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2023.10.25 2026.07.02

３分でわかるフロン冷媒の基礎知識｜種類・環境問題・低GWP冷媒への転換を解説

フロン冷媒の基礎知識

フルオロカーボン（Fluorocarbons）は、炭素（C）とフッ素（F）を含み、種類によって塩素（Cl）や水素（H）などを含む化合物群です。「フレオン（Freon）」はもともと米国デュポン社の商品名で、日本では一般に「フロン」と呼ばれています。

フッ素に関する前回のコラム「３分でわかるフッ素化学入門」の中でもご説明しましたが、フロン類は、化学的に安定で扱いやすく、冷媒、発泡剤、洗浄剤、エアゾール噴射剤など幅広い用途で利用されてきました。特に冷媒としては、熱を効率的に運搬できること、機器材料を腐食しにくいことなどから、空調・冷凍分野で重要な役割を果たしてきました。一方で、CFCやHCFCによるオゾン層破壊、HFCによる地球温暖化への影響など、フロン冷媒は環境問題とも深く関係しています。

本記事では、フロン排出抑制法などで「フロン類」として扱われるCFC、HCFC、HFCを中心に、冷媒の基本原理、フロン冷媒の種類、環境問題、そしてHFO系冷媒や自然冷媒への転換についてわかりやすく解説します。

１．冷媒の作用・原理
２．フロン冷媒の進化と冷媒の種類
３．フロン類によるオゾン層破壊
４．フロン類による地球温暖化と低GWP冷媒への転換
５．まとめ

１．冷媒の作用・原理

冷媒は、冷蔵庫やエアコンなど機器の中で、熱を低温側から高温側へ移動させるために使用されます。

液体が気体になるときには周囲から熱を奪います。逆に、気体が液体になるときには周囲に熱を放出します。
冷蔵庫やエアコンなどの多くの機器は、冷媒の凝縮と蒸発のサイクル（蒸気圧縮冷凍サイクル）を繰り返しながら、冷却を実現します。

冷房の際、エアコンの動きを例として説明します。
室外機では、冷媒蒸気が圧縮機に流入し、圧縮されることで高温高圧のガスとなります。圧縮機から出た冷媒は凝縮器に入り、外気へ熱を放出して、高圧の液体冷媒へと変化します。その後、液体冷媒は膨張弁などで減圧され、低温低圧の状態となって室内機の蒸発器へ送られます。蒸発器では、冷媒が室内空気から熱を奪って蒸発し、室内が冷却されます。熱を受け取った冷媒蒸気は再び圧縮機に戻り、このサイクルを繰り返します。

２．フロン冷媒の進化と冷媒の種類

フロン冷媒は、性能や扱いやすさを重視して利用が広がってきましたが、オゾン層破壊や地球温暖化への影響が明らかになるにつれて、より環境負荷の小さい冷媒へと転換されてきました。
以下では、CFC、HCFC、HFCというフロン冷媒の変遷を整理しながら、近年導入が進むHFO系冷媒や自然冷媒についても紹介します。

（1）CFC（クロロフルオロカーボン）

1920年代末から1930年代にかけて、炭素、フッ素、塩素から成るCFC（クロロフルオロカーボン）が冷媒として開発・実用化されました。

＜代表例＞

CFC-11
CFC-12

化学的に非常に安定で優れた冷媒でしたが、大気中で分解されにくく、成層圏まで到達してオゾン層を破壊することが明らかになりました。
現在では、モントリオール議定書に基づく規制により、CFCを含む特定フロンは段階的に削減され、日本を含む多くの国で生産・消費は全廃されています。

（2）HCFC（ハイドロクロロフルオロカーボン）

CFCの代替として登場したのがHCFC類で、炭素、フッ素、塩素、水素を含むフロンです。

＜代表例＞

HCFC-22

CFCよりオゾン層への影響は小さいものの、HCFCもオゾン層破壊係数（ODP）を持つため、CFCと同じく特定フロンとして規制対象となっています。モントリオール議定書に基づき、HCFCについても段階的な削減・廃止が進められてきました。

