JP4411792B2 - 流体バルブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体バルブに関するもので、冷媒を吸着又は脱離する吸着剤を有する吸着式冷凍機用の蒸気バルブに適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
吸着式冷凍機用の蒸気バルブとして、例えば特開平８−７５２９５号公報に記載の発明では、連通口（弁口）前後の差圧に応じて連通口を機械的に開閉するフロート式の蒸気バルブを採用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に記載の発明では、連通口を開閉する弁体、及び圧力差に応じて可動して弁体を開閉作動させるフロートを有して水蒸気バルブが構成されているため、例えば、連通口を拡大して蒸気バルブでの圧力損失を低減すべく連通口を拡大すると、フロートも大きくなってしまうので、連通口を拡大して蒸気バルブでの圧力損失を低減しつつ、蒸気バルブの小型化を図ることが難しい。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、差圧に応じて連通口を開閉する流体バルブにおいて、連通口を拡大しても、流体バルブが過度に大きくなることを防止することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸着又は脱離する吸着剤を有する吸着式冷凍機に適用されて、蒸気冷媒の流通を制御する蒸気バルブ（１６０）として用いられる流体バルブであって、冷媒が存在する空間を第１の空間（Ａ）と第２の空間（Ｂ）とに区画するとともに、両空間（Ａ、Ｂ）を連通させる連通口（１６２）が設けられた区画部材（１６１）と、連通口（１６２）を開閉する弁体（１６３）と、弁体（１６３）が連通口（１６２）を開いたときに、第２の空間（Ｂ）から第１の空間（Ａ）に流通する冷媒の圧力により、弁体（１６３）が流されてしまうことを防止するバルブガイド（１６４）とを有し、連通口（１６２）は、第１の空間（Ａ）側から第２の空間（Ｂ）側に向かうほど開口面積が縮小するように円錐テーパ状に形成されており、弁体（１６３）は、第２の空間（Ｂ）側が凸となるような曲面を有する殻状に形成され、かつ、自身に作用する圧力により連通口（１６２）を開閉するようになっており、バルブガイド（１６４）は、弁体（１６３）が連通口（１６２）を閉じたときに、弁体（１６３）と非接触状態になり、さらに、バルブガイド（１６４）の先端部は、弁体（１６３）が連通口（１６２）を閉じたときに、弁体（１６３）の内部に位置付けられていることを特徴とする。
【０００６】
これにより、上記公報に記載の発明と異なり、フロートを必要としないので、連通口（１６２）を拡大しても、流体バルブが過度に大きくなることを防止することができる。
【０００７】
また、弁体（１６３）（第２の空間（Ｂ）側が凸となるような曲面）を、圧力により連通口（１６２）の円錐テーパ状の内壁面に押し付けるので、閉弁時においては、確実に連通口（１６２）を閉じることができる。
【０００８】
以上に述べたように、本発明によれば、連通口（１６２）を拡大しても、流体バルブが過度に大きくなることを防止しつつ、確実に連通口（１６２）を閉じることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、弁体（１６３）には、第１の空間（Ａ）側に向けて部分的に陥没する殻状陥没部（１６３ｂ）が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
これにより、第１の空間（Ａ）側の圧力が第２の空間（Ｂ）側の圧力より高いとき（連通口（１６２）を閉じるような差圧が発生したとき）には、殻状陥没部（１６３ｂ）が第２の空間（Ｂ）側に向けて凸となるように湾曲するので、曲面弁体（１６３）の曲面が、連通口（１６２）の円錐テーパ状の内壁面側に開くように湾曲する。
【００１１】
したがって、弁体（１６３）の曲面と連通口（１６２）の円錐テーパ状の内壁面との接触面圧が高まるので、連通口（１６２）をより確実に閉じることができる。
【００１２】
一方、第２の空間（Ｂ）側の圧力が第１の空間（Ａ）側の圧力より高いときには、殻状陥没部（１６３ｂ）が第１の空間（Ｂ）側に向けて凸となるように湾曲するので、弁体（１６３）の曲面が連通口（１６２）の円錐テーパ状の内壁面側から離れるように湾曲する。したがって、弁体（１６３）の曲面と連通口（１６２）の円錐テーパ状の内壁面との接触面圧が低下するので、連通口（１６２）を速やかに開くことができる。
【００１３】
以上に述べたように、本発明では、連通口（１６２）を速やかに開弁しつつ、閉弁時にあっては、連通口（１６２）を確実に閉じることができる。
【００１４】
