作者《衷美林》 ：高級(jí)工程師  畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè).分別在航天部七0五所,春蘭集團(tuán),上海石油儀器廠從事產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)管理工作

（上海博立儀器設(shè)備有限公司<上海石油儀器廠>，上海，200331）
摘  要  壓縮機(jī)制冷本身功耗小于半導(dǎo)體制冷且無(wú)須通冷卻水，但是由于為了控溫，需要增加大功率加熱裝置，導(dǎo)致與半導(dǎo)體制冷功耗大致相等。本文介紹了一種節(jié)能的壓縮機(jī)制冷儀器，通過(guò)使用電磁閥控制制冷功率，省去了電加熱裝置，節(jié)約了功耗并延長(zhǎng)了儀器的使用壽命。

關(guān)鍵詞  節(jié)能 壓縮機(jī) 制冷 分析儀器

眾所周知，早期做低溫油品分析試驗(yàn)的冷浴，是用把干冰投入酒精的方法來(lái)制冷的。這在許多油品試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容中仍然可以看到。也有個(gè)別實(shí)驗(yàn)室至今還在使用的。但是如今已沒(méi)有廠家生產(chǎn)這種儀器了。原因是用這種方法控制冷浴溫度既麻煩，又不準(zhǔn)確。干冰也不好保存和運(yùn)輸。此外，有些小城市和地處偏僻的實(shí)驗(yàn)室無(wú)法得到干冰。
目前大量使用的低溫儀器多為半導(dǎo)體制冷和壓縮機(jī)制冷。前者的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲，并可以通過(guò)直接控制制冷電流來(lái)控制溫度。缺點(diǎn)主要有三方面：一是能耗大，即能效比很低，一般半導(dǎo)體儀器的能效比都在0.5左右，也就是說(shuō)如果消耗100瓦的輸入功率，僅能產(chǎn)生50瓦左右的制冷輸出功率。二是必須不停地用自來(lái)水對(duì)半導(dǎo)體發(fā)熱端進(jìn)行冷卻，這樣會(huì)浪費(fèi)大量的水。三是由于各地水質(zhì)不同，自來(lái)水在冷卻循環(huán)管路中的時(shí)間長(zhǎng)了，會(huì)結(jié)水垢堵塞管路，或其它斷水故障造成水冷卻失效而燒毀整個(gè)半導(dǎo)體制冷塊。
壓縮機(jī)制冷的優(yōu)點(diǎn)是能效比高，小功率壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)約為1.0左右，對(duì)于大功率壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，能效比可達(dá)到1以上直至3或更高。也就是說(shuō)消耗100瓦的輸入功率，能產(chǎn)生100瓦或更大的制冷輸出功率。但目前的壓縮機(jī)制冷儀器都有一個(gè)共同的問(wèn)題，就是溫度控制問(wèn)題。當(dāng)冷浴溫度下降到試驗(yàn)的設(shè)定溫度后，必須在這個(gè)溫度上穩(wěn)定住。目前使用的方法是用一個(gè)恒定的制冷功率對(duì)冷浴制冷，同時(shí)用一個(gè)更大的受溫控器控制的加熱功率來(lái)抵消制冷功率，對(duì)溫度進(jìn)行穩(wěn)定控制。就是說(shuō)如果制冷功率為100瓦，受溫控器控制的加熱功率必須大于100瓦，才能抵消并控制住浴溫，最終儀器消耗的功率會(huì)達(dá)到約200瓦。
那么，能否僅用壓縮機(jī)的開、停來(lái)控制溫度呢？這是理論上的設(shè)想。實(shí)際上是行不通的。理想的情形是當(dāng)冷浴溫度下降到試驗(yàn)的設(shè)定溫度后，壓縮機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，制冷立即停止。當(dāng)溫度回升時(shí)，壓縮機(jī)立即啟動(dòng)，制冷系統(tǒng)立即進(jìn)行制冷。而實(shí)際上壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，還要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，制冷系統(tǒng)才能建立起足夠的壓力差使制冷劑進(jìn)行制冷。而壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，制冷實(shí)際上并不立即停止，這同樣是因?yàn)橹评湎到y(tǒng)已建立起來(lái)的壓力差并不會(huì)立即消失。壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)了，制冷系統(tǒng)卻仍在制冷。這兩個(gè)時(shí)間差足以使冷浴溫度嚴(yán)重失控。另外，壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，必須等制冷系統(tǒng)的壓力差消失了，才能再次啟動(dòng)，否則會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況；另外壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流是正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的5至10倍，頻繁啟動(dòng)會(huì)損壞壓縮機(jī)。等等原因，使設(shè)想無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
