エアコンに使われるキャピラリー管は、HVACシステムの重要な部品であり、凝縮器と蒸発器ユニットの間に位置しています。この部品の役割は、圧力降下効果を引き起こすことによって、流れる冷媒の量を調整することです。このプロセスにより、高圧の液状冷媒が蒸発器部に入る前に低圧の状態へと変化します。可動部分が存在しないため、これらの管の固定された形状は、膨張弁などの他の選択肢と比較して非常に信頼性が高く、さらにコストも安価である傾向があります。例えば、一般的なキャピラリー管の直径は約0.031インチです。このようなサイズは、通常の作動条件下で圧力を約半分にまで低下させる傾向があり、システム全体にわたって安定した冷媒の流れを維持するのに役立ちます。
冷媒がこれらの微細な毛細管を通って移動する方法は、私たちが学校で学んだ基本的な熱力学の原理に従っています。凝縮器側から蒸発器側にかけて圧力が下がると、冷媒は状態を変えながら面白い現象を示します。液体の冷媒は実際には膨張する際に隠熱を吸収します。これは考えてみればかなり興味深い現象です。冷媒がこのような狭い通路を通って移動する際、摩擦によって熱が発生します。これにより、ほとんどの標準的なシステムではエンタルピーが約120kJ/kgから最大で150kJ/kg程度まで低下します。これらの要因がすべて協働することで、システム内に効率的な熱移動を維持し、1日の需要が変動しても安定した運転を保つことが可能になります。
| チューブの長さ | 内径 | 圧力が下がる | 質量流量 |
|---|---|---|---|
| 1.5m | 0.8 mm | 高い | 低 |
| 2.2m | 厚さ: | 適度 | 中 |
| 3.0 m | 1.2 mm | 低 | 高い |
毛細管の形状やサイズは、システムの性能に大きく影響します。長さが長い管ほど流体の流れに抵抗が大きくなり、一方で太い管径のものはより多くの物質を通すことができます。0.5mmと1.5mmの管での実験では、太い方の管は他の条件が同じ場合に約63%高い流動能力を示しました。適切なサイズを選ぶことは、小さすぎず大きすぎない絶妙なバランスを見つけることにほかなりません。小さすぎると蒸発器に冷媒が十分に行き渡らず、大きすぎると圧縮機に冷媒が過剰に流れ込むことになり、どちらも好ましくありません。技術者はこのような計算に何時間も費やします。というのも、適正な設計がなされているかどうかが、省エネで効率的な空調システムと、エネルギーを浪費し故障しやすいシステムの違いになるからです。
システムに入る冷媒の温度は、毛細管の性能に大きく影響します。これは、冷媒の粘度や状態変化に影響を与えるためです。入口温度が約12摂氏度上昇すると、R410Aの粘度は約18％低下します。これにより冷媒はチューブ内をより速く流れるようになりますが、実際には適切な熱伝達に必要な圧力差が弱まってしまいます。商業用HVAC機器の実際のデータを調べてみると、2023年にASHRAEによって発表された最近の研究で明らかになった非常に重要な点があります。入口温度が設計値と一致しないシステムでは、冷却能力が最大23％も損失されることがあります。このような能力の損失は、快適な室内環境を維持しようとする建物運用者にとって、長期的に見ると大きな影響を及ぼします。
銅製毛細管が加熱されると、実際には温度が10度上昇するごとに約0.017％膨張します。この膨張により内径が約0.008ミリメートル縮むため、流体の流れに問題が生じます。周囲の温度が45度を超えると、この問題が特に目立つようになります。昨年発表された冷媒流に関する研究によると、コイル状の管配置は直線状のものよりも温度変化による問題にずっと効果的に対応できます。試験では、コイル管は温度変化による流量の変動を、通常の直管と比較して約3分の2も低減することが示されており、温度変化が大きいシステムには賢い選択肢といえます。
R407Cは、周囲温度が20°Cから40°Cの間で変動する際に、R410Aよりも体積流量変動が31％大きいです。部分負荷運転ではこの効果がさらに強まり、可変速度圧縮機のキャピラリーチューブは固定速度システムのそれと比較して2.7倍の質量流量変動を経験します。
気温が35度を超えて上昇すると、流れの抵抗は単に増加するだけでなく、加速的に増加し、さらに1度上昇するごとに約42%速く増加します。なぜこのような現象が起こるのでしょうか？ 高温になると、いくつかの要因が関係してきます。まず、レイノルズ数が約2,300を超えると乱流が始まります。また、チューブの中間部分に閃蒸ガスが発生する現象もあります。そして、時間とともに表面粗さが増してくることも忘れてはなりません。実験室での実験でも一貫して興味深い結果が示されています。温度が10度変動すると、圧力変動のみの場合と比較して、システムの性能がほぼ19%多く変化することが分かりました。これは、こうした微細な毛細管チューブが運転中のわずかな温度変化にも非常に敏感であることを示しています。
