工作介质

**冷媒**，又稱**製冷劑**、**致冷劑**、**雪種**，是各種熱機中藉以完成能量轉化的媒介物質。這些物質通常以可逆的相變（如氣 - 液相變）來增大功率。如蒸汽引擎中的蒸汽、製冷機中的雪種等等。一般的蒸汽機在工作時，將蒸汽的熱能釋放出來，轉化為機械能以產生原動力；而制冷機的雪種則用來將低溫處的熱量傳動到高溫處。

傳統工業及生活中較常見的工作介質是部分鹵代烴（尤其是氯氟烴），但現在由於它們會造成臭氧層空洞而逐漸被淘汰。其他應用較廣的工作介質有氨氣、二氧化硫和非鹵代烴（例如甲烷）。

## 性質

### 物理性質

理想的工作介質具有良好的熱力學性能、具有化學惰性、安全環保且易於獲取。所應滿足的熱力學性質條件有：沸點稍低於目標溫度、具有較高汽化熱、處於液態時密度中等、氣態時的其相對密度較高、且需有較高的臨界溫度。由於沸點和氣體密度與壓強有關，一般要根據特定的運行壓強選擇合適的工質。現在滿足這些條件的、性能優異的工作介質主要是氯氟烴。

### 化學性質

工質材料的腐蝕性和機械部件（如壓縮機、管道、蒸發器及冷凝器）使用材料及潤滑油之間的相容性有關，例如使用工作介質時，潤滑油需使用礦物油，而使用工作介質時，潤滑油需使用合成潤滑油。在安全方面，則需要考慮到工質是否具有毒性或可燃性。

## 歷史

在 1980 年代出現臭氧層空洞問題之前，世界上最廣泛應用的工質是鹵代甲烷 —— 二氟二氯甲烷（R-12）及一氯二氟甲烷（R-22）。R-12 較常運用於汽車空調和小型冰箱上，而 R-22 較常運用於住宅空調和輕型商用空調、冰箱和冷凍機上。一些較老的系統中還運用了三氯氟甲烷（R-11），因為它具有較高的沸點，可以配合低壓系統使用，減輕了系統所需的組件的機械強度。不過因為氟氯碳化合物會造成臭氧層空洞問題，1987 年簽署的蒙特婁議定書中規定減少及限制氟氯碳化物的生產。美國於 1995 年停止生產新的 R-12，且已計劃於 2020 年淘汰 R-22。

1,1,1,2 - 四氟乙烷（R-134a）及其他不含氯的混合物工作介質正在取代氯代烴。一種常用來取代 R-22 的混合物工作介質稱為 R-410A，是由二氟甲烷（R-32）與五氟乙烷（R-125）以 1：1 的比例混合的近共沸混合物。R-410A 通常在市場上以商品名「Puron」銷售。另一種常見的混合物工質是 R-407C，由 R-32、R-125 及 R-134a 混合而成，其臨界溫度較 R-410A 高，且全球暖化潛勢（GWP）較 R-410A 低，當其他會破壞臭氧層的工質淘汰後，上述的工質仍可以正常販售。

在氯氟碳化物（CFC）及氫氯氟碳化物（HCFC）被禁用之後，可以用碳氟化合物（FC）及氫氟碳化物（HFC）取代上述工作介質。不過新的工作介質屬於溫室氣體，會使溫室效應增強，促進全球暖化，近來也在討論是否要限制或禁用這些工作介質。在 1997 年 12 月制定的京都議定書已將全氟碳化物及氫氟碳化物列入溫室氣體，歐盟也在 2006 年通過法律，限制全氟化碳及氫氟碳化物的使用，以減少溫室氣體的排放時。非溫室氣體的工作介質不在管制範圍內。

早期的機械冷凍系統會以二氧化硫或氨為其工作介質，二氧化硫主要使用在小型的家用冷凍系統中，不過由於其毒性，後來就被氯氟碳化物所取代。氨（R717）是一種不會破壞環境、經濟而且省能的工作介質，應用在工業冷凍系統已超過 130 年。而二氧化碳（R744）和氨一樣，很早應用在冷凍系統中。一些很早期的機器還使用其他傳統的工作介質，如甲酸甲酯、氯甲烷、二氯甲烷等。

高純度的丙烷由於性質和 R-22 相近，而且無毒，但極易燃，也可以作為工作介質使用。丙烷工作介質會加入痕量的乙硫醇，可讓人及早注意到工作介質的泄漏。

## 應用

天然的工作介質（如氨、二氧化碳及非鹵代烴）不會破壞臭氧層，其全球暖化潛勢為 0（氨）或相當很低的值。這些工作介質常用在大樓的空調系統、體育及休閒設施、化工業及製藥業、汽車工業中，最重要的是應用在食品工業中，包括在製造、儲存及零售的過程。也有新的應用開始使用天然工作介質，例如車用空調。

因為車用空調工作介質的排放影響全球氣候，此議題已逐漸受到重視。歐盟自 2011 年起已禁止在汽車空調系統中使用全球暖化潛勢超過 150 的工作介質。此措施禁止了一些高全球暖化潛勢的溫室氣體，如 GWP 值為 1410 的工作介質，鼓勵改用其他安全、省能的工作介質。

其中天然工作介質二氧化碳（R-744）是其中最有潛力的方案之一。二氧化碳不可燃，不會破壞臭氧層，其全球暖化潛勢為 1，不過有毒，在體積濃度超過 5% 時足以致命。R-744 可以用作車用空調、住宅空調、熱水泵、商用空調、自動販賣機中的工作介質。二甲醚也可以作為工作介質使用。

