低温控制

低温的控制，簡單説來有兩種，一是恆温冷浴，二是低温恆温器。前者往往用相變製冷浴來實現，而後者為低温變温恆温器。

目前產品種類齊全，主要的有下列三種類型的變温恆温裝置：閉循環變温恆温器，液氦變温恆温器與液氮變温恆温器以及相應的低温杜瓦器都可用作不同區間的恆温低温源。

目前也已產品種類齊全，以著名的Lakeshore公司所出的控温儀而言，採用PID控制具有高精度，高分辨率，高穩定性的温度測量和控制性能，而且可以設置温度曲線，按設置程序對温度進行控制。且可控温度範圍也較廣(如340型控温儀：0.1～1505K；331型控温儀：1.2～1505K)，國產的TC202型控温儀也具有良好的性能。

自從20世紀50年代第一台整體式斯特林製冷機問世以來，經過半個世紀的研究和發展，各種回熱式低温製冷機相繼出現 ^[2]  。應用於低温電子器件、紅外探測器、超導器件和線圈的冷卻，在軍事(導彈制導、紅外前視、夜視、熱像儀等)和民用(超導磁共振成像、低温冷凝真空泵及科學研究)都獲得了重要應用。特別是自1985年以來，4K温度級G-M製冷機和脈管制冷機的研製成功大大推動了低温技術的發展。本章簡要介紹近年來小型回熱式低温製冷機的研究和發展概況，包括斯特林循環制冷機、吉福特-麥克馬洪循環制冷機、脈管制冷機和熱聲製冷技術。

在小型低温製冷領域，斯特林循環制冷機是發展歷史最長、研究水平最成熟的機種之一，在軍事及空間技術中獲得了重要的應用。

1816年斯特林提出了一種由兩個等温過程和兩個等容回熱過程組成的閉式熱力學循環，稱為斯特林循環。斯特林循環最初是作為熱機循環提出的，到19世紀60年代柯克把斯特林循環的逆循環用於製冷，後者稱為逆向斯特林循環，也稱斯特林製冷循環。

1956年，美國學者吉福特和麥克馬洪發明了一種利用放氣製冷原理並能連續工作的低温製冷機，稱為吉福特-麥克馬洪循環制冷機，簡稱G-M製冷機。它的前身是1873年由澳大利亞學者帕斯托提出的“無功膨脹”製冷機。即用一個不受力的“排出器”來代替承受膨脹功的活塞，因而有時也稱G-M製冷機為帕斯托製冷機。另一種同類型的製冷機是依據德國索爾文在1887年提出的有功膨脹機改進而成。改進型索爾文製冷機於1971年由朗斯沃茨提出，採用氣動型排出器來代替原來的活塞。因此，改進型索爾文製冷機與G-M製冷機已經沒有實質性區別。

該方案的基本原理是利用高低壓氣體對脈管空腔的充放氣過程而獲得製冷效果的，其製冷過程如下：高壓氣體通過切換閥流經回熱器、換熱器、導流器以層流形式進入脈管，迅速推擠管內氣體向封閉端移動，同時使之壓縮，温度升高，在脈管封閉端氣體的温度達到最高值；佈設在封閉端的水冷卻器將熱量帶走，管內氣體因放熱，其温度和壓力稍有降低；切換閥轉動使系統內氣體接通低壓氣源，脈管中的氣體又以層流形式漸次向氣源擴張，氣體膨脹降壓而獲得低温；切換閥再次切換，使系統與氣源高壓側連通，重複上述循環。這樣在脈管制冷機運行時，脈管內氣體軸向始終存在一個温度梯度，入口端温度低，封閉端温度高。

熱聲振盪是將熱能在一定條件下轉變為聲能的過程。根據熱聲振盪原理可以研製成熱聲發動機或熱聲製冷機。由於熱聲機械沒有運動部件，因此可實現長壽命運轉。熱聲機械可採用熱能(燃氣、太陽能等)驅動，它的應用將為合理利用低品位能源、提高系統的熱力效率開闢新的途徑。

低温技術的應用是非常廣泛的，從人們的日常生活到工農業生產過程，從科學研究到火箭和飛船；從公安消防到國防軍事，都離不開低温技術。低温技術目前已經滲透到很多相關的學科和應用領域，成為推動科技、經濟、軍事和生活發展不可缺少的支柱力量。

氣體的液化和分離是低温技術最為重要的應用範圍，例如空氣的液化和分離幾乎佔了低温工程領域全部活動的三分之一，2001年亞太地區氣體行業的總銷售額高達70億美元、佔全球總銷售額的約20%，預計2002年全球氣體行業的總營業額可達到370億美元。

低温技術的另一個非常重要的應用是與超導應用結合在一起的。超導電性是宏觀量子效應現象，現在已經發現在常壓下有28種元素，近5000種合金和化合物具有超導電性。由於材料從正常態轉變到超導態是從“無序”向“有序”的轉變，所以超導電現象只在某一低温下才能出現。如大多數的第一類和第二類超導材料基本上在液氦温度附近實現超導，而氧化物陶瓷類超導材料的轉變温度在液氮温度或更高些。到目前為止，室温超導材料還只是停留在預言上，有人認為在100萬個大氣壓下氫將轉變為金屬態，而金屬氫將在室温或高於室温的温度下呈現超導電性。所以，至今所有的超導器件只有在低温環境下才能工作，而低温技術，尤其是液氦温區的低温技術的發展是受到了超導技術的推動，這就決定了低温技術與超導技術之間相互依賴和相互促進的緊密關係。

低温技術在醫療衞生方面應用也是比較廣泛的。使用較普遍的冷凍醫療是依靠物理效應來殺死病灶的細胞，早期主要用於皮膚、口腔、婦科等產生在皮膚和粘膜等“表面”上的疾病。後來隨着治療經驗的不斷積累及冷凍醫療器械水平的迅速提高，冷凍治療已經可以對呼吸系統、泌尿生殖系統、消化系統、骨骼系統、腦及神經系統等體內器官的腫瘤和癌症進行手術。如用先進的“氬氦刀”設備進行手術治療具有不開刀、微創介入對正常組織損傷少、病灶定位準確、成功率高、併發症少、康復快、療效明顯等無可比擬的優點，一面世就得到了醫生和患者的共同認可。

低温技術在能源方面的應用前景是明朗的。以石油和煤為基礎的能源結構不但受到資源枯竭的威脅、而且帶來的環境污染和温室效應也日益嚴重。天然氣可以緩解環境污染的問題，尤其是大量地代替煤和代替車輛的燃料，效果明顯。天然氣大規模貯存和長距離運輸時採用液化天然氣是又經濟又有效的方案。LNG需要液化裝置、低温貯槽、低温液體的運輸工具以及相配套的控制和測量設備，都是低温技術的應用工作。

氫作為零污染的潔淨能源越來越得到重視。同樣大規模的應用也需要依靠低温用液體的形式來貯存和運輸和配送。這對低温技術提出了更緊迫的挑戰。

與低温技術有關的高新技術，除了少數技術擁有獨一無二的技術優勢，如超導磁體和紅外器件、冷凝泵等之外，大多數要與常規技術作殊死的競爭。由於傳統技術已經有長期的積累和社會保有量以及人們的認可度，任何新技術只有具備明顯優勢才有希望逐步取代老技術和老設備，更何況傳統技術也是在不斷進步的。所以對低温技術來説“前景是燦爛的、道路是崎嶇的”。