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溫度魔術箱–冷氣機

新加坡資深總理李光耀先生在西元2000年表示,人類史上最偉大的發明就是冷氣機。他認為冷氣機為生活在熱帶的人提供了一個乾爽舒適的環境,因而增加了生產力。
 
 
 
冷氣機是現代常見的電器用品,在大賣場、工廠、辦公大樓、家庭等地,隨處都能見到它的蹤跡。冷氣機可以說是20世紀人類最偉大的發明之一,英國的特易購行動電話公司(Tesco Mobile)曾經訪問過四千多人,詢問他們「世界上100項最偉大的發明是什麼?」其中,冷氣機也榜上有名。

新加坡資深總理李光耀先生在西元2000年表示,人類史上最偉大的發明就是冷氣機。他認為冷氣機為生活在熱帶的人提供了一個乾爽舒適的環境,擺脫了因為天氣潮溼炎熱所帶來的慵懶,因而增加了生產力。在西元1960年代的高度經濟成長期中,日本人把冷氣機、彩色電視與汽車三大發明尊稱為「新三種の神器」。

在這一篇文章中,就讓我們一同來看看這個溫度魔術箱—冷氣機—是怎麼發展出來的?它是誰發明的?它又是怎麼吹出涼爽的冷氣?

遠古冷氣的概念

「冷氣」的概念早在一千多年前就已經出現了,像波斯人發明一種風桿,把它裝置在屋頂上,讓室外的自然風吹拂過涼水後進到室內,使室內產生涼爽的感覺,這可以說是人類最早的空調系統。在台灣,有許多蘭花溫室就是利用這種概念建造的。

大約在西元1842年,美國佛羅里達州有一位對黃熱病有相當研究的哥里醫生(Dr‭. ‬John Gorrie‭, ‬1803-1855)。他發現黃熱病的傳染衰落期出現在冬季,因此他認為在天氣轉涼時,可以使病患退燒,而且感到舒適。於是,他把冰塊裝在盆子內,並懸掛在天花板上,冷卻的空氣因此由上而下流過病患周遭,多數病患覺得這個方法有效。但在當時,冰塊必須經由貨船從北方湖泊運送過來,冰塊的取得相當不容易。因此,哥里醫生一直想發明一種可以取代天然冰塊的裝置。

哥里醫生利用壓縮技術來製造冰塊,成功地製造出人工冰塊,解決了冰塊取得的問題。哥里醫生發明的製冰機在西元1851年5月6日取得美國專利(美國專利號碼:8,080,專利名稱:Improved Process for the Artificial Production of Ice)。

首部電力推動的冷氣機

在西元1902年,美國紐約市的沙基特威漢印刷廠(Sackett-Wilhelms Lithographing)因為天氣溼熱,造成紙張出現擴張或收縮的現象,印刷機的油墨不能精確對位,而無法清晰印刷,產品品質因此降低。印刷廠只好請水牛城鐵工廠(Buffalo Forge Company)幫忙解決這個問題。

起初,水牛城鐵工廠只生產提供保暖效果的暖氣機。冷氣機的概念主要來自它的員工開利(Willis Haviland‭ ‬Carrier‭, ‬1876-1950)先生。當時的開利心想,一般暖氣機是利用空氣通過充滿蒸氣的線圈來達到溫暖效果,如果把線圈內的蒸氣換成冷水,空氣中的水凝結在線圈上,便可以達到降溫與降溼的效果。

依照這一個想法,開利在西元1902年7月17日製造出第一部以電力推動的冷氣機!不過,一直到西元1906年1月2日,開利先生的發明才取得美國專利(美國專利號碼:808,897,專利名稱:Apparatus for Treating Air)。於是,印刷廠溼熱的問題解決了,工廠裡變得涼爽、乾燥,因而提高了印刷品質。在同一年,冷氣機也開始出口到美國以外的地區,銷售對象包含日本的一家紡織廠。

冷氣機應用的擴展與普及

冷氣機發明後的20年間,它的服務對象大多以機器為主。一直到了西元1924年,一家位在美國底特律市的商場,常常因為天氣悶熱導致許多顧客中暑而暈倒,於是把3台中央空調設備裝在商場內,嘗試解決這一個煩惱的問題。冷氣機成功地解決了顧客暈倒的問題,而且商場內涼爽的環境更吸引了許多顧客的光顧,消費的欲望也隨之大增。從此以後,冷氣機廣泛地應用於提升生活環境的舒適度。

冷氣機普及的原因之一,是當時有許多電影院裝設冷氣機,向觀眾保證全年都可以舒適地欣賞電影,因此電影觀眾快速增加。另外,許多如賭場、體育館等各種室內娛樂場所隨後跟進加裝冷氣機,因此營業時間變長,甚至可以全年開放。相同地,冷氣機也順著潮流快速地走入家庭,變成家庭中不可或缺的設備。

