p-h線図ってなに？ ─ 冷凍サイクルを「見える化」するグラフ
前回の記事で、冷凍サイクルは「圧縮→凝縮→膨張→蒸発」の4ステップだと学びました。でも、冷媒の状態変化を頭の中だけで追いかけるのは大変ですよね。
そこで登場するのがp-h線図（ピー・エイチせんず）です。これは冷凍サイクルの4つのステップを1枚のグラフ上に描いて「見える化」したもの。試験では計算問題の土台になる超重要グラフです。
p-h線図のひとこと定義
縦軸に圧力（p）、横軸に比エンタルピー（h）をとったグラフ。
冷媒が冷凍サイクルの中でどう状態変化するかを1枚で表せる。
p-h線図の基本構造 ─ 3つのエリアを押さえよう
p-h線図には「釣り鐘」のような形をした曲線が描かれています。この曲線を飽和曲線（ほうわきょくせん）といい、グラフを3つのエリアに分けます。
| エリア | 冷媒の状態 | イメージ |
|---|---|---|
| 左側（飽和液線の左） | 過冷却液 | 完全な液体（冷えきった水のイメージ） |
| 中央（釣り鐘の内側） | 湿り蒸気 | 液体と気体が混ざった状態（霧のイメージ） |
| 右側（飽和蒸気線の右） | 過熱蒸気 | 完全な気体（湯気が見えなくなった状態） |
身近なイメージ
やかんでお湯を沸かすとき、最初は液体の水（過冷却液に相当）。沸騰し始めると水と水蒸気が混ざったブクブク状態（湿り蒸気）。そして完全に蒸発して見えなくなった水蒸気が過熱蒸気です。p-h線図はこの3つの状態を左・中・右に分けて表示しています。
冷凍サイクルをp-h線図に描くと？
冷凍サイクルの4ステップをp-h線図に描くと、四角形に近い図形になります。各ステップがどんな線になるか見ていきましょう。
| ステップ | p-h線図での線 | ポイント |
|---|---|---|
| ① 圧縮 | 右上がりの曲線（等エントロピー線に沿う） | 圧力もエンタルピーも上がる |
| ② 凝縮 | 左向きの水平線（高圧側） | 圧力一定でエンタルピーが減る（放熱） |
| ③ 膨張 | 下向きの垂直線 | エンタルピー一定で圧力だけ下がる（等エンタルピー変化） |
| ④ 蒸発 | 右向きの水平線（低圧側） | 圧力一定でエンタルピーが増える（吸熱） |
試験のポイント
膨張弁では「エンタルピーが変わらない（垂直線）」、凝縮と蒸発では「圧力が変わらない（水平線）」ということを押さえましょう。特に膨張弁の「等エンタルピー変化」は超頻出です。
p-h線図の4つの点を覚えよう
冷凍サイクルをp-h線図に描くと、4つの「角」ができます。それぞれの点が冷媒のどんな状態かを整理します。
比エンタルピーとは？ ─ 計算の基本
p-h線図の横軸にある比エンタルピー（ひエンタルピー）は、冷媒1kgあたりが持っている熱量のことです。単位はkJ/kg（キロジュール毎キログラム）。
冷媒が蒸発器で周囲から吸い取る熱量や、凝縮器で外に捨てる熱量は、この比エンタルピーの差（引き算）で求められます。これがp-h線図を使った計算の基本中の基本です。
身近なイメージ
「エンタルピー」という言葉は難しそうですが、要するに「冷媒が持っている熱エネルギーの量」です。預金通帳の残高のようなもの ─ 蒸発器で熱を吸収すれば残高が増え（エンタルピー増加）、凝縮器で熱を捨てれば残高が減ります（エンタルピー減少）。
冷凍能力の計算 ─ 冷凍機がどれだけ冷やせるか
冷凍能力（れいとうのうりょく）とは、冷凍機が単位時間あたりにどれだけの熱を奪えるか（＝どれだけ冷やせるか）を表す値です。記号はΦ0（ファイゼロ）、単位はkW（キロワット）です。
冷凍能力の公式
Φ0 = qmr ×（hA − hD）
qmr：冷媒循環量（kg/s）
hA：蒸発器出口の比エンタルピー（kJ/kg）
hD：蒸発器入口の比エンタルピー（kJ/kg）
（hA − hD）を冷凍効果（れいとうこうか）といいます
身近なイメージ
