1.1制冷技术及其应用
1.1.1.制冷的基本概念
制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。制冷是指用人工的方法在一定的时间和空间内从低于环境温度的空间或物体中吸取热量，并将其转移给环境介质，制造和获得低于环境温度的技术。能实现制冷过程的机械和设备的总和称为制冷机。
制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动并与外界发生能量交换，实现从低温热源吸取热量，向高温热源释放热量的制冷循环。由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，因此制冷的实现必须消耗能量，所消耗能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能、化学能或其它可能的形式。
制冷几乎包括了从室温至0K附近的整个热力学温标。在科学研究和工业生产中，常把制冷分为普通制冷和低温制冷两个体系。根据国际制冷学会第13届制冷大会（1971年）的建议，将120K定义为普冷与低温的分界线。在120K和室温之间的温度范围属于“普冷”，简称为制冷；
在低于120K温度下所发生的现象和过程或使用的技术和设备常称为低温制冷或低温技术，但是，制冷与低温的温度界线不是绝对的。
1.1.2.制冷技术的应用
制冷技术几乎与国民经济的所有部门紧密联系，利用制冷技术制造舒适环境以保障人身健康和工作效率；利用制冷技术生产和贮存食品；利用制冷技术来保证生产的进行和产品质量的要求。制冷技术的应用几乎渗透到人类生活、生产技术、医疗生物和科学研究等各领域，并在改善人类的生活质量方面发挥巨大的作用。
1.1.2.1.商业及人民生活
食品冷冻冷藏和空气调节是制冷技术较重要的应用之一。
商业制冷主要用于对各类食品冷加工、冷藏贮存和冷藏运输，使之保质保鲜，满足各个季节市场销售的合理分配，并减少生产和分配过程中的食品损耗。典型的食品“冷链”由下列环节组成：现代化的食品生产、冷藏贮运和销售，较后存放在消费者的家用冷藏冷冻装置内。
舒适性空气调节为人们创造适宜的生活和工作环境。如大中型建筑物和公共设施的空调，各种交通运输工具的空调装置，家用空调等。近年来，家用空调器已成为我国居民消费的热点家电产品之一。2003年我国家用空调器的年产量达3500万台，出口1000多万台，中国已成为世界空调产品的生产基地，产量约占世界总产量的40%。
工业空调不仅为在恶劣环境中工作的员工提供一定程度的舒适条件，而且也包括有利于生产和制造而作的空气调节。如：在冷天或炎热环境中，以维持工人可以接受的工作条件；纺织业、精密制造、电子元器件生产和生物医药等生产行业为了保证一定的产品质量和数量，需要空气调节系统提供合适的生产环境。
1.1.2.2.工农业生产
化学工业，利用制冷实现气体分离、气体冷疑；使混合物中一种物质凝固，从而与其它物质分离；液体的低温贮存；为化学合成过程提供合适的温度和压力，移去反应热等。石油裂解、合成橡胶、合成塑脂、燃料生产、化肥生产需要制冷；天然气液化、脱水、贮运也需要制冷。
机械制造，对钢进行低温处理（－70℃～－90℃）可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。在钢铁工业中，需要对高炉鼓风进行低温除湿，以降低铁水的焦化比，保证铁水的质量。在机器的装配过程中，利用低温方便地进行零件间的过盈配合。
低温粉碎，低温粉碎技术是利用材料在低温状态下的冷脆性能对材料进行粉碎。该技术的主要特点和用途如下：可以加工在常温下无法粉碎的高弹性材料，如回收钢结构轮胎中橡胶；研制食品、中草药的细微颗粒；加工生产纳米材料，而且具有绿生产的特点。
建筑工业，用冻土法挖掘土方、建筑桥梁基础、地下工程等可以提高施工效率，保障施工安全。制冷还应用于冷却巨型的混凝土块，排除混凝土固化时释放的化学反应热，以免发生热膨胀和混凝土应力。
农、牧业，制冷用于对农作物种子进行低温处理；建造人工气候培育室；保存和处理优良物种、畜种。某些食品、蔬菜等在冷冻干燥过程中，利用升华作用以除去水分，便于贮存和运输，一些速溶咖啡就是采用这种冷冻干燥工艺进行生产的。
低温与真空，低温是获取真空或高真空较有效手段之一，利用气体在低温表面的凝结、低温
吸附以及冷凝霜的捕集作用，可获得<10_12Pa的极高真空。真空技术在空间研究和电子工业中有这样用途。
1.1.2.3.低温生物医学技术
制冷在低温生物医学中发挥着日益重要的作用。使用真空冷冻干燥法制取药物，低温保存血浆、疫苗、细胞组织、某些药品及生物样品；冷冻医疗是可靠、安全、有效易行的方法，特别是用于恶性肿瘤；用局部冷冻配合手术有很好的效果，如心脏、肿瘤、白内障、扁桃腺等低温外科手术，皮肤、眼珠等的移植手术等。诸多的现代医疗器械、仪、诊断仪也使用了制冷技术。
