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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

初回公開日:2018年03月28日

更新日:2020年08月20日

記載されている内容は2018年03月28日時点のものです。現在の情報と異なる可能性がありますので、ご了承ください。

また、記事に記載されている情報は自己責任でご活用いただき、本記事の内容に関する事項については、専門家等に相談するようにしてください。

エアコンは、1台で冷房も暖房もできる家電製品です。では、どうやって、冷房と暖房の両方を実現しているかご存知でしょうか。特殊な装置が組み込まれいる訳ではありません。誰もが学生時代に習う物理現象を利用しています。ここではエアコンの原理について解説します。

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

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
※画像はイメージです

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

冷房時のヒートポンプの限界

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
※画像はイメージです

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

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
※画像はイメージです

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

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
※画像はイメージです

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

Latests