低溫制冷破技術瓶頸 開創“雙高”新時代

制冷快報 - 當前低溫制冷技術廣泛應用于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”：即率和高穩定性。而低溫工程學是指研究物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、低溫物理四個方面。

    低溫制冷的基本方法是指低溫的獲取，而低溫的獲取有兩種方式：流體制冷和固體制冷。低溫制冷機的基本原理是由穩定流動回熱制冷循環即節流、膨脹+回熱的循環構成。目前國內研究較多的低溫制冷技術主要包括三種：深冷混合工質節流制冷技術、熱聲制冷技術、高頻脈沖管制冷技術。

    一、混合工質節流制冷技術成就制冷 提高制冷機系統可靠性及效率

    據制冷快報記者從制冷學會年會技術講座上了解到，中國科學院公教授表示，當前這種混合工質制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，對于制冷機的設計具有直接的幫助，也加深了行業對制冷機理的認識，，對于提高系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于相關學科的內容，公教授表示：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高的熱力學效率。而實際應用系統中的循環流程則需要考慮更多的因素。

    實際打造一種制冷技術流程結構還需要考慮眾多因素，使用混合工質節流制冷技術針對不同需求已經發展了相應的可靠的制冷流程，公教授在報告上表示：在綜合考慮效率和可靠性的基礎上提出的一種帶分凝分離結構的回熱制冷流程結構，可以的實現系統和高可靠的結合。據制冷快報記者了解，目前混合工質核心制冷技術主要結合普冷和低溫技術的各自特點，以普冷制冷系統的硬件，、可靠和低成本的實現深冷溫區制冷，另一方面這樣的技術也易于規模推廣。

據公教授介紹，當前混合工質節流制冷技術可應用于混合工質低溫冰箱，采用此技術實際上是回熱式混合工質節流制冷和*環保工質技術，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主流下，該項技術目前已成功實現產業化，并獲得了良好的社會和經濟效益；顯著提升了我國低溫冰箱行業的發展水平。

    二、熱聲制冷技術創無機械運動部件熱驅動熱聲制冷機

    縱觀熱聲制冷機的發展歷程，2004年采用聚能諧振管行波熱聲發動機驅動的一種新型的低溫熱聲制冷機面世，其在平均壓力為2.1MPa,工作頻率為91Hz時可達到75K，突破液氮溫度；2005年中科院理化所提出的“聲學壓力波放大器”，實驗獲得證實；2005年研發的雙行波熱聲制冷流程及效率較高、冷量zui大的室溫熱聲制冷機，實現了以氦氣為工質在平均壓力為3MPa，工作頻率為67.5Hz、2.2KW的輸入功率情況下，在—22攝氏度時有250W的制冷量，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，用于聚能型發動機驅動的二次二級脈沖管制冷機，獲得18.3K的zui低溫度，突破液氫溫度，在上取得了中等頻率熱聲制冷的突破，目前已達到63K；2008年—2009年，新結構行波熱聲制冷可實現zui低溫度—80攝氏度，在340W@—20攝氏度的制冷量，加熱量降低到2.2KW以下，效率有30%以上的提高。

    熱聲效應包括熱致聲效應和聲制冷效應。利用熱致聲效應可制作熱聲發動機（即熱聲壓縮機），利用聲制冷效應可制造熱聲制冷機，將二者結合可形成*沒有機械運動部件的熱驅動熱聲制冷機。據介紹，當前熱聲壓縮機主要有兩種形式：一是駐波型，此波型壓力波和速度波相位接近90度，主要為駐波場，熱聲轉換，需要固有的不可逆換熱；一是行波型，此波型壓力波和速度波接近0度，主要為行波聲場，熱力轉換，追求可逆熱力過程。而熱聲制冷機的主要形式有三種：駐波熱聲制冷機、脈沖管制冷機、熱聲斯特林熱聲制冷機。

    對于熱聲制冷技術，存在以下五個方面的特點：*，高度的可靠性，沒有機械運動部件；第二，高度的環保性，因其技術運用中采用的是He、N2等惰性氣體；第三，高度的適應性，其運行中使用的熱能驅動可以是余熱、太陽能等；第四，寬廣的制冷溫區，該技術可實現室溫低至低溫4K，；第五，潛在的率，行波熱聲循環的本征效率與卡諾循環相同。目前在低溫制冷方面使用的機械式低溫制冷技術可靠性低，在室溫制冷方面使用的氟利昂制冷技術因環保問題需要替代，相比較之下，熱聲制冷技術的優勢已逐漸顯現出來，其應用發展空間不言而喻。

    三、高頻脈沖管制冷技術*緊湊和的發展潛力

    高頻脈沖管制冷在低溫下沒有運動部件，可靠性得到大幅度的提高。高頻脈沖管由高頻直線壓縮機驅動，具有緊湊和的發展潛力，近年來成為脈沖管制冷研究的重點和前沿方向，高頻脈沖管制冷技術又分為單級高頻脈沖管制冷和多級高頻脈沖管制冷技術。

    當前單級高頻脈沖管制冷技術相關研究單位已經提出弱非線性理論模型，并開發出性能設計和優化軟件，研制出當前效率較高的低溫脈沖管熱聲制冷系統，20W@@77K整機效率22.2%，而多級高頻脈沖管制冷技術的研究相關單位提出采用SAGE軟件設計和優化由兩臺直線壓縮機驅動的三級高頻脈沖管制冷系統，實驗中成功獲得5K以下的無負荷溫度，這是目前三級高頻脈沖管制冷獲得的zui低溫度。