냉장고

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배경

1800년대에 인공 냉장 기술이 개발되기 전에 사람들은 식품을 냉장하고 보존하기 위해 다양한 수단을 사용했습니다. 수세기 동안 얼음은 주요 냉매 역할을 했습니다. 아이러니하게도 고대 인도인과 이집트인은 19세기에 개발된 최초의 "현대" 냉장고인 증발이라는 개념적 기초로 사용된 제빙 기술을 개척했습니다. 액체의 상대적으로 빠른 증발은 팽창하는 기체 부피를 생성합니다. 수증기가 상승함에 따라 그 운동 에너지가 극적으로 증가하는데, 이는 부분적으로 따뜻한 증기가 이 과정에 의해 냉각되는 주변 에너지를 끌어들이기 때문입니다. 인도인과 이집트인은 선선한 밤에 외부에 물을 채운 넓고 얕은 그릇을 놓아 이러한 현상을 이용했습니다. 일부 물이 빠르게 증발하면서 나머지 물은 냉각되어 얼음이 형성되었습니다. 이 방법으로 음식을 식히는 데 사용할 수 있는 상당한 크기의 얼음 덩어리를 만드는 것이 가능했습니다.

고대 중국인들은 얼음을 조달하는 보다 원시적인 수단을 사용하여 단순히 음식을 식히기 위해 산에서 얼음을 운반했습니다. 나중에 그리스와 로마인들이 이 관행을 채택했습니다. 얼음 자체를 보존하기 위해 사람들은 짚과 나무로 단열된 구덩이나 동굴에 얼음을 저장했습니다. 이는 몇 달 동안 얼음 공급을 유지할 수 있음을 의미합니다. 산업화된 국가에서 얼음은 19세기까지 음식을 식히는 주요 방법으로 사용되었습니다. 사람들은 저장하려는 음식과 함께 단열 캐비닛에 얼음 블록을 삽입했습니다. 오늘날에도 많은 개발 도상국에서 얼음은 사용 가능한 유일한 냉매로 남아 있습니다.

인공 냉장고를 개발하려는 최초의 시도는 스코틀랜드 글래스고 대학교에서 이루어졌습니다. 그곳에서 1748년에 William Cullen은 증발을 통해 액체를 얼리는 고대 인도-이집트 관행을 부활시켰지만, 에틸 에테르를 부분 진공 상태로 끓임으로써(에틸은 물보다 더 빨리 증발함) 공정을 가속화했습니다. Cullen은 1805년에 또 다른 냉장고를 설계한 American Oliver Evans처럼 이것을 단지 실험으로 시도했습니다. 압축된 에테르의 닫힌 주기를 기반으로 하는 Evans의 기계는 액체를 기화시키는 대신 단순한 증기를 사용하려는 첫 번째 시도를 나타냅니다. Evans는 프로토타입 단계를 넘어서는 기계를 개발하지 않았지만 1844년 John Gorrie라는 미국 의사는 실제로 그가 일했던 병원에 얼음을 제공하기 위해 매우 유사한 기계를 만들었습니다. 다음으로 물로 냉각된 고리의 기계 압축 공기. 냉각된 공기는 엔진 실린더로 보내지고 다시 팽창하면서 얼음이 만들어질 수 있을 정도로 온도가 떨어졌습니다.

1856년 또 다른 미국인 Alexander Twining은 동일한 증기 압축 원리를 기반으로 한 냉동 기계를 판매하기 시작했고, 그 직후 오스트레일리아인 James Harrison은 육류 포장 및 맥주에 대한 미국 디자인(개인 가정에서 사용하도록 의도됨)을 확대했습니다. 만드는 산업. 3년 후 Ferdinand Carre는 암모니아를 냉각제로 도입하면서 이 모든 냉장고의 기본 개념을 개선했습니다. 암모니아는 물보다 더 빠르게 팽창하여 주변에서 더 많은 열을 흡수할 수 있기 때문에 발전을 나타냈습니다. 카레는 다른 혁신에도 기여했습니다. 그의 냉장고는 냉매 증기(암모니아)가 액체(암모니아와 물의 혼합물)에 흡수되어 후속적으로 가열되는 사이클로 작동되었습니다. 열로 인해 냉매가 판금으로 만들어진 외부 캐비닛과 도어는 함께 용접되거나 고정됩니다. 일부 제조업체는 내부 캐비닛에 판금을 사용하지만 일부 제조업체와 일부 모델은 내부 라이너에 플라스틱을 사용합니다. 플라스틱 라이너는 진공 성형으로 만들어집니다. 이 과정에서 완성된 부품보다 약간 더 큰 두꺼운 플라스틱 조각이 외부 가장자리를 고정한 다음 가열됩니다. 뜨거운 플라스틱은 다음 진공에 의해 금형으로 당겨지고 냉각됩니다. 트리밍 후 결과 부품을 조립할 수 있습니다. 기화하여 냉각 효과를 생성합니다(기화 후 냉매는 응축되어 다시 액체에 흡수될 수 있도록 사이클을 반복합니다). Carre의 기계는 매우 잘 팔렸을 뿐만 아니라 Evans의 압축 개념을 업그레이드하고 보다 정교한 냉매를 추가하여 현대식 냉동을 시작했습니다. 이러한 구성 요소는 오늘날 사용되는 대부분의 냉장고의 기초로 남아 있습니다.

