低温技术

气体等熵膨胀制冷
气体在一定的温度与压力下，通过 节流阀或膨胀机等熵膨胀时，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，及气体制冷机中应 用最广。
涡流制冷
利用人工方法产生的涡流使气流分离 成冷、热两部分，利用分离出的冷气 流制冷。
温差热电制冷
1834年，法国物理学家 帕尔帖在铜丝的两头各接 一根铋丝，再将两根铋丝 分别接到直流电源的正负 极上，通电后，他惊奇的 发现一个接头变热，另一 个接头变冷；这个现象后 来就被称为“帕尔帖效 应”。
回 热 器 示 意 图
G-M 制 冷 机
G-M制冷机的优点： 阀门和位移活塞密封可以在室温下实 现，因此不存在低温密封问题。 通过使用回热器代替通常的换热器， 可得到很高的换热效率，系统可使用稍不 纯的气体为工质。
G-M 制 冷 机
由于气体在回热器中来回流动，回 热器中的杂质可在吸入过程中积存下来 ，在排气过程中清除出去。 相同表面积下，回热器的造价比换 热器低。
超导磁选矿，低温破碎，低温粉碎，资源勘探等
资源开发
空间技术
真空技术 计量检测技术
火箭推进技术，辐射磁屏蔽，氢-氧燃料电池，宇航员及生命呼吸气，空间环境模拟等
超高真空，冷黑空间模拟，薄膜技术(真空镀膜)等 超高灵敏度的检测器，红外探测器，标准计测器(电流、磁场、电压等)，激光器等
冶金
机械 化工 交通运输 食品 医疗卫生 环境保护 原子能利用 基础理论研究
小
一 低温技术的概论
结
低温技术和真空技术的关系 低温泵简介 获得低温的基本法方法
二 低温制冷机
斯特林制冷机 吉福特-麦克马洪制冷机
三 低温泵
谢谢！
吸附制冷
绝热退磁制冷
早在1907年郎杰斐（P.Langevin）就 注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度 会降低。 磁热效应：磁性离子系统在磁场施 加与除去过程中所出现的热现象。
绝热退磁制冷
机理：固体磁性物质（磁性离子构成 的系统）在受磁场作用磁化时，系统 的磁有序度加强（磁熵减小），对外 放出热量；再将其去磁，则磁有序度 下降（磁熵增大），又要从外界吸收 热量。
G-M 制 冷 机
从低温热源带走的热量：
Qa / m (me / m)(hs h4 )
Me — 膨胀过程3-4终了时膨胀腔 中气体总质量

ad (me / m)(hs h4 )
ad — 膨胀机的等熵膨胀效率
G-M 制 冷 机
在G-M制冷机中，回热器是关键部件。一台较 好的制冷机，其回热器效率需高达98%以上。
低温吸附
T 2.5K T 20K
排氦 排氖
T 0.3K T 4.2K
T 6K
低温泵简介
低温泵的类型： 工作压力 用于连续流范围的 用于分子流范围的 储槽式 冷却方式 蒸发式
制冷式
低温泵简介
低温泵的优良性能： 比抽速高 外形没有限制 可提供完全清洁的真空，对真空系统没有 污染
可获得极低压强的真空度
温差热电制冷
“帕尔帖效应”的原理为： 电荷载体在导体中运动形成电流，由 于电荷载体在不同的材料中处于不同的能 级，当它从高能级向低能级运动时，就会 释放出多余的热量。反之，就需要从外界 吸收热量。
温差热电制冷
半导体制冷片原理图
吸附制冷
吸附制冷系统是以热能为动力 的能量转换系统。 原理：一定的固体吸附剂对某种制 冷剂气体具有吸附作用。
氦稀释制冷
He3，He4的混合液温度在0.87k以下 时，则分离成两相，上相是He3的浓相， 下相是He4浓相。若提取He4溶液中的He3 原子，则He3原子就会由上相溶解到下相 ，产生吸热反应，从而降低温度。 He3在稀释相中的焓和熵比在浓缩相 中要大得多
