JP2020016256A - 温度感応型制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却を必要とする熱源を冷却する冷却装置の冷媒供給用の配管に設けられる温度感応制御弁において、周囲の雰囲気温度の影響を低減する。【解決手段】サーモエレメント２０のピストン２３をガイド部２２ａの端部から突出及び没入可能に設ける。冷媒を流す弁ポート１３を弁体３で開閉する弁装置本体１０を備える。弁体３を含む構造部をダイヤフラム４３にて密閉封止する。上ケース４２の円筒部４２ａによりサーモエレメント２０のガイドケース２２、ピストン２３及び感温部側基部２１ｂを収容する。サーモエレメント２０の感温部２１ａを円筒部４２ａから露出させる。感温部２１ａを熱伝導率の高い銅材とし、上ケース４２（円筒部４２ａ）を熱伝導率の低いステンレス製とする。【選択図】図１

Description

本発明は、熱源を冷却する冷却装置等に冷媒を供給する温度感応型制御弁に関する。

従来、例えば情報処理分野において、サーバ等の大量に発熱するシステムを循環冷媒によって冷却することが行われている。例えば、特開２００９−２２４４０６号公報（特許文献１）には、ブレードサーバのラックに対して冷却装置を配置し、ラック内を冷却する排熱利用システムが開示されている。また、特開２０１７−６７１６４号公報（特許文献２）には、熱源の温度を感知するのに適したサーモエレメント及びピストン組立体が開示されている。

特開２００９−２２４４０６号公報 特開２０１７−６７１６４号公報

特許文献１の技術では、冷却水（冷媒）により冷却を行うようにしているが、サーバ等の機器では、動作状態に応じて発生する熱量が大きく変化する。このため、熱源が設定温度に達した場合、即時に弁ポートを大きく開き、冷却に必要な冷媒量を即時に流して、熱源を迅速に冷却することが要求される。これに対して、サーモエレメントによって熱源の温度を感知し、このサーモエレメントの作動力を弁装置本体の操作部に加えて弁装置本体の弁を開閉することが考えられている。しかし、このような場合、サーモエレメントに対する雰囲気温度や冷媒の温度等の外乱の影響を考慮する必要がある。

本発明は、冷却を必要とする熱源を冷却する冷却装置の冷媒供給用の配管に設けられ、熱源の温度変化をサーモエレメントで感知して冷媒を供給する温度感応型制御弁において、周囲の雰囲気温度や冷媒の温度の影響を低減することで、温度感知対象の温度変化を正確にとらえて設定した温度で弁開し、かつ迅速に追従できる温度感応型制御弁を提供することを課題とする。

請求項１の温度感応型制御弁は、温度変化に応じて膨張収縮する熱膨張体が充填された感温部と前記熱膨張体の体積変化により軸線方向に移動する作動軸とを有するサーモエレメントと、前記作動軸から伝達される前記軸線方向の押圧力により弁体を移動して冷媒を流す弁ポートを該弁体で開閉する弁装置本体と、を備えた温度感応型制御弁であって、前記サーモエレメントの前記感温部を露出するとともに前記作動軸を含む該サーモエレメントの一部を覆うカバーケースを備え、前記感温部は熱伝導率が高い部材で構成されるとともに、前記カバーケースは前記感温部よりも熱伝導率の低い部材で構成されていることを特徴とする。

請求項２の温度感応型制御弁は、請求項１に記載の温度感応型制御弁であって、前記弁装置本体には、前記弁体を含む構造部が密封部材にて密閉封止されるとともに前記軸線方向の機械的な押圧力を前記密封部材を介して前記弁体に伝達する操作部が形成され、前記密封部材は前記感温部よりも熱伝導率の低い部材で構成されていることを特徴とする。

請求項３の温度感応型制御弁は、請求項２に記載の温度感応型制御弁であって、前記操作部は前記密封部材の前記作動軸側に配置された作動軸側当金を備え、前記作動軸側当金は前記感温部よりも熱伝導率の低い部材で構成されていることを特徴とする。

