エア・コンディショナー

エア・コンディショナー（英: air conditioner）とは、空調設備の一つで、室内の空気の温度や湿度などを調整する機械である。日本での通称はエアコン（以下「エアコン」と表記）。
狭義では、冷媒による蒸気圧縮冷凍サイクルの蒸気圧縮冷凍機のパッケージ・エア・コンディショナーや家庭用のルーム・エア・コンディショナーのうち、水以外の熱媒体で熱を搬送する装置、つまりヒートポンプを指す。
なお「エアコン」は「エアー・コンディショニング」または「エアー・コンディション」の略として使用される場合もある。
また、日本語で「クーラー」というとエアコンの冷房用での使用や冷房専用タイプを指すことが多い、英語の「cooler」は主としてクーラーボックスを意味する。

歴史

人類は原始時代から火を用いて暖をとった。一方、冷房を送風や保管しておいた雪氷以外の科学技術で実現したのは近代以降である。
1758年、ベンジャミン・フランクリンと英国ケンブリッジ大学で化学の教授を務めていたジョン・ハドリーは、蒸発の原理（蒸発熱）を使って物体を急速に冷却する実験を行った。フランクリンとハドリーはアルコールなどの揮発性の高い液体の蒸発を試し、エーテルを使うと物体を氷点下にまで冷却できることを発見した。実験では水銀温度計の球部を冷却対象とし、蒸発を早めるためにふいごを使った。周囲の気温が65 °F (18 °C)の状態で、温度計の球部を 7°F（−14℃）にまで冷却することができた。フランクリンは、温度が氷点下になると間もなく温度計の球部表面に薄く氷が張ったことに気づいた。そして 7°F（−14℃）にまで達したとき、氷の厚さは6ミリメートル（4分の1インチ）ほどになっていた。フランクリンは「この実験で、暖かい夏の日に人間を凍死させられる可能性があることがわかった」と結論付けた。
1820年、英国の科学者で発明家のマイケル・ファラデーは、圧縮により液化したアンモニアを蒸発できるようにすると、周囲の空気を冷却できることを発見した。
1842年、米国フロリダ州の医師ジョン・ゴリーは圧縮技術を使って氷を作り、アパラチコーラ(en:Apalachicola, Florida)の彼の病院でそれを使い、患者のために病室を冷やした。彼はさらにその製氷機を使って建物全体の温度を調節しようと考えた。そして、都市全体の空調を集中制御するという構想まで描いた。彼の試作品は常にうまく機能するわけではなかったが、ゴリーは製氷機の特許を1851年に取得した。しかし、彼の財政上の後援者が死に、その希望は潰えた。彼はその機械を本格的に開発する資金を集められなかった。ゴリーの伝記を書いたVivian M. Sherlockによれば、ゴリーは製氷で財を成したフレデリック・チューダー（en）が彼の発明を誹謗するキャンペーンを行ったと疑い、チューダーを非難した。ゴリーは貧困の中で1855年に亡くなり、その空調のアイディアは約50年間顧みられなかった。
空気調和の初期の商業利用は、個人の快適さのためではなく、工業生産過程で必要とされる冷気を生み出すのに使われた。最初の電気式エア・コンディショナーは1902年、米国ニューヨーク州シラキュースのウィリス・キャリアが発明した。印刷工場の製造工程を改善するために設計されており、温度だけでなく湿度も制御できるようになっていた。温度と湿度を低く保つことで、紙の状態が一定となり、インクの付き方が一定になる。その後もキャリアの技術は様々な仕事場の生産性向上に使われ、増大する需要に応えるために The Carrier Air Conditioning Company of America（キヤリア社）を創設した。その後、エア・コンディショナーは住宅や自動車の快適さを向上させる手段として使われるようになっていった。アメリカでは1950年代に家庭用エア・コンディショナーが爆発的に売れるようになった。
