国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 32）

オール電化がクローズアップされている最近、TVのコマーシャルで「空気の熱でお湯が沸く！」と流れる度に「へぇ～」と思っていらっしゃる方、多いのではないでしょうか。このカラクリ、きちんと説明できますか？うっかり「どういうこと？」とお子さんに聞かれ「！」とあわてている方もいるのでは？

そこで今回は、この「空気の熱でお湯が沸く！」エコキュートの仕組みを、解りやすく簡単にご説明したいと思います。

大気中の『熱』を集めるのは「ヒートポンプ」

普通、水をお湯にするにはどうするでしょう？火や電気などで加熱しますよね。しかし、エコキュートでは火や電気の熱を使わず、お湯をつくるのです。しかし、お湯をつくるためには『熱』を直接加えなくてはなりません。では、どうすれば良いのでしょうか？

そこで必要になるのが、空気の中に存在する『熱』なのです。大気中に満ち溢れている『熱』を上手く利用するのが、エコキュートのすごいところなのです。

では、どのようにして空気中の『熱』を集めるのでしょうか？その時活躍するのが「ヒートポンプ」という仕組みなのです。エコキュートは空気熱を利用する「ヒートポンプ」の給湯器なのです。「ヒートポンプ」という言葉は、エアコンなどで良く使われていますので、耳にしたことがあるかと思います。ところで「ヒートポンプ」とは何でしょう？まずは、言葉の意味をみてみましょう。

「ヒートポンプ」＝Heat（熱）＋ Pump（くみあげる） ↓ 熱をくみあげる

と言う意味になります。では次に、この「ヒートポンプ」が、どのようにして熱をくみあげるのか、そのカラクリをみていきましょう！

『熱』は圧縮されて高温になる！

まずは、大気中の『熱』が、なぜお湯をつくれるほどの『高熱』になるのか？まずはこれについて説明を始めましょう。

熱は圧縮されると熱くなる

『熱』は圧縮すると高温になるという特性があります。身近なところでは、圧力鍋などがイメージしやすいかもしれません。圧力をかけることで高温加熱ができ、調理時間が短くなっていますよね。この『圧縮』を利用して、大気中の『熱』を高温に変えているのが「ヒートポンプ」という仕組みなのです。

では「ヒートポンプ」で加熱するまでの流れを簡単に説明します。

ヒートポンプで加熱するまでの流れ

この作業が、エコキュートの中で行われているのです。しかし、大気中の『熱』を集めるためには、もうひとつ役者が必要です。それが「冷媒」といわれるもの。エコキュートは、この「冷媒」に大きなエコが隠されています。

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 31）

『熱』を集めてくれるのは【CO2】

冷媒【CO2】が大気中の熱を取り込み温度を上げます

大気中の『熱』をファンで機械の中へ送り込むだけでは『熱』は集まりません。室外機の中に送り込まれた大気から『熱』を取り込み、水に伝える役割をするのが「冷媒」です。この「冷媒」は自分自身が『熱』を吸収して温度を上げます。そして、その『熱』を放出することで、水に熱を伝えるという働き者なのです。
（※エアコンや冷蔵庫の場合は、室内・庫内の『熱』を吸収し、外へ放出することで温度を下げるという逆の働きをしています。）

「冷媒」として有名なのがフロンです。しかし、エコキュートは「冷媒」にフロンを使用せず、代わりに【CO2＝二酸化炭素】を利用している点が注目のポイントなのです！
※エアコンや冷蔵庫などの冷媒は、いままでフロンが使われていましたが、環境に対する影響があるということで、最近は「代替フロン」「ノンフロン」という言葉がメジャーになっていますね。

この冷媒【CO2】は、オゾン層の破壊係数がゼロ。地球温暖化に対する影響も、フロンの1500～1700分の1。さらに「CO2」は、工場などで排出される副生ガスを再利用しているという理想的な冷媒なのです。

