论文导读：：主要的新型制冷技术。现在高效的半导体制冷器在温差50℃时。绿色环保。以期实现节能、环保、温控精确、技术稳定的目的。

　　论文关键词：新型制冷技术，高效，环保，节能

　　1 前言

　　寻找和开发更优越的低温制冷技术一直是研究热点。到目前为止，传统制冷技术已臻于成熟，各种新型制冷手段（半导体制冷、磁制冷、激光制冷等）以其独特的优越性能得到了人们广泛关注。本文总结了多种典型的新型制冷技术的原理、特点、发展现状及其应用前景。

　　2. 主要的新型制冷技术

　　2.1 半导体制冷

　　2.1.1 基本原理

　　半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷，其理论主要依据是贝塞尔效应和珀尔贴效应。其热电对由半导体材料制造，热电对有两条电偶臂，分别用P型半导体和N型半导体制造。电偶臂的两端均有金属片，称为汇流条。当有电流流经热电对时，在其两端处会产生帕尔贴效应，一面形成冷端，另一面形成热端，冷端从外界吸热，热端对外放热。把一个个这样的热电偶串联到电路中，借助于其他传热器件，使热电制冷组件的热端不断放热，把其冷端放到需要的工作环境中即可降温（李冰，2009；N.M.Khattab，2006）。

　　2.1.2 制冷特点

　　半导体制冷无机械运动、无磨损、无噪音、运行可靠、制冷迅速，可做成重量轻、体积小的微型、亚微型、小型半导体制冷器。它不使用制冷剂，绿色环保新型制冷技术，可在失重或超重等极端环境下运行，而且便于通过工作电流来实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制方法，容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统；缺点是制冷效率较低（李冰，2009）。

　　2.1.3 研究现状

　　目前的研究主要集中在对半导体材料的研发、模块设计制造和系统优化设计等方面。影响其制冷效率的主要因素是材料的电导率和热导率（刘华军，2004）中国论文下载中心。

　　2.1.4 应用前景

　　在工业、医疗、军事、航空、日用品等方面有着广阔应用前景：在工业中，热电制冷零点基准仪的应用就是对传统以冰块作为零度基准点的重大创新；在医疗卫生上，它可用于对高烧病人的降温，在外科手术中实施冷冻麻醉等；在军事上，它可应用于导弹、雷达装置中红外探测器的冷却等；太空望远镜的热设计中就利用了半导体制冷；此外它也正被研究应用于控制红外探测器的工作温度、提高光纤陀螺惯导系统温度稳定性、迅速达到稳定工作状态方面；在日常生活中，半导体制冷可用于冰箱、空调、电脑CPU散热；对温度反应灵敏、使用条件严格的电子元器件，用半导体制冷很适合；在高精尖科技领域内，常对各种电子元器件的温度性能要求很高，为了定标测量标准电子元器件的温度性能，国产超级恒温槽采用半导体制冷，温度控制精度可在0.005℃左右。此外具有我国自主知识产权的高效半导体热电元件其优值系数已在原来的基础上成倍增长，可以超过13*10-3K，现在高效的半导体制冷器在温差50℃时，制冷系数大于3，制冷效率高于常规压缩机制冷（谢玲，2008）。

　　2.2 磁制冷

　　2.2.1 基本原理

　　磁制冷利用磁热效应（又称磁卡效应，Magneto-Caloric Effect）制冷。磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量。对铁磁性材料来说，磁热效应在其居里温度（磁有序-无序转变的温度）附近最为显著，当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放热；反之当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸热（B.F.Yu，2003；王贵，2003）。

　　2.2.2 制冷特点

　　它采用磁性物质作为制冷工质，不会危害臭氧层，也不导致温室效应。其运动部件少，减小了机械振动和噪声，可靠性高，效率高（能达到卡诺循环的30％-60%）。其应用范围广，从μK、mK直到室温以上均适用；在低温（制取液氮、液氦、液氢）领域和高温（特别是近室温）领域都有广泛应用前景（E. Bruck，2008；刘敏，2007）。

　　2.2.3 研究现状

　　当前新型制冷技术，低温区（20K以下）磁制冷的研究已比较成熟并实用化。高温区磁制冷还处于实验研究开发阶段，目前80K至室温的磁制冷技术是研究的热点。研究出低成本且具有巨磁卡效应的材料以利用NdFeB等永磁体产生外场（不用结构复杂而昂贵的超导磁体）是室温磁制冷关键。

