エコキュート〜CO2冷媒ヒートポンプ給湯システム〜
特許審査第二部

審査調査室

永石 哲也

1.

はじめに

エコキュート 1） とは、自然冷媒のC O 2（二酸化炭素）を冷媒（加熱媒体）としてヒートポンプを駆動させることで高温のお湯を得る家庭用給湯システムの愛称のこと
台所リモコンです（図1）。首都圏においては東京電力が、「空気の熱でお湯が沸く、次世代給湯システム『エコキュート』」とのキャッチフレーズで宣伝しており、また、各電力会社・給湯器メーカーも同じ愛称で宣伝していることか浴室リモコンら、「エコキュート」という言葉を耳にした方も多いのではないかと思います。
エコキュートは、2 0 0 1年に発売されて以来年成長率130〜150％と好調な売れ行きを見せており、今では26社から約 4 5 0種類の製品が販売されています 2）。ヒート

図1 エコキュート外観（筆者宅）

ポンプ・蓄熱センターが「CO2冷媒ヒートポンプ給湯器（エコキュート）導入支援事業」3）を行っており、これが普及拡大の後押しをしています。また、「エコキュート」というネーミングによるイメージ戦略が功を奏しているともいえるでしょう。しかしながら、技術的に見ても好調な売れ行きがうなずける画期的な製品といえます。

1）「エコキュート」……関西電力の登録商標4575216号
2）2004年9月末時点における導入支援事業の補助金の対象となる製品数、及び、その製品を販売しているメーカー数。
3）「CO2冷媒ヒートポンプ給湯器（エコキュート）導入支援事業」……ヒートポンプ・蓄熱システムの普及啓発としての補助事業で、補助対象給湯器（いわゆる、エコキュート）と従来型給湯器との差額の1／2以内を補助する制度。平成 1 5年度は2ヶ月余りで約41000台の申し込みがあり1年分の予算枠に達するほどの人気であった。平成16年度はさらに応募が殺到し、たった数日で予算枠に達しているようである。

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OTREND自然冷媒とは、人工的に開発されたフロンや代替フ

オゾン層保護と地球温暖化防止の二つの環境問題があロンと異なり、冷媒となり得る性質を持つ自然界に存ります。

在する化学物質のことで、具体例をあげれば、二酸化ここでは、オゾン層保護と地球温暖化防止についてもう炭素、アンモニア、炭化水素類（イソブタン、プロパ

少し触れたいと思います。

ンなど）、水、空気などがあります。ただし、フロンは冷媒としての性能面で非常に優れた性質をもっており、（1）オゾン層保護

自然冷媒をフロンと比べると、自然冷媒は毒性、可燃大気中に存在するオゾンの90％が成層圏に集まってお性、効率などの点で劣る点が必ずでてきます。よって、り、オゾン層を形成しています。オゾン層は太陽光中に一種類の自然冷媒が全ての用途に活用されるのではな

含まれる紫外線の内、生物に有害なB領域紫外線（UV-B）

く、用途に応じて使い分けられることになるでしょうの大部分を吸収しています。地上に到達するU V - Bが増（図4）。

加すると皮膚がんや白内障の増加、免疫抑制など人の健エコキュートに使用されている冷媒の二酸化炭素の康への影響のみならず、動植物の生育にも影響をおよぼ特性は、1 0 M P a程度までコンプレッサで圧縮すると、します。そのため、オゾン層の存在は人類はじめ地球生超臨界の状態になることです。気体でも液体でもない態系にとっても必要不可欠です。

この状態の二酸化炭素は、水などの他の媒体に非常にオゾン層を破壊する物質は広範に利用されており、熱を伝えやすい性質を持ちます。また、二酸化炭素は、用途によっては大気中に放出することを防ぐことが不オゾン層破壊係数（ O D P ）はゼロ、地球温暖化係数可能です。そこで、オゾン層を保護するためには、オ（G W P）は代替フロンの1／1 5 0 0〜1／ 1 7 0 0と地球にやゾン層破壊物質の生産、使用に対する国際的な規制がさしく、しかも無毒かつ可燃性のない安全な冷媒です。

設けられることが好ましく、実際その方向に進んでいます。まず1 9 8 5年に「オゾン層保護のためのウィーン条約」が採択され、1 9 8 7年には削減スケジュール等の3.

