JPH01179871A - 温度膨張弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は冷凍システムにおいて蒸発器に供給する冷媒
流量の制御と冷媒の減圧の目的に用いる温度膨張弁の改
良である。そして特に冷凍システムのハンチング防止を
目的とする。

〔従来の技術〕

第１図に通常の冷凍システムの構成を示す。温度膨張弁
３は冷凍システムの熱交換器である凝縮器１と蒸発器２
の中間に配置される。蒸発器２に供給する冷媒を減圧し
、蒸発器２内の冷媒蒸発を容易にする機能と蒸発器内に
流れ込む冷媒流量の制御の機能をあわせもつ。流量は、
蒸発器出口における過熱蒸発温度と蒸発温度との差にも
とすく過熱度信号によるフィードバック制御による。実
際には温度膨張弁の制御は、設定過熱度と実際の過熱度
との偏差によって弁開度を調節する。従って通常の温度
膨張弁３は第２図に示すように構成する。上記の信号を
弁開度に変換する機構を・臂ワーエレメント部１０と呼
ぶ。この部分はダイヤフラム１２の下部に蒸発圧力に相
当する圧力（この圧力は均圧管１４により蒸発器の出口
の圧力と均圧している。）とバイアスばね１６による力
を加える。

一方ダイヤフラム上部には、蒸発器の出口の蒸気温度と
熱平衡にある感温筒２０の内容物による圧力を加える。

ここで感温筒の内容物の圧力は、冷凍システムの冷媒と
同じ気液平衡温度特性をもつか、丑たはそれとはややこ
となる気液平衡温度特性をもつ流体の圧力でちる。正確
には上記の流体の他にヘリウム窒素などのこの膨張弁の
作動温度では液状に凝縮しない気体をパワーエレメント
内に内部ばねとして加える。

ダイヤフラム下部からの圧力と上部からの圧力の圧力差
とバイアスばねの力とのつシあいによって弁開度は定ま
る。

このような膨張弁の基本的制御機能に加えて他の機能を
付加する試みが行なわれて来た。本発明にかかわる付加
特性は次の通シである。

蒸発器の熱負荷が減少し、過熱蒸気の温度が低下したと
きは感温筒の圧力を急速に低下させ、弁開度を急速に絞
シ、逆に蒸発器の熱負荷が増加し、過熱蒸気温度が上昇
したときは感温筒の圧力上昇を緩慢にし弁をゆっくり開
く。すなわち”過熱度”低下時と”過熱度″上昇時の温
度膨張弁の応答特性を前者は敏感に後者は鈍感にしよう
とするものである。

本機能付与の目的は次の理由による。

冷凍システムにおける厄介な現象にハンチングがある。

この現象は蒸発器への冷媒供給が過剰・不足・過剰・不
足を短い周期で繰シ返すことである。この現象が生じる
と冷凍システム全体の能力を減すると共に、圧縮機への
液戻シなど圧縮機に悪影響を及す。

上記ハンチングの発生には、蒸発器の基本構造。

冷媒回路の配管の仕方、温度膨張弁の使用方法。

また熱負荷とのバランスなど諸要因がある。

しかしこれ等の生ずる原因が潜在的に存在してもそれを
軽減しまたは解消させる簡易な手段として、上記の方法
が採用されて来たのである。

この方法は温度膨張弁の・ぐワーエレメントを構成する
感温筒２０の内部にサーマルパラスト２２を充填する。

そしてこのサーマルパラスト２２は金網状の固定用具で
上下を押えられている。２５は封入導管、又１９は前記
・やワーエレメント部１０に接続されるキャビラーであ
る。サー−ｑ　／Ｌ／パンストは過熱度が増加するとき
弁の開く速度を遅延させる機能を果す。

一方過熱度が急速に減少した場合には、急速に弁開度を
絞り液戻りを防止する機能を果す。すなわちサーマルパ
ラストは冷凍システムにおける温度膨張弁の過熱度応答
性を一次遅れ近似で記述する時、過熱度増加時は時定数
を大きく、過熱度減少時は、時定数を小さくするように
機能させる。

過熱度が減少して急に弁を絞シ、蒸発器への冷媒供給量
が減少し、その結果過熱度が増加しても弁は急速には開
かないので蒸発器への冷媒供給量は急激に増加すること
はない。このようにして冷凍システムにハンチングを生
ずる危険性が内在していても、その発生を実質的に防止
できる。

