ヒートポンプの原理とは?種類や使用用途・動向について知ろう!

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ヒートポンプはエアコンや冷蔵庫、暖房機器など身のまわりにあるものに利用している技術です。
快適な生活を送るために必要なものでもあります。
ヒートポンプの原理は一体どうなっているのでしょうか。
そこで、ヒートポンプの原理や種類、使用用途、動向など詳しく説明していきたいと思います。
また、ヒートポンプは電験3種試験にも出てくる問題です。
電験3種の勉強をしている人やヒートポンプについて知りたい人は、ぜひ参考にしてください。

  1. ヒートポンプの原理
  2. ヒートポンプの種類
  3. ヒートポンプの使用用途と動向
  4. まとめ

1.ヒートポンプの原理

基本的に、ヒートポンプは熱媒体や半導体などを使用しています。
熱媒体・半導体によって低温部分から高温部分へと熱を移動しているのです。
では、ヒートポンプの原理について詳しく説明していきましょう。

1‐1.熱媒体の気化熱、凝縮熱を利用する

ヒートポンプの原理はさまざまな種類があります。
冷蔵庫や冷凍庫、エアコンに使用しているヒートポンプは、熱媒体の気化熱と凝縮熱を利用しているでしょう。
熱媒体となる気化熱を利用することで、空気・水・岩・土が持っている熱とやり取りができるようになっています。
ちなみに、熱媒体は用途にによって呼び方が変わるものです。
たとえば、冷却機器であれば「冷媒」、加熱機器なら「熱媒(ねつばい)」と呼びます。
また、熱媒体を使用しているヒートポンプは発熱現象と吸熱現象を一緒に利用している仕組みです。
周辺環境の中から吸熱した熱媒体を加圧します。
そして、温度を上げて屋外・室内の空気に対して発熱していくのです。
基本的に、熱媒体の「流体」を循環していることが多いでしょう。

1‐2.格子振動を利用する

「格子振動」という言葉を聞いたことがあるでしょうか。
格子振動とは、結晶中の原子が振動することです。
熱伝導の1つでヒートポンプの原理にもなっています。
主に、熱電素子の1つであるペルティエ素子や半導体を利用したヒートポンプに採用している原理です。
ペルティエ素子や半導体を利用しているヒートポンプ機器は、電流を発電素子に流すことで格子振動を起こしています。
自発ではなく、人工的に格子振動を生み出しているのです。
そして、格子振動によって熱移動ができるようになります。
私たちの身近なものとしては冷温庫、温度管理が必要な医療用機器に採用している原理ですね。

1‐3.気化熱と熱伝導の同時利用

熱の移動効率を上げるためにヒートパイプという仕組みを使います。
熱の移動効率を上げるだけでなく、温度が高いときは熱ダイオードとしての利用も可能です。
ヒートパイプの中にはパイプラインの溶解を防ぐために基礎部分に設置するタイプがあります。
基礎部分に設置するヒートパイプは高い熱伝導性を持つパイプの中に揮発性の液体をとじこめなければなりません。
そして、熱伝導+気化熱の働きによって高温部から低温部への熱移動が可能になるのです。
気化熱と熱伝導の同時利用によって動くヒートポンプもあります。
ちなみに、熱ダイオードとして利用する際は、一方通行の熱移動だけになるでしょう。

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