エアコンが空気を冷やす仕組みは？

質問

どのカテゴリになるのかわからないので、理系全般に質問してみます。
エアコンが空気を冷やす仕組みはどうなっているのですか？
ふと疑問に思ったので教えて下さい。

回答No.7

starflora · ベストアンサー

参照ＵＲＬは、冷蔵庫の冷却原理ですが、説明文にもあるように、クーラーも同じ原理です。また、参照ページでは、初期１８世紀半ばには、「水」を冷媒とした製氷器（一種の冷蔵庫・冷凍装置です）があったとされます。

　　しかし、仰られるように、水だと常温で気化しないため、１９世紀には、液化温度の低い（常温近く）のエーテルやアンモニアが冷媒として使用されたことになります。冷媒としてフロンが、２０世紀初めには使用されています。

　　フロンは、実は色々種類があって、分類表を見ていると、何百も種類があるような感じにも思えます（実際は、実用されていたのはその一部で、オゾンの破壊効果が弱く、分解し易い、従来使われていなかったフロン類の気体を、「代替フロン」として使ったというのが、代替フロンの実態です）。

　　フロンが冷媒として何故好都合であったかというと、丁度、「燃えない油ＰＣＢ」が重宝されたのとよく似た理由です。ＰＣＢは、その猛毒性が発見されるまで、「奇跡の滑潤油」として重宝されました。普通の植物性油にしても、鉱物性油にしても、潤滑油として理想的に思えても、困ったことに、何度も使っているうちに、化学変化を起こし劣化するという性質と、また、熱に弱く、熱変化を起こしたり、燃えてしまうという性質を持っていました。ＰＣＢが重宝されたのは、こういう欠点をカバーしたからです。

　　つまり、幾ら使ってもＰＣＢは他の物質と化合せず、従って変質せず、しかも熱にも強く、熱をかけても物性があまり変わらず、「燃えない」ということが理想的な潤滑油の条件を満たしたのです。

　　フロンもよく似ていて、エーテルやアンモニアだと、何回も圧縮したり、急速に気化させたり、熱を加えたり、熱を奪ったりしていると、気体が劣化して行きます。劣化というのは、それらの冷媒を入れているパイプの材料などと化学変化を起こし、質が変化して来るのです。パイプや冷却室、圧縮室も劣化して行きます。

　　ところが、フロンは非常に安定した化合物で、幾度圧縮や冷却や気化や加熱を繰り返しても、他の物質と反応せず、パイプも劣化しないし、フロンも劣化しないのです。そこで、理想の冷媒だと考えられ、大いに利用されたのです。

　　しかし、ＰＣＢが、人体に激しい毒性を持つことが分かり、廃棄処分にしようとしたのですが、元々燃えない油なので、燃やすこともできず、反応しない油なので、何かと化合させて無害にして廃棄することも難しくで、処分に困ったのです。

　　フロンもこれと同じで、オゾンを破壊するので、使用しない方がよいとなったのですが、すでに使われているフロンは、これを吸収したり、これと化合させて処理し易くするような物質があまり見あたらないので、古い冷蔵庫などを壊すと、中のフロンを処理することができないので、そのままフロンは、大気中に放出されてしまうのです。

　　丈夫で、安定で不活性で、常温で簡単に液体になり、しかも、幾ら圧縮や膨張、加熱などを繰り返しても、フロンは劣化しないので、理想の冷媒だたのですが、そのことは逆に、フロンを処分することが、もの凄く難しいことにもなったのです。

　　余計なＰＣＢの話までしましたが、水だと、パイプをどんなに錆びないものにしても、圧縮、膨張、加熱、冷却を繰り返すと、水自身が腐食性を持ち、やがて、劣化して行きます。また水では、常温で気体にならないので、冷媒として効率が悪いのです。

　　参照ＵＲＬで、半導体を使った冷却装置というものに触れていますが、これが、多分、ペルチェ効果を使った冷却装置です。

　　＞参照ＵＲＬ
　　＞http://www.tdk.co.jp/tjdaa01/daa00451.htm

　　参照ページの下の図は、コンプレッサが、気体フロンを圧縮し、コンデンサ部分で、大気によって空冷で冷やして、冷たい（常温の）液体フロンにします。これを、エヴァポレータのなかの、非常に圧力の小さい空間に一気に放出すると、よく冷えて圧縮された高密度の液体フロンは、非常に効率よく気化し、その時、エバポレータを通して、周りの温度を冷却するのです（気化熱として熱を奪うのです）。すると、エヴァポレータのまわりは、冷却されます。熱を回りから吸って、常温気体状態になったフロンは、また、コンプレッサで圧縮され……と、こういう過程が果てしなく続いて行きます。

