JP5385393B2 - 力平衡化機構を備えた膨張バルブ - Google Patents

Description

本発明は、特に冷凍システムで使用される膨張バルブに関する。より詳細には、本発明は、膨張バルブの作動に必要な力を低減させることが可能な膨張バルブに関する。

膨張バルブでは、例えば弁座の形態の第１のバルブ部分と、例えばバルブ要素の形態の第２のバルブ部分とが、通常は互いに相対運動可能に配置されており、これらバルブ部分の相対運動は、バルブが開放又は閉鎖されるか否か、及び場合によってはバルブの開度を定める。

場合によっては、膨張バルブの差圧によって膨張バルブの２つのバルブ部分が互いに押し付けられる。この結果、バルブ部分間の相対運動は、例えばバルブ部分間の摩擦により妨げられることがある。

冷凍システムの幾つかの冷媒回路のような一部の流体回路では、流体回路の一部分に沿って流路を２つ又はそれ以上の平行流路に分割することが望ましい場合がある。例えば、並列に配置された２つ又はそれ以上の蒸発器を備えた冷凍システムの場合がこれに該当する。更に、例えば、実質的に等しい流体分布が得られるようにするか、或いは、例えばエネルギー消費又は効率上の観点からシステムが最適条件で作動するように、平行流路の各々への流量を制御可能にすることが望ましい場合がある。

本発明の目的は、従来技術の類似の膨張バルブと比較して、膨張バルブを作動させるのに必要な力を低減することができる膨張バルブを提供することである。

本発明の他の目的は、膨張バルブを作動させるのに過剰なエネルギーを必要とすることなく、平行流路間に所望の流体媒体を分配する膨張バルブを提供することである。

本発明の第１の特徴によれば、上述の目的及び他の目的は、液体状態の流体媒体を受けるよう適合された入口開口と、少なくとも部分的に気体状態の流体媒体を少なくとも１つの流路に送給するよう適合された少なくとも１つの出口開口と、その相対位置によって入口開口と出口開口の各々との間の流体流を決定付けるように互いに対して移動可能に配置された第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分と、を備え、第１及び第２のバルブ部分は、通常作動中に結果として生じる力が第１及び／又は第２のバルブ部分に作用するように配置され、上記力が第１及び第２のバルブ部分を互いに向かって押圧し、膨張バルブが更に、バルブ部分に作用する結果として生じる力を低減する手段を備える、膨張バルブを提供することによって達成される。

入口開口は、流体媒体を受けるよう適合されている。従って、入口開口は、流体媒体供給源に流体接続されるのが好ましい。

本発明の膨張バルブは、入口開口と少なくとも１つの出口開口との間に少なくとも１つの流路を定める。液体状態の流体媒体は、入口開口で受けられ、少なくとも部分的に気体状態の流体媒体が出口開口に送給される。本発明の関連において、用語「液体状態」とは、入口開口を介して膨張バルブに流入する流体媒体が実質的に液相であることを意味すると解釈すべきである。同様に、本発明の関連において、用語「少なくとも部分的に気体状態」とは、出口開口を介して膨張バルブから流出する流体媒体が完全に気相であるか、又は膨張バルブから流出する流体媒体の体積の少なくとも一部（例えば、実質的な部分）が気相であることを意味すると解釈すべきである。従って、膨張バルブに流入する流体媒体の少なくとも一部は、膨張バルブを通過するときに液相から気相に相転移を受ける。

入口開口及び出口開口は、冷凍システムの他の構成要素などの１つ又はそれ以上の他の構成要素に流体接続されるのが好ましい。膨張バルブは、有利には、流体回路のような流体システムの一部を形成することができる。この場合、流体媒体は、有利には、ＨＦＣ、ＨＣＦＣ、ＣＦＣ又はＨＣの冷媒群の１つから選択された冷媒のような適切な冷媒とすることができる。他の好適な冷媒はＣＯ２である。

膨張バルブは更に、第１のバルブ部分と第２のバルブ部分とを有する。バルブ部分は、互いに相対移動可能に配置される。これは、１つ又は２つのバルブ部分を膨張バルブの残りの部分と相対移動可能なように、第１及び／又は第２のバルブ部分を取り付けることによって達成することができる。従って、第２のバルブ部分が固定状態で取り付けられている場合、第１のバルブ部分を移動可能にすることができる。或いは、第１のバルブ部分が固定状態で取り付けられている場合、第２のバルブ部分を移動可能にすることができる。最後に、バルブ部分の両方を移動可能に取り付けてもよい。上述の状況の全てにおいて、第１のバルブ部分と第２のバルブ部分との間の相対移動が可能であり、これにより、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対位置が定められる。この相対位置によって入口開口と各出口開口の各々との流体流量が決定付けられる。従って、バルブ部分の相対位置の調整により所望の流体流量を得ることができる。このことは以下で更に詳細に説明する。

第１及び第２のバルブ部分は、通常作動中に、結果として生じる力が第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分に作用するように配置されている。本発明の関連において、用語「通常作動中」とは、予想圧力範囲、予想流量比、使用予定冷媒、その他を含む、製造者の目的通りに膨張バルブを使用したときに起こると予想される環境状態にあることを意味すると解釈すべきである。例えば、「通常作動」とは、例えば、流体システムの一部を形成していない理由から膨張バルブが冷媒を受けない状況、或いは、バルブ要素が予想圧力範囲を遙かに上回る圧力に曝される状況を対象とするものと解釈すべきではない。

