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HFC空调机用冷冻油的选用
. w o$ }+ A0 n# Z+ ^, t. v" z2 ]& {+ B/ |2 J
一、前言 " X# E/ e* C5 C8 n5 b' N; I4 k
为了保护地球臭氧层，继CFC冷媒从1996年元月份禁止使用以后，小型空调机(RAC)和箱型机(PAC)所广泛使用的HCFC-22冷媒，也从1996年起开始限制其使用量，在2004年削减35%的用量，至公元2020年时完全禁止使用。日本原则上决定在公元2010年以后新出厂的冷冻空调产品都不准使用HCFC冷媒，而旧产品则可继续使用至2020年。而有些注重环保的欧洲国家，则更将HCFC冷媒的削减时程提早，例如瑞典现在已经禁止新的冷冻空调产品使用HCFC冷媒。因此，替代冷媒的开发及相关应用技术，已成为空调业界最重要的课题，各空调厂商正加紧加快脚步，开发使用替代冷媒的空调机上市，同时进行旧机器的替换更新工作。以家用冰箱和汽车用空调机为例，已开发国家都已完成改用HFC-134a冷媒；日本主要的小型空调机制造商，已经从1998年起开始推出HFC-410A冷媒的家用空调机(RAC)和HFC-407C冷媒的箱型空调机(PAC)。 " y, M! `# w7 _ r& z
目前用于HFC空调机的冷冻油产品竞争上，只有少数的日本和美国厂商有此技术。大致上，日本的制造商占有较大的优势，这要归功于日本已经有很成熟的回转式压缩机的制造厂和技术，因此目前有许多不同种类的冷冻油已经在日本上市推出。而且从许多的国外研究报告中可以得知：，HFC冷媒空调机用的冷冻油，除了目前较为广泛熟知的POE油外，其它种类的合成物也发展成功而且开始被应用。本文将介绍这些合成冷冻油应用在HFC冷媒的冷冻空调设备上的使用情形。
K# l2 u/ z3 z+ [二、冷冻油发展趋势
. t% s q" E& p0 U ~, O 制造商在开发使用HFC冷媒的空调机的过程中，面临了许多的问题，例如新冷媒和冷冻油之间的兼容性和润滑度；空调组件的污垢和湿度问题；冷冻循环中冷冻油的流动及回油；油脂清洗或移除后管路的清洁情检验问题；以及系统管路的改善等问题。而且对于新冷冻油的选用，最重要的考量就是信赖性(reliability)和稳定性(stability)。
* v; u) n8 m5 c( J% ~" _- y 对于一个HFC空调机的开发工作，必须结合系统、压缩机、冷媒和冷冻油等制造商共同密切合作配合才能完成。早期开发HCFC和CFC冷媒的冷冻空调产品过程中，组件、材质和冷冻油等机构对于任何制造商的选用，并无差别而且都能顺利搭配使用，可以开发展出性能优异的产品。但是HFC产品的开发上，不同的制造商在选择系统组件、材质、冷冻油和系统的搭配上，有很大的不同和选择。为什幺HFC和HCFC冷媒，甚至CFC冷媒的产品开发过程，会造成这幺大差异，是值得探讨的问题。表1为目前全球空调机用冷冻油(润滑油)的市场需求量推估，这份资料是BSRIA/ JARN根据98'年的全球空调机市场需求量，来推估全球冷冻油的消耗量。
; D! ^7 r( F# L, J5 ?1 K1 k* x 矿物油(mineral oil)由于具有优益的润滑效果和稳定性，因此从很早以前就被当作空调机用的冷冻油。而POE (Polyol ester)油则是第一个被选用在HFC冷媒系统中的冷冻油，主要用在冰箱系统中。但是普通直线型(ordinary linear) POE油在正常状态下会溶解于水(hydrolyzation) 和造成毛细管的阻塞现象，特别是在高压HFC-410A系统中。对于使用回转式压缩机的HFC-410A小型空调机，它的壳压(casing pressure)是位在高压端，因此为改进这种效应而发展出新型的POE油，例如由分枝型(branched)POE、100% alpha branch POE和混合型(hybrid)POE以不同比例组成的高稳度POE油。除此之外，AB油(Alkyl benzene，一种烷基苯化合物)也常用于冰箱中当作润滑油，和PVE油等都是目前用于HFC系统中的已商业化的冷冻油，表2为目前主要的冷冻油制造商和所生产的冷冻油种类。
! ^; h8 K- F3 k8 c. A1 J 目前日本主要冷冻油制造商所发展的冷冻油是HSPOE油(highly stable POE)，但是由于许多HFC空调系统使用往复式(recipro)或涡卷式(scroll)压缩机，它们的壳压(casing pressure)是位于系统的低压端，因此可以使用直线型(linear) POE或者混合型(mixed) POE油来当作冷冻油。尤其这两种冷冻油不仅容易制作而且价格较低廉，目前美国和欧洲国家偏好使用混合型(mixed)POE油，对于HSPOE油较则不感兴趣。 ) \5 E3 J% k. l/ }3 V
三、冷冻油使用情形
. l6 A+ V$ B# O& ` 目前大致上的使用情形：日本HFC空调机选用POE和PVE油作为冷冻油。而在众多的POE油种类中，分枝型(branched )POE和FB-POE油具有相当高的稳定性，因此在日本广被采用。而直线型(linear)POE和混合型(mixed) POE虽然有较低的稳定性，但是有相当好的润滑性能，在日本以外的地区则大部分选用这两型的POE油。表3为目前使用替代冷媒的冷冻空调产品及所选用的冷冻油情形。 # B3 ^$ m8 A6 Z; T: N) e