　　この場合、単に「気化熱」で熱を奪うというより、圧縮しておいて冷却し、これを低圧の、真空のような状態の気化室（エヴァポレータ）で、一気に噴出させ、容積を増大させ、この勢いで、非常に効率よく、気化熱を奪うのです。この強制圧縮と強制圧力解除がないと、ただの普通の気化熱だけだと、効率があまりよくないのです。エアコンも同じ原理です。

参考URL：

http://www.tdk.co.jp/tjdaa01/daa00451.htm

お礼

丁寧なご回答有難うございました。
大変勉強になりました。理想の物質というものはなかなかないものなのですね。どこかに利点があればその分欠点もある…う～ん、うまくいかないもんですね。エアコンの冷却の仕組みはばっちりわかりました。有難うございました。

回答No.6

poohhoop

なかなか簡単な説明ができないようですね。
もっとわかりやすく説明します。（といってもわからないかも）

気化熱で説明するとわかりにくくなるので、違う方法で説明します。

まず先を閉じた注射器を持ってきます。
１．注射器のピストン部分を押して空気を圧縮すると中の空気の温度が上がります。（気体の特徴）
２．温度が上がった結果４０℃になりました。
３．４０℃の注射器を３０℃の外へ持っていくと冷やされて３０℃になります。
４．３０℃に冷やされた注射器を２５℃の室内に持ってきます。
５．注射器のピストンを引張って空気を膨張させると中の温度が下がります。（気体の特徴）
６．温度が下がり１５℃になりました。
７．１５℃の注射器で室内の２５℃空気を冷やします。
８．注射器の温度は上がり、室温は下がります。

以上１～８を繰返すのがエアコンの原理です。
３の部分が室外機、７の部分が室内機です。
１と５のピストンを押したり引いたりする役目をコンプレッサーが担います。（ここで電気を使います）

ただし実際には注射器を移動させるのではなく、パイプでつないで中の気体だけを移動させます。
また、１の部分で気体は液体に変化することで大量の熱を放出し、７の部分では液体から気体への変化（蒸発）が起こり大量の熱を奪います。

これで理解してもらえるかどうかわかりませんので、自信無しです。

お礼

ご回答有難うございました。大人になると想像力が衰えるということを実感しました。とほほ…。何度も読み返し理解できたつもりです。有難うございました。

回答No.5

kazu-kun

曖昧な記憶で書いてますので、「自信なし」です。
しばらく締め切られないならば正確なところを追加で書けるかもしれません。

気化熱でも一応合ってるのですが、「冷媒」を使うとものすごく速く冷やすことができるのは、スポーツで足を痛めたときなどに使う「冷却スプレー」と同じ原理です。
あれはスプレー缶の中に圧縮されて入っていたガスが一気に膨張する時に温度が下がるんです。
また、自転車の空気を人力で入れるポンプ（名称は？）をがしがし動かしていると、ほのかにポンプが暖かくなったことがありませんか？
それは、「冷却スプレー」と逆の現象です。空気が急に圧縮されたことにより温度が上がります。

お礼

ご回答有難うございます。いろいろ利用されているんですね。今度自転車に空気を入れた時に確認してみます！勉強になりました！

回答No.4

starflora

「冷媒」を使ったエアコンや冷蔵庫の冷却方法の原理は同じで、「気化熱」というものを使います。

　　「気化熱」というのは、液体が気体になる時、「熱」が必要で、熱がない場合は、気化できないのですが、熱があると、無理にでも熱を奪って、液体が気体になってしまうのです。このとき奪う熱を「気化熱」と言います。

　　冷蔵庫やエアコンの「冷却装置」はどうなっているかと言いますと、簡単にモデルにしますと、二つの部分から成ります。一つは「圧縮部分」で、もう一つは「気化部分」です。

　　物質は、固体、液体、気体という風に、温度を上げて行くと状態が変化します。逆に温度を下げて行くと、気体から液体へ、液体から固体へと変化します。この三つの状態は、温度を変える以外に、「圧力」を変えると状態が変化します。例えば、気体に大きな圧力を加えると、液体になります。逆に、液体にかかる圧力を小さくすると、液体が気体になります。一般的にこういうことが云えるのです。

　　そこで、「冷媒」という物質を使うのです。これは昔はフロンを使っていました。いまは代替フロンで、更に別のものになっているかも知れません。以下では、冷媒を仮にフロンとして説明します。冷媒というより、フロンの方が何となく分かり易いからです。

