JP2021139468A - バルブおよび吸着式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】バルブにおける弁体を通じた流体間の熱交換を抑制する。【解決手段】バルブ１０ａは、流体が流れる流路を形成する流路形成部１と、断熱性を有し、流路形成部に設けられて流路を開閉する弁体２ａと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、バルブおよび吸着式ヒートポンプに関する。

熱媒が通る流路を開閉するバルブが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたバタフライバルブでは、流路を形成する円筒状のバルブボデーが、低熱伝導率の樹脂被覆を有している。低熱伝導率の樹脂被覆によって、流路内に低温流体が流れても、外気と流路とは熱的に絶縁されている。そのため、バルブボデー外表面に、低温流体の伝熱による結露の発生が抑制される。

特許文献２には、複数の流路と、複数の流路の接続を切り替える弁体と、を備える切替弁が開示されている。弁体の外面は、接続した複数の流路とは異なる流路の一部を形成している。そのため、弁体の内面と外面とでは、異なる流体が流れる流路を形成している。弁体は、内面と外面との間に、空気で形成された断熱空間を有する。断熱空間は、弁体の内面側を流れる流体と、弁体の外面側を流れる流体との間における熱移動を抑制する。

特開平８−１４４３７号公報 実開平５−２５２７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたバタフライバルブは、流路と、流路を形成するバルブボデー外表面との熱移動を抑制できるが、バタフライバルブが閉じた状態で、弁体により区画された両流体間の熱移動は抑制されない。特許文献２に記載された切替弁は、異なる流路を流れる流体間の熱移動を抑制できるが、同一流路を流れる流体間の熱移動については考慮されていない。また、特許文献２の弁体に形成された断熱空間が有する大きさおよび大きさに基づく断熱性について何ら開示されていない。そのため、バルブによって区切られる流路を流れる流体の熱交換を抑制したいという課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、バルブにおける弁体を通じた流体間の熱交換を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、バルブが提供される。このバルブは、流体が流れる流路を形成する流路形成部と、断熱性を有し、前記流路形成部に設けられて前記流路を開閉する弁体と、を備える。

この構成によれば、流路を開閉する弁体が断熱性を有する。そのため、弁体が閉じて温度の異なる流体が弁体を介して隔てられたときに、弁体を通じて隔てられた流体間の熱交換を抑制できる。また、同じ温度の流体が弁体を介して隔てられた状態で、一方の流体の温度が上昇した場合に、一方の流体から他方の流体への弁体を通じた熱交換を抑制できる。

（２）上記形態のバルブにおいて、前記弁体の熱抵抗が０．０２Ｋ／Ｗ以上であってもよい。
この構成によれば、弁体を介して隔てられた流体間の熱交換をより抑制できる。

（３）上記形態のバルブにおいて、前記弁体は、本体部と、前記本体部の表面を覆う被覆部と、を有し、前記被覆部は、少なくとも、前記被覆部のうち、前記弁体が前記流路を閉じた際に前記弁体により区画された一方の流路に面した部分が断熱性を有する材料により形成されていてもよい。
この構成によれば、本体部を被覆している被覆部の一部が断熱材により形成されている。そのため、弁体全体を断熱材で形成せずに、弁体を介して隔てられた流体間の熱交換を抑制できる。これにより、本体部の材料を自由に選択できる。また、弁体により区画された流路を流れる流体の性能に応じて、本体部の一方の面のみが断熱材で被覆されればよく、設計の自由度が向上する。

（４）上記形態のバルブにおいて、前記被覆部の全てが断熱性を有する材料により形成されていてもよい。
この構成によれば、本体部の全面が断熱材で被覆されるため、断熱性がより向上する。

（５）上記形態のバルブにおいて、前記弁体は、本体部と、前記本体部の表面を覆う被覆部と、を有し、前記本体部は、断熱性を有する材料により形成されていてもよい。
この構成によれば、本体部が断熱材により形成される。そのため、断熱材は、全面で流路を流れる流体に接触せずに、一部の面で流体に接触する。これにより、本体部および被覆部として使用できる材料の選択の余地が広がる。

