Hơn 100 năm trước người Mỹ đã phát minh ra máy lạnh

Máy lạnh (máy điều hòa) là sản phẩm điện gia dụng phổ biến khắp mọi nơi trên thế giới. Đặc biệt là tại một nước nhiệt đới như Việt Nam, được sinh hoạt và làm việc trong môi trường mát mẻ do máy lạnh tạo ra là nhu cầu của tất cả mọi người. Trong những ngày hè nóng bức như hiện nay, chiếc máy lạnh là một sản phẩm không thể thiếu đối với mỗi người chúng ta. Chuyên mục “Mỗi tuần 1 phát minh” lần này sẽ cùng các bạn tìm về lịch sử của máy lạnh, từ những mô hình cổ xưa nhất tới chiếc máy lạnh hiện đại mà bạn đang sử dụng như hiện nay. Lại một lần nữa bắt gặp những người Ai Cập cổ đại…

Tóm tắt những cột mốc quan trọng trong quá trình phát triển của máy điều hòa hiện đại

Các nhà khảo cổ học và sử học cho rằng mô hình máy điều hòa không khí sơ khai nhất đã được những người Ai Cập cổ đại áp dụng bằng cách treo lau sậy trên các cửa sổ và phun nước lên. Khi gió thổi qua cửa sổ sẽ mang theo hơi nước vào và làm mát không khí bên trong căn phòng. Ngoài ra, phương pháp này còn giúp người Ai Cập cổ làm ẩm bầu không khí trong nhà, tránh được sự khô nóng của khí hậu sa mạc.

Những người La Mã cổ đại cũng lắp đặt hệ thống ống nước bao quanh tường nhà để nước lưu thông làm mát căn nhà. Một kỹ thuật khác cũng được sử dụng bởi những ngươi Ba Tư thời trung cổ để làm mát không khí. Đó là một hệ thống bao gồm bể chứa nước và các tháp gió để làm mát không khí trong nhà vào những thời điểm nóng bức.

Thế kỷ thứ 2 thời Hán tại Trung Quốc, nhà phát minh Đinh Hoãn đã chế tạo ra “chiếc quạt” để làm mát không khí. Đây là hệ thống gồm 3 bánh xe có đường kính 3 mét và được quay bằng tay để tạo ra luồng gió. Vào năm 747, vua Đường Huyền Tông (712-762) đã dùng một tháp làm mát lắp trong cung điện mang tên Lượng Thiên. Các văn bản cổ đã mô tả hệ thống bao gồm những bánh xe quay bằng sức nước để tạo luồng gió mang hơi ẩm làm mát không khí. Cho đến thời Tống tại Trung Quốc, các tài liệu cổ cũng đã đề cập tới việc sử dụng hệ thống làm mát không khí nói trên một cách rộng rãi bởi nhiều đối tượng khác nhau.

Tất cả những phát minh đều bắt đầu từ các nguyên lý vật lý – hóa học

Đến thế kỷ 17 tại, nhà phát minh Cornelis Drebble (1572-1633) đã giới thiệu mô hình làm máy không khí bằng cách thêm muối vào nước. Ông đặt tên cho hệ thống này là “biến mùa hè thành mùa đông” và giới thiệu cho vua nước Anh thời bấy giờ là James I.

Vào năm 1758, Benjamin Franklin (1785-1788), thống đốc bang Pennysylvania, và John Hadley (1731-1764), giáo sư hóa học tại Đại học Cambridge đã tiến hành thử nghiệm và khám phá ra nguyên lý của sự bay hơi. Franklin và Haldley xác nhận rằng sự bay hơi của một chất lỏng chẳng hạn như rượu hoặc ete có thể được dùng để giảm nhiệt độ của một vật thế xuống dưới điểm đóng băng của nước. 2 người đã tiến hành thử nghiệm dùng sự bay hơi để hạ nhiệt độ của ống nhiệt kế thủy ngân từ 18 độ C xuống còn -14 độ C.

Franklin đã ghi nhận rằng ngay sau khi nhiệt độ vượt qua ngưỡng đóng băng của nước, một màng băng mỏng đã hình thành trên bề mặt của ống nhiệt kế. Từ đó, ông đi đến kết luận: “Thử nghiệm trên cho thấy đóng băng một người đàn ông đến chết ngay trong mùa hè là việc làm hoàn toàn khả thi.”

