制冷器的发展与应用（制冷专业论文)
摘要
制冷机或是根据理想斯特林和爱立信或不可逆转焦耳汤姆森扩张周期已经制定并正在被用作商业用途以延长其使用新的应用领域，技术改进，最近已实施其中允许更高的可靠性，更大的冷却能力，并降低运行温度。这项新兴的技术，脉冲管，也得到了广泛发展，并可能取代现有的冷却器，在不久的将来。
1.导言
煮沸过的一个低温恒温器的液体一般生产工业流程一直是一贯手法，以冷静下来，并保持物体在低温下。各主要工业领域中的应用低温流体，我们可以点到冷却lhe大型超导磁铁粒子加速器或聚变，lh2和液氮贮存容器为低温火箭推进器，地面冻结在土木工程中，生产的纯气液相蒸发要么冶金或半导体产业等。
附加这些大型制冷功率申请，其中偏远或工业专用液化厂已建成，数年后，小规模的机械自治县制冷机具有低得多的冷却能力已制定，必须针对具体的低温需求。
低温使得物理学家发现基本现象，其中隐藏在室温下用热搅拌：超导，氦超流体，非欧姆电阻submicronic系统，磁有序，量子霍尔效应.
科技应用这些特性使得开发新的仪器，为探测器，需要低温冷却。
使用消耗品为冷却此类物体可能会产生问题：困难的补给液体用品，扰动在低温恒温器充装，经营，在所有方向还是在零重力，运行成本。为了克服这些不便，机械自治县制冷机已开发和工业化近年来。其中主要要实现的目标，为商业的成功，这些新产品的可靠性，热力学效率，降低投资和维护费用，增加的寿命之间的故障，控制诱发扰动和易用性系统整合。
2 .其中周期，其中制冷机
国内制冷目前使用的埃文斯-帕金斯压缩循环。多级或层叠版本的这种类型的周期是有限的，在这个温度范围内的天然气液化。实现低温下，其他周
2.1可逆过程周期
该直线前进的想法是：复制一个理想的卡诺循环（熵压缩和膨胀与等温热交流，在寒冷而热烈的散热器） 。需要的温度差异冷暖散热器在低温的应用，将需要非常大，在技术上是不切实际的操作压力：这是因此无法受孕卡诺式冷却器采用流体循环（卡诺循环可遵循的磁制冷） 。
2尽管如此，它是可能的修改卡诺循环，如图1所示，在温度-熵图为可逆转变，制冷功率和机械能的参与仍维持不变。因此，它是可能确定两个新的周期的特点是容（斯特林循环） ，或恒压的转变，而不是等熵组（卡诺循环） ，并提供相同的最优理论热力学效率。这是很重要的公告说，相反，以熵变换，等容和等压者会导致热量转移（区下演变第2款 。在温熵图的isochors和共振态线为一个完美的天然气是平行线（以各自的斜坡1/cv和1/cp ） 1三是相等的热能量能够被提取出来在进化过程中第4款。因此发热量的能源，以提供给循环气体在进化过程中第2款 。因此，这是不可能想象一个储存装置，而另外的商店，拒绝这股能量.
再生一般是制成多孔材料，以大热容量。它因此而遭受的热梯度的冰箱中（室温冷却温度） 。以减少寄生导电热负荷下，这个温度梯度，再生了一叠材料，这增加了整体热电阻由大量的接触热阻。在温度范围300 K时¨ c 80钾，非金属纱布光碟（不锈钢或磷青铜） ，一般为两个阶段，在冰箱的温度范围内有80 k ¨ c 10 K下，铅粒（直径秩序200 ìm ）是常用的，因为这种材料呈现出相当大的热容量低
温度。第20届国际大会的制冷， IIR号/国际投资论坛，悉尼， 1999年I卷主旨发言（文件617 ） ，在低温时，其体积热容量共同蓄热材料迅速下降，而氦的，独一无二的潜力循环液留在气态在此温度范围内，加强烈。再生，因此，效率不高：这就是为什么斯特林或爱立信型cryorefrigerators有限，而以运作上述10 K时的实际
作， cryorefrigerators基于斯特林或爱立信周期导致使用的运动部件（气体膨胀机/ displacer和往往是相关的蓄热室） ，在寒冷的手指，以产生适当的循环液体积和流离失所。
2.2不负责任versible过程周期（焦耳汤姆森isenthalpic膨胀）
该isenthalpic焦耳汤姆逊公司（日本烟草公司）扩大是一个简单而静态过程中，避免任何移动部分，在冷手指的制冷机。一个isenthalpic扩张，可以得到一个简单的压降通过一个校准孔口，毛细管或可调整针阀。获得降温效果，由这种扩张，循环气体要precooled在一个适当的水平温度低于所谓的反转温度（图2 ） 。
图2 ：典型的反转温度曲线
这个反演温度报道为主体的低温流体表1预示最优高压力范围为冷却效应，在扩张：
表1 ：反向温度和最佳压力特鲁利isenthalpic膨胀冷却液温度反演
可以看出，对于氮（或氧气或空气） ，没有预冷低于室温必须首先获得冷却效果isenthalpic扩张。但是，要达到冷却isenthalpic扩张的氦，氦必须以前precooled低于50 k.一个典型的日本烟草公司周期及其代表在对温熵图如图3所示。在实践中，逆流式换热器是大中型取得液体蒸气混合后扩张。冷却电源，然后由潜热vaporisation的液体第20届国际大会的制冷， IIR号/国际投资论坛，悉尼， 1999年I卷主旨发言（文件617 ）的阶段。行动中，在液体-蒸汽平衡，使一个很好的高温稳定性冷水槽（只要该扩容压力，是很好的控制） 。
