冷冻空调高科技应用发展与展望.doc

冷冻空调高科技应用发展与展望hhnec 发表于: 2007-12-02 20:21 来源: 半导体技术天地 -陈辉俊 冷冻空调工业早期被定位提高生活质量，提供舒适的环境的一项民生工业。近二十年来发展迅速，您无法想象到已开发先进国家如欧美日等国，已将冷冻空调工业视为产业升级，提高国家竞争力的主要帮手。 它在精密制造如电机电子半导体航天工业超导体研制医疗低温生物医学能源开发工业制程环境因子控制石油化工冷却及农产品加工等等，扮演关键性角色。结合其冷冻空调科技，展现精密科技无穷的魅力。根据经济部统计，今年一月至十月的出口总额已达1001.8亿美元，其中占第一第二大宗的电机电子半导体工业及纺织化纤业，都是藉由恒温恒湿空调洁净室或经由环境因子控制室之产业冷却制程才得以完成。因此，先进国家已将冷冻空调工业列为国家发展的主要工业。现在让我们来了解冷冻空调科技的应用。一工业环保应用:1. 工业应用上常有一个名词叫做冷脆。所谓”冷脆”就是材料发生脆化的温度。钢铁浸泡在液氮(-196 0C)或由气氮冷却(-100 0C)时，钢变成像玻璃那么易碎，利用这种原理，应用低温冷冻技术，将市面旧轮胎进行机械粉碎，其优点为污染小，废碎原料再生，有利环保。2. 限制全球温室气体排放，我国必须于公元2000年时，将二氧化碳排放量降低到1990年时的水平。依据经建会的估计，公元2000年的国内生产毛额GDP萎缩程度最多将达34.4%。自十九世纪工业革命以来，大气中的二氧化碳浓度增加27%。全世界目前排放二氧化碳量达55亿吨。其中海洋浮游植物，年摄取二氧化碳量约25亿吨，因温室效应无法根除。1989年，日本一艘海洋研究船在冲绳岛(Okinawa)附近水深3000公尺处，第一次发现液化二氧化碳。此发现为二氧化碳排放问题的解决，找到一种方法。结合低温冷冻技术，将工业如电厂制钢厂石油化工厂等大量排放之废气经液化或高压浓缩气体打入海底储存，以解决日趋严重的温室效应。储存的二氧化碳，目前我们虽尚无法应用，也许可成为子孙们未来世纪新能源或是蛋白质的来源也说不定，拭目以待。 二食品工业应用:冷冻冷藏提供食品卫生质量保障，同时提高附加价值产品的一 项有利科技。温度与食品味道有密不可分的关系。食品味道是由 味觉与嗅觉协同作用的结果，味觉是舌头的味蕾感应，而嗅觉是食物散发于空气中的物质微粒作用于鼻腔上的感觉细胞而引起的感觉，可察觉挥发性味道。一般味觉对30的食物敏感度最高。夏天，同样的啤酒，68味道最好；冬天，同样的啤酒，1012味道最好。甜的东西，37感觉最甜。酸的东西1040味道基本不变。碱的、苦的东西温度越高味道越淡。喜凉食品10左右，冷食之类06之间。喜热食品6065之间。细分凉开水1215时冷感最好，冰淇淋6吃起来最痛快，汽水5最好喝，冰咖啡6最适当，果汁10、西瓜8、热咖啡70、热牛奶6570最适合。冻藏鱼产品-50-60最适宜，解冻时鲜度与活时相当。结合冷冻冷藏温度与味道的关系研究，开拓更宽广食品工业市场，提高了国民生活质量。三、 冷冻医疗、低温生物学:1. 冷冻医疗，早期体表冷冻治疗如粉刺、眼角膜手术、美容等已有 丰硕累积经验与成果，现已扩大范围至内脏器官的冷冻治疗，如 肝脏、脑垂体等。最近延伸至脑瘤冷冻手术，应用冷冻催眠方法 将人体降低温度进行催眠，降温的同时，一方面抽出体内血液， 期使维持生命最低的临界温度与人体最低血液含量，此时开刀结 合低温显微镜观测，判别需要完全割除肿瘤细胞，此种冷冻开刀 技术在临床应用上已有多人获得良好医疗效果。从而发现冷冻催 眠提供防止老化、减缓新陈代谢，延年益寿一项新科技。2. 