春が来たので、涼しさが必要かもしれません!

春分の日は太陽が輝き、天気も暖かくなります。

今週、北京の最高気温は20℃に達しました。アイスクリームなどの冷たい飲み物や、冷蔵庫やエアコンなどの冷凍機器は、私たちの日常生活に徐々に浸透してきましたが、これらはすべて、舞台裏で静かに働く冷媒と切り離せないものです。

世界最古の冷蔵庫をご存知ですか？戦国時代の青銅氷鏡（図1）は現在、中国国立博物館に所蔵されている。 『周書霊人』には、「春の初めに鏡を用意する。家の中と外で用意する食事はすべて鏡の中に置く。酒や酒類もすべて同じように用意する。祭祀の際には氷のように冷たい鏡を使用する」と記されている。古代人は、酒を壷に詰め、鏡と壁の間の空間に氷を入れて、春や夏にキンキンに冷えた酒を飲むようにした。

図1 世界最古の冷蔵庫：戦国時代の青銅製氷壷 [3]

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冷媒とは何ですか？機能は何ですか?

冷媒（冷媒とも呼ばれる）は、冷凍サイクル システムで熱を吸収して伝達するために使用される物質です。

一般的な蒸気圧縮冷凍サイクルシステム（図 2）では、冷媒はまず蒸発器（低温ゾーン）で熱を吸収し、次に凝縮器（高温ゾーン）で熱を放出します。同時に、冷媒は蒸発器から凝縮器へ送られ、低温領域から高温領域へ熱を伝達し、低温領域を冷却します。

日常生活において、冷蔵庫（エアコン）に対応する高温帯と低温帯は、冷凍庫・冷蔵庫（部屋）と屋内環境（屋外環境）です。

図2 蒸気圧縮冷凍サイクルの概略図[1,2]

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冷媒にはどんな種類がありますか？

ASHRAE (米国暖房換気空調技術者協会) 規格 34 には 100 種類以上の冷媒が記載されており、化学組成、物理的特性、適用分野、環境への配慮など、さまざまな方法に従って分類できます。詳細については表1を参照してください。

表1 冷媒の分類

一般的な分類方法は、冷媒を化学組成に基づいて無機化合物、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)、炭化水素 (HC) に分類することです。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) は一般にフレオンとして知られています (図 3)。

ハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）冷媒R22

ハイドロフルオロカーボン（HFC）冷媒R32

図3 フロン冷媒製品[4]

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なぜ冷媒が必要なのでしょうか?

冷媒は、エアコン、冷蔵庫、チラーに代表される冷凍機器で熱を吸収・放出することで温度調節を実現しており、現代社会において欠かせない役割を果たしています（図4）。

日常生活においては、家庭用エアコンや冷蔵庫の普及により、人々の生活の質と生産効率が向上しました。食品の保管および輸送業界では、冷蔵および冷凍技術によって食品の鮮度を維持し、商品の保存期間を延ばすことができます。ヘルスケアや生化学の分野では、医薬品、機器、試薬の保管や使用時の温度が適切であることを保証するために冷媒がよく使用されます[5]。氷上および雪上スポーツ会場では、製氷および保管プロセスは冷媒と切り離せません。

図4 冷媒の普及

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冷媒は人体や環境に有害な影響を及ぼしますか？

初期に使用されていた一部の CFC 冷媒は環境に有害であり、オゾン層の破壊や地球温暖化を引き起こしました (図 5)。

そこで、国連はモントリオール議定書を策定し、我が国を含むほとんどの国が1987年8月にこの議定書に署名し、CFC冷媒の使用を段階的に廃止し禁止することになりました。具体的には：

クロロフルオロカーボン（CFC）はオゾン層を破壊し、紫外線を増加させ、生態系と地球の気候に影響を及ぼします。モントリオール議定書ではクラス I 規制物質としてリストされており、2010 年に段階的に廃止され、世界中で禁止されました。

ハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）は、クロロフルオロカーボン（CFC）よりもオゾン層に対する破壊力がはるかに低く、現在、後者の最も重要な過渡的代替物質です。モントリオール議定書に基づき、その一部は2020年または2030年までに段階的に廃止することが義務付けられています。

ハイドロフルオロカーボン（HFC）はオゾン層を破壊しませんが、地球温暖化を引き起こす可能性が非常に高いです。モントリオール議定書ではその使用終了日が指定されておらず、国連気候変動枠組条約の京都議定書ではそれらを温室効果ガスとして分類しています。さらに、クロロフルオロカーボン（CFC）やハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）は、その毒性により皮膚や呼吸器の症状を引き起こす可能性があります。

しかし、新技術の継続的な発展と環境意識の高まりにより、これらの破壊的な冷媒は、環境に優しく、安全で健康的な二酸化炭素や炭化水素（HC）などの新しいグリーン冷媒に徐々に置き換えられてきました。

北京大学の張新栄教授は二酸化炭素の超臨界冷凍システムを利用して冬季オリンピック史上最も環境に優しい氷上トラックを開発し[10]、国家スピードスケート競技場「アイスリボン」（図4d）に適用した。

図5 オゾン層ホールと地球温暖化

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冷媒回収の必要性とは何ですか？

冷媒の使用には、エネルギー効率、環境保護、安全性、コストなど、多くの要素を総合的に考慮する必要があります。

私の国では、冷媒はメタンと亜酸化窒素に次いで3番目に大きな非CO2温室効果ガス排出源であり（図6）、推定年間排出量はCO2換算で5億トンを超えており、そのうち機器の使用、メンテナンス、解体による排出量がライフサイクル全体の総排出量の90％以上を占めています。

冷媒のリサイクルは、大気汚染を減らし、温室効果を軽減し、コストと資源を節約し、持続可能な開発を促進します。

しかし、現在、我が国の冷媒の年間リサイクル量は年間使用量の3％未満であり、先進国に比べて大幅に低い状況です。

この問題の主な原因としては、リサイクルコストの高さ、冷媒ライフサイクル管理システムの欠如、ユーザーや実務者の環境意識の低さなどが挙げられます[13]。

図6：2014年の我が国の非CO2温室効果ガス排出量の割合[14]

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国産冷媒の開発状況はいかがでしょうか？

過去数十年にわたり、我が国の冷媒産業は急速に発展し、急速な成長段階にあります。近年、冷媒の需給関係は徐々に均衡化してきました。

我が国は冷媒の主要生産国（図7）および消費国となっており、持続可能な開発を促進するために冷媒に関する一連の環境保護政策や規制も導入しています（表2）。

例えば、2010 年には、CFC やその他のオゾン層破壊大気汚染物質の使用と生産を制限する「オゾン層を破壊する物質の管理に関する規則」が公布されました。

現在、国産冷媒は、より環境に優しく、省エネで、インテリジェントかつ持続可能な方向へと徐々に発展しています。

図7 我が国のR22およびR32冷媒生産量（2016年から2020年まで）[15]

表2 冷媒関連の政策と規制

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冷媒の国際的開発状況はどうなっていますか？

国際的に、冷媒はグリーン、環境に優しい、エネルギー効率の高い、そして時代の流れに沿った方向へ進化しており、それは主に以下の側面に反映されています。

グリーンで環境に優しい冷媒の使用増加: 初期のクロロフルオロカーボン (CFC) 冷媒は廃止または禁止されており、環境保護要件を満たし、温室効果ガスの排出を削減するために、グリーンで環境に優しい冷媒を使用する国や地域が増えています。

冷凍システムの省エネ最適化：冷凍システムのエネルギー効率を改善し、エネルギー消費を削減することで、ますます厳しくなる省エネと排出削減の要件を満たすことができます。

