令和５年度 高圧ガス製造保安責任者試験（記述式）の解答例（第一種冷凍機械・学識）【問１の解答例】(1) 実際の低段圧縮機の吐出しガスの比エンタルピーを ℎ2′ （ kJ/kg）とすると、ℎ −ℎ1600−1490ℎ2′ = ℎ1 + 𝜂2 𝜂 1 = 1490 + 0.85×0.70 = 1674.87 ≒ 1675 kJ/kg
𝑐 𝑚

中間冷却器の必要冷却能力 Φ m （kW）は、以下の式で求められる。

Φ m = qmro {(ℎ5 – ℎ7 ) + (ℎ2′ – ℎ3 )}= 0. 125×{(400－280)＋(1675－1560)}＝29.38≒29.4 kW (小数点以下第 1 位まで)
(2) 中間冷却器用膨張弁直後の比エンタルピーを h 6 とすると、 h 6= h 5 より、中間冷却器へのバイパス冷媒循環量 q’ mro （kg/s）は、以下の式で求められる。

′𝑞𝑚𝑟𝑜
=

𝑞𝑚𝑟𝑜 [(ℎ5 − ℎ7 ) + {ℎ1 +(ℎ2 − ℎ1 )𝜂𝑐 𝜂𝑚 − ℎ3 }]ℎ3 − ℎ6=𝑞𝑚𝑟𝑜 {(ℎ5 − ℎ7 ) + (ℎ2′ − ℎ3 )}=ℎ3 − ℎ6

0.125{(400 − 280) + (1675 − 1560)}= 0.0253 ≒ 0.025 kg/s
1560 − 400

したがって、凝縮器の冷媒循環量 q mrk(kg/s)は、

qmrk = qmro + q’ mro = 0.125 + 0.025 = 0. 150 kg/s

(小数点以下第 3 位まで)

(3) 冷凍能力を Φ o （kW）、実際の圧縮機駆動の総軸動力を P (kW)とすると、実際の冷凍装置の成績係数（ COP )R は、以下の式で求められる。
（ COP ) R =𝛷0𝑃=𝛷0𝑃𝐿 +𝑃𝐻

ここで、P L（kW）、P H（kW）は、それぞれ低段圧縮機駆動の軸動力、高段圧縮機駆動の軸動力である。
P L （kW）は、次式より、

𝑃𝐿 =𝑞𝑚𝑟𝑜 (ℎ2 −ℎ1 )(1600−1490)= 0.1250.70×0.85= 23.1 kW𝜂𝑐 𝜂𝑚

P H（kW）は、次式より、

𝑃𝐻 =𝑞𝑚𝑟𝑘 (ℎ4 −ℎ3 )0.150(1720−1560)== 40.3 kW
𝜂𝑐𝜂𝑚0.70×0.85

冷凍能力 Φ o は，次式より，
𝛷0 = 𝑞𝑚𝑟𝑜 (ℎ1 − ℎ7 ) = 0.125 × (1490 − 280) = 151 kW
したがって、装置の成績係数（ COP ) R は、(𝐶𝑂𝑃)𝑅 =151= 2.38(23.1 + 40.3)
1

【問２の解答例】(1)(2) 油と冷媒を分離するための熱交換器まわりの熱収支から
𝑞′mr (ℎ12 − ℎ6 ) = 𝑞mr (ℎ3 − ℎ4 )より
𝑞1.0ℎ12 = 𝑞′mr (ℎ3 − ℎ4 ) + ℎ6 ＝ 0.1 (240 − 220) + 160 = 360 kJ/kg
mr

h 1 は、低圧受液器からの飽和蒸気の戻りと、低圧受液器の油の多い冷媒液が熱交換器を通過した後の冷媒蒸気のエンタルピーの合計ゆえに、

qmr × h1 = ( qmr － q' mr ) h11＋ q' mr× h12よりℎ1 =(𝑞mr－𝑞′mr)ℎ11 ＋𝑞′mr×ℎ12
𝑞𝑚𝑟=(1.0－0.1)350＋0.1×360
1.0= 351 kJ/kg

冷凍能力 Φ 0 は、受液器を出た冷媒液が、蒸発器を経て吸込み蒸気となるまでのエンタルピー増加分となるので、

Φ0 ＝ qmr （ h1－ h3 ）＝1.0×(351－240) = 111 kJ/s = 111 kW
圧縮機の断熱圧縮仕事は、 P ＝ q mr ( h 2－ h 1)ゆえP = 1.0×(420－351) ＝ 69 kW(𝐶𝑂𝑃)th.R =𝛷0𝑃=（ ℎ1 −ℎ3 ）（ ℎ2 −ℎ1 ）111= 69 = 1.608 ≒ 1.6（ Φ 0の別解）
低圧受液器の熱収支から′ )′ )𝑞𝑚𝑟 × ℎ5 + (𝑞𝑚𝑟 − 𝑞𝑚𝑟× ℎ10 = 𝑞𝑚𝑟 × ℎ6 + (𝑞𝑚𝑟 − 𝑞𝑚𝑟× ℎ11より𝑞ℎ10= 𝑚𝑟′ )×ℎ −𝑞×ℎ6 +(𝑞𝑚𝑟 −𝑞𝑚𝑟11𝑚𝑟 ×ℎ5′ )(𝑞𝑚𝑟 −𝑞𝑚𝑟=160+0.9×350−220= 283kJ/kg
0.9′ )
𝛷0 = (𝑞𝑚𝑟 − 𝑞𝑚𝑟× (ℎ10 − ℎ9 ) = 0.9 × (283 − 160) = 111kW
2(3)・ 低圧受液器から冷凍機油を分離する。
・ 膨張弁入口の高圧冷媒液の過冷却度を大きくする。

