JP7328945B2 - 温度式弁装置及び冷却装置並びに冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、密閉室と均圧室との圧力差に応じて変位する変位部材とを有し、前記変位部材によって弁開度を制御する温度式弁装置及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、冷却装置に用いる温度式弁装置（膨張弁）において、密閉室に封入するチャージガスとして、大気中に存在するガスである二酸化炭素（ＣＯ２）使用し、この二酸化炭素と窒素（Ｎ２）を混合して封入してきた。しかし、大気中に存在する二酸化炭素や窒素等は、漏れ検知できるリークディテクタがなく、気密検査の際、漏れ検知が困難あった。例えば、チャージ後に、数日間放置して性能変化がないか確認するなど、気密性の確認が必要であり、検査工程に非常に時間が掛かっていた。

これに対して、例えば特開２００４－１３２５６１号広報（特許文献１）には、二酸化炭素をフロンガス（Ｒ２３等）に替えて封入することで、リークディテクタで検知可能となり、密閉室からの漏れ検査を迅速かつ確実に行う方法が開示されている。

特開２００４－１３２５６１号広報

前記特許文献１の場合、チャージ方式を問わず吸着チャージでも、大気中のガスのみを使うと漏れ検知ができない為、検知可能なフロンガスが封入されている。しかし、近年、環境保護の観点から、フロンガスでは地球温暖化の懸念があり、地球にやさしいガスで、尚且つ、漏れ検査が迅速にできるガスの封入が望まれている。

本発明は、密閉室と均圧室との圧力差に応じて弁体を変位させる駆動アクチュエータを有し、前記駆動アクチュエータによって弁開度を制御する温度式弁装置において、大気中に存在する主成分ガス（ＣＯ２等）のように低ＧＷＰで、環境負荷が小さく、なお且つ、リークディテクタで検知可能なガスを封入し、容易に高度な検査が可能であり、工程時間の大幅な短縮とすることを課題とする。

本発明の温度式弁装置は、密閉室と均圧室との圧力差に応じて弁体を変位させる駆動アクチュエータを有し、前記駆動アクチュエータによって弁開度を制御する温度式弁装置であって、前記密閉室に、大気中に存在する主成分ガス（例えばＮ２，Ｏ２，ＣＯ２，Ａｒ）の中から１種類又は２種類以上のガスからなる組合せガスと、リークディテクタで検知可能な漏れ検知ガスとが混合封入されており、吸着材入りの吸着チャージにより、前記組合せガスが混合封入されており、前記漏れ検知ガスとして、吸着剤に吸着し難いガスを用い、前記吸着材に吸着し難いガスは、ヘリウムガスまたは水素ガスであることを特徴とする。なお、本明細書及び図面において、物質の分子式の内の原子数を示す数字は添え字ではなく全角の数字で示す。

また、前記組合せガスは、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴンの中から１種類又は２種類以上からなることを特徴とする温度式弁装置が好ましい。

本発明の冷却装置は、冷媒を送出してシステム配管を循環させる冷媒送出手段と、前記冷媒を放熱する第１熱交換機と、前記冷媒の流量を制御する流量制御弁と、冷却対象を冷却する第２熱交換機と、を含む冷却装置であって、前記温度式弁装置が、前記流量制御弁として用いられていることを特徴とする。

本発明の冷凍サイクルシステムは、冷媒を送出してシステム配管を循環させる冷媒送出手段と、前記冷媒を放熱する第１熱交換機と、前記冷媒の流量を制御する温度式膨張弁と、冷却対象を冷却する第２熱交換機と、を含む冷凍サイクルシステムであって、前記温度式弁装置が、前記温度式膨張弁として用いられていることを特徴とする。

本発明の温度式弁装置及び冷却装置並びに冷凍サイクルシステムによれば、駆動アクチュエータのチャージガスにおいて、組合せガスは、大気中に存在する主成分ガス（ＣＯ２等）の低ＧＷＰのガスであり、環境負荷が小さく、なお且つ、リークディテクタで検知可能な漏れ検知用ガス（ヘリウムまたは水素等）も封入されている為、容易に高度な検査が可能であり、工程時間の大幅な短縮となる。

