冷凍機とは？建物を冷やす熱源の仕組みと種類を初心者にもやさしく図解

押し縮め方は「容積式」と「遠心式」の2グループ

4つの方式は、冷媒ガスの押し縮め方で2つのグループに分かれます。ここが分かると、4つの違いがすっきり整理できるでしょう。

遠心だけに起きる「サージング」

遠心（ターボ）冷凍機の弱点がサージングです。試験でよく問われるのは「どの方式で起きるか」です。

容積式ではサージングは起きません。部屋の体積を小さくして押し出す仕組みなので、押し返されて逆流するということがないからです。

冷凍機は、冷凍サイクル（冷媒が液体とガスを行き来しながら熱を運ぶ仕組み）などを使って「冷たい水（冷水）」をつくり出す機械です。ビルの空調では、この冷凍機でつくった冷水をポンプで空調機（AHU：空気を冷やして送り出す大型の機械）やFCU（ファンコイルユニット：部屋ごとに置く小型の冷暖房機）へ送り、各部屋を冷やします。

👉 くわしく知りたい方はこちら冷凍サイクルとは？熱を運んで冷やす仕組みを初心者にもやさしく図解

つまり冷凍機は、建物全体を冷やす“おおもと（心臓部）”にあたります。

まず大きく2タイプ：圧縮式と吸収式

圧縮式冷凍機の種類（圧縮機で分かれる4タイプ）

圧縮式冷凍機は、心臓部の圧縮機（コンプレッサー）の方式で4種類に分かれます。どれも「低圧の冷媒ガスを吸い込み→圧縮して高温・高圧にし→吐き出す」のは同じですが、その“圧縮のしかた”と冷媒の動きがそれぞれ違います。

ここからは、圧縮機の4つの方式を1つずつ、冷媒の動き（青＝吸入／赤＝吐出）と特徴を見ていきましょう。

① 往復動（レシプロ）

圧縮のしかた：ピストンの上下動　／　向く容量：小〜中

⭕ メリット：古くからある方式で仕組みがわかりやすく、小容量なら比較的安価。部分負荷（能力をフルに使わず、控えめに運転する状態）に対応しやすい。

❌ デメリット：振動・騒音が出やすい。部品点数が多い。

② スクロール

圧縮のしかた：2枚の渦巻きのかみ合い　／　向く容量：小〜中

⭕ メリット：低振動・低騒音で効率がよい。家庭用エアコンにも使われる。

❌ デメリット：大容量には向かない。

③ スクリュー

圧縮のしかた：2本のねじ（ロータ）の回転　／　向く容量：中〜大

⭕ メリット：連続的でなめらか。中〜大容量で信頼性が高い。

❌ デメリット：構造上やや高価。

④ 遠心（ターボ）

冷凍機まわりの関係（凝縮熱の処理）

冷凍三種で最初に押さえる「冷凍の原理」

ここからは、第三種冷凍機械責任者（冷凍三種）の試験で「冷凍の原理」として問われる基本をまとめます。どれも、このあとの学習で何度も出てくる言葉です。

潜熱と顕熱──冷えるのは「蒸発の潜熱」のおかげ

物に熱が出入りすると、温度が変わるか、状態（液体・気体など）が変わるか、のどちらかが起きます。顕熱は、状態はそのままで温度を変える熱。潜熱は、温度はそのままで液体⇔気体などの状態を変えるときに出入りする熱です。

なかでも、液体1kgを同じ圧力のまま蒸発させるのに必要な熱を蒸発潜熱といいます。冷凍機は、冷媒が蒸発するときに、この蒸発潜熱をまわりから奪って冷やしています。打ち水で涼しくなるのと同じしくみです。

圧力には「ゲージ圧力」と「絶対圧力」がある

冷凍機の圧力は、ブルドン管圧力計という計器で測ることが多いです。中にある曲がった金属の管（ブルドン管）の内側に冷媒の圧力が、外側に大気圧がかかり、その差で管の曲がり方が変わって針が動きます。

つまり圧力計が示すのは「冷媒の圧力と大気圧の差」で、これをゲージ圧力といいます。一方、何もない真空を0として数えた圧力が絶対圧力です。絶対圧力＝ゲージ圧力＋大気圧の関係があり、「圧力計の数字はゲージ圧力」と覚えておくと迷いません。

捨てる熱＝奪った熱＋圧縮機の動力

蒸発器で冷媒が1秒間に奪う熱の量を冷凍能力、凝縮器で外へ捨てる熱の量を凝縮負荷といいます。冷媒は、蒸発器で奪った熱に加えて、圧縮機で押しちぢめられたときのエネルギー（動力）も受け取ります。

