自動車の電動化に伴う空調の重要性
本記事では空調の基本的な原理を説明します。
本編に入る前に自動車開発における空調技術（冷凍サイクルやヒートポンプサイクル）の重要性について冒頭で述べます。現在、自動車の電動化（EV化）に伴って、空調技術が非常に重要な技術の1つとなってきています。
その最たる理由は、電動化によって自動車内部の熱源が不足するからです。これまでのガソリン/ディーゼルエンジンは燃焼によって大きな発熱量を生み出しています。これまでの従来の自動車では、この発熱を有効活用していました。例えば、暖房はエンジンからの発熱の恩恵を受けていました。燃焼によって生成された熱量はウォータージャケットを流れる冷却水に流れるため、冷却水の水温はどんどん上昇します（エンジンから見れば有効仕事のロスにつながるので、冷却損失と呼ばれる）。
その暖まった冷却水をHVAC（Heating Ventilation and Air-Conditioning）内にあるヒーターコアで空気と熱交換させることによって、暖かい空気を車室内に送っています。しかし、EVではエンジンのような大きな熱源が存在しないので、暖房専用に熱を生み出す必要が出てきます。そこで、空調技術であるヒートポンプサイクルが注目を浴びています。
空調（冷凍サイクル/ヒートポンプサイクル）の原理
ここからは、空調の原理である冷凍サイクルやその逆サイクルであるヒートポンプサイクルについて解説していきます。まず、空調で空気を冷房したり暖房したりできるのは、冷媒の気化熱や凝縮熱を利用しているからです。
空調は気化熱と凝縮熱を利用して冷房・暖房
気化熱や凝縮熱とは、物質が液体→気体、気体→液体に状態変化するために必要な熱量のことを指します。気化熱は液体が気体に状態変化するために必要な熱量、凝縮熱は気体が液体に状態変化するために必要な熱量です。
例として、水で考えてみましょう。水は0℃から100℃は液体ですが、沸点である100℃で液体から気体に状態変化が始まり、水蒸気になっていきます。0℃の水を100℃の水にするために必要な熱量は100[kcal/kg]です。物質を温度変化させるために必要な熱量のことを顕熱と呼びます。
次に、100℃の水を100℃の水蒸気に状態変化させるために必要な熱量は540[kcal/kg]です。物質を状態変化させるために必要な熱量のことを潜熱と呼びます。空調の原理である気化熱と凝縮熱はこの潜熱を利用しています。気化熱であれば周囲から540[kcal/kg]のエネルギーを奪って、水が水蒸気に状態変化するので周囲を吸熱します。凝縮熱であれば周囲に540[kcal/kg]のエネルギーを放出して、水蒸気が水に状態変化するので周囲を加熱します。
冷凍サイクル/ヒートポンプサイクルの構成要素
ここからはいよいよ空調の原理である冷凍サイクルとヒートポンプサイクルについて解説していきます。先ほど空調は気化熱や凝縮熱を利用していると言いましたが、これらは一度利用すれば終わりですよね？例えば、水が気化熱をもらって水蒸気に状態変化すると、その水蒸気は空気中に散逸してしまって1度しか気化熱を利用することはできません。この気化熱を繰り返し利用するためには、液体→気体、気体→液体と状態変化を繰り返すサイクルを作る必要があるのです。これが冷凍サイクルとヒートポンプサイクルなのです。
では、どのようにして状態変化を繰り返し引き起こすサイクルを作るのでしょうか？気化熱によって蒸発した水を再度液化させるためには気化熱と同じ量の凝縮熱を放出しなければなりません。つまり、蒸発した水蒸気を冷却すれば凝縮して再び液化し、繰り返し気化熱を利用した冷却が可能になるのです。