本発明の実施形態の温度式弁装置の気密検査時の縦断面図である。 本発明の実施形態の温度式弁装置を用いた冷却装置の要部を示す図である。 本発明の実施形態の温度式弁装置を用いた冷凍サイクルシステムの要部を示す図である。 本発明の実施形態の温度式弁装置における密閉室内の体積変化を比較例と比較して説明する図である。 比較例である従来の温度式弁装置における温度－圧力特性を示す図である。 本発明の実施形態の温度式弁装置における温度－圧力特性を示す図である。

次に、本発明の温度式弁装置及び冷凍サイクルシステムの実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の温度式弁装置の気密検査時の縦断面図、図２は実施形態の温度式弁装置を用いた冷却装置の要部を示す図、図３は実施形態の温度式弁装置を用いた冷凍サイクルシステムの要部を示す図であり、先ず、実施形態の冷却装置及び冷凍サイクルシステムについて説明する。なお、図２、図３において冷媒は矢印の方向に流れる。また、図２における冷却装置は、後述する図３の気化熱により冷却する一般的な冷凍サイクルシステムとは異なり、冷やした冷媒液をポンプで循環させ対象物を冷却するシステムのことである。

図２において、１０は実施形態の温度式弁装置、１００は「冷媒送出手段」としてのポンプ、２００は「第１熱交換器」としての放熱器、３００は「第２熱交換器」としての冷却器（例えば、コールドプレート）であり、これらは配管で環状に接続することにより冷却装置を構成している。温度式弁装置１０は、後述のように、ダイヤフラム式の駆動アクチュエータ２を有している。温度式弁装置１０の一次側継手１０ａは冷却器３００の出口側配管に接続され、温度式弁装置１０の二次側継手１０ｂは放熱器２００の入口側配管に接続されている。そして、冷却器３００は冷却対象である熱原Ａ(電気自動車やハイブリッド車搭載のモータ・インバータ等の発熱部品や、大型コンピュータシステムやサーバ等のＣＰＵ等)に接触して配置されている。

放熱器２００は冷媒（冷水やフッ素系不活性液体等）の熱を放熱し、この放熱により冷やされた冷媒はポンプ１００により冷却器３００に流される。冷却器３００から流出する冷媒は温度式弁装置１０に流入される。温度式弁装置１０の駆動アクチュエータ２には、後述のように吸着チャージ等によりチャージガスが封入されている。そして、この駆動アクチュエータ２で感知した冷却器３００の温度に応じて冷媒の流量を制御し、その冷媒を放熱器２００に流す。これにより、冷却器３００を介して熱原Ａが冷却される。

図３において、１０′は後述説明する実施形態の温度式弁装置、４００は「冷媒送出手段」としての圧縮機、５００は「第１熱交換器」としての凝縮器、６００は「第２熱交換器」としての蒸発器であり、これらは配管で環状に接続することにより冷凍サイクルシステムを構成している。温度式弁装置１０′は、後述のように、ダイヤフラム式の駆動アクチュエータ２と、この駆動アクチュエータ２にキャピラリチューブ２ｂにより接続された感温筒２ａとを有している。温度式弁装置１０′の一次側継手１０ａは凝縮器５００の出口側配管に接続され、温度式弁装置１０′の二次側継手は蒸発器６００の入口側配管に接続されている。そして、蒸発器６００は冷却対象である空調や冷蔵用の室内雰囲気中等に配置され、この蒸発器６００の出口側配管に感温筒２ａが取り付けられている。

圧縮機４００は冷凍サイクルシステムを流れる冷媒を圧縮し、圧縮された冷媒は凝縮器５００で凝縮液化され、温度式弁装置１０′に流入される。温度式弁装置１０′は膨張弁であり、流入される冷媒を減圧（膨張）して蒸発器６００に流入させる。蒸発器６００は冷媒を蒸発気化し、図示しないアキュムレータ等を介して気相冷媒が圧縮機４００に循環される。そして、蒸発器６００は、冷媒を蒸発気化することで、発熱体や空気等から熱を吸収する。これにより発熱体、または空気等が冷却される。また、感温筒２ａには、吸着チャージ等によりチャージガスが封入されており、この感温筒２ａはキャピラリチューブ２ｂにより駆動アクチュエータ２に連結されている。

