制
冷
原
理
与
技
术
第二节 低温制冷机
3.2.2 膨胀机制冷系统
3.2.1 焦耳 -汤姆逊制冷系统
3.2.3 斯特林制冷机
3.2.4 维尔米勒制冷机
3.2.7 脉冲管制冷机
3.2.6 吉福特 -麦克马洪制冷机
3.2.8 热声制冷机
3.2.9 吸附式制冷机
3.2.10 磁制冷
3.2.11 稀释制冷机
3.2.5 索尔凡制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.1 焦耳 -汤姆逊制冷系统
焦耳 -汤姆逊 (Joule-Thomson,简写为 J-T)制
冷机,不使用膨胀机的液化系统，依赖于焦耳 -
汤姆逊效应来产生低温。
图 3-68 林德 -汉普森制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?运用热力学第一定律,
Q m h ha ? ?( )'1 2
?换热器效率定义为, ? ? ?
?
h h
h h
g
g
1
1
'
?制冷量可由工质物性与热交换器效率来表示：
Q m h h h ha g/ ( ) ( )( )? ? ? ? ?1 2 11 ?
?系统所需功为,
? ? ? ? ?W
m
T s s h h
c o
2 1 2 1 2( ) ( )
,?
?林德 -汉普森制冷机的 COP为,
C O P QW h h h hT s s h ha c o g? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ?,[( ) ( )( )]( ) ( )1 2 1
1 2 1 2
1
(3.78)
(3.79)
(3.80)
(3.81)
(3.82)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-69 林德 -汉普森制冷的热力循环图
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-70 预冷型林德 -汉普森制冷机。
?预冷的重要作
用,对于比液氮所
能得的温度更低
的场合，合适可
行的工质只能为
氖、氢和氦。由
于常温下节流会
产生热效应，为
了系统能够起动
降温，必须将气
体温度降低到转
化温度以下以保
证节流制冷。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-71 预冷型林德 -汉普森制冷机的热力循环图。
制
冷
原
理
与
技
术
?运用热力学第一定律，可得到,
Q m h h m h ha p a b? ? ? ?( ' ) ( ' )1 2
?定义预冷制冷剂质量流量比为, z m m
p? /
? ? ??h hh hg
g
1
1
' ?
p
a e
a e
h h
h h?
?
?
'
Q m h h h h z h h h ha g a b p a e/ ( ) ( )( ) [( ) ( )( )]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 2 11 1? ?
?由低温换热器和蒸发器得,
47 / hhmQ a ??
?制冷量可表示为,
Q m h h h ha c g/ ( ) ( )( )? ? ? ? ?7 4 71 ?
?引入低温换热器的效率, ?
c
g
g
h h
h h?
?
?
7
7
'
(3.83)
(3.85,3.86)
(3.87)
(3.88)
(3.89)
(3.90)
制
冷
原
理
与
技
术
更低的温度
可用 三级复迭
制冷机 得到，
以氮（或氩），
氢（或氖）和
氦为工质。
图 3-72 三级 J-T
液氦制冷机。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.2 膨胀机制冷系统
? 克劳德液化系统或考林斯液化系统作制冷系统。
?对三个换热器，膨胀阀和蒸发器应用热力学第一定
律，忽略环境漏热和动能，势能变化，可得制冷剂的
吸热量,
?制冷量的表达式可由膨胀机绝热效率表示,
Q m h h x h ha e/ ( ' ) ( ' )? ? ? ?1 2 3
Q m h h x h ha ad e/ ( ' ) ( )? ? ? ?1 2 3?
?若假设膨胀功用来压缩气体，则所需净功为,
? ? ? ? ? ? ?W m T s s h h x h hn e t c o e m ad e/ [ ( ) ( )] / ( ),,2 1 2 1 2 3? ? ?
(3.91)
(3.92)
(3.93)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-73克劳特制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-74 克劳特制冷机的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
对基本型克劳德系统的两大改进是,
采用带液膨胀机（即湿膨胀机）在两相区工作而
代替膨胀阀
采用低温压缩机
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-76 图 3-75所示系统的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.3 斯特林制冷机
? 斯特林制冷机,
由带活塞的 汽缸, 位
移器 和 回热器 组成。
?在回热器中实现的
是 等容过程 的热交换。
图 3-77 斯特林制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-78 理想斯特林制冷机的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
? 由热力学第一定律，对循环来说 Wnet=Qr+Qa,因而
理想的斯特林制冷机的 性能系数 为,
C OP QW TT s s s s Ta
ne t
? ? ? ? ? ?3
1 1 2 4 3 3( ) / ( )
?工质为理想气体,
s s c T T R v v R v v R v v s sv1 2 1 2 1 2 1 2 4 3 4 3? ? ? ? ? ? ?l n ( / ) l n ( / ) l n ( / ) l n ( / )
?理想斯特林制冷机的性能系数为,
COP TT T? ?3
1 3
(3.94)
(3.95)
? 斯特林制冷机的成功，绝大部分是 依靠系统中所
使用的回热器的效能 。若回热器效率低于 100％，这就
意味着，气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分消耗
在将制冷机气体冷却到冷源温度的过程中。
制
冷
原
理
与
技
术
?低温源吸收的实际的热量为, Q Q Qa a id e a l? ?,?
?换热器效率定义为,
? ? ? ??
?
Q
Q
Q Q
Q
a c tu a l
id e a l
id e a l
id e a l
2 3
2 3
,
,
?
? Q Q mc T Tid e a l v? ? ? ? ??( ) ( ) ( ),1 12 3 2 3? ?
?假定工质为理想气体，在理想情况下从冷负荷中取
走的热量为,
Q mT s s m R T v va i d e a l,( ) l n ( / )? ? ?3 4 3 3 4 3
Q mc T v va id e a l v,( ) l n ( / )? ?? 1 3 4 3
? 换热器效率的不完善性而致理想制冷量损耗所占的
比重,
? Q
Q
T T
v va id e a l,
( / )
ln ( / )?
?
?
?
??
?
??
??
??
?
??
1
1
12 3
4 3
?
?
(3.96)
(3.9
7)
(3.98)
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.4 维尔米勒制冷机
图 3-79 维尔米勒制冷机示意图
图 3-80 理想维尔米勒制冷机
的热力循环 T-s图
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
? 高温热源加热为,
Q m T s s m RT v vh h h h h? ? ?( ) l n ( / )2 1 2 1
? 低温热源吸热为,
Q m T s s m RT v vc c c c c? ? ?( ) l n ( / )6 5 6 5
? 中间温度热源的放热量为,
Q m m T s s m m RT v va h c a h c a? ? ? ? ? ?( ) ( ) ( ) ln ( / )4 3 3 4
? 因为系统的净传热量为零, Q Q Q
h c a? ? ? 0
m RT v v m RT v v m m RT v vh h c c h c aln ( / ) ln ( / ) ( ) ln ( / )2 1 2 1 2 1 0? ? ? ?
m m T T T Tc h h a a c/ ( ) / ( )? ? ??COP,
)(
)(//
cah
ahc
hhcchc TTT
TTTTmTmQQC O P
?
????
(3.99)
(3.100)
(3.101)
(3.102)
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.5 索尔凡制冷机
? 索尔凡 (Solvay) 制冷机,是计划采用膨胀机实现
空气液化的第一个系统。
图 3-81 索尔凡制冷机
图 3-82 索尔凡制冷机中单
位质量气体在 T-s图上的流程
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?假设膨胀过程输出的功用于压缩过程，则
系统所需净功为,
? ? ? ? ? ? ?W m T s s h h h hn e t c o e m ad/ [ ( ) ( )] / ( ),,2 1 2 1 2 3 4? ? ?
?从低温源取走的热量为,
Q m h h h h h ha ad/ ' ( )( )? ? ? ? ? ? ?5 4 5 4 3 41 ?
(3.103)
(3.104)
压缩机耗功 膨胀过程的输出功
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.6 吉福特 -麦克马洪制冷机
?系统包括 压缩机,两端密封的 气缸,气缸中的位移
器，和 回热器 。
图 3-84 G-M制冷机中单位
质量气体在 T-S图上的流程图 3-83 G-M制冷机示意图
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
? 系统所需净功为,
? ? ? ? ?W m T s s h h c o/ [ ( ) ( )] /,1 1 2 1 2 ?
? 从低温源带走的热量为,
))(/())(/(/ 4 4 hhmmhhmmmQ seadsea ???? ?