結果として生じる力は、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分を互いに押し付け合う。結果として生じる力は、単純に第１のバルブ部分に作用する力の組合せとすることができ、或いは、単純に第２のバルブ部分に作用する力の組合せとすることができる。或いは、この力は、第１のバルブ部分に作用する力と第２のバルブ部分に作用する力との組合せとすることができる。個々の力は、結果として生じる力が２つのバルブ部分を互いに向けて押圧する限り、あらゆる方向に作用してもよい。従って、何れの場合においても、結果として生じる力は、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分が互いに向かって又は互いに抗して押圧するように配向される。これにより膨張バルブの緊密性を確保することができる。しかしながら、通常作動中に２つのバルブ部分を互いに向けて押圧すると、例えば、バルブ部分間の摩擦に起因して、及び／又はバルブ部分に作用する差圧により生じる法線力に起因して、バルブ部分を互いに対して移動させるのが困難になる。従って、膨張バルブを適切な手法で作動させるのに必要とされるバルブ部分間の相対移動を実施するには、比較的大きな力が必要となる。

膨張バルブは更に、バルブ部分に作用する結果として生じる力を低減する手段を備える。これにより上述の問題が軽減され、その結果、従来の膨張バルブと比較して、バルブ部分間の望ましい相対移動を得るのに必要な力を低減することができる。こうして、本発明による膨張バルブは、過剰なエネルギーを必要とすることなく作動させることができる。これは有利である。

結果として生じる力を低減する手段は、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分を互いから離れる方向に付勢する手段を含むことができる。この実施形態によれば、付勢力が第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分に作用し、該付勢力により結果として生じる力が相殺され、その結果該力が低減されるようにする。

この場合、付勢手段は、第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分において又はその近傍において生じる少なくとも１つの圧力を調整する手段を含むことができる。これは、例えば、第１／第２のバルブ部分の第１の側部における第１の圧力を第１／第２のバルブ部分の第２の側部における第２の圧力に適合可能にする少なくとも１つのバイパス開口を第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分に備えることによって達成することができる。この実施形態によれば、圧力平衡化は、関連するバルブ部分の両側部間で行われ、その結果、バルブ部分に作用する差圧が低減され、これにより結果として生じる力が低減される。代替として、少なくとも１つの圧力は、外部供給源を用いて圧力を印加することにより調整することができる。

膨張バルブは更に、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対移動を引き起こすよう適合されたアクチュエータを備えることができ、付勢手段は、アクチュエータの作動に応答して第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分が互いから離れる方向に付勢されるように、アクチュエータに作動可能に接続することができる。この実施形態によれば、バルブ部分は、該バルブ部分間で相対移動をする間に互いから離れるように付勢されるだけである。これは、膨張バルブを作動させるのに必要な力を最小限にするために、結果として生じる力を低減することが望ましい状況に他ならない。同時に、バルブ部分が相対移動をしていないときには、該バルブ部分は結果として生じる力によって互いに向けて押し付け合い、これにより膨張バルブが可能な限り緊密になるのを確保することができる。この実施形態によれば、付勢手段は、アクチュエータの作動に応答して解法されるように配置されたパイロットバルブを含むことができる。

代替として又はこれに加えて、付勢手段は、例えば、バルブ要素を互いから離れる方向に引き寄せるか又は押し付けるように配置された１つ又はそれ以上の圧縮バネの形態で１つ又はそれ以上のバネ部材を含むことができる。

結果として生じる力を低減する手段は、第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分において少なくとも部分的に一体化することができる。これは、例えば、第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分に１つ又はそれ以上の凹部及び／又は突出部を設けることによって得ることができ、これにより第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分間の接触区域を低減する。このような方法でバルブ部分間の接触区域を低減すると、差圧が作用する区域が低減され、その結果、バルブ部分を互いに向けて押し付ける結果として生じる力もまた低減される。接触区域の低減は、他方のバルブ部分の表面に向けるよう適合された一方のバルブ部分の表面の一部を除去することにより得ることができる。この場合、結果として生じる力を低減する手段は、上記バルブ部分に形成された１つ又はそれ以上の凹部の形態であり、接触区域は、表面の残りの部分の区域により定められる。代替として又はこれに加えて、接触区域の低減は、バルブ部分の表面の一部に材料を追加し、これにより該表面に１つ又はそれ以上の突出部を設けることにより達成することができる。この場合、バルブ部分間の接触区域は突出部の区域により定められる。

第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分は、互いに対して実質的に直線移動を行うように適合することができる。この実施形態によれば、バルブ部分は、互いに対して摺動可能に配置することができ、例えば、バルブ部分の一方が、他のバルブ部分を内部で摺動可能に配置させるようにする管体である。

代替として、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分は、実質的に相対的回転移動を行うように適合することができる。この実施形態によれば、一方のバルブ部分は、共通長手方向軸線の周りに相対的回転移動を実施できるように他のバルブ部分を内部に配置させた管体とすることができる。有利な代替の形態として、第１のバルブ部分は、少なくとも１つの開口を内部に形成した第１のディスクを含むことができ、第２のバルブ部分は、少なくとも１つの開口を内部に形成した第２のディスクを含むことができ、第１のディスク及び／又は第２のディスクは、他方のディスクに対して回転移動を実施するように配置され、第１のディスクの開口及び第２のディスクの開口が少なくとも部分的に重なり合って配置できるように配置することができ、第１のディスクの開口の各々は、出口開口に流体接続することができる。

