博 士 論 文 概 要

早稲田大学大学院 基幹理工学研究科

博 士 論 文 概 要

論 文 題 目

高温ヒートポンプの作動媒体として 利用可能な HFO 系冷媒の

熱力学的性質に関する研究

Thermodynamic Properties of HFO Refrigerant as Working Fluid for High

Temperature Heat Pump

申 請 者

木村 健 Takeru KIMURA

機械科学専攻 機械システム制御工学研究

2018 年 11 月

No. 1

本 研 究 は 地 球 温 暖 化 係 数 （ 以 下 G W P と 記 す ） が 低 く ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 作 動 冷 媒 と し て の 利 用 が 期 待 さ れ る 3 種 の H y d r o f l u o r o o l e f i n（ 以 下 H F O と 記 す ） 系 冷 媒 の 熱 力 学 的 性 質 に 関 す る も の で あ る ．

地 球 温 暖 化 は ， 人 類 が 早 急 に 取 り 組 み 解 決 を め ざ す べ き 世 界 規 模 の 大 き な 課 題 で あ る ． そ し て ， そ の 深 刻 さ は 年 々 大 き な も の と な っ て い る ． こ の 温 室 効 果 ガ ス の 大 幅 削 減 と い う 課 題 は ， 我 々 の 社 会 経 済 活 動 を 持 続 し つ つ 解 決 す る こ と が 求 め ら れ る こ と か ら ， 一 朝 一 夕 に 取 り 組 み 解 決 を 見 通 す こ と が で き る も の で は な い ．

筆 者 は ， 冷 凍 冷 蔵 あ る い は 空 調 分 野 で 発 展 し て き た ヒ ー ト ポ ン プ 技 術 が 高 温 領 域 で も 展 開 す る こ と を 可 能 に す る こ と が で き る な ら ば ， 温 室 効 果 ガ ス の 大 幅 削 減 に 貢 献 で き る と 考 え る ．

そ れ は ， 従 来 の ボ イ ラ を は じ め と す る 熱 源 機 器 の 効 率 が 1 0 0 %未 満 で あ る の に 対 し ， こ れ か ら 実 用 化 が 期 待 さ れ る 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ （ 例 え ば 蒸 気 発 生 ヒ ー ト ポ ン プ ） で は ，1 次 エ ネ ル ギ ー 換 算 CO P は 2 以 上 が 可 能 で あ り （ 発 電 効 率 は 5 0 %と 仮 定 ）， こ の 分 野 で の C O 2 排 出 量 の 5 0 %削 減 が 可 能 と 考 え る か ら で あ る ． ま た 同 時 に ， 工 場 等 で 排 出 さ れ る 未 利 用 エ ネ ル ギ ー を 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ に よ っ て 所 要 の 温 度 ま で 昇 温 す る こ と に よ っ て 利 用 す る こ と を も 可 能 と す る こ と が で き れ ば ， エ ネ ル ギ ー の 有 効 利 用 ， ひ い て は 温 室 効 果 ガ ス の 削 減 に 大 き く 貢 献 す る こ と に も な る ．

提 案 す る 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 基 本 的 な サ イ ク ル 構 成 は ， 圧 縮 機 ， 凝 縮 器 ， 膨 張 弁 ， 蒸 発 器 及 び 連 結 配 管 か ら 構 成 さ れ ， 作 動 媒 体 （ 冷 媒 ） が 循 環 す る ． 凝 縮 器 と 蒸 発 器 に お い て 冷 媒 が 相 変 化 す る 際 ， 熱 が 移 動 す る ． 循 環 す る 冷 媒 の 流 れ を 以 下 に 述 べ る ． 圧 縮 機 で 圧 縮 さ れ た 冷 媒 蒸 気 は ， 凝 縮 器 に 送 ら れ ， 凝 縮 器 内 で 凝 縮 す る（ 加 熱 プ ロ セ ス ）． 凝 縮 器 で 液 体 と な っ た 冷 媒 は ，膨 張 弁 に 送 ら れ ，減 圧 さ れ る ． 膨 張 弁 で 減 圧 さ れ 気 液 二 相 状 態 と な っ た 冷 媒 は 蒸 発 器 に 送 ら れ ， 蒸 発 す る（ 低 温 熱 源 を そ の 熱 源 と す る ）．蒸 発 器 を 通 り ，蒸 気 と な っ た 冷 媒 は 再 び 圧 縮 機 に 送 ら れ て ， 循 環 す る ．