Đến năm 1820, nhà hóa học và phát minh người Anh, Michael Faraday (1791-1867) đã thực hiện thành công thí nghiệm nén và hóa lỏng khí amoniac. Ông phát hiện ra rằng khi bay hơi, amoniac lỏng có thể làm lạnh không khí xung quanh. Hơn 20 năm sau đó, vào năm 1842, bác sĩ người Scotland John Gorrie (1803-1855) đã dùng kỹ thuật nén khí nhằm tạo ra băng để làm mát các bệnh nhân trong bệnh viện tại Apalachicola, Florida. Từ thành công đó, ông hy vọng sẽ tạo nên một cỗ máy tạo băng để làm mát cả một tòa nhà. Thậm chí, bác sĩ John đã hình dung ra một cỗ máy có thể làm mát không khí cho cả một thành phố.

Mặc dù mô hình và những ý tưởng trên chưa từng được thực hiện, nhưng vào năm 1851, Gorrie vẫn được trao bằng sáng chế cho cỗ máy tạo ra băng. Tuy nhiên, người ủng hộ dự án máy làm mát của Gorrie qua đời và ông không thể có được số tiền viện trợ để tiến hành chế tạo. Ngay sao đó, Gorrie đã chịu nhiều sự phản đối từ các nhà sáng chế đương thời. Cuối cùng, GOrrie qua đời trong nghèo đói vào năm 1855 và ý tưởng về một chiếc máy làm mát không khí bị phai mờ trong suốt nhiều năm sau đó.

Dưới góc độ khác của vấn đề, kể từ thời tiền sử, tuyết và băng đá đã được sử dụng để làm mát. Cho đến thế kỷ 19, thu thập băng trong mùa đông và dự trữ để sử dụng trong mùa hè đã trở thành một ngành công nghiệp phổ biến. Và cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, mô hình máy làm nước đá cơ khí đã sớm xuất hiện.

Cỗ máy làm nước đá đầu tiên do kỹ sư James Harrison chế tạo đã chính thức vận hành vào năm 1851 tại bờ sông Barwon tại Rocky Point thuộc miền Geelong, nước Úc. Sau đó, cỗ máy tạo nước đá của Harrison chính thức được thương mại hóa vào năm 1854. 1 năm sau đó, ông được trao bằng sáng chế cho việc phát minh ra hệ thống tủ lạnh nén khí ete vào năm 1855.

Về mặt nguyên lý, hệ thống của Harrison sử dụng máy nén để đẩy khí đi qua một bình ngưng tụ. Luồng khí đi qua sẽ được làm mát và hóa lỏng. Tiếp theo đó, khí hóa lỏng sẽ di chuyển qua hệ thống ống và trở lại thể hơi. Quá trình này sẽ làm mát lượng không khí xung quanh. Cỗ máy được vận hành bằng bánh đà có đường kính 5 mét và có thể tạo ra 3000 kg nước đá mỗi ngày.

Mặc dù Harrison đã thương mại hóa thành công nhà máy sản xuất nước đá thứ 2 tại Sydney vào năm 1860, nhưng không lâu sau đó, sự nghiệp phát triển của ông đã gặp phải một thất bại nghiêm trọng. Vào những năm 1870, vấn đề cạnh tranh thị bò tại thị trường châu Âu giữa Úc và Mỹ đang là chủ đề nóng hổi. Khi đó, Harrison đã thực hiện thử nghiệm chuyển thịt bò từ Úc tới Anh trên các tàu vận chuyển. Thay vì lắp đặt tủ lạnh, Garrison lại cho lắp đặt một căn phòng chứa đầy băng để bảo quản thịt bò. Kết quả thu được là toàn bộ thịt đều bị hư do lượn nước đá sử dụng tan nhanh hơn so với dự kiến của Garrison.

Mô hình làm mát bằng nước đá được tiếp tục sử dụng sau đó tại Mỹ. Vào năm 1881, khi tổng thống James Garfielsbị ám sát và nằm trong phòng bệnh, một nhóm các kỹ sư thuộc hải quân Hoa Kỳ đã chế tạo cỗ máy thổi khí qua lớp vải chứa nước đá để làm lạnh không khí. Hệ thống trên có thể giữ cho nhiệt độ phòng bệnh ở mức 20 độ C, tiêu tốn hàng triệu kg nước đá trong thời gian 2 tháng cho tới khi tổng thống qua đời.

Mô hình cơ điện lạnh – Chiếc máy lạnh đầu tiên xuất hiện

Vào cuối thế kỷ 19 đã bắt đầu xuất hiện khái niệm “sản xuất không khí” đã bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên, đây chỉ là phương pháp kiểm soát độ ẩm trong các nhà máy dệt may để đạt được mức năng suất cao hơn. Sau đó, người ta sử dụng hệ thống làm lạnh được thiết lập từ các đường ống dẫn không khí ẩm đi vòng quanh tòa nhà để bảo quản thực phẩm, làm mát bia, thức uống hoặc để bảo vệ các tài liệu quan trọng.