ところで、連通口（１６２）をドリル加工等にて成形すると、連通口（１６２）のうち円錐テーパ状の内壁面には、刃物（ドリル）により螺線状の溝が形成されてしまう。このため、弁体（１６３）の曲面を円錐テーパ状の内壁面に密着させても、螺線溝を伝って第１の空間（Ａ）側と第２の空間（Ｂ）側との間で流体が流通してしまう。
【００１５】
これに対して、請求項３に記載の発明では、連通口（１６２）のうち円錐テーパ状の内壁面（１６１ａ）には、多数本の同心円上の溝（１６２ａ）を形成するラップ処理が施されていることを特徴としているので、弁体（１６３）の曲面が円錐テーパ状の内壁面（１６１ａ）に密着したときに、ラップ処理された溝（１６２ａ）により迷路構造（ラビリンス構造）が形成される。したがって、連通口（１６２）を確実に閉じる（密閉する）ことができる。
【００１６】
なお、請求項４に記載の発明のごとく、弁体は、樹脂で形成されていることが望ましい。
【００１７】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る流体バルブを吸着式冷凍機用の蒸気バルブに適用したものであり、図１は吸着式冷凍機（吸着式空調装置）の一例を示す模式図である。
【００１９】
１００は本実施形態に係る吸着器であり、２００は吸着器１００内を循環した熱媒体と室外空気とを熱交換する室外熱交換器（以下、室外器と略す。）であり、３００は吸着器１００にて発生した冷凍能力により冷却された熱媒体と室内に吹き出す空気とを熱交換し、空調風を冷却する室内熱交換器（以下、室内器と略す。）である。因みに、熱媒体は、本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液をした流体であって、後述する水冷式エンジンの冷却水と同じものである。
【００２０】
４００は吸着器１００（吸着式冷凍機）に投入する熱の熱源であり、本実施形態では、水冷式エンジン（水冷式内燃機関）の廃熱を熱源としている。また、４０１〜４０３は熱媒体を循環させる第１〜３ポンプであり、４０４〜４０７は熱媒体の循環経路を切り換える切換弁である。
【００２１】
また、吸着器１００は、内部が略真空に保たれた状態で冷媒（本実施形態では、水）が封入されたステンレス（本実施形態では、ＳＵＳ３０４）製のケーシング１１０を４つの空間（第１〜４空間）１０１〜１０４に区画するとともに、各空間１０１〜１０４に熱媒体が流通する熱交換器１２０、１３０、１４０、１５０を収納したものである。
【００２２】
具体的には、第１、２空間１０１、１０２には、熱媒体と吸着剤とを熱交換する熱交換器１２０、１３０（以下、第１、２吸着コア１２０、１３０と呼ぶ。）が収納され、第３空間１０３には、液相冷媒と室内器３００を循環する熱媒体とを熱交換する熱交換器１４０（以下、蒸発器１４０と呼ぶ。）が収納され、第４空間１０４には、蒸気冷媒と室外器２００を循環する熱媒体とを熱交換する熱交換器１５０（以下、凝縮器１５０と呼ぶ。）が収納されている。
【００２３】
なお、第１、２吸着コア１２０、１３０の表面には、蒸気冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（本実施形態では、シリカゲル）が接着剤（本実施形態では、エポキシ樹脂）によって接着固定されている。
【００２４】
ところで、１６０ａは第１空間１０１と第３空間１０３との連通状態を制御する水蒸気バルブ（流体）であり、１６０ｂは第１空間１０１と第４空間１０４との連通状態を制御する水蒸気バルブ（流体）であり、１６０ｃは第２１空間１０２と第３空間１０３との連通状態を制御する水蒸気バルブ（流体）であり、１６０ｄは第２空間１０２と第４空間１０３との連通状態を制御する水蒸気バルブ（流体）である。
【００２５】
ここで、水蒸気バルブ１６０ａ〜１６０ｄは全て同一構造であるので、これら水蒸気バルブ１６０ａ〜１６０ｄを総称するときは、水蒸気バルブ１６０と表記する。
【００２６】
次に、水蒸気バルブ１６０について図２に基づいて述べる。
【００２７】
１６１は冷媒（流体）が存在する空間を第１の空間（例えば第１空間１０１）Ａと第２の空間（例えば第３空間１０３）Ｂとに区画する区画部材（シールプレート）であり、この区画部材１６１には、両空間Ａ、Ｂを連通させる連通口（弁口）１６２が設けられている。なお、本実施形態では、区画部材（シールプレート）１６１は、ケーシング１１０に固定されている。
【００２８】
そして、連通口１６２は、第１の空間Ａ側から第２の空間Ｂ側に向かうほど開口面積が縮小するように円錐テーパ状に形成され、連通口１６２を開閉する弁体１６３は、第２の空間Ｂ側が凸となるような曲面１６３ａを有する殻（シェル、膜）状に形成されて連通口１６２に配置されている。
【００２９】
なお、１６４は連通口１６２が開いたときに、第２の空間Ｂから第１の空間Ａに流通する冷媒の動圧により、弁体１６３が流されてしまうことを防止するバルブガイドである。
【００３０】
次に、水蒸気バルブ１６０の作動について述べる。
【００３１】
第１の空間Ａ側の圧力が第２の空間Ｂ側の圧力より高いときには、その差圧により弁体１６３が第２の空間Ｂ側に押し付けられるため、区画部材（シールプレート）１６１の円錐テーパ面１６１ａに弁体１６３が密着し、連通口１６２が弁体１６３により閉じられる。
