Microsoft PowerPoint - 【web掲載版】九大_小山様_ NEDO TSC Foresightセミナー（縮小最終版）

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1 平成 27 年度 NEDO TSC Foresight セミナー ( 第 2 回 ) 平成 27 年 10 月 30 日 空調用冷媒の 低 GWP 化への挑戦と将来展望 九州大学大学院総合理工学研究院 九州大学カーホ ンニュートラル エネルキ ー国際研究所 ( 兼任 ) 小山繁 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 1/58 -

2 内 容 1. はじめにヒートポンプ 冷凍機の歴史概観, フロン系冷媒の登場と変遷, 冷媒を取り巻く状況, 低 GWP 新規合成冷媒の開発動向 2. 高効率ノンフロン型空調機器技術の開発 2.1 業務用空調機器に適した低 GWP 冷媒の探求とその安全性 物性および性能評価 ( 九州大学 ) 2.2 高効率かつ低温室効果の新冷媒の開発 ( 旭硝子 ( 株 )) 2.3 エアコン用低 GWP 冷媒の性能および安全性評価 ( 東京大学 ) 3. 日本冷凍空調学会における低 GWP 新規冷媒を用いた空調 冷凍システム開発に関連した取り組み 3.1 日本冷凍空調学会の果たすべき使命 3.2 冷媒関連技術委員会および調査研究プロジェクトの紹介 3.3 微燃性冷媒リスク評価研究会の紹介 4. 今後の課題と展望 4.1 次世代低 GWP 冷媒の探求 4.2 次世代低 GWP 冷媒空調システム開発に関する技術的課題 5. まとめ 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 2/58 -

3 1. はじめに ヒートポンプ 冷凍機の歴史概観 1799 南カロライナ州で天然氷用の貯氷庫 ( 氷室 ) 建設 1824 Carnot がヒートポンプ 冷凍機の理論 1844 Gorrie が製氷用の空気圧縮式冷凍機を考案 1852 Thomson がビル用ヒートマルチプライヤを提案 1856 Rittinger がオーストリアの製塩工場に世界初の蒸気圧縮式ヒートポンプを設置 1859 冷凍機の作動媒体としてエチルエーテルを使用 1861 Carre が吸収式冷凍機をシドニーの食肉冷凍工場に設置 1877 Linde がアンモニア式冷凍機をビール醸造工場に設置 1879 Coleman が食肉運送船に冷凍機を設置 1897 日本初の製氷用アンモニア冷凍機を英国より輸入 1914 三菱神戸造船所で炭酸ガス冷凍機が製造 1918 Kelvinator が家庭用冷蔵庫を最初に販売 1912 Krauss がヒートポンプの利用を検討 1922 三菱神戸造船所でアンモニア冷凍機を製造 1920 Haldane が空気 水道水を熱源とした実験用ヒートポンプを試作 1926 京大 大塚博士がヒートポンプの理論を日本に紹介 1930 世界初の暖房用空気熱源ヒートポンプ設置 ( エジソン電力会社 ) 1930 家庭用冷蔵庫の冷媒としてフロン R12 を使用 氷室 ( 約 2000 年前 ) 国産冷蔵庫 (1930 年 ) 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 3/58 -

4 Cl フロン系冷媒の登場と変遷 フロン系冷媒 ( ハロゲン化炭化水素 ) の登場 (1928 年 Midgley が R12 を開発 ) H R50 CH 4 R40 R41 CH 3 Cl CH 3 F R30 R31 R32 CH 2 Cl 2 CH 2 ClF CH 2 F 2 R20 R21 R22 R23 CHCl 3 CHCl 2 F CHClF 2 CHF 3 R10 R11 R12 R13 R14 CCl 4 CCl 3 F CCl 2 F 2 CClF 3 CF 4 フロンの一般的性質 不燃性 熱に対して安定 毒性が少ない 金属に対する腐食性がない オイルへの優れた溶解性 高電気絶縁性 フロンの用途 冷媒 ( 作動媒体 ) 断熱材用発泡剤 洗浄剤 溶剤 消火剤 エアーゾル 可燃性 : ある, ない 毒性 : 強い, 普通, 弱い 大気中寿命 : 長い CFC:Chloro, Fluoro-Carbons HCFC:Hydro, Chloro, Fluoro-Carbon HFC: Hydro, Fluoro-Carbon 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 4/58 - F 冷凍 空調技術の向上生活環境の向上に貢献 1 st Stage Key Points: 性能 安全性 コスト

5 フロンによるオゾン層破壊問題への対応 米国 Rowland 教授らがフロンによる成層圏オゾン層の破壊とその生態系に及ぼす影響に関する論文を発表 (1974 年 ) オゾン層破壊問題 (Ozone Depletion Problem) フロン系冷媒 ( 特に CFC 系冷媒 ) の中に含まれる塩素 (Cl) が永久的にオゾン層を壊し続ける 塩素を構成元素に含まない物質への転換へ 成層圏界面 成層圏 対流圏 オゾン層 遅い輸送 CFCs 大量の CFCs が蓄積 2 nd Stage Key Points: 性能 安全性 コスト + オゾン層を破壊しない O UV 50 ~60 km ClO Cl O+ClO Cl+O2 O3+Cl O2+ClO O+O3 2 O2 10 ~15 km 早い循環 CFCs の放出 地表面 Cl CH4 HCl OH 遅い輸送 HCl 酸性雨として地表へ クロロフルオロカーボン (CFC) ハイドロクロロフルオロカーボン (HCFC) に代わる新冷媒探索へ (1) 純物質から探す (2) 混合物から探す 塩素を含まないハイドロフルオロカーボン HFC 系冷媒 :R134a, R32, R125, R143a. 自然界に存在する自然冷媒 炭化水素 ( プロパン イソブタンなど ) 二酸化炭素 アンモニアなど CFC を使わずに 2 種類以上の冷媒を混合して新たな冷媒を開発する HFC 系混合冷媒 R 410A, R 407C, R 507A, R 404A HFC + HC 系混合冷媒 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 5/58 -

6 温室効果ガスによる地球温暖化問題への対応 ( フロン系冷媒に注目して ) 地球温暖化問題 (Global Warming Problem) 安定して使いやすい物質であった冷媒が赤外線吸収率が高く, 長い期間大気中に滞在するために地球温暖化に及ぼす影響が大きい原因のひとつと断定 太陽 ( 短波 ) 地球 ( 長波 ) (a) 放射エネルギー 地球温暖化にも影響しない冷媒の必要性が増大ある程度は分解性の高い物質に転換へ (b) 大気の吸収率 出典 :D.J.Wuebbles 著 酒田訳 : 冷凍,69-802(1994) より 3 rd Stage Key Points: 性能 安全性 コスト + オゾン層を破壊しない + 低 GWP 大気寿命を短くして 地球温暖化係数 (GWP) 値を小さくするため オレフィン系冷媒 (HFO) が登場 R 1234yf, R 1234ze(E), R1243zf など HFC 系冷媒の中で比較的 GWP の低い冷媒へ転換 オレフィン系冷媒を含む新混合冷媒が提案 HFO 系混合冷媒,HFO+HFC 系混合冷媒など 可燃性問題 :GWP と燃焼性はトレードオフの関係 CFC 系冷媒は不燃性であったが HFO 系冷媒に代表される多くの新規冷媒には可燃性の問題が新たに生じる 可燃性, 微燃性への対策が必修 Latest Stage Key Points: 性能 安全性 コスト + オゾン層を破壊しない + 低 GWP + 燃焼性への安全性対策 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 6/58 -

