冷凍

雪や氷を季節ごとに収穫することは、紀元前1000年より前に始まったと推定される古代の慣習です。^{[ 13 ]}この時代の中国の詩集『詩経』には、氷室を満たしたり空にしたりする宗教儀式が記述されています。しかし、これらの氷室の構造や氷の目的についてはほとんど知られていません。唐王朝（西暦618年）は、壁から削り取った硝石を使って夏に氷を作っていました。^{[ 14 ]}氷の収穫を記録した次の古代社会は、箴言にある「収穫の時の雪の冷たさのように、忠実な使者は遣わした者にとって忠実である」というユダヤ人かもしれません。歴史家はこれを、ユダヤ人は食料を保存するためではなく、飲み物を冷やすために氷を使っていたという意味だと解釈しています。ギリシャ人やローマ人などの他の古代文化では、草、もみ殻、木の枝で断熱した大きな雪穴を掘って冷蔵していました。ユダヤ人と同様に、ギリシャ人やローマ人も氷や雪を食料の保存には使わず、主に飲み物を冷やす手段として利用していました。エジプト人は夜間、家の屋根に置いた浅い土器の壺の中で水を蒸発させて冷やしていました。古代インドの人々は、この同じ原理を用いて氷を作っていました。ペルシャ人はヤクチャルと呼ばれる穴に氷を貯蔵しており、食料保存のために冷蔵保存を利用した最初の民族であった可能性があります。オーストラリアの奥地では、信頼できる電力供給がなかった時代に、多くの農民がクールガーディ金庫を使用していました。これは、箱型の枠に麻布（ジュート）を水に浸した側面を張ったものです。水が蒸発することで内部の空気が冷やされ、果物、バター、加工肉などの多くの腐敗しやすい食品を保存することができました。^{[ 15 ] [ 16 ]： 5-6}

1830年以前は、氷貯蔵庫や氷箱が不足していたため、食品の冷蔵に氷を使うアメリカ人はほとんどいなかった。これら2つがより広く普及するにつれて、人々は斧や鋸を使って貯蔵庫用の氷を採取するようになった。この方法は困難で危険であり、商業規模で再現できるようなものでは決してなかった。^{[ 16 ]： 8-11}

氷の採取は困難を伴ったものの、フレデリック・チューダーはニューイングランドで氷を採取し、カリブ海の島々や南部諸州に輸送することで、この新たな商品で利益を上げられると考えた。当初、チューダーは何千ドルもの損失を出したが、バージニア州チャールストンとキューバの港町ハバナに氷室を建設することで、最終的には利益を上げることができた。これらの氷室と断熱性能の高い船舶のおかげで、氷の廃棄率は66%から8%にまで減少した。この効率化により、チューダーはニューオーリンズやサバンナなど、氷室のある他の町にも氷の市場を拡大するようになった。1825年にチューダーの仕入れ先の1人であるナサニエル・ワイエスが馬で牽引する氷切り船を発明したことで、氷の採取がより速く安価になり、氷の市場はさらに拡大した。この発明とチューダーの成功は、他の人々にも氷取引への参入を促し、氷産業は成長を遂げた。

1830年代初頭までに氷は大量消費商品となり、価格は1ポンドあたり6セントから0.5セントにまで下落した。ニューヨーク市では、氷の消費量が1843年の12,000トンから1856年には100,000トンに増加した。ボストンでも同時期に消費量が6,000トンから85,000トンに急増した。氷の採取は「冷却文化」を生み出し、多くの人々が乳製品、魚、肉、さらには果物や野菜を保存するために氷や氷箱を使用した。こうした初期の冷蔵保存習慣は、多くのアメリカ人が間もなく国を席巻することになる冷蔵技術を受け入れる道を開いた。^{[ 16 ]： 11-13 [ 17 ]： 20-23}

人工冷凍の歴史は、 1755年にウィリアム・カレンが小型冷凍機を設計したことから始まった。カレンはポンプを使ってジエチルエーテルの容器の上に部分的な真空を作り出し、ジエチルエーテルが沸騰して周囲の空気から熱を吸収した。 ^{[ 18 ]}この実験では少量の氷も生成されたが、当時は実用的な用途はなかった。

1758年、ベンジャミン・フランクリンと化学者のジョン・ハドレーは、イギリスのケンブリッジ大学で、蒸発の原理を利用して物体を急速に冷却する研究プロジェクトで協力しました。彼らは、アルコールやエーテルなどの揮発性の高い液体の蒸発を利用して、物体の温度を水の凝固点以下に下げることができることを確認しました。彼らは、水銀温度計の球部を物体として、また蒸発を促進するためにふいごを使って実験を行いました。周囲の温度が18 ℃（65 °F）のとき、彼らは温度計の球部の温度を-14 ℃（7 °F）まで下げました。彼らは、水の凝固点である0 ℃（32 °F）を過ぎた直後に、温度計の球部の表面に薄い氷の膜が形成され、実験を-14 ℃（7 ° F）で終了した時点で氷の塊の厚さが約6.4ミリメートル（1/4インチ）であったことを記録した。フランクリンは、「この実験から、暖かい夏の日に人間を凍死させる可能性があることがわかる」と記した。^{[ 19 ]} 1805年、アメリカの発明家オリバー・エバンスは、真空下でエーテルを用いて氷を生成する密閉型蒸気圧縮冷凍サイクルについて説明した。         