請求項４の温度感応型制御弁は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度感応型制御弁であって、前記感温部は銅材であり、前記感温部よりも熱伝導率の低い部材は、ステンレス、鉄、アルミニウム、黄銅または樹脂のうちの何れかの部材であることを特徴とする。「銅材」とは、例えば、銅が９９重量％以上含まれる銅である。

請求項５の温度感応型制御弁は請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度感応型制御弁であって、前記感温部はアルミニウムであり、前記感温部よりも熱伝導率の低い部材は、ステンレス、鉄、黄銅または樹脂のうちの何れかの部材であることを特徴とする。

請求項１乃至５の温度感応型制御弁によれば、感温部よりも熱伝導率の低いカバーケースによりサーモエレメントに対する周囲の雰囲気温度の影響を低減できるとともに、サーモエレメントの熱伝導率の高い感温部により、温度感知対象の温度変化に迅速に追従することができる。

請求項２の温度感応型制御弁によれば、さらに、熱伝導率の低い密封部材により、サーモエレメントに対する弁装置本体側の冷媒の温度の影響を低減できる。

請求項３の温度感応型制御弁によれば、さらに、熱伝導率の低い作動軸側当金により、サーモエレメントに対する弁装置本体側の冷媒の温度の影響を低減できる。

本発明の実施形態の温度感応型制御弁の縦断面図である。 実施形態の温度感応型制御弁の上面図である。 実施形態の温度感応型制御弁におけるサーモエレメントの縦断面図である。 実施形態の温度感応型制御弁におけるサーモエレメントの温度−変位特性を示す図である。

次に、本発明の温度感応型制御弁の実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の温度感応型制御弁の縦断面図、図２は同温度感応型制御弁の上面図、図３は同温度感応型制御弁におけるサーモエレメントの縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図３の図面における上下に対応する。また、以下の説明において実施形態の温度感応型制御弁を適宜「制御弁」という。

実施形態の制御弁１００は、大気中で使用され、弁弁装置本体１０とサーモエレメント２０とで構成されている。弁装置本体１０は、金属製の弁ハウジング１を有し、弁ハウジング１には、中央に円柱状の弁室１Ａが形成され、この弁室１Ａの側部に開口して冷媒が流入する第１ポート１１が形成され、さらに、冷媒が流出する第２ポート１２が形成されている。また、弁ハウジング１には、弁室１Ａと第２ポート１２との間に軸線Ｌを中心とする弁ポート１３が形成されるとともに、弁ポート１３と同軸で弁ハウジング１の上部から第２ポート１２まで貫通するガイド孔１４が形成されている。このガイド孔１４は弁ポート１３の軸線Ｌを中心軸とする円筒状の形状をしている。なお、冷媒は第２ポート１２から流入して第１ポート１１から流出するような場合もある。

弁室１Ａ、第２ポート１２及びガイド孔１４内には弁体３が配設されている。弁体３は、円柱棒状の弁棒３ａと、弁室１Ａ側から弁ポート１３を開閉する略円錐形状のニードル部３ｂと、ニードル部３ｂの外周に形成された鍔部３ｃとから構成されている。弁棒３ａはガイド孔１４内に挿通され、鍔部３ｃと弁室１Ａの底部のばね受け３１との間にコイルばね３２が配設されている。これにより、コイルばね３２は弁体３を後述のダイヤフラム４３側に付勢している。

弁ハウジング１の弁室１Ａと反対側には、操作部４が取り付けられている。操作部４は、弁ハウジング１に固着された下蓋４１と、下蓋４１と同径の上ケース４２と、下蓋４１と上ケース４２との間に配置された「密封部材」としてのダイヤフラム４３と、下蓋４１内でダイヤフラム４３と弁体３の弁棒３ａとの間に配置された下当金４４と、上ケース４２内でダイヤフラム４３の上に配置された「作動軸側当金」としての上当金４５とで構成されている。そして、下蓋４１、ダイヤフラム４３及び上ケース４２は、外周縁の部分で溶接されて一体に接合されている。なお、図２の上面図に示すように、弁ハウジング１は矩形状であるが、上ケース４２（及び下蓋４１、ダイヤフラム４３）、サーモエレメント２０は軸線Ｌ回りに回転対称な形状である。ダイヤフラム４３は、薄膜金属製の円環状であり、外周部には平面上のフランジ面、中心部には上当金４５と下当金４４とに当接する平面状の当接面がそれぞれの面に形成され、この外周部のフランジ面と中心部の当接面との間には波形の円環状部が形成されている。そして、当接面は軸線Ｌ方向の機械的な押圧力をダイヤフラム４３を介して弁体３に加える作用面となっている。