7 冷媒を取り巻く状況 HFC 冷媒 (GWP の高い既存冷媒 :R410A や R134a など ) : 地球温暖化防止対策観点から規制対象 地球温暖化防止のための方策 (1) 冷媒の使用量 漏洩量の削減と回収率向上 システムへの冷媒充填量の削減システムからの漏洩量削減冷媒の回収率向上 冷媒管理システムの構築の必要性 ( 製造 利用 回収 再利用 ) フロン排出抑制法施行 ( 平成 27 年 4 月 ) (2) 低 GWP 冷媒への転換 HFC 冷媒の低 GWP 化 (R410A R32,HFC/CO2,HFC/HFO) 自然冷媒を用いたシステムの開発 CO2 給湯機,HC 冷蔵庫,NH3 チラー,CO2/NH3 冷凍庫など 家庭用 業務用空調機の代替冷媒としては多くの課題 ( 性能, 安全性, コストなど ) あり新規合成冷媒を用いたシステムの開発 自動車用空調機 (EU 地域で R1234yf へ転換中 ) 家庭用 業務用空調機 ( 当面, 安全性を確保して R32 へ転換中 ) 低 GWP 冷媒の開発と冷媒リスク評価と安全規則の整備が不可欠 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 7/58 -

8 低 GWP 新規合成冷媒の開発動向 HFC 系冷媒の代替として,R1234yf, R1234ze(E), R1234ze(Z) などの HFO 系冷媒候補物質が開発, ただし, 燃焼性あり. R1234yf は自動車空調機用冷媒の R134a の代替冷媒として実用化. R1234yf や R1234ze(E) と HFC 系冷媒などからなる混合物は空調用冷媒の R410A の代替候補. R1234ze(E) は大型冷凍機用冷媒 R134a や R245fa の代替候補. R1234ze(Z) (R1234ze(E) の異性体 ) や R1233zd(E) は高温ヒートポンプ用冷媒の候補. HFO 系冷媒候補物質の安全性評価 確認とそれらを低 GWP 代替冷媒として将来使用する為の方法を確立することは極めて重要! 経済産業省研究開発事業 :NEDO プロジェクトとしての取り組み 研究開発プロジェクト : 高効率ノンフロン型冷凍空調機器技術の開発 1 低温室効果の冷媒で高効率を達成する主要機器の開発 2 高効率かつ低温室効果の新冷媒の開発 3 冷媒の性能 安全性評価 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 8/58 -

9 2. 高効率ノンフロン型空調機器技術の開発 2.1 業務用空調機器に適した低 GWP 冷媒の探求とその安全性 物性および性能評価 (NEDO 受託研究 ) 委託先 : 九州大学 再委託先 : いわき明星大学, 佐賀大学, 九州産業大学 研究開発目標 現行 HFC 系代替冷媒に比して地球温暖化係数 (GWP) が大幅に低い新規代替冷媒を用いる高効率の業務用空調システム ( ビル用 PAC 等 ) を開発する為の基盤技術の構築 1 R1234ze(Z) などの新規低 GWP 純冷媒の基本物性およびサイクル性能に関する研究低 GWP 冷媒 R1234ze(Z) などの新規低 GWP 純冷媒の安全性を含む化学的性質, 熱力学的 輸送的性質, 伝熱特性およびサイクル基本特性の解明 2 低 GWP 混合冷媒の探求とその基本物性およびサイクル性能に関する研究低 GWP 混合冷媒 R1234ze(E)/R32/R744(CO 2 ) などのサイクル性能評価業務用空調機器に適した低 GWP 混合冷媒の探求 選定 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 9/58 -

10 1 R1234ze(Z) などの新規低 GWP 純冷媒の基本物性およびサイクル性能に関する研究 < 新規低 GWP 冷媒の熱力学的性質の測定と状態方程式の作成 > ~ 担当 : いわき明星大学, 九州産業大学 ~ 熱力学的性質の測定装置 純冷媒および混合冷媒の P-v-T-x 測定装置 純冷媒および混合冷媒の臨界軌跡測定装置 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 10/58 -

11 R1234ze(Z) の熱力学的性質の測定 気液共存曲線 P/kPa ρ 1002 kg/m 3 ρ 901 kg/m 3 ρ 752 kg/m 3 ρ 670 kg/m 3 ρ 570 kg/m 3 ρ 470 kg/m 3 ρ 340 kg/m 3 ρ 240 kg/m 3 ρ 140 kg/m 3 ρ 106 kg/m 3 ρ 45 kg/m 3 PvT 性質 R1234ze(Z) の Helmholz 型状態方程式の作成 a( T, ) r (, ) (, ) ( R, ) T/K P-h 線図 HFO-1234ze(Z) Vapor pressure / kpa HFO-1234ze(Z) 飽和蒸気圧 Run 1 Run 2 Run Temperature / K (p s,exp / p s,cal 1) T 450 c T (K) 実測値の再現性を確認 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 11/58 -

12 R1243zfの熱力学的性質の測定 7000 R 1243zf 6000 near critical isochore 3 r = kg/m P / kpa 5000 気液共存曲線 飽和蒸気圧 2000 Ps / kpa P / kpa Critical Point 1000 PvT性質 T/K R1243zfのHelmholz型状態方程式の作成 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー 空調用冷媒の低GWP化への挑戦と将来展望 ) 小山 繁 - 12/58 -

13 < 新規低 GWP 冷媒の輸送的性質の測定 > ~ 担当 : 佐賀大学 ~ 細線式熱伝導率測定装置 タンデム型細管式粘度測定装置 VM PC G F H B I D T A VM E F G D T C P1 P E A B E C P2 T 冷媒の熱伝導率測定結果 Thermal conductivity [mw/(m K)] % REFPROP(Ver9.0) HFC-32 HFO-1234ze(E) HFO-1234yf -40% -47% -26% Exp.Data HFC %ze(Z) HFO-1234ze(Z) HFO-1234ze(E) HFO-1234yf Temperature[K] Viscosity [ Pa s] 冷媒の液粘度測定結果 % REFPROP Ver.9.0 R32 R1234ze(E) 148% Exp. Data R32 R1234ze(Z) R1234ze(E) Temperature [K] 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山 13 繁 ) - 13/58 -

