平成29年度講義予定

エネルギー機器学（第９回）
冷凍空調サイクル

1. (10/ 4) 伝熱の応用と伝熱機器
2. (10/11) 輻射伝熱3. (10/18) 相変化を伴う伝熱4. (10/25) 沸騰伝熱
5. (11/ 8) 流動沸騰
6. (11/15) 凝縮を伴う伝熱7. (11/22) 熱交換器の基礎
8. (11/27(月))[水曜日課] 物質伝達9. (12/ 6) 蒸気タービン・ガスタービン複合発電10.(12/13) 冷凍・空調・コジェネレーション
11.(12/20) 定期試験

様々なエネルギーシステム
コージェネレーション

エコキュート単段蒸気圧縮冷凍サイクル
エアコン
圧縮部
圧縮部
高温・高圧

蒸発器

凝縮器

QL
家庭用燃料電池
コージェネレーションシステムHP

オール電化 HP

パナソニックHP

エネルギー効率は高いものの・・・
熱交換器などの機器が大容量であるため、システム全体が大きくなり、スペースの制約が支障となっている

システムの小型化が進められることによって普及が加速し，現在のエネルギー消費を格段に抑えられることが期待される．

減圧QH

低温・低圧
膨張弁

蒸発器

• 単段蒸気圧縮冷凍サイクルは、気体の冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で冷却して圧力が高い液体をつくり、膨張弁で圧力を下げ、蒸発器で低温で気化させ気化熱で熱を奪い取る冷凍機の熱サイクルである。

蒸気圧縮式冷凍サイクル

ヒートポンプシステム
•
電動機

M

圧縮機
高温・高圧
凝縮器

蒸発器

サイクル図

QL

•

T-s 線図
減圧
低温・低圧
膨張弁

サイクル内の冷媒流動

QH•

熱媒体を用いるヒートポンプによる熱移動では可逆（逆の順番も可能）な発熱現象と吸熱現象を共に利用する。
冷暖房では、熱媒体を減圧する事により周囲より温度を下げ室内（冷房時）または屋外（暖房時）の空気から吸熱させる。
周囲から吸熱した熱媒体を加圧することにより温度を上げ、屋外（冷房時）または室内（暖房時）の空気に対して発熱させる。

P-h 線図ヒートポンプの作動原理① コンプレッサーで、冷媒を圧縮すると圧力と温度が上がる。
② 熱交換器で、温度の上がった冷媒より熱をとり、熱源として利用。
③ 圧力の高い冷媒を、膨張弁で膨張させ圧力を下げると、冷媒の温度は外気温度より低くなる。
④ もうひとつの熱交換器を使い、冷たくなった冷媒を空気で温める。
①－④のプロセスによって、空気の熱を集めて熱源として利用できる。
熱交換器を逆にすることによって冷房・冷凍にも使える。
同時に使うと暖房と冷房・冷凍が同時にできます。

ヒートポンプ式給湯器

主要冷媒の熱物性値

逆カルノーサイクル
QHQC

•
•
•
•

1→4： 温度 TC で QC の熱を等温吸熱
4→3： 温度 THまで断熱圧縮
3→2： 温度 TH で QH の熱を等温放熱
2→1： 温度 TCまで断熱膨張

QH  TH  S 2  S3 QC  TC  S 4  S1   TC  S3  S 2 W  QH  QC   TH  TC   S3  S 2 
冷凍サイクルの理論成績係数
Q
TC(COP) R  C 
W TH  TC

QH

QC

ヒートポンプサイクルの理論成績係数
TCQTH(COP) H  H  1  (COP) R  1  1W TH  TC TH  TC
ここでW : 外部から供給された有効仕事 T : 絶対温度 S : 気体のエントロピー
Q : 熱量 P : 気体の圧力 V : 気体の体積

エアコン

家庭用冷房空調機

蒸発器

熱交換器の小型化により室外器の小型化が可能

圧縮器

凝縮器

凝縮器が大型化しているため大型室外器が必要

空調機の構成と冷凍サイクル
インバータ

熱交換器

ファン

カーエアコン

四方弁
圧縮機
接続配管
圧
縮機

熱交換器

四方弁

ｸﾛｽﾌｨﾝﾁｭｰﾌﾞ型
熱交換器

冷媒

室外熱交換器
膨張弁

室内
熱交換器

冷凍サイクル構成

空調機の効率は冷凍サイクル効率が支配的

カーエアコン

カーエアコン
基本的にはエアコンなどの冷凍サイクルと同じ
ただし、通常の冷凍サイクルと異なり，コンプレッサー エンジン動力を利用して稼動エジェクタで効率UP
レシーバードライヤーを備えており、液化しきれなかった冷媒や，不純物，水分を取り除く. 不可変動に備えて一時的に冷媒を蓄える.

