いくつかの HVAC システムでは、フィールド冷凍配管を現場で設計および設置する必要があります。 例としては、コンデンシング ユニット、エア ハンドラーの直接膨張 (DX) コイル、空冷チラーを備えたリモート エバポレーター、リモート空冷コンデンサーを備えたチラーなどがあります。 このガイドでは、業務用空調システムで使用される R-22、R-407C、R-410A、および R-134a について説明します。 産業用冷凍および/または可変冷媒量 (VRV) システムには適用されません。
このアプリケーション ガイドに含まれる情報は、ASHRAE の冷凍ハンドブックの第 2 章と、このタイプの機器に関する McQuay の優れた経験に基づいています。
適切に設計および設置された冷媒配管システムは、次のことを行う必要があります。
- 圧力損失を制限する実用的な冷媒ライン サイズを使用して、蒸発器に適切な冷媒の流れを提供します。
- コンプレッサが常に適切に作動するのに十分なオイルを保持できるように、過剰なオイルを閉じ込めないようにしてください。
- 液体冷媒のスラッギングを避けてください。
- 清潔で乾燥していること。
冷媒配管設計チェックリスト
冷媒配管設計の最初のステップは、製品と現場の情報を収集することです。 それぞれのチェックリストを以下に示します。 この情報がどのように使用されるかについては、このガイドの残りの部分で説明します。
商品情報
- ユニット構成部品（凝縮部、蒸発器等）の型番
- 冷凍回路あたりの最大容量
- 冷凍回路あたりの最小容量
- ユニット運用料
- ユニットポンプダウン能力
- 冷媒の種類
- ユニットオプション（ホットガスバイパスなど）
- 機器には遮断弁と充電ポートが含まれていますか
- ポンプダウンはありますか？
現場情報
- 以下を含む、配管の実行方法のスケッチ:
- 距離
- 標高の変化
- 機器配置
- フィッティング
- 蒸発器の配管接続に関する特定の詳細
- 配管を行う周囲条件
- 周囲の動作範囲 (システムは冬の間動作しますか?)
- 冷房負荷のタイプ (快適またはプロセス)
- ユニットアイソレーション（スプリングアイソレーター、ラバーインシェアーなど）
典型的な冷媒配管レイアウト
この図は、屋根に取り付けられた空調ユニットに取り付けられた DX コイルに接続された、勾配に取り付けられた凝縮ユニットを示しています。
- 液体ラインは、凝縮器からコイルに隣接する熱膨張 (TX) バルブに液体冷媒を供給します。
- 吸入ラインは、圧縮機の吸入接続部に冷媒ガスを供給します。
この図は、建物内にリモート蒸発器を備えた屋根に取り付けられた空冷チラーを示しています。
- 1. 2 つの冷凍回路があり、それぞれが凝縮器から蒸発器に隣接する TX バルブに液体冷媒を供給する液体ラインと、蒸発器から圧縮機の吸入接続に冷媒ガスを戻す吸入ラインを備えています。
- 2. 回路の 1 つに二重吸引ライザーがあります。
この図は、屋根にリモート空冷凝縮器を備えた屋内チラーを示しています。
- 1. 吐出ガスラインは、圧縮機の吐出側から凝縮器の入口まで延びています。
- 2. 液体ラインは、凝縮器の出口を蒸発器の TX バルブに接続します。
- 3. 回路上の高温ガス バイパス ラインは、圧縮機の吐出ラインから蒸発器の液体ライン接続まで延びています。
配管設計の基本
優れた配管設計により、初期コスト、圧力損失、およびシステムの信頼性のバランスが取れます。 イニシャルコストは、配管の径やレイアウトに影響されます。 性能と容量に悪影響を及ぼさないように、配管内の圧力損失を最小限に抑える必要があります。 ほとんどすべての現場配管システムでは、コンプレッサー オイルが冷凍回路を通過してコンプレッサーに戻るため、全負荷および部分負荷条件で十分なオイルがコンプレッサー サンプに戻されるように、配管内で最小速度を維持する必要があります。
経験則としては、最低限次の条件を満たしている必要があります。
- 水平吸引および高温ガスラインの場合、毎分 500 フィート (fpm) または毎秒 2.54 メートル (mps)。