図１は温度式弁装置１０の気密検査時の縦断面図である。 以下の説明における「上下」の概念は図１の図面における上下に対応しており、一点鎖線で示す軸線Ｌは後述の弁ポート１３の中心線であるとともに、弁体３の移動方向に対応している。

図１に示すように、温度式弁装置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、弁室１Ｒと、前記一次側継手１０ａに接続される第１ポート１１と、前記二次側継手１０ｂに接続される第２ポート１２とが形成されている。第１ポート１１は弁室１Ｒに連通され、弁室１Ｒと第２ポート１２との間に弁ポート１３が形成されている。また、弁ハウジング１には、弁室１Ｒと第２ポート１２とを連通する第１均圧路１４と、第２ポート１２と後述の均圧室２２とを連通する第２均圧路１５とが形成されている。さらに、弁ハウジング１には、弁ポート１３の軸線Ｌ上で第２ポートから均圧室２２側に開口するガイド孔１６が形成され、このガイド孔１６は軸線Ｌを中心とする円筒状の形状をしている。

弁室１Ｒ、弁ポート１３、第２ポート１２及びガイド孔１６内には弁体３が配設されている。弁体３は、弁室１Ｒ内に配置されるフランジ部３１と、弁ポート１２内に配置される円錐状のニードル部３２と、ガイド孔１６の内周面に対してクリアランスを有して嵌挿された作動軸３３とを有している。これにより、弁体３はガイド孔１６内に軸線Ｌ方向に移動自在に収容され、軸線Ｌ方向の移動によりニードル部３２が弁ポート１３の開度を調整する。また、弁ハウジング１の上部には、金属部材で構成された調整ねじ１７が螺合され、この調整ねじ１７と弁体３のフランジ部３１との間には調整ばね１８が配設されている。

弁ハウジング１の下部に構成された駆動アクチュエータ２は、薄型円盤状の上蓋２Ａと下蓋２Ｂとによりケース体を構成している。そして、上蓋２Ａと下蓋２Ｂの間にダイヤフラム２１を備えており、このダイヤフラム２１の上部空間が均圧室２２となり、ダイヤフラム２１の下部空間が密閉室２３となっている。均圧室２２内には当金２４がダイヤフラム２１に当接するように配設されており、この当金２４に弁体３の作動軸３３が接続されている。密閉室２３内には、吸着材２Ｃ（例えば、活性炭等）が配設されている。そして、この吸着材２Ｃを配設した密閉室２３内には、チャージガスが充填されている。このチャージガスは、下蓋２Ｂに設けた導入管２Ｂ１を介して密閉室２３内に充填し、その充填後、導入管２Ｂ１の端部を閉塞したものである。

以上の構成により、一次側継手１０ａに導入された冷媒は、第１ポート１１から弁室１Ｒに流入し、弁室１Ｒから第１均圧路１４、第２ポート１２及び第２均圧路１５を介して均圧室２２に導入される。また、第２ポート１２の冷媒は二次側継手１０ｂから流出する。これにより、弁ポート１３が全閉状態でも、所定の冷媒流量が得られる。

一方、駆動アクチュエータ２（下蓋２Ｂ）の感知温度に応じて密閉室２３内のチャージガスの圧力が上昇または低下すると、ダイヤフラム２１が変形する。そして、このダイヤフラム２１の変形に伴い、弁体３の作動軸３３（及び当金２４）が軸線Ｌ方向に移動し、弁ポート１３と弁体３のニードル部３２との隙間すなわち弁開度が変化する。この弁開度に応じて一次側継手１０ａから二次側継手１０ｂに流れる冷媒の流量が制御される。なお、調整ねじ１７のねじ込み量を調整することで、弁体３の作動軸３３及び当金２４がダイヤフラム２１を押圧する力を調整し、密閉室２３内のチャージガスの圧力に応じて弁ポート１３が開き始める圧力を調整することができる。

