JP2008517244A - 冷却システムにおいて使用されるバルブ - Google Patents

Abstract

冷却システムのバルブ（４）。動作式に接続された２つのダイアフラム（８、１０）を備える。一方のダイアフラム（８）は冷却剤と接触し、他方（１０）は充填流体と接触する。２つのダイアフラム（８、１０）は、異なる活動領域を有することが可能である。２つのダイアフラム（８、１０）間の接続と組み合わされて、これにより充填流体と冷却剤の間に「圧力伝達装置」が提供される。冷却剤の圧力が高いときでも、充填流体の圧力が比較的低いことが可能になり、一方バルブ（４）が適切に機能することができることを保証する。ＣＯ₂システムなど高圧冷却システムに特に適している。

Description

本発明は、冷却システムにおいて使用されるバルブ、具体的にはサーモスタット膨張バルブなどの膨張バルブに関する。本発明のバルブは、ＣＯ₂冷却システムなど、冷却剤が比較的高い圧力を有する冷却システムにおいて使用するのに特に適している。

サーモスタット膨張バルブは、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ｃなど、従来の冷却剤を使用する冷却システムにおいてこれまで使用されてきた。この場合、膨張バルブは、蒸発器の出口側における過熱を規制するスロットル・バルブとして通常機能する。これは通常、蒸発器の出口に配置されたセンサによって行われる。膨張バルブがＣＯ₂冷却システムにおいて使用されるとき、膨張バルブは、上述されたようにスロットル・バルブとして依然として機能する。しかしこの場合、膨張バルブは、蒸発器の出口側における過熱を規制しない。代わりに膨張バルブは、いくつかの場合には気体冷却器とも呼ばれる熱エミッタの圧力を規制する。

圧力の規制中、最適性能係数（ＣＯＰ）を得ることが通常行われる。ＣＯ₂冷却システムが超臨界的に実行されるとき、熱エミッタの特有の圧力は、原理的には、最適ＣＯＰを得るために、蒸発器の蒸発温度と熱エミッタの出口温度との各組合せに結合される。熱エミッタの圧力は、通常、サーモスタット膨張バルブと気体／液体混合物で充填されたセンサによって規制される。このセンサは、従来のシステムのセンサと同様に機能する。すなわち、熱エミッタの出口で測定された温度は、バルブの閉鎖要素を変位させるために使用される対応する圧力に変換される。米国特許第５８９０３７０号明細書は、最適ＣＯＰを得ることに関するさらなる詳細を開示している。

従来の冷却剤を使用する冷却システムの技術の膨張バルブでは、センサ室と蒸発圧力室が設けられている。これらの室は、ダイアフラムによって分離される。バルブを適切に機能させるために、両側からダイアフラムに作用する力、すなわち２つの室の圧力によって生じる力は、同程度の大きさなど、同等なサイズでなければならない。両方の圧力ともダイアフラムの等しい領域に作用するので、これは、２つの圧力が同等なサイズでなければならないことを意味する。これは通常、動作中のそのようなシステムにおける冷却剤の圧力は通常は比較的低く、一般に約１〜１２バールであるので、従来の冷却剤を使用する冷却システムでは通常問題ではないが、いくつかの状況では、バルブは、最高で約４２バールの圧力を受けることがある。そのような圧力が費用効果の高い方式で存在するシステムを構築することがよく知られている。

しかし、ＣＯ₂などの高圧冷却剤を使用する冷却システムが所望されるとき、冷却剤の圧力は通常、約６０〜９０バール程度に高くなる。これは、バルブ、具体的にはダイアフラムだけでなくセンサ室や蒸発室の壁などのダイアフラムを囲む部品の材料の耐久性、強度、厚さに対して厳しい要件を課し、それにより生産コストが上昇し、製造プロセスはより難しくなる。

したがって、本発明の目的は、高圧冷却剤を使用するシステムで使用するのに適切な冷却システムにおいて使用されるバルブを提供することである。

本発明の他の目的は、高圧冷却システムで使用するのに適切なバルブを提供することであり、バルブは、低圧冷却システムのバルブに適切な標準的な部品によって製造される。

本発明の他の目的は、バルブの様々な部品に作用する力が、従来のバルブの様々な部品に作用する力と比較して低減され、高圧冷却システムで使用するのに適切なバルブを提供することである。