壓縮式冷氣機面面觀

傳統式冷氣機的運作必須仰賴壓縮機,因此又稱作「壓縮式冷氣機」,它的冷凝器的冷卻方式大致可以分為水冷式與氣冷式兩種。水冷式比較常應用於高樓大廈或大型賣場的中央空調系統,其最大特色是需要冷卻塔。氣冷式主要應用在住家或小型房屋裡,一般常看到的氣冷式冷氣機有窗型、箱型、壁掛分離式、鑲嵌分離式等。它們的區別主要在於安裝方式、運作機體是否分離,以及運作的原理。

汽車上也能見到冷氣機的蹤跡,一般是以氣冷式為主。在西元1886年1月29日,第一台汽車誕生,造就了運輸的方便。但是因為天氣與汽車機件運作發熱造成駕駛員與乘客的悶熱問題,卻一直無法適當地解決。一直到了冷氣機的出現與隨後冷氣技術逐漸地成熟,汽車與冷氣機終於在西元1933年間有了第一次的結合,這一項的發明使得我們都能享受舒適涼爽的旅程。

在冷氣機中,熱與冷的移轉遵守焦耳(James Prescott Joule‭, ‬1818-1889)所提出的「能量不滅定律」(The Principle of Conservation of Energy)。因此,冷氣機的排熱量(QH)會等於輸入冷氣機的電能(We)加上從冷氣房所吸取的熱量(QL),也就是QH‭ = ‬QL‭ + ‬We。不管是水冷式或氣冷式,製冷的原理是相同的,但運作方式有所差異。

氣冷式冷氣機

氣冷式冷氣機顧名思義就是以壓縮機為主軸,搭配一些熱交換器所組成。在它的管路中充滿了冷媒,冷媒藉由相態的變化達到吸熱與放熱的目的。它的運作原理是利用液體汽化時會吸熱、氣體液化時會放熱,把室內的熱量移轉到室外。

氣冷式冷氣機的內部主要分為冷媒循環系統與空氣循環系統,藉由兩個系統之間的搭配,達到室內空氣降溫的目的。在冷媒循環系統中,冷媒依序流經壓縮機→凝結器→接收乾燥器→膨脹閥→蒸發器,再回到壓縮機,周而復始地循環。空氣循環系統分為風扇馬達、室內風扇組合、室外風扇組合。

氣冷式冷氣機的內部組件和功能,簡單敘述如下:‭

壓縮機—功能是把冷媒從低壓低溫的氣態壓縮成高壓高溫的氣態,並維持冷媒的循環。壓縮機主要以電磁離合器控制運轉或停止,當冷氣機運作時,電流流經電磁離合器中的磁場線圈,吸動離合器板與皮帶盤接合使壓縮機運轉;當關掉冷氣機時,電流中斷,離合器板復位。

冷凝器—功能是把壓縮機送來的高壓高溫氣態冷媒,藉由冷凝器的散熱鋁鰭片與室外風扇組合所帶動的氣流,以強制對流的方式形成熱交換,把冷媒中的熱排放到室外大氣中。冷媒散熱後,變成高壓中溫的液體狀態。

接收乾燥器—功能是收集液態冷媒與過濾冷媒中的雜質,並且利用乾燥劑吸收水分,以避免腐蝕冷氣系統組件。

膨脹閥—功能是把高壓中溫的液態冷媒膨脹為低壓低溫的兩相區(也就是氣態與液態並存的狀態),即噴霧降溫,霧滴分離時需要能量。此外,膨脹閥可以調節進入蒸發器的冷媒流量,並降低它們的壓力。當蒸發器的溫度升高時,部分蒸氣經過熱力管對膜片及彈簧施壓,使膨脹閥開口變大,流至蒸發器的冷媒流量也隨之變多。當蒸發器的溫度降低時,則使開口變小。

蒸發器—功能是把膨脹閥送來的低壓低溫兩相共存的冷媒,藉由蒸發器的冷卻鋁鰭片與室內風車組合所帶動的氣流形成熱交換,達到冷媒汽化時吸熱的目的,以降低氣流的溫度而得到「冷氣」。同時,室內空氣中的部分水氣會凝結出來,室內的溼度也會降低。接著,冷媒會回復到原本低壓低溫的氣體狀態流至壓縮機,周而復始地循環。