R22、R407C、R410Aの性能は、粘度、密度、潜熱特性などの物性が異なるため、キャピラリ管システムでの動作に大きな差が生じます。2002年にキム氏らが行った45度前後の外気温での試験では、R22はR407Cと比較して同じ管内で12〜18％ほど多くの質量を輸送していることが確認されました。しかし、この話にはもう一つの側面があります。R410Aは体積流量がR22よりも8〜10％低下するにもかかわらず、熱伝達効率が15〜22％向上しているため、高圧運転が必要な点にもかかわらず、新しいシステムで広く採用されています。2022年に発表された最近の研究では、R407Cには別の問題も明らかにされました。固定オリフィスシステムにおいて、その温度グライドのために、単一成分冷媒と比較して4〜7％ほどのわずかな効率低下が生じるという点です。これはシステム設計や保守の際に技術者が考慮すべき重要な要素です。
異なる冷媒の性能は、温度が上下するとかなり変化します。例えば、凝縮温度が約30度 Celsius のときの状況を見てみましょう。R410A は流量の変動が ±3% 程度と比較的安定しています。しかし、R407C はそのゼオトロピック特性により、±9% 程度のより大きな変動を示します。周囲温度が15度 Celsius まで下がる低負荷条件では、R22 には問題が顕在化します。その臨界温度が低いため、予定より早くフラッシュガスが発生し、冷却能力が R410A と比較して14〜19%低下します。興味深いことに、2003年にチョイによって開発されたモデルは、こうした非線形の挙動をかなり正確に予測しています。このモデルによる予測値は、20〜55度 Celsius の運転範囲内で実測値と88〜92%の一致率を示しますが、すべての状況で完全であるとは誰も主張していません。
R22システムをR410Aで改造するには、40%高い運転圧力を accommodated するために毛細管のサイズ変更が必要である。85件の改造プロジェクトのデータから、サイズの小さい管では以下のような問題が発生することが分かっている。
ASHRAE 2023年の改造ガイドラインによると、熱力学的シミュレーションツールを使用して再調整することで、最適化されたケースではこれらの非効率を63%削減できた。
直管毛細管は、全長にわたって断面積が一定であるため、温度が上昇しても冷媒の流れをより安定して維持する傾向があります。テストによると、これらの直管設計は熱ストレス試験中にコイル状の代替設計と比較して約15％少ない圧力損失を示します。単純な直線経路により、周囲温度が華氏95度（約35℃）に達した時点でコイル管内で発生しやすい乱流の問題を軽減します。確かにコイル型のモデルは設置スペースが小さくて済みますが、曲がりくねった部分により流体が通過する際に余分な抵抗が生じます。この摩擦の増加により、これらの高温条件下で質量流量の安定性が8〜12％程度低下することが、ここ数年間に行われたHVACシステムのシミュレーションで確認されています。
毛細管の設計においては、直径と長さのバランスを適切に取ることが非常に重要です。特に、加熱時の材料の膨張を考慮すると、0.03〜0.05インチ程度の幅を持つ管が、長さとしては通常12フィートから20フィート程度までが非常に効果的であることが多くのエンジニアによって確認されています。これらの寸法は、約40華氏度の寒い冬の朝から115華氏度に達する夏の暑さまで、通常の運用で見られるほぼすべての気象条件下で十分に機能します。今日の設計者は、シミュレーションツールに人工知能を取り入れ始めています。これにより、温度変化による管の変形を予測することが可能となり、季節ごとの極端な温度変化の中でも流体の流量をほぼ±3パーセント以内で安定して維持できるように、肉厚の調整に関するより賢明な判断が可能となっています。
動的モデリングの利用により、周囲の温度変化に対するキャピラリ管の動作を予測することが可能になりました。昨年発表されたいくつかの研究によると、CFDと呼ばれるコンピュータシミュレーションは、冷媒の流れに関する問題をかなり正確に予測できることが示されています。その誤差は実際の試験結果との比較で通常5％以内に収まります。このようなモデルが高精度な理由は、冷媒が液体から気体へと状態変化する際の特性や、銅管が熱によって約0.02ミリメートル／摂氏度の割合で膨張する現象など、実用上重要な要素を考慮しているからです。このような詳細なアプローチにより、特に精度が最も重要となる複雑な応用分野において、エンジニアがより優れた設計を行うことが可能になっています。
機械学習は、数十年にわたる運用データを分析することによって、細管の最適化を変革しています。2024年の業界レポートによると、AIが生成した設計は、従来の方法と比較してエネルギー消費を12～18%削減できることがわかりました。ただし、極端な条件のように標準運用範囲外の状況においては、エンジニアがAIの出力を物理的な試験結果と照合する必要があります。
主要製造業者は以下のような温度応答型細管システムを採用しています。
このアダプティブ戦略により、周囲温度が最大25°C変化しても一貫した冷却性能を維持し、固定設計の細管と比較してASHRAEストレステストで19%高い性能を達成しています。
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