第２のディスクに形成される開口の数は、第１のディスクの開口の数と等しくすることができる。この場合、膨張バルブは、好ましくは、バルブ部分の相対移動によって膨張バルブの開度が決定される種類のものである。このことは以下で詳細に説明する。

或いは、第２のディスクには内部に１つの開口だけを形成させてもよい。この場合、膨張バルブは、好ましくは、バルブ部分の相対移動によって出口開口間の流体分布が決定される種類のものである。このことは以下で詳細に説明する。

他の代替形態として、ディスクの両方が１つの開口のみを備えることができ、或いは、ディスクの両方に少なくとも２つの開口を形成させて、ディスクには異なる開口数を備えてもよい。

第１のディスクの開口及び／又は第２のディスクの開口の少なくとも１つは、第１／第２のディスクの外周に面する端部にて円周方向に沿ったサイズよりも小さい、第１／第２のディスクの中心に面する端部にて円周方向に沿ったサイズを定めるテーパ形状を有することができる。幾つかの開口がディスクの１つに円周方向に配置される場合には、テーパ形状は、同じ区域を対象とし且つ実質的に円形の形状を有する開口よりも互いに近接して開口を配置することができる。テーパ形状は更に、膨張バルブの閉鎖位置、すなわち、第１のディスクの開口と第２のディスクの開口との間に重なりが存在しない位置を定めるのに十分な区域が開口間に確保する。

これにより、開口の区域を低減することなく、及び膨張バルブの閉鎖状態を定める可能性を損なうことなく、開口により定められる周囲がより小さい位置まで開口をディスクの中心に向けて移動させることが可能になる。

開口をディスクの中心に向けて移動させると、トルクは、ディスク間の相対移動の回転軸と開口の位置との間の距離に依存するので、ディスクを互いに対して回転させるのに必要なトルクが低減されるようになる。このことは、図面を参照しながら以下で詳細に説明する。結果として、テーパ形状を有する開口を設けることにより、膨張バルブの作動に必要なトルクを最小限にできるように膨張バルブを設計することが可能になる。この場合、例えば、形状及び／又はディスク上の位置に関する開口の設計は、バルブ部分に作用する結果として生じる力を低減する手段の一部を形成するものと見なすことができる。

最後に、実質的に円形の開口をテーパ形状の開口と置換えると、膨張バルブの開口特性が変化することになる。従って、テーパ開口は、所望の開口特性が得られるように設計することができる。

膨張バルブは更に、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対移動を引き起こすように適合されたアクチュエータを備えることができる。アクチュエータは、例えば、温度調整バルブを含む種類のものとすることができる。或いは、バルブ部分の相対移動は、ステップモータ、ソレノイド、又は他の好適な手段により駆動することができる。

膨張バルブは更に、入口開口に流体接続された入口部分を含み、該入口開口から受けた流体媒体を少なくとも２つの平行流路に分配するよう配置された分配器と、少なくとも部分的に気体状態の流体媒体を送給するよう各々が適合されており、且つ各々が平行流路の１つに流体接続されている少なくとも２つの出口開口と、を備える。

この場合、膨張バルブは、該膨張バルブを作動させるのに過剰なエネルギーを必要とせずに、平行流路間に所望の流体媒体を分配することを可能にする。

この実施形態によれば、膨張バルブは、入口開口から受けた流体媒体を少なくとも２つの平行流路に分配するよう配置された分配器を備える。流路は、流路に沿って平行状態で流体を流すことができるという意味で平行であり、すなわち、流路は、流体的に平行に配置されている。流路の各々は、出口開口の１つに流体接続され、すなわち、所与の流路に流入する流体媒体が、対応する所与の出口開口を介して膨張バルブから流出する。従って、分配器は、入口開口にて受けられた流体媒体を所定及び所望の手法で出口開口間に分配されるのを確保する。

第１のバルブ部分及び／又は第２のバルブ部分は、分配器の一部を形成することができる。この実施形態によれば、流体媒体の分配は該流体媒体の膨張中に行われる。その結果、流体媒体の少なくとも１つの実質的に一部が液相である間に分配されるのを確立できるので有利である。これにより分配の制御がより容易になる。更に、この膨張バルブをマイクロチャンネルタイプの流れシステムで使用するのが好適になる。

第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対位置により、出口開口間の流体の分配が決定付けられる。この実施形態によれば、第２のバルブ部分は、有利には、１つの開口のみを含むことができる。第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対移動が実施されると、第２のバルブ部分の開口は、第１のバルブ部分の開口と重なり合う位置間で交互に移動することができる。第２のバルブ部分の開口が第１のバルブ部分の所与の開口と重なり合って位置付けられる場合、流体媒体はこの開口に対応する流路に送給され、第１のバルブ部分の他の開口に対応する流路には送給されない。これにより、第２のバルブ部分の開口が第１のバルブ部分の開口の各々と重なり合って配置されている間の時間を制御することによって、流路の各々に送給される流体媒体の量を制御することができる。その結果、流路間の流体媒体の分配を制御することができる。

開口の少なくとも一部はマイクロチャンネルとすることができる。

或いは、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対位置により、膨張バルブの開度を決定付けることができる。この実施形態によれば、膨張バルブの開度、並びにこれにより膨張バルブを通過できるようになる流体媒体の量は、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対位置、並びにその結果として開口の相対値を調整することにより調整することができる。

第１のバルブ部分の開口及び第２のバルブ部分の開口は、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対移動に応答して少なくとも部分的に重なり合って配置できるように配置することができる。開口は各々、出口開口に流体接続することができ、バルブ部分の相対位置は、出口開口に向けたバルブ組立体の開度を定めることができる。