こ の よ う に ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ は ， 冷 凍 冷 蔵 分 野 あ る い は 空 調 分 野 で 用 い ら れ て い る も の と 原 理 的 に は 同 じ で あ る が ， 動 作 温 度 が 高 い た め に 作 動 媒 体 で あ る 冷 媒 （ 本 来 は 作 動 媒 体 と 呼 ぶ べ き も の で あ る が ， 慣 例 に よ り 冷 媒 と 呼 ぶ ） が こ れ に 対 応 し た も の で あ る こ と が 必 須 と な る ． 例 え ば ， 空 調 分 野 で 用 い ら れ て い

る R 4 1 0 A で は 超 臨 界 で 動 作 と な っ て し ま い ，適 当 で は な い ．ま た ，現 在 空 調 用

に 用 い ら れ て い る R 2 4 5f a は ，G W P が 高 い た め に ， 温 室 効 果 ガ ス 削 減 と い う 観 点 か ら は 好 ま し く な い ． ま た ， 現 在 炭 化 水 素 系 の 冷 媒 を 使 用 す る 取 り 組 み が 行 わ れ て い る が ， 可 燃 性 等 の 問 題 か ら そ の 使 用 は か な り 制 約 さ れ る こ と に な り ，

G W P の 値 が 小 さ い 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ 用 の 新 し い 冷 媒 の 開 発 が 急 務 と な っ て い

No. 2

る ． な お ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ 用 圧 縮 機 の 開 発 も 大 き な 課 題 と な る が ， 使 用 す る 作 動 媒 体 （ 冷 媒 ） が ま ず 用 意 さ れ る こ と が 前 提 と な る ．

以 上 の こ と か ら ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 実 用 化 さ ら に は 普 及 を 図 る 最 初 の ス テ ッ プ と し て ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ に 使 用 可 能 な 作 動 媒 体 す な わ ち 冷 媒 の 探 索 と そ の 熱 力 学 的 性 質 の 把 握 が 必 要 に な る ． 温 室 効 果 ガ ス の 削 減 へ の 取 り 組 み で あ る 以 上 ， 当 然 の こ と な が ら 使 用 す る 冷 媒 は G W P が 1 に 近 い こ と が 求 め ら れ ， 現 在 開 発 が 進 め ら れ て い る H F O 系 冷 媒 が そ の 候 補 に な る と 考 え る ．

そ こ で ，本 研 究 で は ，現 在 開 発 が 進 め ら れ て い る H F O 系 冷 媒 の 中 で ，高 温 ヒ ー ト ポ ン プ に 使 用 可 能 な 冷 媒 を 選 択 し ， そ の 熱 力 学 的 性 質 を 測 定 し ， 性 能 の 評 価 さ ら に は シ ス テ ム の 設 計 を 可 能 に す る こ と を 目 的 と す る ． 具 体 的 に は ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 冷 媒 と し て 有 望 と 考 え る 3種 類 の H F O系 冷 媒 を 対 象 に そ の 熱 力 学 的 性 質 を 高 精 度 に 測 定 し ， 冷 媒 の 実 測 値 の 蓄 積 に 貢 献 し ， さ ら に 状 態 方 程 式 を 作 成 し こ れ を も と に 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 性 能 評 価 さ ら に は 具 体 的 な シ ス テ ム の 設 計 を 可 能 に す る こ と を 目 的 と す る ．