これで、大気中の『熱』を取り込み、『高熱』として加熱ができるようにするまでの役者が揃いました。では、エコキュートの仕組みを整理してみましょう。

図解！エコキュートの働き

エコキュートの中で行われていることを、図で整理してみましたのでご覧下さい。

資料提供：東京電力

（１） 室外機で大気を取り込む 冷媒【CO2】が大気中の『熱』を吸収 　　↓ （２） 熱を含む【CO2】はコンプレッサーで圧縮され『高熱』に そして『高熱』となった冷媒【CO2】は熱交換器へ 　　↓ （３） 熱交換器で水に『熱』を伝える＝加熱 『熱』を排出した冷媒【CO2】は拡張弁へ 　　↓ （４） 冷媒【CO2】は拡張弁で膨張される ※膨張させると【CO2】は外気温より低温になるため、 　空気中から熱を吸収しやすくなります。 　　↓ スタートへ戻る

エコキュートは、このような循環により大気中の『熱』を延々取り込みながら、お湯をつくっているのです。この循環のなかで電気を使用しているのは、大気を取り込む時と圧縮する時です。そのため、少ない電気でお湯が沸かせるということになります。

現在のエコキュートは【電気１】に対し【空気２】を使って90度のお湯が沸かせる換算になっています。これが、電気だけでの給湯に比べ３倍の能力でお湯ができるという理由なのです。

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 30）

　チームマイナス６パーセント・・・おいらの体重もマイナス６パーセントしたいです前回エコキュートの問題を掲載してみたいと思います。（予習、予習）それにしても、やっと家電製品協会認定センターから受験票が本日やっと届きました。一瞬焦ってしまいました

　エコキュートに関する記述である。（ア）～（オ）から選び、その番号をマークしなさい。

・エコキュートとは、電力会社および給湯機メーカーが自然冷媒の（ア）を使用してルームエアコンの暖房運転の原理を応用し、大気から熱を吸収してお湯を沸かすヒートポンプ式給湯機を総称する愛称である。炎を使用しないので、安全性が高く、システムのＡＰＦ（年間給湯効率）も大きい特徴である。

・一般地仕様のエコキュートは、冬季の最低温度が（イ）℃を下回る場所（寒冷地）では使用できないが、最近の寒冷地仕様には、最低外気温度がー２５℃まで使用できるものもある。

・沸き上げのとき、コンプレッサーで圧縮された自然冷媒は、高温（約９０～１３０℃）、高圧（ウ）ＭＰａの超臨界状態になる。ルームエアコンに使われているＲ－４１０ａ冷媒とは、かなり特性がことなる。

・タンク容量が同じの場合、ランニングコストは、ヒーター式電気給湯機の約（エ）以下である。

・ヒートポンプユニット内の水加熱用熱交換機は、高温・高圧の超臨界状態の冷媒を用いて、水からお湯に替える働きをする。沸き上げ温度は、最高約（オ）℃である。

【語群】

①－15　②１／６　③-10　④アンモニア　⑤90　⑥二酸化炭素　⑦9～12　⑧１／３

⑨2～4　⑩70 

＜回答＞

（ア）＝⑥　（イ）＝③　（ウ）＝⑦　（エ）＝⑧　（オ）＝⑤

　なぜか不思議なことに？管理人は全問正解でした3番目の問題なんか、「ヤマカン」でした

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 29）

　エコキュートのタンクは実際見たら結構背が高い（値段も高いです）お湯をぎょーさん使われる人ならいいかもしれないです・・・

　エコキュートに関する記述である。（ア）～（オ）に適切なものを、語群①～⑩から選び、その番号をマークしなさい。

・エコキュートとは、自然冷媒の（ア）を使用してヒートポンプ式エアコンの暖房運転の原理うぃ応用す、大気から熱を吸収してお湯を沸かす給湯機である。炎を使用しないので安全性が高く、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）も大きい。