（3）HFC（ハイドロフルオロカーボン）

現在も多くの空調・冷凍機器で使用されているのが、塩素を含まず、炭素、フッ素、水素で構成されるHFCです。HFCは、CFCやHCFCの代替として導入されたことから「代替フロン」とも呼ばれます。

＜代表例＞

HFC-134a
HFC-32（R32）
R410A（HFC系混合冷媒）

HFCは塩素を含まないため、オゾン層破壊係数（ODP）はゼロです。一方で、種類によっては地球温暖化係数（GWP：Global Warming Potential）がCO₂の数百倍から数千倍に達するものもあります。そのため、さらなる冷媒転換が求められています。

（4）HFO（ハイドロフルオロオレフィン）

HFOは、HFCに代わる低GWP冷媒の一つとして導入が進んでいるフルオロカーボン系冷媒です。

＜代表例＞

HFO-1234yf
HFO-1234ze

HFOは分子中に炭素－炭素二重結合（C=C）を持つため大気中で分解されやすく、HFCと比較して地球温暖化係数（GWP）が大幅に低い値を示すという特徴があります。そのため、特に自動車用エアコンの冷媒や、一部の空調・冷凍機器向け冷媒として導入が進んでいます。

ただし、HFO系冷媒には微燃性を有するものがあり、使用にあたっては安全性への配慮が必要です。また、環境負荷のさらなる低減に向けて、HFO以外の低GWP冷媒や自然冷媒の開発・導入も進められています。

（5）自然冷媒

環境負荷をさらに低減するため、自然界に存在する物質を利用した自然冷媒の活用も進められています。

＜代表例＞

二酸化炭素（CO₂）
アンモニア（NH₃）
炭化水素（プロパンなど）
水
空気　など

二酸化炭素（CO₂）は温室効果ガスとして知られていますが、冷媒評価の基準物質であり、GWPは1と定義されています。そのため、GWPが数百倍から数千倍に達する多くのHFC冷媒と比較すると、冷媒としての温暖化影響は相対的に小さいと評価されます。

このように、自然冷媒は多くのHFC冷媒と比べてGWPを抑えやすいことから、低環境負荷冷媒として改めて注目されています。

【表1　主な冷媒の種類】

分類	英語名日本語名	主な構成・特徴
CFC	Chlorofluorocarbon クロロフルオロカーボン	Cl（塩素）、F（フッ素）、C（炭素）
HCFC	Hydrochlorofluorocarbon ハイドロクロロフルオロカーボン	H（水素）、Cl（塩素）、F（フッ素）、C（炭素）
HFC	Hydrofluorocarbon ハイドロフルオロカーボン	H（水素）、F（フッ素）、C（炭素）
HFO	Hydrofluoroolefin ハイドロフルオロオレフィン	H（水素）、F（フッ素）、C（炭素）を含み、分子内にC=C二重結合を持つ
自然冷媒	Natural refrigerant 自然冷媒	フルオロカーボンではない低GWP冷媒。 CO₂、NH₃、炭化水素、水、空気など

３．フロン類によるオゾン層破壊

フロン類が最初に大きな環境問題として注目されたのは、オゾン層破壊との関係です。
特に、CFCやHCFCは大気中で分解されにくく、地表付近では安定に存在します。しかし、長い時間をかけて成層圏まで到達すると、強い紫外線によって分解され、塩素ラジカルを発生させます。この塩素ラジカルがオゾンを連鎖的に分解することで、オゾン層の破壊につながります。

オゾン層は、太陽光に含まれる有害な紫外線を吸収し、地球上の生物を守る重要な役割を担っています。そのため、オゾン層の破壊が進むと、人体への健康影響や生態系への影響が懸念されます。
こうした問題を受けて、CFCやHCFCなどのオゾン層破壊係数（ODP）を持つフロン類は、モントリオール議定書に基づいて国際的に規制されてきました。CFCは早い段階で削減・廃止が進められ、CFCの代替として用いられたHCFCについても、段階的な削減・廃止が進められてきました。

このように、冷媒はまず「オゾン層を破壊しにくいもの」へと転換されてきました。その代表が、塩素を含まないHFCです。HFCはオゾン層破壊係数（ODP）がゼロであるため、CFCやHCFCの代替冷媒として広く普及しました。

