冷媒配管要件

このガイドでは、Refrigerant-22 (R-22) を使用するシステムに焦点を当てています。他の冷媒を使用するシステムの一般的な要件は同じですが、速度と圧力損失は異なります。

冷凍サイクル内で冷媒が受ける物理的変化を検討することは、配管設計が満たさなければならない特定の要求を実証するのに役立ちます。

コンテンツ 隠す

蒸気圧縮冷凍

下の図は、基本的な蒸気圧縮冷凍サイクルを示しています。冷媒は、液体と蒸気 (A) の低温で低圧の混合物の形で蒸発器に入ります。冷却されている比較的暖かい空気から熱が冷媒に伝達され、液体の冷媒が沸騰します。結果として生じる冷媒蒸気 (B) は、圧縮機によって蒸発器からポンプで送り出され、蒸気の圧力と温度が上昇します。

結果として生じる高温高圧の冷媒蒸気 (C) はコンデンサーに入り、そこで熱は冷媒よりも低い温度の周囲空気に伝達されます。凝縮器の内部では、冷媒蒸気が凝縮して液体になり、過冷却されます。この液体冷媒 (D) は、凝縮器から膨張装置に流れます。この装置は、冷媒の圧力を蒸発器の圧力まで下げる圧力降下を作り出します。この低圧では、冷媒のごく一部が沸騰 (またはフラッシュ) し、残りの液体冷媒を目的の蒸発器温度まで冷却します。液体と蒸気の冷媒 (A) の冷たい混合物が蒸発器に入り、サイクルを繰り返します。

冷媒配管の相互接続

これらの個々のコンポーネントは、冷媒配管によって接続されています。吸入ラインは蒸発器を圧縮機に接続し、排出ラインは圧縮機を凝縮器に接続し、液体ラインは凝縮器を膨張装置に接続します。膨張装置は、典型的には液体ラインの端、蒸発器への入口に位置する。

冷媒配管の設計には、あるコンポーネントから別のコンポーネントに冷媒を移動させるだけではありません。冷蔵システムのコンポーネントの選択と適用に注意を払っても、相互接続配管が不適切に設計または設置されていると、操作上の問題が発生する可能性があります。

冷媒配管要件

オイルをコンプレッサーに戻す
液状の冷媒のみが膨張装置に入るようにする
システム容量の損失を最小限に抑える
冷媒チャージを最小限に抑える

冷凍システムに 2 つ以上のコンポーネントを接続するために現場で組み立てられた冷媒配管が含まれている場合、主な設計目標は、一般に、システムの信頼性を最大化し、設置コストを最小化することです。これら 2 つの目標を達成するには、相互接続する冷媒配管の設計が次の要件を満たす必要があります。

すべての運転条件で、適切な速度でオイルをコンプレッサーに戻します
液体の冷媒のみ (蒸気ではなく) が膨張装置に入るようにしてください
配管や付属品による圧力低下によるシステム容量の損失を最小限に抑えます
システム内の総冷媒充填量を最小限に抑えて、信頼性を向上させ、設置コストを最小限に抑えます

最初の要件は、すべての運転条件でオイルが圧縮機に戻されるようにすることです。オイルは、コンプレッサーの可動部分の潤滑とシールに使用されます。たとえば、上の図に示すスクロールコンプレッサは、2 つのスクロール構成を向かい合わせて組み合わせて使用し、冷媒蒸気を圧縮します。これらのスクロールの先端にはシールが取り付けられており、オイルの薄い層とともに、圧縮された冷媒蒸気が合わせ面から逃げるのを防ぎます。同様に、他のタイプのコンプレッサーも、潤滑と冷媒蒸気の圧縮時のシールをオイルに依存しています。

特徴として、この潤滑油の一部は、システムの残りの部分全体に冷媒とともに送り込まれます。このオイルはシステムの他の場所では機能しませんが、冷媒配管は、このオイルがすべての動作条件で適切な速度でコンプレッサーに戻るように設計および設置する必要があります。

オイルをコンプレッサーに戻す

システムの回路図に戻ると、高温高圧の冷媒蒸気とともにオイルの液滴が圧縮機から排出されます。吐出ライン内の冷媒の速度は、小さな油滴をパイプから凝縮器まで運ぶのに十分な速さでなければなりません。

