微型制冷系统在便携式空调中的应用

    1 概述

    在大量的微气候控制应用中,人员必须穿着防护服,而防护服严重阻碍了身体热量的散发。这样的例子有许多,如暴露于危险物质中的工人,穿着防爆服的警察,钢铁厂的炉工,暴露于核生化战场的军事人员等。在现代战争中来自于核生化战场的威胁迫使战斗人员穿着防化服,而身穿防化服降低了战斗人员的作战效能。在炎热环境中从事高强度劳动的工作人员容易受到热应激,特别是身穿防护服时。这种条件下,在受到热伤害之前工作人员能够执行任务的时间是十分有限的。

    在炎热环境中工作时,冷却身体既可以提高工作效率同时又降低了热应激的可能性。便携式空调可以对人的身体进行冷热调节,便携式空调一般由液冷服和微型制冷系统组成。液冷服内有细小管路,管路内循环流动冷却液(一般为水),目前各国正在研究的主动式微型制冷系统主要有蒸汽压缩制冷和吸收式制冷等。

    美国的Natick单兵中心、Aspen公司、FosterMiller公司和PNNL国家实验室等从20世纪90年代初期就开始从事这方面的研究工作,Natick单兵中心、Aspen公司、Foster-Miller公司主要研制的是微型蒸汽压缩制冷系统,而PNNL国家实验室主要研制吸收式制冷系统,到目前为止,已经有多个型号的微型制冷系统样机研制成功,而且Foster-Miller公司研制的微型蒸汽压缩制冷系统已经被美军在伊拉克战争中使用。据美国Natick单兵中心研究结果:一个士兵的工作负荷一般在100~500W之间,只要提供300W的制冷量就足以保证一个士兵在炎热的环境中身穿防护服作战时不会出现热应激。

    基于以上目的,研制了一种能够提供300W制冷量的微型蒸汽压缩制冷系统(微型蒸汽压缩制冷系统采用R22作为制冷剂)。

    2 微型制冷系统技术难点

    基于个体热防护装备对系统的轻量化设计要求,在满足制冷量的前提下,将如何降低系统重量和功耗作为为微型制冷系统研究的着眼点,为寻求提高微型制冷系统的综合性能开展相应的研究工作。

    目前市场上出售的空调压缩机,一般制冷量均在千瓦以上。当然市场上也能买到几百瓦的冰箱压缩机,但冰箱压缩机的COP一般较低,而且这些压缩机重量都很大,最轻的也有3kg以上,无法满足便携式空调系统轻量化的要求。目前美国单兵研究中心以及Aspen公司均研制出了能够提供300W制冷量的微型压缩机,但他们所研制的微型压缩机主要用于军事目的,不会向市场出售,而且也不公开他们压缩机的结构和原理。因此我国必须走自主研发的道路。

    研制用于个体热防护装备使用的微型制冷系统主要有以下几个技术难点: