(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作中に急速開閉動作を行なうことのできる弁アセンブリ装置であって、
動作時に開いたり閉じたりする入口オリフィス（28）と、
前記入口オリフィス（28）の開閉を行なうための弁（17）と、
出口ポート（15）と、
前記入口オリフィス（28）と前記出口ポート（15）との間にあり、かつそれらと連通状態にある弁キャビティ（24）と、
前記弁（17）を付勢して前記入口オリフィス（28）を閉じさせるための付勢手段（14）と、
外部バイアス圧力およびこの外部バイアス圧力と協働するベローズまたはダイヤフラム（12）と連動し外部バイアス圧力に応じて前記弁を動かして前記入口オリフィス（28）を開ける圧力ポート（11）とを含み、
前記弁は、前記弁キャビティ内の圧力に応答して前記入口オリフィスの開閉を行ない、すなわち弁キャビティ内の圧力が上昇すると前記弁を動かして前記入口オリフィスを閉じ、弁キャビティ内の圧力が低下すると前記弁を動かして前記入口オリフィスを開き、
前記入口オリフィスの有効開口面積は前記出口ポートの有効開口面積よりも大きく構成され、これにより、前記入口オリフィスの開放時には前記キャビティの急速な圧力上昇を形成して前記入口オリフィスの急速な閉動作を起こさせ、前記弁は前記入口オリフィスを迅速に開いたり閉じたりすることを可能とした、弁アセンブリ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の弁アセンブリ装置と、冷媒ガスを凝縮するための凝縮器と、熱に晒された負荷を冷却するための蒸発器とを含み、前記入口オリフィスは前記凝縮器と連通し、凝縮した冷媒を受入れ、前記出口ポートは前記蒸発器と連通し、液体冷媒を蒸発器に向けて送り出す、冷凍装置。
【請求項３】
請求項１に記載の弁アセンブリ装置と、蒸発器とを含み、前記弁アセンブリ装置は、前記蒸発器の蒸気の過熱を制御するための制御アセンブリを含み、前記弁キャビティは前記蒸発器の容積よりも小さな容積を有する、装置。
【請求項４】
前記弁は、前記入オリフィスが開いた後、少なくとも２分の１秒内に前記入口オリフィスを閉じることができる、請求項１に記載の弁アセンブリ装置。
【請求項５】
前記弁は、１秒間に60回前記入口オリフィスを開いたり閉じたりすることができる、請求項１に記載の弁アセンブリ装置。
【請求項６】
前記入口オリフィスが弁座を含み、前記弁は前記弁座を封止するための弁プラグを含む、請求項１に記載の弁アセンブリ装置。
【請求項７】
前記付勢手段が、前記弁を動かして前記入口オリフィスを閉じさせるためのばねを含む、請求項１に記載の弁アセンブリ装置。
【請求項８】
前記入口オリフィスは前記出口ポートの少なくとも２倍よりも大きい、請求項１に記載の弁アセンブリ装置。
【請求項９】
前記入口オリフィスは前記出口ポートの少なくとも10倍よりも大きい、請求項１に記載の弁アセンブリ装置。
【請求項１０】
前記入口オリフィスは前記出口ポートのサイズの約10倍から約20倍である、請求項１に記載の弁アセンブリ装置。
【請求項１１】
前記弁アセンブリ上に圧力ポートを含み、前記圧力ポートは、前記蒸発器に熱接触する管と協働して前記圧力ポートに外部圧力を発生する、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項１２】
前記管が前記蒸発器の過熱領域と熱接触し、前記蒸発器の蒸気温度に比例した外部圧力を前記圧力ポートに発生する、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項１３】
前記弁キャビティが、前記蒸発器の過熱領域の容積の約30％未満の容積を有する、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項１４】
熱的または機械的圧縮機を含む、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項１５】
前記熱的圧縮機が固体−ガス収着システムを含む、請求項14に記載の冷凍装置。
【請求項１６】
前記固体−ガス収着システムが、錯化物、ゼオライト、活性炭素または金属水素化物を含む、請求項15に記載の冷凍装置。
【請求項１７】
