低温控制

自从20世纪50年代第一台整体式斯特林制冷机问世以来，经过半个世纪的研究和发展，各种回热式低温制冷机相继出现 。应用于低温电子器件、红外探测器、超导器件和线圈的冷却，在军事(导弹制导、红外前视、夜视、热像仪等)和民用(超导磁共振成像、低温冷凝真空泵及科学研究)都获得了重要应用。特别是自1985年以来，4K温度级G-M制冷机和脉管制冷机的研制成功大大推动了低温技术的发展。本章简要介绍近年来小型回热式低温制冷机的研究和发展概况，包括斯特林循环制冷机、吉福特-麦克马洪循环制冷机、脉管制冷机和热声制冷技术。

低温控制斯特林循环制冷机

在小型低温制冷领域，斯特林循环制冷机是发展历史最长、研究水平最成熟的机种之一，在军事及空间技术中获得了重要的应用。

1816年斯特林提出了一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，称为斯特林循环。斯特林循环最初是作为热机循环提出的，到19世纪60年代柯克把斯特林循环的逆循环用于制冷，后者称为逆向斯特林循环，也称斯特林制冷循环。

低温控制吉福特-麦克马洪循环制冷机

1956年，美国学者吉福特和麦克马洪发明了一种利用放气制冷原理并能连续工作的低温制冷机，称为吉福特-麦克马洪循环制冷机，简称G-M制冷机。它的前身是1873年由澳大利亚学者帕斯托提出的“无功膨胀”制冷机。即用一个不受力的“排出器”来代替承受膨胀功的活塞，因而有时也称G-M制冷机为帕斯托制冷机。另一种同类型的制冷机是依据德国索尔文在1887年提出的有功膨胀机改进而成。改进型索尔文制冷机于1971年由朗斯沃茨提出，采用气动型排出器来代替原来的活塞。因此，改进型索尔文制冷机与G-M制冷机已经没有实质性区别。

低温控制脉管制冷机

该方案的基本原理是利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程而获得制冷效果的，其制冷过程如下：高压气体通过切换阀流经回热器、换热器、导流器以层流形式进入脉管，迅速推挤管内气体向封闭端移动，同时使之压缩，温度升高，在脉管封闭端气体的温度达到最高值；布设在封闭端的水冷却器将热量带走，管内气体因放热，其温度和压力稍有降低；切换阀转动使系统内气体接通低压气源，脉管中的气体又以层流形式渐次向气源扩张，气体膨胀降压而获得低温；切换阀再次切换，使系统与气源高压侧连通，重复上述循环。这样在脉管制冷机运行时，脉管内气体轴向始终存在一个温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高。

低温控制热声制冷技术

热声振荡是将热能在一定条件下转变为声能的过程。根据热声振荡原理可以研制成热声发动机或热声制冷机。由于热声机械没有运动部件，因此可实现长寿命运转。热声机械可采用热能(燃气、太阳能等)驱动，它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热力效率开辟新的途径。

低温技术的应用是非常广泛的，从人们的日常生活到工农业生产过程，从科学研究到火箭和飞船；从公安消防到国防军事，都离不开低温技术。低温技术目前已经渗透到很多相关的学科和应用领域，成为推动科技、经济、军事和生活发展不可缺少的支柱力量。

低温控制气体的液化和分离

气体的液化和分离是低温技术最为重要的应用范围，例如空气的液化和分离几乎占了低温工程领域全部活动的三分之一，2001年亚太地区气体行业的总销售额高达70亿美元、占全球总销售额的约20%，预计2002年全球气体行业的总营业额可达到370亿美元。

低温控制超导

低温技术的另一个非常重要的应用是与超导应用结合在一起的。超导电性是宏观量子效应现象，现在已经发现在常压下有28种元素，近5000种合金和化合物具有超导电性。由于材料从正常态转变到超导态是从“无序”向“有序”的转变，所以超导电现象只在某一低温下才能出现。如大多数的第一类和第二类超导材料基本上在液氦温度附近实现超导，而氧化物陶瓷类超导材料的转变温度在液氮温度或更高些。到目前为止，室温超导材料还只是停留在预言上，有人认为在100万个大气压下氢将转变为金属态，而金属氢将在室温或高于室温的温度下呈现超导电性。所以，至今所有的超导器件只有在低温环境下才能工作，而低温技术，尤其是液氦温区的低温技术的发展是受到了超导技术的推动，这就决定了低温技术与超导技术之间相互依赖和相互促进的紧密关系。

低温控制医疗

低温技术在医疗卫生方面应用也是比较广泛的。使用较普遍的冷冻医疗是依靠物理效应来杀死病灶的细胞，早期主要用于皮肤、口腔、妇科等产生在皮肤和粘膜等“表面”上的疾病。后来随着治疗经验的不断积累及冷冻医疗器械水平的迅速提高，冷冻治疗已经可以对呼吸系统、泌尿生殖系统、消化系统、骨骼系统、脑及神经系统等体内器官的肿瘤和癌症进行手术。如用先进的“氩氦刀”设备进行手术治疗具有不开刀、微创介入对正常组织损伤少、病灶定位准确、成功率高、并发症少、康复快、疗效明显等无可比拟的优点，一面世就得到了医生和患者的共同认可。

低温控制能源

低温技术在能源方面的应用前景是明朗的。以石油和煤为基础的能源结构不但受到资源枯竭的威胁、而且带来的环境污染和温室效应也日益严重。天然气可以缓解环境污染的问题，尤其是大量地代替煤和代替车辆的燃料，效果明显。天然气大规模贮存和长距离运输时采用液化天然气是又经济又有效的方案。LNG需要液化装置、低温贮槽、低温液体的运输工具以及相配套的控制和测量设备，都是低温技术的应用工作。

氢作为零污染的洁净能源越来越得到重视。同样大规模的应用也需要依靠低温用液体的形式来贮存和运输和配送。这对低温技术提出了更紧迫的挑战。

与低温技术有关的高新技术，除了少数技术拥有独一无二的技术优势，如超导磁体和红外器件、冷凝泵等之外，大多数要与常规技术作殊死的竞争。由于传统技术已经有长期的积累和社会保有量以及人们的认可度，任何新技术只有具备明显优势才有希望逐步取代老技术和老设备，更何况传统技术也是在不断进步的。所以对低温技术来说“前景是灿烂的、道路是崎岖的”。2100433B

低温的控制，简单说来有两种，一是恒温冷浴，二是低温恒温器。前者往往用相变制冷浴来实现，而后者为低温变温恒温器。

低温控制各类变温恒温器

目前产品种类齐全，主要的有下列三种类型的变温恒温装置：闭循环变温恒温器，液氦变温恒温器与液氮变温恒温器以及相应的低温杜瓦器都可用作不同区间的恒温低温源。

低温控制关于低温温度控制器

目前也已产品种类齐全，以著名的Lakeshore公司所出的控温仪而言，采用PID控制具有高精度，高分辨率，高稳定性的温度测量和控制性能，而且可以设置温度曲线，按设置程序对温度进行控制。且可控温度范围也较广(如340型控温仪：0.1～1505K；331型控温仪：1.2～1505K)，国产的TC202型控温仪也具有良好的性能。