?因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变,me/m可
表示为 密度比,
m me / /'? ? ?4 3
回热器效率
沿着位移器的导热和壳体漏热
气体与回热器往复换热
回热器中存在的一定容积
(3.105)
(3.106)
(3.107)
影
响G-
M
制
冷
机
性
能
的
因
素
制
冷
原
理
与
技
术
?在 Solvay和 G-M制冷机中,回热器是关键部件 。一台
较好的制冷机，其回热器效率需高达 98%以上。
图 3-85
回热器示意图
制
冷
原
理
与
技
术
Solvay和 G-M制冷机有共同的 优点
?阀门和位移器活塞密封可在室温下实现，因
此不存在低温密封问题。
?通过使用回热器代替通常的换热器，可得到
很高的换热效率，系统可使用稍稍不纯的气
体为工质。
?由于气体在回热器中来回流动，回热器中的
杂质可在吸入过程中积存下来，在排气过程
中清除出去。
?相同表面积下，回热器的造价比换热器低。
制
冷
原
理
与
技
术
Solvay系统与 G-M系统相比有 两大优点,
? Solvay系统 COP总是比 G-M系统高，因为工质
在对外作功过程中，可带走更多能量；
? G-M系统中，需要一个小马达来移动位移器，
而在 Solvay系统中，由膨胀气体来移动活塞。
G-M系统与 Solvay系统相比也有 优点,
? 位移器两端压差小，所以在 G-M系统中经位移
器的泄漏很少；
? 在 G-M系统中位移器和曲柄不用承受很大的力，
因此驱动机构可以十分简单，很少有振动的问题。
制
冷
原
理
与
技
术
? G-M系统的突出优点之一是它可实现 多级化 。多
级系统中的所有阀门都在室温下工作，三个位移器
由一个驱动机构操纵。
图 3-86
三级 G-M制冷机
三个位移器由同
一个驱动机构驱
动，在此制冷机
中可同时制取三
种不同的温度。
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.7 脉冲管制冷机
? 脉冲管制冷机 省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀
活塞，采用一根低热导的管子来代替，具有 结构简单、
运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低 等优势。
图 3-87
脉冲管制冷机
的演变与发展
制
冷
原
理
与
技
术
1,基本型脉冲管制冷机
2,小孔型脉冲管制冷机
3,双向进气脉冲管制冷机
4,多路旁通脉冲管制冷机
5,双活塞脉冲管制冷机
6,四阀式脉冲管制冷机
7,多级脉管制冷机
本节内容,
制
冷
原
理
与
技
术
1,基本型脉冲管制冷机
? 最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由 压缩机、
切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体 以
及脉冲管封闭端的 水冷却器 所组成。
图 3-88 基本型脉冲管制冷机原理图
1— 切换阀； 2— 回热器； 3— 冷端换热器；
4— 脉冲管； 5— 水冷却器； 6— 导流器。
? 基本原理是利用 高低压气体对脉冲管腔的充放气
而获得制冷效果的。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
? 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的
方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。
基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同
点,
脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在
一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西
蒙膨胀的容器内气体温度均匀；
充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封
闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容
器表面与外部环境的对流换热。
? 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是
室温运动部件外，在低温处无任何运动部件，因此
其 结构简单、运行可靠,但是其 制冷效率低 。
制
冷
原
理
与
技
术
?带有切换阀的基本型脉冲管制冷机,由于气
体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。
?可逆基本型脉冲管制冷机,直接利用活塞在气
缸内往复运动，使制冷系统内产生压力波动而导致
脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。
图 3-89 可逆基本型脉
冲管制冷机原理图
1— 活塞 2— 水冷却
器 3— 脉冲管 4—
负荷换热器 5— 回热
器
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-90 相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型
脉冲管内部压力波图。
a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管,
制
冷
原
理
与
技
术
?常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定
的运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。
其中的 能量平衡 有,
脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端
向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制
冷量。
H Q Hr c c? ?
H
AC
R Pu dtc
p? ?
?
?
10
? 脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于 P
和 u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小。
? 可逆基本型脉冲管制冷机的 最主要特点 是,将上
一个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的
能量一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，
这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。
(3.108)
(3.109)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-91 基本型脉冲管的能量传递及压力与流速
的相位关系
制
冷
原
理
与
技
术
2,小孔型脉冲管制冷机
? 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，
制冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。
H H ACR Pu dtc h p? ? ?? ? 2
0
? 考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大，
其压力基本稳定为系统的平均压力,热端的气体流向
取决于脉冲管与气库的压差 。
? 小孔对 P和 u的振幅有调节作用,小孔开度增大，
压力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中
冷端气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得
一定的相位需求，利用膨胀功制冷。
? 脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强 。
(3.110)
制
冷
原
理
与
技
术
3,双向进气脉冲管制冷机
无功气体,在小孔型脉管制冷机中，通过回热
器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应，
降低了回热器效率。 这部分不作功的气体在脉管中
来回震荡，既不通过小孔进入气库，也不从冷端换热器
进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩，但并不
产生制冷。
图 3-92 双向进气型脉管制冷机,
a)无阀压缩机驱动 b) 有阀压缩
机驱动
制
冷
原
理
与
技
术
4,多路旁通脉冲管制冷机
? 多路旁通 方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通
点处形成了一次膨胀制冷过程。
? 在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中，旁
通点成为制冷部位。其在低温区性能优越的主要原因
是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷，出现 两次
膨胀制冷过程 。
图 3-93 多路旁通脉冲管制冷机中的能量传递
制
冷
原
理
与
技
术
5,双活塞脉冲管制冷机
?双活塞脉冲管制冷机 能克服小孔调节作用对于 P和 u
的相位匹配并不是完美的缺陷，采用一配气活塞来调
节脉冲管中 P和 u的相位。
? 配气活塞与产生压力波的主活塞之间存在一定
相位差，两者的运动规律如下,
)]co s (1[5.0 ?? ??? ese VV
]co s1[5.0 ??? csc VV (3.111)
(3.112)
制
冷
原
理
与
技
术
6,四阀式脉冲管制冷机
图 3-94 四阀式脉冲管制冷
机的当量 P— V图
? 四阀式脉冲管制冷 机理可以由脉冲管中 P和 u
的变化来说明。根据四个阀门的开关变化，脉冲
管压力和脉冲管热端阀门两端的压力变化可定性
表示，图中压差的正负对应气体的流向。
图 3-95 四阀式脉冲管中压力
与小孔两端压差的关系
制
冷
原
理
与
技
术
7．多级脉管制冷机
? 为获得更低的制冷温度，可以采用 多级脉管制
冷 方案。脉管制冷机冷端无运动部件,不存在机械
运动的耦合，易于进行多级布置 。
图 3-96 三级脉冲管制
冷机结构示意图。 1 压
缩机,2 旋转阀,3
气库,4 小孔阀,5
双向进气阀,6 第一
级蓄冷器,7 第二级
蓄冷器,8第三级蓄冷
器,9 第一级脉冲管，
10 第二级脉冲管,11
第三级脉冲管,12 第
一级冷头,13 第二级
冷头,14 第三级冷
头,15 回热管,16
辐射屏,17 真空罩。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-97 两级脉管制冷
机结构示意图。 1 压缩
机,2 旋转阀,3 气
库,4 小孔阀,5 双
向进气阀,6 第一级
蓄冷器,7 第二级蓄
冷器,8 第一级脉管，
9 第二级脉管,10 第
一级冷头,11 第二级
冷头, 12 辐射屏，
13 真空罩。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-98 双小孔型
二级脉管制冷机
示意图。 1 第一
级蓄冷器,2
第一级脉管,3
第二级蓄冷器，
4 第二级脉管，
5,6 气库,7,
9 双向进气阀，
8,10 小孔阀，
11 第二小孔。
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.8热声制冷机
? 热声制冷机的基本工作原理,谐振管内的气
体受到声压作用产生绝热压缩和膨胀。处于热声板叠
左端的气团受到驻波的压缩，温度升高，向板叠放热；
在热声板叠的右端，由于驻波低压相的绝热膨胀,气团
的温度低于当地板叠温度，气团从板叠吸热,
?热声制冷机与热声驱动器的 不同之处,是热声板叠
上的温度梯度不同且具有较小的温度梯度。
图 3-99热声
制冷机原理图
制
冷
原
理
与
技
术
? 谐振管 的底部带有一
个球体，模拟管端是开口
的。 驱动器 为一动圈式扬
声器，装于热端 换热器 的
顶端。
? 驱动器活塞处正是驻
波压力的波谷，以便向谐
振管传输最强的声功，同
时驱动器产生的热量可直
接被换热器排除。压力波
的波节在谐振管与球体连
接的扩口处。
图 3-100 热声制冷机实验装置图
1.磁声线圈 2.冷却水夹套 3.
活塞 4.冷端换热器 5.塑料棒
6.热声板叠 7.热端换热器
制
冷
原
理
与
技
术
热声驱动器是一种没有机械运动部件的新
型压力波发生器。 脉管制冷机则是除了室温下的机
械压缩机之外，在低温区没有运动部件。因此若采用
热声驱动器取代脉管制冷机常规的机械压缩机就能构
成 从室温至低温均没有运动部件的新型制冷机。
平行板叠 共振管 脉管回热器 气库
小孔
制冷机部分驱动器部分
图 3-101 热声驱动的脉管制冷装置
制
冷
原
理
与
技
术
? 驻波型热声机的运行是 基于内部不可逆性的热力
学循环,其气体和板叠之间的不可逆换热导致的熵
产限制了驻波热声机的效率，其热力学效率往往不
可能很高。
? 行波热声机其过程是可逆的,因此行波热声机的
效率在理论上高于具有本征不可逆性的驻波热声机。
驻波和行波的区别,
相同,
由于速度是位移对时间的导数，故 速度振荡与
位移振荡都是相差 90度相位 。
不同,
不同之处在于驻波的压力振荡与位移振荡同相，而
行波的压力振荡与速度振荡同相。行波声场中的声
速波形和声压波形一致，相位差为零；而驻波声场
中的声速波形和声压波形相位差 90度。
制
冷
原
理
与
技
术
t
压力振荡 P
膨胀 压缩
冷却 加热
o
o
t
速度振荡 V
o
位移 S
t
t
加热 膨胀冷却 压缩
o
P
o
t
V
o
S
t
ππ
图 3-102 声波的位移、速度、压力振荡的相位关系图
(a) 驻波 (b) 行波
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.9 吸附式制冷机
? 用于低温温区的吸附制冷工质对只能采用低温
气体工质，吸附剂也主要采用 活性炭、分子筛 或一
些化学吸附物质。
? 由于采用 J-T节
流制冷方式，解吸
出的气体必须先经
预冷至转化温度以
下，否则不可能实
现低温气体工质的
液化。
图 3-103 常用吸
附式制冷工作对及
其工作温区
制
冷
原
理
与
技
术
本节内容,
1．吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程
2．吸附制冷循环及其热力计算
3．低温吸附式制冷机的设计原则
4,典型的吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
1．吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程
?对低温气体的吸附可以由 Polanyi吸附势理论表述,
2)ln (
cr
cr
T
T
p
pRT ??
