【第三種冷凍機械責任者・保安管理】冷凍の原理と蒸気圧縮冷凍サイクル

結論：冷凍機は仕事を使って熱を低温側から高温側へ運ぶ

冷凍とは、冷却対象から熱を取り去ることです。熱は自然には高温側から低温側へ移ります。そこで蒸気圧縮冷凍機は、圧縮機へ仕事を与え、冷媒を循環させて、低温側で受け取った熱を高温側へ放出します。

冷媒が通る順序は、圧縮機 → 凝縮器 → 膨張弁 → 蒸発器 → 圧縮機です。試験では、この順序に「圧力」「温度」「気体か液体か」「吸熱か放熱か」を重ねて判断します。

図解：4機器を一周して熱を運ぶ

冷凍機が「冷たさ」を送り込むのではありません。蒸発器が庫内や室内の熱を受け取り、凝縮器が外気や冷却水へ渡しています。家庭用エアコンの冷房で、室外機から温風が出るのはこのためです。

4つの状態点を機器の出口で覚える

実機では過熱や過冷却を持たせるため、すべてを単純な「気体」「液体」と言い切ると誤りになる場合があります。基本サイクルは次の状態で整理すると安全です。

「凝縮器出口は高温高圧の液」「蒸発器出口は低温低圧のガス」は方向をつかむ入門表現です。ただし、温度は圧力や運転条件で変わります。試験では高圧側・低圧側、相変化、過熱・過冷却を優先して見ます。

圧縮・凝縮：圧力を上げて高温側へ熱を捨てる

圧縮機は蒸発器から戻った冷媒蒸気を吸い込み、外部から軸仕事を加えて高圧まで圧縮します。圧縮後の冷媒温度は凝縮器を冷やす外気や冷却水より高くなり、熱を高温側へ渡せる状態になります。

凝縮器では、最初に過熱蒸気を凝縮温度まで冷やし、次にほぼ一定圧力で凝縮させます。さらに液を凝縮温度より下げる過冷却を設ける場合もあります。したがって、凝縮器は「気体を液体にするだけ」でなく、冷媒が運んだ熱と圧縮機仕事を外部へ捨てる熱交換器です。

膨張・蒸発：減圧して低温側から熱を受け取る

膨張弁は冷媒流路を絞り、高圧側と低圧側の圧力差を保ちながら流量を調整します。理想的な絞り膨張は比エンタルピーが入口と出口で等しい変化として扱います。

蒸発器では、残った液冷媒が冷却対象から熱を受け取りながら蒸発します。冷媒の圧力を低く保つことで、庫内空気や冷水より低い飽和温度を作り、熱が冷却対象から冷媒へ自然に流れるようにしています。

膨張弁の流量制御や過熱度との関係は「自動制御機器の種類と役割」、蒸発器の方式は「蒸発器の種類と特徴」で詳しく解説します。

独自計算例：凝縮器は吸熱量より多く放熱する

定常運転する冷凍サイクル全体では、エネルギー収支が次のように釣り合います。

例：蒸発器が庫内から12kWを吸収し、圧縮機が3kWの仕事を加える冷凍機では、凝縮器の放熱量は 12＋3＝15kW です。冷凍機の成績係数は 12÷3＝4 となります。

「凝縮器の放熱量＝蒸発器の吸熱量」ではありません。圧縮機仕事も熱として高温側へ出るため、凝縮負荷の方が大きくなります。比エンタルピーを使った計算は「p-h線図の読み方と冷凍能力・成績係数（COP）の計算」で扱います。

試験で狙われる入れ替え

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まとめ

蒸気圧縮冷凍サイクルは、圧縮機で仕事を加え、凝縮器で放熱し、膨張弁で減圧し、蒸発器で吸熱する循環です。順番だけでなく、圧縮機は蒸気、凝縮器出口は液、膨張弁出口は湿り蒸気、蒸発器出口は蒸気という状態も結び付けましょう。

熱収支は「凝縮負荷＝冷凍能力＋圧縮機動力」です。4機器の役割とこの収支が分かれば、p-h線図、COP、凝縮器・蒸発器、運転管理の記事へ無理なく進めます。

最終更新日：2026年7月28日