冷蔵庫はなぜ冷えるのか——「冷やす」のではなく、熱を運び出す

冷蔵庫はなぜ冷えるのか——「冷やす」のではなく、熱を運び出す 技術

冷蔵庫は「ものを冷やす機械」だと、私たちはふつうに言います。けれど、少し立ち止まると引っかかる言い方でもあります。そもそも「冷たさ」という実体は、どこにも存在しないからです。あるのは熱の多い・少ないだけで、冷やすとは、熱を減らすこと。つまり冷蔵庫がやっているのは、冷たさを作り出すことではなく、庫内にある熱をつかまえて、どこかよそへ運び出すことです。では、その熱はどこへ行くのでしょう。

打ち水と同じこと

冷蔵庫が使っているのは、意外なほど身近な現象です。液体が蒸発するとき、周りから熱を奪う——気化熱と呼ばれるものです。

夏の玄関先にまく打ち水。腕を消毒するアルコール。汗が引くときのひんやり。どれも、液体が気体に変わる瞬間に周囲の熱を持ち去るために起こります。電気業界の解説サイト Watt Magazine も、冷蔵庫の原理をこの気化熱から説き起こしています。冷蔵庫は、この「蒸発するときに熱を奪う」性質を、庫内で意図的に、しかも休みなく起こしている装置だと言えます。

そのために使われるのが冷媒です。東芝の説明では、冷媒とは「気体と液体の状態を繰り返して、気化熱や凝縮熱を運ぶ物質」とされます。冷蔵庫の中では、この冷媒が液体になったり気体になったりしながら、ぐるぐると循環しています。

冷媒がぐるぐる回る

冷媒が熱を運ぶ道すじは、四つの部品でできた一つの輪です。順に追ってみます。

まず庫内側にある蒸発器。ここで液体の冷媒が気化し、そのとき周りの——つまり庫内の——熱を奪います。これで庫内が冷える。熱を吸って気体になった冷媒は、次に圧縮機（コンプレッサー）へ送られ、ぎゅっと圧縮されて高温・高圧の気体になります。

熱を抱えて熱くなった気体は、今度は凝縮器へ回ります。ここで外の空気に熱を放し、冷えて液体に戻る。運んできた熱を、ここで庫外へ捨てるわけです。最後に膨張弁を通ると、東芝や熱交換の専門サイトの説明にあるとおり、冷媒の圧力と温度がぐっと下がり、また蒸発器へ戻って次の一周が始まります。圧縮・凝縮・膨張・蒸発。この流れを、冷蔵庫は動いているあいだ延々と繰り返しています。

氷や冷気をどこかから送り込んでいるわけではありません。冷媒という運び屋が、庫内の熱を積んでは庫外で降ろす。その繰り返しです。

背中が温かい理由

この「熱を運び出している」証拠は、じつは手で触れば分かります。冷蔵庫の背面や側面に手を当てると、ほんのり温かいことがあります。あれは故障でも無駄な発熱でもありません。庫内からかき集めた熱を、まさにそこで外へ捨てているのです。

熱交換器メーカーの解説では、ガス圧縮式の冷蔵庫は背面の圧縮機まわりから熱を出すため、設置時は壁とのあいだに隙間を空けるよう求められます。放熱がうまくいかないと、冷える効率が落ちたり、故障につながったりします。

扉を開けても部屋は冷えない

ここまでの仕組みには、別名があります。ヒートポンプです。熱を、低いところ（庫内）から高いところ（室温）へ、電気の力を使って移す。カナダの University of Calgary が運営する Energy Education の解説では、冷蔵庫は「冷やすために働くヒートポンプ」であり、冷たさを生むのではなく、外からのエネルギーを使って熱を内から外へ移す装置だ、と説明されています。

ここから、ちょっと意地の悪い問いが立てられます。暑い部屋を冷やしたいとき、冷蔵庫の扉を開けっぱなしにしたら、部屋は涼しくなるでしょうか。

答えは、逆です。むしろ部屋は暖まります。Energy Education は、冷蔵庫は「庫内から奪う熱よりも多くの熱を部屋へ吐き出す」と明言しています。庫内から運び出す熱に加えて、圧縮機を動かすために使った電気のぶんの熱まで、まるごと部屋へ出てくるからです。扉を開けた冷蔵庫は、もはや何も冷やしておらず、ただの電気ストーブと変わりません。

冷媒は何でできているのか

さて、こうして熱を運ぶ主役の冷媒ですが、この物質そのものが、なかなか波乱の歴史を歩んできました。安全でよく効く冷媒を探す試みは、100年以上ものあいだ、行きつ戻りつを繰り返してきました。

初期の冷媒は、アンモニアや二酸化硫黄でした。よく冷える一方で、毒性があり、漏れれば危険です。査読論文をまとめた冷媒史の解説によれば、こうした欠点を一挙に解決するとして1930年代に登場したのが、フロン（CFC）でした。ゼネラルモーターズのトーマス・ミジリーらが探し当てたこの物質は、燃えず、毒性も低く、1931年には R-12 の商業生産が始まります。理想の冷媒が見つかった、と当時は思われました。

ところが1974年、モリーナとローランドが、フロンが成層圏でオゾン層を壊すと指摘します。1987年のモントリオール議定書でフロンは国際的に規制され、代わりに登場したのが代替フロン（HFC）でした。オゾン層は壊しません。しかし今度は、二酸化炭素の数十倍から数千倍という強い温室効果を持つことが分かってきます。オゾンの穴をふさぐ急ぎ足のなかで、見落とされていた問題でした。

そして2016年、モントリオール議定書のキガリ改正で、今度はこの HFC の削減が決まります。アメリカ環境保護庁（EPA）の解説でも、オゾン層を守るために各国が採り入れた HFC が、じつは強い温室効果ガスであるため、キガリ改正で段階的な削減の対象になった、と説明されています。行き着いた先が、アンモニアや二酸化炭素、プロパンやイソブタンといった自然冷媒への回帰でした。かつて毒性や燃えやすさを嫌って手放したはずの物質へ、性能を測り直しながら戻りつつある。最新の家庭用冷蔵庫の多くが、イソブタン系の冷媒を積んでいます。理想の冷媒を求める道は、1世紀あまりをかけてぐるりと一周し、出発点の近くに戻ってきたことになります。

もっとも、そのイソブタンにも弱点はあります。よく冷える反面、燃えやすい。だから封入量を抑えたり、火花を出しにくい部品と組み合わせたりする工夫とセットで使われています。冷やすための理想の物質は、いまも一つに定まっていません。安全性と効率と環境への負荷、その三つを同時に満たす答えを、まだ探している途中です。

参考・出典

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