JP2000511626A - パルス化動作制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 弁アセンブリ（１０）は冷媒インレットポート（１８）と、制限された開口（１５）を有する冷媒アウトレットポート（１９）とを含み、インレットポートの開口は制限されたアウトレットポートの開口の少なくとも２倍よりも大きい。弁は、インレットポートとアウトレットポートとの間の弁キャビティ圧力に応答してインレットポート（１８）に対して開閉を行なうためのコンポーネントを含む。制限されたアウトレットポート（１９）に対して大きなインレットポート（１８）を設けることにより、インレットポートが開いたときに弁キャビティ（２４）に圧力が迅速に形成され、これによりインレットポートが迅速に閉じる。弁（１０）は迅速なサイクル速度で動作可能であり、小さな冷凍または冷却装置ならびに圧力調整を要する他の用途において圧力を制御することに非常に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】 パルス化動作制御弁 発明の背景 ほとんどの冷凍システムに不可欠な部分は、蒸発器への液体冷媒の流れを制御 し、凝縮器圧力から蒸発器圧力へと冷媒の圧力を低減する膨張装置である。一般 に用いられる膨張装置は、サーモスタット膨張弁と、パルス幅変調ソレノイド弁 と、毛管またはオリフィスのような受動装置とを含む。家庭用冷凍機のような小 容量冷凍システムは一般に、１つの動作条件下でのみ最適な冷媒の流れを与える ような大きさにされ得る毛管を用いる。したがって、設計ポイント以外の条件下 では、毛管は負荷の高い条件において蒸発器の冷媒の不足を引き起こし、負荷の 低い条件においてその氾濫を引き起こす。蒸発器の不足および氾濫は、冷凍シス テムの効率を下げる。 当該技術において知られるように、すべての負荷条件下で蒸発器に適量の冷媒 を維持する能動膨張装置が効率を高めることができる。しかしながら、サーモス タット膨張弁のような能動膨張装置は、少ない流量を調整するのに十分であるほ ど小さいオリフィスでは作ることができないので、小型の冷凍システムではうま く作用しない。このようなオリフィスを製造するのは非実用的であり、これは詰 まりを非常に起こしやすい。したがって、小さいオリフィスを必要とせずに少な い冷媒流量を制御できるサーモスタット膨張弁が必要である。 発明の概要 この発明の制御弁は、小さいオリフィスを必要とせずに１時間当り数グラムも の少ない流量で冷媒の流れを正確に制御する。この弁は冷媒の膨張以外の応用で も少ない流量の圧力または流れ制御のために用いられ得る。この発明の制御弁は 、約２００ワットを下まわる小容量の小さい冷凍機／フリーザ機器、特に約１０ −１００ワットの冷却能力のものにおいて、たとえば小型の蒸気圧縮器冷凍シス テムおよび冷媒収着冷却機器に特に適している。この発明に従うと、小型の冷凍 システムに適するサーモスタット膨張弁（ＴＸＶ）は、液体冷媒インレットポー トと、弁と蒸発器との間に流れ制限部を有するアウトレットポートとを含む。制 限 されるアウトレットポートの流れ面積はインレットポートの流れ面積よりも小さ い。弁は弁インレットポートと弁アウトレットポートとの間に限られた体積を有 するキャビティを含み、その体積はシステム蒸発器の体積よりも小さい。弁はま た、弁キャビティ内の圧力に応答してインレットポートを開閉するための手段を も含む。制限されたアウトレットポートに対してインレットポートの流れの大き さが大きいことによって、インレットポートが開かれているときは弁キャビティ において急速な圧力上昇が与えられる。アウトレット制限部は、弁にインレット ポートを迅速に開閉させるのに十分であるほど長くキャビティ内の圧力を蒸発器 圧力より上に保つ。好ましい実施例では、バルブ（bulb）または他の装置が蒸発 器の過熱を感知し、インレットポートを開閉するために弁に圧力を与えるために 用いられる。バルブ圧力を受けるダイヤフラムはダイヤフラムの両側の力のバラ ンスに基づいてインレットポートの開閉を制御する。別の実施例では、プロピレ ングリコール、エチレングリコールまたは水とアンモニアとのバルブ充填物がア ンモニア冷媒冷却システムに特に有益であるが、プロピレングリコールまたはエ チレングリコールとジメチルエーテルとのそれはこの発明のダイヤフラムによっ て制御されるサーモスタット膨張弁を動作させるための過フッ化炭化水素冷媒冷 却システムに有益である。 図面の簡単な説明 図１は、この発明の蒸発器制御弁の断面図である。 図２は、蒸発器と、蒸発器の過熱を制御するためのこの発明の弁とを概略的に 示す。 好ましい実施例の詳細な説明 この発明のサーモスタット膨張弁（ＴＸＶ）は比較的小容量の冷凍システム、 ヒートポンプ、冷凍機および／またはフリーザに特に役立つ。弁は液体冷媒のた めのインレットポートと、アウトレットポートと、インレットポートおよびアウ トレットポートの間の弁キャビティとを有する。圧力の低下はアウトレットポー ト内またはそれに関連した制限部によって生じる。弁は弁キャビティ内の圧力に 応答するインレットポートを開閉するための手段を含み、高い圧力がインレット ポートを閉じるのに役立ち、低い圧力がそれを開けるのに役立つ。