下当金４４は、弁棒３ａのダイヤフラム４３側の先端面の面積より、下当金４４のダイヤフラム４３への当接面積の方が大きくなっている。これにより、後述のように、サーモエレメント２０の作用でダイヤフラム４３が変形して弁棒３ａに押圧力を伝達するとき、弁棒３ａから受ける反作用力を下当金４４の広い面積でダイヤフラム４３に対して分散させることができ、ダイヤフラム４３の耐久性の向上を図ることができる。また、同様に、上当金４５は、後述のピストン２３のダイヤフラム４３側の先端面の面積より、上当金４５のダイヤフラム４３への当接面積の方が大きくなっている。これにより、ピストン２３がダイヤフラム４３に直接当接する場合よりも上当金４５の広い面積でダイヤフラム４３に対して押圧力を分散して伝達でき、ダイヤフラム４３の耐久性の向上を図ることができる。

これにより、操作部４は、ダイヤフラム４３と下蓋４１とが下当金４４及び弁棒３ａからなる構造部を密閉封止するとともに、ダイヤフラム４３の外部すなわち上ケース４２内の上当金４５からの軸線Ｌ方向の機械的な押圧力を、ダイヤフラム４３及び下当金４４を介して弁体３（弁棒３ａ）に伝達するような機能を有している。

サーモエレメント２０は、温度変化によるパラフィン等の膨張収縮を利用したサーモアクチュエータである。図３に示すように、サーモエレメント２０は、感温ケース２１と、ガイドケース２２と、「作動軸」としてのピストン２３と、ダイヤフラム２４と、ラバーピストン２５と、保護板２６とを備えて構成されている。感温ケース２１は端部に底のある円筒形状の感温部２１ａと、ガイドケース２２の一部を覆う感温部側基部２１ｂとから構成されている。ガイドケース２２は、ピストン２３、ラバーピストン２５及び保護板２６を内挿する円筒形状のガイド部２２ａと、感温ケース２１の感温部側基部２１ｂに覆われるガイド側基部２２ｂとから構成されている。

感温ケース２１の主に感温部２１ａ内には、パラフィン等のワックスからなる熱膨張体２Ａが充填され、熱膨張体２Ａの下端面は、弾性密封部材であるダイアフラム２４により封止されている。ガイドケース２２のガイド側基部２２ｂのすり鉢状内面２２ｂ１と、ダイアフラム２４の下側との間には流体室が設けられ、流体室には流動体２Ｂが充填されている。流動体２Ｂは、非圧縮性で、流動性、潤滑性が良い非圧縮性流動体である。ガイドケース２２のガイド部２２ａの内側のピストン摺動孔２２ａ１内には、ラバーピストン２５と保護板２６を介して、ピストン２３が摺動自在に挿通されて、ピストン２３の外側端部はピストン摺動孔２２ａ１から突き出している。

感温部２１ａの環境温度が上昇すると熱膨張体２Ａが膨張するとともにダイアフラム２４が膨出し、ダイアフラム２４の下方の流体室に封入された流動体２Ｂを押し下げる。これにより、流動体２Ｂは変形してその一部がガイド部２２ａのピストン摺動孔２２ａ１内に進入し、ラバーピストン２５と保護板２６を介して、ピストン２３を下方へ押し下げる。

