制冷快報 - 當前低溫制冷技術(shù)廣泛應(yīng)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(yè)、航天應(yīng)用）、低溫氣體能源、超導應(yīng)用、紅外探測器件冷卻、半導體工業(yè)、低溫生物醫(yī)療等領(lǐng)域，該技術(shù)當前的研究方向主要是“雙高”：即率和高穩(wěn)定性。而低溫工程學是指研究物質(zhì)在低溫下的客觀規(guī)律以及如何獲知和應(yīng)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(wěn)定流動回熱制冷循環(huán)即節(jié)流、膨脹+回熱的循環(huán)構(gòu)成。目前國內(nèi)研究較多的低溫制冷技術(shù)主要包括三種：深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)、熱聲制冷技術(shù)、高頻脈沖管制冷技術(shù)。

    一、混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)成就制冷 提高制冷機系統(tǒng)可靠性及效率

    據(jù)制冷快報記者從制冷學會年會技術(shù)講座上了解到，中國科學院公教授表示，當前這種混合工質(zhì)制冷技術(shù)的應(yīng)用可以獲得極為缺乏的熱物性，傳熱的數(shù)據(jù)及其規(guī)律，對于制冷機的設(shè)計具有直接的幫助，也加深了行業(yè)對制冷機理的認識，，對于提高系統(tǒng)可靠及效率意義重大，而由此技術(shù)所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也豐富了對于相關(guān)學科的內(nèi)容，公教授表示：不同循環(huán)的*混合工質(zhì)配比不同，在各自優(yōu)化的情況下，一次節(jié)流循環(huán)具有zui高的熱力學效率。而實際應(yīng)用系統(tǒng)中的循環(huán)流程則需要考慮更多的因素。

    實際打造一種制冷技術(shù)流程結(jié)構(gòu)還需要考慮眾多因素，使用混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)針對不同需求已經(jīng)發(fā)展了相應(yīng)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(chǔ)上提出的一種帶分凝分離結(jié)構(gòu)的回熱制冷流程結(jié)構(gòu)，可以的實現(xiàn)系統(tǒng)和高可靠的結(jié)合。據(jù)制冷快報記者了解，目前混合工質(zhì)核心制冷技術(shù)主要結(jié)合普冷和低溫技術(shù)的各自特點，以普冷制冷系統(tǒng)的硬件，、可靠和低成本的實現(xiàn)深冷溫區(qū)制冷，另一方面這樣的技術(shù)也易于規(guī)模推廣。

據(jù)公教授介紹，當前混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)可應(yīng)用于混合工質(zhì)低溫冰箱，采用此技術(shù)實際上是回熱式混合工質(zhì)節(jié)流制冷和*環(huán)保工質(zhì)技術(shù)，從而實現(xiàn)從—86至—186攝氏度全溫區(qū)覆蓋。在順應(yīng)節(jié)能低碳環(huán)保的時代主流下，該項技術(shù)目前已成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并獲得了良好的社會和經(jīng)濟效益；顯著提升了我國低溫冰箱行業(yè)的發(fā)展水平。

    二、熱聲制冷技術(shù)創(chuàng)無機械運動部件熱驅(qū)動熱聲制冷機

    縱觀熱聲制冷機的發(fā)展歷程，2004年采用聚能諧振管行波熱聲發(fā)動機驅(qū)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(fā)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(xiàn)了以氦氣為工質(zhì)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(xiàn)的雙行波流程結(jié)構(gòu)為世界*；2006年研究出的“二介質(zhì)耦合聲學放大器”實現(xiàn)了不僅可降低工作頻率，且可同時提高壓比，用于聚能型發(fā)動機驅(qū)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(jié)構(gòu)行波熱聲制冷可實現(xiàn)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(yīng)包括熱致聲效應(yīng)和聲制冷效應(yīng)。利用熱致聲效應(yīng)可制作熱聲發(fā)動機（即熱聲壓縮機），利用聲制冷效應(yīng)可制造熱聲制冷機，將二者結(jié)合可形成*沒有機械運動部件的熱驅(qū)動熱聲制冷機。據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)，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(huán)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(yīng)性，其運行中使用的熱能驅(qū)動可以是余熱、太陽能等；第四，寬廣的制冷溫區(qū)，該技術(shù)可實現(xiàn)室溫低至低溫4K，；第五，潛在的率，行波熱聲循環(huán)的本征效率與卡諾循環(huán)相同。目前在低溫制冷方面使用的機械式低溫制冷技術(shù)可靠性低，在室溫制冷方面使用的氟利昂制冷技術(shù)因環(huán)保問題需要替代，相比較之下，熱聲制冷技術(shù)的優(yōu)勢已逐漸顯現(xiàn)出來，其應(yīng)用發(fā)展空間不言而喻。

    三、高頻脈沖管制冷技術(shù)*緊湊和的發(fā)展?jié)摿?/strong>

    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(qū)動，具有緊湊和的發(fā)展?jié)摿Γ陙沓蔀槊}沖管制冷研究的重點和前沿方向，高頻脈沖管制冷技術(shù)又分為單級高頻脈沖管制冷和多級高頻脈沖管制冷技術(shù)。

    當前單級高頻脈沖管制冷技術(shù)相關(guān)研究單位已經(jīng)提出弱非線性理論模型，并開發(fā)出性能設(shè)計和優(yōu)化軟件，研制出當前效率較高的低溫脈沖管熱聲制冷系統(tǒng)，20W@@77K整機效率22.2%，而多級高頻脈沖管制冷技術(shù)的研究相關(guān)單位提出采用SAGE軟件設(shè)計和優(yōu)化由兩臺直線壓縮機驅(qū)動的三級高頻脈沖管制冷系統(tǒng)，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。