キャビティ内 の圧力に応答して弁を開閉するためのコンポーネントおよび特徴の例を含む具体 的な手段が図に示され、以下に説明される。この弁の重要な特徴および機能は、 弁キャビティにおいて急速に圧力を高め、次にインレットポートを迅速に閉じる ことができる点である。このような機能は、アウトレットの流れ面積の大きさに 対して十分に大きいインレット流れ面積によって達成され、それによって、キャ ビティ内の急速な圧力上昇がもたらされ、高い圧力に応じてインレットポートが 開放の後に急速に閉じられる。効果的であり、好ましいインレットおよびアウト レット流れ面積が以下に開示される。弁はさらに、これが冷媒を供給する蒸発器 の体積よりも小さい内部キャビティ体積によって特徴付けられる。 図１は、小容量の吸着または蒸気圧縮冷凍機または冷却装置に特に適したサー モスタット膨張弁を示す。図示する弁は内部キャビティ２４を有する弁体１０を 含む。弁座２０が弁ポート２８を規定し、弁ポート２８は、ばね1４によってダ イヤフラムの方へ付勢されるバー２２およびプランジャ１３に対するダイヤフラ ム１２の動きに応じて上方および下方に、弁プラグ１７に座するシール１６が移 動するときに開閉させられる。アセンブリはバルブ接続ポートまたは圧力ポート 、インレットパイプ１８およびアウトレットパイプ１９を含む。ダイヤフラムは 図示しないバルブからの、バルブ接続ポート１１を介する、圧力によってバー２ ２の上表面に対して付勢される。インレットパイプ１８は凝縮器または液体冷媒 リザーバ（図示せず）と通じ、アウトレットパイプ１９は冷凍システムの蒸発器 と通じる。制限部または制限ポート１５が内部弁キャビティ２４とアウトレット パイプ１９との間に配置される。弁棒またはロッド２３がピストンを弁プラグ１ ７と接続させ、ばね１４がインレットポートを閉じるためにダイヤフラムの方へ 上方にピストンを付勢する。圧力ポート１１を介する、ダイヤフラムのバルブ側 のバルブからの圧力がダイヤフラムをバー２２およびピストン１３に対して付勢 してばね１４を圧縮し、シール１６を下方に押し、弁インレットポート２８を開 ける。キャビティ内の圧力はまた弁ポート２８を開けるために弁プラグ１７を押 す。弁を閉じるのに役立つ力は、ダイヤフラム１２の蒸発器（底部）側に対する 圧力、 すなわち、弁キャビティ内の圧力、ばね１４の力、およびインレットパイプ１８ を介する弁プラグ１７への凝縮器圧力である。弁を開けるのに役立つ力の和が弁 を閉じるのに役立つ力の和を超えると弁が開く。さもなければ弁は閉じたままで あるように設計される。代替的に、弁は凝縮器圧力が弁を開くのに役立つように 設計されてもよい。しかしながら、図示される例の弁設計は、アンモニア冷媒を 用いる際に遭遇するような比較的高い凝縮器圧力に対して弁を閉じるための凝縮 器圧力を利用する。 弁は、流量を連続的に変調させることによってではなく循環的に開閉を行なう ことによって蒸発器への冷媒の流れを制御する。弁がこの発明に従って適切に動 作するためには、インレットオリフィス２０は弁キャビティ内の圧力がバルブ圧 力よりも急速に高くなり、弁を閉じるようにさせるほど大きくなくてはならない 。開始時には、バルブは本質的に周囲温度であり、バルブ内の圧力は凝縮器圧力 に近い。インレットオリフィスは、冷媒もまたアウトレットを流れている間に弁 キャビティを凝縮器圧力に近づくように充填させるのに十分であるほど大きくな くてはならない。したがって、最低限として、インレットオリフィスのもたらす 圧力低下はアウトレットのそれよりも小さくなくてはならない。 この発明のサーモスタット膨張弁の重要な特徴は、弁とシステム蒸発器との間 の流れ制限部と、インレットポートの弁座と制限部との間の弁内部の小さい体積 とである。図１を参照すると、流れ制限部１５は弁キャビティ２４と、凝縮され た冷媒を導くためにアウトレットパイプ１９がそこに通じる蒸発器との間に配置 される。制限部１５の具体的な配置はそれが弁キャビティ２４の下流にある限り 重要ではない。制限部１５によって、また、それが弁キャビティまたは弁内部と 蒸発器との間にあることによって、ダイヤフラム１２の蒸発器側が蒸発器のイン レット圧力と等しいかそれ以上の圧力を受けることが確実となる。したがって、 ダイヤフラム１２のバルブ側の圧力が増大するかまたは蒸発器圧力が均衡点まで 低下すると、弁が開き、圧力がダイヤフラムの下、すなわち、弁の内部で上昇し 、弁を急速に再閉鎖させる。圧力は流体が制限部１５を介して蒸発器に流れるに つれて減少し、これは、弁体および弁キャビティ２４内でかつダイヤフラム１２ の蒸発器側の圧力が弁を再開放させるのに十分なほど低下するまで続く。弁が開 く と、少量の液体冷媒が開いたインレットポートを介して弁キャビティへともたら され、弁は次に急速に再閉鎖し、更なる液体冷媒は前の「量の」冷媒が蒸発器に 流れるまでもたらされない。この弁動作は変調ではなくパルス動作と称すること ができ、冷媒流量の少ない冷凍システムの制御を向上させる。 インレットポートおよびアウトレットポートの相対的サイズのために、弁キャ ビティ内の圧力上昇は急速に起こり、インレットポートはそれが開かれたときか ら約１／２秒未満で閉じる。圧力上昇およびインレットポートの閉鎖はより急速 に起こることもあり、弁は１秒当り６０回までの循環率が可能である。