(57)【要約】電子膨張弁（ＥＥＶ）は、モータが、高圧下で液体冷媒が流入し、減圧下で液体冷媒が流出する可変規制弁を制御することによって作動される。当該モータは、拡張時、直列に並べられた複数の固定オリフィスを貫通するテーパ状ニードルの深さを制御する。完全に拡張されたニードルの下流に設けられたさらなる固定オリフィスは、冷媒噴射をさらに規制及び管理する。所望の動作範囲に応じて、以下の要素が制御されてもよい。すなわち、ニードルの長さ、直径、及びテーパ形状と、各オリフィスの直径、厚さ、及び相対的上昇と、モータによって付与される応答及び最大トルクと、弁によって囲まれる容量の幾何学形状とが制御されてもよい。
2019521307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子膨張弁アセンブリであって、
流入口及び流出口を備えた弁体と、
前記弁体内に配置されたテーパ状ニードルと、
前記弁体を通じて、前記ニードルの後退位置及び拡張位置間で伸びるニードル拡張路に沿って、ニードルを移動するように構成されたモータ駆動リニアドライブアセンブリと、
前記ニードル拡張路に沿って直列に配置されたオリフィスを備える複数のオリフィスプレートとを備え、
前記ニードルは、ニードルが前記後退位置から前記拡張位置まで移動される際、前記オリフィスのうちの少なくとも１つを通過する電子膨張弁アセンブリ。
【請求項２】
前記ニードルは、前記ニードルが前記後退位置から前記拡張位置まで移動される際、複数のオリフィスを通過する請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項３】
前記電子膨張弁アセンブリは、前記ニードル拡張路に直列に配置されたオリフィスを備える３つ以上のオリフィスプレートを備える請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項４】
前記ニードル拡張路の下流に配置された少なくとも１つのオリフィスプレートをさらに備える請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項５】
前記ニードル拡張路に沿った前記ニードルの線形位置を判定及び調整するように構成されたコントローラをさらに備える請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項６】
前記モータは、ステッパモータである請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項７】
前記複数のオリフィスプレートは、前記弁体に固定される請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項８】
前記複数のオリフィスプレートの各オリフィスプレートは、１つのみのオリフィスを備える請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項９】
前記ニードルは、基部から先端に向かうテーパ状である請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【請求項１０】
液体冷媒は、高圧下で前記流入口に流入し、減圧下で前記流出口から流出する請求項１に記載の電子膨張弁アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、高圧から低圧への流体の流動を規制及び制御するために使用される膨張装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
膨張装置は、高圧から低圧への流体の流動を規制及び制御するために使用される。より具体的には、冷蔵及び加熱ポンプシステムにおいて、膨張装置は、高圧側（コンデンサ）から低圧側（蒸発器）に向かって圧力を低減することにより、蒸発器内への冷媒の流動を規制及び制御する。膨張装置は、非活性装置（オリフィスディスク、キャピラリチューブ等）から活性装置（熱膨張弁、圧力及びモータ駆動等）やソレノイド弁（比例及びオン／オフ）に及ぶ。非活性膨張装置は、特定の動作点に合わせたサイズとされるため、設計外条件において非制御動作を行う。活性膨張装置は、変動する動作条件に反応するため、幅広い動作条件に亘ってより高い性能を維持するように作動する。