図１に示すように、この実施形態における操作部４は、その上ケース４２において、円筒形状の「カバーケース」としての円筒部４２ａがこの上ケース４２と一体にして形成されている。そして、この円筒部４２ａ内にサーモエレメント２０のガイドケース２２（ガイド部２２ａ）、ピストン２３及び感温部側基部２１ｂが収容されている。すなわち、少なくともピストン２３及びガイド部２２ａは、「カバーケース」としての円筒部４２ａによって覆われている。また、円筒部４２ａの上端からサーモエレメント２０の感温部２１ａが突出されるとともに、サーモエレメント２０の感温部側基部２１ｂの感温部２１ａ側の端部に円筒部４２ａの端部の係止片４２ａ１が係合されている。すなわち、係止片４２ａ１は中央に挿通孔４２ａ２を有しており、サーモエレメント２０の感温部２１ａがこの挿通孔４２ａ２に挿通されて、感温部２１ａは「カバーケース」としての円筒部４２ａから露出されている。

上当金４５には、遊び孔４５ａ、ガイド挿通孔４５ｂ及びばね収容孔４５ｃが同軸に形成されており、サーモエレメント２０のピストン２３が遊び孔４５ａに臨まされるとともに、ガイド部２２ａがガイド挿通孔４５ｂ内に挿通されている。また、ガイド部２２ａの外周には固定ばね４６が配設され、この固定ばね４６は、円筒部４２ａ内の感温部側基部２１ｂとばね収容孔４５ｃの底部との間で圧縮して配設されている。すなわち、前記のように感温部側基部２１ｂの端部は円筒部４２ａの係止片４２ａ１に係合されているので、上記固定ばね４６のばね力によりサーモエレメント２０は円筒部４２ａに固定されている。また、サーモエレメント２０の感温部２１ａは円柱状に突出しており、温度感知対象に対して装着が容易な構造となっている。そして、この感温部２１ａは、金属プレート５０の装着孔５０ａ内に装着され、この金属プレート５０からの熱が感温部２１ａに伝達される。なお、金属プレート５０は図示しない熱源に密着されている。

以上の構成により、図１の状態から、サーモエレメント２０の感温部２１ａの温度が上昇して前記のようにピストン２３が下降するとピストン２３が上当金４５（遊び孔４５ａの底部）に当接する。さらに、ピストン２３が下降すると、上当金４５が下降してダイヤフラム４３が変形するとともに下当金４４が下降し、さらにこの下当金４４に当接している弁体３が下降する。このように、この実施形態では、ピストン２３の押圧力が、上当金４５、ダイヤフラム４３及び下当金４４を介して弁体３に加わり始める瞬間が「弁開点」であり、この弁開点から弁体３のニードル部３ｂが弁ポート１３の周囲から離間して、弁ポート１３を開状態とする。

図４はサーモエレメント２０における感温部２１ａの温度とピストン２３の変位（リフト）との関係を示す温度−変位特性を示す図である。感温部２１ａ内の熱膨張体２Ａは、温度に応じて固体状態、固体と液体が混合する固液混合状態及び液体状態のように、相変化する。これにより、温度−変位特性は、固体状態で膨張する「固体膨張域」と、固液混合状態で膨張する「固液混合膨張域」と、液体状態で膨張する「液体膨張域」とで、それぞれ異なる傾きを呈する。そして、固液混合膨張域での傾き、すなわち温度膨張率が一番大きく（急峻に）なる。この温度−変位特性はサーモエレメント２０の固有の特性として既知であり、この場合ピストン２３のリフトＬ１〜Ｌ３の範囲が「固液混合膨張域」に対応している。

ここで、この実施形態では、弁装置本体１０において弁開点は、上記「固液混合膨張域」の範囲内となるように設定されている。この実施形態では、弁開点は、図４に示す「弁開リフト＝０」及び「サーモエレメントリフト＝Ｌ２」となる状態に設定されている。このように、サーモエレメント２０における熱膨張体２Ａの温度膨張率が大きい「固液混合膨張域」の範囲内に弁開点が設定されているので、熱源が設定温度に達した場合、弁ポート１３を速やかに大きく開くことができる。これにより、熱源の温度変化に追従して、図示しない冷却装置に冷媒を迅速に供給でき、結果的に熱源を迅速に冷却することができる。