前記冷媒がアンモニアであり、前記管は、アンモニアとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールとの混合物からなる充填物を含み、前記混合物は約10から50重量％のアンモニアを含有する、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項１８】
前記冷媒がアンモニアであり、前記管充填物はアンモニアと水との混合物からなる充填物を含み、前記混合物は約５から70重量％のアンモニアを含有する、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項１９】
前記冷媒がアンモニアであり、前記管充填物は、ジメチルエーテルとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールとの混合物からなる充填物を含み、前記混合物は40から95重量％のジメチルエーテルを含有する、請求項14に記載の冷凍装置。
【請求項２０】
前記冷媒がフルオロカーボンであり、前記管充填物は、アンモニア、プロピレングリコール、エチレングリコール、ジメチルエーテルまたは水、またはそれらの混合物からなる充填物を含む、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項２１】
前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記管充填物は、ジメチルエーテルとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールとの混合物であり、前記混合物は約40から95重量％のジメチルエーテルを含む、請求項20に記載の冷凍装置。
【請求項２２】
前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記管充填物は水とアンモニアとの混合物であり、前記混合物は約５から85重量％のアンモニアを含有する、請求項20に記載の冷凍装置。
【請求項２３】
前記フルオロカーボン冷媒はテトラフルオロエタンであり、前記管充填物はアンモニアとプロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールとの混合物であり、前記混合物は約10から70重量％のアンモニアを含有する、請求項20記載の冷凍装置。
【請求項２４】
前記冷媒はアンモニアであり、前記管充填物はアンモニアと吸着剤との混合物を含み、前記吸着剤は、アルキレングリコール、アルコール、エーテル、グリコールエーテル、ポリエーテル、アミド、ポリアミド、エステル、ポリエステル、水およびそれらの混合物からなるグループから選択される、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項２５】
前記冷媒がフルオロカーボンであり、前記管充填物はガスと吸着剤との混合物を含み、前記ガスは、脂肪族エーテル、低級脂肪族第三アミンまたは低級脂肪族ケトンを含み、前記吸着剤は、アルキレングリコール、アルコール、グリコールエーテル、ポリエーテル、エステル、ポリエステル、ポリアルコール、ポリアミン、アミドまたはポリアミドを含む、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項２６】
1,000ワット以下の冷却能力を有する、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項２７】
12kg/時未満の冷媒流量を含む、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項２８】
前記入口オリフィスを閉じた後の前記弁キャビティの圧力減衰の応答時間が、前記蒸発器に冷媒を加えた後のバルブ圧力応答時間よりも短い、請求項11に記載の冷凍装置。
【請求項２９】
前記圧力減衰応答時間が前記バルブ圧力応答時間の３分の１未満である、請求項28に記載の冷凍装置。
【請求項３０】
12kg/時未満の速度で前記弁アセンブリから前記蒸発器に液体の冷媒を与え、前記動作時に前記入口オリフィスを急速に開閉させるステップをさらに含む、請求項２に記載の冷凍装置を操作するための方法。
【請求項３１】
前記弁アセンブリからの前記冷媒の流速が6kg/時未満である、請求項30に記載の方法。
【請求項３２】