しかしな がら、所望であれば、循環率はたとえば１時間当り１サイクルもの低さで要求に 応じて駆動されてもよい。 アウトレット制限部の最小サイズは、バルブ圧力における最大の容認可能な増 大と等しい圧力低下での最大設計流量で、かつ、最大の容認可能な流量であるが なお実用的でなくなるほど小さくはない流量で、冷媒蒸気の流れを与えるように 計算され得る。弁インレットポートの流れ面積はアウトレット制限部の面積より も大きくなくてはならない。アウトレット制限部のサイズまたは面積にかかわら ず、弁座の流れ抵抗は液体の流れに基づく抵抗で蒸発器流れ抵抗よりも小さいべ きである。使用の際、弁座にかけての流れは主として、蒸発器内の２段階の流れ を伴う液体である。このように、弁が開いている間、弁への流量は弁から出る流 量よりもはるかに大きく、キャビティ内の圧力が増し、閉鎖が急速に生じる。 インレットポートとアウトレットポートと制限部の間の弁キャビティの有効体 積は蒸発器体積よりも小さい。弁座２０と制限部１５との間の弁キャビティ２４ の体積は、弁が冷凍能力でのその固有振動数よりも速く循環しようとしないよう に十分に大きく、それが蒸発器を氾濫させるように十分な液体を含まないように 十分に小さいべきである。弁キャビティ内の弁コンポーネントがその有効体積を 減らす。制限部１５のサイズまたは断面積は制限部の詰まりが問題とならないよ うに十分に大きいが、上述したように冷媒がそれを介して蒸発器へと流れ込める ように十分に小さいべきである。弁インレットポートおよびアウトレットポート のサイズのさらなる考察は蒸発器−バルブシステムの温度応答時間に関する。制 限部１５の開口部面積対インレットオリフィス２８の有効面積の好ましい比は少 なくとも約１：２、好ましくは１：４であり、より好ましくは１：２０よりも大 きく、最も好ましくは約１：１０から１：２０の間である。このように、弁イン レットポート２８の好ましい断面積または有効インレット流れ面積はアウトレッ トポートまたは制限部１５の開口部面積の少なくとも２倍であり、より好ましく は、圧力がダイヤフラム下で急速に上昇し、それによって弁が急速に再閉鎖する ことを確実とするために１０−２０倍である。インレットポートの有効インレッ ト面積は冷媒がそこを介して流れなければならないインレット面積におけるまた はそれに沿う空間を占めるいかなるコンポーネントによっても減少することが理 解されるであろう。したがって、たとえば、インレットポートまたはアウトレッ トポートにおけるか何らかの重要な冷媒流れ面積に沿うロッド２３または何らか の他のコンポーネントによって占められる面積または空間を上述の比の計算に入 れなければならない。 図２は、蒸発器チューブの過熱領域上にバルブ３２が配置される蒸発器３０を 示す。バルブは圧力コンジット３１を介して弁１０と接触し、圧力コンジット３ １は弁ダイヤフラム１２（図１）を圧力ポート１１でバルブ圧力にさらす。図示 するように、冷媒の沸騰は２段階（沸騰）領域と称される蒸発器のほとんどによ って生じ、蒸発器チューブの比較的短いセクションが過熱領域の冷媒蒸気を過熱 するために熱を伝える。バルブ圧力および温度が増大した冷媒の流れに応答する 応答時問はバルブ充填物、冷媒、弁コンポーネントの寸法等に依存する。冷媒が アウトレット制限部を介して蒸発器へと流れるときに弁キャビティ内部の圧力の 減少のために弁が閉じる瞬間から弁が再び開くまでの応答時間もある。弁が閉じ るとすぐに弁圧力が減少し始め、バルブ温度および圧力に依存して、弁インレッ トは弁圧力が蒸発器圧力を超えるときに再び開く。しかしながら、限界では、バ ルブは望ましい過熱のためにほぼ正確な温度であり、キャビティ圧力はほぼ蒸発 器圧力まで減少し、弁はバルブ温度および圧力が上昇しなければ開かない。通常 動作において、沸騰が停止し、過熱が始まる前部（Ｆ１）はバルブから蒸発器イ ンレットへとゆっくりと後退する。沸騰前部が後退するにつれ、蒸気は、それが バルブに達するまでますます過熱する。最終的に、バルブ圧力は弁を開くのに十 分であるほど上昇し、沸騰前部はバルブにより近づき、バルブ温度および圧力が 低下する。弁が開いた後、キャビティ圧力が蒸発器圧力よりも実質的に高くなる と弁はすぐに閉じる。弁キャビティ圧力が減少した後、バルブが設定された過熱 より低く冷却されなければ弁は再び開く。通常、冷媒が蒸発器へと流れ始める時 間からの蒸発器バルブ圧力応答は弁キャビティ圧力減少応答時間と比較して遅く 、弁は、バルブが所望の過熱まで（またはそれより下に）冷却するまでに一度以 上開く。このように、弁キャビティにおける圧力減少応答時間は、蒸発器への冷 媒の付加に引き続いてバルブ圧力を高めるのにかかる時間よりも短い。好ましく は、弁圧力減少応答時間はバルブ圧力応答時間の１／３未満である。しかしなが ら、氾濫を防ぐために、弁の多数回の開放はバルブの前の過熱セクション（およ び、存在するならばバルブの後方の過熱セクション）を含むすべての蒸発器を満 たすのに十分な冷媒を入れるべきでない。弁キャビティは弁が開放するたびに完 全には満たされないかもしれないが、弁はキャビティが完全に満たされる場合に 蒸発器の氾濫が生じないように設計されるべきである。