　　面临的困难主要有：（1）每次磁制冷循环所产生的温差还不够大，只有1-3K，磁性材料磁熵太小；（2）热交换速度不够快，从而使制冷周期延长，也使整个循环效率下降；（3）室温条件下，若不利用超导技术，仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场，则两磁极面总存在空气隙，因此进入磁场的磁制冷材料有限，这要求有绝热效果好的隔热层。

　　其突破方向为：（1）磁场分析，完善磁体结构；（2）针对相应的温区选择换热介质，设计出最佳的热开关或换热回路，提高换热效率；（3）制冷材料的研制，通过改进工艺和材料重组制备性能更优越的材料（刘涛，2009）。

　　2.2.4 应用前景

　　磁制冷技术主要应用于极低温和液化氦等的小型装置中。其高效、无污染、无噪声等众多特点使其在未来的太空开发和民用需要方面让人充满期待。此外其在要求制冷源设备重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广的国防领域也有很好的应用前景（孙立佳，2008；Steven，2006）。

　　2.3 激光制冷

　　2.3.1 基本原理

　　激光制冷也称反斯托克斯荧光制冷（Antistokes Fluorescent Cooling），是正在发展的新概念制冷方法。其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差来实现制冷。反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短。因此散射荧光光子能量高于入射光子能量。其过程可以简单理解为：用低能量激光光子激发发光介质，发光介质散射出高能量的光子，将发光介质中的原有能量带出介质外而制冷。与传统制冷方式相比，激光起到了提供制冷动力的作用，而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体（孙海生，2006）。

　　2.3.2 制冷特点

　　由于制冷材料对泵浦光的吸收有限，激光冷却材料一般含有杂质离子如Cu2+、Co2+、Cr3+，杂质中心会导致荧光猝灭和非辐射的多声子驰豫振荡和竞争，从而导致制冷效率降低，当前小试效率均不高于3%（闫兴鹏，2008）。

　　2.3.3 研究现状

　　为进一步提高其性能，研究趋势主要集中在：①进一步深化理论研究，寻找更适合当能级结构的原子或离子、基团，作为制冷元件的荧光中心，以提高制冷循环的制冷量和制冷系数；②优化光路设计，提高激光利用率；③提高介质纯度，减少杂质引起的制冷消耗；④改进系统设计，提高系统绝热系数新型制冷技术，优化系统整体结构（汤珂，2002）中国论文下载中心。

　　2.3.3 应用前景

　　激光制冷器具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等优点，在军事、航天好低温等尖端领域（如量子计算、大规模集成电路、空间遥感领域、光电子探测器制冷、电子芯片制冷、集成电路制冷、光通信集成光学器件制冷等方面）有广阔的应用前景（闫兴鹏，2008）。

　　2.4 化学吸附式制冷

　　2.4.1 基本原理

　　化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面原子发生化学反应，生成表面络合物的过程。一个无规则运动的气态吸附质分子与固体表面发生碰撞，如果是弹性碰撞，则气相与固相表面均不发生可察觉变化；如果发生非弹性碰撞，气相分子向固相分子转移能量。当气态分子与表面碰撞损失的能量超过某一临界值后，分子将没有能力爬出表面势阱而被俘获。一个基本的化学吸附式制冷系统由吸附反应器和冷凝器、蒸发器构成，工作过程由加热解吸和冷却吸附组成（L.W. Wang，2009；陈茂平，2002）。

　　2.4.2 制冷特点

　　吸附式制冷采用低品位能源（太阳能和废热）作驱动源，其工质对环境无污染，其整体结构简单、可靠，操作方便，无运动部件，使用寿命长，运转费用低廉，无噪声，特别适用于无电地区、有大量低品位余热排放的工业过程及震动频繁的移动机械上（T.X. Li，2010；陈砺，2002）。

　　2.4.3 研究现状

　　当前对吸附制冷的研究主要集中在对吸附特性和循环特性的理论分析上。由于化学吸附工质的使用寿命短，反应速度慢，系统的导热效率低，使得吸附制冷的发展和推广利用受到限制（L.W. Wang，2009；陈茂平，2002）。

　　2.5 热声制冷

　　2.5.1 基本原理

　　其基本原理是热声效应，热声效应指可压缩流体的声振荡与固体介质由于相互作用而产生时均能量效应。当处于声场中的固体介质与振荡的流体之间有相互作用时，在距离固体壁面的一定范围内沿声传播的方向会产生一个时均热流，并在该区域内产生或吸收声功（余炎，2010）。热声制冷分线性制冷和非线性制冷两种。线性热声理论已经成熟，非线性热声理论的研究也不断取得发展，热声制冷机正朝着利用低品位能源的目标前进（周远，2009）。

