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真空技术和低温技术都是通用性很强的科学,它们之间存在着密不可分的关系,主要是获得低温的方法有很多,大致可分为物理方法和化学方法两类,而绝大多数制冷方法属物理方法,其中常用的有气体绝热膨胀制冷和相变制冷,另外还有涡流制冷、绝热放气制冷、温差热电制冷、顶磁盐或绝热退磁制冷、3he和4he稀释制冷、3he绝热压缩制冷、吸附制冷等。这一些制冷方法大多应用于超低温温区。下面简单介绍这些方法的制冷原理。


1. 相变制冷

这是利用物质在相变时的吸热效应来制冷的一种方法。如固体转变成液体时的熔解热,固体直接变成气体时的升华热,液体生成气体时的蒸发热(也包括减压蒸发,如3he减压蒸发)等,利用在这些相变过程中要吸收热量来达到制冷的目的。费勉公司自主设计的开循环制冷器就是利用液氦或液氮的汽化吸热来制冷的。


【图1】 常见低温液体的工作温区



【表1】四种低温液体的汽化潜热



【表2】液氮的蒸汽压与温度的对应关系


【图2】 he-3 cryostat


2. 气体等焓膨胀制冷

气体在一定压力与温度下,通过节流阀或膨胀机等焓膨胀时,它的温度会降低,甚至还会液化。该种制冷方法在气体的液化与分离,以及气体制冷机中应用最广。费勉公司自主研发的gm-jt制冷机的jt冷头就是等焓膨胀制冷。



【图3】jt制冷机原理图



【图4】jt制冷机


3. 绝热放气制冷

当容器中一定量的汽化气体通过控制阀向环境介质绝热放气(或用真空抽气)时,则残留在容器中的气体将要向放出的气体作推动功,消耗它本身的一部分热力学能(内能) ,因而温度降低。这也是气体制冷机的原理之一。费勉公司的闭循环样品架是利用gm制冷机来提供冷量,而gm制冷机就是通过高压氦气的绝热膨胀吸热来制冷的。



【图5】 gm制冷机



通过相变制冷、气体等焓膨胀制冷、绝热放气制冷三种方式来改变温度,从而达到我们需要的低温。如果你还有其它的方法可以获得低温,欢迎微信公众号留言,分享你获得低温的方法。


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