冷媒—功能是做為製冷劑,充滿在冷氣機的管路內。早期廣泛使用的冷媒主要是氟氯碳化物及氫氟氯碳化物,統稱作氟氯烷,例如R-11、R-12、R-22等。

冷媒的應用是由美國機械工程師兼化學家米基利(Thomas Midgley‭, ‬Jr‭.‬)所發明的。但到後來,許多研究都發現這些氟氯烷冷媒會造成地球臭氧層的破洞,增加紫外線直射到地表的量,因而傷害人體並破壞自然生態的平衡。在西元1987年9月16日,有26個國家共同簽署「蒙特婁破壞臭氧層物質管制議定書」,限制氟氯碳化合物的生產與使用,以保護地球的臭氧層。

隨後,科學家發明能取代傳統氟氯烷的替代冷媒,如R134a、R-410A、R-407C等。這些冷媒化合物不會造成臭氧層的破壞,當時被當作「替代冷媒」或「環保冷媒」。

變頻器—是變頻冷氣機內加裝的機件組,可以使冷氣機達到節電省能的目的。一般定頻冷氣在運作過程中,為了維持設定溫度,壓縮機常常要開關,這樣一來會造成起動電流的激增,消耗較多電力。變頻冷氣可以利用頻率調變控制壓縮機運轉效率,不僅減少壓縮機耗電的問題,使用時也少有運轉壓縮機造成的噪音。

變頻器又分為交流變頻與直流變頻,它們的差別在於壓縮機馬達使用電流的方式。交流變頻使用傳統三相交流馬達(線圈在定子上)改變交流電頻率,以改變轉速。直流變頻使用無電刷直流馬達(線圈在轉子上),提供適當的不同象限角的直流脈衝以改變轉速。實際上,兩者都需要先整流成直流電,再供變頻器轉換成不同頻率的交流電或直流脈衝使用。

變頻器的組成通常分為4個部分:整流器、高容量電容器、逆變器、控制器。整流器的功能是把頻率固定的交流電轉換為直流電,高容量電容器則是儲存轉換後的電能。逆變器是由大功率電晶體陣列所組成的電子開關,能把直流電轉換成不同電壓與頻率的交流電。控制器則是按程序設定控制輸出的電壓與頻率,交疊成近似正弦波的交流電或直流脈衝,進而驅動電動機。

水冷式冷氣機

水冷式冷氣機主要是利用水把冷凝器內的氣態冷媒冷凝為液態冷媒,它的冷卻水只是做為移除被冷氣機冷凝系統轉移過來的熱的媒介。

它的運作原理是把進行熱交換後的高溫熱水回流至冷卻塔內,經由分配管把熱水噴灑在具有散熱材質的表面形成小水滴,再與風扇吹拂的冷空氣相互接觸。這時,熱水與冷空氣會產生熱交換作用,同時少部分的熱水會蒸發成水蒸氣。由於水蒸發吸熱而形成的低溫冷卻水落入水槽,利用幫浦把冷卻水輸送至熱交換器中,再吸收熱量構成一個循環。

新世代冷氣機

冷氣機在帶來涼爽之外,也伴隨了一些問題。隨著環保意識的崛起,各國鼓吹冷氣機使用替代冷媒取代傳統冷媒。雖然「蒙特婁議定書」管制傳統冷媒的使用,但是部分替代冷媒—全氟化碳及氫氟碳化合物—屬於溫室氣體,都會造成全球暖化。在西元1997年12月制定的「京都議定書」,已經把這些化合物列入溫室氣體。無法完全停止使用冷媒,這一個牽涉全球社會經濟運作與發展的問題要如何解決?

據估計,每產生1度電約產生0.638公斤的二氧化碳。雖然,電帶來便利的生活,但是它的副產品—二氧化碳—已經成了一個頭痛的問題。

西元2006年12月4日,瑞典的「良好氣候」(Climate Well)公司在瑞士日內瓦所舉行的「世界經濟論壇」年會上,發表他們成功開發出的一種高效能的太陽能冷卻系統,也就是「太陽能冷氣機」。這系統是以水和吸溼性鹽類-氯化鋰(LiCl)在真空中進行熱化學交換,達到冷卻或加熱的效果。這一項發明不需要使用冷媒,也不會排放二氧化碳。良好氣候公司因為這一項發明獲得「世界經濟論壇」評選為西元2007年的科技先鋒企業。

現代的節能冷氣機是在內部加裝變頻器以節省能源使用,並搭配消音百葉以降低機器運作所產生的噪音。近年來,更有把人工智慧技術運用在變頻冷氣機上,稱為智慧型變頻冷氣。室內溫度的設定高低會影響冷氣機的耗電量,而智慧型冷氣機可以藉由冷氣流動與室內溫度來模擬,以維持室內溫度與氣流分布的均勻,避免能源的浪費。冷氣機所產生的熱可以透過熱回收節能系統,達到廢熱回收再利用的環保目的。

現今科技相當進步,節能冷氣機的研發是希望能夠減少對地球環境的衝擊與破壞。在不久的將來,一台低汙染和低耗能的溫度魔術箱就會問世。
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