前記弁アセンブリからの前記冷媒の流速が3kg/時未満である、請求項30に記載の方法。
【請求項３３】
前記弁アセンブリからの前記冷媒の流速が約５グラム／時から約75グラム／時である、請求項30に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁アセンブリ装置、冷凍装置、および冷凍装置の操作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどの冷凍システムに不可欠な部分は、蒸発器への液体冷媒の流れを制御し、凝縮器圧力から蒸発器圧力へと冷媒の圧力を低減する膨張装置である。一般に用いられる膨張装置は、サーモスタット膨張弁と、パルス幅変調ソレノイド弁と、毛細管またはオリフィスのような受動装置とを含む。家庭用冷凍機のような小容量冷凍システムは一般に、１つの動作条件下でのみ最適な冷媒の流れを与えるような大きさにされ得る毛細管を用いる。したがって、設計ポイント以外の条件下では、毛細管は負荷の高い条件において蒸発器の冷媒の不足を引き起こし、負荷の低い条件においてその氾濫を引き起こす。蒸発器の不足および氾濫は、冷凍システムの効率を下げる。
【０００３】
当該技術において知られるように、すべての負荷条件下で蒸発器に適量の冷媒を維持する能動膨張装置が効率を高めることができる。しかしながら、サーモスタット膨張弁のような能動膨張装置は、少ない流量を調整するのに十分であるほど小さいオリフィスでは作ることができないので、小型の冷凍システムではうまく作用しない。このようなオリフィスを製造するのは非実用的であり、これは詰まりを非常に起こしやすい。したがって、小さいオリフィスを必要とせずに少ない冷媒流量を制御できるサーモスタット膨張弁が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明の制御弁は、小さいオリフィスを必要とせずに１時間当り数グラムもの少ない流量で冷媒の流れを正確に制御する。この弁は冷媒の膨張以外の応用でも少ない流量の圧力または流れ制御のために用いられ得る。この発明の制御弁は、約200ワットを下まわる小容量の小さい冷凍機／フリーザ機器、特に約10−100ワットの冷却能力のものにおいて、たとえば小型の蒸気圧縮器冷凍システムおよび冷媒収着冷却機器に特に適している。この発明に従うと、小型の冷凍システムに適するサーモスタット膨張弁（TXV）は、液体冷媒入口ポートと、弁と蒸発器との間に流量制限部を有する出口ポートとを含む。制限される出口ポートの流路面積は入口ポートの流路面積よりも小さい。弁は、弁入口ポートと弁出口ポートとの間に限られた容積を有するキャビティを含み、その容積はシステム蒸発器の容積よりも小さい。弁はまた、弁キャビティ内の圧力に応答して入口ポートを開閉するための手段をも含む。制限された出口ポートに対して入口ポートの流路の大きさを大きくすることによって、入口ポートが開かれているとき、弁キャビティにおいて急速な圧力上昇が与えられる。出口制限部は、キャビティ内の圧力を蒸発器圧力よりも上になるように長く維持するので、弁は開いている入口ポートを迅速に閉じる。好ましい実施例では、管（bulb,以下「バルブ」という）または他の装置が蒸発器の過熱を感知し、入口ポートを開閉するために弁に圧力を与えるために用いられる。バルブ圧力を受けるダイヤフラムは、ダイヤフラムの両側での力のバランスに基づいて、入口ポートの開閉を制御する。別の実施例では、プロピレングリコール、エチレングリコールまたは水とアンモニアとのバルブ充填がアンモニア冷媒冷却システムに特に有益であるが、プロピレングリコールまたはエチレングリコールとジメチルエーテルとのそれはこの発明のダイヤフラムによって制御されるサーモスタット膨張弁を動作させるための過フッ化炭化水素冷媒冷却システムに有益である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
