低温技术的发展

和其他技术一样,人类在获得低温技术方面,经历了漫长的岁月.早先只知道利用天然冰,依赖大自然恩赐.3000多年前,我国已开始构筑冰窖,贮存冰块.《诗经》上写道:"二之日凿冰冲冲,三之日纳于凌阴".前一句描写河中取冰,后一句写窖中藏冰.
古希腊人在造冰方面有所独创.他们在陶瓶里面盛满水,利用水在蒸发时要吸热的道理,选择夜晚风凉的时候,在通风良好的地方,不断泼水,水不断蒸发,也不断吸热,瓶子里的水渐渐冷下来,而且越来越冷,渐渐凝固成冰块.至今还用这种原理在火力发电厂利用来建造喷淋式的冷却塔.
产业革命的兴起,人们已不满足于只是利用天然冰的制冷,于是开始探索,寻找新的制冷方法,由此逐步形成了低温技术这门学科.
低温技术:通常是将氧,氮,氢,氦等气体经过压缩--膨胀和节流效应获得低温,主要应用于工业气体的分离与液化.在航天,能源,工农业生产以及医学等方面已得到广泛应用.采用绝热去磁及稀释制冷的原理获得极低温,是物质研究(凝聚态物理)中十分重要的实验条件,主要应用于基础理论研究和某些特殊实验的需要.
称为低温技术发展第一个里程碑的焦耳--汤姆逊效应于1853年就发现了,但只是在安德鲁斯于1869年液化了二氧化碳提出临界温度概念之后,法国科学家凯利代特和瑞士的皮克代特几乎同时于1877年首先液化了氧,这才是人类第一次真正跨入了低温技术的新境地.
随后于1883年液化了氮气.1898年,杜瓦首先用液空预冷的节流效应液化了氢气得到了20K低温.1908年,翁内斯用液氢预冷的节流效应首次液化了氦,获得了4.2K低温,是最后一种"永久气体"得到液化,人类才全面开拓了低温技术这一崭新的科学技术领域.
称为低温技术发展第二个里程碑的膨胀机制冷方法是Claude于1902年发明的,这无疑是低温技术的一场革命,它使气体液化技术迈出实验室开始走上工业规模.于是,20世纪初,液化空气的技术发展成为制氧工业,并推动了冶金,化工,机械和动力工业的发展.卡皮查于1939年发明使用透平膨胀机液化氦气.1947年,柯林斯研制成功了著名的氦液化恒温器,使氢,氦液化技术走上实用阶段,氦液化设备开始商品化.
关于低温液体
常用的低温液体有液氮,液氢,液氦等.
液氮是一种无色透明液体,原子量为14,在标准大气压下,它在77.3K沸腾,63.2K凝固.空气主要有氮气和氧气组成,所以液氮在空气液化分离即可获得,可作为制氧的副产品大量提取.液氮的容器较简单,可在空气中倾注.氮气是一种窒息性气体,在生产和大规模应用重要注意安全,以防止室内缺氧.液氮是一种无毒,惰性,价格低,贮运和使用方便,并且冷却效率高的低温液体.
在低温实验室中,液氮除直接作为制冷剂外,对更低温度的实验也常提供有益的结果,如固体的冷收缩90%以上是在液氮温度以上完成的.
关于低温容器
用来贮存和运输液化气体的设备均称为低温容器,它是杜瓦容器,贮存容器和贮槽的统称.它是在1892年,詹姆斯.杜瓦发明的存放低温液体的双层壁真空绝热容器的基础上,经过不断的发展和改造,使液体蒸发损耗减小,结构尽可能简单轻便而逐渐形成的.
就制作材料而言,分成玻璃的和金属两种.玻璃杜瓦瓶的优点是,在尺寸不太大时制作方便,价格便宜,且由于是透明的便于观察瓶内的状况和液面高度.其缺点是容易损坏,装液氦时会因此丢失大量氦气,而且不便做成大口径和复杂的形状.金属杜瓦容器牢固耐用,易于满足各种特殊要求,例如开窗口和留室温测量孔道等,还可以制作大型的或结果复杂的杜瓦容器,但相对讲制作复杂些,价格也较贵.
杜瓦容器可分为试验用和贮存用两种.贮存用的容器又称为贮槽,一般说来他们容积较大,液体蒸发率较低.就所贮存的液体种类而言,又可分为液氮,液氢和液氦杜瓦容器等多种.试验用杜瓦容器在结构上一般口径较大,以便于样品和试验装置的放进和取出.
制冷机
低温技术中常的是直接用低温液体做制冷剂.该方法必须定时添加事先储备好的低温液体.由于周围环境造成的不断蒸发现象,液体的保存受到时间的限制,被冷器件的位置在几何空间上受到限制,运行成本昂贵.所以人们在近几十年又发展了专门制冷机,保证长时间自动工作,并可随便放置在空间的任何位置上.
低温制冷机制冷温度范围从120K到小于1K,制冷量从几毫瓦到几十瓦,甚至上千瓦.目前广泛使用的是闭合循环制冷机,它是一种利用气体回热循环的机械制冷剂.普遍采用的制冷循环有下列几种:斯特林制冷循环,维勒密尔循环(VM循环),吉福特-麦克马洪循环(G-M循环),索尔文(SV循环),布雷顿冷循环和稀释制冷循环.