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エアコンの構造

2020年5月 8日 (金)

エアコンの原理は難しくない?(6)

今回は蒸発です😊

エアコンの原理についてはこれで最後になります。

ヒートポンプサイクルの蒸発

前回までご覧になられていればどこかはわかると思いますが
室内機の熱交換器
冷房時は室内機の熱交換器です。

膨張弁から流れてきた冷媒は低温低圧の半液です。

そこへ室内機のファンで送風します。

冷媒は半液だったものが部屋の空気中の熱を吸収しながら(奪いながら)蒸発します。

それに加え、圧力が低いので蒸発しやすい状態なんですよ。
例えば、よく聞くのが富士山の頂上では大気圧が低いのでお湯を沸かしても80℃台で沸騰蒸発してしまうといいます。
圧力が低ければ沸点がさがり蒸発しやすいということですね。

蒸発時に熱を奪うことをメーカーの講習などでは「暑い日に打ち水すると涼しく感じる」などと説明しています。

これを子供でも感覚でわかるのは屋外でプールなどから出たとき体に水滴が付いているときはすごく寒く(ガタガタブルブル)感じるのに乾いたとたんに暑くなるということがありますね。

室内機から出てくる風が涼しいのはこのためです。

膨張弁からきた冷媒が低温、低圧なので蒸発器で効率よく吸熱(熱の移動)、蒸発(状態の変化)します。

熱交換器で冷媒は低温低圧半液から低温低圧ガスへと変化。
蒸発器の図
再度コンプレッサーの吸入へと戻っていきます。

サイクルの対面にある凝縮器とはこれまた全く逆の役割ですね。

このとき蒸発器でも凝縮を起こしているところがあります。

上の図にある熱交換器表面。
この部分には部屋の空気中の水分が冷やされて凝縮し結露します。

この水が夏に屋外に排水されているドレン水です。

エアコンのヒートポンプサイクルでは冷媒の”温度”、”圧力”、”状態”の3つが変化し熱を運んでいること(ヒートポンプ)が少しは感じ取れたでしょうか。

熱が温度として伝わる(顕熱)だけでなく、冷媒の状態の変化で伝わる(潜熱)という考え方も必要です。

最後にヒートポンプのサイクル図に冷媒と熱の動きを書き入れてみました。
ヒートポンプの冷媒と熱
やっぱり難しい?😅

これは冷凍機や車の冷房などでも冷媒は変わりますが原理は同じです。

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http://kato-aircon.com/

2020年5月 7日 (木)

エアコンの原理は難しくない?(5)

今回は膨張です😊

ヒートポンプサイクルの膨張行程

圧縮がコンプレッサーで行われているため、膨張もさぞ大掛かりな機器なのではと思われるかもしれません。

室外機の中のこれです。
室外機内の電子膨張弁
小さな電子膨張弁。

膨張弁とか減圧弁と呼ばれます。

単に冷媒サイクルの途中に狭く通りにくい部分を作って流量を絞っているだけです。

画像の電子膨張弁は現行のルームエアコンではほぼあたりまえの装備で、半導体センサで冷媒の温度を検知し電子制御でステッピングモーターを回し膨張弁の開度を調整するため冷媒流量制御範囲が広いのが特徴です。

以前は電子制御ではなく、感温筒という封入ガスを使った冷媒温度検知部とそのガス圧でダイアフラムを動作させ弁の開度を制御する機械式の膨張弁(応答性、耐久性が低い)や、冷媒温度検知を行わないキャピラリーチューブ(内径1mm程度の管で古くなるとよく詰まる)だけのものが多く存在しました。

絞られた狭い部分を冷媒が通るためコンプレッサーの吐出から膨張弁入口までが高圧になり、膨張弁出口からコンプレッサー吸入までが低圧となります。

コンプレッサー(加圧、圧縮)とは反対の減圧、膨張の役割をしています。

冷媒が膨張し蒸発し始め温度は低くなります。

これらのことからコンプレッサーとはまったく逆の存在であることがわかりますね。

凝縮器で液化した中温高圧の液冷媒が膨張弁を通過すると低温低圧の半液へと変わります。
膨張弁の図

これが膨張です。

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2020年5月 6日 (水)

エアコンの原理は難しくない?(4)

えー、今回は凝縮です😊

まあ私も習ったわけではなく工事や修理をしているうちに「あ、こういうものなんだ」と感じ取ったことが多いので、かなり独特(変)な説明になっていることをご了承くださいませ😅