この目的のため、弁キャ ビティの有効体積は好ましくは蒸発器の過熱領域の体積の約３０％未満である。 温かい蒸発器での開始時の問題を低減するために、バルブ充填物は適切に選択 されなければならない。バルブがシステムの冷媒と同じ冷媒で充填されれば、過 熱圧力は弁を閉じるのに役立つばね圧力と凝縮器圧力によって弁プラグに与えら れる正味の力とを加えたものによって設定される。過熱圧力が通常動作の蒸発器 温度である妥当な過熱を与えるよう設定されれば、同じ圧力差が、蒸発器が周囲 温度および圧力にあるときにはるかに低い過熱温度と等しくなる。開始時の条件 のための低い過熱温度は、蒸発器が実質的に冷却されるまでに過度の氾濫が生じ ることを意味する。ほとんどの蒸気凝縮システムでは、これは効率を低下させる が動作上の問題は与えない。しかしながら、小容量凝着冷蔵システム、特に周期 的システムは脱着サイクルの間に再び温まるので蒸発器を冷却できないかもしれ ない。従来の解決法の１つはバルブをある固定圧力まで蒸気で充填することであ る。蒸気の充填で、弁はバルブが凝縮の発生に十分であるほど冷却されるまで固 定圧力に蒸発器を制御し、凝縮温度の下では弁は真のＴＸＶとして作用する。し かしながら、限られたバルブ充填物では、バルブサーキット、たとえばダイヤフ ラムでのより冷たい点でのいかなる凝縮もバルブにおける凝縮を防ぎ、バルブ温 度は弁を制御しない。バルブはサーキットにおけるもっとも冷たい点でなければ ならず、さもなければダイヤフラムキャビティおよび毛管を満たし、さらにバル ブ内の液体を保持するための十分なバルブ充填物がなくてはならない。ダイヤフ ラムでの凝縮は弁を比較的暖かい位置に置くことによって避けられ得るが、これ は、効率を下げ、かつ小型システムにおける利用可能な冷却能力を著しく下げ得 る寄生冷却損失を加える。 上述の弁制御問題は、システム冷媒として用いられるのとは異なる蒸気圧力と 蒸気圧力対温度の勾配とでバルブ充填物を用いることによつて克服され得る。こ れはクロス充填として知られる。所望の弁応答をさまざまな蒸発器温度に与える クロス充填のための純粋な物質は毒性、危険性またはコストのためにしばしば存 在しないか適切でない。吸着剤の充填または混合物が純粋な物質でのクロス充填 に代わるものとして用いられる。蒸発器において用いられる同じ冷媒と蒸気圧力 抑制剤との混合物を含む吸着剤の充填がしばしばうまく働く。しかしながら、バ ルブ充填物溶液へのガスの急速な吸収を防ぐために、有極性物質を有することが 有益である。水素結合が可能な物質が同じ理由のために特に望ましい。 好ましいバルブ充填物により、予期されたすべての蒸発器温度に対する比較的 一定な過熱がもたらされることとなる。たとえば、バルブ充填物としてアンモニ アがアンモニア冷媒システムに用いられる場合、１０℃に対するばね力を−３５ ℃に設定すると、＋２０℃の蒸発器では１℃または２℃の過熱しかもたらされず 、暖かいバルブによる始動が困難になる。しかしながら、アンモニアと、水また はプロピレングリコールなどの適切な低蒸気圧の物質との混合物を用いると如何 なる蒸発器圧力においてもほぼ一定な過熱がもたらされ、はるかに少ないばね力 しか必要でない。 アンモニア冷媒に特に有用なバルブ収着剤充填物には、アンモニアと水との混 合物、アンモニアとアルコールとの混合物およびアンモニアとグリコールとの混 合物が含まれる。アンモニアは約５から約７０重量％の量で存在することが好ま しい。エーテル、グリコールエーテル、ポリエーテル、アミド、ポリアミド、エ ステルおよびポリエステルもまたアンモニアの吸着剤として適切であり、バルブ 充填物の１つのコンポーネントとして用いることができる。１０から５０重量％ のアンモニアを含む低級グリコール（エチレングリコール、プロビレングリコー ル）を用いる混合物は特に有用である。なぜなら、（１）分離が起こった場合に いずれのコンポーネントも予期された蒸発器温度で凍結することがなく、（２） 収着剤は有極性でありかつ水素結合可能であるため、アンモニアを吸着する強い 傾向を示し、（３）それらの値段は安く毒性が低いかまたは全く毒性を有さず、 （４）腐食性が低く、さらに（５）所望の温度応答および過熱をもたらすように 混合物の濃度を設定することができるからである。約４０％から９５％のジメチ ルエーテルを含む混合物における、プロピレングリコールおよび／またはエチレ ングリコールを含むジメチルエーテルもまたアンモニア冷媒として特に有用であ る。 多くのフルオロカーボン冷媒は有極性ではなく、水素結合不能である。このた め、冷媒がフルオロカーボンであり収着剤のバルブ充填物が望まれる場合には、 システム冷媒のものに近い蒸気圧力を有する有極性ガスを用い、蒸気圧力を低減 するために有極性吸着剤を添加し、それによりダイヤフラムなどにおける凝縮の 問題を回避するようにすることにより、バルブ充填物を選択すべきである。たと えば、冷媒としてＲ１３４ａ（テトラフルオロエタン）が用いられる場合、適切 なバルブ充填物には、約５％から８５％のアンモニアとジメチルエーテル−プロ ピレングリコールとを含有する、上述の水とアンモニアとの混合物、または約４ ５から９５重量％のジメチルエーテルを特に含有するエチレングリコール混合物 とが含まれる。