（６）本発明の他の一形態によれば、上記記載のバルブを備える吸着式ヒートポンプが提供される。この吸着式ヒートポンプは、熱媒を吸着する吸着材を有する吸着器と、前記吸着材に供給される蒸気であって温度が相対的に高い高温蒸気を生成する高温蒸発器と、前記吸着材に供給される蒸気であって温度が相対的に低い低温蒸気を生成すると共に、冷熱を得る低温蒸発器と、を備え、前記バルブは、前記吸着器と前記高温蒸発器とを接続して、蒸気が流れる流路に配置され、前記高温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記高温蒸気の熱伝達率と、前記低温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記低温蒸気の熱伝達率とが、それぞれ３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上であってもよい。
この構成によれば、吸着式ヒートポンプが備える吸着器と蒸発器とを接続する流路内にバルブが配置される。吸着式ヒートポンプでは、蒸気加熱時と蒸気冷却時とで、同じ流路内を温度差の大きい異なる流体が通る。バルブは、弁体が閉じた状態で、温度差のある高温蒸気と低温蒸気とを隔てている。弁体は、断熱性を有しているため、隔てた流路間の熱交換を抑制する。特に、高温蒸気および低温蒸気の熱伝達率がそれぞれ３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）と高いため、断熱性を有する弁体によって、弁体を介した流体の放熱を大きく抑制できる。これにより、吸着式ヒートポンプのシステム効率が向上する。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、バルブ、バタフライバルブ、ゲートバルブ、グローブバルブ、吸着式ポンプ、吸着式ヒートポンプ、およびこれらの装置を備えるシステムまたは制御方法、および、これらシステムや制御方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態のゲートバルブの概略断面図である。 第２実施形態のゲートバルブの説明図である。 第３実施形態のゲートバルブの説明図である。 第４実施形態のゲートバルブの説明図である。 ゲートバルブを備える第５実施形態の吸着式ヒートポンプの説明図である。 弁体の放熱量についての説明図である。 弁体の放熱量についての説明図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態のゲートバルブ１０の概略断面図である。図１には、流路５が弁体２によって閉じられた状態のゲートバルブ１０が示されている。図１に示されるように、ゲートバルブ（バルブ）１０は、流体が流れる流路５を形成するボデー（流路形成部）１と、ボデー１に対して中心軸ＯＬ上で移動可能な弁棒３と、弁棒３の一端に固定されたハンドル４と、弁棒３の他端に固定された弁体２と、を備えている。

弁棒３の外周には、雄ネジ部３ｓが形成されている。ボデー１は、雄ネジ部３ｓと螺合する雌ネジ部１ｓを備えている。そのため、ハンドル４が中心軸ＯＬ回りに回転すると、弁棒３は、回転方向および回転量に応じて、雌ネジ部１ｓに対して中心軸ＯＬ上を移動する。これにより、弁棒３の他端に固定された弁体２は、弁棒３の移動に応じて中心軸ＯＬ上を移動する。この結果、弁体２は、ボデー１に対して移動可能に設けられて、流路５を開閉する。第１実施形態の弁体２は、ベークライトによって形成されている。ベークライトの熱伝導率は、約０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、いわゆる断熱材である。すなわち、弁体２は、断熱性を有する。

以上説明したように、本実施形態のゲートバルブ１０は、断熱性を有し、流路を開閉する弁体２を備えている。そのため、本実施形態のゲートバルブ１０では、弁体２が閉じて温度の異なる流体が弁体２を介して隔てられたときに、弁体２を通じて隔てられた流体間の熱交換を抑制できる。