凝縮器の内部では、冷媒蒸気が凝縮して液体になります。液体冷媒と油は親和性があるため、油は液体冷媒と一緒に移動しやすい。凝縮器から、この液体冷媒と油の混合物が液体ラインを通って膨張装置に流れます。

次に、冷媒とオイルの混合物が膨張装置を介して蒸発器に計量供給され、そこで液体の冷媒が熱を吸収して気化します。ここでも、吸入ライン内の冷媒蒸気の速度は、オイルの液滴がパイプを通ってコンプレッサーに戻るのに十分な速度でなければなりません。

適切な速度と適切なパイプの設置がなければ、オイルがシステム内に閉じ込められる可能性があります。この状態が非常に深刻な場合、コンプレッサー内のオイルレベルが低下すると、潤滑の問題が発生し、場合によっては機械的な故障が発生する可能性があります。

サーモスタット膨張弁（TXV）

冷媒配管設計の 2 番目の要件は、液体冷媒のみが膨張装置に入るようにすることです。膨張装置には、膨張弁 (サーモスタット式または電子式)、キャピラリーチューブ、オリフィスなど、いくつかの種類があります。

システムの高圧 (凝縮器) 側と低圧 (蒸発器) 側の間の圧力差を維持することに加えて、サーモスタット膨張弁 (TXV) は、蒸発器に入る液体冷媒の量も制御します。これにより、冷媒が蒸発器内で完全に気化され、システム内の適切な量の過熱が維持されます。

過冷却

凝縮器内では、冷媒蒸気がすべて凝縮して液体になった後、冷媒を過冷却して温度をさらに下げます。この過冷却された液体冷媒は凝縮器 (A) を出て、液体ラインと、TXV の上流に設置されたフィルタードライヤーやソレノイドバルブなどの付属品を通って流れるときに圧力降下を経験します。圧力-エンタルピーチャート (5 ページの下の図) では、これにより冷媒の状態が飽和液体曲線 (B) に向かって移動します。この圧力損失が十分に高い場合、または冷媒が凝縮器によって十分に過冷却されていない場合、冷媒のごく一部が沸騰 (またはフラッシュ) し、液体と蒸気 (C) の混合物が膨張装置に入ります。

膨張装置の上流に冷媒蒸気が存在することは非常に望ましくない。蒸気の泡が TXV のポート内の液体に置き換わり、バルブを通過する液体の流量が減少するため、蒸発器の容量が大幅に減少します。これにより、バルブの動作が不安定になります。

配管システムの設計では、液体冷媒のみ (蒸気ではなく) が膨張装置に入るようにする必要があります。これには、凝縮器がすべてのシステム動作条件で適切な過冷却を提供すること、および液体ラインと付属品による圧力降下がフラッシングを引き起こすほど高くないことが必要です。過冷却により、液体冷媒が液体ラインを流れるときに、フラッシングのリスクなしに、液体冷媒がある程度の圧力低下を経験することができます。

吸引ラインの圧力損失

冷媒配管設計の 3 つ目の要件は、システム容量の損失を最小限に抑えることです。システムから最大容量を達成するには、冷媒がシステム内をできるだけ効率的に循環する必要があります。これには、配管やその他のシステムコンポーネントによる圧力損失を最小限に抑えることが含まれます。

流体がパイプ内を流れるたびに、特有の圧力降下が発生します。圧力降下は、移動する液体 (または蒸気) とパイプの内壁との間の摩擦によって発生します。総圧力損失は、パイプの直径と長さ、ラインに取り付けられている継手と付属品の数と種類、および冷媒の質量流量、密度、および粘度によって異なります。

例として、上の図のチャートは、システムの容量と効率に対する、吸引ラインによる圧力低下の影響を示しています。冷媒 22 で動作するこの例のシステムでは、吸引ラインの総圧力損失を 3 psi (20.7 kPa) から 6 psi (41.4 kPa) に増やすと、システム容量が約 2.5% 減少し、システム効率が約 2% 減少します。