なお過熱度減少時の応答性を緩慢にする方法をとらない
のは、温度膨張弁は蒸発器に過剰な冷媒を供給し続け、
圧縮機に液戻シを生じさせるということを防止しなけれ
ばならないからである。

上記のサーマルパラストによる膨張弁のハンチング防止
付加特性は簡単な方法によって大きな効果があげられる
という理由で広く温度膨張弁の感温筒に付与されて来た
。

サーマルパラストとしては、一定の熱容量をもつ伝熱性
の悪い断熱材すなわちアスベストまたは断熱ボードなど
の無機材料が用いられて来た。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のサーマルパラスト材料のうちアスベストはそれを
構成する無機繊維が人間の肺に入シ発癌原因になる恐れ
があシ健康上の理由からこれを用いることに制限がある
。

一方通常の断熱デートは、天然けい礫土などの天然素材
を利用することが多く製造ロフト毎に特性が変動すると
ｂう欠点がある。

上記従来のサーマルパラストの基本的欠点は、ガス吸着
性のあることである。このガス吸着性の欠点について述
べる。

本来サーマルパラストがない場合を想定して、感温筒光
てん流体の温度〜圧力平衡特性を定めた場合、この特性
はサーマルパラストの吸着性によっていちじるしく損な
われる。吸着性は温度によって変化するから特に低温に
おいて設計特性からいちじるしくずれる。また、ＭＯＰ
　（最高作動圧力）を設定した場合その限界値がだれる
。

これらの諸現象は、内部ばねとして非凝縮性気体を封入
したシ、ガスクロスチャージとして冷媒とはことなる作
動冷媒を・ぐワーエレメントに封入する時に特に計算値
を補正して設計することが著しく困難であり、問題を生
じる。

ここに述べた吸着性を克服ししかもサーマルパラストの
望ましい性質を発現させる構想としては、感温筒の内部
を粉末金属の焼結体または発泡金属成形体を用いて構成
しガス冷媒の存在空間を確保しつつ適当な熱応答性を有
する構造にするというものがある。しかしこの方法はノ
４ワーエレメントへのガス充填前後の諸工程及び材料保
存などが複雑となシ、本来この方法の優れた点の簡易な
製造方法が損なわれるという欠点がある。

そこで本発明の目的は、先に述べたサーマルパラストの
吸着性による平衡特性を失なうことなくかつ過熱度上昇
時に緩慢な応答性を示すと共に過熱度下降時は急速な応
答性を示す特性を持ち、製造しやすくかつ簡単な構造の
パワーエレメント部を有する温度膨張弁の提供にある。

すなわち、従来ある材料を単に転用することでなく目的
の機能を有する形状と組成を提供するものである。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明方法はサーマルパラストの材質をシリカ質とアル
ミナ質で構成される組成とし、これを１５００に〜１６
００にの温度で焼成し、流体受容空間と伝熱性のバラン
スを備えた一定の連通気孔を含有する焼結体とし、これ
を中空金属感温筒内部に封入する。この焼結体は感温筒
に圧力媒体となる流体を封入する際その流体の通路とな
る部分を有する形状とする。これによって感温筒温度上
昇時の圧力応答特性を鈍感にかつ感温筒温度下降時の圧
力応答特性を敏感にすると共に平衡時の制御特性を保存
させる事を要旨とする。

〔作用〕

本発明にもとづいて温度膨張弁の感温筒を作ると感温筒
は外壁が銅・ぐイゾのような伝熱性のよい金属管、その
金属管に接して流体導入時の通路を有しかつ一定の空隙
部を有するシリカアルミナ・セラミクス焼結体、更に感
温筒及びキャビラーパワーエレメント内部に充満する気
液温度平衡を示す流体、および内部ばねとして作用する
非凝縮性気体で構成される。

この感温筒を蒸発器出口の配管に取付ける。今熱平衡状
態から蒸発器出口の過熱度が下ったとすると、感温筒の
壁面温度は低下し、金属部分の内壁はサーマルバラスト
部に比して急速に温度の低い領域を作る。その領域に接
する気体は急速に液化し従って感温筒内の圧力は下る。

すなわち早い応答性を示す。逆に熱平衡状態から蒸発器
出口の過熱度が上昇して来た場合、または感温筒が外乱
の高い温度を感じた時は、外壁温度は金属管からサーマ
ルパラストであるセラミクス焼結体に伝達される。液状
の内容物は表面吸着性の小さいセラミクス気孔内または
外表面に分布しているためその温度における気液平衡に
見合う気化をするには、セラミクス層の熱伝達に要する
時間遅れを生じる。