14 < 新規低 GWP 純冷媒の伝熱特性の測定 > ~ 担当 : 九州大学 佐賀大学 ~ 凝縮および蒸発伝熱特性の測定と熱交換器の設計に有用なデータベースの構築 ら旋溝付管内の伝熱実験 ( 凝縮および蒸発 ) 試験伝熱管管形状 MF48 MF58 MF64 外径 [mm] 等価内径 di [mm] フィン高さ h [mm] ねじれ角 [ ] 山頂角 [ ] フィン数 N fin [-] 面積拡大率 η A [-] 等価内径 d eq : 溝付管と等しい流路断面積を持つ平滑管 ( 等価平滑管 ) の内径面積拡大率 η A : 等価平滑管の伝熱面積に対する溝付管実伝熱面積の比 実験条件 Refrigerant R1234yf 凝縮 40 飽和温度, T sat C 蒸発 10 質量流束, G kg m -2 s ~400 熱流束, q kw m 試験伝熱管断面写真 MF48 MF58 MF64 d i 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 14/58 -

15 データ整理方法 ( 凝縮の場合 ) 熱流束 q 実伝熱面積基準 q Q d eq A L 熱伝達率 α T sat q T wi 純冷媒 R1234yf,R1234ze(E),R32 の熱伝達率および圧力損失 ( 凝縮 ) HTC, [kw m -2 K -1 ] T sat = 40 C q = 10 kw m -2 G = 200 kg m -2 s -1 Exp. Yonemoto-Koyama R1234yf R1234ze(E) R Liquid quality, 1-x [ - ] Pressure gradient, P/ z [kpa m -1 ] T sat = 40 C q = 10 kw m -2 G = 200 kg m -2 s -1 Exp. Baba R1234yf R1234ze(E) R Liquid quality, 1-x [ - ] 純冷媒 R1234yf,R1234ze(E),R32 のの熱伝達率および圧力損失 ( 蒸発 ) HTC, [kw m -2 K -1 ] T sat = 10 C q = 10 kw m -2 G = 200 kg m -2 s -1 Exp. Momoki R1234yf R1234ze(E) R Vapor quality, x [ - ] Pressure gradient, P/ z [kpa m -1 ] T sat = 10 C q = 10 kw m -2 G = 200 kg m -2 s -1 Exp.Baba R1234yf R1234ze(E) R Vapor quality, x [ - ] 熱伝達率 R1234yf の熱伝達率は R32 に比して低い. 物性の違いによるものだと考えられる. クオリティ 0.4 以上においては Yonemoto- Koyama の式と実験値はよく一致する. 圧力損失 本実験における R32 と R1234yf の圧力損失は, ほぼ同程度. Baba の式は予測値と実験値はよく一致する. 熱伝達率 R1234yf は液熱伝導率が低く, 液膜の熱抵抗が大きいため,R32 に比して熱伝達率が低い. Momoki の式では実験値よりも低く予測する傾向がある. 吉田らの式で求めたドライアウト開始点については概ね実験値と一致. 圧力損失 R1234yf は R32 に比べて圧力損失が大きい. Baba の式は予測値と実験値はよく一致する. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 15/58 -

16 水平管外の伝熱 ( 凝縮 蒸発 ) 蒸気冷媒 Pt P 5 6 T Pt 凝縮器 冷媒 ( 液相 ) 冷媒 ( 気相 ) 凝縮器 1 液冷媒 Pt 3 2 P 4 7 T 2 Pt 蒸発器 蒸発器 1 1 恒温槽 8 電気ヒータ 2 混合室絶対圧力計 3 体積流量計 T K 型熱電対 4 試験伝熱管白金測温抵抗体 5 ドレンパン可視化窓 6 補助コンデンサ P P t 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 16/58 -

17 [kw m 2 K 1 ] 沸騰試験 1(R1234ze(Z),T sat =10 ) plain TE01 TE02 TE03 = 0.221q empirical correlation T sat =10 C q wall [kw m 2 ] 伝熱促進管の表面 溝開口幅 : TE01 < TE02 < TE03 TE01 は, 低熱流束域においてもトンネル内の蒸気圧が上昇. トンネル内に気泡が生成しやすくなり, 有効キャビティが増加. 低飽和温度, 低熱流束域溝開口幅が小さい TE01 が伝熱促進に有効 TE01 TE02 TE03 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 17/58 -

18 [kw m 2 K 1 ] 沸騰試験 2(R1234ze(Z),T sat =60 ) plain TE01 TE02 TE03 = 0.430q empirical correlation T sat =60 C q wall [kw m 2 ] 溝開口幅 : TE01 < TE02 < TE03 TE01 および TE02 は熱流束 10~20 kw m -2 付近で熱伝達率が次第に低下. 気泡生成に対してトンネル内への液冷媒の供給が不足するため. TE03 はトンネル内に液冷媒が供給されやすい. 高飽和温度, 高熱流束域溝開口幅が大きい TE03 が伝熱促進に有効 TE01 TE02 TE03 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 18/58 -

19 2 低 GWP 混合冷媒の探求とその基本物性およびサイクル性能に関する研究 < 低 GWP 混合冷媒の探求 選定 > ~ 九州大学 いわき明星大学 ~ 家庭用 業務用空調機に適した冷媒の検討 既存冷媒 R410A 物性的に近い冷媒が好ましい ( 従来技術の改良で対応が可能 ) 単一成分冷媒 R1234ze(E) および R1234yf 蒸気密度が低く,R410A に比して体積能力が小さいので, 容積式圧縮機を用いたシステムで使用するには適していない. 2 成分非共沸混合冷媒 R32/R1234ze(E) および R32/R1234yf 体積能力を確保するために,GWP の低い HFO 系冷媒に,GWP は高くなるが高圧冷媒 R32 を混合. ただし, 非共沸性 ( 温度すべり : 露点と沸点の温度差 ) による熱交換性能の低下が課題. 3 成分非共沸混合冷媒 R744/R32/R1234ze(E) および R744/R32/R1234yf GWP 値を低く抑えつつ, 体積能力を確保する. ただし,2 成分非共沸混合冷媒に比して, 温度すべり ( 露点 沸点温度差 ) がより大きくなり, 熱交換性能の低下が課題. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 19/58 -

20 HFO 系 HFC 系 自然系冷媒から成る低 GWP 混合冷媒のサイクル性能解析 3 成分系混合冷媒の選定条件 R744/R32/R1234ze(E) R744/R32/R1234yf 選定項目 A B C D GWP < 300 < 200 < 300 < 200 温度すべり 10 K 15 K 7 K 10 K 体積能力 (R410A 比 ) > 0.8 > 0.8 > 0.8 > 0.8 COP h (R410A 比 ) > 1.0 > 1.0 > 1.0 > 1.0 選定結果 R R744/R32/R1234ze(E) (4/43/53 mass%) R744/R32/R1234ze(E) (9/29/62 mass%) R R744/R32/R1234yf (4/44/52 mass%) R744/R32/R1234yf (5/28/67 mass%) GWP TG EVA VC EVA (R410A 比 ) COP h (R410A 比 ) R1234ze(E) R32 R1234yf R32 R744/R32/R1234ze(E) 系 R744/R32/R1234yf 系 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 20/58 -

21 < 低 GWP 混合冷媒の熱力学性質の測定 > ~ 担当 : いわき明星大学, 九州産業大学 ~ CO2 を含む 3 成分系混合冷媒の測定結果 ( 気液共存曲線,P-v-T 曲線, 臨界定数 ) R1234yf+R32+R744 に関して,[65/29/6 mass%] は GWP 200 相当, [52/44/4 mass%] は GWP 300 相当. 飽和密度と臨界点の結果では,[65/29/6 mass%] 混合冷媒は R32 と類似した挙動. 一方 [52/44/4 mass%] 混合冷媒は,R1234yf+R32 [50/50 mass%] と類似した挙動. これらのデータに基づいて REFPROP を評価し 状態式パラメータの最適化をおこなう予定 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 21/58 -

