第4章　真空工程中制冷低溫技術應用基礎

4.1　概述

真空和低溫是兩個關系十分密切的學科，兩者的發展相互依存，互相促進。低溫技術依靠真空的一個明顯的例子是真空絕熱，在低溫容器或低溫設備中，為減少冷量的泄漏，必須采用高真空絕熱；尤其對于液氦、液氫，由于它們的蒸發潛熱很小，它們的儲存容器對絕熱的要求極高，必須采用特殊的方法，而高真空是必不可少的條件。

在真空技術中，低溫是獲得高真空和超高真空的一種最有效的抽氣手段。可以利用氣體在低溫表面的凝集實現低溫冷凝抽氣，利用氣體在低溫多孔材料中的物理吸附實現低溫吸附抽氣，利用某些金屬膜在低溫下對氣體的化學吸附實現低溫吸氣。利用低溫方法獲得的真空具有如下特點：

①工作壓強范圍寬，啟動壓強高；

②極限真空度高，可達到10-12Pa的極高真空；

③抽氣速率大，而且在較寬的壓強范圍內抽氣速率不隨壓強變化。例如空間環模設備中采用的內置式低溫泵抽速可達到每秒百萬升。

④沒有污染，可真正實現無油清潔真空。

在真空技術中，目前還大量地使用著帶油介質的泵，比如擴散泵、旋片泵、滑閥泵等，為了避免或阻止油蒸氣進入真空空間，一般都在泵與容器間設置低溫捕油阱或捕油擋板。捕油阱或捕油擋板的冷卻必須使用低溫制冷設備獲得所需的低溫溫度，以達到冷凝油蒸氣捕獲油分子的目的。

在真空應用中，尤其在真空鍍膜領域，真空空間的水汽采用普通抽除方法效果較差。此時就可以采用深低溫方法，用低于-150℃的表面冷凝捕獲水蒸氣，極大提高了真空性能和水汽抽除效果。-150℃低溫可以采用液氮冷卻，也可以采用多元工質內復疊制冷方式獲得。

制冷低溫技術中，根據溫度高低以及獲得低溫方法的不同，可劃分為三個區域。溫度高于-120℃（153K），稱為普通制冷（簡稱普冷），一般采用蒸氣壓縮制冷循環方法獲得；溫度范圍為20～153K（-253～-120℃），稱為低溫或深冷，采用氣體制冷循環方法獲得；溫度低于20K，稱為超低溫。不論那個溫區，低溫獲得的基本原理是一致的，都是通過壓縮過程、換熱過程、節流過程或膨脹過程，將低溫熱量轉移到高溫環境而實現制冷目的。

在真空工程設計和其他工作中，經常會涉及制冷低溫的工程問題，本章就是從滿足真空工程需要的角度出發，對制冷低溫技術龐雜的內容進行剪裁編撰，以便工程技術人員參考。