3

【問３の解答例】(1) 凝縮負荷𝛷𝑘 （kW）は、次式により求められる。

𝛷𝑘 = 𝑐𝑤 𝑞𝑚𝑤 (𝑡𝑤2 − 𝑡𝑤1 )𝑞𝑚𝑤 は1 kg⁄sなので、
𝛷𝑘 = 4.0 × 1 × (35 − 30)= 20.0 kW(2) 冷却管の外表面積基準熱通過率𝐾[kW⁄(m2 ⋅ K)]の値は、冷却水側伝熱面の汚れを考慮して、冷却管材の熱伝導抵抗は無視できるものとすると、次式により計算される。

1𝐾= 11𝛼𝑟+𝑚(𝛼𝑤+𝑓)=11
1+ 4.0 (10.0 + 0.1)
2.50=

10.4 + 4.0 × (0.1 + 0.1)= 1⁄1.2 = 5⁄6 ≒ 0.83 kW⁄(m2 ⋅ K)
(3) 凝縮温度と冷却水との間の算術平均温度差を用いた凝縮熱量の計算式を整理して 、以下の式より伝熱面積 A(m 2)が求められる。

𝐴==𝛷𝑘𝐾Δ𝑡𝑚

20.0= 4.0m2
5⁄6 × 64

【問４の解答例】(1)
解答例１

解答例２・R 32: CH 2F2・R 32: CH 2F2・R 123: CHCl 2CF3・R 123: C2HCl 2F 3・R 134a

: CH 2FCF3・R 134a: C2H2F４・R 1234yf: CF3CF=CH 2・R 1234yf: C3H2F４(2)
項目

冷媒の種類

冷媒の特性値の大，中 ，小または高，中，低の傾向

R 22, R 507A, R 729

R 22 > R 507A > R 729

R 134a, R 290, R 410A

R 134a > R 410A > R 290

地球温暖化係数（GWP） R 32, R 404A, R 407C

R 404A > R 407C > R 32

（例） 標準沸点
分子量（モル質量）R 1234yf, R 410A, R 718

臨界温度

R 718 > R1234yf > R 410A

(3)
冷媒記号

R 290

R 717

R 718

R 744

物質名

プロパン

アンモニア

水

二酸化炭素

・標準沸点が最も高いもの

：

R 718

・臨界温度が最も低いもの

：

R 744

・分子量が最も小さいもの：R 717(4)PAG 油 ： ポリアルキレングリコール油
POE 油 ： ポリオールエステル油
PVE 油 ： ポリビニルエーテル油5

【問５の解答例】(1) 限界圧力を𝑃𝑎 、円筒胴の内径を𝐷𝑖 、鋼板の許容引張応力𝜎𝑎 とすると、𝑃𝑎 は次式から求められる。

2𝜎𝑎 𝜂(𝑡𝑎 − 𝛼)
𝐷𝑖 + 1.2(𝑡𝑎 − 𝛼)𝑃𝑎 =ここで、使用鋼板はSM400Bなので、 𝜎𝑎 = 100 N/mm 2であり、𝐷𝑖 = 𝐷𝑜 − 2𝑡𝑎 = 620 − 2 × 14 = 592 mmであるから、それぞれの数値を代入すると、

𝑃𝑎 =2×100×0.7×(14−1)
592+1.2×(14−1)= 2.995 = 2.99 MPa（小数点以下3桁以降を切り下げ）

設計圧力は限界圧力を超えてはならない。限界圧力 𝑃𝑎 が2.99 MPaであるので、表より設計圧力2.96 MPaまで使用可能である。このときの凝縮温度は50℃である。

(2) 基準凝縮温度50℃の設計圧力は2.96 MPaであるので、半球型鏡板の必要厚さ 𝑡𝑎 は以下となる。

𝑡𝑎 =

𝑃𝑅𝑊+𝛼
2𝜎𝑎 𝜂 − 0.2𝑃

半球型鏡板に関する形態係数 W は1であり、鏡板に溶接継手がないから溶接継手の効率 𝜂は1である。鏡板の内面の半径 R は、

𝑅=𝐷𝑜 −2𝑡𝑎22=620−2×82= 302 mmであるから、それぞれの数値を代入すると、 𝑡𝑎 は以下となる。
2.96×302×1𝑡𝑎 = 2×100×1−0.2×2.96 + 1 = 5.48 = 5.5 mm（小数点以下2桁以降を切り上げ）
以上のことから、鏡板に使用する鋼板の厚さが 8mmであれば、必要厚さ 5.5 mmよりも厚いので、これを用いることができる。

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