1834年,居住在伦敦的美国人雅各布 · 帕金斯发明了世界上第一台封闭式蒸发压缩冷冻系统 · 获得英国专利(6662号)他使用的第一代制冷剂便是乙醚。帕金斯的助手约翰 · 黑格对这套设备进行了改造并试换一种特殊的制冷剂——生橡胶,那是从天然橡胶分解蒸馏后得到的挥发性溶液。19世纪,天然橡胶只能从印度输入。乙醚、甲醚作为主要制冷剂的地位延续到19世纪60年代便逐渐被氨所取代。

氨作为制冷剂是1869年首次应用于美国新奥尔良一家酿造厂的冷冻设备中,设计者是两位法国人。最初没有氨气来源,只能使用氨水,而水分易对制冷系统造成损害,故早期的制冷设备不得不采用一些临时性的应急手段,如用生石灰和氢氧化纳对氨剂进行干燥处理。直接适于制冷设备应用的氨剂直到1876年才由克利夫兰的麦克米兰公司推出,不久,许多制造商都竞相生产无水氨。氨剂的应用在1900年左右达到高峰,而后其市场日渐萎缩。

氨属于高压制冷剂,不宜在热带地域工作,而乙醚则为低压制冷剂,其设备很易渗入空气致使系统失效。为克服上述缺陷,瑞典人劳 · 皮克特于1875年开发使用一种新型制冷剂——二氧化硫,其工作压力适中,即适于热带环境,又能防止空气渗入系统,同时成本低廉,似乎是一种理想制冷剂。然而后来的实践证明,二氧化硫只适于小型系统,在大型设备中制冷效率低,而氨剂虽然微量控制较为困难,不适于小型系统,但在大型设备中的制冷能力则非其莫属,因而,二氧化硫始终未能完全取代氨的地位。

一战之后,随着家用冰箱的发展,二氧化硫在美国得到广泛应用。第一台以二氧化硫为制冷剂的小型家用电冰箱是由弗雷德 · 沃尔夫研制的。其父曾是美国早期开发大型氨剂制冷设备的先驱之一,小沃尔夫没有沿袭父辈的老路,而是看准了小型制冷系统,特别是家用冰箱的市场前景。可惜的是沃尔夫的设备仅生产了数百台使寿终正寝。二氧化硫在早期应用中出现了一系列始料不及的困难,比如,湿度污染:二氧化硫与湿气水分会直接发生反映产生亚硫酸滞阻压缩机。安休化学公司认识到湿气的危害,便着手生产无水的二氧化硫。这种千剂也未能从根本上解决问题,压缩机阀口的焦化作用仍导致设备积敷碳化物质而污垢堆凝。另一棘手的事实是,在迄止当时所用的各类制冷剂中,二氧化硫最具毒性,即使在空气中出现低浓度的泄露,也会使人呛嗓刺眼无法忍受,自动夺路求生,正因如此,也极少致人死命。令人啼笑皆非的是,这种麻烦反而被厂商用来宣传其产品的安全性。广告宣称,万一泄露,二氧化硫的刺激足以使人从睡梦中惊醒,自觉逃离危险。尽管存在一些问题,二氧化硫仍被广泛应用至本世纪40年代,某些设备50年代还在销售,听装的该类制冷剂甚至到70年代仍未在市场上绝迹。

几乎与二氧化硫同期,还有一种“知名度”颇高的制冷剂,它造成的严重后果曾使制冷工业的声誉蒙受了巨大损失,这就是甲基氯(亦称氯甲烷)。它最初是作为外科截肢手术的麻醉剂而用于法国战场,1878年以后被法国人用作制冷剂,主要流行于欧洲,1910年以后被美国公司接受。由于对其物理、化学及热力学性质尚缺乏足够的了解,所以迟至1918年才获准进入商业市场,1922年以后大量应用于家用和小型制冷设备中。

