膨張弁のしくみ｜温度自動膨張弁が過熱度を保つ理由【冷凍三種】
この記事でわかること
- 膨張弁が何をしているかがわかります
- 温度自動膨張弁が過熱度を保つしくみがわかります
- 内部均圧形と外部均圧形の使い分けがわかります
- キャピラリチューブ・電子膨張弁との違いがわかります
膨張弁は小さいのに、とても賢い部品です。自動で流す量を変えて、過熱度（蒸発しきったガスの温度が、蒸発温度より何度高いか）を一定に保っています。そのしくみが分かると、装置全体の動きが読めるようになります。
膨張弁の2つの仕事
用語膨張弁とは？
高圧の冷媒液を絞って、低い圧力まで下げる部品です。同時に蒸発器へ送る冷媒の量を調整しています。
- ①減圧する … 高圧の液を細い通路で絞り、蒸発できる低い圧力まで下げる
- ②流量を調整する … 蒸発器の出口の過熱度が一定になるように、開き具合を変える
例簡単な例え
ホースの先を指でつまむと、勢いよく細く出て、圧力が下がります。膨張弁がやっているのは、これと同じ「絞り」です。違うのは、つまむ強さを自動で変えている点。冷えすぎたら絞り、冷え足りなければ開く——それを機械だけでやっています。
なぜ？なぜ圧力を下げると冷えるのか？
圧力が下がると、沸点（蒸発温度）が下がるからです。常温の液体でも、圧力を十分に下げれば−20℃でも沸騰します。沸騰＝蒸発するとき、まわりから熱を奪う——これが冷える仕組みです。
温度自動膨張弁（TXV）のしくみ
用語温度自動膨張弁とは？
蒸発器の出口の温度を感じて、自動で開き具合を変える弁です。感温筒という小さな筒を蒸発器の出口の配管に取り付け、その中のガスの圧力で弁を動かします。
- ①感温筒が蒸発器出口の温度を感じる
- ②中のガスの圧力が変わる（温かい→圧力が上がる）
- ③ダイヤフラム（薄い膜）を押す
- ④弁が開く → 冷媒が多く流れる → 蒸発器がよく冷える
- ⑤出口の温度が下がる → 感温筒の圧力が下がる → 弁が閉じる
覚える覚え方
「出口が熱ければ開き、冷たければ閉じる」。ぬるいシャワーの蛇口を自分でひねっているような動きだと思ってください。これで過熱度がおおむね3〜8℃に保たれます。
覚える弁を動かしている3つの力
- ①感温筒の圧力 … 弁を開ける向き
- ②蒸発器内の冷媒の圧力 … 弁を閉じる向き
- ③過熱度調整ばねの力 … 弁を閉じる向き
- → ①＝②＋③でつり合った位置で止まります。ばねを強くすると過熱度が大きくなります。
感温筒の付け方と、外れたとき
感温筒は、蒸発器出口の吸込み管の水平な部分に、ぴったり密着させて取り付けます。ヘッダ（何本もの管が集まる太い管）や、液がたまりやすい場所は向きません。たまった液の冷たさを感じてしまい、本当の過熱度が分からなくなるからです。
もし感温筒が外れると、まわりの暖かい空気の温度を感じます。感温筒の中の圧力が上がって弁は大きく開き、冷媒が流れすぎます。過熱度は小さくなり、液のまま圧縮機に戻る液戻りの危険が出てきます。「外れると閉じる」ではなく「外れると開く」です。
感温筒の中身：液チャージとガスチャージ
感温筒には、温度で圧力が変わる物質が封じ込めてあります（チャージといいます）。液を多めに入れた液チャージ方式と、液をほんの少しだけ入れたガスチャージ方式などがあります。
ガスチャージ方式は、中の液がわずかなので、感温筒・細い管・弁の上のダイアフラム受圧部のうち、いちばん冷えている所に液が集まり、その場所の温度で圧力が決まってしまいます。そのため運転中は、受圧部を感温筒より高い温度に保つ必要があります。これが守られないと、弁が正しく動きません。ガスチャージ方式の欠点として試験に出ます。
内部均圧形と外部均圧形
なぜ？なぜ外部均圧形が必要なのか？
蒸発器を通るあいだに、冷媒の圧力が下がるからです。入口と出口で圧力が違うと、入口の圧力で判断していては、出口の本当の過熱度が分かりません。内部均圧形のままだと、出口より高い入口の圧力が弁を閉じる向きに働くので、弁が必要以上に絞られます。その結果、出口の過熱度が大きくなりすぎて冷えが悪くなります（能力不足）。そこで出口の圧力を直接引いてきて判断します。
