几种制冷技术机理的研究0001

1、邯郸学院本科毕业论文题 目 几种制冷技术机理的研究 学生 指导教师师年 级 2009 级专 业 物理学二级学院 物理与电气工程系系、部）邯郸学院 物理与电气工程系2011年5月郑重声明本人的毕业论文是在指导教师郑燕老师的指导下独立撰写完成 的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为， 本人愿意承担由此产生的各种后果， 直至法律责任，并愿意通过网络 接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文作者（签名）：年 月曰I摘 要 本文详细阐述了四种不同的制冷技术，即吸收式制冷、激光制冷、 半导体制冷、 磁制冷。 在阐述这四种制冷技术机理的同时对它们各自的特点、 用领域、研究现状和未来的发展

2、前景作了简单的介绍并将其作了优略比较。关键词 吸收式制冷 激光制冷 半导体制冷 磁致冷2Mechanism of several refrigerationtechnologyZhang Jing Driected by Lecturer. Zheng YanAbstract This paper describes four different types of refrigeration technology, the absorption chiller, laser cooling, semiconductor refrigeration, magnetic refrigeration

3、. In explaining the mechanism of the four while cooling technology and their features, applications, current status and future prospects are briefly made them excellent introduction to a little comparison.Key Words Absorption refrigeration Laser cooling Semiconductor refrigeration Magnetic refrigera

4、tion目录摘 要 .I Abstract .I.I.1 引言 . 12 背景介绍 . 13 吸收式制冷 . 13.1吸收式制冷的原理 . 13.2吸收式制冷技术的应用 . 24 激光制冷 . 24.1激光制冷原理 . 24.2数学表述 . 34.3激光制冷技术的发展与现状 . 35 半导体制冷 . 45.1半导体制冷原理及特点 . 45.2半导体制冷技术的应用 . 56 磁制冷 . 56.1 磁制冷的基本原理 . 56.2磁热效应（MCE ）的表征参数及测试方法 .66.3磁制冷机的研究进展 .76.4开发磁制冷技术需解决的问题 .77 四种制冷技术优略的比较 . 87.1原理及制冷效率的比

5、较 .87.2材质及制冷装置的比较 .87.3应用领域的比较 . 87.4四种不同制冷技术的特点 . 88 展望 . 9参考文献 . 9致 谢 . 101几种制冷技术机理的研究1引言随着科学技术的发展 ,制冷技术已渗透到从日常生活到衣、食、住、行到尖端科技的各 个领域。 100 多年来 ,新的制冷技术层出不穷、飞速发展 ,本文将简单介绍目前的主流制冷技 术。由于对环境保护的需要和不同行业对制冷的不同要求， 制冷业也开始走向多元化。 为了 解决以上问题， 制冷业在近几年有了很大的发展， 吸收式制冷利用热源作为制冷原动力无噪 音、寿命长。 激光制冷技术在空间技术和航空航天领域有着独特的优势。 半导

6、体制冷适用于 许多高新尖技术领域， 磁制冷在极低温下发挥了很好的作用。 制冷行业的发展正在不断满足 我们社会发展的不同需求。2背景介绍制冷技术的发展史分为三个阶段。第一阶段（从1830年一 1930年）：主要采取NH3、HCS、CO2 、空气等自然物质作为制冷剂，在制冷工艺中主要采取蒸汽压缩制冷，卡诺逆循环在其中得到了很大的应用，该阶段持续了一百年之久。 随着CFCS口 HCFC作为制冷剂（即氟里昂）使用，进入了制冷技术发展的第二个阶段（从1930年一 1990年）。在这一阶段一系列适应不同工作温度范围的氟里昂制冷剂迅速应用到制冷领域，大大促进了制冷和空调技术的发展。然而科学研究表明， 人类活

7、动排入大气中的一些溴氯氟烷烃等化学物质进入臭氧层与 臭氧发生化学反应， 将导致臭氧损耗， 也就是说广泛用于冰箱和空调制冷的氟里昂对臭氧层 的破坏作用是不可忽略的。 臭氧层中臭氧含量的减少， 导致大量的紫外线毫无阻挡地照射到 地表， 严重损害动植物的基本结构， 降低生物生产量，导致气候和生态环境发生异变， 尤其 是对人体健康造成重大损害。 鉴于以上原因， 各国开始计划淘汰氟利昂的使用， 并不断的开 发和鼓励使用新的制冷挤、 研发新的制冷技术。 本文将 1990年到现在制冷技术的发展视为第 三个历史阶段。 这一阶段， 为了解决环境问题和适应不同制冷行业的需求， 出现了新的制冷 剂和新的制冷技术。本

