熱交ドリル

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ヒートポンプサイクル

ヒートポンプとは

通常、熱は高温から低温に移動します。例えばお湯をコップに入れて放置しておくと、時間とともに温度が下がります。これはお湯の熱が、温度の低い周囲(空気)に移動するためです。
ヒートポンプはこの逆で、温度の低いところから高いところに移動することをいいます。

身近にあるヒートポンプ

ヒートポンプを利用した身近なものにエアコンがあります。
エアコンは冷房時に冷えた空気、暖房時に温かい空気をつくりますが、これらはヒートポンプ技術が活用されています。ここではその原理を説明します。

【冷房時】
夏の暑い日にエアコンを付けると冷たい空気が流れて室内が涼しくなります。この原理はエアコン内部を流れるフロン冷媒が室内機で室内空気の熱を奪い、その熱を室外機で外気に排出しているためです。概略フローは下図の通りです。
次に、具体的にどのような現象が起こっているかを説明します。なお、温度は仮の条件です。

室内機にある熱交換器(冷房時は蒸発器)に流れ込んできた液体のフロン冷媒が室内空気と熱交換します。熱交換器でフロン冷媒は空気から熱を受け取って蒸発し、空気は自らの熱をフロン冷媒に与えるため、温度が下がります。これにより室内が20[℃]に保たれます。

空気から熱を受け取った冷媒は熱を外気に放出するため、室外機に流れます。
この時、室内機を出た冷媒の温度は5[℃]程度に対し、外気温度は真夏であれば30[℃]以上になります。この状態では外気よりも冷媒温度のほうが低いため、冷媒は熱を外気に放出することができません。
それを可能にするのが圧縮機です。冷媒を圧縮することで温度が70[℃]まで上昇して外気よりも温度が高くなるため、冷媒は室外機にある熱交換器(冷房時は凝縮器)で外気と熱交換して熱を放出することができます。熱を放出した冷媒は凝縮して高温の液体となり室内機の熱交換器に戻ります。

但しこの時は冷媒の方が室内空気よりも温度が高いため、熱交換器で空気の熱を奪うことができません。そこで熱交換器の前に膨張弁を設けます。冷媒が膨張弁を通過すると減圧する為、5[℃]程度の温度まで下がります。そして熱交換器に流れてサイクルを繰り返します。

【暖房時】
冬の寒い日にエアコンを付けると暖かい空気が流れて室内が暖まります。この原理は冷房時と逆で、エアコン内部を流れるフロン冷媒が室外機で外気の熱を奪い、その熱を室内機で室内に排出しているためです。

室内機にある熱交換器(暖房時は凝縮器)に流れ込んできた気体の冷媒が室内空気と熱交換します。熱交換器で冷媒は空気に熱を与えて凝縮し、空気は冷媒から熱を受け取って温度が上がります。これにより室内が25[℃]に保たれます。

この後、冷媒は外気より熱を受け取るため、室外機に流れていきますが、熱交換器を出た冷媒の温度は40[℃]程度に対して外気温度は10[℃]程度で冷媒温度のほうが高いため、この状態では冷媒は外気より熱を受け取ることができません。

そこで、膨張弁により冷媒を減圧することで冷媒温度が5[℃]になって外気より低温になります。これにより、室外機の熱交換器(暖房時は蒸発器)において冷媒は外気より熱を受け取ることができます。

熱を受け取った冷媒は蒸発して低温の気体となりますが、このままでは室内機の空気よりも冷媒温度のほうが低いため、圧縮機によって昇圧、昇温して室内空気よりも温度が高い状態にします。これにより、室内機において冷媒は空気に熱を放出することができます。

この一連のサイクルでは、10[℃]の外気の熱が25[℃]の室内空気へ放出されています。暖房時でも温度の低いところから高いところへ熱が移動するヒートポンプが行われています。