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Refrigerator

  使某一空间内的温度低于环境媒质的温度并保持这个低温的装置。工业生产和科学研究中,通常把高于153K的温度称作“普冷”,1K~153K的温度称为“深冷”,低于1K的温度称为超低温。

  由热力学第二定律可知,热量不会自发地从低温热源移向高温热源。要实现这种逆向传热,需要外界做功。致冷机就是以消耗外界能量为代价,使热量从低温物体传到高温物体实现致冷的。

  利用物质相变的吸热效应,半导体的温差电效应,液体膨胀产生的致冷效应可获得“普冷”温度。由等焓节流膨胀及等熵绝热膨胀可将空气、氧、氮、氖、氢、氦气液化获得“深冷”温度。用顺磁盐绝热去磁及核绝热去磁等方法可获得超低温。

  典型的致冷机主要由压缩机、冷凝器、热交换器、膨胀机或节流阀等部件组成。以氨致冷剂为例,获得普冷温度的致冷机的流程如图 1所示,工作原理可参阅温熵(图2)。图2中1-2表示压缩机内将致冷剂氨绝热压缩的过程;2-3为在冷凝器中放出过热热量使之冷却的过程;3-4为放出汽化热使其冷凝成液体的过程;4-6为绝热膨胀降压降温过程;6-1表示致冷剂从被冷却物体吸取热量的过程。若每单位致冷剂从被冷却物体吸取热量为Q0=T0(S1-S6),循环所消耗的功为W,则致冷系数ε

ε=Q0/W  =T2/(T1-T2) (T1>T2)

实际的致冷系数大都在2~6之间。

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  每台致冷机都是根据所希望达到的低温温度选择致冷剂的。如氨可降温到253K,二氧化碳可达194K,四氟化碳系列的氟里氨可降温至145K,氯甲烷能降温到194K,而乙烯则可达113K的低温。

  将气体液化获得深冷温度的方法有二。其一是等焓节流膨胀致冷。在标准大气压和室温下,空气、氧、氮等气体经节流膨胀后,呈现了冷却效应,而氖、氢、氦三种气体由于它们的反转点较低,要使它们液化须预先冷却到它们的反转点之下。因而,等焓节流膨胀用于液化空气等高反转点气体就极为简单。图3为等焓膨胀的空气液化器。被压缩到200大气压的空气,在热交换器中被回流的低压空气冷却后,节流膨胀到1大气压,部分空气液化,获得80K的低温,未液化的空气经热交换器吸热后返回压缩机再循环。

  通过节流阀的膨胀在热力学上是一不可逆过程。因此,等焓节流膨胀不是液化气体最有效的方法。获得深冷温度的方法之二是等熵绝热膨胀致冷。采用等熵膨胀液化空气的流程如图4所示。压缩到40大气压的空气经冷却水冷却,温度降为室温。室温下的部分高压空气通过膨胀机膨胀,膨胀驱动一电动机做外功。因膨胀是在绝热条件下发生的,消耗压缩气体的内能完成做功,就伴随着温度剧烈降低。冷的膨胀气体吸取液化器中剩余高压空气的热量后,返回到热交换器中预冷进入膨胀机前的高压空气,而液化器中的高压空气则被液化。

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  由图2可知,膨胀机完成的等熵绝热膨胀比节流膨胀(图中 1-2-3-4-5-1)不仅可多获得一部分冷量ΔQ=i5-i7,还可回收膨胀功WL=i4-i7。式中ik表示k状态的焓值,k=1,2,…,7。因而,前者比后者致冷更有效。但膨胀机结构复杂,造价昂贵;节流阀简单,操作方便。目前多数气体液化装置都采用二者结合的致冷循环。图5是中国制造的每小时生产10升液氦的氦液化器流程图,它采用液氮预冷的克劳特循环(图5中C)。高压氦气经过热交换器Ⅰ、Ⅱ 及液氮冷却槽 LN、热交换器Ⅳ冷却后,温度降至26K(图5中点4),一部分氦气进入膨胀机,绝热膨胀降压降温到14K(点7),膨胀后的氦气与低压回流氦气汇合。另一部分高压氦气经热交换器Ⅴ、Ⅵ冷却后,温度降至6.5K,经节流膨胀进入两相区,部分氦气液化,未液化的氦气经各级热交换器吸取高压氦气的热量后返回压缩机,重复循环。沸点为4.2K的液氦经减压后可获得约1K的深冷温度。

  顺磁盐绝热去磁是获得超低温的主要方法之一。顺磁盐绝热去磁又称磁冷却。顺磁盐中含有铁或稀土元素,其3d或4f壳层没有填满,因而具有磁矩。当温度高于顺磁盐的磁有序特征温度θ 时,顺磁盐可看作是一个混乱取向的偶极子体系。当温度达到θ 时,发生偶极子的自发取向,体系的熵S减小。由体系的温熵图(图6)可知,如果由减压的3He或4He液浴将顺磁盐预冷到某一温度Ti,然后在与液浴保持热接触条件下施加外磁场Bf,使之等温磁化,体系释放的磁化热被液浴所吸收,熵下降,状态由A点变为B点。再使盐与环境绝热,将磁场降为零,其熵不变,获得温度由Ti降至Tf的效果。绝热去磁所能达到的最终温度取决于外磁场强度和顺磁盐的磁有序特征温度。利用硝酸铈镁可达到2mK的低温。

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  要获得更低的温度需利用核磁矩代替电子磁矩进行绝热去磁致冷。它是首先将金属原子核的磁矩由顺磁盐或稀释致冷机预冷却到0.01K的温度,在3万高斯以上强磁场中取向,然后经过一次绝热去磁获得降温效果。核绝热去磁法可达到10-6K的超低温(见超低温技术)。

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