冷蔵庫

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背景

1800年代に人工冷凍技術が開発される前は、人々はさまざまな手段を利用して食品を冷やして保存していました。何世紀にもわたって、氷が主要な冷媒として機能していました。皮肉なことに、古代インド人とエジプト人は、19世紀に開発された最初の「現代の」冷蔵庫の概念的基礎として機能する製氷技術を開拓しました。それは蒸発です。液体の蒸発が比較的速いと、ガスの量が増えます。水蒸気が上昇すると、その運動エネルギーは劇的に増加します。これは、暖かい蒸気が周囲からエネルギーを引き込み、このプロセスによって冷却されるためです。インド人とエジプト人は、涼しい夜の間に水で満たされた広くて浅いボウルを外に置くことによってこの現象を利用しました。一部の水が急速に蒸発すると、残りの水は冷却され、氷を形成しました。この方法では、食品を冷やすために使用できるかなりの量の氷を作ることができました。

古代中国人は、氷を調達するためのより原始的な手段を使用して、食べ物を冷やすために山から氷を運んだだけでした。その後、ギリシャ人とローマ人はこの慣習を採用しました。氷自体を保存するために、人々はそれをわらと木で断熱された穴や洞窟に保管しました。これは、氷の供給を数ヶ月間維持できることを意味します。先進国では、19世紀を通じて、人々が保存したい食品の横にある断熱キャビネットに氷のブロックを挿入したときに、氷が食品を冷やすための主要な方法として機能しました。今日でも、多くの発展途上国では、氷が唯一の利用可能な冷媒のままです。

人工冷蔵庫を開発する最初の既知の試みは、スコットランドのグラスゴー大学で行われました。そこで、1748年に、ウィリアム・カレンは蒸発によって液体を凍結するという古代のインド・エジプトの慣習を復活させましたが、エチルエーテルを部分真空に沸騰させることによってプロセスを加速しました（エチルは水よりも速く蒸発します）。カレンは、1805年に別の冷蔵庫を設計したアメリカのオリバーエバンズが行ったように、これを単なる実験として試みました。圧縮エーテルの閉サイクルに基づくエバンズの機械は、液体を気化させる代わりに単純な蒸気を使用する最初の試みを表しています。エヴァンスはプロトタイプの段階を超えて自分のマシンを開発したことはありませんでしたが、1844年にジョンゴリーという名前のアメリカ人医師が実際に彼が働いていた病院に氷を提供するために非常によく似たマシンを作りました。次に水で冷却されたゴリーの機械圧縮空気。次に、冷却された空気はエンジンシリンダーに送られ、再膨張すると、氷ができるように温度が十分に下がりました。

1856年に別のアメリカ人であるAlexanderTwinningが同じ蒸気圧縮原理に基づいた冷凍機の販売を開始し、その直後にオーストラリア人のJames Harrisonが食肉包装とビールのアメリカのデザイン（個々の家庭で使用されることを意図）を拡大しました。産業を作る。 3年後、フェルディナンドカレは、冷却剤としてアンモニアを導入したときに、これらすべての冷蔵庫の基礎となる基本概念を改良しました。アンモニアは、水よりも急速に膨張し、周囲からより多くの熱を吸収できるため、進歩を示しました。カレは他の革新にも貢献しました。彼の冷蔵庫は、冷媒蒸気（アンモニア）が液体（アンモニアと水の混合物）に吸収され、その後加熱されるというサイクルで作動しました。熱が冷媒を引き起こした 板金で作られた外側のキャビネットとドアは、溶接またはクリンチされています。インナーキャビネットに板金を使用しているメーカーもあれば、インナーライナーにプラスチックを使用しているメーカーやモデルもあります。プラスチックライナーは真空成形によって作られています。このプロセスでは、完成品よりわずかに大きい厚いプラスチック片の外縁がクランプされてから加熱されます。次に、高温のプラスチックを真空で金型に引き込み、冷却します。トリミング後、結果のパーツを組み立てる準備が整います。気化することにより、冷却効果が生まれます（気化した後、冷媒が凝縮されて再び液体に吸収され、サイクルが繰り返されます）。 Carreの機械は非常に売れ行きが良かっただけでなく、Evansの圧縮コンセプトをアップグレードし、より洗練された冷媒を追加することで、最新の冷凍を開始しました。これらのコンポーネントは、今日使用されているほとんどの冷蔵庫の基礎となっています。