この発明のサーモスタット膨張弁（TXV）は、比較的小容量の冷凍システム、ヒートポンプ、冷凍機および／またはフリーザに特に役立つ。弁は、液体冷媒のための入口ポートと、出口ポートと、入口ポートおよび出口ポートの間の弁キャビティとを有する。圧力の低下は、出口ポート内またはそれに関連した制限部によって生じる。弁は、弁キャビティ内の圧力に応答して入口ポートを開閉するための手段を含み、高い圧力の場合には入口ポートを閉じるようにし、低い圧力の場合には入口ポートを開くようにする。キャビティ内の圧力に応答して弁を開閉するためのコンポーネントおよび特徴の例を含む具体的な手段が図に示され、以下に説明される。この弁の重要な特徴および機能は、弁キャビティにおいて急速に圧力を高め、次に入口ポートを迅速に閉じることができる点である。このような機能は、出口の流路面積の大きさに対して十分に大きい入口流路面積によって達成され、それによって、キャビティ内の急速な圧力上昇がもたらされ、高い圧力に応じて入口ポートが開放の後に急速に閉じられる。効果的であり、好ましい入口流路面積および出口流路面積が以下に開示される。弁はさらに、蒸発器の容積よりも小さい内部キャビティ容積によって特徴付けられる。
【０００６】
図１は、小容量の吸着または蒸気圧縮冷凍機または冷却装置に特に適したサーモスタット膨張弁を示す。図示する弁は内部キャビティ24を有する弁体10を含む。弁座20が入口オリフィス28を規定する。バー22およびプランジャ13は、ばね14によってダイヤフラム12の方へ付勢される。入口オリフィス28は、弁プラグ17に着座するシール16が、バー22およびプランジャ13に押しつけられているダイヤフラム12の動きに応じて上方および下方に移動するときに、開閉させられる。アセンブリは、バルブ（bulb）接続ポートもしくは圧力ポート11、入口パイプ18および出口パイプ19を含む。ダイヤフラムは、図示しないバルブからの、バルブ接続ポート11を経由する圧力によって、バー22の上表面に押しつけられるように付勢される。入口パイプ18は、凝縮器または液体冷媒リザーバ（図示せず）と通じ、出口パイプ19は、冷凍システムの蒸発器と通じる。制限部または制限ポート15が、内部弁キャビティ24と出口パイプ19との間に配置される。弁棒またはロッド23が、ピストンを弁プラグ17と接続させ、ばね14がピストンをダイヤフラムの方へ向かって上方に付勢し、それによって入口ポートを閉じるようにしている。圧力ポート11を経由してダイヤフラムに作用するバルブからの圧力は、ダイヤフラムをバー22およびピストン13に向かって押しつけてばね14を圧縮し、シール16を下方に押して入口オリフィス28を開ける。弁キャビティ24内の圧力もまた、入口オリフィス28を開けるように弁プラグ17に作用する。弁を閉じる力は、ダイヤフラム12の蒸発器（底部）側に作用する圧力、すなわち、弁キャビティ24内の圧力、ばね14の力、および入口パイプ18を経由して弁プラグ17に作用する凝縮器圧力である。弁を開けようとする力の合計が、弁を閉じようとする力の合計を超えると、弁が開く。さもなければ弁は閉じたままであるように設計される。代替的に、弁は、凝縮器圧力によって開くように設計されてもよい。図示された例示的な弁設計は、アンモニア冷媒を用いる際に遭遇するような比較的高い凝縮器圧力に対して、その凝縮器圧力を利用して弁を閉じる。
【０００７】
弁は、流量を連続的に変調させることによってではなく循環的に開閉を行なうことによって蒸発器への冷媒の流れを制御する。弁がこの発明に従って適切に動作するためには、入口オリフィス28は、弁キャビティ内の圧力がバルブ圧力よりも急速に高くなり、弁を閉じるようにさせるほど大きくなくてはならない。開始時には、バルブは本質的に周囲温度であり、バルブ内の圧力は凝縮器圧力に近い。入口オリフィス28は、冷媒が出口を流れている間、弁キャビティ24を凝縮器圧力に近づくように充填させるのに十分な大きさでなければならない。したがって、最低限として、入口オリフィス28のもたらす圧力低下は、出口のそれよりも小さくなくてはならない。
【０００８】
この発明のサーモスタット膨張弁の重要な特徴は、弁とシステム蒸発器との間の流れ制限部と、入口ポートの弁座と制限部との間の小容量の弁内部容積とである。図１を参照すると、流れ制限部15は、弁キャビティ24と蒸発器との間に配置される。出口パイプ19は、凝縮された冷媒を導くために蒸発器に連通している。制限部15の具体的な配置は、それが弁キャビティ24の下流にある限り重要ではない。制限部15によって、また、それが弁キャビティまたは弁内部と蒸発器との間にあることによって、ダイヤフラム12の蒸発器側が蒸発器の入口圧力と等しいかそれ以上の圧力を受けることが確実となる。