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【 2009/03/30 】 |
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【 2009/03/27 】 |
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【 2009/03/26 】 |
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【 2009/03/25 】 |
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【 2009/03/24 】 |
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【 2009/03/23 】 |
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そこが知りたい家電の新技術 |
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～ロケットの技術を応用した快適・省エネエアコン
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Reported by
平澤 寿康
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エアコンで気流を制御することによっていったい何が変わるのか。気流に注目し、ルーバーを取り払い、パネルで風を制御する独創的なスタイルのエアコン「U-SXシリーズ」を送り出したシャープのエアコン開発陣に、開発の経緯や内部の仕組みなどについて話を伺った。 ● 気流制御はNASAの技術がベース シャープが行なったユーザーアンケートによると、エアコンを使用する上での不満点として「エアコンのお手入れが面倒」という意見が7割を占めて1位、そして2位は「電気代が高い」というものだったそうだ。上位の意見に対する回答は、フィルターの自動掃除機構を持つエアコンが多数発売されているなど、すでにここ数年の間におおよそ方向性が示されている。そこで次に注目したのが、3位以下に入っている、「冷房の風が体に直接あたって寒い」、「暖房時に温風が直接当たって気持ち悪い」といった快適性に関連する意見だ。この不満点を解消するために、大胆な気流制御機構を取り入れるのが、新たな潮流となっている。 ところで、シャープがエアコンの気流制御に取り組み始めたのは2000年頃からという。当初の目的は、気流制御による省エネ性の向上というものだった。 エアコンの心臓部となる熱交換機やコンプレッサーはすでに改良が進み、高度に省エネ化が図られている。そこでシャープは、より改善の余地がある、気流制御やモーター制御の開発に注力してきたわけだ。 その気流制御の研究開発に当たったのが、シャープ電化システム事業本部 電化商品開発センター 第一開発室主任研究員 工学博士の大塚雅生氏だ。大学時代に大塚氏は航空工学を専攻していたそうだが、その時にアメリカ航空宇宙局(NASA)で研究していた教授に師事し、そこで得た様々な知識が開発に役立っているそうだ。
● 本体や吹き出し口の形状を見直すことで天井吹き出しを実現 エアコン、それも冷房時の効率を高めるには、部屋の熱い場所を冷やす必要がある。夏場の部屋で熱くなる部分といえば、天井や西日の当たる壁などだが、特に天井付近にはかなりの熱気がこもっている。その天井を冷やしてやれば、冷気が徐々に部屋の下部に伝わり、体に直接風が当たることなく快適な温度を実現できる。ただ、実際にそういった部屋の中でエアコンから冷たい風を水平に吹き出させた場合、天井付近の熱気に押される形で冷たい風がすぐに下の方向に垂れ下がってしまう。そのため、冷たい風が体に直接当たって寒く感じるという状況が起きる。 かといって、従来の構造のまま、上方に冷たい風を吹き出すと、冷気がエアコン本体の前面を伝って、天井に回らずエアコン上部の吸入口からに吸い込まれてしまう「ショートサーキット(短絡)」という現象が起こるという。 ショートサーキットが起こると、せっかく吹き出した冷気をすぐに取り込んでしまうので、冷房効率・省エネ性ともに大きく低下してしまう。 そこで、この問題を解消するために大塚氏が取り入れたのが、「コアンダ効果」と「剥離現象」という2つの原理だ。 コアンダ効果とは、水や空気など流体の中に物体を置くと、物体に沿って流体の流れの向きが変わるというもの。身近な例としては、水道の蛇口から流れる水にストローや箸を近づけると、それに沿って水の流れが変わるという現象が、コアンダ効果に当たる。
