細說歷史上低溫冷凍機技術的發(fā)展情況
信息來源于：互聯網 發(fā)布于：2022-03-29
低溫冷凍機技術的發(fā)展和其他技術一樣，人類在獲得低溫冷凍機技術方面，經歷了漫長的歲月。早先只知道利用天然冰，依賴大自然恩賜。3000多年前，我國已開始構筑冰窖，貯存冰塊?！对娊洝飞蠈懙溃骸岸砧彵鶝_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創(chuàng)，他們在陶瓶里面盛滿水，利用水在蒸發(fā)時要吸熱的道理，選擇夜晚風涼的時候，在通風良好的地方，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，而且越來越冷，漸漸凝固成冰塊。至今還用這種原理在火力發(fā)電廠利用來建造噴淋式的冷卻塔，產業(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這門學科。
低溫冷凍機的低溫技術：通常是將氧、氮、氫、氦等氣體經過壓縮，膨脹和節(jié)流效應獲得低溫，主要應用于工業(yè)氣體的分離與液化，在航天、能源、工農業(yè)生產以及醫(yī)學等方面已得到廣泛應用。采用絕熱去磁及稀釋制冷的原理獲得極低溫，是物質研究（凝聚態(tài)物理）中十分重要的實驗條件，主要應用于基礎理論研究和某些特殊實驗的需要稱為低溫冷凍機的低溫技術發(fā)展第一個里程碑的焦耳--湯姆遜效應于1853年就發(fā)現了，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，法國科學家凱利代特和瑞士的皮克代特幾乎同時于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的新境地。
隨后于1883年液化了氮氣，1898年，杜瓦首先用液空預冷的節(jié)流效應液化了氫氣得到了20K低溫，1908年，翁內斯用液氫預冷的節(jié)流效應首次液化了氦，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這一嶄新的科學技術領域稱為低溫技術發(fā)展第二個里程碑的膨脹機制冷方法是Claude于1902年發(fā)明的，這無疑是低溫技術的一場革命，它使氣體液化技術邁出實驗室開始走上工業(yè)規(guī)模。
于是20世紀初，液化空氣的技術發(fā)展成為制氧工業(yè)，并推動了冶金、化工、機械和動力工業(yè)的發(fā)展，卡皮查于1939年發(fā)明使用透平膨脹機液化氦氣，1947年柯林斯研制成功了著名的氦液化恒溫器，使氫、氦液化技術走上實用階段，氦液化設備開始商品化。
關于低溫液體 常用的低溫液體有液氮、液氫、液氦等，液氮是一種無色透明液體，原子量為14，在標準大氣壓下，它在77.3K沸騰，63.2K凝固?？諝庵饕械獨夂脱鯕饨M成，所以液氮在空氣液化分離即可獲得，可作為制氧的副產品大量提取，液氮的容器較簡單，可在空氣中傾注，氮氣是一種窒息性氣體，在生產和大規(guī)模應用重要注意安全，以防止室內缺氧。液氮是一種無毒、惰性、價格低、貯運和使用方便，并且冷卻效率高的低溫液體。在低溫實驗室中，液氮除直接作為制冷劑外，對更低溫度的實驗也常提供有益的結果，如固體的冷收縮90%以上是在液氮溫度以上完成的。
關于低溫容器用來貯存和運輸液化氣體的設備均稱為低溫容器，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上，經過不斷的發(fā)展和改造，使液體蒸發(fā)損耗減小，結構盡可能簡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)點是，在尺寸不太大時制作方便，價格便宜，且由于是透明的便于觀察瓶內的狀況和液面高度．其缺點是容易損壞，裝液氦時會因此丟失大量氦氣，而且不便做成大口徑和復雜的形狀，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量孔道等，還可以制作大型的或結果復雜的杜瓦容器，但相對講制作復雜些，價格也較貴。杜瓦容器可分為試驗用和貯存用兩種，貯存用的容器又稱為貯槽，一般說來他們容積較大，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。
試驗用杜瓦容器在結構上一般口徑較大，以便于樣品和試驗裝置的放進和取出，制冷機低溫技術中常的是直接用低溫液體做制冷劑，該方法必須定時添加事先儲備好的低溫液體。由于周圍環(huán)境造成的不斷蒸發(fā)現象，液體的保存受到時間的限制，被冷器件的位置在幾何空間上受到限制，運行成本昂貴。所以人們在近幾十年又發(fā)展了專門制冷機，保證長時間自動工作，并可隨便放置在空間的任何位置上。
低溫制冷機制冷溫度范圍從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，它是一種利用氣體回熱循環(huán)的機械制冷劑，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)。
