冷凍サイクル わかりやすく
熱機関を逆に回すと冷凍機になります。熱が熱い側から冷たい側へ落ちて仕事を得る代わりに、仕事を使って熱を冷たい側から熱い側へ押し上げます。熱が坂を逆に上る唯一の道で、冷蔵庫も冷凍庫もヒートポンプもこう動きます。
冷たい側の熱は仕事を使ってこそ熱い側へ上がり、熱い側は QH = QC + W を受け取ります。熱はもともと熱い側から冷たい側へひとりでに流れるので、逆に押し上げるにはポンプが要り、使った仕事はそっくり熱になって熱い側に足されます。
実際の冷蔵庫で冷媒は四つの装置を巡ります。蒸発器で沸いて冷たい側の熱を吸い、圧縮機が押して圧力を上げ、凝縮器で固まって熱い側の熱を出し、膨張弁で圧力を下げます。これはランキンを逆に回したもので、冷媒は沸点がとても低く、冷蔵庫の中のような冷たい場所でも蒸発して熱を吸います。汗が蒸発して肌を冷やすのと同じ考えです。
冷凍機は効率ではなく成績係数 COP = QCW で評価します。使った仕事一単位あたりに運んだ熱で、ふつう 1 より大きいです。使った仕事より多くの熱を運ぶからです。1 を超えてもエネルギーを作り出しているのではなく、ない熱を絞り出すのではなく、すでにあった熱を冷たい場所からくみ出して運ぶだけなので、運んだ熱は使った仕事より多くなり得ます。
同じ機械が冷たい側を冷たく保ちたければ冷凍機で、そのとき役立つのは QC であり、熱い側を暖めたければヒートポンプで、そのとき役立つのは QH です。QH = QC + W なので、ヒートポンプの係数は常に冷凍の係数より 1 大きいです。だからヒートポンプで暖房すると電気ヒーターより得で、ヒーターは電気の一塊を熱の一塊に変えるだけですが、ヒートポンプは外の空気や地面からただの熱をくみ上げて何倍かを送り出します。
冷凍は機関を逆に回したもので、熱を上へ運ぶには必ず仕事が要り、成績係数で評価し、最大の COP = TC(TH−TC) は温度差が小さいほど大きくなります。これで輪が閉じます。一つの状態から法則へ、そして世界を回す循環まで来ました。その温度差の力は家でも表れ、ヒートポンプは内と外の差が最も開く最も寒い日に、最も苦しく働きます。