1906年、米国ノースカロライナ州シャーロットのスチュアート・W・クラマー(en:Stuart W. Cramer)は、自身の経営する織物工場内に湿気を追加する方法を探していた。クラマーは同年出願した特許で初めて「エア・コンディショニング（空気調和）」という言葉を使った。これは、織物製造工程として当時よく行われていた "water conditioning" を真似て名付けたものだった。彼は加湿と換気を組み合わせて工場内の湿度を制御し、織物工場に最適な湿度を実現した。ウィリス・キャリアはこの用語を採用し、社名にも組み込んだ。水分を空気中に蒸発させるこの方式には冷却効果があり、現在ではミスト散布として知られている。
初期のエア・コンディショナーや冷蔵庫は、アンモニア、クロロメタン、プロパンといった有毒または可燃性のガスを使用しており、それらが漏れ出すと死亡事故に繋がる危険性があった。トマス・ミジリーは世界初のフロン類であるフレオンを1928年に開発した。この冷媒は人間には安全だったが、後になって、太陽光に含まれる紫外線を吸収して地表の生物を守っている大気のオゾン層にとって有害だということがわかった。「フレオン」はデュポン社の商標であり、実際はクロロフルオロカーボン（CFC）、ハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）、ハイドロフルオロカーボン（HFC）といった物質で、商品名（R-11, R-12, R-22, R-134A）には分子構成を示す数が付けられている。住宅などの空調によく使われたものはR-22という商品名のHCFCである。これは2010年までに新製品には使われなくなり、2020年には完全に使用されなくなる予定である。アメリカでは自動車のエア・コンディショナーのほとんどがR-12を使っていたが、1994年にR-134Aに切り替えられた。R-11とR-12はアメリカ合衆国内では既に生産されておらず、廃棄されたエア・コンディショナーから回収したガスをきれいにしたものが売られているだけとなっている。オゾン層に影響しないいくつかの冷媒が代替フロンとして開発されており、例えばR-410Aはブランド名 Puronで販売されている。オゾン層に悪影響を与える主な冷媒はR-22、R-11、R-123である。ただし、R-410A冷媒などの代替フロンは強力な温室効果ガスでもあったフロン類ほどではないもののやはり地球温暖化係数が高いため、これに代わる次世代冷媒の開発が行われている。
第二次世界大戦後、エアコンの開発・生産と利用は世界的に広がった。室外機と分離することで住宅の壁に掛けられるほど薄型・軽量化されたエアコンが1968年に日本で発売され（三菱電機）、国立科学博物館の重要科学技術史資料（未来技術遺産）の一つに2018年選定されている。
熱帯・亜熱帯にある国々の経済発展や、日本などにおける夏場の仕事・生活の環境改善は、エアコンによる冷房の普及があったからこそという評価もある。東南アジアの赤道近くにあるシンガポールを先進国に発展させた元首相リー・クアンユーは「東南アジア諸国にとって、エアコンは20世紀最大の発明」と語ったことがある。一方、欧州各国の中には夏場に高温となる地域があるにも関わらず、家庭における普及率は低迷しており、2017年時点で5%と推測する報告書もある。
空気調和テクノロジーにおける技術革新は続き、近年ではエネルギー効率と屋内の空気質の改善が中心テーマとなっている。従来の冷媒の代替として二酸化炭素（R-744）のような自然に存在する物質も提案されている。