由于传统的矿物油不适合用在HFC冷媒系统中，因此发展出合成的冷冻油如POE、PVE和PAG等。但是，事实上这些合成的冷冻油都各有优点和缺点，并不是完全满足HFC冷媒系统，以下是这些代表性冷冻油与HFC冷媒搭配的性能比较: z# l( D( i- q
1. 混合冷媒和冷冻油" ~2 S. l8 Q% q+ b: A6 \
(1)POE (Polyolester，聚酯类化合物) 7 x1 X4 |! K) U3 S1 w3 ?1 w* ]
POE冷冻油最早使用在HFC-134a冰箱系统，后来继续发展使用在HFC-410A和HFC-407C的空调机上。以POE的分子结构来看，可以分为直线型(linear type)和分枝型(branched chain type)两种。直线型 POE油有较佳的润滑性，但与冷媒的相溶性、与水溶合的稳定度和抗腐蚀等性能则是分枝型 POE较佳。这种分枝型POE油广泛被日本空调机制造商所使用，因为它适合用在有高壳压(casing pressure)的回转式压缩机(rotary compressor)系统中。为了区分直线型和分枝型POE油的差别，日本制造商称这种分枝型(branched chain type) POE油为HSPOE油(highly stable POE)。至于美国和欧洲制造商则多采用普通型(ordinary) POE或混合型(mixed) POE油。 # c- P# b+ j7 ]
(2)PAG (Polyalkyl glycol，烷基乙二醇化合物) ( b( e, D1 ~2 U) ^: j. h; ?- P1 S
PAG油和HFC冷媒具有很好的相溶性，而且却不溶于水。主要用在早期开发完成的HFC-134a汽车空调机系统。同时PAG油和氨冷媒也有很好的相溶性。Idemitsu公司的PAG油用在汽车空调上，占有主要的市场。 ) E8 h# b3 a2 W i( K, b
(3) PVE (Polyvinyl ether，聚乙烯的醚类化合物)
7 f! \8 h- P) l PVE油可以提升POE油在HFC冷媒系统中水溶性的稳定度和污垢的相溶性。目前PVE油的发展相当成功，Idemitsu公司占有大部份的PVE市场，主要的日本空调机制造商和南韩、美国、欧洲等主要空调机制造商，也开始采用PVE油当作冷冻油。
2 v$ o- W8 q) b% x2 h- f/ X% p" {(4) AB (Alkylbenzene，烷基苯化合物) , ^ Q! o' H9 C, h4 Y" F
AB冷冻油和冷媒不能相溶，因此其应用于冷冻空调系统中的方法和其它冷冻油不同。但是AB油有很强的抗腐蚀性，对污垢和水也有很高兼容性，与其它种类的冷冻油比较，价格上也相对的较便宜。对于转换成HFC冷媒系统使用的压缩机或其它组件的修改费用也较为低廉，因此适合小型空调机系统上使用。Hard AB油(HAB)具有低黏度的优点，目前也应用在HFC-134a的冰箱中。主要生产AB油的厂商为Nippon-Mitsubishi Oil。
- {, f' Z* b3 \+ m( \2. 天然冷媒和其所用之冷冻油
/ O+ [8 Y, }9 R; ~* D8 p 由于HFC冷媒的"地球暖化指数"(global warming potential)仍然很高，因此天然冷媒如CO2、氨(ammonia)或其它碳氢化合物，也是被列为作冷媒用途。但以氨冷媒为例，由于它具有毒性和爆炸性，因此使用上须特别小心，发展上也相对的受到限制，PAG(Polyvyalkybenzene)油是可以和氨冷媒搭配的冷冻油。
) N, _4 J+ E( F0 k3 ~3 x(1) 碳氢化合物(Hydrocarbon refrigerants)为冷媒
# S# @: J. d4 A2 S 以isobutane(异丁烷)作为冷媒冷冻空调产品，通常使用矿物油(mineral oil)作为冷冻油，这是因为矿物油具有很强的润滑效果，而且和冷媒有很高的相溶性。虽然空调机曾经考虑使用propane (丙烷)为冷媒，但是这种冷媒和isobutane一样都具有易燃性，而且和冷冻油太相溶，反而降低了润滑效果。
2 Y, \1 N8 u9 M; s9 {(2) 氨(ammonia) $ r ^2 o+ b& d! s% p
在过去，冷冻油和氨冷媒并不兼容，但是目前开发出新的PAG油(改变原来PAG油的分子结构)可以和氨冷媒有更好的兼容性。目前使用氨冷媒的冰水机系统设计，采用直膨式来取代传统的满溢式，可以使用较少的冷媒量和较佳的热传效果，这种新型的设计目前正在发展中。
M) A; h/ s# B5 h. `* U0 w% f- w1 Y四、结论 : K; F% F4 l; W# l+ E6 @3 E- Q% q
为了开发高效率、省能的HFC空调机，空调机制造商采用了新开发的压缩机，并且配合冷冻油制造商，来发展性能优异的冷冻油与压缩机匹配。虽然日本小型空调机制造商已经从1998年的1月起，开始推出使用HFC冷媒的空调机(RAC和PAC)，但是目前仅有不到几%的市场占有率，主要的原因是消费者仍然不熟悉HFC空调机。虽然日本冷冻空调协会(JRAIA)规定公元2010年以后新出厂的空调机才不准使用HCFC冷媒，但是日本大部份的产品都将在2005年前替换完成，而日本几家主要的小型空调机制造商则预计将HFC的替换时程再提前，大约在公元2003年将完成主要的机型完全改用HFC冷媒型式上市。因此虽然目前HFC空调机的市场反应并不热烈，但是替换使用新冷媒空调机的工作仍在积极的进行中，希望藉由大厂的推动来影响市场的走向，使得其它规模较小的厂商也跟着主要制造商的脚步前进，加速HFC空调机的替换时程。 |
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