低温技术

低温技术的发展

和其他技术一样，人类在获得低温技术方面，经历了漫长的岁月．早先只知道利用天然冰，依赖大自然恩赐．3000多年前，我国已开始构筑冰窖，贮存冰块．《诗经》上写道：“二之日凿冰冲冲，三之日纳于凌阴”．前一句描写河中取冰，后一句写窖中藏冰．古希腊人在造冰方面有所独创．他们在陶瓶里面盛满水，利用水在蒸发时要吸热的道理，选择夜晚风凉的时候，在通风良好的地方，不断泼水，水不断蒸发，也不断吸热，瓶子里的水渐渐冷下来，而且越来越冷，渐渐凝固成冰块．至今还用这种原理在火力发电厂利用来建造喷淋式的冷却塔．

产业革命的兴起，人们已不满足于只是利用天然冰的制冷，于是开始探索、寻找新的制冷方法，由此逐步形成了低温技术这门学科．

低温技术：通常是将氧、氮、氢、氦等气体经过压缩--膨胀和节流效应获得低温，主要应用于工业气体的分离与液化．在航天、能源、工农业生产以及医学等方面已得到广泛应用．采用绝热去磁及稀释制冷的原理获得极低温，是物质研究（凝聚态物理）中十分重要的实验条件，主要应用于基础理论研究和某些特殊实验的需要．

称为低温技术发展第一个里程碑的焦耳--汤姆逊效应于1853年就发现了，但只是在安德鲁斯于1869年液化了二氧化碳提出临界温度概念之后，法国科学家凯利代特和瑞士的皮克代特几乎同时于1877年首先液化了氧，这才是人类第一次真正跨入了低温技术的新境地．随后于1883年液化了氮气．1898年，杜瓦首先用液空预冷的节流效应液化了氢气得到了20K 低温．1908年，翁内斯用液氢预冷的节流效应首次液化了氦，获得了4.2K低温，是最后一种“永久气体”得到液化，人类才全面开拓了低温技术这一崭新的科学技术领域．称为低温技术发展第二个里程碑的膨胀机制冷方法是Claude于1902年发明的，这无疑是低温技术的一场革命，它使气体液化技术迈出实验室开始走上工业规模．于是，20世纪初，液化空气的技术发展成为制氧工业，并推动了冶金、化工、机械和动力工业的发展．卡皮查于1939年发明使用透平膨胀机液化氦气．1947年，柯林斯研制成功了著名的氦液化恒温器，使氢、氦液化技术走上实用阶段，氦液化设备开始商品化．

关于低温液体

常用的低温液体有液氮、液氢、液氦等．

液氮是一种无色透明液体，原子量为14，在标准大气压下，它在77.3K沸腾，63.2K 凝固．空气主要有氮气和氧气组成，所以液氮在空气液化分离即可获得，可作为制氧的副产品大量提取．液氮的容器较简单，可在空气中倾注．氮气是一种窒息性气体，在生产和大规模应用重要注意安全，以防止室内缺氧．液氮是一种无毒、惰性、价格低、贮运和使用方便，并且冷却效率高的低温液体．

在低温实验室中，液氮除直接作为制冷剂外，对更低温度的实验也常提供有益的结果，如固体的冷收缩90%以上是在液氮温度以上完成的．

关于低温容器

用来贮存和运输液化气体的设备均称为低温容器，它是杜瓦容器、贮存容器和贮槽的统称．它是在1892年，詹姆斯．杜瓦发明的存放低温液体的双层壁真空绝热容器的基础上，经过不断的发展和改造，使液体蒸发损耗减小，结构尽可能简单轻便而逐渐形成的．就制作材料而言，分成玻璃的和金属两种．玻璃杜瓦瓶的优点是，在尺寸不太大时制作方便，价格便宜，且由于是透明的便于观察瓶内的状况和液面高度．其缺点是容易损坏，装

液氦时会因此丢失大量氦气，而且不便做成大口径和复杂的形状．金属杜瓦容器牢固耐用，易于满足各种特殊要求，例如开窗口和留室温测量孔道等，还可以制作大型的或结果复杂的杜瓦容器，但相对讲制作复杂些，价格也较贵．

杜瓦容器可分为试验用和贮存用两种．贮存用的容器又称为贮槽，一般说来他们容积较大，液体蒸发率较低．就所贮存的液体种类而言，又可分为液氮、液氢和液氦杜瓦容器等多种．试验用杜瓦容器在结构上一般口径较大，以便于样品和试验装置的放进和取出．

制冷机

低温技术中常的是直接用低温液体做制冷剂．该方法必须定时添加事先储备好的低温液体．由于周围环境造成的不断蒸发现象，液体的保存受到时间的限制，被冷器件的位置在几何空间上受到限制，运行成本昂贵．所以人们在近几十年又发展了专门制冷机，保证长时间自动工作，并可随便放置在空间的任何位置上．

低温制冷机制冷温度范围从120K到小于1K，制冷量从几毫瓦到几十瓦，甚至上千瓦．目前广泛使用的是闭合循环制冷机，它是一种利用气体回热循环的机械制冷剂．普遍采用的制冷循环有下列几种：斯特林制冷循环、维勒密尔循环（VM循环）、吉福特-麦克马洪循环（G-M 循环）、索尔文（SV循环）、布雷顿冷循环和稀释制冷循环．