【０００３】
冷蔵及び加熱ポンプシステムにおいて使用される一般的な活性膨張装置として、熱膨張弁（一般に、「ＴＥＶ」又は「ＴＸＴ」とも称される）がある。一般的な熱膨張弁は、単一の固定オリフィスディスクを通じて進むテーパ状ニードルと、固定弁座に向かうか、若しくはこれから離間して移動する弁体とのいずれかを備える。弁は、蒸発器（多くの場合、過熱又はグライドと称される）による一定の冷媒温度上昇を維持するように働く。オリフィス又は弁座に対するニードル又は弁体の位置は、ばね力に抗して働く球状体内に収容された気体の圧力によって制御される。この球状体は、通常、蒸発器を出た冷媒を収容するチューブと接触している（すなわち、これに対して強固に固定される）。蒸発器を出る冷媒の温度が上昇するに連れて、球状体内の気体の圧力が上昇し、冷媒の流動が増えるようにニードル又は弁を移動すべく作動する。一方、蒸発器を出る冷媒の温度が低下するに連れて、球状体内の圧力が降下し、冷媒の流動が減るようにニードル又は弁を移動すべく作動する。
【０００４】
球状体内の気体の種別は、所望の弁制御特性が得られるように、温度曲線に対する圧力から慎重に選択されなければならない。これらの種別の弁は、低コストであるという利点があるものの、設計時点からほど遠い動作条件下では所望の性能が得られないことが多く、小さな金属間接触面積を通じた導電により、球状体との間で熱をやりとりする必要があるため、反応が遅くなることが多い。
【０００５】
性能は、バルブステム又はニードルの移動の不整合（破片又は摩耗による一時的な詰まり）によって不安定になることがあり、異なる過熱又はグライドが異なる動作条件に対して、又はシステム起動時に特定不能となるように、ガス球状体は単一の過熱又はグライド設定点に限定される。
【０００６】
電子膨張弁（ＥＥＶ）は、オリフィス又は弁座に対してニードル又は弁を直接移動させるために電気モータ（ほとんどの場合にはステッパモータであることが多い）を使用する。モータの移動及び位置は、測定された蒸発器流出口の温度、過熱又はグライド、又は蒸発器の温度及び圧力との関連で、電子コントローラによって判定される。弁の位置は、圧力−ばね力の相互作用を通じた間接制御でなく、モータによって直接制御されるため、ＥＥＶは、より信頼性の高く、反復性のあるシステム性能を提供することができる。さらに、コントローラは、システム性能がより幅広い範囲の動作条件に亘って制御されるように、異なる動作条件下で（又は起動時に）異なる過熱又はグライドを提供するようにプログラム可能である。
【０００７】
他の種別のＥＥＶでは、所望の過熱又はグライドとの関連で開閉するソレノイド弁を使用する。
【０００８】
オン／オフソレノイドＥＥＶは、蒸発器への冷媒の継続的な流れに代わり、蒸発器内へ「パルス化」流動を提供する。十分なソレノイド寿命を維持するために、所与の期間におけるオン／オフサイクルの数が限定され、通常は、６秒間に１回のオン／オフサイクルとなる。大きな蒸発器を備え、蒸発器内に大量の冷媒を収容した大型のシステムでは、この長い時間定数は、通常、システム性能に影響を与えない。しかしながら、小さな蒸発器を備えた小型システムでは、時間定数は、冷媒が蒸発器を進行するのに要する時間と同様であるか、又はこれを上回ることがある。これは、任意の所与の時間において、蒸発器の冷媒を過剰にしてしまうか、不足させることとなり、システム性能にネガティブな影響を与える。
【０００９】
冷媒の流量が非常に小さい小型のシステムでは、ニードル−オリフィス又は弁座のペアの物理的寸法が必然的に非常に小型になり、十分に高い流動規制（及び圧力降下）を提供する。非常に小型のテーパ状ニードル、弁、オリフィス、及び弁座を製造することは困難であり、反復的性能を達成するために非常に厳しい体制を要求する。結果として、製造コストが増加する。さらに、非常に小型のオリフィス及び弁座は、システム内に少量の破片があっても詰まりやすい。
