制冷机作为现代生活中不可或缺的冷却设备，其工作原理及组成部件在制冷领域扮演着举足轻重的角色。以下是对蒸汽压缩式制冷原理及其核心组件的详细阐述，以期更全面地理解制冷机的运作机制。

一、制冷机的工作原理概述

制冷机通过循环流动制冷剂，在蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀之间完成热量的转移与释放，从而达到降温冷却的目的。这一过程中，制冷剂在蒸发器中吸收热量，变为低温低压的蒸汽；随后，这些蒸汽被压缩机吸入并压缩成高温高压的蒸汽；接着，高温高压蒸汽在冷凝器中放出热量，冷凝为高压常温的液体；最后，通过节流阀的节流作用，高压常温的制冷剂液体降压成为低温低压的液体，再次进入蒸发器，完成一个制冷循环。

二、制冷系统的核心组件及其作用

压缩机是制冷循环的心脏，它为制冷系统提供动力。电动机驱动压缩机不断旋转，吸入蒸发器中的低温低压制冷剂蒸汽，通过压缩作用提高其温度和压力。这一过程中，制冷剂蒸汽的内能增加，为后续的冷凝过程提供了必要的热量。压缩机的主要作用在于维持蒸发器内的低温低压环境，同时创造将制冷剂蒸汽热量向外界转移的条件。

冷凝器是制冷系统中的热交换设备，其主要作用是将来自压缩机的高温高压制冷剂蒸汽的热量传递给环境冷却介质（如空气或水），使其冷却并冷凝成高压常温的制冷剂液体。在冷凝过程中，制冷剂蒸汽释放出大量潜热，使制冷剂从气态转变为液态。冷凝器在制冷系统中起到了将热量从制冷剂中排出的关键作用。

节流元件（膨胀阀）是制冷系统中的重要组成部分，其主要作用是对高压常温的制冷剂液体进行降压处理。通过降低制冷剂液体的压力，其温度也相应降低，从而得到低温低压的制冷剂液体。这些低温低压的制冷剂液体随后进入蒸发器，开始新的蒸发吸热过程。节流元件的调节功能对于制冷系统的稳定性和效率具有重要影响

蒸发器是制冷系统中的另一个热交换设备，其主要作用是在低温低压条件下使制冷剂液体蒸发（沸腾）为蒸汽，同时吸收被冷却物质的热量。在蒸发过程中，制冷剂液体吸收大量潜热，使得被冷却物质的温度降低。蒸发器是实现制冷效果的关键部件之一，其设计和性能直接影响到制冷系统的整体性能。

蒸汽压缩式制冷原理是制冷机工作的基础。在单级蒸汽压缩制冷系统中，制冷剂在蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀之间循环流动。在蒸发器中，制冷剂液体吸收热量蒸发为蒸汽；在压缩机中，蒸汽被压缩成高温高压蒸汽；在冷凝器中，高温高压蒸汽放出热量冷凝为液体；最后，通过节流元件的节流作用，高压常温的制冷剂液体降压成为低温低压的液体再次进入蒸发器。这一过程中，制冷剂不断从低温热源吸收热量并向高温热源释放热量，实现了热量的转移和制冷效果。

中科院理化所

2021年4月15日，由财政部支持、中国科学院理化技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收及成果鉴定，标志着我国打破了发达国家的技术垄断，具备了研制液氦温度（零下269摄氏度）千瓦级和超流氦温度（零下271摄氏度）百瓦级大型低温制冷装备的能力，将可满足大科学工程、航天工程、氦资源开发等国家战略高技术发展的迫切需要。

液氦温度低至-269℃，是深低温区最重要的低温源。液氦到超流氦温区大型低温制冷装备是航空航天、氢能源、国家大科学装置等战略领域不可或缺的核心基础平台。但是，越往低温推进，制冷技术难度、成本、功耗都呈几何级数上升。核心技术的缺失，使得我国大型低温制冷装备全部依赖进口，关键核心部件以及用于特殊领域的专用制冷装备国外对我禁运。

中科院理化所具有几十年低温技术的深厚积累，在洪朝生院士、周远院士带领下，通过一代代低温科技工作者的不懈努力，坚持走自主创新道路，经过五年多的拼搏奋斗，在液氢温度（零下253度）制冷机的基础上，自主研制出了技术指标为2500W@4.5K和500W@2K的大型氦制冷机。

项目取得了一系列核心技术突破：

1）大型低温制冷系统整机设计体系构建及控制技术；

2）系列化气体轴承氦透平膨胀机技术；

3）大型超流氦负压换热器技术；

4）大型高效氦气喷油螺杆压缩机技术；

5）高稳定性离心式冷压缩机技术；

6）大型复杂低温制冷系统集成与调试技术等。

该项目“边研究、边应用、边转化”，实现了百瓦级大型制冷机成功应用，包括用于宁夏盐池液化天然气闪蒸汽提氦项目，初步打通了我国氦资源开发的技术链条；应用于直线加速器；出口应用于韩国核聚变大科学装置（KSTAR）等。

项目的成功实施，还带动了我国高端氦螺杆压缩机、低温换热器和低温阀门等行业的快速发展，提高了一批高科技制造企业的核心竞争力，使相关技术实现了从无到有、从低端到高端的提升，在我国初步形成了功能齐全、分工明确的低温产业群。

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