冷凍サイクルとは？4工程・4機器の役割とP-h線図、COPの読み方

冷凍サイクルは、冷媒を圧縮・凝縮・膨張・蒸発の順に回し、冷やしたい場所の熱を外へ運び出す仕組みです。エアコン、冷蔵庫、工場のチラーや冷凍倉庫まで、電気で動く冷却設備の多くがこの同じ流れで動いています。

4つの工程は、圧縮機・凝縮器・膨張弁・蒸発器という4つの機器に1対1で対応します。どの機器で冷媒の圧力と温度がどう変わるかをP-h線図に描くと、冷える量と電気の使い方が数字で読めるようになります。

この記事では、冷凍サイクルの全体像、4つの機器の役割、P-h線図（モリエル線図）の読み方とCOPの求め方、現場で測る過熱度・過冷却度との結びつけ方、冷媒と圧縮機の違いの順に整理します。

この記事の内容は、動画でも解説しています。

冷凍サイクルとは

熱は自然には温度の高いほうから低いほうへしか流れないため、25℃の部屋の熱を35℃の屋外へ捨てるには外から仕事を加える必要があります。冷凍サイクルは、圧縮機の動力を使って低温側の熱を高温側へ汲み上げる仕組みで、熱の運び役が冷媒です。

冷媒は、液体が気体になる蒸発のときに周りから大きな熱を奪い、気体が液体に戻る凝縮のときにその熱を手放します。しかも沸騰する温度は圧力で変わるので、低い圧力にすれば低い温度で蒸発し、高い圧力にすれば高い温度でも凝縮させられます。

この性質を利用して、回路の中に圧力の低い側と高い側をつくり分けています。低圧側で熱を吸い込み、高圧側で熱を吐き出すのが冷凍サイクルの骨格で、境目にあるのが圧縮機と膨張弁です。

図1：冷凍サイクルが熱を運ぶ全体像

冷やしたい側で受け取った熱に圧縮機の動力を足し、高温側でまとめて捨てます。

※捨てる熱は「吸収した熱＋圧縮機の仕事」です。この捨てる側の熱を暖房や給湯に使うのがヒートポンプです。

冷房や冷凍は低温側で吸い込む熱を目的にした使い方で、暖房や給湯は高温側で吐き出す熱を目的にした使い方です。機器の並びは同じで、どちら側の熱を使うかで冷凍機とも呼ばれ、ヒートポンプとも呼ばれます。

4つの工程と機器の役割

冷凍サイクルの4工程は、冷媒がどの機器を通っているかで区切られます。各機器の入口と出口で冷媒の状態がどう変わるかを押さえると、運転データを見たときに異常の場所を絞り込みやすくなります。

図2：4つの工程と冷媒の状態

機器ごとに、冷媒の圧力・温度・相（気体か液体か）が入れ替わります。

01 圧縮圧縮機低圧・低温のガスを吸い込み、高圧・高温のガスにして送り出す

02 凝縮凝縮器外気や冷却水へ熱を捨て、高圧のガスを高圧の液にする

03 膨張膨張弁狭い流路で圧力を一気に下げ、低温の液とガスの混ざった状態にする

04 蒸発蒸発器冷やしたい空気や水から熱を奪って液が蒸発し、低圧のガスに戻る

※実際の回路には、水分を取るドライヤ、液をためる受液器、液の吸い込みを防ぐアキュムレータなどの付属機器も入ります。

圧縮機

圧縮機は蒸発器から戻った低圧のガスを吸い込み、高圧・高温のガスにして吐き出します。サイクルの中で外から動力を受け取るのはここだけなので、冷凍機の電気代の大半は圧縮機の動力と考えてよい機器です。

圧縮機が吸い込んでよいのはガスだけで、液が混ざったまま吸い込む液バックが続くと、弁や軸受を傷める原因になります。蒸発器の出口で冷媒を少し過熱した状態にしておくのは、この液バックを防ぐためです。

凝縮器

凝縮器は高温のガスを外気や冷却水で冷やし、液に戻す熱交換器です。ここで捨てる熱は、蒸発器で吸収した熱に圧縮機の仕事を足した量になるため、凝縮器は蒸発器より大きな熱量を扱います。

空冷式なら屋外機のフィンとファン、水冷式なら冷却塔から来る冷却水で熱を捨てます。伝熱面の汚れや能力の決め方は、熱交換器の伝熱能力と面積の計算と同じ考え方で整理できます。