【００１０】
この問題は、周辺温度及び加熱水温等、非常に幅広い範囲の条件に亘って動作する小型システムにおいて悪化する。動作範囲が幅広いと、結果として、膨張弁を通る差圧が幅広くなり、且つ最適な冷媒流量の範囲が幅広くなる。
【００１１】
一例として、冷媒としてアンモニアを使用するアンモニア−水吸収加熱ポンプ温水ヒータがある。アンモニアは、非常に高い蒸発エンタルピーを有する。これは、結果として、標準的なＣＦＣ又はＨＣＦＣの冷媒（Ｒ１２、Ｒ２２、又はＲ１３４ａ等）と比較して、より高い冷媒の単位当たり加熱ポンプ容量をもたらす。家庭用温水器への適用では、通常のアンモニアの流量は、たったの約８ｌｂｍ／ｈｒオーダーである。高圧側圧力は、加熱水温の関数であり、低温（例えば、約５０°Ｆ（約１０℃）未満）から非常に高温（例えば、約１４０°Ｆ（約６０℃））までの範囲に及び得る。低圧側圧力は、周辺温度の関数であり、冷温（例えば、約３５°Ｆ（約１．６７℃））から高温（例えば、約１２５°Ｆ（約５１．６７℃））までの範囲に及び得る。結果として、膨張弁を通る差圧は、低温（例えば、約５０ｐｓｉ（約３４４．７ｋＰａ））から高温（例えば、約３５０ｐｓｉ（約２．４ＭＰａ））までの範囲に及び得る。さらに、システム性能を最大限とするには、差圧が低いときに所望の冷媒流量が最大となり、差圧が高いときに最小となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、流体、特に冷蔵／加熱ポンプシステムが低い質量流量及び高圧側（凝縮）と低圧側との幅広い高圧差を要求する場合の冷蔵流体の流量を調整するのに好適な拡張に対するニーズが依然としてある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
我々は、電子膨張弁アセンブリであって、弁体と、弁体内に配置されたテーパ状ニードルと、弁体を通じて、ニードルの後退位置から拡張位置の間で伸びるニードル拡張路に沿って、ニードルを移動するように構成されたモータ駆動リニアドライブアセンブリと、ニードル拡張路に沿って直列に配置されたオリフィスを備える複数のオリフィスプレートとを備えた電子膨張弁アセンブリを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、ニードルが拡張位置にある、本開示の一例としての膨張弁を示している。
【図２】図２は、ニードルが後退位置にある、図１の一例としての膨張弁を示している。
【図３】図３は、オリフィスがニードルの届く範囲の下流に配置された、本開示の他の一例としての膨張弁を示している。
【図４】図４は、表１〜表４において解析された膨張弁の圧力損失及び流動係数（Ｃｖ）との間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の説明は、図中の説明のために選択された構造の特定の例について言及することが意図されており、添付の請求項以外では、本開示を定義又は限定することが意図されていない。
【００１６】
本開示は、通常動作が低い質量流動／高い圧力降下と、高い質量流動／低い圧力降下という条件を含むプロセスにおいて、冷媒流動のロバストな制御を好都合に提供することのできる膨張弁に関連する。
【００１７】
膨張弁は、ニードル又はオリフィスの物理的サイズを低減することなく、単一のオリフィスのみを使用する弁に比べて、所与の流量に対してより高い圧力損失及びより幅広い動作範囲を提供することができる（結果として、流動定数がより小さくなる）。そこで、この膨張弁は、流体、特に、冷蔵／加熱ポンプシステムが低い質量流量及び高圧側（凝縮）と低圧側（蒸発器）との間の幅広い範囲の差圧を要求する場合の冷媒流体の流量の調整に有用であり、好都合である。
【００１８】
我々の膨張弁の他の利点は、低コストで容易に製造可能な物理的構成要素を使用したコンパクト且つ低コストの弁を提供することである。
