CO2 空気 計算値 実験値
kW/m2・K ％
低温空調 2510 76 56 6.9 7.6 14.6 -9.2 冷蔵 1420 70 31 －3.9 －4.3 3.7 9.3 冷凍 1090 74 24 -25.9 －26.1 －18.3 0.8 誤差＝（計算蒸発温度ー実験蒸発温度）/（実験蒸発温度）
誤差 庫内温度
℃ 蒸発温度 熱伝達率
kW/m2・K
熱通過率
プロパン 空気 計算値 実験値
kW/m2・K ％
空調用 3700 81 40.4 38.3 40.7 －5.2 冷却用 3670 81 40.2 26.8 24.9 7.6
誤差＝（計算凝縮温度ー実験凝縮温度）/（実験凝縮温度）
熱伝達率 熱通過率 凝縮温度
17.3
誤差
kW/m2・K ℃
外気温度
49
表
2.2.6 ﾌﾟﾛﾊﾟﾝ／炭酸ｶﾞｽ･ﾉﾝﾌﾛﾝｶｽｹｰﾄﾞ式省ｴﾈ冷凍・冷蔵・低温空調ｼｽﾃﾑ開発 進捗計画表
研究開発項 平成17年度 平成18年度 平成19年度
アイ･ケー･イー冷凍技研株式会社 基本設計
・システム基本計画
・プロトタイプ基本設計
・実機適用試算
・データ収集・分析・評価
三菱重工空調システム株式会社 詳細設計
・プロトタイプ詳細設計，製作
・ベンチテスト
・プロトタイプ改良・テスト
・データ収集・分析・評価
株式会社三冷社 施行・計測
・現行システムの年間消費電力量測定
・システム施工図，搬入・据付
・フィールドテスト，年間消費電力量測定
・データ収集・分析・評価
⑥炭化水素冷媒を使用した高効率ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟﾁﾗｰの開発(平成 17～18 年度）【ｾﾞﾈﾗﾙﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟ工業株式会社】
高効率化については、冷凍サイクルの改良や、圧縮機、熱交換器の最適化を行い、試作機を製作して能 力試験を行う。能力計算や実証試験を行い、条件に応じた最適冷媒の検討を行う。空冷ヒートポンプだけ ではなく、地中熱や排熱利用に対応した水冷ヒートポンプの開発も行う。
安全面については､漏洩が起きなければ安全性に問題が生じないため､溶接技術の強化や部品や配管の 見直しを行い､冷媒の漏洩が生じ難い機器の設計を行う｡また､万が一冷媒が漏洩した場合の安全対策とし て、炭化水素冷媒の拡散と可燃性についての数値シミュレーション（名古屋大学への再委託）を行い、実 機へのフィードバックを行う。そして、炭化水素冷媒の自主的安全評価基準についての検討を行う。
ｱ) 性能計算プログラムの開発 (a) 性能計算プログラム
性能設計開発を行うためには、p-H 線図に基づくサイクル計算を行う必要があるが、パラメータは数 多くあるため、パラメータ変更による性能把握が容易にできるような設計ツール「性能計算プログラム」
を開発する。これを用いて COP 向上効果の試算や熱交換器容量の選定、またはコストパフォーマンス試 算や試作機の計測結果との比較等もでき、パラメータを変更することにより目標性能を満たすような性 能設計が可能となる。
パラメータには熱交換器伝熱面積、圧縮機効率の他にも、冷温水利用温度、電源周波数など様々なパ ラメータがあり、それに対してヒートポンプの性能としては能力、消費電力、COP、冷媒温度、冷媒圧 力を算出することが求められる。冷温水入出口温度を変えて計算することにより、定格性能の計算や性 能線図の作成ができる。
ｲ) ヒートポンプチラーの高効率化 (a) 圧縮機の選定
能力を決めるのは押しのけ量、効率を決めるのは断熱効率、機械効率であり、圧縮部分の断熱性能、
摩擦ロス、モーター効率などが効率に影響を与えている。既存の従来型プロパン冷媒ヒートポンプでは、