第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分間の相対移動を実施すると、２つのバルブ部分に形成される開口の相対位置が変化する。従って、第１のバルブ部分の所与の開口と第２のバルブ部分の所与の開口との間の重なり合いは、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対位置によって決定付けられる。重なり合いが大きくなるほど、結果として２つの開口によって定められる開口もより大きくなることを予想しなければならない。この結果として得られる開口は、有利には、対応する出口開口に向けた膨張バルブの開度を定める。この実施形態によれば、第１のバルブ部分の開口の数は、有利には、第２のバルブ部分の開口の数と等しくすることができ、開口は、好ましくは、第１及び第２のバルブ部分における対応する開口のペアが定められるように位置付けられる。開口の各ペア間の重なり合いの程度は、実質的に同じであるのが好ましい。

代替として、或いはこれに加えて、膨張バルブの開口度と第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分の相対位置との間の相関関係は、第１のバルブ部分の幾何形状及び／又は第２のバルブ部分の幾何形状によって定めることができる。このような幾何形状は、第１及び／又は第２のバルブ部分に定められる開口のサイズ及び／又は形状、第１及び／又は第２のバルブ部分上に形成されるバルブ要素／弁座のサイズ及び／又は形状、及び／又は他の何れかの好適な幾何形状であり、又はこれらを含むことができる。

流体媒体は、有利には、冷媒とすることができる。この場合、膨張バルブは、冷凍システムの冷媒回路に配置されるのが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、上記及び他の目的は、少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの凝縮器と、少なくとも１つの蒸発器と、本発明の第１の態様による膨張バルブと、を備え、該膨張バルブは、冷媒を蒸発器に送給するように出口開口が配置されるように配置されている冷凍システムを提供することによって達成される。

本発明の第１の態様と組み合わせて説明した何れかの特徴もまた、本発明の第２の態様と組み合わせることができ、逆もまた同様であることは、当業者であれば容易に理解されるであろう点に留意されたい。

冷凍システムは、１つの圧縮機のみを含むことができる。或いは、例えば圧縮機ラックの状態で配置された、２つ又はそれ以上の圧縮機を含むことができる。

冷凍システムは、空気調整システムとすることができる。或いは、スーパーマーケットにおける冷却備品又はフリーザで使用される種類の冷凍システムであってもよい。

本発明は更に、少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの凝縮器と、冷媒流路に沿って平行に配置された少なくとも２つの蒸発器と、本発明の第１の態様による膨張バルブと、を備え、蒸発器の１つに冷媒を送給するよう少なくとも２つの出口開口の各々が配置されるように配置されている冷凍システムに関する。

本発明の１つの実施形態による膨張バルブを通る斜視断面図である。 従来の膨張バルブのバルブ部分を示す図である。 従来の膨張バルブのバルブ部分を示す図である。 従来の膨張バルブのバルブ部分を示す図である。 本発明の第１の実施形態による膨張バルブのバルブ部分を示す図である。 本発明の第１の実施形態による膨張バルブのバルブ部分を示す図である。 本発明の第１の実施形態による膨張バルブのバルブ部分を示す図である。 本発明の第２の実施形態による膨張バルブの分配器を示す図である。 シール区域を有するバルブ部分を示す図である。 本発明の１つの実施形態による膨張バルブの平衡化要素を示す図である。 図６の平衡化要素を備えた膨張バルブの断面図である。 図７の膨張バルブの詳細図である。 本発明の更に別の実施形態による膨張バルブを通る斜視断面図である。 図９の膨張バルブの断面図である。 図１０の膨張バルブの詳細図である。 図１０の膨張バルブの詳細図である。 ２つのディスクが互いに対して移動したときに作用する力を示す概念図である。 実質的に円形の開口を備えたディスクを示す図である。 テーパ形の開口を備えたディスクを示す図である。

次に、添付図面を参照しながら本発明を更に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態による膨張バルブ１を貫通する斜視断面図である。膨張バルブ１は、液体状態の流体媒体を受けるように適合された入口開口２を含む。従って、入口開口２は、液体状態の流体媒体の供給源に接続可能である。膨張バルブ１は更に、４つの出口開口３を備え、このうちの３つが見えており、出口開口３は流体的に平行に配置されている。

膨張バルブ１は更に、４つの開口６（その２つが見えている）を有するオリフィスディスク５と、６つの開口８（その４つが見えている）を有する分配ディスク７とを含む分配器４を備える。オリフィスディスク５は、出口開口３に対して固定して取り付けられ、開口６の各々は出口開口３に対応した位置に配置されている。分配ディスク７は、矢印１０で示されるように、オリフィスディスク５及び膨張バルブ１のハウジング９に対して回転可能に配置される。これにより、分配ディスク７に設けられた開口８は、オリフィスディスク５に設けられた開口６に対して角度方向に移動可能であり、オリフィスディスク５と分配ディスク７の相互角度位置により、開口６、８間の相互の重なり合いが決まる。図１において、分配ディスク７は、該分配ディスク７の開口８のうちの４つが、オリフィスディスク５の４つの開口６と完全に重なり合う角度位置で配置されている。従って、膨張バルブ１の開度は、実施可能な最大値となり、すなわち、流体媒体は、入口開口２からハウジング９と分配ディスク７との間に定められる容積１１を介して出口開口３の各々に
実施可能な最大範囲まで流れることが許容される。

