低溫製冷破技術（shù）瓶頸 開創“雙高”新時代

製冷快報 - 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（tǐ）低溫液化分（fèn）離（如空分行業、航天（tiān）應（yīng）用）、低溫氣（qì）體能（néng）源、超導應用、紅外探測器件冷卻、半導體工業、低溫生物醫療等領域，該技術當前的研究方向主要是“雙高”：即率和高穩（wěn）定性。而低溫工程學是（shì）指研究物質在低溫下的（de）客觀（guān）規律以及如何獲（huò）知和應用低（dī）溫的一門學科，其中包括低溫計量、低溫物性、低（dī）溫材料、低溫（wēn）物（wù）理四個方麵。

    低溫製冷的（de）基本方（fāng）法是指低溫的（de）獲（huò）取，而低溫的（de）獲取有兩種方式：流體製冷和固體製冷。低溫製冷機的（de）基本原理是由穩定流動回熱製冷循環即節流、膨脹+回（huí）熱的（de）循環構成。目前（qián）國內研究較多的（de）低（dī）溫製冷技術主要包括三種：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、混合工質節流製冷技術成就製冷 提高製冷機係統（tǒng）可靠性及效率

    據製冷快報（bào）記者從製冷學會年會技術講座上了解到，中國科學（xué）院公教授表示，當前這種混合工質製冷技術的應用可以獲得極為缺乏的熱物性，傳熱的數據及其規律，對於製冷機的設計具有直接的幫助，也加深了行業（yè）對製冷機理的認（rèn）識，，對於（yú）提高係統可靠及效率意義重大，而由此技術所獲得的基礎數據也豐富了對於（yú）相關學科的內容，公教（jiāo）授表示：不（bú）同循（xún）環的*混合工質配比（bǐ）不同，在（zài）各（gè）自優化的情況下，一次節流循環具有zui高的熱力學效率。而（ér）實際應用係統中的循環（huán）流程則需要考慮更多的因素。

    實際打造一種製冷技術流程結構還需（xū）要考慮眾多因素，使用混合（hé）工質節流製冷技術針對不同需求已經（jīng）發展了相應的可靠的製冷（lěng）流程，公教授在報告上表示（shì）：在綜合考慮效率和可靠性的基（jī）礎上提出的一種（zhǒng）帶（dài）分（fèn）凝分（fèn）離結構的回熱製（zhì）冷（lěng）流程結（jié）構，可以的實現（xiàn）係統（tǒng）和高可靠的結（jié）合（hé）。據製冷快報記者了解，目前混合工質核心製冷（lěng）技術（shù）主（zhǔ）要結合普（pǔ）冷和低（dī）溫技術的各（gè）自特點，以普冷製冷係統的硬件，、可靠（kào）和（hé）低成本的實現深冷溫區製冷，另一（yī）方麵（miàn）這樣的技術（shù）也易於規（guī）模推廣。

據公教授介紹（shào），當前混合工質節流（liú）製冷技（jì）術可應用於混合工（gōng）質低（dī）溫冰（bīng）箱，采用此技術實際上是回熱式混合工質節流製冷和*環保工質技術（shù），從而實現從—86至—186攝氏度全溫區覆蓋。在順應節能低碳環保的時代（dài）主流下，該項技術目（mù）前已成（chéng）功（gōng）實現產業化，並獲得了良好的社會和經濟效益；顯（xiǎn）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（jī）械運動部件熱驅動熱聲（shēng）製冷機