氦稀释制冷
低温制冷机
斯特林制冷机 低 温 制 冷 机 吉福特-麦克马洪（G-M）制冷机 维勒米尔制冷机 索尔文制冷机 脉管制冷机
低温技术与真空技术的关系
低温泵简介
获得低温的基本方法
低温技术与真空技术的关系
低温技术和真空技术之间存在着密不可分 的关系： 两者之间的关系主要以气体与固体 或液体表面之间的相互作用为基础。 在极低温下可以获得真空；为了获 得和保持低温，必须应用真空技术。
低温技术与真空技术的关系
低温凝聚 排氢
T 0 2.5K .3K
斯特林制冷机
斯 特 林 制 冷 机
由于斯特林制冷机的高效性和可靠 性，它被广泛的应用于航天航空，导弹 制导，遥感遥测等诸多低温领域。 现在斯特林制冷机是小型低温制冷 机中应用最广，机型最多，技术最成熟 的一种。
斯特林制冷机
斯特林制冷机：冷量换热器C，回热器R， 冷却器A，两个汽缸，两个活塞
斯特林制冷机
G-M 制 冷 机
低压储气罐a 高压储气罐b 冷却器c 往复式压缩机d
压缩机组1 进气阀2 排气阀3 回热器4 换热器5
G-M 制 冷 机
膨胀机6
G-M 制 冷 机
单级G-M制冷机系统示意图
G-M 制 冷 机
等容充气过程（1-2） 等压充气过程（2-3） 等容放气过程（3-4） 等压放气过程（4-1）
获得低温的基本方法
1 相变制冷 利用相变时的吸热效应 2 绝热放气制冷 气体做对外做功，内能减小 3 气体等熵（绝热）膨胀制冷 4 涡流制冷
获得低温的基本方法
5 温差热电制冷（电子制冷） 珀尔帖效（PELTIER EFFECT ） 6 吸附制冷 7 绝热退磁制冷 顺磁盐等温磁化 8 氦稀释制冷 绝热退磁 温度下降
G-M 制 冷 循 环
G-M 制 冷 机
（a）系统图
（b）P-V图 （c）四个工作阶段
G-M 制 冷 机
G-M制冷机中 单位质量气体 的T-s图
G-M 制 冷 机
系统所需净功：
W / m [T1 (s1 s2 ) (h1 h2 )]/co
m — 压缩气体总质量
co — 压缩机的总效率
绝热退磁制冷
实现绝热去磁过程的装置
绝热退磁制冷
1927年德贝（Debye）和杰克（Giauque）预言了 可以利用磁热效应制冷。1933年杰克实现了绝热 去磁制冷。从此，在极低温领域（mK级至16K范 围）磁制冷发挥了很大作用。现在低温磁制冷技 术比较成熟。美国、日本、法国均研制出多种低 温磁制冷冰箱，为各种科学研究创造极低温条件。 例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和 数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。 而高温区磁制冷尚处于研究阶段。但由于磁制冷 不要压缩机、噪声小，小型、量轻等优点，进一 步扩大其高温制冷பைடு நூலகம்用很有诱惑力，目前十分重 视高温磁制冷的开发。
纯氧炼钢，金属冷处理，有色金属冶金保护气等
超导磁体，高速气体轴承，超导直线加速器等 高能燃料(液氢，液氧)，重氢提取，稀有气体提取，氦资源保护与利用，各种气体分离 等 超高速列车的超导磁悬浮装置，低温液化气体的贮运等 水产品，畜产品，蔬菜，水果等快速冷冻贮存等 低温治疗，低温贮存，心磁仪，脑磁仪，π介子照射，超导核磁成像仪，低温生物医学 研究等 污水、重金属污染的磁分离，低温脱硫，废旧物资的低温粉碎再利用，低温冻结干燥等 He3的提取，反应堆材料低温辐射试验，低温吸附与液化精馏法回收反应堆裂变气，重 氢的低温精馏提取等 高能物理加速器，氢气泡室，超导与超流理论，等离子体物理，凝聚态物理，超低温的 获得，自由基化学反应机理等
