空気冷凍サイクル

テンプレート:出典の明記 空気冷凍サイクル（くうきれいとうサイクル）は、気体を圧縮機で圧縮し、熱交換器で冷却した後、膨張タービンで動力回収して圧力・温度を下げ低温を得る、冷凍機の熱サイクルである。

小型軽量であるため、開放型のものが航空機の客室用空調に用いられている。また、-150℃以下で単段蒸気圧縮冷凍サイクルより効率がよくなることを生かして、密閉型のものが空気・天然ガスの液化に用いられている。

膨張弁サイクル

1 - 圧縮機が気体に l_c の仕事を加えて圧縮 →2

2 - 熱交換器で冷却 →3

3 - 膨張タービンで l_t の仕事をして膨張 →4

4 - r の熱量を吸収 →1

理想的な場合のサイクル

圧縮機などの損失がない場合を考えると、逆カルノーサイクルと同等である。

l_t = c_p ( T₃ - T₄ )

r_o = c_p ( T₁ - T₄ )

l_c = c_p ( T₂ - T₁ )

よって

l_o = l_c - l_t = c_p ( T₂ - T₁ ) - c_p ( T₃ - T₄ )

(COP)_R = r_o / l = ( T₁ - T₄ ) / {( T₂ - T₁ ) - ( T₃ - T₄ )}

断熱圧縮時と断熱膨張時の圧力比 P_h / P_l は等しいため

T₂ / T₁ = ( P_h / P_l )^(κ-1)κ = T₃ / T₄

よって

(COP)_R = T₁ / ( T₂ - T₁ ) = T₄ / ( T₃ - T₄ )

(COP)_R : 冷凍サイクルの理論成績係数

r_o : 理想的な場合の気体1kgあたり冷却効果

l_o : 理想的な場合の気体1kgあたりに必要な仕事

κ : 気体の比熱比 T : 気体の温度 P : 気体の圧力

損失を考慮したサイクル

圧縮機・膨張タービンでの損失を考慮すると

η_t = ( T₃ - T₄' ) / ( T₃ - T₄ )

η_c = ( T₂ - T₁ ) / ( T₂' - T₁ )

r = c_p ( T₁ - T₄' )

l = ( T₂ - T₁ ) c_p / η_c - η_t c_p ( T₃ - T₄ )

(COP)_R = r / l = η_c ( T₁ - T₄' ) / {( T₂ - T₁ ) - η_c η_t ( T₃ - T₄ )}

η_c : 圧縮機効率

η_t : 膨張タービン効率

T₄' : 実際の膨張タービンの出口温度

T₂' : 実際の圧縮機の出口温度

r : 実際の気体1kgあたり冷却効果

l : 実際の気体1kgあたりに必要な仕事

関連項目

• 熱機関の理論サイクル : 冷凍サイクル
• 冷凍機