第 1 章 で は 序 論 で あ り ， 本 研 究 の 背 景 と 目 的 に つ い て 述 べ る ． 地 球 温 暖 化 と い う 世 界 規 模 の 課 題 に ， こ れ か ら 実 用 化 が 期 待 さ れ て い る 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ が 大 き く 貢 献 す る こ と に つ い て 述 べ ， 実 用 化 に あ た っ て 最 も 大 き な 課 題 の 一 つ で あ る 作 動 媒 体 （ 冷 媒 ） の も つ 課 題 に つ い て 検 討 し て い る ． そ し て ， 現 在 開 発 が 進 め ら れ て い る H F O 系 冷 媒 の 中 で 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ に 使 用 可 能 な 冷 媒 を 選 択 し ， そ の 熱 力 学 的 性 質 を 測 定 し ， 性 能 の 評 価 さ ら に は シ ス テ ム の 設 計 を 可 能 に す る こ と を 目 的 と す る こ と に 関 し て 述 べ る ．

第 2 章 で は ， 本 研 究 で 対 象 と す る 冷 媒 の 選 定 に つ い て 述 べ る ． ま ず ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 冷 媒 に 求 め ら れ る 性 質 に つ い て 考 察 を 進 め ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ 用 冷 媒 と し て は 現 在 研 究 開 発 が 進 め ら れ て い る G W P が 小 さ い H F O 系 冷 媒 が 有 望 で あ る こ と に つ い て 検 討 し ， 本 研 究 の 対 象 と す る 冷 媒 の 選 定 を 行 っ て い る ． さ ら に ， 冷 媒 の 熱 力 学 的 性 質 に つ い て 考 察 を 進 め ， そ の 最 も 基 本 的 な 冷 媒 の 性 質 が P ρ T 性 質 （ 圧 力 P， 密 度 ρ お よ び 温 度 T の 関 係 ） で あ る こ と を 明 ら か に し ， 測 定 す べ き 性 質 を 明 ら か に し て い る ．

第 3 章 で は ， 冷 媒 の 熱 力 学 的 性 質 の 測 定 に つ い て 述 べ る ． 冷 媒 の 基 本 的 な 熱 力 学 的 性 質 が P ρ T 性 質 の 測 定 は ， そ の 測 定 結 果 を も と に 熱 力 学 的 ポ テ ン シ ャ ル を 表 す 式 を 作 成 し ， こ れ を も と に 熱 力 学 的 性 質 を 求 め る こ と か ら ， か な り 高 い 精 度 で の 計 測 が 求 め ら れ る ． そ こ で ，P ρ T 性 質 の 測 定 法 に つ い て 検 討 し ， 特 に 計 測 が 難 し い 密 度 の 測 定 に は 磁 気 浮 上 式 密 度 計 を 採 用 す る こ と に つ い て 述 べ る ． さ ら に ， 臨 界 点 の 測 定 に つ い て は ， 臨 界 現 象 の 可 視 化 に よ る こ と に つ い て 検 討 を 行 っ て い る ． さ ら に ， 計 測 の 不 確 か さ に つ い て 考 察 を 進 め ， 最 後 に 装 置 の 健 全 性 評 価 に つ い て 述 べ る ．

No. 3

第 4 章 で は ，本 論 文 の 最 も 重 要 な 3 種 の 冷 媒 H F O 1 3 3 6 m z z ( E )，H F O 1 3 5 4 m z y ( E ) お よ び H F O 1 3 5 4 m y f に つ い て の 測 定 結 果 で あ る ． ま ず ， 液 相 域 と 気 相 域 を 判 定 す る た め に 飽 和 圧 力 と 飽 和 温 度 と の 関 係 を 測 定 し ， 次 に 圧 力 P， 密 度 ρ お よ び 温 度 T の 関 係 を 測 定 し た 結 果 を 整 理 し て い る ． あ わ せ て ， 冷 媒 H F O 1 3 5 4 m z y ( E ) を 対 象 に 臨 界 点 の 測 定 を 行 っ た 結 果 に つ い て 述 べ る ． そ し て 最 後 に ，P ρ T 性 質 が 既 知 の R 6 0 0 a（ イ ソ ブ タ ン ） を 対 象 に ， 本 測 定 装 置 を 用 い て 測 定 を 行 い ， 装 置 の 健 全 性 評 価 を 行 っ た 結 果 に つ い て 述 べ る ．