22 3 成分系混合冷媒に対する多流体モデルの検討 R1234yf R32 R32/1234yf R32/744 R1234yf/744 R744 3 成分系に対する多流体モデル :3 成分系の分子間力を各 2 成分系の分子間力の重ね合わせとして表現する. 各 2 成分系に対する推奨モデルの妥当性を検証 2 成分系 REFPROP の推奨モデル R32/1234yf KW4 (Akasaka, 2013) R32/744 KWT (Lemmon et al., 2013) R1234yf/744 KW0 (Lemmon et al., 2013) 4 R32/1234yf K 8 R32/744 8 R1234yf/ K K K 6 p (M P a ) K K K p (M P a ) K p (M P a ) K K K K K Mole fraction of R Mole fraction of R-744 各 2 成分系の推奨モデルを用いた気液平衡の相関 Mole fraction of R-744 R32/1234yf 系および R32/744 系 : 推奨モデルは気液平衡を良好に表現 R1234yf/744 系 : 推奨モデルは高圧域の再現性が悪い モデルの見直しが必要 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 22/58 -

23 < 低 GWP 混合冷媒のサイクルの基本特性の評価 > ~ 担当 : 九州大学 佐賀大学 ~ 実験装置 水熱源ヒートポンプ試験ループ :R410A 用圧縮機, 対向流式熱交換器 Refrigerant Water Lubricant oil Constant-temperature bath (heat sink water) T T Mass flow meter Sampling port Expansion valve T P P T P T Volumetric T P Condenser flow meter Mixing chamber Pump Thermocouple Pressure transducer T P T P Oil separator Compressor Inverter 熱交換器仕様 対向流二重管式 P Evaporator P T T T Digital power meter 外管 内管 外径 [mm] Constant-temperature bath (heat source water) 内径 [mm] 長さ [mm] 管形状平滑管溝付管 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 23/58 -

24 試験冷媒および実験条件 試験冷媒 冷媒 (GWP) 暖房条件 1 暖房条件 2 冷房条件 給湯条件 R410A (1924) R32 (677) R32/R1234ze(E) R744/R32/R1234ze(E) R32/R1234yf R744/R32/R1234yf 42/58 mass% (285) 28/72 mass% (190) 4/43/53 mass% (292) 9/29/62 mass% (197) 42/58 mass% (285) 28/72 mass% (190) 4/44/52 mass% (298) 5/28/67 mass% (190) 実験条件 暖房条件 1 暖房条件 2 給湯条件 冷房条件 凝縮器熱源水温度 [ ] 蒸発器熱源水温度 [ ] 過熱度 [K] > 3 能力 [kw] 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 24/58 -

25 データ整理方法 (Heating mode の場合 ) 暖房条件および冷房条件の成績係数 (COP) [-] COP Heating QCOND Wcycle, COPCooling QEVA Wcycke L' PIPE Refrigerant Water W cycle : 圧縮仕事 [W] Q COND : 凝縮器での熱交換量 [W] Q EVA : 蒸発器での熱交換量 [W] T [K] L' COND Q HEX m W,HEX c P W,HEX T W,HEX,out T W,HEX,in Q LOSS L' EXP L' EVA L' COMPR 要素機器における不可逆損失計算 全不可逆損失 [W] L L L L' L total 単位質量当たりの不可逆損失 [J kg -1 ] 凝縮器 COND 蒸発器 ' EVA COND s s s s COND,out COND,in EVA,out EVA,in T W EVA T R T T R L W EXP ds ds L COMPR 膨張弁 L L ' EXP 圧縮機 L ' COMPR PIPE s s EXP,out EXP,in s s L T R COMPR,out COMPR,in P.D. ds T R ds T [K] s[j kg 1 K Ideal cycle (without Pressure drop) Actual cycle L' P.D. 1 ] 端子質量当たりの接続配管部での不可逆損失 L PIPE および圧力損失による不可逆損失 L P.D. は, それぞれ図中に示す青色と水色の領域である. s[j kg 1 K 1 ] 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 25/58 -

26 実験結果 2 - 成績係数と負荷の関係 - COP h [-] - 暖房条件 冷房条件 Heating mode R410A R32 R32/R1234ze(E) (42/58masss% R32/R1234ze(E) (28/72masss%) R744/R32/R1234ze(E) (4/43/53masss%) R744/R32/R1234ze(E) (9/29/62masss%) R32/R1234yf (42/58mass%) R32/R1234yf (28/72mass%) R744/R32/R1234yf (4/44/52masss%) R744/R32/R1234yf (5/28/67masss%) COP c [-] Cooling mode R410A R32 R32/R1234ze(E) (42/58masss% R32/R1234ze(E) (28/72masss%) R744/R32/R1234ze(E) (4/43/53masss%) R744/R32/R1234ze(E) (9/29/62masss%) R32/R1234yf (42/58mass%) R32/R1234yf (28/72mass%) R744/R32/R1234yf (4/44/52masss%) R744/R32/R1234yf (5/28/67masss%) Q COND [kw] 暖房条件 2 の最大 COP h (2.2 kw) Q EVA [kw] R32 > 4/43/53ze > 42/58ze > 42/58yf > 4/44/52yf > R410A > 28/72yf > 28/72ze > 5/28/67yf > 9/29/62ze 冷房条件の最大 COP c (2.0 kw) R32 > 4/43/53ze > 42/58yf > 42/58ze > 4/44/52yf > R410A > 28/72yf > 28/72ze > 5/28/67yf > 9/29/62ze 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 26/58 -

27 実験結果 3 - 凝縮器内および蒸発器内の温度分布 (ze 系混合冷媒 : 暖房条件 2の 2.2 kw の場合 ) 80 T [ ] Heating mode 2.2kW R410A R32 42/58ze mass% 28/72ze mass% 4/43/53ze mass% 9/29/62ze mass% Heat sink Refrigerant 凝縮器 Water Q COND [kw] Q EVA [kw] 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 27/58 - T [ ] 凝縮器内熱源水と冷媒の温度差 3 成分 (300) < 3 成分 (200) < 2 成分 (300) < 2 成分 (200) 蒸発器内での熱源水と冷媒との温度差 2 成分 (300) < 2 成分 (200) < 3 成分 (300) < 3 成分 (200) Heating mode 2.2kW R410A R32 42/58ze mass% 28/72ze mass% 4/43/53ze mass% 9/29/62ze mass% Heat source Water Refrigerant 蒸発器