半密閉レシプロ圧縮機を使用していたが、本事業における開発機においても同社の新型の半密閉レシプ ロ圧縮機について検討する。新型圧縮機は従来型より圧縮機効率が向上しており、性能向上が見込まれ る。圧縮機の諸元データを性能計算プログラムに組み込んだ。50Hz 地域用と 60Hz 地域用で圧縮機が異 なるのは、法定冷凍トンが３トン未満となるような圧縮機の中から、それぞれの周波数において最大の ピストン押しのけ量を持つものを選択したためである。
(b) 水熱交換器の選定
凝縮器や蒸発器として利用される熱交換器については熱交換器表面積、熱伝達率、熱伝導率を考慮す る必要がある。ただし、複雑な形状の熱交換器の熱伝達を解析するのは非常に困難なため熱伝導率を含 めた熱通過率をパラメータとして与えている。また、熱交換器表面積は冷媒と水との温度差を決めるた め性能に大きく影響する。
50
水冷式ヒートポンプチラーの凝縮器兼蒸発器として従来機では銅多重管式熱交換器を使用してきたが、
性能を向上させるために機器内占有容積を大きくせずに伝熱面積を増大させることは銅多重管式熱交 換器では限界がある。そこでプレート式熱交換器を採用すれば、従来の多重管式熱交換器の伝熱面積よ りも大きな面積となり、さらに機器内占有容積を小さくすることも可能である。開発機ではプレート式 熱交換器を使用する。これにより伝熱面積の向上による性能向上が見込まれる。プレート式熱交換器の 使用は、HFC 冷媒を使用した弊社ヒートポンプにおいても実績がある。性能計算プログラムではプレー ト枚数を選択できるようにした。水熱交換器についてはプレート式熱交換器の他に複合型プレート式熱 交換器の採用も検討し、試作・計測も行った。
ｳ) 安全性シミュレーション
万一の冷媒漏洩時における安全対策としての、冷媒の拡散と可燃性についてのシミュレーションは、
名古屋大学エコトピア科学研究所（長谷川達也教授）への再委託研究として行った。使用する計算ソフ トとしては、汎用熱流体解析ソフトウェアである「STAR-CD」を利用して、圧縮機、配管等から可燃性 冷媒が漏れたときの非定常冷媒拡散を 3D シミュレーションし、爆発可能性を調べた。
計算手法としては、圧力解法は SIMPLE 法、時間進展法はクランク・ニコルソン法、空間差分法は QUICK 法で行う。このソフトウェアは高度な汎用ソルバーであり、各種乱流モデル、各種化学種データ、燃焼 反応への対応が可能である。また、4 面体セル、6 面体セルにより複雑形状の格子作成が行え、CAD デー タの取り込みにも対応しており格子作成が容易である。並列計算に対応しているため計算は高速化が可 能である。
解析は、形状作成、メッシュ作成、解析条件設定、計算実行・結果解析といった流れで行う。
ｴ) 安全性評価
プロパン漏洩の速度の大きさにより周囲の安全が確保できるかどうかの計算を行った｡漏洩口の大き さによりプロパン漏洩量を計算し､空冷プロパンヒートポンプチラーのファン風量により計算を行った
表
2.2.7 炭化水素冷媒を使用した高効率ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟﾁﾗｰの開発 進捗計画表
51
⑦CO2、プロパンガスの混合冷媒使用の圧縮蒸発式冷凍機サイクルにて、低温ブラインを循環させるノン フロン型冷凍装置の開発 （平成 17～19 年度）【株式会社マック】
（開発目標とする主要項目）
・ノンフォロン自然冷媒とする。
・二酸化炭素・プロパンガスの混合冷媒とする。低温が得られる。
・到達温度を－50℃とする。
・ＣＯＰ値を 0.3 以上とする。現行製品性能同等もしくはそれ以上。
・製品規模を 1 坪業務用プレハブ冷凍庫よりとする。市場規模が大きい。
・製品は屋外に設置し冷却ブライン循環方式とする。安全対策。
以上のコンセプトの元に開発を進めた。
目標を完成する為に行った研究・開発。
・混合冷媒の不燃化領域の検討。
・冷媒熱物性表の作成。 p－ｈ線図の作成。
・冷媒熱物性表より混合冷媒・Ｃ値の算出。
・冷媒回路の検討（高圧減衰装置・インタークーラーの組み込みを含む）。
・デフロスト機能の検討。
・循環ブラインの選択。
・低温ブライン循環ポンプの検討。
・高効率インタークラー用ブレイジングプレイト熱交換器の開発。
