エアコンの仕組みとは?冷暖房をどうやっているか図解で徹底解説!

エアコン冷房

エアコン。

夏や冬にお部屋を快適な温度にしてくれる、とても便利な電化製品ですよね。

こんにちは、地球温暖化の影響で夏が死ぬほど熱くなっている昨今、エアコンは単なる空調機器ではなく生命維持装置なのではないかと思い始めている当ブログ管理人の星野なゆたです。

エアコンの無い生活、今では考えられないですよね。暖房であれば石油やガスストーブなどいくらか変わりはありますが、冷やす方向となる冷房はエアコンしかできません。

地球温暖化の影響で夏が異常な暑さになっており、昼はエアコンを付けなけければ熱中症、夜は熱帯夜でエアコン無しでは暑すぎて眠れないといったようにエアコンの必要性はどんどん高まるばかりです。

そんなエアコンで気になることの一つに、いったいどうやって冷暖房を行っているのか?ということがあります。

リモコンのボタン一つ、ピっと押したら冷房も暖房も行ってくれる優れモノのエアコン、どうやったらこんなことができるのか気になることもあるかと思います。

そこでこのページでは、実は本業ではエアコンも扱っていて、エアコンのプロでもある星野なゆたが、エアコンの仕組みについて図解を用いて詳しくお伝えしていきたいと思います(^^)

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エアコンの仕組みの概要

それでは、早速ではありますがエアコンの仕組みをざっくりと説明したいと思います。

エアコンの仕組みを一言で説明すると、下記の通りです。

エアコンの仕組み

ヒートポンプという技術を使って、部屋の空気の熱を外に捨てることによって冷房したり、逆に外の空気の熱を部屋に送り込むことによって暖房したりして部屋の空調を行っている。

そう、エアコンは部屋の空気の熱を外に捨てたり、逆に外の空気の熱を部屋に送り込んで冷暖房を行っていたのですね!

しかし、ここである疑問が生まれます。

冷房の際は、部屋の中よりも外の空気の方が温度が高いです。また、暖房の時は逆で部屋の温度よりも外の空気の方が温度が低いです。

中学の理科で熱は温度が高い方から低い方へ伝わると習ったはずなので、外の空気とどうやって熱のやりとりをしているのかとても不思議に思います。

でも実際には冷えたり暖まったりしているので何かしらの技術が詰まっているのではと思って調べてみたら、「ヒートポンプ」という技術がそれを可能にしていました!

ここからはそんなヒートポンプとはどんな技術なのかと、超詳細なエアコンの仕組みについてお話していきます。

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ヒートポンプとは?

ヒートポンプ、普段の生活ではなかなか聞きなれない言葉ですよね。この単語がお出ましすることはまずありません。

そこでまずは、エアコンの仕組みの詳細を説明する前にヒートポンプがどのような技術なかのというイメージについてお伝えしようと思います。

ヒートポンプの「ヒート」という単語は「熱」という意味なので、ヒートポンプは熱のポンプという意味になります。ポンプと言えば、水などの液体を運ぶ機械でおなじみですよね。

そして普通のポンプもヒートポンプも役割としては非常に似ているため、それぞれ比べながらヒートポンプについて説明します。

まずは、普通の水の場合。

A池とB池という池があり、B池はA池よりも高いところにあったとします。

池の例1

この場合、A池の水をB池に移したいと思ったら、重力で水は高いところから低いところに流れるので、何もしないで自然に移すことはできないですよね。

しかしながら、下図のようにポンプを使ってみたらどうでしょうか?

池の例2

ポンプを使ってA池の水をB池よりも高いところに汲み上げてやれば、晴れてA池の水をB池の水に移すことができますよね。

実は、ヒートポンプ技術もこれと全く同じよう形で熱の移動を行っています。

イメージとしては、このような感じです。

◆冷房の時

エアコンの仕組み2

冷房の際は、部屋の空気の熱をヒートポンプで汲み上げて外の空気に捨てることにより、部屋の空気を冷やします。

◆暖房の時

エアコンの仕組み1

暖房の際は、外の空気の熱をヒートポンプで汲み上げて、部屋の空気を暖めます。

このように、水の場合のポンプと同様にヒートポンプを使って熱を汲み上げて、本来移動するはずのない低い温度の空気から高い温度の空気の方へと熱を移動させているのですね。

ポンプで水を汲み上げるときに水の位置を高くしていますが、ヒートポンプで熱を汲み上げるときにはその温度を高くします。

こうやって、エアコンは冷暖房を行っていたのですね。

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超詳細なエアコンの冷暖房の仕組み

前章ではヒートポンプ技術とはどのような技術なのかそのイメージについて説明しました。

そこでヒートポンプとはどういった技術なのかは分かったのですが、水のポンプと違って熱を汲み上げるって実際どうやってるのか、なかなかイメージしづらいですよね。

ここからは、ヒートポンプ技術をどのように使ってエアコンが冷暖房を行っているのか、超詳細に説明していきたいと思います!

