細(xì)說(shuō)歷史上低溫冷凍機(jī)技術(shù)的發(fā)展情況
信息來(lái)源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2022-03-29
低溫冷凍機(jī)技術(shù)的發(fā)展和其他技術(shù)一樣，人類在獲得低溫冷凍機(jī)技術(shù)方面，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月。早先只知道利用天然冰，依賴大自然恩賜。3000多年前，我國(guó)已開始構(gòu)筑冰窖，貯存冰塊?！对?shī)經(jīng)》上寫道：“二之日鑿冰沖沖，三之日納于凌陰”，前一句描寫河中取冰，后一句寫窖中藏冰。古希臘人在造冰方面有所獨(dú)創(chuàng)，他們?cè)谔掌坷锩媸M水，利用水在蒸發(fā)時(shí)要吸熱的道理，選擇夜晚風(fēng)涼的時(shí)候，在通風(fēng)良好的地方，不斷潑水，水不斷蒸發(fā)，也不斷吸熱，瓶子里的水漸漸冷下來(lái)，而且越來(lái)越冷，漸漸凝固成冰塊。至今還用這種原理在火力發(fā)電廠利用來(lái)建造噴淋式的冷卻塔，產(chǎn)業(yè)革命的興起，人們已不滿足于只是利用天然冰的制冷，于是開始探索、尋找新的制冷方法，由此逐步形成了低溫技術(shù)這門學(xué)科。
低溫冷凍機(jī)的低溫技術(shù)：通常是將氧、氮、氫、氦等氣體經(jīng)過(guò)壓縮，膨脹和節(jié)流效應(yīng)獲得低溫，主要應(yīng)用于工業(yè)氣體的分離與液化，在航天、能源、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)學(xué)等方面已得到廣泛應(yīng)用。采用絕熱去磁及稀釋制冷的原理獲得極低溫，是物質(zhì)研究（凝聚態(tài)物理）中十分重要的實(shí)驗(yàn)條件，主要應(yīng)用于基礎(chǔ)理論研究和某些特殊實(shí)驗(yàn)的需要稱為低溫冷凍機(jī)的低溫技術(shù)發(fā)展第一個(gè)里程碑的焦耳--湯姆遜效應(yīng)于1853年就發(fā)現(xiàn)了，但只是在安德魯斯于1869年液化了二氧化碳提出臨界溫度概念之后，法國(guó)科學(xué)家凱利代特和瑞士的皮克代特幾乎同時(shí)于1877年首先液化了氧，這才是人類第一次真正跨入了低溫技術(shù)的新境地。
隨后于1883年液化了氮?dú)猓?898年，杜瓦首先用液空預(yù)冷的節(jié)流效應(yīng)液化了氫氣得到了20K低溫，1908年，翁內(nèi)斯用液氫預(yù)冷的節(jié)流效應(yīng)首次液化了氦，獲得了4.2K低溫，是最后一種“永久氣體”得到液化，人類才全面開拓了低溫技術(shù)這一嶄新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域稱為低溫技術(shù)發(fā)展第二個(gè)里程碑的膨脹機(jī)制冷方法是Claude于1902年發(fā)明的，這無(wú)疑是低溫技術(shù)的一場(chǎng)革命，它使氣體液化技術(shù)邁出實(shí)驗(yàn)室開始走上工業(yè)規(guī)模。
于是20世紀(jì)初，液化空氣的技術(shù)發(fā)展成為制氧工業(yè)，并推動(dòng)了冶金、化工、機(jī)械和動(dòng)力工業(yè)的發(fā)展，卡皮查于1939年發(fā)明使用透平膨脹機(jī)液化氦氣，1947年柯林斯研制成功了著名的氦液化恒溫器，使氫、氦液化技術(shù)走上實(shí)用階段，氦液化設(shè)備開始商品化。
關(guān)于低溫液體 常用的低溫液體有液氮、液氫、液氦等，液氮是一種無(wú)色透明液體，原子量為14，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，它在77.3K沸騰，63.2K凝固。空氣主要有氮?dú)夂脱鯕饨M成，所以液氮在空氣液化分離即可獲得，可作為制氧的副產(chǎn)品大量提取，液氮的容器較簡(jiǎn)單，可在空氣中傾注，氮?dú)馐且环N窒息性氣體，在生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用重要注意安全，以防止室內(nèi)缺氧。液氮是一種無(wú)毒、惰性、價(jià)格低、貯運(yùn)和使用方便，并且冷卻效率高的低溫液體。在低溫實(shí)驗(yàn)室中，液氮除直接作為制冷劑外，對(duì)更低溫度的實(shí)驗(yàn)也常提供有益的結(jié)果，如固體的冷收縮90%以上是在液氮溫度以上完成的。
關(guān)于低溫容器用來(lái)貯存和運(yùn)輸液化氣體的設(shè)備均稱為低溫容器，它是杜瓦容器、貯存容器和貯槽的統(tǒng)稱。它是在1892年，詹姆斯．杜瓦發(fā)明的存放低溫液體的雙層壁真空絕熱容器的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和改造，使液體蒸發(fā)損耗減小，結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單輕便而逐漸形成的． 就制作材料而言，分成玻璃的和金屬兩種。玻璃杜瓦瓶的優(yōu)點(diǎn)是，在尺寸不太大時(shí)制作方便，價(jià)格便宜，且由于是透明的便于觀察瓶?jī)?nèi)的狀況和液面高度．其缺點(diǎn)是容易損壞，裝液氦時(shí)會(huì)因此丟失大量氦氣，而且不便做成大口徑和復(fù)雜的形狀，金屬杜瓦容器牢固耐用，易于滿足各種特殊要求，例如開窗口和留室溫測(cè)量孔道等，還可以制作大型的或結(jié)果復(fù)雜的杜瓦容器，但相對(duì)講制作復(fù)雜些，價(jià)格也較貴。杜瓦容器可分為試驗(yàn)用和貯存用兩種，貯存用的容器又稱為貯槽，一般說(shuō)來(lái)他們?nèi)莘e較大，液體蒸發(fā)率較低．就所貯存的液體種類而言，又可分為液氮、液氫和液氦杜瓦容器等多種。
試驗(yàn)用杜瓦容器在結(jié)構(gòu)上一般口徑較大，以便于樣品和試驗(yàn)裝置的放進(jìn)和取出，制冷機(jī)低溫技術(shù)中常的是直接用低溫液體做制冷劑，該方法必須定時(shí)添加事先儲(chǔ)備好的低溫液體。由于周圍環(huán)境造成的不斷蒸發(fā)現(xiàn)象，液體的保存受到時(shí)間的限制，被冷器件的位置在幾何空間上受到限制，運(yùn)行成本昂貴。所以人們?cè)诮鼛资暧职l(fā)展了專門制冷機(jī)，保證長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)工作，并可隨便放置在空間的任何位置上。
低溫制冷機(jī)制冷溫度范圍從120K到小于1K，制冷量從幾毫瓦到幾十瓦，甚至上千瓦。目前廣泛使用的是閉合循環(huán)制冷機(jī)，它是一種利用氣體回?zé)嵫h(huán)的機(jī)械制冷劑，普遍采用的制冷循環(huán)有下列幾種：斯特林制冷循環(huán)、維勒密爾循環(huán)（VM循環(huán)）、吉福特-麥克馬洪循環(huán)（G-M循環(huán)）、索爾文（SV循環(huán)）、布雷頓冷循環(huán)和稀釋制冷循環(huán)。
