冰箱

背景

在 1800 年代开发人工制冷技术之前，人们使用各种方法来冷藏和保存食品。几个世纪以来，冰一直是主要的制冷剂。具有讽刺意味的是，古代印度人和埃及人开创了一种制冰技术，该技术作为 19 世纪开发的第一台“现代”冰箱的概念基础：蒸发。液体相对快速的蒸发会产生膨胀体积的气体。随着水蒸气的上升，其动能急剧增加，部分原因是温暖的蒸气从周围环境中吸收能量，这些能量在这个过程中被冷却。印度人和埃及人利用这一现象，在凉爽的夜晚将盛满水的宽而浅的碗放在外面。随着一些水迅速蒸发，剩余的水冷却，形成冰。使用这种方法，可以制造出可用于冷却食物的大块冰。

古代中国人使用更原始的获取冰的方式，简单地从山上运冰来冷却食物；后来，希腊人和罗马人采用了这种做法。为了保存冰本身，人们将其储存在用稻草和木材绝缘的坑或洞穴中，这意味着他们可以维持数月的冰供应。在工业化国家，直到 19 世纪，冰块一直是冷藏食物的主要方法，当时人们将冰块放入隔热柜中，并与他们想要储存的食物放在一起。即使在今天，在许多发展中国家，冰仍然是唯一可用的制冷剂。

第一次开发人造冰箱的尝试发生在苏格兰格拉斯哥大学。 1748 年，威廉·卡伦 (William Cullen) 在那里复兴了通过蒸发来冷冻液体的古老印度-埃及实践，尽管他通过将乙醚煮沸到部分真空中（乙基比水蒸发得更快）加速了这一过程。 Cullen 只是将其作为实验进行尝试，美国人 Oliver Evans 也是如此，他于 1805 年设计了另一台冰箱。 Evans 的机器基于压缩乙醚的封闭循环，代表了使用简单蒸汽而不是蒸发液体的第一次尝试。虽然埃文斯从未开发出超出原型阶段的机器，但在 1844 年，一位名叫约翰戈里的美国医生实际上制造了一个非常相似的机器，为他工作的医院提供冰块。 Gorrie 的机器压缩空气，然后用水冷却。冷却后的空气随后被送入发动机气缸，当它重新膨胀时，其温度下降到足以制造冰的程度。

1856 年，另一位美国人亚历山大·特温恩开始销售基于相同蒸汽压缩原理的制冷机，不久之后，澳大利亚人詹姆斯哈里森扩大了美国设计（旨在用于个人家庭），用于肉类包装和啤酒——制作行业。三年后，当 Ferdinand Carre 引入氨作为冷却剂时，他完善了所有这些冰箱的基本概念。氨代表了一种进步，因为它比水膨胀得更快，因此可以从周围吸收更多的热量。 Carre 还贡献了其他创新。他的冰箱通过一个循环运行，在这个循环中，制冷剂蒸汽（氨）被吸收在液体（氨和水的混合物）中，随后被加热。热量导致制冷剂 外柜和门由钣金制成，通过焊接或铆接在一起。虽然一些制造商的内胆也使用钣金，但一些制造商和某些型号的内胆使用塑料。塑料衬垫是通过真空成型制成的。在这个过程中，一块比成品稍大的厚塑料片的外边缘被夹住，然后被加热。接下来通过真空将热塑料拉入模具中并冷却。修整后，生成的零件就可以组装了。蒸发，从而产生冷却效果（蒸发后，制冷剂被冷凝，使其再次被液体吸收，重复循环）。 Carre 的机器不仅卖得非常好，它还通过升级 Evans 的压缩概念并添加更复杂的制冷剂，开创了现代制冷的先河。这些组件仍然是当今使用的大多数冰箱的基础。

然而，氨本身带来了几个问题。虽然它是一种非常有效的冷却剂，但它泄漏时既臭又毒，而且在 1920 年代开发合成替代品后，它迅速从制冷中消失。其中最著名的，由杜邦以 氟利昂的名义获得专利， 是通过化学改变甲烷分子而产生的，用两个氯原子和两个氟原子代替其四个氢原子。由此产生的气体（技术上，二氯氟甲烷）受到欢迎，因为它的低沸点、表面张力和粘度使其成为理想的——而且表面上没有问题的——制冷剂。后来，在 1970 年代，科学家们意识到氟利昂本身带来了与环境相关的问题（请参阅下面的“环境问题”部分），并开始寻找用于制冷的新试剂。

