質問: 電気自動車の暖房
回答: 電気自動車には、いろいろな課題があるのですが、技術的に非常に困難な課題のひとつで、現在も、近い将来もなお、解決される見込みがないと課題です。 ●どうして暖房を使うと、走行距離が短くなるか 日本の気候(東京付近)で考えると、下記のような空調用動力が必要です。 ・冷房 初期=2~3kW 定常時=1~2kW ・暖房 初期=8~10kW 定常時=3~4kW 通常、ガソリン車では、エンジン冷却水の熱を使って、暖房をするため、大きな熱量(=動力)を消費しても、なかなか感じられません。年間通して燃費を計測すると、冬季がもっとも燃費が悪化するのは、この暖房も原因のひとつです。 一方、定常走行時の動力は下記の通りです。 ・時速40km/hでの走行抵抗 4~5kW もちろん加速時は、たとえば15kW程度使いますが、それでも暖房がいかに多くの熱量(動力)を消費しているか、おわかりいただけるでしょう。一般に冬季、暖房を使うと、走行距離が半減することも、上記の数値からご理解いただけるでしょう。 ●暖房で走行距離を減らさない工夫 通常、PTCなどの発熱体を使って暖房すると、入力が4kWであれば、出力もせいぜい4kWです。つまり効率は100%です(厳密には、85~95%程度)。効率が100%より大きくなる、暖房システムはあるでしょうか? じつはあるのです。家庭用のエアコンは、「COP競争」をやっています。この「COP」とは、効率のことです。COPが5というのは、効率が500%ということです。つまり入力の5倍の出力があるという意味です。では、どうやって100%以上の効率を出すのでしょうか?この方法が「ヒートポンプ」です。 ●ヒートポンプとは ちょっと冷凍サイクルにお付き合いください。 コンプレッサで冷媒を加圧(高温・高圧のガス冷媒に)→室内に放熱(空調風を加熱:高温・高圧の液冷媒に)→膨張弁で断熱膨張(低温・低圧の液が多い冷媒に)→外気から熱の汲み上げ(くみあげ:低温・低圧のガス冷媒に)→コンプレッサ 「外気から熱の汲み上げ」により熱エネルギを外気から冷媒に移動させるのです。でも外気も寒いから温度は低いはずです。このため、冷媒を外気よりも低温にすることで熱を汲み上げることができるのです。 ●冷媒温度を外気より低い温度にできるか 自動車に使われている冷媒はHFC134aとよばれるフロンです。この冷媒が絶対圧力1気圧(=ゲージ圧力 0気圧)の時の飽和温度は-26°C程度です。外気が0°C程度あれば、この温度差で、外気から熱の汲み上げができそうです。 しかしもし外気が-10°Cや-15°Cであれば、温度が小さいため、ほとんど熱の汲み上げはできません。 つまり外気が0°C程度であれば、効率は100%を超えますが、それ以下の温度になると、熱を汲み上げても、その熱がまた外気に熱が逃げる(完全な断熱がむずかしいため)ことにより、実際の効率は100%以下です。 家電エアコンでCOP(効率)が6などといっているのは、「高い外気温=7°C」の条件です。 ●ヒートポンプはコストが高い ヒートポンプは、冷房と暖房とで、冷媒が逆転して流れるため、弁の追加や熱交換器の耐圧などが必要になり、コストがかかります。このため、ヒートポンプを使うより、PTCヒータなどを使う方がコストが安いということになります。また外気が0°C以下になると、ヒートポンプとしての暖房能力はせいぜい2kWしかなく、必要とされる5kW以上発揮できません。そうなると、ヒートポンプ+PTCヒータということになり、またコストが高くなってしまいます。 ご参考になれば幸いです。 ●ヒートポンプのためのコンプレッサ駆動力 コンプレッサおよび室外熱交換器のサイズや外気温などで変わりますが、だいたい最大3kWです。暖房時に、これ以上のエネルギを投入しても、冷凍サイクルの低圧が非常に低いため、冷媒の質量流量が少なくなり、コンプレッサ動力を増やすことができません。このため無理にコンプレッサ動力を増やすためには、冷凍サイクルの高圧側熱交換器出口冷媒(高圧・高温の液冷媒)の一部をコンプレッサの吸入行程あるいはコンプレッサの中間圧力工程に戻し(これをインジェクションと言います)、見かけ上の質量流量増加をおこない、コンプレッサの負荷を増やすことで、コンプレッサ動力を増やすことができます。しかし真の冷媒流量は増えないため、効率は100%より大きな値から、100%に近づいてきます。つまり効率低下します。 現行冷媒の場合、外気温が-10°C程度では、コンプレッサ入力は3kWにならず、1.5~2kWがせいぜいでしょう。結局、PTCヒータなどが必要になります。 また、ご疑念があれば、回答させていただきます。