【自動車工学】空調システムのエバポレータ理論

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エバポレータはコンデンサと同じ熱交換器になるので、コンデンサと同じ理論が適用できます。しかし、一部コンデンサと異なる点もあるのでコンデンサとの比較をしながらわかりやすく解説していきます。

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エバポレータの機能

エバポレータの機能はエキスパンション(膨張弁)で減圧し、低圧・低温になった液体の冷媒を空気と熱交換させて冷媒は蒸発させ、空気を冷却(冷房)することです。

図1:冷凍サイクルの概念図

コンデンサでは停車中の風速の低下を補うためにファンが取り付けられていましたが、エバポレータにも冷媒と空気の熱交換を促進するためにブロワファンが取り付けられています。熱領域のモデルベース開発(MBD)ではお馴染みの熱伝達の式を使って説明します。

$$Q_{evap}=k\cdot A\cdot(T_{air}-T_{ref})$$\(Q_{evap}[\mathrm{kW}]\)はエバポレータ熱交換量、\(k[\mathrm{kW/K/m^2}]\)はエバポレータ熱伝達率、\(A[\mathrm{m^2}]\)はエバポレータ熱交換面積、\(T_{air}[\mathrm{K}]\)はエバポレータ入口空気温度、\(T_{ref}[\mathrm{K}]\)はエバポレータ入口冷媒温度です。

エバポレータの熱伝達率は空気流量と冷媒流量の2変数から決まります。つまり、ブロワファンを回すことは空気流量を多くして熱伝達率を増加させています。実際、車に乗っているときにエアコンの風量の大きくすると涼しくなりますよね?あれはエバポレータの熱伝達率が上がっているからです。コンデンサでは空気の風速[\(\mathrm{m/s}\)]を用いましたが、エバポレータでは空気の風量[\(\mathrm{m^3/h}\)]はよく使われます。

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蒸発の理論

コンデンサとの共通点

エバポレータでの冷媒の蒸発メカニズムはコンデンサでの凝縮と共通点が多くあります。蒸発でも冷媒が空気から受け取る熱量と空気が冷媒に奪われる熱量は保存するので、$$G\cdot(h_{out}-h_{in})=k\cdot A\cdot(T_{air}-T_{ref})$$ここで、\(G[\mathrm{kg/s}]\)は冷媒循環質量流量、\(h_{out}[\mathrm{kJ/kg}]\)はエバポレータ出口比エンタルピー、\(h_{in}[\mathrm{kJ/kg}]\)はエバポレータ入口比エンタルピーです。この式を変形すると、コンデンサのときと同じ形になります。$$h_{out}=h_{in}+\frac{k\cdot A\cdot(T_{air}-T_{ref})}{G}$$風量を上げて熱伝達率\(k\)が大きいときや空気の温度が高く温度\(T_{air}-T_{ref}\)が大きいときは冷媒はたくさんの熱量を受け取って出口比エンタルピーは大きくなります。そのときに、エキスパンションバルブ(膨張弁)が自動でバルブ開度を広げて冷媒循環流量\(G\)を増やすことで冷媒が過熱蒸気になり過ぎることを防ぐのです。

エバポレータ固有の現象

ここからはエバポレータに固有の現象に言及します。コンデンサの場合は冷媒→空気に熱が移動するため空気は暖められます。エバポレータでは逆で熱の向きが空気→冷媒になるため空気は冷やされますよね?そのときに考えておかないといけないことは空気に含まれている水蒸気が温度が下がることによって凝縮水(結露)になるということです。

つまり、エバポレータの中で冷媒が空気から奪った熱はすべて空気の温度変化に使われるわけではなく、水蒸気を水に凝縮することにも使われます。空気の顕熱を\(Q_S\)、空気の潜熱を\(Q_L\)とすると$$Q_{evap}=Q_S+Q_L$$となります。したがって、潜熱成分である\(Q_L\)が大きいときはエバポレータの仕事は水蒸気の状態変化のためのエネルギーに使われて、温度が下がらないということが起こります。

この\(Q_L\)が大きいときとはどんなシーンかと言うと、それは雨が降って空気の湿度が高いときです。梅雨時期に車の中でエアコンを付けているのにあまり冷房が効いていないように感じたことはありませんか?あれは\(Q_L\)にエネルギーが取られて、\(Q_S\)が小さくなっているからなのです。エバポレータは除湿するだけで精一杯という状況です。

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まとめ

今回は、コンデンサと比較しながらエバポレータの解説をしてきました。多くの点でコンデンサと共通していますが、エバポレータ固有の現象も存在します。特に、エバポレータの仕事は除湿と冷房の両方に使われるため、湿度が高い条件では除湿のための仕事が増えて、思ったように冷房できません。このように、顕熱と潜熱に区別して考えることが重要なのです。

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