・最低外気温が（イ）を下回る場所では使用できないが、寒冷地仕様のものは（ウ）迄使用できる。

・ヒートポンプユニットは、万一冷媒が漏れると酸素不足の原因になるので（エ）に設置しない。また雨や雪が降ったとき、水たまりができて水につかる場所に据付けしない。

・寒冷地域で寒冷地仕様を据付けする場合、冬季の最低外気温が－１５℃を下回る場所では、貯湯タンクユニットを（エ）に設置するほうが好ましい。

・ヒートポンプユニット内の熱交換器等を詰まらせる故障の原因になるので、（オ）を使用しない。

【語群】

①アンモニア　②０℃　③－１０℃　④屋外　⑤井戸水　⑥二酸化炭素　⑦－３０℃　⑧－２０℃　⑨屋内　⑩水道水

＜回答＞

（ア）＝⑥　（イ）＝③　（ウ）＝⑧　（エ）＝⑨　（オ）＝⑤

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 28）

　今年になってエコキュートの補助金はたしか出なかったはず・・・（多分）それでも地球温暖化の阻止にはいい商品だと思います

　エコキュートに関する記述である。（ア）～（オ）に適切なものを、語群①～⑩から選び、その番号をマークしなさい。

・エコキュートとは、自然冷媒の二酸化炭素を使用してヒートポンプ式エアコンの（ア）運転の原理うぃ応用す、大気から熱を吸収してお湯を沸かす給湯機である。炎を使用しないので安全性が高く、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）も大きい。

・二酸化炭素冷媒は、オゾン層破壊係数がゼロで、地球温暖化への影響は家庭用エアコンのＲ－410ａ冷媒に比べ（イ）とはるかに少ない。

・コンプレッサーで圧縮された二酸化炭素は、高温（約９０～130℃）、高圧（ウ）ＭＰａになる。家庭用エアコンに使われるＲ－４１０ａ冷媒とは熱交換特性が異なる。

・ヒートポンプユニット内の熱交換機は、高温・高圧の超臨界状態の冷媒を使用して、水をお湯に替える働きをする。沸き上げ温度は、約（エ）に沸きあげることができる。

・エネルギー消費効率は、（オ）÷消費電力である。

【語群】

　①1/1730　②冷房　③９～12　④５～８　⑤１３０℃　⑥冷房効率　⑦暖房　⑧１／２７３０　⑨９０℃　⑩加熱能力

＜回答＞

（ア）＝②　（イ）＝①　（ウ）＝③　（エ）＝⑨　（オ）＝⑩

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 27）

　さてさて、国家試験の勉強をしたいと思います。前回のテストでは、おいらにとって「想定外」の問題が出ていました。それは「換気扇」・・・念のため勉強したいと思います。

　換気扇の記述である。（ア）～（オ）に該当するものを、語群①～⑩から選び、その番号をマークしなさい。

　・プロペラファンを固定している「羽根止め」ナットは(ア）に回すと緩み、プロペラファンを取り外すことができるのが一般的である。

　・集合住宅の大所でダクトを用いて排気させるレンジフードファンは、外風やダクトなどの抵抗を受けると風量が低下するので、静圧の高い(イ)が適している。

　・同時給排気換気タイプ以外の換気扇の場合は、部屋の空気の流れを考慮して、換気扇の反対側に（対角線）（ウ）を設ける必要がある。

　・２００３年７月１日から施行された改正「建築基準法」では、シックハウス対策として、住宅などの居室に換気回数（エ）(回／ｈ）以上の機械換気設備（２４時間換気システムなど）設置が義務付けられている。