　　2.5.3 应用前景

　　热声制冷具有环保、结构简单、无可动部件、运行可靠等优点，应用前景十分乐观。近几年，热声理论与实验同步进行，取得了很大进展。国外正在开发微型热声制冷装置，利用压电驱动器来驱动与微制造结合的热声元件和谐振腔新型制冷技术，应用于微电子芯片和微电子电路系统的散热冷却。目前样机使用一个大气压的空气工质，压电喇叭作为声驱动器，制冷温差达到11℃。而这仅仅只是一个实验样机，还有许多改进空间（如用其他惰性气体，提高工质的均压及改进谐振腔形状等）（石华林，2010）。

　　2.6 太阳能制冷

　　2.6.1 主要类型

　　主要有吸收式、吸附式、冷管式、除湿式、喷射式和光伏等制冷类型（K.F. Fong，2010；段芮，2009）。

　　（1） 吸收式制冷利用储存液态冷剂的相变潜热来储存能量。它是利用液态制冷剂在低压低温下气化而制冷（A. Lecuona，2009；GuYaxiu，2008；万忠民，2006）。

　　（2） 吸附式制冷是将太阳能集热与吸收式制冷相结合的一种蒸发制冷技术（ZhaoHuizhong，2009；郑宏飞，2008）。

　　（3） 冷管制冷是一种间歇式制冷，其主要结构由太阳能冷管、集热箱、制冷箱、蓄冷器、冷却水回路等组成，是一种特殊的吸附式制冷系统（段芮，2009）。

　　（4） 除湿式制冷技术是将环境空气或室内回风送入除湿器，利用除湿剂来吸附空气中的水蒸气以降低空气湿度，然后再进行一定的冷却和绝热加湿达到制冷的目的（P.Bourdoukan，2009；张小松，2008；K.Gommed，2007）。

　　（5） 喷射式制冷循环由两个子循环组成：太阳能集热器子循环（由集热器、发生器组成）和喷射制冷子循环（由发生器、喷射器、冷凝器、蒸发器和循环泵组成）（JianlinYu，2008）中国论文下载中心。

　　（6） 光伏制冷系统是将太阳能将转化为直流电，直流电经控制器到压缩机，驱动压缩机工作（徐世林，2008）。

　　2.6.2 研究现状

　　吸收式制冷和喷射制冷都已进入了应用阶段，吸附式制冷和溶液除湿冷却制冷还处在研究阶段，利用光伏制冷系统制成的直流冰箱在国外已小批量生产（韩崇巍，2010）。

　　2.7 其他新型制冷

　　当前，辐射制冷、噪声制冷、铁电致冷、余热制冷等技术也发展很快（张志强，2008）。

　　1）辐射制冷：地面通过辐射换热，将自身热量以电磁波形式排放到外宇宙绝对零度空间，达到自身冷却的目的。辐射制冷技术作为一种不耗能的制冷方法，已在太阳能的热技术利用中引起了广泛注意。实现辐射制冷的方法主要有两种：①透明盖板和选择性辐射体的组合；②具有选择透过特性的盖板与黑体辐射体的组合（Ghassem Heidarinejad.2010；Moien FarmahiniFarahani，2010；杨利香，2008）。

　　2）噪声制冷：利用微弱的声掀动来制冷的新技术，当前第一台样机在美国已经试制成功（涟钢科技与管理，2010）。

　　3）铁电致冷：利用逆热释电效应-电生热效应（Electrocaloric，简称EC）新型制冷技术，即在绝热条件下对铁电材料施加外电场，其温度发生变化的现象。若绝热施加电场使铁电体极化，铁电体温度升高，称为绝热极化加热；反之若绝热施加反向电场使铁电体去极化，铁电体温度降低，称为绝热去极化致冷。其产生致冷的原因是反向电场诱使极化后材料的熵值发生改变，由有序低能量状态进入无序混乱的高能量状态，需要从外界吸收能量使熵值增大，从而获得致冷效应（J.H.Qiu，2009；张清涛，2006）。

　　4）余热制冷：核心是化学压缩，直接利用一次能源（热能）驱动，几乎不需运动部件。当前，利用余热驱动制冰机制冰用作小型冷库已经应用于渔轮，在氯碱生产中的应用也得到深入研究（钟吉湘，2010）。

　　3. 小结与展望

　　当前，世界许多机构不断加大制冷技术研究投入，以期实现节能、环保、温控精确、技术稳定的目的。尽管传统制冷技术得到了成熟而完善的发展，但无法摆脱热交换器的束缚，相比于新型制冷技术有明显不足，将被逐渐取代。

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