本発明の他の目的は、製造が容易で費用効果が高い一方、同時に使用中にバルブに加えられる力と応力に耐えることができるバルブを提供することである。

本発明によれば、上記の目的および他の目的は、バルブを提供することによって達成され、そのバルブは、開状態または閉状態にあるように適合され、バルブが開状態にあるとき、冷却剤が入口から出口に向かって移動することが可能であり、前記移動は、バルブが閉状態にあるとき、実質的に防止され、バルブは、
第１圧力を有する冷却剤と流体接触する第１活動領域と第１の側を有し、バルブを開状態と閉状態にする第１ダイアフラムと、
第２圧力を有する充填流体と流体接触する第２活動領域および第１の側を有する第２ダイアフラムとを備え、
第１ダイアフラムと第２ダイアフラムは、第１ダイアフラム／第２ダイアフラムの移動により、第２ダイアフラム／第１ダイアフラムの対応する移動が生じるように、動作式に接続され、第１活動領域と第２活動領域および第１圧力と第２圧力は、冷却剤から第１活動領域に作用する力が、第２ダイアフラムから第１活動領域に作用する力とほぼ同程度の大きさであり、かつ反対向きであるように選択される。

冷却剤は、液体、気体、および／または液体／気体混合物など、流体である。

本発明の文脈では、「活動領域」という用語は、バルブの制御に関与する力を生成するそれぞれのダイアフラムの部分を意味すると解釈されたい。したがって、活動領域は、それぞれのダイアフラムの全領域とすることが可能であるが、ダイアフラムの残りの部分が移動を防止される、または隣接室の流体と接触していない場合などでは、ダイアフラムの全領域の単に小部分とすることも可能である。

第１ダイアフラムは、バルブの開状態と閉状態を形成させるので、第１ダイアフラムは、開状態と閉状態のバルブの２つの状態間において移動可能である。しかし開状態は、実際には、様々な量の冷却剤が通過することができるダイアフラムの様々な位置によって決めることが可能である。「開状態」は、単位時間当たりに通過する冷却剤の量を、ダイアフラムを適切に配置することによって所望の値に設定することが可能である連続的にまたは無限に可変の状態とすることさえ可能である。さらに、第１ダイアフラムは、第１ダイアフラムが閉状態にあるとき、入口と出口の間の流体通路を少なくとも実質的に遮断し、かつ第１ダイアフラムが開状態にあるとき、通路を遮断しないように、すなわち、第１ダイアフラムにより、ダイアフラムの位置に対応する冷却剤の量が通過することが可能になるように、冷却剤の入口と出口に対して配置されることが好ましい。ダイアフラムが閉状態にあるときに流体が通過することが可能であるいくつかの場合では、この流体の流れは、ダイアフラムが開状態にあるときの流体の流れよりかなり小さいことを理解されたい。

本発明の文脈では、「動作式に接続される」という用語は、１つのダイアフラムの運動が他のダイアフラムの対応する運動に変換されることを保証する２つのダイアフラム間のある種類の接続を意味すると解釈されたい。そのような接続は、機械的な種類である、たとえば１つまたは複数の部分を備える２つのダイアフラム間の物理的な接続であることが好ましい。

本発明の文脈では、「同程度の大きさ」という用語は、因子１０以内など、同等なサイズを意味すると解釈されたい。力は、第１バルブの一方または他方の面に作用する力が実際の動作条件下において実際に変化することにより、第１ダイアフラムが移動することができ、それによりバルブの開状態から閉状態、またはその反対に切り替わるという意味で同等である。

バルブが２つの動作式に接続されたダイアフラムを備えるということにより、第１圧力／第２圧力を第１活動領域／第２活動領域に作用させ、その後これらの力が接続を介して第２ダイアフラム／第１ダイアフラムに伝達される可能性が開かれる。したがって、第１圧力と第２圧力は、必ずしも同等なサイズである必要はない。第１圧力と第２圧力が異なるサイズであるように選択される場合、第１活動領域の両側に作用する同程度の大きさの力を提供するために必要なことは、適切な相対サイズを有するように第１活動領域と第２活動領域を選択することである。

