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エアコンの原理と仕組み・冷房と暖房の原理の違い|温度/加湿

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エアコンの原理と仕組み

今ではどの家にも1台はあるエアコンは、1台で冷房も暖房もでき、快適な生活に欠かせない優れた家電製品です。それではどういった原理で、1台で冷房も暖房もできるのでしょうか。

一般的なエアコンは、部屋の天井付近に設置する室内機のほかに、必ず屋外に設置する室外機が必要です。そして、室内機と室外機は特殊なパイプで繋がっています。

実はこのパイプを通っている物質が、冷房も暖房も可能にしてくれています。まずはこの原理について、簡単に紹介します。

エアコンの冷房の原理は潜熱

理科の授業で、物質には、固体、液体、気体の3つの相があることを習います。そして、温度が低い状態では固体だった物質は、その温度を高くすると、ある温度から液体に変わります。さらに、温度を上げていくと液体は気体に変わります。

そして、物質が液体から気体に変わる際、周囲から熱を奪っていきます。例えば、消毒用のアルコールを肌に塗ると冷たく感じます。これは、液体の消毒用アルコールが蒸発する際、周囲の熱を奪うからです。

この原理は潜熱と呼ばれる現象です。分子同士の結びつきが強い液体から、結びつきを引き剥がされて気体になる際、そのエネルギーとして周囲の熱が使われます。エアコンの他に冷蔵庫なども、この原理を使って冷やしています。

エアコンの暖房の原理は断熱圧縮

外から熱の供給の無い状態で気体を圧縮すると、その温度が高くなることが知られています。これは断熱圧縮と呼ばれる現象です。そして、この原理は、気体の分子は気圧が低いと自由に動けるのに対し、圧力をかけると分子同士が衝突することで熱が発生します。

例えば、ディーゼルエンジンには、ガソリンエンジンのような点火プラグがありません。ディーゼルエンジンは、燃料と空気の混合ガスを、シリンダーの中で圧縮し、その熱で発火させて動力に換えています。

このように、空気を圧縮するだけでもディーゼル燃料が燃えるほどの温度が得られます。エアコンは、モーターの力で気体を圧縮し、断熱圧縮の原理により発生する熱を利用して暖房しています。

エアコンの中の冷媒が冷房と暖房を行う

このようにエアコンは、液体から気体に変化する際に周囲の熱を奪う現象と、気体を圧縮した際に発生する熱を利用して、冷房と暖房を実現しています。

そして、エアコンでは、この原理を効率良く利用するための冷媒と、強力なコンプレッサーとが組み込まれています。この2つは、次のように働いています。まず、冷房は、コンプレッサーが圧縮して室外機がある程度冷やした液体が、室内機の中で気体になる際に熱を奪う現象を利用しています。

また、暖房は、コンプレッサーが圧縮して温度の高くなった液体状態の冷媒の熱を暖房に使い、室外機で気体に戻しています。

熱力学

熱力学の原理では、温度の低い方から温度の高い方に熱が移動することは無い、とされています。しかし、エアコンは、涼しい屋内の熱を夏の暑い外気に捨てたり、寒い屋外の熱を暖かい屋内の暖房に使っています。だからと言って、エアコンが熱力学の原理に逆らった動きをしている訳ではありません。

エアコンは、冷媒の物理現象を使って、室外機の中に、部屋の温度よりも低い状態を作り出し、冷房に使っています。また、暖房では逆に、室外機の中に部屋の中よりも温度の高い状態を作り出します。そのため、室外機だけを見れば、熱力学の原理に沿った働きをします。

エアコンのヒートポンプの原理

エアコンには、ヒートポンプとしての機能があります。なお、ヒートポンプは、温度の低い場所の熱を、エネルギーを使って温度の高いの熱に移動する装置のことです。熱力学の原理に従えば、自然に低い温度の場所から高い温度の場所に熱が移動することはありません。

しかし、エアコンはエネルギーを使うことで、これを可能にしています。なお、これを可能にできた原因は、前に説明したとおり、冷媒とコンプレッサーの働きがあってこそです。

ヒートポンプの原理

熱力学では、理想的な条件では移動してもエネルギーが保存される、という原理が働きます。これは、エアコンが利用している冷媒にもあてはまります。つまり、気体から液体に変化し、液体で温度がそのままで気体に戻した場合、液体にする前と同じ温度ということです。これでは、冷房には使えません。

しかし、圧縮前の気体と圧縮後の液体とでは、その温度が違っています。そして、この温度の差を利用すれば、ヒートポンプとしての利用が可能となります。

温度の高い液体の温度が、夏の暑い時期の気温より低ければ、その気温まで冷やすことで、気体に戻した際の温度はより下がります。逆に、温度の低い気温よりも冬の気温が高ければ、その温度まで上げることで、液体にした際の温度がより高くなる訳です。

エアコンは、この原理を利用して、夏の暑い外気に熱を捨てたり、冬の寒い外気から熱を取り出したりしています。

冷房時のヒートポンプの限界

冷房時におけるヒートポンプの効果は、涼しい部屋の空気の熱を、暑い屋外に移動させる点です。そして、先ほどこの原理を解説したとおり、気体と液体の温度の差を利用して、涼しい場所から暑い場所に熱を移動しています。

しかし、気温の上がる夏の暑い昼下がりは、エアコンの効率が落ちます。これは、冷媒が液体状態の温度と気温との差が小さくなると、冷媒が冷えなくなり、その分気体になった際の冷却効果が落ちてしまうからです。

日本で売られているエアコンは、外の気温が48度になるとモーターの過負荷を避けるリミッターが働きます。もし、その温度になる前にエアコンが冷えなくなったら、冷媒が漏れているなど故障の可能性があります。一度、電気屋さんに見てもらってください。