もう1つの「剥離現象」とは、物体表面に凹凸があると、物体表面に沿って流れていた流体が物体からはがれる現象のこと。 まず、エアコン本体吹き出し口上部に若干の突起物を配置。エアコンから出た気流が本体表面から剥離する仕組みを考え出した。剥がれた気流は上向きのまま天井にぶつかり、コアンダ効果によって天井に沿って流れる。剥離現象を使ってショートサーキットを防ぎ、コアンダ効果を使って、冷風を天井に沿わせ、部屋の隅まで送り、冷気だけが下に降り注ぐというわけだ。 実際に大塚氏の自宅で実験したところ、従来のエアコンでは天井付近が暑いままで部屋の下の方だけ温度が下がり、温度ムラが発生していたそうだ。しかも、28℃に温度設定しているにもかかわらず、実際に人が座っているような場所では24～25℃ほどにまで温度が下がっていたという。それに対し、新モデルのエアコンでは、エアコン吹き出し口から天井にかけてだけやや温度が低くなり、それ以外のほぼ部屋全体が均一に28℃になったそうだ。 エアコン吹き出し口の形を見ると、確かに微妙な突起と凹みがある。ただ、ぱっと見ただけではデザイン的な要素としか思えない。しかし、これが非常に重要なポイントだったのだ。「この形状を実現できたので、天井吹き出しが可能になったのです」と大塚氏。言われなければ見過ごしてしまうような微妙な部分だが、ここに大きなノウハウが隠されていたわけである。 ● 暖房にはロケットの技術を応用 次に暖房だ。「実は冷房よりも暖房の方が難しいんです」とは大塚氏の言葉だが、エアコンにとって暖房は非常に制御が難しいらしい。冷たい空気は暖かい空気よりも比重が重くなるため、冷房時は、エアコンから上に向かって吹き出しさえすれば、いずれは冷気が部屋の下まで落ちてくる。しかし、暖房時の温かい空気は比重が軽いため、下に向かって吹き出しても、すぐに上に行こうとする。エアコン暖房で、足下は寒いのに頭の付近だけはのぼせるぐらいに暑くなる、という経験がある人も多いだろう。 これを解消するためには、壁に沿って暖かい空気をエアコンからななめ下に吹き出してやればよい。これによって、冷房時同様にコアンダ効果によって壁や床に沿って暖かい空気が流れ、暖気が浮くのを最小限に抑えることができる。 ただ、一般的なエアコンの吹き出し口は、エアコン本体から前方に向かって付いている。吹き出し口についたてのようなものを付けて、暖気を真下方向へ流そうとしても、風がまともについたてに当たってしまい、5～6割、風量が減ってしまうという。これでは、省エネや効率どころの話ではない。
ロケットの噴射ノズルは、燃料の燃焼室から吹き出し口に向かう途中が非常に細くなっている。スペースシャトルのエンジン噴射口が、円錐状になっているのを見たことがある人もいるだろう。 燃焼室から吹き出す気流は、狭くなった部分を通るときに圧力が高まり、加速し、一気に音速を超える。音速を超えた流体は物性が変化し、エネルギー量が爆発的に増えるという。 もちろん、この仕組みをそのままエアコンに取り入れるのは難しい。なぜなら、エアコンのように速度の遅い気流を細いところを通して圧縮した場合、そこに加わる圧力が抵抗となってしまい、風量が増えるどころか逆に激減してしまうからだ。音速レベルのロケットとエアコンを同一に扱うこと自体、無理がある。 しかし、「あるアイデアが生まれ」(大塚氏)て、この原理をエアコンに取り込むことに成功する。そのアイデアとは、空気の圧力の高まる部分を壁面として利用する、という考え方だ。 前述のように圧力の高い部分は、空気が流れにくくなる。従来のエアコンでは、その圧力の高まる部分がエアコン吹き出し口の奥まった場所にできており、風量が損なわれていた。エアコンの本体内で空気を循環させている以上、圧力が生じる部分をなくすことは不可能だ。 そこで大塚氏は、ルーバー部分に圧力の高まる部分ができるよう、形状変更を施した。これによって、圧力の高い部分が仮想的な壁となり、気流の大部分はそこを避けて通るようになる。仮想の壁で、吹き出し口が小さくなったことにより、ロケットノズルのような空気の流れを実現することに成功。従来、8～9立方m/分ほどの風量が14立方m/分にまでなった。 この大風量を実現させることで、これまでロスが大きく、難しいとされた本体真下への温風吹き出しが可能になった。真下に吹き付けられた温風は床を這うように流れる。足下からしっかり暖められる暖房になったわけだ。
● 新幹線の先頭車両の形状やターボチャージャーの仕組みでさらなる効率化を実現 ここまでは、2005年までに実現された技術で、どちらかといえば快適性を追求した研究の成果であった。続く2006年には、効率化、つまり省エネ性を高めるための技術が盛り込まれることになった。2005年までの暖房時の気流の流れを極めたことによって、モーターの回転数を高めることなく大きな風量を確保できるようになり、実は省エネ性も大幅に向上したのだそうだ。ここに着目し、暖房時だけでなく、冷房時のように上や横に風を吹き出す時にも同じ技術を応用できれば、さらなる省エネ性が追求できるはず。そう考えて取り組んだのが、吹き出し口および本体の形状だそうだ。 新幹線の先頭車両の形状は、進化とともに先端が細く長く伸びた形状になっている。これは、空気力学によって導き出された形状だ。そして、これをエアコンの吹き出し口に取り入れたわけだ。 実際に、2005年モデルと最新の2007年モデルの吹き出し口付近の形状を比べてみると、本体前面部分の形状が鈍角だったものが鋭角なものに変わってるのがよくわかる。まさに、古い新幹線の先頭車両と新しい新幹線の先頭車両の形状の対比とそっくりだ。そして、この形状変化によって、5%の効率アップが実現されたそうだ。