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態のゲートバルブ１０ａの説明図である。第２実施形態のゲートバルブ１０ａでは、第１実施形態のゲートバルブ１０と比較して、弁体２ａのみが異なる。そのため、第２実施形態では、弁体２ａについて説明し、第１実施形態のゲートバルブ１０と同じ構成についての説明を省略する。

図２には、第２実施形態の弁体２ａ近傍を拡大した概略断面図が示されている。図２に示されるように、弁体２ａは、弁体２ａの中心側に位置する本体部２１と、本体部２１の外周面を覆う被覆部２２と、を備えている。本体部２１は、アルミニウムにより形成されている。一方で、被覆部２２は、第１実施形態の弁体２と同じように、断熱材であるベークライトで形成されている。換言すると、被覆部２２の全てが断熱性を有する材料により形成されている。

以上説明したように、第２実施形態の被覆部２２は、本体部２１の外周面を覆い、断熱性を有するベークライトにより形成されている。すなわち、流路５内を流れる流体に接する被覆部２２のみが断熱材で形成されている。そのため、第２実施形態のゲートバルブ１０ａでは、弁体２ａの断熱性を確保した上で、本体部２１の材料を自由に選択できる。

＜第３実施形態＞
図３は、第３実施形態のゲートバルブ１０ｂの説明図である。第３実施形態のゲートバルブ１０ｂでは、第１実施形態のゲートバルブ１０と比較して、弁体２ｂのみが異なる。そのため、第３実施形態では、弁体２ｂについて説明し、第１実施形態のゲートバルブ１０と同じ構成についての説明を省略する。

図３には、第３実施形態の弁体２ｂ近傍を拡大した概略断面図が示されている。図３に示されるように、弁体２ｂは、弁体２ｂの中心部を含む本体部２１ｂと、本体部２１ｂの一部の外周面を覆う被覆部２２ｂと、を備えている。本体部２１ｂは、第２実施形態の本体部２１と同じように、アルミニウムにより形成されている。一方で、被覆部２２ｂは、第２実施形態の被覆部２２と同じように、断熱材であるベークライトで形成されている。図３に示されるように、被覆部２２ｂは、弁体２ｂが流路５を閉じた際に、弁体２ｂにより区画された一方の流路５１に面した本体部２１ｂの外周面に形成されている。換言すると、弁体２ｂが流路５を閉じた際に、弁体２ｂにより区画された他方の流路５２に面した側には、被覆部２２ｂは形成されていない。

以上説明したように、第３実施形態のゲートバルブ１０ｂでは、第２実施形態の被覆部２２に相当する部分の内、図３に示されるように、流路５１側に位置する被覆部２２ｂが断熱材で形成されている。そのため、第３実施形態のゲートバルブ１０ｂでは、弁体２ｂにより区画された流路５を流れる流体の性能に応じて、本体部２１ｂの一方の面のみが断熱材で被覆されればよく、設計の自由度が向上する。

＜第４実施形態＞
図４は、第４実施形態のゲートバルブ１０ｃの説明図である。第４実施形態のゲートバルブ１０ｃでは、第１実施形態のゲートバルブ１０と比較して、弁体２ｃのみが異なる。そのため、第４実施形態では、弁体２ｃについて説明し、第１実施形態のゲートバルブ１０と同じ構成についての説明を省略する。

図４には、第４実施形態の弁体２ｃ近傍を拡大した概略断面図が示されている。図４に示されるように、弁体２ｃは、第２実施形態の弁体２ａと同じように、本体部２１ｃと、本体部２１ｃの外周面を覆う被覆部２２ｃと、を備えている。本体部２１ｃは、第１実施形態の弁体２と同じように、断熱材であるベークライトで形成されている。一方で、被覆部２２ｃは、多孔質金属であるマイクロポーラス金属で形成されている。

以上説明したように、第４実施形態の本体部２１ｃは、断熱材で形成されている。そのため、第４実施形態のゲートバルブ１０ｃでは、そのため、本体部２１ｃを形成する断熱材は、全面で流路５１を流れる流体に接触せずに、一部の面で流体に接触する。これにより、流体の性質に応じて、本体部２１ｃおよび被覆部２２ｃとして使用できる材料の選択の余地が広がる。