- 吸引および高温ガスライザーの場合は 1000 fpm (5.08 mps)。
- 300 fpm (1.54 mps) 未満で、ソレノイドが液体ラインで閉じたときに液体ハンマーが発生するのを防ぎます。
ハロカーボン冷凍システムには硬銅管が使用されています。 タイプ L および K は、空調および冷蔵 (ACR) 用途向けに承認されています。 Mタイプは壁が薄すぎて使えません。 公称サイズは外径 (OD) に基づいています。 一般的なサイズには、5/8 インチ、7/8 インチ、1-1/8 インチなどがあります。
ACR 用途向けの銅管は、メーカーによって脱水され、窒素が充填され、栓がされています (下の図を参照)。
エルボやティーなどの成形継手は、硬銅管で使用されます。 すべての接合部は、資格のある技術者が酸素アセチレントーチでろう付けしています。 前述のように、冷媒ラインのサイズは、圧力降下と初期コストのバランスを取るように選択されます。この銅管の場合は、オイルをコンプレッサーに戻すのに十分な冷媒速度を維持しながらもです。 圧力損失は、ライン内のすべてのフィッティングの等価フィート (メートル) に必要なチューブの長さを加算して計算されます。 これは PSI (kPa) に変換されます。
圧力損失と温度変化
冷媒がパイプを流れると、圧力が低下し、冷媒の飽和温度が変化します。 圧力と飽和温度の両方の低下は、圧縮機の性能に悪影響を及ぼします。 適切な冷蔵システム設計では、この変化をラインあたり 2°F (1.1°C) 未満に最小限に抑えようとします。 したがって、冷凍システムのコンポーネントを一致させる場合、PSI (kPa) に対して「2°F」と呼ばれる圧力降下を聞くのが一般的です。
例えば、凝縮ユニットは、45°F（7.2°C）の飽和吸引温度で25トン（87.9 kW）の冷却を生成できます。 ライン損失が 2°F (1.1°C) であると仮定すると、蒸発器は 47°F (7.2°C) の飽和吸引温度で 25 トン (87.9 kW) の冷却を行うサイズにする必要があります。
以下の表は、いくつかの一般的な冷媒の温度と圧力における圧力損失を比較しています。 冷媒は、同じ温度変化に対して異なる圧力損失を持つことに注意してください。 たとえば、多くの文書では、R-22 の許容圧力降下は 2°F (1.1°C) または約 3 PSI (20.7 kPa) であると言及しています。 R-410A で同じ 3 PSI 変化すると、温度が 1.2°F (0.7°C) 変化します。
注記 100 等価フィート (30.5 m) および 40°F (4.4°C) の飽和温度に基づいて、吸入および吐出圧力が低下します。
液体ライン
液体ラインは凝縮器を蒸発器に接続し、液体冷媒を TX バルブに運びます。 圧力が下がりすぎたり、高度が上昇したりして、液体ラインの冷媒が急速に気体になると、冷凍システムの動作が不十分になります。 液体サブクーリングは、ライン内の圧力降下による冷媒のガスへのフラッシングを防ぐ唯一の方法です。
実際のライン サイズでは、圧力降下が 2 ～ 3°F (1.1 ～ 1.7°C) を超えないようにする必要があります。 PSI (kPa) での実際の圧力降下は、冷媒によって異なります。
システムの冷媒充填量が大幅に増加するため、液体ラインのサイズを大きくしすぎることはお勧めできません。 これは、今度はオイルチャージに影響を与えます。
液体冷媒が凝縮器から蒸発器に持ち上がると、冷媒圧力が低下します。 冷媒が異なれば、標高に基づいて圧力変化も異なります。 特定の冷媒については、表 2 を参照してください。 液体ラインの総圧力損失は、摩擦損失とライザー内の液体冷媒カラムの重量の合計です。
冷媒 | 圧力損失 PSI/ft (kPa/m) ライザー |
R-22 | 0.50 (11.31) |
R-407C | 0.47 (10.63) |
R-410A | 0.43 (9.73) |
R-134a | 0.50 (11.31) |