これが冷凍サイクル/ヒートポンプサイクルの構成図です。コンプレッサ、コンデンサ 、エキスパンションバルブ（膨張弁）、エバポレータの4つの部品でサイクルが形成されています。冷媒はこのサイクルを常に状態変化しながら循環しています。冷媒の圧力や温度などの様々な物理量が1枚のグラフになったものをモリエル線図と呼び、空調開発では必須のアイテムです。
コンプレッサ（圧縮機）
エバポレータで蒸発して気体になった冷媒はコンプレッサによって圧縮され、高温・高圧の気体になります。そのときの圧縮過程はポリトロープ圧縮と呼ばれる断熱圧縮と等温圧縮の中間的な圧縮となります。
コンプレッサは機械式と電動式に分類され、機械式の中でさらに固定容量型と可変容量型に分けれます。従来のエンジン車の場合は、エンジンと同期して回転する機械式コンプレッサが採用されていましたが、電気自動車ではモータで駆動する電動式コンプレッサが採用されています。
エアコンのコンプレッサは、システムの中心的な部品で、冷媒（冷却材）をエアコンシステム全体を通して循環させる役割を果たします。基本的に、コンプレッサは冷媒を圧縮し、その結果として生じる熱を利用して冷媒の温度を上げます。
エアコンの動作原理は、冷媒の相変化（液体からガス、またはその逆）による熱の吸収と放出に基づいています。その主要な部品はコンプレッサ、コンデンサ、エキスパンションバルブ（または膨張弁）、そしてエバポレータで、これらの部品は一連の冷媒サイクルを形成しています。
コンプレッサは、この冷媒サイクルの”心臓”とも言える部分で、次の二つの主要な機能を果たします。
- 冷媒の圧縮: エバポレータからの低圧・低温のガス状態の冷媒を吸い込み、それを高圧・高温のガス状態に圧縮します。冷媒が圧縮されるとその温度は上昇します。
- 冷媒の循環: 圧縮された高圧の冷媒ガスをシステム全体に送り出します。この高圧の冷媒ガスは次にコンデンサに送られ、そこで熱を放出して液体に戻ります。
コンプレッサはエアコンの外部ユニットに設置されており、電力を用いて動作します。エアコンの能力（BTUやトン数など）は主にコンプレッサの性能によって決まります。
エアコンのコンプレッサには主に以下の2つのタイプがあります：
- レシプロコンプレッサ（またはピストンコンプレッサ）: このタイプのコンプレッサは、ピストンとシリンダーを使用して冷媒を圧縮します。ピストンがシリンダー内を行き来することで、冷媒を吸い込み、圧縮し、排出します。
- ロータリーコンプレッサ：このタイプのコンプレッサは、ロータ（回転するディスク）を使用して冷媒を圧縮します。ロータリーコンプレッサは一般的にレシプロコンプレッサよりも静かで、小型で効率的な場合が多いです。
コンプレッサの動作はエアコンの効率とパフォーマンスに大きな影響を与えます。コンプレッサが適切に機能していないと、冷媒の圧縮が不十分になり、冷却サイクル全体の効率が低下します。その結果、エアコンの冷却能力が低下する可能性があります。
また、コンプレッサはエアコンシステム内で最も電力を消費する部品でもあります。そのため、コンプレッサの効率はエアコン全体のエネルギー効率にも大きな影響を与えます。エネルギー効率の高いコンプレッサは、長期的に見ると電力費を節約し、環境にも優しくなります。
コンプレッサの故障はエアコンの重要な問題の一つであり、修理または交換が必要な場合があります。コンプレッサが故障すると、エアコンは冷えなくなるか、全く動作しなくなる可能性があります。
コンプレッサはエアコンの最も重要な部品の一つであり、その効率とパフォーマンスはエアコン全体の効率とパフォーマンスに直接影響を与えます。そのため、コンプレッサのメンテナンスと保守は、エアコンが適切に機能し続けるために非常に重要です。
コンデンサ（凝縮器）