在低温生物学方面，利用低温显微镜和计算机图像处理，研究了细胞冷冻过程的动态变化，对细胞冷冻效应研究已由细胞水平进入分子生物学水平。同时对抗冻蛋白的研究、动物实验研究和临床实验中发现低温免疫现象。此发现可为细胞和分子生物学进行深入研究，以期在更深层次上寻找低温免疫的原因。四、生物材料的低温保存和低温冷冻库:1. 人体医学方面，有关骨髓、胎肝等器官造血细胞，胰岛、胸腺、 垂体、大脑、肾上腺、精子和胚胎、角膜、皮肤、心瓣膜、血管、 软骨和骨等细胞，组织经程控降温冷冻保存的研究和临床应用， 在救活病人已获得良好效果。对于人整体冷冻、生命延长、让你 再活一次，现在医学技术对人体上兆个细胞冷冻还无法克服技术 困难，只发展到冷冻胚胎孕育阶段，也就现阶段最多只能到20 个细胞冷冻才有可能让有生命的细胞活化，且都属于单一细胞与 人体不同种类的数百种细胞，数量超过上兆个。让你再活一次机 会，是未来继续努力研发方向。2. 在农牧业对牛、猪精子，兔子及小老鼠胚胎冻存和人工授精技术 已累积相当经验。对于农作物及稀有种子、花粉等植物长期贮存 及遗传性研究，在未来气温变迁、粮食短缺，提供原生种子资源， 免于粮荒，已有深厚研究对策。3. 低温生物医学设备，随着冷冻空调工业、低温学和低温工程研究 进展，对于低温生物学、低温保存方面、低温控制仪、低温显微镜及低温测温仪研制，各种液气容器、监测组件、液气泵、低温保存袋及各种冷疗仪，提供低温领域研究及临床应用更简单且精确的诊断。五、冷冻干燥技术:冷冻干燥随着人口增长与生活水平的提高，对冻干食品需求量剧增，这是由于冻干食品卫生不需添加防腐剂，保持食物原有风味和营养成份。冷冻干燥是将含水物质在低温下冻结，而后使其中的水份在真空状态下升华的技术。早期以保持食物色、香、味和营养成份及能迅速复水的调料、咖啡、肉类、蔬果的加工贮存，随着生物工程的发展，冷冻干燥技术应用于生产药品，制造如干扰素、基因类及生物新药等，提供安全、无菌无污染、全自动化自送料、运输、冻干、输出、封口或封盖全自动无人操作，目前冻干无菌室自动化制程技术为今后GPM药厂再次质量认证的考验。冷冻干燥技术研究尚差一段距离，对于进行冻干过程的热质交换、冻干的热性、再结晶温度、崩解温度、各类添加剂特性等冻干过程机理研究，影响因素、恒压升华、最佳压力升华、循环压力升华系统设计，都是确保质量重要研发方向。六、洁净室的应用:洁净室的发展起源于二次大战期间，美国因军事精密组件之需要，应用一种特殊环境下进行制造，以减少因组件的故障而引起重大事故。对于当时美国国防科技发展瞬间迈出一大步。目前洁净室已被广泛用于生化医药制造、医疗、食品工业等各行各业。今对于电机、电子、半导体及精密等工业与洁净室在制程环境中结成不可分割的生命共同体。所谓洁净室就是维持室内环境空气质量，包括空气中浮游粉尘之数量、粒径、室内温、湿度、压力、振动、噪音、流场形状、照明，以至于无菌、无污染的有害、无害气体等。举例说，半导体工业的制造技术由1.0微米，0. 5微米，进展到1996年8晶圆(8Wafer)的0.35微米，其制程过程环境必须达到净度等级Class10Class1(所谓 Class1意即空气中尘埃粒径0.5微米在1立方呎空间仅有1粒存在)之间，与血清制造 Class10,000、开刀手术房 Class100，其净度超过许多。到公元2000年，制造0.25微米8或12晶圆，甚至2010年达到0.07微米的环境，净度要求Class 0，绝对洁净环境是起码的要求。为了净度，必需要求空气中之浮游粉尘量与粒径。