＜第５実施形態＞
図５は、ゲートバルブ１０を備える第５実施形態の吸着式ヒートポンプ１００の説明図である。図５には、吸着式ヒートポンプ１００が備える構成の一部が簡略化して示されている。第５実施形態の吸着式ヒートポンプ１００は、吸着器３０が有する吸着材３１（例えばシリカゲル）を用いて冷媒（熱媒）としての水を「蒸発−吸着−脱着−凝縮」の順で循環させることにより、低温の温水（６５℃〜１００℃）を利用して冷水を作る装置である。

図５に示されるように、吸着式ヒートポンプ１００は、冷媒を吸着する吸着材３１を有する吸着器３０と、吸着材３１を加熱するための高温蒸気を生成する高温蒸発器（蒸発器）４０と、吸着器３０が生成した冷水がバルブＶ１を介して供給される低温蒸発器６０と、第１実施形態のゲートバルブ１０と、を備えている。図５には、ゲートバルブ１０が流路５を閉じ、かつ、バルブＶ１が開いて、吸着器３０に低温蒸発器６０から低温蒸気が供給される状態が示されている。低温蒸発器６０は、低温蒸気を吸着材３１に供給し、吸着器３０が生成した冷水によって冷熱を得ている。高温蒸発器４０が生成する高温蒸気は、低温蒸発器６０が生成する低温蒸気よりも温度が高い。換言すると、吸着材３１に供給される高温蒸気の温度は相対的に高く、吸着材３１に供給される低温蒸気の温度は相対的に低い。

図５に示されるように、ゲートバルブ１０は、吸着器３０と高温蒸発器４０とを接続して、高温蒸気が流れる流路に配置されている。図５に示される状態では、弁体２により区画された流路５２側は、高温蒸発器４０が生成した高温蒸気に接している。一方で、流路５１側は、低温蒸発器６０から供給された低温蒸気に接している。そのため、流路５は、弁体２を挟んで温度差が生じた蒸気に接している。弁体２の流路５１側には、低温蒸気が凝縮されることにより発生する水滴ｂｗが付着する場合がある。弁体２を介して、流路５１側の低温蒸気（水を含む）と、流路５２側の高温蒸気とが区切られているため、弁体２の熱伝達率に応じた熱交換が行われる。

図６および図７は、弁体２の放熱量についての説明図である。図６および図７には、高温蒸発器４０による吸着器３０の蒸気過熱時の熱伝達率（「高温蒸気側熱伝達率」とも言う）と、低温蒸発器６０による吸着器３０の蒸気冷却時の熱伝達率（「吸着器側熱伝達率」とも言う）とが、それぞれ３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）と仮定した場合の弁体２の放熱量についての関係が示されている。図６には、弁体２の熱伝導率が材質などに応じて変化した場合の放熱量の変化が示されている。なお、図６には、断熱材ではないステンレスおよびアルミニウムの熱伝導率が破線で示されている。上記の蒸気過熱時および蒸気冷却時の仮定で、高温蒸発器４０の能力を２００ｋＷとして設定し、放熱量を５％未満（１０ｋＷ）に抑えたい場合には、図６に示されるように、弁体２の熱伝導率を４．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）に抑える必要がある（図６の一点鎖線）。

図７には、弁体２の放熱量に対する熱抵抗の変化が示されている。図７に示されるように、弁体２の放熱量を１０ｋＷ未満に抑える場合には、弁体２の熱抵抗が０．００５Ｋ／Ｗ以上であればよい。

