日本冷凍空調学会賞

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技術賞

低 GWP 冷媒を用いた空気熱源循環加温
ヒートポンプ Q-ton Circulation
An Air-source Heat Pump using Low-GWP Refrigerants
to Heat Circulation Water Q-ton Circulation

1. は じ めに工場の生産プロセスでは，温水を作るため化石燃料を使用した蒸気ボイラや電気ヒータが広く使われているが，最近では効率に優れたヒートポンプも用いられるよ
三菱重工サーマルシステムズ㈱と中部電力㈱は共同

岡田有二＊

森Yuji OKADA

Takachika MORI Choyu WATANABE Hiroshi NAKAYAMA

20 ℃でも 75 ℃の温水取り出しを実現する循環加温ヒートポンプ

Q-ton Circulationの開発を行った．表１は開発機の主要緒元である．本稿ではその開発概要について紹介する．
表１
型式
定格加熱能力エネルギー消費効率
設定温度範囲温水出口温度
使用温度範囲外気温度
外形寸法（高さ×巾×奥行）
冷媒（封入量）
流量範囲

2. 開 発 概2.1

主要緒元
kW℃℃℃mmm3/h

EQA40140（最大 50）
3.340 〜 75
40 〜 75−20 〜 43
2 048 × 1 350 × 720
R 454C（10.8 kg）
1.72 〜 9.00

140120100806040200-20-40-60

外気温度マイナス 20 ℃から 43 ℃までの範囲で出湯温度 75 ℃を実現するための冷媒選定を行った．図１に各

Boiling point of R 407C
Lowest Outdoor Temp. -20ႏ

1000500
0

Boiling point @ 1 atm

GWP

各種冷媒の臨界温度，沸点および GWP
GWP (䠉)100 200 300 400 500 600

15R 455A

10R 32-R 1234yf
R 32-R 1234ze(E)R 407C 6.2 deg

R 454C

500

種冷媒の臨界温度，沸点および GWP をまとめた．前述
図２の製品要求仕様を満足するために，従来冷媒として想定

2500

Maximum Tapping Temp. 75ႏ 15000

低 GWP 冷媒の選定

浩＊＊＊

2000

図１要渡邉澂雄＊＊ 中山

Critical temperature of R 407C

Critical temperature

Temperature Glide (Υ)

低減を図るとともに，高いエネルギー効率と外気温度

Critical temperature (ႏ)
Boiling point @ 1 atm (ႏ)

で，熱源を空気とし，低 GWP 冷媒を採用し環境負荷の孝親＊

GWPうになっている．

20406080100
R 32 Blend ratio (Wt%)
R 32/HFO 混合冷媒の温度グライドされる R 407C 同等の性能を有する低 GWP 冷媒として
R 454C と R 455A を候補に挙げた．

2.2

二段圧縮サイクルの適用

次に空気熱源式ヒートポンプでは重要となる温度グラ

本製品のように空気熱源で低外気温から高温出湯を実イドについて比較を行った．図２に R 32/HFO 混合冷媒

現しようとすると圧縮比が非常に大きくなり，効率の低の 温 度 グ ラ イ ド を 示 す．R 455A の 温 度 グ ラ イ ド は11.9 deg と大きく，低外気温時に蒸発熱交がフロストしてしまうおそれがある．一方，R 454C の温度グライドは7.7 deg であり，R 407C の温度グライド 6.2 deg に対し差は小さく，同等の扱いが可能である．以上の結果より，
低 GWP 冷媒として R 454C を選択した．

＊三菱重工サーマルシステムズ㈱Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd.
＊＊名古屋大学
Nagoya University＊＊＊中部電力㈱Chubu Electric Power Co., Inc.
原稿受理 2020 年 3 月 9 日

冷凍 2020 年 6 月号第 95 巻第 1111 号

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Condenser
Expansion Valve
Internal
Heat Exchanger
2nd stage
Compressor
Expansion Valve
1st stage
Compressor

Evaporator

図３

二段圧縮サイクル
図５ৈ஺‫؞‬଩஺१ॖॡঝभಓৡૻ

ৈ஺ಓೠਃ৚ૡਯ॑ੜਸ

開発スクロール概略てしまい効率の低下をまねく．スクロールインボリューಉಓৡૻ਑౪

トおよび巻き数見直しを行った結果，押しのけ量を増加させながら圧縮比の低減が可能となった．

଩஺ಓೠਃ৚ૡਯ॑଩੖

3. おચৡર੔਑౪

&23ર੔਑౪

わりに

表２に食品工場の洗浄槽加温を目的として導入したフィールドテスト機のデータから，年間でのランニング⃦க

図４ഐᄘभ଩ಓக‫ق‬ਗਞആ২‫ك‬

二段圧縮サイクルの最適化制御

コストと CO2 排出量の低減効果の予測を示す．ランニングコストは従来比 49.8 ％，CO2 排出量は従来比 53.0 ％となった．今後，さらに連続運転の時間を伸ばすことでCOP の向上が期待でき，年間ではランニングコスト，下や出湯温度の制限などの課題がある．この課題に対し，
2 台の圧縮機を直列に接続した二段圧縮サイクルを採用した（図３）．二段圧縮を採用することで単段時に比べCO2 排出量ともに，約 54 ％まで低減が見込める．
表２

ランニングコストと CO2 排出量の低減効果

13 ％の効率向上を得られた．また，図４に示すように，高段・低段サイクルの圧力比を低圧圧力に応じて制御することで，低外気温時には加熱能力を優先した運転を行い，通常は COP を優先した運転を行うことを可能とした．

2.3

三次元スクロール圧縮機の最適化

Nm3
kWh×1,000 JPY
Running costPrimaly energy consumption
GJ
CO2 emissions
ton-CO2Energyconsumption

GasElectricity

Gasboiler369
24
150.8HeatReduction
pump
828
1280.449.8 ％
46.1 ％
53.0 ％

一般的に二段圧縮サイクルにおける低段側圧縮機は，エコノマイザサイクルの特性から，高段側圧縮機に対しこのように，二段圧縮サイクルの採用と一段目圧縮機大きな押しのけ量が要求される．外形寸法を変更せずにの最適化設計により，外気温マイナス 20 ℃の低外気温

この要求を満足させるため，三次元（3D）スクロールのでも 75 ℃の出湯が可能な空気熱源循環加温ヒートポン採用とスクロールインボリュートの再設計を行った．

プを開発した．定格 COP は 3.3 と優れた効率を達成し

図５に開発スクロールの概略を示す．（a）の二次元スクた．これにより産業分野でのヒートポンプ導入の機会をロールに対し，（b）の三次元スクロールでは 1.4 倍の押増加し，省エネルギーへの貢献の機会が増加すると考えしのけ量を実現した．さらなる押しのけ量拡大のため，られる．また，GWP 値 146 の低 GWP 冷媒 R 454C を採スクロールインボリュートの見直し，および巻き数の見用したことで，従来製品に比べ大幅に環境負荷を減少さ直しにより押しのけ量の拡大を試みた．
（c）に新しいスせることが可能となった．

クロールインボリュートを示す．巻き数の減少は内容積

今後も低 GWP 冷媒や自然冷媒を採用したヒートポン比の最適化に寄与した．単純に押しのけ量を増加させる

プ製品の提供を通じ，省エネルギー化および環境負荷低だけの変更を行うと，一段目の圧縮行程で過圧縮となっ減に貢献していく．

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