しかし、アンモニア自体がいくつかの問題を引き起こしました。それは非常に効果的な冷却剤として機能しましたが、漏れたときは不快で有毒であり、1920年代に合成代替品が開発された後すぐに冷蔵から消えました。これらの中で最もよく知られているのは、デュポンがフレオンという名前で特許を取得したものです。 メタン分子を化学的に変化させ、4つの水素原子を2つの塩素原子と2つのフッ素原子に置き換えて作成されました。得られたガス（技術的には、ジクロロフルオロメタン）は、その低沸点、表面張力、および粘度により、理想的で、表面上は問題のない冷媒となったため、歓迎されました。その後、1970年代に、科学者たちはフレオンが環境に関連する独自の問題を引き起こしていることに気づき（以下の「環境問題」のセクションを参照）、冷凍に使用する新しい薬剤を探し始めました。

原材料

今日の冷蔵庫は、いくつかの基本的なコンポーネントで構成されています。外部キャビネットとドア、内部キャビネットまたはライナー、2つの間に挿入された断熱材、冷却システム、冷媒、および固定具です。キャビネットとドアはアルミニウムまたはスチールの板金でできており、塗装されている場合があります。金属は通常、製造プロセスに直接供給されるか、サイズにカットされてシートごとに供給されるコイルで購入されます。内側のキャビネットは、外側のキャビネットのように板金またはプラスチックでできています。内側と外側のキャビネット間の隙間を埋める断熱材は、グラスファイバーまたはポリフォームで構成されています。冷却システムのコンポーネント（コンプレッサー、コンデンサー、コイル、フィン）は、アルミニウム、銅、または合金でできています。金属の延性、つまり破損することなく曲がる能力があるため、チューブは通常銅です。フレオンは依然として最も一般的に使用されている冷媒であり、ほとんどすべての大型内装器具（ドアおよびキャビネットライナー）は真空成形プラスチックで作られています。小さな備品（バターコンパートメント、卵トレイ、サラダクリスパー）は、小さなプラスチックのブランクとして、または事前に形成された部分で購入されます。

デザイン

現代の冷蔵庫は、物理学の2つの基本法則に基づいています。1つは、熱が暖かい材料から冷たい材料に流れ、その逆はありません。 2つ目は、ガスの圧力を下げると温度も下がることです。カレが19世紀後半にモデルを発表して以来、改良が加えられてきましたが、これらの基本原則は今日の冷蔵庫にも見られます。

冷蔵庫は、内部のコンパートメント内の空気から暖かさを取り除き、その熱を外部の空気に中継することで機能します。エバポレーターから始まり、フレオンは加熱され、冷蔵庫内の空気から熱を奪い始めます。この熱を吸収したフレオンは、コンプレッサーによってコンデンサーに送られます。この銅コイルのセット（通常は冷蔵庫の背面または下部に取り付けられています）では、フレオンは液体状態に戻り、そのように熱を外気に伝達します。冷却後、フレオンは蒸発器に戻り、そこでサイクルが再開されます。