これは、ＣＯ₂冷却システムなどの高圧冷却システムの場合に特に有利である。この場合の動作中の冷却剤の圧力が比較的高い場合でも（通常、約６０〜９０バール）、動作中の充填流体の圧力はそのように高い必要はなく、通常、約７〜２０バールであるように選択することができる。この場合、第２圧力によって第２ダイアフラムに作用し、その後第１ダイアフラムに伝達される力が、第１圧力によって第１ダイアフラムに直接作用する力に対しサイズが同等であることを保証するために、第２活動領域は、第１活動領域より大きいことが必要である。このようにして、ある種類の「圧力伝達装置」が、冷却剤と充填流体の間に形成される。

したがって、充填流体の圧力が比較的低くなるように選択することができるとき、特別に設計または強化されたバルブの部品を用意することはもはや必要ではない。代わりに、低圧冷却システムにおいて使用するのに適切なバルブ用に製造された標準的な部品を使用することが可能である。これにより、製造コストがかなり抑えられる。さらに、具体的には高圧冷却システム用の部品を製造しなければならない代わりに、標準的な部品を使用することができると、バルブの製造ははるかにより容易になる。

したがって、本発明のバルブは、冷却剤がＣＯ₂などの高圧流体である冷却システムで使用されるのに特に適している。

好ましい実施態様では、第１圧力は、上述されたように第２圧力よりかなり大きい。この場合、バルブの様々な部品、具体的にはダイアフラムは、強化される必要はなく、標準的な部品を使用することが可能である。

代替として、第２圧力は、第１圧力よりかなり大きい場合もあり、または２つの圧力の差は、比較的小さくすることも可能である。さらに、２つの圧力は、同等のサイズとすることが可能である。

一実施態様では、第２活動領域は、第１活動領域よりかなり大きくすることが可能である。上述されたように、これにより、第１圧力は、第２圧力が高いことを必要とせずに、比較的高くすることが可能であり、一方、同時にダイアフラムの第１の側と第２の側に作用する力は同等のサイズであることを保証し、それにより、バルブが適切に機能することができることを保証する。

代替として、第１活動領域は、第２活動領域よりかなり大きくすることが可能である。

バルブは、第１ダイアフラムおよび／または第２ダイアフラムの移動を限定する手段をさらに備えることが可能である。これは、ダイアフラムに加えられる力に関係なく、ダイアフラムが、ダイアフラムを損傷する可能性があるレベルの応力を受けないことを保証する。ダイアフラムの移動を限定する手段は、第１の側に対向する面において、すなわち冷却剤または充填流体からそれぞれ離れて面して、当該ダイアフラムに隣接して配置された１つまたは複数のスラスト・パッドを備えることが有利である。したがって、ダイアフラムがそれぞれの流体の圧力による力によって影響を受けるとき、ダイアフラムは、流体から離れる１つの方向にある距離を超えて移動することが防止される。ある距離進行した後、ダイアフラムはスラスト・パッドに隣接し、それによりさらに移動することが防止されるからである。

バルブは、バルブが閉状態にあるとき、冷却剤が入口から出口に向かって放出されることを可能にする手段をさらに備えてもよい。バルブが非常に緊密である場合、バルブが閉状態にあるとき、冷却剤が入口から出口に向かって移動することは不可能である。この場合、バルブが閉状態にある間、入口部分と出口部分の圧力差は比較的高いレベルに維持される。バルブが閉状態にある間に圧縮器が始動されるとき、圧縮器は、この比較的大きい圧力差に対抗して開始されなければならない。これは、困難であることが判明している。したがって、ある種の圧力均衡を提供するために、入口から出口に向かって冷却剤を放出させることを可能にする手段を設けることが有利である。

流出は、バルブが閉状態にあるとき、第１ダイアフラムによって覆われるノズルにおける少なくとも１つの溝の形態において提供することが可能である。そのような溝は、通常、比較的小さく、たとえば通常のバルブでは約０．１ｍｍ²である。あらゆる事象において、溝は、バルブが閉状態にあるとき、圧縮器がオフに切り替えられる通常の最小時間間隔に対応する時間間隔中に圧力が均衡されるように寸法決めされるべきである。

