第4章　真空工程中制冷低温技术应用基础

4.1　概述

真空和低温是两个关系十分密切的学科，两者的发展相互依存，互相促进。低温技术依靠真空的一个明显的例子是真空绝热，在低温容器或低温设备中，为减少冷量的泄漏，必须采用高真空绝热；尤其对于液氦、液氢，由于它们的蒸发潜热很小，它们的储存容器对绝热的要求极高，必须采用特殊的方法，而高真空是必不可少的条件。

在真空技术中，低温是获得高真空和超高真空的一种最有效的抽气手段。可以利用气体在低温表面的凝集实现低温冷凝抽气，利用气体在低温多孔材料中的物理吸附实现低温吸附抽气，利用某些金属膜在低温下对气体的化学吸附实现低温吸气。利用低温方法获得的真空具有如下特点：

①工作压强范围宽，启动压强高；

②极限真空度高，可达到10-12Pa的极高真空；

③抽气速率大，而且在较宽的压强范围内抽气速率不随压强变化。例如空间环模设备中采用的内置式低温泵抽速可达到每秒百万升。

④没有污染，可真正实现无油清洁真空。

在真空技术中，目前还大量地使用着带油介质的泵，比如扩散泵、旋片泵、滑阀泵等，为了避免或阻止油蒸气进入真空空间，一般都在泵与容器间设置低温捕油阱或捕油挡板。捕油阱或捕油挡板的冷却必须使用低温制冷设备获得所需的低温温度，以达到冷凝油蒸气捕获油分子的目的。

在真空应用中，尤其在真空镀膜领域，真空空间的水汽采用普通抽除方法效果较差。此时就可以采用深低温方法，用低于-150℃的表面冷凝捕获水蒸气，极大提高了真空性能和水汽抽除效果。-150℃低温可以采用液氮冷却，也可以采用多元工质内复叠制冷方式获得。

制冷低温技术中，根据温度高低以及获得低温方法的不同，可划分为三个区域。温度高于-120℃（153K），称为普通制冷（简称普冷），一般采用蒸气压缩制冷循环方法获得；温度范围为20～153K（-253～-120℃），称为低温或深冷，采用气体制冷循环方法获得；温度低于20K，称为超低温。不论那个温区，低温获得的基本原理是一致的，都是通过压缩过程、换热过程、节流过程或膨胀过程，将低温热量转移到高温环境而实现制冷目的。

在真空工程设计和其他工作中，经常会涉及制冷低温的工程问题，本章就是从满足真空工程需要的角度出发，对制冷低温技术庞杂的内容进行剪裁编撰，以便工程技术人员参考。