1820年、マイケル・ファラデーは高圧と低温を用いてアンモニアなどのガスを液化し、1834年にはジェイコブ・パーキンスが世界初の実用的な蒸気圧縮式冷凍システムを構築した。特許の中で彼が説明したように、それは連続運転が可能な閉サイクルであり、「私は揮発性流体を用いて流体を冷却または凍結させると同時に、そのような揮発性流体を絶えず凝縮させ、無駄なく再び運転することができる」。彼の試作システムは機能したが、商業的には成功しなかった。^{[ 20 ]}

^{1842年、医師のジョン・}ゴリー[ ^{21 ]}が同様の試みを行い、試作機を製作したが、商業的には失敗に終わった。当時の多くの医療専門家と同様に、ゴリーは熱帯の暑さに過度にさらされると、精神的および肉体的な衰弱やマラリアなどの病気の蔓延につながると考えていた^{[ 17 ] : 23} 。彼は、家庭や病院で快適に過ごせるように空気を冷やし、病気を予防するために、自身の冷凍システムを使用するというアイデアを思いついた。アメリカのエンジニア、アレクサンダー・トゥイニングは、1850年にエーテルを使用した蒸気圧縮システムでイギリスの特許を取得した。

実用的な蒸気圧縮式冷凍システムを最初に構築したのは、ジャーナリストのジェームズ・ハリソンでした。1856年に取得した彼の特許は、エーテル、アルコール、またはアンモニアを使用した蒸気圧縮システムに関するものでした。彼は1851年にビクトリア州ジーロングのロッキーポイントにあるバーウォン川のほとりに機械式製氷機を建造し、1854年には最初の商業用製氷機を完成させました。ハリソンはまた、商業用蒸気圧縮式冷凍システムをビール醸造所や食肉加工工場に導入し、1861年までに彼のシステムが12台稼働していました。その後、彼は冷蔵せずに牛肉をイギリスに輸出するというアメリカの優位性に対抗する方法を巡る議論に加わりました。1873年、彼は帆船ノーフォーク号をイギリスへの牛肉輸送実験のために準備しましたが、冷凍システムの代わりに冷蔵室システムを使用しました。氷が予想よりも早く消費されたため、この試みは失敗に終わりました。

水に溶解した気体アンモニア（「アクアアンモニア」と呼ばれる）を使用した最初のガス吸収式冷凍システムは、1859年にフェルディナント・カレによって開発され、1860年に特許が取得されました。蒸気機関車を専門とするエンジニアであり、ミュンヘン工科大学の工学教授であったカール・フォン・リンデは、ラガービールの年間を通じた大規模生産を可能にする技術を求める醸造業者の要求に応え、1860年代から1870年代にかけて冷凍の研究を開始しました。彼は1876年にガスの液化方法の改良版の特許を取得しました。^{[ 22 ]}彼の新しいプロセスにより、アンモニア、二酸化硫黄（SO2 _）、塩化メチル（CH3Cl _）などのガスを冷媒として使用することが可能になり、1920年代後半まで広く使用されました。

気球操縦士のサディアス・ロウは、製氷機に関する複数の特許を保有していた。1869年、ロウは他の投資家たちと共に古い蒸気船を購入し、ロウの冷凍装置を積み込んで、ニューヨークからメキシコ湾岸地域へ新鮮な果物を、テキサス州ガルベストンからニューヨークへ新鮮な肉を輸送し始めた。しかし、ロウは輸送に関する知識が不足していたため、この事業は大きな損失を被り、失敗に終わった。

1842年、ジョン・ゴリーは水を冷却して氷を作るシステムを開発しました。商業的には失敗に終わりましたが、世界中の科学者や発明家に影響を与えました。フランスのフェルディナン・カレもその一人で、ゴリーのシステムよりもシンプルで小型の製氷システムを開発しました。南北戦争中、ニューオーリンズなどの都市は、沿岸貿易を通じてニューイングランドから氷を入手できなくなりました。カレの冷凍システムはニューオーリンズの氷不足問題の解決策となり、1865年までに市内にはカレの製氷機が3台設置されました。^{[ 16 ] : 25} 1867年、テキサス州サンアントニオで、アンドリュー・ミュールという名のフランス移民が、拡大する牛肉産業を支援するために製氷機を製作し、1871年にそれをワコに移した。1873年、この機械の特許は、WCブラッドリー社に買収されたコロンバス・アイアン・ワークス社によって契約され、同社は米国で最初の商業用製氷機を生産するに至った。