28 実験結果 4 - 凝縮器内および蒸発器内の温度分布 (GWP 300 の ze 系および yf 系混合冷媒 : 暖房条件 2 の 2.2 kw の場合 ) T [ ] Heating mode 2.2kW R410A R32 42/58ze mass% 4/43/53ze mass% 42/58yf mass% 4/44/52yf mass% Heat sink Refrigerant 凝縮器 Water Q COND [kw] Q EVA [kw] 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 28/58 - T [ ] 凝縮器内熱源水と冷媒の温度差 3 成分 ze 系 < 2 成分 ze 系 < 3 成分 yf 系 < 2 成分 yf 系蒸発器内での熱源水と冷媒との温度差 2 成分 yf 系 < 3 成分 yf 系 < 2 成分 ze 系 < 3 成分 ze 系 Heating mode 2.2kW R410A R32 42/58ze mass% 4/43/53ze mass% 42/58yf mass% 4/44/52yf mass% Heat source Water 蒸発器 Refrigerant

29 実験結果 5 - 凝縮器内および蒸発器内の温度分布 (GWP 300 の ze 系および yf 系混合冷媒 : 冷房条件 2 の 2.0 kw の場合 ) T [ ] Cooling mode 2.0kW R410A R32 42/58ze mass% 42/58yf mass% 4/43/53ze mass% 4/44/52yf mass% Heat sink Refrigerant 凝縮器 T [ ] Cooling mode 2.0kW R410A R32 42/58ze mass% 42/58yf mass% 4/43/53ze mass% 4/44/52yf mass% Heat source Water 蒸発器 Water Q COND [kw] Q EVA [kw] 凝縮器内熱源水と冷媒の温度差 3 成分 ze 系 < 2 成分 ze 系 < 3 成分 yf 系 < 2 成分 yf 系蒸発器内での熱源水と冷媒との温度差 2 成分 yf 系 < 3 成分 yf 系 < 2 成分 ze 系 < 3 成分 ze 系 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 29/58-0 Refrigerant 非共沸混合冷媒は, 凝縮器内では, 温度すべりの効果により冷媒と熱源水との温度差が単一成分冷媒や擬似共沸冷媒に比して小さいが, 蒸発器入口における冷媒温度が低下し, また過度な温度すべりによって蒸発器内では冷媒と熱源水との温度差は単一成分冷媒や擬似共沸混合冷媒に比して大きくなる.

30 実験結果 6 - 要素機器内の不可逆損失 - 暖房条件 2 (2.2 kw) 冷房条件 (2.0 kw) COP と不可逆損失の順番が対応 同 HFO 同 GWP 冷媒の 2 成分および 3 成分の比較より,R744 の添加によって, 作動圧が増加するため, 圧力損失による不可逆損失が減少する. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 30/58 -

31 2.2 高効率かつ低温室効果の新冷媒の開発 (NEDO 助成事業 ) 研究開発目標 委託先 : 旭硝子株式会社 現行 HFC 系代替冷媒に比して地球温暖化係数 (GWP) が大幅に低く, 高性能な新規代替冷媒の開発 GWP 値 (100 年 ):300 以下 毒性 :LC 50 20,000ppm 以上 燃焼性 : 不燃 もしくは微燃性 冷媒性能 : 現行冷媒と同等 候補冷媒 環境影響 ( 低 GWP) ハイドロフルオロオレフィン機器性能等を考慮 R410A 代替冷媒 : 炭素数 2(HFO-1123を選定 ) R245fa 代替冷媒 : AMOLEA -7d 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 31/58 -

32 R410A 代替冷媒 HFO-1123 基礎特性比較 * 露点 / 沸点 ** 産業技術総合研究所測定値 HFO-1123 HFO-1234yf HFO-1234ze(E) HFC-32 R410A 化学式 CF 2 =CHF CF 3 CF=CH 2 trans- CHF=CHCF 3 CH 2 F 2 分子量 [g/mol] 標準沸点 [ ] /-51* 臨界温度 [ ] 臨界圧力 [MPa] 臨界密度 [kg/m 3 ] 蒸気圧 (0 ) [kpa] /798* 液密度 (0 ) [kg/m 3 ] 蒸気密度 (0 ) [kg/m 3 ] 大気寿命 [ 年 ] 1.6 日 ** 11 日 18 日 GWP 値 (100 年 ) [CO 2 =1] 0.3** エームズ試験 陰性 陰性 陰性 陰性 陰性 LC 50 [ppm] >200,000 >400,000 >207,000 >760,000 - 燃焼下限濃度 [vol%] 10.0* ー 燃焼速度 [cm/s] 6.6* ー 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 32/58 -

33 HFO-1123 の蒸気圧 圧力 [kpa] HFO-1123 HFC-32 R410A HFO-1234yf HFO-1234ze(E) 温度 [ ] HFO-1123 の特長と欠点 特長 優れた冷凍能力 ( 排除体積当たり ) 微燃性 (HFC-32 と同等 ) 低 GWP 低毒性 欠点 臨界温度が低い 圧力が高い 自己分解反応 課題解決方法 HFC 系冷媒との混合物 HFO-1123+HFC-32 ( 共沸様組成物 : 温度すべりが小さい ) 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 33/58 -

34 AMOLEA (2 成分混合冷媒 HFO-1123+HFC-32) の基礎特性 HFO-1123 [wt%] HFC-32 [wt%] 標準沸点 (101.3kPa) 蒸気圧 (0 ) R410A ( 液 )[ ] ( 蒸気 )[ ] ( 差 )[ ] ( 液 )[kpa] ( 蒸気 ) [kpa] 液密度 (0 )[kg/m 3 ] 蒸気密度 (0 )[kg/m 3 ] 燃焼範囲 [vol%] 11.5~ ~ ~ ~ ~ GWP (100 年, CO 2 =1) ドロップイン試験 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 34/58 -

35 AMOLEA (2 成分混合冷媒 HFO-1123+HFC-32) の冷凍サイクル性能 - ドロップイン試験 - ユニット : ルームエアコン冷房能力 4kW 試験方法 :JIS B エアコンディショナ - 第 1 部 : 直吹き形エアコンディショナ及びヒートポンプ - 定格性能及び運転性能試験法 試験冷媒 :HFO-1123/HFC-32=40%/60% 結果 : 通年エネルギー消費効率 (APF) 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 35/58 -

36 2.3 エアコン用低 GWP 冷媒の性能および安全性評価 (NEDO 受託研究 ): 一部ご紹介 委託先 : 東京大学 再委託先 : 産業総合技術研究所 1 部屋に漏えいする冷媒の濃度拡散現象の予測計算 < 空調機からの冷媒漏えいシナリオ ( 一部抜粋 )> ~ 担当 : 東京大学 ~ 室外機の予測計算も実施 漏えい箇所 No. Refrigerant 壁掛け式室内機 床置き式室内機 Amount [g] Flow rate [g/min] 1 R R1234yf R R R R1234yf Convection None None None 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 36/58 -

37 < 結果 : 濃度分布 ( シナリオ No.1)> R32 stagnated on the floor and the concentration was higher at lower levels. The concentration was lower than the LFL on the floor. UFL Refrigerant:R32 Amount:1000 g Flow rate:250 g/min LFL ¼ LFL 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 37/58 -

38 < 結果 : 濃度分布 ( シナリオ No.9)> There was a region where the concentration was higher than the UFL on the floor. UFL Refrigerant:R32 Amount:1000 g Flow rate:250 g/min LFL ¼ LFL 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 38/58 -

