国際社会の環境意識の高まりに伴い、オゾン層破壊や温室効果の問題が継続的かつ広範に注目されており、ますます多くの学者が環境に優しい冷媒に注目しています。CO2は単純で入手が容易、安全で信頼性が高く、熱伝達性能および流動性に優れていることから注目されています。本稿では、CO2気液二相小型膨張機の研究進展を分析・総括し、循環内で節流弁をCO2膨張機に置き換えることでシステムの冷凍効率を効果的に向上できることを明らかにしました。計算の結果、膨張機付きの臨界超越CO2循環は、冷凍および加熱効率がそれぞれR134a循環より6.9％、4.6％、節流弁付き循環より25.76％、16.17％高いことが示されました。CO2膨張機の等熵効率が高いほど、システムの冷凍および加熱効率は大きくなり、等熵効率が32％を超える場合、CO2膨張機付きシステムの性能は再生器付きシステム性能を上回ります。異なるCO2膨張機は構造の違いにより効率、漏れ、摩擦損失が異なり、ピストン式やローター式膨張機は構造が単純ですが漏れ損失が比較的大きいです。一方、スライド羽根式、回転羽根式、スクロール式膨張機は効率が大幅に向上していますが、構造が複雑で製造が煩雑かつ生産コストが高いです。また、現在存在する課題に対して、漏れや摩擦損失を減らす合理的な設計、圧縮機への圧縮動力の供給、膨張過程中の他気体の添加、調整可能な膨張比のCO2膨張機設計などの解決策が提案されています。現在、CO2膨張機の研究は主に実験室レベルに集中しており、工学的応用は少ないです。今後は実験と理論を結合させ、CO2膨張機の効率向上や主要部品技術開発の課題をさらに研究する必要があります。

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