代替として、分配ディスク７は、単一の開口８のみを有するものであってもよい。この場合、分配ディスク７とオリフィスディスク５の相互角度位置により、オリフィスディスク５の開口６に対するこの開口８の位置が決まる。開口８は、各開口６と１つずつ重なり合う位置間を移動して、これにより流体媒体を出口開口３の各々に交互に供給できるようにすることができる。この場合、所与の出口開口３に供給される流体量は、所与の出口開口３に対応する開口６の位置と重なり合う位置で開口８が配置される時間によって決定される。これにより、出口開口３間への流体媒体の分配は、分配ディスク５の移動パターンの制御により制御することができる。

図２ａは、図１に示したものと類似した膨張バルブ用分配器で使用するオリフィスディスク５を示す。オリフィスディスク５は４つの開口６を備える。

図２ｂは、図２ａのオリフィスディスク５に適合する分配ディスク７を示す。分配ディスク７は、単一の開口８を備える。

図２ｃは、図２ａのオリフィスディスク５と図２ｂの分配ディスク７とにより形成される従来の分配器４を示す。ディスク５、７は、該ディスク５、７間の相互の回転移動が可能になるように互いに隣接して配置される。これにより、分配ディスク７の開口８は、オリフィスディスク５の開口６の１つと重なる位置に移動することができる。従って、図２ｃの分配器４は、図１に示す種類のものではなく、図１を参照して上記で説明したものとは別の種類のものである。

オリフィスディスク５は、実質的に平坦な面を備え、分配ディスク７の同様の実質的に平坦な面に向かって配置される。平坦な面は、ディスク５、７間で本質的にディスク５、７を覆う接触区域を定める。接触区域の範囲はハッチング領域で示される。

分配器４は、膨張バルブの一部を形成するので、ディスク５、７は、差圧に曝されて該ディスク５、７が互いに向かって押し付けられ、これによりディスク５、７に作用する法線力が定められる。法線力の大きさは、差圧のレベル及びディスク５、７の設計に依存する。法線力の大きさ及びディスク５、７間の摩擦係数により、ディスク５、７の相互角度移動を行うのに必要なトルクが決定付けられる。図２ｃに示すディスク５、７の接触区域は、本質的にディスク５、７全体を覆うので、各ディスクの実質的に表面全体が差圧に曝されることになる。ディスク５、７に加わる法線力は、接触面積と差圧とを乗算したものであり、従って、図２ｃに示す分配器においては極めて大きい値になる。この結果、ディスク５、７間の相互角度移動を行うのに必要なトルクもまた極めて大きい値になる。

ディスク５、７は、分配器４の形成とは別に、膨張バルブのバルブ要素をも形成する点に留意されたい。

図３ａは、図２ａに示したものに類似するオリフィスディスク５を示す。しかしながら、図３ａのオリフィスディスク５は、開口６の各々の周囲に配置された突出部１２を備える。

図３ｂは、図２ｂに示したものと同じ分配ディスク７を示す。

図３ｃは、本発明の第１の実施形態による分配器４を示しており、図３ａのオリフィスディスク５及び図３ｂの分配ディスク７により形成される。図２ｃの分配器４と同様に、ディスク５、７は、該ディスク５、７間の相対角度移動を行うことができるように配置されている。図３から明らかなように、オリフィスディスク５上に形成された突出部１２は、ディスク５、７が該突出部１２の位置に相応する領域においてのみ互いに当接する。これにより、オリフィスディスク５と分配ディスク７間のハッチング部で示す接触区域は、図２ｃに示す状況と比較して大幅に低減される。この結果、ディスク５、７に加わる法線力が大幅に低減され、相互角度移動を行うために必要なトルク量をこれに応じて低減することができる。

更に、突出部１２はオリフィスディスク５の開口６の各々の周囲に配置されるので、突出部１２は、重なり合って配置される開口６、８により定められる流路から開口６、８を流れる流体媒体が漏出するのを防ぐ意味ではシール効果を提供する。これにより実質的に緊密な膨張バルブが提供される。

図４は、本発明の第２実施形態による膨張バルブ用分配器の断面図を示す。分配器４は、４つの開口６を有する（そのうちの２つが見える）オリフィスディスク５と、１つの開口８を有する分配ディスク７とを備える。オリフィスディスク５は、開口６の各々の周囲に配置された突出部１２を備える。従って、図４の分配器４は、図３ｃの分配器４と極めて類似する。

しかしながら、図４の分配器４は、圧縮バネ１３を備え、該圧縮バネ１３は、ディスク５、７が互いから離れる方向に押し付けるように、すなわち、バネ力が差圧により生じる法線力を相殺するように配置されている。バネ力は矢印１４で示される。すなわちディスク５、７に作用する結果として生じる力は法線力よりも小さい。このことは、法線力を低減させることに相当し、これによりディスク５、７が相互角度移動を行うのに必要なトルクが低減される。結果として生じる力は矢印１５で示される。バネ１３が静的な反力を与えるので、これにより法線力の静的平衡が得られる。

突出部１２が上述のようにシール作用を提供することは図４から明らかである。膨張バルブ全体にわたる差圧は、印加時の特定負荷に依存することに起因して、通常の作動中に変化することが予想される点に留意されたい。そのため、完全な平衡化、すなわちバネ力が法線力を正確にバランスさせることが常に得られるように圧縮バネ１３を設計することは不可能である。膨張バルブの緊密性を確保するためには、バネ力が予想最小法線力よりも小さいように圧縮バネ１３を設計することが必要になる。従って、静的平衡化を用いて限定的な平衡度しか得ることができない。

