什麼是致冷機

使某一空間內的溫度低於環境媒質的溫度並保持這個低溫的裝置。工業生產和科學研究中，通常把高於153K的溫度稱作“普冷”，1K～153K的溫度稱爲“深冷”，低於1K的溫度稱爲超低溫。

由熱力學第二定律可知，熱量不會自發地從低溫熱源移向高溫熱源。要實現這種逆向傳熱，需要外界做功。致冷機就是以消耗外界能量爲代價，使熱量從低溫物體傳到高溫物體實現致冷的。

利用物質相變的吸熱效應，半導體的溫差電效應，液體膨脹產生的致冷效應可獲得“普冷”溫度。由等焓節流膨脹及等熵絕熱膨脹可將空氣、氧、氮、氖、氫、氦氣液化獲得“深冷”溫度。用順磁鹽絕熱去磁及核絕熱去磁等方法可獲得超低溫。

典型的致冷機主要由壓縮機、冷凝器、熱交換器、膨脹機或節流閥等部件組成。以氨致冷劑爲例，獲得普冷溫度的致冷機的流程如圖 1所示，工作原理可參閱溫熵（圖2）。圖2中1-2表示壓縮機內將致冷劑氨絕熱壓縮的過程;2-3爲在冷凝器中放出過熱熱量使之冷卻的過程;3-4爲放出汽化熱使其冷凝成液體的過程；4-6爲絕熱膨脹降壓降溫過程；6-1表示致冷劑從被冷卻物體吸取熱量的過程。若每單位致冷劑從被冷卻物體吸取熱量爲Q0＝T0(S1-S6)，循環所消耗的功爲W，則致冷係數ε

ε＝Q0/W

＝T2/(T1-T2) (T1＞T2)

實際的致冷係數大都在2～6之間。

每臺致冷機都是根據所希望達到的低溫溫度選擇致冷劑的。如氨可降溫到253K，二氧化碳可達194K，四氟化碳系列的氟裏氨可降溫至145K，氯甲烷能降溫到194K，而乙烯則可達113K的低溫。

將氣體液化獲得深冷溫度的方法有二。其一是等焓節流膨脹致冷。在標準大氣壓和室溫下，空氣、氧、氮等氣體經節流膨脹後，呈現了冷卻效應，而氖、氫、氦三種氣體由於它們的反轉點較低，要使它們液化須預先冷卻到它們的反轉點之下。因而，等焓節流膨脹用於液化空氣等高反轉點氣體就極爲簡單。圖3爲等焓膨脹的空氣液化器。被壓縮到200大氣壓的空氣，在熱交換器中被迴流的低壓空氣冷卻後，節流膨脹到1大氣壓，部分空氣液化，獲得80K的低溫，未液化的空氣經熱交換器吸熱後返回壓縮機再循環。

通過節流閥的膨脹在熱力學上是一不可逆過程。因此，等焓節流膨脹不是液化氣體最有效的方法。獲得深冷溫度的方法之二是等熵絕熱膨脹致冷。採用等熵膨脹液化空氣的流程如圖4所示。壓縮到40大氣壓的空氣經冷卻水冷卻，溫度降爲室溫。室溫下的部分高壓空氣通過膨脹機膨脹，膨脹驅動一電動機做外功。因膨脹是在絕熱條件下發生的，消耗壓縮氣體的內能完成做功，就伴隨着溫度劇烈降低。冷的膨脹氣體吸取液化器中剩餘高壓空氣的熱量後，返回到熱交換器中預冷進入膨脹機前的高壓空氣，而液化器中的高壓空氣則被液化。

由圖2可知，膨脹機完成的等熵絕熱膨脹比節流膨脹(圖中 1-2-3-4-5-1)不僅可多獲得一部分冷量ΔQ＝i5-i7，還可回收膨脹功WL＝i4-i7。式中i k表示k狀態的焓值，k＝1，2，…，7。因而，前者比後者致冷更有效。但膨脹機結構複雜，造價昂貴；節流閥簡單，操作方便。目前多數氣體液化裝置都採用二者結合的致冷循環。圖5是中國製造的每小時生產10升液氦的氦液化器流程圖，它採用液氮預冷的克勞特循環(圖5中C)。高壓氦氣經過熱交換器Ⅰ、Ⅱ 及液氮冷卻槽 LN、熱交換器Ⅳ冷卻後，溫度降至26K（圖5中點4），一部分氦氣進入膨脹機，絕熱膨脹降壓降溫到14K（點7），膨脹後的氦氣與低壓回流氦氣匯合。另一部分高壓氦氣經熱交換器Ⅴ、Ⅵ冷卻後，溫度降至6.5K，經節流膨脹進入兩相區，部分氦氣液化，未液化的氦氣經各級熱交換器吸取高壓氦氣的熱量後返回壓縮機，重複循環。沸點爲4.2K的液氦經減壓後可獲得約1K的深冷溫度。

順磁鹽絕熱去磁是獲得超低溫的主要方法之一。順磁鹽絕熱去磁又稱磁冷卻。順磁鹽中含有鐵或稀土元素，其3d或4f殼層沒有填滿，因而具有磁矩。當溫度高於順磁鹽的磁有序特徵溫度θ 時，順磁鹽可看作是一個混亂取向的偶極子體系。當溫度達到θ 時，發生偶極子的自發取向，體系的熵S減小。由體系的溫熵圖(圖6)可知，如果由減壓的3He或4He液浴將順磁鹽預冷到某一溫度Ti，然後在與液浴保持熱接觸條件下施加外磁場B f，使之等溫磁化，體系釋放的磁化熱被液浴所吸收，熵下降，狀態由A點變爲B點。再使鹽與環境絕熱，將磁場降爲零，其熵不變，獲得溫度由Ti降至Tf的效果。絕熱去磁所能達到的最終溫度取決於外磁場強度和順磁鹽的磁有序特徵溫度。利用硝酸鈰鎂可達到2mK的低溫。

要獲得更低的溫度需利用核磁矩代替電子磁矩進行絕熱去磁致冷。它是首先將金屬原子核的磁矩由順磁鹽或稀釋致冷機預冷卻到0.01K的溫度，在3萬高斯以上強磁場中取向，然後經過一次絕熱去磁獲得降溫效果。核絕熱去磁法可達到10-6K的超低溫（見超低溫技術）。