今回は平成23年度 機械科目 A問題12を解説します。エアコンの冷房時の冷媒サイクル（気化・液化・圧縮機・膨張弁）と、冷房・暖房それぞれのヒートポンプ成績係数（COP）に関する空所補充問題です。★電気加熱17（平成20年度A問題12）のヒートポンプ一般原理を、エアコンの具体的なサイクルに落とし込んだ応用版です。
冷房時は低温の冷媒が室内機で吸熱しながら気化し、圧縮機で高温に圧縮された後、室外機で放熱しながら液化します。冷房時のCOPはQ/W、暖房時は1+Q/Wで表され、これらの値は外気温度によって変化する点も押さえておきましょう。
平成23年度 機械科目 A問題12：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成23年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題12
電験3種 機械科目 【電気加熱】 平成23年度 A問題12
次の文章は，ヒートポンプに関する記述である．
ヒートポンプはエアコンや冷蔵庫，給湯器などに広く使われている．図はエアコン（冷房時）の動作概念図である．（ア）温の冷媒は圧縮機に吸引され，室内機にある熱交換器において，室内の熱を吸収しながら（イ）する．次に，冷媒は圧縮機で圧縮されて（ウ）温になり，室外機にある熱交換器において，外気へ熱を放出しながら（エ）する．その後，膨張弁を通って（ア）温となり，再び室内機に送られる．
暖房時には，室外機の四方弁が切り替わって，冷媒の流れる方向が逆になり，室外機で吸収された外気の熱が室内機から室内に放出される．ヒートポンプの効率（成績係数）は，熱交換器で吸収した熱量をQ〔J〕，ヒートポンプの消費電力量をW〔J〕とし，熱損失などを無視すると，冷房時はQ/W，暖房時は1+Q/Wで与えられる．これらの値は外気温度によって変化（オ）．
上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ．
（ア） （イ） （ウ） （エ） （オ） (1) 低 気化 高 液化 しない (2) 高 液化 低 気化 しない (3) 低 液化 高 気化 する (4) 高 気化 低 液化 する (5) 低 気化 高 液化 する
冷媒が一周する4つの行程
冷媒は液体と気体を行き来しながら、熱を運びます——4つの機器を順に通るだけです。
| 順 | 機器 | 冷媒の状態変化 | 熱の出入り |
| ① | 室内機（蒸発器） | ★低温の液→気（気化） | ★室内から吸熱 |
| ② | 圧縮機 | ★気体を圧縮→高温高圧 | 仕事W を加える |
| ③ | 室外機（凝縮器） | ★高温の気→液（液化） | ★外気へ放熱 |
| ④ | 膨張弁 | 圧力を下げて低温に | — |
(ア)低温→(イ)気化→(ウ)高温→(エ)液化——問題文の順に読めば、そのまま当てはまります。
なぜ気化と液化を使うのか
物質が気化するとき、周囲から大量の熱を奪います——これが潜熱です。温度は変わらないのに、熱だけが移動するのが特徴になります。
| 熱の種類 | 温度変化 | 熱量の大きさ |
| 顕熱 | あり | 比熱×温度差（小さい） |
| ★潜熱 | ★なし | ★非常に大きい |
水なら、1 K 上げるのに4.19 kJ/kg——ところが蒸発には2,257 kJ/kg も必要です。500倍以上——だから相変化を使うと、少ない冷媒で大量の熱が運べるのです。
汗が蒸発すると涼しいのも同じ原理——気化熱が体から奪われるからです。エアコンは、それを装置の中で人工的に繰り返していることになります。
(オ) COP は外気温度で変わる
「変化しない」とする選択肢もありますが、実際は大きく変わります——温度差が効くからです。
| 季節・条件 | 温度差 | 暖房COP の傾向 |
| 秋（外気15 ℃） | 小さい | ★高い（6前後） |
| 冬（外気5 ℃） | 中 | 4前後 |
| 厳冬（外気−5 ℃） | ★大きい | ★低い（2〜3） |
寒い日ほど暖房が欲しいのに、そのときCOP は下がる——ヒートポンプの弱点です。
さらに外気温が低いと、室外機に霜が付きます——霜取り運転（デフロスト）の間は暖房が止まるので、実質的な効率はさらに落ちることになります。