1870年代までに、醸造所は収穫氷の最大の利用者となった。20世紀初頭までに氷の収穫産業は飛躍的に成長したが、汚染物質や下水が天然氷に混入し始め、大都市郊外で問題となった。やがて、醸造所は汚染された氷について苦情を申し立てるようになった。氷の原料となる水の純度に対する人々の懸念は、細菌説の台頭とともに1900年代初頭に高まり始めた。多くのメディアが、腸チフスなどの病気と天然氷の摂取を結びつける記事を掲載した。これにより、国内の一部の地域では氷の収穫が違法となった。これらの状況すべてが、近代的な冷蔵技術と人工氷の需要を高めた。カレ社やミュール社のような製氷機は、食料品店、農家、食品輸送業者のニーズを満たす氷を生産する手段として注目された。^{[ 17 ]： 25 [ 16 ]： 110–111}

冷蔵鉄道車両は1840年代に乳製品の短距離輸送のために米国で導入されたが、これらは低温を維持するために収穫した氷を使用していた。^{[ 23 ]}

新しい冷凍技術は、まずイギリス自治領や他の国々からイギリス諸島へ冷凍船で海上輸送するために食肉を冷凍する手段として、広く産業的に利用されるようになった。冷凍品を海外へ輸送することに成功した最初の船ではないが（ストラースレブン号は1880年2月2日にシドニーとメルボルンから冷凍牛肉、羊肉、バターを積んでロンドンのドックに到着していた^{[ 24 ]}）、この画期的な出来事は、ニュージーランドに移住した起業家ウィリアム・ソルタウ・デイビッドソンに帰せられることが多い。デイビッドソンは、イギリスの人口増加と食肉需要が、ニュージーランドに大きな影響を与えていた世界の羊毛市場の低迷を緩和できると考えた。綿密な調査の後、彼は1881年に食肉輸送のためにダニーディン号に圧縮式冷凍装置を取り付けるよう依頼した。1882年2月15日、ダニーディン号はロンドンに向けて出航し、これが商業的に成功した最初の冷蔵輸送航海となり、冷蔵食肉産業の基礎となった。^{[ 25 ]}

タイムズ紙は「今日、我々は、ほんの数日前には信じがたい、いや想像もできなかったような肉体的困難に対する勝利を記録しなければならない …」とコメントした。ダニーデン号の姉妹船であるマールボロ号はすぐに改造され、翌年にはライバルのニュージーランド海運会社の船マタウルア号とともに貿易に加わった。一方、ドイツの蒸気船マルサラ号は1882年12月に冷凍ニュージーランド産ラム肉の輸送を開始した。5年以内に、ニュージーランドから英国へ172回の冷凍肉の輸送が行われ、そのうち相当量の肉が廃棄処分となったのはわずか9回だった。冷蔵輸送はまた、オーストララシアと南米における肉と乳製品のより広範なブームにもつながった。イギリスのダートフォードのJ & E Hallは、 1886年にフォークランド諸島から羊肉3万頭を輸送するために、 SSセレンブリア号に蒸気圧縮システムを^{装備した。 [ 26 ]}その後、この産業はオーストラリア、アルゼンチン、アメリカ合衆国へと急速に拡大した。  

1890年代までに、冷蔵は食品の流通において重要な役割を果たすようになった。食肉加工業界は1880年代には天然氷に大きく依存しており、人工氷技術が利用可能になると、引き続き人工氷に頼るようになった。^{[ 17 ]： 142} 1900年までに、シカゴの食肉加工工場はアンモニアサイクル商業用冷蔵を採用した。1914年までに、ほぼすべての場所で人工冷蔵が使用されるようになった。大手食肉加工業者であるアーマー、スウィフト、ウィルソンは、最も高価なユニットを購入し、それを列車の貨車や、より遠隔地の流通地域の支店や保管施設に設置した。

20世紀半ばまでに、冷凍ユニットはトラックや貨物車への搭載を前提として設計されるようになった。冷凍車両は、冷凍食品、果物や野菜、温度に敏感な化学薬品など、生鮮食品の輸送に使用される。現代の冷凍機のほとんどは、-40℃から-20  ℃の温度を維持し、最大積載量は （ヨーロッパでは）総重量約24,000kgとなっている。

業務用冷蔵庫は急速に進歩したが、家庭への普及を妨げるいくつかの制約があった。第一に、ほとんどの冷蔵庫は大きすぎた。1910年に使用されていた業務用冷蔵庫の中には、5トンから200トンもの重さのものもあった。第二に、業務用冷蔵庫は製造、購入、維持に費用がかかった。最後に、これらの冷蔵庫は安全ではなかった。業務用冷蔵庫が発火したり、爆発したり、有毒ガスを漏洩したりすることは珍しくなかった。これらの3つの課題が克服されるまで、冷蔵は家庭用技術とはならなかった。^{[ 17 ]： 38}