第 5 章 で は ， 本 研 究 で 得 ら れ た 測 定 結 果 を 実 用 に 供 し 得 る 形 で 整 理 す る た め に ， 多 く の 研 究 者 が 採 用 し て い る ヘ ル ム ホ ル ツ 自 由 エ ネ ル ギ ー 型 状 態 方 程 式 と し て そ れ ぞ れ の 冷 媒 を 対 象 に 整 理 し た 結 果 に つ い て 述 べ る ． そ し て ， 作 成 し た 状 態 方 程 式 の 評 価 と し て ， 測 定 値 を 十 分 な 精 度 で 再 現 で き る こ と を 確 認 し て い る ． さ ら に ， 導 い た 状 態 方 程 式 を も と に ，P-h 線 図 お よ び T-s 線 図 を 描 き ， こ れ を も と に 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 検 討 を 可 能 に し て い る ．

第 6 章 で は ， 本 測 定 で 得 ら れ た 状 態 方 程 式 を も と に ， 対 象 の 3 冷 媒 を 用 い る 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 理 論 性 能 に つ い て 検 討 し ， 理 論 C O P， 体 積 能 力 ， 圧 縮 機 吐 出 温 度 お よ び 蒸 発 圧 力 を 求 め ，理 論 C O P は 4 . 9～5 . 6 で あ り ，十 分 実 用 に 供 し う る も の で あ る こ と を 明 ら か に し て い る ． な お ， 従 来 か ら 用 い ら れ て い る ブ タ ン と 比 較 す る と ，同 程 度 の 理 論 C O P が 得 ら れ る 結 果 で あ り ， 可 燃 性 が な く ， し か も G W P が 小 さ い 値 で あ る た め ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ 用 の 新 冷 媒 と し て 期 待 で き る こ と を 示 し て い る ．

第 7 章 は 結 論 で あ り ， 得 ら れ た 成 果 を 総 括 し て い る ．

以 上 の よ う に ， 本 研 究 で は 世 界 規 模 の 地 球 温 暖 化 と い う 課 題 を 解 決 す る た め に ， 未 利 用 エ ネ ル ギ ー を 所 要 温 度 ま で 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ に よ っ て 昇 温 し て 利 用 す る こ と が 一 つ の 貢 献 策 で あ る と 考 え ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ に 使 用 可 能 な 作 動 媒 体 で あ る 新 冷 媒 の 熱 力 学 的 性 質 を 測 定 し ， 国 際 標 準 と な り う る と 考 え る 状 態 方 程 式 を 作 成 し た ．

今 後 の 展 望 と し て は ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 実 用 化 に 向 け て ， 本 研 究 で 対 象 と し た 冷 媒 の 熱 力 学 的 状 態 方 程 式 の さ ら な る 高 精 度 化 の た め に ， 音 速 ， 飽 和 密 度 等 の 本 研 究 で は 計 測 を 行 っ て い な い 熱 力 学 的 性 質 の 計 測 お よ び ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ の 性 能 評 価 に 不 可 欠 な 熱 伝 導 率 ， 粘 性 等 の 熱 力 学 的 輸 送 性 質 の 計 測 が 挙 げ ら れ る ． 計 測 結 果 の 蓄 積 が ま た れ る こ と に 加 え て ， 高 温 ヒ ー ト ポ ン プ は 従 来 の 冷 蔵 ・ 冷 凍 お よ び 空 調 分 野 に 用 い ら れ て い る ヒ ー ト ポ ン プ と は 使 用 さ れ る 温 度 が 高 く な り ， 冷 媒 ば か り で な く 圧 縮 機 の 開 発 を は じ め と す る シ ス テ ム と し て の 開 発 が ま た れ る こ と に な る ． 場 合 に よ っ て は 対 象 と す る 加 熱 プ ロ セ ス に 用 い ら れ る 熱 交 換 器 の 変 更 も 必 要 に な る ． そ の た め ， 本 研 究 で 得 ら れ た 成 果 は ， シ ス テ ム と し て の 開 発 に お い て 貢 献 で き る と 考 え ら れ る ．

Ｎｏ.1

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

氏 名 木村 健 印

（2019 年 1 月 現在）

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）

a. 論文

c. 講演

〇T．Kimura，Y．Kayukawa，H. Miyamoto，K. Saito，Critical Parameters and Critical-Region (p,ρ,T) Data of trans-1,1,1,3-Tetrafluorobut-2-ene [HFO-1354mzy(E)]，International journal of thermophysics，38，8，122，2017.

