制冷的“前世今生”

姜夢祥

提起制冷想必大家都不會陌生，我們日常生活中冷藏食物的冰箱，或是提供涼爽舒適環境的空調，都離不開制冷。那制冷究竟是從何時開始？又經歷怎么樣的發展才變成了今天的樣子呢？現在，就讓我們一起回顧一下吧！

人類從蠻荒步入文明之后，為了求生存、求安定，不再為尋找食物而奔走遷徙，就必須儲存食物。于是我們聰明的祖先，發明了曬干、煙熏以及腌制等辦法，這些方法雖然能夠儲存食物，卻無法保持食物的新鮮原味。就在這時，我們的另一位祖先想到——為什么我們不能用天然的寒冷來冷凍食物呢？于是古代制冷技術就這樣萌發了。

中國是世界上最早利用儲冰制冷的國家之一，早在公元前1000年就建筑了世界上最古老的冰窖“凌陰”。《詩經》中曾這樣描寫：“二之日鑿冰沖沖，三之日納于凌陰，四之日其蚤，獻羔祭韭。”按今天的話來說，就是臘月里鑿冰沖沖響，正月里存冰入冰窖，二月里取出冰來，冰鎮羊羔肉和韭菜上供祭神。冰窖的形狀類似于一個長方形棱臺，內部有很多網柱用于支撐屋面的重量，窖底和邊緣鋪有稻糠，冰塊上層覆蓋草墊，并涂泥封閉，用來隔熱。冰窖底部設有水道，與外河相通，融水可由此排出。窖底8.5m×9m，窖口10m×11.4m，深2m，可儲冰190m3。那儲存時是這么多，到夏天能剩多少呢？古人也有自己的經驗公式，即“三其凌”，也就是還剩1/3，約為64m3。冰窖出現的年代之早，設計之巧妙，皆世所罕見。

用天然冰制冷，最低只能達到0℃。如果想人工制冰，必須達到比0℃更低的溫度。于是，人們發現了冰鹽混合物。這種冷卻混合物的出現，是天然制冷向人工制冷的過渡。1550年，西班牙醫生烏拉加寬發現在雪中加入硝石（硝酸鉀），可以凍結奶油。冰鹽混合物制冷很快得到了商業應用。現在夏季必備的雪糕，就是那時走向了千家萬戶。

產業革命的興起加速了征服制冷的步伐。傳統的制冷方法已經遠遠適應不了食物的長期儲存和遠途運輸要求。于是，那個時代，許多具有開拓精神的科學家和工程師紛紛致力于新的冷藏方法和冷凍機械的研究。

1834年，美國工程師帕金斯取得了世界上第一項有關冷凍機的專利。帕金斯的裝置已經包括了現代蒸氣壓縮式制冷機的所有基本特征。乙醚蒸汽在壓縮機中被壓縮，然后進入冷凝器，用水冷卻，變成液體。液態的乙醚經過膨脹閥，變成氣液混合物，在蒸發器中蒸發吸熱。蒸發器浸在鹽水中，從而得到低溫鹽水，滿足人們的需要。

相比于蒸氣壓縮式制冷機，更早得到實際應用的是空氣壓縮式制冷裝置。1844年，美國一家醫院的院長格里制成了這種冷凍機，并將它應用在自家醫院的病房上。但由于格里的冷凍機經濟性較差，未能得到普遍推廣。1862年，蘇格蘭人柯克制造了閉路循環空氣壓縮式制冷機。工程師科爾曼又對其改進，獲得了Bell-科爾曼空氣壓縮制冷機，并被廣泛地應用于遠洋運輸船。其工作原理是空氣從冷凍室抽入壓縮缸，在壓縮缸壓縮升溫進入冷卻器降溫。降溫后的空氣進入膨脹缸做功，溫度降低，低溫氣體進入冷凍室用于制冷。

在這兩種制冷技術發展的同時，熱操作的吸收式制冷也發展起來。1859年，卡列成功制造了氨吸收式制冷機。該裝置以水為吸收劑，以氨氣為制冷劑。從蒸發器出來的氨蒸氣進入吸收器被水吸收，成為濃氨水。濃氨水用泵輸入發生器中。在發生器里，氨水被加熱，蒸發出來的氨氣進入冷凝器，經水冷變成液態氨。液態氨經節流閥膨脹至低壓態，變成低溫濕蒸氣，然后進入蒸發器吸收熱量，恢復原狀，完成循環。

1834—1859年，短短25年間，各種制冷技術相繼誕生。他們在相互競爭中成長，共同促進了制冷技術的進步。至今也沒有哪一種制冷方式完全退出舞臺，各種制冷方式有各自的適應性，并在不同的領域取得成功。

我們更應該看到的是，首批制冷機的發明多半還是個人的天才創造，他們都沒有利用熱力學的知識，只是憑著經驗去探索。這啟示我們，如果有好的想法，不要猶豫，去實現它！暫時解釋不了也沒關系，先做出來！前輩的例子就擺在那里，也許下一個有著奠基性的發明就在你我的手中。當發明完成之后，我們應當對它的科學原理進行研究，這是作為科技工作者的本職工作，就像西門子和林德一樣。

隨著熱力學原理與人工制冷先驅者實踐的結合，我們迎來了制冷技術蓬勃發展的時期，制冷裝置也逐步走近我們的身邊。

1918年，1家公司推出了世界上第一臺家用電冰箱。1919年，美國芝加哥興建了第一座空調電影院。1930年，氟利昂制冷工質的出現引起了制冷技術的重大革新。制冷裝置從這個時候開始，普及到千家萬戶。還是以冰箱為例，1921年，美國的電冰箱還只有5000臺;到了1937年，49%的美國家庭都已經購置了電冰箱。很難想象，如果沒有空調和冰箱，我們要如何度過這炎熱的夏天。

但是，很快人們發現氟利昂的使用會導致大面積的臭氧空洞，危及地球的生命。而它的替代品，如我們常見的R134a（四氟乙烷，制冷劑），雖然不會破壞臭氧層，卻會導致溫室效應。因此，新一輪的開發使用制冷劑的競爭開始在世界各國的實驗室展開，人們期待更優越、更環保的制冷劑問世。除了制冷劑方面，新的制冷理論及實踐也取得了突破性的進展，如熱聲制冷技術，還有對絕對零度的探索。

在國際競爭激烈、節能和環保迫切要求的當下，制冷工業正處于飛速發展的時期，具備了新的發展前景。與已走過的歷程一樣，在未來，探索新的制冷技術的征途上，我們會遇到險峰崎路，也會遇到迷霧荒原，但這不會阻擋住我們的腳步，追求真理的火種永遠也不會熄滅，迎接我們的必將是更加奇妙的世界。