そのため、凝縮負荷＝冷凍能力＋圧縮機の動力となり、捨てる熱は奪った熱より動力のぶんだけ多くなります。式をひっくり返して、動力＝凝縮負荷－冷凍能力と書くこともできます。冷却塔が、建物から奪った熱より多くの熱を捨てているのはこのためです。

成績係数（COP）と、省エネな運転のしかた

冷凍能力を動力で割った値を成績係数（COP）といいます。「1の動力で、何倍の熱を運べたか」を表す数字で、大きいほど少ない動力でよく冷やせます。呼び名は「成績係数」で、「圧縮機の効率」とは呼びません。

COPを大きくする（動力を小さくする）には、蒸発温度はできるだけ高め、凝縮温度はできるだけ低めにして、2つの温度の差を小さくするのが基本です。熱を低い温度から高い温度へくみ上げる機械なので、高低差が大きいほど力が要ります。水をくみ上げるポンプと同じ考え方です。

熱の量は「比エンタルピー」で数える

冷媒1kgが持っている熱の量を比エンタルピー（単位はkJ/kg）といいます。冷凍の計算で使うのは、2つの場所の比エンタルピーの差だけです。そのため絶対の値は必要なく、0℃の飽和液（ちょうど沸き始める状態の液）を200kJ/kgと決めて、これを基準にしています。

家庭用冷蔵庫と吸収冷凍機のつくり

家庭用冷蔵庫は、圧縮機・凝縮器・蒸発器に加えて、冷媒の圧力を下げる部品に、膨張弁ではなくキャピラリチューブ（とても細く長い管）を使い、つくりを簡単にしています。細い管を通るうちに、冷媒の圧力が下がるしくみです。

吸収冷凍機は圧縮機を使いません。吸収器・発生器（再生器ともいいます）・溶液ポンプなどで冷媒を回し、熱の力で冷やします。この中で機械として動く部品は溶液ポンプで、吸収器や発生器は、液をためて熱をやりとりする入れ物です。「動く部品」ではありません。

試験で問われるポイント

• 冷凍機＝冷水をつくって建物を冷やす機械。空調の熱源（心臓部）。
• 圧縮式（電気・モーター駆動）と吸収式（熱・ガス駆動・電気少）に大別。
• 圧縮式は往復動（レシプロ）・スクロール・スクリュー・遠心（ターボ）の4種。小→大の順にレシプロ→ターボ。
• 遠心（ターボ）は大容量・高効率だが低負荷でサージング。吸収式は冷媒＝水・吸収液（冷媒の水蒸気を吸い込む液体）＝臭化リチウム。
• 往復動・スクロール・スクリュー＝容積式／遠心（ターボ）＝遠心式。「往復動は遠心式」は誤り。
• サージングは遠心式だけに起きる。容積式では起きない。

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1回です。この記事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1　冷凍の原理

イ　×　凝縮器で捨てる熱は、圧縮機の動力だけではない。冷凍能力＋動力。
ロ　〇　液体⇔蒸気の状態変化で出入りする熱が潜熱。
ハ　〇　冷凍能力÷理論上の圧縮動力が理論冷凍サイクルの成績係数。大きいほど小さい動力でよく冷える。
ニ　×　動力を小さくするには、蒸発温度は高め、凝縮温度は低め。逆になっている。
正しいのはロ・ハで、正解（3）です。　→ 令和7年度 保安管理技術の解説

令和3年度 保安管理技術 問1　冷凍の原理

イ　×　ブルドン管の内側にかかるのが冷媒の圧力、外側が大気圧。内と外が逆になっている。
ロ　〇　液体1kgを同じ圧力のまま蒸発させる熱が蒸発潜熱。
ハ　〇　凝縮負荷＝冷凍能力＋圧縮機の駆動軸動力。
ニ　×　動力あたりの冷凍能力は成績係数（COP）。「圧縮機の効率」ではない。
正しいのはロ・ハで、正解（2）です。　→ 令和3年度 保安管理技術の解説

令和2年度 保安管理技術 問1　冷凍の原理

イ　〇　動力＝凝縮負荷－冷凍能力。
ロ　〇　比エンタルピーは差だけを使うので、0℃の飽和液を200kJ/kgとして基準にしている。
ハ　×　家庭用冷蔵庫で圧力を下げるのは、膨張弁ではなくキャピラリチューブ。
ニ　×　吸収冷凍機で機械として動くのは溶液ポンプ。吸収器・発生器は動く部品ではない。
正しいのはイ・ロで、正解（1）です。　→ 令和2年度 保安管理技術の解説

よくある質問（FAQ）