冷蔵庫は、内部のコンパートメント内の空気から暖かさを取り除き、その熱を外部の空気に中継することによって機能します。クーラント（フレオン）は、回路を通過するときにこの移動を行い、蒸発器から凝縮器に移動します。断熱キャビネット内にある蒸発器から始めて、フレオンが加熱されます。フレオンは沸騰させられているため、冷蔵庫内の空気から熱を奪います。この熱を吸収した後、フレオンはコンデンサーに送られます。この銅コイルのセット（通常は冷蔵庫の背面または下部に取り付けられています）では、フレオンが凝縮して液体状態に戻り、その際に熱を外気に伝達します。冷却後、フレオンは蒸発器に戻り、そこで再び加熱され、冷蔵庫内に保管されている食品から熱を吸収し始めます。時々、それらの表面積を増やすために（そしてそれ故に熱伝達を容易にするために）、蒸発器と凝縮器は金属フィンを備えています。

霜取りのために、コイルが冷凍庫ユニットに巻き付けられます。タイマーが霜取りに達すると、冷媒は高温のときにこのコイルを通過して温度を上げ、氷を溶かします。コイルは通常、製氷機から離れた場所に配置され、角氷が一緒に溶けて凍結するのを防ぎます。

製造
プロセス

外側のキャビネットとドア

• 1枚の板金を溶接またはクリンチします。クリンチングは、ステープルなどの追加のピースは追加されませんが、2つのピースが圧力下で一緒に圧着されるという点で、ステープルによく似たプロセスです。キャビネットの一部が見えるようにするには、それを溶接して研磨し、1つの部品として表示します。溶接プロセスが自動化される程度は、会社と製造されている冷蔵庫の数によって異なります。
• 2板金がプレコートされた形で購入されなかった場合は、塗装されています。一部のメーカーは、スプレー装置を使用して塗料を均一に塗ります。 金属に。他の人は、部品を加熱して表面に塗料を焼き付ける前に、部品を塗料/溶剤混合物に浸します。

内部キャビネット

• 3内側のキャビネットは、外側のシェルと非常によく似た板金でできている場合があります。縫い目は、断熱性と見た目を改善するためにかしめられています。一部のメーカーと一部のモデルは、インナーライナーにプラスチックを使用しています。たとえば、今日、内側のドアはほとんどプラスチックで作られています。プラスチックライナーは真空成形されています。このプロセスでは、完成品よりわずかに大きい厚いプラスチック片の外縁がクランプされてから加熱されます。次に、高温のプラスチックを真空で金型に引き込み、冷却します。トリミング後、結果のパーツを組み立てる準備が整います。
• 4内側のキャビネットを外側のキャビネットに挿入し、固定具を挿入する前に2つをスナップします。いくつかのチューブとワイヤーは、断熱材で満たされる前に、2つの間のギャップを通り抜けます。ディスペンシングデバイス（ロボットで操作される場合もあれば、手動で操作される長い「ガン」）が壁の間に泡を挿入します。オーブンで加熱すると、このフォームは膨張してキャビネットに剛性と断熱性を追加します。同様のプロセスがドアにも使用されます。

冷却システム

• 5冷凍コンポーネントは、ネジとクリップを使用してキャビネットに取り付けられます。チューブははんだ付けされ、保護コーティングが接合部にスプレーされます。このアセンブリの順序は、メーカーとモデルによって異なります。次に、コイル（コンデンサーとエバポレーター）が別々に切断され、曲げられ、はんだ付けされた銅管が、ユニットとして冷蔵庫に取り付けられます。
• 6冷蔵庫のドアのシールは、ネジでドアに取り付けられた磁石を積んだガスケットによって作成されます。ヒンジがキャビネットにねじ込まれる前に、ハンドルとヒンジもドアにねじ込まれます。ドアを適切に操作するために、ある程度の調整が可能です。

アクセサリのテストと追加

• 7ほとんどのメーカーは、この時点からテストと製造を組み合わせています。ユニットは窒素（空気の約79％を占める安全なガス）でリークテストされています。合格した場合は、冷媒を充填し、さらにテストを行います。次に、付属品（棚、クリスパー、アイストレイなど）を追加し、テープで留めて輸送します。ユニットは最終的な外観が与えられ、出荷用に梱包されます。