したがって、ダイヤフラム12のバルブ側の圧力が増大するかまたは蒸発器圧力が均衡点まで低下すると、弁が開き、圧力がダイヤフラムの下、すなわち、弁の内部で上昇し、弁を急速に再閉鎖させる。圧力は、流体が制限部15を経由して蒸発器に流れるにつれて減少し、これは、弁体および弁キャビティ24内でかつダイヤフラム12の蒸発器側の圧力が弁を再開放させるのに十分なほど低下するまで続く。弁が開くと、少量の液体冷媒が開いた入口ポートを経由して弁キャビティへと導入され、弁は次に急速に再閉鎖し、更なる液体冷媒は前の「量の」冷媒が蒸発器に流れるまで導入されない。この弁動作は、変調ではなく鼓動動作（pulse  operation）と称することができ、冷媒流量の少ない冷凍システムの制御を向上させる。
【０００９】
入口ポートおよび出口ポートの相対的サイズのために、弁キャビティ内の圧力上昇は急速に起こり、入口ポートはそれが開かれたときから約1/2秒未満で閉じる。圧力上昇および入口ポートの閉鎖はより急速に起こることもあり、弁は１秒当り60回までのサイクルの動きが可能である。しかしながら、所望であれば、サイクルの動きは、たとえば１時間当り１サイクルのような低速の要求に応じて駆動されてもよい。
【００１０】
出口制限部の最小サイズは、最大設計流量で、しかも最大許容流量でバルブ圧力における最大の許容増加と等しい圧力低下で冷媒蒸気の流れを与えるように計算され得る。ただし、それは、実用的な大きさの範囲内である。弁入口ポートの流路面積は、出口制限部の面積よりも大きくなくてはならない。出口制限部のサイズまたは面積にかかわらず、弁座の流路抵抗は、液体の流れに基づく抵抗で、蒸発器の流路抵抗よりも小さいべきである。使用の際、弁座を横切る流れは、主として液体であり、蒸発器内では２相状態の流れとなる。このように、弁が開いている間、弁へ入る流量は弁から出る流量よりもはるかに大きく、キャビティ内の圧力が増し、閉鎖が急速に生じる。
【００１１】
入口ポートと出口ポート制限部の間の弁キャビティの有効容積は、蒸発器容積よりも小さい。弁座20と制限部15との間の弁キャビティ24の容積は、弁が冷凍能力でのその固有振動数よりも速く運転しようとしないように十分に大きく、それが蒸発器を氾濫させるほど多量の液体を含まないように十分に小さいべきである。弁キャビティ内の弁部品は、その有効容積を減らす。制限部15のサイズまたは断面積は、制限部の詰まりが問題とならないように十分に大きいが、上述したように冷媒がそれを経由して蒸発器へと流れ込めるように十分に小さいべきである。弁入口ポートおよび出口ポートのサイズのさらなる考察は、蒸発器−バルブシステムの温度応答時間に関する。制限部15の開口部面積対入口オリフィス28の有効面積の好ましい比は、少なくとも約1:2、好ましくは1:4であり、より好ましくは1:20よりも大きく、最も好ましくは約1:10から1:20の間である。このように、入口オリフィス28の好ましい断面積または有効入口流路面積は、出口ポートまたは制限部15の開口部面積の少なくとも２倍であり、より好ましくは、圧力がダイヤフラムの下で急速に上昇し、それによって弁が急速に再閉鎖することを確実とするために10−20倍である。入口ポートの有効入口面積は、冷媒がそこを通って流れなければならない入口面積におけるまたはそれに沿う空間を占めるいかなる部品によっても減少することが理解されるであろう。したがって、たとえば、ロッド23によって占められる面積や空間、または入口ポートまたは出口ポートにある、もしくは冷媒流路面積に沿って位置する何らかの他の部品によって占められる面積または空間を、上述の比の計算に入れなければならない。
【００１２】
図２は、蒸発器チューブの過熱領域上にバルブ32が配置される蒸発器30を示す。バルブは、圧力導管31を介して弁10と接触し、圧力導管31は弁ダイヤフラム12（図１）を圧力ポート11でバルブ圧力にさらす。図示するように、冷媒の沸騰は、２相（沸騰）領域と称される蒸発器の主要部分で生じ、蒸発器チューブの比較的短いセクションが過熱領域において熱を伝えて冷媒蒸気を過熱する。増大した冷媒の流れに応答するバルブの圧力および温度の応答時間は、バルブ充填物、冷媒、弁部品の寸法等に依存する。冷媒が出口制限部を経由して蒸発器へと流れるときに弁キャビティ内部の圧力の減少のために弁が閉じる瞬間から弁が再び開くまでの応答時間もある。弁が閉じると、すぐにキャビティの圧力が減少し始め、バルブ温度および圧力に依存して、弁入口は、キャビティ圧力が蒸発器圧力を超えるときに再び開く。