AEROACOUSTIC SOUND GENERATED BY FANS UNDER INSTALLATION CONDITIONS,

注）GWP: Global Warming Potential, CFC: Chlorofluorocarbon, HCFC: Hydrochlorofluorocarbons

HC: Hydrocarbon HFC: Hydrofluorocarbon, HFO: Hydrofluoroolefin COP: Coefficient of Performance,

APF: Annual Performance Factor 冷媒

AEROACOUSTIC SOUND GENERATED BY FANS UNDER INSTALLATION CONDITIONS,

AIAA-2001-2174(2001).

[6] 米山，空調機用ファンの大規模数値流体計算，

平成 24 年度・平成 25 年度 HPCI 利用研究課 題 利用報告書, 課題番号 hp130043.

[7] 岩瀬，岸谷，古川，半開放形プロペラファン の翼枚数が空力騒音に与える影響，日本機械学 会 2012 年度年次大会 , (2012).

[8] 東京大学生産技術研究所 革新的シミュレー ション研究センター，イノベーション基盤シミ ュレーションソフトウェアの研究開発，平成 24 年度年報 (2013.3).

[9] 加藤，直接シミュレーションによる乱流解析，

ターボ機械， 42-5(2014), 290.

[10] Curle, N., The Influence of Solid Boundaries upon Aerodynamic Sound; Proc. Roy. Soc. , London, Series A, 231, 505-514(1955).

[11] 古川雅人， “ ターボ機械における流動現象の知

的可視化”，可視化情報，Vol.23, No.91(2003),

pp.206-213.

表 2.1 冷媒圧縮機を取り巻く環境規制の動向

,

１．はじめに

気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の第 5 次評価報告書 [1] によると , 大気や海洋の世界平 均温度の上昇と, 雪氷の広範囲にわたる融解が観 測され， 気候システムの温暖化は今や明白であり，

人類の活動と生存を脅かす脅威との見解が示され ている．地球温暖化が世界的な関心事となり，各 国で温室効果ガス排出量を抑制する環境規制が強 化されている．

空調冷熱分野の研究開発においても，近年，地 球温暖化対策として温室効果ガスの削減が緊急の 課題となった．一般的に，冷媒圧縮機で駆動する 蒸気圧縮式ヒートポンプが広く用いられており，

大気中に直接放出されるフロン冷媒と，エネルギ ー消費により間接に放出される二酸化炭素の排出 量を削減することが求められている[2]．そのため，

以下の研究開発が進められている [3] ．

①ヒートポンプの高効率化：従来のヒートポン プ機器の効率改善による省エネルギー化，

②低 GWP 冷媒化：ヒートポンプ機器に使用さ れるフロン冷媒を，地球温暖化係数（ GWP ） の低い物質に転換，

③ヒートポンプの利用温度域拡大：従来困難で あった給湯・寒冷地暖房機器への応用拡大．

本稿では，国内家庭用・業務用で主要なエネル ギー消費対象である空調・給湯分野[4]に用いられ る冷媒圧縮機について，環境規制と技術動向を紹 介する．

２．環境規制の動向 2.1 冷媒規制

表 2.1 に冷媒圧縮機を取り巻く環境規制の動向 を示す（文献 [5] 改筆） ． 1987 年に採択されたモン トリオール議定書に基づき，オゾン層破壊係数の 大きい特定フロン（ CFC ）は 1995 年に全廃された．

また，指定フロン（HCFC）も 1996 年から規制が

この規制を受けて，低 GWP 冷媒化の技術開発と 施策が進められ，既に一部用途では以下の自然冷 媒 が 採用 され て いる [7]． 冷 蔵庫 でイ ソ ブタン

（ R600a ） ，ヒートポンプ給湯機で CO

，自動販売

機で CO

や HC 冷媒（R600a，R290） ，冷凍機でア ンモニアが使用されている．また，カーエアコン では，欧州 F-Gas 規制に対応した新冷媒が開発さ

れ， HFO-1234yf が有力候補になっている．さらに，

エアコン一般用途では，省エネ性と安全性を改善 する低 GWP 冷媒の研究開発が進められている．

2.2 省エネ規制

これと並行して省エネ規制も強化されている．

国内では， 1999 年に省エネ法が改正され，トップ ランナー方式によるエネルギー消費効率（ COP ） の改善が求められた．エアコンでは冷房能力 4kW 以下（ただし，冷暖房兼用，直吹き型，壁掛け型）