【００１９】
我々の膨張弁のさらに他の利点は、幅広い範囲の動作条件下で、低い質量流量での冷媒の制御を提供する信頼性の高い弁を提供することである。
【００２０】
我々の膨張弁のさらに他の利点は、冷媒噴射の位置を弁の非重要領域に管理する弁を提供することである。
【００２１】
本開示の膨張弁の選択的性質であるコンパクト性により、これらの利点が小さなフットプリントで実現可能である。
【００２２】
一例としてのモータ駆動電子膨張弁１００が図１に示されている。図１の電子膨張弁１００は、弁体１０１と、モータ１０２と、リニアドライブアセンブリ１０４と、テーパ状ニードル１０６と、モータコントローラ１１４とを備える。弁体は、弁体１０１を通る流体（又は気体、又はこれらの組み合わせ）の流動のための流入口１１０と流出口１１２とを備える。例えば、冷媒等の流体は、高圧下で流入口１１０を通じて弁体１０１に流入し、減圧下で流出口１１２と通じて流出する。
【００２３】
ニードル１０６は、ニードル１０６のシャフト全体又はその一部のみに沿って、ニードル１０６の先端１１６からニードル１０６の基部まで直径が増加するテーパ形状を有してもよい。ニードル１０６は、リニアドライブアセンブリ１０４に搭載され、弁体１０１内に配置される。モータコントローラ１１４からの電気エネルギー及び制御信号は、モータ１０２にリニアドライブアセンブリ１０４を駆動させるように作動し、ここでモータ１０２の回転移動をニードル１０６の線形移動に変換する。モータ１０２は、ステッピングモータであることが好ましい。
【００２４】
リニアドライブアセンブリ１０４は、ニードル拡張路（図２中、「ＥＰ」と示された破線部）に沿ってニードル１０６の線形位置を調整するように構成される。図１と図２との比較から分かる通り、ニードル拡張路ＥＰは、ニードル１０６がニードル１０６の後退位置と拡張位置との間にあり、線形に拡張する。図１は、ニードル１０６が拡張位置にある様子を示しており、図２は、ニードル１０６が後退位置にある様子を示している。モータコントローラ１１４は、ニードル拡張路ＥＰの任意の地点におけるニードル１０６の線形位置を判定及び調整するように構成される。
【００２５】
図１及び図２は、電子膨張弁１００が、ニードル拡張路ＥＰに沿って直列に弁体１０１の内部チャンバに固定された複数のオリフィスプレート１０８を備える様子を示している。各オリフィスプレート１０８は、少なくとも１つのオリフィス１０９を、オリフィスプレート１０８の中央に備えることが好ましい。
【００２６】
オリフィスプレート１０８は、オリフィス１０９がニードル拡張路ＥＰに沿って直列に配置されるように、弁体１０１内に配置される。オリフィス１０９ａを備えた第１の固定オリフィスプレート１０８ａが、ニードル拡張路ＥＰに沿った上流位置に示されている。さらに図１及び図２の電子膨張弁１００は、第２の固定オリフィスプレート１０８Ｂ及び任意の追加オリフィスプレート１０８Ｃを備え、各々、オリフィス１０９ｂ及び１０９ｃを備える。オリフィスプレート１０８ａのオリフィス１０９ａと同様、オリフィス１０９ｂ及び１０９ｃは、ニードル拡張路ＥＰに沿って直列に配置されるが、オリフィス１０９ｂ及び１０９ｃは、オリフィス１０９ａよりもさらにニードル拡張路ＥＰに沿った下流にある。
【００２７】
追加オリフィスプレート１０８ｃの数をＮとして表す。Ｎは、０、１、２、３，４又はそれ以上に等しくてもよい。
【００２８】
ニードル拡張路ＥＰ内のオリフィスの直径がニードル１０６の少なくとも先端１１６をオリフィス１０９に通過させられるような形状およびサイズを有する限り、オリフィス１０９の形状および直径は同一又は異なってもよい。オリフィス１０９は、オリフィスプレート１０８内の中央に位置することが好ましく、ニードル１０６がオリフィス１０９を通過するようにニードル拡張路ＥＰと整列されることがより好ましい。しかしながら、他の構成も可能である。
【００２９】