그러나 암모니아 자체는 몇 가지 문제를 제기했습니다. 그것은 매우 효과적인 냉각제 역할을 했지만 누출될 때 악취와 유독성을 동시에 나타내었고 1920년대에 합성 대안이 개발된 후 냉장고에서 빠르게 사라졌습니다. 이중 가장 잘 알려진 것은 Du Pont이 프레온, 메탄 분자를 화학적으로 변경하여 4개의 수소 원자를 2개의 염소와 2개의 불소 원자로 대체하여 만들었습니다. 생성된 가스(기술적으로 디클로로플루오로메탄)는 낮은 끓는점, 표면 장력 및 점도로 인해 이상적이고 표면적으로 문제가 없는 냉매가 되었기 때문에 환영받았습니다. 나중에 1970년대에 과학자들은 프레온이 환경과 관련하여 자체적으로 문제를 일으킨다는 사실을 깨닫고(아래 "환경 문제" 섹션 참조) 냉장에 사용할 새로운 물질을 찾기 시작했습니다.

원자재

오늘날 냉장고는 외부 캐비닛과 도어, 내부 캐비닛 또는 라이너, 둘 사이에 삽입된 단열재, 냉각 시스템, 냉매 및 고정 장치와 같은 몇 가지 기본 구성요소로 구성됩니다. 캐비닛과 도어는 알루미늄 또는 강철 판금으로 만들어지며 때로는 미리 칠해집니다. 금속은 일반적으로 제조 공정에 직접 공급되거나 크기에 맞게 절단되어 시트별로 공급되는 코일로 구매됩니다. 내부 캐비닛은 외부 캐비닛과 같은 판금 또는 플라스틱으로 만들어집니다. 내부 캐비닛과 외부 캐비닛 사이의 간격을 채우는 단열재는 유리 섬유 또는 폴리폼으로 구성됩니다. 냉각 시스템의 구성 요소(압축기, 콘덴서, 코일, 핀)는 알루미늄, 구리 또는 합금으로 만들어집니다. 튜빙은 금속의 연성(파손되지 않고 구부릴 수 있는 능력) 때문에 일반적으로 구리입니다. 프레온은 가장 일반적으로 사용되는 냉매로 남아 있으며 거의 ​​모든 대형 내부 설비(도어 및 캐비닛 라이너)는 진공 성형 플라스틱으로 만들어집니다. 더 작은 비품(버터 구획, 계란 트레이, 샐러드 크리스퍼)은 작은 플라스틱 블랭크 또는 미리 형성된 조각으로 구입합니다.

디자인

현대의 냉장고는 두 가지 기본 물리 법칙을 기반으로 합니다. 하나는 열이 따뜻한 재료에서 차가운 재료로 흐르고 그 반대는 절대 하지 않는다는 것입니다. 둘째, 가스의 압력을 낮추면 온도도 낮아집니다. Carre가 19세기 후반에 그의 모델을 소개한 이후로 개선이 이루어졌지만 이러한 기본 원칙은 오늘날의 냉장고에서 여전히 볼 수 있습니다.

냉장고는 내부 구획의 공기에서 온기를 제거하고 그 열을 외부 공기로 전달하는 방식으로 작동합니다. 증발기에서 시작하여 프레온이 가열되어 냉장고 내부의 공기로부터 열을 끌어내기 시작합니다. 이 열을 흡수한 프레온은 압축기에 의해 콘덴서로 보내집니다. 이 구리 코일 세트(보통 냉장고 뒷면이나 바닥에 장착됨)에서 프레온은 액체 상태로 돌아가 열을 외부 공기로 전달합니다. 냉각 후 프레온은 증발기로 돌아가서 사이클이 다시 시작됩니다.