熱交換器で小型化

機能
室内の温度を下げられるだけでなく，乾燥した送風によりフロントガラスやサイドガラスの霜取りや曇り取りを行う機能も持つ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

コンプレッサーによって圧縮された冷媒が半液体の状態でコンデンサーに入る。
冷媒はコンデンサーファンの風によって冷却され、さらに液化が進みレシーバーへ送られる。
レシーバーでは液化できなかった僅かな冷媒を液冷媒と分離する。
液冷媒は膨張弁の微小なノズル穴からエバポレーター内へ噴射され気化する。
気化した冷媒はエバポレータ周りの熱を奪っていき、それによってエバポレータが冷やされる。
ブロワファンの風によって冷風を起こす。
車内の空気中の水分は冷えたエバポレーター表面で凝縮され水滴となり、車外へ放出される。
エバポレーターを出た冷媒はコンプレッサーに戻り再び圧縮される。

デメリット
エンジンの動力を利用してコンプレッサーを駆動させるため，エンジンの負担が大きくなり，燃費が悪くなる．

吸収冷凍サイクル
圧縮部

圧縮部
高温・高圧

蒸発器

吸収式冷凍機

再生器

凝縮器

凝縮器

QL

溶液熱交換器

減圧

QH

低温・低圧
吸収器

蒸発器

膨張弁

ポンプ

吸収冷凍サイクル
通常の冷凍サイクル（蒸気圧縮式冷凍サイクル）では圧縮機を電気によって駆動させるが，吸収冷凍サイクルではこの圧縮工程を熱エネルギーによって行う．
冷媒-吸収剤
水-臭化リチウム系：大型建物の冷房専用機※ヒートポンプとしては使用不可
アンモニア-水系 :ヒートポンプとして使用可能 ※成績係数は低い

家庭用燃料電池（エネファーム）
燃料電池発電ユニット

天然ガス

排熱

電気
出力 1 KW

お湯

バックアップ熱源機

インバータ

発電

熱回収装置

燃料改質装置コージェネレーション

セルスタック

貯湯ユニット
貯湯タンク

水素

酸素

給湯
暖房

30 mm

82 mm※ウォーターパワー株式会社

燃料電池

エネファーム 家庭用燃料電池コージェネレーションシステム
燃料電池発電ユニット

LIFUELの仕組み

東京ガス

効率（高位発熱量基準）
総合効率：72%以上 発電効率: 31.5%以上 （700W）
総合効率：54%以上 発電効率: 27%以上 （250W）

LIFUEL

効率（低位発熱量基準）
総合効率：80%以上 発電効率: 35%以上 （700W）
総合効率：60%以上 発電効率: 30%以上 （250W）

191-TB01+136-CF01

寸法(mm)
191-TB01 高さ895×幅890×奥行き300

104 kg

191-ES01 高さ900×幅900×奥行き350

135 kg

左：燃料電池ユニット
右：貯湯ユニット(エコジャパンHPより)排熱利用給湯暖房ユニット（136-CF01)
貯湯温度 60 ℃
寸法(mm)

必要な設置スペース：幅3.5m×奥行き1.3m×高さ2.6m

貯湯タンク容量 200l

高さ1900 ×幅750 × 奥行き 440

質量 105 kg (満水時 305 kg）
191-ES01+136-CF01

現在のエネファームは設置スペースが限られているため，小型化させることが普及の課題！
エネファームHP

燃料電池システム用熱交換器の開発
燃料電池システム用熱交換器
材質： SUS316L、Niロウ付け
流体： 液液・気液タイプ
寸法： 73×205 mm㈱ルフトヴァッサーグローバル
http://www.hotfrog.jp

マイクロガスタービン
MGT 単独での発電効率は15%程度だが、 コジェネシステムを利用することで、エネルギー効率が70-80%に高まる。
再生器を取り付けることにより発電効率を28-30%に高めることができる。

