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低温专题 | 如何获得低温(二)

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上期介绍了通过相变制冷、气体等焓膨胀制冷和绝热放气制冷来获得低温。这期会向大家展示如何通过涡流制冷、温差热电制冷和 3He-4He氦稀释制冷的3种方式获得低温。

4. 涡流制冷


利用人工方法产生的涡流使气流分离成冷、热两个部分,其中冷气流即可用来获得冷量。涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置,由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀加速后旋转,然后气流以1,000,000 rpm的速度沿切线方向进入涡流管热端。气流在涡流管内高速旋转时,经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流,处于涡流室中心部位的气流温度低,这股冷气流通过发生器中心形成超低温冷气汇集到冷气端排出。而处于涡流室外层部位的气流温度高,通过调节热端阀可调节冷热流量比例,从而获得制冷效应或制热效应。图1为涡流制冷的基本示意图。




【图1】 涡流制冷基本示意图



5. 温差热电制冷

热电制冷是利用“塞贝克效应”的逆效应——珀尔帖效应的原理制冷的。塞贝克效应是一百多年前人们发现的温差电现象,即在两种不同金属组成的闭合线路中,如果保持两接触点的温度不同,就会在两接触点间产生一个电势差——接触电动势,同时闭合线路中产生电流流动,称为温差电流。反之,在两种不同金属组成的闭合线路中,若通以直流电流,就会使一个接点变冷,另一个接点变热,这种现象称为珀尔帖效应。其制冷效果主要取决于两种电偶对材料的热电势。由于半导体材料具有较高的热电势,因此,可以用它来做成小型的热电制冷器。由于热电制冷器不需要介质,又无机械运动部件,可靠性高,并可以逆向运转,在电子设备或电子元器件的热控制方面得到了比较广泛的应用。

当N 型(电子型)和P 型(空穴型)两个半导体元件组成电偶并通以直流电时,相应的两个接头就会发生吸热和放热现象。图3是实际结构图。当直流电从N型流向P型时,则在2、3端的铜连接片上产生吸热现象(称冷端),而在1、4端的铜连接片上产生放热现象(称热端)。如果电流方向反过来流,则冷、热端互换。其结构原理如图2所示,



【图2】半导体制冷原理



【图3】半导体制冷片


6.  3He-4He 氦稀释制冷

氦有两种天然同位素:氦3、氦4,自然界中存在的氦基本上是氦4,沸点4.2K。氦3的沸点为3.19K。 3He,4He的混合液在0.86K以上时,液 3He可以以任何比例溶解在液4He中,但是当混合溶液的温度降到0.86K以下时,混合液则分离成两相,其中含 3He多的相称为浓缩相,而含 3He少的相称为稀释相。在低于0.86K的任一温度都对应于一定的 3He含量的稀释相和浓缩相,并达到相平衡。当从稀释相中取走 3He原子时,为了保持两相的平衡,则由浓缩相中的 3He通过相界面进入稀释相以补充被移去的 3He原子。可以计算得 3He在稀释相中的焓和熵比在浓缩相中要大得多。所以这种稀释过程需要吸热,利用这个吸热现象制成了稀释制冷机。

从稀释制冷机的结构图来看,包含相界面的室称做混合室, 3He原子从浓缩相经过相界面进入稀释相要吸热而制冷,使温度降低。包含稀释相的自由表面的室称为蒸馏室,温度维持在0.6~0.7K。此时 3He的饱和蒸气压远高于4He的饱和蒸气压,可以用抽气机抽走,这时浓缩相中的 3He原子就不断地通过相界面进入稀释相,抽走的 3He经过冷凝再补充到浓缩相中形成循环,使制冷机不断地运行。



【图4】Dilution Refrigerator




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