39 < ルームエアコン床置き室内機の対策 : 室内機からの漏洩濃度の検討 > 室内機からの漏洩濃度の検討 詳細 : 室内機の内部を詳細に数値計算 従来 : 濃度 100% の冷媒が送風口から噴出 簡易 : ある濃度の冷媒が送風口から噴出 可燃時空積をモデル間で比較 詳細 モデルを基準にする 従来 モデルでは可燃時空積は小さい 簡易 モデルでは.22.5% 濃度が 詳細 モデルに近い 可燃時空積の定義 V FL dt 濃度 LFL~UFL 領域 V 0.25FL dt 濃度 1/4LFL~UFL 領域 Refrigerant amount V BVFL dt 濃度 LFL~UFL 領域流速が燃焼速度以下 Refrigerant m 3 min m 3 min m 3 min R32 1 kg 1 min Detailed LFL = 13.5 vol.% UFL = 27.5 vol.% calc. time = 2.5 min Conventional Simple X out_i = 15 vol.% Simple X out_i = 22.5 vol.% Simple X out_i = 30 vol.% min Detailed calc. time = 5.5 min Conventional Simple X out_i = 15 vol.% Simple X out_i = 22.5 vol.% Simple X out_i = 30 vol.% 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 39/58 - Leaking period Analysis model Initial mass fraction V 0.25FL dt V FL dt dt V BVFL

40 < ルームエアコン床置き室内機の対策 : 室内機の送風効果の検討 > 冷媒漏洩を感知したら, 送風機を運転し, 冷媒の拡散を促進 送量を 1~6m 3 /min で変化させたときの可燃時空積を計算 V 0.25FL dt は送風によって大きくなる V FL dt は風量を 2m 3 /min 以上にするとほぼ消滅する Refrigerant Refrigerant amount Leaking period Fan air volume V 0.25FL dt V FL dt m 3 min m 3 min m 3 min R32 1 kg 1 min V air = 1 m 3 /min LFL = 13.5 vol.% calc. time = 2.5 min V air = 2 m 3 /min UFL = 27.5 vol.% calc. time = 2.5 min V air = 4 m 3 /min V air = 6.15 m 3 /min min V air = 1 m 3 /min calc. time = 5.5 min V air = 2 m 3 /min calc. time = 5.5 min V air = 4 m 3 /min V air = 6.15 m 3 /min dt V BVFL 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 40/58 -

41 2 2L 冷媒の燃焼性 < 不燃性冷媒の燃焼限界 > R22 vol% LFL ~ 担当 : 産業技術総合研究所 ~ vol% non-flammable UFL R134a R410A R410B R413A R410A, R410B, R134a は不燃性冷媒であるが, 湿度と温度が高い条件では燃焼範囲が出現 (50%RH at 60 C). < 燃焼限界への湿度の影響 > LFL, UFL, vol% R1234yf, LFL R1234yf, UFL R1234ze(E), LFL R1234ze(E), UFL Flammability limits of R1234yf and R1234ze(E) R1234yf と R1234ze(E) の燃焼限界は湿度の影響を受ける. 湿度が高いと燃焼域が広がる % Relative humidity at 23 C, % 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 41/58 -

42 < 消炎距離測定 > DC spark generator - + Acrylic cylinder Electrodes with 100-mm ID plates Fan Micrometer 消炎距離 d q と燃焼速度 S u0,max には強い相関関係がある. 2L 冷媒の消炎距離 d q は 5 mm 以上. < 消炎距離からの最小着火エネルギーの見積り > (1) Here, (2) (3) 燃焼速度と消炎距離の関係式 (1) を式 (2) に代入すると, R32 の最小着火エネルギーは 29 mj と計算される 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 42/58 -

43 3. 日本冷凍空調学会における低 GWP 新規冷媒を用いた空調 冷凍システム開発に関連した取り組み 3.1 日本冷凍空調学会の果たすべき使命 定款第 3 条 : 本会は低温 冷凍 食品 空気調和 ( これらを冷凍空調と称する ) に関わる先端的及び普遍的な科学 技術を向上させる活動を通して公共の福祉と社会 産業の発展に寄与することを目的とする 学会の事業活動 (1) 技術普及及び技術者育成などの教育事業 (2) 国際冷凍学会などとの連携 協力による国際交流事業 (3) 調査 資料収集及び技術開発 研究開発などの調査研究事業 (4) 資格認定及び表彰による学術評価事業 (5) その他, 前条の目的を達成するために必要な事業 各種委員会による活動 保安委員会, 規格制定委員会, 冷凍技術委員会 ( 冷媒, 培圧縮機, 熱交換器, システム ) など 産学官による調査研究プロジェクトの実施 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 43/58 -

44 3.2 冷媒関連技術委員会および調査研究プロジェクトの紹介 冷媒技術委員会 1. 委員会構成委員長東之弘 ( いわき明星大学 ) 幹事粥川洋平 ( 産業技術総合研究所 ) 構成委員総数 27 名 ( 学 :11, 産 :16) 2. 本委員会の目的冷媒は冷凍機やヒートポンプの心臓部を流れる, まさに血液に相当する重要な要素材料であり, 冷凍空調産業においては必要不可欠なものである. 特に最近では地球環境問題としてのオゾン層破壊や地球温暖化との関わりが深く, 将来的にはフロン系冷媒の代替品開発が重要な課題となっている. 本委員会では, 産業界と大学等との間で, 必要な情報交換を行える場を作るとともに, 学会という公的第 3 者機関から機器設計のために必要となる冷媒物性標準値を公開することを目的とする. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 44/58 -

45 3. 主な活動 (1) 冷媒に関する評価, 熱物性値表の作成 : JARef を編集, 刊行することにより, 冷媒の熱力学的性質の標準値を公式に提供する. この値は, 高圧ガス関連の法規にとっても必要な情報となっている. (2) 冷媒熱物性値簡易計算ソフトウエアの製作 冷凍サイクル計算プログラムソフト を作成し,WG( ワーキンググループ ) を構成して, 必要に応じて更新している. (3) 委員への情報提供など年に 1 回ないし 2 回の委員会を開催し, 冷媒物性研究に関わる情報の共有や, 研究機関所属の委員が参加した国際会議の情報提供などを行っている. 4. 最近の成果 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 45/58 -

46 熱交換器技術委員会 1. 委員会構成委員長宮良明男 ( 佐賀大学 ) 幹事浅野等 ( 神戸大学 ), 伊東大輔 ( 三菱電機 ) 構成委員総数 12 名 ( 学 :5, 産 :7) 2. 本委員会の目的熱交換器は冷凍機やヒートポンプの性能を左右する重要な要素機器であり, 用途に合わせて様々な形状 特徴を有する熱交換器が使用されている. 本委員会では, 熱交換器に関する技術動向の調査, 産学連携プロジェクトの立案 運営 管理, 最新情報の会員への発信及び熱交換器技術の体系化などの活動を行っており, これらの活動を通して, 学会, 産業界および大学の連携を図り, 基盤技術の強化, 社会的課題の共有などを通して社会に貢献することを目的とする. 3. 主な活動 (1) 熱交換器に関する技術ロードマップの作成 : 熱交換器に関する近年の技術動向及び技術シーズ ニーズの調査を 5 年ごとに行い, 将来技術の方向性を検討した結果を会員に公開する. (2) 産学連携プロジェクトの企画 運営直面している技術課題について産学連携の調査研究プロジェクトを 2 年ごとに企画 立案し, 実施プロジェクトの取りまとめを行う. (3) 専門技術書の出版, 伝熱データベースなど熱交換器に関する研究成果の体系化を目的に, 本委員会の下部に組織した WG において, 専門技術書の出版や伝熱データベースの作成を進める. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 46/58 -

