この記事で分かること
- 冷凍3種の保安管理技術で出る計算の全体像（冷凍能力・成績係数・圧縮機動力）
- p-h線図の4状態点（h1〜h4）の位置と各プロセスの変化方向
- 各計算式の「意味」から導く覚え方と、試験問題への当てはめ手順
- 計算問題でよくある間違いパターンと対処法
- ぴよパスの練習問題・模擬試験での演習ルート
冷凍3種で出る計算問題の全体像
第三種冷凍機械責任者の保安管理技術は15問・90分のマークシート試験だ。「計算問題がほぼない」と説明されることも多いが、正確には計算式を使った問題が1〜3問程度、p-h線図の読み取りを使った定性的な問題が3〜5問程度出題される。
| 問われる内容 | 問題数の目安 | 難易度 |
|---|---|---|
| p-h線図の読み方（領域・状態点の特定） | 2〜3問 | 中級 |
| 冷凍効果（冷凍能力）の計算 | 1〜2問 | 初級〜中級 |
| 成績係数（COP）の計算 | 1問 | 中級 |
| 圧縮機の理論動力計算 | 0〜1問 | 中級 |
「数値を計算する」問題よりも「p-h線図のどの部分がどの量を表すか」を判断する問題のほうが多い。つまり計算力よりも、4状態点とエンタルピー差の意味を正確に理解しているかどうかが問われているといえる。
p-h線図の読み方ガイド──4状態点を起点に理解する
p-h線図の2軸の意味
p-h線図（モリエル線図）は縦軸に絶対圧力P（MPa）、横軸に比エンタルピーh（kJ/kg）を取るグラフだ。冷凍サイクルの4つのプロセスがこの2次元平面上に図示され、各プロセスの終点が「状態点」として定義される。
- 縦軸（圧力P）が上がる：圧縮機が冷媒ガスを圧縮している（高圧側に移行）
- 縦軸（圧力P）が下がる：膨張弁で冷媒が膨張している（低圧側に移行）
- 横軸（比エンタルピーh）が右に増加：冷媒が熱を吸収している（蒸発器）
- 横軸（比エンタルピーh）が左に減少：冷媒が熱を放出している（凝縮器）
4つの状態点（h1〜h4）の位置
冷凍サイクルを構成する4台の機器（圧縮機・凝縮器・膨張弁・蒸発器）の出口を順番にh1→h2→h3→h4と定義する。
| 状態点 | 位置 | 冷媒の状態 | 圧力と温度 |
|---|---|---|---|
| h1（蒸発器出口＝圧縮機入口） | p-h線図の左寄り・低圧側 | 低圧の過熱蒸気 | 低圧・低温 |
| h2（圧縮機出口＝凝縮器入口） | p-h線図の右寄り・高圧側 | 高圧の過熱蒸気 | 高圧・高温 |
| h3（凝縮器出口＝膨張弁入口） | p-h線図の左寄り・高圧側 | 高圧の過冷却液 | 高圧・低温 |
| h4（膨張弁出口＝蒸発器入口） | p-h線図の左寄り・低圧側 | 低圧の湿り蒸気 | 低圧・低温 |
ポイントは「h3とh4は比エンタルピーが等しい」ことだ。膨張弁は断熱膨張（等エンタルピー変化）なので、p-h線図上では横軸が変わらずに縦軸（圧力）だけが下がる。したがってh3の真下にh4が位置する。
4プロセスのp-h線図上の変化方向
| プロセス | 機器 | 変化の種類 | p-h線図上の動き |
|---|---|---|---|
| 圧縮（h1→h2） | 圧縮機 | 断熱圧縮（等エントロピー変化） | 斜め右上へ移動 |
| 凝縮（h2→h3） | 凝縮器 | 等圧変化 | 左水平に移動（hが減少） |
| 膨張（h3→h4） | 膨張弁 | 等エンタルピー変化 | 垂直下へ移動（hは不変、Pが低下） |
| 蒸発（h4→h1） | 蒸発器 | 等圧変化 | 右水平に移動（hが増加） |
4プロセスのうち「圧縮だけが等エントロピー変化（斜め移動）」で、残り3つは等圧または等エンタルピー変化（水平・垂直移動）という非対称の構造を覚えるだけで、試験問題の大半に対応できる。
公式・計算手順
1. 冷凍効果（冷凍能力）
冷凍効果は「蒸発器が冷媒1kgあたり吸収する熱量」だ。
冷凍効果（kJ/kg） = h1 − h4蒸発器はh4（入口）→h1（出口）の向きに冷媒が流れ、等圧状態でhが増加する。h1とh4のエンタルピー差がそのまま「外部から奪う熱量」になる。これが冷凍の本体であり、「冷凍効果＝蒸発器のエンタルピー差」と一対一で対応している。
2. 凝縮熱量（放熱量）
凝縮器での放熱量を「凝縮熱量」という。
凝縮熱量（kJ/kg） = h2 − h3凝縮器はh2（入口）→h3（出口）の向きに流れ、等圧状態でhが減少する。h2とh3のエンタルピー差が外部（大気や冷却水）に捨てる熱量だ。
3. 理論断熱圧縮動力（圧縮仕事量）
圧縮機が冷媒1kgあたりに加えるエネルギーだ。
