MEMS技术为节流制冷机的微型化开辟了新的方向, 但现阶段, 微型节流制冷机还主要依靠体积相对庞大的气瓶来提供高压气源。这样的开式制冷系统整体体积庞大, 在很大程度上限制了微型节流制冷机的应用潜力。
MEMS技术为节流制冷机的微型化开辟了新的方向, 但现阶段, 微型节流制冷机还主要依靠体积相对庞大的气瓶来提供高压气源。这样的开式制冷系统整体体积庞大, 在很大程度上限制了微型节流制冷机的应用潜力。
低温制冷技术为很多前沿科学的发展提供了可能性。
一方面，在科学实验工程（如超导高能加速器和超导磁约束聚变装置等）、空间技术、能源等领域的大型应用仍方兴未艾；另一方面，在电磁探测（如红外和射电探测等）、科学仪器、医疗设备等领域的微小型应用对低温制冷技术提出了更高的要求。
图1 部分微小型低温制冷技术应用所需要的制冷温度和制冷量
图1给出了部分微小型应用所需要的制冷温度和制冷量的范围，包括：用于组装快速数字电路的低/高温超导体电子器件，用于探测微弱的磁场信号的低/高温超导体量子干涉仪，用于放大信号的基于砷化镓的电子器件，用于探测射电频谱的高电子迁移率晶体管，用于分析材料成分、结构等的X射线探测器，用于提高互补金属氧化物半导体的运行速 度、降低其热噪音，以及低温物性研究等。
需要说明的是，图 1中给出的应用所需要的制冷量和制冷温度不一定固定在图1中所给出的值。对某一应用而言，其所需要的制冷量有一部分用于器件本身的消耗，还有一部分用于弥补器件辐射、引线等造成的热损失。要实现这类微小型应用的有效匹配制冷，就需要研发与其在尺寸和制冷量两方面都相匹配的微小型低温制冷系统。
基于MEMS技术的微型节流制冷机具有结构紧凑、无振动、无电磁干扰且可以和被冷却器件完美耦合等优点，在低温电子器件冷却和低温材料科学研究中受到了广泛关注。这种类型的微型节流制冷机是通过MEMS加工工艺，在玻璃基片上刻蚀出换热器微通道、节流元件和蒸发器后，将刻蚀好的基片熔融接合在一起，再切割而成（见图2）。现已研制出的基于MEMS技术的微型节流制冷机包括：130-150 K烃类。
图1 部分微小型低温制冷技术应用所需要的制冷温度和制冷量
图1中：Bolometer: 辐射热测量计、CMOS Si elect.：互补金 属氧化物半导体、GaAs elect.：砷化镓电子器、HEMTs：高电 子迁移率晶体管、L-HTS elet. / SQUIDs：低-高温超导体电子 器件/超导体量子干涉仪、Low-temp. mat. res.：低温物性研究、 NbN elect.：氮化铌电子器件和X-ray det.：X射线探测。
混合工质微型制冷机、135K甲烷工质微型制冷机、 70-100K氮气工质微型制冷机、70K氮气-烃类混合工质微型制冷机以及30-35 K氮气和氢气（或氖气）工质两级微型制冷机。
现阶段，微型节流制冷机还主要依靠体积相对庞大的气瓶来提供高压气源。这样的开式制冷系统整体体积庞大，在很大程度上限制了微型节流制冷机大规模应用。若要减小制冷系统整体体积，需要与微型节流制冷机相匹配的微型压缩机来为其提供高压气源，从而实现紧凑的 闭式制冷系统。
图2 Twente大学基于MEMS技术的微型节流制冷机
用于驱动微型节流制冷机的压缩机包括机械式压缩机和吸附式压缩机两种。
目前，机械式压缩机已被用于驱动多元混合工质制冷机，但存在的问题有：
（2）机械式压缩机通过交流电驱动，会对其冷却的电子器件产生电磁干扰；
（3）机械式压缩机中的润滑油与混合工质的选择性溶解 造成的制冷机运行时混合工质的浓度变化，从而影响制冷机的运行效果；
