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低溫專題 | 如何獲得低溫(二)

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上期介紹了通過相變制冷、氣體等焓膨脹制冷和絕熱放氣制冷來獲得低溫。這期會向大家展示如何通過渦流制冷、溫差熱電制冷和 3He-4He氦稀釋制冷的3種方式獲得低溫。

4. 渦流制冷


利用人工方法產生的渦流使氣流分離成冷、熱兩個部分,其中冷氣流即可用來獲得冷量。渦流管是一種結構非常簡單的能量分離裝置,由噴嘴、渦流室、分離孔板和冷熱兩端管組成。工作時壓縮氣體在噴嘴內膨脹加速后旋轉,然后氣流以1,000,000 rpm的速度沿切線方向進入渦流管熱端。氣流在渦流管內高速旋轉時,經過渦流變換后分離成總溫不相等的兩部分氣流,處于渦流室中心部位的氣流溫度低,這股冷氣流通過發生器中心形成超低溫冷氣匯集到冷氣端排出。而處于渦流室外層部位的氣流溫度高,通過調節熱端閥可調節冷熱流量比例,從而獲得制冷效應或制熱效應。圖1為渦流制冷的基本示意圖。




【圖1】 渦流制冷基本示意圖



5. 溫差熱電制冷

熱電制冷是利用“塞貝克效應”的逆效應——珀爾帖效應的原理制冷的。塞貝克效應是一百多年前人們發現的溫差電現象,即在兩種不同金屬組成的閉合線路中,如果保持兩接觸點的溫度不同,就會在兩接觸點間產生一個電勢差——接觸電動勢,同時閉合線路中產生電流流動,稱為溫差電流。反之,在兩種不同金屬組成的閉合線路中,若通以直流電流,就會使一個接點變冷,另一個接點變熱,這種現象稱為珀爾帖效應。其制冷效果主要取決于兩種電偶對材料的熱電勢。由于半導體材料具有較高的熱電勢,因此,可以用它來做成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質,又無機械運動部件,可靠性高,并可以逆向運轉,在電子設備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應用。

當N 型(電子型)和P 型(空穴型)兩個半導體元件組成電偶并通以直流電時,相應的兩個接頭就會發生吸熱和放熱現象。圖3是實際結構圖。當直流電從N型流向P型時,則在2、3端的銅連接片上產生吸熱現象(稱冷端),而在1、4端的銅連接片上產生放熱現象(稱熱端)。如果電流方向反過來流,則冷、熱端互換。其結構原理如圖2所示,



【圖2】半導體制冷原理



【圖3】半導體制冷片


6.  3He-4He 氦稀釋制冷

氦有兩種天然同位素:氦3、氦4,自然界中存在的氦基本上是氦4,沸點4.2K。氦3的沸點為3.19K。 3He,4He的混合液在0.86K以上時,液 3He可以以任何比例溶解在液4He中,但是當混合溶液的溫度降到0.86K以下時,混合液則分離成兩相,其中含 3He多的相稱為濃縮相,而含 3He少的相稱為稀釋相。在低于0.86K的任一溫度都對應于一定的 3He含量的稀釋相和濃縮相,并達到相平衡。當從稀釋相中取走 3He原子時,為了保持兩相的平衡,則由濃縮相中的 3He通過相界面進入稀釋相以補充被移去的 3He原子??梢杂嬎愕?3He在稀釋相中的焓和熵比在濃縮相中要大得多。所以這種稀釋過程需要吸熱,利用這個吸熱現象制成了稀釋制冷機。

從稀釋制冷機的結構圖來看,包含相界面的室稱做混合室, 3He原子從濃縮相經過相界面進入稀釋相要吸熱而制冷,使溫度降低。包含稀釋相的自由表面的室稱為蒸餾室,溫度維持在0.6~0.7K。此時 3He的飽和蒸氣壓遠高于4He的飽和蒸氣壓,可以用抽氣機抽走,這時濃縮相中的 3He原子就不斷地通過相界面進入稀釋相,抽走的 3He經過冷凝再補充到濃縮相中形成循環,使制冷機不斷地運行。



【圖4】Dilution Refrigerator




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