冷蔵庫の仕組みとは?ヒートポンプという技術で中を冷やしてた!

冷蔵庫

冷蔵庫。

戦後の日本において、白黒テレビ・洗濯機と合わせて「3種の神器」として登場して以来、私たちの生活に無くてはならないものになっている家電製品の一つですね。

こんにちは、冷蔵庫と言えばドラゴンボールのフリーザを思い浮かべる当ブログ管理人の星野なゆたです。(正確には、フリーザは冷蔵庫ではなく冷凍庫という意味ですが……)

冷蔵庫の無い生活、今では考えられないですよね。冷蔵庫のおかげで、様々な食材を腐らせずに長期間保存できています。冷蔵庫の無い時代、どうやって食べ物を保管していたのか不思議なくらいです。

そんな冷蔵庫で気になることの一つに、いったいどうやって冷蔵庫の中を冷やしているのか?ということがあります。

暖める方向であればヒーターを使えば簡単にできそうですが、冷やすってどのような仕組みでやっているのか不思議に思います。

そこで今回は、冷蔵庫の仕組みについて徹底的に調べてみました!

このページでは、私が徹底的に調べて分かった冷蔵庫の仕組みについて、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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冷蔵庫の仕組みの概要

それでは、早速ではありますが冷蔵庫の仕組みをざっくりと説明したいと思います。

冷蔵庫の仕組みを一言で説明すると、下記の通りです。

冷蔵庫の仕組み

ヒートポンプという技術を使って、冷蔵庫の中の熱を冷蔵庫の外へ捨てることによって冷やしている。

そう、冷蔵庫の中の熱を冷蔵庫の外に捨てることによって、冷蔵庫の中を冷たい空間にしていたのですね!

しかし、ここである疑問が生まれます。

冷蔵庫の外は冷蔵庫を置いてあるお部屋の温度になっているはずで、これは冷蔵庫の中の温度の方がずっと温度が低いです。

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、冷蔵庫の中の熱をより温度の高い冷蔵庫の外へ捨てるというのはとても不思議に思います。

でも実際には冷え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、超詳細な冷蔵庫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、冷蔵庫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。

冷蔵庫の説明1

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。

そうすると汲み上げた熱の温度よりも部屋の空気の温度の方が低くなるので、めでたく冷蔵庫の空気の熱を部屋の空気に捨てることができるのですね。

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超詳細な冷蔵庫を冷やす仕組み

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冷蔵庫の中を冷やしているのか、超詳細に説明していきたいと思います!

冷蔵庫を冷やす仕組みの図

まずは、分かりやすいようにヒートポンプ技術を使って冷やす仕組みを図にしてみました。

冷蔵庫の説明2

冷蔵庫を冷やすためのヒートポンプ技術に必要な部品は、圧縮機・膨張弁・放熱用熱交換器・冷却用熱交換器の4つです。

そしてこの4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るのです。

この4つの部品の中の冷却用熱交換器に冷蔵庫の空気を当てることによって、冷蔵庫の中の空気を冷やしているのですね。

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放熱用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。

放熱用熱交換器

放熱用熱交換器は、冷媒ガスの熱を捨てるための熱交換器です。

圧縮機によって高温になった冷媒ガスを、部屋の空気と熱交換させて部屋の空気に熱を捨てます。

ここで、冷蔵庫の中から汲み上げた熱を放熱しているのですね。

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。

冷却用熱交換器

冷却用熱交換器は、冷たくなった冷媒ガスを利用して、冷蔵庫の中の空気を冷やすための熱交換器です。

膨張弁によって、冷媒ガスの温度を冷蔵庫の中の温度よりも冷たくなっています。

すると、熱は高い方から低い方へ移動しますので、冷蔵庫の中の熱が次々と冷媒ガスの方へ流れていきます。

このようにして、冷蔵庫の中の温度を下げることが可能になっているのですね。

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、昔はエアコンと同じフロンが冷媒ガスとして使われていることが多かったです。

しかしながら、フロンはオゾン層の破壊や地球温暖化(フロンは二酸化炭素の1000倍くらい温室効果がある)といった側面であまり環境に良いとは言えなかったため、今ではフロンを使わないノンフロンの冷媒ガスが主流になっており、「イソブタン」というガスが最も良く使われています。

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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冷却用熱交換器に送り込んで、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冷却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。

 

まとめ

以上で、冷蔵庫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。

  • 冷蔵庫は、ヒートポンプという技術を使って中の空気を冷やしている
  • ヒートポンプで熱を汲み上げることによって、温度の低い冷蔵庫の中から温度の高い部屋の空気へ熱を捨てている
  • 冷蔵庫のヒートポンプは、圧縮機・膨張弁・放熱用熱交換器・冷却用熱交換器の4つの部品で構成されている
  • 上記の4つの部品の中を、冷媒ガスが回って熱を運んでいる

冷蔵庫の仕組み、調べてみたらとても面白かったです!

人類の歴史上、何か暖めるということは火を使えば簡単にできるのでとても昔から行われてきましたが、何かを冷やすということはとても難しく、近年になってヒートポンプ技術が開発されるまでできないことでした。

今では冷蔵庫を使って簡単に物を冷やすことができますが、これも全てヒートポンプ技術のおかげだったのですね!

こんな素晴らしい技術がある時代に生まれたことに感謝しながら、これからは冷蔵庫を使っていきたいですね(^^)

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