制冷机与低温技术

第四节　制冷机与低温技术

制冷机

制冷机是获得并维持低温的装置。如电冰箱、空调及工农业领域中的制冷设备等。

1．制冷机的基本原理

根据热力学第二定律，热量不会自发地从低温热源移向高温热源。为了实现这种逆向传热，需要外界做功。制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制冷的，这就是制冷机的基本原理。制冷机的循环过程是热机的逆循环。

顺便指出，制冷机传向高温热源放出的热量是可以利用的，可以把它当作提供热量的热源使用，这就是所谓的“热泵”。热泵与制冷机配合使用，既节能环保，又经济实用。我国已有几百套热泵机组，它在现代工程上已广泛使用。

把热量从低温物体传到高温物体完成制冷循环的方式不同，制冷机的工作原理不同。根据工作原理制冷机可分为以下几种。

①压缩式制冷机。依靠压缩机的作用提高制冷剂的压力以实现制冷循环，按制冷剂种类又可分为蒸汽压缩式制冷机（以液压蒸发制冷为基础，制冷剂要发生周期性的气液相变）和气体压缩式制冷机（以高压气体膨胀制冷为基础，制冷剂始终处于气体状态）两种。

②吸收式制冷机。依靠吸收器一发生器组（热化学压缩器）的作用完成制冷循环，又可分为氨水吸收式、溴化锂吸收式和吸收扩散式3种。

③蒸汽喷射式制冷机。依靠蒸汽喷射器（喷射式压缩器）的作用完成制冷循环。

④半导体制冷器。利用半导体的热电效应制冷。下面以家用电冰箱为例说明压缩式制冷机的工作原理。

2．家用电冰箱的结构和工作原理

以单门电冰箱为例。电冰箱由箱体、制冷系统、控制系统和附件构成。在制冷系统中，主要组成有压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管节流器四部分，自成一个封闭的循环系统。其中蒸发器安装在电冰箱内部的上方，其他部件安装在电冰箱的背面。系统里充灌了一种叫“氟里昂12（CF₂C₁₂，国际符号R12）”的物质作为制冷剂。氟里昂在蒸发器里由低压液体汽化为气体，吸收冰箱内的热量，使箱内温度降低，变成气态的氟里昂被压缩机吸入，靠压缩机做功把它压缩成高温高压的气体，再排入冷凝器，在冷凝器中氟里昂不断向周围空间放热，逐步凝结成液体。这些高压液体必须流经毛细管，节流降压才能缓慢流人蒸发器，维持在蒸发器里继续不断地汽化，吸热降温。就这样，冰箱利用电能做功，借助制冷剂氟里昂的物态变化，把箱内蒸发器周围的热量搬送到箱后冷凝器里去放出，如此周而复始不断地循环，以达到制冷目的。

低温技术

在物理学中，“低温”是指低于液态空气（81K）的温度。低温环境可以保存生物活体，使某些材料具有超导性质，空气在低温液化后可以通过分馏而得到氧气、氮气、氢气等工业气体。低温在现代技术与科学中有很重要的意义。低温获得的方法有以下几种。

1．液化气体获得低温

低温最初是通过空气的液化获得的，一种商品空气液化装置就是用氢气作工质的制冷机。可以获得90—12K的低温。空气液化后，可以用分馏的方法得到液氧（在1atm下的沸点为90．2K）和液氮（1atm下沸点为77．3K），在很多实验中都用液氮来维持所需的低温。

当气体可逆绝热膨胀时，对活塞或涡轮叶片做功而使自身温度降低。这也是液化气体获得低温的一种方法，还有一种液化气体的方法是利用焦耳汤姆逊效应，即气体经过节流膨胀会降温的效应。

实际上常把节流膨胀和可逆绝热膨胀联合起来使用。先用可逆绝热膨胀使气体温度降低到所需的温度，然后再通过节流使之变成液体，液氮一般就是这样制取的，可达到4．2K的低温。

液体蒸发时要吸热，如果这时外界不供给热量，液体本身温度就要降低。利用这种方法可以使液态气体温度进一步降低，通过这个方法对液态氢可获得1．25K的温度，用液态⁴He可达到1K，用液态³He可以达到0．3K。

2．绝热退磁降温

更低的温度是用顺磁质的绝热退磁而得到的。顺磁质的每个分子都具有固有的磁矩，它的行为像一个微小的磁体一样，在磁场的作用下要沿磁场排列起来。此时若将顺磁质和外界绝热隔离，当撤去外磁场时，由于它的内能减小，温度就要降低。这种方法可以使温度降到10^－2K甚至10^－3K。如果在这样的低温下，再用类似的步骤使原子核进行绝热退磁，就可以得到更低的温度。著名的华裔女物理学家吴健雄在实验中就是用绝热退磁法得到所需的低温而证实了李政道、杨振宁提出的弱相互作用下宇称不守恒的预言。

3．稀释制冷

1951年伦顿提出了一个稀释制冷的方法。1978年根据这种想法制成的稀释制冷机已可以保持2×10^－3K的低温。这种制冷机是根据⁴He和³He的混合液体的相变规律而设计的。稀释制冷原理需用量子力学来说明。

赫尔辛基工业大学的一个实验小组的低温系统用了一级稀释制冷和两级原子核绝热去磁，得到了2×10^－8K的低温。

激光冷却中性原子

操纵、控制孤立的原子一直是物理学家追求的目标。由于原子不停的热运动，要想实现操纵、控制原子的目的，首先必须使原子“冷”下来，即降低其速度至极低的状态，这样才能方便地将原子控制在某个空间小区域内。

由于激光技术的发展，使得激光冷却中性原子得以实现。1975年，亨斯和肖洛提出利用对射激光束来冷却中性原子的方法。这种激光冷却的方法在其后20年中得到了很大的发展。

1995年曾利用此方法将铯原子冷却到2．8×10^－9K的低温。华裔物理学家朱棣文等人曾利用此方法将一群钠原子降到2．4×10^－11K的低温，并因此获得1997年的诺贝尔物理奖。

激光冷却中性原子在科学研究和技术应用中的意义非常巨大。首先，它将大大提高高分辨光谱的精度，从而推动了原子、分子物理学的发展。在研究激光束与中性原子相互作用的基础上，已形成原子光学。采用激光冷却技术形成所谓的“超冷原子”后，人们已经注意到这些“超冷原子“具有许多新的特点，如“超冷原子”的碰撞过程不同于常温下原子的经典碰撞。其次，利用激光冷却中性原子技术，可将目前原子钟的精度提高两个数量级。另外，借助于光陷阱技术，可制成能控制住20μm—10μm尺度的微粒的“光镊”，它对生物学和高分子聚合物的研究意义重大。