毛細管はHVACシステム内で固定オリフィス式の膨張装置として機能し、液体制冷剤の受動的な圧力低下を可能にします。高圧の冷媒がこれらの細い管（通常は約0.5〜2mmの太さ）に流入すると、管壁面に対して生じる抵抗により徐々に圧力が低下します。次に起こる現象は非常に興味深いものです。過冷却状態の液体は、低圧・低温の蒸気と液体の混合状態に変わり、システム内の蒸発器部分で効率的に熱を吸収できる状態になります。この方式の大きな利点は、可動部分がまったく存在しないことです。このような機械的なシンプルさは、多くの技術者がさまざまなHVAC設置現場での経験を通じて実証済みであり、長年にわたって十分な信頼性を示してきました。
小型のエアコン装置は、冷媒流量の制御に関して完全に毛細管の物理的な形状に依存しています。管を通って流れる冷媒の量は、その管の長さと太さによって決まります。誰かが管を20%長くした場合、内部での摩擦抵抗が増すため、通常は冷媒の流量が約3分の1ほど減少します。管が非常に細くなると、高機能な機械式膨張弁と同様の抵抗問題が発生します。このシンプルな設計の興味深い点は、システム内部の圧力変化に応じて自動的に調整が効くということです。たとえば外気温が高くなると、凝縮器内の圧力が上昇し、それによって毛細管を通る冷媒の流量が自然と増えるのです。このプロセスには、複雑な電子制御やセンサーによる管理は必要ありません。
冷媒が毛細管内を流れる際、液体状態から液体と蒸気の混合状態である二相混合状態への移行中に、100 psiを超える大きな圧力降下を受けることがあります。この圧力損失の大部分（約90%）は、実際には管の全長の最初の3分の1ほどの区間で発生します。蒸発器入口に到達する頃には、R-410Aなどの一般的な冷媒の場合、通常60〜80 psiの圧力に落ち着きます。流体の流れ方は基本的に次の式に従います。QはΔPに比例し、Dの4乗に比例し、Lで除算されます。ここでDは管の内径を、Lは管全体の長さを表します。
細管の性能はその幾何学的構造が正確であるかどうかに大きく依存します。細管が長くなると、それだけ抵抗が増加し、流れる冷媒の量が減少します。一方で、直径が大きい細管はより多くの物質を通すことができます。これらの寸法を正確に測らなければ、圧力降下が少なすぎたり、エネルギーを過剰に消費したりといった問題が発生します。このような問題は、特に細管を使用した小型の空調システムにおいて非常に重要です。なぜなら、作業スペースが非常に限られているからです。スペースが狭い場合、寸法のわずかな変化が大きな影響を及ぼします。システムが容量と効率の要件を満たすように正常に動作させるためには、技術者がミリメートル単位で正確に測定する必要があります。
内径と管の長さは、凝縮器と蒸発器の間でどの程度の圧力損失が発生するかを決定する上で重要な役割を果たします。ASHRAEが2022年に発表した基礎報告書の実際の数値を確認すると、直径をわずか0.5mm大きくするだけで流量容量が約40%向上することがわかります。一方で、管の長さを1メートル追加すると、圧力損失が15〜22%増加する傾向があります。これらのシステムに取り組むエンジニアの多くは、大幅な流量変更を行う際にはまず直径を調整し、その後、長さを微調整して詳細な調整を行います。この方法により、予期しない変動を引き起こすことなく、より良い過冷却効果を得ながらシステム全体をスムーズに運転することが可能になります。
長すぎるチューブは蒸発圧力を低下させ、圧縮機作動量を増加させる一方、直径が大きすぎると液体の水撃現象によりフロッドラックのリスクが高まります。システムの最大COP（成績係数）は、圧力降下を1.8～2.5MPaの範囲に維持し、それに応じた飽和温度差と一致させたときに得られます。
エンジニアは主に2つの方法を使用します。冷媒流量と圧力差を関連付ける経験的チャート、およびレイノルズ数やマッハ数などの無次元数を含む解析モデルです。現代の設計では、計算流体力学（CFD）に依存する傾向が強くなっており、これは質量流量の予測において伝統的なサイズ選定方法と比較して最大97%の精度を達成します。
それらの小型空調装置における質量流量は、チューブの形状やサイズ、使用される冷媒の種類、およびシステム内の圧力差など、いくつかの要因に依存しています。R134aシステムに着目すると、入口圧力が僅かに1バー上昇するだけで、ASHRAEハンドブック（2006年）によると、全体の流量が約18〜22％増加する傾向があります。サージングフロー（閉塞流れ）条件について話すとき、これは出口圧力が入口圧力の約35〜40％まで低下したときに発生し、流量のさらなる増加を妨げます。具体的な数値を示すために、直径1.0mm、長さ約3.3メートルのチューブを設置する一般的な構成を考えてみましょう。15バーの圧力が印加された通常の運転条件下では、このような構成により、システム内に約毎時16kgの冷媒が流れるものと考えられます。これらのシステムに作業する技術者は、設置および保守作業中にこれらのすべての関係性を念頭に置く必要があります。