　　「圧縮部分」では、フロンの気体を、パイプのなかに閉じこめて、もの凄い圧力を加えます。この圧力は、電気などからエネルギーを得て発生させます。すると、フロンの温度が上がると同時に、フロンは液体になります。次に、かなりな温度になった液体状態のフロンを、冷やします。この冷やし方は、外の一般の温度と同じにすればよいのです。

　　（この常温程度に冷やすため、パイプを空気に触れる場所に出し、放熱効果で冷やします、冷蔵庫の後ろにある、パイプは熱いですが、あれは、この圧縮部分のパイプなのです。またクーラーの場合は、空気を吸い込み、パイプに外の空気を当てて、空気でパイプのなかのフロンを冷やします。クーラーからは、熱い空気が出てきますが、これは、フロンを空気で冷却した後の熱くなった空気なのです）。

　　こうして、液体フロンが、かなり温度が低くなると、次の「気化部分」のパイプへの口が開きます。気化部分では、ポンプを使って、ほとんど真空に近い状態にしてあります。つまり、もの凄く圧力が低いのです。この圧力がもの凄く低い気化用パイプへの口が開かれると、液体フロンは、圧力が低いので、一挙に気体になります。しかし、気体になるには、「熱」が必要なのです。そこで、無理にまわりから熱を奪います。零下１０度になっていても、絶対零度に較べれば、まだまだ温度が高く、熱があるので、この熱を奪うことができるのです。

　　冷蔵庫の場合は、零下何度という話ですが、クーラーの場合は、３０度の空気から熱を奪って、２０度にするとかいうことになります。フロンが気化する時、無理矢理回りの熱を奪うので、３０度の空気が２０度になるのです。

　　２０度になった空気は、ポンプで外に出し、部屋のなかの３０度の空気をまた吸い込みます。

　　気化したフロンは、また圧縮部分に送り込まれます。そして、この部分で、高い圧力をかけて圧縮して、一旦、気体になったフロンをまた液体にします。この時に、気化熱の反対に、熱が出てきます。この熱は、空冷式で冷やし、液体フロンをまた冷たい温度に冷やします。この冷えた液体フロンを、気化部分に送り気化させることで、新しく入ってきている３０度の空気を、２０度に冷やします。

　　こういうことの繰り返しで、段々、部屋の空気の温度が、３０度から２９度、２８度……と、混ざり合いつつ下がって来るのです。

　　クーラーでは、氷ができるほど冷やさないですが、零下３０度とかになるようにしたものが冷蔵庫です。冷蔵庫も、冷媒＝フロンを、圧縮して液体にし冷やしては、気体に変えて熱を奪い、また、圧縮して液体にし冷やして……というサイクルを繰り返します。

　　No.3 の方が言っている「ペルチェ効果」とは、二つの種類の異なる金属を接触させて繋ぐと、その接触部分が、回路に電気を流すと、不思議なことに温度が冷えてくるという効果です。この効果を使って、電気を、こういう回路に流すことで、温度を下げるという原理です。

補足

丁寧なご回答有難うございます。何度も繰り返し読んでなんとか理解できたような気がしています。補足質問ですが、「冷媒」に水を使わないのは何故ですか？私の予想では室温で気体になれないからだろうとは思いますが…確認の為に教えて下さい。

回答No.3

acacia7

基本的にもう問題ないかとおもいますが・・

根本的に構造の異なる冷却器があるので一応ご紹介。
こちらは熱電効果の一つであるペルチェ効果を用いたものです。
↓

参考URL：

http://www.texeg.co.jp/peltier/Peltier/peltier.html

お礼

ご回答有難うございます。ちょっと難しいですがなんとなく分かった気がします。

回答No.2

fuji1

こんにちは。。
ＵＲＬを参考にしてください。
でも冷たくなるって不思議ですね。
（^-^）

参考URL：

http://www.e3.panasonic.co.jp/communication/kihon/denki/freezor/frzr-mokuji.html

お礼

ご回答有難うございました。「打ち水」もそういう原理だったんですね。ふむふむ、勉強になりました。

回答No.1

a-kuma

「気化熱」というものがあります。

物質が液体→気体と変化（気化）する際に、熱が必要になります。これを気化熱と
言います。必要な熱は周囲から奪われ、結果として周囲の温度が下がります。

例えば、アルコールのように気化しやすい液体を肌に塗ると、ひやっとしますが、
これがそうです。

冷蔵庫も同じ原理で動いています。

お礼

ご回答有難うございました。高校時代の授業を思い出してきました…