ヒートポンプサイクル、凝縮

冷房時にはこちらの室外機の熱交換器
室外機の熱交換器
ここが行います。

凝縮って意味がよくわからないかもしれませんね。
ガス状の冷媒を液化することです。

コンプレッサーから熱交換器に入ってきた冷媒は高温高圧ガスです。

それをどうすると液化できるのか・・・

まず冷媒が高温なので熱交換器に外部のファンで大気の風を当てると内部の冷媒が冷まされます。
と同時に熱交換器表面を通過する風は熱風へと変わります。
夏に室外機の前に立つと出ているあの熱風です。

ここで冷媒の熱エネルギーを大気中へ放出していることがわかりますね。

すると冷媒は凝縮されてガスから液体へと変化します。

鍋に水を入れて火にかけると高温の水蒸気がフタで冷やされて結露し水滴がつきます。
それと同じことが熱交換器内の冷媒でおきます。

それに加えコンプレッサーからきた冷媒は高圧となっています。

料理に使用する圧力鍋は気圧を上げることによって水の沸点を高くして高温の調理が可能になっていますね。
同じように高圧の冷媒は停止時の圧力よりも沸点が高くなっているため液化しやすい状態になっています。

そのため熱交換器内の高圧環境下で冷まされた冷媒はどんどんと液化しながら通過していきます。

冷媒の熱を屋外へ放出(熱の移動)しながら液化(状態の変化)する。

コンプレッサーからきた冷媒が高温で高圧だからこそ効率よく放熱、凝縮できます。

結果、熱交換器を出た冷媒は中温高圧の液になります。
熱交換器による冷媒凝縮

これが熱交換器でおこなう凝縮です。

なお暖房時はこの凝縮行程を室内機の熱交換器でおこないます。

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2020年5月 5日 (火)

エアコンの原理は難しくない?(3)

ヒートポンプに流れる冷媒がどのように変化するか・・・

今回は圧縮での冷媒の変化😊

なおこの先、冷媒の”圧力”、”温度”、”状態”の3つを同時に想像することが必須となります。
状態は”液”(液化した状態)や”ガス”(蒸発した状態)などです。

ヒートポンプの圧縮

圧縮はエアコンの心臓部ともいわれるコンプレッサーで行います。
圧縮には大きな力が必要なためエアコンの電力消費のうちほとんどがここで消費されます。

コンプレッサー
室外機のコンプレッサー

停止しているときの冷媒圧力は周囲の温度に影響されて変化しますが20℃程度の環境で1.4MPa(メガパスカル)位です。
(現在のルームエアコンの場合)

コンプレッサーが回り始めると冷媒サイクルに高圧と低圧という圧力差ができます。

高圧側は停止時よりも高く、逆に低圧側は低くなります。

コンプレッサーは圧縮と同時に冷媒を循環させるポンプの役割を果たしていて、吐出管からコンプレッサーの対面にある減圧弁(膨張行程)までが高圧、そして減圧弁から戻って吸入管までが低圧。

減圧弁は冷媒の通り道がとても狭いのでこのような圧力差が生じます。

なので
高圧となるのはコンプレッサーの圧縮吐出力。
低圧となるのはコンプレッサーの吸入力。
です。

冷媒はコンプレッサーに低圧ガス(ガスは蒸発した冷媒)で吸入、圧縮されて高圧ガスで吐出。
もしコンプレッサーに蒸発不足の液状の冷媒が多く吸入されると液バックなどといって、圧縮しシリンダ内が液で満たされた瞬間に衝撃で破損😱します。

そして圧力に加えて変化するのが冷媒の温度。

おおよその参考値ですが吸入での温度が5℃位だとすると吐出は80℃位。
圧縮することで一気に上昇します。

これは自転車のタイヤに空気をいれるポンプなどでも起こりますね。
力強く空気を入れているとポンプが熱くなります。

コンプレッサーの吸入は低温低圧ガス(温度、圧力、状態)、吐出は高温高圧ガス。
コンプレッサーの図
これがヒートポンプには欠かせない要素です。

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2020年5月 3日 (日)

エアコンの原理は難しくない?(2)

