冷凍サイクルの原理（エアコン設計の基礎）

冷凍サイクルの原理 ～エアコン設計の基礎～ URL http://matsui-ss.com/ （２０２２年３月作成）

目次 前書き・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ p.2 冷凍サイクル概要 ・・・・・・・・・・・・・・・・・p.3 蒸発器 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・p.4 凝縮器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ p.5 圧縮機と膨張弁 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・p.6 1

前書き みなさんの家や職場、また、駅やビルの中など、あらゆるとこ ろに空調機は設置されています。空調機やクーラーの仕組みを ネットで調べてみると、「冷凍サイクル」「ヒートポンプ」など の言葉が挙がってきます。 それらの原理は多くの記事や書籍でも紹介されていますが、 「なぜ冷媒を使うのか？」「圧縮機はなぜ必要なのか？」などの 問いに答えてくれるものはそれほど多くないと思います。本資料 では、そのような素朴な疑問を解消することを目的とします。 ※本資料はなるべく簡単に説明することを心掛けて作成しました。 詳しい説明は別途市販書等をご参考ください。 2

冷凍サイクル概要 ネットや書籍にて冷凍サイクルを調べると、以下の様な説明が 書かれていることが多いと思います。 【冷房時の冷凍サイクル】 高温・高圧気体 低温・低圧気体 室外へ 圧縮機 室内から 熱を放出 熱を奪う 凝縮器 蒸発器 膨張弁 中温・高圧液体 低温・低圧液体 「冷媒において、蒸発器によって低温・低圧の液体が低温・低 圧の気体となり、次の工程では圧縮機により高温・高圧への気体 と変化し、そのあと凝縮器により中温・高圧の液体へと変化する。 その後、膨張弁によって低温・低圧の液体へと変化し、再び蒸発 器によって低温・低圧の気体へと変化する。蒸発器における気化 熱により室内の温度が奪われ、冷房となる。一方、室内から奪っ た熱は凝縮器にて室外に放出される。」というのが一般的な説明 だと思います。 本資料では、「上記の説明を聞くとトータルでうまくいくこと は何となくわかったけど、なぜそれぞれの機器が必要なのかいま いちピンとこない」という方に向けて説明を試みます。 3

蒸発器 昔の冷蔵庫は電気式でなく、氷を使ったものだったといいます。 断熱された入れ物の中に氷が入っており、水へと溶ける際の融解 熱で冷蔵庫の中身を冷やしていました。 氷 昔の冷蔵庫のイメージ 氷（固体）⇒水（液体）の状態変化によって 冷やしたいものから熱を奪う 現在の冷蔵庫では氷の代わりに一般的に「冷媒」という、通常 液体の物質のものが使われています。冷媒は液体のため取扱いが 容易で、また、低い温度で液体から気体へと蒸発する性質を持ち ます。氷の場合は“固体⇒液体“の状態変化に伴う融解熱により周り の温度を下げていましたが、冷媒の場合は”液体⇒気体”の状態変化 によって温度を下げます。簡単な例を以下に図示します。 弁 気体となった冷媒 冷媒 液体⇒気体の状態変化によって 周囲から熱を奪う 内部を十分高圧に保ったボンベ内に、液体の冷媒を入れておき ます。弁を開けると冷媒は大気中に放出され、大気圧下では気体 に状態変化します。このときに周囲から熱を奪うため、周りの温 度は低下します。これでも冷蔵庫として使用できますが、冷媒を 常に補充してやる必要があり経済的ではありません。なお、上記 の様に冷媒を内部で液体から気体に蒸発させる機器を、蒸発器と 呼びます。 4

凝縮器 冷媒が大気中に開放されず、また戻ってきて再利用できるよう な仕組みがあれば経済的です。そこで以下の様な装置を考えます。 熱を奪って気体となった冷媒 冷却水投入 周囲へ 周囲から 熱を放出 熱を奪う 冷却水放出 凝縮器 蒸発器 先ほどの蒸発器から出た冷媒（熱を奪って気体の状態）を、冷 却水によって冷却することで元の冷たい液体状態の冷媒に戻しま す。このとき、冷却水によって冷媒が気体から液体に凝縮される 機器を凝縮器と呼びます。 上記の装置によって、冷媒を再利用しながらモノを冷やすこと ができるようになりました。しかし、ここでふと疑問が浮かびま す。「そもそもその冷たい冷却水でモノを冷やしたら良いので は・・・？」 5

圧縮機と膨張弁 要するに、熱を奪って気体となった冷媒を液体に戻したいので すが、それには２つのアプローチがあります。温度を下げるか、 圧力を上げるかです。圧力が上がるとより高い温度でも気体が液 体へと変化します。そこで、圧力の効果を追加するために以下図 の様に圧縮機を装置に組み込みます。すると、凝縮器で使用する 冷却水の温度がさほど低くなくても冷媒が気体から液体へ凝縮し ます。また、これでは圧力が高いままなので、冷媒の圧力を低下 させるために膨張弁を、冷媒が液体へ凝縮した後の段階で組み込 みます。 冷却水投入 圧縮機 周囲へ 周囲から 熱を放出 熱を奪う 冷却水放出 凝縮器 蒸発器 膨張弁 膨張弁では“オリフィス”と呼ばれる細い穴を通ることで、 圧力が低下します。 膨張弁のオリフィス 高圧 低圧 以上のことから、ページ３で示した装置の通りとなりました。 6