熱交換器の小型化によりシステムの小型化が可能
熱交換器の高効率化により高いエネルギー効率が実現

エコキュート

戸建住宅に限定エコキュート

冷媒物性の比較

ヒートポンプ技術を応用し，CO2冷媒を用いて空気の熱で湯を沸かす電気給湯機

左 ヒートポンプ
右 貯湯タンクメリット・ 深夜電力を利用した場合給湯にかかる光熱費が抑えられる.
・ 二酸化炭素は地球温暖化係数が1で代替フロンの1300と比べて環境負荷が低い．
・ 不燃性ガスなのでガス漏れしても安全．

デメリット
・ 従来の給湯器と比較し高価である．
本体料金 40万前後＋工事費
・ ある程度のスペースを必要とする．
・ 瞬間的な湯沸しができない．
・ 修理費用が高価である．室外機の寿命は3万時間、約10～15年で交換が必要

CO２冷媒ヒートポンプシステム

エコキュート

日本伝熱学会学会誌「伝熱」 2006年4月号「CO2給湯機用熱交換器の開発」

水熱交換器部が10～12MPaと高圧COP（加熱能力/消費電力）増大のためには圧縮機の負荷軽減

高効率の熱交換器

熱交換器とは熱を一方の物質から他方の物質へ伝える機器

熱交換器

冷凍サイクルにおける熱交換器

熱交換器の応用先

エコキュート用熱交換器の仕様

パソコン，自動車，燃料電池，エコキュート，発電プラント，エアコン，冷蔵庫，ボイラーなど
各種冷媒の物性値比較

CO2冷媒を用いた場合，約6kWの熱交換性能があれば適用可能

エコキュートに実装されている熱交換器

D社製熱交換器の性能

マイクロチャンネル積層型熱交換器の研究開発

実験装置

筑波大学阿部金子研究室

熱交換器の小型化・高性能化が必要

実験条件

小型エネルギー機器
CO2冷媒ヒートポンプ
燃料電池，マイクロガスタービン

F

流量範囲

従来型の熱交換器は高効率実現のため大型化
システム全体のスケールは熱交換器が支配的

Low temperaturewaterP

マイクロチャネル熱交換器の開発

T/C

MEMS・ボルト締め

拡散接合

水-水の伝熱流動特性

T/C

P

0.5～2.75（lit/min）

加熱側温度80±5（℃）

T/C

冷却側温度13±2（℃）

PHigh temperature water

P

T/C

40mm

Drain
15.8mm

E.R. Delsman et al.,2004

強度不足により使用環境が制限

高圧・高流速条件下で使用可能

Water Tank

Valve

T/C

Pump

Heater DF
F: Flow meter
T/C: Temperature measure point
P: Pressure measure point

1.0E+09

High temperature water flow rate 1.25(lit/min)
1.0E+08
1.0E+07
1.0E+06

Micro-channel heat exchanger
Device A
Device B

1.0E+05
1.0E+04
00.5

11.5

2

熱交換量

水-水の伝熱流動特性

2.53Low temperature water flow rate (lit/min)

Quantity of heat exchange (W)Heat exchange rate (W /m3)

伝熱性能の比較結果

水-水の伝熱流動特性
Tcin

4000

High80℃
High temperaturetemperature water℃)
water 80(℃
80(T houtThin

3000

Tcout

熱交換量

2000

High temperature

冷却側の受熱量

High temperaturewater
waterflow
flowraterate

1000

2.0lit/min
1.5lit/min
1.0lit/min

000.5

11.5

22.5

Q  VC（p Tcout - Tcin ）V：流量(kg/s)
：1000(kg/m3)
Cp：4.19(kJ/kg･K)

3

Low temperature water flow rate (lit/min)

従来の熱交換器に比べおよそ100倍の性能
システムの大幅な小型化が可能

230(g)の非常に小さな熱交換器で1500～3500(W)の伝熱性能

ヒートポンプシステムへの適用
エネルギーおよび地球温暖化問題への対策
冷暖房用と給湯用機器の省エネルギー化およびCO2削減
電動機

M

圧縮機

ヒートポンプの普及

高温・高圧
高い成績係数（COP）→省エネルギー
凝縮器

蒸発器燃焼が起きない．→ CO2削減

QL

問題点
室外機が大きい為,設置スペースが必要

減圧
低温・低圧
膨張弁
ヒートポンプサイクル

凝縮実験装置蒸気入口条件
圧力 110～115(kPa)
温度 100(℃)