以上の構造及び動作は、前記冷却装置において流量制御弁として機能する温度式弁装置１０の場合であるが、前記冷凍サイクルシステムにおいて膨張弁として機能する温度式弁装置１０′は、上記温度式弁装置１０の一部を変更したものである。すなわち、図示は省略するが、前記第１均圧路１４と第２均圧路１５を無くし、弁室１Ｒから駆動アクチュエータ２の均圧室２２に連通する均圧路を、第２ポート１２を迂回するように設ける。また、流し方向を逆流しとする。これにより二次側継手１０ｂから第２ポート１２に流入する冷媒は、弁ポート１３と弁体３のニードル部３２との隙間から第１ポート１１へ流出する。すなわち冷媒は減圧（膨張）して流出し、膨張弁の機能が得られる。また、温度式弁装置１０′は導入管２Ｂ１を介して前記キャピラリチューブ２ｂと感温筒２ａが接続されている。なお、この膨張弁としては上記の構造に限らず、チャージガスは別として従来の温度式膨張弁の構造であってもよい。

図１に示すように、温度式弁装置１０は、チャンバー２０内に収容され、チャンバー２０はＨｅリークディテクタ３０に連通されている。温度式弁装置１０の駆動アクチュエータ２の密閉室２３には組合せガスと漏れ検知ガスとが混合封入されている。そして、検知ガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）の漏れが生じていると、Ｈｅリークディテクタ３０により即座に検出される。このように、ヘリウム（Ｈｅ）は大気中に僅かしか存在しない希ガスであり、駆動アクチュエータ２から漏れが生じているとこのヘリウムによりＨｅリークディテクタ３０で容易に検出できる。

この実施形態における駆動アクチュエータ２の密閉室２３に封入さたチャージガスは以
下のとおりである。組合せガスは大気中に存在する主成分ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）で、漏れ検知ガスはリークディテクタで検知可能なヘリウム（Ｈｅ）である。なお、組合せガスは大気中に存在する主成分ガスである（例えばＮ２，Ｏ２，ＣＯ２，Ａｒ）の中から１種類又は２種類以上のガスからなるものでもよい。また、漏れ検知ガスはリークディテクタで検知可能な水素（Ｈ２）でもよい。また、このチャージ方式は吸着材２Ｃを入れた吸着チャージである。

ここで、図４（Ａ）に示すように、チャージガスがＣＯ２のみの場合は、吸着材である活性炭の吸着・脱着特性により、冷却すると吸着量が増加して圧力が減少し、加熱すると吸着量が減少して脱着するため圧力が増加する。これにより、図５の実線で示すような温度－圧力特性となる。また、チャージガスとしてＣＯ２とＮ２の混合ガスを用いた場合、Ｎ２も活性炭の吸着・脱着特性に影響されるため、図５の破線で示すような温度－圧力特性となる。

これに対して、実施形態のチャージガスは、ＣＯ２の組合せガスと、Ｈｅ（またはＨ２）の検知ガスとを混合したものである。しかし、図４（Ｂ）に示すように、ヘリウム（Ｈｅ）は活性炭に吸着されず、ＣＯ２のみが活性炭の吸着・脱着特性に影響される。すなわち、冷却すると吸着量が増加して圧力が減少し、加熱すると吸着量が減少してするが、これはＣＯ２（組合せガス）に対する活性炭の吸着・脱着特性によるものである。このため、実施形態では、図６に示すような温度－圧力特性となり、図５の実線で示す温度－圧力特性と同じになる。すなわち、実施形態では、Ｈｅ（またはＨ２）の検知ガスを使用しているので、この検知ガスが温度－圧力特性に影響を与えず、従来と同じ温度－圧力特性を得ることができる。

