キャピラリーディスペンサーは主に、蒸発器への熱負荷がある程度一定である家庭用および小規模な商用用途で使用されます。これらのシステムは冷媒流量も低く、通常は密閉型コンプレッサーを使用します。メーカーは、そのシンプルさと低コストのためにキャピラリーを使用します。さらに、測定デバイスとしてキャピラリを使用するほとんどのシステムはハイサイド受信機を必要としないため、コストがさらに削減されます。
毛細管は、凝縮器と蒸発器の間に取り付けられた、直径が小さく、長さが固定された長い管にすぎません。キャピラリは、凝縮器から蒸発器までの冷媒を実際に測定します。長さが長く直径が小さいため、冷媒が流れる際に流体摩擦と圧力損失が発生します。実際、過冷却された液体が凝縮器の底から毛細管を通って流れると、液体の一部がこれらの圧力降下を経験しながら沸騰する可能性があります。これらの圧力降下により、毛細管に沿ったいくつかの点で液体がその温度での飽和圧力を下回ります。この点滅は、圧力が低下したときの液体の膨張によって発生します。
液体フラッシュ (存在する場合) の大きさは、コンデンサーとキャピラリー自体からの液体の過冷却の程度によって異なります。液体のフラッシュが発生した場合、システムの最高のパフォーマンスを確保するために、フラッシュを可能な限り蒸発器に近づけることが望ましい。コンデンサーの底からの液体が冷たければ冷たいほど、キャピラリーを通って浸透する液体は少なくなります。キャピラリー内の液体が沸騰するのを防ぐために、キャピラリーは通常、コイル状に巻かれたり、吸引ラインに通されたり、吸引ラインに溶接されたりして、さらに過冷却されます。キャピラリーは蒸発器への液体の流れを制限して測定するため、システムが適切に機能するために必要な圧力降下の維持に役立ちます。
毛細管とコンプレッサーは、冷凍システムの高圧側と低圧側を分離する 2 つのコンポーネントです。
毛細管は、可動部品がなく、熱負荷条件下で蒸発器の過熱を制御しないという点で、膨張弁計量装置とは異なります。可動部品がない場合でも、蒸発器および/または凝縮器システムの圧力が変化すると、毛細管は流量を変化させます。実際、高圧側と低圧側の圧力が組み合わされた場合にのみ最適な効率が達成されます。これは、毛細管が冷凍システムの高圧側と低圧側の圧力差を利用して機能するためです。システムの高圧側と低圧側の間の圧力差が増加すると、冷媒流量が増加します。毛細管は幅広い圧力降下にわたって良好に動作しますが、一般に効率はそれほど高くありません。
キャピラリー、蒸発器、コンプレッサー、凝縮器は直列に接続されているため、キャピラリー内の流量はコンプレッサーのポンプダウン速度と等しくなければなりません。このため、計算された蒸発圧力および凝縮圧力におけるキャピラリーの長さと直径が重要であり、同じ設計条件下でのポンプ容量と等しくなければなりません。キャピラリの巻き数が多すぎると、流れに対する抵抗が影響を受け、システムのバランスに影響を及ぼします。
キャピラリーが長すぎて抵抗が大きすぎる場合、局所的な流れの制限が発生します。直径が小さすぎたり、巻き数が多すぎると、チューブの容量がコンプレッサーの容量より小さくなります。これにより、エバポレーター内のオイルが不足し、吸入圧力が低下し、深刻な過熱が発生します。同時に、過冷却された液体が凝縮器に逆流し、システム内に冷媒を保持するレシーバーがないため、より高い水頭が生成されます。蒸発器内のヘッドが高く、圧力が低いと、毛細管全体での圧力降下が大きくなるため、冷媒の流量が増加します。同時に、圧縮比が高くなり体積効率が低下するため、コンプレッサーの性能も低下します。これによりシステムは強制的に平衡になりますが、ヘッドが高く蒸発圧力が低いと、不必要な非効率が生じる可能性があります。
