＃發行日期：1983、08
＃期號：0164
＃專欄：
＃標題：電冰箱如何製冷
＃作者：王瑞榮
．熱量
．物質三態
．表一：三種具有既易蒸發又易冷卻，發冷效果極佳又較常見的冷媒之特性。
．圖一：熱量由高溫流向低溫。
．圖二：熔化潛熱和蒸發潛熱的例子。
．圖三：冷凍循環原理。
．圖四：電冰箱組成元件(a)蒸發器(b)凝結器(c)毛細管。
．圖五：恒溫器（溫度開關）。
．圖六：恒溫器在冰箱電路中的位置。
．圖七：冰箱的循環系統示意圖。
．圖八：冷藏室與凍結室的合併。
．圖：王瑞榮任職於長安冷氣工程公司。
電冰箱如何製冷
【摘要】我們靠
冷媒，利用物質三態變化的吸熱或放熱反應，來達成「製冷」的效果，這就是電冰箱最基本的原理……
就分子學來解釋，熱就是一種分子運動的能量。因所有物質均由無數的分子所組成，而這些分子均快速、不停地做不規律的運動，這種運動的平均動能也就是溫度。分子運動增快，熱量即增加，溫度亦上升；相反地，分子運動緩慢，熱量減少，溫度亦降低。這就好像光減弱了必會暗淡一樣，所以如果想要降低一物體的溫度，只需把它所含的熱量移去一些就可以了。
熱是創造及發展生命的必要條件，但是它亦加速地破壞與毀滅生命；冷是熱的相對名詞──不熱即冷，當熱被抽除後即是冷，故冷一般表示「低溫度」的意思。冷阻礙生命的創造與發展，但亦延緩細胞之生長及增殖，故亦延緩生命被破壞與毀滅，幫助生命的維持，所以食物需要用「冷」來貯存。
溫度是用來精確地表示物體實際上「冷」與「熱」的程度，並不是一種熱能。所謂溫度愈高，亦即物質內分子運動愈快，分子本身具有的動能亦愈大，則其所具有之熱也愈多；溫度愈低，物質內分子運動愈減，分子本身具有能量亦愈小，熱亦愈少。故溫度高低僅表示物質中每個分子具有的能量大小及知覺上熱與冷的程度，並非表示物質熱量的多少，因物質的熱量為分子能量之總和。如兩塊不同重量的鐵塊，一塊重1公斤溫度60℃，另一塊重20公斤溫度30℃，後者溫度雖低於前者，然而熱量卻大於前者。
十八世紀中葉，蘇格蘭教授布萊克（J. Black）及助手瓦特（J. Watt）所作的實驗發現，熱不但可以「數量」來表示，亦可以測定其「強度」。
溫度計即是當時的產物，用來指示熱的強度。而對指示熱的數量，科學家先建立一個熱量的基本單位作為量度的依據，即一致同意讓1磅的水溫度上升1°F所需的熱作為熱量單位，稱為一英熱單位，簡寫BTU。（公制熱量單位為千卡，係1公斤的水溫度提升1℃所需的熱。其換算關係為1BTU＝252卡，1千卡＝3.9BTU。）
我們知道，水一定從高處流向低處，氣流也會自高壓流向低壓，這是一種自然的趨向，而熱量也會從高溫流向低溫（見圖一），所以如果想要某一物體的熱量流向另一物體，則兩物體間必需有溫度差。如乙溫度低於甲，當兩者接觸或混合，熱量必從甲流到乙，甲失去熱而溫度降低，乙卻獲得熱而溫度升高，直到兩者溫度相等為止。甲對乙來講，乙為一種「冷卻體」；乙對甲來講，甲為一種「加熱體」。
一個冰箱並不是把食品直接變冷，實際上是把食品的熱移出箱外，這就是為何我們談到冷凍，需要先討論熱的原因。熱是一種能量，能量是可以被轉移，或變換成另一種能量，但決不會無緣無故消失或產生的。
熱量一定從溫度較高（較熱）的物體流向較低（較冷）的物體，這是冰箱所運用的基本原理。
物質存在的形態有三種：固體、液體與氣體。
