制冷及低温工程学科发展报告

摘自《制冷及低温工程学科发展报告》（中国科学技术出版社）

——中国制冷学会编著

制冷学科的定义、范围及重要性

制冷学科的中心任务就是营造不同于自然界环境温度的微环境或物质状态，从较低的温度状态下提取热量，并在较高的温度状态下释放这部分热量。通过这种方式营造低于自然界环境温度的低温状态，称为狭义的制冷；通过这种方式获得高于自然界环境温度的高温状态，称为“热泵制热”。实际上这两种目的的物理过程相同，同属于制冷学科的基本任务。

制冷技术是伴随工业**而诞生、并逐渐发展起来的传统技术，而同时又随着科学技术的发展和人类文明、社会进步、经济发展而不断发展、产生新概念、萌发新技术、扩充新领域。

制冷学科的应用

在现代科学技术的发展中，制冷学科提供重要的技术支撑和研究平台。无论是正负电子对撞的现代物理学研究还是受控热核聚变或低温超导等现代技术前沿，都需要制冷技术产生极端低温环境或提供精准的热环境状态。制冷技术已经成为现代科学发展不可或缺的关键技术。制冷学科提供各种气体分离、气体液化技术，是诸多重化工业、能源产业的关键技术；所提供的多种冷冻技术又是大型水利工程、地下工程的重要施工技术；而为超大规模集成电路、超级计算机、大功率激光器等前沿技术装备提供有效的冷却方式，则成为这些技术进一步发展的关键。

制冷学科还应用于低温生物医学，提供有效的外科手术措施，保存和运送细胞、血浆、皮肤、软骨和各类器官等生物材料，成为现代医学不可替代的技术和方法。

而制冷学科最大的应用领域则是食品（包括农产品、水产品、禽类产品等）储藏保鲜和冷藏链。随着食品供应模式从小规模就地产销的手工业方式向大规模生产加工和异地产销的现代工业模式的转变，食品冷藏冷冻储运和冷藏链系统成为现代食品工程中决定食品安全、优质与低损耗的重要的环节。

空调制冷与热泵工程则是另一项制冷学科的重要和广泛的应用。以满足人的舒适要求为目标的空调制冷系统已经成为各种现代化民用建筑必须具备的条件。而为各种工业生产、科学研究营造各种恒温、低温、恒湿、干燥环境的空调制冷又成为现代科学研究和工业生产过程的基本要求。制冷技术不仅用于降低温度排出热量，还越来越广泛的用于从较低温度下提取热量以满足对较高温度的热量的需求。用这一方式替代直接燃烧化石燃料制备生活热水、冬季为建筑供热以及满足其他一些对常温热量的需求。

此外，航空、航天、航海、潜海以及各类陆地交通工具中的生命保障系统或人工环境系统的主要构成部分也是制冷空调。

21世纪初，美国国家工程院曾通过广泛征集评比，得出“二十世纪最伟大的20项工程技术成就”，空调和制冷技术被列为其中的第10项。

从学科发展和科学研究的角度看，可以从新的制冷过程机理与装置，制冷的替代工质；制冷压缩机；吸收式、吸附式制冷系统；和制冷的几个主要应用系统的发展现状和进展来对制冷学科进行归纳总结。这些主要的应用包括低温生物医学，食品冷冻冷藏贮运，空调制冷及热泵，气体分离与液化，吸收式换热与工业余热利用，以及在大型工程建设中制冷技术的应用。下面，分别介绍我国在上述各分支的发展现状级重要进展。

低温生物医学

这一领域主要包括通过低温技术对生物材料（细胞、组织、器官）进行有效的保存和采用低温医疗设备的临床手术治疗。其中，前者是实现细胞、组织替代治疗的重要基础，后者是新兴的可以解决许多疑难问题的外科手段。随着医学与制冷科学的深入结合，近年来我国在这两方面的科学研究和医学应用都有了可喜的进步。

