ヒートポンプで膨張弁の必要性について

質問

ヒートポンプ（エコキュート)の仕組みを調べている者です。
だいたいの仕組みは、
(A)大気中の熱を冷媒に集める。
(B)熱を吸収した冷媒を圧縮して、さらに高温にする。
(C)冷媒の熱をつかって水を温める(熱交換する)
(D)再び大気の熱を集めるために、膨張させて冷媒の温度を下げる。
だということは分かったのですが、理解できない事があるので教えて下さい。

質問1
(D)で膨張させてわざわざ冷媒の温度を下げるのは、なぜなのでしょうか？
大気より冷媒の温度を下げて、大気の熱を汲み取る為なのはわかったのですが、素人的には、温度を下げないで、そのまま圧縮したほうが楽なような気がするのですが。

質問2
(A)の大気の熱を集めた後というのは、(C)の熱交換したあたより冷媒の温度を上げれるのでしょうか？
冬で外気温が０℃などの場合に、(A)の作業で(C)の後より冷媒の温度を上げれるとは思えません。

できるだけ簡単に教えてもらえると有り難いです。
よろしくお願いします。

回答No.4

shiroha

まず、ABCDについて補足させて頂きます。

(A)大気中の熱を冷媒に集める。
これは、膨張（減圧）する事により、温度の低い、圧力の低い液体状態に冷媒（CO2）をします。その液体を外気と熱交換させCO2を蒸発させます。（だから、CO2冷媒の温度が外気より温度が低くないと熱交換しない）

(B)熱を吸収した冷媒を圧縮して、さらに高温にする。
完全に蒸発した気体（CO2）を圧縮して高温かつ高圧のガスにします。

(C)冷媒の熱をつかって水を温める(熱交換する)
この高温かつ高圧のガス（CO2)と水を熱交換させます。水は温まります。CO2の冷媒ガスは低温の高圧ガスの状態です。

(D)再び大気の熱を集めるために、膨張させて冷媒の温度を下げる。
低温、高圧の冷媒ガスを膨張（減圧）させると、低温、低圧の液になります。あとは、（A)に戻ります。

＜質問(1)の回答＞
簡単に言うと、外気から熱を取るので外気よりCO2冷媒の温度が低くないといけません。だから、CO2冷媒を膨張(減圧）させています。

＜質問(2)の回答＞
Aの熱を大気から集めた後の温度は、Cのあとより温度は低いです。

ちなみに、通常のエアコン、カーエアコン、家庭用冷蔵庫もこれと同じサイクルです。ただし、一点だけ違いが有ります。Cの状態で冷媒がエコキュートは高温、高圧のガス状です。エアコンや家庭用冷蔵庫ではCの状態で40℃ぐらいの高圧液になっています。

回答No.3

noname#160321

通常圧縮して高熱になった作用媒体は液体になっています。
これを断熱膨張状態で沸騰させます。非常に温度の低い気体が出来ます。
液体をさらに圧縮するには莫大なエネルギーが必要なことは＃２のお答えにもありましたが、気液の潜熱を利用することでコンパクトで効率の良いヒートポンプをつくる事が出来ます。

お礼

やっとヒートポンプと名付けられた意味が理解できてきました。
ありがとうございました！

回答No.2

雪中庵（@psytex）

＃１の者です。

＞体積が小さいからさらに圧縮して高温にするのが難しい

というよりも、どんどん圧縮するという事は、
どんどん圧力も高まるということで、どこかで
ポンプの性能をこえ、不可能になります。
「圧縮する＝吸収した『大気の熱』を絞り出す」と
考えれば、どこまでも絞り続けても“汁”は出なく
なるので、広げて水につけ、吸収しないとダメ、ていう。

お礼

分かりやすい説明ありがとうございます！
なんとなく理解できました。

回答No.1

雪中庵（@psytex）

冷媒を膨張させて、冷たくすることで、外気温より低くなり、
室外機で外気にふれて「熱を集める」ことができるのです。
膨張させずに、さらに圧縮しても、確かに温度は上がりますが、
どこまでも高圧にすることはできません。
外気温が低いと、エコキュートの効率は落ちます。

お礼

回答ありがとうございます。
膨張させないと、体積が小さいからさらに圧縮して高温にするのが
難しいということでしょうか？