低溫製冷破技術瓶頸 開（kāi）創“雙高”新（xīn）時代

製（zhì）冷快報 - 當前低溫製冷技術廣泛應用於食品及生物材料低溫冷凍儲存、氣體低溫液化分離（如空分行業、航天應用）、低溫氣體能源、超導應用、紅（hóng）外探測器件冷卻、半導體工業、低溫生（shēng）物醫療等領（lǐng）域，該技術當前的研究方向主要是“雙高”：即率和高穩定性。而低溫工程學（xué）是指研究物（wù）質在低溫下的客觀規律以及如何獲知和應用低溫的一門學科，其中包括低溫計量、低溫物性、低溫材料、低溫物理四個方（fāng）麵。

    低溫製冷的基本方法是指低溫的獲取，而低溫的獲（huò）取（qǔ）有兩種方式：流體製冷和固體製冷。低溫製冷機的基本原理是由穩定流動回熱製冷（lěng）循（xún）環即節流、膨（péng）脹+回熱的循環（huán）構成。目前國內研究較多的低溫製冷技（jì）術主要包括三種（zhǒng）：深冷混合工質節流製冷技術、熱聲（shēng）製冷技術、高頻脈衝管製冷技術。

    一、混（hún）合（hé）工（gōng）質節流製冷技術成就製冷 提高製冷機係統可靠性及效率

    據製冷快報記者從製冷學（xué）會年會技術講座（zuò）上了解到，中國科（kē）學院公教授（shòu）表（biǎo）示，當前這種混合工（gōng）質製冷技術（shù）的應用可以獲得極為缺乏的熱（rè）物性，傳熱的數據及其規律，對（duì）於製（zhì）冷（lěng）機的設計具有直接（jiē）的幫助，也加深了行業（yè）對製冷機理的認識，，對於提高係統可靠及效（xiào）率意義重大，而（ér）由此技術所獲得的基礎（chǔ）數據也豐富了對於相關學科的內容，公教授（shòu）表示（shì）：不同循環的*混合工質配比不同，在各自優化的情況下，一次節流循環具有zui高（gāo）的熱力學效率。而（ér）實（shí）際應用係統中的（de）循環流程則需要考慮更多的（de）因素。

    實（shí）際（jì）打（dǎ）造一種製冷技術流程結構還需要考慮眾多因素，使用混合工質節流製冷技術針對不同需求已經發（fā）展了相應的可靠的製（zhì）冷流程，公教授在報告上表示：在綜合考慮效率和可靠（kào）性的基礎上提出的一種帶分凝分離結構的回熱製冷流程結構，可以的實現係（xì）統和高可靠的結合。據製冷快報記者了解，目前混合工質核心製冷技術主要結合普冷和低（dī）溫技（jì）術的各自（zì）特點，以普冷製冷係（xì）統的（de）硬件，、可靠和低成（chéng）本的（de）實現深冷溫區（qū）製冷，另一方麵這（zhè）樣的技術也易於規模（mó）推廣。

據公教授介紹，當前混合工質節流製冷技術可應用於混合工質低溫冰箱（xiāng），采用此技術實際上是回熱式（shì）混合工質節流製冷和*環保工（gōng）質技（jì）術，從而實（shí）現從（cóng）—86至—186攝氏度全溫區（qū）覆（fù）蓋。在順應節（jiē）能低碳環保的時代主流下，該項技術目前已成功（gōng）實現產業化，並獲得了良（liáng）好的（de）社會和經濟效益（yì）；顯著提升了我國低溫冰箱行業的發展水平。