約１０％から７０％のアンモニアを含有するアンモニアプロプレ ングリコールおよび／またはエチレングリコール混合物もまたテトラフルオロエ タンに特に有用である。 それが有極性でないためバルブ充填物の構成要素にシステム冷媒が理想的では ない場合の、バルブ充填物のための有用なガス−収着剤混合物には、ジメチルエ ーテル、低級エーテル（Ｃ₁−Ｃ₈）、低級脂肪族第３アミン（Ｃ₁−Ｃ₈）および 低級脂肪族ケトン（Ｃ₁−Ｃ₈）から選択されたガスと、プロピレングリコール、 エチレングリコール、アルコール、グリコールエーテル、ポリエーテル、エステ ル、ポリエステル、ジアルコール、トリアルコールおよびポリアルコール、ジア ミン、トリアミン、ポリアミン、アミド、ポリアミドおよび水から選択された吸 着剤とが含まれる。アルコール、グリコール、ジアルコール、トリアルコールポ リアルコール、エーテル、グリコールエーテル、ポリエーテル、アミド、ポリア ミド、エステル、ポリエステルおよび水から選択された吸着剤には、アンモニア 、メチルアミンおよび他の低級アミン（Ｃ₁−Ｃ₈）が用いられる。 バルブ充填物が選択されると、最大の冷媒流量における過熱の最大許容上昇を 決定し、この過熱上昇をバルブ圧力に変換することが望ましい。たとえば、−３ ５℃および１０℃の設計の過熱で動作するアンモニア蒸発器であり、バルブには ６６質量％のアンモニアと３４％のエチレングリコールとの混合物があり、最大 流量での過熱の許容上昇が１℃である場合、関連圧力は下記のとおりである。 蒸発器圧力−−３５℃で１３．５ｐｓｉａ バルブ圧力−１４．４ｐｓｉａ＠−２５℃（１０℃ ＳＨ） バルブ圧力−１５．１ｐｓｉａ＠−２４℃（１１℃ ＳＨ） 弁アウトレット制限部は、最大の冷媒流量で０．７ｐｓｉの圧力降下をもたら すようなサイズにされる。 特定的な例として、−３２℃の蒸発器において１５ワットから２５ワットで、 かつ５０℃から８０℃の凝縮器温度で動作された小さなアンモニア収着冷凍シス テムには下記のコンポーネント寸法を有する弁が使用された。 アウトレット制限部の直径：０．０５４ｃｍ（０．０２１インチ） インレットポートの直径：０．２０ｃｍ（０．０８インチ） 内部弁の体積（弁キャビティ）：１ｃｃ（０．０６立方インチ） システム蒸発器の体積：≒１５ｃｃ この発明の前述のサーモスタット膨張弁はバルブ側に冷媒が使用される場合に 過熱を制御するために用いることができ、かつダイヤフラムのバルブ側に一定の ガス圧力またはばね力を与えることにより蒸発器圧力を制御する圧力調整器とし て用いることができる。凝縮器圧力の制御圧力に対する影響は、凝縮器と熱的に 接触した状態でバルブ側にガス充填物を与えることによりキャンセルされ得る。 ダイヤフラム面積と弁ポート面積とを適切な比になるように選択することにより 、力の均衡に対する凝縮器圧力の影響は正常な動作範囲に対して完全にキャンセ ルすることができる。 この発明の弁は如何なる冷凍機／フリーザまたは蒸発器の液体冷媒の制御が必 要な他の冷却装置に用いられ得る。弁は、１２ｋｇ／時未満の冷媒流量を有する 比較的小容量のシステムに特に適する。さらに、このような弁の使用は、６ｋｇ ／時未満の冷媒流量を有するシステム、特に冷媒流量が３ｇｋ／時未満である場 合にさらに有益となる。冷媒流量がさらに少ない場合、たとえば上述のアンモニ ア冷媒システムに見られるように約５から７５ｇ／時である場合、この発明の弁 は非常に有益である。冷媒能力の機能について述べると、このような冷凍システ ムは典型的には１０００ワット未満のものであり、特に５００ワット未満であり 、より特定的には２５０ワット未満であり、最も特定的には１００ワット未満で ある。弁が有効にかつ最も有益に動作する容量の極めて小容量のアンモニア冷却 または冷凍システムは１０ワットから１００ワットまでの容量範囲である。 この弁は、フルオロカーボン冷媒ＣＦＣ、ＨＦＣおよびＨＣＦＣ、プロパンま たはブタンなどの無極性冷媒ならびに米国特許第５，４４１，９９５号および第 ５，４７７，７０８号に開示されているような有極性冷媒を用いるものを含む如 何なる冷媒システムに用いられてもよく、これらの記述は引用によって援用され る。この弁は、機械的圧縮機と、米国特許出願連続番号第０８／３９０，６７８ 号に記載され引用によって援用される、小容量の熱圧縮機収着冷凍装置とを用い る蒸気圧縮システムに有効である。このような装置は気体冷媒を交互に吸着およ び脱着することができる固体の収着組成物を含有する１つまたはそれ以上の収着 剤を有する。固体の収着剤は、ゼオライト、活性アルミナ、活性炭素、シリカゲ ルまたは金属水素化物などの周知の包接化合物を含む如何なる組成物であっても よい。米国特許第４，８４８，９９４号に開示されここに引用によって援用され るように、好ましい収着剤は金属塩上に有極性の気体冷媒を吸着させることによ り形成される錯化物である。特に好ましいものは、米国特許第５，２９８，２３ １号および第５，３２８，６７１号に開示されそれらの記述が引用によって援用 されるように、錯化物の体積膨張を制限することにより密度を最適にするプロセ スによって形成される錯化物である。このような錯化物は、このような体積膨張 制限および密度制御なく形成された錯化物の反応速度と比較して反応速度を実質 的に上昇することができる。このような収着剤は、金属塩、錯化物および上述の 包接化合物を有するそれらの混合物を含む。最も好ましい錯化物はアンモニアが 冷媒であるものである。 主に冷媒の用途に関してこの発明の弁を説明したが、これはまた冷媒以外の用 途にも圧力制御弁として有用である。圧力調整器としては、この弁は流量が少な く、かつ圧力調整器の調整がうまく制御されないときに最も有用である。弁キャ ビティの圧力に抗して用いられる圧力バイアスは、ばね圧力または流体圧力（液 体または気体）などの機械的手段によってもたらすことができる。