原材料

今天的冰箱由几个基本部件组成：外柜和门、内柜或内衬、插入两者之间的绝缘材料、冷却系统、制冷剂和固定装置。柜子和门由铝或钢板制成，有时会预涂漆。金属通常成卷购买，可以直接送入制造过程，也可以切割成一定尺寸并逐张送入。内柜与外柜一样由金属板制成，或由塑料制成。填充内柜和外柜之间间隙的绝缘材料由玻璃纤维或泡沫塑料组成。冷却系统的部件（压缩机、冷凝器、盘管、翅片）由铝、铜或合金制成。管子通常是铜的，因为这种金属具有延展性——它能够弯曲而不断裂。氟利昂仍然是最常用的制冷剂，几乎所有的大型内部固定装置（门和橱柜内衬）都是由真空成型的塑料制成的；较小的固定装置（黄油隔间、鸡蛋托盘、沙拉保鲜盒）作为小塑料坯料或预成型件购买。

设计

现代冰箱基于两个基本物理定律：一是热量从较热的材料流向较冷的材料，而不会反过来；第二，降低气体压力也会降低其温度。尽管自 Carre 在 19 世纪后期推出他的模型以来已经进行了改进，但这些基本原理在今天的冰箱中仍然可见。

冰箱的工作原理是去除内部隔间空气中的热量并将热量传递给外部空气。从蒸发器开始，氟利昂被加热并开始从冰箱内的空气中吸取热量。吸收了这些热量后，氟利昂会被压缩机引导至冷凝器。在这组铜线圈（通常安装在冰箱的背面或底部）中，氟利昂返回液态，同时将热量传递到外部空气中。冷却后，氟利昂返回蒸发器，在那里再次开始循环。

冰箱的工作原理是从内部隔间内的空气中去除热量并将热量传递给外面的空气。冷却剂（氟利昂）在通过回路时完成这种转移，从蒸发器移动到冷凝器。从位于隔热柜内的蒸发器开始，氟利昂被加热。因为它已经煮沸，所以氟利昂从冰箱内的空气中吸收热量。吸收了这些热量后，氟利昂被输送到冷凝器。在这组铜线圈（通常安装在冰箱的背面或底部）中，氟利昂冷凝——返回液态——同时将热量传递到外部空气中。冷却后，氟利昂返回蒸发器，在那里再次加热并开始从储存在冰箱内的食物中吸收热量。有时，为了增加表面积（从而促进热传递），蒸发器和冷凝器装有金属翅片。

为了除霜，冷冻机周围缠绕着一个盘管。当计时器到达除霜时间时，制冷剂在高温时通过该盘管以升高温度并融化冰。线圈通常远离任何制冰机，以防止冰块融化和冻结在一起。

制造
过程

外柜和门

• 1 片金属片被焊接或铆接在一起。咬合是一个与装订非常相似的过程，因为这两个部分在压力下卷曲在一起，但没有添加额外的部分，例如订书钉。如果要看到机柜的一部分，则将其焊接并打磨成一体。焊接过程的自动化程度取决于公司和生产的冰箱数量。
• 2 如果金属板不是以预涂形式购买的，则现在对其进行涂漆。有的厂家使用喷涂设备均匀地涂上一层油漆 在金属上。其他人将零件浸入油漆/溶剂混合物中，然后加热它们以将油漆烘烤到表面上。

内柜

• 3 内柜有时由与外壳非常相似的金属板制成。任何接缝都被填塞以改善绝缘和外观。一些厂家和一些型号的内胆使用塑料；例如，今天的内门几乎完全由塑料制成。塑料衬垫是真空成型的。在这个过程中，一块比成品稍大的厚塑料片的外边缘被夹住，然后被加热。接下来通过真空将热塑料拉入模具中并冷却。修整后，生成的零件就可以组装了。
• 4 将内柜插入外柜，在插入夹具之前将两者卡在一起。一些管子和电线在填充绝缘材料之前穿过两者之间的间隙。分配装置（有时是机器人操作，有时是手动操作的长“枪”）在壁之间插入泡沫。当在烤箱中加热时，这种泡沫会膨胀以增加橱柜的刚性和绝缘性。类似的过程用于门。