??
?对于活性炭吸附氖气和氮气吸附势方程为,
?饱和压力 ps (Pa)和温度 T(K)的关系可以表示为,
2)ln (
p
pRT s
?? ?
NeTp s,57.81268.8lg ?? 2,3.3069 5 5 8.8lg NTp s ??
?采用经验拟合所得到的吸附率方程经验关系式为,
)e x p ( ??? ?? bMx
(3.113)
(3.114)
(3.115)
(3.116)
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-7示出了各种低温气体对应于活性炭 (椰壳炭 )
的吸附率方程常数。式中下标 T表示整个吸附剂
所占体积内的吸附，下标 E则表示吸附剂有效吸
附体积内的吸附。
气体 ? M/b ? ?
H2 xE
xT
4.4?10-2
5.65?10-2
0.563
0.731
0.060
0.063
Ne XE
xT
0.64
0.46
0.539
0.388
0.152
0.128
N2 XE
xT
0.55
0.56
0.758
0.772
0.118
0.108
表 3-7 活性炭对几种低温气体吸附率方程常数
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-104 活性炭和沸石吸氮的等温吸附线。 a) 13x-N2,b)C-N2
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-105 LaNi5-H2的等温吸附线
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-106 LaNi4.8Sn0.2Hx,ZrNiHx和 VHx
的等吸附率图 (Van’t Hoff 图 )
制
冷
原
理
与
技
术
2．吸附制冷循环及其热力计算
? 温度降低
和压力升高可
以使得吸附率
增大。吸附床
可以用作为压
缩机，也可以
用作为抽气泵。
图 3-107 分子筛
对氮气的吸附等
温线及其吸附式
制冷循环过程的
表示
?吸附式制冷机的制冷量, )( 15 hhmQ ?? ? (3.117)
制
冷
原
理
与
技
术
加热
冷却
加热
冷却
预冷
逆流式热
交换器
冷负荷
吸附器
A
吸附器
B
冷腔
图 3-108
采用 2组吸附器的 J-T节流
图 3-109
J-T节流吸附式制冷机的 T-S图
制
冷
原
理
与
技
术
1 吸附剂质量 m的确定
? 气体质量流量，该值与吸附床温升过程及吸附床
中吸附剂质量 m有关,
? 一般来说,m是吸附剂温度 T和吸附床压力 p的函数 。
温升速率是与吸附床结构设计紧密相关的参量，如果
设计中通过加强吸附床导热 (传热强化 )，可以显著地
增大温升速率，从而减小吸附剂质量需求。同样，如
果所选择的吸附剂对气体工质的吸附等压线很陡 (即吸
附率随温度变化很敏感 )，则也可以有效地减小对吸附
剂质量的需求。
dt
dT
T
x
m
m
p)( ?
??? (3.118)
制
冷
原
理
与
技
术
2．吸附器容器质量的确定
? 可以根据筒体最大内压 P和金属材料胡克应力
?来关联吸附器质量 ms与吸附剂质量 m之比,
??
? P
m
mX ss 2?? (3.119)
制
冷
原
理
与
技
术
3,加热功率设计
? 压缩过程中,与加热面相对的百叶窗开启，而与
冷源相对的百叶窗关闭，这样，热量就传递给了吸附
床热压缩机；
? 在减压降温过程中,与加热面相对的百叶窗关闭，
而与冷源相对的百叶窗开启，这样热量就从压缩机传
递给了外部。
?如果忽略加热气体本身所消耗的热量
ppspp
h
pssph
T
x
XCCu
T
x
m
Q
um
dt
dT
Cm
dt
dT
mCQ
)/(])[(
)()(
?
?
???
?
?
?
????
?
?
吸附热可以根据 Clausius-
Clapeyron 方程来计算
cT
pRu
??
?
??
?
?
????
)/1(
ln
(3.120)
制
冷
原
理
与
技
术
? 如果吸附床加热解吸通过一恒温源 T*向吸附床
热辐射来实现，设吸附床热压缩机温度为 Th，辐射
传热面是黑体，面积为 Ah,辐射角系数为 1,则,
)( 44* hhh TTAQ ?? ?
)]([)(
)(
44*
hp
pspp
h
TT
T
x
XCCu
T
x
m
A
?
?
?
???
?
?
?
?
?
? 吸附热压缩机冷却时，吸附单位质量气体所需排
放的热量。假设吸附床向绝对零度的环境中进行热辐
射，得,
4
)(
)(
cp
pspp
c
T
T
x
XCCu
T
x
m
A
?
?
?
???
?
?
?
?
(3.121)
(3.122)
(3.123)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-110 气体吸附式压缩机的百叶窗设计
图 3-111 吸附床压力和温度对热量需求的关系
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-112 吸附压缩机温度对换热面积的影响
制
冷
原
理
与
技
术
4．温度循环设计
? 制冷工质确定后，吸附压力 (低压 )就受制冷温度
限制，可以认为是一个设计常数。因此只有解吸压力
可调。解吸压力越高，系统气体流量需求就越小，当
然 T4温度也越高。
? 如果 T2固定 (冷却温度 ),则有一温度
循环，,这是吸附剂为了获得气体吸附浓度差，所必
需的；对应的在解吸过程中为了解吸出气体，造成对
应的吸附浓度差，过程 3-4也经历了一个温度循环。循
环温差加大或 T2降低均会促使循环吸附量的提高。从
质流量角度看,T2越低越好，但从传热角度看 T2高可
以有效地减小传热面积。 吸附式制冷机循环最大温差
为 。
24m a x)( TTT ???
21)( TTT sw ing ???
制
冷
原
理
与
技
术
5,循环时间
? 吸附剂吸附气体，实现吸附率差所需的时间为,
x
m
mt ???
?
? 根据具体吸附式制冷机的构成方式可确定其相
应的循环周期计算方法。低温吸附式制冷机往往采
用了 2台,4台,8台吸附器,以充分地回收热量，提
高吸附式制冷的效率。 相应的循环时间表示方式也
有所不同。
(3.124)
制
冷
原
理
与
技
术
6,制冷系数
?吸附式制冷循环的制冷系数,
hQ
QCO P ?
