ヒートポンプと冷凍サイクル

蒸気圧縮サイクルは、多くの冷凍、空調、その他の冷却用途、および暖房用途のヒートポンプで使用されています。熱交換器は2つあり、1つは高温で熱を放出する凝縮器、もう1つは低温で熱を受け取る蒸発器です。暖房モードと冷房モードの両方で動作する必要がある用途では、これらの2つの熱交換器の役割を切り替えるために逆転弁が使用されます。

熱力学サイクルの開始時、冷媒は低圧・低温の飽和蒸気として圧縮機に入ります。ヒートポンプでは、この冷媒は通常R32冷媒またはR290冷媒です。次に圧力が上昇し、冷媒はより高温・高圧の過熱ガスとして排出されます。この高温高圧ガスは凝縮器を通過し、そこで冷却されて完全に凝縮する際に周囲に熱を放出します。次に、より低温の高圧液体が膨張弁（スロットル弁）を通過し、圧力が急激に低下して温度が劇的に下がります。^{[ 7 ]}次に、低温の低圧液体と蒸気の混合物が蒸発器を通過し、周囲から熱を受けながら完全に気化してから、低圧・低温ガスとして圧縮機に戻り、サイクルが再び始まります。^{[ 8 ]}

家庭用冷蔵庫など、動作温度が固定されている比較的シンプルな用途では、固定速度コンプレッサーと固定開口膨張弁が使用される場合があります。一方、ヒートポンプのように、季節によって外気温や室内の熱需要が大きく変動するなど、非常に多様な条件下で高い性能係数での運転が求められる用途では、通常、可変速度インバーターコンプレッサーと調整可能な膨張弁を使用して、サイクル内の圧力をより正確に制御します。

上記の議論は理想的な蒸気圧縮冷凍サイクルに基づいており、システム内の摩擦圧力損失、冷媒蒸気の圧縮中のわずかな熱力学的不可逆性、または非理想気体の挙動（存在する場合）などの現実世界の影響は考慮されていません。^{[ 4 ]}

20世紀初頭には、水アンモニア系を用いた蒸気吸収サイクルが普及し広く利用されていましたが、蒸気圧縮サイクルの開発後、その成績係数の低さ（蒸気圧縮サイクルの約5分の1）のために重要性を大きく失いました。現在では、蒸気吸収サイクルは、産業廃熱、太陽熱集熱器による太陽熱エネルギー、レクリエーション用車両のオフグリッド冷凍など、電気よりも熱源が容易に入手できる場合にのみ使用されています。

吸収サイクルは圧縮サイクルと似ていますが、冷媒蒸気の分圧に依存します。吸収システムでは、圧縮機の代わりに吸収器と発生器が使用されます。吸収器は冷媒を適切な液体（希薄溶液）に溶解させ、その結果、希薄溶液は濃溶液になります。発生器では、熱を加えることで温度が上昇し、それに伴って冷媒蒸気の分圧が濃溶液から放出されます。ただし、発生器には熱源が必要であり、廃熱を利用しない限りエネルギーを消費します。吸収式冷凍機では、冷媒と吸収剤の適切な組み合わせが使用されます。最も一般的な組み合わせは、アンモニア（冷媒）と水（吸収剤）、および水（冷媒）と臭化リチウム（吸収剤）です。

吸収式冷凍システムは、化石燃料（石炭、石油、天然ガスなど）の燃焼、または再生可能エネルギー（廃熱回収、バイオマス燃焼、太陽エネルギーなど）によって駆動することができる。

作動流体が圧縮・膨張するものの相変化を起こさない気体である場合、その冷凍サイクルはガスサイクルと呼ばれます。作動流体としては空気が最もよく用いられます。ガスサイクルでは凝縮や蒸発は想定されていないため、蒸気圧縮サイクルにおける凝縮器と蒸発器に相当する構成要素は、高温ガスと低温ガス間の熱交換器です。

極端な温度条件下では、ガスサイクルは逆ランキンサイクルではなく逆ブレイトンサイクルで動作するため、蒸気圧縮サイクルよりも効率が劣る場合があります。そのため、作動流体は一定温度で熱を受け取ったり放出したりすることはありません。ガスサイクルでは、冷凍効果はガスの比熱と低温側のガスの温度上昇の積に等しくなります。したがって、同じ冷却負荷の場合、ガス冷凍サイクル機はより大きな質量流量を必要とし、結果として機体サイズが大きくなります。

効率が低く、サイズも大きいため、空気循環式冷却器は地上冷凍にはあまり用いられません。しかし、ガスタービンエンジンを搭載したジェット旅客機では、エンジンの圧縮機部から圧縮空気が容易に得られるため、空気循環式冷却器は非常に一般的です。これらのジェット機の冷却・換気装置は、機内を暖房・加圧する役割も果たしています。

スターリングサイクル熱機関^{[ 9 ]}は、機械エネルギー入力を使用して逆方向に熱伝達を駆動することで、逆方向に駆動することができます（つまり、ヒートポンプや冷蔵庫）。このような装置には、いくつかの設計構成があり、構築することができます。このような構成のいくつかは、回転シールまたはスライドシールを必要としますが、摩擦損失と冷媒漏れの間で難しいトレードオフが生じる可能性があります。

量子力学的な等価物を持つカルノーサイクル[10]は可逆で^{あるため、}それを構成する4つのプロセス（2つの等温プロセスと2つの等エントロピープロセス）も逆転させることができます。カルノーサイクルが逆方向に実行される場合、それは逆カルノーサイクルと呼ばれます。逆カルノーサイクルに従って動作する冷蔵庫またはヒートポンプは、それぞれカルノー冷蔵庫またはカルノーヒートポンプと呼ばれます。このサイクルの最初の段階では、冷媒は低温源T _Lから等温的にQ _Lの量の熱を吸収します。次に、冷媒は等エントロピー的に（断熱的に、熱伝達なしで）圧縮され、その温度は高温源T _Hの温度まで上昇します。次に、この高温で、冷媒は等温的にQ _H < 0 （システムによって失われる熱の符号規約に従って負）の量の熱を放出します。また、この段階で、冷媒は凝縮器内で飽和蒸気から飽和液体に変化します。最後に、冷媒は等エントロピー膨張し、その温度が低温源の温度T _Lまで低下します。^{[ 2 ]}

吸収圧縮式ヒートポンプ(ACHP)は、吸収式ヒートポンプに電気コンプレッサーを組み込んだ装置です。場合によっては、蒸気圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを組み合わせることで実現されます。ハイブリッドヒートポンプとも呼ばれますが^{[ 11 ]}、こちらはより広い分野です。この統合により、この装置は熱エネルギー源と電気エネルギー源の両方を使用して冷暖房効果を得ることができます。^{[ 12 ] [ 13 ]}このタイプのシステムは、熱と電気の両方を生成するコージェネレーションシステムとうまく連携します。構成によっては、システムは一定量の燃料から暖房と冷房の生成を最大化したり、他のプロセスからの廃熱の温度(したがって品質)を改善したりできます。^{[ 14 ]}この 2 番目の用途は最も研究されており、いくつかの産業用途に適用されています。^{[ 15 ]}