冷却系统

• 5 制冷组件使用螺钉和夹子固定在机柜上。管子焊接在一起，并在接头上喷涂保护涂层。此组件的顺序因制造商和型号而异。分别切割、弯曲和焊接盘管（冷凝器和蒸发器）的铜管然后作为一个单元连接到冰箱。
• 6 冰箱门上的密封是通过用螺钉固定在门上的载有磁铁的垫圈形成的。在将铰链拧到柜子上之前，把手和铰链也拧到门上。为了门的正常操作，允许进行一些调整。

测试和添加配件

• 7 从这一点开始，大多数制造商将测试与制造混合在一起。该装置用氮气（一种安全气体，约占空气的 79%）进行泄漏测试；如果通过，则充注制冷剂并进行进一步测试。接下来，添加附件（架子、保鲜盒、冰盘等）并用胶带固定以进行运输。对设备进行最终外观检查，然后进行包装以供运输。

质量控制

如上所述，所有含有制冷剂的管子组件都用氮气进行压力测试，这将揭示管子和连接它的焊接中的任何缺陷。在用氟利昂充电之前，整个装置也进行了泄漏测试。充电后，将对设备进行整体测试，以确保其能够达到设计温度，包括除霜循环期间所需的温度。该装置内部装有传感器，可确定温度随时间的变化。有时还会测量制冷剂压力。然后通过检测制冷剂的机器对该装置进行最后的“嗅探”测试，以确保在测试过程中没有发生泄漏。

副产品/废物

被拒绝的金属部件被出售给金属回收公司。塑料组件被磨成小块，然后作为原材料重新使用或返回给供应商重新使用。如果设备在充注后被拒绝，则制冷剂由特殊设备排出并重新使用。

环境问题

在 1970 年代中期，科学家们开始了解到，随着包括氟利昂在内的氯氟烃 (CFC) 组中的气体向上飘入平流层（大气的上层），它们逐渐分解， 内外柜之间的空间填充了泡沫绝缘材料，通常是聚苯乙烯，可以手动插入或插入由机器人自动完成。当在烤箱中加热时，这种泡沫会膨胀以增加橱柜的刚性和绝缘性。
由于这种绝缘材料会释放 CFC，而 CFC 会破坏臭氧层，因此研究人员正在寻找替代品。聚苯乙烯可以用与保温瓶中使用的相同类型的真空绝缘材料代替，因为真空绝缘材料在空间和能源方面都更有效。这样做时会释放氯原子。问题在于，每个氯原子都可以破坏数万个臭氧分子，臭氧是氧的三原子形式，在平流层中构成保护层，吸收大量太阳紫外线辐射，如果到达地球表面会伤害动物生命.当研究人员意识到 CFC 排放正在加剧南极大陆上空臭氧层的空洞时，限制排放的公众压力越来越大。 1987年，世界各国的代表签署了一项协议，关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书， 他们同意逐步停止生产已知会消耗臭氧层的化学品，包括氟利昂。不幸的是，氯氟烃也存在于聚苯乙烯泡沫中，一些制造商将其用作冰箱外壳和内衬之间的绝缘体。因此，减少冰箱 CFC 排放的努力目前在两个方面继续进行，因为制造商试图找到冷却剂氟利昂和绝缘体聚苯乙烯的替代品。

未来

就氟利昂而言，随着研究人员试图确定安全的冷却剂替代品，已经采取了几个中间步骤来最大限度地减少 CFC 的排放。冰箱设计已得到改进，以减少所需的氟利昂量；已安装泄漏检测系统；维护仅限于经过培训的授权人员；尽可能回收和再循环制冷剂。此外，正在探索氟利昂的长期替代品。迄今为止，其中最有希望的是 HCFC-22，它虽然仍然是一种含氯氟烃，但含有一个额外的氢原子，可以将分子的臭氧消耗能力降低 95%。虽然其成本（比氟利昂高出三到五倍）存在问题，但目前正在对 HCFC-22 进行测试以确定其毒性。

含 CFC 的隔热材料可以用与保温瓶中使用的真空隔热材料相同的真空隔热材料代替。研究表明，真空隔热在空间和能源方面都更有效，因此，目前看来，隔热替代品将在氟利昂替代品之前变得可行。