1800年代初頭、消費者は氷の採取者から購入した氷や食料を氷箱に保存することで食品を保存していた。1803年、トーマス・ムーアは金属製の裏地付きバター保存容器の特許を取得し、これがほとんどの氷箱の原型となった。これらの氷箱は1910年頃まで使用され、技術は進歩しなかった。実際、1910年に氷箱を使用していた消費者は、1800年代初頭の消費者と同様に、カビが生えて悪臭を放つ氷箱という同じ問題に直面していた^{。[ 17 ]： 23、38}

ゼネラル・エレクトリック（GE）は、これらの課題を克服した最初の企業の1つでした。1911年、GEはガスを動力源とする家庭用冷蔵庫を発売しました。ガスを使用することで、電気コンプレッサーモーターが不要になり、冷蔵庫のサイズも小さくなりました。しかし、GEの顧客であった電力会社は、ガス式冷蔵庫の恩恵を受けませんでした。そこでGEは、電気式モデルの開発に投資しました。1927年、GEは電気で動く最初の冷蔵庫であるモニター・トップを発売しました。^{[ 17 ]： 43-45}

1930 年、GE の主要な競合企業の 1 つですが、Frigidaire がフロンを合成しました。^{[ 17 ] : 44}主にクロロフルオロカーボン(CFC) 化学物質に基づく合成冷媒の発明により、家庭用および消費者用のより安全な冷蔵庫が可能になりました。フロンにより、より小型で軽量で安価な冷蔵庫が開発されました。冷蔵庫の平均価格は、フロン合成により 275 ドルから 154 ドルに下がりました。この低価格により、1940 年までにアメリカの家庭における冷蔵庫の所有率は 50% を超えました。^{[ 17 ] : 45}フロンはデュポン社の商標であり、1920 年代後半に開発されたこれらの CFC、後にハイドロクロロフルオロカーボン (HCFC) およびハイドロフルオロカーボン (HFC) 冷媒を指します。これらの冷媒は、当時、ギ酸メチル、アンモニア、塩化メチル、二酸化硫黄など、当時一般的に使用されていた冷媒よりも害が少ないと考えられていました。その目的は、家庭用冷凍機器を安全に提供することだった。これらのCFC冷媒はそのニーズに応えた。しかし、1970年代になると、これらの化合物が太陽からの紫外線に対する重要な保護層である大気中のオゾンと反応することが判明し、 1987年のモントリオール議定書によって世界中で冷媒としての使用が制限された。

冷蔵貨車（冷蔵バンまたは冷蔵車）は、密集した鉄道網とともに、市場と農場を結ぶ非常に重要なリンクとなり、地域的な機会だけでなく全国的な機会をもたらしました。冷蔵貨車が発明される前は、生鮮食品を長距離輸送することは不可能でした。牛肉加工業界が最初に冷蔵貨車の需要を押し上げました。鉄道会社は、牛車、家畜市場、飼育場への多額の投資のため、この新しい発明の採用に時間がかかりました。^{[ 27 ]}冷蔵貨車は他の貨車に比べて複雑で高価だったため、冷蔵貨車の採用が遅れた理由の一つでもあります。冷蔵貨車の採用が遅れた後、牛肉加工業界は製氷工場を管理し、氷代を設定する能力によって冷蔵貨車事業を支配しました。米国農務省は、1916年に国内で屠殺された牛の69%以上が州間貿易に関わる工場で屠殺されたと推定した。食肉貿易にも関わっていた同じ企業が、後に野菜や果物を含む冷蔵輸送を導入した。食肉加工会社は、冷蔵車などの高価な機械や冷蔵倉庫施設を多く所有しており、あらゆる種類の生鮮食品を効果的に流通させることができた。第一次世界大戦中、遊休貨車の問題に対処するため、米国政府は全国冷蔵貨車プールを設立し、戦後も継続した。^{[ 28 ]}遊休貨車の問題とは、季節ごとの収穫の合間に冷蔵貨車が無駄に放置されている問題であった。これは、非常に高価な貨車が年間の大半を鉄道操車場に放置され、貨車の所有者に何の収益ももたらさないことを意味していた。貨車プールは、作物が成熟するにつれて貨車を地域に分配し、貨車を最大限に活用できるようにするシステムであった。冷蔵貨車は、西部諸州のブドウ園、果樹園、畑、庭園から東へ移動し、東部のアメリカ消費市場を満たした。^{[ 29 ]}冷蔵貨車のおかげで、腐りやすい作物を数百キロメートル、あるいは数千キロメートルも輸送することが可能になった。貨車がもたらした最も顕著な効果は、野菜や果物の地域特化であった。冷蔵貨車は、1950年代まで腐りやすい商品の輸送に広く利用された。1960年代までに、国の州間高速道路網が十分に整備され、トラックが腐りやすい食品の大部分を輸送できるようになり、冷蔵貨車による旧来の輸送システムは廃止された。^{[ 30 ]}