多機能冷媒の用途拡大：エアコンや冷蔵庫などの従来の分野に加え、ヘルスケア、ライフサイエンス、工業製造などの分野でも冷媒の使用が広がっています。

冷媒回収・再生技術の開発：冷媒回収・再生技術は注目を集めており[16]、日本などの国や地域では強制的な規制や政策が策定されています。

図8 2003年から2018年までの日本における冷媒リサイクルの分野別推移[16]

参考文献:

[1] Wang Ruzhu、Ding Guoliang、Wu Jingyi、他。冷凍の原理と技術[M]北京：サイエンスプレス、2003年。

[2] Shi Wenxing、Wang Baolong、Shao Shuangquan。小型空調ヒートポンプ装置の設計[M]。北京：中国建築出版、2013年。

[3] ブロンズアイスミラー[EB/OL]中国国立博物館、[2023-03-14]。 https://www.chnmuseum.cn/zp/zpml/kgdjp/202008/t20200824_247219.shtml。

[4] 冷媒[EB/OL]山東華安新材料有限公司、[2023-03-15]。 http://www.sdhazl.com/cn/cold.html。

[5] 劉静極低温生体医工学の原理[M]北京：サイエンスプレス、2007年。

[6] 美的冷蔵庫[EB/OL]。 [2023-03-14]. https://www.midea.cn/1/1000000000400692349799.html。

[7] シンガポールへの毛ガニの輸出を支援し、「中国の新鮮な農産物」の海外輸出を可能にした[EB/OL]。 [2023-03-15]. https://intl-img.sf-express.com/zh/xwgg/20171103/838.html。

[8] 凍結保存：応用と進歩[EB/OL]テクノロジーネットワークの細胞科学、[2023-03-15]。http://www.technologynetworks.com/cell-science/articles/cryopreservation-applications-and-advances-349021。

[9] 国立スピードスケート場「アイスリボン」が初の製氷を無事完了した[EB/OL]。新華網、[2023-03-15]。 http://www.xinhuanet.com/politics/2021-01/22/c_1127015176.htm。

[10] 冬季オリンピック対話 |北京大学工学部張新栄氏へのインタビュー：冬季オリンピック史上最も環境に優しい氷雪トラックの開発 [EB/OL]。北京大学、[2023-03-15]。 https://www.coe.pku.edu.cn/newsfocus/topic/11285.html。

[11] GRAY E. NASA、北極のオゾン層が3月に過去最低を記録したと報告[EB/OL]。 NASA、2020-04-15.(2020-04-15)[2023-03-15] .http://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-reports-arctic-stratospheric-ozone-depletion-hit-record-low-in-march.

[12] 過去8年間は記録上最も暖かい8年間であったことが確認された[EB/OL]。世界気象機関、2023-01-11.(2023-01-11)[2023-03-15].https://public.wmo.int/en/media/press-release/past-eight-years-confirmed-be-eight-warmest-record.

[13] 中国人民政治協商会議全国委員会委員唐俊傑：冷媒リサイクルの強化[EB/OL] 2023年全国2回会議、[2023-03-07]。 https://www.spb.gov.cn/gjyzj/2022lhjytap/202303/320e80e1a6db4c62ba9de23762c7d39c.shtml。

[14] 清華大学気候変動と持続可能な開発研究所プロジェクト総合報告書執筆グループ。中国の長期低炭素発展戦略と転換の道筋に関する研究総合報告書[J]。中国の人口・資源・環境、2020年、30(11):1–25。

[15] 高恩元、韓美順。 2020年の中国の冷媒製品市場の分析[J]。冷凍技術、2021年、41(S1):51–59。

[16] 高桓、顧信、丁国梁。冷媒回収・再生の現状分析[J]冷凍ジャーナル、2021年、42(5):17–26。

終わり

出典：北京冷凍協会

寄稿者: 張玄、北京理工大学機械・車両工学部准教授

北京科学技術協会の2023-2025年若手人材支援プロジェクトに選出

編集者: グル