在生物材料的体外保存方面，将纳米技术与低温医学工程相结合，开展了纳米低温保存技术对生物材料降温和复温阶段作用的探索。评估了添加有不同纳米颗粒的低温保护剂溶液的差示扫描量热曲线，分析了其热学性质的变化规律，并从纳米流体的均相和异相成核理论阐述了纳米颗粒对冻结过程的影响及其在低温保存中的潜在应用价值。提出了借助磁性纳米颗粒的强化微波复温方法，研究结果表明该方法可大大提高复温速率以及保证复温过程中温度分布的均匀性，从而能有效防止不均匀复温及复温速率慢对生物材料造成的损伤；对组织、细胞在冷冻保存过程中细胞蛋白及细胞信号转导的改变进行了深入研究，从分子水平探讨低温损伤及防护作用。在技术方法上，将血液透析原理引入冰冻红细胞洗涤过程，降低红细胞解冻过程中的渗透性损伤；将小分子糖类引入红细胞的非甘油化冷冻保存体系中，简化了传统的甘油脱洗程序；对室温及冰冻冻干红细胞、血小板技术进行探索性研究，取得重要进展，可以大幅度提高冻干血小板的回收率并对其超微结构提供有效保护；围绕细胞、组织及器官的基础研究不断深入的同时，成熟的技术已经应用于临床，我国已经建成7座脐血干细胞库，不同的医院先后建立了精子库、角膜库、皮肤库、血管及软骨库等，为需要移植的病人提供了有效的组织替代物，为生命科学研究进展提供保障。

为满足生物工程材料的低温保存所需要的-40ºC以下的机械式制冷低温冷冻储存箱技术，长期以来为少数国外企业垄断，国内需求基本依赖进口。我国通过对新型制冷技术和应用工艺及低温冷冻储存箱技术的创新和优化，克服了国际上通用的机械式制冷低温冷冻储存箱技术的重大缺陷，首次采用同一种机械式制冷技术实现了“全温区系列机械式制冷低温冷冻储存箱”的全温区覆盖，比国际上通用技术产品能耗降低30%以上，生产效率提高30%以上，硬件成本降低20%以上。全温区系列均已实现规模生产并批量出口。具有自主知识产权的新型“全温区系列机械式制冷低温冷冻储存箱”技术的成功产业化，使我国一跃成为世界上全面掌握先进低温冷冻储存箱核心技术和生产技术的国家，同时也满足了低温生物医学工程发展的需求。

低温外科手术技术与装置方面我国近年也有显著进展，这是一大类比较新颖的物理疗法，其实施通常是以一种微创的方式将冷冻探针（人们习惯称之为冷刀）插入到恶性肿瘤部位，并利用制冷技术在刀头实现可控的降温和升温功能，生物组织在冷冻过程中，会在探针周围形成冰球，于是，通过探针持续不断的冷冻、解冻病灶，可以产生一系列不可逆损伤而达到消除病灶的目的。在这些冰球生长、消融的过程中，探针周围可根据需要产生各种复杂的冰球组合。低温手术由于具有麻醉镇痛、止血或减少出血以及能防止肿瘤扩散等优点，并且其副作用远低于放疗和化疗，因而在肿瘤治疗方面赢得了“绿色疗法”之誉。我国的一些医院相继开展冷冻外科治疗肿瘤研究，取得了良好的临床效果。纳米低温冷冻治疗也是我国低温生物医学研究的新亮点。我国将纳米技术与低温工程学相结合，以发展先进肿瘤微创治疗方法的技术理念，相继开展的机理分析、试验研究和医疗仪器的研制等方面取得系列进展。由于这一方法在调控冰球生长方向和强度、确保肿瘤适形治疗、提高医学成像分辨率乃至实现纳米化疗与冷冻复合治疗等方面均优于传统手段，因此有望成为难治性肿瘤的有效治疗手段。我国提出独创的冷冻刀技术方案，并研究出相应装置，正等待全面的检验和实验，以正式进入临床使用。

食品冷冻冷藏贮运技术