【００３２】
一方、第２の空間Ｂ側の圧力が第１の空間Ａ側の圧力より高いときには、弁体１６３を円錐テーパ面１６１ａに押し付ける力が作用しないので、第２の空間Ｂから第１の空間Ａに流通する冷媒の動圧により、弁体１６３が画部材（シールプレート）１６１に対して浮いた（離れた）状態となり、連通口１６２が開く。
【００３３】
次に、吸着式冷凍機の概略作動を述べる。
【００３４】
先ず、切換弁４０４〜４０７を図１の実線に示すように作動させて、蒸発器１４０と室内器３００との間、第１吸着コア１２０と室外器２００との間、並びに凝縮器１５０と室外器２００との間、第２吸着コア１３０と熱源４００との間に熱媒体を循環させる。
【００３５】
これにより、第１吸着コア１２０が蒸気冷媒を吸着する吸着工程となり、第２吸着コア１３０が吸着していた冷媒を脱離する脱離工程となるので、第１吸着コア１２０で発生した冷凍能力により室内に吹き出す空気が冷却され、第２吸着コア１３０では吸着剤の再生が行われる。
【００３６】
そして、この状態（以下、この状態を第１状態と呼ぶ。）で所定時間（本実施形態では、６０秒〜１００秒）が経過したときに、切換弁４０４〜４０７を図１の破線に示すように作動させて、蒸発器１４０と室内器３００との間、第２吸着コア１３０と室外器２００との間、並びに凝縮器１５０と室外器２００との間、第１吸着コア１２０と熱源４００との間に熱媒体を循環させる。
【００３７】
これにより、第２吸着コア１３０が吸着工程となり、第１吸着コア１２０が脱離工程となるので、第２吸着器１００で発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第１吸着器１００にて吸着剤の再生が行われる。
【００３８】
そして、この状態（以下、第２状態と呼ぶ。）で所定時間が経過したとき、切換弁４０４〜４０７を作動させて再び第１状態とする。このように、第１状態及び第２状態を所定時間毎に交互に繰り返して、空調装置を連続的に稼働させる。
【００３９】
なお、所定時間は、ケーシング１１０内に存在する液相冷媒の残量や吸着コア１２０、１３０に接着された吸着剤の吸着能力等に基づいて適宜選定されるものである。
【００４０】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００４１】
本実施形態によれば、弁体１６３は、第２の空間Ｂ側が凸となるような曲面を有する殻（シェル、膜）状に形成されて連通口１６２に配置されているので、前述のごとく、自身に作用する圧力により連通口１６２を開閉する。したがって、上記公報に記載の発明と異なり、フロートを必要としないので、連通口１６２を拡大しても、水蒸気バルブ１６０が過度に大きくなることを防止することができる。
【００４２】
また、弁体１６３（第２の空間Ｂ側が凸となるような曲面１６３ａ）を、差圧により円錐テーパ面１６１ａに押し付けるので、閉弁時においては、確実に連通口１６２を閉じることができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、ケーシング１１０内の水蒸気圧により弁体１６３を開閉作動させるものであるので、弁体１６３は軽量、かつ、吸湿性の低い材質が望ましく、本実施形態では、厚みを５０μｍ〜１００μｍ程度とし、連通口１６２の開口面積において、単位面積当たり０．０２ｇ／ｃｍ²以下の樹脂（例えば、ポリフェニレンサルファイド）製としている。
【００４４】
これにより、本実施形態では、差圧が１００Ｐａ（≒１Ｔｏｒｒ）以上となったときに連通口１６２が開き、差圧が１×１０⁴Ｐａ（≒１００Ｔｏｒｒ）以下の差圧であっても確実に連通口１６２を閉じる（シールする）ことができる。
【００４５】
（第２実施形態）
本実施形態では、図３に示すように、弁体１６３の頂部（第２の空間Ｂに面した部位）に、第１の空間Ａ側に向けて部分的に陥没（突出）する殻状陥没部（殻状突起部）１６３ｂを設けたものである。
【００４６】
これにより、第１の空間Ａ側の圧力が第２の空間Ｂ側の圧力より高いとき（連通口１６２を閉じるような差圧が発生したとき）には、殻状陥没部（殻状突起部）１６３ｂが第２の空間Ｂ側に向けて凸となるように湾曲するので、曲面１６３ａが円錐テーパ面１６１ａ側に開くように湾曲する。したがって、曲面１６３ａと円錐テーパ面１６１ａとの接触面圧が高まるので、連通口１６２をより確実に閉じることができる。
【００４７】
一方、第２の空間Ｂ側の圧力が第１の空間Ａ側の圧力より高いときには、殻状陥没部（殻状突起部）１６３ｂが第１の空間Ｂ側に向けて凸となるように湾曲するので、曲面１６３ａが円錐テーパ面１６１ａ側から離れるように湾曲する。したがって、曲面１６３ａと円錐テーパ面１６１ａとの接触面圧が低下するので、連通口１６２を速やかに開くことができる。
【００４８】
