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低溫專題 | 如何獲得低溫(一)

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真空技術和低溫技術都是通用性很強的科學,它們之間存在著密不可分的關系,主要是獲得低溫的方法有很多,大致可分為物理方法和化學方法兩類,而絕大多數制冷方法屬物理方法,其中常用的有氣體絕熱膨脹制冷和相變制冷,另外還有渦流制冷、絕熱放氣制冷、溫差熱電制冷、頂磁鹽或絕熱退磁制冷、3He和4He稀釋制冷、3He絕熱壓縮制冷、吸附制冷等。這一些制冷方法大多應用于超低溫溫區。下面簡單介紹這些方法的制冷原理。


1. 相變制冷

這是利用物質在相變時的吸熱效應來制冷的一種方法。如固體轉變成液體時的熔解熱,固體直接變成氣體時的升華熱,液體生成氣體時的蒸發熱(也包括減壓蒸發,如3He減壓蒸發)等,利用在這些相變過程中要吸收熱量來達到制冷的目的。費勉公司自主設計的開循環制冷器就是利用液氦或液氮的汽化吸熱來制冷的。


【圖1】 常見低溫液體的工作溫區



【表1】四種低溫液體的汽化潛熱



【表2】液氮的蒸汽壓與溫度的對應關系


【圖2】 He-3 Cryostat


2. 氣體等焓膨脹制冷

氣體在一定壓力與溫度下,通過節流閥或膨脹機等焓膨脹時,它的溫度會降低,甚至還會液化。該種制冷方法在氣體的液化與分離,以及氣體制冷機中應用最廣。費勉公司自主研發的GM-JT制冷機的JT冷頭就是等焓膨脹制冷。



【圖3】JT制冷機原理圖



【圖4】JT制冷機


3. 絕熱放氣制冷

當容器中一定量的汽化氣體通過控制閥向環境介質絕熱放氣(或用真空抽氣)時,則殘留在容器中的氣體將要向放出的氣體作推動功,消耗它本身的一部分熱力學能(內能) ,因而溫度降低。這也是氣體制冷機的原理之一。費勉公司的閉循環樣品架是利用GM制冷機來提供冷量,而GM制冷機就是通過高壓氦氣的絕熱膨脹吸熱來制冷的。



【圖5】 GM制冷機



通過相變制冷、氣體等焓膨脹制冷、絕熱放氣制冷三種方式來改變溫度,從而達到我們需要的低溫。如果你還有其它的方法可以獲得低溫,歡迎微信公眾號留言,分享你獲得低溫的方法。


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