? 早期 的空间用低温吸附式制冷机中，较多地考虑
采用余热对吸附器加热、采用对外层绝对零度空间的
热辐射对吸附器进行冷却，很少用回热循环。
? 然而 近年来,在低温吸附式制冷机研究开发中已
经较多的受吸附式空调制冷的影响,高效回热循环 方
面已经有成功实例。
图 3-113
吸附式制冷机
与机械式制冷
机的比功耗比
较
(3.125)
制
冷
原
理
与
技
术
7,回热回路设计
回热措施即使高温吸附床降温的显热和吸附过程
中产生的吸附热传递给低温吸附床，提供低温吸附
床部分热量（回热量 ）。
? 回热循环的制冷系数 COP与基本循环制冷系数
COP的关系为,
? 吸附式制冷系统中还采用 回质循环方式,即在高
压解吸吸附床与低压吸附吸附床之间串接了一连接管
道和阀门，使二台吸附器平衡在一接近于平均压力的
中间压力下，这样会造成高压解吸床解吸更充分 (受
抽吸 )，而低压吸附床则产生了附加吸附，因而循环
吸附率变化可以增大，制冷量可以提高。
r
CO PCO P
r ?? 1
(3.126)
制
冷
原
理
与
技
术
? 具有传热流体的吸附筒 结构，在不锈钢筒内它
充填了泡沫铜活性炭，吸附筒外钎焊了盘管换热器，
管内流体为氦气。为了强化传热，泡沫铜吸附床也
与吸附筒内壁通过钎焊连接成一体。利用这种方式
的吸附筒可以方便地构筑回热型吸附式制冷机，以
提高吸附式制冷机的制冷系数 。
图 3-114 回热型吸附式制冷机所采用的吸附筒结构
制
冷
原
理
与
技
术
? 采用回热型吸附式系统需要构建加热 /冷却流
体回路，以实现对多个吸附床之间的热量传递 。
图 3-115 多吸
附床回热型吸附
式制冷机的换热
流体回路构成
制
冷
原
理
与
技
术
? 回热型吸附式制冷机 换热流体回路 的工作充分
利用了换热流体的热量，使得外部输入热量或向外
界耗散的热量有较大幅度的减小，因而这种回热型
多床系统制冷系数可以有较显著的提高。
加热
冷却
预冷
加热
冷却
预冷
预热
预热
切换
解吸床
吸附床
吸附床
解吸床
图 3-116 加热 /冷却流体回路设计 (8台吸附器 )
制
冷
原
理
与
技
术
3．低温吸附式制冷机的设计原则
如果可能，尽量 采用化学吸附代替物理吸附,化学吸
附往往在高温热源下工作，其效率较高，这样的话排
热系统可以做得较轻。
如果 采用物理吸附,尽可能 采用沸点高的气体作为工
质,这样其与吸附剂间的范德瓦尔斯吸附力会大些，
因而不需要过高的操作压比。 吸附剂应具有吸附率大、
吸附空隙容积小的特性,这样可以减小对总耗能的需
求，并使得制冷效率得到提高。
尽量 在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却,吸附
式压缩机散热应通过热辐射或对流方式进行，尽量避
免采用其它形式制冷源来冷却。
对制冷气流应 尽可能降低温度,甚至在其到达 J-T节
流阀前使其液化，这样可以有效地提高 J-T节流冷却装
置的节流效果。
制
冷
原
理
与
技
术
?JPL的 LaNi5-H2吸附式制冷机用节流系统,节流阀
的开启度由节流阀上、下流的压差和弹簧的预紧力所
决定，其原理和开启压力可调节的自动旁通阀 (或自动
压力调节阀 )一样，这种调节阀的优点是比小孔节流阀
的抗堵性能好。
图 3-117 JPL
氢制冷系统节
流阀。 1-金属 -
聚四氟乙烯圈，
2-可动阀芯，
3-弹簧力调节
螺母,4-温度
计,5-液氢罐，
6-加热器 (模拟
热负荷 ),7-解
冻加热器。
制
冷
原
理
与
技
术
? 氢吸附式制冷机节流阀结构,它采用了侧向出
气形式，节流阀的通量通过弹簧预置，显然它也需
要一定的压差驱动。
图 3-118 AESC氢制冷系统节流阀。 1-调节螺母,2-锁
紧螺母,3-后盖,4-弹簧,5-球体 (6.35mm)。
制
冷
原
理
与
技
术
? 热开关型吸附器,加热器在吸附筒中心，筒外为
低温热沉，吸附筒和热沉之间为气体间隙型热开关。
气隙式热开关与各种热开关相比，非常适用于吸附式
压缩机。
图 3-119 热开关型吸附筒结构示意图。 1-气体间隙式热开关
(0.25~2.5mm),2-加热器,3-吸附剂,4-辐射屏,5-热沉，
6-进气阀,7-排气阀
制
冷
原
理
与
技
术
4,典型的吸附式制冷机
(1)活性炭 -甲烷物理吸附制冷机 (110K-150K)
?在 110K-150K温区内，从长寿命、无振动角度考虑，
采用活性炭 -甲烷物理吸附制冷机是比较有效的。
图 3-120 活性炭 -甲
烷物理吸附制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
? 提高吸附式制冷机的热效率，可以通过 回热设
计 来实现回热型制冷循环，对于 C/CH4吸附式制冷机，
采用回热设计比功率获得了较大提高。
? 制冷机采用了四台吸附式压缩机，吸附压缩机
的加热解吸和冷却吸附由特定设计的 流体回路 实现，
并 采用回热 。
图 3-121,2W,137K
回热型吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
(2)镨铈氧化物 (Pr1-nCenOx,PCO)化学吸附制冷机
?采用 活性炭 /甲烷作为第一级吸附式制冷, PCO-O2是
一种非常稳定的化学吸附工作对，其循环工作次数在
上万次时，吸附性能也不会有明显衰减
图 3-122 PCO-O2
化学吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
? 采用活性炭 -氪气 (C/Kr)物理吸附压缩机作为第一
级,PCO-O2是作为第二级的低温吸附制冷系统，制冷机
以 PCO为吸附剂，以氧气为制冷剂，其吸附方式为化学
吸附，吸附 /解吸完全可逆。
图 3-123,二级
80K/140K吸附式
低温制冷机系统
制
冷
原
理
与
技
术
(3) 金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机 (14K-30K)
?金属吸氢材料 -氢吸附式低温制冷机他们采用了
LaNi5作为吸附剂吸附氢气,获得了 20K的低温 。
图 3-124 金属
吸氢材料吸氢
吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-125,25K吸附式制冷机系统。 1-吸附床； 2-斯特林制冷机； 3-
电控箱； 4-传输杆； 5- 高电子迁移晶体管接收放大器,6-冷头，
7-J-T节流阀,8-热交换器,9-波导管,10-高压容器,11-低压床。
?25K吸附式制冷机系统以 四个吸附床 构成吸附压缩
机，采用 作为吸氢材料，并构造了附加
吸附压缩机以通过冷却和加热来控制 吸
附压缩机中气相空间热开关以免去阀门的操作 。
LaNi Sn4 8 0 2.,
LaNi Sn4 8 0 2.,
制
冷
原
理
与
技
术
(4) SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附低温制冷机 (7K-10K)
? 为了 获得 7K-10K的
低温,可以通过对 LH2
的减压来实现，通过低
压吸氢材料 (如钯 )吸氢可
以将氢气饱和蒸汽压降
得很低。
? 如采用两只液氢杜瓦，
通过采用热开关进行切
换，就可以使得低温器
件连续保持在 10K温度
下。
低压吸氢材料
10K 固态氢
升华氢气
氢气气流
图 3-126 SH2金属吸氢材
料吸氢
制
冷
原
理
与
技
术
?10K间断式氢气吸附式低温制冷系统,采用了 60K左右
的冷源预冷，以 为吸附剂使氢气在 24-30K
的 J-T中间制冷级循环，并采用 ZrNi吸氢材料达到真空
低压（压力小于 2毫米汞柱 )，通过对液氢的吸附使液氢
降温并固化，最后通过固态氢的升华达到 10K的低温。
LaNi Sn4 8 0 2.,
图 3-127,10K间断式氢气吸附式低温制冷系统。
LPSB-低压 ZrNi吸附床,HPSB-高压吸附床
制
冷
原
理
与
技
术
(5) 其它低温吸附制冷机
? 采用低压吸氢材料吸附氢气，使得液氢固化，
固态氢气升华制冷的特殊办法，就必须采用氦制冷
工质，让高压氦气通过 20K或更低温度预冷。
?磁制冷，采用顺磁盐材料绝热去磁。
?采用氦机械压缩机让氦在室温下排热，系统采用
多重复叠制冷可以满足氦制冷要求。
要获得 4K-5K的低温，有 2种可能的办法,
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.10 磁制冷
?顺磁物质可代替气体或液体，磁场可代替流体的膨
胀来得到低温。 图 3-128 实现绝热去磁过程的装置
制
冷
原
理
与
技
术
? 热去磁过程只能在极低温下实现，若要实现显
著的温降，晶格热必须远小于顺磁盐的磁极熵。在
极低温下,晶格熵 为,
? ?s R T D晶格 ? 77 9 3,( / )?
?最大偶极子熵 为,
? ?s H R偶极子,? ?0 2ln
?为确保绝热去磁过程成功的 温度条件 为,
77 9 0 01 23,( / ) (, ) lnR T RD? ?
?温度上限 T0为,
T D D0 1 32 7790 0 0446? ?? ?[ ( l n ) / ],/
(3.127)
(3.128)
(3.129)
制
冷
原
理
与
技
术
?要维持温度低于 1.0K所采用的绝热去磁制冷机如图，
制冷循环为卡诺循环但由于环境漏热及磁场变化需一定
时间的不可逆性,引入了绝热过程的熵增和理想等温过
程的温升。
图 3-129 磁制冷机 图 3-130 磁制冷机的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-131 磁制冷机的实际和理想性能
制
冷
原
理
与
技
术
?理想状况下，从储存盐中吸热量为,
Q mT s sa ? ?3 4 3( )
?理想情况下，工质盐对外放热为,
Q mT s s mT s sr ? ? ? ? ?1 2 1 2 4 3( ) ( )
?对整个循环应用第一定律，循环净功为,
W Q Q m T T s sn e t a r? ? ? ? ? ?( )( )1 3 4 3
?理想磁制冷机的 COP同卡诺制冷机的相同。
?磁制冷机可以在失重状态下运行。
(3.130)
(3.131)
(3.132)
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.11 稀释制冷机
稀释制冷机用超流氦 -4稀释氦 -3的办法来制冷。
图 3-132 氦 -3/氦 -4稀释制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
? 气体（纯氦 -3）
由真空泵压缩，后
在换热器和 4.2K的
液氦浴中冷却。压
缩气体然后通过
1.2K的氦浴冷却而
冷凝。液氦 -3经一
毛细管膨胀，进一
步在冷却。液体进
入混合室（氦 -3在
0.005K和 0.050K间
与氦 -4混合）之前
在另一换热器中冷
却。
图 3-132 氦 -3/氦 -
4稀释制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-133 氦 -3/氦 -4混合物的相图
? 在混合室中，液
体分离成两相 — 氦 -3
的稀释相和氦 -3的浓
相。氦 -3分子从浓缩
相膨胀到稀释相（向
稀释相扩散），混合
物的温度下降，而混
合室从低温区吸热以
维持定温。
冷
原
理
与
技
术
第二节 低温制冷机
3.2.2 膨胀机制冷系统
3.2.1 焦耳 -汤姆逊制冷系统
3.2.3 斯特林制冷机
3.2.4 维尔米勒制冷机
3.2.7 脉冲管制冷机
3.2.6 吉福特 -麦克马洪制冷机
3.2.8 热声制冷机
3.2.9 吸附式制冷机
3.2.10 磁制冷
3.2.11 稀释制冷机
3.2.5 索尔凡制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.1 焦耳 -汤姆逊制冷系统
焦耳 -汤姆逊 (Joule-Thomson,简写为 J-T)制
冷机,不使用膨胀机的液化系统，依赖于焦耳 -
汤姆逊效应来产生低温。
图 3-68 林德 -汉普森制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?运用热力学第一定律,
Q m h ha ? ?( )'1 2
?换热器效率定义为, ? ? ?
