اختراعات مهم تاریخ
کولر و سیستم تهویه هوا

کولر و سیستم تهویه هوا

US808897
ویلیس کریر

با نزدیک شدن فصل تابستان و افزایش دما و احیاناً رطوبت هوا، میلیون‌ها نفر دستگاه کولر خود را روشن می‌کنند. اختراعی که تأثیر به سزایی در رفاه انسان‌ها و ساختار جمعیتی بسیاری از مناطق گرمسیری داشته و به لطف آن، چنین مناطقی در فصول گرم نیز قابل سکنی شده‌اند. امروزه دستگاه کولر که در ابتدا وسیله‌ای لوکس به‌حساب می‌آمد، به یکی از الزامات اولیه منازل، کسب‌وکارها، بیمارستان‌ها، پایگاه‌های داده، آزمایشگاه‌ها و خودروها بدل شده است. در سال ۲۰۰۰، جامعه مهندسین مکانیک آمریکا، کولر را به عنوان یکی از ده دستاورد بزرگ مهندسی مکانیک در قرن بیستم معرفی نمود. این دستگاه، شامل یک سیستم پیچیده الکترومکانیکی بوده که می‌توان آن را محصول نهایی بیش از یک قرن تحقیقات و توسعه در حوزه‌هایی چون ترمودینامیک، کنترل، الکترونیک و بازدهی انرژی دانست.

در طول تاریخ، بشر از روش‌های متفاوتی جهت تعدیل دمای محیط زندگی و خانه استفاده می‌کرد. چینی‌ها بعد از ساخت بادبزن‌های دستی، در قرن دوم برای اولین بار پنکه‌های دستی را بدین منظور ارائه نمودند. این پنکه‌ها چنان بزرگ بود که برای ایجاد جریان هوا، به هفت کارگر ورزیده برای به حرکت در آوردن آن نیاز بود. البته بعدها این سیستم بهبود یافت و نیروی خود را از جریان آب تأمین می‌کرد. پادشاهان رومی به ویژه «هلیوگابال»، از روش‌های عجیبی برای خنک کردن محیط پیرامون خود استفاده می‌کردند. وی در فصول گرم، بردگان خود را برای آوردن برف روانه کوه‌ها می‌کرد. برف‌های به دست آمده، در باغ وی و در مسیر حرکت باد به داخل خانه، تل می‌شد تا بدین گونه، هوای خنک به داخل خانه وارد شود. در این میان، ایرانی‌ها و مصریان از روش هوشمندانه‌ای استفاده می‌کردند. مصریان، نی و علوفه مرطوب را جلوی پنجره منازل خود آویزان می‌کردند تا تبخیر آب موجود در آن‌ها، باعث خنک شدن جریان هوای عبوری به داخل شده و بر این اساس، باید ایده کولرهای آبی امروزی را به آن‌ها نسبت داد. بادگیرها به‌عنوان شاهکار و یکی از سمبل‌های معماری ایرانی، راهکاری برای خنک کردن هوای منازل، به‌خصوص در مناطق گرمسیر بود. این سازه‌ها، با طول چند ده متری بر روی اتاقی به نام حوض‌خانه که حوض یا کانال آب در آن وجود داشت، ساخته می‌شد. باد از طرق منافذ و مجرای تعبیه‌شده در بادگیر، وارد این اتاق شده و به واسطه برخورد با آب و عمل تبخیر، خنک می‌شد و از طریق مجاری و کانال‌های موجود، به اتاق‌های دیگر خانه هدایت می‌شد.

جالب است که تا اوایل قرن بیستم، استفاده از یخ راهکار اصلی برای کاهش دمای محیط پیرامون بود. پزشک و محقق آمریکایی به نام جان گوری «John Gorrie» که در زمینه بیماری‌های استوایی تحقیق می‌کرد، طی نظریه‌ای بیان داشت که خنک کردن محیط زندگی، می‌تواند در جلوگیری از شیوع این بیماری‌ها و یا تسکین علائم آن‌ها، ازجمله در رابطه با بیماری مالاریا، بسیار تأثیرگذار باشد. همچنین این موضوع در بیمارستان‌ها، می‌تواند باعث راحتی و آرامش بیش‌تر بیماران گردد. ایده اولیه او برای این مهم، انتقال یخ از دریاچه‌ فلوریدا و ذخیره‌سازی آن‌ها بود؛ اما به واسطه ایجاد نگرانی در مورد کمبود یخ در این منطقه و هزینه بالای تأمین آن، به دنبال راهکاری برای تولید یخ به‌صورت مصنوعی افتاد. «مایکل فارادی» در سال ۱۸۲۴، اصول اولیه تبرید را بیان نمود و نشان داد زمانی که شرایط تبخیر برای آمونیاک مایع محیا شود، این ماده دمای محیط پیرامون را به‌شدت کاهش خواهد داد. در واقع، اساس دستگاه یخ‌ساز گوری، انبساط سریع گازها بود و برای این کار، از دو پمپ برای فشرده‌سازی و سپس کاهش فشار و انبساط گاز استفاده می‌کرد. شایان ذکر است که دستگاه‌های فریزر امروزی نیز، از همین مکانیزم بهره می‌برند. در سال ۱۸۵۱، سازمان ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا، گواهی اختراعی به شماره «US8080A» به گوری اعطا نمود. البته تنها افراد بیمار و یا بسیار ثروتمند، از این دستگاه برای ساخت یخ به‌منظور خنک کردن محیط پیرامون استفاده می‌کردند.