⚠️ よくある間違い
気化と液化の場所を逆にする——選択肢(2)(3)がそれです。
冷房では室内を冷やしたい——つまり室内から熱を奪うのですから、室内機で吸熱＝気化です。
「気化するときに熱を奪う」——この1点さえ押さえれば、場所は自動的に決まります。室内で気化、室外で液化——暖房時は四方弁で逆になるだけです。
(オ)を「しない」とする選択肢(1)(2)——カタログに「外気温別のCOP」が載っていることからも、変化するのは明らかでしょう。
⏱️ 本番での進め方
①冷房は室内機で気化（吸熱）、室外機で液化（放熱）。
②「気化＝吸熱」の1点から場所が決まる。
③圧縮機の前が低温、後が高温。
④★COP は外気温度で変化する。温度差が大きいほど低下。
💡 覚え方
「気化するとき熱を奪う」——汗が蒸発すると涼しいのと同じ。だから冷やしたい室内側で気化させるのです。暖房時は四方弁で流れを逆転させます。
ヒートポンプの一般原理は平成20年度 A問題12にあります（電気加熱：ヒートポンプの原理と成績係数）。
四方弁で冷暖房を切り替える
問題文の「四方弁が切り替わって」——1台で冷房と暖房の両方ができる仕組みです。
| 冷房 | 暖房 | |
| 室内機の役割 | ★蒸発器（吸熱） | ★凝縮器（放熱） |
| 室外機の役割 | 凝縮器（放熱） | 蒸発器（吸熱） |
| 冷媒の流れ | 正 | ★逆 |
機器そのものは同じ——冷媒の流れる向きを変えるだけで役割が入れ替わります。これが四方弁の働きです。
暖房時は、寒い屋外から熱を汲み上げています——「外が寒いのに熱が取れるのか」と思うかもしれませんが、絶対零度でない限り熱はあります。冷媒をそれより低い温度にすれば、熱は冷媒へ流れ込むのです。
冷媒に求められる性質
常温付近で気化・液化しやすいこと——これが冷媒の条件です。
| 性質 | 理由 |
| ★適度な沸点 | 常温付近で相変化が起きる |
| 大きな蒸発潜熱 | ★少ない量で多くの熱を運べる |
| 不燃・無毒 | 安全性 |
| オゾン層を壊さない | フロン規制への対応 |
かつてのフロンからHFC、さらにCO2 や自然冷媒へ——環境規制に応じて冷媒は変わってきました。エコキュートの「キュート」はCO2 冷媒を指しています。
圧縮機が仕事をする意味
4つの機器のうち、電力を消費するのは圧縮機だけです——ここがヒートポンプの心臓部になります。
| 機器 | 電力消費 | 役割 |
| ★圧縮機 | ★あり（W） | 冷媒を高温高圧にする |
| 凝縮器・蒸発器 | なし | 熱交換するだけ |
| 膨張弁 | なし | 圧力を下げる |
気体を圧縮すると温度が上がります——自転車の空気入れが熱くなるのと同じ現象です。そのおかげで、外気より高い温度になり、熱を捨てられるのです。
逆に膨張弁で圧力を下げると温度が下がります——スプレー缶が冷たくなるのと同じ。これで室内より低い温度になり、熱を吸収できるようになります。
「圧力を変えると温度が変わる」——この性質を利用して、熱を低いほうから高いほうへ運んでいるのがヒートポンプです。圧縮機に与えた仕事W が、その代償になります。
空欄の絞り込み手順
5つの空欄がありますが、2つ決まれば十分です。
| 確定させる欄 | 正しい値 | 残る選択肢 |
| (イ) | 気化 | ★(1)(4)(5) |
| (ア) | 低 | ★(1)(5) |
| (オ) | する | ★(5)に確定 |
(イ)は「室内の熱を吸収しながら」という記述が決め手——吸熱するのは気化です。ここで2つ落とせます。
(ア)は圧縮機に入る前なので低温——圧縮すれば温度が上がるのですから、その前は低いはずです。
最後の(オ)は常識で判断できます——エアコンの効率が外気温で変わらないなら、カタログに条件が書かれるはずがありません。3手で確定します。
まとめ
| （ア） | 低 |
| （イ） | 気化 |
| （ウ） | 高 |
| （エ） | 液化 |
| （オ） | する |
| 答え | (5) |
▼あわせて解きたい関連問題
・ヒートポンプの原理と成績係数COPの穴埋め問題：【機械】平成20年度A問題12
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