ニードル１０６を後退位置から拡張位置へ（すなわち、図２の向きにおいて下方へ）移動させる旨のモータコントローラ１１４からの信号によってリニアドライブアセンブリ１０４が作動されると、ニードル１０６の先端１１６は、オリフィスプレート１０８ａのオリフィス１０９ａを通過し、少なくとも部分的にオリフィス１１９ａを遮蔽する。ニードル１０６がオリフィスプレート１０９ａを通過すると、結果として生じるニードル１０６とオリフィス１０９ａとの間の感情流動面積は小さくなり、高い圧力損失又は低い流量をもたらす。
【００３０】
第１のオリフィスプレート１０８ａのオリフィス１０９ａを遮蔽又は部分遮蔽することによって所望の高い圧力損失が得られると、リニアドライブアセンブリ１０４は、ニードル１０６が第１の固定オリフィスプレート１０８ａを通過した後、完全拡張位置に達する前に、その拡張を停止してもよい。或いは、さらに高い圧力損失が望まれる場合、リニアドライブアセンブリ１０４は、第２の固定オリフィスプレート１０８ｂのオリフィス１０９ｂをさらに通過し、少なくとも部分的にオリフィス１０９ｂを遮蔽するまでニードル１０６を移動するように作動されてもよい。さらに、所望に応じて、この流体の流動は、ニードル１０６が１つ以上の追加オリフィスプレート１０８ｃの追加オリフィス１０９ｃを通過することにより、さらに低減されてもよい。ニードル１０６がニードル拡張路Ｅｐに沿って完全に拡張されたとき、最高の圧力損失が得られる。或いは、低い圧力損失が望まれる場合、ニードル１０６がオリフィス１０９ｃ又はオリフィス１０９ｃとオリフィス１０９ａ及び１０９ｂの一方又は双方との組み合わせを遮蔽しないようにニードル１０６を後退させるようにリニアドライブアセンブリ１０４を制御することにより、低い圧力損失が得られる。
【００３１】
図３は、電子膨張弁２００の他の例を示している。モータ駆動ニードル弁１００と同様、モータ駆動ニードル弁２００は、第１のオリフィスプレート２０８ａと、第２のオリフィスプレート２０８ｂと、少なくとも１つの任意の追加オリフィスプレート２０８ｃとを備え、各オリフィス２０９ａ、２０９ｂ、及び２０９ｃは、ニードル拡張路ＥＰにおいてニードル２０６と線形に配置されている。しかしながら、電子膨張弁２００においては、ニードル２０６が完全拡張時、オリフィス２０９ｄに入らないように、追加最終オリフィスプレート２０８ｄがニードル拡張路ＥＰの下流に配置される。この最終オリフィスプレート２０８ｄすなわち「最終規制」は、単一又は複数のオリフィス２０９ｄを備えてもよい。さらに、ニードル１０６はオリフィス２０９ｄを通過しないため、オリフィス２０９ｄは、ニードル拡張路ＥＰと線形に並べられてもよく、又は並べられなくてもよい。
【００３２】
最終オリフィスプレート２０８ｄは、電子膨張弁２００の動作範囲を僅かに低減するものの、ニードル位置にかかわらず、所与の流量に対する圧力損失の下限を提供する。従って、最終オリフィスプレート２０８ｄの利点は、ニードル２０６が完全に後退した場合であっても、弁を通じて流動する流体の流量を限定することである。ＰＩＤ（比例−積分−微分）制御弁では、この利点により、ニードルが遠く後退しすぎた場合に望ましくない高流量が発生し得るという懸念を伴うことなく、より積極的な制御パラメータを使用できるようになる。最終オリフィスプレート２０８ｄのさらなる利点として、拡張の最終段階（最終の数ｐｓｉの圧力損失）において発生することの多い噴射（液体から蒸気）の位置を管理することである。
（実施例）
オリフィスを通じた圧力損失は、式（１）で表すことができるが、式中、Ｃｖはオリフィス設計に基づく流動係数であり、ＳＧは流体の比重であり、ｄＰは差圧損失である。所与の流量では、Ｃｖが低減するにつれ、圧力損失（ｄＰ）が増加する。
【００３３】
【数１】
2019521307.tif 000003
【００３４】
単一のオリフィスプレートのみを備えたモータ駆動ニードル弁では、Ｃｖが固定オリフィスとの関連での線形ニードル位置の関数である。ニードルの完全拡張時、Ｃｖは低くなり、ニードルの完全後退時、Ｃｖは高くなる。表１は、Ｃｖが０．０５（ニードル完全拡張時）〜０．５（ニードル完全後退時）の範囲である単一オリフィスを備えたニードルバルブにおいて、一定の流動及びＳＧで計算したｄＰを示している。結果として得られた圧力損失は、ニードルの位置に応じて、４〜４００である。