図５は、図３のオリフィスディスク５の斜視図を示す。図５において、開口６の各々のシール区域１６とオリフィス区域１７とに標識が示されている。シール区域１６は、バルブの閉鎖力に直接影響を及ぼす。

図６は、本発明の実施形態による膨張バルブで使用するピストン１８の斜視図を示す。ピストン１８は、該ピストン１８の両側の圧力を平衡にする目的で、流体媒体の流れがピストン１８を通過できるように配置された平衡チャンネル１９を備える。この点について、図７及び図８を参照しながら以下で更に詳細に説明する。

ピストン１８は更に、分配ディスクと接触して配置されるよう適合された接触区域２０と、平衡化区域２１とを備える。平衡化区域２１を慎重に設計することにより、バルブの完全平衡化を提供することが可能となる。

図７は、本発明の実施形態による膨張バルブ１を通る斜視断面図である。膨張バルブ１は、上述のように、固定的に取り付けられたオリフィスディスク５と、該オリフィスディスク５に対し角度移動可能に配置された分配ディスク７とを備える。分配ディスク７は、単一開口８のみを有する種類のものである。オリフィスディスク５は、図５に示される種類のものが好ましいが、明瞭にするために突出部が省略されている。

図６に示されるピストン１８は分配ディスク７上に装着され、その接触区域２０が分配ディスク７に当接している。平衡チャンネル１９は、ピストン１８の背面と空間１１とを流体的に接続している。従って、高圧の流体媒体がピストン１８の背面に誘導される。

同時に、低圧の流体媒体が、開口６からチャンネル２２に沿って平衡化区域２１の上部の領域に誘導される。このようにして、高圧流体媒体がピストン１８の背面に誘導され、一方、低圧流体媒体は、平衡化区域２１の上部の領域に誘導され、これらの組合せによりピストン１８を上方向に移動させようにする。ピストン１８の接触区域２０は、分配ディスク７と当接して配置されているので、これにより分配ディスク７もまた、上方向すなわちオリフィスディスク５から離れる方向に移動されるようになる。この結果、図４を参照して説明した状況と類似して、ディスク５、７を互いに向かって押し付ける結果として生じる力が低減される。しかしながら、ピストン１８の移動が、ピストン１８の背面と、平衡化区域２１の上部の領域とに誘導されるそれぞれの流体媒体の圧力によって引き起こされるので、ピストン１８の移動によって与えられる反力の大きさは、差圧によって決定付けられる。これにより、動的平衡化が提供され、通常作動中に常に最適な平衡化を提供できるようになり、すなわち、法線力に適合する可変の反力を提供できるようになる。これは、平衡化区域２１の面積が、図５に示されたシール区域１６及びオリフィス区域１７面積を開口数に応じて望ましい低度にバランスさせるように設計されている場合に特に当てはまる。

図８は、図７の膨張バルブの詳細図であり、ピストン１８の周囲の流体流、及び流体流によってピストン１８を移動がどのように引き起こされるかを示している。

図９は、本発明の更に別の実施形態による膨張バルブ１を通る斜視断面図である。図９の膨張バルブ１は、動的平衡化を提供するのに利用されるピストン１８を同様に備える点で図７の膨張バルブと同様である。図９の膨張バルブ１は、分配ディスク７上と、アクチュエータシャフト２５に接続される平衡化キャリア２４とに固定して取り付けられたキャリア２３を備える。アクチュエータシャフト２５は、アクチュエータ（図示せず）に接続される。平衡化キャリア２４は、２つのバネカバー２５を備え、各々がバネ及びバルブ構成（図示せず）を覆う。バルブ構成は、バルブが閉鎖状態のときには、流体が平衡チャンネル１９に流入するのを防ぎ、開放状態のときには流体が平衡チャンネル１９に流入できるように配置されている。バネ及びバルブ構成の正確な機能について図１０を参照しながら更に詳細に説明する。

分配ディスク７が特定位置に維持されている場合、すなわち、オリフィスディスク５に対して角度移動をしていない場合には、バルブ構成は閉鎖状態であり、これにより流体媒体が平衡チャンネル１９に流入するのが阻止される。その結果、ピストン１８は、上述のような平衡化を提供することができない。従って、分配ディスク７は、オリフィスディスク５に堅固に押し付けられ、従って、膨張バルブ１が極めて緊密になる。

膨張バルブ１を作動させるために分配ディスクを回転させることが望ましい場合には、アクチュエータ（図示せず）が操作されてアクチュエータシャフト２５の回転をもたらす。キャリア２３及び分配ディスク７は一緒に回転する。アクチュエータシャフト２５の回転により更に、バネカバー２６内に配置されたバルブ構成（図示せず）を作動させ、これによりバルブ構成を移動させて開放状態にする。これにより流体が平衡チャンネル１９に流入可能にされ、ピストン１８が上述のように平衡化を提供する。分配ディスクの回転が必要とされない場合、アクチュエータシャフト２５は回転せず、バルブ構成が閉鎖状態に戻り、再度流体が平衡チャンネル１９に流入するのが阻止され、この結果、ピストン１８が平衡化を提供するのが阻止される。

従って、図９の膨張バルブ１は、ピストン１８により提供される平衡化によって低トルクで作動させることができる。同時に、平衡化は分配ディスク７の回転中にのみ生じるので、膨張バルブ１は極めて緊密である。