次に、コンデンサ（室外機）の中で外気に放熱することによって、気体の冷媒は凝縮し液化します。コンデンサの放熱量は冷媒と外気温度の温度差と熱伝達率と伝熱面積の積で決まります。つまり、冷媒の温度と外気温度の差が大きいほど放熱量が増加し、冷媒はより液化しやすくなります。そのために、コンプレッサで圧縮し、冷媒の温度を外気温度よりも高温にしなければならないのです。
エアコンのコンデンサは、エアコンの冷暖房システムにおける中心的な部品の一つであり、基本的には冷媒の状態を変えるための装置です。
エアコンは冷媒を用いて熱を移動させる装置で、その基本的な動作原理は冷媒の相変化（液体からガスへ、またはその逆）による熱の吸収と放出に基づいています。エアコンの主要な部品はコンプレッサ、コンデンサ、膨張弁（またはキャピラリーチューブ）、そしてエバポレータです。これらの部品は一連の冷媒サイクルを形成しており、各部品は冷媒の特定の相変化を担当しています。
コンデンサは、このサイクルの中で冷媒がガスから液体に戻る場所で、冷媒が熱を放出する部分となります。具体的には、コンプレッサから送られてきた高温高圧の冷媒ガスがコンデンサに入ると、コンデンサのコイルを通過しながら周囲の空気に熱を放出します。これにより冷媒は冷却され、ガスから液体に凝縮されます。
コンデンサ自体は、一般的には金属製のフィンとチューブで構成されています。フィンは熱伝導を助け、チューブは冷媒が流れる経路を提供します。エアコンの外部ユニットに設置されているため、コンデンサは外部の空気を用いて冷媒を冷却します。そのため、コンデンサの周囲が塞がれてしまうと、冷媒の冷却効率が低下し、エアコンの効率全体が低下する可能性があります。このため、定期的な清掃とメンテナンスが推奨されます。
エアコンの稼働中、特に冷房モード時には、エアコンの外部ユニットから排出される熱風が感じられることがあります。これはコンデンサが冷媒を冷却し、その過程で取り込んだ室内の熱を外部に放出しているからです。
エキスパンションバルブ（膨張弁）
コンデンサで液化した冷媒はエキスパンションバルブ（膨張弁）を通ることで減圧され、低温・低圧の2相状態となります。減圧することによって冷媒の沸点は下がるため、低温でも2相状態となります。
エアコンのエキスパンションバルブ（または膨張弁）は、冷媒の流れを制御し、その圧力を低下させる重要な役割を果たす部品です。この部品は冷媒の状態を液体からガスに変化させ、熱を吸収する準備をする役割を持っています。
エアコンの基本的な動作原理は、冷媒の相変化（液体からガスへ、またはその逆）による熱の吸収と放出に基づいています。その主要な部品はコンプレッサ、コンデンサ、エキスパンションバルブ（または膨張弁）、そしてエバポレータで、これらの部品は一連の冷媒サイクルを形成しています。
エキスパンションバルブは、冷媒がコンデンサからエバポレータへ流れる際に、その圧力を急激に低下させる役割を果たします。コンデンサから出てくる冷媒は高圧の液体状態ですが、エキスパンションバルブを通過することで低圧の液体状態になります。これは、エキスパンションバルブが非常に狭い開口部を持つことにより、冷媒が一度に流れる量を制限し、その結果、冷媒の圧力を下げるためです。
さらに、エキスパンションバルブは冷媒の温度を下げる役割も果たします。圧力が下がると、冷媒の温度も下がります。これにより、エバポレータに入る冷媒は十分に冷たく、周囲の暖かい空気から熱を効果的に吸収できます。
エキスパンションバルブの機能は大変重要で、冷媒の圧力と温度を適切に制御することで、エアコン全体の冷却能力と効率を最大化します。エキスパンションバルブが正しく機能しないと、冷媒の流れが適切でなくなり、エアコンの冷却効果が低下する可能性があります。
