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【プラント設計の基礎】冷凍サイクルの基礎知識

2018年9月4日

現役プラントエンジニアが教えるプラント設計の基礎知識。

学校では教えてくれないことを中心に、実務に直結する内容を書いていきます。今回は「冷凍サイクル」について語ります。

冷凍サイクルというと一番身近に使われているのは冷蔵庫です。ではどうやって「冷たい熱を生み出しているのでしょうか?」

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冷凍サイクルとは?

冷凍サイクルはまず冷蔵庫やエアコン等に使われているのは簡単に想像できますよね?

冷凍サイクルは電力サイクルと比較してみると熱から電気を生み出すのと違い、電気から熱を生み出す(生み出すという言葉は適切ではないですが)サイクルです。

つまり、冷蔵庫やエアコンに電気エネルギーを与えることで熱を制御しているのです。

冷凍サイクルの基礎知識その1:単純な冷凍サイクル

最も単純なエアコンの冷凍サイクルを考えてみましょう。このサイクルには、蒸発器、圧縮機、凝縮器、および膨張弁の4つの部品があります。

すべての部品はパイプで接続され、システム全体が内部の冷媒で満たされています。

コンプレッサーが最も中心的な要素となります。単純なサイクルでは、コンプレッサーにはシリンダーがついており、その内部は電気モーターで動くピストンがあります。

モーターが作動するとピストンが前後に動き、コンプレッサーはパイプ、コンデンサーコイル、膨張バルブ、蒸発コイルを通して冷媒を送ります。

ポンプにはチェックバルブがあり、冷媒をシステム内を一方向に流し続けます。 1つの方向への流れを維持することは、サイクルの操作にとって重要です。

冷媒も冷凍サイクルに非常に重要な要素となります。特殊な熱力学的性質を有するように製造された化学物質である冷媒は、多くの熱を効率よく吸収するように製造されています。

冷凍サイクルの基礎知識その2:家庭用エアコンの場合

家庭用エアコンの場合、蒸発コイルは家の中にあります。蒸発器コイルの内部では液体冷媒は部屋からの熱を吸収するので沸騰して蒸気となります。

その蒸発熱を利用することで熱い空気を冷やします。エアコンの場合はファンを使用して室内の暖かいの空気をコイルにあてることで部屋からの暖かい空気がエアコンに吸い込まれ、冷たい空気が室内に吹き出します。

このままでは暖かい空気から取り込まれた熱により、冷媒がすべて蒸発するとエアコンとしては機能しなくなります。

つまり部屋からの熱を何とか家の外に出さなければなりません。

しかし、熱というのは自然界では熱い場所から冷たい場所に流れるため、冷媒からの熱の処理は容易ではありません。

では、どのように自然に逆らってあなたの家の室内の暖かい空気に含まれる熱を処理して、再び冷媒を液体に戻すのでしょうか?それはコンプレッサーの役割です。

コンプレッサーは、最初に冷媒蒸気を蒸発器から引き出し、そのピストンで圧縮することで圧力および温度を上昇させます。

圧力が上がれば蒸気圧はあがります。つまり圧力が高ければより高い温度でも気体は液体になりやすくなるのです。

圧縮された冷媒蒸気がコンプレッサから出て自宅外の凝縮器コイルを通過すると、外気に熱を放出することができます。そして熱が放出されると冷媒は凝縮して液体に戻ります。

凝縮器コイルを出た後、液体冷媒は膨張弁を通過し、そこで圧力と温度が低下します。これにより冷媒は再度室内の蒸発コイルを通ることで熱を吸収することができるようになるのです。

冷凍サイクルの基礎知識:まとめ

冷凍サイクルも日常生活にあふれていますが、あまり気にしない存在です。今回は非常に単純なサイクルでしたが、このほかにもヒートポンプや吸収式冷温水機など冷凍サイクルが使われている例は世の中にたくさんあります。

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