圧縮仕事量（kJ/kg） = h2 − h1圧縮機はh1（入口）→h2（出口）の向きに等エントロピー変化させる。p-h線図上では斜め右上への移動量がこの差に相当する。
装置全体の動力（kW）が必要な場合は、冷媒循環量（kg/s）を掛ける。
理論断熱圧縮動力（kW） = 冷媒循環量（kg/s） × （h2 − h1）4. 成績係数（COP：Coefficient of Performance）
COPは「投入した圧縮動力に対して得られる冷凍効果の割合」だ。
冷凍用COP = 冷凍効果 ÷ 圧縮仕事量 = （h1 − h4） ÷ （h2 − h1）式の意味を分解すると「分子が欲しいもの（冷凍効果）、分母が払うもの（圧縮に使うエネルギー）」という構造だ。COPが大きいほど省エネな冷凍機といえる。一般的なCOPは2〜5程度で、投入エネルギーの2〜5倍の冷凍効果が得られる。
ヒートポンプのCOP（参考）
ヒートポンプは凝縮器の熱を暖房に利用するため、分子が冷凍効果ではなく凝縮熱量になる。
ヒートポンプCOP = 凝縮熱量 ÷ 圧縮仕事量 = （h2 − h3） ÷ （h2 − h1）冷凍3種の試験では冷凍用COPが主に問われるが、ヒートポンプCOPの式との違いを問う問題も出ることがある。
計算問題の解き方手順（まとめ）
- 問題文から各状態点の比エンタルピー値（h1〜h4）を読み取る
- 求めたいものに対応する公式を選ぶ
- エンタルピー差を計算する（引き算のみ）
- 必要に応じて冷媒循環量を掛けて装置全体の値を求める
よくある間違い
間違い1：冷凍能力に「凝縮器のエンタルピー差」を使ってしまう
最も多い誤りだ。蒸発器のエンタルピー差（h1−h4）と凝縮器のエンタルピー差（h2−h3）を混同するパターンで、どちらもp-h線図上では「水平方向の変化」として見えるため混乱しやすい。
対処法：「冷凍＝蒸発器で冷やす」という定義に戻る。冷凍効果は蒸発器だけのエンタルピー差（h1−h4）だと定義から記憶する。
間違い2：COPの分子と分母を逆にしてしまう
「COPは冷凍効果÷圧縮動力なのか、圧縮動力÷冷凍効果なのか」が分からなくなるパターンだ。
対処法：COPは「効率の良さ」を示す値なので、「得るもの（冷凍効果）が分子、払うもの（圧縮動力）が分母」と覚える。COP＜1になる式は間違いのサインだ。
間違い3：h3とh4が異なるエンタルピー値だと思い込む
膨張弁では「等エンタルピー変化」が起きるため、h3とh4の比エンタルピー値は理論上同じだ。それにもかかわらず「h4は蒸発器入口だから別の値を使う」と思い込むパターンがある。
対処法：膨張弁のキーワードは「等エンタルピー変化」と「h3＝h4」をセットで記憶する。
間違い4：圧縮機の動力を「冷凍能力÷冷媒循環量」で求めようとする
圧縮機の動力は（h2−h1）×冷媒循環量で求める。冷凍能力（h1−h4）を冷媒循環量で割っても圧縮動力は出てこない。
対処法：各公式を機器ごとに整理したうえで、「圧縮機に関係するエンタルピー差はh2−h1」と機器名と公式を対応づけて覚える。
ぴよパスで演習する
保安管理技術の練習問題（80問）
保安管理技術の練習問題には、p-h線図の状態点・計算式・冷凍サイクルの各プロセスに関連する問題が多数収録されている。問題ごとに「なぜ正解か」「なぜ他の選択肢が誤りか」を解説しており、計算問題も手順を追って理解できる。
演習の進め方
ステップ1（初級）：p-h線図の領域と4状態点の位置を確認する問題から着手する。「h1は低圧側にある」「膨張弁は等エンタルピー変化」など定性的な理解を固める段階だ。
ステップ2（中級）：冷凍効果・COP・圧縮動力の計算式を使った問題に進む。数値が与えられた問題で公式を正しく当てはめる練習をする。
ステップ3（上級）：蒸発温度・凝縮温度の変化がCOPに与える影響など、複数の概念を組み合わせた問題で対応力を高める。
模擬試験で仕上げる
練習問題でp-h線図と計算式を習熟したら、実試験と同じ形式での通し練習が欠かせない。模擬試験では保安管理技術15問を90分の制限時間内で解く形式を体験できる。
時間内に計算問題を解ききるためには、「公式を思い出す時間」をゼロに近づける必要がある。模擬試験で計算問題が出た際に、h1〜h4の位置を瞬時に特定して式を当てはめる流れが自動化されれば、本番で時間不足に陥るリスクはほぼなくなる。
目標は保安管理技術を11問以上（75%程度）安定して取れる状態だ。合格ライン（9問）をギリギリ狙う戦略は、1〜2問の読み誤りで足切りに直結するリスクがある。余裕を持った目標設定で本番に臨んでほしい。