8、文除了介绍传统的吸收式制冷，还将重点介绍磁致冷和半导体制冷。3吸收式制冷吸收式制冷是利用液态制冷剂在低温、低压条件下，蒸发、汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制 冷效应，因此被称为吸收式制冷。3.1 吸收式制冷的原理 由克拉珀龙方程可知 ,沸点和压强之间一般存在如下关系 : 沸点随压强的增加而升高 , 随压强的 减小而降低。根据这一特性人们制造出了一种吸收式制冷机 , 现在以一款常见机型说明其原理。在发生器内加热氨水浓溶液 ,分解出氨气和部分水蒸气 （图1） , 通过热虹吸管进入汽液分离器。 分离出的稀溶液重新返回吸收器 , 氨气和部分水蒸气则沿管道上升。 水蒸气通过精馏器时被冷凝分离 然后返回发生

9、器 , 氨气则继续上升至冷凝器冷凝成液态氨。 液氨流入蒸发器 , 与其中的高压氢气相遇。 在蒸发器内一定的总压力下 ,氨的分压力骤然下降 , 液态氨立即沸腾、 蒸发吸热 ,使机内温度下降。 蒸 发的氨气扩散到氢气中 , 形成氨氢混合气体 , 并沿气体热交换器管道向下流动进入吸收器。吸收器中 的氨被由汽液分离器返回的氨 - 水稀溶液所吸收 , 变成氨水浓溶液流回发生器。 剩下的氢气由于密度 小, 便向上流回蒸发器。如此不断循环 , 便获得了连续的制冷效果。2图氨水的吸收式制冷图吸收式制冷机的最大特点是利用热源作为制冷原动力，因吸收式制冷机没有压缩机，所以无噪音、寿命长、不易发生故障。但在使用时机

10、器一定要水平放置，周围应留有足够空间散热，环境温度也不能太高，否则会影响制冷效果。3.2吸收式制冷技术的应用吸收式制冷与蒸汽压缩制冷的原理相同，都是利用液态制冷剂在低温，低压条件下，蒸发，汽 化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应。不同的是，吸收式制冷是利用制冷剂与吸收剂组成的二元 溶液为工质对完成制冷循环的，可供考虑使用的制冷剂与吸收剂溶液很多，但较为常用的只有氨水 溶液，溴化锂水溶液。由于氨具有刺激性臭味，且氨水吸收式制冷机热效率低，体积庞大，故一般 用于工业工艺过程。目前，应用最广泛的就是溴化锂吸收式机组。吸收式制冷所需的驱动能源是热 能，可以为蒸汽，燃料的燃烧热，热水，工业或生活余热，太阳

11、能，地热能等。随着吸收式制冷研究的进展，技术的不断进步与国家能源结构的调整，溴化锂吸收式机组的应 用主要集中在热电冷联产、直燃型吸收式冷热水机组、蒸汽型吸收式冷水机组、热水型吸收式冷水 机组、太阳能吸收式机组等方面。4激光制冷激光制冷技术利用了反斯托克斯荧光制冷。可以产生反斯托克斯荧光的材料必须具有发光中心，发光中心是指在某种条件下能够发射光子的原子、分子、离子和缺陷，这些发光中心吸收能量较低 的光子，然后发射能量更高的荧光光子，两种光子之间的能量差来自材料的热激发，而这种能差会 随着荧光的反斯托克斯发射将能量从材料带走，从而实现了对材料的制冷。这种吸收能量较低的光 子后发射能量较高的光子的过

12、程称为反斯托克斯荧光过程，所发射的荧光称为反斯托克斯荧光。4.1激光制冷原理激光制冷利用高相干、高单色性和高能量密度的激光作为激发光进行泵浦，如图1所示，这个过程可以描述如下：当发光中心受到光激发，从基态跃迁到激发态的较低能态子能级；激发态 的Stark劈裂能级间的距离最大只有几个kT, k为玻耳兹曼常数，T为制冷时的绝对温度。由于激发跃迁，激发态劈裂能级间的热平衡被破坏，在极其短暂的时间内（几个皮秒或更快），这些劈裂能级通过吸收声子，重新达到热平衡；处于激发态的粒子会快速以辐射跃迁的方式弛豫到基态能量较 低的劈裂能级，荧光辐射弛豫一般发生于纳秒到毫秒量级的时间尺度内，比激发态之间的热平衡要