しかしながら、限界では、バルブは望ましい過熱のためにほぼ正確な温度であり、キャビティ圧力はほぼ蒸発器圧力まで減少し、弁はバルブ温度および圧力が上昇しなければ開かない。通常動作において、沸騰が停止し、過熱が始まる前部、すなわち先頭領域（F1）はバルブから蒸発器入口へとゆっくりと後退する。沸騰の先頭領域が後退するにつれ、蒸気は、それがバルブに達する前にますます過熱する。最終的に、バルブ圧力は弁を開くのに十分なほど上昇し、沸騰の先頭領域はバルブにより近づき、バルブ温度および圧力が低下する。弁が開いた後、キャビティ圧力が蒸発器圧力よりも実質的に高くなると弁はすぐに閉じる。弁キャビティ圧力が減少した後、バルブが設定された過熱より低く冷却されなければ、弁は再び開く。通常、冷媒が蒸発器へと流れ始める時間からの蒸発器−バルブ圧力応答は、弁キャビティ圧力減少応答時間と比較して遅く、弁は、バルブが所望の過熱まで（またはそれより下に）冷却する前に一度以上開く。このように、弁キャビティにおける圧力減少応答時間は、蒸発器への冷媒の付加に引き続いてバルブ圧力を高めるのにかかる時間よりも短い。好ましくは、弁圧力減少応答時間はバルブ圧力応答時間の1/3未満である。しかしながら、氾濫を防ぐために、弁が多数回開放しても、バルブの前の過熱セクション（および、存在するならばバルブの後方の過熱セクション）を含むすべての蒸発器を満たすのに十分な冷媒を入れるべきでない。弁キャビティは弁が開放するたびに完全には満たされないかもしれないが、弁はキャビティが完全に満たされる場合に蒸発器の氾濫が生じないように設計されるべきである。この目的のため、弁キャビティの有効容積は、好ましくは蒸発器の過熱領域の容積の約30％未満である。
【００１３】
温かい蒸発器での開始時の問題を低減するために、バルブ充填物は適切に選択されなければならない。バルブがシステムの冷媒と同じ冷媒で充填されれば、過熱圧力は、弁を閉じるのに寄与するばね圧力と、凝縮器圧力によって弁プラグに与えられる正味の力とを加えたものによって設定される。過熱圧力が通常動作の蒸発器温度である妥当な過熱を与えるよう設定されれば、蒸発器が周囲温度および圧力にあるときに、同じ圧力差が、はるかに低い過熱温度と等しくなる。開始時の条件のための低い過熱温度は、蒸発器が実質的に冷却されるまでに過度の氾濫が生じることを意味する。ほとんどの蒸気凝縮システムでは、これは効率を低下させるが動作上の問題は与えない。しかしながら、小容量凝着冷蔵システム、特に周期的システムは、脱着サイクルの間に再び温まるので、蒸発器を冷却できないかもしれない。従来の解決法の１つは、バルブをある固定圧力まで蒸気で充填することである。蒸気の充填で、バルブが凝縮の発生に十分であるほど冷却されるまで、弁は、蒸発器を固定圧力に制御し、凝縮温度以下では、弁は真のTXVとして作用する。しかしながら、限られたバルブ充填では、バルブ回路の中のより冷却した地点、たとえばダイヤフラムでのいかなる凝縮も、バルブ内での凝縮を防ぎ、バルブ温度は弁を制御しない。バルブは、回路におけるもっとも冷却した地点でなければならない。あるいは、ダイヤフラムキャビティおよび毛細管を満たし、さらにバルブ内の液体を保持するための十分なバルブ充填がなくてはならない。ダイヤフラムでの凝縮は、弁を比較的暖かい位置に置くことによって、避けられ得るが、これは、寄生冷却損失を増すことになり、ひいては効率を下げ、かつ小型システムにおける利用可能な冷却能力を著しく下げることになる。
【００１４】
上述の弁制御問題は、バブル充填を使用することによって克服できるものであり、その場合、システム冷媒として用いられるのとは異なる蒸気圧力と、蒸気圧力対温度の勾配とが用いられる。これはクロス充填として知られる。異なった蒸発器温度に対して所望の弁応答を与えるクロス充填のための純粋な物質は、毒性、危険性またはコストのために、しばしば存在しないか適切でない。吸着剤の充填または混合物が、純粋な物質でのクロス充填に代わるものとして用いられる。蒸発器において用いられる同じ冷媒と蒸気圧力抑制剤との混合物を含む吸着剤の充填が、しばしばうまく働く。しかしながら、バルブ充填溶液へのガスの急速な吸収を防ぐために、有極性物質を有することが有益である。水素結合が可能な物質が同じ理由のために特に望ましい。
【００１５】