エキスパンションバルブは精密な部品であり、適切な機能を維持するためには定期的な保守とメンテナンスが必要となります。エキスパンションバルブが詰まると冷媒の流れが阻害され、エアコンの冷却能力が低下します。また、バルブが完全に開いてしまったり、閉じてしまったりすると、それぞれ冷媒の過剰な流入や不足を引き起こし、エアコンの効率やパフォーマンスに影響を与えます。
エキスパンションバルブの故障は、エアコンが冷えない、または冷却能力が低下するといった症状で表れることがあります。そのため、これらの症状が現れた場合は、専門家による診断と修理が必要となる場合があります。
なお、一部のエアコンシステムでは、エキスパンションバルブの代わりにキャピラリーチューブという装置が使用されることがあります。これは非常に細いチューブで、エキスパンションバルブと同様に冷媒の流れを制限し、圧力を下げる役割を果たします。しかし、エキスパンションバルブと違って流量を動的に調整する機能はなく、より単純な冷却システムで使用されます。
エバポレータ（蒸発器）
最後に、エキスパンションバルブを通って冷えた冷媒はエバポレータ（室内機）で室内の空気から気化熱を奪って蒸発します。その結果、室内の空気は冷媒の気化熱によって熱量を奪われるため、温度が下がります。これが冷凍サイクルで冷房できるメカニズムです。
エアコンのエバポレータは、エアコンの冷暖房システムの重要な部品で、基本的には冷媒が熱を吸収する場所です。
エアコンの動作原理は冷媒の相変化（液体からガス、またはその逆）による熱の吸収と放出に基づいています。エアコンの主要な部品はコンプレッサ、コンデンサ、膨張弁（またはキャピラリーチューブ）、そしてエバポレータで、これらの部品は一連の冷媒サイクルを形成しています。
エバポレータは、この冷媒サイクルの中で冷媒が液体からガスに変わる場所で、この過程で熱を吸収します。具体的には、膨張弁から送られてきた低圧の液体状態の冷媒がエバポレータに入ると、エバポレータのコイルを通過しながら周囲の暖かい空気から熱を吸収します。この熱の吸収により冷媒は蒸発し、液体からガス状態に変わります。
エバポレータ自体は、一般的に金属製のフィンとチューブで構成されています。フィンは熱伝導を助け、チューブは冷媒が流れる経路を提供します。エアコンの内部ユニットに設置されているため、エバポレータは室内の空気を用いて冷媒を加熱します。これにより、室内の熱が冷媒によって取り込まれ、室内の空気が冷却されます。
エアコンの稼働中、特に冷房モード時には、エアコンの内部ユニットから冷たい風が吹き出るのを感じることがあります。これはエバポレータが冷媒を蒸発させ、その過程で室内の熱を吸収し、その結果として冷たい空気を生成しているからです。
エバポレータの機能は大変重要で、その性能が低下するとエアコン全体の効率が低下します。エバポレータはしばしば室内の空気中のほこりや汚れを集めやすく、これが冷媒の熱交交換能力を妨げ、エアコンの効率を低下させる可能性があります。さらに、エバポレータの表面で冷媒が蒸発するときに発生する冷たい状態は、室内の湿気を凝縮しやすく、結果としてエバポレータの表面に結露が生じます。これがさらにエバポレータを汚す原因となることがあります。
そのため、エアコンのパフォーマンスを維持するためには、エバポレータの定期的な清掃とメンテナンスが推奨されます。エバポレータが汚れていると、エアコンは効率的に動作しなくなり、さらにはエアコンから異臭が発生する可能性もあります。
また、エバポレータが冷却能力を十分に発揮できないと、過冷却や霜取りサイクルが頻繁に発生する可能性があり、これもまたエアコンの効率を低下させる要因となります。このため、エバポレータの状態はエアコンの効率と寿命に直接的な影響を与え、適切なメンテナンスが重要となるのです。
冷凍サイクル（冷房）とヒートポンプサイクル（暖房）の違い
ここからは、冷房の原理である冷凍サイクルと暖房の原理であるヒートポンプサイクルの違いについて解説をします。