冷凍能力は「冷やすパワー」のこと。水道に例えると、冷凍効果（hA − hD）が「蛇口1回ひねりで出る水の量」、冷媒循環量（qmr）が「1秒間にひねる回数」。両方をかけ算すると「1秒あたりに出る水の総量」＝冷凍能力になるイメージです。
凝縮負荷と圧縮機の仕事
冷凍サイクルでは、冷凍能力以外にも2つの重要な値を計算できます。
| 名称 | 公式 | 意味 |
|---|---|---|
| 凝縮負荷 Φk | qmr ×（hB − hC） | 凝縮器で外に捨てる熱量（kW） |
| 圧縮機の仕事 P | qmr ×（hB − hA） | 圧縮機に必要なエネルギー（kW） |
試験のポイント ─ エネルギー保存則
冷凍サイクルではΦk = Φ0 + P という関係が成り立ちます。「凝縮器で捨てる熱量 ＝ 蒸発器で吸収した熱量 ＋ 圧縮機が加えたエネルギー」ということ。エネルギーが消えたり増えたりしないので、出入りが必ず釣り合います。
成績係数（COP）の計算 ─ 冷凍機の「燃費」
成績係数（せいせきけいすう）は、英語でCOP（Coefficient of Performance）と呼ばれます。これは圧縮機に投入したエネルギーに対して、どれだけ冷やせるかの効率を表す数値です。
COPの公式
COP = Φ0 ÷ P =（hA − hD）÷（hB − hA）
Φ0：冷凍能力（蒸発器で奪った熱量）
P：圧縮機の仕事（圧縮に使ったエネルギー）
身近なイメージ ─ 車の燃費
COPは車の燃費のようなもの。ガソリン1リットル（＝圧縮機の仕事P）で30km走れる車（＝冷凍能力Φ0）なら、燃費は「30km/L」。同じように、COP = 5 なら「電気エネルギー1に対して5倍の冷却効果がある」という意味。COPの値が大きいほど効率が良い冷凍機です。
計算例で練習してみよう
p-h線図から以下の値が読み取れたとします。実際に計算してみましょう。
| 点 | 位置 | 比エンタルピー |
|---|---|---|
| A（蒸発器出口） | 圧縮機入口 | 400 kJ/kg |
| B（圧縮機出口） | 凝縮器入口 | 440 kJ/kg |
| C（凝縮器出口） | 膨張弁入口 | 240 kJ/kg |
| D（膨張弁出口） | 蒸発器入口 | 240 kJ/kg |
注目：CとDの比エンタルピーが同じ（240 kJ/kg）！これは膨張弁で「等エンタルピー変化」が起こるからです。
冷凍効果 = hA − hD = 400 − 240 = 160 kJ/kg
圧縮機の仕事 = hB − hA = 440 − 400 = 40 kJ/kg
凝縮負荷 = hB − hC = 440 − 240 = 200 kJ/kg
COP = 160 ÷ 40 = 4.0
検算：凝縮負荷 200 = 冷凍効果 160 + 圧縮の仕事 40 → ピッタリ合いますね！
試験のポイント ─ CとDのエンタルピーが同じ理由
膨張弁は小さな穴（絞り）で冷媒の圧力を下げるだけ。外部との熱のやりとりも、外部への仕事もないため、エンタルピーは変化しません。だからp-h線図では垂直線になり、CとDの横軸の値が同じになります。
COPに影響する条件 ─ 蒸発温度と凝縮温度
COPの値は、運転条件によって変わります。試験でよく問われるのが以下の2つです。
| 条件変化 | COPへの影響 | 理由 |
|---|---|---|
| 蒸発温度が上がる | COP上がる | 蒸発圧力と凝縮圧力の差が小さくなり、圧縮の仕事が減る |
| 凝縮温度が上がる | COP下がる | 圧力差が大きくなり、圧縮の仕事が増える |
現場イメージ
真夏の猛暑日にエアコンが効きにくくなった経験はありませんか？外気温が高い＝凝縮温度が上がる＝COPが下がる、ということ。逆に涼しい日はエアコンがよく効く＝COPが高い状態です。実務でも冷却水温度や外気温の管理がCOPに直結します。
過冷却度と過熱度
実際の冷凍サイクルでは、2つの「余裕」をとることが一般的です。