Vào năm 1902, mô hình máy điều hòa không khí hiện đại đầu tiên vận hành bằng năng lượng điện được phát minh bởi Willis Carrier (1875-1950) tại Buffalo, New York. Sau khi tốt nghiệp Đại học Carnell, Carrier bắt đầu làm việc cho công ty cơ khí Buffalo Forge. Trong quá trình làm việc tại đây, Carrier bắt đầu tiến hành những thí nghiệm làm mát không khí. Cuối cùng, mô hình máy điều hòa đã được thiết kế chế tạo và chính thức vận hành bởi Carrier vào ngày 17 tháng 7 năm 1902 tại Buffalo.

Hệ thống điều hòa không khí đầu tiên được thiết kế để sử dụng cho một nhà máy in, do đó phát minh của Carrier không chỉ kiểm soát nhiệt độ mà còn cả độ ẩm của không khí trong nhà máy. Để làm được điều này, Carrier đã áp dụng kiến thức của ông về quá trình sưởi ấm một vật thể bằng hơi nước và tìm cách đảo ngược quá trình đó. Nguyên lý khá đơn giản, thay vì đẩy không khí qua một ống nung nóng, ông tạo ra dòng di chuyển không khí qua một ống được làm lạnh bằng amoniac hóa lỏng.

Hệ thống bao gồm 2 ống dẫn chính, 1 ống để làm lạnh không khí và 1 ống để cung cấp không khí chứa hơi ẩm. Nhờ đó, hệ thống có thể kiểm soát được độ ẩm ở mức 55% bên trong khối không khí đã được làm lạnh. Do đó, hệ thống làm lạnh có thể bảo quản trang thiết bị trong nhà máy và tạo điều kiện tốt nhất để thực hiện quá trình in ấn. Với hệ thống làm lạnh này, Carrier được mệnh danh là cha đẻ của mô hình máy điều hòa không khí hiện đại.

Theo một số ghi chép và lời kể, ý tưởng về hệ thống trên xuất hiện khi Carrier đang đi trên một chuyến tàu trong sương mù. Sau đó, công nghệ của Carrier đã được áp dụng nhằm nâng cao năng suất làm việc tại các văn phòng, nhà máy,… Và công ty sản xuất máy điều hòa không khí mang tên Carrier chính thức được thành lập tại Mỹ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đang ngày càng tăng. Tuy nhiên, hệ thống điều hòa không khí đầu tiên có kích thước rất lớn, cực kỳ tốn kém và rất nguy hiểm do dùng amoniac làm chất sinh hàn, đây là một loại hợp chất có độc tính cao.

Năm 1906, kỹ sư Stuart Cramer đang làm việc tại nhà máy dệt bắc California đã nghĩ ra ý tưởng chế tạo thiết bị thông gió lắp vào nồi chứa nước cất của hệ thống dệt nhằm tạo ra độ ẩm giúp quá trình dệt diễn ra dễ dàng hơn. Cramer đã gọi quá trình này là “điều hòa không khí” (air conditioning).

Ngay sau thành công của mô hình máy điều hòa đầu tiên, cũng trong năm 1902, Trung tâm giao dịch chứng khoán New York đã lắp đặt hệ thống làm lạnh trung tâm song song với một hệ thống sưởi ấm được thiết kế bởi Alfred Wolff, một kỹ sư đến từ Hoboken, bang New Jersey. Wolff là một kỹ sư nổi tiếng với việc nâng cấp thiết kế máy dệt và kết hợp nó vào trong thiết kế xây dựng các tòa nhà. Ông được xem như một hình mẫu trong việc tạo nên các cuộc cách mạng áp dụng khoa học kỹ thuật.

Giai đoạn cải tiến và phổ biến máy điều hòa!

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác như làm phim, thực phẩm, thuốc lá, dược phẩm, dệt may và nhiều ngành công nghiệp khác. Vào năm 1911, Carrier tiếp tục giới thiệu “công thức làm lạnh với tỷ lệ độ ẩm hợp lý” cho hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ. Phương pháp làm lạnh này vẫn còn được áp dụng cho đến ngày nay trong một số lĩnh vực của ngành công nghiệp làm lạnh.