〇T．Kimura，Y．Kayukawa， K. Saito，Pressure-Volume-Temperature Property Measurements for trans-1,1,1,3-Tetrafluoro-2-butene [HFO-1354mzy(E)]，Journal of chemical and engineering data，62，4，pp. 1422-1426，2017.

山口誠一，木村健，大野慶祐，齋藤潔，宮内彦夫，原田政利，リキッドデシカント空調 システム用再生器の熱・物質移動特性，日本冷凍空調学会論文集，31(4)，pp.1-8，2014.

大野慶祐，木村健，山口誠一，齋藤潔，糸永俊介，松田憲兒，岸本哲郎，HC600aをド ロップイン冷媒としたR410A用ルームエアコンの性能評価，日本冷凍空調学会論文集，

30(4)，pp.389-399，2013.

〇T．Kimura，H．Fuchikami，K．Nishida，M．Kudo，A．Machida，K. Saito，Y．Ohta，

M．Katsuta，DEVELOPMENT OF A HIGH TEMPERATURE HEAT PUMP USING REUSABLE HEAT AS THE HEAT SOURCE，New refrigerants and environmental technology 2018，Kobe，

Japan，2018. 12.

古田宏毅，木村健，粥川洋平，山口誠一，齋藤潔，R134a + R600a系混合冷媒のPVTｘ性 質測定，第52回空気調和・冷凍連合講演会，東京，2018，4.

〇T．Kimura，Y．Kayukawa， K. Saito，Measurements of PVT Properties for HFOs by a single-sinker magnetic levitation densimeter，Nineteenth symposium on thermophysical properties，Colorado，USA，2015. 6.

木村健，粥川洋平，齋藤潔，非共沸混合冷媒R134a+R600aの気相域および露点における PVTｘ性質の測定，第48回空気調和・冷凍連合講演会，東京，2014.4.

T．Kimura，Y．Kayukawa， K. Saito，Measurements of PVTx Properties of the binary refrigerant R134a+R600a，The 10th Asia Thermophysical Properties Conference，Jeju，Korea，2013. 10.

〇木村健，粥川洋平，齋藤潔，非共沸混合冷媒R134a-R600a 系の PVTｘ性質の測定，第 23回環境工学総合シンポジウム2013，東京，2013.7.

Ｎｏ.2

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）

c. 講演 木村健，中川安明，井上修行，齋藤潔，山田宏幸，第 2 種吸収ヒートポンプの高性能化 に関する研究―満液式蒸発器における液高および伝熱管形状が伝熱特性に及ぼす影響

―，2014年度日本冷凍空調学会年次大会，佐賀，2014.9.

T．Kimura，M. Imabayashi, K. Saito，Mathematical Modeling and Performance Analysis of Solar Thermal Collectors，Grand renewable energy 2014，Tokyo，Japan, 2014. 7.

木村健，今林正剛，齋藤潔，太陽集熱器の数理モデルの構築とその特性解析に関する研 究，太陽エネルギー合同発表会2013，沖縄，2013.11.

木村健，山口誠一，齋藤潔，井上修行，中川安明，多重効用淡水化法による個別分散型 飲料水生成システムの特性評価，第47回空気調和・冷凍連合講演会，東京，2013.4.

木村健，山口誠一，齋藤潔，井上修行，中川安明，多重効用淡水化法による個別分散飲 料水生成システムのモデル化と特性解析，第22回環境工学総合シンポジウム2012，宮城，

2012.7.

木村健，大野慶祐，齋藤潔，中村北斗，村田博道，上野清隆，藤本勲，中曽康壽，圧縮 式ヒートポンプの断続運転性能性能評価，2011年度日本冷凍空調学会年次大会，東京，

2011.9.

木村健，大野慶祐，齋藤潔，中村北斗，村田博道，上野清隆，松本邦康，中曽康壽，個 別分散型空調システムの静特性解析，2011年度日本冷凍空調学会年次大会，東京，2011.9.