型式

基本機能として冷房専用形と冷暖房兼用のヒートポンプ形がある。
また、次のような形態がある。

冷房専用及び暖房専用機種

冷房または暖房のみを必要とする消費者のために、それぞれに特化した機種がある。長所は、特化することで、価格が安く、消費電力が少なく、室内機や室外機が小さく、操作が簡単なことである。機種によっては、広い場所で使用するために強力な性能を持っている物もある。

家庭用

ルーム・エア・コンとも呼ばれる家庭用エアコンには、形態として、圧縮機・凝縮器・蒸発器が一体となった窓型と、圧縮機・凝縮器が一体となった室外機と、蒸発器が内蔵された室内機とで構成されるセパレート型（東芝では「スプリット型」という）の2種類がある。セパレート型では、日本などの東アジア圏では壁掛け型が主流である。一方、欧州では横長長方形の窓型がほとんどである。
さらに米国では、一般家庭であってもダクトを使用して各部屋に冷暖房を行うダクト方式が普及してきたが、日本のエアコンに代表されるダクトレス方式も評価されつつある。
能力によって、2.2 kW、2.5 kW、2.8 kW、3.6 kW、4.0 kW、4.5 kW、5.0 kW、5.6 kW、6.3 kW、7.1 kW などがある。使用する電圧も、単相100Vと、単相200Vと、動力の三相200Vがある。通常、エアコン一台に子ブレーカー一個を用意する。なお、日本の家庭用エアコンは窓型、セパレート型とも、2001年より家電リサイクル法の対象となり、廃棄の際に適正な処理が義務付けられた。
動力の三相200Vエアコンは室外ユニットや室内ユニット共外観上一般の100/200V単相エアコンと同じであるが、省令による規制があるため受電方法が異なる。
電気設備技術基準（経産省令）の規定では家庭で3相200Vを使用できるのは屋外機器のみとされている。そのため動力エアコンは室外電源のみ3相200Vであり室内ユニットの運転および通信制御は別途室内側で受電した単相100/200Vで行われる。従って一部のメーカー（ダイキン工業など室内電源を室外ユニット送り以外で受電不可能な機種）での業務用エアコンを住宅へ設置した場合、電力会社との図面協議で指摘され送電拒否や変更を求められるケースが生じる。
家庭用エアコンは、冷房・暖房・ドライ（除湿）など多様な空気調整が可能な機種が製造・販売の多くを占める。最近はトップランナー方式による省エネ化が進み、内部の改良とも相まって以前のものよりも消費電力が少なくなっている。日本国内で発売されるセパレート型のエアコンはほぼ全てインバータ制御を内蔵した機種になっている（ただし、窓型エアコンについては非インバータのものが大半を占めている）。インバータエアコンは1981年に当時の東京芝浦電気（現・東芝）が世界で初めて発売した。当初は、圧縮機には誘導電動機を用いていたが、1990年代に高効率なブラシレスDCモータが開発されて以来、現在では、日本で発売される家庭用エアコンに搭載される圧縮機用・ファン用のモータは、ほぼ全てがブラシレスDCモータになっている。日本ではインバータエアコンが主流であるが、世界的に見れば一定速である非インバータエアコンがまだまだ主流である。
また、非インバータエアコンでは商用電源周波数による能力の差があり、50Hz地域では60Hz地域より1 - 2割能力が落ちるが、インバータエアコンではそれがない。そのため、非インバータが主流であった当時のエアコンのカタログは50Hz・60Hz地域で別々に作成していた。現在では、非インバータの窓型エアコンのカタログで、50 Hz・60Hzそれぞれの場合の能力が併記されているのが見受けられる。能力の違いは圧縮機に用いる誘導電動機の回転数が電源周波数に依存するためである。なお日本での窓用エアコンでのインバータ採用例は松下電器産業（現・パナソニック）のCW-G18系が空前にして絶後になった。同機種は年毎の僅かなマイナーチェンジのみで20年以上発売され続けた。窓用インバータエアコンは森田電工（現・ユーイング）からも発売されていたが、現在同社はエアコン事業から撤退している。
差別化機能としてマイナスイオンの発生、フィルタの自動清掃機能などをうたったものも存在する。また、空気清浄機機能や換気機能、加湿機能、HA JEMA標準端子-Aが付いたものもある。
シーズンオフには、エアコンのプラグを抜いたりブレーカーを落としたりすることにより、待機電力をなくす家庭がある。家庭用での暖房では、「すぐに温風がふき出して欲しい」という需要が高い。そのため、外気温が低い場合は、停止中でも機器を予熱をする機能を持つ機種がある。また、冷媒寝込みを防ぐためのヒーターを持つ機種もある。このような機種では冬場の待機電力は多い。
また、寒冷地など暖房時に外気温が低すぎる場合は、屋外で燃焼をした熱をヒートポンプする「石油エアコンディショナー」がある。同様にガス の火で熱を発生させ、その熱を室内へ送る「ガスエアコンディショナー」もある。寒冷地で、除霜運転が多いことが予想される場合は有効な選択である。なお、家庭用では、冷房にガスや石油の力はあまり使用されていない。過去にパナソニックや東芝なども石油や都市ガス等を使ったエアコンも販売されていたが、暖房時におけるエアコン自体の性能向上に伴い、採用されるケースが少なくなった。
窓型エアコンは、「ウインドエアコン」とも呼ばれる。長所は、壁掛け型に比べ、小型であり、安く、個人で取り付け(取り外し)ができることである。壁に配管用の穴を開けたり、室内機の固定工事を施す必要が無く、窓さえあれば設置できるため、賃貸物件等でエアコンの設置に制限がある場合にも向いている。
ちなみに海外にも日本と同様の壁掛け型（欧米では窓型の方が主流）のエアコンが普及しているが、日本のエアコンほど機能面では豊富でなく、シンプルな単機能のものが多い。また欧米では暖房としてセントラルヒーティングや暖炉などが住宅に備わっているケースもあるため、「air conditioner」というと冷房専用機を前提に話をしているケースが多々ある。

業務用

業務用エアコンは、大型のものや各種原動機を使用したものが存在する。2002年からフロン類を冷媒とする業務用機器は、フロン回収破壊法の対象となり、廃棄する場合、適正な処理が義務付けられた。

