低溫控制

自從20世紀(jì)50年代第一臺(tái)整體式斯特林制冷機(jī)問世以來，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的研究和發(fā)展，各種回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)相繼出現(xiàn) 。應(yīng)用于低溫電子器件、紅外探測器、超導(dǎo)器件和線圈的冷卻，在軍事(導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外前視、夜視、熱像儀等)和民用(超導(dǎo)磁共振成像、低溫冷凝真空泵及科學(xué)研究)都獲得了重要應(yīng)用。特別是自1985年以來，4K溫度級(jí)G-M制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)的研制成功大大推動(dòng)了低溫技術(shù)的發(fā)展。本章簡要介紹近年來小型回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的研究和發(fā)展概況，包括斯特林循環(huán)制冷機(jī)、吉福特-麥克馬洪循環(huán)制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)和熱聲制冷技術(shù)。

低溫控制斯特林循環(huán)制冷機(jī)

在小型低溫制冷領(lǐng)域，斯特林循環(huán)制冷機(jī)是發(fā)展歷史最長、研究水平最成熟的機(jī)種之一，在軍事及空間技術(shù)中獲得了重要的應(yīng)用。

1816年斯特林提出了一種由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等容回?zé)徇^程組成的閉式熱力學(xué)循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)。斯特林循環(huán)最初是作為熱機(jī)循環(huán)提出的，到19世紀(jì)60年代柯克把斯特林循環(huán)的逆循環(huán)用于制冷，后者稱為逆向斯特林循環(huán)，也稱斯特林制冷循環(huán)。

低溫控制吉福特-麥克馬洪循環(huán)制冷機(jī)

1956年，美國學(xué)者吉福特和麥克馬洪發(fā)明了一種利用放氣制冷原理并能連續(xù)工作的低溫制冷機(jī)，稱為吉福特-麥克馬洪循環(huán)制冷機(jī)，簡稱G-M制冷機(jī)。它的前身是1873年由澳大利亞學(xué)者帕斯托提出的“無功膨脹”制冷機(jī)。即用一個(gè)不受力的“排出器”來代替承受膨脹功的活塞，因而有時(shí)也稱G-M制冷機(jī)為帕斯托制冷機(jī)。另一種同類型的制冷機(jī)是依據(jù)德國索爾文在1887年提出的有功膨脹機(jī)改進(jìn)而成。改進(jìn)型索爾文制冷機(jī)于1971年由朗斯沃茨提出，采用氣動(dòng)型排出器來代替原來的活塞。因此，改進(jìn)型索爾文制冷機(jī)與G-M制冷機(jī)已經(jīng)沒有實(shí)質(zhì)性區(qū)別。

低溫控制脈管制冷機(jī)

該方案的基本原理是利用高低壓氣體對脈管空腔的充放氣過程而獲得制冷效果的，其制冷過程如下：高壓氣體通過切換閥流經(jīng)回?zé)崞鳌Q熱器、導(dǎo)流器以層流形式進(jìn)入脈管，迅速推擠管內(nèi)氣體向封閉端移動(dòng)，同時(shí)使之壓縮，溫度升高，在脈管封閉端氣體的溫度達(dá)到最高值；布設(shè)在封閉端的水冷卻器將熱量帶走，管內(nèi)氣體因放熱，其溫度和壓力稍有降低；切換閥轉(zhuǎn)動(dòng)使系統(tǒng)內(nèi)氣體接通低壓氣源，脈管中的氣體又以層流形式漸次向氣源擴(kuò)張，氣體膨脹降壓而獲得低溫；切換閥再次切換，使系統(tǒng)與氣源高壓側(cè)連通，重復(fù)上述循環(huán)。這樣在脈管制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，脈管內(nèi)氣體軸向始終存在一個(gè)溫度梯度，入口端溫度低，封閉端溫度高。

低溫控制熱聲制冷技術(shù)

熱聲振蕩是將熱能在一定條件下轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷艿倪^程。根據(jù)熱聲振蕩原理可以研制成熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)或熱聲制冷機(jī)。由于熱聲機(jī)械沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此可實(shí)現(xiàn)長壽命運(yùn)轉(zhuǎn)。熱聲機(jī)械可采用熱能(燃?xì)?、太陽能?驅(qū)動(dòng)，它的應(yīng)用將為合理利用低品位能源、提高系統(tǒng)的熱力效率開辟新的途徑。

低溫技術(shù)的應(yīng)用是非常廣泛的，從人們的日常生活到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，從科學(xué)研究到火箭和飛船；從公安消防到國防軍事，都離不開低溫技術(shù)。低溫技術(shù)目前已經(jīng)滲透到很多相關(guān)的學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域，成為推動(dòng)科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和生活發(fā)展不可缺少的支柱力量。

低溫控制氣體的液化和分離

氣體的液化和分離是低溫技術(shù)最為重要的應(yīng)用范圍，例如空氣的液化和分離幾乎占了低溫工程領(lǐng)域全部活動(dòng)的三分之一，2001年亞太地區(qū)氣體行業(yè)的總銷售額高達(dá)70億美元、占全球總銷售額的約20%，預(yù)計(jì)2002年全球氣體行業(yè)的總營業(yè)額可達(dá)到370億美元。