Valve
T/C

ヒートポンプの小型化が重要凝縮器として適応する蒸気インジェクターの小型化を実現させることで，ヒートポンプのシステムの小型化と省エネルギー化を目指す．

T/CP

T/C
Drain

FP

QH

P

T/C
Low temperaturewater

水-蒸気の伝熱流動特性

F:Flow meter
T/C:Temperature measure point
P:Pressure measure point

T/C

沸騰なし

凝縮量
出口状況の確認

Boiler既存の熱交換器との比較

新しい熱交換器の試作
5 layers（0.25mm×0.25mm, 671本×610本）

5 layers

5 layers

5 layers

Counter flow
流路径[mm]① 高温側Parallel flow

積層数 流路数 全流路数 流路長 伝熱面積[層] [本/層]
[本]
[mm]
[m2]

0.5×0.56315

低温側② 高温側 0.25×0.25③ 高温側 0.25×0.25

66136666

11610.0215
0.017967166

6100.0393
0.0358

熱交換量に及ぼす積層数の影響
device A
device B
Flow channel (186×155)
2.0 lit/min
1.5 lit/min
1.0 lit/min
Flow channel (366×305)
2.0 lit/min
1.5 lit/min
1.0 lit/min
Flow channel (671×610)
3.0 lit/min
2.0 lit/min
1.5 lit/min
1.0 lit/min

Heat transfer rate [W]

10000
8000
6000
4000
2000
00

12

3458000
6000
deviceAdeviceB
Flow channel (671×610)
3.0 lit/min
2.0 lit/min
1.5 lit/min
1.0 lit/min

4000
2000

0.02180.0182

305

10

低温側

66155

5

低温側

186

Heat transfer rate [W]

6 layers

6 layers

10000

6 layers

6 layers

0012345

Flow rate of low-temperature water [lit/min]

単位体積あたりの熱交換量が100倍以上であるだけでなく、全熱交換量でも、既存の熱交換器の性能を凌駕している

マイクロチャンネル内の流動挙動
マイクロチャンネルの凝縮挙動の研究報告は数件（HFC134a等）
二相流
二相流
蒸気

蒸気？

？

水

水・蒸気

単管可視観測実験
マイクロチャンネル内の気液二相流では重力よりも表面張力の影響が大きくなり通常スケールの管内凝縮挙動とは異なる可能性

各種パラメータにおけるフローパターンの観測・伝熱特性の定量評価

6

Flow rate of low-temperature water [lit/min]

全熱交換量はチャンネル積層数に線形に相関

本研究においては熱交換器としての性能評価

流動様式

実験装置及び実験条件
31 mm
17 mm
4 mm

入口蒸気圧力 ：108 - 182 [kPa]
サブクール水温 ：20 - 74 [ºC]
不凝縮性ガス濃度 ：4.2 – 33.8 [ppm]

銀ペースト

K型熱電対(25 m)

10 mm

WallVapor

50 mm

Degasifie
rVapor flow

Pin ： 142 kPa
Twater ： 28±1 ºC
Mair ： 33.6 ppm
Din ： 240 m
Shutter speed 50 s
300
m

Drain

P 40 mm
Safetyvalve
TTTP

TT

Valve

A：滑らかな環状流

TP Test section

Atmospheric
Subcooling water Drain pressure

P1 mm

0 s

DinDrainT

Replay speed 10 FPS

実験条件

Valve

100TmmInsulation

Bubbly flow

Annular flow

Flame rate 4000 FPS

Peristaltic pump

30 mm

B C Subcooling water DA

エポキシ系接着剤

20 mm

B：波立った環状流

33 s

C：噴出流

264 s

D：気泡流

429 s

TBoiler 50 mm

Pyrex glass
pipe tank
Water

Vacuum pump

Balance

蒸気泡の収縮環状流長さが凝縮に対して支配的である可能性

Heater(適用例) 排液温度制御用熱交換器の製作

エコキュート用熱交換器との比較要求仕様(半導体機器製造装置用)
1.高温側

CO2冷媒ヒートポンプ（エコキュート）の水熱交換器 加熱能力4.5kW– 温度：95℃ ⇒ 45℃– 流量：Max 3.0 L/min
熱交換器外観（クロスフロー型）