好ましい実施態様では、充填流体は、プロピレン（Ｒ−１２７０）またはプロパン（Ｒ−２９０）など、ほぼ純粋な流体である。通常、圧力と温度の望ましい関係を得るために、充填流体の混合物が選択される。残念ながら、これらの種類の混合充填流体の圧力と温度の関係は、あまりよくは確定されていない。したがって、純粋な流体を充填流体として使用することが可能であることが本発明の利点であるが、その理由は、これらの流体の圧力と温度の関係は、十分に確定されているからである。

第２ダイアフラムから第１活動領域に作用する力は、第２活動領域に作用する充填流体の圧力から生じることが好ましい。したがって、好ましい実施形態では、第２活動領域は、充填流体の圧力によって影響を受ける。それにより第２ダイアフラム、または第２ダイアフラムの少なくとも活動領域、すなわち第２活動領域は、充填流体を包含する室から離れる方向に移動する。第１ダイアフラムと第２ダイアフラムの間の接続のために、第１ダイアフラムも冷却剤に向かう方向に移動する。

第１ダイアフラムと第２ダイアフラムはそれぞれ、第２の側を備えることが好ましい。第１ダイアフラムの第２の側と第２ダイアフラムの第２の側は、ほぼ同じ圧力を受ける。第１ダイアフラムと第２ダイアフラムは、この場合、たとえば所望の圧力を有する大気空気などの流体を包含する、ほぼ閉じた室の一部を形成する。室の圧力は、通常ほぼ大気圧である第１圧力と第２圧力よりはるかに小さいことが好ましい。この場合、室の圧力のためにダイアフラムの活動領域に作用する力は、ダイアフラムに作用する残りの力と比較して無視できる。

バルブは、バルブが閉状態にあるとき、バルブのバルブ・シートに隣接し、それにより、冷却剤が入口から出口に向かって移動することを防止し、かつバルブが開状態にあるとき、バルブ・シートに隣接しない閉鎖要素をさらに備えることが可能である。閉鎖要素は、第１ダイアフラムの移動により、閉鎖要素がバルブ・シートに隣接する、またはバルブ・シートから取り外されるような方式で、第１ダイアフラムに動作式に接続される分離要素とすることが可能である。代替として、閉鎖要素は、第１ダイアフラムとする、または第１ダイアフラムを備えることが可能である。この場合、バルブは、第１ダイアフラムがバルブ・シートに隣接するとき、閉状態にあり、第１ダイアフラムがバルブ・シートに隣接しないとき、開状態にある。

本発明によるバルブは、ＣＯ₂冷却システムなど、具体的には高圧冷却システムである冷却システムにおいて使用されるのに特に適している。バルブとは別に、そのようなシステムは、通常、蒸発器、圧縮器、および熱エミッタを備える。

ここで、添付の図面を参照して、本発明を記述する。

図１は、蒸発器１、圧縮器２、熱エミッタ３、膨張バルブ４を備える冷却システムの概略図である。バルブ４は、熱エミッタ３の出口側の温度を感知するセンサ５によって制御される。バルブ４の入口は熱エミッタ３の出口に接続される。これにより、バルブ４のバルブ室の圧力は、熱エミッタ３の圧力と同じになる。この圧力は、バルブ４の第１ダイアフラムの第１の側に作用する（以下参照）。センサ５は、充填流体を包含し、かつバルブ４の第２ダイアフラムの第１の側と接触している毛細管に接続される（以下参照）。したがって、熱エミッタ３の出口側の温度変化により、充填流体の圧力が変化し、それにより第２ダイアフラムが移動する。

図１に示された冷却システムは、上述されたように、最適ＣＯＰにおいて動作する、または最適ＣＯＰに近いことが好ましい。原理的には、最適ＣＯＰが望ましいとき、熱エミッタ３のある圧力が蒸発器１における蒸発器温度と熱エミッタ３の出口における温度の各組合せに対応する場合でも、蒸発温度に対する依存性はほとんど無視できることがわかっている。したがって、熱エミッタ３の最適ＣＯＰ圧力は、たとえば−１０℃から１０℃の蒸発温度においてほとんど同じであり、したがって、蒸発温度は、最適ＣＯＰを得るのに些少な役割のみを果たし、結果として無視することができる。

