エアコンのモデリング（その1） 〜エアコンの作動原理を理解する〜：1Dモデリングの勘所（20）（4/5 ページ）

「1Dモデリング」に関する連載。連載第20回は、外観からその機能を理解することが難しい製品の代表例としてエアコンを取り上げる。具体的にエアコンのモデリングを試みる前に、エアコンの動作原理について熱力学の基本に立ち返って考える。

[大富浩一／日本機械学会 設計研究会，MONOist]

カルノーサイクル

　1824年にカルノーが、現在「カルノー機関」として知られている理論的な熱機関を提唱した。図5にカルノー機関の熱サイクルを示す。

図5　カルノー機関［クリックで拡大］

　カルノー機関の熱サイクルは以下の4段階からなる。ピストンの位置（A、B、C、D）の移動方向ごとに説明する。

1. ［A→B］：温度T_highにおける等温膨張解である。気体は温度T_highの熱源に接触しており、シリンダ底部から熱エネルギーQ_highを吸収し、ピストンが上に移動する際に仕事W_ABを行う
2. ［B→C］：シリンダ底面は断熱壁で気体は断熱膨張する。この過程で温度はT_highからT_lowに下がり、気体はピストンが上がる際に仕事W_BCを行う
3. ［C→D］：気体は温度T_lowの熱源に接触しており、温度T_lowで等温圧縮される。このとき、気体は熱源にQ_lowを放出し、ピストンは気体に対して仕事W_CDを行う
4. ［D→A］：シリンダ底面は断熱壁で気体は断熱圧縮される。この過程で温度はT_lowからT_highに上がり、ピストンは気体に対して仕事W_DAを行う

　カルノーが示したことは、2つの熱源の間で理想的な可逆サイクルで動く熱機関は、原理的に最高の効率を有するということで、このサイクルを「カルノーサイクル」（図6左図）という。この理想的熱機関が、全ての熱機関の効率の上限を与える。カルノーサイクルを逆に回すと「逆カルノーサイクル」（図6右図）となる。カルノーサイクルと逆カルノーサイクルは、熱機関とヒートポンプに相当する。

図6　カルノーサイクルと逆カルノーサイクル［クリックで拡大］