2.冷却水流路形状（矢印位置で切断）– 温度：13.5℃– 流量：約 3.0 L/min

3.装置サイズ– 150mm x 300mm x 240mm 以内
他社熱交換器 （伝熱学会誌、ダイキン工業株式会社カタログ、他社実施例）

47

半導体工場への設置例
熱交換器設置前

熱交換器設置後

エジェクターサイクル

限られた空間での要求仕様を実現

エジェクターシステム内の圧力挙動

エジェクタサイクル

エジェクタサイクル
膨張弁

従来冷凍機とエジェクタサイクル冷凍機エジェクタ にすることにより,• 膨張弁に代ってエジェクタを採用• エジェクタにより膨張と流体の駆動• コンプレッサ負荷を低減

Condenser① 膨張時の渦の発生を抑制し、等エントロピー膨張が生じる.

Expansion
valveCompressor

渦発生で損失していたエネルギーを冷媒の運動エネルギーとして回収ができる.
Evaporator② 回収したエネルギーを,混合部・ディフューザで圧力エネルギーに変換して昇圧する.
エジェクタを用いた冷凍サイクル

従来の冷凍機圧縮機の吸引圧力を増加させ効率が向上する.

他の応用例： デンソーが実用化

プリウスの燃費を1.5%向上

蒸発器入口の冷媒状態は液体となるため,蒸発器内の圧力損失低減・熱伝達率増加などの効果による性能向上③ エジェクタは構造が容易で、故障が少なく保守が容易で,今までのシステムに組み込める.

Compressor

Condenser

gas

liquidgas
Ejectormixtureliquidgas

Separator

liquidEvaporator

エジェクタサイクル冷凍機

サーバ冷却

PC冷却（ヒートシンク）

サーバ冷却
現在用いられているのはヒートシンク（放熱器）＋

発熱する機械・電気部品に取り付けて、熱の放散によって温度を下げることを目的にした部品

ファン
強制対流を生じて熱を移動
ファンをつける場合とつけない場合
では設計が異なる.

ヒートシンクの性能向上により、ファンやヒートシンクの数の改善が可能

特徴
・ 主に材料としては熱が伝導しやすいアルミや銅・ ヒートシンクの性能は熱抵抗によって表され，熱抵抗が小さいものほど性能が高い.

サイズ（W×D×H）：96×96×138mm

左の図のように、フィンを設置し剣山状にすることで表面積が広くなり，熱が効率よく放熱される．
マザーボード上のヒートシンク
既存のヒートシンク W20×D20×H14mm

圧縮機

圧縮機

（株）WELCON 総厚 5mm

問題10-1回答の方針

問題10-1(1) HFC-１３４a冷媒の10(℃)の時の飽和蒸気の比エンタルピと比エントロピは、•HFC-１３４aを冷媒とする基本冷凍サイクルがある。
1. 冷房運転をしているときの蒸発温度は10(℃)、凝縮温度は50(℃)であった。このときの冷房成績係数を求めよ。
2. 暖房運転をしているときの蒸発温度は0(℃)、凝縮温度は40(℃)であった。このときの暖房成績係数を求めよ。

s1  1.722 (kJ / kg  K )h1  404 (kJ / kg )等エントロピ変化とすると、50(℃)の飽和圧力
P1  1.32( MPa)に対する比エンタルピはh2  428 (kJ / kg )であるから、状態３は、飽和液であるので、その比エンタルピは、
h3  272 (kJ / kg )また、 h4  h3
成績係数は、であるから、このときの冷房(cop) 

問題10-1回答の方針(2) HFC-１３４a冷媒の0(℃)の飽和蒸気の比エンタル
ピと比エントロピは、
h1  399 (kJ / kg )s1  1.727 (kJ / kg  K )等エントロピ変化とすると、40(℃)の飽和圧力
P1  1.02( MPa)の交点の状態１に対する比エンタルピはh2  425 (kJ / kg )であるから、状態３は、0℃の飽和液であるので、その比エンタルピは、
h3  256 (kJ / kg )であるので、このときの暖房成績係数は、(cop) h2  h3
h2  h1

h1  h4
h2  h1