結論から申し上げると、冷凍サイクルとヒートポンプサイクルの違いは、冷媒が流れる向きが逆になっているだけです。
- 冷凍サイクル（冷房）とヒートポンプサイクル（暖房）の違いは、冷媒が流れる向きが逆になるだけ
冷凍サイクルの場合は、コンプレッサ→コンデンサ（室外機）→エキスパンションバルブ（膨張弁）→エバポレータ（室内機）【←エバポレータで冷房】です。つまり、エキスパンションバルブを通過して低温状態になった冷媒で冷房をしています。
一方、ヒートポンプサイクルの場合は、コンプレッサ→エバポレータ（室内機）【←エバポレータで暖房】→エキスパンションバルブ（膨張弁）→コンデンサ（室外機）です。ヒートポンプサイクルは冷凍サイクルと異なり、エキスパンションバルブを通過する前の高温状態の冷媒を室内機に入れることによって暖房しています。
したがって、上記の冷凍サイクル/ヒートポンプサイクルの構成図で示すと、冷凍サイクルは反時計回り、ヒートポンプサイクルは時計回りに冷媒が循環することになります。
エアコン冷媒の種類とそれぞれの特徴
エアコンの冷媒にはさまざまな種類があり、それぞれが異なる性能、効率、環境への影響を持っています。以下にいくつかの主要な種類とそれぞれの特徴を挙げてみます。
R-22 (クロロジフルオロメタン)
以前は広く使われていた冷媒で、中性冷媒とも呼ばれています。しかし、オゾン層に対する悪影響が明らかになったため、多くの国でその使用が制限または禁止されています。
R-410A
R-22の後継として広く使用されている冷媒です。高効率で、オゾン層への影響がないとされています。しかし、地球温暖化係数(GWP)が高いため、その使用が規制されつつあります。
R-32 (ジフルオロメタン)
R-410Aに代わる冷媒として注目されています。R-32はR-410Aよりも効率が高く、地球温暖化係数(GWP)も低いです。また、オゾン層への影響はありません。
R-134A
主に自動車のエアコンや冷蔵庫で使用される冷媒で、オゾン層に対する影響はありませんが、地球温暖化係数(GWP)は高めです。
R-600A (イソブタン)
低GWPの冷媒で、主に家庭用冷蔵庫で使用されます。オゾン層に対する影響はありません。
R-290 (プロパン)
自然冷媒の一つで、オゾン層に対する影響がなく、GWPも非常に低いです。ただし、引火性があります。
それぞれの冷媒は特定のアプリケーションに最適化されており、その選択は冷却能力、エネルギー効率、環境への影響、設備コストなど、多くの要素によって決定されます。技術の進歩により、より効率的で環境に優しい冷媒が開発されていますが、その適用は安全性と規制も考慮する必要があります。
まとめ
上記のような、圧縮→凝縮→減圧→蒸発を繰り返し行うことによって、連続的に気化熱を利用し空気を冷却することができるシステムを冷凍サイクルと言います。
ヒートポンプサイクルはコンデンサが室内機、エバポレータが室外機というように機能が冷凍サイクルから入れ替わっただけで考え方はまったく同じです。コンプレッサで高温になった冷媒を室内機で熱交換（冷媒から空気に熱が交換移動）させて、室内の空気を暖房します。そして、減圧して低温になった液体を室外機で熱交換（外気から冷媒に熱が移動）させて蒸発させるのです。
• 空調の原理である冷凍サイクル/ヒートポンプサイクルは気化熱や凝縮熱を繰り返し利用できるシステム
● 冷凍サイクル/ヒートポンプサイクルは圧縮（コンプレッサ）、凝縮（コンデンサ）、減圧（膨張弁）、蒸発（エバポレータ）の4つの部品で構成され、その中を冷媒が状態変化しながら循環している
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