今日让我们走近制冷技术的前世今生

  今年4月，欧盟哥白尼气候变化服务局的气候学家表示，受气候变化和预期厄尔尼诺天气现象回归的影响，全球平均气温可能在2023年或2024年创新高。今年或将迎来史上最热夏天。

  按照中国传统历书，“夏至三庚便数伏”。意思是说，从夏至往后的第三个“庚日”，就开始入伏了。伏天，正是一年之中气温最高的时段。据悉，今年是21世纪入伏最早的年份之一。从7月11日入伏，伏天要持续40天。事实上，自入伏以来，全国各地热浪滚滚。持续的高温天气，让“消暑”成为许多人生活中的关键词。这时，许多人不由感慨，空调真是一项伟大的发明。

  今天，我们为您带来一种与空调息息相关的技术——制冷技术。经过一个多世纪的发展，现代制冷技术为人们的生产生活带来了许多便利，已经成为诸多行业和领域不可或缺的关键技术之一。

  提起夏天，你会想到什么？空调、雪糕、冰西瓜？夏天坐在空调房里喝冷饮的时候，难免会好奇，在没有发明空调前，古代人夏天是怎么消暑的？

  冰块，是古代人消暑的“利器”。早在先秦时期，王室贵族已经可以利用冰块来降温消暑、给食物保鲜。据《周礼》记载，周朝时，已经有了专门管理冰块的机构和负责人。冬天，有专人负责采集冰块，并储藏在冰窖中；夏天，皇帝会将冰块赏赐给臣子，作为一项福利。冰块被盛放在一个木制或青铜制的箱子里，这个器皿被称为“冰鉴”，充当空调和冰箱的作用。

  到了唐朝末年，工匠在生产火药时，意外发现硝石溶于水会使周围的水降温结冰。于是，他们开始利用硝石制冰。硝石溶于水后，可以采用降温结晶法或蒸发结晶法将硝石提取出来再重复利用。有了这种方法，生产储存冰块的成本便大大降低了。宋朝时，繁华的集市上，市民已经可以吃到各式各样的冰饮。诗人杨万里有诗云：“卖冰一声隔水来，行人未吃心眼开。”

  除了利用冰块降温，人们还发明了各式各样的制冷装置和建筑，如七轮扇、自雨亭、含凉殿等。唐代含凉殿的设计就非常巧妙，殿中安装有许多水车，流水带动风扇转动，冰凉的水汽和冷风被送入宫殿内；而转动的风扇将冷水带到屋顶，然后沿檐流下，形成人造水帘，起到避暑降温的作用。

  1834年，英国人雅可比·珀金斯制造出一款蒸汽压缩式制冷机。这款制冷机以为工质，可以连续工作。1844年，美国一名医生以空气为介质，制造出了一款空气制冷机。这款制冷机用来给医院制造冰块和冷却空气。最开始，研究人员多使用空气等自然物质作为制冷剂。后来，随着技术的进步和研究的深入，氟利昂成了使用最广泛的制冷剂。而这也大大促进了制冷和空调技术的发展。

  有意思的是，如今人们夏天几乎离不开的空调，在诞生之初却并非为了给人类生活降温。

  1902年，美国一家印刷厂因为空气温度和湿度不恒定，导致印刷作业受到影响。为了解决这一问题，工程师威利斯·开利发明了首台现代电力空调设备。这个设备被行业内认定为空调业诞生的标志，而他也因此被誉为“空调之父”。

  空调出现后，凭借着可以调节生产过程中温度和湿度的优势，进入了化工、制药、食品等多个行业。后来，一些公共场所，诸如百货商场、办公大楼、电影院等也安装了空调。空调离人们的日常生活越来越近。

  空调制冷技术被美国工程院评为20世纪最伟大的20项工程技术成就之一。它的重要性，如今更加不言而喻。

  随着空调业的发展，空调的品牌越来越多，能耗越来越低，性能越来越好。在保证舒适的同时，节能环保也成为空调业关注的重点。

  随着制冷技术的发展，人类的日常生活、工业生产，甚至是高新技术的研发，都已经离不开制冷技术。

  120K，是按照制冷所得到的温度范围，划分制冷技术的一个关键节点。“K”即开尔文，是国际单位制中的温度单位。开尔文以绝对零度为起点，即120K=-153.15℃。

  普通制冷技术可以说是我们日常生活中最常用的制冷技术。商场、电影院、展览馆等公共场合，汽车、火车、飞机等公共交通工具，这些地方所使用的空调，都属于普通制冷技术的应用范畴。其次，我们在生产、储存、运输食物、药物的过程中，为防止物品变质，需要用冰箱、冷柜等对其进行冷冻或者冷藏，这也离不开普通制冷技术。普通制冷技术为我们的生活提供了许多的便利。