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４．フロン類による地球温暖化と低GWP冷媒への転換

そもそも「温室効果」「地球温暖化」はどういうものでしょうか？

地球の表面は、主に窒素や酸素などから成る大気に覆われています。大気の中には、水蒸気、二酸化炭素、メタンなどの温室効果ガスが含まれており、これらの気体は赤外線を吸収し、再び放出する性質があります。

太陽から届く光によって地表が温められると、地表は赤外線を宇宙空間に向けて放出します。その赤外線の一部は温室効果ガスに吸収され、さまざまな方向に再放射されます。このうち、地表側へ戻る赤外線によって地表付近が温められる働きを「温室効果」（greenhouse effect）といいます。温室効果をもたらす気体を「温室効果ガス」（greenhouse gas, GHG）といいます（図1）。

［※関連記事：分子構造と振動のタイプからみた温室効果ガスの働きとは？］

【図1　温室効果の仕組み】

温室効果によって、地球表面の平均気温は約14～15℃に保たれています。しかし、産業革命以降、人類が石炭・石油・天然ガスなどの化石燃料を大量に利用するようになり、大気中の二酸化炭素濃度が上昇しました。これにより温室効果が過度に強まり、世界平均気温の上昇、氷河や氷床の融解、海面上昇、極端気象の頻発・激甚化など、さまざまな影響が懸念されています。

フロン類の中には、同じ質量で比較した場合、二酸化炭素よりもはるかに大きな温暖化影響を持つものがあります。この温暖化への影響を比較する指標が、地球温暖化係数（GWP：Global Warming Potential）です。GWPは、ある温室効果ガスが一定期間にどれだけ地球温暖化に寄与するかを、二酸化炭素（CO₂）を1として比較した指標です。

例えば、GWPが1000の冷媒は、同じ質量で比較した場合、CO₂の1000倍の温暖化影響を持つことを意味します。HFCはオゾン層破壊係数（ODP）がゼロである一方で、種類によってはGWPがCO₂の数百倍から数千倍に達します。そのため、機器の使用中や廃棄時に冷媒が大気中へ漏えいすると、少量であっても温暖化への影響が大きくなる場合があります。

このため現在では、HFCから、よりGWPの低い冷媒への転換が進められています。代表的な転換先としては、HFO系冷媒、HFOを含む低GWP混合冷媒、二酸化炭素、アンモニア、炭化水素などの自然冷媒が挙げられます。

【表2　主な冷媒の環境特性】

冷媒分類	オゾン層破壊係数（ODP）	地球温暖化係数（GWP）
CFC	高い	高い
HCFC	CFCより小さいがゼロではない	高い
HFC	0	高い
HFO	0	低い
自然冷媒	0	低いものが多い。（CO₂はGWP=1）

表2に示すように、CFCやHCFCではオゾン層破壊が大きな課題となり、HFCではオゾン層破壊の問題は解消された一方で、GWPの高さが課題となりました。そのため現在は、HFO系冷媒や自然冷媒など、ODPがゼロで、かつGWPの低い冷媒への転換が進められています。

ただし、低GWP冷媒にもそれぞれ課題があります。HFO系冷媒には微燃性を有するものがあり、CO₂は高圧運転、アンモニアは毒性、炭化水素は可燃性といった点に注意が必要です。そのため、冷媒の選定では、GWPの低さだけでなく、冷凍・空調性能、安全性、機器設計、コストなどを総合的に考える必要があります。

また、冷媒の環境負荷を抑えるには、低GWP冷媒への転換だけでなく、機器使用時の漏えい防止、定期点検、廃棄時の適切な回収・再生・破壊も重要です。

５．まとめ

従来のフロン類は、化学的に安定で扱いやすいフルオロカーボン系化合物として、長年にわたり冷媒に利用されてきました。
しかし、その歴史は環境問題への対応の歴史でもあります。冷媒は、CFCからHCFC、HFCへと転換され、現在はHFO、自然冷媒、低GWP混合冷媒など、用途に応じた低GWP冷媒への移行が進められています。

今後も冷媒分野では、高い冷凍・空調性能、環境負荷の低減、安全性、コストをいかに両立するかが重要なテーマとなっています。

（日本アイアール株式会社　特許調査部　H・L）

《引用文献、参考文献》