Vào năm 1914 tại Minneapolis, hộ gia đình đầu tiên đã lắp đặt hệ thống điều hòa không khí do Carrier chế tạo. Đây chính là ngôi nhà của con bạc nổi tiếng Charles Gates, người được mệnh danh là “ván bài triệu đô”. Cỗ máy điều hòa không khí của Gates có kích thước chiều cao 2,1 mét, rộng 1,8 mét và dài gần 7 mét. Tuy nhiên, cỗ máy chưa hề được sử dụng vì không có ai sống trong nhà nhưng hàng năm, Gates phải chi số tiền hơn 60.000 đô la để bảo trì toàn bộ căn nhà.

Từ năm 1917 đến 1930, rạp chiếu phim chính nơi để người dân có thể tận hưởng được bầu không khí được làm mát bởi máy điều hòa. Rạp chiếu phim đầu tiên được trang bị máy điều hòa là rạp New Empire tại Montgomery, bang Alabama vào năm 1917. Cùng năm đó, rạp Central Park tại Chicago nhanh chóng lắp đặt hệ thống điều hòa và nhận được sự hưởng ứng nồng nhiệt của khách hàng, đặt biệt là vào những ngày mùa hè.

Vào năm 1922, Carrier tiếp tục tạo nên 2 bước tiến đột phá cho ngành công nghiệp sản xuất máy điều hòa. Đầu tiên là thay thế chất sinh hàn độc hại amoniac bằng hợp chất khác an toàn hơn là dielene (dichloroethylene, hoặc C2H2Cl2). Bên cạnh đó, các thế hệ máy điều hòa tiếp theo đã được Carrier giảm thiểu tối đa kích thước và cho ra đời những chiếc máy gọn gàng hơn rất nhiều so với trước đó. Bước cải tiến này cho phép máy điều hòa có thể được lắp đặt tại nhiều nơi hơn như cửa hàng bách hóa, cao ốc văn phòng, các tao tàu hoặc những tòa nhà nhỏ.

Tiếp theo, giai đoạn từ 1924 đến 1930 chứng kiện sự phổ biến của máy điều hòa đến với nhiều cơ sở làm việc của chính phủ Mỹ như Thượng viện, Hạ viện, nhà Trắng, trung tâm thương mại và nhiều tòa nhà quan trọng khác trên khắp nước Mỹ. Giai đoạn này, các chất sinh hàn thường được sử dụng trong kỹ thuật làm lạnh của máy điều hòa bao gồm ammoniac, methyl chloride hoặc propane.

Năm 1928, kỹ sư người Mỹ Thomas Midgley, Jr. (1889-1944) lần đầu tiên sản xuất thành công Freon, chất khí trơ, khó cháy, không độc hại cho con người. Khí Freon (Chlorofluorocarbon hay CFC) nhanh chóng được sử dụng làm chất sinh hàn trong công nghệ làm lạnh và được sử dụng rộng rãi cho các thế hệ máy lạnh cho tới năm 1994 sau này.

Đến năm 1931, H.H. Schultz và J.Q. Sherman chế tạo thành công máy điều hòa đầu tiên có kích thước nhỏ gọn đặt vừa trên bệ cửa sổ và làm mát không gian 1 căn phòng. Thế hệ máy điều hòa này được chính thức thương mại hóa 1 năm sau đó những chỉ phục vụ những tầng lớp thượng lưu do giá thành chế tạo quá đắt: từ 10.000 đến 50.000 đô la (tương đương với từ 120.000 đến 600.000 đô la hiện tại.)

Chiến tranh thế giới thứ II nổ ra – Máy điều hòa phục vụ chiến tranh

Sau đó, do ảnh hưởng của cuộc đại khủng hoảng, nhu cầu sử dụng máy điều hòa giảm mạnh và sự phát triển của nền công nghiệp làm lạnh cũng bị đình lại. Để thay đổi vấn đề, trong hội chợ thế giới vào năm 1939, Carrier đã biểu diễn một chiếc lều tuyết được làm lạnh bằng hệ thống của ông trước sự chứng kiến của hàng triệu người. Carrier hy vọng sẽ tìm thấy một tương lai xán lạn hơn của ngành công nghiệp này trong tương lai. Tuy nhiên, hy vọng đã không được thực hiện do cuộc chiến tranh thế giới thứ 2 nổ ra.

Cho đến khi chiến tranh thế giới thứ II nổ ra, phần lớn các nhà nhà máy đều chuyển sang sản xuất các sản phẩm nhằm phục vụ cho chiến tranh. Tại nhiều nơi, máy điều hòa không khí bị tháo gỡ từ các cửa hàng để sử dụng cho nhà máy sản xuất của quân đội. Trong khoảng thời gian này, hàng nghìn chiếc máy điều hòa đã được sản xuất để giữ cho lương thực của quân đội được tươi sống và không bị hư hỏng.