寒冷地仕様のヒートポンプ

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エアコンの暖房機能では、ヒートポンプを使って冬の寒い屋外の熱を、暖かい部屋の暖房を行います。原理は、冷房と逆で、冷媒を液体から気体に変化させる際に屋外の熱を使い、圧縮した際にその熱を暖房に使います。

エアコンとほぼ同じ構造の冷凍庫は、マイナス18度になるように設定されています。つまり、ヒートポンプの原理を使えば、0度を下回るほどの寒い冬の外気からでも、熱をくみ上げて部屋の暖房に使えます。

実際、一般的なエアコンは、外の気温がマイナス10度でも動作するように作られています。さらに、寒冷地仕様のエアコンでは、マイナス25度でも暖房できるので、エアコンは北国の暖房にも使えます。

エアコンコンプレッサーの原理と役割

これまで解説したとおりエアコンの原理は、圧縮されて液体になった冷媒が気体に変わる熱で冷却し、逆に圧縮した際に得られる熱で暖房を行います。

そして、エアコンのコンプレッサーは、冷媒の圧縮に使われる重要な部品です。これがエアコンの性能の8割を決めるとも言われています。そのため、エアコンを製造しているメーカーは独自の工夫を行い、少ない電力で効率良く圧縮するコンプレッサーを開発しています。

一般的なエアコンのコンプレッサーの構造は、円筒形のケースの中に渦巻き状の部品を2つ使っています。そして圧縮する原理は、1つを固定し、もう1つをモーターで円を描くように高速に動かすことで、冷媒を圧縮して液体に変えています。

なお、気体を圧縮して液体にするには、大きな力が必要です。そのため、エアコンには、消費電力の大きい強力なモーターが使われています。

エアコンの原理図の見方

エアコンを製造しているメーカーのWebサイトなどには、エアコンの原理が図で解り易く表現されています。この図に注目して欲しいのが、室内機から室外機に冷媒が流れることによって、熱を移動している点です。

そして、ほとんどの図では、冷媒を液体から気体に変化させて熱を吸収させ、気体から液体に圧縮して熱を放出させることを、冷媒の流れの中で解説しています。エアコンの原理は、冷媒の移動と相変化がポイントです。ぜひ、この点に注目してください。

冷房と暖房のエアコンの原理の違い

エアコンを製造しているメーカーのWebサイトなどには、エアコンの原理が図で解り易く表現されています。この図に注目して欲しいのが、室内機から室外機に冷媒が流れることによって、熱を移動している点です。

そして、ほとんどの図では、冷媒を液体から気体に変化させて熱を吸収させ、気体から液体に圧縮して熱を放出させることを、冷媒の流れの中で解説しています。エアコンの原理は、冷媒の移動と相変化がポイントです。ぜひ、この点に注目してください。

温度

エアコンは、リモコンで温度を調整できます。エアコンの中の冷やす部分や暖かい部分をその設定温度にしている訳ではありません。エアコンの温度管理の原理は、設定した温度になるまで全開でファンとコンプレッサーを回し、設定温度になったら、ファンとコンプレッサーを止めたり、少しだけ動かすことでその温度を維持します。

なお、今のエアコンの自動設定は、かなり賢い機能が組み込まれています。もし、エコのために風量を弱めにして使っているのなら、ぜひ、自動設定で使ってください。その方が、消費電力を抑えられます。

乾燥

エアコンで冷房した部屋は、乾燥しているので水分補給が欠かせません。これは、エアコンの中で、室温より低い状態を作るため、そこで部屋の水分が結露するためです。なお、エアコンの原理には、湿度は関係ありません。

この結露した水分は、室外機につながったパイプで部屋の外に排出されます。そのため、エアコンから出る風は、乾燥しています。

加湿

先ほどの説明のように、エアコンから出る風は乾燥していますが、ダイキンの高性能タイプでは、加湿して乾燥を防ぐ機種もあります。この加湿の原理は、平温で水分を吸収し、熱を加えると水分を吐き出す物質が関係しています。

具体的には、エアコンで冷やす前に湿気を吸い込む物質に空気中の水分を吸収させます。その後、空気を冷やし、その冷えた空気をファンで吹き出す前に、先ほど吸収させた湿気を、熱を加えて吐き出させて湿度を保っています。

このため、元々空気中にあった水分を使っているので、水を補給する必要はありません。また、この仕組みで放出されるのは、ゴミなどが取り除かれた、きれいな水分という特徴もあります。

空気清浄機能

大抵のエアコンには、冷房も暖房も行わず、風だけを作り出す送風モードもあります。そして、この送風モードの際に、空気清浄を行うモデルも販売されています。

例えば、空気清浄機のプラズマクラスターで有名なシャープでは、この機能を組み込んだエアコンです。このモデルで空気清浄機能を使うことで、エアコン内部のカビの発生も防止できます。そのため、時々この機能を使うことで、きれいな空気で過ごせるようになります。

エアコンの原理は潜熱とボイルシャルルの法則

エアコンの原理は、学生時代に理科や物理の授業で習った内容です。つまり、エアコンの冷える原理は、液体が蒸発する際に周囲の熱を奪う現象で、潜熱と呼ばれます。

また、エアコンの暖める原理は、体積と温度と圧力の関係は一定というボイルシャルルの法則で、気体は、圧力をかけて体積を減らすと温度が高くなります。そして、エアコンが冷房と暖房の両方を、コンプレッサーと冷媒とが実現しています。家庭用のエアコンでも、冷媒が抜けてしまうとエアコンが利かなくなります。

もし、エアコンが冷えなくなったり、暖かくならないと感じたら、冷媒が減っている可能性がありません。このような場合は、修理を依頼してください。

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