冷凍サイクルとは？熱を運んで冷やす仕組みを初心者にもやさしく図解

冷凍サイクルってなに？（まず“冷やす”仕組み）

熱は放っておくと、温度の高いほうから低いほうへ自然に流れます。ところが冷蔵庫やエアコン冷房は、その流れに逆らって、冷たい場所からさらに熱を汲み出し、外へ捨てています。

これを冷媒の循環で実現するのが冷凍サイクルです。だから冷蔵庫の中は冷え、背面（外側）は温かくなります——庫内の熱を運び出して、外へ捨てているのです。

4つの工程（冷蔵庫・冷房を例に）

冷媒は次の4つを繰り返して循環します。

冷凍効果──冷媒1kgが蒸発器で奪う熱

蒸発器で冷媒1kgがまわりから奪う熱の量を冷凍効果（単位kJ/kg）といいます。向きに注意してください。熱を奪うのは冷媒のほうで、まわりは熱を奪われて冷えます。「まわりが冷媒から奪う」と書かれていたら、向きが逆です。

冷凍効果は、同じ冷媒でも、蒸発温度や凝縮温度などの運転条件によって変わります。

逆向きに使えば暖房もできる（ヒートポンプ）

ここがエアコンの面白いところです。同じ冷凍サイクルを逆向きに使うと、今度は外から熱を奪って室内へ放出＝暖房になります。

冷房と暖房で流れの向きを切り替えているのが四方弁です。

COP（効率）との関係

👉 くわしく知りたい方はこちら成績係数（COP）とは？エアコンの“燃費”を初心者にもやさしく図解

暖房のCOPは、冷房のCOPよりちょうど1大きい

凝縮器で捨てる熱は「蒸発器で奪った熱＋圧縮機の動力」です。暖房（ヒートポンプ）では、この捨てる熱をまるごと部屋に出します。そのため、同じ運転条件の理論上のサイクルでは、ヒートポンプのCOP＝冷凍（冷房）のCOP＋1になります。「冷凍のほうが1大きい」は逆なので気をつけてください。

温度差が大きいときは「二段圧縮」

蒸発温度がとても低い冷凍庫などで、1台の圧縮機で一気に圧縮すると、吐出しガス（圧縮機から出ていくガス）の温度が高くなりすぎ、圧縮機の効率も落ちてしまいます。

そこで使うのが二段圧縮です。まず低段圧縮機で中間の圧力まで圧縮し、中間冷却器でガスの過熱分（必要以上に熱くなったぶん）を取り除いてから、高段圧縮機で凝縮圧力まで圧縮します。途中で一度冷やすので、高段圧縮機の吐出しガス温度が1段で圧縮するより低くなり、効率の低下も防げます。階段を一気に駆け上がらず、踊り場でひと息つくイメージです。

熱の伝わり方（伝熱）の基本

冷凍サイクルは、蒸発器で熱を受け取り、凝縮器で熱を捨てます。どちらも、金属の管や板ごしに熱をやりとりする装置です。そのため冷凍三種では、熱の伝わり方もよく問われます。

熱の伝わり方は3つ

熱伝導　…　物体の中を熱が伝わる。鍋の取っ手が熱くなるのがこれ。
対流熱伝達（熱伝達）　…　固体の壁の表面と、それに接して流れる水や空気などとの間で熱が移る。
熱放射　…　離れた物に、光のように熱が届く。たき火に当たると顔が熱くなるのがこれ。
「壁の中＝熱伝導」「壁の表面と流れる流体の間＝熱伝達」と区別してください。

熱伝導率と熱伝導抵抗

物の中での熱の伝わりやすさを熱伝導率といいます。鉄鋼のような金属は大きく、空気はとても小さい値です。水あか・木材・鉄鋼・空気などをくらべると、いちばん小さいのは空気になります。ダウンジャケットが暖かいのは、動かない空気の層が熱を伝えにくいからです。

壁の厚さを、熱伝導率と伝熱面積をかけたもので割った値を熱伝導抵抗といいます。「抵抗」なので、値が大きいほど熱は流れにくくなります。電気の抵抗と同じ考え方です。

熱伝達率と熱通過率

壁の表面と流体の間で移る熱の量は、熱伝達率×伝熱面積×温度差で表します（温度差は、壁の表面の温度と、壁から十分に離れた所の流体の温度との差）。このかけ算の比例係数が熱伝達率です。熱伝導率と名前が似ているので、取りちがえに注意しましょう。