为了达到恒温恒湿的要求，冷冻空调设备各种精密度需加以整合、控制，为了提高产品的效率，室内空气的流物、振动、噪音及各种污染气体均需控制在范围内，除此半导体工厂用电量超过传统系统空调510倍，因此节能对半导体工厂而言，已刻不容缓的事，目前已有多家国内厂商设置节能设备如废气回收热交换器，储冰槽等。但对制程过程节能改善还有一段落差。七、微冷工业应用:1. 工业制品越来越小型化、精致化，许多微小型工业产品如笔记型 计算机(Note Book Computer)、通讯产品、大哥大等，短小精干的 设计需要，其电路主机板的设计也越来越小，但排热问题一直困 扰着计算机容量的发展。传统式笔记型计算机主机板排热方式大都以 风扇为主，其冷却功能目前仅达30瓦特(30 watts)。2000年后 计算机容量需有100 watts排热能力，为此微冷冷却装置研究应用 于微小型工业制品越来越有市场潜力，其中热管(Heat Pipe)的 应用于Note Book Computer初步获得成功，它是利用二相流(Two phase Flow)原理，利用微小毛细管的毛细原理，达其冷媒液气 循环的目的，其最大优点是占空间小，不需另加动力。2. 微冷系统研发应用范围越来越广泛，军事用途如弹导飞弹为达精准目标，其电子零组件冷却系统设计非常重要。航天工业中，人造卫星在太空运行时，受到太阳照射部份温度高达100200，晒不到太阳的地方可冷却到零下100200，冷热温差300400，这种温差在卫星上将无法工作，其控制室内仪表因高温而受毁。早期的卫星表面涂上一层“温控涂层”，以限制卫星运行中受太阳最晒时段吸收过多的辐射热，同时防止晒不到太阳的部份向外辐射造成热损(Heat Loss)，也有把仪表控制室外表作成双层真空隔热，以保控制室内仪表维持一定温度工作环境，目前利用微冷系统二相流原理扩大冷却能量，解决卫星冷热问题，同时减轻卫星载重等问题。八、工程之应用:冷冻工程应用于工程建设不胜枚举，早期建造水坝如石门水库，现正在建设中的大陆长江大坝发电厂，为了水坝质量，往往在水坝要灌泥浆时需要快速冷却方法将内部泥浆发生化学反应热驱除，使凝固后混凝水坝质量得以保障。早期隧道开挖，遇到土质松软水源充沛时，如北宜间隧道无法应用传统机械开挖方法，仅能借着冷冻法将进行中的周围水源冻结而后进行开挖。现在遇有沼泥、流沙地区的工程建设，大多以冷冻方法解决。不过冷冻过程可分为机械循环式与消耗冷冻法，为求工作进度快速，采消耗性液氮冷冻法，其温度可达零下196，且优点是设备简单、占空间小，缺点是危险，尤其在不通风地区常有窒息情况发生。除此，港口、河床之建设等若结合冷冻工程技术，可带来施工安全、迅速、方便且具有市场潜力，提高土木工业技术。九、节能技术应用:冷冻空调本身是一项耗能设备，但也因有冷冻空调工业配合，得以开发不少节能材料组件，如超导体、相态改变物质PCM(PhaseChange Material)等。超导体利用超低温开发的成功，带来另一次工业大革命，对目前电力质量的提升，减少电力输送损失，能源使用效率提高，是其它节能技术无法比较的。PCM早期应用在太阳集热板(Solar Collector)很多，它是利用相态改变的潜热储能。到目前为止，美国发展出来的PCM在冰点以上温度每磅53BTU热焓，一直无法跳脱传统的冷冻原理之显热(Sensible Heat)与潜热(Latent Heat)范围，因此无法与水变冰时相态改变的潜热量144BTU/LB相比。为此储冰空调的应用在办公大楼、百货公司、医院、工厂及大型购物中心等仍是以储冰为主流。事实上，PCM的发展笔者研究发现，结合其冷冻原理与其他高能量反应热，如原子炸弹之连锁反应热，化学诸类反应热，使其系统能够成为可逆循环，也就是说，不论是连锁发生的反应热量或化学热能，能够回收循环应用。储能能量若超过冰之潜热(144BTU