なお、サーモエレメント２０において、感温部２１ａの温度が低下して、熱膨張体２Ａが収縮するとき、ダイヤフラム２４が動かずに固化した熱膨張体２Ａ内に真空の空隙ができたり、流動体２Ｂ内に空隙ができることがある。また、熱膨張体２Ａ内の収縮によりダイヤフラム２４が変形して流動体２Ｂも形状を変えることがある。このような場合、ピストン２３は突出した状態で、ラバーピストン２５及び保護板２６もピストン２３側に停留した状態となったり、ラバーピストン２５だけが流動体２Ｂに追従して移動した状態となったり、ラバーピストン２５と保護板２６が流動体２Ｂに追従して移動した状態となることがある。いずれの場合も、ピストン２３が突出して停留した状態では、このピストン２３は操作部４（あるいは弁体３）に対して押圧力を加えるものではなく、本発明における「弁開点」とは異なる状態である。

ここで、サーモエレメント２０の感温ケース２１は熱伝導率が例えば
３．７１×１０² （Ｗ／ｍ・℃）
である銅が９９重量％以上含まれる銅材である。また、操作部４の下蓋４１、上ケース４２、上当金４５及びダイヤフラム４３は熱伝導率が例えば
０．１６×１０² （Ｗ／ｍ・℃）
であるステンレス製（ＳＵＳ３０４製）である。

このように、感温部２１ａは熱伝導率の高い銅材であり、「カバーケース」としての円筒部４２ａは熱伝導率の低いステンレス製である。すなわち、サーモエレメント２０のガイドケース２２（ガイド部２２ａ）、感温部側基部２１ｂ及びピストン２３、操作部４の上当金４５が、それぞれ熱伝導率の低い円筒部４２ａ（カバーケース）で覆われている。したがって、大気中で使用される当該制御弁１００のサーモエレメント２０に対する周囲の雰囲気温度の影響を低減できる。また、サーモエレメント２０においては、熱伝導率の高い感温部２１ａにより、温度感知対象の温度を正確に捉えて設定した温度で弁開するとともに、温度感知対象の温度変化に迅速に追従して弁開度を制御することができる。

また、ダイヤフラム４３も熱伝導率の低いステンレス製である。すなわち、サーモエレメント２０のガイドケース２２（ガイド部２２ａ）、感温部側基部２１ｂ及びピストン２３、操作部４の上当金４５が、下蓋４１内の冷媒に対して熱伝導率の低い部材で隔絶されている。したがって、サーモエレメント２０に対する冷媒温度の影響を低減できる。さらに、上当金４５も熱伝導率の低いステンレス製であり、ガイドケース２２、感温部側基部２１ｂ及びピストン２３とダイヤフラム４３との間にあるので、サーモエレメント２０に対する冷媒温度の影響を低減できる。

なお、上ケース４２（円筒部４２ａ）は、例えば、熱伝導率が例えば
１．９５×１０² （Ｗ／ｍ・℃）
であるアルミニウム製や、熱伝導率が例えば
１．１×１０² （Ｗ／ｍ・℃）
である真鍮製などでもよい。

以上の実施形態は一例であり、感温部２１ａは、上記実施例と同様に「銅材」であるが、上ケース４２は、「銅材」よりも熱伝導率が低い、ステンレス、鉄、アルミニウム、黄銅または樹脂のうちの何れかの部材として、各部材を組み合わせて実施することができる。また、感温部２１ａは、例えばアルミニウムで形成され、上ケース４２は、アルミニウムよりも熱伝導率の低い、ステンレス、鉄、黄銅または樹脂のうちの何れかの部材として、各部材を組み合わせて実施することができる。