    二、熱聲製冷技術創無機械（xiè）運動部件熱驅動（dòng）熱聲製（zhì）冷機

    縱觀熱聲製冷機的發展曆程，2004年采用聚（jù）能諧振（zhèn）管行波熱聲發（fā）動機（jī）驅動的一種新（xīn）型的低溫熱聲製冷機麵世，其在平均壓力為2.1MPa,工作頻率為91Hz時可（kě）達到75K，突破液氮（dàn）溫度；2005年中科院理（lǐ）化（huà）所提出（chū）的“聲（shēng）學壓力波放大器”，實驗獲（huò）得證實；2005年研發的雙行波熱聲製冷流（liú）程及效率較高、冷量zui大的室溫熱聲（shēng）製冷機，實現了以氦氣為工質（zhì）在平均壓力為3MPa，工作頻率為（wéi）67.5Hz、2.2KW的輸入功率情（qíng）況下，在—22攝氏度時有250W的製冷量，其（qí）實現的雙（shuāng）行波流（liú）程結構為（wéi）世界*；2006年研究出的（de）“二介質耦（ǒu）合聲學（xué）放大器”實現（xiàn）了不僅可降低工作頻率，且可同時提高壓比，用於聚能型發動機驅動的二次二級脈衝管製冷機，獲得18.3K的zui低（dī）溫度，突破液氫溫度，在上取得了中等頻率熱聲製冷的突破，目前已（yǐ）達到63K；2008年—2009年，新結構（gòu）行波熱聲製冷可實現zui低溫度—80攝氏度，在340W@—20攝氏度的製冷量（liàng），加熱量降低（dī）到2.2KW以下，效率有30%以上的提高。

    熱聲效應包（bāo）括（kuò）熱致聲效應和聲製冷效應。利用熱致聲（shēng）效應可製作（zuò）熱聲發動（dòng）機（即熱聲壓縮機），利（lì）用聲（shēng）製冷效應可製造（zào）熱聲製冷機，將二者（zhě）結合可形成*沒有機械運動部（bù）件的熱驅動熱聲製（zhì）冷機。據介紹，當前（qián）熱聲壓（yā）縮機主要有兩種（zhǒng）形式：一是駐波型，此波型壓力波和速度波相位接近90度，主要（yào）為駐波場，熱聲轉換，需要固有的不可（kě）逆換熱；一是行波型，此波型壓力波和速度波接近0度，主要為行（háng）波聲場，熱力轉換，追求可逆熱力過程。而熱聲製冷機的主要形式有三種：駐波熱聲製冷機、脈衝管製冷機、熱聲斯特林熱聲製冷機。

    對於熱聲製冷技術（shù），存在以下五個方麵的（de）特點：*，高（gāo）度的（de）可靠性，沒有機械運動部件；第二，高度的環保性（xìng），因其技術運用中采用的是He、N2等惰性氣體；第（dì）三，高度的適應性，其運行中（zhōng）使用的熱能驅動可以是餘熱、太陽能等；第四，寬廣的製冷溫區，該技（jì）術可實現室溫低至低溫4K，；第五，潛在（zài）的率，行波熱聲循環的本征效率與（yǔ）卡諾（nuò）循環相同。目前在低溫製冷方麵使用（yòng）的機械式低溫製（zhì）冷技術可靠性低，在室溫製（zhì）冷方（fāng）麵使用（yòng）的氟利昂（áng）製冷技術因環保問題需要（yào）替代，相比較之下，熱聲製冷技術的優勢已逐漸顯現出來，其（qí）應用發展空間不言而喻。

    三、高頻脈（mò）衝管製冷技術*緊（jǐn）湊（còu）和的發展潛力

    高頻脈衝管製冷在低溫下沒有運動部件，可靠性得到大幅度的提高。高頻（pín）脈衝管由高頻（pín）直線（xiàn）壓縮機驅動（dòng），具有（yǒu）緊湊和的發展潛（qián）力，近年（nián）來成為（wéi）脈衝管製冷研究的重點和前沿方向，高頻脈衝管製冷技術又分為單級高頻脈衝管製（zhì）冷和多級高頻脈衝管製冷技術。

    當前單級高頻脈衝管製冷技（jì）術相關研究（jiū）單位已（yǐ）經提出（chū）弱非線性理論模型，並開發出性能設計和優化軟（ruǎn）件（jiàn），研（yán）製出當前效率較高的低溫脈衝管熱聲製冷係統，20W@@77K整機效率22.2%，而多級高頻脈衝管製冷技術的研究相關單位提出采用SAGE軟件（jiàn）設計和優化由兩台直線壓縮機驅動的三（sān）級（jí）高頻脈衝管製冷係統，實驗中（zhōng）成功獲得5K以下的無負荷溫度（dù），這是目前三級高頻脈（mò）衝（chōng）管製冷獲得的zui低溫度。