環境負荷を抑えて涼しく過ごす：天然冷媒の特許データ分析

冷媒は、冷凍および空調システムで使用される化学物質です。冷媒は熱を吸収し、それを循環的に移動させることで空気または物体を冷却します。

冷媒は一般的に沸点が低いため、比較的低温で蒸発して周囲の環境を冷却することができます。冷媒は液体の状態では熱を吸収して蒸発し、ガスになります。その後、圧縮と凝縮のプロセスを経て、冷媒は熱を放出して液体の状態に戻り、次のサイクルに備えます。

優れた冷媒は、ほとんどのシステムや環境で適切に機能するために、さまざまな特殊な物理的および化学的特性を兼ね備えている必要があります。特に、優れた冷媒は、高い蒸発圧、高い臨界温度、低い凝固温度、または高密度液体などの特性を備えている必要があります。また、安定性、安全性、非腐食性、非毒性、そしてもちろん環境を劣化させないなどの特殊な化学的特性も備えている必要があります。

天然冷媒とは何ですか?

自然冷媒は、自然界に存在する冷媒として使用される分子です。これらは、最初の冷蔵システムで使用されていました。しかし、技術が進化するにつれて、可燃性、毒性、腐食などの問題を克服するように設計された人工の合成冷媒に置き換えられました。最もよく使用される自然冷媒は、アンモニア(NH3 – R717)、二酸化炭素(CO2 – R744)、 炭化水素(プロパン R290 やイソブタン R600a など) です。水 (H2O、R718) や空気 (R729) などの代替物も、自然冷媒のカテゴリに分類されます。

特許データ分析は、技術の将来を予測するのに役立つなど、イノベーションに関する貴重な洞察を提供します。この部分では、天然冷媒、HFO、その他の低 GWP HFC を含む低 GWP 冷媒の特許出願から、主要な業界プレーヤー、主要な研究開発および市場セクターなど、これらのガスの将来について何がわかるかを説明します。当社の特許検索は、低 GWP ガスと、それらを使用する冷却システムまたは空調システムに焦点を当てています。

天然冷媒の特許データ分析

この技術におけるイノベーションと研究開発活動を理解するために、当社独自のIP インテリジェンス ソフトウェアを使用してマクロ検索を実行しました。IPコンサルティング サービスの専門知識を使用して収集された特許を分析することで、この分野におけるイノベーションと投資に関する魅力的なグローバルな洞察を作成することができました。

特許動向はこの分野の現状について何を教えてくれるでしょうか?

合計で、このデータベースには過去 20 年間に出願された 2,000 件を超える特許ファミリーが含まれています。特許出願動向を見ると、最初の 10 年間は革新があまり見られなかった分野が、2016 年から 2019 年にかけて活動が活発化し、年平均成長率 (CAGR) が 20% を超えたことがわかります。

おそらくこの増加は、2014年に最初に施行されたEU Fガス規制改正（No 517/2014）による規制に関連していると思われます。この規制では、HFCの段階的削減目標や、特定の高GWP冷媒の完全禁止など、HFCやその他のフッ素化ガスの使用に対して厳しい措置が課されました。さらに、2016年には、前述のキガリ改正がありました。これは、2019年に先進国で最初に開始される、HFCの段階的削減に関する世界的な合意です。

しかし、2020年に始まったCOVID-19による世界的な経済減速により、これらの年の優先順位がわずかに変化した可能性があり、充填の増加は長くは続かなかった。2022年には、動きが再び活発化しているようで、2023年に向けてすでに多くの充填が登録されている。

このデータベースの重要な特徴は、訴訟や異議申し立ての数が比較的多いことです。この数は、この規模と年齢の一般的なデータベースの 2.5 倍です。これらの異議申し立てや訴訟は主に、合成低 GWP ガスに関する特許をめぐって発生しており、この分野の最大手企業が関与しています。実際、これらの訴訟の約 3 分の 2 は、Honeywell、Chemours、Arkema の 3 社のみに関係しています。

