第1章 冷凍のしくみ
冷凍とは熱を低い温度の場所から高い温度の場所へ運ぶことで、冷媒の蒸発と凝縮をくり返す冷凍サイクルでそれを行う。
1. 冷凍とは「熱を運ぶ」こと
熱は、何もしなければ温度の高い物から低い物へ移ります。熱いお茶が自然に冷めるのはこのためです。
冷蔵庫の中を冷やすには、庫内（低い温度）の熱を、庫外（高い温度）へ運び出す必要があります。これは自然の流れと逆向きなので、外から動力（電動機の力など）を加えて熱を「くみ上げる」必要があります。水をポンプで低い所から高い所へくみ上げるのと同じイメージです。
つまり冷凍装置は「冷たさをつくって送り込む装置」ではなく、「熱を運び出す装置」です。この熱を運ぶ役目をする物質を冷媒（れいばい）といいます。
2. 蒸発で熱をうばい、凝縮で熱をすてる
冷媒が熱を運ぶしくみは、液体と気体の状態の変化（相変化）です。
・蒸発 … 液体が気体になるとき、まわりから熱（蒸発潜熱）をうばう。注射の前のアルコール綿がひんやりするのと同じです
・凝縮 … 気体が液体にもどるとき、まわりに熱を放出する
さらに、液体が蒸発・凝縮する温度は圧力で変わり、圧力が低いほど低い温度で蒸発し、圧力が高いほど高い温度で凝縮します。
そこで冷凍装置では、
・低い圧力にした冷媒を、冷やしたい場所（蒸発器）で蒸発させて熱をうばう
・その蒸気を圧縮して高い圧力にし、外気や冷却水（凝縮器）で冷やして凝縮させ、熱をすてる
ということをくり返します。冷媒が運ぶ熱の多くは、温度変化による熱（顕熱）ではなく、この潜熱です。
3. 冷凍サイクルの4つの機器
いちばん基本の冷凍装置（蒸気圧縮冷凍装置）は、次の4つの機器を配管でつないだものです。冷媒は圧縮機 → 凝縮器 → 膨張弁 → 蒸発器 → 圧縮機の順にぐるぐる回ります。これを冷凍サイクルといいます。
・圧縮機 … 蒸発器から出た低圧の冷媒蒸気を吸い込み、圧縮して高圧・高温の蒸気にする
・凝縮器 … 高圧・高温の蒸気を外気や冷却水で冷やし、熱を放出させて液にする。そのため、凝縮温度は外気や冷却水の温度より高くなければならない
・膨張弁 … 高圧の液を細いすき間で絞り、圧力と温度を下げる。同時に、蒸発器へ送る冷媒の量を調節する
・蒸発器 … 膨張弁を出た低圧・低温の冷媒（液と蒸気がまじった湿り蒸気）が、まわりから熱をうばって蒸発する。ここで物や空気が冷える
圧縮機が吸い込むのは蒸気、膨張弁に入るのは液、という点も押さえておきます。
4. 高圧側と低圧側、冷凍能力の単位
冷凍サイクルは、圧力で2つに分けて考えます。
・高圧側 … 圧縮機の吐出し口 → 凝縮器 → 膨張弁の入口まで
・低圧側 … 膨張弁の出口 → 蒸発器 → 圧縮機の吸込み口まで
蒸発器の中の圧力（蒸発圧力）は、凝縮器の中の圧力（凝縮圧力）より低くなっています。
蒸発器で冷媒が1秒間にうばう熱量を冷凍能力といい、単位はkW（キロワット）です。1kW＝1kJ/s（1秒間に1kJ）で、kWは電力だけでなく「熱が流れる速さ」を表す単位としても使います。
また、凝縮器では、蒸発器でうばった熱に、圧縮機が冷媒に加えた仕事の分が上乗せされて放出されます。そのため凝縮器で放出する熱量は、蒸発器でうばった熱量より大きくなります（第4章でくわしく計算します）。
なお、圧縮機を使わずに、熱（燃料やお湯・蒸気）で冷媒を循環させる吸収冷凍機もあります。吸収冷凍機は、圧縮機の代わりに吸収器と発生器（再生器）を使い、蒸発器で冷媒を蒸発させて冷やす点は同じです。水を冷媒、臭化リチウム水溶液を吸収剤とするものが代表的です。冷凍則でも、吸収式冷凍設備は「発生器を加熱する1時間の入熱量」で冷凍能力を決めています（冷凍則 第5条第2号）。
5. 冷凍と高圧ガス保安法のつながり
冷凍装置の冷媒は、運転中に高い圧力の液や蒸気になります。そのため、冷凍装置は高圧ガス保安法（以下「法」）の規制を受けることがあります。この章では法令の正式名称として、高圧ガス保安法施行令を「令」、冷凍保安規則を「冷凍則」と略します。
法 第2条では、たとえば次のものを「高圧ガス」としています。
・常用の温度において圧力が1MPa以上となる圧縮ガスであって現にその圧力が1MPa以上であるもの、または温度35度において圧力が1MPa以上となる圧縮ガス（圧縮アセチレンガスを除く）（法 第2条第1号）
・常用の温度において圧力が0.2MPa以上となる液化ガスであって現にその圧力が0.2MPa以上であるもの、または圧力が0.2MPaとなる場合の温度が35度以下である液化ガス（法 第2条第3号）
ここでいう圧力はゲージ圧力です（法 第2条第1号「圧力（ゲージ圧力をいう。以下同じ。）」）。
また、法令では冷凍設備の大きさを「1日の冷凍能力（トン）」で表し、その計算のしかた（算定基準）は冷凍則 第5条で決まっています。たとえば遠心式圧縮機を使う設備は「原動機の定格出力1.2キロワットをもって1日の冷凍能力1トン」、吸収式冷凍設備は「発生器を加熱する1時間の入熱量27,800キロジュールをもって1日の冷凍能力1トン」とします（冷凍則 第5条第1号・第2号）。実際に1日運転して測るものではありません。くわしくは第2部（法令）で学びます。
写真：Endora6398 ／ CC BY-SA 4.0 ／ ウィキメディア・コモンズ（縮小して掲載）
POINT
6. ここだけは覚える
・冷凍＝熱を低温側から高温側へ運ぶこと。外から動力が必要
・蒸発で熱をうばい（蒸発器）、凝縮で熱をすてる（凝縮器）
・冷媒の流れ：圧縮機 → 凝縮器 → 膨張弁 → 蒸発器 → 圧縮機
・圧縮機は蒸気を吸い込む、膨張弁には液が入る、膨張弁を出ると湿り蒸気
・高圧側＝圧縮機の吐出し〜膨張弁の入口、低圧側＝膨張弁の出口〜圧縮機の吸込み
・冷凍能力の単位はkW（1kW＝1kJ/s）。凝縮器の放熱量＞蒸発器でうばう熱量
・法でいう圧力はゲージ圧力。液化ガスは0.2MPa、圧縮ガスは1MPaが目安（法 第2条）