壁をはさんだ両側の流体の間で移る熱の量は、熱通過率×伝熱面積×温度差で表します。伝熱量は、熱通過率・伝熱面積・両側の流体の温度差のどれにも比例するわけです。熱通過率は、両側の表面の熱伝達率と、壁の熱伝導率に、壁の厚さも合わせて計算します。水あかが付いていれば、その分も加えます。

平均温度差と、熱の単位

水冷却器などでは、入口と出口で温度差が変わります。そこで平均の温度差を使います。正確には対数平均温度差を使いますが、入口側と出口側の温度差にあまり大きな差がないときは、簡単な算術平均温度差で近似することもあります。

算術平均温度差は、入口側の温度差Δt1と出口側の温度差Δt2を足して2で割るだけです。Δtm＝（Δt1＋Δt2）÷2で、引き算ではありません。

熱の量そのものの単位はJ（ジュール）やkJ、1秒あたりに伝わる熱の量（伝熱量）の単位はWやkWです。

冷凍・空調で主に扱うのは「熱伝導」と「対流熱伝達」

3つの伝わり方のうち、蒸発器や凝縮器で主役になるのは、管の壁の中を伝わる熱伝導と、壁の表面と冷媒・水・空気とのあいだで熱が移る対流熱伝達の2つです。熱放射は、温度の高い物から光のように熱が届くしくみで、冷凍・空調の機器の中ではあまり大きな役割をもちません。

「冷凍・空調で扱う熱の移動は、主に熱放射と熱伝導」と書かれていたら、組合せがちがいます。「壁の中は熱伝導、壁と流れる流体のあいだは対流熱伝達」と、場所とセットで思い出してください。

試験で問われるポイント

• 基本は冷やす方向：蒸発器で熱を奪い、凝縮器で熱を捨てる。
• 4工程：蒸発器→圧縮機→凝縮器→膨張弁の順と、冷媒の状態変化（液⇄気）。
• 蒸発器＝吸熱（低圧低温）／凝縮器＝放熱（高圧高温）。圧縮で高温・高圧。
• p-h線図（モリエル線図）（冷媒の圧力と持っている熱の量の関係を表したグラフ）の基礎、逆向きで暖房（ヒートポンプ）。

冷凍三種の過去問で確かめる　3問

冷凍三種（第三種冷凍機械責任者）の講座では、この記事が第2回です。この記事と第1回（冷凍機とは）の内容で解ける過去問を3つ選びました。問題文は、各年度の過去問ページで確認できます。冷凍三種は「正しい記述の組合せ」を選ぶ形なので、記述を1つずつ〇か×かで見ていきます。

令和7年度 保安管理技術 問2　熱の移動（伝熱）

イ　〇　壁を通る熱の量は、熱通過率・伝熱面積・両側の流体の温度差のどれにも比例する。
ロ　〇　算術平均温度差＝（Δt1＋Δt2）÷2。
ハ　×　熱伝導抵抗は、値が大きいほど熱が流れにくい。
ニ　〇　熱伝導率がいちばん小さいのは空気。
正しいのはイ・ロ・ニで、正解（5）です。　→ 令和7年度 保安管理技術の解説

令和6年度 保安管理技術 問2　冷凍サイクル・熱の移動

イ　〇　二段圧縮は途中で冷やすので、高段の吐出しガス温度が上がりにくく、効率の低下も防げる。
ロ　×　1大きいのはヒートポンプのほう。冷凍のCOPは1小さい。
ハ　×　壁の表面と流れる流体の間の伝熱は対流熱伝達。熱伝導は物体の中を伝わる熱。
ニ　〇　正確には対数平均温度差を使い、近い値として算術平均温度差も使う。
正しいのはイ・ニで、正解（2）です。　→ 令和6年度 保安管理技術の解説

令和5年度 保安管理技術 問2　冷凍サイクル・熱の移動

イ　〇　壁の表面と流体の間の熱の量の比例係数が熱伝達率。
ロ　×　冷凍効果は、冷媒1kgがまわりから奪う熱。向きが逆。
ハ　×　算術平均温度差は足して2で割る。引き算ではない。
ニ　〇　低段で中間圧力まで圧縮→中間冷却器で過熱分を除く→高段で凝縮圧力まで。
正しいのはイ・ニで、正解（2）です。　→ 令和5年度 保安管理技術の解説

よくある質問（FAQ）