図１０は、図９の膨張バルブを通る斜視断面図である。図１０では、バネカバー２６内部にバルブ組立体が見える。圧縮バネ２７は、弁座２８をパイロットノズル２９に向かう方向に押し付けように配置される。結果として、パイロットノズル２９は、通常は閉鎖されているので、これにより流体媒体がパイロットノズル２９を通過し平衡チャンネル１９に流入するのを防ぐ。アクチュエータシャフト２５の回転によりパイロットノズル２９が弁座２８に押し付けられ、これにより圧縮バネ２７により印加されるバネ力に抗して移動するようになる。従って、パイロットノズル２９は開放され、流体媒体がパイロットノズルを通過して、平衡チャンネル１９に流入できるようになる。

図１１ａ及び図１１ｂは、バネカバー２６内部のバルブ組立体を示す図１０の詳細である。図１１ａにおいて、弁座２８はパイロット９に当接し、すなわちバルブ組立体は閉鎖状態にあり、流体媒体がパイロットノズルを通過し、平衡チャンネル１９に流入するのを阻止する。図１１ｂにおいては、弁座２８はパイロットノズル９から離れて移動し、すなわちバルブ構成は開放状態にあり、流体媒体がパイロットノズルを通過して平衡チャンネル１９に流入できるようになる。

図１２は、内部に形成された４つの実質的に円形の開口６を有するオリフィスディスク５を示している。オリフィスディスク５が分配ディスク（図示せず）に対して回転されると、ベクトル矢印Ｆで示される偶力は図示のように作用し、すなわち、反対方向に配置された開口６に作用する力が、大きさが同じで方向が反対方向である。２つの反対方向に配置された開口６の重心間の距離は、「分配直径」又はＤｄで表される。偶力の大きさは以下で計算することができる。
Ｆ＝ＮＦ・μｄｉｓｋ
ここで、ＮＦは、差圧によりディスクに加わる法線力であり、μｄｉｓｋはディスクの摩擦係数である。

オリフィスディスク５及び分配ディスク７を互いに回転させるのに必要なトルクＴは、偶力に依存し、以下のように計算することができる。
Ｔ＝Ｆ・Ｄｄ／２

分配直径を小さくすると必要なトルクが減少することがこの式から明らかである。

図１３ａ及び図１３ｂは、各々が８つの開口６を備えた２つのオリフィスディスク５を示す。各開口６により覆われる面積は実質的に同じである。図１３ａに示されたオリフィスディスク５の開口６は実質的に円形である。これらは、オリフィスディスク５の中心から実質的に等距離で且つ互いに対して実質的に等間隔に配置される。開口６とオリフィスディスク５の中心との間の距離は、２つの隣接する開口６間の距離が、分配ディスクの開口を収容可能にするのに十分な程度に大きくすることが可能なできるだけ小さくするように選択される。従って、膨張バルブの閉鎖位置は、分配ディスクの開口がオリフィスディスク５の開口６間の位置に配置される位置、すなわち２つのディスクの開口間に重なり合わない位置で定めることができる。従って、この設計において、膨張バルブの閉鎖位置を定めることができることが望ましい場合、分配直径Ｄｄを低減することは不可能である。

図１３ｂに示されるオリフィスディスク５の開口６はテーパ形状を有する。従って、各開口の横断寸法は、オリフィスディスク５の外周からその中心に向かう半径方向に沿って減少する。この形状により、開口６をオリフィスディスク５の中心により近く移動させることができると共に、隣接する開口６間には分配ディスクの開口を収容可能にするのに十分なスペースを許容し、すなわち、依然として膨張バルブの閉鎖位置を定めることが可能である。

図１３ｂから明らかなように、分配直径Ｄｄは、図１３ａに示すオリフィスディスク５の分配直径と比べて１／３に減少する。上述の計算を参照すると、差圧によりディスクに作用する法線力とディスクの摩擦係数とが不変と仮定すると、互いに対してディスクが回転するのに必要なトルクＴもまた１／３に減少する。

１ 膨張バルブ； ２ 入口開口； ３ 出口開口； ４ 分配器；
５ オリフィスディスク； ６、８ 開口； ７ 分配ディスク；
１２ 突出部； １６ シール区域； １７ オリフィス区域；
１８ ピストン； １９ 平衡チャンネル； ２０ 接触区域；
２１ 平衡化区域； ２２ チャンネル。

Claims (22)

