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テクの雑学

第146回 ますます省エネ効果を発揮するエアコンの「冷房」「除湿」の仕組み

 暑い日が続いています。ついついエアコンの設定温度を低くしてしまいがちですが、冷えすぎは体調不良のもと。最近のエアコンは健康に留意し、空気清浄機能や脱臭機能、人の居場所を察知して直接風を当てない機能、部屋の温度はあまり下げずに除湿する機能などを搭載していますから、上手に使いこなしていきたいものです。

 一方で、「除湿運転は冷房運転よりエコだと思っていたのに、逆に電気代が高くついた」といった声を耳にすることもあります。そこで、今回はエアコンの「冷房」「除湿」の仕組みについてまとめてみましょう。なお、「テクの雑学」では以前にも何度かエアコン周辺関連の技術について取り上げているので、そちらも合わせてご参考いただければと思います。

参考リンク
テクの雑学 第95回「空気から熱をくみ出す-ヒートポンプ-」
テクの雑学 第74回「エアコンの友−インバータの役割−」
テクの雑学 第66回「新生活の強い味方−ここまで進んだエアコンの最新技術−」


冷房の基本的な仕組み
 最初に、エアコンで冷房ができる仕組みを簡単におさらいしておきましょう。エアコンは「室内機」と「室外機」で構成されています。それぞれが「熱交換器」を持っていて、室内機側の熱交換器を「蒸発器」、室外機側の熱交換器を「凝縮器」と呼びます。蒸発とは「液体が気体に変化すること」で、凝縮はその逆に「気体が液体に変化すること」ですが、室内機と室外機の熱交換器の内部では、その名の通りの現象が起こっています。
 蒸発器と凝縮器の間は2系統(蒸発器側→凝縮器側、凝縮器側→蒸発器側)のパイプでつながれていて、その内部は「冷媒」で満たされています。また、室内機は部屋の中に風を吹き付けるためのファン、室外機は凝縮器冷却用のファンと圧縮機(コンプレッサ)を備えています。

 室内の空気が持っている熱は、蒸発器を介して冷媒に伝えられます。熱を伝える仕組みには、冷媒の「気化熱」効果を利用します。蒸発器に入る前の冷媒は液体で、蒸発器の内部で蒸発して気体に変わるのですが、液体が気化するときには周囲の熱を奪う効果が起こり、これによって蒸発器周囲の熱を冷媒に伝えるのです。冷媒に熱を伝えて低温になった蒸発器周囲の空気は、ファンによって室内に吹き付けられて室内を冷やします。

 気化して熱を含んだ冷媒は、パイプを通じて室外機側に送られ、コンプレッサで圧縮されて、高温高圧の液体になって凝縮器に進みます。凝縮器の放熱フィン部分は、ファンからの送風によって常に表面の熱を奪われていて、冷媒より低温になっているので、ここで熱交換が行われて冷媒の温度が下がります。さらに冷媒は「膨張弁」と呼ばれる部分で、小さな穴から広い空間へ一気に放出されることで膨張させられます。この膨張の過程で起こる「断熱冷却」によって低温低圧の液体に変わり、再び室内機側に送られて室内の熱を吸収します。暖房運転の場合は、この行程が逆転すると考えてください。

冷房運転を行えば、除湿もしてくれる?


 「除湿」運転は、空気中の水分をコントロールする機能です。空気が含むことができる水分(水蒸気)の量は温度によって変わり、高温の空気ほど多量の水分を含むことができます。夏場に大気中の湿度が高まるのはこのためです。
 除湿機能はこの特性を利用しています。蒸発器で急激に冷やされた空気は、温度低下によってそれまで含んでいた水分を放出(飽和)し、これが蒸発器の表面に集まって「結露」します。冬に外気と接しているガラスが結露するのと同じ理屈ですね。そうして、空気中から取り出した水分をホースで屋外に排出することで、屋内の湿度を低下させるのが除湿機能です。

 もうお気付きの方も多いでしょう。そう、エアコンで冷房運転を行うということは、空気の温度が下がるわけですから、空気中の水蒸気も自然に減っていきます。つまり、除湿が行われるのです。実際、エアコンが搭載している除湿機能の基本は「弱冷房除湿」と呼ばれる運転モードです。冷房運転は、「室温を設定温度まで下げる」ための運転モードですが、結果的に除湿も行われます。これに対して弱冷房除湿は、「温度ではなく、湿度を目標の値まで下げる」ため、微弱な冷房運転を続けるのです。

 湿度と体感温度には密接な関係があります。気温が30度であっても、湿度が50%程度なら、あまり不快には感じないものです。また、弱冷房除湿の場合、基本的にコンプレッサを駆動するモータの回転が低く保たれる上に、温度設定が可能な場合、設定温度付近ではこまめにモータを停止させるので、通常の冷房運転に比べて消費電力の面でも有利になりがちでした。

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