冷蔵技術の普及により、米国では膨大な数の新たな農業機会が開かれました。これまで人が住んでおらず、人口密集地から遠く離れた地域に、米国全土で新たな市場が出現しました。南部や西部の州など、農村部と考えられていた地域にも新たな農業機会が生まれました。南部とカリフォルニアからの大規模な出荷はほぼ同時期に行われましたが、南部では人工氷が使われたのに対し、カリフォルニアではシエラ山脈の天然氷が使われました。^{[ 31 ]}冷蔵技術のおかげで、多くの地域で特定の果物の栽培に特化できるようになりました。カリフォルニアはブドウ、桃、梨、プラム、リンゴなどいくつかの果物に特化し、ジョージア州は特に桃で有名になりました。カリフォルニアでは、冷蔵貨車の導入により、貨車積載量が1895年の4,500両から1905年には8,000両から10,000両に増加した。^{[ 16 ] : 156}ガルフ州、アーカンソー州、ミズーリ州、テネシー州はイチゴの大規模生産に参入し、ミシシッピ州はトマト産業の中心地となった。ニューメキシコ州、コロラド州、アリゾナ州、ネバダ州はカンタロープを栽培した。冷蔵がなければ、これは不可能だっただろう。1917年までに、東部市場に近い確立された果物と野菜の地域は、これらの遠く離れた専門センターからの競争圧力を感じていた。^{[ 16 ] : 158}冷蔵は肉、果物、野菜に限らず、乳製品と酪農場にも及んだ。 20世紀初頭、大都市は640キロメートル（400マイル）も離れた農場から乳製品を仕入れていた。乳製品は腐敗しやすいため、果物や野菜のように長距離輸送が容易ではなかった。冷蔵技術の発達により、東部市場から遠く離れた西部での生産が可能になり、酪農家は輸送コストを負担してもなお東部の競合業者より安く販売できるようになった。^{[ 16 ]： 168}冷蔵技術と冷蔵鉄道は、川、谷道、港などの自然の輸送路から遠く離れた肥沃な土壌の地域に機会を与えた。^{[ 32 ]} 

「エッジシティ」はジョエル・ガローが作った造語で、「ギャラクティックシティ」はルイス・マンフォードが作った造語です。これらの用語は、かつて住宅地や農村地帯だった場所に、従来のダウンタウンや中心業務地区の外側にビジネス、ショッピング、エンターテイメントが集中している状態を指します。ロサンゼルス、ラスベガス、ヒューストン、フェニックスといった都市の成長には、いくつかの要因が寄与しました。これらの大都市の成長に貢献した要因には、信頼性の高い自動車、高速道路網、冷蔵設備、農業生産の増加などが挙げられます。上記のような大都市は歴史上珍しいものではありませんが、これらの都市を他の都市と区別するのは、これらの都市が自然の交通路沿いや、小道、港、山、川、谷などの2つ以上の交通路の交差点に位置していないことです。これらの大都市は、ほんの数百年前には居住不可能だった地域に発展しました。空気を冷やし、遠くから水や食料を輸送する費用対効果の高い方法がなければ、これらの大都市は決して発展しなかったでしょう。これらの都市の急速な成長は、冷蔵技術と農業生産性の向上によって影響を受け、より遠方の農場が効果的に人口を養うことが可能になった。^{[ 32 ]}

冷蔵技術の導入とその他の技術の進化により、米国の農業は劇的に変化しました。20世紀初頭、農業は米国市民にとって一般的な職業であり生活様式でした。実際、ほとんどの農家は自分の農場で生活していました。1935年には、米国には680万の農場があり、人口は1億2700万人でした。しかし、米国の人口は増加し続けている一方で、農業に従事する市民は減少し続けています。2007年の米国国勢調査によると、現在、3億1000万人の人口のうち、農業を職業としているのは1%未満です。しかし、人口増加に伴い農産物の需要が増加しており、これはより多様な作物、肥料、農薬、そして改良された技術によって満たされています。改良された技術により、農業管理に伴うリスクと時間が軽減され、大規模農場は社会の需要を満たすために一人当たりの生産量を増やすことができるようになりました。^{[ 33 ]}

1882年以前、ニュージーランド南島では牧草の播種と羊の交配実験が行われており、これにより農家は食肉輸出で経済的な可能性をすぐに得ることができた。1882年、ニュージーランドのダニーデンにあるポート・チャルマーズからロンドンへ、羊の死骸の最初の出荷が成功した。1890年代までに、冷凍肉貿易はニュージーランド、特にカンタベリー地方でますます利益を生むようになり、 1900年には輸出された羊の死骸の50%がカンタベリー地方から産出された。カンタベリーの肉はすぐに最高品質として知られるようになり、世界中でニュージーランドの肉に対する需要が生まれた。この新たな需要に応えるため、農家は羊がわずか7ヶ月で屠殺できる状態になるように飼料を改良した。この新しい出荷方法により、1890年代半ばまでにニュージーランドは経済ブームを迎えた。^{[ 34 ]}