　・２４時間換気（部屋全体）や２４時間換気システム（住宅全体）は、台所の換気扇と違い、（オ)換気を行なう為低騒音構造になっている。

　語群　①シロッコファン　②排気口　③間欠　④左　⑤給気口　⑥右　⑦常時　⑧０．５　⑨プロペラファン　⑩1

＜回答＞

　(ア）＝④　(イ）＝①　（ウ）＝⑤　(エ）＝⑧　（オ）＝⑦

　管理人本人はここの問題で１問だけ間違えました２００３年７月１日から施行された改正「建築基準法」っていったいなんなんだい？

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 26）

エアコンのしくみについて

水は蒸発する時に熱を奪います。

屋外で、指を濡らして立ててみてください。冷たく感じる方向から風が吹いています。風向きを調べる時、このような事をしたことはありませんか。風が吹くと指に付着した水分が蒸発し冷たく感じます。水は蒸発するとき、熱を奪う（気化熱）性質があります。エアコンはこの原理を利用して冷房を行っています。

フロンガスでエアコンを冷やす

エアコンで部屋を冷やす時はフロンガスと言う冷媒を使用します。フロンガスと言うと特別な物質と思われるかも知れませんが、ここでは水と同じような物質だとイメージしてください。（沸点など特性は大きく異なりますが、温度等の条件によって液体や気体に変化する点は同じです）フロンガスが詰まったボンベを部屋に持ち込み、蒸発させると気化熱を奪い、部屋を冷やす事が出来ます。しかし、一度放出させたフロンガスは回収できないので、毎回部屋を冷やすには膨大なコストが掛かってしまいます。そこで、室内で蒸発させたフロンガスを回収、再度液体に戻して再利用を行っているのがエアコンと言う機械です。

エアコンの構造

エアコンは、室内機、室外機に分かれ、パイプで接続されます。まず、エアコンの室外機を見ると配管接続部があります。接続部は2つあり、片側でフロンガスを室内機に送り、もう片側でフロンガスを回収しています。

エアコンの室内機も配管接続部があります。同じく接続部が2つあり、片側でフロンガスを受け取り、もう片方で室外機側にフロンガスを戻します。

上記接続部に下記のような配管パイプを接続することによって、フロンガスが室外機→配管パイプ→室内機→配管パイプ→室外機と言うように循環します。

冷房時のエアコンの基本動作

• 室外機から室内機に液体の状態でフロンガスが送られる。
• 室内機の蒸発器（エアフィルターを外した後ろにあるアルミのフィン）でフロンガスが蒸発し蒸発器を冷たく冷やします。
• 室内機のファンで蒸発器の間に風を送り、エアコン室内機から冷たい風が吹き出します。
• 蒸発し気体になったフロンガスが室外機に戻っていきます。
• 室外機のコンプレッサーによってフロンガスが圧縮されます。
• 圧縮され高温になったフロンガスは凝縮器（室外機のアルミのフィン）に送られ、室外機のファンで冷まされます。
• 室外機の電磁弁（フロンガスの圧力を調整する弁）を通過するとフロンガスは液体になります。
• 再度、室内機にフロンガスが送られます。

冷房時のフロンガス圧力と状態

冷房運転時のフロンガスの状態と内部の圧力は下記のように変化していきます。

• 圧縮機で低温低圧の気体状態のフロンガスを圧縮し高温高圧の「ガス」にします。
• 高温高圧のガスは凝縮器に送られ放熱して、高温高圧の「液」になります。
• 高温高圧の「液」は膨張弁によって低温低圧の「液」になります。
• 低温低圧の「液」は蒸発器に送られ、室内の熱を吸収して蒸発し、低温低圧の「ガス」になります。
• 再び、低温低圧の「ガス」は圧縮機に送られます。

以上が基本的なエアコンの動作です。

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 25）

　なんとか無事に？(有)山本自動車工業所のブログも開設したことだし３人で雑談後、おいらが勧めたエステマをお買い上げしていただいたそうだ。（次回会ったときには、ケーオリジナル、悪魔の名紙をプレゼント）

