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自然冷媒は、冷凍システム（冷蔵庫、HVAC、空調を含む）の冷媒として機能する物質と考えられています。これらは、 クロロフルオロカーボン（CFC）、ハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）、ハイドロフルオロカーボン（HFC）ベースの冷媒などの合成冷媒の代替品です。他の冷媒とは異なり、自然冷媒は自然界に存在し、分留などの物理的な工業プロセス、ハーバー法などの化学反応、スピンオフガスのおかげで市販されています。これらの最も有名なものには、さまざまな天然炭化水素、二酸化炭素、アンモニア、水などがあります。[1]自然冷媒は、持続可能性 の程度が高いと推定されるため、新しい機器では合成冷媒よりも実際に好まれています。現在利用可能な技術では、冷凍空調部門のほぼ75％が自然冷媒に転換できる可能性があります。[2]
背景
合成冷媒は、1929年にCFCとHCFCが開発されて以来、冷凍システムで使用されています。[3]これらの冷媒がシステムから大気中に漏れると、オゾン層や地球温暖化に悪影響を及ぼす可能性があります。CFC冷媒には炭素、フッ素、塩素が含まれており、紫外線による光分解後、成層圏で無機塩素の重要な発生源になります。放出された塩素はオゾン層を破壊する活性物質にもなります。[4] HCFCは水素が追加されているため、CFCよりも大気中の寿命が短いですが、塩素元素が環境に悪影響を及ぼします。[5] HFCは塩素を含まず、大気中の寿命が短いですが、フッ素元素が赤外線を吸収して温室効果に寄与します。[6]
1987年、モントリオール議定書は初めてこれらの危険性を認め、2010年までにCFCの使用を禁止しました。 [7] 1990年の改正では、2020年までにHCFCの使用を段階的に廃止し、2030年までに生産と輸入をなくすという合意が含まれていました。 [8]オゾン層への影響が無視できるHFC冷媒は、実行可能な代替品と見なされていましたが、これも地球温暖化に大きな影響を与えます。 2016年のキガリ改正では、これらのHFCを今後30年間で80％削減することを求めています。[9]自然冷媒は、HFCの代替の潜在的な選択肢の1つであり、その結果、使用量と人気が高まっています。自然冷媒業界は、今後4年間で年率8.5％の複合成長が見込まれており、 [10] 2027年までに28億8000万米ドルの業界になると予想されています。[2]
持続可能性指標
冷媒は通常、地球温暖化係数（GWP）とオゾン層破壊係数（ODP）の両方に基づいて評価されます。GWPスケールは二酸化炭素に標準化されており、冷媒の値は一定期間に同じ質量の二酸化炭素が吸収する熱の倍数です。[11]これは通常、100年間にわたって測定されます。ODPは、冷媒のオゾン層に対する相対的な影響を測定し、値が1であるR-11に標準化されています。[12]
GWPとODPは冷媒によって大きく異なります。CFCは一般的にGWPとODPが高く、最も影響が大きいです。HCFCはGWP値が似ており、ODP値は中程度です。HFCも同様のGWP値ですが、ODP値はゼロです。天然冷媒はGWP値が低いかゼロで、ODP値はゼロです。[13]そのため、天然冷媒はHFCに代わる、より持続可能な冷凍オプションとしてますます関心を集めています。[1]
冷媒
冷媒としての炭化水素
純粋な水素化合物は、冷凍で適度に使用されています。炭化水素は、冷却特性に加えて、豊富でエネルギー効率が高いため、冷媒として実行可能な選択肢です。炭化水素は、合成冷媒よりも最大50％エネルギー効率が高いと評価されています。[14]炭化水素は自然界に存在し、地球温暖化係数（GWP）スケールで低いランクにあるため、環境に優しいです。[11]歴史的に、炭化水素は主に工業用冷却および冷凍の冷媒として使用されていましたが、現在、自然冷媒への移行により、冷凍の他の分野での使用が増加し始めています。[1]炭化水素は多くのヨーロッパ諸国で好まれている冷媒です。[15]
冷媒として使用される炭化水素には以下のものがあります。
- メタン（CH 4）[R-50]
- エタン(CH 3 CH 3 ) [R-170]
- プロパン(CH 3 CH 2 CH 3 ) [R-290]
- エチレン(CH 2 CH 2 ) [R-1150]
- n-ブタン(CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 ) [R-600]
- イソブタン(CH(CH 3 ) 3 ) [R-600a]
- プロピレン(CH 3 CHCH 2 ) [R-1270]
