超低溫冷卻

低於負153攝氏度或120開爾文的製冷設備， 通常被稱為低溫冷卻器。在航空航天科技、低溫物理學、低溫電子學等領域有非常重要的應用。該術語最常用於較小的系統，通常是桌面大小，輸入功率小於約20千瓦。有些系統的輸入功率可低至 2–3 W。大型系統，例如用於冷卻粒子加速器中的超導磁體的系統，通常稱為低溫制冷機。它們的輸入功率可高達 1 MW。在大多數情況下，低溫冷卻器使用低溫流體作為工作物質，並使用運動部件使流體以熱力學原理循環。流體通常在室溫下壓縮，在熱交換器中預冷，然後在某個低溫下膨脹。返回的低壓流體在進入壓縮機進氣口之前經過熱交換器以預冷高壓流體，然後重複該循環。

理想的熱交換器和再生器

熱交換器是所有制冷機的重要組成部分。理想的熱交換器沒有流動阻力，出口氣體溫度與熱交換器的（固定）本體溫度T _X相同。完美的熱交換器也不會影響氣體的入口溫度T _i 。

以振盪流運行的製冷器的一個重要組成部分是再生器。再生器由固體多孔材料基質組成，例如顆粒或金屬篩，氣體在其中來回流動。材料會周期性地儲存和釋放熱量。再生器要求與氣體的熱接觸必須良好，又要求基體的流動阻力必須低。蓄熱器的熱力學和流體力學性質較為複雜，因此通常採用簡化模型。在其最極端的形式中，理想的再生器具有以下特性：

• 材料的大體積熱容量；
• 氣體與基質之間完美的熱接觸；
• 零流動阻力；
• 零孔隙率（這是氣體的體積分數）；
• 流動方向導熱係數為零；
• 氣體是理想的。

近幾十年來制冷機領域的進步在很大程度上是由於開發了具有低於 10 K的高熱容量的新材料。

斯特林制冷機

組件

圖 1 斯特林冷卻器示意圖。該系統具有一個處於環境溫度T _a的活塞和一個處於低溫T _L的活塞。

斯特林型製冷器的基本類型如圖 1 所示。它包括（從左到右）：

• 一個活塞
• 壓縮空間和熱交換器（均在環境溫度T _a下）
• 再生器
• 熱交換器
• 擴展空間
• 一個活塞（都處於低溫T _L ）。

在溫度T _a和T _L下，與周圍環境的左右熱接觸應該是完美的，因此壓縮和膨脹是等溫的。在膨脹期間執行的工作用於減少總輸入功率。通常採用液氦作為工作流體。

冷卻循環

Fig.2 Four states in the Stirling cycle.

Fig.3 pV-diagram of the ideal Stirling cycle.

圖 4 分對斯特林制冷機示意圖。冷卻功率被提供給指狀冷凍器的熱交換器。通常熱流非常小，以至於不需要在分流管周圍設置物理熱交換器。

如圖 2 所示，冷卻循環分為 4 個步驟。當兩個活塞位於最左側位置時，循環開始：

• 從a到b。當冷活塞固定時，熱活塞向右移動。壓縮氣體在熱端的溫度是等溫的（根據定義），因此熱量Q _a在環境溫度T _a下釋放到周圍環境。
• 從 b 到 c。兩個活塞向右移動。兩個活塞之間的體積保持不變。熱氣體以溫度T _a進入再生器並以溫度T _L離開它。氣體向蓄熱材料放出熱量。
• 從 c 到 d。冷活塞向右移動，而熱活塞固定不動。膨脹是等溫的，熱量Q _L被吸收。這就是有用的冷卻能力。
• 從 d 到 a。兩個活塞向左移動，而總體積保持不變。氣體以低溫T _L進入蓄熱器，並以高溫T _a離開蓄熱器，因此熱量從蓄熱材料中帶走。在此步驟結束時，冷卻器的狀態與開始時相同。

GM-制冷機

圖 5 GM 冷卻器的示意圖。 V _l和V _h是壓縮機的緩衝容積。壓縮熱通過熱交換器由壓縮機的冷卻水帶走。旋轉閥將冷卻器交替連接到壓縮機的高壓側和低壓側，並與置換器同步運行。

Gifford-McMahon (GM) 冷卻器已廣泛應用於許多低溫系統，例如 MRI 和低溫泵。圖5是示意圖。壓力在10—30巴（150—440磅力每平方英寸）範圍是工作流體。冷頭包含壓縮和膨脹空間、蓄熱器和置換器。通常蓄熱器和置換器合二為一。冷頭中的壓力變化是通過旋轉閥將其周期性地連接到壓縮機的高壓側和低壓側來獲得的。它的位置與置換器的運動同步。在閥門打開和關閉過程中會發生不可逆過程，因此 GM 冷卻器具有固有損失。這是這種冷卻器的明顯缺點。優點是壓縮機和置換器的循環頻率是不耦合的，因此壓縮機可以以電力線頻率（50 或 60 Hz) 而冷頭的周期為 1 赫茲。通過這種方式，壓縮機的排量可以比冷卻器的排量小 50 或 60 倍。基本上可以使用家用冰箱的（便宜的）壓縮機，但必須防止壓縮機過熱，因為它不是為氦氣設計的。還必須通過高質量的淨化捕集器防止油蒸氣進入再生器。