?
h h
h h
g
g
1
1
'
?制冷量可由工质物性与热交换器效率来表示：
Q m h h h ha g/ ( ) ( )( )? ? ? ? ?1 2 11 ?
?系统所需功为,
? ? ? ? ?W
m
T s s h h
c o
2 1 2 1 2( ) ( )
,?
?林德 -汉普森制冷机的 COP为,
C O P QW h h h hT s s h ha c o g? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ?,[( ) ( )( )]( ) ( )1 2 1
1 2 1 2
1
(3.78)
(3.79)
(3.80)
(3.81)
(3.82)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-69 林德 -汉普森制冷的热力循环图
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-70 预冷型林德 -汉普森制冷机。
?预冷的重要作
用,对于比液氮所
能得的温度更低
的场合，合适可
行的工质只能为
氖、氢和氦。由
于常温下节流会
产生热效应，为
了系统能够起动
降温，必须将气
体温度降低到转
化温度以下以保
证节流制冷。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-71 预冷型林德 -汉普森制冷机的热力循环图。
制
冷
原
理
与
技
术
?运用热力学第一定律，可得到,
Q m h h m h ha p a b? ? ? ?( ' ) ( ' )1 2
?定义预冷制冷剂质量流量比为, z m m
p? /
? ? ??h hh hg
g
1
1
' ?
p
a e
a e
h h
h h?
?
?
'
Q m h h h h z h h h ha g a b p a e/ ( ) ( )( ) [( ) ( )( )]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 2 11 1? ?
?由低温换热器和蒸发器得,
47 / hhmQ a ??
?制冷量可表示为,
Q m h h h ha c g/ ( ) ( )( )? ? ? ? ?7 4 71 ?
?引入低温换热器的效率, ?
c
g
g
h h
h h?
?
?
7
7
'
(3.83)
(3.85,3.86)
(3.87)
(3.88)
(3.89)
(3.90)
制
冷
原
理
与
技
术
更低的温度
可用 三级复迭
制冷机 得到，
以氮（或氩），
氢（或氖）和
氦为工质。
图 3-72 三级 J-T
液氦制冷机。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.2 膨胀机制冷系统
? 克劳德液化系统或考林斯液化系统作制冷系统。
?对三个换热器，膨胀阀和蒸发器应用热力学第一定
律，忽略环境漏热和动能，势能变化，可得制冷剂的
吸热量,
?制冷量的表达式可由膨胀机绝热效率表示,
Q m h h x h ha e/ ( ' ) ( ' )? ? ? ?1 2 3
Q m h h x h ha ad e/ ( ' ) ( )? ? ? ?1 2 3?
?若假设膨胀功用来压缩气体，则所需净功为,
? ? ? ? ? ? ?W m T s s h h x h hn e t c o e m ad e/ [ ( ) ( )] / ( ),,2 1 2 1 2 3? ? ?
(3.91)
(3.92)
(3.93)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-73克劳特制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-74 克劳特制冷机的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
对基本型克劳德系统的两大改进是,
采用带液膨胀机（即湿膨胀机）在两相区工作而
代替膨胀阀
采用低温压缩机
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-76 图 3-75所示系统的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.3 斯特林制冷机
? 斯特林制冷机,
由带活塞的 汽缸, 位
移器 和 回热器 组成。
?在回热器中实现的
是 等容过程 的热交换。
图 3-77 斯特林制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-78 理想斯特林制冷机的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
? 由热力学第一定律，对循环来说 Wnet=Qr+Qa,因而
理想的斯特林制冷机的 性能系数 为,
C OP QW TT s s s s Ta
ne t
? ? ? ? ? ?3
1 1 2 4 3 3( ) / ( )
?工质为理想气体,
s s c T T R v v R v v R v v s sv1 2 1 2 1 2 1 2 4 3 4 3? ? ? ? ? ? ?l n ( / ) l n ( / ) l n ( / ) l n ( / )
?理想斯特林制冷机的性能系数为,
COP TT T? ?3
1 3
(3.94)
(3.95)
? 斯特林制冷机的成功，绝大部分是 依靠系统中所
使用的回热器的效能 。若回热器效率低于 100％，这就
意味着，气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分消耗
在将制冷机气体冷却到冷源温度的过程中。
制
冷
原
理
与
技
术
?低温源吸收的实际的热量为, Q Q Qa a id e a l? ?,?
?换热器效率定义为,
? ? ? ??
?
Q
Q
Q Q
Q
a c tu a l
id e a l
id e a l
id e a l
2 3
2 3
,
,
?
? Q Q mc T Tid e a l v? ? ? ? ??( ) ( ) ( ),1 12 3 2 3? ?
?假定工质为理想气体，在理想情况下从冷负荷中取
走的热量为,
Q mT s s m R T v va i d e a l,( ) l n ( / )? ? ?3 4 3 3 4 3
Q mc T v va id e a l v,( ) l n ( / )? ?? 1 3 4 3
? 换热器效率的不完善性而致理想制冷量损耗所占的
比重,
? Q
Q
T T
v va id e a l,
( / )
ln ( / )?
?
?
?
??
?
??
??
??
?
??
1
1
12 3
4 3
?
?
(3.96)
(3.9
7)
(3.98)
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.4 维尔米勒制冷机
图 3-79 维尔米勒制冷机示意图
图 3-80 理想维尔米勒制冷机
的热力循环 T-s图
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
? 高温热源加热为,
Q m T s s m RT v vh h h h h? ? ?( ) l n ( / )2 1 2 1
? 低温热源吸热为,
Q m T s s m RT v vc c c c c? ? ?( ) l n ( / )6 5 6 5
? 中间温度热源的放热量为,
Q m m T s s m m RT v va h c a h c a? ? ? ? ? ?( ) ( ) ( ) ln ( / )4 3 3 4
? 因为系统的净传热量为零, Q Q Q
h c a? ? ? 0
m RT v v m RT v v m m RT v vh h c c h c aln ( / ) ln ( / ) ( ) ln ( / )2 1 2 1 2 1 0? ? ? ?
m m T T T Tc h h a a c/ ( ) / ( )? ? ??COP,
)(
)(//
cah
ahc
hhcchc TTT
TTTTmTmQQC O P
?
????
(3.99)
(3.100)
(3.101)
(3.102)
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.5 索尔凡制冷机
? 索尔凡 (Solvay) 制冷机,是计划采用膨胀机实现
空气液化的第一个系统。
图 3-81 索尔凡制冷机
图 3-82 索尔凡制冷机中单
位质量气体在 T-s图上的流程
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?假设膨胀过程输出的功用于压缩过程，则
系统所需净功为,
? ? ? ? ? ? ?W m T s s h h h hn e t c o e m ad/ [ ( ) ( )] / ( ),,2 1 2 1 2 3 4? ? ?
?从低温源取走的热量为,
Q m h h h h h ha ad/ ' ( )( )? ? ? ? ? ? ?5 4 5 4 3 41 ?
(3.103)
(3.104)
压缩机耗功 膨胀过程的输出功
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.6 吉福特 -麦克马洪制冷机
?系统包括 压缩机,两端密封的 气缸,气缸中的位移
器，和 回热器 。
图 3-84 G-M制冷机中单位
质量气体在 T-S图上的流程图 3-83 G-M制冷机示意图
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
? 系统所需净功为,
? ? ? ? ?W m T s s h h c o/ [ ( ) ( )] /,1 1 2 1 2 ?
? 从低温源带走的热量为,
))(/())(/(/ 4 4 hhmmhhmmmQ seadsea ???? ?