低溫控制超導(dǎo)

低溫技術(shù)的另一個(gè)非常重要的應(yīng)用是與超導(dǎo)應(yīng)用結(jié)合在一起的。超導(dǎo)電性是宏觀量子效應(yīng)現(xiàn)象，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在常壓下有28種元素，近5000種合金和化合物具有超導(dǎo)電性。由于材料從正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)是從“無序”向“有序”的轉(zhuǎn)變，所以超導(dǎo)電現(xiàn)象只在某一低溫下才能出現(xiàn)。如大多數(shù)的第一類和第二類超導(dǎo)材料基本上在液氦溫度附近實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，而氧化物陶瓷類超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫度或更高些。到目前為止，室溫超導(dǎo)材料還只是停留在預(yù)言上，有人認(rèn)為在100萬個(gè)大氣壓下氫將轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，而金屬氫將在室溫或高于室溫的溫度下呈現(xiàn)超導(dǎo)電性。所以，至今所有的超導(dǎo)器件只有在低溫環(huán)境下才能工作，而低溫技術(shù)，尤其是液氦溫區(qū)的低溫技術(shù)的發(fā)展是受到了超導(dǎo)技術(shù)的推動(dòng)，這就決定了低溫技術(shù)與超導(dǎo)技術(shù)之間相互依賴和相互促進(jìn)的緊密關(guān)系。

低溫控制醫(yī)療

低溫技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生方面應(yīng)用也是比較廣泛的。使用較普遍的冷凍醫(yī)療是依靠物理效應(yīng)來殺死病灶的細(xì)胞，早期主要用于皮膚、口腔、婦科等產(chǎn)生在皮膚和粘膜等“表面”上的疾病。后來隨著治療經(jīng)驗(yàn)的不斷積累及冷凍醫(yī)療器械水平的迅速提高，冷凍治療已經(jīng)可以對呼吸系統(tǒng)、泌尿生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)、腦及神經(jīng)系統(tǒng)等體內(nèi)器官的腫瘤和癌癥進(jìn)行手術(shù)。如用先進(jìn)的“氬氦刀”設(shè)備進(jìn)行手術(shù)治療具有不開刀、微創(chuàng)介入對正常組織損傷少、病灶定位準(zhǔn)確、成功率高、并發(fā)癥少、康復(fù)快、療效明顯等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，一面世就得到了醫(yī)生和患者的共同認(rèn)可。

低溫控制能源

低溫技術(shù)在能源方面的應(yīng)用前景是明朗的。以石油和煤為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)不但受到資源枯竭的威脅、而且?guī)淼沫h(huán)境污染和溫室效應(yīng)也日益嚴(yán)重。天然氣可以緩解環(huán)境污染的問題，尤其是大量地代替煤和代替車輛的燃料，效果明顯。天然氣大規(guī)模貯存和長距離運(yùn)輸時(shí)采用液化天然氣是又經(jīng)濟(jì)又有效的方案。LNG需要液化裝置、低溫貯槽、低溫液體的運(yùn)輸工具以及相配套的控制和測量設(shè)備，都是低溫技術(shù)的應(yīng)用工作。

氫作為零污染的潔凈能源越來越得到重視。同樣大規(guī)模的應(yīng)用也需要依靠低溫用液體的形式來貯存和運(yùn)輸和配送。這對低溫技術(shù)提出了更緊迫的挑戰(zhàn)。

與低溫技術(shù)有關(guān)的高新技術(shù)，除了少數(shù)技術(shù)擁有獨(dú)一無二的技術(shù)優(yōu)勢，如超導(dǎo)磁體和紅外器件、冷凝泵等之外，大多數(shù)要與常規(guī)技術(shù)作殊死的競爭。由于傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)有長期的積累和社會(huì)保有量以及人們的認(rèn)可度，任何新技術(shù)只有具備明顯優(yōu)勢才有希望逐步取代老技術(shù)和老設(shè)備，更何況傳統(tǒng)技術(shù)也是在不斷進(jìn)步的。所以對低溫技術(shù)來說“前景是燦爛的、道路是崎嶇的”。2100433B

低溫的控制，簡單說來有兩種，一是恒溫冷浴，二是低溫恒溫器。前者往往用相變制冷浴來實(shí)現(xiàn)，而后者為低溫變溫恒溫器。

低溫控制各類變溫恒溫器

目前產(chǎn)品種類齊全，主要的有下列三種類型的變溫恒溫裝置：閉循環(huán)變溫恒溫器，液氦變溫恒溫器與液氮變溫恒溫器以及相應(yīng)的低溫杜瓦器都可用作不同區(qū)間的恒溫低溫源。

低溫控制關(guān)于低溫溫度控制器

目前也已產(chǎn)品種類齊全，以著名的Lakeshore公司所出的控溫儀而言，采用PID控制具有高精度，高分辨率，高穩(wěn)定性的溫度測量和控制性能，而且可以設(shè)置溫度曲線，按設(shè)置程序?qū)囟冗M(jìn)行控制。且可控溫度范圍也較廣(如340型控溫儀：0.1～1505K；331型控溫儀：1.2～1505K)，國產(chǎn)的TC202型控溫儀也具有良好的性能。