ヒートポンプサイクルは各行程をどの機器が担っているのかルームエアコンで冷房のみに限って見ると、

前回のサイクル図に機器名を入れました。
ヒートポンプサイクルと機器名
こうなります。

”コンプレッサー”という名称はよく聞くのでこれはご存知の方が多いことでしょう。

日本名では圧縮機。

その対面に位置しているのが減圧弁。
膨張弁ともいいます。

コンプレッサーと減圧弁は室外機の中にあります。
20042910

つづいて凝縮用の”熱交換器”。

冷房時では同じく室外機のこれ。
室外熱交換器で冷房時は冷媒を凝縮
室外機にある熱交換器。

そしてその対面に位置する蒸発用の”熱交換器”。

冷房時は室内機の熱交換器です。
室内熱交換器で冷房時は冷媒を蒸発

主にこれらの4つ機器で行っています。

エアコンの修理などをしているプロでも室内機の熱交換器を”エバポレーター(蒸発器)”、室外機の熱交換器を”コンデンサ(凝縮器)”と表現している場合がありますが、これは冷房時に限った場合の表現で冷暖房エアコンの場合は正しくありません。

冷房時と暖房時は室内と室外の熱交換器が逆の役割をするためです。

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2020年5月 1日 (金)

エアコンの原理は難しくない?(1)

エアコン等の冷媒サイクル(ヒートポンプ)の原理はそれほど難しいものではありません。
(冷媒:熱を運ぶ媒体となるもので多くのエアコンではフロンガス)

これはそのヒートポンプサイクルです。
ヒートポンプサイクル
圧縮→凝縮→膨張→蒸発→戻って圧縮・・・

この4つの行程を延々と同時に繰り返しているだけです。
これだけで冷房、暖房ができるんですよ。

このサイクルは冷媒管で環状に接続された機器での冷媒の状態変化を表しているものです。

なので矢印の部分は冷媒管(接続管)と思って差し支えないと思います。

よくエアコンのガスが減ると耳にすると思いますが「蒸発」ってところでなくなっていくようなイメージを持つ方もいるかもしれませんね。

この蒸発はあくまでも機器内で起きている冷媒の状態の変化であって消えていくわけではありません。

ガスが減るのは消費や蒸発ではなくどこかに穴があって外部(大気中など)へ漏れているからです。

そのため漏れがなければ冷媒が減ることはありません。

車で毎年定期的にエアコンのガス補充をしているのであればそれは漏れている証拠です。

先ほどの話に戻って4つの行程を見てもこれじゃ何がなんだかわからないと思います。

でもこの4つの内、対面にある”圧縮”と”膨張”、そして”凝縮”と”蒸発”はそれぞれ文字通り逆のことをしていることがわかります。

繰り返しのサイクルなのでこの真逆のものがないと成立しないということですね。

こう考えると少しはこのサイクルを覚えやすくなったのではないでしょうか。

また繰り返しのサイクルではバランスというものが大切。
どこかに不具合があればたちまちヒートポンプサイクルは破綻します。

今回はこれまで。
エアコンのどの部分がどの行程を担っているのかについて次回書く予定です。

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2020年2月 2日 (日)

室外機と室外機は1セット?

取り外した室外機を知り合いにあげたいとの相談をいただきました。

先方の室外機が調子悪いようでそれを交換しようとお考えのようです。

はたしてそれは可能なのでしょうか。

昔、日本が経済発展を遂げ、まだ周辺のアジア諸国が遅れをとっていた頃、処分されたエアコン(クーラー)を他の国で再使用していることをよく聞きました。

それも寄せ集めなので室内機と室外機が別のメーカーなどとかなりアバウトだったようです。

昔のエアコンはそれが可能だったということですね。

なぜそんなことができたかというと制御の仕方に理由があります。

まずはこれをご覧ください。
一定速機の室外機電気配線
これは昔よく使用された室外機電気配線を図にしたものです。
各社だいたいこんな感じでしたね。

ケーブルは4心(4線)のもので室内機と接続されています。

コンプレッサー、ファン、四方切替弁(冷暖房切替弁)へ1線ずつ計3本で配線され戻りは共用1線で賄っています。

この方式は室内機のリレーで各機器をON・OFFし電源電圧をそのまま印加するため室外機の構造が単純で、室内機が他のメーカーであっても方式が同じであれば運転できました。