これにより、システム設計者が対処しなければならない妥協点が明らかになります。吸引ラインの直径は、結果として得られる冷媒速度がパイプを介して油滴を運ぶのに十分な速さになるように十分に小さくする必要があります。ただし、パイプの直径が小さすぎて過度の圧力降下が発生し、システム容量が過度に減少してはなりません。

冷媒チャージを最小限に抑える

最初の 3 つの要件は、何年も変わっていません。しかし、何年にもわたる観察とトラブルシューティングにより、システムの冷媒充填量が少ないほど、システムがより確実に機能することが明らかになりました。したがって、冷媒配管の設計に 4 つ目の要件が追加されました。それは、システム内の冷媒の総量を最小限に抑えることです。まず、これには、最も短く、最も単純で、最も直接的なパイプルーティングをレイアウトすることが含まれます。また、特に液体ラインの場合、可能な限り小さいパイプ直径を使用する必要があります。これは、3 つのラインの中で、冷媒の充填に最も影響を与えるためです。下の図のグラフは、液体ラインが凝縮器に次ぐ量の冷媒を含んでいることを示しています。

これにより、システム設計者にとって別の妥協点が明らかになります。冷媒の総充填量を最小限に抑えるには、液体ラインの直径をできるだけ小さくする必要があります。ただし、液体冷媒が膨張装置に到達する前にフラッシングを引き起こす過度の圧力降下を生じさせるほど、パイプの直径を小さくすることはできません。

メーカーを巻き込む

提供されている場合は、メーカーが推奨する冷媒ラインのサイズを使用してください

このガイドでは、空調システムの相互接続配管のサイズを決定するプロセスについて説明します。最適なラインサイズを選択するために必要な情報の一部は、メーカーが最もよく知っています。したがって、冷凍装置のメーカーが推奨するラインサイズ、または最適なラインサイズを選択するためのツールを提供している場合は、それらのラインサイズを使用することをお勧めします。

ただし、ラインサイズがメーカーから提供されていない場合は、このガイドに記載されているプロセスを使用してサイズを選択できます。

一般的な配管要件

きれいな L 型銅管を使用する
- 銅と銅の接合部: フラックスなしの BCuP-6
- 銅と鋼 (または真鍮) の接合部: BAg-28、非酸性フラックス
膨張、振動、重量を考慮して配管を適切に支持する
配管の地中への設置は避ける
冷媒回路全体の漏れをテストする

吸引、排出、および液体ラインの設計と設置について説明する前に、これらすべてのラインに適用される一般的な要件がいくつかあります。

まず、銅管は通常、空調システムの冷媒配管に使用されます。このチューブは、さまざまな標準直径と肉厚で利用できます。チューブの呼び径は、外径で表されます。このチューブには、汚れ、スケール、酸化物が完全に付着していない必要があります。空調用途には、製造元によって洗浄され、両端がキャップされた新しいタイプ L またはタイプ ACR チューブを使用することをお勧めします。

配管システムは、銅管と継手をろう付けすることで構成されています。銅と銅の接合部をろう付けする場合は、フラックスなしで BCuP-6* を使用してください。銅と鋼または銅と真鍮の接合には、BAg-28* と非酸性フラックスを使用してください。

American Welding Society (AWS) のろう付けおよびろう付け溶接用溶加材の仕様、出版物 A5.8–1992 に基づく

配管の膨張、振動、および総重量を考慮して、冷媒配管を適切に支持する必要があります。パイプに温度変化が生じると、ある程度の膨張と収縮が起こります。冷媒配管は圧縮機に接続されているため、振動力は配管自体に伝達されます。最後に、冷媒で満たされたパイプと継手の重量を支えて、パイプがたるんだり、曲がったり、壊れたりしないようにする必要があります。

冷媒配管の地中への設置は避けてください。設置中に清潔を維持したり、漏れをテストしたりすることは非常に困難です。やむを得ず地下に設置する場合は、各ラインを個別に絶縁し、ラインを防水処理し、硬質のケーシング (PVC など) で保護する必要があります。

配管を取り付けた後、冷却回路に冷媒を充填する前に、冷却回路全体の漏れをテストする必要があります。このプロセスでは通常、配管システム全体を乾燥窒素で加圧して、各ろう付け接合部の漏れを調べます。

これらの問題のそれぞれについては、 Trane レシプロ冷凍マニュアル.