47 4. 最近の成果 5 重要度 低 GWP 冷媒 ( 熱物性 全般 ) 冷媒伝熱 ( 低 GWP) 宮良 小山, 冷凍第 88 巻第 1025 号 (2013 年 3 月 ) 二次冷媒側 ( 着霜 除霜 結露 ) 冷媒伝熱 (CO2) 1. 冷媒の種類 2. 冷媒側伝熱形態 3. 伝熱面 4. 二次冷媒側伝熱 5. 熱交換器 6. 熱交換器技術応用新規分野 7. ナノテクノロジー等の応用技術 8. 上記以外のその他の課題 伝熱面 ( 微細流路 溝付管 ) 熱交換器 ( フィンチューブ マイクロ 分配 ) 応用新規分野 ( 排熱, 自然エネルギー ) ナノテク ( 微細加工 ) 低 GWP 冷媒 ( 可燃 混合 高温 ) 完了の時期 低 GWP 冷媒の重要度が高くなり, その熱物性や伝熱特性の重要度が高い. 前回調査では,CO 2 冷媒の重要度が極めて高かったが, 今回は相対的に低い. ただし, 課題は残されている. 着霜 除霜 結露の課題や微細流路とそれに伴う冷媒分配の課題, 新しい熱交換器の課題は, 前回と今回のいずれの調査でも重要度が高く,3 ~ 4 年での開発完了が望まれている. 可燃性冷媒, 混合冷媒, 高温冷媒は重要度は低いが, 長期的な視点での課題解決が望まれている. など 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 47/58 -

48 3.3 微燃性冷媒リスク評価研究会の紹介 1. 研究会構成主査 飛原英治 ( 東京大学 ) 副主査 藤本悟 ( 日本冷凍空調工業会 ) 2. 本研究会の目的微燃性冷媒のリスク評価を実施するための基礎的なデータを整備することを目的として,2011 年から始まった NEDO の 高効率ノンフロン型空調機器技術の開発 プロジェクトの中で, 諏訪東京理科大学, 九州大学, 東京大学, 産業技術総合研究所などが冷媒の安全性の研究を進めている. これら研究成果を利用して工業会の中で微燃性冷媒のリスク評価を行っていただき, そのリスク評価の適正さを第三者の立場から検討することを目的として, 日本冷凍空調学会の下に微燃性冷媒のリスク評価を検討するための研究会を設置. 3. 成果 各年度のプログレスレポートの公表, 技術セミナーの実施など 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 48/58 -

49 4. 今後の課題と展望 4.1 次世代低 GWP 冷媒の探求 HFC 系冷媒 ODP GWP 100 NBP 毒性 2) 燃焼性 - - degc - - R32 CH2F A 2L R134a CF3-CH2F A 1 R125 CHF2-CF A 1 R143a CH3-CF A 1 R245fa CF3-CH2-CHF A( 旧 B) 1 R152a CF2-CH A 2 R32: 近年,R410A 代替の低 GWP 冷媒として空調機用冷媒として実用化 R152a: 燃焼性がクラス 2 だが,GWP 値は低い 2) 1) Myhre, G., Shindell, D., Bréon, F.-M., Collins, W., Fuglestvedt, J., Huang, J., Koch, D., Lamarque, J.-F., Lee, D., Mendoza, B., Nakajima, T., Robock, A., Stephens, G., Takemura, T., Zhan, H., : Anthropogenic and Natural Radiative Forcing, in: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. doi: / CBO ) Designation and Safety Classification of Refrigerants. ANSI/ASHRAE Stand Addenda 2015 Suppl 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 49/58 -

50 自然冷媒 ODP GWP 100 NBP 毒性 2) 燃焼性 - - degc - - water H2O A 1 ammonia NH B 2L carbon dioxide CO2 0 昇華点 1 )-78.5 A 1 ethane C2H6 0 negligible -89 A 3 propane C3H8 0 negligible -42 A 3 butane C4H10 0 negligible -1 A 3 isobutane C4H10 0 negligible -12 A 3 水 : 極めて低圧で作動するため, 装置が大型化 小型空調機には不向きアンモニア : 毒性と微燃性 除外装置が必要, 間接式とすべし CO2: 高圧, 低冷房性能 多段圧縮式, 内部熱交付きなどのサイクル HC 系冷媒 :GWP は極めて低いが, 強燃性 漏れ検知と排気装置, 間接式, 充填量削減 2) 1) Myhre, G., Shindell, D., Bréon, F.-M., Collins, W., Fuglestvedt, J., Huang, J., Koch, D., Lamarque, J.-F., Lee, D., Mendoza, B., Nakajima, T., Robock, A., Stephens, G., Takemura, T., Zhan, H., : Anthropogenic and Natural Radiative Forcing, in: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. doi: / CBO ) Designation and Safety Classification of Refrigerants. ANSI/ASHRAE Stand Addenda 2015 Suppl 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 50/58 -

51 新規低 GWP 冷媒 (HFO 系冷媒 ) ODP GWP 100 NBP 毒性 2) 燃焼性 - - degc - - R1234yf CF3 CF = CH2 0 <1 1) -28 A 2L R1234ze(E) CF3 CH = CHF 0 <1 1) -19 A 2L R1243zf CF3 CH = CH2 0 <1 1) -24 A 2 R1123 CF2=CHF ?? R1234yf,R1234ze(E):GWP は極めて低いが, 微燃性への対策が必要 不燃あるいは微燃性の高圧冷媒との混合冷媒従来冷媒に比して作動圧が低く, 低体積能力が低い 装置が大型化 ( 配管, 熱交換器, 圧縮機 ) R1123: 燃焼性と不均化反応への対策が必要 不燃あるいは微燃性の冷媒との混合冷媒 R1243zf: 燃焼性への対策が必要 2) 1) Myhre, G., Shindell, D., Bréon, F.-M., Collins, W., Fuglestvedt, J., Huang, J., Koch, D., Lamarque, J.-F., Lee, D., Mendoza, B., Nakajima, T., Robock, A., Stephens, G., Takemura, T., Zhan, H., : Anthropogenic and Natural Radiative Forcing, in: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. doi: / CBO ) Designation and Safety Classification of Refrigerants. ANSI/ASHRAE Stand Addenda 2015 Suppl 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 51/58 -