好ましいバルブ充填により、予期されたすべての蒸発器温度に亘って比較的一定の過熱をもたらす。たとえば、バルブ充填としてアンモニアがアンモニア冷媒システムに用いられる場合、10℃に対するばね力を−35℃に設定すると、＋20℃の蒸発器では１℃または２℃の過熱しかもたらされず、暖かいバルブによる始動が困難になる。しかしながら、アンモニアと、水またはプロピレングリコールなどの適切な低蒸気圧の物質との混合物を用いると如何なる蒸発器圧力においてもほぼ一定な過熱がもたらされ、はるかに少ないばね力しか必要でない。
【００１６】
アンモニア冷媒に特に有用なバルブ収着剤充填には、アンモニアと水との混合物、アンモニアとアルコールとの混合物およびアンモニアとグリコールとの混合物が含まれる。アンモニアは約５から約70重量％の量で存在することが好ましい。エーテル、グリコールエーテル、ポリエーテル、アミド、ポリアミド、エステルおよびポリエステルもまたアンモニアの吸着剤として適切であり、バルブ充填の１つの成分として用いることができる。10から50重量％のアンモニアを含む低級グリコール（エチレングリコール、プロピレングリコール）を用いる混合物は特に有用である。なぜなら、（１）分離が起こった場合にいずれの成分も予期された蒸発器温度で凍結することがなく、（２）収着剤は有極性でありかつ水素結合可能であるため、アンモニアを吸着する強い傾向を示し、（３）それらの値段は安く毒性が低いかまたは全く毒性を有さず、（４）腐食性が低く、さらに（５）所望の温度応答および過熱をもたらすように混合物の濃度を設定することができるからである。約40％から95％のジメチルエーテルを含む混合物における、プロピレングリコールおよび／またはエチレングリコールを含むジメチルエーテルもまたアンモニア冷媒として特に有用である。
【００１７】
多くのフルオロカーボン冷媒は有極性ではなく、水素結合不能である。このため、冷媒がフルオロカーボンであり収着剤のバルブ充填物が望まれる場合には、システム冷媒のものに近い蒸気圧力を有する有極性ガスを用い、蒸気圧力を低減するために有極性吸着剤を添加し、それによりダイヤフラムなどにおける凝縮の問題を回避するようにすることにより、バルブ充填を選択すべきである。たとえば、冷媒としてR134a（テトラフルオロエタン）が用いられる場合、適切なバルブ充填には、約５％から85％のアンモニアとジメチルエーテル−プロピレングリコールとを含有する、上述の水とアンモニアとの混合物、または約45から95重量％のジメチルエーテルを特に含有するエチレングリコール混合物とが含まれる。約10％から70％のアンモニアを含有するアンモニアプロピレングリコールおよび／またはエチレングリコール混合物もまたテトラフルオロエタンに特に有用である。
【００１８】
それが有極性でないためバルブ充填の構成要素にシステム冷媒が理想的ではない場合の、バルブ充填のための有用なガス−収着剤混合物には、ジメチルエーテル、低級エーテル（C1−C8）、低級脂肪族第３アミン（C1−C8）および低級脂肪族ケトン（C1−C8）から選択されたガスと、プロピレングリコール、エチレングリコール、アルコール、グリコールエーテル、ポリエーテル、エステル、ポリエステル、ジアルコール、トリアルコールおよびポリアルコール、ジアミン、トリアミン、ポリアミン、アミド、ポリアミドおよび水から選択された吸着剤とが含まれる。アルコール、グリコール、ジアルコール、トリアルコールポリアルコール、エーテル、グリコールエーテル、ポリエーテル、アミド、ポリアミド、エステル、ポリエステルおよび水から選択された吸着剤には、アンモニア、メチルアミンおよび他の低級アミン（C1−C8）が用いられる。
【００１９】
バルブ充填が選択されると、最大の冷媒流量における過熱の最大許容上昇を決定し、この過熱上昇をバルブ圧力に変換することが望ましい。たとえば、−35℃および10℃の設計の過熱で動作するアンモニア蒸発器であり、バルブには66質量％のアンモニアと34％のエチレングリコールとの混合物があり、最大流量での過熱の許容上昇が１℃である場合、関連圧力は下記のとおりである。
【００２０】
蒸発器圧力−−35℃で13.5psia
バルブ圧力−14.4psia＠−25℃（10℃  SH）
バルブ圧力−15.1psia＠−24℃（11℃  SH）
弁出口制限部は、最大の冷媒流量で0.7psiの圧力降下をもたらすようなサイズにされる。
