制冷技术及其发展

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1、摘要：制冷，即致冷，又称冷冻，将物体温度降低到或维持在自然环境温度以下。本文从制冷的原理、应用以及所获得的低温温度等方面分别介绍了工农业生产及日常生活制冷和实验室获取低温的方法，并比较了两者的不同之处。关键词：压缩式制冷、半导体制冷、液化气体冷却法、磁冷却法引言低温技术在现代科学中有重要的应用。产生低温即制冷有两种途径，一种是天然冷却，一种是人工制冷。天然冷却利用天然冰或深井水冷却物体，但其制冷量（即从被冷却物体取走的热量）和可能达到的制冷温度往往不能满足生产需要。人工制冷是利用制冷设备加入能量，使热量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力学过程的单元操作。人工制冷根据用途及低温获得方

2、式的不同又可以分为生产生活用制冷和实验室制冷。一、生产生活用制冷在工农业生产及日常生活中的制冷多用压缩式制冷。制冷系统由4个基本部分即压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器组成。压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完成制冷循环。常用的制冷剂有水，氨，CO2，R12，R22，R134,R404,R407C，R410和R600等。图1、压缩

3、式制冷原理图除压缩式制冷外还有半导体制冷。工作原理是基于帕尔贴效应，即当两种不同的导体A和B组成电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。半导体制冷功率大，试用范围广，广泛应用于车载冰箱，航空航天，电信基站等领域，但其能效比较低，冷端热端散热要求高，寿命短，易烧坏芯片，隔热要求高等缺点限制了其应用。二、实验室获取低温的方法实验室中获得低温常用的方法有液化气体冷却法和磁冷却法。液化

4、气体冷却法可以获得低至1K的低温。目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法来液化气体。令气体在制冷区节流膨胀可使气体降温。用节流过程制冷有两个优点，一是装置没有移动的部分，低温下移动部分的润滑是技术上十分困难的问题；二是在一定的压强降落下，温度愈低所获得的温度降落愈大。焦汤效应的典型大小是10-1K~1K·pn-1。为了使气体的温度降至临界温度以下而液化，可以令节流过程重复进行，并通过逆流热交换器使经节流膨胀降温后的气体对后来进入的气体进行预冷，从而把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起来。但是用节流过程降温，气体的初温必须低于反转温度，是一个缺点。而气体经绝热膨胀后温度总是降

5、低的，因此用绝热膨胀过程降温不必经过预冷，缺点是膨胀机有移动的部分，而且温度愈低降温效应愈小。卡皮查将绝热膨胀过程和节流过程结合使用。先用绝热膨胀过程使氦降温到反转温度以下，再用节流过程将氦液化。1pn下氦的沸点是4.2K。用抽气机将氦的蒸汽抽走，使液氦迅速蒸发或低压沸腾可进一步降温。不过氦的饱和蒸汽压随温度降低而迅速减小，降温效应随之下降。用这种方法一般可以获得低至1K的低温。产生1K以下低温的一个有效方法是磁冷却法。这是德拜在1926年提出来的。在绝热过程中顺磁性固体的温度随磁场减小而下降。将顺磁体放在装有低压氦气的容器内，通过低压氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温，加上磁场（

6、量级为10^6A/m）使顺磁体磁化，磁化过程时放出的热量由液氦吸收，从而保证磁化过程是等温的。顺磁体磁化后，抽出低压氦气而使顺磁体绝热，然后准静态地使磁场减小到很小的值（一般为零）。在这绝热过程中，顺磁体的熵保持不变，其状态由图3的b点变到c点，温度将为Tf。图2图3利用固体中顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK（10-3K）量级的低温。20世纪80年代发展了一种新的制冷方法——激光制冷，应用这种方法在20世纪90年代中期获得了低至170nK的低温。小结上文中分别介绍了两种生产生活制冷方法——压缩制冷法和半导体制冷法，以及两种实验室低温获得方法——液化气体法和磁冷却法。生产生活

7、制冷和实验室制冷在制冷原理上有很大不同；在应用上生产生活制冷主要用于生产生活空间降温、食品和医药品等的保鲜冷藏等方面，而实验室获得低温的目的主要是用于一些需要极低温的科学研究方面；在冷却温度上，生产生活制冷一般能冷却至零上几十度至零下几十度，而实验室制冷能冷却至接近绝对零度的极低温度。以上几点便是两种制冷的一些不同点对比。参考文献：1、汪志诚，热力学·统计物理，高等教育出版社，2008年2、徐德胜，半导体制冷与应用技术，上海交通大学出版社，19