【００３５】
単一のオリフィスプレートを備えた弁とは対照的に、２つの流動規制オリフィスを直列に使用したとき、我々の電子膨張弁同様、所要の流量に対してより高い圧力損失が得られる。直列の２つ以上の規制（各々、ＣｖＮ）に対する有効流動係数（Ｋｖ）は、式（２）で判定することができる。
【００３６】
【数２】
2019521307.tif 000004
【００３７】
表２では、２つのオリフィスプレートを備えたニードル弁において、固定の流動とＳＧに対して計算された圧力損失が示されている。表１と同様、表２中のＣｖは０．０５（ニードル完全拡張時）〜０．５（ニードル完全後退時）の範囲である。表２については、各オリフィスのＣｖが任意の所与のニードル位置について等しいものと仮定されている。ニードル又はオリフィスの物理的サイズを低減することなく（同一のＣｖ）、２つのオリフィスを備えた弁についての最大圧力損失は、単一のオリフィスを備えた弁と比較して２倍であり（８００対４００）、動作範囲は、ほぼ２倍であり（７９２対３８６）である。
【００３８】
【表１】
2019521307.tif 000005
【００３９】
【表２】
2019521307.tif 000006
【００４０】
前述の通り、表２は、所与のニードル位置について各オリフィスを通じたＣｖが同一であることを前提としている。しかしながら、オリフィスの直径、オリフィスの線形位置、及び／又はニードルの直径／テーパ形状を調整することにより、所与のニードル位置について異なるＣｖを得ることができ、設計者が特定の適用に合わせて弁の特性および性能を調節することができる。
【００４１】
他の例として、表３において、３つのオリフィスを備えたニードル弁について、固定流動及びＳＧに対して計算された圧力が示されている。簡便に説明するため、各オリフィスに対するＣｖは、任意の所与のニードル位置について等しいものと仮定する。ニードル又はオリフィスの物理的サイズを低減することなく（同一のＣｖ）、３つのオリフィスを備えた弁についての最大圧力損失は単一のオリフィスを備えた弁と比較して３倍であり（１２００対４００）、動作範囲も３倍となっている（１１８８対３９６）。
【００４２】
さらに、ほとんどの冷媒について、液体冷媒が膨張弁に流入する前にいかに過冷却されたかにより、拡張の最終段階（最終の数ｐｓｉの圧力損失）において少量の（液体から気体への）噴射が発生することが多い。液体から蒸気への噴射は、オリフィス及びニードル等、噴射箇所付近の金属面の浸食を生じさせ得る。最終オリフィスのサイズを慎重に設定することにより、最終オリフィスにおいて、又は、最終オリフィスの直ぐ下流で発生する噴射の大部分又は全部を可能にし、初期のニードルオリフィス規制を侵食から保護し、弁の信頼性を向上する。
【００４３】
表４は、（各オリフィスに対するＣｖが所与のニードル位置に対するものと同一であるという前提に対して）２つのオリフィスがニードル拡張路内に配置され、第３の「固定」オリフィスが最初の２つの下流に配置され、且つ、ニードル拡張路の範囲外にあるニードル弁の所与の流動及びＳＧに対して計算された圧力損失を示している。動作範囲は３つの可変Ｃｖの場合と比較して低減している（表３）ものの、この範囲は２つの可変Ｃｖの場合と同等であり（表２）、より高い最大圧力損失（９７８対８００）とより高い最小圧力損失（１８６対８）とを与えている。
【００４４】
【表３】
2019521307.tif 000007
【００４５】
【表４】
2019521307.tif 000008
【００４６】
表１〜表４に示された圧力損失の結果及び流動係数が図４にグラフで示されている。
【図１】
2019521307.tif 000009
【図２】
2019521307.tif 000010
【図３】
2019521307.tif 000011
【図４】
2019521307.tif 000012
【国際調査報告】
2019521307.tif 000013