13、慢得多；由于辐射跃迁，基态劈裂能级间的热平衡也被破坏，发生与过程相似的热弛豫。3Excited stateGround state图4.1原子的荧光制冷过程示意图Fig.1 Diagram of the atomic processes that produce Fluoresce nt cooli ng由于发射的荧光光子的平均能量比吸收的激发光子的平均能量大，这个能量差就是受激能级之 间达到热平衡所需要的热吸收，并且被固体材料所发射的荧光带走，造成了制冷效应。半导体材料 激光制冷的基本原理与此略有差异1:泵浦光子与半导体材料相互作用产生冷的自由载流子（电子与空穴），然后在极短的时间内（皮秒量

14、级），自由电子与空穴通过声子散射吸收材料晶格内部的 热量，这样冷的自由载流子就转变为热的自由载流子，最后热的载流子通过复合形成能量更高的光 子放出，从而实现了半导体材料的激光冷却。通过反斯托克斯荧光发射对介质材料进行激光制冷必须具备以下条件：材料具有光致发光的荧 光中心；长波长的光为激发光，短波长的光为发射光；发光中心的辐射跃迁的量子效率接近100%即要求介质具备比较宽的能级间距，具有非常高的纯净度，从而抑制无辐射驰豫所引起的热效应； 基态和激发态中的多重态间的能量间距需较小，保证多重态在平衡受扰动时能以声子形式吸热而迅 速恢复平衡；泵浦激发波长的选择要尽可能调谐到材料吸收光谱的红边，以便发生

15、有效的反斯托克 斯荧光过程2。4.2数学表述在理想情况下，当原子在从激发态到基态之间跃迁的过程中没有以非辐射方式损失能量，根据 能量守恒定律，原子每吸收一个泵浦光光子，就产生一个荧光光子，并且该荧光光子的平均能量等 于损失的热能加上泵浦光子的能量。于是，荧光制冷功率pcool与吸收的泵浦光功率 pabs有以下关系：PcoolPabsF九F(4.1)式中： P是泵浦光子的波长； F是有效平均出射荧光波长。激光冷却的效率可以定义为:PcoolcoolPabs P(4.2)计算实际的制冷效率时还要考虑量子效率和非辐射跃迁引起的寄生产热【3。4.3激光制冷技术的发展与现状1929年，Pringshei

16、m最先提出了通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的思想。451946年，著名物理学家朗道根据热力学原理，证明利用反斯托克斯荧光对材料进行制冷是可行的。随着激光器的发明，利用激光作为光源进行反斯托克斯荧光制冷成为了可能。1968年，Kushida 和Geusic在贝尔实验室利用Nd3+:YAG激光器泵浦另外一块 Nd3+:YAG样 品，但是由于技术和条件上的限制，同时由于Nd3+离子在激光的激发态能级的附近存在着一些其他的4f带，促进了无辐射跃迁的发生，因此，没有观察到制冷效果。1981年，N. Dieu等人利用CO?激光器激发CO?气体，使其动态跃迁，首次在实验中观察到 了气体的反斯托克斯荧光制冷

17、现象。1995年，激光制冷在实验上获得了历史性的进展，美国LosAlamos国家实验室的Epstein等人,利用掺杂Yb3二重金属氟化物玻璃 ZBLANPS行激光冷却，实验得到了相对于室温0.3K的降温，从而第一次得到了净制冷的激光冷却。此后，该小组又利用此种重金属氟化物玻璃相继获得了相对于室 温 16K、21K、65K、90K 的温降。除了重金属氟化物玻璃，在实验上还观察到了掺杂 Yb3二的其他基质材料的激光冷却现象，例如,以KGd（wO4）2晶体、YAG!体、等为基质材料。同时，利用其他材料的激光冷却也获得了很大进展， 分别实现了 Tm3箱子掺杂的固体材料、液体染料激光材料以及半导体材料的

