非共沸混合工质自复叠制冷循环研究进展

　　0 引言

　　目前，随着高新技术的发展，食品、医疗、军工等行业都对特定的低温环境有了很迫切的要求。低温制冷技术在低温生物、低温医学、冷冻冷藏、气体液化、低温电子、国防科学等领域都有着广泛的应用。现在，获得-40℃～-150℃低温环境的方法主要有：单一工质的多级压缩、复叠式制冷、混合工质的自动复叠等[1]。

　　单一工质的多级压缩式制冷循环所获得制冷温度介于-70℃～-40℃之间，通过分级压缩可降低每级的压比，但因增加压缩机设备，其系统相对较复杂、初投资较高;复叠式压缩制冷循环可获得较低的制冷温度-90℃～-60℃[2]，但此类装置要求两台或多台压缩机，系统过于复杂，尤其是低温级所采用压缩机制作工艺要求高，高温级和低温级匹配较难控制，系统效率较低，随着级数的增加其技术难度和制造成本明显提高;自动复叠制冷循环利用非共沸混合工质作为制冷剂，只需要一个压缩机，就可获得需低温环境，通过高沸点工质蒸发来实现低沸点工质冷凝，其结构简单，低温端无运动部件，运行更加可靠，系统效率较高，已成为目前-40℃至-150℃温区的主要制冷方式之一。

　　1 自复叠低温制冷技术的发展

　　早在1936年Podbielniak就提出了自复叠制冷循环理论的设想[7]。1959 年前苏联气体研究所的 AP Klimeemko 教授采用碳氢化合物作为制冷剂，利用自复叠制冷系统成功地液化了天然气。1959 年Smith 和 Kennedy 也论述了此种系统，他们采用了R12/R115 混合制冷剂。 1965 年， Fuderer 与Podbielniak 应用类似的原理获得了美国专利。到20 世纪 80 年代，各国科学工作者逐渐展开了对于自复叠循环的深入研究。80 年代末美国 REVCO公司利用自复叠循环原理研制出了-150℃的低温冰箱，申请了专利，并在 90 年代初投放市场。2001年，美国的 Young I Cho 对自动复叠制冷循环进行改进，使得自动复叠制冷系统在较低压比的条件下也能获得较大的制冷量;2002 年，韩国首尔大学的 S G Kim 等采用二氧化碳的非共沸混合物作为自复叠循环的制冷剂，分别研究了组分变化对制冷量的影响以及系统压力对系统 COP 的影响规

　　我国关于自复叠制冷循环系统的研究始于二十世纪 90 年代，浙江大学制冷与低温研究所、中科院低温技术实验中心、上海理工大学制冷技术研究所等科研单位都对自复叠制冷循环进行了大量的理论和实验研究。目前自复叠制冷循环是 110～140K 低温冰箱的主要制冷形式，并且已经用于制取 60K 以下的低温冰箱。2000 年，中科院低温技术实验中心罗二仓等利用自复叠制冷循环在实验中获得 30～60K 低温环境。目前自复叠制冷循环可以获得从低于80K的液氮温区到230K的传统蒸气压缩制冷温区的低温环境，并在低温制冷领域得到不断的推广，具有广阔的发展前景。