膨張弁

膨張弁は高圧の液を狭い流路に通し、圧力を一気に下げる部品です。圧力が下がると液の一部がその場で気化し、その気化熱で冷媒自身が冷えるため、出口では低温の液とガスが混ざった湿り蒸気になります。

弁を通る間に外とは熱も仕事もやり取りしないので、膨張弁の前後で比エンタルピーは変わりません。この等エンタルピー変化の考え方は絞り膨張の仕組みで詳しく扱っています。

減圧の部品には、温度式膨張弁のほか、モーターで開度を変える電子膨張弁や、細い管で減圧するキャピラリチューブもあります。温度式膨張弁は蒸発器出口の過熱度を感温筒で感じ取り、冷媒が液のまま圧縮機へ戻らないよう流量を調整します。

蒸発器

蒸発器は、冷やしたい空気・水・ブラインから熱を受け取り、湿り蒸気の液分を蒸発させる熱交換器です。冷媒が蒸発している間は圧力が一定なら温度も一定なので、伝熱面全体を低い温度に保てます。

工場のチラーでは、蒸発器で冷やした冷水やブラインを配管で各設備へ送ります。冷媒（一次冷媒）と冷水・ブライン（二次冷媒）の役割分担は、チラーとブラインの違いで整理しています。

P-h線図（モリエル線図）の読み方

P-h線図は、縦軸に圧力、横軸に比エンタルピー（冷媒1kgが持つエネルギー）を取った冷媒の状態図で、ドイツのリヒャルト・モリエルが考案したことからモリエル線図とも呼ばれます。縦軸は対数目盛なので、等圧線は水平、等エンタルピー線は垂直に引かれます。

冷凍サイクルを読むには、先に4つの状態点の番号を決めておきます。この記事では一般的な番号の振り方に合わせ、①圧縮機の入口、②圧縮機の出口、③凝縮器の出口、④膨張弁の出口とします。

状態点	場所	圧力・温度	冷媒の状態	計算例の比エンタルピー
①	圧縮機の入口（蒸発器の出口）	低圧・低温	ガス（理想は飽和蒸気、実機は少し過熱）	404 kJ/kg
②	圧縮機の出口（凝縮器の入口）	高圧・高温	過熱蒸気	428 kJ/kg
③	凝縮器の出口（膨張弁の入口）	高圧・中温	液（理想は飽和液、実機は少し過冷却）	272 kJ/kg
④	膨張弁の出口（蒸発器の入口）	低圧・低温	湿り蒸気（液とガスの混合）	272 kJ/kg（③と同じ）

線図の線と領域

線図の中央には、飽和液線と飽和蒸気線でできた山形のドームがあり、頂点が臨界点です。ドームの左側は液だけの過冷却液、内側は液とガスが混ざった湿り蒸気、右側はガスだけの過熱蒸気の領域になります。

ドームの内側では、等圧線がそのまま等温線になります。圧力を決めれば蒸発や凝縮の温度が決まるという圧力と飽和温度の1対1の関係が、冷凍サイクルを圧力計で管理できる理由です。ドームの外には等温線や等エントロピー線も書き込まれています。

図3：P-h線図に描いた冷凍サイクル

2本の水平線（凝縮・蒸発）と、斜めの圧縮線、垂直の膨張線で台形のような形になります。

※形を説明するための概念図で、目盛りは実際の冷媒の値どおりではありません。実機の①は飽和蒸気線より少し右（過熱）、③は飽和液線より少し左（過冷却）に来ます。

サイクルを描く手順

冷凍サイクルを線図に描くときは、運転条件である蒸発温度と凝縮温度から始めます。蒸発温度に対応する圧力（蒸発圧力）と、凝縮温度に対応する圧力（凝縮圧力）の2本の水平線を、使う冷媒の線図に引くのが最初の作業です。

• ①：蒸発圧力の水平線と飽和蒸気線の交点（過熱度があればその分だけ右へずらす）
• ②：①を通る等エントロピー線を、凝縮圧力の水平線まで上にたどった点
• ③：凝縮圧力の水平線と飽和液線の交点（過冷却度があればその分だけ左へずらす）
• ④：③から真下に下ろし、蒸発圧力の水平線と交わる点