エアコンの冷暖房の仕組みの図

まずは、分かりやすいようにヒートポンプ技術を使ってエアコンが冷暖房を行う仕組みを図にしてみました。

◆冷房の時の図

エアコンの仕組み4

◆暖房の時の図

エアコンの仕組み3

エアコンが冷暖房を行うためののヒートポンプ技術に必要な部品は、圧縮機・四方弁・膨張弁・室内熱交換器・室外熱交換器の5つです。

そしてこの5つの部品が一つの回路になっていて、その回路の中を熱を運ぶ役割をしている冷媒ガスが流れて熱を運んでいます。

この5つの部品の中の室内熱交換器に入ってきた冷媒ガスと部屋の空気を熱交換させて、エアコンは空調を行っているのですね。

それではここから、ヒートポンプに必要な各部品と冷媒の役割について、さらに詳しく説明していきます。

圧縮機

圧縮機はコンプレッサとも呼ばれており、冷媒ガスを流すためのポンプの役割と、冷媒ガスの温度を上げるための2種類の役割があります。

圧縮機では冷媒ガスを流すために、戻ってきた冷媒ガスを圧縮して圧力を上げてから次の熱交換器に冷媒を送り込んでいます。

このとき冷媒ガスの圧縮は、物理学で「断熱圧縮」と呼ばれている方法で圧縮を行っているのですが、この断熱圧縮を行うと、冷媒ガスの圧力が上がると同時に温度も上がるという現象が起こります。

それを利用して、冷媒ガスを圧縮して圧力を高めると同時に、冷媒ガスの温度を上げているのですね。

また、圧縮機で断熱圧縮を行う際に使った電力は、機械的なロスを除けば全て熱エネルギーに変わって冷媒ガスに移動します。

この熱エネルギーは暖房の時は有効に利用できますから、室内熱交で部屋を暖めるための熱として有効活用されます。しかしながら、冷房の時は暖める方向となる熱エネルギーは使えませんから、室外熱交換器から不要な熱として一緒に捨てられてしまいます。

このように、ヒートポンプサイクルで冷暖房と行うと、圧縮機によって生まれた熱エネルギーが暖房の時には使えるけど冷房の時には使えないという現象が起こるため、暖房運転をしたときの方が冷房運転をした場合よりも圧縮機を動かす電力分ほど効率が高くなります。

四方弁

四方弁は、圧縮機から送られてきた冷媒ガスの流れを切り替えるための部品です。

通常、ヒートポンプは暖めるか冷やすかのどちらかしかできませんが、この四方弁で流れを切り替えることによって冷房と暖房の両方を可能にしているのです。

圧縮機から送られた来た高温の冷媒ガスを、暖房の際は室内熱交換器に、冷房の際は室外熱交換器に流します。

膨張弁

膨張弁は、冷媒ガスの温度を下げるための部品です。

圧縮機で高温になったガスを、膨張弁を通すことによって冷媒ガスを低温にします。

膨張弁は、圧縮機によって行わた断熱圧縮の逆である「断熱膨張」と呼ばれている方法で冷媒の温度を下げています。断熱圧縮とは逆で、断熱膨張を行うと冷媒ガスの圧力が下がるのと同時に温度も下がります。

圧縮機によって高圧になった冷媒ガスを、膨張弁の中のとても狭い流路を通すことによって圧力を急激に下げます。そうすると、高圧でぎゅうぎゅうに抑え込まれていた冷媒ガスの圧力が下がって一気に膨張するのですが、その際に温度が下がるのですね。

室内熱交換器

室内熱交換器は、冷媒ガスと室内の空気を熱交換させて部屋の空調を行うための熱交換器です。

冷房の際は、膨張弁を通って冷たくなった冷媒ガスと熱交換させて部屋の空気を冷やします。

暖房の際は、圧縮機から出てきた高温の冷媒ガスと熱交換させて、部屋の空気を暖めます。

室外熱交換器

室外熱交換器は、外の空気へ熱を捨てたり、逆に外の空気から熱を吸収したりするための熱交換器です。

冷房の際は、圧縮機から出てきたたくさん熱エネルギーを持った冷媒ガスと外の空気を熱交換させて、外の空気へ熱を捨てます。

暖房の際は、膨張弁を通って外の空気より冷たくなった冷媒ガスと外の空気を熱交換させて、外の空気の熱を吸収します。

冷媒ガス

冷媒ガスはヒートポンプ回路の中に封入されていて、熱を運ぶ役割をしているガスです。

これまでに説明した圧縮機、放熱用熱交換器、膨張弁、冷却用熱交換器の中をくるくると回っていて、せっせと熱を運んでいます。

冷媒ガスとして使われるガスは、冷媒ガスとしては最も有名なフロンです。フロンはその安全性と熱交換効率の高さから、家庭用エアコンにはぴったりの冷媒ガスです。

ひと昔前は「R22」というフロンが主流でしたが、このフロンは太陽からの有害な紫外線から地球を守ってくれる大切なオゾン層を破壊してしまうことが分かって、2000年代に入って使用されることはほとんどなくなりました。