以上に述べたように、本実施形態では、連通口１６２を速やかに開弁しつつ、閉弁時にあっては、連通口１６２を確実に閉じることができる。
【００４９】
（第３実施形態）
連通口１６２のうち円錐テーパ状の内壁面（円錐テーパ面１６１ａ）に、図４に示すように、多数本の同心円上の溝１６２ａを形成するラップ処理を施したものである。
【００５０】
ところで、連通口１６２をドリル加工等にて成形すると、連通口１６２のうち円錐テーパ状の内壁面（円錐テーパ面１６１ａ）には、刃物（ドリル）により螺線状の溝が形成されてしまう。このため、曲面１６３ａを円錐テーパ面１６１ａに密着させても、螺線溝を伝って第１の空間Ａ側と第２の空間Ｂ側との間で冷媒（蒸気冷媒）が流通してしまう。
【００５１】
これに対して、本実施形態では、円錐テーパ面１６１ａに、多数本の同心円上の溝１６２ａを形成するラップ処理を施すので、隣り合う溝１６２ａが連通しておらず、弁体１６３（曲面１６３ａ）が円錐テーパ面１６１ａに密着したときに、ラップ処理された溝１６２ａにより迷路構造（ラビリンス構造）が形成される。したがって、連通口１６２を確実に閉じる（密閉する）ことができる。
【００５２】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明に係る流体バルブを吸着式冷凍機用の蒸気バルブに適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他のものにも適用することができる。
【００５３】
また、上述の実施形態における熱源は、水冷エンジンに限定されるものではなく、例えば燃料電池等のその他の熱源であってもよい。
【００５４】
また、上述の実施形態では、吸着剤としてシリカゲルを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸着剤として活性炭、ゼオライト、活性アルミナなどを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る吸着式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る水蒸気バルブの模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る水蒸気バルブに適用される弁体の断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る水蒸気バルブの連通口の上面図であり、（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る水蒸気バルブの連通口の断面図である。
【符号の説明】
１６１…区画部材（シールプレート）、１６２…連通口（弁口）、
１６３…弁体、１６４…バルブガイド。

Claims (4)

1. 冷媒を吸着又は脱離する吸着剤を有する吸着式冷凍機に適用されて、蒸気冷媒の流通を制御する蒸気バルブ（１６０）として用いられる流体バルブであって、
   冷媒が存在する空間を第１の空間（Ａ）と第２の空間（Ｂ）とに区画するとともに、前記両空間（Ａ、Ｂ）を連通させる連通口（１６２）が設けられた区画部材（１６１）と、
   前記連通口（１６２）を開閉する弁体（１６３）と、
   前記弁体（１６３）が前記連通口（１６２）を開いたときに、前記第２の空間（Ｂ）から前記第１の空間（Ａ）に流通する冷媒の圧力により、前記弁体（１６３）が流されてしまうことを防止するバルブガイド（１６４）とを有し、
   前記連通口（１６２）は、前記第１の空間（Ａ）側から前記第２の空間（Ｂ）側に向かうほど開口面積が縮小するように円錐テーパ状に形成されており、
   前記弁体（１６３）は、前記第２の空間（Ｂ）側が凸となるような曲面を有する殻状に形成され、かつ、自身に作用する圧力により前記連通口（１６２）を開閉するようになっており、
   前記バルブガイド（１６４）は、前記弁体（１６３）が前記連通口（１６２）を閉じたときに、前記弁体（１６３）と非接触状態になり、
   さらに、前記バルブガイド（１６４）の先端部は、前記弁体（１６３）が前記連通口（１６２）を閉じたときに、前記弁体（１６３）の内部に位置付けられていることを特徴とする流体バルブ。
2. 前記弁体（１６３）には、前記第１の空間（Ａ）側に向けて部分的に陥没する殻状陥没部（１６３ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体バルブ。
3. 前記連通口（１６２）のうち円錐テーパ状の内壁面（１６１ａ）には、多数本の同心円上の溝（１６２ａ）を形成するラップ処理が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体バルブ。
4. 前記弁体は、樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体バルブ。

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