カーエアコン

自動車に取り付けてあるエアコン。基本的な構造は、冷房の場合は通常のエアコンと変わりなく、コンプレッサーを使う方式である。コンプレッサーは電磁クラッチの断続によってエンジンの動力で冷媒を圧縮し、圧縮されて蓄熱された冷媒は、車両前方のラジエーター前などに配置されたコンデンサー（凝縮器）で走行風や電動ファンによる強制空冷で冷却されガス状の冷媒が液化される。液化された冷媒は室内エアコンユニットのエバポレーター（蒸発器）に送られる。エバポレーターにはエキスパンションバルブ（膨張弁）が内蔵されており、ここで液化された冷媒が一気に気化されることにより、冷房サイクルが成立する。冷房を終えた冷媒はコンプレッサーに返送され、一部の余剰の冷媒は必要に応じてレシーバータンク（貯蔵庫）に蓄えられて再液化及び乾燥剤による除湿が行われる。
暖房は建物用エアコンと違い、液冷エンジン（水冷エンジン）においてはエンジンを冷却した冷却液（冷却水、クーラント）を室内のヒーターコアに導き、熱交換している。すなわちカーエアコンの暖房は、エンジンの廃熱利用にあたる。
これらの冷温風は電動送風機であるブロワモーターにより室内各所に送風される。カーエアコンはこれらの冷温風により、フロントガラスやサイドガラスの霜取りや曇り取り（デフォッガー/デフロスター）を行う機能も持たせられている。
温度調節はドライバーが手動で任意に行うマニュアルエアコンと、建物用エアコンのようにあらかじめ設定した室温に室温センサーなどで自動調節を行うオートエアコンが存在し、今日の日本市場ではオートエアコンが主流である。
クーラーの冷媒には一般的にはR134aが用いられる。かつてはフロン12（R12）が広く用いられていたが、オゾン層破壊が問題になったことにより現在ではR134aに完全に置き換えられている。しかし、R134a冷媒は強力な温室効果ガスでもあったR12ほどではないもののやはり地球温暖化係数（GWP）が高い温室効果ガスであることから、欧州F-Gas 規制 が制定され、2017年1月までに全ての欧州内の乗用車および軽トラックの新車のカーエアコンに使用される冷媒はGWP が150 以下の冷媒を採用しなければならなくなった。2011年1月から発売される新型車から段階的廃止が始まり、代替冷媒としてCO2やHFO-1234yfが採用される模様である。
近年では花粉症対策などを謡ったクリーンエアフィルタがカーエアコンに装着される事も一般化している。バスの冷房装置については、機関直結式冷房装置、独立機関式冷房装置を参照。

鉄道用

鉄道車両に取り付けてある冷房装置（一部を除き冷房専用であることから、エアコンと呼ばれることは少ない）。基本的には電気で作動するが、気動車ではカーエアコンと同様、走行用エンジンの動力の一部を利用して作動するものが多い。
電車の場合、屋根または床下にコンプレッサー・エバポレーター・コンデンサーが一体化されたものが搭載され、最近のものでは、換気機能を有するものや空気清浄機を内蔵するものがあり、換気や暖房によって天井に上った空気を下へ戻すために冬でも送風を行うものもある。

相対湿度の低下

冷房は室内機が結露し、その水分を屋外へ排水するため、湿度が下がる。これは、体感温度を下げる助けになる。
しかしインバーターエアコンでは自在に出力を調整出来るため、始動時は高出力運転を行うが、室温が安定した後は低出力の運転を行う。低出力の運転では室内機が結露を起こさないため、室温だけが下がり相対湿度は上昇する。そのためジメジメ感やカビ、ダニの発生の原因になる事があるため、除湿機を併用したり、冷房のかわりに再熱除湿を使用して、湿度の上昇に注意する必要がある。
暖房は室内で燃焼を行わないため、相対湿度が下がる。これは、体感温度を下げる副作用となる。結果、過度な暖房をし、自律神経失調症につながる場合もある。エアコンのみで暖房を行う場合は、加湿器を併用するなど、乾燥に注意する必要がある。

冷房と除湿

冷房運転は室温を設定温度に合わせるものであり、除湿運転は湿度を設定した湿度に合わせるものである。目的で選択することにより快適な状態となる。同じ室温でも湿度が低ければ体感温度が下がり快適に感じるため、日本の夏のような多湿の場合は、室温をあまり下げなくても除湿をすれば快適に感じる場合がある。
除湿運転には弱冷房除湿と再熱除湿の2種類がある。
弱冷房除湿は弱く冷房をかけて除湿する。そのため温度を下げる能力は冷房運転より低下するため、消費電力も少なくなる。この方式では湿度と同時に温度も下がるため、だんだん除湿量が低下していきあまり除湿出来なくなる。また梅雨時など室温がそれほど高くない場合は肌寒く感じることもある。
再熱除湿は温度が下がった空気をヒーターで加熱して一定温度に戻す。しかし冷房運転よりも消費電力は多い。このタイプの再熱除湿は近年の家庭用エアコンでは採用されていないが、一部の鉄道車両用エアコンなどで採用されている。近年の家庭用エアコンで多く採用されている再熱除湿は室外機の廃熱をリサイクルする方式で冷房に比べて温度を下げる能力が低下する。そのため、昼間など大きな冷房能力が必要なときに使用すると、室温が下がらずに消費電力だけ大きくなる場合もある。機種によっては温度や湿度を監視し、最適なモードに自動的に切り替える物もある。
除湿運転の場合、冷房運転だけでは取りきれない湿度を下げる事が出来るため、設定温度を高めにしても体感温度は下がる場合もあり、実際の消費電力は個々のケースによる。