书城自然科学故事会
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第8章 一路走来的制冷技术

“为了拯救地球,不含氟氯化碳的气雾已踏上征程。可就在这同时,充满氟里昂的电冰箱正躲在阴暗的角落里,窥视时机,以求一逞……”这是一张科普报纸对日益扩大的臭氧洞的忧虑。

我们的故事,就从含氯氟里昂——一种让人爱了几十年之后又“忍痛割爱”的“功臣”开始。

1930年,美国化学家米奇利发明了一种没有毒性的新型电冰箱制冷剂——氟里昂-12(学名二氟二氯甲烷),并在第二年取得专利。从此,各种含氯氟里昂(freon的音译)制冷剂相继诞生。

由于氟里昂的化学性质稳定,在底层大气中几乎不参与任何化学反应,所以不会危害生物。但是,当它“平安”地上升到高层大气后,其中的氯却是“罪恶滔天”——“杀‘臭’如麻”地“吞噬”无数臭氧,破坏保护地球的臭氧层。于是三位化学家奋起“声讨”——他们的论文《臭氧层的空洞是如何形成的》震动了全世界。这三位荣获1995年诺贝尔化学奖的化学家是:P。保罗·克鲁森、马里奥·莫利纳和F。舍伍德·罗兰。

在这种“讨伐”声中,世界各国于1987年在加拿大签署了保护臭氧层的协定——《关于限制和停止使用消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,商定发达国家在1996年(中国是2010年)停止生产破坏臭氧层的含氯氟里昂。

于是,替代含氯氟里昂的制冷技术——例如生产“无氟电冰箱”、“绿色冰箱”,就迫切地提上了议事日程。

不含氯的氟里昂(用氢代氯),已经在目前的电冰箱中被推广使用,这是“取而代之”。重新启用1930年以前使用的乙醚、甲烷等制冷剂,是“返璞归真”;但这需要提高制冷效率的新技术。利用太阳能,把水当制冷剂,发展吸收式制冷机,是“采撷天光”。而“另辟蹊径”就是发展蒸汽制冷以外的技术,例如热电制冷、热声制冷、热磁制冷等。

我们的“借得‘古董’解‘难题’”,就是指热电制冷。

为什么热电制冷是“古董”呢?

1834年,法国钟表匠帕尔帖(1785~1845)发现了帕尔帖效应——当电流流过两种不同材料的接点的时候,在接点处就有吸热或放热现象发生。它是塞贝克效应——“在温度不等的刚路中有持续不断的电流”的逆效应。

1838年,德国血统的俄籍物理学家楞次又做了进一步的实验:他把铋线和锑线连在一起通电,发现联接点上的水滴就会凝固成冰;如果电流反向,则刚刚凝成的冰又立即熔化成水。

显然,利用半导体材料的(逆)帕尔帖效应,就可以方便、快捷制冷,是实现“无氟电冰箱”的一种好方法。这样看来,它就应该捷足先登而广泛使用了。

然而,事实却恰恰相反。这又是为什么呢?

原来,尽管当时的科学界对帕尔帖效应十分重视,但帕尔帖和楞次的发现却没能很快得到应用。这是因为,金属的热电转换效率通常很低。直到一个世纪以后的1950年,发现了_些具有优良热电转换性能的半导体以后,这个“古董”才“东山再起”。今天,热电效应制冷又被称为“半导体制冷”。

半导体制冷器由两根不同半导体圆柱构成,用一块金属导电板将两根圆柱连起来,圆柱空着的两端分别接通直流电源的正负极。这样,半导体制冷器就可以工作了。图中“P型柱”是P型半导体材料,也叫空穴型半导体;“N型柱”是N型半导体材料,也叫电子型半导体。以碲化铋(Bi2Te3)合金为基础,在其中掺上不同的杂质,就可以制成P型和N型制冷元件。

照图中的联接,上边是冷端,下边是热端——通常是大气环境。如果将电源的极性倒过来,冷端和热端就互换位置。

在使用中,应把冷却对象与冷端接触,把散热片与冷端接触。电源接通后,制冷器就会从冷却对象吸热,把热量输送到热端,并通过散热片释放给大气环境,用这类制冷器可以达到室温以下70℃的低温。由于整个制冷器中没有任何运动部件,这使得半导体制冷器特别结实耐用。

找到热电转换性能好、导电性能好和导热性能差的半导体材料,提高制冷效率,是半导体制冷的制冷机走进千家万户的关键。

但令人遗憾的是,目前它的制冷效率只能达到普通氟里昂制冷机的1/3.“低效”意味着获得相同的制冷效果,要费更多的电。因此,半导体制冷的应用目前还不普及,仅仅主要用于一些特殊的场合。例如计算机芯片、激光器、微波放大器、光电放大器等精密器件的冷却。在运输过程中生物样品的冷却,小轿车中的食品冰柜有的也采用半导体制冷器。

不过,我们相信,既然利用帕尔帖效应这个“古董”的半导体制冷器,有前面所说的那些优点,就一定有广阔的前景。

塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆逊效应,统称温差电效应即热电效应。汤姆逊(1824~1907)就是大名鼎鼎的英国物理学家开尔文。他发现这个效应是:加热金属棒中间C,并保持两端A和B的温度不相等,电流从A流向B的时候,AC段吸热、CB段放热。显然,这是不同于焦耳热的另一种热——汤姆逊热。

人类最初想得到低温,是为了液化气体。于是形形色色的制冷技术应运而生。

19世纪20年代,英国科学家法拉第发现,液体在减压条件下蒸发而变成气体的时候,就会从周围环境吸收热量,使温度降得更低。利用这种“蒸发制冷”,物理学家们先后得到-110℃的低温,但氢、氧、氮、氦等气体依然没有被液化。

1893年1月20日,英国化学家杜瓦(1842~1923)宣布,他发明了一种低温恒温器(cryostat)——后人称为“杜瓦瓶”。

1895年,德国工程师林德(1842~1934)和汉普孙(1854~1926)等,发明了“压缩绝热法”和“抽除液面蒸汽法”,液化了氧和氮。

“杜瓦-林德空气液化机”的基础,是1852年焦耳和开尔文发现的“焦耳-汤姆逊效应”。杜瓦在1898和1899年用这种机器,分别在-253℃和-259℃的时候,液化和固化了氢。

1908年7月9日,荷兰物理学家昂纳斯用“综合法”。在4.2K的时候,液化了地球上最后一个气体——氦。

1925年,德国物理学家德拜发明了“去热去磁致冷法”。第一次“核退磁冷却”实验在1956年获得成功;在2002年,芬兰赫尔辛基大学的低温实验室的科学家们已经用这种方法,得到低于1nK的低温了。而在1962年,德国物理学家伦敦又发明了“稀释致冷法”。

自1985年以来,美国斯坦福大学华裔教授朱棣文(1948~)在“激光冷却”方面做了令人注目的工作,他也因此成为1997年三位诺贝尔物理学奖得主之一。