    縱觀（guān）熱聲製冷機的（de）發展曆程，2004年采用聚能諧振管行波熱聲發動機（jī）驅動的一種新型（xíng）的低溫熱（rè）聲製冷機麵世，其在平（píng）均壓力為2.1MPa,工作頻率為91Hz時可達到75K，突破液氮溫度；2005年（nián）中科院理化所提（tí）出的“聲學壓力波放大器（qì）”，實（shí）驗（yàn）獲得證實；2005年研發的雙行波熱聲製冷流程及效率較（jiào）高、冷量zui大的室溫熱聲製冷機，實現了以氦氣（qì）為工質在平均壓（yā）力為3MPa，工作頻率（lǜ）為67.5Hz、2.2KW的輸入功率情況下，在—22攝氏度時（shí）有250W的製冷量，其實現的雙行波流程結構為世界*；2006年研究出的“二介質耦合聲（shēng）學放大器”實現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（qū）動的二次二級脈衝管製冷機，獲（huò）得18.3K的zui低溫度，突破液氫溫度（dù），在上取得了中等頻率熱聲（shēng）製冷的突破，目前已達（dá）到63K；2008年—2009年，新結構行波熱（rè）聲製冷可實現zui低溫度—80攝（shè）氏度（dù），在340W@—20攝氏度的製冷量（liàng），加熱量降低到（dào）2.2KW以（yǐ）下，效率有30%以上的提高。

    熱聲效（xiào）應（yīng）包括熱致（zhì）聲效應和聲製冷效應。利用熱致聲效應可製作熱聲發動機（即熱（rè）聲壓縮機），利用聲製冷效應可製造熱聲製冷（lěng）機，將二者結合可形成*沒有（yǒu）機械運動部件的熱驅動熱聲（shēng）製冷機。據介紹，當前熱聲壓縮（suō）機主要有兩種（zhǒng）形式：一是駐波型，此波（bō）型壓力（lì）波和（hé）速度波（bō）相位接近90度，主要為駐波場，熱聲轉換，需要固有的（de）不可逆換熱；一是行波型，此波型壓力波和速度（dù）波接近0度，主要為行波聲場，熱力轉換，追求（qiú）可（kě）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（jī）、脈衝管製冷機、熱聲（shēng）斯特林熱聲製冷機。

    對於熱聲製冷技術，存（cún）在以下五個方麵的特點：*，高度的可靠性，沒有機械運動部件；第二，高度的環保性，因其技術（shù）運用中采用的是He、N2等惰性氣體；第三，高度的適應性，其（qí）運（yùn）行中使用的熱能驅動可以是餘熱、太陽能等（děng）；第四（sì），寬廣的製（zhì）冷溫區（qū），該技術可實現（xiàn）室溫低至低溫4K，；第五，潛在的率，行波熱聲循環的本征效率與（yǔ）卡諾循環相同（tóng）。目前在低溫製冷方麵（miàn）使用的機械（xiè）式低溫製冷技術可靠性低，在室溫製冷方麵使用的氟（fú）利昂製冷（lěng）技術因環保問題需要（yào）替代，相比較之下，熱聲製冷技術的（de）優勢已逐漸顯現出來（lái），其應用發展空間不言而喻。

    三、高頻脈衝管製冷技（jì）術*緊湊和的發展潛（qián）力

    高頻脈衝管製冷在低溫下沒有運動部件（jiàn），可靠性得到大幅度的（de）提高。高頻脈衝（chōng）管由高頻直線壓縮機驅動，具（jù）有緊湊和的發展潛力，近年來成為脈衝管製冷研（yán）究的重點（diǎn）和前（qián）沿方（fāng）向，高頻脈衝管製冷技（jì）術又分為單級高頻脈衝管製冷和多級高頻（pín）脈衝管製冷技術。

    當前（qián）單（dān）級高頻脈衝管製冷技術相關研（yán）究單位已經提出弱非線性理論模型，並開發出性能（néng）設計和優化軟件，研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（guān）單位（wèi）提出采用（yòng）SAGE軟件設計和優化由（yóu）兩台直線壓縮機驅動的三級高頻脈衝管製冷係統，實（shí）驗中成功（gōng）獲得5K以下的無負荷溫度，這是目前三級（jí）高頻脈衝管製冷獲得的zui低溫度。