- ペンタン(CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) [R-601]
- イソペンタン(CH(CH 3 ) 2 CH 2 CH 3 ) [R-601a]
- シクロペンタン((CH 2 ) 5 )
可燃性
炭化水素を冷媒として使用することの主なデメリットは、高圧下で非常に燃えやすいことです。過去には、炭化水素をCFC、HCFC、HFCに変えることでこのリスクを軽減していましたが[16]、このような物質の使用を避ける傾向が強まるにつれて、可燃性の問題に対処する必要があります。冷凍システムは、冷媒を冷媒特性を発揮し始めるまで加圧することで機能しますが、炭化水素を加圧するとリスクがあるため、内部圧力にはより高いレベルの注意が必要です。炭化水素が燃焼するには、まず炭化水素が放出され、適切な割合の空気と混合され、次に発火源が存在する必要があります。[17]炭化水素の可燃性の範囲は1〜10％で、発火源は0.25 Jを超えるエネルギーまたは440 °Cを超える温度である必要があります。[15]
炭化水素の使用に関する現在の安全対策は、環境保護庁（EPA）によって概説されています。冷媒としての炭化水素の使用に関するEPAのガイドラインには、炭化水素冷媒システムの圧力範囲を具体的に指定すること、火花が発生しやすい電気部品など、炭化水素冷媒システムから発火の可能性がある部品を確実に除去すること、およびより高いレベルの安全性を確保するためにシステムの構造に基準を設けることが含まれています。[16] [18]空気中の濃度が可燃性限界未満になるように換気装置を設置し、冷媒の最大充填量を減らすことも、実行可能な安全対策です。[15]アルミニウム製ミニチャネル熱交換器を使用することで、冷媒の総充填量を減らす技術的進歩が最近得られました。[19]
用途と用途
炭化水素冷媒市場は、一般的な合成冷媒の環境への影響に対する懸念の高まりにより成長しています。ASHRAEによると、炭化水素冷媒を使用する機器には次のものがあります。[1]
- 家庭用冷蔵庫、冷凍庫、ポータブルエアコンなどの低料金のシステム
- 飲料およびアイスクリームマシンを含むスタンドアロンの商業用冷蔵システム
- スーパーマーケット冷蔵用の集中間接システム
- トラック用輸送用冷凍システム
- 1kW～150kWのチラー
冷媒としての二酸化炭素（R-744）
二酸化炭素は冷媒として広く使用されている。二酸化炭素の冷媒としての主な利点は、EPAによってA1冷媒に分類されていることに由来しており[16] 、冷媒としては最も毒性と危険性が低いカテゴリーに位置付けられている。このため二酸化炭素は、漏れによる暴露の可能性がある場所で使用されるシステムに適した冷媒となっている。二酸化炭素は、大規模な冷凍システムで広く使用されており、カスケード冷凍システムを介して使用されることもある。[16]また、自動車の冷凍にもわずかに使用されており[20] 、家庭用、商業用、産業用の冷凍および空調システムでの使用に適していると考えられている。[1]二酸化炭素は豊富にあり、安価でもある。これらの要因により、二酸化炭素は1850年に英国で冷媒としての使用が特許取得されて以来、冷媒として使用されている。[21]当時の二酸化炭素の使用は、冷媒の特性を発揮するためには高い圧力が必要だったため制限されていましたが、現在の加圧技術では、この圧力に簡単に到達し、維持することができます。
冷凍における二酸化炭素の使用に関する主な懸念は、二酸化炭素が冷媒として機能するために必要な圧力の上昇である。二酸化炭素は、冷却システム内で凝縮するためにより高い圧力を必要とするため、他の天然冷媒よりも加圧する必要がある。[22]凝縮に十分な圧力を達成するには、最大200気圧が必要になる場合がある。[23]二酸化炭素を使用する冷媒システムは、より高い圧力に耐えられるように構築する必要がある。このため、古い冷却システムを改造して二酸化炭素を使用することはできない。ただし、二酸化炭素をカスケード冷凍システムの一部として使用する場合、より低い圧力で使用できる。[21]カスケード冷凍システムで二酸化炭素を使用するということは、前述の入手可能性と低価格という利点がカスケードシステムにも当てはまることも意味する。