コツ選び方の目安
- 蒸発器の圧力降下が、飽和温度（その圧力で冷媒が沸騰する温度）で2℃相当を超えるようなら外部均圧形を使います。
- ディストリビュータ（分配器）を使う蒸発器は、圧力降下が大きいので外部均圧形です。
そのほかの膨張装置
用語キャピラリチューブの特徴
- 構造が簡単で安く、故障しにくい
- 負荷の変化に対応できない … 穴の太さが固定なので、流量を変えられません。
- 冷媒を入れる量（充填量）をきっちり守る必要がある … 受液器を持たない装置が多いためです。
定圧自動膨張弁は「圧力」だけを見る
定圧自動膨張弁は、温度ではなく蒸発圧力を見て動きます。蒸発圧力が設定より高くなると閉じ、低くなると開いて、蒸発圧力をほぼ一定に保ちます。
過熱度は見ていないので、過熱度の制御はしません。負荷が大きく変わると過熱度も大きく変わってしまうため、負荷の変動が小さい小さな装置に向いています。過熱度を一定に保つのは、温度自動膨張弁の役目です。なお、キャピラリチューブも同じく過熱度や流量の制御はできません。細い管の抵抗で圧力を下げる（絞り膨張）だけの部品です。
自動制御機器いろいろ
- 電磁弁（ソレノイドバルブ） … 電気でパチンと開閉する弁。停止中に冷媒が蒸発器へ流れ込むのを防ぐ
- 蒸発圧力調整弁 … 蒸発圧力が下がりすぎないようにする
- 吸入圧力調整弁 … 圧縮機の吸込み圧力が上がりすぎないようにして、モーターの過負荷を防ぐ
- 凝縮圧力調整弁 … 冬に凝縮圧力が下がりすぎるのを防ぐ（下がりすぎると膨張弁が働かない）
- 断水リレー … 冷却水が止まったら装置を停止させる
覚える覚え方
調整弁は「○○圧力調整弁＝その圧力を守る弁」と名前どおりに読めば意味が取れます。蒸発圧力調整弁は下がりすぎ防止、吸入圧力調整弁は上がりすぎ防止——この2つだけ向きが逆なので注意してください。
電磁弁：直動式とパイロット式
電磁弁には、直動式とパイロット式があります。直動式は、コイルに電気を流すと磁石の力が生まれ、プランジャ（鉄の芯）が吸い上げられて弁が開きます。電気を切ると、ばねや重さで弁が閉じます。「通電で開く」が基本です。
パイロット式は、まず小さな弁（パイロット弁）を電気で開き、冷媒の圧力の差を利用して大きな主弁を開けるしくみです。小さな力で大きな弁を動かせるので、口径の大きい弁に使われます。
調整弁は「どちら側の圧力」を守るか
蒸発圧力調整弁は、蒸発器出口の配管に付けます。弁の入口側（蒸発器側）の圧力が、設定より下がりすぎないように絞ります。
吸入圧力調整弁は、圧縮機の吸込み配管に付けます。弁の出口側（圧縮機側）の圧力が、設定より上がりすぎないように絞ります。圧縮機の始動時や除霜の後など、吸込み圧力が高くなってモーターに無理がかかる（過負荷）のを防ぎます。
「吸入圧力調整弁が見張るのは、弁の出口側」という点がよく問われます。入口側ではありません。
断水リレーとフロースイッチ
断水リレーは、水冷凝縮器や水冷却器で、冷却水が止まったり水の量が減ったりしたときに、圧縮機を止めて（または警報を出して）装置を守る安全装置です。止めるのは圧縮機で、冷却水ポンプを止めるわけではありません。
断水リレーに使われるフロースイッチには、水の中に差し込んだパドル（羽根）が水流で押されるかどうかで、水の流れを直接検出するものがあります。
圧力スイッチ
圧力スイッチは、圧力が決めた値になると電気の接点を切ったりつないだりする機器です。低圧圧力スイッチは、吸込み圧力が下がりすぎると圧縮機を止めます。圧力が低すぎるまま運転するのを防ぐためです。高圧側に付けて吐出し圧力が上がりすぎたときに止めるもの（第17回でくわしく）や、圧力に合わせて凝縮器の送風機を動かしたり止めたりする使い方もあります。
試験ではこう出る
- ①膨張弁の役割 … 「温度自動膨張弁は、蒸発器出口の過熱度を一定に保つように作動する」→正しい。
- ②3つの力 … 「弁は、感温筒の圧力・蒸発器内の圧力・ばねの力のつり合いで開度が決まる」→正しい。