اختراع کولر و دستگاه تهویه مطبوع به شکلی که ما امروزه از آن استفاده می‌کنیم، در سال ۱۹۰۲ میلادی و با هدفی غیر از خنک کردن محیط پیرامون، اتفاق افتاد. یک شرکت چاپ و لیتوگرافی در نیویورک، به نام «Sackett & Wilhelms»، با مشکلی جدی در فرایند چاپ رنگی مواجه شده بود و آن، تغییر سطح رطوبت محیط هنگام چاپ رنگی بود. در فرایند مذکور، یک صفحه کاغذ باید چهار بار با چهار رنگ مختلف چاپ می‌شد. ولی در صورتی که رطوبت محیط در خلال این مراحل تغییر می‌کرد، کاغذ منقبض یا منبسط می‌شد. ناهماهنگی حتی در حد کسری از میلی‌متر، باعث می‌شد که تصویر چاپ‌شده، نامطلوب بوده و میزان بالایی از ضایعات در این صنعت به وجود آید. این شرکت، از کمپانی بوفالو فورج «Buffalo Forge» که در زمینه ساخت تجهیزات گرمایشی فعالیت می‌کرد، خواست تا برای آن‌ها، وسیله‌ای برای کنترل رطوبت محیط بسازد.

در شرکت بوفالو فورج، مهندس جوانی به نام ویلیس کریر «Willis Carrier»، این مهم را با عبور دادن جریان هوا از روی پیچه‌ای که به‌جای گرم شدن با بخار آب (چیزی که در هیترهای تولیدی این شرکت اتفاق می‌افتاد)، با آمونیاک فشرده خنک می‌شد، محقق ساخت و توانست رطوبت را در مقدار ثابت ۵۵ درصد نگه دارد. شرکت بوفالو با معرفی این سیستم که مساحت بسیار بالایی را نیز اشغال می‌کرد، باعث خوشحالی چاپخانه‌ها شد. به‌زودی این شرکت متوجه شد که اختراع کریر را می‌تواند به هر صنعتی که رطوبت برای آن مشکل‌ساز است، بفروشد و درآمد خوبی از بابت آن به دست آورد. کارخانجات آرد و شرکت ژیلت که رطوبت مازاد در فرایند تولید آن، موجب زنگ‌زدگی تیغ‌های تولیدی این شرکت می‌شد، اولین مشتریان این سیستم بودند. در آن سال‌ها، نه صنایع و نه شرکت بوفالو، توجهی به عملکرد مهم این سیستم، یعنی خنک کردن هوای محیط نداشتند. صنایعی که مشتری این سیستم بودند، به این موضوع که دمای محیط کار را برای کارکنان خود تحمل‌پذیر کنند، اهمیتی نمی‌دادند! لازم به ذکر است که در سپتامبر سال ۱۹۰۴ میلادی، کریر و شرکت بوفالو فورج، اقدام به ثبت اختراعی در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا نمودند برای سیستم مذکور نمودند و در ژانویه سال ۱۹۰۶ میلادی نیز، موفق به دریافت گواهی ثبت اختراعی به شماره «US808897» شدند.