?因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变,me/m可
表示为 密度比,
m me / /'? ? ?4 3
回热器效率
沿着位移器的导热和壳体漏热
气体与回热器往复换热
回热器中存在的一定容积
(3.105)
(3.106)
(3.107)
影
响G-
M
制
冷
机
性
能
的
因
素
制
冷
原
理
与
技
术
?在 Solvay和 G-M制冷机中,回热器是关键部件 。一台
较好的制冷机，其回热器效率需高达 98%以上。
图 3-85
回热器示意图
制
冷
原
理
与
技
术
Solvay和 G-M制冷机有共同的 优点
?阀门和位移器活塞密封可在室温下实现，因
此不存在低温密封问题。
?通过使用回热器代替通常的换热器，可得到
很高的换热效率，系统可使用稍稍不纯的气
体为工质。
?由于气体在回热器中来回流动，回热器中的
杂质可在吸入过程中积存下来，在排气过程
中清除出去。
?相同表面积下，回热器的造价比换热器低。
制
冷
原
理
与
技
术
Solvay系统与 G-M系统相比有 两大优点,
? Solvay系统 COP总是比 G-M系统高，因为工质
在对外作功过程中，可带走更多能量；
? G-M系统中，需要一个小马达来移动位移器，
而在 Solvay系统中，由膨胀气体来移动活塞。
G-M系统与 Solvay系统相比也有 优点,
? 位移器两端压差小，所以在 G-M系统中经位移
器的泄漏很少；
? 在 G-M系统中位移器和曲柄不用承受很大的力，
因此驱动机构可以十分简单，很少有振动的问题。
制
冷
原
理
与
技
术
? G-M系统的突出优点之一是它可实现 多级化 。多
级系统中的所有阀门都在室温下工作，三个位移器
由一个驱动机构操纵。
图 3-86
三级 G-M制冷机
三个位移器由同
一个驱动机构驱
动，在此制冷机
中可同时制取三
种不同的温度。
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.7 脉冲管制冷机
? 脉冲管制冷机 省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀
活塞，采用一根低热导的管子来代替，具有 结构简单、
运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低 等优势。
图 3-87
脉冲管制冷机
的演变与发展
制
冷
原
理
与
技
术
1,基本型脉冲管制冷机
2,小孔型脉冲管制冷机
3,双向进气脉冲管制冷机
4,多路旁通脉冲管制冷机
5,双活塞脉冲管制冷机
6,四阀式脉冲管制冷机
7,多级脉管制冷机
本节内容,
制
冷
原
理
与
技
术
1,基本型脉冲管制冷机
? 最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由 压缩机、
切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体 以
及脉冲管封闭端的 水冷却器 所组成。
图 3-88 基本型脉冲管制冷机原理图
1— 切换阀； 2— 回热器； 3— 冷端换热器；
4— 脉冲管； 5— 水冷却器； 6— 导流器。
? 基本原理是利用 高低压气体对脉冲管腔的充放气
而获得制冷效果的。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
? 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的
方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。
基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同
点,
脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在
一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西
蒙膨胀的容器内气体温度均匀；
充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封
闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容
器表面与外部环境的对流换热。
? 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是
室温运动部件外，在低温处无任何运动部件，因此
其 结构简单、运行可靠,但是其 制冷效率低 。
制
冷
原
理
与
技
术
?带有切换阀的基本型脉冲管制冷机,由于气
体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。
?可逆基本型脉冲管制冷机,直接利用活塞在气
缸内往复运动，使制冷系统内产生压力波动而导致
脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。
图 3-89 可逆基本型脉
冲管制冷机原理图
1— 活塞 2— 水冷却
器 3— 脉冲管 4—
负荷换热器 5— 回热
器
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-90 相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型
脉冲管内部压力波图。
a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管,
制
冷
原
理
与
技
术
?常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定
的运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。
其中的 能量平衡 有,
脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端
向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制
冷量。
H Q Hr c c? ?
H
AC
R Pu dtc
p? ?
?
?
10
? 脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于 P
和 u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小。
? 可逆基本型脉冲管制冷机的 最主要特点 是,将上
一个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的
能量一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，
这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。
(3.108)
(3.109)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-91 基本型脉冲管的能量传递及压力与流速
的相位关系
制
冷
原
理
与
技
术
2,小孔型脉冲管制冷机
? 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，
制冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。
H H ACR Pu dtc h p? ? ?? ? 2
0
? 考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大，
其压力基本稳定为系统的平均压力,热端的气体流向
取决于脉冲管与气库的压差 。
? 小孔对 P和 u的振幅有调节作用,小孔开度增大，
压力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中
冷端气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得
一定的相位需求，利用膨胀功制冷。
? 脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强 。
(3.110)
制
冷
原
理
与
技
术
3,双向进气脉冲管制冷机
无功气体,在小孔型脉管制冷机中，通过回热
器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应，
降低了回热器效率。 这部分不作功的气体在脉管中
来回震荡，既不通过小孔进入气库，也不从冷端换热器
进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩，但并不
产生制冷。
图 3-92 双向进气型脉管制冷机,
a)无阀压缩机驱动 b) 有阀压缩
机驱动
制
冷
原
理
与
技
术
4,多路旁通脉冲管制冷机
? 多路旁通 方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通
点处形成了一次膨胀制冷过程。
? 在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中，旁
通点成为制冷部位。其在低温区性能优越的主要原因
是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷，出现 两次
膨胀制冷过程 。
图 3-93 多路旁通脉冲管制冷机中的能量传递
制
冷
原
理
与
技
术
5,双活塞脉冲管制冷机
?双活塞脉冲管制冷机 能克服小孔调节作用对于 P和 u
的相位匹配并不是完美的缺陷，采用一配气活塞来调
节脉冲管中 P和 u的相位。
? 配气活塞与产生压力波的主活塞之间存在一定
相位差，两者的运动规律如下,
)]co s (1[5.0 ?? ??? ese VV
]co s1[5.0 ??? csc VV (3.111)
(3.112)
制
冷
原
理
与
技
术
6,四阀式脉冲管制冷机
图 3-94 四阀式脉冲管制冷
机的当量 P— V图
? 四阀式脉冲管制冷 机理可以由脉冲管中 P和 u
的变化来说明。根据四个阀门的开关变化，脉冲
管压力和脉冲管热端阀门两端的压力变化可定性
表示，图中压差的正负对应气体的流向。
图 3-95 四阀式脉冲管中压力
与小孔两端压差的关系
制
冷
原
理
与
技
术
7．多级脉管制冷机
? 为获得更低的制冷温度，可以采用 多级脉管制
冷 方案。脉管制冷机冷端无运动部件,不存在机械
运动的耦合，易于进行多级布置 。
图 3-96 三级脉冲管制
冷机结构示意图。 1 压
缩机,2 旋转阀,3
气库,4 小孔阀,5
双向进气阀,6 第一
级蓄冷器,7 第二级
蓄冷器,8第三级蓄冷
器,9 第一级脉冲管，
10 第二级脉冲管,11
第三级脉冲管,12 第
一级冷头,13 第二级
冷头,14 第三级冷
头,15 回热管,16
辐射屏,17 真空罩。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-97 两级脉管制冷
机结构示意图。 1 压缩
机,2 旋转阀,3 气
库,4 小孔阀,5 双
向进气阀,6 第一级
蓄冷器,7 第二级蓄
冷器,8 第一级脉管，
9 第二级脉管,10 第
一级冷头,11 第二级
冷头, 12 辐射屏，
13 真空罩。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-98 双小孔型
二级脉管制冷机
示意图。 1 第一
级蓄冷器,2
第一级脉管,3
第二级蓄冷器，
4 第二级脉管，
5,6 气库,7,
9 双向进气阀，
8,10 小孔阀，
11 第二小孔。
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.8热声制冷机
? 热声制冷机的基本工作原理,谐振管内的气
体受到声压作用产生绝热压缩和膨胀。处于热声板叠
左端的气团受到驻波的压缩，温度升高，向板叠放热；
在热声板叠的右端，由于驻波低压相的绝热膨胀,气团
的温度低于当地板叠温度，气团从板叠吸热,
?热声制冷机与热声驱动器的 不同之处,是热声板叠
上的温度梯度不同且具有较小的温度梯度。
图 3-99热声
制冷机原理图
制
冷
原
理
与
技
术
? 谐振管 的底部带有一
个球体，模拟管端是开口
的。 驱动器 为一动圈式扬
声器，装于热端 换热器 的
顶端。
? 驱动器活塞处正是驻
波压力的波谷，以便向谐
振管传输最强的声功，同
时驱动器产生的热量可直
接被换热器排除。压力波
的波节在谐振管与球体连
接的扩口处。
图 3-100 热声制冷机实验装置图
1.磁声线圈 2.冷却水夹套 3.
活塞 4.冷端换热器 5.塑料棒
6.热声板叠 7.热端换热器
制
冷
原
理
与
技
术
热声驱动器是一种没有机械运动部件的新
型压力波发生器。 脉管制冷机则是除了室温下的机
械压缩机之外，在低温区没有运动部件。因此若采用
热声驱动器取代脉管制冷机常规的机械压缩机就能构
成 从室温至低温均没有运动部件的新型制冷机。
平行板叠 共振管 脉管回热器 气库
小孔
制冷机部分驱动器部分
图 3-101 热声驱动的脉管制冷装置
制
冷
原
理
与
技
术
? 驻波型热声机的运行是 基于内部不可逆性的热力
学循环,其气体和板叠之间的不可逆换热导致的熵
产限制了驻波热声机的效率，其热力学效率往往不
可能很高。
? 行波热声机其过程是可逆的,因此行波热声机的
效率在理论上高于具有本征不可逆性的驻波热声机。
驻波和行波的区别,
相同,
由于速度是位移对时间的导数，故 速度振荡与
位移振荡都是相差 90度相位 。
不同,
不同之处在于驻波的压力振荡与位移振荡同相，而
行波的压力振荡与速度振荡同相。行波声场中的声
速波形和声压波形一致，相位差为零；而驻波声场
中的声速波形和声压波形相位差 90度。
制
冷
原
理
与
技
术
t
压力振荡 P
膨胀 压缩
冷却 加热
o
o
t
速度振荡 V
o
位移 S
t
t
加热 膨胀冷却 压缩
o
P
o
t
V
o
S
t
ππ
图 3-102 声波的位移、速度、压力振荡的相位关系图
(a) 驻波 (b) 行波
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.9 吸附式制冷机
? 用于低温温区的吸附制冷工质对只能采用低温
气体工质，吸附剂也主要采用 活性炭、分子筛 或一
些化学吸附物质。
? 由于采用 J-T节
流制冷方式，解吸
出的气体必须先经
预冷至转化温度以
下，否则不可能实
现低温气体工质的
液化。
图 3-103 常用吸
附式制冷工作对及
其工作温区
制
冷
原
理
与
技
术
本节内容,
1．吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程
2．吸附制冷循环及其热力计算
3．低温吸附式制冷机的设计原则
4,典型的吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
1．吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程
?对低温气体的吸附可以由 Polanyi吸附势理论表述,
2)ln (
cr
cr
T
T
p
pRT ??