ただし室内機と室外機の冷暖房能力がちがうとバランスを保つことはできません。
また電気容量も考える必要があります。

それさえクリアできればなんとかなったわけです。

しかし現在はどうでしょう。

よく修理などで室外機に付いている基板をお客さんに見せると
「へぇー、こんなふうになってるんだー」
と電子制御基板が搭載されていることに驚かれます。

これ、
エアコンの制御基板に搭載されているマイコン
エアコンの制御基板に搭載されたマイコンです。

室内機と室外機の両方の基板にマイコンがついて
室内機と室外機がシリアル通信
互いにシリアル通信しています。

指令を出したり、状況を伝えたりといろんなことをやりとりしているわけです。

ただし、この信号は機種ごとに異なります。

機種がちがうと・・・
例えば日本語を知らない異国の人にいくら話しかけても通じません。
またその逆も通じません。

それと同じで通信が成り立ちません。

もしかしたら指令とはまったく違う動きをするかもしれませんね。
実際にはシリアル信号エラーなどで全く動かないのが普通です。

これでは使えません。

それならコンプレッサー、ファンなどの機器に基板を通さず直接電気を投入したら動くんじゃないの?・・・

残念ながらそれもムリ。

シリアルでやりとりするようなエアコンではコンプレッサーやファンはインバーター制御されていて100Vや200Vを直接印加することはできません。

四方切替弁にしても現在では省エネのため起動時に数秒DCで電圧をかけ冷暖房を切り替えるタイプもあるのでこれもだめ。

冷媒の流量制御も電子制御でお手上げ。

単なるリレーのON、OFF制御じゃないんですねぇ。

ということで省エネ性能を追求しマイコン制御が全盛の現在では室内機と室外機の組み合わせを別のものにすることはできません。

同じシリーズでも冷暖房能力が異なっていてはいけません。

室内機または室外機を取り替える必要がある場合は全く同じ機種でなければならないのです。

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2020年1月24日 (金)

エアコンのPAMってなに?

エアコンのPAM制御?

前回の修理記事で出てきた”PAM”。
通称:パム

エアコンの室外機の中の重要部品であるコンプレッサーを駆動させ回転数を制御するインバーター。
PAMというのはこのインバーターの制御方式のひとつです。

実際にはたまたまエアコンで有名になっただけで、そもそもモーター制御の種類のひとつですね。

十年一昔といいますが二昔以上まえからある古い技術です。

エアコンではじめに搭載したのは日立。
(↑これも20年以上前)

当時は”パムだ、パムだ”と宣伝されて室外機にもPAMの文字がでかでかと付いていた記憶があります。

このPAMというのはPulse Amplitude Modulation(パルス・アンプリチュード・モジュレーション)の略でモータへ加えるパルスの電圧を変える方式です。
はっきりいってこれじゃなんのことだかさっぱりわかりませんね。

日本語ではパルス振幅変調。やっぱりわからん。

文字的にはラジオのAM放送がAmplitude Modulation(アンプリチュード・モジュレーション、振幅変調)方式ですがその頭にPのパルスが付いたもの。

はい、もっとわからなくなりましたね😅

小難しい話になってしまうのでその辺は省略してどんなものか簡単に・・・

以前からあるインバーターはPWM方式。
Pulse Width Modulation(パルス・ウィズ・モジュレーション、パルス幅変調)の略でモーターへ加えるパルスの幅(width)を変える方式です。
深く考えず、この辺は”ふ~ん”くらいで流してください。

PWM方式は低回転では不安定で効率が悪く、また回転もあまり上がらないというイマイチな特性がありました。

そこで出てきたのがPAM。

PAMはPWMに比べ効率のよい安定した低回転を実現でき、更なる高回転も対応可能になりました。

PWMで制御するよりもコンプレッサーが広範囲に対応できるということです。

これにより冷房、暖房能力の幅も広がり、ある時は低回転で省エネに、必要な時にはより高回転で高能力へとなります。

寒冷地でエアコンの暖房が使用できるようになったのもこのPAMによるものといわれています。

しかもPAMは力率が高い。

テレビのコマーシャルの所為かPAMは名前だけが先行して当時も”よくわからないけどいいらしいよ”というレベルの認知度でしたね。

これはエアコンのコンプレッサーを駆動(電力供給)するパワーモジュールです。
エアコンのコンプレッサーを駆動しているインテリジェントパワーモジュール
IPM(インテリジェント・パワーモジュール)
大きさは縦方向4cm×横方向2.5cm程度。

以前は単にパワーモジュール(PM)というものでしたが、PAMではインテリジェント(お利口さん)の”I”が付けられます。

増幅するだけでなく制御も担う機能が備わりました。

発売当初はまだ基板に乗らず別に設置されていたような記憶があります。
こんなかわいらしい部品ではなく大きく重いモジュールの上に更にインテリジェントの基板が乗って異様な存在感がありました。
なんかキカイダーの頭のような(古!)

