電動車用渦巻圧縮機の高精度シミュレーションモデルを開発
電動車（EV）の普及が進む中、走行距離の伸び悩みを解消するための技術革新は、バッテリーやモーターにとどまらず、空調システムの熱管理技術にも及んでいる。特に寒冷地での暖房は、バッテリーからの電力消費が大きく、走行可能距離を著しく低下させる要因となる。この課題を解決するために、多くの自動車メーカーが採用しているのが「補気式渦巻圧縮機」を搭載したヒートポンプシステムである。この技術は、圧縮途中に中間圧力の冷媒を再注入することで、暖房能力を高めると同時に、圧縮機の排気温度上昇を抑制する。しかし、その設計と最適化には、実際の動作状態を正確に予測できるシミュレーションモデルが不可欠だった。
長年、圧縮機の性能予測には、断熱的で理想的な「等エントロピー過程」を仮定した簡易モデルが広く用いられてきた。このモデルは計算が速く、概算の性能評価には便利だが、現実の物理現象を十分に反映していない。実際の圧縮機では、回転する動スクロールと固定された静スクロールの間に微細な隙間があり、高圧側から低圧側への「内部漏れ」が生じる。また、高温の冷媒ガスと金属製のスクロール本体の間で「熱交換」が行われ、ガスの温度や圧力に影響を与える。これらの現象を無視した等エントロピーモデルでは、暖房能力を過大評価し、排気温度を過小評価する傾向があり、設計上の誤差が生じる原因となっていた。
この課題に対し、上海理工大学の胡家雲（HU Jiayun）、苗言明（MIAO Yanming）、谭明飞（TAN Mingfei）、张斌（ZHANG Bin）、李超（LI Chao）、何其泽（HE Qize）、王佳韵（WANG Jiayun）、李康（LI Kang）らの研究チームは、画期的な進展をもたらした。彼らが学術誌『流体机械』（Fluid Machinery）に発表した研究では、内部漏れと熱交換の両方を統合的に考慮した一次元シミュレーションモデルを提案し、その精度を実験的に検証した。この研究は、EV用補気式渦巻圧縮機の設計プロセスを根本から変える可能性を秘めている。
研究の核心は、従来の理想化されたモデルから、現実の物理現象に忠実なモデルへのパラダイムシフトにある。研究チームが開発した新しいモデルは、圧縮機の主軸の回転角度を非常に細かい単位に分割し、各角度ごとに質量保存則とエネルギー保存則に基づく詳細な計算を行う。まず、質量のバランスでは、吸気口から入る冷媒、補気口から注入される冷媒に加え、スクロール間の隙間から漏れる「内部漏れ」の質量も厳密に計算される。漏れ量の計算には、隣接する圧縮室間の圧力差に基づくオーリフィス流の理論が用いられ、流れが音速に達する「遮断流」か、それ以下の「亜音速流」かを判別して、より現実に即した漏れ量を推定する。
次に、エネルギーのバランスでは、圧縮によって加熱された冷媒ガスが、周囲のスクロール壁面に熱を奪われる「熱交換」の影響を組み込む。研究チームは、螺旋管熱交換器の実績ある相関式を応用し、冷媒ガスと壁面の間の対流熱伝達係数を算出。この係数を用いて、各回転角度で交換される熱量を計算し、圧縮室内のガスの温度変化に反映させる。このように、質量の損失（漏れ）とエネルギーの損失（熱交換）という二つの主要な損失要因を、時間（角度）の関数として動的にモデル化することで、従来の静的な等エントロピーモデルとは比べものにならないほどの精度を実現した。
この高精度モデルの信頼性を裏付けるために、研究チームは厳密な実験を実施した。対象としたのは、実際にEV向けに開発された短リードの補気式渦巻圧縮機（排気量38cm³/r）である。実験装置は、性能測定の国際的基準とされる「二次冷媒量熱器法」を採用。これは、圧縮機の放熱量を、別の冷媒（R123）を用いた精密な量熱器で直接測定する方法で、測定精度が非常に高い。
実験条件は、EVが直面する最も厳しい環境の一つである「低温ヒートポンプ名義暖房工況」を想定。蒸発温度は-15℃、凝縮温度は35℃とし、圧縮機の回転数を5,000rpmと6,000rpmの2パターンでテスト。さらに、補気圧力を0.18MPaから0.33MPaまで5段階に変化させ、補気なしの状態も含めた幅広い条件下で性能を測定した。使用冷媒は自動車用に一般的なR134aである。
その結果、シミュレーションと実験の一致度は驚くほど高かった。暖房能力、圧縮機消費電力、暖房COP（性能係数）、排気温度など、すべての主要性能パラメータにおいて、シミュレーション値と実測値の最大誤差は8%以内に収まった。特に、圧縮機回転数5,000rpmの条件下では、暖房能力の誤差は4.3%、排気温度の誤差は2.1%という非常に高い精度を達成した。これは、従来の等エントロピーモデルが同一条件下で20%もの誤差を生じていたことと比べると、劇的な改善である。
この研究の成果は、技術的な側面だけでなく、開発プロセスの効率化という点でも大きな意義を持つ。高精度のシミュレーションモデルがあれば、設計段階で数多くの仮想的なプロトタイプを試すことができる。スクロールの形状、補気口の位置や大きさ、運転条件などを、実機を組み立てる前に最適化できる。これにより、開発サイクルの短縮と、試作費用の大幅な削減が可能になる。また、排気温度を正確に予測できることは、圧縮機の過熱による故障を未然に防ぐ上で極めて重要であり、製品の信頼性向上にも直結する。
さらに、研究チームは興味深い現象も観察している。補気圧力を高めると、一見して排気温度が下がると思われがちだが、ある圧力を超えると逆に排気温度が上昇する「リバウンド」が見られた。これは、補気圧力が高すぎると、補気される冷媒自体の温度が、圧縮途中の室内のガス温度よりも高くなるため、注入された冷媒が室内のガスを逆に「加熱」してしまうためである。この知見は、補気圧力を最適化するための制御アルゴリズムの開発に不可欠な情報となる。
この研究は、上海理工大学のエネルギー・動力工学部、新エネルギー車熱管理総合評価ラボ、上海調査設計研究院、そして応急管理部上海消防研究所といった、学術と実用の両面の専門家が協力して成し遂げられた。特に消防研究所の関与は、高効率化だけでなく、圧縮機の過熱や火災リスクといった安全性の側面も重視した研究姿勢を示している。
今後の展望として、このモデルはR1234yfやCO₂（R744）といった、次世代の低地球温暖化係数（GWP）冷媒への適用が期待される。また、単体の圧縮機だけでなく、エバポレータ、コンデンサ、膨張弁を含むシステム全体のシミュレーションに統合することで、EVのバッテリー冷却、モーター冷却、キャビン空調を最適化する統合熱管理システムの設計を加速する可能性がある。
結論として、胡家雲らの研究は、EV用補気式渦巻圧縮機の設計に新たな地平を切り開いた。内部漏れと熱交換という現実の物理現象を精緻に取り入れたこのシミュレーションモデルは、開発者の直感や経験に頼る部分を減らし、科学的で定量的な設計を可能にする。これは、より効率的で信頼性の高いヒートポンプシステムの実現に貢献し、結果としてEVの走行距離の延伸と、寒冷地での快適性の向上に繋がっていくだろう。
胡家雲、苗言明、谭明飞、张斌、李超、何其泽、王佳韵、李康。電動車用補気式渦巻圧縮機の内部漏れと熱伝達を考慮した熱力学的研究。流体机械、2024年、52巻11号：97-104。doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2024.11.013