従って感温筒の圧力上昇は圧力低下時よりも遅い応答性
を示す。前者が一次遅れ近似の時定数２〜５秒程度であ
るのに対して後者は同様の近似で時定数４０〜１５０秒
に達する。

〔実施例〕

本発明を望ましい実施例により詳細に説明する。

感温筒部を第５図に示し、その他の部分は第２図（感温
筒部を除く）の構成にしだ、温度膨張弁を製作した。

従って同一部分を同一符号で示した。本発明による部分
を特に詳細に説明する。この温度膨張弁は冷凍システム
のシステム冷媒にＲ５０２を用いるときのものでちる。

感温筒２０は外径１２．７ｍｍの鋼管を用いる。この鋼
管内に、外径１０．８ｍ内径３瓢のアルミナ・セラミク
ス質１５７０に焼結体２２ｇを入れる。この中空セラミ
クス材はあらかじめ、１４２３にの真空乾燥炉内に置い
て水分、吸着ガスを十分除去した。

法に基きＲ２２−ヘリウム混合ガスを所定量封入した。

ガスクロスチャージ手法をとったのは、システム冷媒と
同じ冷媒を・やワーエレメント部に封入すると蒸発温度
の低いところで静止過熱度（弁の開きはじめの過熱度）
が大きくなり、冷凍システムの能力低下を招く可能性を
避けたためである。

このためパワーエレメント封入ガスはシステム冷媒より
同−飽和温度ではやや低い飽和蒸気圧を示すＲ２２とバ
イアス非凝縮気体としてのヘリウムとの混合気体とした
。封入ガスの圧力と、バイアスばねの力を考慮したＲ５
０２の飽和蒸気圧−温度特性を第３図に示す。これによ
って蒸発温度が変化してもその静止過熱度（弁の開きは
じめの過熱度）はほぼ一定になるように設計されている
。

従来のバラスト材の場合、混合ガスに対する低温吸着性
等の原因で、このあらかじめ設定された蒸発温度−静止
過熱度特性が得られていなかった。

第３図の封入ガスの圧力曲線が相対的に圧力軸の上方に
ずれると低蒸発温度では二つの曲線が交叉し、静止過熱
度はマイナスとなシ液戻シのような不具合を生じる。一
方、封入ガスの圧力曲線が下にずれると低蒸発温度の静
止過熱度が犬になシフロスチャージとした目的が失なわ
れる。このような不具合が従来のサーマルパラストの重
大な欠点であった。

本実施例によれば、バイアスはねの圧縮度を調整し蒸発
温度と静止過熱度を調整した結果が第４図であり、蒸発
温度２３３に〜２６８にの範囲で静止過熱度は３．５±
０．３Ｋが得られている。これは満足すべき特性である
。本発明のサーマルパラストを用いれば制御特性を損な
わないことを示している。

次いで感温筒温度にステップ応答を与えたときについて
述べる。温度を下げる時、即ち２７３に→２６３Ｋに対
しては一次遅れ近似で４．０秒、温度上昇時、即ち２６
３に→２７３Ｋに対しては５５秒士１５秒の結果が得ら
れた。これはこの温度変化に対する望ましい時間応答性
を示している。

第１の静止過熱度−蒸発温度の特性は、サーマルパラス
トの吸着特性を無視した計算結果と大きなずれがないか
ら使用したサーマルパラストの吸着特性はこの温度膨張
弁に対して影響を与える程度のものではない。

第２の温度上昇下降の過渡応答は一次遅れ近似の時定数
として１けた以上の違いのある非対称性を示し十分満足
すべきものである。

本発明の実施にあだシ必要な事項まだは望ましい事項を
詳述する。

本実施例においてセラミクス焼結体を用いる利点は次の
理由による。

感温筒の外殻２１は銅管により構成するが、鋼管の内壁
は感温筒内に充填した流体（封入時は気体）と、接触可
能な一定の表面積が必要である。

これは感温筒内壁が外部との熱の授受で、充填気体に対
して相対的に低い温度に達したとき、充填気体と接触し
てその表面で急速に液化させ、感温筒内部の圧力を低下
させるためである。一方このノクワーエレメント部全体
でみると、この・母ワーエレメントの弁開閉のだめの駆
動力は、この部分に充填されている流体の圧力であるか
ら、この圧力源である流体を収容する空間は、ダイヤフ
ラムの上部空間に比して感温筒の部分の空間が十分大き
くなければならない。すなわち、弁開閉のだめの力を伝
達するにあたり、ダイヤフラムが変形するからその変形
によって・ぐワーエレメント部の体積が変動する。この
体積変動の影響を無視できる程度に抑えるには感温筒容
積を大きくとらなければならない。一方感温筒容積を必
要以上に大きくとることは実用上問題を生ずることは当
然である。