優先国出願は、研究開発が行われている国で最も頻繁に行われるため、このデータを見ると、どの国が最も革新的で、どの国が自国の発明を保護しようとしているかがわかります。よくあることですが、中国は出願件数の 3 分の 1 以上を占める主要な革新国です。

よくあることですが、ヨーロッパは優先地域よりも保護国で代表されることが多く、これはヨーロッパが重要な世界市場であるだけでなく、環境保護や気候変動対策の規制やソリューションの採用の先駆者でもあるからです。実際、ジョンソンコントロールズで20年以上勤務した後、最近退職したアレクサンダー・C・パチャイ氏は次のように述べています。「持続可能な規制、特に冷凍冷蔵分野の規制に関しては、中国はヨーロッパで起こっていることを非常に注意深く追っています。 」これは、この巨大な市場と分野全体の将来にとって正しい方向への飛躍につながる可能性があります。

以下のグラフは、当社のデータベースにおける上位 13 社の充填材譲渡先を示しています。上位のアクターのほとんどは、ダイキン、格力電器、パナソニック、三菱、キャリアなどの冷凍システム製造の大手企業、および/または冷凍ガス製造会社 (ハネウェル、ケマーズ、メキシケム、アルケマ) です。

最近の活動は大きく異なります。2017 年以降、特許の 30% 未満しか取得していない企業 (サンデン、メキシケム、デンソー、キャリア) がある一方で、同じ期間にポートフォリオの大部分 (70% 以上) を取得している企業 (ダイキン、ケマーズ、パナソニック、出光など) もあり、この分野で今後起こる変化に備えているようです。

また、同じ規模と年齢の他のデータベースと比較すると、主要なアクターが自らを非常に強く引用していることにも気付きました。これは、紛争や反対の数が多いことからわかるように、このドメインの競争が激しく、プレーヤーがお互いを綿密に監視しているという事実を裏付けています。

予想通り、ガス業界の大手企業であるケマーズ社とハネウェル社の特許が最も多く引用され、最も多くの訴訟案件を抱えています。ダイキンはこれらの企業を頻繁に引用しています。なぜなら、同社の機器やシステムはこれらの企業のガスで動作できるからです。実際、ダイキンの特許の大半は、必ずしも天然冷媒ではないものの、あらゆる種類の低 GWP 冷媒について言及しています。

したがって、ここでは、低 GWP ガスおよびシステムの市場は非常に競争が激しく、冷却および空調システムの需要が世界的に増加しているため、成長が見込まれていることがわかりました。

当社のデータベースでは、CO2 は最も多くの特許 (データベースの 30%) で言及されているガスであり、過去 10 年間で特許出願件数が最も増加したガスでもあります。プロパンは当社のデータベースで 2 番目に多く使用されているガスですが、特許件数は CO2 の半分以下です。

さらに、CO2 はこれまでで最も独立して議論されている冷媒であり、特許の 3 分の 2 以上が冷却システムの潜在的なガスとして CO2 に言及していますが、CO2 のみに言及しており、他の冷媒については言及していません。これは、システムが CO2 専用に設計されていることを示しています。これは、CO2 の物理的特性に対応するために特別なシステムと圧力処理が必要であることを考えると、CO2 の特性と関連している可能性があります。

しかし、商業・産業用冷暖房用 CO2 システムの設計・製造会社である ADVANSOR の CTO 、ケネス・バンク・マドセン氏によると、これらの結果は、CO2 が非常に効果的で主流の冷媒として採用されることに反するものではないとのことです。同氏は、「低温のニーズがあるため、CO2 は産業用システムでますます多く使用されています。さらに、CO2 は高圧のニーズにもかかわらず、ほぼすべての用途に使用できます」と述べています。

