4.3　獲得低溫的方法

獲得低溫就是使某物體或某空間溫度低于環境溫度并得以維持，實現這一目的的技術稱為制冷技術。

在古代，人類利用天然冷源實現冷卻，獲得一些有限的低溫條件。自從1834年美國人試制成功乙醚工質的制冷機之后，人工制冷低溫技術才真正開始，到現在已發展得十分完善，人類具備了多種獲得低溫的手段和技術。

獲得低溫的方法絕大多數屬于物理方法，此類方法中應用最廣泛的是相變制冷及氣體絕熱膨脹制冷，此外還有半導體制冷（珀爾貼效應制冷）、絕熱退磁制冷、吸附制冷和輻射制冷等。

4.3.1　相變制冷

相變制冷就是利用某些物質相變時的吸熱效應降低物體的溫度。相變包括汽化、液化、熔化、凝固、升華和凝華過程。

液體汽化、冰冷卻及冰鹽冷卻、干冰及其他固體升華制冷是目前制冷及低溫技術中常用的相變制冷方法。

任何液體汽化時都產生吸熱效應，液體汽化是現代蒸氣循環制冷機的基礎。

液體汽化時的溫度（通常稱為蒸發溫度）隨工質的種類和狀態而變，例如水的蒸發溫度比較高，各種制冷劑的蒸發溫度就比較低，而液空、液氮及其他低溫液體的蒸發溫度則更低。每種工質的蒸發溫度還與汽化時所處的壓力有關，壓力越低則蒸發溫度越低，故可以使工質在不同的壓力下蒸發，就可以獲得不同的低溫，以滿足不同的需求。

4.3.2　氣體絕熱膨脹制冷

壓縮氣體節流和等熵膨脹獲得低溫的方法在深冷領域起著重要作用。

（1）氣體的節流

當氣體在流動中遇到縮口或調節閥時，由于局部阻力的作用，壓力顯著下降，這種現象叫做節流。

實際過程中，由于氣體節流過程時間短，與外界的熱交換可以忽略，可近似認為是一絕熱過程，稱為絕熱節流。節流過程的主要特征是過程中焓值不變。

理想氣體的焓值只是溫度的函數，因此理想氣體節流前后溫度不變。而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數，所以實際氣體節流前后的溫度一般將發生變化，稱這一現象為焦耳-湯姆遜效應（簡稱焦-湯效應）。

節流過程中，氣體溫度升高或降低取決于氣體的種類和狀態。由于各種氣體偏離理想氣體的程度不同，節流后溫度變化的情況也各不相同。某種實際氣體節流后溫度如何變化，存在一個轉化溫度（Tinv），若節流前溫度等于轉化溫度（Tinv），節流前后溫度不變。若節流前的溫度大于或低于轉化溫度（Tinv），溫度變化取決于工質的性質和所處的狀態。因此要達到制冷降溫的目的，必須根據工質性質的不同選取節流前合適的壓力和溫度。

（4-6）

式（4-6）表示出轉化溫度與壓力的函數關系，它在T-p圖上為一連續曲線，稱為轉化曲線。圖4-3所示為幾種氣體的轉化溫度曲線，從圖上可以看出，每種氣體存在兩個轉化溫度，高于上轉化溫度以及低于下轉化溫度節流都是產生熱效應，只有在一定壓力范圍內溫度介于兩個轉化溫度之間才會產生冷效應；轉化曲線將T-p圖分成了制冷和制熱兩個區域。因此，在選擇氣體參數時，節流前的壓力不得超過最大轉化壓力，節流前的溫度必須在上下轉化溫度之間。大多數氣體，如空氣、氧、氮、一氧化碳等，轉化溫度較高，故從室溫節流時總是產生冷效應。氫及氦的轉化溫度比室溫低得多，故必須用預冷的方法，使其降溫到上轉化溫度以下節流才能產生冷效應。故轉化曲線的研究對氣體制冷及液化十分重要。

（2）氣體的等熵膨脹

氣體的等熵膨脹過程伴有對外做功，工程中采用膨脹機來實現。氣體在膨脹過程中有外功輸出，且膨脹后氣體的內位能增大，這兩者都要消耗一定能量，這些能量需要用內動能來補償，故氣體溫度必然降低，產生冷效應。

對于理想氣體，由其狀態方程可得出膨脹過程的溫差計算式，見式（4-7）。

（4-7）

對于實際氣體，膨脹過程的溫差通常用T-s圖表示，如圖4-4所示。等熵膨脹的溫差隨著壓力比p1/p2的增大而增大。故為了增大等熵膨脹的溫降和制冷量，可以采用增大膨脹比的方法。

對于氣體的絕熱膨脹，從溫度效應和制冷量兩方面衡量，等熵膨脹比節流都要有效。此外，等熵膨脹還可以回收膨脹功，因而可以提高循環的經濟性。

4.3.3　半導體制冷

半導體制冷（或溫差電制冷）原理早在19世紀初期就已被發現，直到20世紀中葉才將它用于制冷。現在半導體制冷已發展成為半導體技術的一個重要分支和獨特領域。

半導體制冷以珀爾帖效應原理為基礎。1834年珀爾帖發現了下列現象：當一塊N型半導體（電子型）和一塊P型半導體（空穴型）聯結成電偶，見圖4-5，在這個電路中接上一個直流電源，電偶上流過電流時，就發生能量的轉移，在一個接頭上放出熱量，而在另一個接頭上吸收熱量。這種現象叫做珀爾帖效應。

1—放熱接頭；2—吸熱接頭

若在放熱的接頭上進行散熱，使它維持在一定溫度，則在另一個接頭上就可獲得一定溫度下的穩定冷量輸出。