微电子机械系统(MEMS)的迅速发展,使过程机械装置的微型化和轻量化成为可能。微型制冷系统是基于传统制冷系统的工作原理,利用微加工技术生产出制冷系统的各个部件,并将这些部件及其传感器、控制器、电源等集成在一个微小体积范围内的微小机械。微型制冷系统是先进微型能量系统在工程中应用的典型范例,美国军方已将这种先进技术用于伊拉克战争,并引起了国际上广泛的关注。微型制冷系统不仅可以满足士兵和恶劣环境中的工人的舒适性要求,还广泛应用于军事、航空航天、工业、医疗卫生等领域。蒸汽压缩式制冷有质量流量低、冷凝温度低及COP高等优点,本文研制了用于个人冷却的微型蒸汽压缩式制冷系统的样机,该系统可以提供300W的制冷量,大小为:265×250×120mm,总重量约2.85kg,系统由直流无刷电机、微型三角转子压缩机、平行流式空冷冷凝器和微型螺旋管蒸发器和毛细管组成,采用高效锂离子电池做动力,可以持续运行90分钟,加上电池,系统总重量约4kg。由于微型蒸汽压缩式制冷系统在国内外的研究较少,商业化的应用尚未开始,系统的主要部件均须自行研制,本文介绍了微型制冷系统主要部件的研制,包括无排气阀微型三角转子压缩机的研制、平行流式空冷冷凝器的研制以及微型螺旋管蒸发器的研制。为了进行微型制冷系统匹配及运行特性实验研究,建造了温度可调的人工环境柜,并搭建了微型制冷系统实验台,通过压缩机与动力系统的匹配实验,确定了与压缩机相匹配的直流电机及传动比;通过充注量与毛细管长度的匹配实验,确定了毛细管的最佳尺寸;通过系统运行特性实验得到了系统在不同工况下的运行特性,试验结果表明:在40℃环境下,压缩机压缩比可以达到3.0以上,压缩机转速为1650r/min时,微型制冷系统的制冷量可以达到300W左右,COPc可以达到2.0以上。采用稳态效率法建立了微型三角转子压缩机的质量流量、输入功率和排气温度的数学模型;建立了绝热毛细管数学模型,并利用毛细管的模拟程序,分析了毛细管管长随制冷剂流量、管径和过冷度变化趋势;采用分布参数法,建立了平行流式冷凝器和螺旋管式蒸发器的稳态模型,并编制了冷凝器和蒸发器的模拟程序。在建立压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管各部件模型的基础上,采用顺序模块法,根据制冷剂质量平衡和部件之间的能量平衡关系式,建立了空气-水微型制冷系统的稳态仿真模型。对比结果表明,模拟值与实测值比较吻合。利用系统模型预测了在压缩机转速、环境温度、蒸发器进水温度以及毛细管长度变化的情况下,系统性能的变化情况。提出了制冷系统的优化方法,根据系统仿真程序得到了在冷凝器长度、蒸发器长度变化的情况下系统的各项性能。对制冷系统微型化以后引起的熵产率变化进行了分析,并就具体实例进行了计算,计算结果表明,制冷系统尺寸减小以后,压缩机内的熵产率及系统内不可逆热传导引起的熵产率增加,而换热器由温差引起的熵产率减小,由摩擦引起的熵产率的增加。因此,对于微型制冷系统,提高微型压缩机的加工精度及减少系统内部热漏是系统成功运转的关键。