②を等エントロピー線でたどるのは、圧縮を熱の出入りも損失もない理想の断熱圧縮とみなしているためです。実際の圧縮機には損失があるので、実機の②は理想の②より右（エンタルピーが大きい側）にずれます。

P-h線図から冷凍効果・圧縮仕事・COPを求める

線図の横軸は冷媒1kgあたりのエネルギーなので、2点の横幅を読むだけで熱量や仕事が分かります。比エンタルピーそのものの意味はエンタルピーの基礎で確認できます。

• 冷凍効果（蒸発器で冷媒1kgが吸う熱）：q = h1 − h4
• 圧縮仕事（圧縮機が冷媒1kgに与える仕事）：w = h2 − h1
• 凝縮器で捨てる熱：h2 − h3（= 冷凍効果＋圧縮仕事）
• COP（成績係数）：冷凍効果 ÷ 圧縮仕事 =（h1 − h4）÷（h2 − h1）

計算例：HFC-134aで蒸発10℃・凝縮50℃

前提は、①が10℃の飽和蒸気、③が50℃の飽和液、圧縮は等エントロピー、配管の圧力損失と熱の出入りはなしという理想の条件です。筑波大学の演習問題では、HFC-134aの物性値からh1＝404、h2＝428、h3＝h4＝272（いずれもkJ/kg）と読んでいます。

冷凍効果は404−272＝132kJ/kg、圧縮仕事は428−404＝24kJ/kgなので、COPは132÷24＝5.50です。圧縮機に1の仕事を入れると、蒸発器で5.5倍の熱を吸い込める計算になります。

図4：計算例の4つの数字

HFC-134a、蒸発温度10℃・凝縮温度50℃の理想サイクルを冷媒1kgあたりで見た値です。

冷凍効果 h1−h4132 kJ/kg蒸発器で冷やしたい側から吸い込む熱

圧縮仕事 h2−h124 kJ/kg圧縮機が冷媒に与える仕事。電気代のもと

凝縮器の放熱 h2−h3156 kJ/kg132＋24。屋外や冷却水へ捨てる熱

COP（冷房）5.50132÷24。同じ温度条件の理論上限は約7.1

※値は筑波大学の演習問題（HFC-134a）の解答から。放熱量と理論上限は同じ条件から当編集部で計算。理想条件のため、実機のCOPはこれより低くなります。

冷凍機全体の能力は、1kgあたりの値に冷媒の質量流量を掛けて求めます。冷凍能力は流量×（h1−h4）、圧縮機の動力は流量×（h2−h1）で、たとえば流量0.1kg/sなら冷凍能力13.2kW、理論動力2.4kWです。

理論上限（逆カルノーサイクル）と比べる

同じ温度の間で動く冷凍機のCOPには理論上の上限があり、低温側の絶対温度T2と高温側の絶対温度T1から、T2÷（T1−T2）で求めます（冷却に使う逆カルノーサイクルの成績係数）。10℃と50℃なら283.15÷40で約7.1になり、上の計算例の5.50はその8割弱です。

式の形から分かるとおり、蒸発温度と凝縮温度の差が小さいほどCOPは高くなります。理想の熱サイクルの考え方はカルノーサイクルの4つの過程と熱効率で詳しく扱っています。

暖房として使う場合のCOPは、捨てる側の熱（h2−h3）を圧縮仕事で割って求めます。同じ演習問題の暖房条件（蒸発0℃・凝縮40℃）では、h1＝399、h2＝425、h3＝256（kJ/kg）から、（425−256）÷（425−399）＝6.50です。

授業や実習のレポートでは、計算の答えを出す前に、どの条件を変えると線図のどこが動き、COPがどちらへ動くかを予想しておくと考察を書きやすくなります。下の表は、この記事の内容から整理した予想の例です。

変える条件	線図で動く所	冷凍効果と圧縮仕事	COPの向き
凝縮温度を上げる（冷却水が高いなど）	②③の水平線が上へ	圧縮仕事が増え、冷凍効果が減る	下がる
蒸発温度を上げる（設定温度をゆるめる）	④①の水平線が上へ	圧縮仕事が減る	上がる
過冷却度を大きくする	③が飽和液線より左へ、④も左へ	冷凍効果が増える	上がる

実習で測った値と計算値が合わないときは、理想の条件（等エントロピー圧縮、配管の損失なし）のどれが実機と違うかを挙げると、考察の筋道ができます。

現場で測る値と線図の動き

実機の冷凍サイクルは、圧力計と温度計の値を線図の点に置き換えると状態が読めます。測るのは主に吸入圧力・吐出圧力と、蒸発器出口・凝縮器出口の配管温度で、圧力から求めた飽和温度との差が過熱度と過冷却度です。

