制冷快報 - 當前低溫制冷技術廣泛應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)、航天應用）、低溫氣體能源、超導應用、紅外探測器件冷卻、半導體工業(yè)、低溫生物醫(yī)療等領域，該技術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主要包括三種：深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術、熱聲制冷技術、高頻脈沖管制冷技術。

    一、混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術成就制冷 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)制冷技術的應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，而由此技術所獲得的基礎數(shù)據(jù)也豐富了對于相關學科的內(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)流制冷技術針對不同需求已經(jīng)發(fā)展了相應的可靠的制冷流程，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)核心制冷技術主要結(jié)合普冷和低溫技術的各自特點，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)流制冷技術可應用于混合工質(zhì)低溫冰箱，采用此技術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，從而實現(xiàn)從—86至—186攝氏度全溫區(qū)覆蓋。在順應節(jié)能低碳環(huán)保的時代主流下，該項技術目前已成功實現(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。

    熱聲效應包括熱致聲效應和聲制冷效應。利用熱致聲效應可制作熱聲發(fā)動機（即熱聲壓縮機），利用聲制冷效應可制造熱聲制冷機，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，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，因其技術運用中采用的是He、N2等惰性氣體；第三，高度的適應性，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可靠性低，在室溫制冷方面使用的氟利昂制冷技術因環(huán)保問題需要替代，相比較之下，熱聲制冷技術的優(yōu)勢已逐漸顯現(xiàn)出來，其應用發(fā)展空間不言而喻。

    三、高頻脈沖管制冷技術*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又分為單級高頻脈沖管制冷和多級高頻脈沖管制冷技術。

    當前單級高頻脈沖管制冷技術相關研究單位已經(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的研究相關單位提出采用SAGE軟件設計和優(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。