・本製品の能力測定。
・防火・消火におよぶ安全対策の検討（ユーザー心理の不安解消も含む）。
・経済性の検討（イニシャル・ランニングコストを含む）。
・既存ハロゲン化炭化水素系冷媒冷凍機との総合比較。
・各開発項目の理論的解析の研究。
上記各項目の検討・研究・開発した。
ｱ) 冷媒回路の研究・開発。
下図を参照。
開発した装置の特徴として、以下が挙げられる。
・凝縮器を出た高圧冷媒回路と冷却器を出た低圧冷媒回路に接続される［高圧減衰装置］（特許申請中）
を設けた。
・凝縮器を出た高圧冷媒回路と冷却器を出た低圧冷媒回路とで熱交換させる［インタークラー］（特許 申請中）を設けた。
・可燃性冷媒使用で直膨冷却は危険な為、冷却ブライン循環の間接冷却とした。
・循環ブライン加熱による冷却器除霜方式の[ホットガス・デフロストユニット]（特許取得済）を設け た。
・COP 値を付加する為、吐出ガス温度を利用した給湯回路を設けた。
52
防爆域
ガス漏れ検知器
冷凍機ユニット 制御部
炭酸ガスボンベ 希釈・消火用-ＰＡＴ，Ｐ
二酸化炭素と希釈・不燃ガスとなる。
インタークーラー ホッツトガス
デフロスト・ユニット 高圧減衰ユニット
Ｈ．Ｐ
Ｌ．Ｐ
Ｈ．Ｐにて作動
ガス漏れ検知器にて作動 ＳＬＶ 冷却水
ブラインタンク
冷凍庫 冷却器 漏れ時排気ファン
ブライン循環ポンプ ブライン冷却器
膨張弁
冷凍庫
外壁・ＡＬＣコンクリート・パネル 水冷コンデンサー
給湯・熱交換器 給水
給湯
図 2.2.5 ﾉﾝﾌﾛﾝ型省ｴﾈ冷凍･空調ｼｽﾃﾑ回路図(給湯装置付)二酸化炭素･ﾌﾟﾛﾊﾟﾝｶﾞｽ混合冷媒冷凍機ﾕﾆｯﾄト
(a) 新規の開発機構
・一台の冷凍機の使用で二つの冷凍サイクルを構成している。
・A 回路は目的とする冷却回路を構成。
・B 回路は強制的に冷却部を発生させ回路全体を凝縮による効果にて減圧する機能を作成する。
・B 回路で強制的に冷却部を発生させ回路全体を凝縮による効果にて減圧して、冷凍機が安定運転をし ている間に A 回路の高効率インタークーラーが二次凝縮器の機能を発揮して、高圧冷媒を完全凝縮液 化する機能を完成するシステムである。
・B 回路では強制的に冷却部を発生させ回路全体を凝縮させる低温部を発生させるための熱交換器が構 成されている。（高圧減衰装置）
・A 回路では高効率インタークーラーが二次凝縮器の機能を発揮する為、冷却器にて蒸発冷却した低圧 冷媒と熱交換してインタークーラーの一次側高圧冷媒を凝縮液化する。
(b) 開発目標
常温では凝縮されない低沸点の炭化水素系又はハロゲン化炭化水素系の単冷媒あるいは混合冷媒で、
一元冷凍機システムにて運転が可能な装置とする。
(c) 従来蒸気圧縮式冷凍サイクルと開発システムの相違点
圧縮・凝縮・膨張・蒸発を繰り返し成り立つ冷凍サイクルにあって、物質の状態・三相の内、気相・
液相の相変化の繰り返しにおける気化熱・凝縮熱の発生を利用して構成されている。
REFPROP･Ⅴ7.0 最新ソフトにより混合冷媒の冷媒熱物性値を根拠として、Cycle D・Ⅴ3 によるイ ンタークラー構成回路の p－ｈ線図・T―ｓ線図等を参考にした。
開発システムでは、低沸点混合冷媒サイクルにあって従来の p－ｈ線図に合致しない点が発見され、
その解析を行った。
・混合冷媒・p－ｈ線図の凝縮温度による飽和液線上交点の圧力と符号しない 混合冷媒組成 ＣＯ ：プロパンガス＝５：５
臨界圧力 ７.０ＭPa 臨界温度 ６５℃
実稼動時のデーター 凝縮水温 １５℃
Ａ・高圧圧力 ２.２ＭPaG Ｂ・p－ｈ線図上圧力 3.２5ＭPa 低圧圧力 0 .３ＭPaＧ
蒸発前液温度 －６.２℃ 蒸発温度 －５０℃
圧縮機吸込温度 ＋６.５℃ 圧縮機吐出温度 ＋１２３℃
冷凍能力 ２Ｋｗ ＣＯＰ値 0.3
上記運転時は高圧減衰回路は閉鎖。 ブラインポンプ負荷含む。
・上記運転データーによる解析
凝縮水温が１５℃にありながら、運転・高圧圧力 2.２ＭPaG p－ｈ線図上圧力 3.２5ＭPa の事実と なる現象が発生した。