 

 

در سال ۱۹۰۶، کریر به فکر استفاده از پتانسیل این سیستم، برای ایجاد محیطی مطلوب در امکان عمومی، مانند تئاترها افتاد. تا آن سال، معمولاً تئاترها در ایام تابستان تعطیل بود. نبود هیچ پنجره‌ای و تراکم بالای جمعیت در کنار این موضوع که تا قبل از اختراع الکتریسیته و لامپ، از مشعل برای روشنایی این اماکن استفاده می‌شد، دلیل این موضوع بود. استفاده از یخ، تنها راه چاره برای قابل‌تحمل کردن چنین شرایطی برای بینندگان بود. تئاتر «Madison Square»، برای این مهم روزانه از چهارتن یخ استفاده می‌کرد که از دریاچه نیوانگلند فراهم می‌شد. پنکه هشت فوتی، جریان هوا را به روی یخ‌ها می‌دمید و از طریق کانال‌های موجود، جریان هوای بازگشتی به سمت تماشاگران هدایت می‌شد. اگرچه این روش جریان هوای خنکی را به سمت تماشاگران روانه می‌نمود، ولی این جریان به‌شدت مرطوب بود و در عین حال، به‌واسطه افزایش آلودگی آب دریاچه، یخ‌های ذوب‌شده در تئاتر، بوی نامطبوعی ایجاد می‌کرد. به نظر دستگاه هواساز کریر می‌توانست راهکار بهتری باشد. کریر بعد از ارتقاء دستگاه تهویه خود، توانست تا سال ۱۹۳۰، آن را به بیش از ۳۰۰ تئاتر بفروشد. این سیستم که به نوعی می‌توان آن را تعدیل‌شده سیستم‌های گرمایشی دانست، برای استفاده در منازل بسیار حجیم و گران‌قیمت بود و افراد زیادی در کوچک کردن و کاهش هزینه آن تأثیرگذار بودند. در سال ۱۹۳۱، دو مخترع به نام‌های «شرمن» و «شولتز»، دستگاه کولر کوچکی توسعه دادند که در لبه پنجره قرار می‌گرفت. لازم به ذکر است که برای نخستین بار در سال ۱۹۱۴، اولین دستگاه کولر در خانه مجلل «چارلز گیت»، فرزند «جان گیت»، مخترع سیم‌خاردار، نصب شد که دارای حجمی بیش از ۳۲ مترمکعب بود. البته وی پیش از آن که بتواند از آن استفاده کند در یک تصادف رانندگی کشته شد.

در سال ۱۹۳۹، شرکت خودروسازی پکارد که اتومبیل‌های لوکس تولید می‌کرد، خودروهای مجهز به کولر روانه بازار نمود. در این خودروها، سیستم کولر در صندوق عقب جای گرفته بود و قسمت اعظمی از فضای آن را اشغال کرده بود.

باید توجه داشت که کولر و دستگاه تهویه، چیزی بیش از یک وسیله رفاهی است و یک فناوری تحول‌آفرین بوده که تأثیرات عمیقی در ابعاد زندگی بشر داشته است. تجهیزات الکترونیکی حساس و کامپیوترها، در صورتی‌که در محیط گرم یا مرطوب استفاده شوند، از کار می‌افتند. صنایعی مانند نیمه‌هادی‌ها، در صورتی‌که نتوانند کیفیت هوای محیط تولید را پایدار نگه‌دارند، با مشکلات اساسی مواجه خواهند شد. دستگاه تهویه مطبوع، تأثیر زیادی بر معماری ساختمان‌ها نیز داشته است. پیش از اختراع آن در مناطق گرمسیر، ساختمان‌ها با دیوارهای نازک، سقف‌ها بلند و پنجره‌هایی که رو به تابش آفتاب نبودند، ساخته می‌شدند. همچنین ساختمان‌ها با نمای شیشه‌ای وجود نداشت. این فناوری، بر روی ساختار جمعیتی نیز تأثیر به سزایی داشته است. قطعاً توسعه شهرهایی مانند سنگاپور و دبی، بدون این فناوری قابل‌تصور نبود. شکی نیست که بدون این اختراع، امکان استفاده از وسایط نقلیه‌ای مانند مترو در فصول گرم وجود نداشت. تحقیقات زیادی، رابطه مستقیم بهره‌وری و دمای محیط کار را نشان داده است. جفری هیل «Geoffrey Heal»، محقق دانشگاه هاروارد، نشان داده است که بیشنه بهره‌وری انسان در رنج دمایی ۱۸ تا ۲۲ درجه سانتی گراد است. همچنین مطالعات نشان می‌دهد که با نصب کولر در زندان‌ها، آمار درگیری و خشونت به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. تحقیقات دیگری نیز نشان داده است، زمانی که دمای سالن امتحانات بیش از ۲۲ درجه می‌شود، کارایی دانش آموزان در ریاضیات، به‌طور معناداری افت نموده و نمرات پایین‌تری کسب می‌کنند.