| 用語 | 意味 | メリット |
|---|---|---|
| 過冷却（かれいきゃく） | 凝縮器出口で液体をさらに冷やすこと | 冷凍効果が増加し、COPが向上する |
| 過熱（かねつ） | 蒸発器出口でガスをさらに温めること | 液体の冷媒が圧縮機に入るのを防止（液圧縮防止） |
試験のポイント
過冷却度をつけると冷凍効果が増えてCOPが向上します。一方、過熱度をつける主な目的は液圧縮の防止であり、COPの向上が主目的ではありません。この違いを正確に区別しましょう。
よくある疑問・間違い
Q. p-h線図の「p」と「h」は何の略？
p は pressure（圧力）、h は specific enthalpy（比エンタルピー）の頭文字です。「p-h線図」は日本語で「圧力-比エンタルピー線図」ともいいます。
Q. COPは1を超えることがあるの？
はい、普通に超えます。家庭用エアコンのCOPは3〜6程度。つまり電気エネルギー1の投入で3〜6倍の冷却効果が得られます。これは「エネルギーを生み出している」のではなく、「熱を移動させている」から可能なのです。ヒートポンプの原理ですね。
Q. 膨張弁を通過するとき、温度はどう変化するの？
温度は下がります。エンタルピーは変わりませんが、圧力が下がることで液体の一部が蒸発し、その蒸発潜熱によって冷媒全体の温度が下がります。
理解度チェック
【問1】p-h線図の縦軸と横軸の組み合わせとして、正しいものはどれか。
（1）縦軸：温度、横軸：圧力
（2）縦軸：圧力、横軸：温度
（3）縦軸：圧力、横軸：比エンタルピー
（4）縦軸：比エンタルピー、横軸：圧力
（5）縦軸：温度、横軸：比エンタルピー
【問2】冷凍サイクルにおいて、膨張弁での冷媒の変化として正しいものはどれか。
（1）等圧変化で比エンタルピーが増加する
（2）等エントロピー変化で圧力が上昇する
（3）等エンタルピー変化で圧力が低下する
（4）等温変化で比エンタルピーが減少する
（5）等圧変化で温度が上昇する
【問3】冷凍サイクルの成績係数（COP）を求める式として、正しいものはどれか。ただし、Φ0は冷凍能力、Φkは凝縮負荷、Pは圧縮機の仕事とする。
（1）COP = P ÷ Φ0
（2）COP = Φk ÷ P
（3）COP = Φ0 ÷ Φk
（4）COP = Φ0 ÷ P
（5）COP = P ÷ Φk
【問4】蒸気圧縮冷凍サイクルにおいて、蒸発温度を一定のまま凝縮温度を高くした場合の変化として、正しいものはどれか。
（1）成績係数（COP）は大きくなる
（2）成績係数（COP）は変わらない
（3）圧縮機の仕事は小さくなる
（4）冷凍能力は大きくなる
（5）成績係数（COP）は小さくなる
まとめ
この記事のポイント
- p-h線図は縦軸＝圧力、横軸＝比エンタルピーのグラフ
- 飽和曲線で過冷却液・湿り蒸気・過熱蒸気の3エリアに分かれる
- 膨張弁は等エンタルピー変化（垂直線）、凝縮・蒸発は等圧変化（水平線）
- 冷凍能力 Φ0 = qmr ×（hA − hD）
- 成績係数 COP = Φ0 ÷ P（大きいほど高効率）
- 蒸発温度↑ → COP↑、凝縮温度↑ → COP↓
- 過冷却はCOP向上に有効、過熱は液圧縮防止が主目的
前の記事 → 冷凍の原理と蒸気圧縮冷凍サイクル
次回は「熱の移動の基礎（熱伝達・熱伝導・熱通過・平均温度差）」を解説します。
試験頻出ポイント
- p-h線図の横軸＝比エンタルピー（h）、縦軸＝圧力（p）
- 冷凍能力 q₀ ＝ h₁ − h₄（蒸発器の入口と出口のエンタルピー差）
- 成績係数 COP ＝ 冷凍能力 ÷ 圧縮仕事（＝ q₀ ÷ w）
- 膨張弁の過程＝等エンタルピー変化（p-h線図で垂直線）
- 圧縮機の仕事 w ＝ h₂ − h₁（吐出しエンタルピー − 吸込みエンタルピー）
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