  120K以下的制冷技术，为低温制冷。日常生活中，我们几乎用不到低温制冷技术。但是低温制冷技术却可以推动许多高新技术的发展，在科学研究、航空航天、材料、能源、医学等诸多领域有着广泛的应用。

  能源领域，科学家利用低温制冷技术进行气体液化。如将氢气液化为液氢。液氢的能量密度很高，且运输过程中比氢气更加安全，是氢能源优质的储存和运输方式之一。液氢与液氧组成的低温液体推进剂，被广泛应用于航天发射。我国用于发射问天实验舱的长征五号运载火箭，就是使用了液氢液氧推进剂。相比于传统的推进剂，采用液氢液氧作为推进剂的发动机，比冲性能更高，更加绿色环保，也适宜重复使用。

  空间深空探测，离不开低温制冷技术。宇宙高真空、极低温的环境，要求用于探测的空间望远镜和仪器设备必须保持极低的温度。包括普朗克探测器、詹姆斯·韦伯空间望远镜在内的多个空间飞行器，都安装有低温制冷系统。这不仅延长了探测器的寿命，也提高了探测器的精度。

  低温制冷技术在芯片制造领域也发挥着极为重要的作用。今年3月，国内某研究团队自主研发的“量子计算用国产极低温稀释制冷机”，顺利通过鉴定委员会鉴定。该项目创造了已公开报道的连续运行最低温度和制冷量两项国内纪录。“量子计算用国产极低温稀释制冷机”是一种能够提供接近绝对零度低温环境的高端科研仪器。它可以满足量子计算的温度和冷量需求，是发展量子计算、研究量子技术的关键核心设备之一。

  前不久，《自然·地球科学》杂志上一篇报告称，2010年至2020年，地球大气层中消耗臭氧层的5种氯氟烃(CFCs)浓度快速上升，部分来源可能指向生产氢氟碳化物(HFCs)产生的副产品。

  过去数十年，全球保护臭氧层的努力取得一定进展。国际社会于1987年通过蒙特利尔议定书，要求逐步淘汰使用氯氟烃等消耗臭氧层的化学物质。作为代替物，氢氟碳化物目前已在许多应用中取代了氯氟烃。但是此项研究成果表明，为应对全球气候变化和保护环境，发展更加绿色环保且节能的制冷技术，仍是全世界制冷技术研究领域需要持续探索的课题。

  近年来，除了传统的压缩机制冷或吸附式制冷，一些新型制冷技术正在快速发展。

  太阳能制冷。按照不同的能量转换方式，太阳能实现制冷主要通过两种方式：一是实现光到电的转换，利用电力制冷；二是实现光到热的转换，利用热能制冷。相比于常规的制冷技术，太阳能制冷技术的工质里不含氟利昂等物质，对于保护臭氧层有重要意义。此外，太阳能制冷设备几乎不需要消耗电力等常规能源，可以节约成本。目前，这项技术在我国还处于试验阶段。相信随着研究的深入，这项技术在不久的将来便可走进千家万户。

  磁制冷。磁制冷是利用磁热效应制冷。其采用磁性物质为制冷工质，不仅利于保护环境，而且具有较高的效率和可靠性。磁制冷的应用极其广泛，在多个领域都可适用。业内人士认为，磁制冷或将在太空探索与开发中发挥重要作用。

  地热制冷。地热制冷主要以地热蒸汽或地热水提供的热能，驱动吸收式制冷设备制冷。地热能为可再生能源，热流密度大、容易收集、参数稳定且使用方便。这些优点使得地热制冷技术节能环保，性能可靠，被广泛应用于许多领域。

  英国剑桥大学研究人员开发出一种彩色纳米材料。这种材料由植物纤维素制成，通常呈白色。当新材料制作的薄膜被放置在阳光下时，薄膜的平均温度比周围空气低近4.4℃，而且一平方米的薄膜可以产生超过120瓦的冷却功率，这种特性足以与许多类型的家用空调相媲美。纤维素在自然界中含量非常丰富。研究人员认为，新材料有望成为一种环保、廉价、可持续的制冷手段。

  中国科学院的研究人员发现，正构烷烃（石蜡的主要化学成分）在一定压力驱动下，通过液态固态相变能够实现制冷效果。据介绍，正构烷烃的成本低廉，物理化学性能稳定，相变过程不产生有害排放，同时便于制冷设备的小型化，在制冷领域具有广阔应用前景。这为发展绿色环保的新型制冷技术开辟了新思路。

  如今，制冷技术已成为人类生产生活不可或缺的关键技术。如何让这项技术在更好地服务全人类的同时，既节约能源，又保护环境，是研究者未来一项长期的课题。