実施形態では、カバーケースが上ケース４２と一体に形成されている例であるが、カバーケースは上ケースと別部材であってもよい。

また、実施形態では、サーモエレメント２０の感温部側基部２１ｂの端部を、円筒部４２ａの係止片４２ａ１に係合させることで、サーモエレメント２０を１０弁装置本体１０側に固定する機能を持たせているが、この係止片４２ａ１が感温部側基部２１ｂと金属プレート５０との間に介在されていることにより以下のような効果が得られる。感温部側基部２１ｂの部材もある程度の体積（熱容量）があるため、金属プレート５０からこの感温部側基部２１ｂへの熱の移動を抑えることができ、感温部２１ａでの応答性を確保することができる。しかし、固定のためであれば、円筒部４２ａにおいて係止片４２ａ１を無くし、円筒部４２ａと感温部側基部２１ｂとをネジ止め等により固定するようにしてもよい。

実施形態におけるサーモエレメントはラバーピストン、保護板及び流動体を備えているが、これらは無くてもよい。サーモエレメントは、熱膨張体の体積変化をピストンに伝達するものであればよい。

また、実施形態では、操作部の「密封部材」はダイヤフラム４３で構成した例について説明したが、この「密封部材」としては、下当金及び弁体等からなる構造部を密閉封止するものであれば、例えばベローズ等であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、弁体が弁ポートの周囲の弁座に当接し、弁ポートを完全に閉とするものに限らず、弁体と弁座の間に隙間や流路があり、僅かなブリード流量がある場合でもよい。すなわち、本発明において、弁ポートの「閉状態」とは、完全に閉とする場合やブリード流量がある場合も含む概念である。

１ 弁ハウジング
１Ａ 弁室
１１ 第１ポート
１２ 第２ポート
１３ 弁ポート
１４ ガイド孔
Ｌ 軸線
２１ 感温ケース
２１ａ 感温部
２１ｂ 感温部側基部
２２ ガイドケース
２２ａ ガイド部
２２ｂ ガイド側基部
２３ ピストン（作動軸）
２４ ダイヤフラム
２５ ラバーピストン
２６ 保護板
２Ａ 熱膨張体
２Ｂ 流動体
３ 弁体
３ａ 弁棒
３ｂ ニードル部
３ｃ 鍔部
３１ ばね受け
３２ コイルばね
４ 操作部
４１ 下蓋
４２ 上ケース
４２ａ 円筒部
４２ａ１ 段部
４３ ダイヤフラム（密封部材）
４４ 下当金（弁体側当金）
４５ 上当金（作動軸側当金）
４６ 固定ばね
４７ コイルばね
４５ａ 遊び孔
４５ｂ ガイド挿通孔
４５ｃ ばね収容孔
１０ 弁装置本体
２０ サーモエレメント
１００ 温度感応型制御弁

Claims (5)

1. 温度変化に応じて膨張収縮する熱膨張体が充填された感温部と前記熱膨張体の体積変化により軸線方向に移動する作動軸とを有するサーモエレメントと、前記作動軸から伝達される前記軸線方向の押圧力により弁体を移動して冷媒を流す弁ポートを該弁体で開閉する弁装置本体と、を備えた温度感応型制御弁であって、
   前記サーモエレメントの前記感温部を露出するとともに前記作動軸を含む該サーモエレメントの一部を覆うカバーケースを備え、前記感温部は熱伝導率が高い部材で構成されるとともに、前記カバーケースは前記感温部よりも熱伝導率の低い部材で構成されていることを特徴とする温度感応型制御弁。
2. 前記弁装置本体には、前記弁体を含む構造部が密封部材にて密閉封止されるとともに前記軸線方向の機械的な押圧力を前記密封部材を介して前記弁体に伝達する操作部が形成され、
   前記密封部材は前記感温部よりも熱伝導率の低い部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度感応型制御弁。
3. 前記操作部は前記密封部材の前記作動軸側に配置された作動軸側当金を備え、前記作動軸側当金は前記感温部よりも熱伝導率の低い部材で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の温度感応型制御弁。
4. 前記感温部は銅材であり、前記感温部よりも熱伝導率の低い部材は、ステンレス、鉄、アルミニウム、黄銅または樹脂のうちの何れかの部材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度感応型制御弁。
5. 前記感温部はアルミニウムであり、前記感温部よりも熱伝導率の低い部材は、ステンレス、鉄、黄銅または樹脂のうちの何れかの部材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度感応型制御弁。

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