1.1.2.4.科学实验研究
随着能源需求的日益增加，在开发和合理使用现有能源、探索代用燃料和新能源、改善能源结构、改善环境条件等方面，制冷技术发挥了越来越重要的作用。如天然气开采、贮存和运输，核聚变的开发和利用，磁悬浮高速列车的运行成功，低温超导技术，氢能的生产和利用等。
低温在航空与航天领域的应用，涉及生命维持系统、地面研究设施，以及超高音速在空间边缘飞行的推进系统。地面试验装置需用大容积的舱室来模拟深空间条件，高真空的空间环境要用液氮和液氦冷却的低温泵来产生，运载工具的固体或液体燃料的生产等，低温技术已成为空间计划的关键部分之一。
低温技术还用于仪器仪表、大型计算机、红外装置的冷却。红外天文卫星用4K的液氦和1.8K的超流氦冷却的仪器来探测宽频道的红外辐射，红外探测器利用固体制冷剂（氢、氖和甲烷等）的升华（或采用辐射制冷技术）来冷却。
近年来，磁共振成像技术（MRI）已被许多医院采用。采用超导量子干涉仪测量人体的心磁图和脑磁图的技术也将走向应用。这些器件在不用电极接触人体或不需要任何手术的情况下，探测人体的组织病变，并使精度大为提高。
表1 与低温研究有关的诺贝尔奖金获得者及研究领域
诺贝尔奖得主 | 获奖年月 | 研究领域 |
范德瓦尔斯（荷兰） | 1910 | 飞气态和液态方程的研究 |
翁尼斯（荷兰） | 1913 | 低温物质特性研究，生产出液氦 |
焦克（Giauque）和摩克道格（Mac Dougall） | 1933 | 磁制冷 |
杨振宁、李政道（美藉华人） | 1957 | 发现宇称不守恒原理 |
朗道（前苏联） | 1962 | 凝聚态物质的研究 |
巴丁、库珀、施里弗（美国） | 1972 | 超导性理论的发展 |
井崎（日本）贾埃弗（美国）和约瑟夫森（英国） | 1973 | 半导体和超导体隧道效应的研究 |
里克特（美国）、丁肇中（美藉华人） | 1976 | 发现新一类基本粒子（PSi或丁粒子） |
卡皮查（前苏联） | 1976 | 氦液化器的发明与应用 |
贝德诺茨（德国）和米勒（瑞士） | 1987 | 发现新的超导材料 |
李戴维（美国）等 | 1996 | 发现了He-3同位素中的超流性 |
崔琦（美藉华人）等三人 | 1996 | 发现超低温状态下，电子通过极强磁场时的电子偏离现象实验的温度降到热力学温度零度附近 |
诺贝尔奖金是科学研究中卓越成绩的缩影，已有近20个诺贝尔奖金获得者（如表1），他们要么研究低温现象本身，要么研究涉及低温。
制冷与低温技术已发展成为自然科学中重要的分支，渗透到科学技术的各个领域。在能源和交通、航空和航天、现代工业、科学研究和生物医疗等部门，一旦离开制冷技术，它们的发展和现代化的进步是难以实现的。
表2 制冷技术的应用
温度范围（K） | 应 用 举 例 |
300～273 273～263 263～240 240～223 223～200 200～250 250～100 100～50 50～20 20～4 4～10_8 | 热泵、冷却装置、空调装置 冷藏运输、冰上运动设施 冷冻运输、食品长期保鲜、燃气（丙烷等）液化装置、地下建筑工程 地下建筑工程、食品长期保鲜 低温环境实验室、制取固体CO2 乙烷、乙烯液化、低温医学和低温生物学 天然气液化 空气、合成气和稀有气体分离、液化，超导和红外装置冷却 氖和氢液化，宇航舱空间环境模拟，超导 超导，氦液化 3He的液化、4He超流动性，Josephson效应、物理研究 |
1.2制冷技术的发展
1.2.1.制冷技术的发展历史
人类较早将冬季自然界的天然冰雪保存到夏季使用，这在我国、埃及和希腊等文化古国的历史上都有记载。
人工制冷的方法是随着工业革命而开始的。1748年英国柯伦证明了乙醚在真空下蒸发时会产生制冷效应。1755年苏格兰人W.Callen发明了第一台蒸发式制冷机，1781年意大利人凯弗罗进行了乙醚蒸发制冷实验。1834年美国人J.Perkins获得了乙醚在封闭循环中膨胀制冷的英国专利，并制得了冰。1856年苏格兰人J.Harrison发明了压缩式制冷机，采用二氧化碳、二氧化硫、氨、氯甲烷作制冷剂。1859年法国人F。Garre发明氨吸收式制冷机。美国人D.Byok于1873年制造了第一台氨压缩机。次年，德国林德建成了第一个氨压缩式制冷系统。此后，氨压缩式制冷机在工业上获得普遍应用。直至1929年氟利昂发现之后，氟利昂压缩式制冷机才快速发展起来，并在应用中超过了氨制冷机。
空气制冷机的发明比蒸气压缩式制冷机稍晚。1844年美国人J.Gorrie发明了空气循环式制冷
机，并于1851年获得美国专利，这是世界第一台制冷和空调用机器。1862年英国基尔克发明了封闭循环的空气制冷机，并获英国专利。
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