米国では、地元の肉屋が冷蔵貨車システムが不衛生だと感じたため、1891年に食肉検査法が制定されました。^{[ 35 ]}食肉加工が盛んになると、消費者は消費する肉の品質について不安を感じるようになりました。アプトン・シンクレアの1906年の小説『ジャングル』は、不衛生な労働環境や病気の動物の処理を明るみに出し、食肉加工業界に否定的な注目を集めました。この本はセオドア・ルーズベルト大統領の目に留まり、 1891年の食肉検査法の改正として1906年の食肉検査法が制定されました。この新しい法律は、肉の品質と加工環境に焦点を当てています。^{[ 36 ]}

1930年代初頭、アメリカの都市人口の90%が電力供給を受けていたのに対し、農村部ではわずか10%に過ぎませんでした。当時、電力会社は農村部への電力供給拡大（農村電化）が採算に見合うだけの利益を生み出さないと考えていました。しかし、大恐慌の最中、フランクリン・D・ルーズベルト大統領は、農村部が電力供給を受けなければ、貧困と生産性の両面で都市部に比べて遅れを取り続けるだろうと認識しました。1935年5月11日、大統領は農村電化局（REA）と呼ばれる大統領令に署名しました。この機関は、農村部の電力インフラ整備のための融資を提供しました。わずか数年で、アメリカの農村部で30万人が自宅に電力を供給されるようになりました。

電気は農場での労働条件を劇的に改善したが、食料生産の安全性にも大きな影響を与えた。冷蔵システムが農業と食品流通プロセスに導入され、食品の保存と食料供給の安全確保に役立った。冷蔵によって、腐敗しやすい農産物を米国全土に輸送することも可能になった。その結果、米国の農家は急速に世界で最も生産性の高い農家となり^{[ 37 ]}、まったく新しい食料システムが生まれた。

湿度レベルを下げ、細菌の増殖による腐敗を防ぐために、今日の農業では肉、農産物、乳製品の加工に冷蔵が用いられています。農産物は品質基準を満たし、保存期間を延ばすためにできるだけ早く冷却する必要があるため、温暖な時期に冷蔵システムが最も多く使用されます。一方、酪農場では腐敗を防ぐために牛乳を一年中冷蔵しています。^{[ 38 ]}

冷蔵技術の導入により、生鮮食品の衛生的な取り扱いと保管が可能になり、^{[ 44 ]}それによって生産量の増加、消費、栄養の供給が促進されました。食品保存方法の変化により、塩分の使用から、より管理しやすいナトリウムレベルへと移行しました。肉や乳製品などの生鮮食品を輸送および保管できるようになったことで、1890年代以降、米国では乳製品の消費量が年間1.7%、タンパク質摂取量が年間1.25%増加しました。^{[ 45 ]}

人々がこれらの生鮮食品を消費するようになったのは、自分で保管しやすくなったからだけではなく、冷蔵輸送と保管の革新によって腐敗や廃棄が減り、その結果これらの製品の価格が下がったからでもある。冷蔵は、栄養の改善を通じて成人の身長増加の少なくとも 5.1% を占めており (米国)、^{[ 46 ] [ 47 ]}、さらに栄養の質の向上や病気の減少に関連する間接的な影響を考慮に入れると、全体的な影響はかなり大きくなる。^{[ 45 ]}最近の研究では、家庭内の冷蔵庫の数と胃がん死亡率の間に負の相関関係があることも示されている。^{[ 48 ]}

この冷凍方法は、氷を溶かす、ドライアイスを昇華させる、または液体窒素を蒸発させることによって、密閉された領域を冷却します。 ^{[ 59 ]}この簡単な例として、ポータブルクーラーがあります。これは、冷蔵する必要のある物の上に氷を注ぎ、それらを冷たく保ち、熱から断熱するものです。通常の氷は凍結温度を維持しますが、塩を使用して氷をさらに冷却しない限り（従来のアイスクリームメーカーのように）、凝固点以下にはなりません。水氷、ドライアイス、または液体窒素などの冷却剤と他の溶媒の混合物も、化学用の冷却浴を作るために使用されます。ドライアイスは、温度を水の凝固点よりもはるかに低い195Kまで確実に下げることができます。

これは、外部仕事の助けを借りて低温空間または熱源から熱を取り除き、高温のシンクに放出する冷凍サイクルで構成されており、熱力学的動力サイクルの逆です。動力サイクルでは、高温の熱源からエンジンに熱が供給され、その熱の一部が仕事を生み出すために使用され、残りは低温のシンクに放出されます。これは熱力学第二法則を満たしています。

