汽车空调制冷剂HFC-134a的使用

    20世纪90年代以前的轿车空调制冷系统都采用CFC-12作为制冷剂。70年代，科学家发现含氯的氟利昂破坏大气的臭氧层。1987年部分国家的政府签订了“关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书”，CFC-12被列为禁用物质之一。现在，汽车制造业均已开始向不含氯的替代物HFC-134a过渡。

    氯氟烃类化学性质极其稳定，寿命很长，在低空对流层内难以分解，寿命可长达几十年甚至上百年，所以最终都会升到高空的平流层，在那里，强烈的紫外线将促使其分解，释放出氯原子。这种新生的氯对臭氧具有亲和作用，能夺取其中的一个氧原子而生成氧化氯，并放出氧分子，从而破坏了臭氧。更糟糕的是，氧化氯又能和大气中游离的氧原子起作用，重新还原出氯原子又去消耗臭氧，如此循环不断。事实上，氯原子只参与了破坏臭氧的反应，本身并不消耗，类似于催化剂的作用。虽说臭氧密度相当小，上述反应发生的机会不多，但经不住长年累月的作用。几年前，南极上空就已经出现了一个相当于欧洲面积大小的臭氧空洞，北极地区的臭氧层也变得很稀薄，使更多的太阳光紫外线辐射到地球危害人体健康。因此，国际社会于1987年9月在加拿大缔结了《蒙特利尔协议书》，明确规定禁用CFC-12的期限为2000年。但近年来由于臭氧层的破坏不断加剧，国际社会把CFC-12的完全禁用期提前到1995年，发展中国家则可推迟10年。我国于1992年发文规定：各汽车厂从1996年起在汽车空调中逐步用新制冷剂HFC-134a替代CFC-12，在2000年生产的新车上不准再用CFC-12。

    其实，氟利昂类制冷剂就是卤代烃类化合物的商品名称，后来便逐渐变成了这一类化合物的统称。它是由卤族元素，主要是氟(F)原子和氯(Cl)原子取代甲烷(CH₄)或乙烷(C₂H₅)中的氢(H)原子所生成的化合物。该类制冷剂编号的特点是：两位数属卤代甲烷系列如CFC-12。三位数、且首位数为1者，属卤代乙烷系列如HFC-134a。两者的尾数均表示所含氟原子数。甲烷系列两位数之和小于5者，乙烷系列三位数之和小于8者，其差值就是没有在编号中表示(默认)的氯原子数。例如：CFC-12的尾数为2，就说明它含有两个氟原子；两位数之和为5的差数是2，说明它还含有2个氯原子。HFC-134a的尾数为4，就说明它含有4个氟原子；三位数之和为8，与8的差值为0，说明它里面不含氯原子。在卤代烃中，有H原子被完全取代的，也有未被完全取代的。两位数的甲烷系列，其首位数减去1后的得数就是所剩的H原子数三位数的乙烷系列，其第二位数减去1后的得数就是所剩的H原子数。例如：CFC-12就不剩H原子；CFC-22剩1个H原子；HFC-134a就还剩2个H原子。

    根据上述规律，卤代烃可分为三类：第一类是H原子被完全取代了的含氯氟烃，它的编号冠以CFC，第一个C代表氯元素，F为氟元素，后面的C是碳元素。第二类是H原子没有被完全取代的氢氯氟烃，它的编号冠以HCFC。第三类是H原子没有被完全取代，但不含氯的氢氟烃，它在编号前冠以HFC。由于各类氟利昂对臭氧层的消耗程度有很大的不同，所以必须区别对待，国外早已槟弃了氟利昂这一笼统而又含糊的称谓。

    既然破坏臭氧层的是含氯卤代烃，那么前两类含氯，便都在禁用范围之列，只有HFC不含氯，允许继续使用。经各国科学家研究较为成熟并已步入实用阶段的就是HFC中的HFC-134a，它是美国杜邦(DuPont)公司率先开发出来的。制冷剂HFC-134a的主要特点是：①不含氯原子，对大气臭氧层不起破坏作用；②具有良好的安全性能(不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性和无腐蚀性)；③物理性能与CFC-12比较接近，所以制冷系统的改型比较容易；④传热性能比CFC-12好，因此制冷剂的用量可大大减少。

    但是HFU134a与现有矿物质的冷冻机油不溶合，因此不得不为之寻找新的压缩机油。通过反复试验与筛选，现已开发出两种与HFC-134a溶合的油，它们的代号为PAG及ESTER，而PAG油应用较为普遍。但仍存在如下问题：①具有高吸湿能力，易使制冷系统的节流元件(毛细管或膨胀阀)发生冰堵，因此要加大系统中干燥剂的装入量或提高其吸湿能力；②高温下与HFC-134a的溶合性降低，甚至不可溶。因此要特别注意改善系统的冷凝条件，勿使冷凝温度过高；③润滑性比矿物油稍差；④对制冷系统现用的橡胶密封件有渗透或腐蚀作用，不仅涉及到橡胶密封件，还牵连到制冷剂的输送软管；⑤价格较现在冷冻机油贵4-5倍。为了解决(橡胶件对PAG油的适应性，据日本SANDEN公司报告，以HNBR为最佳，氯丁橡胶也能适应。)

    上述问题，应对轿车空调制冷系统的设计作如下的改变：①制冷压缩机排量不变，可维持原机型，但所有橡胶密封件都必须换成HNBR材质；②冷凝器(含储液干燥器)需修改设计，以提高散热能力及吸附制冷剂与油中水份的能力；③蒸发器可维持原结构不变；④热力膨胀阀必须加大原有节流元件的阻尼值，故应减少其节流孔，还要更换密封件的材质，并用型号表明是用HFC-134a的；⑤制冷剂管路(含软管及接头)。更换接头内密封件的材质，软管采用多层复合结构、在抗PAG油的橡胶内衬中夹一层尼龙，以提高抗渗透能力。

    由于上述这些变化在系统外观结构上都看不出来，为了在制冷剂替代的过渡期间，避免两种系统的交叉污染，因此，生产厂在HFC-134a与CFC-12制冷系统作了以下的标记：①存放HFC-134a的容器为浅蓝色，而存放CFC-12的容器为白色；②HFC-134a制冷系统连接软管是用橡胶和尼龙特制而成的，并且在其外部有汽车工程学会的印记(SAE#J2196)；而CFU12制冷系统连接软管常用一般橡胶管，另外专门为HFC-134a规定了特殊的快速接口，以便与CFC-12的管螺纹接口相区别。