冷卻循環

圖 6 GM 冷卻器冷卻循環的四個階段。

循環開始時低壓 (LP) 閥關閉，高壓 (HP) 閥打開，置換器一直向右移動（因此在寒冷地區）。所有氣體都處於室溫。

• 從a到b。當冷頭連接到壓縮機的 HP 側時，置換器向左移動。氣體在環境溫度T _a下通過再生器進入再生器，並以溫度T _L離開它。熱量由氣體釋放到蓄熱材料。
• 從 b 到 c。 HP 閥關閉，LP 閥打開，置換器位置固定。部分氣體通過再生器流向壓縮機的低壓側。氣體膨脹。膨脹是等溫的，因此熱量從應用中吸收。這是產生有用的冷卻能力的地方。
• 從 c 到 d。置換器向右移動，冷頭連接到壓縮機的低壓側，迫使冷氣體通過再生器，同時從再生器吸收熱量。
• 從 d 到 a。 LP 閥關閉，HP 閥打開，置換器位置固定。現在位於冷頭熱端的氣體被壓縮，熱量被釋放到周圍環境中。在這一步結束時，我們回到了位置 a。

脈衝管制冷機

圖 7 斯特林型單孔 PTR 示意圖。

圖 7 示意性地表示了所謂的斯特林型單孔 PTR。從左到右，它包括： 一個前後移動的活塞；熱交換器X ₁ (後冷卻器)，其中在室溫( T _a )下將熱量釋放到環境中；再生器；低溫下的熱交換器 X _L ( T _L )，從應用中吸收熱量；管子，通常稱為脈衝管；換熱器X ₃至室溫（ T _a ）；流動阻力（孔口）；緩衝體積，其中壓力p _B實際上是恆定的。

焦耳-湯姆遜冷卻器

圖 8 JT 液化器示意圖。壓縮氣體的一部分x作為液體被移除。在室溫下，它以 1 巴的氣體形式供應，因此系統處於穩定狀態。

焦耳-湯姆 (JT) 冷卻器是由 Carl von Linde 和 William Hampson 發明的，因此也被稱為 Linde-Hampson 冷卻器。它是一種簡單類型的冷卻器，廣泛用作低溫冷卻器或冷卻劑（末級）。它可以很容易地小型化，但它也在天然氣液化中得到了非常大規模的使用。圖 8 給出了 JT 液化器的示意圖。它由壓縮機、逆流換熱器、JT閥和儲液器組成。

冷卻循環

在圖 8 中，壓力和溫度指的是氮氣液化器的情況。在壓縮機入口處，氣體處於室溫 (300 K) 和 1 bar 壓力（a 點）。壓縮熱通過冷卻水帶走。壓縮後氣體溫度為環境溫度 (300 K)，壓力為200巴（2,900磅力每平方英寸） （b 點）。接下來它進入預冷逆流熱交換器的熱（高壓）側。它在 c 點離開交換器。 JT 膨脹後，d 點溫度為77.36 K（−195.79 °C；−320.42 °F）和 1 巴的壓力。液體分數是x 。液體在儲罐底部離開系統（e 點），氣體（1 − x部分）流入逆流熱交換器的冷（低壓）側（f 點）。它在室溫下離開熱交換器（點 a）。為了使系統保持穩定狀態，供應氣體以補償已去除的液體部分x 。

當用作低溫冷卻器時，最好使用混合氣體而不是純氮氣。通過這種方式提高了效率並且高壓遠低於 200 巴。

有關焦耳-湯姆森冷卻器和焦耳-湯姆森制冷機的更詳細描述，請參見。

最新發展及應用

低溫冷卻器是紅外探測、超導電子和量子計算等先進應用中的關鍵技術，目前，研發人員已經為超導光子探測器開發了緊湊型低溫冷卻器。

美國空軍研究實驗室發布的報告，公開了一項為期7年的研發項目，旨在發展基礎科學和技術以在10~150 K的超低溫範圍內實現固態冷卻。此項目由美國空軍支持，研究人員來自俄亥俄州立大學、麻省理工學院、加州理工學院、波士頓大學和密西根州立大學等機構。

該報告指出，n-型鉍銻奈米材料和p-型鐿鈀鉑合金複合材料在提高該超低溫範圍內的冷卻性能方面表現出了特殊的進步。 「唐-崔瑟豪斯理論」（由唐爽和崔瑟豪斯夫人於麻省理工學院提出）指出，量子限制效應下的鉍銻合金奈米結構，具有超強的各向異性輸運性質，可以更大程度上優化77 K以下的相關熱電超低溫製冷性能，從而滿足衛星和太空站等特殊應用的要求。