身近な家電製品にも使われている!「ヒートポンプ」って何?

今回は、ヒートポンプの仕組みを解説します。※本連載では、厳しい経営を迫られる医療機関において、固定費のなかでも見直されることの少ない「水道光熱費」に着目し、これらの大幅削減を可能にする「ヒートポンプ」を紹介・解説していきます。

エアコンや冷蔵庫も「ヒートポンプ製品」の一種

ヒートポンプの仕組みは、すでに19世紀前半には発明されていました。その後、1930~40年代に欧米で初めて実用化されましたが、当初は冷却作用のみ活用され、氷をつくる製氷技術として発展しました。

 

20世紀に入ってからは冷房にも用いられるようになり、日本では1932年に暖房にも使われるようになりました。1970年代にはオイルショックによる原油価格の高騰が引き金となって、原油を必要としないヒートポンプに世界各地で注目が集まりました。

 

ヒートポンプが使う熱エネルギーはいくらでも再生が可能なので、環境にもやさしいのが特徴です。そして近年の技術開発によって給湯、蒸気など、加熱目的での使用も普及し、さらなる高効率化を達成しています。

 

ヒートポンプの装置自体は、世間一般の人にとっては馴染みの薄いものですが、ヒートポンプの技術は、私たちの身近なところにたくさん存在しています。

 

たとえばエアコンも、ヒートポンプの一種です。先ほど述べたように、熱には「温度の高いところから低いところへと移動する」という性質があります。

 

エアコンはこの性質を利用して、空気の熱(大気熱)をうまく取りこんで移動し、室内を冷やして(または温めて)います。

 

ほかにも冷蔵庫や冷凍庫、洗濯機の乾燥機能なども、ヒートポンプ製品の一種です。多くの家庭に設置されている「エコキュート」という電気給湯機も、別名「二酸化炭素冷媒ヒートポンプ給湯機」といい、ヒートポンプを利用して空気の熱でお湯を沸かす製品です。

 

[図表1]冷凍から加熱まで広い用途に使われるヒートポンプ

出典:一般社団法人ヒートポンプ・蓄積センター
出典:一般社団法人ヒートポンプ・蓄積センター
 

 

ヒートポンプの仕組みについて、もう少し詳しく説明します。

 

ヒートポンプを使って熱を移動させるには、動力が必要です。同じポンプでも、水をくみあげる通常のポンプは羽やタービン(回転式の原動機)を回して水を移動させています。しかしヒートポンプの仕組みはもう少し複雑です。

 

下記の図表のように、片方で温度を下げながら、もう片方で温度を上げることで温度差をつくり、熱を移動させています。

 

[図表2]ヒートポンプの原理

出典:ゼネラルヒートポンプ工業株式会社HP より
出典:ゼネラルヒートポンプ工業株式会社HP より

 

このヒートポンプの原理は、「気体を圧縮すると温度が一気に上がり、液体が膨張する時には温度が一気に下がる」という現象を利用したものです。

 

たとえば自転車のタイヤにパンパンになるまで目いっぱい空気を入れると、空気が圧縮されて空気の温度が上がり、タイヤの表面が温められて熱くなります。逆に、スプレー缶からスプレーを噴出すると、スプレー液が膨張(気化)して圧力が低くなり、スプレーの温度は下がるので、吹き付けたところがヒヤッと冷たくなります。これは「圧縮=温度上昇、膨張=温度下降」の現象によるものです。

 

電気の力で故意に「熱いところ」と「冷たいところ」をつくり出すことで、空気から熱を集めて移動させ、冷暖房や給湯などのさまざまな用途に活かす。これが、ヒートポンプの仕組みです。

ヒートポンプ=熱の性質をうまく活かしたシステム

次に、ヒートポンプの構造を説明します。

 

ヒートポンプは、おおまかに分けて「圧縮機(コンプレッサー)」「凝縮器」「膨張弁」「蒸発器」の4つで構成されていて、これらが配管で結ばれています。

 

