較差。

本文采用微型轉子式壓縮機，搭建了一套微型自動復疊實驗系統(tǒng)，并從系統(tǒng)降溫特性和壓縮機運行特性方面對系統(tǒng)進行了分析研究。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)組成。微型自動復疊制冷系統(tǒng)示意圖如圖1所示。制冷系統(tǒng)由微型壓縮機、冷凝器、氣液分離器、節(jié)流裝置、冷凝換熱器以及蒸發(fā)器組成。由壓縮機排出的高溫高壓的氣態(tài)非共沸制冷劑經風冷冷凝器冷卻后，以氣液混合物的狀態(tài)進入氣液分離器，其中，氣相制冷劑中低沸點制冷劑占比大于分離器進口氣液混合物中低沸點的制冷劑占比，而液相制冷劑中高沸點制冷劑占比要高于低沸點制冷劑。氣相制冷劑經過冷凝蒸發(fā)器后，冷凝為液態(tài)制冷劑，之后經過節(jié)流裝置，進入蒸發(fā)器吸熱制冷；液相制冷劑節(jié)流后與來自蒸發(fā)器的低溫制冷劑混合，進入冷凝蒸發(fā)器冷卻氣相制冷劑后返回壓縮機，完成制冷循環(huán)。

實驗選用KTN微型全封閉轉子式壓縮機，壓縮機型號為KTN-VH1924。壓縮機高9 cm，重量0.72 kg，排氣量 1.9 cc/rev，驅動電壓 DC 24 V，潤滑油型號為RH-32H，最大壓縮比為8，最高排氣溫度限制為120 ℃，噪聲等級48 dB。本實驗采用模擬定壓指令控制轉速，電壓與轉速為直線對應關系，0～0.5 V對應停機，0.7 V～5 V對應轉速(2,000～6,000) r/min。

圖1 微型自復疊制系統(tǒng)示意圖

冷凝蒸發(fā)器采用套管換熱器形式，其結構簡單、易于制作，套管換熱器有效長度為1.85 m，外管和內管規(guī)格分別為Φ6.35 mm×0.80 mm和Φ3.00 mm×0.80 mm。氣液分離器使用重力分離式，其形狀為一個直徑38 mm、高度60 mm、上下兩端呈錐形的類圓柱體結構，豎直布置。冷凝器使用強迫對流風冷式冷凝器，散熱器大小尺寸為120 mm×120 mm×33 mm，銅管直徑為6.35 mm，翅片間距為1.5 mm，風機驅動電壓為24 V。高溫和低溫節(jié)流裝置均采用內徑0.6 mm的毛細管，蒸發(fā)器盤管外徑為4 mm，壁厚為 0.8 mm，有效長度為 1,650 mm，蒸發(fā)器盤管放置于一個具有保溫功能的小箱體內。整套實驗裝置低溫部分采用聚氨酯發(fā)泡法保溫。

數據采集系統(tǒng)包括溫度測量和壓力測量。溫度測點共 10個，采用銅-康銅熱電偶，溫度精度為±0.5 ℃，熱電偶采用電焊機焊接，用錫箔紙將熱電偶粘貼于銅管外壁，保證熱電偶與測溫點接觸良好，溫度誤差包括熱電偶精度和儀器測量誤差，考慮安捷倫儀器精度對于T型熱電偶的測量誤差，溫度測量總誤差為 1.5 ℃；壓力測點包括低壓測點和高壓測點，采用壓力變送器進行測量，量程為0～2 MPa，精度 0.25%，輸出信號 4 mA～20 mA，考慮安捷倫測量電流精度誤差，計算得到排氣壓力的測量誤差0.0060 MPa，吸氣壓力的測量誤差0.0055 MPa。

2 實驗數據及分析

2.1 系統(tǒng)的降溫特性

實驗系統(tǒng)采用的高沸點和低沸點工質分別是R600a和R1150，兩者均為環(huán)保碳氫工質，GWP值低于非碳氫工質，具有良好的環(huán)境友好性。以R600a/R1150=6/4的配比充入制冷系統(tǒng)，實驗中壓縮機運行轉速為 3,800 r/min，將系統(tǒng)放置于恒溫實驗室中，在32 ℃的設計環(huán)境溫度下進行實驗。如圖2所示，系統(tǒng)開啟80 min內，蒸發(fā)器小箱體內的溫度快速降溫至-56 ℃左右，80 min后，系統(tǒng)降溫速率變慢，系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，系統(tǒng)啟動200 min后，小箱體內溫度達到最低溫度-65.5 ℃，之后保持穩(wěn)定。