18、激光制冷实验。5半导体制冷半导体制冷（Semiconductor ref refrigeration）、电子制冷、温差制冷或者热电制冷，是上世纪60年代后迅速发展起来的一项制冷技术。与普通制冷技术不同，半导体制冷不采用压缩机和制冷剂，不依赖制冷剂的相变传递热量，在直流电流通过具有热电转化效应的导体组成的回路时，利用热量转移特性制冷，是一种科技含量高的全新制冷技术。半导体制冷系统无压缩机和制冷工质、结构简单、成本低、寿命长、绿色环保，工作过程无振动、无噪音，也不必担心工质泄露破坏大气层，目前已在低温超导技术、 低温生物学、低温外科学，低温电子学，通讯技术，红外技术，激光技术，以及空间技 术等领域

19、广泛应用。5.1半导体制冷原理及特点热电效应是半导体制冷的最基本依据，其中最著名的是塞贝尔效应和珀尔帖效应。1821年塞贝尔发现在用两种不同导体组成闭合回路中，当两个连接点温度不同时（T1T2），导体回路就会产生电动势（电流），即塞贝尔效应（图1）。1834年，法国科学家珀尔帖在此基础上做了一个相反的实验：用两种不同导体组成闭合回路，并通直流电，连接处出现了一端冷、 一端热的现象，即珀尔帖效应。显然其本 质就是塞贝尔效应的逆效应 （图2）。金属1金属2图5.1赛贝尔效应吸收热量Q图5.2珀尔帖效应普通金属导体的珀尔帖效应微弱，制冷效果不佳。例如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好 的锑-铋（S

20、b2Bi）热电偶做成制冷器，但其制冷效率还不到1 % ,根本没有实用价值,因此珀尔帖效应 长时间不受重视。但是随着材料科学的进一步发展，人们发现半导体材料的珀尔帖效应远强于普通金 属。由3块金属板（1 、2、3）和一对电偶臂（由一块P型半导体和一块N型半导体构成）组成的热 电偶，在通以图3所示的电流时，金属板1会从周围吸收热量，而金属板2、3则释放热量。金属板1 作为工作端可达到制冷目的，将电源极性反过来（即通以反方向电流），金属板2、3吸收热量，金属 板1释放热量，还把板1作为工作端，就是制热器了。实验表明，与普通金属相比，半导体电路的珀尔 帖效应明显增强。图3中这对电偶制冷量很小，通常只有

21、几百毫瓦到二三瓦之间，一般不能满足制冷需要。为了得到更好的制冷效果，通常串联、并联、混联上述电偶组成制冷电堆，获得数瓦到数千瓦的制冷量。5.2半导体制冷技术的应用半导体制冷的特点，使其在常规制冷无法满足需要的很多场合应用广泛。半导体冰箱上世纪50年代，前苏联就开始研制容量约10L左右的小型半导体冰箱。与通常冰箱 相比，其最大优势在于体积小、易携带、无管道回路系统、能承受较大颠簸等。目前已大量用于车载 型冷暖箱、宾馆客房及办公室等的小冰柜，如日本松下公司开发的“珀尔帖半导体制冷式酒柜”，可容纳36瓶红酒，能满足一般人对红酒收藏的要求。我国河北节能公司推出的“新生活”系列半导体 制冷设备更是从一开

22、始就考虑了不同消费群体的需要，相继推出床头柜型、茶几型、车用型、旅行型等不同用途的半导体冰箱。此外，该技术还可用于高真空技术、工业气体含水量测定、温度测定、红外技术、激光技术、高紧密科学仪器以及空间技术等 领域。6磁制冷磁制冷方式是一种以磁性材料为工质的制冷技术，其基本原理是借助磁致冷材料的可逆磁热效 应，又称磁卡效应（Mag neto Caloric Effect，MCE）放出热量，而绝热退磁时温度降低从外界吸收热量，从而达到制冷目的。6.1磁制冷的基本原理由磁性粒子构成的固体磁性物质，在受到外磁场的作用被磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵 减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁

23、熵增大），又要从外界吸收热量。这种 磁性粒子系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为磁热效应。磁热效应是所有磁性材料 的固有本质，图1所示的T-S图表示了铁磁物质在磁有序化温度（居里温度Tc）附近的磁热效应。图中水平方向箭头 丄Tad表示绝热温变，竖直方向箭头SM表示等温磁熵变，它们分别可用来表征MCE的大小。图1热磁效应51GD示意图6dSCHdT:MdH(6.1)其中，恒磁场下的磁比热CH=T；一(6.2)绝热条件下，dS =0 ,dH(6.3)等温条件下,dT =0 ,积分得SM (T，H)H2 MHIdH(6.4)等磁条件下,dH =0 ,常压下，磁体的熵S(T,H)是磁场强度H