52 その他の新規低 GWP 冷媒候補物質 ODP GWP 100 NBP 毒性 2) 燃焼性 - - degc - - R1132a CH2=CF2 0 <1 1) -83 A 3 R1141 CH2=CHF 0 <1 1) -72 A 2 R1225yc CHF2 CF = CF2 0-1 A 2? R1225ye(E) CF3 CF = CHF 0 <1 1) -10 A 1 R1225ye(Z) CF3 CF = CHF 0 <1 1) -18 A 1 R1225zc CF3 CH = CF A 3 R1234yc CH2F CF = CF2 0-9?? R1234ye(E) CHF2 CF = CHF ?? R1234ye(Z) CHF2 CF = CHF 0-17?? R1234zc CHF2 CH = CF A(B?) 2? R1243ye(E) CHF2 CH = CHF A(B?) 2? R1243ye(Z) CHF2 CH = CHF ?? R1243yf CHF2 CF = CH A 2? R2223 CF2=C=CHF to -25?? R2214 CF2=C=CF ?? これらの冷媒の基本特性 ( 燃焼性, 熱物性など ) は, ほとんどは明らかにされていない. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 52/58-2)

53 次世代低 GWP 冷媒について 基本的な考え方 1 純物質から見つけられるのがベスト 22 成分系混合物で, できれば共沸混合物がよい 3 混合物は, せめて 3 成分系までか 単一成分冷媒について 現状では, HFO 系あるいは HCFO 系物質か.R1123 を除けばいずれも低圧冷媒 HC 系は,HFO 系の次世代?( 可燃性に対する対策が必修 ) HFO 系および HC 系のいずれも低 GWP ( 地球温暖化対策としては最適 ) 混合冷媒について 安定性, 毒性, 可燃性および能力不足などへの対策として, それらの影響を弱める第 2 成分あるいは第 3 成分物質を添加した混合物としていく. ODP 対策 : 最近では, 塩素原子 1 個は検討対象 (R1233zd(E)) になってきた. GWP 対策としては, GWP の比較的小さい HFC (R152a, R32, R134a) との混合 ( ただし,HFC は,HFO に比べて相対的に GWP が大きいので, 混合物内での HFC の比率は小さく, かつ HFO の比率は高くならざるを得ない. 不燃性の CO2 をさらに添加することも一つの案か. 可燃性対策では,ODP, GWP のように, 可燃性係数 (?) なる指標が提案できないか? 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 53/58 -

54 4.2 次世代低 GWP 冷媒空調システム開発に関する技術的課題 次世代低 GWP 冷媒に関する物性研究 (1)R1123, R1243zf, R1225ye(Z) など新規の HFO 系冷媒の物性の解明が必要 (2)2 成分あるいは 3 成分系混合物では, R32 あるいは R134a と HFO 系冷媒との混合物の物性解明が必要 (3) 研究手順 (a) 新規の HFO 系冷媒の熱力学的性質を解明し, 状態式を作成し, サイクルシミュレーションを理論サイクルで行う. その結果として, 適切な組成の絞り込みを行う. ここでは, NIST の物性計算プログラム (REFPROP) との連携は必要不可欠であり, 熱物性に関しては国際的な研究の連携が必要 (b) 最適組成を確定して, その組成における熱力学的性質および輸送的性質 ( 熱伝導率, 粘性係数 ) の情報を収集し, さらに伝熱実験を行い, 機器への応用を想定した様々な情報を収集する. (d) サイクル性能評価試験で特性の検証を行う 製品化への取り組み 注意事項 : 特許への対応 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 54/58 -

55 次世代低 GWP 冷媒のリスクアセスメントと安全性確保技術の研究 (1) 地球温暖化対策を推進するためには, 低 GWP 冷媒へと添加することが必要であるが,R1123, R 1243zf, R1225ye(Z) などの新規 HFO 系冷媒の大部分は燃焼性を有し, また, 究極の低 GWP 冷媒でもある HC 系冷媒は強燃性であるため, それらを用いるためには, 燃焼性に関するリスクアセスメントが不可欠. (2)HC 系以外の自然冷媒や新規開発の HFO 系冷媒を用いるシステム開発を行うには, 致死毒性 麻酔性, 窒息性などの安全性に関するリスクアセスメントが必要. (3) 以上のアセスメントの結果に基づき, 安全を確保するための技術の確立が不可欠. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 55/58 -

56 システムおよび要素機器に関する研究 (1) 要素機器に関する研究 圧縮機 : HFO 系冷媒を含む混合冷媒用の容積式高効率圧縮機の開発が必要 低圧冷媒対応の容積式以外の高効率圧縮機開発 オイルフリー化 熱交換器 : 冷媒充填量を大幅に削減できる熱交換器の開発 ( プレートフィン熱交, プレート熱交, 拡散接合コンパクト熱交などの開発と特性評価 ) 混合冷媒対応高性能熱交換器の開発 ( 物質伝達抵抗の低減策 ) 内部熱交換器などの効果的利用技術の確立 安全性確保機器 : 漏れ検知器, 除外装置などの開発 (2) システムに関する研究 従来サイクルとは異なるサイクルの開発と製品化 これまでに実用化されていないサイクルの導入 ( 内部熱交, 膨張動力回収, 混合冷媒の組成制御など ) 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 56/58 -

57 5. まとめ オゾン層保護および地球温暖化防止は人類にとって喫緊の課題 数多くの新規低 GWP 冷媒が開発中であるが, どれが本命か混沌とした状態にあり, 一気に低 GWP の HFO 系や HCFO 系の単一成分冷媒, あるいは HC 系を含自然冷媒へと転換すべきか, あるいはシステム性能を維持 向上させながら段階的に GWP のより低い冷媒へと転換して, 温暖化対策を実施するか. いろいろなシナリオがある. そのため, 国内の産官学連携 ( オールジャパン ) による研究開発が不可欠. 世界をリードしている我が国の産業界の国際競争力の維持 向上の為には, 産官学共同で以下の研究開発を行う必要がある. オゾン層破壊係数 (ODP) がゼロで, 地球温暖化係数 (GWP) が従来冷媒に比して極めて低い新規冷媒の開発. 省エネルギーの観点から, 従来冷媒システムの性能と同等かそれ以上の性能の低 GWP 冷媒を用いたシステムの開発 ( 含む要素機器開発 ) 共通基盤技術としての新規低 GWP 冷媒の熱物性 熱交換特性 サイクル基本性能の評価, 並びに冷媒のリスク評価の実施. 研究機関, 産業界, 関連学会, 関連工業会との連携による国際的な情報発信およびイニシアチブ確保, 並びに海外の研究機関や関連団体との連携推進. 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 57/58 -

58 謝辞 本セミナーの講演資料の作成にあたって, 以下の方々に, ご多忙の中, ご協力いただきました. ここに, 記して, 謝意を表します. 東京大学 飛原英治教授 産業技術総合研究所 滝澤賢二主任研究員 いわき明星大学 東之弘教授 佐賀大学 宮良明男教授 九州産業大学 赤坂亮教授 国立研究開発法人新エネルギー 産業技術総合開発機構 一般財団法人省エネルギーセンター ご清聴ありがとうございました! 九州大学 NEDO TSC Foresight セミナー : 空調用冷媒の低 GWP 化への挑戦と将来展望 ( ) ( 小山繁 ) - 58/58 -