必要な圧力が上昇することにも利点がある。圧力が上昇するとガス密度が高くなり、より大きな冷却効果が得られる。[15]このため、サーバールームにあるような高密度の負荷を冷却するのに理想的である。[1]また、圧力降下が一定であっても飽和温度の低下が非常に小さいため、二酸化炭素は低温（-30～-50℃）でも良好な性能を発揮する。[15]プレートフリーザーとブラストフリーザーでは、二酸化炭素を使用することで効率と凍結時間が改善されることが報告されている。[15]また、高温での二酸化炭素の効率を高めるために、熱力学サイクルを改善する提案もある。[19]二酸化炭素冷媒を使用する機器は、冷媒の体積流量が減少するため作動圧力が高くなるにもかかわらず、同様の機器よりも必ずしも重く、かさばり、危険というわけではない。[24]
二酸化炭素の圧力が臨界点の7.3773MPaを超えると、液体にはなりません。高密度ガスを冷却することで熱を放出する必要があり、これは給湯ヒートポンプに有利な状況を作り出します。これらは特に冷水供給で効率的です。[1]
冷媒としてのアンモニア（R-717）
冷媒として使用されるアンモニア（NH 3 ）は無水アンモニアであり、少なくとも99.5％の純度のアンモニアです。[25]水と油はそれぞれ33と2ppmを超えてはなりません。アンモニア冷媒は加圧容器に保管されます。圧力が解放されると急速に蒸発し、液体の温度が下がり、沸点の-33°C（-28°F）に達するため、冷凍システムで役立ちます。[25]
アンモニアは、1872年に圧縮プロセスで初めて使用されて以来、産業用冷凍で頻繁に使用されています。アンモニアは、その好ましい熱力学的特性、効率性、および収益性のために使用されています。[16]アンモニアは肥料産業により大量に生産されているため、比較的安価です。[1]アンモニアのGWPとODPはゼロであるため、アンモニアの漏れが気候に与える影響はごくわずかです。[26]アンモニアは鉱油に対しても耐性があり、システム内の少量の水に対する感受性が低いです。[15]アンモニアの気化熱は高く、流量は低いため、他の冷媒とは異なる技術を使用する必要があります。流量が低いため、歴史的にアンモニアは大容量のシステムに限定されていました。[16]
冷蔵におけるアンモニアの使用に関する最大の問題の一つは、その毒性である。EPAによると、アンモニアは一定量摂取すると致死的だが、適切な準備と緊急時対応策を講じれば、10年に1人という死亡率までリスクを軽減できる。[1]その理由の一つは、アンモニアの異臭で、濃度が5ppmでも漏れを検知できる一方、毒性は300ppmを超えると始まる。[1] 30分までの曝露であれば、健康に永続的な影響を及ぼさずに対処できる。[26]そのため、冷媒としてアンモニアを使用することによる危険性の多くは、実際には一般大衆の認識の問題に過ぎない。したがって、安全対策の主な焦点は、一般大衆がパニックに陥るレベルまで濃度が急激に上昇するのを避けることである。[15]可燃性も特に懸念されるものではなく、可燃性範囲は15～28%であり、かなり前に検知される。[16] ASHRAEでは、低可燃性として2Lに分類されている。[26]
用途と用途
アンモニアベースの冷媒の用途としては、以下のものがある。[26] [1]
- 蓄熱システム
- HVAC チラー
- プロセス冷却
- 空調
- 冬季スポーツ
- 地域冷房システム
- ヒートポンプシステム
- スーパーマーケット
- コンビニエンスストア
- 発電施設の出力効率の向上
アンモニアは、その相対的な安全性についてより多くの関係者に知られるようになるにつれて、 HVAC&R業界での使用が増加すると予想されます。アンモニアはすでに、大規模なヒートポンプ設備や食料品店、国際宇宙ステーションなどのプロジェクトで使用されています。[26]二酸化炭素と同様に、アンモニアはカスケード冷凍システムで冷凍プロセスの効率を向上させるために使用できます。アンモニアと二酸化炭素の両方を含むカスケード冷凍システムの使用が増えています。[26]水とアンモニアの混合物を使用した吸収式冷凍機も、冷蔵、熱、電力複合システムなどの一部の用途では費用対効果に優れています。[1]技術の進歩により、アンモニアは小規模システムでもますます実行可能な選択肢になっています。[16]
冷媒としての水（R-718）
水は無毒、不燃性で、GWPとODPの値はゼロ、そして低コストです。[1]低温での水の比容積が大きいこと、コンプレッサー全体で必要な圧力比が高いこと、コンプレッサーの出口での温度が高いことなどの技術的な課題が、水や水蒸気を冷媒として使用する際の障壁となっています。[27]さらに、用途によっては沈殿物の蓄積や細菌の繁殖の問題が見られる場合もありますが、これらの問題は、細菌と戦うための化学物質を追加したり、使用する水を軟水化するなどの技術で最小限に抑えることができます。[28]
