JPH0519064B2 - - Google Patents

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ずく
過熱度信号によるフイードバツク制御による。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つて弁開度を調節する。従つ
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パワ
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を圧力と均
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、ま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ある。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りあいによつ
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りである。

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
開度を急速に絞り、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つくり開く。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り返すことであ
る。この現象が生じると冷凍システム全体の能力
を減ずると共に、圧縮機への液戻りなど圧縮機に
悪影響を及す。

上記ハンチングの発生には、蒸気器の基本構
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パワーエレメントを構
成する感温筒２０の内部にサーマルバラスト２２
を充填する。そしてこのサーマルバラスト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は前記パワーエレメント部１
０に接続されるキヤピラーである。サーマルバラ
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
わちサーマルバ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、過熱度増加時は特定数を大きく、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り、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、圧縮機に液戻りを生じさせるとい
うことを防止しなければならないからである。

上記のサーマルバ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つて大きな効
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。

サーマルバラストとしては、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〕

上記のサーマルバ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り発癌
原因になる恐れがあり健康上の理由からこれを用
いることに制限がある。

一方通常の断熱ボードは、天然けい藻土などの
天然素材を利用することが多く製造ロツト毎に特
性が変動するという欠点がある。

上記従来のサーマルバ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。

本来サーマルバラストがない場合を想定して、
感温筒充てん流体の温度−圧力平衡特性を定めた
場合、この特性はサーマルバラストの吸着性によ
つていちじるしく損なわれる。吸着性は温度によ
つ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
体を封入したり、ガスクロスチヤージとして冷媒
とはことなる作動冷媒をパ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バ
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。しかしこの方法はパワーエレメ
ントへのガス充填前後の諸工程及び材料保存など
が複雑となり、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バ
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。

〔課題を解決するための手段〕

本発明方法はサーマルバ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
1500K〜1600K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。これによつ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パイプ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、更に感温筒及びキヤピラーパ
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つたとす
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
化し従つ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
サーマルバ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。従つ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）の構成にした、温度膨張弁
を製作した。

従つ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
ときのものである。感温筒２０は外径12.7mmの銅
管を用いる。この銅管内に、外径10.8mm内径３mm
のアルミナ・セラミクス質1570K焼結体２２ａを
入れる。この中空セラミクス材はあらかじめ、
1423Kの真空乾燥炉内に置いて水分、吸着ガスを
十分除去した。

パワーエレメント部（ダイヤフラムの上部空間
−キヤピラリー−感温筒）内にガスクロスチヤー
ジ手法に基きR22−ヘリウム混合ガスを所定量封
入した。ガスクロスチヤージ手法をとつたのは、
システム冷媒と同じ冷媒をパ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
テム冷媒より同一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R502の飽和蒸気圧−
温度特性を第３図に示す。これによつて蒸発温度
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つ
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
交又し、静止過熱度はマイナスとなり液戻りのよ
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大にな
りクロスチヤ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バラストの重大な
欠点であつた。

本実施例によれば、バイアスばねの圧縮度を調
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233K〜268K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。本発明のサーマルバラストを用
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ツ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273K→
263Kに対しては一次遅れ近似で4.0秒、温度上昇
時、即ち263K→273Kに対しては55秒±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
ルバ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バラストの吸
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。

本発明の実施にあたり必要な事項または望まし
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、銅
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
パワーエレメント部全体でみると、このパワーエ
レメントの弁開閉のための駆動力は、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、弁開閉のための
力を伝達するにあたり、ダイヤフラムが変形する
からその変形によつてパ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。サーマルバラスト
２２ａ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を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。

これ等を総合すると、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。従つて感温
筒内でのサーマルバラストの幾何学的位置及び形
状によつて、サーマルバラストの銅管内壁との接
触面積及び銅管内のサーマルバラストによる占有
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バライトの場合
銅管封入前は断面を長方形とし、その対角線の長
さを銅管内径よりもやや大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つているから、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。従つて本発明のサーマルバラスト焼結体
の形状は感温筒外殻銅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
ーマルバラストの熱伝達特性を一定にするために
は、上記サーマルバ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つた。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銅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
取付けによつ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つ
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
マルバラストに「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
キヤピラリー銅管１９とは別に他のキヤピラー銅
管２５をとり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り、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、サーマルバ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
ルバ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、サーマルバラストの外周部に
溝を刻む方法が考えられる。ただし機能が満足さ
れるかぎり取り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、パ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
サーマルバラスト材としては、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
い。

また、パワーエレメントに作動流体を封入する
前工程として、サーマルバ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、サーマルバラストとしての使用上大きな欠点
となつている。

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
ーマルバラストに接触した時、その触媒作用によ
つ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
マルバラストに採用したとき、感温筒を425K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。

従つて、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つた。

本発明においては同様な過酷試験においては、
不具合を生じなかつた。従つて、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
慮をしないかぎり、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大となり、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り過ぎる。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
に大とするためには、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
矛循するものではない。

〔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
温筒をもつた温度膨張弁にあつては、たとえガス
クロスチヤージを施したときであつても過熱度特
性は、サーマルバラストの吸着性によつて悪影響
をうけることなく事前の設計計算通りである。更
に、このサーマルバ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。これによつてサーマルバラスト入り
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
低温になり感温筒部よりも低くなつたとき、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ためである。

従来のサーマルバ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
扱いが単純であり、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ヤージ方法をガスクロ
スチヤージを中心に記述した。これはこの方法が
最も吸着時の影響により特性が失なわれやすいた
めである。

従つて本発明による温度膨張弁は他のチヤージ
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
ーマルバ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、パワーエレメン
ト封入流体とシステム冷媒の飽和蒸気圧力−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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 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 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 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 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
   チヤージを施した請求項１記載の温度膨張弁。