中尺寸冰箱的設計和分析N.S.Ashraf1,H.C.CarterIII2,K.Casey1,L.C.Chow2,S.Corban2,M.K.Drost3,A.J.Gumm1,Z.Hao2,A.Q.Hasan1,J.S.Kapat2,L.Kramer4,M.Newton5,K.B.Sundaram1,J.Vaidya6,C.C.Wong7,K.Yerkes81DepartmentofElectricalandComputerEngineeringUniversityofCentralFloridaOrlando,FL328162DepartmentofMechanical,Materials&AerospaceEngineeringUniversityofCentralFloridaOrlando,FL32816-24503Microtechnology,EnergyDivisionPacificNorthwestNationalLaboratoryRichland,WA993524AdvancedMaterials&StructuresLockheedMartinElectronics&MissilesOrlando,FL32819-89075AdvancedPackagingandMicroelectronicSystemsHarrisCorporationMelbourne,FL32902-91006ElectrodynamicsAssociates,Inc.Oviedo,FL327657EngineeringSciencesCenterSandiaNationalLaboratoriesAlbuquerque,NM87185-08278PowerDivision,PropulsionDirectorateAirForceResearchLaboratoryWPAFB,OH45433摘要：在此介紹中尺寸冰箱的設計和分析。此種冰箱設計有硅晶片層，通過微電子技術制造。此種冰箱的目標應用是一個電子或光子芯片或模塊的集成熱移動系統。此論文介紹整個系統的功能分解，熱力學可行性分析，兩功能的對應構造：驅動與壓縮，壓縮驅動兩選一的參數性分析。介紹過去幾十年微制造的進步將時代引領進了一個化學，環境，能源和其他工程系統的微型化的新紀元。光刻，薄膜沉積和各向異性蝕刻，其他類似的已允許電子產業存儲越來越多的內存和將計算機能力集成到越來越小的芯片上的技術，可用于制造泵，閥，傳感器，熱交換器和毫米或更小的尺度級別的化學反應器(WegengandDrost,1994,Ameeletal.,1996)。熱和化學系統小型化提供了幾種相對同類大型化的優勢。（1）傳輸過程中，熱和化學，依靠表面熱交換器或反應器。因此，較高的表面與體積比的一個微型系統有助于建立一個具有更高的體積傳運系數的更緊湊的系統。（2）規模較小的尺寸通常有更好的安全性。（3）利用微制造技術有望提供更好的成本效益。（4）小型化，使新的工程系統可能。（5）小規模的模塊化導致有更多的使用選擇。這主要是最后兩條優勢促使工作呈現于此，因此舉例能進一步幫助闡明。首先，電冰箱系統的微型化使得電子或光電的集成熱移動系統成為可能，不需要額外的冷卻系統（通常有冷卻對象體積的數倍大）。集成電冰箱系統維持電子元器件的溫度低于周圍環境溫度。沒有這樣的冷卻，像大功率的電子器件或光子將無法正常工作或低效率的工作在像車輛引擎周圍、飛機的駕駛艙或在沙漠中的高溫環境下。特別地，像量子發射/接收模塊陣列這樣的光電系統要求陣列中所有成員精確的溫度一致性，因此一個以相變為基礎的冷卻系統是有必要的。再次，微型化和微制造的使用使冷卻系統能被集成到電子或光電模塊上，并且能不貴地大量生產。能量系統的微型化也許，然而，是相同價格。以下例子可以證明這點。讓我們假設一個內有流量的熱交換器管道。如果此導管在線性尺寸上N倍的減小，N3的減小可以和原管道占據相同的體積。在微型化的例子中，如果流經每個管道的雷諾數和先前保持一致，使得流動特征不變，總的熱轉換效率就以N2增長，壓力差以N2增長，總的抽吸能量要求以N4增長，在相同的熱條件和同樣的總體積下。可能有爭議的一點是，增長的供應壓力和抽吸能量要求也許不值得額外的熱轉化，因此需要要在具體情況的基礎上實現微型化程度的最優化。這篇論文集中在幾厘米的總線性尺寸的中尺寸冰箱的設計上。因此這種冰箱比傳統的系統至少小一個數量級，而比新近提出的微型系統大幾個數量級。不像傳統的系統，這種提出的冰箱通過使用微電子制造技術來設計，使得這種冰箱可以在未來不貴地量產。2設計規格設計和制造該提出的證明單元的初步應用是為了在沒有冰箱無法實現制冷的熱環境下實現對電子器件的冷卻。因此目的，下面的熱參數就被確定了。蒸發流體溫度（Te）：12。C（保持）環境溫度（Ta）：45。C冷卻負載（Qc）：32W冷卻劑：R134a要注意的是，需冷卻的項目的溫度會比Te高，冷凝器中流體的溫度會比Ta高。選R134a做冷卻劑是因為它是最普遍的對環境友好的一種的冷卻劑。因為該種冰箱制造帶有幾層硅晶片層，且直徑為3英寸的晶片是最常用的，所以在初步的設計中整個系統的直徑被限制在這個尺寸。外圍直徑（D）:75mm這個尺寸提出一個在蒸發器表面的十分適度的熱負載，只有0.73W/cm2。然而，因為電冰箱被使用，即使在環境溫度比目標冷卻表面的溫度高時，這個數量的熱量還是可能會被移除。