そして、2000年代に入ってからは代替えのフロンとして「R410A」というフロンが使われるようになりました。このフロンは、先代の「R22」と違ってオゾン層を破壊する原因となっていた塩素原子が含まれておらず、オゾン層を破壊しないフロンとして広く使われるようになりました。

さらに直近の2016年ごろから、もっと新しい「R32」というタイプのフロンが使われるようになりました。実は「R410A」はオゾン層こそ破壊しないものの、何と地球温暖化の主犯として扱われている二酸化炭素の約2000倍もの温室効果があったのです。

そこで、フロンも破壊せずに温室効果がより少ない「R32」に切り替わり始めました。

といっても、「R32」も二酸化炭素の約700倍というかなりの温室効果があります。しかし、2000倍ある「R410A」と比べたら3分の1くらいになりますので、こちらが採用されているのですね。

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更に詳しく!冷媒ガスの熱の運び方冷媒ガスがどうやって熱を運んでいるのか、もうちょっと深堀してみていきたいと思います。水と違って、熱ってどうやって運んでいるのかなかなか分からないですからね。

 

実は冷媒ガスは、主に「潜熱」という熱を使って熱を移動させています。潜熱とは、水が水蒸気になるときのような、液体⇔気体といった状態変化が起こるときに発生する熱です。

 

同じ温度でも、液体と気体では気体の方が熱エネルギーが高いので、液体を気体に変えようと思ったらより多くの熱エネルギーを与えなければなりません。水でいったら、沸騰させているときの状態ですね。

 

この現象を巧みに使って、冷媒ガスは熱を運んでいるのです。

 

圧縮機を出発した高温高圧の冷媒ガスは、まずは放熱用熱交換器(冷房なら室外側、暖房なら室内側)に送り込まれます。この時の冷媒ガスは気体の状態で送り込まれるのですが、放熱用熱交換器の中で熱が奪われて次々に気体から液体に変わっていきます。このときに、大量の潜熱を放出して熱を捨てているのですね。

 

そして高温高圧の液体の状態に変わった後で、膨張弁に入ります。膨張弁を通ることによって、高温高圧の液体だった冷媒ガスが、今度は低温低圧の液体に変わります。

 

次はその低温低圧になった液体を吸熱用熱交換器(冷房なら室内側、暖房なら室外側)に送り込んで、冷媒を次々に蒸発させます。このときに、蒸発するために必要な大量の潜熱を周りの空気から奪って蒸発しているので、空気からみるとどんどん熱が奪われて冷却されていくのですね。

 

最後に、低温低圧の気体になって吸熱用熱交換器から出てきた冷媒が圧縮機に戻って、めでたく一周という流れになります。

 

このような仕組みで、冷媒ガスは熱を運んでいたのですね。

エアコンの効率

これまで説明した通り、実はエアコンは空気の熱を移動させることによって冷暖房を行っています。

ではエアコンの電力は何に使われているのかといういうと、主に中に入っている冷媒ガスをクルクルと回すためのエネルギーとして使われています。

そしてエアコンの効率は、実際に使った電力に対して、どのくらいの割合で部屋の空調を行うことができたかで決まります。

近年のエアコンの進歩はすさまじく、今では何と使った電気の約4倍のエネルギー量の空調を行うことができます。使った電力より多くのエネルギー量の空調ができるのは、外の空気との熱のやり取りを行うことで冷暖房をするヒートポンプのなせる技ですね。

家庭の中で、エアコンは最も電気を消費する電気代がかかる大きな原因の一つとしてみられがちですが、実は使った電気の何倍も空調することができる、とても省エネ性能の高い電化製品だったのです。

まとめ

以上で、エアコンの仕組みについての説明を終わります。まとめると、下記の通りです。

  • エアコンは、ヒートポンプという技術を使って部屋の冷暖房を行っている
  • ヒートポンプで熱を汲み上げることによって、低い温度の空気から高い温度の空気へ熱を移動させている
  • エアコンのヒートポンプは、圧縮機・四方弁・膨張弁・室内熱交換器・室外熱交換器の5つの部品で構成されている
  • 上記の5つの部品の中を、冷媒ガスが回って熱を運んでいる

エアコンの仕組みは、こんなにも奥が深かったのですね!

エアコンは単純に電力を使って冷暖房を行っているのではなく、ヒートポンプ技術を使って部屋の空気と外の空気の熱を上手に移動させて冷暖房を行ったいたのです。

まだまだこれから、生きていく上でエアコンのお世話にはなり続けると思います。もし次にエアコンを使う機会があったら、どうやってエアコンが冷暖房を行っているのかイメージしながら使ってみるのも面白いかもしれないですね(^^)

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