HFO-1234yf（2,3,3,3 - 四氟丙烯）是一種部份氫原子被氟取代的烯烴，其 GWP 值只有 4，非混合物，也是可取代 R-134a 的工作介質之一。通用汽車公司已宣佈自 2013 年起開始在所有品牌的汽車中使用 HFO-1234yf。

## 處理

由於氟氯烴一類的工作介質會對臭氧層產生嚴重破壞，從 1992 年 7 月 1 日開始，有意或無意地將這些物質釋放到大氣中都會被視為違法行為。當氟氯烴在被淘汰後，必須回收以除去雜質並使其回到可再次使用的狀態。這類工作介質也被禁止隨意混用。部分氟氯烴在回收後仍為危險品，在運輸等過程中需根據當地政府的相關法令進行特殊的防護。

## 類別

工質依其從待冷卻物體中吸收熱的方式不同，可分為以下幾種：

* Class 1：此種工作介質是利用相變化（最常見的是沸騰）來吸收熱，吸收的熱能變成工作介質的潛熱。
* Class 2：此種工作介質是利用溫度變化（可感熱量）來吸收熱，可吸收的熱為熱容量和溫度變化量的乘積，此種工作介質包括空氣、氯化鈣水溶液、氯化鈉水溶液、酒精等。

R-# 編號系統是由杜邦公司所開發，可以系統化的識別由飽和鹵化烴組成工作介質的分子結構，其編號意義如下：

* 將其編號加 90，可以得到三位數，各個位數分別表示分子中的碳、氫及氟原子個數。
* 由碳的個數可以其飽和鹵化烴的單鍵個數，扣掉氫及氟原子個數後，剩下的就是氯原子的個數。
* 編號後附加的小寫 a,b,c 字母是用來識別非對稱的同分異構物。
* R-400 及 R-500 系列是特別用來標示混合物的工作介質。R-400 是由非共沸（zeotropic）的混合物組成，其成份的沸點差距較大，在分餾時其相對濃度會隨溫度而變。R-500 則是共沸的的混合物所組成。最小的位數是由美國冷凍空調協會（ASHRAE）所指定。

例如，R-134a 有四個氟原子、二個氫原子和二個碳原子，其化學式是 C2H2F4，字尾的 a 表示是差一個原子的非對稱的異構物，因此是 1,1,1,2 - 四氟乙烷。字尾沒有 a 的 R-134 對應的化合物是 1,1,2,2 - 四氟乙烷，不過其特性不適合當作工作介質使用。

R-# 編號系統的數字也常用在其他的場合，像作用噴霧設備（香水、殺蟲劑等）的分散劑時前面會加 P-（如 P-12），也可以配合商品名稱（如 Freon 12）。由於工作介質會依其種類不同，所受到的管制也有不同，最近也會在工作介質前面加上其種類的簡稱，如 HFC - 表示是氫氟碳化物、加 CFC - 表示是氯氟碳化物、加 HCFC - 表示是氫氯氟碳化物。

### 混合物

* R-401A 是非共沸的 HCFC 混合物，成份包括 R-32、R-152a、及 R-124。此工作介質是為取代 R-12 而設計。
* R-404A 是近共沸的 HFC 混合物，成份包括重量比例 52% 的 R-143a、44% 的 R-125 及 4% 的 R-134a。此工作介質是為取代氟氯碳化合物工作介質 R-22 及 502 所設計。其一般壓力下的沸點是 - 46.5 °C，液態的密度為 0.485 g/cm3。
* R-406A 是非共沸混合物，成份包括重量比例 52% 的 R-22、4% 的 R-600a（異丁烷）及 41% 的 R-142b。
* R-407A 是非共沸的 HCFC 混合物，成份包括重量比例 20% 的 R-32、40% 的 R-125 及 40% 的 R-134a。
* R-407C 是非共沸的 HCFC 混合物，成份包括 R-32、R-125、及 R-134a。R-32 增加熱容、R-125 減少可燃性、R-134a 減少所需的壓力。
* R-408A 是非共沸的 HCFC 混合物，成份包括 R-22、R-125 及 R-143a。可以替代 R-502。其沸點為 - 44.4 °C。
* R-409A 是非共沸的 HCFC 混合物，成份包括 R-22、R-124 及 R-142b，其臨界溫度為 109.4 °C。
* R-410A 是由 R-32 及 R-125 組成的近共沸的 HFC 混合物。美國環境保護局認為 R-410 可以替代 R-22 在家庭及商用空調中的應用。。
* R-466A 是共沸混合物，成份包括 R-32、R-125 及三氟碘甲烷。
* R-500 是共沸混合物，成份包括重量比例 73.8% 的 R-12 及 26.2% 的 R-152a。
* R-502 是共沸混合物，成份包括 R-22 及 R-115。

## 空氣工作介質

空氣工作介質已應用在住宅、車輛、及以渦輪飛機的空調及（或）冷卻系統中。空氣工作介質沒有廣為使用的原因，是因為一般認為空氣作為工作介質時效率很低，不是可以實際使用的工作介質。

不過配合適當的壓縮及膨脹技術，可以提昇空氣工作介質的效率，這種情形下空氣就是可以實際使用的工作介質。空氣工作介質的優點是不會污染或破壞環境，對動植物的可能傷害非常的小（現有的空氣冷卻方式會把微量的油或潤滑劑排放到大氣中）。

## 參見

* 工作介質列表

## 參考文獻

## 外部連結

* 美國環保局網頁中關於導致全球升溫的潛在物質的頁面
* 碳氟化合物冷媒