それがこんなに小さくなって、これも技術の進歩ですかね😊

いつからかは知りませんが実際にはPWMとPAMをうまく組み合わせて使われています。

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2020年1月 6日 (月)

エアコンのコンプレッサー(4)

先日からコンプレッサーについて触れてみましたが、今回で一旦やめにしようと思います。
中途半端ですがあまり深くならないうちにやめないと・・・😅

エアコンはヒートポンプサイクルのバランスを保ちながら冷暖房をしています。

しかしそのバランスが崩れると能力が出ないばかりでなく、コンプレッサーを壊してしまう原因にもなります。

そこで出てくるのが保護装置
コンプレッサーの上部についたサーミスタ
これはコンプレッサーの上部に付けてあるサーミスタ

コンプレッサーの温度を検知します。

正常に運転しているときは高くて100℃位(コンプレッサーや環境による)でしょうか。
とにかく熱くて触れません。

ではガスが不足したりしてシステム全体の圧力が下がってくるとどうでしょう。
圧縮の圧力も下がるので温度が下がっていく・・・

とはいかないんですよ。
逆に温度がさらに高くなってしまうんです。
理由は・・・省きます。

以前の画像も含めてコンプレッサーが裸の状態になってますが、本当は周りに隙間なく遮音材がきっちり巻かれています。

なので余計に放熱できず温度上昇しやすい。

ひどいと遮音材の内側が焦げてることもありますからね。

コンプレッサーも焼けてしまいます。

そこで保護装置というものがあります。

ほかにコンプレッサーに内蔵されているものではインターナルサーモというのもあります。

現在のエアコンは画像のサーミスタなどで検知して停止し異常発生を室内機に表示して知らせるというものが主流で、インターナルサーモが付いていたとしてもそれが作動することは稀かもしれません。

このインターナルサーモはモーター巻き線付近にあって高温になると遮断しコンプレッサーを止め、冷めると復帰するようになっています。

ちょっと脱線しますが・・・

インターナルサーモが一度作動するとなかなか復帰しないんですよ。

コンプレッサーは鉄の塊みたいなもので、一旦熱くなるとなかなか冷めません。

業務用エアコンでは復帰させるため水をかけたり、ウチワでコンプレッサーを何十分もあおぎ続けるなんてことをしてました。
こうしないと何時間も待つことになりますから。

「カチンッ」(音が聞こえます)おっ復帰した!とようやく点検できるなんてかんじ。
動かないとどこが悪いのかわかりませんしね。
(ただしまた作動するので短時間で点検)

その他にも保護装置はありますがきりがないのでこのへんで。

なおエアコンが異常を検知して止まった場合、「電源入れ直せばまたしばらく動くから・・・」と何度も繰り返しているとその内容によってはコンプレッサーにダメージを与えるのでやめましょう。

どうでしたでしょうか?
4回に分けて書きましたが取り留めのない内容になってしまいました。

エアコンの根幹をなす部品であるということが伝われば幸いですが・・・

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2020年1月 5日 (日)

エアコンのコンプレッサー(3)

みなさん、エアコンのガス漏れって聞いたことがありませんか?

漏れてガスが減ってくると冷暖房共に効かなくなってきます。

エッ!、暖房は電気ヒーターじゃないの?・・・という方はさすがに最近少なくなりましたね。

ガス漏れで点検をすると漏れている部分に油が付着していることがよくあります。

どこからその油はくるのか?

それは
コンプレッサーのオイルが底部に溜まっている
コンプレッサーのオイルです。

なんでコンプレッサーにオイルが・・・

自動車にエンジンオイルが入ってないまま作動させれば焼き付いたり、異常な摩耗が起きてだめになってしまうのはご存知ですよね。
それと同じです。

コンプレッサー内の各部を潤滑しているんですよ。
オイルがなければ異常摩耗、焼き付きによるロックなどが起きます。

コンプレッサー底部に溜まっているオイルはある程度ガスと一緒に動きまわり圧縮機摺動部やその周囲に付着して機能します。

そしてガスとともにコンプレッサーから吐出されたオイルはそのままヒートポンプサイクルを循環してまたコンプレッサーへと戻ってきます。

そのためガス漏れがあるとそこからオイルも一緒に出てくるというわけです。

またヒートポンプサイクルを循環するオイルはその他部品の摺動部潤滑にも一役買っていると思います。

でもコンプレッサーへのオイル戻りが悪くて潤滑不良になることもあるんですよ。

例えば室内外機を結ぶパイプが許容配管長や許容高低差を超えている場合や指定より太いパイプを使用したりすると起きやすくなります。
ガス不足でもありえますね。

これらはすぐに症状が現れませんが寿命にかかわってきます。

また車のエンジンオイルなどと異なり交換は基本的にしないんですよ。
エアコンが壊れるまでそのままです。

なお新品のルームエアコンにはコンプレッサーにオイルが予め封入されているので現場で入れることはありません。

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