24、和绝对温度T的函数,它由磁熵SM(T,H)、晶格熵SL(T)和电 子熵SE(T) 3部分组成,即S(T,H)=SM(T,H)+SL(T) + SE(T)可以看出，SM是T和 H的函数，而SL和SE仅是T的函数。因此当外加磁场发生变化时，只有磁熵SM随之变化，而SL和SE只随温度的变化而变化，所以SL和SE合起来称为温熵 ST ,于是上式可以改为：S(T,H)=SM(T,H)+ST(T)在绝热过程中，系统熵变为零，即：AS(T,H)=g (T,H)+AST(T) = O绝热磁化时，工质内的分子磁矩排列将由混乱无序趋于与外加磁场同向平行，根据系统论观点，度 量无序度的磁化熵减少了，即厶SM 0，所

25、以 ST 0，故工质温度升高；当绝热去磁时，情况刚好相反，使工质温度降低，从而达到制冷目的。这种制冷方法就是绝热去磁制冷法，也就是我们所 说的磁制冷。不断发展的制冷行业，越来越体现理论的基础性。现在着重以传统的蒸汽压缩式制冷、 磁致冷、热电制冷为例，突出热力学知识在制冷技术中的应用，强调理论知识的基础性。6.2磁热效应(MCE )的表征参数及测试方法磁制冷材料的性能主要决定于以下参数：磁有序化温度一一磁相变点(如居里点Tc、奈尔点TN等)、一定的外加磁场变化下磁有序化温度附近的磁热效应。磁有序化温度是指从高温冷却时，发 生诸如顺磁-铁磁、顺磁-亚铁磁等类型的磁有序化(相变)的转变温度。磁热效应

26、( MCE 般用等 温磁熵变厶SM或绝热温变 Tad来表征。一般对于同一磁致冷材料而言 ，外加磁场强度变化越大，磁热 效应就越大；不同磁致冷材料在相同的外加磁场强度变化下，在各自居里点处| SM|或ATad越大，表明该磁制冷材料的 MC就越大。根据热力学推导，可得(6.5)以上是MCE的热力学构架，只要能通过实验等方法测得M(T,H)和CT(H,T)，就可根据它们求解出-Tad 和匚SM。6.3 磁制冷机的研究进展根据温度的不同，可将制冷温区划分为极低温区（趋于0K）、低温区（15K）、中温区（15-77K）和高温区（77K及室温区）。同样，磁制冷机的研究也分为这样4个区。7在低温温区（15K

27、），由于磁制冷材料的晶格熵可忽略不计，这方面的研究到上世纪80年代末已经非常成熟。由于中温温区是液氢的重要温区，而绿色能源液氢具有极大的应用前景，所以该温 区的研究受到了广泛重视。对于高温温区，研究的重点在室温温区。在室温范围内，磁制冷材料的晶格熵很大，如果不采 取措施取出晶格熵，有效熵变将非常小；另外，在室温范围内强磁场的设计以及换热性能的加强都 是很关键的。总之，室温磁制冷的研究水平还远远低于低温范围的研究。以1976年Brown首次在实验室实现室温磁制冷为开端，科学家在室温磁制冷的研究上进行了各种尝试，开发出了多种实验样机。（1）Brown磁制冷机1976年美国NASA的Lewis研究中

28、心的G.V.Brown首次在实验室实现了室温磁制冷。水冷电磁体提供高达 7T 的磁场，磁工质为 1 mol 的金属钆，放在等间距排列的圆筒形不锈钢蓄冷器中，作上下 往复运动，采用近似 Ericsson 循环。通过开关控制依次实现退磁吸热、等磁场（ 零磁场）、励磁放 热和等磁场（强磁场）4个过程。大概经过50次的循环，实现了冷端 （272K）、热端（319K）的47K的 温度跨度。（ 2） Steyert 磁制冷机1978 年，美国 Los Alamos 实验室的 Steyert 设计了采用 Brayton 循环的回转式结构磁制冷机。 用213 Kg钆（Gd制成直径约为150 mm的多孔转盘,采

