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NIST REFPROP データベーススキル

NIST REFPROP（Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties）データベースを使用して、高精度の熱力学特性および輸送特性を照会します。REFPROP は、熱物性計算の業界標準です。

概要

NIST REFPROP は、米国国立標準技術研究所（NIST）が開発した業務用グレードの熱物性データベースです。次の機能を提供します。

• 純粋流体：最高水準の精度を備えた147種類以上の純粋流体
• 混合物：高度な混合則に対応した既定の混合物およびカスタム混合物
• 冷媒ブレンド：温度グライドを伴う、一般的な冷媒ブレンドすべて
• 輸送特性：粘度、熱伝導率、表面張力
• 熱力学特性：エンタルピー、エントロピー、密度、比熱
• 相平衡：混合物の VLE、LLE、VLLE 計算
• 最高水準の精度：実験測定値との照合によって検証された、参照品質のデータ

REFPROP は、次の用途における業界および研究の標準です。

• 最高水準の精度が求められる重要なエンジニアリング設計
• 他の物性ライブラリの検証（CoolProp は REFPROP を用いて検証されています）
• 複雑な相挙動を伴う混合物の計算
• 温度グライドを伴う冷媒ブレンドの用途
• 研究および論文品質のデータ

ライセンス

商用ライセンスが必要です

NIST REFPROP は無料でもオープンソースでもありません。NIST からライセンスを購入する必要があります。

• 標準ライセンス：約300米ドル（買い切り）
• 学術機関向け価格：教育機関向けに提供
• 購入先：https://www.nist.gov/srd/refprop

ライセンスに含まれるもの：

• REFPROP ソフトウェア（Windows GUI）
• 流体データベースファイル
• Excel アドイン
• FORTRAN/DLL ライブラリ
• Python ラッパーとの互換性

重要な注意事項：

• ライセンスはユーザー単位で、永続的です（買い切り）
• 約5年間、アップデートと新しい流体ファイルが提供されます
• 商用アプリケーションではライセンスが必要です
• 再配布は禁止されています

インストール

ステップ1：REFPROP を購入してインストールする

1. NIST から REFPROP ライセンスを購入します：https://www.nist.gov/srd/refprop
2. REFPROP をダウンロードしてインストールします（通常は C:\Program Files (x86)\REFPROP\ にインストールします）
3. インストール先のディレクトリパスを控えます

ステップ2：Python ラッパーをインストールする

pip install ctREFPROP

ctREFPROP パッケージは、ctypes を使用して REFPROP の Python インターフェースを提供します。

ステップ3：RPPREFIX 環境変数を設定する

Python ラッパーが REFPROP のインストール先を認識できるようにする必要があります。

Windows：

# PowerShell
$env:RPPREFIX = "C:\Program Files (x86)\REFPROP\"

# Or set permanently via System Properties > Environment Variables

Linux/Mac：

export RPPREFIX="/path/to/REFPROP/"

Python（別の方法）：

import os
os.environ['RPPREFIX'] = r'C:\Program Files (x86)\REFPROP'

ステップ4：インストールを確認する

from ctREFPROP.ctREFPROP import REFPROPFunctionLibrary

# Initialize REFPROP
RP = REFPROPFunctionLibrary(os.environ['RPPREFIX'])
RP.SETPATHdll(os.environ['RPPREFIX'])

# Test query
print(RP.RPVersion())

利用可能な流体

REFPROP には、クラス別に分類された147種類以上の純粋流体が含まれています。

一般的な工業用流体

• 水（H₂O）- IAPWS-95 の定式化
• 空気 - 乾燥空気の混合物
• 二酸化炭素（CO₂）
• 窒素（N₂）
• 酸素（O₂）
• アルゴン（Ar）
• ヘリウム（He）
• 水素（H₂）

炭化水素（40種類以上）

• アルカン：メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン（異性体を含む）
• アルケン：エチレン、プロピレン、ブテン
• 芳香族化合物：ベンゼン、トルエン、キシレン
• 環状化合物：シクロヘキサン、シクロペンタン

冷媒（60種類以上）

• CFC：R11、R12、R13、R113、R114、R115
• HCFC：R22、R123、R124、R141b、R142b
• HFC：R23、R32、R125、R134a、R143a、R152a、R227ea、R236fa、R245fa、R365mfc
• HFO：R1234yf、R1234ze(E)、R1233zd(E)、R1336mzz(Z)
• 自然冷媒：R717（アンモニア）、R744（CO₂）、R290（プロパン）、R600a（イソブタン）
• ブレンド：R404A、R407C、R410A、R507A、R407F、R448A、R449A、R450A、R513A

極低温流体

• ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン
• 水素、重水素、パラ水素
• 窒素、酸素、フッ素
• メタン、エタン（LNG の成分）

特殊流体

• シロキサン：D4、D5、D6、MD2M、MD3M、MD4M、MDM、MM（ORC 用途）
• アルコール：メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール
• その他の有機化合物：アセトン、ベンゼン、トルエン
• 無機化合物：アンモニア、二酸化硫黄、硫化水素