??
?对于活性炭吸附氖气和氮气吸附势方程为,
?饱和压力 ps (Pa)和温度 T(K)的关系可以表示为,
2)ln (
p
pRT s
?? ?
NeTp s,57.81268.8lg ?? 2,3.3069 5 5 8.8lg NTp s ??
?采用经验拟合所得到的吸附率方程经验关系式为,
)e x p ( ??? ?? bMx
(3.113)
(3.114)
(3.115)
(3.116)
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-7示出了各种低温气体对应于活性炭 (椰壳炭 )
的吸附率方程常数。式中下标 T表示整个吸附剂
所占体积内的吸附，下标 E则表示吸附剂有效吸
附体积内的吸附。
气体 ? M/b ? ?
H2 xE
xT
4.4?10-2
5.65?10-2
0.563
0.731
0.060
0.063
Ne XE
xT
0.64
0.46
0.539
0.388
0.152
0.128
N2 XE
xT
0.55
0.56
0.758
0.772
0.118
0.108
表 3-7 活性炭对几种低温气体吸附率方程常数
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-104 活性炭和沸石吸氮的等温吸附线。 a) 13x-N2,b)C-N2
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-105 LaNi5-H2的等温吸附线
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-106 LaNi4.8Sn0.2Hx,ZrNiHx和 VHx
的等吸附率图 (Van’t Hoff 图 )
制
冷
原
理
与
技
术
2．吸附制冷循环及其热力计算
? 温度降低
和压力升高可
以使得吸附率
增大。吸附床
可以用作为压
缩机，也可以
用作为抽气泵。
图 3-107 分子筛
对氮气的吸附等
温线及其吸附式
制冷循环过程的
表示
?吸附式制冷机的制冷量, )( 15 hhmQ ?? ? (3.117)
制
冷
原
理
与
技
术
加热
冷却
加热
冷却
预冷
逆流式热
交换器
冷负荷
吸附器
A
吸附器
B
冷腔
图 3-108
采用 2组吸附器的 J-T节流
图 3-109
J-T节流吸附式制冷机的 T-S图
制
冷
原
理
与
技
术
1 吸附剂质量 m的确定
? 气体质量流量，该值与吸附床温升过程及吸附床
中吸附剂质量 m有关,
? 一般来说,m是吸附剂温度 T和吸附床压力 p的函数 。
温升速率是与吸附床结构设计紧密相关的参量，如果
设计中通过加强吸附床导热 (传热强化 )，可以显著地
增大温升速率，从而减小吸附剂质量需求。同样，如
果所选择的吸附剂对气体工质的吸附等压线很陡 (即吸
附率随温度变化很敏感 )，则也可以有效地减小对吸附
剂质量的需求。
dt
dT
T
x
m
m
p)( ?
??? (3.118)
制
冷
原
理
与
技
术
2．吸附器容器质量的确定
? 可以根据筒体最大内压 P和金属材料胡克应力
?来关联吸附器质量 ms与吸附剂质量 m之比,
??
? P
m
mX ss 2?? (3.119)
制
冷
原
理
与
技
术
3,加热功率设计
? 压缩过程中,与加热面相对的百叶窗开启，而与
冷源相对的百叶窗关闭，这样，热量就传递给了吸附
床热压缩机；
? 在减压降温过程中,与加热面相对的百叶窗关闭，
而与冷源相对的百叶窗开启，这样热量就从压缩机传
递给了外部。
?如果忽略加热气体本身所消耗的热量
ppspp
h
pssph
T
x
XCCu
T
x
m
Q
um
dt
dT
Cm
dt
dT
mCQ
)/(])[(
)()(
?
?
???
?
?
?
????
?
?
吸附热可以根据 Clausius-
Clapeyron 方程来计算
cT
pRu
??
?
??
?
?
????
)/1(
ln
(3.120)
制
冷
原
理
与
技
术
? 如果吸附床加热解吸通过一恒温源 T*向吸附床
热辐射来实现，设吸附床热压缩机温度为 Th，辐射
传热面是黑体，面积为 Ah,辐射角系数为 1,则,
)( 44* hhh TTAQ ?? ?
)]([)(
)(
44*
hp
pspp
h
TT
T
x
XCCu
T
x
m
A
?
?
?
???
?
?
?
?
?
? 吸附热压缩机冷却时，吸附单位质量气体所需排
放的热量。假设吸附床向绝对零度的环境中进行热辐
射，得,
4
)(
)(
cp
pspp
c
T
T
x
XCCu
T
x
m
A
?
?
?
???
?
?
?
?
(3.121)
(3.122)
(3.123)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-110 气体吸附式压缩机的百叶窗设计
图 3-111 吸附床压力和温度对热量需求的关系
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-112 吸附压缩机温度对换热面积的影响
制
冷
原
理
与
技
术
4．温度循环设计
? 制冷工质确定后，吸附压力 (低压 )就受制冷温度
限制，可以认为是一个设计常数。因此只有解吸压力
可调。解吸压力越高，系统气体流量需求就越小，当
然 T4温度也越高。
? 如果 T2固定 (冷却温度 ),则有一温度
循环，,这是吸附剂为了获得气体吸附浓度差，所必
需的；对应的在解吸过程中为了解吸出气体，造成对
应的吸附浓度差，过程 3-4也经历了一个温度循环。循
环温差加大或 T2降低均会促使循环吸附量的提高。从
质流量角度看,T2越低越好，但从传热角度看 T2高可
以有效地减小传热面积。 吸附式制冷机循环最大温差
为 。
24m a x)( TTT ???
21)( TTT sw ing ???
制
冷
原
理
与
技
术
5,循环时间
? 吸附剂吸附气体，实现吸附率差所需的时间为,
x
m
mt ???
?
? 根据具体吸附式制冷机的构成方式可确定其相
应的循环周期计算方法。低温吸附式制冷机往往采
用了 2台,4台,8台吸附器,以充分地回收热量，提
高吸附式制冷的效率。 相应的循环时间表示方式也
有所不同。
(3.124)
制
冷
原
理
与
技
术
6,制冷系数
?吸附式制冷循环的制冷系数,
hQ
QCO P ?