図２は、本発明によるバルブ４の断面図である。図は、それぞれ冷却剤をバルブ４に向け、かつバルブ４から出るようにするための入口部分６と出口部分７を示す。バルブ４は、第１スラスト・パッド９によって区画される活動領域を有する第１ダイアフラム８を備える。バルブ４は、活動領域を有する第２ダイアフラム１０と第２スラスト・パッド１１をさらに備える。第２ダイアフラム１０の活動領域は、第１ダイアフラム８の活動領域より大きい。

第１ダイアフラム８と第２ダイアフラム１０は、第１スラスト・パッド９、第２スラスト・パッド１１、バルブ・ロッド１２、球１３を介して接続される。球１３は、バルブ・ロッド１２と第１スラスト・パッド９の間で伝達される力が、適切な方式で、すなわちダイアフラムのいずれかにおいて応力を生じずに伝達されることを保証する。

バルブ４は、充填流体を包含する毛細管１４をさらに備える。毛細管１４は、バルブに流体接続され、バルブ４が挿入される冷却システムの熱エミッタの出口側の温度を感知するセンサ（図示せず）として作用する。この感知は、バルブ４を制御するために使用される。毛細管１４は、第２ダイアフラム１０の第１の側と流体接続する。したがって、充填流体の圧力は、第２ダイアフラム１０の活動領域に作用する。さらに、この圧力は、第２ダイアフラム１０、スラスト・パッド９、１１、バルブ・ロッド１２、球１３を介して第１ダイアフラム８の活動領域に作用する。それにより、ダイアフラム８、１０の間のある種類の「圧力伝達装置」が形成され、その結果、冷却剤システム６、７の冷却剤の圧力と同程度に高い充填流体の圧力を毛細管１４において維持することは必要ではない。したがって、バルブ４が高圧冷却システムにおいて使用される場合、高圧に関わる力を耐えることができる毛細管１４または第２ダイアフラム１０などの特別な部品を製造する必要はない。それにより、低圧冷却システムにおいて使用されることを当初意図していたバルブ４の標準的な部品を使用することが可能である。標準的な部品が、毛細管１４と第２ダイアフラム１０を備えるバルブ４の部品を含む。これは非常に有利であり、バルブ４の生産コストを大きく下げる。

ダイアフラム８、１０の間に、室１５が形成される。この室１５は、通常、大気空気または大気圧力の他の適切な気体を含む。それにより、第１ダイアフラム８と第２ダイアフラム１０の活動領域は、この気体の圧力に曝される。しかし、室１５の圧力は、通常、冷却剤システム６、７や毛細管１４の圧力よりはるかに小さい。したがって、ダイアフラム８、１０に作用し、かつ室１５の圧力から生じる力は、通常、ダイアフラム８、１０の活動領域に作用し、かつ冷却剤または充填流体の圧力からそれぞれ生じる力や、接続構成９、１１、１２、１３を介して他のダイアフラム８、１０に作用する力と比較して無視できる。したがって、ダイアフラム８、１０の活動領域に作用する結果的な力を見るとき、後者の力を考慮すれば十分である。

バルブ４は、バルブ４が開状態にあるとき、入口部分６と出口部分７の間に冷却剤を誘導するためのノズル１６をさらに備える。ノズル１６は、バルブ４の下方部分１７の一体的一部として形成される。これは、生産の観点から有利であるが、その理由は、バルブ４を可能な限り少ない部品で製造することは、はるかにより容易で、かつ費用効果が高いからである。これは、バルブ４を構成する様々な部品が共に非常に精確に嵌合される必要があり、したがって部品が多くなると、各部品がより精確に製造される必要があるからである。しかし代替として、ノズル１６は、バルブ４の下方部分１７に嵌合される別々の部品として形成することが可能である。