図５に示される第５実施形態の吸着式ヒートポンプ１００では、弁体２の材質がベークライト、弁体２の厚みである弁体厚さＴ_bが１０（ｍｍ）、弁体２が高温蒸気および低温蒸気に接している弁体面積Ａが０．６３（ｍ²）である。弁体２のベークライト熱伝導率λ_bは０．６（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であり、高温蒸発器４０から供給される高温蒸気の温度Ｔ_hは８５（℃）であり、低温蒸発器６０から供給される低温蒸気の温度Ｔ_cは３０（℃）である。これらの値を下記式（１）〜（３）に代入することにより、熱通過率Ｋ_b、熱流束ｑ_b、および弁体２からの放熱量Ｑ_bが算出される。

上記式（１）〜（３）を解くことにより、ベークライトで形成された弁体２からの放熱量Ｑ_bは、１．９ｋＷである。この値は、高温蒸発器４０の出力である２００ｋＷの１％未満である。また、図７に示される熱抵抗の変化から、放熱量が１．９ｋＷに対応する熱抵抗は、０．０３Ｋ／Ｗよりも大きい。

一方で、比較例として、弁体が断熱材ではないステンレスで形成されている場合、ステンレスの熱伝導率λ_sは２２２（Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。ステンレスの熱伝導率λ_sを、上記式（１）におけるベークライト熱伝導率λ_bに置換して、上記式（１）〜（３）を解くと、比較例の弁体からの放熱量Ｑ_sは、２１．２９ｋＷであり、第５実施形態の弁体２からの放熱量Ｑ_bの１０倍以上である。換言すると、比較例の弁体の代わりに第５実施形態の弁体２に交換することにより、ゲートバルブ１０の放熱量を９０％以上低減できる。

以上説明したように、第５実施形態の吸着式ヒートポンプ１００は、吸着材３１を有する吸着器３０と、高温蒸気を生成する高温蒸発器４０と、吸着材３１に低温蒸気を供給する低温蒸発器６０と、を備えている。ゲートバルブ１０は、吸着器３０と高温蒸発器４０とを接続する流路に配置されている。そのため、第５実施形態の吸着式ヒートポンプ１００では、高温蒸発器４０による蒸気加熱時と、低温蒸発器６０による蒸気冷却時とで、同じ流路内を温度差の大きい異なる流体が通る。ゲートバルブ１０は、弁体２が閉じた状態で、温度差のある高温蒸気と低温蒸気とを隔てている。弁体２は、断熱性を有しているため、隔てた流路間の熱交換を抑制する。特に、高温蒸気および低温蒸気の熱伝達率が３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）と高いため、断熱性を有する弁体２によって、弁体２を介した流体の放熱を大きく抑制できる。これにより、吸着式ヒートポンプ１００のシステム効率が向上する。

また、第５実施形態の弁体２の熱抵抗は、０．０３Ｋ／Ｗよりも大きい、すなわち、０．０２Ｋ／Ｗ以上である。弁体２の熱抵抗が大きいため、第５実施形態のゲートバルブ１０では、弁体２を介して隔てられた流体間の熱交換をより抑制できる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記第１実施形態ないし第５実施形態では、断熱性を有する弁体を備えるバルブの一例として、ゲートバルブ１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃについて説明したが、バルブについては、流路を開閉する弁体２が断熱性を有する範囲で種々変形可能である。例えば、バルブは、ゲートバルブ以外のバルブであってもよく、グローブバルブ、ボールバルブ、バタフライバルブ、逆止弁、およびダイヤフラムバルブなど周知のバルブを適用できる。なお、本明細書における断熱性を有する弁体とは、弁体の一部が断熱性を有していればよく、例えば、第３実施形態の弁体２ｂにおける被覆部２２ｂの一部が、断熱材ではないステンレスやアルミなどで形成されていてもよい。

上記第１実施形態ないし第５実施形態では、断熱性を有する断熱材として、ベークライトを一例に挙げたが、周知の材料を適用できる。また、断熱性を有さない材料として、アルミニウム、ステンレス、およびマイクロポーラス金属を一例に挙げたが、周知の材料を適用できる。