過熱度：蒸発器の使われ方を見る

過熱度は、蒸発器出口（または圧縮機の吸入）の配管温度から、吸入圧力に対応する飽和温度（蒸発温度）を引いた値です。線図では、①が飽和蒸気線からどれだけ右に出ているかにあたります。

過熱度が小さすぎると液が圧縮機へ戻るおそれがあり、大きすぎると蒸発器の出口側がガスだけで熱をあまり吸えていない状態です。適正な値は冷媒や機種、蒸発温度で変わるため、メーカーの資料にある設定値と比べて判断します。

過冷却度：凝縮器の出口を見る

過冷却度は、吐出圧力（凝縮圧力）に対応する飽和温度から、膨張弁手前の液温度を引いた値です。線図では③が飽和液線からどれだけ左に出ているかにあたり、過冷却があるほど④が左へ寄って冷凍効果が増えます。

過冷却がほとんどないと、膨張弁に届く前に配管の中で一部が気化しやすくなります。液にガスが混ざると弁を通れる冷媒の量が減り、冷えが悪くなる原因の一つになります。

図5：測った値の変化と確認したい候補

1つの値だけで原因は決まりません。線図上の動きから候補を挙げ、追加で測って絞ります。

過熱度が大きい①が右へ。冷媒不足、膨張弁の開き不足、フィルタ詰まりなどを確認

過熱度が小さい①がドームの中へ。弁の開きすぎ、蒸発器の風量・水量不足、着霜などを確認

凝縮圧力が高い②③の線が上へ。冷却水温度・外気温、凝縮器の汚れ、冷媒の入れすぎなどを確認

過冷却度が小さい③がドームの線上や中へ。冷媒不足、凝縮器の能力不足などを確認

※挙げたのは確認の候補で、原因を決めるものではありません。負荷の大きさや外気温、運転開始直後かどうかでも値は動くため、安定した運転状態で複数の値を見比べます。

運転温度とCOPの関係

凝縮温度が上がると線図の②③の水平線が上がり、圧縮仕事が増えて冷凍効果は減ります。冷却水の温度が高い、凝縮器のフィンや管が汚れている、といった状態は、同じ冷却量に対して圧縮機の電力を増やす方向に働きます。

環境省の省エネ対策資料には、冷房能力300kWのターボ冷凍機で冷却水温度を32℃から29℃に下げ、COPを6から7に改善した試算があります。年間4,000時間・平均負荷50%の条件で、電力量は年100千kWhから86千kWhへ、約14%減る計算です。

冷却水温度を下げるには冷却塔のファン動力が増えるうえ、冷凍機ごとに冷却水温度の下限があるため、実施前にメーカーの許容範囲を確かめます。

蒸発温度側では、設定温度をゆるめるほどCOPが上がります。中小企業基盤整備機構のJ-net21では、冷凍冷蔵倉庫の庫内温度を1℃緩和すると4%程度の省エネが見込めるとし、−26℃から−25℃への緩和で約3.6%の試算を示しています。

図6：理想サイクルの計算と省エネ試算の前提の違い

どちらもCOPの数字ですが、前提がそろっていないので直接は比べられません。

線図の計算例（筑波大学）

冷却水温度の試算（環境省）

対象

HFC-134aの理想冷凍サイクル（冷媒1kgあたり）

冷房能力300kWのターボ冷凍機

温度条件

蒸発温度10℃・凝縮温度50℃

冷却水温度32℃→29℃

COP

5.50

6→7（機器の特性グラフから想定）

含むもの

圧縮機の損失・配管の圧力損失を含まない

機器としての性能。冷却塔ファンの増加は含まない

読み方

温度差とCOPの関係を理解する

運転条件を変えたときの電力量の目安

※実機のCOPは、圧縮機の効率、部分負荷、冷媒の種類、どこまでの電力を含めるかで変わります。比べるときは条件と範囲をそろえます。

冷水や冷却水の側から冷凍能力を確かめるときは、流量と出入口の温度差から熱量を出します。測り方の仕組みは、積算熱量計とはで計算例とあわせて解説しています。

冷凍設備の保安を担当する方で、第三種冷凍機械責任者の取得を考えている場合は、資格ごとの講座と受講料の一覧で第三種冷凍機械責任者の講座を比べられます。

冷媒と圧縮機が変わっても同じサイクル

家庭用エアコンから工場の大型冷凍機まで、冷媒や圧縮機の形式は違っても、4工程と線図の読み方は変わりません。違いが出るのは、線図のドームの形（冷媒の物性）と、圧縮機の効率や得意な容量です。