横山 哲英（三菱電機株式会社）

Tetsuhide Yokoyama (Mitsubishi Electric Corporation) e-mail: [email protected]

環境規制と家庭用冷媒圧縮機の技術動向

Environmental Regulation and Technical

Trend of Consumer Refrigerant Compressor

表 3.1 冷媒圧縮機形式と用途

の機種は 2004 冷凍年度，その他の機種は 2007 冷 凍年度が目標年度に制定され，既に目標 COP が達 成されている．さらに， 2010 年度に向けて APF

（通年エネルギー消費効率）が導入され，より実 使用に近い条件で省エネルギー化が図られること になった．一方，冷房能力 4kW 以上の業務用エア コンについても， 2010 年の省エネ法改正に伴い，

2015 年度達成目標値（トップランナー基準値）が 設定され，各メーカはより省エネ性能の高い製品 の開発により， 2015 年 4 月以降の出荷分より加重 平均で目標 APF の達成が義務付けられている．

３．冷媒圧縮機の用途と形式 3.1 冷媒圧縮機の分類

表 3.1 に蒸気圧縮式ヒートポン プに用いる冷媒圧縮機形式と用途 を示す（文献[5,9]から著者改筆）．

大別すると容積式とターボ式とに 分かれる．ターボ式は速度エネル ギーを与えた流体の動圧を静圧に 変換する方式である．容積式は冷 媒を一定の空間に閉じ込めてから，

その空間の容積を縮めて圧縮を行 う方式である．容積式は，さらに，

ピストンの運動形態で往復（レシ プロ）式と回転式に分類され，回 転式には，ロータリ式，スクロー ル式，スクリュー式などの形態が ある．さらに，ロータリ式には，

ローリングピストン式，ロータリ ベーン式，ローリングピストンと ベーンを一体構造にしたスイング 式などの形態がある．圧縮機は，

蒸気圧縮式ヒートポンプの心臓部 として消費電力の大部分を占め，

省エネルギー化には圧縮機入力の 低減が不可欠である．このため，

黎明期のピストン往復式から始ま り，より高効率化を目指して， 1960

～ 1970 年代に家庭用エアコン向けにロータリ式

が， 1970～1980 年代にチラー・冷凍機向けにスク

スクロール式は，低振動化と高速化においてロ ータリ式より優位であるが，圧縮開始時と終了時 の内部容積比（圧縮比）が設計で決まる形式のた め，使用目的（温度）に合せた設計が必要となる．

一方，ロータリ式は，シリンダ内の圧力が高圧側

圧力に達する吐出弁が自動的に開くため，使用目

吐出弁＜閉＞

吐出口

Cyliner Vane 吸入口

圧縮バネ

吐出弁＜開＞

駆動軸 吐出冷媒

軸偏心部

(a) 吐出弁が閉じた状態

(b) 吐出弁が開いた状態 図 3.2 ローリングピストン式圧縮機構

の構成と圧縮動作（横断面）

回転ピストン

シリンダ

平成 24 年度・平成 25 年度 HPCI 利用研究課題利用報告書, 課題番号 hp130043.

[7] 岩瀬，岸谷，古川，半開放形プロペラファンの翼枚数が空力騒音に与える影響，日本機械学会 2012 年度年次大会 , (2012).

[8] 東京大学生産技術研究所革新的シミュレーション研究センター，イノベーション基盤シミュレーションソフトウェアの研究開発，平成 24 年度年報 (2013.3).