配管の中には「冷媒」という、熱を運ぶ物質が入っています。冷媒には「液化ガス」という物質が使われています。液化ガスは、温度によって気体や液体に姿を変え、効率的に熱を運んでくれるという性質があります。

 

ヒートポンプの内部で、どのように熱が運ばれるかを説明します。まず、圧縮機で冷媒を圧縮すると、冷媒の温度が上昇します。熱くなった冷媒は気体の状態ですが、凝縮器にたどりついて熱を放出(媒体を加熱)すると、温度が下がり、今度は液体になります。

 

次に、膨張弁で冷媒を膨張させると、今度は冷媒の温度が一気に下がります。冷たくなった液体の冷媒は蒸発器にたどりつき、熱を吸収(媒体を冷却)し、また気体になって、圧縮機で圧縮されて高温になる──というサイクルをくり返すシステムです。

 

このようにヒートポンプは、熱の性質を上手に活かしたシステムといえます。

 

ちなみに、かつてはヒートポンプの冷媒にはフロンが使われていましたが、有害な紫外線から地球を守っているオゾン層を破壊することが問題になりました。

 

それ以降は、新たな冷媒として代替フロンが登場しましたが、近年また代替フロンも地球温暖化を促進させる悪影響があることがわかりました。そのため、2019年度から段階を踏んで、代替フロンが排除されることになりました。

 

しかし、代替フロンの次に何を冷媒にするかはまだ決まっておらず、いまだに議論されている段階です。私どもの会社では、地球温暖化が叫ばれはじめた平成11~13年頃に、環境に悪影響がないプロパンを精製した「R290」という冷媒を用いたヒートポンプを業界に先駆けて製品化しました。近い将来、このR290の需要が高まる可能性もあります。

 

なお、15年以上前の古いエアコンには「R22」という冷媒ガスが使われていますが、このR22はフロンであり日本では2020年に全廃になってしまいます。それ以降は修理用でも廃棄された機器から回収されたR22の再生冷媒を使うことになりますが、コストがかさみますし、おすすめできません。

 

このように、冷媒をめぐる状況はあわただしく変化しています。ぜひご自身の施設のエアコンの冷媒や、次の更新時期を確認していただきたいと思います。

 

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ゼネラルヒートポンプ工業株式会社 代表取締役

北海道生まれ。名古屋大学大学院工学研究科卒。博士課程在籍中に、地中熱ヒートポンプの開発研究を始める。
1997年ゼネラルヒートポンプ工業株式会社入社、開発部に所属。東京大学と「地中熱空調システムの普及・実用化に関する研究」などの共同研究などを行う。2012年、開発部を「再生可能エネルギー研究所」と改名し所長に就任。2016年より代表取締役に就任。2018年、同社の透析の排熱再利用システムを利用した病院が東北経済産業局からエネルギー管理功績者表彰を受ける。
現在では、モンゴル・ウランバートル市政府と地中熱ヒートポンプシステム導入を目指す覚書を締結するなど、国内のみならず国外へも活躍の場を広げている。

博士(工学)
エネルギー管理士
高圧ガス製造保安責任者(第一種冷凍機械)
一級管工事施工管理技士
一級地中熱施工管理技術者

著者紹介

連載医療・介護施設経営者必見!水道光熱費を劇的に削減する「ヒートポンプ」とは?

医療・介護施設経営者のための 水道光熱費を劇的に削減する方法

医療・介護施設経営者のための 水道光熱費を劇的に削減する方法

柴 芳郎

幻冬舎メディアコンサルティング

2017年の病院運営実態分析調査によると、総損益差額が赤字の病院は約7割にもなるとの結果が出ています。 一方介護事業においても、報酬引き下げや人材不足が原因で、廃業・撤退が相次いでいます。 そのため医療・介護施…

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