二つの環境問題具体的な規制措置を定めた「オゾン層を破壊する物質のためのモントリオール議定書」が採択されました。
その後の規制の内容は、改定によって、対象物質の拡大、対象国の拡大、削減スケジュールの前倒しなどが先に述べたように自然冷媒が着目された背景には、

図4 主な自然冷媒の特性
長所短所
二酸化炭素 ・毒性、可燃性がなく安価
・冷房用途ではCOPが低い
・圧力損失が小さく、熱伝達が良い ・10Mpa程度の高圧になる・昇温機器に適している
アンモニア ・COPがR22と同程度以上・熱伝達が良い・蒸発潜熱が大きい
プロパン
・潤滑油として鉱物油が使える
イソブタン ・COPとR22と同程度
水・毒性、可燃性がなく安価
・COPは高い・真空運転なため資格不要
空気・毒性、可燃性がなく安価
・圧縮空気の利用・毒性、可燃性がある
・銅系材料が使えない・除害設備が必要
・可燃性がある・冷蔵庫以外の安全規格がない
・圧縮機が大きい
・圧縮比が大きい・設備コスト大・低温領域以外はCOPが低い

用途
・給湯用ヒートポンプ
・カーエアコン・寒冷地暖房・自動販売機・低温用冷凍機
・産業用、業務用チラー
・冷蔵庫
・自動販売機
・産業用チラー
・産業用製氷システム
・VRC
・低温倉庫

（出典）平成14年度特許出願技術動向調査分析報告書「自然冷媒を用いた加熱冷却」（（自然冷媒の最新動向について/2002.10.29/飛原英治/日本冷凍空調学会）より）

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図6 エネルギー起源CO2排出量（百万t-CO2）

1990年度

合計

1,048

工場等

476

自動車・船舶等
オフィスビル等

2002年度（1990年度比）
1,174（＋12.0％）468（−1.7％）
261（＋20.4％）
197（＋36.7％）
166（＋28.8％）81.9（−0.3％）

217
144

家庭

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発電所等

82.2

2002年度からの増減
→

＋0.8％

→→＋1.7％

→→

−0.8％

→

→

＋0.1％

→→

＋0.1％

→→

＋3.9％

→

2003年度速報値（1990年度比）
1,183（＋12.9％）476（−0.02％）259（＋19.5％）
197（＋36.9％）166（＋28.9％）85.1（＋3.6％）（出典）環境省ホームページ

京都議定書の発効要件である「 5 5カ国以上の批准、4.

及び締結した附属書Ⅰ国（先進国等）の1 9 9 0年における二酸化炭素の排出量の合計が全附属書Ⅰ国の1 9 9 0年

ヒートポンプ−なぜ空気の熱でお湯が沸くのか−の二酸化炭素の総排出量の55％以上を占めること。」とヒートポンプとは、その名のとおり「熱（h e a t）をの要件を満たせず、長年未発効のままでしたが、2 0 0 4汲み上げるポンプ（ p u m p）」です。前述した冷媒の吸年1 1月にロシアが批准したことを受けて、2 0 0 5年2月

熱・放熱反応を使って周囲の熱を汲み上げ、熱を移動1 6日に発効される運びとなりました。この発効によっさせて別の周囲に熱を放出する装置のことで、家庭でて、日本は 2 0 0 8〜2 0 1 2年には1 9 9 0年（基準年）比では冷蔵庫やエアコンで一般的に利用されています。冷6％削減する目標達成が義務付けられます。しかも、蔵庫においては、庫内の空気から熱を奪い、奪った熱2 0 0 3年度の温室効果ガス総排出量は1 9 9 0年比で8％増を冷蔵庫の背面の放熱板から放熱し、庫内の熱を庫外加していることから 6）、目標達成に向けたさまざまな取へ移動させることで、庫内の食品を冷やします。エアり組みが急務となってきます。さらに、家庭からのCO2コンの冷房も同様に、室内の空気から熱を奪い、奪っ排出量は、総排出量の13.3％を占めており、基準年比でた熱を室外機から放熱し室内の熱を屋外へ移動させる28.9％も増加しています（図6）。なお、CO 2排出量の算ことで、室内を冷やします。また、暖房はその逆の仕出方法は、直接の排出量ではなく、発電や熱発生に伴組みで作動します。

うC O 2排出量を最終的に消費される場所で算出するのその熱の移動の仕組みをエコキュートにも採用されで、消費電力が多いほど CO2排出量が多くなります。ている一般的な圧縮式ヒートポンプユニットで解説しこのような状況から、ともに家庭用エネルギー消費ます。

量の1／3ずつを占めており、家庭での消費電力が多い

一般的な圧縮式ヒートポンプユニットは、冷媒液体冷暖房部門や給湯部門で使用される機器は、より一層がガスに蒸発しながら吸熱熱交換する蒸発器（エバポ省エネが求められていくでしょう。そして、エコキュレータ）、低圧の冷媒ガスを高温高圧に圧縮する圧縮機