また、第２実施形態のゲートバルブ１０ａの弁体２ａでは、流路５１側に断熱材で形成された被覆部２２が形成されていたが、流路５１側の代わりに流路５２側に被覆部２２が形成されていてもよい。

第５実施形態では、弁体厚さＴ_bや弁体面積Ａなどについて、一例として具体的な数値を用いて説明したが、弁体厚さＴ_bや弁体面積Ａなどの数値については、弁体２が断熱性を有する範囲で、これらに限られず種々変形可能である。吸着式ヒートポンプがバルブを備える場合に、バルブの弁体の熱抵抗が０．０２Ｋ／Ｗ以上であると好ましい。また、高温蒸気側熱伝達率ｈ_hと、吸着器側熱伝達率ｈ_cとが３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上と高い吸着式ヒートポンプにおいて、吸着器３０と高温蒸発器４０との間に、断熱性を有する弁体を備えるバルブが配置されることが好ましい。他の実施形態の吸着式ヒートポンプ１００は、吸着器３０，高温蒸発器４０，ゲートバルブ１０，および低温蒸発器６０以外の構成を備えていてもよく、例えば、凝縮器、および、ゲートバルブ１０の開閉およびバルブＶ１の開閉を制御する制御装置などを備えていてもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１…ボデー（流路形成部）
１ｓ…雌ネジ部
２，２ａ，２ｂ，２ｃ…弁体
３…弁棒
３ｓ…雄ネジ部
４…ハンドル
５，５１，５２…流路
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…ゲートバルブ
２１，２１ｂ，２１ｃ…本体部
２２，２２ｂ，２２ｃ…被覆部
３０…吸着器
３１…吸着材
４０…高温蒸発器
６０…低温蒸発器
１００…吸着式ヒートポンプ
Ａ…弁体面積
Ｋ_b…熱通過率
Ｑ_b，Ｑ_s…放熱量
Ｔ_c…低温蒸気の温度
Ｔ_h…高温蒸気の温度
Ｖ１…バルブ
ｈ_c…吸着器側熱伝達率
ｈ_h…高温蒸気側熱伝達率
ｑ_b…熱流束
λ_b…ベークライト熱伝導率
λ_s…熱伝導率

Claims (6)

1. バルブであって、
   流体が流れる流路を形成する流路形成部と、
   断熱性を有し、前記流路形成部に設けられて前記流路を開閉する弁体と、
   を備える、バルブ。
2. 請求項１に記載のバルブであって、
   前記弁体の熱抵抗が０．０２Ｋ／Ｗ以上である、バルブ。
3. 請求項１または請求項２に記載のバルブであって、
   前記弁体は、本体部と、前記本体部の表面を覆う被覆部と、を有し、
   前記被覆部は、少なくとも、前記被覆部のうち、前記弁体が前記流路を閉じた際に前記弁体により区画された一方の流路に面した部分が断熱性を有する材料により形成されている、バルブ。
4. 請求項３に記載のバルブであって、
   前記被覆部の全てが断熱性を有する材料により形成されている、バルブ。
5. 請求項１または請求項２に記載のバルブであって、
   前記弁体は、本体部と、前記本体部の表面を覆う被覆部と、を有し、
   前記本体部は、断熱性を有する材料により形成されている、バルブ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のバルブを備える吸着式ヒートポンプであって、
   熱媒を吸着する吸着材を有する吸着器と、
   前記吸着材に供給される蒸気であって温度が相対的に高い高温蒸気を生成する高温蒸発器と、
   前記吸着材に供給される蒸気であって温度が相対的に低い低温蒸気を生成すると共に、冷熱を得る低温蒸発器と、
   を備え、
   前記バルブは、前記吸着器と前記高温蒸発器とを接続して、蒸気が流れる流路に配置され、
   前記高温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記高温蒸気の熱伝達率と、前記低温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記低温蒸気の熱伝達率とが、それぞれ３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上である、吸着式ヒートポンプ。

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