上記のことは熱容量という観点からもパワーエレメント
部の熱容量の主要な部分を感温筒がもつべきだというこ
とを示している。サーマルパラスト２２αを感温筒内部
に封入するということは、当然感温筒内部の気体の占有
する空間を小さくする故、このような封入物はできるだ
け体積の小さいことが望ましい。

とれ等を総合すると、望ましい感温筒は一定の熱容量を
もちその内壁部は一定の金属露出面積を有しかつ流体の
気相としての占有空間を十分確保するという構成でなけ
ればならない。従って感温筒内でのサーマルパラストの
幾何学的位置及び形状によって、サーマルパラストの銅
管内壁との接触面積及び銅管内のサーマルパラストによ
る占有空間を正確に規定して上記を保証しなければなら
ない。

従来の吸着性を有するサーマルパラストの場合鋼管封入
前は断面を長方形とし、その対角線の長さを鋼管内径よ
りもやや犬にし封入に際してその稜線を変形させるとい
う方法をとることができた。

しかし本発明のセラミクス焼結体は吸着性を排する故硬
い材料となっているから、上記のように押し込む際に形
状を定めるという方法は好ましくない。従って本発明の
サーマルパラスト焼結体の形状は感温筒外殻鋼管の形状
にあわせて予め望ましい寸法に成形しなければならない
。また感温筒内壁の金属露出面の表面積を一定にし、か
つサーマルパラストの熱伝達特性を一定にするためには
、上記サーマルパラストが感温筒内部で動きを生じるこ
とは好ましくない。そこで本実施例では第５図に示す固
定方法をとった。感温筒の内部に従来と同様の金網状金
属支持部２３．２４を置きその中間にセラミクス焼結体
を銅管内面に線接触しないように固定した方式である。

他の方法としてはセラミクス焼結体と鋼管内面の線接触
をする方法である。

比較実験の結果では本実施例の方法に従う方が過熱度上
昇時の応答性はやや鈍感になる。一方過熱度減少時の応
答性には差異が認められない。

固定が十分でないときは過熱度応答性に感温筒取付けに
よってはバラツキを生じる。ただし本発明のセラミクス
焼成体は均一な形状を有しているのでハンチング防止の
目的においてはそれによって決定的不具合を生じること
はない。

次に感温筒に流体を封入する工程においてサーマルパラ
ストに「通路部２６」を設けることの必要性について述
べる。

通常感温筒の一端に、ダイヤフラム部に通じる２５をと
シつけ一定量の流体を封入する。本実施例ではＲ２２−
ヘリウム混合気体を封入した。この際パワーエレメント
部に均一かつ迅速に封入する必要がある。この目的のた
めには感温部にこの気体流入に障害を及ぼすものが存在
したシ、またそれを阻害する形状は避けなければならな
い。同時に一旦パワーエレメントを形成した後、感温筒
に生じた圧力変化がダイヤフラム上部に確実に伝達され
ることが保証されなければならない。

それ故、サーマル・ぐラストが感温筒内で多少の幾何学
的配置の変動を生じても、気体の流通性を阻害しないよ
うにするため本実施例では、サーマルパラストを中空状
に成形し、これを保証した。

他の方法としては、サーマルパラストの外周部に溝を刻
む方法が考えられる。ただし機能が満足されるかぎシ取
シ扱い易い形状が好ましいことはいうまでもない。

次にセラミクス焼結体が粉末金属焼結体よりすぐれてい
る点について述べる・ 金属細粒は一般にセラミクス質より化学的に活性である
。このことは、ノ４ワーエレメントを高温でろう付作業
するなどの工程を有する。膨張弁のサーマルパラスト材
としては、本発明のシリカ、アルミナ質に耐熱性及び耐
薬品性の点で及ばなり０また、・ぐワーエレメントに作
動流体を封入する前工程として、サーマルパラストの表
面の吸着気体を完全に除去するため高温真空脱気乾燥工
程をいれるが、この場合多孔質金属焼結体は時間を要し
、サーマルパラストとしての使用上大きな欠点となって
いる。

