作動流体の熱物性評価について

粥川洋平*共同研究者：藤井賢一* 狩野祐也* 赤坂亮†

*産業技術総合研究所 計測標準研究部門産業技術総合研究所 計測標準研究部門†九州ルーテル学院大学

2010.1.29 第4回流体物性クラブ

NMIJ-流体標準研究室の取り組み

2010-校正とそれを目的とした計測技術開発

液体の密度液体の密度

液体の粘度

PVT性質（高圧化の密度）PVT性質（高圧化の密度）

基礎物理定数決定への貢献

アボガドロ定数 （シリコン球の密度測定）

ボルツマン定数？

低炭素社会・循環型社会実現に向けた計量標準

省 ネ技術省エネ技術

新エネルギー（水素・燃料電池）

バイオ資源活用技術バイオ資源活用技術

省エネ（CO2排出削減）とヒートポンプ作動流体について

家庭用熱機器の総合エネルギー効率

石油・ガスストーブガス湯沸かし器など

灯油・ガス

環境へのロス

発電・送電ロス ホットカーペット・こたつハロゲンヒーターなど

発電・送電ロス発電 送電

エアコン（ヒートポンプ）

環境から

ポ プヒートポンプのCOP（成績係数）

放熱凝縮器凝縮器

膨張弁

電蒸発器

圧縮機

吸熱 力蒸発器

ヒートポンプの性能予測には作動流体の物性を知る必要がある

熱物性

平衡性質（熱力学性質）

臨界点

環境親和性・安全性

毒性

不燃性臨界点

飽和蒸気圧力・飽和蒸気（液）密度

密度（PVT） ビリアル係数

不燃性

オゾン破壊性密度（PVT）・ビリアル係数・音速

定圧比熱・定容比熱・ジ ム 係数

温室効果

潤滑油との相溶性ジュールトムソン係数

表面張力

非平衡性質（輸送性質）

潤滑油との相溶性

粘度

熱伝導率

熱力学状態方程式

性能予測には単一の数式で熱力学諸性質を一貫して計算できることが必要貫して計算できることが必要

理想気体の状態方程式想気体 状態方程

ファンデルワールス型（3次関数型）

ビリアル状態方程式（低密度の気体）

BWR型状態方程式

無次元化ヘルムホルツエネルギー

BWR型状態方程式

臨界点測定装置

Experimental apparatus for measuring critical parameters:A view cell; B expansionvessel; C differential pressure null gauge; D differential pressure nullA, view cell; B, expansion vessel; C, differential pressure null gauge; D, differential pressure null indicator; E, agitator; F1, main heater; F2, subheater; G, oil bath; H, nitrogen gas cylinder; P1, P2, pressure gauges; T, Pt resistance thermometer; V, stopvalves; Vac, vacuum line.

PVT性質測定装置デュアルシンカー型磁気浮上密度計

マスコンパレータ（ 精密電子天秤）

荷重交換前後の浮上位置が同じ

磁気的な要因による力の伝達誤差を1/10に抑えることができる

回転 上下動アクチ エ タ

回転・上下動アクチュエータによる電磁石位置の制御

回転・ 上下動アクチュエータ

非磁性高圧セル

異なる密度をもつ二つのシンカー

吸引力と伝達誤差の間の直線関

電磁石

永久磁石

吸引力と伝達誤差の間の直線関係を利用して、伝達誤差を補正することが可能

シリコン単結晶シンカーに加え、荷重交換部

ゲルマニウムシンカー

シリ ンシンカ

Ge単結晶シンカーを採用

質量・表面積を同じにすることで気体密度の測定にも有効

シリコンシンカー

変位センサ・ターゲットPVT標準として2007年度供給開始←

The apparatus --- VLE prperties

TB

PS

PT

CB

ST

PC2

PC1

SR GC

Sample Inlet / Vac.

PTST PC

Vac.

RT

He

VV1

CP3

H2 H1

EC

EV

PR

He at

ion

CP1 CP2

CP4

3

VV4

AB, Air Thermostatic Bath; CB, Circulation Bath; CP1-4,

ABLB

Vac. Vac.

H

pres

sure

riza

VV2

VV3

, ; , ; ,Circulation Pumps; EC, Equilibrium Cell; EV, Expansion Vessel; GC, Gas Chromatograph; H1, 2, Electric Heaters; LB, Liquid Bath; PC, Pressure Computer; PC1, 2, Personal Computers; PRT, Platinum Resistance Thermometer; PS Power Supply; PT PressureThermometer; PS, Power Supply; PT, Pressure Transducer; SR, Stirrer; ST, Slide Transformer; TB, Thermometer Bridge; VV1-4, Hexagon Valves.

最近の取り組み事例 NEDOノンフ ン事業最近の取り組み事例・・・NEDOノンフロン事業

What’s desired for refrigerants? SmallGWP

ZeroODP

Non-flammability

Non-Toxicity

NH3 <1 - △ ×NH3 <1 - △ ×

CO2 1 - ○ ○

HC ~5 - × ○

CFC 10,000 1 ○ ○

HCFC 2,000 ~0.1 ○ ○

C ○ ○HFC 1,500 - ○ ○

HFE 500 - △ ○

HFO 5 - △ ○HFO 5 △ ○

Tradeoff, onnon-flammability = chemically stable large GWPnon flammability chemically stable large GWP

⇔ chemically unstable = flammable small GWP

HFO 1234yf and 1234ze(E)

HFO（hydro-fluoro-orefin）HFC containing C=C bond(s)HFC containing C C bond(s)Short atmospheric lifetime（⇔weak flammability）Similar vapor pressure as R 134aSimilar vapor-pressure as R 134a（ mobile AC refrigerant）

Key propertiesHFC 134a HFO 1234yf HFO 1234ze(E)

GWP 1410 4 6PEL ( ) 1000 400 1000PEL (ppm) 1000 400 1000LFL (vol%) None 6.2 None

UFL (vol%) None 12.3 None

Molecular weight 102 114 114

Boiling pt. -26 ℃ -29 ℃ -19 ℃

CPI 2008 T h i l P H llCPI 2008 Technical Paper, HoneywellIRACC Purdue, 2008

(a2)HFO1234yf混合冷媒の熱物性の測定(a2)HFO1234yf混合冷媒の熱物性の測定サブテーマ：混合冷媒の熱物性測定

PVTx（1相域の密度）性質 VLE(気液平衡）性質PVTx（1相域の密度）性質 VLE(気液平衡）性質

測定装置を新たに開発 測定装置を新たに開発測定装置を新たに開発

混合物に対応

広い温度範囲（-40～100℃以上）

高い測定精度（0.01%）

測定装置を新たに開発

広い温度範囲（-40～100℃以上）

高い測定精度（0.01%）

測定の自動化（将来の混合冷媒探索への対高 測定精度（ ）

温度・圧力・密度の正確さ（計量トレーサビリティを担保）

測定の自動化（将来の混合冷媒探索 の対応）

まとめ

省エネ技術への貢献を目指した熱物性研究

環境親和性冷媒の熱物性評価環境親和性冷媒の熱物性評価

HFCs （R134a, R125, R32 …)自然冷媒 （ CO2・炭化水素 ）自然冷媒 （ CO2 炭化水素…）

低GWP冷媒 （HFO1234yf, HFO1234ze …）

従来の計量標準→実用的な標準データの取得従来の計量標準→実用的な標準デ タの取得

PVT性質, VLE性質, 臨界点, 音速, etc.状態方程式状態方程式

物性計算プログラム・データベース