新世代低GWP冷媒の低温域蒸発熱伝達特性の解明による舶用冷凍機の冷媒転換と小型化

• 研究課題/領域番号: 22K14432
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分24020:船舶海洋工学関連
• 研究機関: 鳥羽商船高等専門学校
• 研究代表者: 広瀬 正尚 鳥羽商船高等専門学校, その他部局等, 准教授 (50824207)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 蒸発熱伝達 / 新冷媒 / HFO系冷媒

研究開始時の研究の概要

現在、地球温暖化対策で多数の多成分冷媒が開発されており、とりわけ船舶用では従来冷媒R404Aの不燃性新冷媒への置換が検討されている。本研究では、実用環境に近い機器と温度条件で新冷媒の蒸発熱伝達に関する実験研究を行って、小型熱交換機用の細径伝熱管の特性についての知見を得ることで、従来機器の冷媒置き換えの適用性を実験的に明らかにする。これにより、舶用冷凍空調機器の地球温暖化係数（GWP)の低い冷媒への置き換えを促進させて環境負荷の低減を図り、舶用冷凍空調機器の熱交換器の設計指針を与えて新たな小型舶用冷凍空調機器の開発に資する。

研究実績の概要

研究計画書に示した通り、2022年度は本研究を始めるにあたり、準備を行う期間であった。初めに実験装置の移設、改造作業を行った。そして基礎データの収集を中心に試みた。
実験装置の移設、改造作業では蒸発実験を行うために蒸発器部への試験区間挿入作業を行い、電気予熱器や電気加熱式試験区間の設置、出口部にプレート式熱交換器による過熱器の設置を行った。その際、細径伝熱管や試験冷媒に対応した圧縮機に交換を行ったが、移設後の試運転中に圧縮機制御用機器と圧縮機の相性の悪さが露呈し、機器の交換、パラメータ設定を見直したため装置の運転開始が当初の計画から大きく後れ、研究計画に遅延が生じた。
その後予備実験を行った。予備実験は本研究が対象とする新冷媒にも構成冷媒として使用されるHFO系冷媒R1234ze（E）を用い、外径4 mmの平滑管での蒸発熱伝達実験を行った。なお蒸発温度は10℃である。この実験において熱伝達率と熱流束の影響など一般的な特徴をつかむことができた。これにより本研究で用いる実験装置が蒸発熱伝達実験を行うに十分であること、研究計画に示した飽和温度の条件変更が可能であることが確認された。試作した試験区間も実験を行うのに十分な性能を有していることが確認された。
予備実験後に内面溝付管の試験区間の作成を行い、実験を継続し、次年度（2023年度）に内面溝の影響を詳細に報告するとともに、多成分混合冷媒や沸点の影響を明らかにすることへに道筋を開いた。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

本研究の実施のために実験装置の移設、改造を行った。その際に配管資材の不足、交換した圧縮機、制御機器のパラメータ設定に手間取り、実験装置の運転開始が大きく遅れたためである。

今後の研究の推進方策

遅れを取り戻すべく、上半期は単成分冷媒を中心に実験を加速させ、今年度の日本マリンエンジニアリング学会学術講演会等で結果の公表を行う。
下半期では多成分混合冷媒の実験を開始し、実験データの収集、解析を進める。