图3 ：日本烟草公司扩大冷却器循环
主要理论缺点的日本烟草公司扩张是其不可逆转的性质，不容许一个最佳的热力学效率。主要的实际的缺点，扩大装置（毛细管或孔） ，是潜在的封堵，由凝固的杂质。不过j.t.冷却器提供了一个简单而容易miniaturisable技术无运动部件，在寒冷
地区，并已被长久使用，在柯林斯式氦liquefiers 。
3 。国家以最先进的¨ c申请经营与爱立信周期是历来姓名的工程师们首先制定了他们在美国低（ 0.4至0.7兆帕斯卡）和高压力的周期是由压缩单元。压缩机制造，为国内制冷或空调（活塞式与曲轴或滚动活塞式）的修订，以考虑到一个事实，即循环气，氦气，是单原子，并因此经历了一个大的温度下增加绝热压缩。为了限制这种采暖效果，因为是deleterous到压缩机寿命时间（热机械疲劳的阀门和开裂的润滑油） ，石油是在注入压缩机吸线作为热储层，在压缩。在压缩机出口石油，这是通过删除连续三次分离装置（离心法，聚合与回线LP和物理吸附于活性炭床需要维修sorbant交流，每隔10至30000小时） 。
压缩单元是连接在一个寒冷手指灵活LP和惠普线路。在旧活塞，包括蓄热器是机械式（曲轴）或气动驱动，其位移正在花样（驱动阀或旋转经销商）与惠普气体入口和液化石油气出口复制爱立信周期如图4所示。这些一般都维持在低频率（几赫兹） 。
图4 ：原则上的操作一个通用清凉。
通用汽车制冷机被广泛商业化。其主要应用领域有：
-冷却热盾l he储存船只或超导磁体-冷干宏达超导磁铁。
-预冷的混合基因改造+特鲁利周期为液氦温度冷却器。
-冷却样品。若干制造商推出这种类型的cryorefrigerator城市电讯， CVI的爱德华兹，莱宝，住友， ... ） ，在单一阶段（至200瓦特在80 K ）或双级（最多20瓦特20 k并同时80瓦特在80 K ）的配置与电力消费的几千瓦。
斯特林开发了数十年前由飞利浦公司设在荷兰的空气和氢液化。这些冰箱与大量的冷却能力仍在制造，如今可以找到新的商业机会，在工业应用中的高转变温度超导体（变压器，马达或电流限制器） 。在近几年的发展，斯特林制冷机已大致驱动红外探测器的冷却，主要是因为他们在军事上的应用（夜视） 。典型的业务需求，是一小部分，或几个瓦特在温度范围50 ¨ c 80 k.这些冷却器包括一个压缩机（旋转驱动曲轴或线性） ，其中所产生的压力波在一个体积包括displacer和蓄热室。该议案的displacer控制，无论是机械或气动，以复制以及可能的理论斯特林。图6 ：原则运转的斯特林制冷机。
这些清凉压缩机不需要任何阀门。气动弹簧效果的行为，对活塞压缩机由于压力差异，背面的活塞在套管意味着压力和前排侧鉴于振荡周期的压力。这是由于在一个最佳的共振频率（约几十赫兹）附近，例如冷却器一般操作，以减少电力的投入。通常寿命之间的失败，这些cryorefrigerators大约是几千个小时，主要取决于滑动摩擦磨损，导致磨损，在压缩机和/或displacer水平。典型电气输入功率是该命令的10至100瓦的具体消费30至40瓦特每瓦输出的制冷功率为80 k.图7显示，工业斯特林冷却器，积分与旋转电机还是分裂与线性马达，发达国家和商业化的红外探测器冷却。
图7 ：分裂与积分斯特林冷却器（礼貌cryotechnologies SA和法国液化空气）
第20届国际大会的制冷， IIR号/国际投资论坛，悉尼， 1999年I卷主旨发言（文件617 ）
3.3焦耳汤姆逊公司（日本烟草公司） cryorefrigerators
主要应用的日本烟草公司扩大cryorefrigerators是冷却近液氮温度（ 80 k ）的红外探测器用于导弹制导。所需的制冷功率范围从数百名毫瓦到几瓦的有限时间（几分钟） 。低温液体是常见的空气，氮气或氩气。这些冷却器的运作是公开的周期配置：燃气供应是一个高压力储存每瓶（ 20至60兆帕斯卡） ，并扩大了在大气压力下。由于高压力的营养必须首先获得一个有效率的运作，这是行不通的想象，一个封闭的运行周期与机械式压缩机，该费用将令人望而却步。
图8示意图一个开放周期特鲁利凉，在其低温恒温器。高压气体是precooled在一个螺旋翅片管换热器的伤口周围和一个绝缘材料芯棒，并介绍了在圆筒形低温恒温器口径。该precooled高压气体扩张后，是在疏散大气流畅，在环形空间周围的翅片管。扩展它通过一个校准孔口，开放领域，其中可作调整，必要时由锥形针的位置，这是可以控制的一个灯泡贯流式燃气温度计沉浸在扩大天然气。
图8 ：计划的一个日本烟草公司冷却器在低温恒温器。
对样品进行冷却，在实验室应用，微型日本烟草公司系统也得到发展，由混合公司，在美国用微电子技术为逆流换热器和扩张毛细血管蚀刻在玻璃基板。
