チラー科学ミニレッスン: 不適切なスロットル装置を選択すると、チラーの効率が大幅に低下します。
蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器の4つの不可欠な構成要素が閉ループシステムを形成しています。その中でも、絞り装置は構造が単純であるにもかかわらず、高低差圧を設定し、冷媒の流れを精密に制御する上で重要な役割を果たします。この記事では、主な絞り装置の種類、その主要機能、そしてそれぞれの技術的特徴について詳しく説明します。
I.スロットル装置の主な機能
蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、凝縮器から流出する冷媒は中温・高圧の飽和液体です。蒸発器で効果的に熱を吸収するには、まずその圧力と温度を現在の運転条件の要件を満たすまで下げる必要があります。この「圧力と温度を下げる」という作業を実現するための鍵となるのが、絞り装置です。絞り装置は、小さなオリフィス、狭い流路、あるいは可変バルブを通して局所的な抵抗を作り出し、高圧の液体冷媒を急速に膨張させます。この過程で、液体の一部は瞬時に蒸発し、低温・低圧の気液二相混合物を形成します。この二相混合物は蒸発器に入り、熱を吸収します。さらに、絞り装置は冷媒流量を精密に制御する上でも重要な役割を果たします。
☑️ 液体の吸入によるコンプレッサー内の「液体スラッギング」を回避するために、過剰な液体冷媒が蒸発器に入るのを防ぎます。
☑️液体供給不足を防ぎ、蒸発器での十分な熱交換を確保し、システムの冷却能力を維持します。
したがって、絞り装置は、圧力降下と位相変化を実現する「コンバーター」であるだけでなく、システムのエネルギー効率、安定性、安全な動作を確保するための中核コンポーネントでもあります。
II. スロットル装置の分類
冷凍システムにおける絞り装置は、主に固定オリフィス型と可変オリフィス型の2種類に分けられます。固定オリフィス型はその名の通り、流路断面積が一定です。一方、可変オリフィス型は、システムの運転状態（負荷、圧力差など）に応じて流路断面積を動的に調整することで、より精密な流量制御を実現します。
1. 固定オリフィス絞り装置：
☑️キャピラリーチューブ：キャピラリーチューブは、最もシンプルな固定オリフィス絞り装置です。内径0.5～2.5mm、長さ1～6mの細長い銅管で構成されており、可動部品がないため、低コストで信頼性に優れています。キャピラリーチューブの流量は、システムの高圧側と低圧側の圧力差に完全に依存します。そのため、家庭用冷蔵庫や窓用エアコンなど、負荷が安定しており、動作条件の変化が少ない小型の固定周波数機器にのみ適しています。
2. 可変オリフィス絞り装置：
☑️自動膨張弁（AEV）：自動膨張弁は、蒸発器出口の圧力を検知することで圧力をほぼ一定に保ち、間接的に冷媒流量を制御します。しかし、圧力信号のみに頼っていては、冷媒が完全に蒸発したかどうかを判断するのに不十分です。そのため、運転条件が変化すると、冷媒供給過剰（液だまりの発生につながる可能性）や冷媒供給不足（冷却性能の低下）といった問題が容易に発生する可能性があります。さらに、温度制御精度に限界があるため、現在では自動膨張弁はより高度な膨張弁に大きく置き換えられています。
☑️サーモスタティック膨張弁（TXV）：サーモスタティック膨張弁は、蒸発器出口に設置されたセンサーを通じて温度を感知し、上流圧力と組み合わせて弁開度を自動的に調整することで、蒸発器内での冷媒の完全な気化を確保し、安定した過熱状態を維持します（液冷媒がコンプレッサーに逆流するのを防ぎます）。純粋に機械的な装置であるため、外部電源を必要とせず、安定して確実に動作します。蒸発器の内部圧力降下に基づいて、内部バランス型と外部バランス型の2種類に分けられます。蒸発器抵抗が高く、圧力降下が大きい場合は、外部バランス型が推奨されます。サーモスタティック膨張弁は現在、業務用冷凍庫、中央空調システム、産業用冷凍設備に広く使用されており、最も主流の可変絞りソリューションです。
☑️電子膨張弁（EEV）：電子膨張弁はステッピングモーターで駆動されます。システムはセンサーを介して蒸発器出口の温度と圧力をリアルタイムで監視します。コントローラーは、このデータに基づいてインテリジェントなアルゴリズム（PID制御など）を使用し、最適なバルブ開度を迅速に計算し、リアルタイムで調整します。
機械式バルブと比較して、電子膨張弁は、応答速度が速い（ミリ秒単位）、制御精度が高い、可変周波数コンプレッサーとの互換性があり、最適な運転が可能、リモート監視とインテリジェント診断をサポートできるなどの利点があります。これらは、ハイエンドヒートポンプ、新エネルギー車の熱管理、データセンターの冷却など、極めて高いエネルギー効率と安定性が求められるアプリケーションに適しています。現在、FerroTecのチラーのほとんどは、冷媒流量を正確に制御するために電子膨張弁を採用しており、チラーシステム全体の性能とエネルギー効率を向上させています。
III. スロットリング技術の開発の歴史
毛細管から電子膨張弁まで、絞り装置の進化は、エネルギー効率、動作条件への適応性、制御精度における冷凍システムの継続的な改善を反映しています。
☑️毛細管に代表される初期モデルは、基本的な冷凍ニーズを満たすためのシンプルな構造と信頼性の高い操作に重点を置いていました。
☑️中期には、過熱度に基づく適応制御を実現するために、熱膨張弁（TXV）などの機械的フィードバック装置が導入されました。
☑️ 現在では、電子制御およびセンシング技術を活用することで、電子膨張弁 (EEV) を通じてミリ秒レベルの応答、高精度の調整、インテリジェントな管理を実現できます。
この技術のアップグレードにより、広い温度範囲と変化する負荷を伴う実際の動作環境において、冷凍システムの高効率、安全性、安定性が保証されます。
チラーシステムにおいて、絞り装置は構造こそコンパクトですが、冷凍サイクルにおいて極めて重要な役割を果たします。冷媒の圧力を下げ、相変化を起こすだけでなく、システムのエネルギー効率、安定性、温度制御精度に直接影響を与えます。絞り装置の動作原理と適用シナリオを十分に理解することで、実際の用途においてチラーをより合理的に選定、設計、保守することができます。