物質三態常因吸取熱量或放出熱量而改變，故我們利用物質三態變化之吸熱放熱反應，達到我們「製冷」、「造熱」的目的。在冷凍應用上，我們是利用液體與氣體之間的物理變化來達成「製冷」效果，亦即靠一種稱為「冷媒」的化學藥品，在冷凍系統內凝結、蒸發時所生的吸熱或放熱作用所造成，這亦是冰箱所運用的基本原理之一。
熱能的種類有兩種：顯熱（sensible heat）及潛熱（latent heat）。
在物質三態裡，如果因熱量的增減而促成物質溫度的升降，卻不改變物質形態的熱，稱為顯熱或有感熱。亦即一物體因吸收或放出熱量而引起溫度改變的熱，如0℃的水變成100℃，可用溫度計測出及感覺出的熱即是。
在物質三態裡，如果熱量的增減僅改變物質的形態，並不產生溫度的升降反應，這種對物質所增加或吸取的熱，稱為潛熱或隱熱。如0℃的冰變成0℃的水、100℃的水變成100℃的水蒸汽，其溫度未變，然物態完全改變，此所需的熱均稱為潛熱。
熔化各種物體都有同一的現象，即當為固體時吸收熱增加本身的溫度，一直到達該物體的熔化點為止。每一種物體的熔點都是不同的，到達熔點時物體即開始吸收非常多的熱量，但溫度卻停止不動。只是形態開始改變，由固體熔化成液體，相同地，液體蒸發成氣體，過程亦然。
每種物質都有兩種潛熱，第一種是固態熔化成液態所吸收的熱，這種熱定名為「熔化潛熱」，如冰熔化成水要吸熱（見圖二a）；第二種是液態蒸發成氣態所吸收的熱，這種熱定名為「蒸發潛熱」，如水沸騰蒸發成水蒸汽（見圖二b）。反之，液態凝結為固態放出的熱稱「凝固潛熱」；氣態凝為液態放出的熱稱「凝結潛熱」。例如水的熔化潛熱為80卡／克，蒸發潛熱為539卡／克。
在冷凍工程運用上，潛熱的利用是最重要的，一般來講「潛熱」遠大於「顯熱」。蒸發潛熱的吸熱量更大於熔化潛熱，冷凍機械就是利用冷媒的蒸發潛熱與凝結潛熱，來達到我們所需之低溫度。現代的電冰箱中，也是利用這種現象來達成吸熱冷卻的目的。
物質改變其形態的溫度，視其壓力而定。壓力愈高，改變形態時之溫度亦愈高；反之，壓力愈低，改變形態時之溫度亦愈低，故改變形態時之溫度與壓力成正比變化。例如水在一大氣壓下，蒸發溫度（沸騰溫度）為100℃，如把壓力提高，則水必須在100℃以上的溫度才沸騰，反之，壓力降低在一大氣壓下，則蒸發溫度必在100℃以下。
假如我們將一種物質放在低壓下，若壓力使其在低溫下蒸發吸熱為氣體，然後再將此蒸發之氣體壓縮增高其壓力，使其在較高溫度下凝結放熱為液體，再放在低壓低溫下蒸發，如此循環使用，即將低溫之熱帶至高溫度，亦即將較低溫的室內中的熱帶至較高溫的室外，而達到室內「冷」的目的。故此種循環使用之物質其蒸發潛熱愈大，製冷的效果愈顯著，製冷愈快，故我們在冷凍工程中，均運用較大蒸發熱的物質為循環使用之冷媒。
荷蘭科學家范馬蘭（Van Marum）和范楚威（Van Troostwyk）發現，當氣體被壓縮成液體時，原由液體所吸收的蒸發潛熱也會釋出。
他們發現，每一種物體能在其沸騰時同樣的溫度下凝結，這是一個非常明顯的溫度，一點也沒有寬容量，就好像一條分界線。在界線一側為液態，一過這條溫度分界線就成為氣態。不論從熱到冷，或從冷到熱，分界線把這兩種形態截然地予以分開。
最重要是「壓力」能夠移動這條溫度分界線。如水在100℃沸騰成蒸汽，蒸汽亦在此溫度凝結成水，100℃以上是氣態，100℃以下是液態，100℃即為兩態分界線。但若將壓力施於蒸汽上，它就不在100℃凝結，而在100℃以上的某一溫度凝結。改變施加壓力的大小，就可以改變蒸汽凝結的溫度。