氯甲烷的安全性是其主要的弱点,它不仅易燃,而且有毒,若被人吸嗅,轻者麻醉昏迷,重则致命。它的味道清甜,这恰是危险所在,因为一旦泄露,它不能像二氧化硫那样促人警醒,往往在无意识中过量中毒,因此造成的伤亡事故时有发生,这类报道经常用触目惊心的标题配以大幅照片见诸报端及医学杂志。制冷工业的对立竞争行业亦推波助澜,煽动舆论,甚至游说政客,企图通过地方立法限制制冷剂的应用。

在这种压力下,美国当时最大的家用冰箱制造商夫利吉代尔公司断言:若想走出困境,就必须拥有全新的制冷剂。其标准是,无毒、不易燃、不爆炸、不腐蚀、不降低润滑油作用、沸点和凝固温度低、工业压力适中。公司要求通用电机研究实验室来开发这种理想制冷剂,由托马斯 · 米吉雷为首的研究小组基本实现了上述目标,这一成果就是含氯氟烃(CFC),又称“氟利昂”。

氟利昂家族诞生的第一个成员是二氯氟甲烷(R-21),随后又有几种氟利昂制冷剂问世,其中最适于商业应用的是二氯二氟甲烷(R-12)。

以今天的眼光看,用氟利昂(CFC)迅速取代其它老型制冷剂似乎是顺理成章,势在必行。然而实际上,这一代换过程却困难重重,非常缓慢。初期CFC的研制1928年就已成功,可是延迟到两年后亚特兰大全美化学年会上才公之于众。1929年,夫利吉代尔公司首家建成CFC生产厂,规定在1931年秋以前将所有使用二氧化硫的家用制冷设备换用氟利昂,不过半年,所有CFC又被迫中止使用,在30年代中期,CFC远不如二氧化硫畅销,全美36个家用制冷设备厂商中只有两家完全使用CFC,另有两家仅在新型号中部分使用,其余所有制造商均仍使用别的制冷剂,主要是二氧化硫。事实上,氟利昂的商业广告迟至40年代才为人所熟知。障碍来自内外两方面,仅从CFC本身应用而言,先期存在诸多问题。一是渗透性强,极易泄露,原本密封良好的二氧化硫设备换入CFC后大都泄露严重。二是缺乏有效的检漏手段。二氧化硫的检漏方法是,嗅到异味后,用浸泡氨水的擦具在所怀疑部位抹拭,若接触到泄露的二氧化硫,擦具便会冒出白烟,而这一套对付CFC则全然无效,氟利昂既无味,也不与氨水擦具发生反应。三是在CFC系统中,水分会造成膨胀阀处结冰(俗称“冰塞”),影响和破坏机组制冷。四是CFC与油有很强的溶合性,难以分离。润滑油易在蒸发器中积凝,损害制冷功能。

经过不断改进,铝质密封系统、CFC专用橡胶件、卤素灯检漏、干燥过滤器等类一系列新器件和新手段的出现,使上述问题在40年代初都已得到较好的解决。氟利昂应用的崎岖道路刚刚铺平,又被二次大战的阴S所笼罩。战争期间,氟利昂的民品和商业供应基本中断,CFC厂商大都转产战场设备必须的化学产品。CFC的严重短缺导致制冷工业对二氧化硫的过分依赖,甚至昔日名声不佳的氯甲烷,此时亦再度大量启用。

战后,CFC终于步入黄金时代,它在制冷剂领域独领风骚已达半个世纪的今天,其未来的命运亦现端倪:鉴于CFC对大气臭氧层的破坏性作用,有必要对CFC的过量应用进行严格限制,氟利昂时代行将成为历史。

现在,世界正期待着更为理想的制冷剂,新一轮制冷剂革命从自身160年的演变轨迹中不能不正视这样一个规律:无论事先经过怎样周密的理论研究、工程设计和生产实验,制冷剂的新变化总会向人们呈现新的问题需要加以完善。

[Ashrae journal,1995年第3期]