流体の完全な一覧については、reference.md を参照してください。

物性の照会

主な機能

REFPROPでは、CoolPropとは異なる関数呼び出しを使用します。

from ctREFPROP.ctREFPROP import REFPROPFunctionLibrary
import os

# Initialize
RP = REFPROPFunctionLibrary(os.environ['RPPREFIX'])
RP.SETPATHdll(os.environ['RPPREFIX'])

# Define fluid
MOLAR_BASE_SI = RP.GETENUMdll(0, "MOLAR BASE SI").iEnum
fluid = "WATER"

# Single component
r = RP.REFPROPdll(fluid, "TP", "D;H;S;CP;CV;W;VIS;TCX", MOLAR_BASE_SI, 0, 0, 298.15, 101.325, [1.0])

# Access results
density = r.Output[0]      # kg/m³
enthalpy = r.Output[1]     # J/kg
entropy = r.Output[2]      # J/kg/K
cp = r.Output[3]           # J/kg/K
cv = r.Output[4]           # J/kg/K
sound_speed = r.Output[5]  # m/s
viscosity = r.Output[6]    # Pa·s
conductivity = r.Output[7] # W/m/K

入力仕様

コード	物性	単位
TP	温度、圧力	K、kPa
TH	温度、エンタルピー	K、J/kg
TS	温度、エントロピー	K、J/kg/K
TD	温度、密度	K、kg/m³
PH	圧力、エンタルピー	kPa、J/kg
PS	圧力、エントロピー	kPa、J/kg/K
PD	圧力、密度	kPa、kg/m³
TQ	温度、クオリティ	K、-
PQ	圧力、クオリティ	kPa、-

出力物性

コード	物性	単位
D	密度	kg/m³
H	エンタルピー	J/kg
S	エントロピー	J/kg/K
U	内部エネルギー	J/kg
CP	熱容量（定圧）	J/kg/K
CV	熱容量（定積）	J/kg/K
W	音速	m/s
VIS	粘度	Pa·s
TCX	熱伝導率	W/m/K
KV	動粘度	m²/s
PRANDTL	プラントル数	-
STN	表面張力	N/m
P	圧力	kPa
T	温度	K
Q	クオリティ（蒸気割合）	-

1回の呼び出しで、複数の物性をセミコロン区切りで指定できます："D;H;S;CP;VIS;TCX"

混合物の計算

REFPROPの大きな強みの1つは、高度な混合物処理機能です。

# Define mixture by components and mole fractions
fluid = "METHANE;ETHANE;PROPANE"
z = [0.9, 0.07, 0.03]  # Mole fractions (must sum to 1.0)

# Query mixture properties
r = RP.REFPROPdll(fluid, "TP", "D;H;S", MOLAR_BASE_SI, 0, 0, 250.0, 5000.0, z)

混合物の機能：

• 混合物に最大20成分を指定可能
• 高度な混合則（GERG-2008、Kunz-Wagnerなど）
• ゼオトロープ混合物の温度グライド計算
• 気液平衡（VLE）計算
• 一部の系での液液平衡（LLE）計算

CoolPropに対する利点

CoolPropは優れた無料のライブラリですが、REFPROPには次の利点があります。

1. より高い精度

• REFPROPは、ほかのライブラリが検証に使用する基準標準です
• 特に臨界点付近で、より精密な状態方程式を使用します
• 輸送物性の相関式がより優れています
• 代表的な精度：密度は0.01％、CoolPropは0.1％

2. より多くの流体

• 純物質が147種類以上（CoolPropは約120種類）
• 最新の冷媒をすべて網羅（HFO：R1234yf、R1234ze、R1233zdなど）
• 工業用および特殊化学物質をより多く収録
• 新しい流体を頻繁に追加

3. 優れた混合物処理

• より優れた混合則（GERG-2008、高度なモデル）
• 複雑な非理想混合物を処理
• ゼオトロープ冷媒混合物の温度グライドに対応
• VLE/LLE計算
• 最大20成分に対応（CoolPropの混合物対応は限定的）

4. より広い物性範囲

• より広い温度・圧力範囲で有効
• 外挿時の挙動がより優れています
• 極端な条件でも、より信頼性の高い結果が得られます

5. 追加機能

• 湿度計算（湿り空気計算）
• フラッシュ計算（PT、PH、PSなど）
• ヤコビアンを用いた飽和物性計算
• 補助方程式
• 擬似純物質流体の近似

6. 公式サポート

• NIST（米国国立標準技術研究所）が保守
• 技術サポートを利用可能
• 最新の研究成果を反映した定期的な更新
• 論文掲載に適した品質の結果

REFPROPとCoolPropの使い分け

次の場合はREFPROPを使用してください：

• 最高精度が必要な場合（±0.01％）
• 複雑な混合物を扱う場合
• 最新の冷媒データ（HFO）が必要な場合
• 論文執筆や重要な設計作業の場合
• 商用ライセンスの予算がある場合
• ゼオトロープ混合物（温度グライド）を扱う場合

次の場合はCoolPropを使用してください：

• 予算に制約がある場合（無料／オープンソース）
• 基本的な物性値が必要な場合（±0.1％の精度で許容できる場合）
• 純物質のみを扱う場合
• オープンソースライセンスが必要な場合
• 迅速なプロトタイピングを行う場合