Tại các vùng khí hậu nóng, điều hòa không khí còn được sử dụng để bảo quản máy bay chiến đấu. Để đóng góp cho chiến tranh, Carrier còn đề xuất dùng máy điều hòa không khí để mô phỏng điều kiện môi trường trên không trung ngay tại mặt đất để thử nghiệm máy bay, đây là điều mà không có người đương thời nào nghĩ đến. Cũng nhở đóng góp này, Carrier đã được trao tặng nhiều danh hiệu cao quý bởi cả quân đội lẫn các công ty công nghiệp.

Từ sau chiến tranh cho đến ngày nay: Máy lạnh ngày càng được cải tiến theo hướng nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao và thân thiện với môi trường

Sau chiến tranh thế giới thứ II, các sản phẩm phi quân đội được sản xuất bình thường và nền kinh tế tại Mỹ bắt đầu có những khởi sắc quan trọng. Người dân Mỹ bắt đầu mua sắm máy điều hòa và tận hưởng bầu không khí mát mẻ ngay tại nhà. Giá thành sản xuất thiết bị ngày càng rẻ hơn khiến máy điều hòa dần trở thành thiết bị gia dụng bình dân tại Mỹ.

Cho đến năm 1946, 30.000 máy điều hòa gia dụng đã được sản xuất và cung cấp cho người dân trên khắp nước Mỹ. Nhu cầu máy điều hòa tại thời điểm bấy giờ đã vượt quá nguồn cung cấp. Cho tới năm 1953, hơn 1 triệu máy điều hòa đã được sản xuất và bán ra trên khắp nước Mỹ nhưng theo các số liệu không chính thống, con số thực tế còn vượt xa con số thống kê trên.

Năm 1957 đánh dấu bước chuyển mình ngoạn mục của công nghệ sản xuất máy điều hòa với việc chế tạo thành công máy nén khí ly tâm đầu tiên trên thế giới bởi kỹ sư người Đức Heinrich Krigar. Kỹ thuật này cho phép chế tạo các thế hệ máy điều hòa mới với kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, vận hành êm và đạt hiệu suất cao hơn so với kỹ thuật dùng piston để nén khí sử dụng trước đó.

Năm 1969, chính công nghệ điện lạnh đã tạo điều kiện góp phần thực hiện chuyến đi lên Mặt Trăng thành công. 2 phi hành gia Neil Armstrong và Buzz Aldrin đã hạ thực hiện chuyến đi bộ trên Mặt Trăng với bộ quần áo phi hành gia có trang bị hệ thống làm mát nhằm chống lại các điều kiện ngoài không gian.

Năm 1987, Liên Hiệp Quốc ban hành nghị định thư Montreal nhằm bảo vệ tầng ozone của Trái Đất. Nghị định thư quy định các quốc gia hạn chế sử dụng các phương pháp có chất thải gây ô nhiễm môi trường và làm thủng tầng ozone. Trong số đó bao gồm kỹ thuật làm lạnh bằng CFC, hợp chất được sử dụng chủ yếu trong các máy điều hòa và tủ lạnh.

Thời gian tiếp theo, máy điều hòa tiếp tục được cải tiến về kích thước, hiệu suất làm lạnh và đặc biệt là sử dụng các phương pháp làm lạnh mới thân thiện với môi trường hơn. Các nhà sản xuất máy lạnh bắt đầu tung ra các sản phẩm làm lạnh không chứa. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các phương pháp làm lạnh thân thiện với môi trường và đạt hiệu suất cao được áp dụng cho máy lạnh như kỹ thuật làm lạnh Linde, làm lạnh qua từ tính,…

Cho tới gần đây nhất là công nghệ máy lạnh inverter. Đây là thế hệ máy lạnh sử dụng công nghệ biến tần nhằm thay đổi tần số máy nén để đạt được nhiệt độ mong muốn với biên độ nhiệt tối thiểu, từ đó tiết kiệm điện năng tiêu thụ. Theo dự đoán của các chuyên gia công nghiệp, đây sẽ là dòng máy lạnh được sử dụng rộng rãi nhất trong hiện tại cũng như trong tương lai.

Tinh Tế | Theo Wiki (1), (2), (3), PopMech, AI, Visual, History, BM, CC, WillCarrier, Midfla, NYTimes,
Floridamemory, TheEngineer, Victoria, SundayMercury, Rtcc, FDT, WhippleIndustries