また、エンジンの性能をアップさせるターボチャージャーの技術を応用した仕組みも取り入れられた。ターボチャージャーは、本来のエンジンの排気量を超える空気と燃料を燃焼室に送り込むことで、より高いパワーを発揮させるというもの。 具体的には、吹き出し口の形状をなめらかに拡がっていくような形状にし、風路をきちんと確保することで損失を低減。さらに各風路に風の速度を力に変換するような形状を盛り込むことで、風が持つエネルギーを風を押し出す力に変えることに成功した。これによって、20%もの効率化を実現しているという。 こうして、気流を極めることによって25%もの大幅な省エネ性向上を実現したわけだが、これは、他社にはかなりの脅威に写ったはずだ。そして、シャープ以外も2007年は気流をキーワードとした製品を送り出すに至っている。“目の付け所がシャープ”と良く言われるが、これぞまさしくその言葉にピッタリかもしれない。 ● 2007年モデルではルーバーを取り払ってさらなる効率化を実現 最新の2007年モデルは、これまでの製品と比べ、見た目も大きく変わっている。その特徴的なものが、吹き出し口だ。従来モデルまでは、吹き出し口にルーバーが配置され、ルーバーの向きを変えることによって吹き出す風の向きを変えていた。それに対し2007年モデルではルーバーが取り払われ、本体前面の大きなパネルによって風の向きを変えるようになっている。パネルによる気流制御の利点は、風を細く遠くまで飛ばすことができる点、パネルによって本体内のモーターの騒音が耳に届きにくくなるという点などがあるが、省エネにも貢献している。 大塚氏は「これまでの省エネエアコンは、実際は省エネではなかった」と語る。ルーバーの付いたエアコンには、スペック上での省エネ性能と実態とがかけ離れているというのだ。 スペック値の算出は、ルーバーを最も効率の良い角度(斜め前の方向)にして検証している。しかし、実際の利用シーンでは、ルーバーの向きはさまざまで、効率の良い角度になることはほとんどない。そして、ルーバーの向きが変わると風量が落ち、効率が悪くなり、スペック値とはかけ離れていく。 しかし、ルーバーをパネルに変えることによって、どんな運転状況でも効率のよいロケットノズルのような吹き出し口が可能になり、実使用時もスペック値に近い省エネ性能が得られたそうだ。 このパネルによる気流制御だが、大塚氏は2000年ごろから暖めていた考えだという。しかし、従来のエアコンとは、機構、デザインなどがあまりにも違うので、なかなか採用されずにいた。省エネへの関心の高まりとともに、フィルター自動清掃ブームが一巡し、ようやく採用にこぎ着けたのだそうだ。大塚氏にとっては、まさに念願がかなったというわけである。
● パネル開閉機構は見た目の動きとは裏腹に単純
仕組み自体は単純だが、単純な仕組みにたどり着くまでが苦労の連続だったという。メカ部分の開発を担当したシャープ電化システム事業本部空調システム事業部第一技術部係長の山崎良信氏は、最初、大塚氏からこの気流制御についての提案を受けたとき、「大きく、重いパネルを支えて動かすとのはしんどいなと思った」そうだ。 「ただ開閉できるというだけなら簡単ですが、エアコンはライフサイクルの長い商品。機構の信頼性確保が大変でした」 そしてデザイン面でも、パネルを開いたときに本体内部がなるべく見えないようにするなど、インテリアに溶け込むように配慮したという。
● 本体の構造や形状は理にかなったもの
「新しいことをやるにはリスクがつきもの。しかし、この構造やデザインは、奇をてらっているわけではなく、理論に基づいたものです」。こう語るのは、シャープ電化システム事業本部空調システム事業部国内商品企画部部長の鈴木隆氏だ。 実際は、これまでにないデザインや機構を取り入れた製品を市場に送り出すことについて、不安があったそうだ。なぜなら、エアコンは小さく薄く目立たない方がいいというデザイン上の流れがあったからだ。しかし、気流を極め、省エネを極めるには、前方にせり出した大型の形状がいいという、理論に裏付けされているからこそ、常識外れの機構も臆することなく取り入れることができた。 2006年、この新しいデザインの製品を市場に出してみると、なぜこの機種だけこんな変わった形をしているの、という消費者の反応が実際にあったそうだ。しかし、この形状が理想的な気流を実現するために最適で省エネにもつながるという話をすると、納得して頂けるという。そして現在では、この形状に対する認知度も大きく向上しているそうである。 「いろいろなアイデアが出てきますが、それが本当にお客様のためになるのか、きちんと理にかなったつくりなのかを考えるのが我々メーカーとして大事なことなのです」と鈴木氏。“水で焼く”オーブンレンジ「ヘルシオ」の例を出すまでもなく、従来までの考え方にとらわれることなく、新しい考え方や仕組みを柔軟に取り入れ、それまでにない製品を送り出そうとするシャープの姿勢は、素直に賞賛すべき部分だろう。 U-SXシリーズでさらに大きく進化したシャープのエアコン。しかし、まだまだ突き詰めて行く部分は残されているようで、大塚氏にもさらなるアイデアが思い浮かんでいるそうだ。シャープのエアコンは、今後もさらに進化し、また我々を驚かせてくれそうだ。 ■URL シャープ株式会社 http://www.sharp.co.jp/ エアコン「U-SX」シリーズ 製品情報 http://www.sharp.co.jp/aircon/spec/ ■ 関連記事 ・ シャープ、送風が直接体に当たらない上級エアコン（2006/11/24） ・ 【そこが知りたい家電の新技術】 松下電器 新・フィルターお掃除ロボットエアコン「CS-Xシリーズ」 （PC 2006/07/06） 2007/06/13 00:01 - ページの先頭へ-
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