蒸發器的熱移動率決定于系統的表現系數，而且會高一些。通過現在的設計過程獲得的知識有望使我們在未來設計一個有更好的冷卻參數的系統。3熱力學分析有幾個可被表現使用的熱力學循環。其中一些選擇是水蒸氣壓縮循環，水蒸氣吸收循環，反向Stirling循環和反向Brayton循環(MoranandShapiro,1992).前兩個循環包括相變，而后兩個則不包含。因此，要保持蒸發器溫度恒定不變就需要一個更積極的反向Stirling循環或反向Brayton循環控制系統。因為這個原因，在第一次設計中，這兩個循環未被進一步考慮。水蒸氣壓縮循環和水蒸氣吸收循環彼此十分相似。他們都包括液體-蒸汽的轉變，蒸發，冷凝和閥門控制。最大區別是水蒸氣壓縮循環使用一個壓縮機將蒸發器中低壓低溫的蒸汽轉化為高溫高壓極熱的水蒸氣。在水蒸氣吸收循環中，蒸發器中的水蒸氣通過被叫做吸收劑的物質吸收，形成液體，之后被轉成更高壓，相比水蒸氣壓縮循環的壓縮機，少了不少工作。然而，在高壓條件下水蒸氣會不得不恢復成液態。通過一個相當高溫的熱源，例如天然氣或類似的氣體，或是太陽能，或是地熱能，這個通常可以被完成。水蒸氣吸收循環的最后一個特點使其十分不適合電子或光電子器件的冷卻系統，即使這個循環需要更少的機械輸入。因為這個原因，設計中只考慮了水蒸氣壓縮循環。圖1給出了一個典型的水蒸氣壓縮系統的大概布局，及T-s圖表的熱力學說明。需要注意的是，整個系統的不同元器件的設計都是相關聯的。然而，為了開始每個器件的參數設計，考慮到其他器件的表現參數，幾個特別的假設是有必要的。例如，如果使用一個離心壓縮機來壓縮，則壓縮機的等熵效率會決定機械能輸出超過電機要求，因此，為開始馬達的設計，事先要為壓縮機假設一個合理的值。最后，當整個系統的設計完成時，這些表現參數都要被計算和驗證。原文參考文獻[1]Ashraf,N,S.,1999,“DesignConsiderationsforaMeso-ScaleHeatPump,”MSThesis,UniversityofCentralFlorida,Orlando.[2]Ameel,T.A.,R.O.Warrington,R.S.Wegeng,andM.K.Drost,1996,“MiniaturizationTechnologiesAppliedtoEnergySystems,”J.EnergyConversionandManagement,vol.38,pp.969-982.[3]Bart,S.F.,andJ.H.Lang,1989,“AnAnalysisofElectroquasistaticInductionMicromotors,"SensorsandActuators,vol.20,pp.97-106.[4]Inaba,R.,A.Tokushima,O.Kawasaki,Y.Ise,andH.Yoneno,1987,“PiezoelectricUltrasonicMotor,”Proceedingsof1987IEEEUltrasonicsSymposium,IEEEpress,pp.747-756.[5]Japikse,D.,1996,CentrifugalCompressorDesignandPerformance,Concepts,ETI,Wilder,VT.[6]Koeneman,P.B.,I.J.Busch-Vishniac,andK.L.Wood,1997,“FeasibilityofMicroPowerSuppliesforMEMS,”J.MEMS,vol.6,no.4,pp.355-362.[7]Kuribayashi,K,1989,“MillimeterSizeJointActuatorUsingShapeMemoryAlloy,”ProceedingsIEEEMicroElectroMechanicalSystems,IEEEpress,pp.139-144.[8]Meyer,C.W.,andG.Morrison,1991,“DipoleMomentsofSevenPartiallyHalogenatedEthaneRefrigerants,”J.PhysicalChem.,vol.95,pp.3860-3866.[9]Moran,M.J.,andH.N.Shapiro,1992,FundamentalsofEngineeringThermodynamics,2nded.,chap10,JohnWiley,NewYork.[10]Pichot,P.,1986,CompressorApplicationEngineering,Volume1:CompressionEquipment,GulfPublishingCompany,Houston.[11]Trimmer,W.,andJ.Gabriel,1987,“DesignConsiderationforaPracticalElectrostaticMicro-motor,”Sensors&Actuators,vol.11,pp.189-206.[12]Wegeng,R.S.,andM.K.Drost,1994,“DevelopingNewMiniatureEnergySystems,”Mech.Eng.,vol.119,no.