4.3　获得低温的方法

获得低温就是使某物体或某空间温度低于环境温度并得以维持，实现这一目的的技术称为制冷技术。

在古代，人类利用天然冷源实现冷却，获得一些有限的低温条件。自从1834年美国人试制成功乙醚工质的制冷机之后，人工制冷低温技术才真正开始，到现在已发展得十分完善，人类具备了多种获得低温的手段和技术。

获得低温的方法绝大多数属于物理方法，此类方法中应用最广泛的是相变制冷及气体绝热膨胀制冷，此外还有半导体制冷（珀尔贴效应制冷）、绝热退磁制冷、吸附制冷和辐射制冷等。

4.3.1　相变制冷

相变制冷就是利用某些物质相变时的吸热效应降低物体的温度。相变包括汽化、液化、熔化、凝固、升华和凝华过程。

液体汽化、冰冷却及冰盐冷却、干冰及其他固体升华制冷是目前制冷及低温技术中常用的相变制冷方法。

任何液体汽化时都产生吸热效应，液体汽化是现代蒸气循环制冷机的基础。

液体汽化时的温度（通常称为蒸发温度）随工质的种类和状态而变，例如水的蒸发温度比较高，各种制冷剂的蒸发温度就比较低，而液空、液氮及其他低温液体的蒸发温度则更低。每种工质的蒸发温度还与汽化时所处的压力有关，压力越低则蒸发温度越低，故可以使工质在不同的压力下蒸发，就可以获得不同的低温，以满足不同的需求。

4.3.2　气体绝热膨胀制冷

压缩气体节流和等熵膨胀获得低温的方法在深冷领域起着重要作用。

（1）气体的节流

当气体在流动中遇到缩口或调节阀时，由于局部阻力的作用，压力显著下降，这种现象叫做节流。

实际过程中，由于气体节流过程时间短，与外界的热交换可以忽略，可近似认为是一绝热过程，称为绝热节流。节流过程的主要特征是过程中焓值不变。

理想气体的焓值只是温度的函数，因此理想气体节流前后温度不变。而实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流前后的温度一般将发生变化，称这一现象为焦耳-汤姆逊效应（简称焦-汤效应）。

节流过程中，气体温度升高或降低取决于气体的种类和状态。由于各种气体偏离理想气体的程度不同，节流后温度变化的情况也各不相同。某种实际气体节流后温度如何变化，存在一个转化温度（Tinv），若节流前温度等于转化温度（Tinv），节流前后温度不变。若节流前的温度大于或低于转化温度（Tinv），温度变化取决于工质的性质和所处的状态。因此要达到制冷降温的目的，必须根据工质性质的不同选取节流前合适的压力和温度。

（4-6）

式（4-6）表示出转化温度与压力的函数关系，它在T-p图上为一连续曲线，称为转化曲线。图4-3所示为几种气体的转化温度曲线，从图上可以看出，每种气体存在两个转化温度，高于上转化温度以及低于下转化温度节流都是产生热效应，只有在一定压力范围内温度介于两个转化温度之间才会产生冷效应；转化曲线将T-p图分成了制冷和制热两个区域。因此，在选择气体参数时，节流前的压力不得超过最大转化压力，节流前的温度必须在上下转化温度之间。大多数气体，如空气、氧、氮、一氧化碳等，转化温度较高，故从室温节流时总是产生冷效应。氢及氦的转化温度比室温低得多，故必须用预冷的方法，使其降温到上转化温度以下节流才能产生冷效应。故转化曲线的研究对气体制冷及液化十分重要。

（2）气体的等熵膨胀

气体的等熵膨胀过程伴有对外做功，工程中采用膨胀机来实现。气体在膨胀过程中有外功输出，且膨胀后气体的内位能增大，这两者都要消耗一定能量，这些能量需要用内动能来补偿，故气体温度必然降低，产生冷效应。

对于理想气体，由其状态方程可得出膨胀过程的温差计算式，见式（4-7）。

（4-7）

对于实际气体，膨胀过程的温差通常用T-s图表示，如图4-4所示。等熵膨胀的温差随着压力比p1/p2的增大而增大。故为了增大等熵膨胀的温降和制冷量，可以采用增大膨胀比的方法。

对于气体的绝热膨胀，从温度效应和制冷量两方面衡量，等熵膨胀比节流都要有效。此外，等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可以提高循环的经济性。

4.3.3　半导体制冷

半导体制冷（或温差电制冷）原理早在19世纪初期就已被发现，直到20世纪中叶才将它用于制冷。现在半导体制冷已发展成为半导体技术的一个重要分支和独特领域。

半导体制冷以珀尔帖效应原理为基础。1834年珀尔帖发现了下列现象：当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联结成电偶，见图4-5，在这个电路中接上一个直流电源，电偶上流过电流时，就发生能量的转移，在一个接头上放出热量，而在另一个接头上吸收热量。这种现象叫做珀尔帖效应。

1—放热接头；2—吸热接头

若在放热的接头上进行散热，使它维持在一定温度，则在另一个接头上就可获得一定温度下的稳定冷量输出。