水は、リチウム臭化物吸収式冷凍機で高温で使用されるのが一般的ですが、これらの用途での性能係数(COP) は、一般的な電動遠心式冷凍機の 5 分の 1 にすぎません。 [1]蒸気圧縮冷凍サイクルはまれな用途ですが、水の熱物理的特性により、高い COP が得られる可能性があります。[28]吸収式冷凍機以外にも、水はデシカント除湿/蒸発冷却、吸着式冷凍機、圧縮式冷凍機で使用できます。[15]また、特殊なロータリー式コンプレッサーで水を使用することも提案されていますが、これらのシステムのサイズと価格は非常に大きくなる可能性があります。[15]
典型的なヒートポンプシステムでは、水は理想的な冷媒物質であり、いくつかの用途ではCOPが20を超えることがあります。 [15] そのため、80℃を超える温度の産業用途では明らかに水が選択肢となります。[29]また、水は地中熱ヒートポンプの冷媒としても有効であることが示されています[30]
冷媒としての空気
空気は無料で、無毒で、環境に悪影響を与えません。空気は、逆ブレイトンサイクルまたはジュールサイクルで動作する空気サイクル冷凍システムの冷媒として使用できます。 [31]空気を圧縮して膨張させることで、加熱および冷却能力が生まれます。当初は往復式の膨張機とコンプレッサーが使用されていましたが、信頼性が低かったです。[31]ロータリー式コンプレッサーと膨張機の発明により、これらのサイクルの効率と信頼性が向上し、新しいコンパクトな熱交換器と併せて、空気はより従来型の冷媒と競合できるようになりました。[31]
冷媒としての希ガス
希ガスは冷媒としてはあまり使われません。希ガスの冷媒としての主な用途は、実験室や超伝導体の液体過冷却実験システムです。これは具体的には、沸点が4.2Kの液体ヘリウムに当てはまります。 [32]希ガスは産業用または家庭用の冷蔵には使用されません。
その他の天然冷媒
これらの天然冷媒は、冷凍システムで使用できる物質ですが、より安価であるか、取り扱いや封じ込めが容易な化合物が利用できるために、使用されていないか、または非常にまれにしか使用されていません。
酸素化合物
- ジエチルエーテル/エチルエーテル（「エーテル」）（CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3）[R-610]（エタノールの脱水素反応から生成、極めて可燃性）
- ギ酸メチル（HCOOCH 3）[R-611]（メタノールのカルボニル化から生成、通常は合成ガスから生成されるか、メタノールの凝縮によって生成される、非常に可燃性である）
- ジメチルエーテル（CH 3 OCH 3）[R-E170]（合成ガス、天然ガス、または一部のバイオ燃料から得られるメタノールの脱水から生成。非常に可燃性、中程度の毒性）
窒素化合物
- メチルアミン（CH 3 NH 2）[R-630]（アンモニアとメタノールの反応から生成、中程度の毒性、規制物質）
- エチルアミン(CH 3 CH 2 NH 2 ) [R-631] (アンモニアとエタノールの反応から生成; 非常に有毒)
潤滑剤
冷凍システムでは、コンプレッサーの部品を潤滑して適切に機能させるためにオイルが使用されています。通常の操作では、この潤滑剤の一部が誤ってシステムの他の部分に漏れることがあります。これは、冷媒の熱伝達と摩擦特性に悪影響を及ぼします。[33]これを避けるために、潤滑油は冷媒と十分に互換性があり、混和する必要があります。CFCシステムでは鉱油を使用しますが、HFCシステムでは互換性がないため、はるかに高価なエステルおよびポリアルキレングリコールベースのオイルに頼る必要があります。[33]
炭化水素は標準的な鉱油とわずかに溶解するため、溶解度の非常に低い潤滑剤が必要です。これらのシステムでは、流動点と蒸気圧が低いため、ポリアルキレングリコールとポリアルファオレフィンが一般的に使用されます。 [34]従来の油は、ほとんどの HFC よりも溶解性が高いため、二酸化炭素システムの潤滑剤として使用できません。[35]ポリエステル油は、二酸化炭素ベースのシステムで使用するために特別に設計されており、二酸化炭素システムにかかる高いストレスと圧力の結果として生じる可能性のあるベアリングの摩耗とメンテナンスコストの増加を防ぐのにも役立ちます。[34]アンモニアには、動作温度が低く、耐酸化性、流動性、粘度が高い潤滑剤が必要です。ポリアルファオレフィンまたはポリアルファオレフィンとアルキルベンゼンのブレンドが一般的に使用されます。[34]
参考文献
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外部リンク
- グリーンピース、天然冷媒：解決策
参照
- 冷媒一覧
- 持続可能な自動車用空調、 CO2ソリューションのためのアライアンスもカバー
- eurammon、自然冷媒に関するヨーロッパの非営利イニシアチブ