低溫專題 | 如何獲得低溫（二)

上期介紹了通過相變制冷、氣體等焓膨脹制冷和絕熱放氣制冷來獲得低溫。這期會(huì)向大家展示如何通過渦流制冷、溫差熱電制冷和 3He-4He氦稀釋制冷的3種方式獲得低溫。

4. 渦流制冷

利用人工方法產(chǎn)生的渦流使氣流分離成冷、熱兩個(gè)部分，其中冷氣流即可用來獲得冷量。渦流管是一種結(jié)構(gòu)非常簡單的能量分離裝置，由噴嘴、渦流室、分離孔板和冷熱兩端管組成。工作時(shí)壓縮氣體在噴嘴內(nèi)膨脹加速后旋轉(zhuǎn)，然后氣流以1,000,000 rpm的速度沿切線方向進(jìn)入渦流管熱端。氣流在渦流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)過渦流變換后分離成總溫不相等的兩部分氣流，處于渦流室中心部位的氣流溫度低，這股冷氣流通過發(fā)生器中心形成超低溫冷氣匯集到冷氣端排出。而處于渦流室外層部位的氣流溫度高，通過調(diào)節(jié)熱端閥可調(diào)節(jié)冷熱流量比例，從而獲得制冷效應(yīng)或制熱效應(yīng)。圖1為渦流制冷的基本示意圖。

5. 溫差熱電制冷

熱電制冷是利用“塞貝克效應(yīng)”的逆效應(yīng)——珀?duì)柼?yīng)的原理制冷的。塞貝克效應(yīng)是一百多年前人們發(fā)現(xiàn)的溫差電現(xiàn)象，即在兩種不同金屬組成的閉合線路中，如果保持兩接觸點(diǎn)的溫度不同，就會(huì)在兩接觸點(diǎn)間產(chǎn)生一個(gè)電勢差——接觸電動(dòng)勢，同時(shí)閉合線路中產(chǎn)生電流流動(dòng)，稱為溫差電流。反之，在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流電流，就會(huì)使一個(gè)接點(diǎn)變冷，另一個(gè)接點(diǎn)變熱，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。其制冷效果主要取決于兩種電偶對(duì)材料的熱電勢。由于材料具有較高的熱電勢，因此，可以用它來做成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質(zhì)，又無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高，并可以逆向運(yùn)轉(zhuǎn)，在電子設(shè)備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)N 型(電子型)和P 型(空穴型)兩個(gè)元件組成電偶并通以直流電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)接頭就會(huì)發(fā)生吸熱和放熱現(xiàn)象。圖3是實(shí)際結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)直流電從N型流向P型時(shí)，則在2、3端的銅連接片上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象（稱冷端），而在1、4端的銅連接片上產(chǎn)生放熱現(xiàn)象（稱熱端）。如果電流方向反過來流，則冷、熱端互換。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，

【圖2】制冷原理

【圖3】制冷片

6.  3He-4He 氦稀釋制冷

氦有兩種天然同位素：氦3、氦4，自然界中存在的氦基本上是氦4，沸點(diǎn)4.2K。氦3的沸點(diǎn)為3.19K。 3He，4He的混合液在0.86K以上時(shí)，液 3He可以以任何比例溶解在液4He中，但是當(dāng)混合溶液的溫度降到0.86K以下時(shí)，混合液則分離成兩相，其中含 3He多的相稱為濃縮相，而含 3He少的相稱為稀釋相。在低于0.86K的任一溫度都對(duì)應(yīng)于一定的 3He含量的稀釋相和濃縮相，并達(dá)到相平衡。當(dāng)從稀釋相中取走 3He原子時(shí)，為了保持兩相的平衡，則由濃縮相中的 3He通過相界面進(jìn)入稀釋相以補(bǔ)充被移去的 3He原子?？梢杂?jì)算得 3He在稀釋相中的焓和熵比在濃縮相中要大得多。所以這種稀釋過程需要吸熱，利用這個(gè)吸熱現(xiàn)象制成了稀釋制冷機(jī)。

從稀釋制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)圖來看，包含相界面的室稱做混合室， 3He原子從濃縮相經(jīng)過相界面進(jìn)入稀釋相要吸熱而制冷，使溫度降低。包含稀釋相的自由表面的室稱為蒸餾室，溫度維持在0.6～0.7K。此時(shí) 3He的飽和蒸氣壓遠(yuǎn)高于4He的飽和蒸氣壓，可以用抽氣機(jī)抽走，這時(shí)濃縮相中的 3He原子就不斷地通過相界面進(jìn)入稀釋相，抽走的 3He經(jīng)過冷凝再補(bǔ)充到濃縮相中形成循環(huán)，使制冷機(jī)不斷地運(yùn)行。

【圖4】Dilution Refrigerator