なお、上記実施形態では、漏れ検知ガスとして、リークディテクタで検知可能なＨｅまたはＨ２を混合した例を説明してきたが、このガスに限定するものではなく、低ＧＷＰのフロンを用いてもよい。一般的な従来のフロン冷媒は、地球温暖化係数ＧＷＰが２０００以上（例えばＲ２３はＧＷＰ＝１４８００）と高く、温暖化が促進するガスであったが、近年、冷凍空調業界では、ＣＯ２の様な自然冷媒（ＧＷＰ＝１）等と共に、フロンでも低ＧＷＰの冷媒の開発が進み、昔と比べ低いＧＷＰのフロンが使われてきている。例えば、Ｒ３２（ＧＷＰ＝６７５）や、Ｒ１２３４ｙｆ（ＧＷＰ＝１以下）等が挙げられる。これらの低ＧＷＰのフロンガスを用いてチャージを行っても環境負荷が小さいと共に、フロンガスは、リークディテクタで検知可能な検知用ガスである為、容易に高度な検査が可能であり、工程時間の大幅な短縮となる。ここで、低ＧＷＰとは、１５００以下のことを指し、１５００以下であれば、特に環境負荷が小さく、地球にやさしいと言える。（冷凍空調装置の環境影響度の目標値が、ＧＷＰ=１５００以下である事より）

なお、上記実施形態で挙げたリークディテクタで検知可能な各種漏れ検知ガスの量は、組合せガスの量に対して、体積比で、５０％以下として封入することで、漏れ検知が可能であり、かつ、適切な温度－圧力特性とすることができる。また、好ましくは、漏れ検知ガスの量は、組合せガスに対して、体積比で、５～２０％として封入することで、検知が可能であり、かつ、より適切な温度－圧力特性とすることができる。

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、その他の実施形態についても詳述してきたが、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。

１ 弁ハウジング
２ 駆動アクチュエータ
２ａ 感温筒
２ｂ キャピラリチューブ
２Ａ 上蓋
２Ｂ 下蓋
２Ｃ 吸着材
２１ ダイヤフラム
２２ 均圧室
２３ 密閉室
３ 弁体
３１ フランジ部
３２ ニードル部
３３ 作動軸
１０ 温度式弁装置
１０′ 温度式弁装置
１０ａ 一次側継手
１０ｂ 二次側継手
１１ 第１ポート
１２ 第２ポート
１３ 弁ポート
１４ 第１均圧路
１５ 第２均圧路
１６ ガイド孔
２０ チャンバー
３０ Ｈｅリークディテクタ

Claims (4)

1. 密閉室と均圧室との圧力差に応じて弁体を変位させる駆動アクチュエータを有し、前記駆動アクチュエータによって弁開度を制御する温度式弁装置であって、前記密閉室に、大気中に存在する主成分ガスの中から１種類又は２種類以上のガスからなる組合せガスと、リークディテクタで検知可能な漏れ検知ガスとが混合封入されており、
   吸着材入りの吸着チャージにより、前記組合せガスが混合封入されており、
   前記漏れ検知ガスとして、吸着剤に吸着し難いガスを用い、
   前記吸着材に吸着し難いガスは、ヘリウムガスまたは水素ガスであることを特徴とする温度式弁装置。
2. 前記組合せガスは、窒素ガス、酸素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガスの中から１種類又は２種類以上からなることを特徴とする請求項１に記載の温度式弁装置。
3. 冷媒を送出してシステム配管を循環させる冷媒送出手段と、前記冷媒を放熱する第１熱交換機と、前記冷媒の流量を制御する流量制御弁と、冷却対象を冷却する第２熱交換機と、を含む冷却装置であって、請求項１乃至２のいずれか一項に記載の温度式弁装置が、前記流量制御弁として用いられていることを特徴とする冷却装置。
4. 冷媒を送出してシステム配管を循環させる冷媒送出手段と、前記冷媒を放熱する第１熱交換機と、前記冷媒の流量を制御する温度式膨張弁と、冷却対象を冷却する第２熱交換機と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１乃至２のいずれか一項に記載の温度式弁装置が、前記温度式膨張弁として用いられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。

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