ダイキンによると、家庭用エアコンで広く使われてきたR410Aの地球温暖化係数（GWP）は2,090で、R32は675とR410Aの約3分の1です（IPCC第4次評価報告書の値）。冷媒ごとの特徴は、前述のヒートポンプの記事で比べています。

図7：冷やす仕組みの分かれ方

ガスを持ち上げる方法の違いで、圧縮機の形式と吸収式に分かれます。

容積式レシプロ・ロータリー・スクロール・スクリュー閉じ込めたガスの体積を小さくして圧力を上げる。家庭用から中容量の産業用まで

ターボ式ターボ（遠心）冷凍機羽根車の回転でガスに速度を与えて圧力に変える。大型ビルや工場の熱源機

圧縮機なし吸収式冷凍機水を冷媒、臭化リチウム水溶液を吸収液にし、蒸気やガスの熱で冷媒を取り出す

※容積式とターボ式は、この記事の蒸気圧縮式冷凍サイクルです。吸収式は圧縮機の代わりに吸収器と再生器を使います。

工場に蒸気や廃熱がある場合は、電気の代わりに熱で動く吸収式が選ばれることもあります。吸収式冷凍機で蒸気を使う理由を読むと、圧縮機の仕事を熱で置き換える仕組みが分かります。

冷凍サイクルのよくある質問

冷凍サイクルとヒートポンプは何が違いますか？

機器の並びと冷媒の流れは同じです。低温側で熱を吸い込む働きを使えば冷凍機や冷房、高温側で熱を吐き出す働きを使えばヒートポンプ（暖房・給湯）と呼び分けます。

冷凍トンとkWはどう換算しますか？

日本冷凍トン（JRT）は0℃の水1トンを24時間で0℃の氷にする熱量で、1JRT＝13,900kJ/h、kWに直すと約3.86kWです。高圧ガス保安法の許可や届出の判定には、これとは別に冷凍保安規則の計算による法定冷凍トンを使います。

P-h線図はどこで手に入りますか？

冷媒ごとに形が違うため、使っている冷媒の線図を冷媒メーカーや冷凍空調の学会・教科書の物性資料から入手します。数値で計算したいときは、線図を読むより冷媒の飽和表や物性計算ソフトの値を使うほうが誤差を抑えられます。

暖房のCOPが冷房のCOPより大きくなるのはなぜですか？

暖房で使う熱は「吸収した熱＋圧縮機の仕事」なので、同じサイクルなら暖房COPは冷房COPにちょうど1を足した値になります。圧縮機に入れた電気も最後は熱として使えるためです。

まとめ

冷凍サイクルは、空調・冷却設備を受け持つ設備保全や、工程の温度管理を設計する生産技術の仕事で毎日のように出てくる基礎です。省エネの観点では脱炭素・カーボンニュートラルのテーマともつながります。

出典

出典・参考資料（10件）を開く出典・参考資料を閉じる

• 冷凍サイクルと4機器の役割：SMC 温調機器 用語集「れ」、同「ほ」
• 冷凍サイクルの各過程と冷房・暖房COP：MONOist「エアコンのモデリング（その1）」
• P-h線図の軸と線：GUNT “Thermodynamics of refrigeration”、Keyter “Mollier Diagram”
• HFC-134aの計算例：筑波大学 エネルギー工学演習 問題6-1
• 逆カルノーサイクルのCOP：日本機械学会 機械工学事典「逆カルノーサイクル」
• 温度式膨張弁と過熱度：Copeland 温度式膨張弁
• 冷却水温度とCOPの試算：環境省「熱源設備における冷却水設定温度の適正化」
• 冷凍冷蔵倉庫の設定温度緩和：J-net21「冷凍庫と冷蔵（倉）庫の設定温度の緩和はどの程度有効？」
• 冷凍トンの定義：茨城県 冷凍高圧ガス関係の手引き 関連資料
• R32・R410AのGWP：ダイキン工業「新冷媒R32」