入口の状態は性能に大きく影響します。入口が過冷却液体の場合、蒸気発生とそれに伴う損失が抑えられることから、二相混合よりも35%高い流量が得られます。例：
チューブ内の早期蒸発により圧力変動（2～3バール）が生じ、安定性が低下します。流体制御の研究により、小型AC機器の89%において早期蒸発を防ぐためには少なくとも8Kの過冷却度を維持する必要があります。
初期の準安定な液体状態の後に、管の最終3分の1区間で急速な膨張が促進され、温度勾配が50°C/mを超える場合があります。これは、冷媒の適正な充填量とシステム設計の重要性を示しています。
キャピラリー管は、高圧側の凝縮器部と低圧側の蒸発器部とを接続する固定オリフィス式の膨張装置として作用することで、蒸気圧縮システムにおいて重要な役割を果たします。冷媒がこれらの細い管内に流れ込むと、急激な圧力低下により flashed 蒸発（閃蒸）が発生します。ここで起こる現象は非常に興味深いものです。高圧の過冷却液が冷却された飽和混合状態へと変化し、その後蒸発器内で効果的に熱を吸収することが可能になります。キャピラリー管とサーモスタティック膨張弁の大きな違いの一つは、これらの管ではセンサーや可動部品がまったく不要であるという点です。この特徴により、メンテナンスが最小限に抑えられ、外部からの干渉とは完全に遮断されたシステムに最適な選択肢となっています。
細管は、信頼性と簡易性に優れているため、コスト感度が高く負荷が固定された用途で広く使用されています。一般的なシステムには次のようなものがあります：
The 小型AC毛細管 設計は、スペースと信頼性が最も重要となるコンパクトな設置において特に効果的です。このようなシステムは通常5トン未満で動作し、安定した外気条件の下で最適な性能を発揮します。自己補償的な性質により、電子制御なしでも小さな負荷変動に適応でき、永久密封システムにおける耐久性を高めます。
小型のHVACシステムにおいては、キャピラリーチューブにはいくつかの実際的な利点があります。可動部分が全くないため、長期間にわたって機械的な摩耗が発生せず、メンテナンスの必要性や故障の頻度を低減できます。また、これらのチューブは非常にコンパクトなため、設置スペースが限られている場所にも容易に組み込むことができます。さらに、流体の流量をかなり正確に調整できるため、さまざまな条件下でも安定したシステム性能を維持するのに役立ちます。2024年に発表されたHVAC信頼性に関する最近の調査によると、興味深い結果が示されました。キャピラリーチューブを使用したシステムは、電子式のものに比べて、膨張装置に関するサービスコールが約32％少なかったのです。
細管は、システム負荷が変化する際に自ら冷媒流量を調整します。蒸発器の負荷が高くなると圧力差が増し、これにより細管を通る冷媒の量が増えます。逆に、負荷が減少すると、何ら外部からの介入がなくても自然に流量が減少します。このような状況においても安定した運転を維持できるため、これらの細管は非常に有用です。また、高度なセンサーや制御システムを必要としないため、構造がシンプルで信頼性が高いという利点もあります。ただし一つだけ注意点があります。細管は寸法が固定されているため、設計時の想定に対して負荷変動が約40％以上を超えるような運用では性能を発揮できません。この制約があるため、運用条件に応じて細管の仕様を慎重に選定する必要があります。
適切な細管を選定するには、以下の3つの重要な要素のバランスを取る必要があります：
現代では適切な素材の組み合わせを選ぶことが非常に重要です。特にR-454BやR-32などの新しい冷媒を使用する場合には重要です。標準的な冷媒には多くの場合、銅管で十分ですが、アンモニア系の溶液を使用する場合にはニッケルコーティングを施す必要がある場合があります。素材が適切にマッチしていないと、時間とともに管内部や冷媒混合物の両方で劣化が生じ始めます。2023年にASHRAEが発表した研究によると、この不一致によりシステム効率が最大で約19％低下する可能性があります。したがって、互換性のある素材を選ぶことは良い慣例というだけでなく、システムが年間を通じて信頼性高く運転を続け、熱性能を維持するために不可欠です。
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