この状況では、過冷却された液体冷媒のみが TX バルブでのフラッシングを回避します。 凝縮器が蒸発器の上に設置されていた場合、ライン内の液体冷媒の重量による圧力上昇により、過冷却なしで適切なサイズのラインで冷媒がフラッシュすることが妨げられます。
バルブが適切に動作し、時期尚早に故障しないように、TX バルブである程度のサブクーリングを行うことが重要です。 メーカーの推奨事項に従ってください。 何も利用できない場合は、TX バルブで 4 ～ 6°F (2.2 ～ 3.3°C) のサブクーリングを提供します。
液体ラインでは、いくつかの冷媒ライン コンポーネントおよび/またはアクセサリを現場で選択して取り付ける必要があります (下図)。 遮断弁と充電ポートが必要です。 一般に、凝縮ユニットや凝縮器などの基本的なシステム コンポーネントを保守するための遮断弁を用意することが望ましいです。 多くの場合、メーカは遮断弁を製品に同梱していますので、何が含まれているかを必ず確認してください。 遮断弁にはいくつかの種類と形状があります。
を参照 この図 ：
- 凝縮器から作業を進めると、液体ライン フィルター ドライヤーがあります。 フィルター ドライヤーは液体冷媒から破片を取り除き、システム内の水分を吸収する乾燥剤を含んでいます。 フィルタードライヤーは、使い捨てまたは交換可能なコアを備えた恒久的です。
- 次に、技術者が液体ライン内の冷媒の状態を確認できるサイト グラスがあります。 多くのサイト グラスには、冷媒に水分が含まれていると色が変わる水分インジケーターが含まれています。
- サイト グラスに続いて TX バルブがあります。
このシステムに使用できるアクセサリには次のものがあります。
- ホットガスバイパスポート。 これは、補助側コネクタ (ASC) であるディストリビュータと統合する特殊なフィッティングです。
- ポンプダウン電磁弁です。 ポンプ ダウンを使用する場合、ソレノイド バルブは TX バルブの直前、蒸発器のできるだけ近くに配置されます。
- 液体ラインのレシーバー。 これらは、ポンプ ダウンまたはサービス (凝縮器がシステム チャージを保持するのに十分な容量がない場合) のいずれかのために、または浸水低周囲制御アプローチの一部として、過剰な冷媒を保存するために使用されます。 レシーバーは、凝縮器から過冷却を取り除き、初期コストを増やし、冷媒の充填量を増やすため、通常は避けられます。
液体ラインは、冷媒の流れの方向に 1/8 インチ/フィート (10.4 mm/m) 傾斜している必要があります。 トラップは不要です。
吸引ライン
吸引ガスラインにより、蒸発器からの冷媒ガスがコンプレッサーの入口に流れ込みます。 サクションラインのサイズを小さくすると、必要な蒸発器温度を維持するために低いサクション圧力で動作するように強制されるため、圧縮機の容量が減少します。 吸入ラインのサイズが大きすぎると、初期プロジェクトのコストが増加し、蒸発器から圧縮機にオイルを移動させるための冷媒ガス速度が不十分になる可能性があります。 これは、垂直吸引ライザーを使用する場合に特に重要です。
吸引ラインは、最大 2 ～ 3°F (1.1 ～ 1.7°C) の圧力損失に対応できるサイズにする必要があります。 PSI (kPa) での実際の圧力降下は、冷媒によって異なります。
サクションライン配管詳細
運転中、吸入ラインは過熱された冷媒蒸気とオイルで満たされます。 オイルはパイプの底を流れ、その上を流れる冷媒ガスに沿って移動します。 システム停止時、周囲の状況によっては配管内に冷媒が凝縮する場合があります。 これにより、システムの再起動時に液体冷媒が圧縮機に引き込まれると、スラグが発生する可能性があります。
良好なオイル戻りを促進するために、サクション ラインは、冷媒の流れの方向に 1/8 インチ/フィート (10.4 mm/m) ピッチする必要があります。 蒸発器はオフサイクル中に大量の凝縮した冷媒を含む可能性があるため、蒸発器の接続には特別な注意が必要です。 凝縮した冷媒のスラッギングを最小限に抑えるには、下の図に示すように、蒸発器を逆トラップで吸引ラインから分離する必要があります。