냉장고는 내부 구획의 공기에서 온기를 제거하고 그 열을 외부 공기로 전달하여 작동합니다. 냉각수(프레온)는 증발기에서 응축기로 이동하는 회로를 통과할 때 이러한 전달을 수행합니다. 단열 캐비닛 내부에 있는 증발기에서 시작하여 프레온이 가열됩니다. 끓이기 때문에 프레온은 냉장고 안의 공기에서 열을 끌어냅니다. 이 열을 흡수한 프레온은 콘덴서로 보내집니다. 이 구리 코일 세트(보통 냉장고 뒷면이나 바닥에 장착됨)에서 프레온은 응축되어 액체 상태로 돌아가면서 열을 외부 공기로 전달합니다. 식힌 후 프레온은 증발기로 돌아가 다시 한 번 가열되고 냉장고에 저장된 음식에서 열을 흡수하기 시작합니다. 때로는 표면적을 늘리기 위해(따라서 열 전달을 촉진하기 위해) 증발기와 콘덴서에 금속 핀이 장착됩니다.

제상을 위해 코일이 냉동 장치 주위에 감겨 있습니다. 타이머가 제상에 도달하면 온도를 높이고 얼음을 녹이기 위해 뜨거운 동안 냉매가 이 코일을 통과합니다. 코일은 일반적으로 얼음 조각이 녹고 얼지 않도록 제빙기에서 멀리 떨어져 있습니다.

제조
프로세스

외부 캐비닛 및 도어

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1 판금 조각이 함께 용접되거나 고정됩니다. 클린칭은 스테이플과 같은 추가 조각이 추가되지 않지만 두 조각이 압력을 받고 함께 압착된다는 점에서 스테이플링과 매우 유사한 프로세스입니다. 캐비닛의 일부가 보이도록 해야 하는 경우 용접되고 연마되어 한 조각으로 표시됩니다. 용접 공정이 자동화되는 정도는 회사와 생산되는 냉장고의 수에 따라 다릅니다.

2 판금이 미리 코팅된 형태로 구매되지 않은 경우 이제 페인트됩니다. 일부 제조업체는 스프레이 장비를 사용하여 페인트 를 균일하게 코팅합니다. 금속에. 다른 사람들은 표면에 페인트를 굽기 위해 가열하기 전에 페인트/용제 혼합물에 부품을 담근다.

내부 캐비닛

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3 내부 캐비닛은 때때로 외부 쉘과 매우 유사한 판금으로 만들어집니다. 모든 이음새는 코킹되어 단열성과 외관을 향상시킵니다. 일부 제조업체 및 일부 모델에서는 내부 라이너에 플라스틱을 사용합니다. 예를 들어, 내부 도어는 오늘날 거의 독점적으로 플라스틱으로 만들어집니다. 플라스틱 라이너는 진공 성형됩니다. 이 과정에서 완성된 부품보다 약간 더 큰 두꺼운 플라스틱 조각이 외부 가장자리를 고정한 다음 가열됩니다. 뜨거운 플라스틱은 다음 진공에 의해 금형으로 당겨지고 냉각됩니다. 트리밍 후 결과 부품을 조립할 수 있습니다.

4 내부 캐비닛을 외부 캐비닛에 삽입하고 고정물을 삽입하기 전에 두 개를 함께 스냅합니다. 일부 튜브와 전선은 단열재로 채워지기 전에 둘 사이의 틈을 통과합니다. 분배 장치(때로는 로봇으로 작동되고 때로는 수동으로 작동되는 긴 '총')가 벽 사이에 폼을 삽입합니다. 오븐에서 가열하면 이 폼이 팽창하여 캐비닛에 강성과 단열성을 더합니다. 도어에도 유사한 프로세스가 사용됩니다.

냉각 시스템

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5 냉장고 구성 요소는 나사와 클립을 사용하여 캐비닛에 부착됩니다. 튜빙은 함께 납땜되고 보호 코팅은 조인트에 스프레이됩니다. 이 어셈블리의 순서는 제조업체와 모델에 따라 다릅니다. 코일(응축기, 증발기)을 따로 절단하고, 구부리고, 납땜한 동관을 하나의 유닛으로 냉장고에 부착한다.

6 냉장고 도어의 밀봉은 나사로 도어에 부착된 자석이 들어 있는 개스킷을 사용하여 생성됩니다. 손잡이와 경첩은 경첩이 캐비닛에 나사로 고정되기 전에 도어에 나사로 고정됩니다. 도어의 적절한 작동을 위해 약간의 조정이 허용됩니다.

액세서리 테스트 및 추가

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7 대부분의 제조업체는 이 시점부터 테스트와 제조를 혼합합니다. 장치는 질소(공기의 약 79%를 구성하는 안전한 가스)로 누출 테스트를 거쳤습니다. 통과하면 냉매로 충전되고 추가 테스트를 받게 됩니다. 다음으로, 액세서리(선반, 크리스퍼, 얼음 트레이 등)가 추가되고 배송을 위해 테이프로 고정됩니다. 장치의 최종 모습을 확인한 다음 배송을 위해 포장합니다.