（4）低温条件下润滑油的凝固会造成节流阀阻塞，缩短制冷机的运行时间。因润滑油的不利影响，国际上也开展了对无油机械式压缩机的研究。无油机械式压缩机虽然解决了润滑油在制冷系统中造成的问题，但其最大压比低，还不足以驱动纯工质微型节流制冷机，且仍存在振动、电磁干扰的缺点。
与机械式压缩机相比，吸附式压缩机具有无油、无振动、 无电磁干扰、可靠性高的优势，其应用潜力也越来越受到关 注。吸附式压缩机是利用多孔吸附材料在不同温度、压力条件下对气体吸附特性的差异，实现低压进气、高压出气。
吸附式压缩机单元示意图如图3所示，压缩机腔体中心的加热管 用于加热吸附剂，气隙式热开关用于控制压缩机腔体与冷却热沉的换热。
加热过程中
，气隙式热开关被抽真空，以减少压缩机腔体和冷却热沉之间的热传递。
冷却过程中，
气隙式热开关被充满气体，以增加压缩机腔体和冷却热沉之间的热传递。热开关控制器内有吸附材料（吸附材料的选择取决于气 隙式热开关内充注的气体），通过气体吸附和解吸实现气隙式热开关的抽真空和充气体的控制。
图4显示了吸附等温线图中压缩机循环示意图以及循环过程中压缩机腔体内温度、压力以及加热器和单向阀状态随时间的变化。在初始状态A点时，压缩机腔体被加热，当压力增加至状态点B，高压侧单向阀打开，气体从吸附材料上被解吸，流出腔体；当温度升高至状态点C时，压缩机腔体开始被冷却，当压力降低至状态点D时，低压侧单向阀打开，气体流回腔体，并被吸附到吸附材料上，完成一次循环。
吸附材料和冷却热沉之间的热阻包括界面热阻和吸附材料导热热阻，其中，吸附材料导热热阻和材料热导率成反比。通过Eqs.1-2可知，减小吸附材料的比热容有利于提高吸附式节流制冷系统的性能；通过Eqs.3-5可知，减小吸附材料的比热容和增加吸附材料的热导率，有利于提高吸附式节流制冷系统的制冷量。因此，
适用于吸附压缩机的材料不仅应具有良好的吸附性能，还应具有比热容小、热导率高的热物性。
吸附式压缩机根据吸附机理的不同可分为物理式吸附与化学式吸附两种。在物理吸附中被吸附工质与吸附材料之间的靠范德华力相互作用，而在化学吸附中被吸附工质与吸附材料发生电子的转移、交换或共有，形成化学键。
关于吸附式压缩机的研究开始于1963年，当年美国JPL实验室申请了利用硅胶为吸附剂，二氧化硫为工质，用以实现航天器部件温度控制的专利。后来，还有利用沸石为吸附剂，一氧化二氮为工质的，也有基于活性炭物理吸附式压缩机的研究。目前，物理吸附式压缩机主要是以活性炭作为吸附材料，乙烯，甲烷，氩气，氮气，氢气，氦气等为工质。但研究发现，因活性炭在室温下（293K）对除乙烯以外的多种工质的吸附量过低，活性炭需要预冷到室温以下以获得可观的吸附量，而 这种利用预冷增加吸附量的方式势必会增加压缩机的复杂性，不利于压缩机的微型化。用于化学吸附的材料有镧镍合金和镨铈氧化物，两者分别是针对氢气和氧气的吸附。化学吸附材料吸附量大，并且在近室温或室温，与高于室温的范围内循环。然而，化学吸附仅适用于特定的工质和吸附材料组合，应用范围窄。
相比较基于MEMS技术的微型制冷机的发展，微型压缩机的发展相对滞后。
吸附式压缩机的研究主要针对纯工质， 暂还未见有关混合工质吸附式压缩机的报道。
吸附材料的研究目前以活性炭为主，高效吸附材料紧缺已成为制约吸附式压缩机微型化的瓶颈。
一方面可探索现有吸附材料对混合工质吸附性的研究，混合工质所要求的压力比低，相对容易实现，然而混合工质的采用也带 来了新的问题，比如混合工质物性、多相流动及传热等；
另一方面需要探索高效、适用于不同纯工质，能够满足不同制冷温度需求的吸附材料，高性能吸附材料的开发需要综合考虑吸附材料的吸附性、热物性及稳定性等，研究涉及工程热物理、材料、化学等多个学科，是多学科交叉问题。