ートのような家庭での消費電力を大幅に削減する機器（コンプレッサ）、高温高圧の冷媒ガスが液体に凝縮しは今後さらに注目されていくかもしれません。

ながら放熱熱交換する放熱器（コンデンサ）、そして凝6）2004年11月、中央環境審議会地球環境部会

第24回会合、資料2 環境省速報値より

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90℃の高温沸き上げ
CO2 冷媒は高温度差加熱が可能です。従来のフロン系冷媒では実現できなかった、90℃高温沸き上げを可能にしました。外気マイナス10℃の条件下でも高温沸き上げが可能です。

ファンで大気から吸熱し、熱交換器（空気用）に大気熱を集め、冷媒（CO2）に熱を伝えます。

熱をもった冷媒はコンプレッサーで圧縮され、さらに高温になります。

図7 ヒートポンプユニットの構成

縮器からの冷媒液体を急激に減圧しながら蒸発器に送高温になった冷媒の熱を熱交換器（水加熱用）で水に伝え、お湯を作ります。

熱を失った冷媒は、再び熱交換器（空気用）へ送られます。

（出典）東京電力ホームページ④熱を失った冷媒は、再び空気用熱交換器へ送られるる膨張弁の4つの主要部品要素から構成されます。

といったサイクルで、空気の熱を水を加熱するためのエコキュートに用いるヒートポンプユニットはその部熱として移動させています。

品要素が、エコキュートは、この空気の熱で最高約90℃の高温に・冷媒………CO2（二酸化炭素）

水を加熱するヒートポンプユニットと、加熱された水を・蒸発器……空気用熱交換器

貯湯する貯湯ユニットから構成されています7）（図8）。

・放熱器……水加熱用熱交換器

貯湯ユニットは従来から製品化されているヒータの熱で構成されます（図7）。

で水を加熱したお湯をためておく貯湯式電気温水器の貯ヒートポンプユニットの仕組みとしては、湯ユニットとほぼ同じです。

①大気から吸熱し、空気用熱交換器に大気熱を集め、冷よって、エコキュートは、圧縮機を駆動させる電気エ媒に熱を伝え、ネルギーと大気から吸熱する大気熱との両エネルギーが、②熱をもった冷媒はコンプレッサで圧縮され、さらに高給湯のための熱エネルギーとして作用することから、成温となり、績係数COP8）が3以上の高い成績効率を上げることが可能③高温になった冷媒の熱を水加熱用熱交換器で水に伝えとなっています。従来のヒータでの電気温水器がCOP＝1、ることで、お湯を作り、化石燃料（ガス、石油など）の燃焼系給湯機がCOP＝0.8

7）正確には、2001年に開発・発売されて以来ほとんどのエコキュートで採用されている貯湯式給湯システムのことで、後に詳述する
新たに開発された瞬間式給湯システムは構成を異にする。
8）成績係数COPとは、与えたエネルギーに対して、どれくらいの仕事を行ったかで表される。ヒートポンプの場合、ヒートポンプの消費電力に対し、どれくらいの加熱または冷却能力を持っているかで算出される。

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（2）圧縮機（コンプレッサ）で大気の熱を汲み上げてprofile

給湯の熱エネルギーをつくるヒートポンプシステムなので、使用する電気エネルギーに対して約3倍の熱エネ

永石 哲也（ながいし てつや）

ルギーを得ることができます。これにより、既存の燃焼

平成10年4月 特許庁入庁
平成14年4月 審査官昇任
平成16年7月より現職

式給湯機と比較すると約30％のエネルギー消費量削減効果が期待できます（図15）。
最後に、日本においてエコキュートが普及した最大の理由は、電力料金が高く効率の良い技術でないとコストメリットが得られないからで、世界市場への展開は難し
くも思えますが、環境問題への関心が高いスウェーデンやノルウェーなどの欧州で販売される見込みとなっています。また、中国や北米への展開も検討しているようで、CO2ヒートポンプ給湯システムが日本発の製品として全世界に広がりを見せていくかもしれません。環境にやさしく、抜群の省エネ効果が得られるエコキュート（CO2ヒートポンプ給湯システム）が、日本国内においても全参考資料

世界においても普及拡大していくことを祈念して終わりにしたいと思います。

東京電力ホームページ （http://www.tepco.co.jp/）
デンソーホームページ （http://www.denso.co.jp/）※本稿は、平成14年度特許出願技術動向調査分析報告書

省エネルギーセンターホームページ「自然冷媒を用いた加熱冷却」の内容を参考に、その後（http://www.eccj.or.jp/）の新たな技術開発の動向について解説したものです。