1. 膨張バルブ（１）において、
   液体状態の流体媒体を受けるよう適合された入口開口（２）を備え、
   少なくとも部分的に気体状態の流体媒体を少なくとも１つの流路に送給するよう適合された少なくとも１つの出口開口（３）を備え、
   その相対位置によって前記入口開口（２）と前記各出口開口（３）との間の流体流を定めるよう相対的に移動可能に配置された第１のバルブ部分（５）及び第２のバルブ部分（７）を備え、
   前記第１及び第２のバルブ部分（５，７）が、通常作動中に結果として生じる力が前記第１及び／又は第２のバルブ部分に作用するように配置され、前記力が前記第１及び第２のバルブ部分を互いに向かって押圧するよう構成され、
   前記バルブ部分に作用する結果として生じる力を低減する手段を備え、
   前記結果として生じる力を低減する手段が、前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分を互いから離れる方向に付勢する付勢手段を含み、前記入口開口から前記少なくとも１つの前記出口開口との間の差圧は法線力を生じさせ、前記法線力は、前記第１のバルブ部分または前記第２のバルブ部分のいずれか１つに作用する、
   ことを特徴とする膨張バルブ。
2. バネ力が前記差圧により生じた前記法線力を相殺し、それによって前記第１及び第２のバルブ部分（５，７）に作用する前記結果として生じる力は前記差圧により生じた前記法線力よりも小さくなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張バルブ。
3. 平衡チャンネル（１９）を備えたピストン（１８）は前記第２のバルブ部分（７）上に装着され、前記入口開口からの高圧流体は前記ピストン（１８）の背面に誘導され、前記結果として生じる力の大きさは前記差圧によって決定付けられ、前記第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分（５，７）を互いに向かって押し付ける結果として生じる力が低減される
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張バルブ。
4. 前記付勢手段が、前記第１のバルブ部分及び／又は前記第２のバルブ部分に加わる少なくとも１つの圧力を調整する手段を含む、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の膨張バルブ。
5. 前記第１のバルブ部分及び／又は前記第２のバルブ部分が、前記第１／第２のバルブ部分の第１の側部における第１の圧力を前記第１／第２のバルブ部分の第２の側部における第２の圧力に適合するのを可能にする少なくとも１つのバイパス開口（１９）を備える、ことを特徴とする請求項４に記載の膨張バルブ。
6. 前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分の相対移動を引き起こすよう適合されたアクチュエータを更に備え、前記付勢手段は、前記アクチュエータの作動に応答して前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分が互いから離れる方向に付勢されるように、前記アクチュエータに作動可能に接続される、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の膨張バルブ。
7. 前記付勢手段は、前記アクチュエータの作動に応答して開放されるよう配置されたパイロットバルブ（２８、２９）を含み、前記開放されたパイロットバルブ（２８、２９）は、前記第１のバルブ部分の前記流体媒体がパイロットバルブ（２８、２９）を通過して、前記平衡チャンネル（１９）に流入できるようにする、
   ことを特徴とする請求項６に記載の膨張バルブ。
8. 前記付勢手段が、前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分において少なくとも部分的に一体化される、請求項１〜７の何れか１項に記載の膨張バルブ。
9. 前記第１のバルブ部分及び／又は前記第２のバルブ部分が、１つ又はそれ以上の凹部及び／又は１つ又はそれ以上の突出部を備え、これにより前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分間の接触区域を低減する、請求項８に記載の膨張バルブ。
10. 前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分が、互いに対して実質的に直線移動を実施するよう適合されている、請求項１〜９の何れか１項に記載の膨張バルブ。
11. 前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分が、実質的に回転移動を実施するよう適合されている、請求項１〜７の何れか１項に記載の膨張バルブ。
12. 前記第１のバルブ部分が少なくとも１つの開口（８）を内部に形成した第１のディスク（７）を含み、前記第２のバルブ部分が、少なくとも１つの開口（６）を内部に形成した第２のディスク（５）を含み、前記第１のディスク（７）及び／又は前記第２のディスク（５）が他のディスク（５、７）に対して回転移動を実施するよう配置されており、前記第１のディスク（７）の開口（８）及び前記第２のディスク（５）の開口（６）は、該第１のディスク（７）及び第２のディスク（５）の開口（８、６）が少なくとも部分的に重なり合って配置できるように配置され、前記第１のディスク（７）の開口（８）の各々が出口開口（３）に流体接続されている、請求項１１に記載の膨張バルブ。
13. 前記第２のディスク（５）に形成される開口（６）の数は、前記第１のディスク（７）の開口（８）の数と等しい、請求項１２に記載の膨張バルブ。
14. 前記第２のディスク（５）には１つの開口（６）だけが形成されている、請求項１２に記載の膨張バルブ。
15. 前記第１のディスク（７）の開口（８）及び第２のディスク（５）の開口（６）の少なくとも１つが、前記第１／第２のディスク（７、５）の中心に面し、かつ円周方向に沿った端部のサイズが、前記第１／第２のディスク（７、５）の外周に面し、かつ円周方向に沿った端部のサイズよりも小さいテーパ形状を有する、請求項１２〜１４の何れか１項に記載の膨張バルブ。
16. 前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分の相対移動を引き起こすよう適合されたアクチュエータを更に備える、請求項１〜１５の何れか１項に記載の膨張バルブ。
17. 前記入口開口（２）に流体接続された入口部分を含み、前記入口開口（２）から受けた流体媒体を少なくとも２つの平行流路に分配するよう配置された分配器（４）と、
    少なくとも部分的に気体状態の流体媒体を送給するよう各々が適合されており、且つ各々が前記平行流路の１つに流体接続されている少なくとも２つの出口開口（３）と、
    を更に備える、請求項１に記載の膨張バルブ。
18. 前記第１のバルブ部分及び／又は前記第２のバルブ部分が、前記分配器（４）の一部を形成する、請求項１７に記載の膨張バルブ。
19. 前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分の相対位置が、前記出口開口（３）の間の流体分布を定める、請求項１７又は１８に記載の膨張バルブ。
20. 前記第１のバルブ部分及び前記第２のバルブ部分の相対位置が、前記膨張バルブの開度を決定する、請求項１〜１８の何れか１項に記載の膨張バルブ。
21. 前記流体媒体が冷媒である、請求項１〜２０の何れか１項に記載の膨張バルブ。
22. 少なくとも１つの圧縮機と、
    少なくとも１つの凝縮器と、
    少なくとも１つの蒸発器と、
    請求項１〜２１の何れか１項に記載の膨張バルブと、
    を備え、前記膨張バルブは、前記出口開口（３）が冷媒を前記蒸発器に送給するように配置されている、冷凍システム。

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