- ③外部均圧形 … 「蒸発器の圧力降下が大きい場合は外部均圧形を用いる」→正しい。
- ④キャピラリチューブ … 「負荷の変動に応じて冷媒流量を調整できる」→誤り。
- ⑤吸入圧力調整弁 … 「圧縮機の吸込み圧力が設定値より高くならないようにする」→正しい。
よくある質問
Q．感温筒はどこに、どう取り付けるのですか？
A．蒸発器出口の吸込み管に、密着させて取り付けます。管の水平部分に付けるのが基本で、断熱材でくるんで、まわりの空気の温度を拾わないようにします。取り付けが悪いと実際と違う温度を感じて、弁が正しく動きません。
Q．過熱度調整ばねを強くすると、どうなりますか？
A．過熱度が大きくなります。ばねは弁を閉じる向きに働くので、強くすると弁が開きにくくなり、冷媒が絞られます。その結果、蒸発器の中で早く蒸発しきって、出口のガスがより熱くなる＝過熱度が大きくなるのです。能力は下がりますが、液戻りは起きにくくなります。
Q．膨張弁が詰まると、どんな症状が出ますか？
A．低圧側の圧力が下がり、冷えなくなります。代表的な原因は水分の氷結（第3回）とゴミの詰まりです。氷結の場合は装置を止めるといったん溶けて直り、また運転すると詰まるという特徴的な症状が出ます。ドライヤ（乾燥器）の交換が対処になります。
過去問で確かめる 3問
この回と、それより前の回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8 自動制御機器
イ × 直動式の電磁弁は、通電するとプランジャが吸い上げられて弁が開く。閉じるのではない。
ロ × キャピラリチューブは細い管で絞るだけ。過熱度の制御はできない。
ハ 〇 断水リレーのフロースイッチには、パドル（羽根）で水の流れを直接検出するものがある。
ニ 〇 ガスチャージ方式は、ダイアフラム受圧部を感温筒より高い温度に保たないと、正しく作動しない。
正しいのはハ・ニで、正解（3）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8 自動制御機器
イ 〇 膨張弁の仕事は、絞り膨張と、負荷に合わせた冷媒流量の調節の2つ。
ロ × 吸入圧力調整弁が見張るのは、弁の出口側（圧縮機側）の圧力。入口側ではない。
ハ × キャピラリチューブは、流量も過熱度も制御しない。
ニ × 断水リレーが止めるのは圧縮機。冷却水ポンプではない。
正しいのはイだけで、正解（1）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8 自動制御機器
イ 〇 自動膨張弁は、絞り膨張と、冷凍負荷に応じた流量調節の2つの役割をもつ。
ロ × 定圧自動膨張弁は、蒸発圧力が高くなると閉じ、低くなると開く。開閉の向きが逆で、過熱度の制御もしない。
ハ × 吸入圧力調整弁は、吸込み圧力が設定より上がらないようにする弁。凝縮圧力調整弁の説明は正しい。
ニ 〇 圧力スイッチは、吸込み圧力の下がりすぎや吐出し圧力の上がりすぎからの保護、凝縮器の送風機の発停などに使う。
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
まとめこのページのまとめ
- 膨張弁の仕事は①減圧する ②過熱度が一定になるよう流量を調整する
- 温度自動膨張弁は感温筒の圧力／蒸発器内の圧力／ばねの力のつり合いで動く
- ばねを強くすると過熱度は大きくなる
- 蒸発器の圧力降下が大きいときは外部均圧形
- キャピラリチューブは流量を調整できないので、冷媒量を正確に
- 蒸発圧力調整弁＝下がりすぎ防止／吸入圧力調整弁＝上がりすぎ防止
- 直動式電磁弁は通電で開く。キャピラリチューブ・定圧自動膨張弁は過熱度を制御しない
- 吸入圧力調整弁は弁の出口側（圧縮機側）の圧力が上がりすぎないよう絞る
- 断水リレーは断水を検知して圧縮機を止める（冷却水ポンプではない）
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