氨氣冷媒是在-33℃沸騰蒸發，而其蒸汽溫度僅稍高於此溫度，故此低溫的蒸汽仍然吸收室內空氣中的熱量。我們希望氨蒸汽能夠放出熱量讓室內空氣吸收，則須使蒸汽溫度升到室內空氣溫度以上，也就是把蒸汽的凝結溫度提升到高過空氣溫度。
這只有用壓力來解決，壓力能壓縮蒸氣，因之溫度也愈益提高。由於溫度僅不過是對熱強度的一種測定，故熱之集中即表現出溫度的升高，用不把額外的熱加入，但它的溫度也能升高。即可把熱傳至室外，而予以液化。
述說了如此多的相關知識，無非是讓人更容易了解冰箱的製冷過程，因為前面所講到的各種現象，都是在冷凍應用上不可或缺的主要要件。
冰箱系統
圖三是一個最簡單的冷凍循環過程，圖中已說明冷媒如何吸熱放熱而達到製冷效果。如果我們仔細觀察家中的電冰箱，便知與圖中所示的系統並無兩樣。
圖四就是一個現代化的電冰箱，假定冰箱中所有的東西都已拿走，空的電冰箱就像這個樣子，只不過圖中把管路的連接也畫出來了，這裡邊包含了下列幾個組成元件：
一、蒸發器
蒸發器（見圖四a）是用兩片有多條溝的金屬板銲合，溝就成液體冷媒的通道管，冷媒在這些管子中蒸發而吸收箱內熱量成為氣體，然後被導出冰箱外。
二、壓縮機
冷媒蒸氣排出冰箱，就要把它所含的熱移走，回復原來的液態狀況，以便再加利用。
液體冷媒在零下甚低溫度就能沸騰，而冷媒蒸氣的溫度僅稍高於液體，仍在零下甚低，所以不能以平常室溫（即15∼37℃）來使它冷卻。因熱只能由高溫向低溫流動，絕不可能由低溫流向高溫。
因此需用壓縮機來壓縮蒸氣，使體積變小，溫度得以升高，超過室內空氣溫度，那麼熱量才能排出。另外一個作用即使蒸發器造成低壓，凝結器造成高壓，冷媒在壓力不等的情形下才能流動。
三、凝結器
凝結器（見圖四b）是當高壓高溫氣態冷媒由壓縮機傳送至此處，即可有效放出熱，而使冷媒冷凝回復成液體。
四、乾燥過濾器
它的功用在於濾除冷媒中的水分與雜質。
冷凍系統中通常都會殘留極少量的水分，在長期使用時，因冷凍系統內潤滑油分解亦會產生水分，故必須有此設置，以免水分在毛細管中凍結而妨礙冷媒的流通，或在蒸發器中凝結而使冷凍系統的效能減低。而且水與冷媒作用成酸，將腐蝕金屬，而發生冷凍循環故障。
此構造即在入口處裝上一杯形簾網，用以過濾冷媒雜質，並封入乾燥劑（一般成分有矽土、硫酸鈣、氧化鈣等）以吸收系統中的水分。
除了上述部分外，另有一部分實際上並沒有表現出任何實質上的工作量，然而它卻控制冷媒在全系統中的流動。
壓縮機要在凝結器內建立壓力，必須在排出端有某種程度抵抗才行，同時蒸發器也得維持一低的壓力，以利液體冷媒沸騰蒸發。蒸發器在壓縮機吸氣側要有低壓，凝結器在排氣側要高壓。而凝結器出口與蒸發器入口之間連有一條管子，這條管子不能暢通無阻，否則高低壓馬上平衡，壓縮機就不能建立起高低的壓力差，但也不能全然堵塞，否則冷媒就不能循環。所以這條管子必然有阻力，以允許高低壓有分界，也允許所需要循環冷媒量能夠通過，毛細管就有這種作用。
五、毛細管
毛細管（見圖四c）口徑很小，能產生所要的阻力，使壓縮機建立冷凝所需的壓力，另方面使液體冷媒緩慢通過，產生壓降，使冷媒容易在蒸發器蒸發。
六、溫度控制
當冰箱溫度已降到夠低時，則需要停止壓縮機，恒溫器（thermostat）就是一個溫度開關，能感測周圍溫度，而接通或跳開電路的接點，從而開停壓縮機運轉時間的長短以維持冰箱內所要的溫度範圍，家用冰箱都是用此控制。