? 早期 的空间用低温吸附式制冷机中，较多地考虑
采用余热对吸附器加热、采用对外层绝对零度空间的
热辐射对吸附器进行冷却，很少用回热循环。
? 然而 近年来,在低温吸附式制冷机研究开发中已
经较多的受吸附式空调制冷的影响,高效回热循环 方
面已经有成功实例。
图 3-113
吸附式制冷机
与机械式制冷
机的比功耗比
较
(3.125)
制
冷
原
理
与
技
术
7,回热回路设计
回热措施即使高温吸附床降温的显热和吸附过程
中产生的吸附热传递给低温吸附床，提供低温吸附
床部分热量（回热量 ）。
? 回热循环的制冷系数 COP与基本循环制冷系数
COP的关系为,
? 吸附式制冷系统中还采用 回质循环方式,即在高
压解吸吸附床与低压吸附吸附床之间串接了一连接管
道和阀门，使二台吸附器平衡在一接近于平均压力的
中间压力下，这样会造成高压解吸床解吸更充分 (受
抽吸 )，而低压吸附床则产生了附加吸附，因而循环
吸附率变化可以增大，制冷量可以提高。
r
CO PCO P
r ?? 1
(3.126)
制
冷
原
理
与
技
术
? 具有传热流体的吸附筒 结构，在不锈钢筒内它
充填了泡沫铜活性炭，吸附筒外钎焊了盘管换热器，
管内流体为氦气。为了强化传热，泡沫铜吸附床也
与吸附筒内壁通过钎焊连接成一体。利用这种方式
的吸附筒可以方便地构筑回热型吸附式制冷机，以
提高吸附式制冷机的制冷系数 。
图 3-114 回热型吸附式制冷机所采用的吸附筒结构
制
冷
原
理
与
技
术
? 采用回热型吸附式系统需要构建加热 /冷却流
体回路，以实现对多个吸附床之间的热量传递 。
图 3-115 多吸
附床回热型吸附
式制冷机的换热
流体回路构成
制
冷
原
理
与
技
术
? 回热型吸附式制冷机 换热流体回路 的工作充分
利用了换热流体的热量，使得外部输入热量或向外
界耗散的热量有较大幅度的减小，因而这种回热型
多床系统制冷系数可以有较显著的提高。
加热
冷却
预冷
加热
冷却
预冷
预热
预热
切换
解吸床
吸附床
吸附床
解吸床
图 3-116 加热 /冷却流体回路设计 (8台吸附器 )
制
冷
原
理
与
技
术
3．低温吸附式制冷机的设计原则
如果可能，尽量 采用化学吸附代替物理吸附,化学吸
附往往在高温热源下工作，其效率较高，这样的话排
热系统可以做得较轻。
如果 采用物理吸附,尽可能 采用沸点高的气体作为工
质,这样其与吸附剂间的范德瓦尔斯吸附力会大些，
因而不需要过高的操作压比。 吸附剂应具有吸附率大、
吸附空隙容积小的特性,这样可以减小对总耗能的需
求，并使得制冷效率得到提高。
尽量 在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却,吸附
式压缩机散热应通过热辐射或对流方式进行，尽量避
免采用其它形式制冷源来冷却。
对制冷气流应 尽可能降低温度,甚至在其到达 J-T节
流阀前使其液化，这样可以有效地提高 J-T节流冷却装
置的节流效果。
制
冷
原
理
与
技
术
?JPL的 LaNi5-H2吸附式制冷机用节流系统,节流阀
的开启度由节流阀上、下流的压差和弹簧的预紧力所
决定，其原理和开启压力可调节的自动旁通阀 (或自动
压力调节阀 )一样，这种调节阀的优点是比小孔节流阀
的抗堵性能好。
图 3-117 JPL
氢制冷系统节
流阀。 1-金属 -
聚四氟乙烯圈，
2-可动阀芯，
3-弹簧力调节
螺母,4-温度
计,5-液氢罐，
6-加热器 (模拟
热负荷 ),7-解
冻加热器。
制
冷
原
理
与
技
术
? 氢吸附式制冷机节流阀结构,它采用了侧向出
气形式，节流阀的通量通过弹簧预置，显然它也需
要一定的压差驱动。
图 3-118 AESC氢制冷系统节流阀。 1-调节螺母,2-锁
紧螺母,3-后盖,4-弹簧,5-球体 (6.35mm)。
制
冷
原
理
与
技
术
? 热开关型吸附器,加热器在吸附筒中心，筒外为
低温热沉，吸附筒和热沉之间为气体间隙型热开关。
气隙式热开关与各种热开关相比，非常适用于吸附式
压缩机。
图 3-119 热开关型吸附筒结构示意图。 1-气体间隙式热开关
(0.25~2.5mm),2-加热器,3-吸附剂,4-辐射屏,5-热沉，
6-进气阀,7-排气阀
制
冷
原
理
与
技
术
4,典型的吸附式制冷机
(1)活性炭 -甲烷物理吸附制冷机 (110K-150K)
?在 110K-150K温区内，从长寿命、无振动角度考虑，
采用活性炭 -甲烷物理吸附制冷机是比较有效的。
图 3-120 活性炭 -甲
烷物理吸附制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
? 提高吸附式制冷机的热效率，可以通过 回热设
计 来实现回热型制冷循环，对于 C/CH4吸附式制冷机，
采用回热设计比功率获得了较大提高。
? 制冷机采用了四台吸附式压缩机，吸附压缩机
的加热解吸和冷却吸附由特定设计的 流体回路 实现，
并 采用回热 。
图 3-121,2W,137K
回热型吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
(2)镨铈氧化物 (Pr1-nCenOx,PCO)化学吸附制冷机
?采用 活性炭 /甲烷作为第一级吸附式制冷, PCO-O2是
一种非常稳定的化学吸附工作对，其循环工作次数在
上万次时，吸附性能也不会有明显衰减
图 3-122 PCO-O2
化学吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
? 采用活性炭 -氪气 (C/Kr)物理吸附压缩机作为第一
级,PCO-O2是作为第二级的低温吸附制冷系统，制冷机
以 PCO为吸附剂，以氧气为制冷剂，其吸附方式为化学
吸附，吸附 /解吸完全可逆。
图 3-123,二级
80K/140K吸附式
低温制冷机系统
制
冷
原
理
与
技
术
(3) 金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机 (14K-30K)
?金属吸氢材料 -氢吸附式低温制冷机他们采用了
LaNi5作为吸附剂吸附氢气,获得了 20K的低温 。
图 3-124 金属
吸氢材料吸氢
吸附式制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-125,25K吸附式制冷机系统。 1-吸附床； 2-斯特林制冷机； 3-
电控箱； 4-传输杆； 5- 高电子迁移晶体管接收放大器,6-冷头，
7-J-T节流阀,8-热交换器,9-波导管,10-高压容器,11-低压床。
?25K吸附式制冷机系统以 四个吸附床 构成吸附压缩
机，采用 作为吸氢材料，并构造了附加
吸附压缩机以通过冷却和加热来控制 吸
附压缩机中气相空间热开关以免去阀门的操作 。
LaNi Sn4 8 0 2.,
LaNi Sn4 8 0 2.,
制
冷
原
理
与
技
术
(4) SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附低温制冷机 (7K-10K)
? 为了 获得 7K-10K的
低温,可以通过对 LH2
的减压来实现，通过低
压吸氢材料 (如钯 )吸氢可
以将氢气饱和蒸汽压降
得很低。
? 如采用两只液氢杜瓦，
通过采用热开关进行切
换，就可以使得低温器
件连续保持在 10K温度
下。
低压吸氢材料
10K 固态氢
升华氢气
氢气气流
图 3-126 SH2金属吸氢材
料吸氢
制
冷
原
理
与
技
术
?10K间断式氢气吸附式低温制冷系统,采用了 60K左右
的冷源预冷，以 为吸附剂使氢气在 24-30K
的 J-T中间制冷级循环，并采用 ZrNi吸氢材料达到真空
低压（压力小于 2毫米汞柱 )，通过对液氢的吸附使液氢
降温并固化，最后通过固态氢的升华达到 10K的低温。
LaNi Sn4 8 0 2.,
图 3-127,10K间断式氢气吸附式低温制冷系统。
LPSB-低压 ZrNi吸附床,HPSB-高压吸附床
制
冷
原
理
与
技
术
(5) 其它低温吸附制冷机
? 采用低压吸氢材料吸附氢气，使得液氢固化，
固态氢气升华制冷的特殊办法，就必须采用氦制冷
工质，让高压氦气通过 20K或更低温度预冷。
?磁制冷，采用顺磁盐材料绝热去磁。
?采用氦机械压缩机让氦在室温下排热，系统采用
多重复叠制冷可以满足氦制冷要求。
要获得 4K-5K的低温，有 2种可能的办法,
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.10 磁制冷
?顺磁物质可代替气体或液体，磁场可代替流体的膨
胀来得到低温。 图 3-128 实现绝热去磁过程的装置
制
冷
原
理
与
技
术
? 热去磁过程只能在极低温下实现，若要实现显
著的温降，晶格热必须远小于顺磁盐的磁极熵。在
极低温下,晶格熵 为,
? ?s R T D晶格 ? 77 9 3,( / )?
?最大偶极子熵 为,
? ?s H R偶极子,? ?0 2ln
?为确保绝热去磁过程成功的 温度条件 为,
77 9 0 01 23,( / ) (, ) lnR T RD? ?
?温度上限 T0为,
T D D0 1 32 7790 0 0446? ?? ?[ ( l n ) / ],/
(3.127)
(3.128)
(3.129)
制
冷
原
理
与
技
术
?要维持温度低于 1.0K所采用的绝热去磁制冷机如图，
制冷循环为卡诺循环但由于环境漏热及磁场变化需一定
时间的不可逆性,引入了绝热过程的熵增和理想等温过
程的温升。
图 3-129 磁制冷机 图 3-130 磁制冷机的热力循环
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-131 磁制冷机的实际和理想性能
制
冷
原
理
与
技
术
?理想状况下，从储存盐中吸热量为,
Q mT s sa ? ?3 4 3( )
?理想情况下，工质盐对外放热为,
Q mT s s mT s sr ? ? ? ? ?1 2 1 2 4 3( ) ( )
?对整个循环应用第一定律，循环净功为,
W Q Q m T T s sn e t a r? ? ? ? ? ?( )( )1 3 4 3
?理想磁制冷机的 COP同卡诺制冷机的相同。
?磁制冷机可以在失重状态下运行。
(3.130)
(3.131)
(3.132)
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.11 稀释制冷机
稀释制冷机用超流氦 -4稀释氦 -3的办法来制冷。
图 3-132 氦 -3/氦 -4稀释制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
? 气体（纯氦 -3）
由真空泵压缩，后
在换热器和 4.2K的
液氦浴中冷却。压
缩气体然后通过
1.2K的氦浴冷却而
冷凝。液氦 -3经一
毛细管膨胀，进一
步在冷却。液体进
入混合室（氦 -3在
0.005K和 0.050K间
与氦 -4混合）之前
在另一换热器中冷
却。
图 3-132 氦 -3/氦 -
4稀释制冷机
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3-133 氦 -3/氦 -4混合物的相图
? 在混合室中，液
体分离成两相 — 氦 -3
的稀释相和氦 -3的浓
相。氦 -3分子从浓缩
相膨胀到稀释相（向
稀释相扩散），混合
物的温度下降，而混
合室从低温区吸热以
维持定温。
