コラム②エアコンってどんな仕組み？

こんにちは！mashimacです。
今回のコラムでは夏冬の家庭で大活躍するエアコンの仕組みについて
さらっとまとめました。よかったら見ていってください。

エアコンの内部はヒートポンプという機構が搭載されています。
ヒートポンプに着目して話を進めていきたいと思います。

・ヒートポンプとは？

一般に、低温の物体から高温の物体に熱を運ぶことができる
物質を冷媒といいます。
そして、冷媒の蒸発と凝縮を利用して熱を移動させる装置を
ヒートポンプといい、
冷・暖房に用いられるエアコンはヒートポンプの代表例の一つです。
冷媒を移動させるのに加えたエネルギーに対して、より多くの熱エネルギーを運搬できるので、かなり高いエネルギー効率です。

・ヒートポンプの原理

気体状態の冷媒を圧縮機で加圧すると、温度は上がり
高温・高圧の気液平衡の状態になります。
(断熱圧縮)

これを、熱交換機に通すと、周囲への多量の凝縮熱
を放出し、冷媒は液体状態になります。
これを狭い隙間から噴出させると、
急激に圧力が下がり、冷媒の一部が気体になり、温度も下がります。
(断熱膨張)

低温、低圧の気液平衡の状態の冷媒を熱交換機に通すと、
周囲から多量の蒸発熱を奪い、気体状態になります。

・エアコンの熱効率

ヒートポンプの性能を示す成績係数COPは
加熱時に運搬された熱エネルギーをQ kJ
冷媒を移動させるのに要した電気エネルギーをL kJ
とすると
COP=Q/L

石油ストーブのCOPは0.8～0.9に対して
電気エアコンのCOPは5～6です。
エアコンのヒートポンプの性能の良さがよくわかります。

・冷媒について

冷媒の沸点が低いほど蒸発しやすく、蒸気圧は大きいので、冷媒能力は
大きいです。
一方で、沸点が低すぎると凝縮が困難になるため、冷媒としては不適です。
ちょうどよい沸点を持つ冷媒がひつようなんですね。
したがって、冷媒は揮発性物質であって、沸点は常温よりやや低い程度のものがいいとされています。
また、蒸気圧は大きいほうが冷媒能力が大きくなります。

窒素N2は沸点が低すぎるので冷媒として不適です。
プロパンC3H8は沸点はちょうどいいですが、
発火するおそれがあるため、心配です。
アンモニアNH3は沸点、蒸発熱とも申し分ない候補ですが、金属を腐食してしまう恐れがあります。
そこで、これまではフロンCCl2F2が理想的な冷媒として利用されてきました。しかし、フロンにはオゾン層の破壊作用と温室効果に問題があります。
現在、地球環境にやさしい天然物由来の冷媒(二酸化炭素CO2や水H2Oなど)を用いたヒートポンプの開発が進められています。

・まとめ

今回は、エアコンの仕組みについてヒートポンプを解説し、まとめました。
ヒートポンプは自動販売機などにも使われており、我々の生活を豊かにしてくれています。また、今後も生活に関連したコラムもまとめたいと思っています。ではまた。