検証に関する注記： CoolPropはREFPROPを基準に検証されており、REFPROPが基準標準であることを確認できます。

一般的なワークフローの例

from ctREFPROP.ctREFPROP import REFPROPFunctionLibrary
import os

# Setup
os.environ['RPPREFIX'] = r'C:\Program Files (x86)\REFPROP'
RP = REFPROPFunctionLibrary(os.environ['RPPREFIX'])
RP.SETPATHdll(os.environ['RPPREFIX'])

MOLAR_BASE_SI = RP.GETENUMdll(0, "MOLAR BASE SI").iEnum

# Query water at 25°C, 1 bar
fluid = "WATER"
T = 298.15  # K
P = 100.0   # kPa

r = RP.REFPROPdll(fluid, "TP", "D;H;S;CP;VIS;TCX", MOLAR_BASE_SI, 0, 0, T, P, [1.0])

print(f"Water at {T} K, {P} kPa:")
print(f"  Density: {r.Output[0]:.4f} kg/m³")
print(f"  Enthalpy: {r.Output[1]:.2f} J/kg")
print(f"  Entropy: {r.Output[2]:.2f} J/kg/K")
print(f"  Cp: {r.Output[3]:.2f} J/kg/K")
print(f"  Viscosity: {r.Output[4]*1000:.4f} mPa·s")
print(f"  Conductivity: {r.Output[5]:.4f} W/m/K")

エラー処理

REFPROPはエラーコードとメッセージを返します。

r = RP.REFPROPdll(fluid, "TP", "D", MOLAR_BASE_SI, 0, 0, T, P, z)

if r.ierr > 0:
    print(f"Error {r.ierr}: {r.herr}")
elif r.ierr < 0:
    print(f"Warning {r.ierr}: {r.herr}")
else:
    print(f"Success: {r.Output[0]}")

単位

REFPROP では CoolProp とは異なる単位規約が使用されます。

デフォルトの単位（MOLAR BASE SI の場合）：

• 温度：K（ケルビン）
• 圧力：kPa（キロパスカル） - 注：CoolProp では Pa が使用されます
• 密度：kg/m³
• エンタルピー：J/kg
• エントロピー：J/kg/K
• 粘度：Pa·s
• 熱伝導率：W/m/K

利用可能な単位系：

• SI（モル単位）
• SI（質量単位、上記のデフォルト）
• 英国単位
• カスタム単位

ベストプラクティス

1. ctREFPROP をインポートする前に、必ず RPPREFIX を設定してください
2. 各呼び出しの後に ierr を確認し、エラーの有無をチェックしてください
3. 正確な流体名を使用してください（大文字と小文字を区別します。FLUIDS ディレクトリにある名前を使用してください）
4. 混合物の組成を事前に計算してください（合計が 1.0 になる必要があります）
5. RP インスタンスをキャッシュしてください - 繰り返し初期化しないでください
6. 各相領域に適した入力ペアを使用してください
7. 最初に既知の値と照合して結果を検証してください
8. エラーメッセージを読んでください - REFPROP は詳細な診断情報を提供します

参考資料

公式リソース

1. NIST REFPROP ウェブサイト

   • URL: https://www.nist.gov/srd/refprop
   • 購入とダウンロード

2. REFPROP ドキュメント

   • インストールに含まれています
   • インストールディレクトリ内の REFPROP.pdf

3. ctREFPROP ドキュメント

   • URL: https://github.com/usnistgov/REFPROP-wrappers/tree/master/wrappers/python
   • GitHub: https://github.com/usnistgov/REFPROP-wrappers

主な論文

• Lemmon, E.W., Bell, I.H., Huber, M.L., McLinden, M.O. (2018). "NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 10.0", National Institute of Standards and Technology.

サポート

• NIST サポート：[email protected]
• 課題トラッカー：https://github.com/usnistgov/REFPROP-issues
• フォーラム：https://groups.google.com/g/refprop

クイックリファレンス

# Initialize
from ctREFPROP.ctREFPROP import REFPROPFunctionLibrary
RP = REFPROPFunctionLibrary(os.environ['RPPREFIX'])
RP.SETPATHdll(os.environ['RPPREFIX'])
MOLAR_BASE_SI = RP.GETENUMdll(0, "MOLAR BASE SI").iEnum

# Pure fluid
r = RP.REFPROPdll("WATER", "TP", "D;H;S", MOLAR_BASE_SI, 0, 0, 300.0, 101.325, [1.0])

# Mixture
r = RP.REFPROPdll("METHANE;ETHANE", "TP", "D;H;S", MOLAR_BASE_SI, 0, 0, 200.0, 5000.0, [0.9, 0.1])

# Check for errors
if r.ierr != 0:
    print(f"Error/Warning: {r.herr}")

---

NIST REFPROP は、熱物性値のゴールドスタンダードです。商用ライセンスが必要ですが、最高の精度、混合物の計算、または出版物に掲載できる品質の結果が求められる用途では、その投資に見合う価値があります。オープンソースの代替手段については、coolprop-db スキルを参照してください。