在近幾年，上海博立儀器設(shè)備有限公司的工程師首創(chuàng)了無(wú)需使用電加熱抵消制冷就可以對(duì)冷浴浴溫進(jìn)行精確控制的方法，并獲得國(guó)家專利。具體的方法是采用直接控制制冷劑流量的方式來(lái)精確控制浴溫。由于不用大功率電加熱設(shè)備，儀器能節(jié)約50％的能耗。一臺(tái)可以達(dá)到零下80℃的臺(tái)式四孔傾點(diǎn)（Pour Point）試驗(yàn)器的功耗只有不到500瓦，而一般家中常用的“熱得快”的功率就有1000瓦。同時(shí)由于壓縮機(jī)不需要總是處于滿負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，壓縮機(jī)的振動(dòng)和噪聲都很輕微，壽命也得以延長(zhǎng)。
下面結(jié)合壓縮機(jī)機(jī)制冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖作進(jìn)一步說(shuō)明：
上圖是通常的壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)將氣態(tài)的制冷劑壓縮成高壓高溫的氣體，從壓縮機(jī)排氣口壓出，在冷凝器中通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱，制冷劑凝成液態(tài)。通過(guò)節(jié)流裝置（一般為毛細(xì)管或膨脹閥）節(jié)流后的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器。由于蒸發(fā)器另一端直接通壓縮機(jī)的吸氣口，處于低壓狀態(tài)，蒸發(fā)器中的制冷劑在低壓狀態(tài)下蒸發(fā)，吸收大量汽化熱，對(duì)冷浴進(jìn)行制冷。為了將浴溫穩(wěn)定在設(shè)定的溫度上，在冷浴中裝有受溫控器控制的電加熱管，用來(lái)抵消制冷功率，一般情況下加熱管的功率為制冷功率的1.5倍左右，否則不足以對(duì)冷浴的溫度進(jìn)行控制。因此儀器總的功率為制冷功率的2倍左右。另外由于冷浴內(nèi)一般以乙醇（酒精）作為傳熱介質(zhì)，一旦溫控器發(fā)生故障導(dǎo)致加熱管不停地加熱，如果實(shí)驗(yàn)人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致酒精燃燒引發(fā)火災(zāi)的嚴(yán)重后果。這種情況確實(shí)在某實(shí)驗(yàn)室發(fā)生過(guò)，幸好發(fā)現(xiàn)較早，及時(shí)將火撲滅。
下圖是節(jié)約能耗的壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，與上述系統(tǒng)不同之處在于，進(jìn)入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑的量受電磁閥的控制，而電磁閥受溫控器的控制。由于冷浴中蒸發(fā)器的制冷功率受到控制，因此無(wú)須在冷浴中再安裝電加熱設(shè)備。這樣一來(lái)，儀器節(jié)省功耗和提高安全性的好處就顯而易見(jiàn)了。
另外由于在控溫狀態(tài)，壓縮機(jī)吸入并進(jìn)行壓縮的制冷劑的量比降溫時(shí)大為減少，因此壓縮機(jī)的負(fù)荷也大大降低，儀器的振動(dòng)和噪聲明顯減弱，已經(jīng)接近半導(dǎo)體制冷儀器的狀況。在實(shí)驗(yàn)室的儀器使用中，大量的時(shí)間是處于控溫狀態(tài)的。根據(jù)實(shí)際測(cè)量和估算，壓縮機(jī)的壽命由此可以增加60％以上，而壓縮機(jī)本身處于控溫狀態(tài)時(shí)的功耗約為額定功耗的75％。
盡管實(shí)驗(yàn)室儀器本身的功耗比起大功耗電氣設(shè)備來(lái)微不足道，但是對(duì)于一臺(tái)使用壽命約為十年的柜式傾點(diǎn)儀器，以每天平均工作4小時(shí)計(jì)，總共至少可以節(jié)電10000度。

以上文章在06年潤(rùn)滑技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)上發(fā)表.
在06年<潤(rùn)滑與摩擦>雜志上發(fā)表