プロパンも当社のデータベースでよく議論されていますが、特許の約半分はCO2です。さらに、既存のシステムで簡単に使用したり、他の炭化水素に置き換えたりできるため、他のガスと組み合わせて言及されることがよくあります。特に、モバイルエアコンと電気自動車（EV）バッテリー冷却の戦いでは、プロパンが最前線に立つ可能性があります。実際、STELLANTISのCO2排出削減戦略ディレクターであるCarloandrea Malvicino氏は、「プロパンはEVに最適」であると確信しており、「 CO2は非常に暑い夏の条件ではあまり効果的ではないため、自動車メーカーにとって世界的なソリューションにはなり得ません」および「プロパンは安価で、車1台に必要なのは200〜250gだけです」と述べています。彼は可燃性の問題を却下し、今日では50リットルのガソリンを何の躊躇もなく車に入れていることも指摘しています。

合成ガス（HFO および HFC）に関しては、2019 年以降、充填量がわずかに減少していることが認められますが、これはより自然な冷媒への移行を反映しているのかもしれません。今後数年間は、特許出願が市場のニュースに反応するのを観察するのが興味深いでしょう。

国際エネルギー機関 (IEA) の予測によると、2010 年から 2050 年の間に、空調と冷房の需要は非 OECD 諸国では 4.5 倍、OECD 諸国では 1.3 倍に増加すると予想されています。地域、国、世界レベルで制定された法律や取り組みにより、新しい冷媒と関連システムの市場は大きく拡大しています。

従来のフッ素系冷媒から持続可能な代替品、特にアンモニア、二酸化炭素、炭化水素などの天然冷媒への移行は今後も続くだけでなく、加速すると予想されます。実際、システム負荷が低いことによる環境への好ましい影響と、GWP 値がゼロに近づくことと相まって、地球温暖化への直接的な影響はごくわずかです。

冷凍の専門家へのインタビューの結果、私たちは主に次の 3 つの結論に達しました。

• 天然冷媒の採用には技術的な障壁はなく、すべてが存在し機能しています。存在する唯一の障壁は次のとおりです。
  • トレーニング/教育と基準の適応、
  • 大手企業（特に合成冷媒組成物を保護する特許を持つ化学企業）へのロビー活動、
  • 化合物の入手可能性（たとえばアフリカ）。
• CO2 とプロパンは非常に用途が広く、小型冷蔵から工業設備まで、幅広い用途で使用されています。
• 概念実証を反映したプロジェクトは数多くあり、引用した例はすべてすでに実装され、完璧に機能しており、あらゆる種類の冷媒（CO2、プロパン、プロペン、アンモニア、水など）が使用されています。

例えば、ユルゲン・ズースは「 Fガスの最高効率は常に天然冷媒に勝る」と述べ、 「Fガスはもう必要ない」とも述べています。

実際、Fガス規制などの政策は、高GWP冷媒の段階的な廃止と削減を推進し、より環境に優しい代替品の使用を奨励しています。業界は、このパラダイムシフトに適応する方法を見つける必要があります。EUがFガスの普遍的な制限を採用することを決定した場合、冷媒が延期されるかどうかに応じて、代替品の実装に5年から15年かかる可能性があります。ただし、延期される可能性があるのは、商業的な代替品がない場合、または代替品の生産規模拡大に時間が必要なアプリケーションの場合のみであり、天然冷媒はすでに実行可能な代替品のようです。企業や消費者がより環境に優しい温度制御オプションを求めているため、産業用冷却、商業用冷蔵、家庭用電化製品などの分野で天然冷媒の採用が増加すると予想されます。

特許動向は、市場調査や専門家へのインタビューと併せて、研究やイノベーションの傾向、市場に関する貴重な洞察を提供することができます。この低 GWP 冷媒と自然冷媒の特許データ分析がそれを実証してくれることを期待しています。この分野や他の技術分野における特許活動に関する詳細な洞察、または具体的なアドバイスやサポートについては、 Questel IPコンサルティングチームにお問い合わせください。

今後の洞察については、リソース ハブおよびウェビナーとイベントのセクションで当社の出版物やウェビナーをフォローしてください。