このような観点から観ると、本発明のシリカ−アルミナ
質焼結体は高温酸化雰囲気で既に焼成をうけているため
、化学的かつ熱的に安定である。

真空脱気工程も短時間で終る。

製造工程時の化学安定性については、更に、パワーエレ
メント封入気体がフロンである場合、サーマルパラスト
に接触した時、その触媒作用によって分解するおそれが
ないかどうかを考慮しなければならない。これは従来の
断熱ボードや金属の表面性質を十分研究しないまま金属
焼結体をサーマルパラストに採用したとき、感温筒を４
２５に程度の高温に熱すると、封入流体組成に変質が生
じ、その特性が変動して膨張弁としての作動に不具合が
生じた。

従って、この防止のために数々の前処理工程を加わえな
ければならなかった。

本発明においては同様な過酷試験においては、不具合を
生じなかった。従って、上記の前処理工程を単純化でき
る。

本発明に用いるシリカ・アルミナ質焼結体の空隙率につ
いて述べる。特定の形状または組成的配慮をしないかぎ
シ、セラミクス焼結体は空隙率が高いほど強度が弱い。

一方、強度の高く、空隙率の小さい焼結体は伝熱性が犬
となシ、かつ流体を焼成体内部に保持する能力に乏しい
。このため過熱度上昇時に応答性が迅速になシ過ぎる。

そこで一定の強度を保持し感温筒の気体占有可能空間が
パワーエレメントの他の部分の空間よりも相対的に犬と
するためには、シリカ・アルミナ質焼成体として２０％
以上の空隙率を有することが望ましい。一方において強
度を保証するには４０％程度が限度である。ここに望ま
しい空隙率は２０〜４０％である。ただし、この空隙率
より高いかつ強度も十分な焼成体を用いることは、本発
明の技術思想と予備するものではない。

〔発明の効果〕

上記実施例の結果を含めて、この発明による感温筒をも
った温度膨張弁にあっては、たとえガスクロスチャージ
を施したときであっても過熱度特性は、サーマルパラス
トの吸着性によって悪影響をうけることなく事前の設計
計算通シである。更に、このサーマル・ぐラストは感温
筒温度下降のときは速やかに弁開度を減し、上昇のとき
は緩慢に応答を示す。これによってサーマルパラスト入
り温度膨張弁のもつ特性「ハンチング防止」の機能を十
分満足することができる。

この温度膨張弁特性は、パワーエレメント部が低温にな
シ感温筒部よりも低くなったとき、感温筒からダイヤフ
ラム上部への冷媒移動による温度膨張弁機能の喪失とい
う温度膨張弁の別の不具合に対してもその防止機能を果
す。これは温度膨張弁の感温部の相対的温度上昇にあた
る故、上記の不具合に対する応答が緩慢になるだめであ
る。

従来のサーマルパラスト材に比してガス抜き工程、乾燥
工程が複雑でなく、また金属ウールの使用や粉末金属焼
結体の使用に比してその保管や取扱いが単純でアシ、か
つ低コストである。すなわち本発明膨張弁は従来のもの
に比して製造が容易である。

この発明の説明において温度膨張弁のパワーエレメント
への流体充填物チャージ方法をガスクロスチャージを中
心に記述した。これはこの方法が最も吸着等の影響によ
り特性が失なわれやすいためである。

従って本発明による温度膨張弁は他のチャージ方法の場
合にも適用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかわる冷凍システムの基本構成を
示す概略図である。 第２図は、従来のサーマルパラストを封入した感温筒を
もつ温度膨張弁の縦断面図である。 第３図は、ノ（ワーエレメント封入流体とシステム冷媒
の飽和蒸気圧カー温度特性の相対的な関係を示す気体の
諸定数からの計算した図である。 第４図は、本発明の一実施例における蒸発温度−静止過
熱度の実測データを図示したものである。 第５図は、本発明の一実施例の感温筒部を示したもので
ある。 ２２ａ・・・セラミクス焼結体。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度膨張弁の感温部の金属性筒状部の内部にシリ
   カ・アルミナより構成されるセラミクス焼結体を配置し
   たことを特徴とする温度膨張弁。
2. （２）前記セラミクス焼結体が焼結体外部と連通する気
   孔部分がその体積の２０〜４０％を占有する請求項１記
   載の温度膨張弁。
3. （３）前記セラミクス焼結体のアルミナ質とシリカ質の
   組成重量比が１：０．１７〜１：０．２の範囲にある請
   求項２記載の温度膨張弁。
4. （４）前記セラミクス焼結体は中空円筒状に成形され、
   かつそのパワーエレメント内にはガスクロスチャージを
   施した請求項１記載の温度膨張弁。