圖2 小箱體內降溫曲線

2.2 節(jié)流裝置降溫特性

高低溫節(jié)流裝置均采用毛細管節(jié)流的方式，毛細管作為節(jié)流裝置，制作簡單，性能可靠，但是調節(jié)能力很差。高溫毛細管進出口溫度變化曲線如圖3所示。系統(tǒng)穩(wěn)定后高溫毛細管進口溫度與冷凝器出口溫度接近，在 37 ℃小幅波動，出口溫度逐漸降低，最終穩(wěn)定在6 ℃左右。圖4記錄了低溫毛細管節(jié)流進出口溫度變化情況。開機后，隨著制冷劑的質量流量逐漸增大，高溫毛細管快速降溫，冷凝蒸發(fā)器提供的冷量增加，低沸點的混合工質逐漸冷凝后，低溫毛細管的節(jié)流降溫效果也趨于明顯。系統(tǒng)運行80 min后，低溫毛細管節(jié)流出口溫度（即蒸發(fā)器進口溫度）快速降到-69.6 ℃，隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，降溫趨于平緩，系統(tǒng)運行約 200 min，低溫毛細管進口溫度穩(wěn)定在-40 ℃左右，出口溫度穩(wěn)定在-74 ℃左右，實際進出口溫差約34 ℃。

圖3 高溫毛細管節(jié)流進出口溫度隨時間變化曲線

圖4 低溫毛細管節(jié)流進出口溫度隨時間變化曲線

2.3 壓縮機運行特性

圖5 和圖6分別表示在設計溫度下壓縮機吸排氣壓力和溫度的變化曲線，由圖5可以看出，壓縮機啟動后的2 min，排氣壓力迅速升高至1.39 MPa，吸氣壓力降至 0.17 MPa，運行 20 min排氣壓力上升至最大1.53 MPa，吸氣壓力稍有上升；之后排氣壓力開始下降，吸氣壓力緩慢上升，系統(tǒng)運行230 min時，排氣壓力下降到1.27 MPa，吸氣壓力上升至0.22 MPa，之后吸排氣壓力保持動態(tài)穩(wěn)定。從壓縮機壓比曲線可以看出，系統(tǒng)剛啟動時壓比迅速上升至8.5，之后波動下降，穩(wěn)定時壓比在5.8左右，最大壓比在微型壓縮機的承受范圍之內，穩(wěn)定時的壓比也與設計壓比6接近，滿足壓縮機運行要求。圖6中，壓縮機在啟動后，排氣溫度迅速升高，在30 min之后有所下降，最高排氣溫度為95 ℃，穩(wěn)定后排氣溫度在 86 ℃左右，吸氣溫度穩(wěn)定在30 ℃左右，滿足壓縮機最高排氣溫度要求。

圖5 壓縮機吸排氣壓力變化曲線

圖6 壓縮機吸排氣溫度變化曲線

3 結論

本文通過搭建一套微型壓縮機驅動的自動復疊制冷系統(tǒng)實驗臺，研究了使用R600a和R1150兩種碳氫環(huán)保工質下系統(tǒng)的運行性能，得出以下結論：

1）微型轉子式壓縮機可用于自動復疊制冷系統(tǒng)，實驗中沒有發(fā)生壓縮機過熱報警等異?，F象，壓縮機壓比和排氣溫度均可滿足微型壓縮機的使用要求，為進一步使用微型轉子式壓縮機實現更低的制冷溫度提供了依據；

2）微型自動復疊制冷系統(tǒng)使用 R600a/R1150混合制冷劑，在6/4左右的質量比下，可以在32 ℃的環(huán)境溫度中，達到-65.5 ℃的制冷溫度并保持穩(wěn)定，這為微型自動復疊制冷系統(tǒng)的商業(yè)應用打下了基礎。