トラップは、圧縮機につながる前に、蒸発器の上部より上に伸びている必要があります。
- 複数の蒸発器を使用する場合、圧力降下が等しく、1 つのコイルからの冷媒とオイルが別のコイルに流れないように、吸入配管を設計する必要があります。
- ライザーの底にトラップを使用して、圧縮機に流れる前に凝縮した冷媒を捕らえることができます。 適切なサイズのライザーでは、中間トラップは圧力低下の原因となるため不要です。
- 通常、市販の空調機器では、コンプレッサーはユニットの側面にある共通の接続に「準備」されています。
- 圧縮機に入る前に冷媒をきれいにするために、サクション ライン フィルター ドライヤーを利用できます。 これらは重大な圧力低下を表すため、コンプレッサーの焼損後など、状況が必要な場合にのみ追加する必要があります。 この場合、サクション フィルター ドライヤーは、交換用コンプレッサーの慣らし期間の後に取り外されることがよくあります。 サクションフィルタードライヤーは大量のオイルをキャッチするため、オイルの排出を促進するためにメーカーの仕様に従って設置する必要があります。
排出ライン
吐出ガス ライン (ホット ガス ラインと呼ばれることが多い) により、冷媒は圧縮機の吐出口から凝縮器の入口まで流れることができます。 吐出ラインのサイズを小さくすると、コンプレッサーの容量が減少し、コンプレッサーの仕事が増えます。 吐出ラインのサイズが大きすぎると、プロジェクトの初期コストが増加し、冷媒ガスの速度が不十分になり、オイルをコンプレッサーに戻す可能性があります。 以下の図。
排出ライン配管詳細
排出ラインは、冷媒蒸気とオイルの両方を運びます。 オフサイクル中に冷媒が凝縮する可能性があるため、液体の冷媒とオイルが圧縮機に逆流しないように配管を設計する必要があります。 ライザーの底部にトラップを追加して、オフサイクル中にオイルと凝縮した冷媒を捕らえ、コンプレッサーに逆流させることができます。 ライザー内の中間トラップは、適切なサイズのライザーでは圧力損失が増加するため不要です。 排出ラインは、凝縮器に向かう冷媒の流れの方向に、1 フィートあたり 1/8 インチ (10.4 mm/m) のピッチである必要があります。
凝縮器が圧縮機の上にある場合は常に、逆トラップまたは逆止弁を凝縮器の入口に取り付けて、オフサイクル中に液体冷媒が圧縮機に逆流するのを防ぐ必要があります。 場合によっては (レシプロ コンプレッサなど)、吐出マフラーを吐出ラインに取り付けて、脈動 (振動の原因) を最小限に抑えます。 吐出マフラーは油がたまりやすいので、配管の水平部またはダウンフロー部、できるだけ圧縮機に近づけて配置してください。
複数の冷凍回路
制御と冗長性のために、多くの冷凍システムには 2 つ以上の冷凍回路が含まれています。 各回路は個別に保持し、単一のシステムであるかのように設計する必要があります。 場合によっては、1 つの冷凍回路が複数の蒸発器に使用されますが、複数の冷凍回路を 1 つの蒸発器に接続しないでください。 よくある間違いは、1 回路の蒸発器コイルを使用して 2 回路の凝縮ユニットを取り付けることです。
この図は、複数の回路を含む一般的な DX コイルを示しています。 インターレースが最も一般的です。 それぞれが単一の回路を持つ個々のコイルを同じシステムに設置し、専用の冷凍回路に接続することが可能です。
最も一般的な空調アプリケーションでは各回路に 1 つの蒸発器がありますが、複数の蒸発器を 1 つの冷凍回路に接続することも可能です。
以下の図は、2 つの DX コイルに対応する単一の冷凍回路を示しています。 各コイルには独自のソレノイドと熱膨張弁があることに注意してください。 ディストリビューターごとに 1 つの TX バルブが必要です。 蒸発器を個別に操作する場合 (容量制御など) は、個別のソレノイドを使用する必要があります。 両方の蒸発器が同時に動作する場合は、共通のパイプに 1 つのソレノイド バルブを使用できます。