29、用与转盘转向相反方向流动的强制水流进 行热交换。当高低磁场差为 112 T、冷热端温差为7 K时,获得了 500 W的制冷量。该系统效率高，但 是所能获得的最大温度跨度仅为9K。（ 3） Zimm 磁制冷机1996年，美国宇航公司的Carl Zimm 采用Brayton循环研制的往复式结构磁制冷机使室温磁制冷技术取得了突破性进展。该系统采用NbTi超导磁体产生磁场（最大 5T），以3 Kg的Ga为制冷工质，水（加防冻剂）为传热介质。实验结果表明：在5T的磁场强度下，CO最大可达15,效率接近卡诺循环的60%，最大制冷量可达 600 Wo（ 4） Ames 磁制冷机美国依阿华州州立大学 Ames

30、 实验室和美国宇航公司联合研制成功首台采用永磁体作为磁场的 回转式磁制冷样机。该装置利用了具有高磁熵变的Ga-Si-Ge合金的巨磁热效应，磁场强度是常规永磁体的2 倍,粉末状的金属 Ga 填入环形蓄冷器中 ,蓄冷器在驱动器的作用下回转运动 ,经历磁化、退 磁和吸热放热过程。6.4 开发磁制冷技术需解决的问题作为具有巨大潜力的制冷技术，磁制冷取代传统的蒸汽压缩式制冷还有很多问题要解决。（1 ）开发高性能的磁制冷材料 目前应用的磁性物质主要是钆、钆硅锗合金以及类钙钛矿物质，其温度跨度比较窄，磁热效应 还不能达到室温制冷的要求。针对应用前景看好的室温磁制冷，大力开发具有巨磁热效应的磁制冷 材料已成为

31、当今磁制冷研究的主流。另外，可以依靠磁制冷这一“绿色”制冷技术得到绿色能源氢， 所以氢液化温度范围内的磁制冷材料的研究也应得到重视。（2） 磁体及磁场结构的设计目前普遍采用永磁体、电磁体及超导磁体为磁制冷供应磁场。永磁体结构简单、来源广泛、适 用性强，但一般只能提供1.5T左右的磁场；超导磁体及电磁体可提供5-7T左右的磁场，但其结构复杂且成本昂贵。另外，研究发现磁体极内表面的平整程度对磁场的影响很大，所以磁体的加工制造 工艺也是很重要的。（ 3）磁制冷循环在极低温下，可以用卡诺循环及 Ericsson 循环达到较高的制冷效果，但对于室温来说，则应考 虑采用 Stiring 、Ericsson

32、、Brayton 等循环。（ 4）蓄冷及换热技术 在极低温区，可以不考虑蓄冷的问题。但在中温及高温区，磁制冷的晶格熵的取出必须依靠蓄 冷器，所以蓄冷材料的选择以及蓄冷器的设计就显得尤为重要。另外，由于整个磁制冷系统的实际 效率主要取决于蓄冷器及换热器性能的优劣，必须使得磁热效应产生的冷量尽快尽多地带走，就需 要对蓄冷器以及换热器进行优化设计。总之，由于磁制冷在节能及环保方面的卓越品质，不愧为一种极有发展潜力的绿色制冷方式， 但是要得到真正意义上的广泛应用，还有待各种相关学科的发展及突破。87四种制冷技术优略的比较上述四种不同的制冷技术除了其制冷原理不同之外，还在其材质、制冷效率、特点、和应用领

33、 域等有着不同之处。下面我们对这四种制冷技术做个比较，以便能更广泛的应用到我们生活、生产 中的方方面面。7.1原理及制冷效率的比较吸收式制冷技术的原理是利用液态制冷剂在低温、低压条件下，蒸发，汽化吸收制冷剂的热负 荷，产生制冷效率。激光制冷技术的原理是利用高相干，高单色性和高能量密度的激光作为激发光源进行泵浦。由 于由于发射的荧光光子的平均能量比吸收的激发光子的平均能量大，这个能量差就是受激能级之间 达到热平衡所需要的热吸收，并且被固体材料所发射的荧光带走，造成了制冷效应。半导体制冷技术的原理是赛贝尔效应和珀尔帖效应。磁制冷的原理是借助磁制冷材料，即磁制冷材料等温磁化时，温度升高向外界放出热量