環境省ホームページ（http://www.env.go.jp/）

図15 エネルギー消費量の削減
図14 CO2冷媒の特徴（出典）省エネルギーセンターホームページ

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132（出典）省エネルギーセンターホームページ

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TECHNOTREND〈関連用語集〉
用語

自然冷媒
混合冷媒
トップランナー方式

グリーン購入法

ウィーン条約

ヒートポンプモントリオール議定書

冷媒

アルファベット順
CFCs

GWP
HCFCs

HFCs
HFEs

IPCC
ODP
PFCs

TEWI

解 説
自然冷媒は、英語では Natural Working Fluid と称される。技術用語としては、英語名を直訳し 自然作動流体 とも呼ばれる。
複数の化学物質を混合して生成する冷媒のこと。混合冷媒の方が、単一組成の冷媒機能面や環境負荷面での性能が優れることがある。
省エネ基準を策定する際に、現在商品化されている製品のうち、省エネルギー性能が最も優れている機器の性能に基づいての目標値を定める方式。日本が世界に先駆けて導入した。電気冷蔵庫・冷凍庫、エアコンディショナー、複写機などが対象になっている。
2001年4月施行。正式名称は国等による環境物品等の調達の推進等に関する法律。グリーン購
入とは製品やサービスを購入する際に、環境を考慮して、必要性をよく考え、環境への負荷ができるだけ少ないものを選んで購入することであり、同法はグリーン購入を国等の機関に義務付けている。
オゾン層の保護のためのウィーン条約。1985年3月22日にオーストリアのウィーンで調印されたオゾン層保護のために締結された最初の国際条約である。国際的に協調してオゾン層やオゾン層を破壊する物質について研究を進めるための規定、各国が適切と考える対策を行うこと、将来議定書が合意されたら、それに従って各国共通の対策を行うことなどを定めている。
大気や排水、排熱など外部の熱エネルギーを回収し、より高品位のエネルギーを取り出す機器で、熱をくみ上げるポンプの意味。常温以上の暖かい温度を取り出すだけではなく、冷凍・空調など低温サイドで利用する機器にも用いられる。
オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書。ウィーン条約に基づいて1987年9月16日にカナダのモントリオールで調印され、1989年1月1日に発効した。当初は5種類のCFC（CFC-1、12、113、114、115）規制であったが、その後の締約国会合で新たな物質が追加され、全廃の期限などが前倒しされた（内容は本文参照）。
冷凍・空調機内を循環する流体で室内機・室外機など熱交換機を通して熱の授受を行う媒体。
電気冷蔵庫やエアコンではCFCsやHCFCs、また大型のシステムでは水やアンモニアなどが利用されているものがあり、生体における血液に例えられることもある。
Chlorofluorocarbons（クロロフルオロカーボン）の略。炭化水素［炭素（C）と水素（H）からなる化合物］のHが、完全に塩素（Cl）とフッ素（F）に置き換わった化合物の総称。オゾン層を破壊することから、先進国では1995年末に生産が全廃となった。
Global Warming Potential（地球温暖化係数）の略。地球の温暖化に寄与する能力を定数化したもので、温室効果ガスの1つであるCO2を1とした時の重量当たりの相対値で示す。
Hydorochlorofluorocarbons（ハイドロクロロフルオロカーボン）の略。水素（H）、塩素（Cl）、フッ素（F）を含有する炭化水素［炭素（C）と水素（H）からなる化合物］の総称。2019年末には原則全廃することになっている。
Hydorofluorocarbons（ハイドロフルオロカーボン）の略。炭素（C）、水素（H）、およびフッ素（F）の3元素で構成される化合物の総称。塩素（Cl）を含まないので、ODPはゼロである。
Hydorofluoroethers（ハイドロフルオロエーテル）の略。水素（H）、フッ素（F）を含有するエ一テル（アルコール類2分子から水分子が除かれて生じる化合物）で、H、F、O（酸素）およびC（炭素）からなる化合物。塩素（Cl）を含まないので、ODPはゼロである。
Intergovernmental Panel on Climate Change（気候変動に関する政府間パネル）の略。大気循環の変化が社会に与える影響に関して、国際的な取り組みを検討する政府間会議。
Ozone Depletion Potential（オゾン破壊係数）の略。ある物質が成層圏でオゾン層を破壊する能力を、CFC-11（CFCl3）の能力と比較した相対値。
Perfluorocarbons（パーフルオロカーボン）の略。炭化水素［炭素（C）と水素（H）からなる化合物］のHが完全にフッ素（F）に置き換わった化合物の総称。大気寿命が極めて長く、GWPも極めて大きい。
Total Equivalent Waming Impactの略。地球温暖化に及ぼす総合的影響のことをいう。HFCsなどの温室効果ガス（地球を温暖化するガス）の放出による直接的影響とシステムの運転（または使用）に必要な電力などのエネルギーを得る際に生ずる炭酸ガスの間接的影響の総和として表される。
（出典）平成14年度特許出願技術動向調査分析報告書「自然冷媒を用いた加熱冷却」

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