恒溫器的構造如圖五所示，氣箱、毛細管、感溫筒所銜接而成的密閉管路中充有冷媒。感溫筒置於蒸發器上（見圖八）。當蒸發器的溫度上升時，感溫筒攝取熱量，使氣體冷媒膨脹，因此氣箱膨脹而推動「動作桿」，使銀接點接觸（閉合）。相反地，蒸發器的溫度下降到某程度時，氣體冷媒收縮，氣箱收縮，使銀接點彈開。將銀接點串聯在壓縮機馬達的電源線中，則能使壓縮機自動適時運轉與停止，使冷凍溫度恒定。圖六即是恒溫器在冰箱電路中之位置。
七、冷媒
冷媒負責在形態變化時吸熱放熱，因之必須要選用良好性能的冷媒，才能工作得令人滿意。對冷媒的要求，必須能在低溫下或接近水的冰點溫度沸騰，才能用以冷卻及保存食物。還必須無毒無爆炸性，也應能與冷凍油混合，才能使壓縮機獲得潤滑。
氟氯烷（freon）冷媒是把四氯化碳（CCI4）的分子重新排列而獲得，四氯化碳可作為滅火劑及清潔劑，是常見的化學液體。把四個氯原子（CI4）去掉兩個，另補上兩個氟原子（F2）即成分子式CCI2F2新的化學劑（二氟二氯甲烷），就是常用的氟氯烷12（R-12或F-12）。
再把分子中碳、氯、氟三種原子作不同的組合，又發明不少人造氟氯烷冷媒，它們各有不同的沸點，適應各種不同場合（見表一）。
目前，氟氯烷是一種最適用的冷媒，用途非常普遍，大小冷凍系統都能適用。
述說過冰箱上的主要組成元件，現在我們把所有元件組合起來，看看冰箱製冷的工作過程。（見圖七）
當低壓低溫液態冷媒流經蒸發器，由於其溫度比箱內溫度來得低，有這溫差的存在，使得箱內食品的熱量被冷媒所吸收，冷媒吸收熱量後就蒸發成為氣態（蒸發潛熱），然後回至壓縮機，被壓縮成高壓高溫的氣態冷媒送至冷凝器，此時冷媒的溫度比箱外空氣中的溫度來得高。又由於這溫差，冷媒將箱內所吸收的熱量放出，由空氣所吸收。冷媒放出熱量後就冷凝成為液態（凝結潛熱），再經毛細管，由於毛細管的阻力，使冷媒壓力降低，結果使得冷媒為因應突然的壓降，而迫使自己在毛細管過程中吸收了一些本身的熱量而升高溫度，然後就有一些冷媒蒸發成氣態（對整個液態冷媒來講，只有一小量蒸發，這現象稱為閃發）出了毛細管進入蒸發器的液態冷媒就繼續循環蒸發吸熱，而達成製冷的目的。
家用冰箱合併了一個低溫的凍結室和一個稍高於冰點的冷藏室，上室貯藏魚肉，下室貯存生鮮果菜飲料等，二室共用一套壓縮機和冷凝器。
其作用原理如圖八，冷媒先送至凍結室，室內溫度約在-25℃左右。凍結室內未蒸發沸騰的液態冷媒再送至冷卻板的管子內，繼續蒸發吸熱，足使冷藏室內維持適宜於存放生鮮果菜的溫度，約5℃左右。
總之，液態冷媒先到達凍結室盤管之後，再經冷藏室冷卻板，最後被吸回壓縮機。
參考資料
1. 王洪鎧譯 冷凍空調與電器修護科訓練教材（一）徐氏基金會
2. 連錦杰 電冰箱冷氣機之修護 無線電界雜誌社
3. 冷凍與空調工程實務訂正版 徐氏基金會
4. 王文博 冷凍工程上冊 大中國圖書公司
5. 蔡朝洋 實用家庭電器修護（下） 全華科技圖書公司
科學月刊全文資料庫
最佳瀏覽解析度800*600，請使用IE4.0以上版本的瀏覽器
科學月刊雜誌社．金台灣資訊事業有限公司．圖龍文化事業股份有限公司版權所有
Copyright 2000 Science Monthly and King-Taiwan Information Technology Inc.
All Rights Reserved.