低温泵的抽气原理与分类
抽气原理：
在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极 低温的冷板。它使气体凝结，并保持凝结 的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到 抽气作用。 分类：
低温冷凝、低温吸附、低温捕集
低温泵的抽气原理与分类
低温原理示意图
低温泵的抽气原理与分类
非金属吸附剂泵 低 温 吸 附 泵 分子筛、活性炭、硅胶等 金属吸附剂泵 钛、钽、铝等金属或其合金 气体霜吸附剂泵 二氧化碳、水蒸汽等易冷凝气体
低温技术
报告人：武娜
导师：田春玲 副教授
低温技术
制冷技术是研究获得低温的方 式及其机理和应用的科学技术。
低温：低于环境温度（广义）。
低温技术
制 冷 技 术
普冷技术
制冷技术
（ 120K—环境温度） 深冷技术 低温技术
（绝对零度—120K）
低温技术
一 低温技术概论 二 低温制冷机 三 低温泵
低温技术概论
低 温 泵 的 结 构
三部分： 低温介质冷却的 抽气表面、各种 形状和温度的辐 射屏、泵体
低温冷凝泵
低 温 泵 的 结 构
结构：
低温泵体、抽 气低温板、辐 射屏蔽板、制 冷机和压缩机
闭循环小型制冷机低温泵
科学技术领域
应用实例
能源
低温输电，超导电缆输电，磁流体发电，超导贮能，超导发电机及电动机，受控热核反 应，液化天然气及液氢燃料生产、贮运等
低温泵
低温泵：利用低温（低于100k）表面冷凝 气体的真空泵。 低温泵是获得清洁真空时的极限压力最 低、抽气速率最大的真空泵，广泛应用于半 导体和集成电路的研究和生产，以及分子束 研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、 离子注入机和空间模拟装置等方面。
低温泵
低 温 泵
低温泵的抽气原理与分类
低温泵的结构
相变制冷
液体蒸发制冷原理图
相变制冷
液体蒸发制冷循环的四个基本过程： 制冷剂液体在低压下气化产生低压蒸气 将低压蒸气抽出并提高压力变为高压气 将高压气冷凝为高压液体 高压液体降压回到低压状态
绝热放气制冷
容器中一定量的汽化气体通过控制阀向 环境绝热放气（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。
斯特林制冷机
斯特林制冷机的成功，绝大部分是 依靠系统中所使用的回热器的效能。若 回热器效率低于100％，这就意味着， 气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分 消耗在将制冷机气体冷却到冷源温度的 过程中。
G-M 制 冷 机
G-M 制 冷 机
特点：振动小，工作可靠，可长时 间连续运转 基本原理：绝热放气膨胀法
斯 特 林 循 环
等温压缩（1-2） 等容放热（2-3） 等温膨胀（3-4） 等容吸热（4-1）
斯特林制制冷机
(a)结构示意图
(b)活塞运动示意 图1 斯特林制冷循环的工作过程
(c)压容图与温熵图
斯特林制冷机
1-2放热过程，理论放热量等于压缩功
3-4制冷过程，理论制冷量等于膨胀功
斯特林制冷机
循环消耗功
循环的理论性能系数
斯特林制冷机
图2 活塞简谐运动情况下斯特林制冷循环原理图 （a）曲柄连杆机构驱动的双活塞结构，Vco超前于Va （b）活塞做简谐运动时的容积变化规律
斯特林制冷机
（a）冷腔
（b）室温腔 （c）总工作容积 图3 斯特林制冷机的P－v图
斯特林制冷机
优点：
结构紧凑
工作温度范围宽 起动快 效率高 操作简便