Department of Energy and Environmental Engineering
Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences
Kyushu University
九州大学 大学院総合理工学府 環境エネルギー工学専攻
Department of Energy and Environmental Engineering
Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences
Kyushu University
九州大学 大学院総合理工学府 環境エネルギー工学専攻
Experiment of Heat Pump Cycles using Natural or Low GWP refrigerants
(自然冷媒または低GWP冷媒を使用したヒートポンプの実験)
CFD Simulation of a CO2 Gas Cooler
(CO2ガスクーラのCFDシミュレーション)
Binary Ejector Refrigeration Cycles
(バイナリーエジェクタ冷凍サイクル)
Refrigerants for heat pumps and refrigerators have a strong global warming effect compared with carbon dioxide (CO2). The global warming potentials, GWPs, of these refrigerants are several hundred-times to more than one thousand-times larger than that of CO2. Therefore, it is a global requirement that refrigerants be shifted to natural or low GWP refrigerants. In this context, the research on refrigerant properties, includeing thermophysical properties, heat transfer characteristics, and cycle performances, are essential to the design of new heat pump/refrigeration systems with natural or low GWP refrigerants. Our laboratory collaborates with Research Center for Next Generation Refrigerant Properties (NEXT-RP), International Institute for Carbon-Neutral Energy Research, Kyushu University on this issue.
ヒートポンプエアコンや冷凍機で使用されている冷媒は，二酸化炭素と比較して数百倍〜千倍以上という高い温室効果 (GWP: Global Warming Potential)を有します．今後，自然冷媒 (自然界の物質循環に悪影響を与えない物質．例えば，二酸化炭素，アンモニア，水，空気，など) や温室効果が二酸化炭素と同程度に小さい合成冷媒に転換していくことが世界の流れです．ヒートポンプ装置や冷凍機は，使用する冷媒に対して圧縮機や熱交換器が最適化されているため，冷媒の転換は機器の設計変更を伴います．新たに開発された冷媒について，熱物性値 (密度，飽和蒸気圧，比熱など) や輸送特性 (粘度，熱伝導率など）など，物質そのものの特性がわからなければ基本設計ができません．加えて，熱交換器における伝熱特性や圧縮機も含めたサイクル特性を把握することが，機器の最適設計・性能予測には欠かせません．私達の研究室は，九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所 次世代冷媒物性評価研究センター (NEXT-RP)と協力し，冷媒に関わるこれらの総合的な課題に取り組んでいます．
CO2 gas cooler is a component of CO2 heat pump cycles, where compressed CO2 gas gives heat to water or to air for heating. Improvement of heat trnasfer characteristics in gas cooler is one of the most dominant factors on the heat pump performance.
CO2ヒートポンプは，オゾン層破壊や地球温暖化の要因となるフロン系冷媒の規制を背景として，日本で製品化されたヒートポンプ技術です．2001年に給湯機として実用化されて以来，自販機や冷凍・冷蔵ショーケース等，比較的小規模なヒートポンプ／冷凍需要に利用が拡大しています．作動媒体であるCO2は，圧縮機で臨界圧力以上に圧縮された後にガスクーラと呼ばれる熱交換器で水や空気と熱交換します，ガスクーラの熱伝達改善は，機器の性能向上のために重要な課題です．
A ejector refrigeration cycle, ERC, is one of thermally driven refrigeration cycles that utilizes low-grade thermal energy. It is known that the binary ejector refrigeration cycle, BERC, can improve the performance of ERC when appropriate combinations of the working fluid and the refrigerant are selected, and several combinations of the fluids, such as hydrocarbons, hydrofluorocarbons, etc. are already proposed. In our study, we investigate the performance of BERC using zeotropic mixtures of low GWP refrigerants.
エジェクタ冷凍サイクルは，熱を駆動力として冷凍機の動作を行う熱駆動冷凍サイクルの一種です．現状では，電気や動力で駆動される冷凍サイクルの中でエネルギー回収にエジェクタを利用したいわゆる “エジェクタサイクル”冷凍機や排熱を回収して低圧蒸気を供給するエジェクタ装置が冷凍空調分野で一部実用化されていますが，未利用熱を駆動力とする熱駆動冷凍サイクルとしてのエジェクタ冷凍サイクルには研究課題が多く残されています．
2種類の物質を作動媒体と冷媒として利用するエジェク冷凍サイクルをバイナリーエジェクタ冷凍サイクル (BERC: Binary Ejector Refrigeration Cycle) と呼びます．BERCは1963年に米国で特許が取得されている他，フロン系冷媒や炭化水素系冷媒，自然冷媒等，各種冷媒を用いたサイクルが研究されています．私たちの研究室では，沸点の異なる冷媒の混合物である非共沸混合媒体を利用して，エジェクタ冷凍サイクルの性能を改善する研究をしています．
温度の低い熱源から温度の高い熱源へ，熱を組み上げる装置がヒートポンプです．エアコンの冷房や冷蔵庫など，冷やすことを目的とした装置，および，エアコンの暖房や給湯など，数十℃の加熱を目的とした装置の多くでヒートポンプの原理が利用されています．ヒートポンプ内では，冷媒 (または，作動媒体)と呼ばれる物質が蒸発と凝縮を繰り返しています．一定圧力の下では，蒸発と凝縮の温度は同じです．ヒートポンプは，蒸発器で熱を吸収して気体となった冷媒を圧縮機で圧縮して凝縮器に送ります．そして，蒸発よりも高い圧力で冷媒を凝縮させます．そうすると，蒸発よりも高い温度で凝縮熱を放熱します．したがって，低温側で熱を吸収し，高温側で放熱するヒートポンプとして動作するのです．
ヒートポンプ式の給湯機は，加熱のための燃料消費を削減できる省エネルギー機器です．燃料の燃焼熱を使った給湯器は，燃料が持つエネルギー以上の熱を水に加えることができません．すなわち，熱効率は100%を超えることができません．ヒートポンプは，温度の低い熱源から熱をもらってきて，水の加熱に使います．このとき，ヒートポンプの駆動に必要なエネルギーよりも大きい熱量の熱を移送できます．例えば，CO2を作動媒体とするヒートポンプ給湯機は，圧縮機が消費する電力に対して，その3倍程度の加熱能力があります．そのため，発電の効率を考慮しても，ヒートポンプ給湯機の場合は燃料が持つエネルギーよりも水に加える熱量が大きくなります．