図３は、図２でＢと示されたバルブ４の部分の拡大である。したがって、図３は、第１ダイアフラム８の一部、第１スラスト・パッド９の一部、ノズル１６の一部を示す。ノズル１６は、その上方部分に形成された一対の溝１８を有する。バルブ４が閉状態にあるとき、冷却剤は、理想的には入口部分６から出口部分７に移動することを防止されるべきである。しかし、上記で説明したように、これはいくつかの欠点を生じるが、その理由は、バルブが閉状態にあるとき、圧力差が入口部分６と出口部分７の間に存在するからである。冷却システムの圧縮器は、バルブが閉状態にあるとき、この圧力差に対抗して始動させるのが難しい。溝１８により、バルブ４が閉状態にあるとき、少量の冷却剤がバルブ４を通過することができ、それにより入口部分６と出口部分７で圧力が均衡する。溝１８は、圧力の均衡が、通常は圧縮器が切り替えられる最小時間の時間スケールで提供されるように寸法決めされる。この時間スケールは、通常、５〜１０分程度の大きさである。通常のバルブでは、各溝１８のサイズは、この場合、約０．１ｍｍ²である。

本発明によるバルブを備える冷却システムの概略図である。 本発明によるバルブの断面図である。 図２においてＢと示された部分の拡大図である。

Claims (14)

1. 開状態または閉状態にあるように適合されたバルブ（４）であって、前記バルブ（４）が開状態にあるとき、冷却剤が入口（６）から出口（７）に向かって移動することが可能であり、前記移動が、前記バルブ（４）が閉状態にあるとき実質的に防止され、
   第１圧力を有する冷却剤と流体接触している第１活動領域と第１の側を有し、前記バルブ（４）の開状態と閉状態を決める第１ダイアフラム（８）と、
   第２圧力を有する充填流体と流体接触している第２活動領域と第１の側を有する第２ダイアフラム（１０）とを備え、
   前記第１ダイアフラム（８）／第２ダイアフラム（１０）が、前記第１ダイアフラム（８）／第２ダイアフラム（１０）の移動により、前記第２ダイアフラム（１０）／第１ダイアフラム（８）の対応する移動が生じるような方式で動作するように接続され、前記第１活動領域と前記第２活動領域および前記第１圧力と前記第２圧力が、前記冷却剤から前記第１活動領域に作用する力が、前記第２ダイアフラム（１０）から前記第１活動領域に作用する力とほぼ同程度の大きさであり、かつ反対向きであるように選択される、バルブ（４）。
2. 前記冷却剤が高圧流体である請求項１に記載のバルブ（４）。
3. 前記冷却剤がＣＯ₂である請求項２に記載のバルブ（４）。
4. 前記第１圧力が、前記第２圧力よりかなり大きい前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
5. 前記第２活動領域が、前記第１活動領域よりかなり大きい前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
6. 前記第１ダイアフラム（８）の移動を限定する手段（９）をさらに備える前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
7. 前記第２ダイアフラム（１０）の移動を限定する手段（１１）をさらに備える前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
8. 前記バルブ（４）が閉状態にあるとき、冷却剤が前記入口（６）から前記出口（７）に向かって放出されることを可能にする手段（１８）をさらに備える前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
9. 前記充填流体がほぼ純粋な流体である前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
10. 前記第２ダイアフラム（１０）から前記第１活動領域に作用する力が、前記第２活動領域に作用する前記充填流体の圧力から生じる前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
11. 前記第１ダイアフラム（８）と前記第２ダイアフラム（１０）がそれぞれ、第２の側を備え、前記第１ダイアフラム（８）の前記第２の側と前記第２ダイアフラム（１０）の前記第２の側がほぼ同じ圧力を受ける前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
12. 前記バルブ（４）が閉状態にあるとき、前記バルブ（４）のバルブ・シートに隣接する閉鎖要素をさらに備え、それにより、冷却剤が前記入口（６）から前記出口（７）に向かって移動することを防止し、前記バルブ（４）が開状態にあるとき、前記閉鎖要素は前記バルブ・シートに隣接しない前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）。
13. 前記閉鎖要素が前記第１ダイアフラム（８）である請求項１２に記載のバルブ（４）。
14. 蒸発器（１）、圧縮器（２）、熱エミッタ（３）、前記請求項のいずれかに記載のバルブ（４）を備える冷却システム。

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