【００２１】
特定的な例として、−32℃の蒸発器において15ワットから25ワットで、かつ50℃から80℃の凝縮器温度で動作された小さなアンモニア収着冷凍システムには下記の部品寸法を有する弁が使用された。
【００２２】
出口制限部の直径:0.054cm（0.021インチ）
入口ポートの直径:0.20cm（0.08インチ）
内部弁の体積（弁キャビティ）:1cc（0.06立方インチ）
システム蒸発器の体積：≒15cc
この発明の前述のサーモスタット膨張弁はバルブ側に冷媒が使用される場合に過熱を制御するために用いることができ、かつダイヤフラムのバルブ側に一定のガス圧力またはばね力を与えることにより蒸発器圧力を制御する圧力調整器として用いることができる。凝縮器圧力の制御圧力に対する影響は、凝縮器と熱的に接触した状態でバルブ側にガス充填物を与えることによりキャンセルされ得る。ダイヤフラム面積と弁ポート面積とを適切な比になるように選択することにより、力の均衡に対する凝縮器圧力の影響は正常な動作範囲に対して完全にキャンセルすることができる。
【００２３】
この発明の弁は如何なる冷凍機／フリーザまたは蒸発器の液体冷媒の制御が必要な他の冷却装置に用いられ得る。弁は、12kg/時未満の冷媒流量を有する比較的小容量のシステムに特に適する。さらに、このような弁の使用は、6kg/時未満の冷媒流量を有するシステム、特に冷媒流量が3gk/時未満である場合にさらに有益となる。冷媒流量がさらに少ない場合、たとえば上述のアンモニア冷媒システムに見られるように約５から75g/時である場合、この発明の弁は非常に有益である。冷媒能力の機能について述べると、このような冷凍システムは典型的には1000ワット未満のものであり、特に500ワット未満であり、より特定的には250ワット未満であり、最も特定的には100ワット未満である。弁が有効にかつ最も有益に動作する容量の極めて小容量のアンモニア冷却または冷凍システムは10ワットから100ワットまでの容量範囲である。
【００２４】
この弁は、フルオロカーボン冷媒CFC、HFCおよびHCFC、プロパンまたはブタンなどの無極性冷媒ならびに米国特許第5,441,995号および第5,477,708号に開示されているような有極性冷媒を用いるものを含む如何なる冷媒システムに用いられてもよく、これらの記述は引用によって援用される。この弁は、機械的圧縮機と、米国特許出願連続番号第08/390,678号に記載され引用によって援用される、小容量の熱圧縮機収着冷凍装置とを用いる蒸気圧縮システムに有効である。このような装置は気体冷媒を交互に吸着および脱着することができる固体の収着組成物を含有する１つまたはそれ以上の収着剤を有する。固体の収着剤は、ゼオライト、活性アルミナ、活性炭素、シリカゲルまたは金属水素化物などの周知の包接化合物を含む如何なる組成物であってもよい。米国特許第4,848,994号に開示されここに引用によって援用されるように、好ましい収着剤は金属塩上に有極性の気体冷媒を吸着させることにより形成される錯化物である。特に好ましいものは、米国特許第5,298,231号および第5,328,671号に開示されそれらの記述が引用によって援用されるように、錯化物の体積膨張を制限することにより密度を最適にするプロセスによって形成される錯化物である。このような錯化物は、このような体積膨張制限および密度制御なく形成された錯化物の反応速度と比較して反応速度を実質的に上昇することができる。このような収着剤は、金属塩、錯化物および上述の包接化合物を有するそれらの混合物を含む。最も好ましい錯化物はアンモニアが冷媒であるものである。
【００２５】
主に冷媒の用途に関してこの発明の弁を説明したが、これはまた冷媒以外の用途にも圧力制御弁として有用である。圧力調整器としては、この弁は流量が少なく、かつ圧力調整器の調整がうまく制御されないときに最も有用である。弁キャビティの圧力に抗して用いられる圧力バイアスは、ばね圧力または流体圧力（液体または気体）などの機械的手段によってもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の蒸発器制御弁の断面図である。
【図２】蒸発器と、蒸発器の過熱を制御するためのこの発明の弁とを概略的に示す図である。
【図１】
0003644970.tif 000002
【図２】
0003644970.tif 000003