【手続補正書】 【提出日】平成１０年１１月１９日（１９９８．１１．１９） 【補正内容】 請求の範囲 １．開状態と閉状態との間でパルス化動作を行なうための弁アセンブリ装置であ って、 動作時に開閉が行なわれるインレットポートと前記インレットポートの開閉を 行なうための弁と、 アウトレットポートと、 前記インレットポートと前記アウトレットポートとの間にありかつそれらと連 通状態にある弁キャビティとを含み、 前記弁は、前記弁キャビティ内の圧力に応答して前記インレットポートの開閉 を行ない、それにおける圧力が上昇すると前記弁が偏って前記インレットポート を閉じ、そこにおける圧力が低下すると前記弁が偏って前記インレットポートを 開き、 前記インレットポートは前記アウトレットポートよりも大きく、それにより、 前記インレットポートを開くと前記キャビティに圧力が迅速に形成され、開いた 後にそれは迅速に閉じ、さらに前記弁がパルス化されて前記動作時に前記インレ ットポートの開閉を迅速に行なう、弁アセンブリ装置。 ２．請求項１の弁アセンブリ装置と、冷媒ガスを凝縮するための凝縮器と、熱的 にそれに晒された負荷を冷却するための蒸発器とを含み、前記インレットポート は前記凝縮器と連通し、凝縮された冷媒を受入れ、前記アウトレットポートは前 記蒸発器と連通し、液体冷媒をそれに方向付ける、冷凍装置。 ３．請求項１に記載の弁アセンブリ装置と、蒸発器とを含み、前記弁アセンブリ は、前記蒸発器の蒸気の過熱を制御するための制御アセンブリを含み、前記弁キ ャビティは前記蒸発器の体積よりも小さな体積を有する、装置。 ４．前記弁は、前記インレットポートが開いた後少なくとも２分の１秒内に前記 インレットポートを閉じることができる、請求項２または３に記載の装置。 ５．前記弁は、１秒間に６０回前記インレットポートの開閉を行なうことができ る、請求項１、２または３に記載の装置。 ６．前記弁に前記インレットポートを開かせるための外部バイアス圧力と連通す る圧力ポートを含む、請求項１、２または３に記載の装置。 ７．前記圧力ポートと協働するベローズまたはダイヤフラムを含む、請求項６に 記載の装置。 ８．前記弁に前記インレットポートを閉じさせるための偏らせ手段を含む、請求 項１、２または３に記載の装置。 ９．前記インレットポートが弁座を含み、前記弁は前記弁座を封止するための弁 プラグを含む、請求項１、２、３または８に記載の装置。 １０．前記偏らせ手段が、前記弁に前記インレットポートを閉じさせるためのば ねを含む、請求項８に記載の装置。 １１．前記インレットポートは前記アウトレットポートの少なくとも２倍よりも 大きい、請求項１、２または３に記載の装置。 １２．前記インレットポートは前記アウトレットポートの少なくとも１０倍より も大きい、請求項１、２または３に記載の装置。 １３．前記インレットポートは前記アウトレットポートのサイズの約１０倍から 約２０倍である、請求項１、２または３に記載の装置。 １４．前記偏らせ手段が前記弁アセンブリ上に圧力ポートを含み、前記圧力ポー トは、前記蒸発器と熱的に接触したバルブと協働して前記圧力ポートに外部圧力 を発生する、請求項２に記載の冷凍装置。 １５．前記弁アセンブリがダイヤフラムまたはベローズを含み、前記ダイヤフラ ムまたはベローズは、前記圧力ポートに晒され、前記外部圧力に応答して前記イ ンレットポートの開閉を行なう、請求項１４に記載の冷凍装置。 １６．前記バルブが前記蒸発器の過熱領域と熱的に接触し、前記蒸発器の蒸気温 度に比例した外部圧力を前記圧力ポートに発生する、請求項１４に記載の冷凍装 置。 １７．前記弁キャビティが、前記蒸発器の過熱領域の体積の約３０％未満の体積 を有する、請求項２に記載の冷凍装置。 １８．熱的または機械的圧縮機を含む、請求項２に記載の冷凍装置。 １９．前記熱的圧縮機が固体−ガス収着システムを含む、請求項２２に記載の冷 凍装置。 ２０．前記固体−ガスシステムが、錯化物、ゼオライト、活性炭素または金属水 素化物を含む、請求項１８に記載の冷凍装置。 ２１．前記冷媒がアンモニアであり、前記バルブ充填物はアンモニアとプロピレ ングリコールおよび／たはエチレングリコールとの混合物であり、前記混合物は 約１０から５０重量％のアンモニアを含有する、請求項１４に記載の冷凍装置。 ２２．前記冷媒がアンモニアであり、前記バルブ充填物はアンモニアと水との混 合物であり、前記混合物は約５から７０重量％のアンモニアを含有する、請求項 １４に記載の冷凍装置。 ２３．前記冷媒がアンモニアであり、前記バルブ充填物は、ジメチルエーテルと プロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールとの混合物であり、前 記混合物は４０から９５重量％のジメチルエーテルを含有する、請求項１４に記 載の冷凍装置。 ２４．前記冷媒がフルオロカーボンであり、前記バルブ充填物は、アンモニア、 プロピレングリコール、エチレングリコール、ジメチルエーテルまたは水である か、またはそれらの混合物である、請求項１４に記載の冷媒装置。 ２５．前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記バルブ充 填物は、ジメチルエーテルとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリ コールとの混合物であり、前記混合物は約４０から９５重量％のジメチルエーテ ルを含む、請求項２４に記載の冷凍装置。 ２６．前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記バルブ充 填物は水とアンモニアとの混合物であり、前記混合物は約５から８５重量％のア ンモニアを含有する、請求項２４に記載の冷凍装置。 ２７．前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記バルブ充 填物はアンモニアとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールと の混合物であり、前記混合物は約１０から７０重量％のアンモニアを含有する、 請求項２４に記載の冷凍装置。 ２８．前記冷媒はアンモニアであり、前記バルブは、アンモニアと、アルキレン グリコール、アルコール、エーテル、グリコールエーテル、ポリエーテル、アミ ド、ポリアミド、エステル、ポリエステル、水およびそれらの混合物からなるグ ループから選択された吸着剤との混合物を含有する、請求項１４に記載の冷媒装 置。 ２９．前記冷媒がフルオロカーボンであり、前記バルブは、脂肪族エーテル、低 級脂肪族第三アミンまたは低級脂肪族ケトンを含むガスの混合物を含有し、吸着 剤は、アルキレングリコール、アルコール、グリコールエーテル、ポリエーテル 、エステル、ポリエステル、ポリアルコール、ポリアミン、アミドまたはポリア ミドを含む、請求項１４に記載の冷凍装置。 ３０．１，０００ワット以下の冷却能力を有する、請求項１３に記載の冷凍装置 。 ３１．１２キログラム毎時未満の冷媒流量を含む、請求項１３に記載の冷凍装置 。 ３２．前記インレットポートを閉じた後の前記弁キャビティの圧力減衰の応答時 間が、前記蒸発器に冷媒を加えた後のバルブ圧力応答時間よりも短い、請求項１ ４に記載の冷凍装置。 ３３．前記圧力減衰応答時間が前記バルブ圧力応答時間の３分の１未満である、 請求項３２に記載の冷凍装置。 ３４．１２ｋｇ／時未満の速度で前記弁アセンブリから前記蒸発器に液体の冷媒 を与え、前記動作時に開閉を行なうよう前記インレットポートをパルス化するス テップをさらに含む、請求項２または３に記載の弁アセンブリを動作するための 方法。 ３５．前記弁アセンブリからの前記冷媒の流速が６ｋｇ／時未満である、請求項 ３４に記載の方法。 ３６．前記弁アセンブリからの前記冷媒の流速が３ｋｇ／時未満である、請求項 ３４に記載の方法。 ３７．前記弁アセンブリからの前記冷媒の流速が約５グラム／時から約７５グラ ム／時である、請求項３４に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 チャンドラー，トラビス アメリカ合衆国、89005 ネバダ州、ボウ ルダー・シティ、ロビンソン・レーン、 884

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．開状態と閉状態との間でパルス化動作を行なうための弁アセンブリ装置であ って、 動作時に開閉が行なわれるインレットポートと前記インレットポートの開閉を 行なうための弁と、 アウトレットポートと、 前記インレットポートと前記アウトレットポートとの間にありかつそれらと連 通状態にある弁キャビティとを含み、 前記弁は、前記弁キャビティ内の圧力に応答して前記インレットポートの開閉 を行ない、それにおける圧力が上昇すると前記弁が偏って前記インレットポート を閉じ、そこにおける圧力が低下すると前記弁が偏って前記インレットポートを 開き、 前記インレットポートは前記アウトレットポートよりも大きく、それにより、 前記インレットポートを開くと前記キャビティに圧力が迅速に形成され、開いた 後にそれは迅速に閉じ、さらに前記弁がパルス化されて前記動作時に前記インレ ットポートの開閉を迅速に行なう、弁アセンブリ装置。 ２．請求項１の弁アセンブリ装置と、冷媒ガスを凝縮するための凝縮器と、熱的 にそれに晒された負荷を冷却するための蒸発器とを含み、前記インレットポート は前記凝縮器と連通し、凝縮された冷媒を受入れ、前記アウトレットポートは前 記蒸発器と連通し、液体冷媒をそれに方向付ける、冷凍装置。 ３．請求項１に記載の弁アセンブリ装置と、蒸発器とを含み、前記弁アセンブリ は、前記蒸発器の蒸気の過熱を制御するための制御アセンブリを含み、前記弁キ ャビティは前記蒸発器の体積よりも小さな体積を有する、装置。 ４．前記弁は、前記インレットポートが開いた後少なくとも２分の１秒内に前記 インレットポートを閉じることができる、請求項２または３に記載の装置。 ５．前記弁は、１秒間に６０回前記インレットポートの開閉を行なうことができ る、請求項１、２または３に記載の装置。 ６．前記弁に前記インレットポートを開かせるための外部バイアス圧力と連通す る圧力ポートを含む、請求項１、２または３に記載の装置。 ７．前記圧力ポートと協働するベローズまたはダイヤフラムを含む、請求項６に 記載の装置。 ８．前記弁に前記インレットポートを閉じさせるための偏らせ手段を含む、請求 項１、２または３に記載の装置。 ９．前記インレットポートが弁座を含み、前記弁は前記弁座を封止するための弁 プラグを含む、請求項１、２、３または８に記載の装置。 １０．前記偏らせ手段が、前記弁に前記インレットポートを閉じさせるためのば ねを含む、請求項８に記載の装置。 １１．前記インレットポートは前記アウトレットポートの少なくとも２倍よりも 大きい、請求項１、２または３に記載の装置。 １２．前記インレットポートは前記アウトレットポートの少なくとも１０倍より も大きい、請求項１、２または３に記載の装置。 １３．前記インレットポートは前記アウトレットポートのサイズの約１０倍から 約２０倍である、請求項１、２または３に記載の装置。 １４．前記偏らせ手段が前記弁アセンブリ上に圧力ポートを含み、前記圧力ポー トは、前記蒸発器と熱的に接触したバルブと協働して前記圧力ポートに外部圧力 を発生する、請求項２に記載の冷凍装置。 １５．前記弁アセンブリがダイヤフラムまたはベローズを含み、前記ダイヤフラ ムまたはベローズは、前記圧力ボートに晒され、前記外部圧力に応答して前記イ ンレットポートの開閉を行なう、請求項１４に記載の冷凍装置。 １６．前記バルブが前記蒸発器の過熱領域と熱的に接触し、前記蒸発器の蒸気温 度に比例した外部圧力を前記圧力ポートに発生する、請求項１４に記載の冷凍装 置。 １７．前記弁キャビティが、前記蒸発器の過熱領域の体積の約３０％未満の体積 を有する、請求項２に記載の冷凍装置。 １８．熱的または機械的圧縮機を含む、請求項２に記載の冷凍装置。 １９．前記熱的圧縮機が固体−ガス収着システムを含む、請求項２２に記載の冷 凍装置。 ２０．前記固体−ガスシステムが、錯化物、ゼオライト、活性炭素または金属水 素化物を含む、請求項１８に記載の冷凍装置。 ２１．前記冷媒がアンモニアであり、前記バルブ充填物はアンモニアとプロピレ ングリコールおよび／またはエチレングリコールとの混合物であり、前記混合物 は約１０から５０重量％のアンモニアを含有する、請求項１４に記載の冷凍装置 。 ２２．前記冷媒がアンモニアであり、前記バルブ充填物はアンモニアと水との混 合物であり、前記混合物は約５から７０重量％のアンモニアを含有する、請求項 １４に記載の冷凍装置。 ２３．前記冷媒がアンモニアであり、前記バルブ充填物は、ジメチルエーテルと プロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールとの混合物であり、前 記混合物は４０から９５重量％のジメチルエーテルを含有する、請求項１４に記 載の冷凍装置。 ２４．前記冷媒がフルオロカーボンであり、前記バルブ充填物は、アンモニア、 プロピレングリコール、エチレングリコール、ジメチルエーテルまたは水である か、またはそれらの混合物である、請求項１４に記載の冷媒装置。 ２５．前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記バルブ充 填物は、ジメチルエーテルとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリ コールとの混合物であり、前記混合物は約４０から９５重量％のジメチルエーテ ルを含む、請求項２４に記載の冷凍装置。 ２６．前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記バルブ充 填物は水とアンモニアとの混合物であり、前記混合物は約５から８５重量％のア ンモニアを含有する、請求項２４に記載の冷凍装置。 ２７．前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記バルブ充 填物はアンモニアとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールと の混合物であり、前記混合物は約１０から７０重量％のアンモニアを含有する、 請求項２４に記載の冷凍装置。 ２８．前記冷媒はアンモニアであり、前記バルブは、アンモニアと、アルキレン グリコール、アルコール、エーテル、グリコールエーテル、ポリエーテル、アミ ド、ポリアミド、エステル、ポリエステル、水およびそれらの混合物からなるグ ループから選択された吸着剤との混合物を含有する、請求項１４に記載の冷媒装 置。 ２９．前記冷媒がフルオロカーボンであり、前記バルブは、脂肪族エーテル、低 級脂肪族第三アミンまたは低級脂肪族ケトンを含むガスの混合物を含有し、吸着 剤は、アルキレングリコール、アルコール、グリコールエーテル、ポリエーテル 、エステル、ポリエステル、ポリアルコール、ポリアミン、アミドまたはポリア ミドを含む、請求項１４に記載の冷凍装置。 ３０．１，０００ワット以下の冷却能力を有する、請求項１３に記載の冷凍装置 。