품질 관리

위에서 언급한 바와 같이 냉매를 포함하게 될 튜빙의 모든 서브어셈블리는 질소로 압력 테스트를 거쳤으며, 이는 튜빙과 이를 연결하는 납땜의 결함을 드러냅니다. 또한 전체 장치는 프레온으로 충전하기 전에 누출 테스트를 거쳤습니다. 일단 충전되면 장치는 제상 주기 동안 필요한 온도를 포함하여 설계 온도에 도달할 수 있는지 확인하기 위해 전체적으로 테스트됩니다. 장치는 시간에 따른 온도 변화를 결정하는 내부 센서로 작동됩니다. 때때로 냉매 압력도 측정됩니다. 그런 다음 장치는 테스트 중에 누출이 발생하지 않았는지 확인하기 위해 냉매를 감지하는 기계에 의해 최종 '냄새 테스트'를 받습니다.

제품/폐기물별

불합격된 금속 부품은 금속 재활용 회사에 판매됩니다. 플라스틱 부품은 작은 조각으로 분쇄되어 원료로 재사용되거나 재사용을 위해 공급업체에 반환됩니다. 장치가 충전된 후 거부되면 특수 장비를 통해 냉매를 배출하고 재사용합니다.

환경 문제

1970년대 중반에 과학자들은 프레온을 포함하는 염화불화탄소(CFC) 그룹의 가스가 성층권(대기의 상층)으로 위로 이동하면서 점차적으로 분해되고, 내부 캐비닛과 외부 캐비닛 사이의 공간은 폼 단열재(보통 폴리스티렌)로 채워져 있으며 수동으로 삽입하거나 로봇에 의해 자동으로 오븐에서 가열하면 이 폼이 팽창하여 캐비닛에 강성과 단열성을 더합니다.
이 단열재는 오존층 파괴에 기여하는 CFC를 방출하기 때문에 연구자들은 대체재를 찾고 있습니다. 폴리스티렌은 보온병에 사용되는 것과 동일한 종류의 진공 단열재로 대체될 수 있습니다. 진공 단열재는 공간과 에너지 측면에서 더 효율적이기 때문입니다. 그렇게 할 때 염소 원자를 방출합니다. 이것의 문제는 각각의 염소 원자가 수만 개의 오존 분자를 파괴할 수 있다는 것입니다. 오존은 성층권의 보호층을 구성하는 3원자 형태의 산소이며, 지구 표면에 도달하면 동물의 생명에 해를 끼치는 많은 태양 자외선을 흡수합니다. . 연구자들이 CFC 배출이 남극 대륙의 오존층 구멍을 악화시키고 있다는 사실을 깨닫자 배출을 제한해야 한다는 대중의 압력이 높아졌습니다. 1987년에 전 세계 국가 대표들이 오존층을 파괴하는 물질에 관한 몬트리올 의정서, 협정에 서명했습니다. 프레온을 포함하여 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 화학 물질의 생산을 단계적으로 중단하기로 합의했습니다. 불행히도, 염화불화탄소는 일부 제조업체가 냉장고의 외부 케이스와 내부 라이닝 사이의 절연체로 사용하는 폴리스티렌 폼에도 존재합니다. 따라서 제조업체가 냉각수 프레온과 절연체 폴리스티렌 모두에 대한 대안을 찾으려고 시도함에 따라 냉장고에서 배출되는 CFC 배출량을 줄이기 위한 노력은 현재 두 가지 측면에서 계속되고 있습니다.

미래

프레온과 관련하여 연구자들이 안전한 냉각제 대안을 식별하려고 시도함에 따라 CFC 배출을 최소화하기 위해 몇 가지 중간 단계가 취해졌습니다. 냉장고 디자인은 필요한 프레온의 양을 줄이기 위해 개선되었습니다. 누출 감지 시스템이 설치되었습니다. 유지 보수는 교육을 받고 승인된 직원으로 제한되었습니다. 그리고 가능한 한 냉매를 회수하여 재활용합니다. 또한, 프레온의 장기적인 대체품도 모색되고 있습니다. 지금까지 가장 유망한 것은 HCFC-22로, 여전히 염화불화탄소이지만 분자의 오존층 파괴 능력을 95%까지 줄이는 추가 수소 원자를 포함하고 있습니다. 가격(프레온의 3~5배)이 문제지만 HCFC-22는 현재 독성을 확인하기 위한 테스트를 진행 중이다.

CFC 함유 단열재는 보온병에 사용되는 것과 동일한 종류의 진공 단열재로 대체할 수 있습니다. 연구에 따르면 진공 단열재는 공간과 에너지 측면에서 더 효율적이므로 현재로서는 단열재 대체재가 프레온 대체재보다 훨씬 먼저 실행 가능한 것으로 보입니다.