冷凍サイクルとは、冷媒が冷蔵庫内を循環する際に、熱を吸収したり放出したりを繰り返すことで生じる変化を説明するものです。また、パッケージ型かセパレート型かを問わず、HVACR（冷暖房空調）ユニット内を冷媒が流れる「プロセス」を説明する際にも、 HVACRの作業に用いられます。

熱は自然に高温から低温へと流れます。居住空間や貯蔵空間を冷却するには、低温の熱源から高温の​​熱シンクへ熱を移動させることで仕事が加えられます。断熱材は、冷却空間の温度を低く保つために必要な仕事とエネルギーを削減するために使用されます。冷凍サイクルの動作原理は、 1824年にサディ・カルノーによって熱機関として数学的に記述されました。

最も一般的な冷凍システムは逆ランキン蒸気圧縮冷凍サイクルを使用しているが、吸収式ヒートポンプは一部の用途で使用されている。

循環式冷凍は以下のように分類できます。

1. 蒸気サイクル、そして
2. ガスサイクル

蒸気サイクル冷凍は、さらに以下のように分類できます。

1. 蒸気圧縮冷凍
2. 吸着冷凍
   1. 蒸気吸収式冷凍
   2. 吸着式冷凍

蒸気圧縮サイクル

蒸気圧縮サイクルは、ほとんどの家庭用冷蔵庫だけでなく、多くの大型商業用および産業用冷凍システムにも使用されています。図1は、一般的な蒸気圧縮冷凍システムの構成要素の概略図を示しています。

このサイクルの熱力学は、図2に示す図^{[ 60 ]}で分析できます。このサイクルでは、低沸点炭化水素やハイドロフルオロカーボンなどの循環冷媒が蒸気として圧縮機に入ります。点1から点2まで、蒸気は一定エントロピーで圧縮され、より高い温度で蒸気として圧縮機から出ますが、その温度での蒸気圧よりはまだ低い温度です。点2から点3、そして点4まで、蒸気は凝縮器を通過し、凝縮が始まるまで冷却され、その後、一定圧力と温度でさらに熱が除去されて蒸気が液体に凝縮されます。点4と点5の間で、液体冷媒は膨張弁（スロットル弁とも呼ばれる）を通過し、そこで圧力が急激に低下し、フラッシュ蒸発と、通常は液体の半分以下の自己冷却を引き起こします。

その結果、図5に示すように、低温・低圧の液体と蒸気の混合物が生成されます。この低温の液体と蒸気の混合物は、蒸発器コイルまたはチューブ内を流れ、ファンによって送風される（冷却対象空間からの）暖かい空気によって完全に気化されます。生成された冷媒蒸気は、点1にある圧縮機入口に戻り、熱力学サイクルが完了します。

上記の議論は理想的な蒸気圧縮冷凍サイクルに基づいており、システム内の摩擦による圧力損失、冷媒蒸気の圧縮中のわずかな熱力学的不可逆性、あるいは非理想気体の挙動（もしあれば）といった現実世界の影響は考慮されていません。蒸気圧縮冷凍機は、カスケード冷凍システムにおいて2段構成にすることができ、第2段が第1段の凝縮器を冷却します。これは、非常に低い温度を実現するために利用できます。

蒸気圧縮冷凍システムの設計と性能に関する詳細情報は、古典的なペリーの化学技術者ハンドブックに記載されています。^{[ 61 ]}

熱電冷却は、ペルティエ効果を利用して、 2 種類の材料の接合部間に熱流束を生成します。 ^{[ 63 ]この効果は、キャンプやポータブル クーラー、電子部品[ 64 ]}や小型機器の冷却によく使用されます。ペルティエ クーラーは、従来の蒸気圧縮サイクル 冷蔵庫が実用的でない、またはスペースを取りすぎる場合によく使用され、冷却イメージ センサーでは、カスケード冷凍構成で配置された 2 つ以上のペルティエ クーラーを使用して非常に低い温度を実現する、簡単でコンパクトで軽量な非効率な方法として使用されます。これは、2 つ以上のペルティエ素子が互いに積み重ねられ、各ステージが前のステージよりも大きいことを意味します。^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}前のステージで発生したより多くの熱と廃熱を抽出します。ペルチェ冷却は蒸気圧縮サイクルと比較してCOP（効率）が低いため、一定の冷却能力に対してより多くの廃熱（ペルチェ素子または冷却機構によって発生する熱）を放出し、より多くの電力を消費します。^{[ 68 ]}

磁気冷凍、または断熱消磁は、磁性固体固有の性質である磁気熱量効果に基づいた冷却技術です。冷媒としては、硝酸セリウムマグネシウムなどの常磁性塩がよく用いられます。この場合、活性な磁気双極子は、常磁性原子の電子殻の双極子です。