品質管理

上記のように、冷媒を含むチューブのすべてのサブアセンブリは、窒素で圧力テストされています。これにより、チューブとそれに接続するはんだ付けの欠陥が明らかになります。ユニット全体も、フレオンで充電する前にリークテストが行​​われます。充電が完了すると、ユニット全体がテストされ、霜取りサイクル中に必要な温度を含む設計温度に到達できることが確認されます。ユニットは、時間の経過に伴う温度変化を測定するセンサーを内蔵して動作します。冷媒圧力も測定される場合があります。次に、ユニットは、冷媒を検出する機械による最終的なスニフテストを受け、テスト中に漏れが発生していないことを確認します。

副産物/廃棄物

拒否された金属部品は、金属リサイクル会社に販売されます。プラスチック部品は細かく砕かれ、原材料として再利用されるか、ベンダーに返送されて再利用されます。充電後にユニットが拒否された場合、冷媒は特別な装置によって排出され、再利用されます。

環境問題

1970年代半ば、科学者たちは、フレオンを含むクロロフルオロカーボン（CFC）グループのガスが成層圏（大気の上層）に上向きに漂うにつれて、徐々に分解することを理解し始めました。 内側と外側のキャビネットの間のスペースは、発泡断熱材（通常はポリスチレン）で満たされています。これは手動で挿入することも、手動で挿入することもできます。ロボットによって自動的に。オーブンで加熱すると、このフォームは膨張してキャビネットに剛性と断熱性を追加します。
この断熱材はオゾン層の破壊に寄与するCFCを放出するため、研究者は代替品を探しています。ポリスチレンは、魔法瓶で使用されているのと同じ種類の真空断熱材に置き換えることができます。これは、真空断熱材がスペースとエネルギーの両方の点でより効率的であるためです。塩素原子を放出します。これに伴う問題は、各塩素原子が数万のオゾン分子を破壊する可能性があることです。オゾンは成層圏の保護層を構成する三原子形態の酸素であり、地表に到達すると動物の生命に害を及ぼす多くの太陽紫外線を吸収します。 。研究者たちは、CFCの排出が南極大陸のオゾン層の穴を悪化させていることに気づき、排出を制限するという国民の圧力が高まった。 1987年、世界中の国々の代表者が協定に署名しました。オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書 そこで彼らは、フレオンを含むオゾン層を破壊することが知られている化学物質の生産を段階的に廃止することに合意した。残念ながら、一部のメーカーが冷蔵庫の外部ケースと内部ライニングの間の絶縁体として使用している発泡スチロールには、クロロフルオロカーボンも含まれています。そのため、メーカーがクーラントフレオンと絶縁体ポリスチレンの両方に代わるものを見つけようとしているため、冷蔵庫からのCFC排出量を削減する取り組みは現在2つの面で継続されています。

未来

フレオンに関しては、研究者が安全な代替クーラントを特定しようとするため、CFC排出量を最小限に抑えるためにいくつかの中間措置が講じられています。冷蔵庫の設計は、必要なフレオンの量を減らすために改善されました。リーク検出システムがインストールされています。メンテナンスは、訓練を受けた認定された担当者に限定されています。冷媒は可能な限り回収され、リサイクルされます。さらに、フレオンの長期的な代替品が検討されています。これまでのところ、それらの中で最も有望なのはHCFC-22です。これは、まだクロロフルオロカーボンですが、分子のオゾン層破壊能力を95％低下させる追加の水素原子を含んでいます。そのコスト（フレオンの3〜5倍）には問題がありますが、HCFC-22は現在その毒性を決定するためのテストを受けています。

CFCを含む断熱材は、魔法瓶で使用されているのと同じ種類の真空断熱材に置き換えることができます。研究によると、真空断熱は空間とエネルギーの両方の点でより効率的であるため、現在、代替断熱材はフレオンの代替品よりもかなり前に実行可能になると思われます。