制冷技術及其發展

　　一、生產生活用制冷

　　在工農業生產及日常生活中的制冷多用壓縮式制冷。制冷系統由4個基本部分即壓縮機、冷凝器、節流部件、蒸發器組成。壓縮機的作用是把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽，使蒸汽的體積減小，壓力升高。 壓縮機吸入從蒸發器出來的較低壓力的工質蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經節流閥節流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發器，在蒸發器中吸熱蒸發而成為壓力較低的蒸汽，再送入壓縮機的入口，從而完成制冷循環。

　　常用的制冷劑有水，氨，CO2，R12，R22，R134,R404,R407C，R410和R600等。

　　除壓縮式制冷外還有半導體制冷。工作原理是基于帕爾貼效應，即當兩種不同的導體A和B組成電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應所引起的這種現象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的

　　接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強度I[A]成正比，且與兩種導體的性質及熱端的溫度有關。　　半導體制冷功率大，試用范圍廣，廣泛應用于車載冰箱，航空航天，電信基站等領域，但其能效比較低，冷端熱端散熱要求高，壽命短，易燒壞芯片，隔熱要求高等缺點限制了其應用。

　　二、實驗室獲取低溫的方法

　　實驗室中獲得低溫常用的方法有液化氣體冷卻法和磁冷卻法。

　　液化氣體冷卻法可以獲得低至1K的低溫。

　　目前常用節流過程或者節流過程與絕熱膨脹相結合的方法來液化氣體。令氣體在制冷區節流膨脹可使氣體降溫。用節流過程制冷有兩個優點，一是裝置沒有移動的部分，低溫下移動部分的潤滑是技術上十分困難的問題;二是在一定的壓強降落下，溫度愈低所獲得的溫度降落愈大。焦湯效應的典型大小是 10-1K~1K·pn-1。為了使氣體的溫度降至臨界溫度以下而液化，可以令節流過程重復進行，并通過逆流熱交換器使經節流膨脹降溫后的氣體對后來進入的氣體進行預冷，從而把各次節流膨脹所獲得的冷卻效應積累起來。但是用節流過程降溫，氣體的初溫必須低于反轉溫度，是一個缺點。而氣體經絕熱膨脹后溫度總是降低的，因此用絕熱膨脹過程降溫不必經過預冷，缺點是膨脹機有移動的部分，而且溫度愈低降溫效應愈小。卡皮查將絕熱膨脹過程和節流過程結合使用。先用絕熱膨脹過程使氦降溫到反轉溫度以下，再用節流過程將氦液化。1pn下氦的沸點是4.2K。用抽氣機將氦的蒸汽抽走，使液氦迅速蒸發或低壓沸騰可進一步降溫。不過氦的飽和蒸汽壓隨溫度降低而迅速減小，降溫效應隨之下降。用這種方法一般可以獲得低至1K的低溫。

　　產生1K以下低溫的一個有效方法是磁冷卻法。這是德拜在1926年提出來的。在絕熱過程中順磁性固體的溫度隨磁場減小而下降。將順磁體放在裝有低壓氦氣的容器內，通過低壓氦氣與液氦的接觸而保持在1K左右的低溫，加上磁場(量級為10^6A/m)使順磁體磁化，磁化過程時放出的熱量由液氦吸收，從而保證磁化過程是等溫的。順磁體磁化后，抽出低壓氦氣而使順磁體絕熱，然后準靜態地使磁場減小到很小的值(一般為零)。 20世紀80年代發展了一種新的制冷方法——激光制冷，應用這種方法在20世紀90年代中期獲得了低至170nK的低溫。