34、，而绝 热退磁时温度降低，从外界吸收热量从而达到制冷目的。由上述原理比较可知，吸收式制冷技术的原理较为简单易懂，它和原始的压缩式制冷机的原理 一样，而其他的三种制冷原理相对比较复杂。不同的制冷原理导致制冷的效率不同。吸收式制冷的 效率还比较可行，激光制冷的效率低，实验给出的结果均不高于3%和常规制冷相比，半导体制冷的制冷系数比较低，只有 0.9左右，制冷温差小。磁制冷的制冷效率相对来说比较高，已开发出的磁 制冷机，循环效率最大可达卡诺循环的60%7.2材质及制冷装置的比较吸收式制冷机没有压缩机，简单易行，只需有工质对就可，即氨水溶液和溴化锂水溶液。用于 激光制冷的主要稀土掺杂离子是 Yb3和T

35、m3二激光冷却材料一般都含有一些杂质离子，如Cu2二、2Co 一等，这些杂质中心会导致荧光卒灭和非辐射的多声子弛豫震荡（寄生产热）和竞争，从而降低 制冷效率。另外它的制冷装置也比较复杂。由于制冷材料对于泵浦光的吸收有限，因此需要设计出 新的结构提高泵浦光的吸收效率。所以从材质和制冷装置出发我们不考虑使用激光制冷。通常半导 体制冷器由许多N型和P型半导体组成，N、P结之间以一般导体连接成完整线路，通常采用铝、铜或 其他金属导体，最后像夹心饼干一样，外夹两片陶瓷。陶瓷片必须绝缘，而且导热性能良好。磁制冷机只需要高性能的磁制冷材料，因此比较简单比较简单，具有可行性，而且节能环保。7.3应用领域的比较

36、对于吸收式制冷，可供考虑使用的制冷剂与吸收剂溶液很多，但较为常用的只有氨水溶液，溴化 锂水溶液。由于氨具有刺激性臭味，且氨水吸收式制冷机热效率低，体积庞大，故一般用于工业工 艺过程。目前，应用最广泛的就是溴化锂吸收式机组。吸收式制冷所需的驱动能源是热能，可以为 蒸汽，燃料的燃烧热，热水，工业或生活余热，太阳能，地热能等。随着吸收式制冷研究的进展，技术的不断进步与国家能源结构的调整，溴化锂吸收式机组的应用主要集中在热电冷联产、直燃型吸收式冷热水机组、蒸汽型吸收式冷水机组、热水型吸收式冷水机 组、太阳能吸收式机组等方面。激光制冷主要是应用在一些机械制冷不能使用的地方，例如空间技 术和航天领域，激光

37、制冷更有着其独特的优势。作为一种有希望取代传统制冷技术的“绿色”制冷技术，磁制冷技术近几年得到了快速发展；尤其是在室磁制冷领域，新材料、新技术、新制冷机不断涌现。因此不同的制冷技术在不同的领域分别有着不同的应用。7.4四种不同制冷技术的特点由于不同的应用领域就决定着这四种制冷技术所具有的特点不同，下面我们总结一些这四种制 冷技术的特点。吸收式制冷机的最大特点是利用热源作为制冷原动力，因吸收式制冷机没有压缩机，所以无噪音、寿命长、不易发生故障。但在使用时机器一定要水平放置，周围应留有足够空间散热，环境温度也不能太高，否则会影响制冷效果。但是它也有它的缺点：价格无优势，耗能大，机组笨重利用9123

38、4567李洪斌,杨先 . 半导体制冷技术原理与应用 J. 现代物理知识, 2007 年 05 期 刘涛.磁制冷技术的应用与研究前景 J. 制冷与空调（四川） ,2009 年01 期 房曙光.制冷技术历史发展状况 J. 科技咨询导报, 2007年12期 徐虹玲 . 高温超导磁储能直接冷却磁体热力分析与计算优化 D. 华中科技大学 ,2004 周治国 .激光光热法界面热阻测量系统研制 D. 武汉理工大学 , 2006 范则阳 .超导磁储能系统在舰船电力系统中的应用研究 D. 华中科技大学 , 2004 马本堃,高尚惠 . 热力学与统计物理学 M. 北京：高等教育出版社,19801981陈光旨，俞雪珍，李法和理论物理概论 n统计物理学M。北京：高等教育出版社，1985 汪志诚热力学统计物理（第三版）M.北京：高等教育出版社，久保亮五 热力学包括习题和解答的高级教程 久保亮五 统计力学包括习题和解答的高级教程 潘根.基础物理书评教程M.北京：科学出版社， 周衍柏理论力学教程 M 。北京：高等教育出版社,8 R.柯朗，D.希尔伯特.数学物理方法（卷H ）M.北京：科学出版社，9101112131415162000, 61 - 427M.北京：人民教育出版社，1982M