　エアコンの勉強まだまだ続く

　インバーターエアコンに関する記述である。（ア）～（オ）について正しいものには①、誤っているものには②、をマークしなさい。

　（ア）交流インバーターは、インバーター部で作った直流をコンバーター部で周波数可変の交流に変換して回転制御を行なっている。

　(イ）直流インバーターの圧縮機はブラシレスＤＣモーターが採用されている。圧縮機の速度制御はＰＷＭ制御またはＰＷＭ＋ＰＡＭ制御でＤＣモーターの印加電圧を可変して行なう。

　（ウ）交流インバーターは、主にパルス幅偏重（ＰＷＭ）方式の擬似三相交流を用い、圧縮機モーターの回転制御をしている。

　（エ）交流インバーターの圧縮モーターの回転速度は、モーターの極数と周波数に大きく左右されるが、極数が同じであれば周波数が高いほど回転速度は遅くなる。

　（オ）ブラシレスＤＣモーターの回転数は印加電話津に比例し、トルクにはんぴれいｒする。

＜回答＞

　（ア）＝②　（イ）＝①　(ウ)＝①　(エ）＝②　(オ)＝①

 

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 24）

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 23）

　エアコン・・・地球温暖化で夏は非常に重宝する電化製品の１つでもあると思います（熱帯夜で眠れないときはエアコンで冷房運転させて）

　エアコンに関する記述である。（ア）～（オ）について正しいものには①、誤っているものには②、をマークしなさい。

（ア）外気温が０℃付近まで低下してくると、室外機側熱交換器に霜がつくので暖房能力は低下する。

（イ）室内側熱交換器の表面センサーは、暖房運転時に室内側熱交換器の配管の表面温度を検知して、霜取りの開始や終了をさせるための役目をしている。

（ウ）キャビラリーチューブは、内径１～３ｍｍ程度の細長い銅管で冷凍サイクル中の蒸発行程を受け持つ。

（エ）霜取り時には、圧縮機、室内ファン、室外ファンともに停止する。

（オ）室内側熱交換器の表面温度センサーは、暖房運転開始時、室内ファンの運転を一時停止させ冷風を出さないための役目をしている。

＜回答＞

（ア）＝①　（イ）＝②　（ウ）＝②　（エ）＝②　（オ）＝①

国家試験パートⅡ （家電エンジニア編 Ｉｎｄｅｘ 22）

　フロンガス関連で続いていきたいと思います。国家試験パートⅠは前回愛知県名古屋市でガス回収を受けました。その際に、エアコンのガスと冷蔵庫のガスの種類は全く異なります。それが今おいらのＨＤＤ（頭）に入っているうちに、予習をしたいと思います。

　エアコンに使用されているＲ－４００Ａ冷媒に関する記述である。①～⑤のうち、誤っているものを選びその番号をマークしなさい。

　①Ｒ－４００Ａ冷媒は、擬似共沸混合冷媒であるので再充てんが必要な場合は、組成変化を防止するため、冷凍サイクル内の冷媒をすべて回収した後、液冷媒で充てんしなければならない。

　②Ｒ－４１０Ａ冷媒はオゾン破壊係数（ＯＤＰ）、地球温暖化係数（ＧＷＰ）はともにゼロである。

　③Ｒ－４１０Ａ冷媒は、圧縮機用潤滑油と使用とする冷凍機油として、エステル油、ユーテル油、アルキルベンゼン油」などんぽ合成油がある。

　④従来の真空ポンプをＲ－４１０Ａ冷媒として使用する場合、専用の逆止弁付アダプターを使用しなければならない。

　⑤冷媒ボンベの色は桃色である。

＜解説＞　

　新冷媒Ｒ－４１０Ａのオゾン破壊係数はゼロであるが、地球温暖化係数は二酸化炭素と比較して１，７３０倍と高い数値であります。１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止京都会議において、ＨＦＣ系冷媒（Ｒ－４１０Ａ）も削減対象になった温室効果ガスに指定された。よって、エアコンの取り外し工事などで冷媒を大気中に放出してはならない。

＜回答＞　②