冷媒に強い磁場を印加すると、冷媒の様々な磁気双極子が整列し、冷媒の自由度が低下した状態になります。次に、ヒートシンクが冷媒のエントロピー低下によって放出される熱を吸収します。その後、ヒートシンクとの熱接触を遮断してシステムを断熱し、磁場をオフにします。これにより冷媒の熱容量が増加し、冷媒の温度がヒートシンクの温度よりも低くなります。

室温で必要な特性を示す材料が少ないため、これまでのところ、用途は極低温技術と研究に限られている。

その他の冷凍方式には、航空機で使用される空気サイクル式冷凍機、圧縮空気が利用可能な場合にスポット冷却に使用される渦管、加圧ガス中の音波を利用して熱伝達と熱交換を促進する熱音響冷凍、 1930年代初頭に大型建物の空調に人気だった蒸気ジェット冷却、伸縮自在の金属合金を使用した熱弾性冷却などがあります。多くのスターリングサイクル式熱機関は逆回転させて冷凍機として使用できるため、これらの機関は極低温分野でニッチな用途があります。さらに、ギフォード・マクマホン冷却器、ジュール・トムソン冷却器、パルス管式冷凍機、2 mK～500 mKの温度範囲で使用される希釈冷凍機など、他のタイプの極低温冷凍機もあります。

もう一つの有望な固体冷凍技術であり、比較的新しい研究分野は、超弾性材料の特殊な性質に由来する。これらの材料は、機械的応力が加えられると温度変化を起こす（弾性熱量効果と呼ばれる）。超弾性材料は高ひずみで可逆的に変形するため、オーステナイト相からマルテンサイト相への相転移によって、応力-ひずみ曲線に平坦な弾性領域が生じる。

超弾性材料がオーステナイト相で応力を受けると、発熱性の相変態を起こしてマルテンサイト相に変化し、材料が発熱する。応力を取り除くと、この過程が逆転し、材料はオーステナイト相に戻り、周囲から熱を吸収して冷却される。

この研究で最も魅力的な点は、この冷却技術がエネルギー効率が高く、環境に優しい可能性があることです。一般的に形状記憶合金などのさまざまな材料が使用されており、無毒で排出物のない冷凍源を提供します。最もよく研​​究されている材料は、ニッケルチタン合金や銅亜鉛アルミニウム合金などの形状記憶合金です。ニッケルチタン合金は、約66 J/cm³の熱出力と約16～20 Kの温度変化を持つ、より有望な合金の1つです。^[ 69 ^]一部の形状記憶合金の製造が困難であるため、天然ゴムなどの代替材料が研究されています。ゴムは形状記憶合金ほど体積あたりの熱量（12 J/ ^cm³ ）は多くないかもしれませんが、それでも約12 Kの同程度の温度変化を生み出し、適切な温度範囲、低応力、低コストで動作します。^{[ 70 ]}

しかし、主な課題は、このプロセスによく伴うヒステリシスという形での潜在的なエネルギー損失です。これらの損失のほとんどは2つの相間の不適合性から生じるため、損失を減らし、可逆性と効率を高めるには、適切な合金調整が必要です。材料の相変態歪みとエネルギー損失のバランスを取ることで、大きな弾性熱量効果が発生し、冷凍の新しい代替手段となる可能性があります。^{[ 71 ]}

冷蔵庫ゲート方式は、熱力学の法則に違反することなく、最もエネルギー効率の良い方法で冷蔵庫を駆動するために単一の論理ゲートを使用する理論的な応用です。この方式は、粒子が存在できるエネルギー状態が基底状態と励起状態の2つであるという事実に基づいています。励起状態は基底状態よりもわずかに多くのエネルギーを持ち、そのエネルギーは遷移が高確率で起こるほど小さいです。冷蔵庫ゲートには3つの構成要素または粒子タイプがあります。1つ目は冷蔵庫の内部にあり、2つ目は外部にあり、3つ目は電源に接続されており、一定間隔で加熱されてE状態に達し、電源を補充します。冷蔵庫内部での冷却ステップでは、g状態の粒子が周囲の粒子からエネルギーを吸収して冷却し、自身はe状態に遷移します。2番目のステップでは、粒子がe状態にある冷蔵庫の外部で、粒子がg状態に遷移し、エネルギーを放出して外部の粒子を加熱します。 3番目で最後のステップでは、電源がe状態の粒子を移動させ、それがg状態に落ちると、内部のe粒子が新しいg粒子に置き換えられるエネルギー中立の交換が誘発され、サイクルが再開されます。^{[ 72 ]}

受動的な日中の放射冷却システムを断熱材と蒸発冷却と組み合わせると、単独の放射冷却面と比較して周囲の冷却能力が300%向上することが研究で判明し、冷蔵なしで湿潤気候では食品の保存期間を40% 、砂漠気候では200%延長できる可能性がある。システムの蒸発冷却層は、湿潤地域では10日から1ヶ月ごと、高温乾燥地域では4日ごとに水を「補充」する必要がある。^{[ 73 ]}