直径が短すぎるか大きすぎるために毛細管抵抗が必要以上に小さい場合、冷媒流量がコンプレッサー ポンプの容量より大きくなります。これにより、蒸発器の圧力が高くなり、過熱度が低くなり、蒸発器の過剰供給によりコンプレッサーが浸水する可能性があります。凝縮器内の過冷却が低下すると、ヘッド圧力が低下し、凝縮器の底部の液体シールが失われることもあります。この低ヘッドと通常よりも高い蒸発器圧力により、コンプレッサーの圧縮比が低下し、結果として体積効率が高くなります。これにより、コンプレッサーの容量が増加しますが、コンプレッサーが蒸発器内の大量の冷媒流量に対応できればバランスをとることができます。冷媒がコンプレッサーから溢れてコンプレッサーが故障することがよくあります。
上記の理由により、キャピラリ システムではシステム内に正確な (臨界) 冷媒が充填されていることが重要です。冷媒が多すぎたり少なすぎたりすると、流体の流れや浸水により、深刻な不均衡が生じたり、コンプレッサーに重大な損傷が発生したりする可能性があります。適切なキャピラリーのサイズについては、メーカーに問い合わせるか、メーカーのサイズ表を参照してください。システムの銘板またはネームプレートには、システムが必要とする冷媒の量が正確に示されており、通常は 10 分の 1 オンス、さらには 100 分の 1 オンス単位で表示されます。
蒸発器の熱負荷が高い場合、キャピラリー システムは通常、高い過熱度で動作します。実際、蒸発器の熱負荷が高い場合、蒸発器の過熱度が 40° または 50°F になることは珍しくありません。これは、蒸発器内の冷媒が急速に蒸発し、蒸発器内の 100% 蒸気飽和点が上昇し、システムの過熱度の読み取り値が高くなるためです。キャピラリ チューブには、温度自動膨張弁 (TRV) のリモート ライトなど、高過熱度で動作していることを測定装置に伝えて自動的に修正するためのフィードバック メカニズムがありません。したがって、蒸発器の負荷が高く、蒸発器の過熱度が高い場合、システムは非常に非効率的に動作します。
これは、キャピラリー システムの主な欠点の 1 つとなります。多くの技術者は、過熱度の測定値が高いため、システムにさらに多くの冷媒を追加したいと考えていますが、これはシステムに過負荷をかけるだけです。冷媒を追加する前に、蒸発器の熱負荷が低い場合の通常の過熱度の測定値を確認してください。冷蔵空間内の温度が所望の温度まで低下し、蒸発器の熱負荷が低い場合、通常の蒸発器の過熱度は通常 5° ～ 10°F です。疑わしい場合は、冷媒を回収し、システムを排出し、銘板に示されている重要な冷媒充填量を追加してください。
高い蒸発器の熱負荷が軽減され、システムが低い蒸発器の熱負荷に切り替わると、蒸発器の最後の数回のパスで蒸発器蒸気の 100% 飽和点が低下します。これは、熱負荷が低いため、蒸発器内の冷媒の蒸発速度が低下するためです。システムの通常の蒸発器過熱度は約 5° ～ 10°F になります。これらの通常の蒸発器過熱測定値は、蒸発器の熱負荷が低い場合にのみ発生します。
キャピラリーシステムが過剰に充填されると、コンデンサー内に過剰な液体が蓄積し、システム内にレシーバーがないために高水頭の原因となります。システムの低圧側と高圧側の間の圧力降下が増加し、蒸発器への流量が増加し、蒸発器に過負荷がかかり、過熱度が低くなります。コンプレッサーが溢れたり詰まったりする可能性もあります。これが、毛細管システムに指定量の冷媒を厳密または正確に充填する必要があるもう 1 つの理由です。
John Tomczyk is Professor Emeritus of HVACR at Ferris State University in Grand Rapids, Michigan and co-author of Refrigeration and Air Conditioning Technologies published by Cengage Learning. Contact him at tomczykjohn@gmail.com.
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