電気加熱18【電験3種 機械】エアコン冷房時の冷媒サイクルとヒートポンプCOPの穴埋め問題！平成23年度 A問題12 完全解説

今回は平成23年度 機械科目 A問題12を解説します。エアコンの冷房時の冷媒サイクル（気化・液化・圧縮機・膨張弁）と、冷房・暖房それぞれのヒートポンプ成績係数（COP）に関する空所補充問題です。★電気加熱17（平成20年度A問題12）のヒートポンプ一般原理を、エアコンの具体的なサイクルに落とし込んだ応用版です。

冷房時は低温の冷媒が室内機で吸熱しながら気化し、圧縮機で高温に圧縮された後、室外機で放熱しながら液化します。冷房時のCOPはQ/W、暖房時は1+Q/Wで表され、これらの値は外気温度によって変化する点も押さえておきましょう。

平成23年度 機械科目 A問題12：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 機械科目 【電気加熱】 平成23年度 A問題12

　次の文章は，ヒートポンプに関する記述である．

　ヒートポンプはエアコンや冷蔵庫，給湯器などに広く使われている．図はエアコン（冷房時）の動作概念図である．（ア）温の冷媒は圧縮機に吸引され，室内機にある熱交換器において，室内の熱を吸収しながら（イ）する．次に，冷媒は圧縮機で圧縮されて（ウ）温になり，室外機にある熱交換器において，外気へ熱を放出しながら（エ）する．その後，膨張弁を通って（ア）温となり，再び室内機に送られる．

　暖房時には，室外機の四方弁が切り替わって，冷媒の流れる方向が逆になり，室外機で吸収された外気の熱が室内機から室内に放出される．ヒートポンプの効率（成績係数）は，熱交換器で吸収した熱量をQ〔J〕，ヒートポンプの消費電力量をW〔J〕とし，熱損失などを無視すると，冷房時はQ/W，暖房時は1+Q/Wで与えられる．これらの値は外気温度によって変化（オ）．

　上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ．

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
(1)	低	気化	高	液化	しない
(2)	高	液化	低	気化	しない
(3)	低	液化	高	気化	する
(4)	高	気化	低	液化	する
(5)	低	気化	高	液化	する

出題のポイント：冷房時の冷媒サイクル

冷房時は、低温の冷媒が室内機で室内の熱を吸収しながら気化し、圧縮機で高温になった後、室外機で外気へ放熱しながら液化します。膨張弁を通ると再び低温になり、同じ循環を繰り返します。冷房・暖房のCOPは外気温度によって変化します。

ポイント解説：熱収支から冷房・暖房COPを整理

電気加熱17で学んだヒートポンプの一般原理を、エアコンの具体的な冷媒サイクルに当てはめます。冷房時は低温の冷媒が室内機で吸熱しながら気化し、圧縮機で高温高圧になった後、室外機で放熱しながら液化します。

冷房時のCOPはQ/W、暖房時は1+Q/Wで表され、電気加熱17のQ2/W＝1+Q1/Wと同じ形の式です。これらの値は外気温度によって変化します。

問題の解説：状態変化を一周たどる

STEP1　（ア）（イ）室内機での冷媒の状態変化を確認する

圧縮機に吸引される冷媒は低（ア）温です。室内機の熱交換器で室内の熱を吸収しながら液体から気体へ気化（イ）します。

STEP2　（ウ）（エ）圧縮機通過後・室外機での状態変化を確認する

圧縮機で圧縮された冷媒は高（ウ）温になります。室外機の熱交換器で外気へ放熱しながら気体から液体へ液化（エ）します。

STEP3　（オ）COPの外気温度依存性を確認する

冷房時のCOP＝Q/W、暖房時のCOP＝1+Q/Wは、いずれも外気温度によって変化する（オ）（外気温と室内温度の差が大きいほど効率は低下する）。

以上より（ア）低（イ）気化（ウ）高（エ）液化（オ）するの組合せである(5)が正解です。

答え：(5)

まとめ

（ア）	低
（イ）	気化
（ウ）	高
（エ）	液化
（オ）	する
答え	(5)

▼あわせて解きたい関連問題
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