気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の第 5 次評価報告書 [1] によると , 大気や海洋の世界平均温度の上昇と, 雪氷の広範囲にわたる融解が観測され，気候システムの温暖化は今や明白であり，

人類の活動と生存を脅かす脅威との見解が示されている．地球温暖化が世界的な関心事となり，各国で温室効果ガス排出量を抑制する環境規制が強化されている．

空調冷熱分野の研究開発においても，近年，地球温暖化対策として温室効果ガスの削減が緊急の課題となった．一般的に，冷媒圧縮機で駆動する蒸気圧縮式ヒートポンプが広く用いられており，

大気中に直接放出されるフロン冷媒と，エネルギー消費により間接に放出される二酸化炭素の排出量を削減することが求められている[2]．そのため，

①ヒートポンプの高効率化：従来のヒートポンプ機器の効率改善による省エネルギー化，

②低 GWP 冷媒化：ヒートポンプ機器に使用されるフロン冷媒を，地球温暖化係数（ GWP ）の低い物質に転換，

③ヒートポンプの利用温度域拡大：従来困難であった給湯・寒冷地暖房機器への応用拡大．

本稿では，国内家庭用・業務用で主要なエネルギー消費対象である空調・給湯分野[4]に用いられる冷媒圧縮機について，環境規制と技術動向を紹介する．

表 2.1 に冷媒圧縮機を取り巻く環境規制の動向を示す（文献 [5] 改筆）． 1987 年に採択されたモントリオール議定書に基づき，オゾン層破壊係数の大きい特定フロン（ CFC ）は 1995 年に全廃された．

この規制を受けて，低 GWP 冷媒化の技術開発と施策が進められ，既に一部用途では以下の自然冷媒が採用されている [7]．冷蔵庫でイソブタン

（ R600a ），ヒートポンプ給湯機で CO

や HC 冷媒（R600a，R290），冷凍機でアンモニアが使用されている．また，カーエアコンでは，欧州 F-Gas 規制に対応した新冷媒が開発さ

エアコン一般用途では，省エネ性と安全性を改善する低 GWP 冷媒の研究開発が進められている．

国内では， 1999 年に省エネ法が改正され，トップランナー方式によるエネルギー消費効率（ COP ）の改善が求められた．エアコンでは冷房能力 4kW 以下（ただし，冷暖房兼用，直吹き型，壁掛け型）

横山哲英（三菱電機株式会社）

の機種は 2004 冷凍年度，その他の機種は 2007 冷凍年度が目標年度に制定され，既に目標 COP が達成されている．さらに， 2010 年度に向けて APF

（通年エネルギー消費効率）が導入され，より実使用に近い条件で省エネルギー化が図られることになった．一方，冷房能力 4kW 以上の業務用エアコンについても， 2010 年の省エネ法改正に伴い，

2015 年度達成目標値（トップランナー基準値）が設定され，各メーカはより省エネ性能の高い製品の開発により， 2015 年 4 月以降の出荷分より加重平均で目標 APF の達成が義務付けられている．

表 3.1 に蒸気圧縮式ヒートポンプに用いる冷媒圧縮機形式と用途を示す（文献[5,9]から著者改筆）．

大別すると容積式とターボ式とに分かれる．ターボ式は速度エネルギーを与えた流体の動圧を静圧に変換する方式である．容積式は冷媒を一定の空間に閉じ込めてから，

その空間の容積を縮めて圧縮を行う方式である．容積式は，さらに，

ピストンの運動形態で往復（レシプロ）式と回転式に分類され，回転式には，ロータリ式，スクロール式，スクリュー式などの形態がある．さらに，ロータリ式には，

ローリングピストン式，ロータリベーン式，ローリングピストンとベーンを一体構造にしたスイング式などの形態がある．圧縮機は，

蒸気圧縮式ヒートポンプの心臓部として消費電力の大部分を占め，

省エネルギー化には圧縮機入力の低減が不可欠である．このため，

黎明期のピストン往復式から始まり，より高効率化を目指して， 1960

スクロール式は，低振動化と高速化においてロータリ式より優位であるが，圧縮開始時と終了時の内部容積比（圧縮比）が設計で決まる形式のため，使用目的（温度）に合せた設計が必要となる．

駆動軸吐出冷媒

(b) 吐出弁が開いた状態図 3.2 ローリングピストン式圧縮機構