膨張弁

膨張弁の目的は、システムの高圧凝縮側から低圧蒸発器への冷媒の流れを制御することです。ほとんどの場合、圧力の低下は、調節式または 2 位置式の可変流量オリフィスによって実現されます。膨張弁は、制御方法によって分類することができます。

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1 サーモスタット膨張弁

サーモスタット膨張弁

液体冷媒が圧縮機に戻るリスクがないように、直接膨張回路を設計および設置する必要があります。この状態を確保するために、蒸発器の熱交換面を利用して乾燥飽和ガスを加熱し、過熱状態にします。過熱量は通常 5 K 程度です。

このような回路のサーモスタット式膨張弁 (TEV) は、蒸発器を出るガスの過熱を検出するメカニズムを具現化しています (図 1)。冷媒はすべて蒸気になるまで Te と pe で蒸発器内で沸騰し (A 点)、過熱して条件 Ts である pe になり、吸入ライン (点 B) に到達します。温度 Ts の同じ冷媒の別の容器は圧力 ps を持ち、図 1 の C–B で表される差 ps − pe は、過熱量に直接関係する信号です。

基本的なサーモスタット式膨張弁 (図 2) には、検出器と電力素子があり、回路と同じ冷媒が充填されています。過熱されたガスによってバイアル内で生成された圧力 ps は、キャピラリーチューブを介してダイアフラムの上部まで等しくなります。ダイアフラムで ps − pe のバランスを調整するスプリングで調整し、中央にバルブステムを取り付けます。何らかの理由で過熱度が低下すると、液体がコンプレッサーに到達する危険性があります。 Ts は、対応する ps の低下とともに減少します。ダイヤフラムにかかる力のバランスが崩れ、スプリングがバルブを閉じ始めます。

p1 / p2 =T1 / T2

図 2 サーモスタット式膨張弁。 (a) 回路、(b) 断面 (Danfoss)。

逆に、蒸発器の負荷が増加すると、冷媒の蒸発が早くなり、バイアル位置での過熱が大きくなります。次に、ps が増加し、新しい需要を満たすためにバルブをより広く開きます。

バイアルは、パワーエレメントの残りの部分よりも容量が大きい必要があります。そうしないと、バイアル内の電荷がすべてバルブカプセルとチューブに流れ込む可能性があります。これが起こった場合、Ts の小瓶には蒸気だけが含まれ、T − p 曲線上の位置 Ts , ps に応答しなくなります。

この後者の効果を利用することができる。パワーエレメントは、その中のすべての冷媒が所定の温度 (通常は 0°C) まで気化するように制限充電することができます。この点を超えると、その中の圧力は沸点曲線に従うのをやめますが、図3に示すように気体の法則に従います。バルブは閉じたままになります。これは、最初に暖かいシステムを始動するときに蒸発器の圧力を制限するために行われます。これにより、駆動モーターが過負荷になる可能性があります。これは、限界充填または最大作動圧力と呼ばれます。このようなバルブは、バイアルが最も冷たい部分になるように取り付ける必要があります。

T - p 曲線の勾配は一定ではないため、一定のばね圧では、動作温度範囲が高くなると過熱が大きくなります。これを可能にし、幅広い用途で使用できるバルブを提供するために、特性曲線を変更するために、2 つ以上の揮発性流体の混合物を薬瓶に充填することができます。

一部のメーカーは、シリカゲルや木炭などの多孔質材料によるガスの吸着の原理を使用しています。吸着剤は固体であり、バイアルから移動できないため、これらのバルブは電荷の逆転を被りません。

外部イコライザー

シンプル サーモスタット膨張弁 ダイアフラムの下の圧力がコイル出口の圧力とほぼ同じであることに依存しており、スプリング設定を調整することでコイルのわずかな圧力低下に対応できます。

蒸発器コイルが多数の並列パスに分割される場合、圧力損失の小さい分配デバイスが使用され、各パスを通る流量が均等になります。 1 ～ 2 バールの圧力低下が一般的です。ダイアフラムの下の圧力とコイル入口の圧力との間には、はるかに大きな有限差が生じます。これを修正するために、バルブの本体を変更して、中央のチャンバーと、薬瓶の位置に近いコイルの出口に接続される均等化接続を収容します。ほとんどのサーモスタット式膨張弁には、外部イコライザー接続が用意されています (図 4 を参照)。

サーモスタット式膨張弁は、実質的に非減衰比例制御であり、連続的にハントしますが、このスイングの振幅は、正しい選択と取り付けによって制限でき、バルブが常に質量流量の設計範囲内で動作する場合. 圧縮機が低負荷で運転され、冷媒の質量流量がバルブの設計範囲を下回ると、問題が発生します。凝縮圧力を一定に保つことは有用ですが、一定である必要はなく、通常はコンプレッサーの電力を節約するために寒い気候では下げることができます。小型システムのバルブは、完全に閉じたり開いたりすることがあります。サーモスタット膨張弁の過度のハンチングは、蒸発器表面に不規則な冷媒供給があり、その結果、熱伝達効率がわずかに失われることを意味します。ハンチングがバルブ位置の変化と蒸発器出口での効果との間のタイムラグによって引き起こされる場合、解決策はセンサーバイアルの質量を増やしてダンピングを増やすことです。バルブが大きすぎたり、バイアルの位置が正しくない場合も、ハンチングが発生する可能性があります。バイアルは、パイプの下側ではなく、常に蒸発器にできるだけ近い水平出口に配置する必要があります。

電子膨張弁

電子膨張弁は、より細かい制御とシステム保護を提供します。利点は次のように要約できます。

幅広い容量で正確な流量制御。
負荷変動への素早い対応。
過熱に必要な蒸発器表面が少なくて済むように、低過熱での制御が向上します。蒸発のための表面積が大きいほど、蒸発温度が高くなり、効率が向上します。
コンポーネント間の電気的接続により、システムレイアウトの柔軟性が向上します。これは、コンパクトなシステムにとって重要です。
システムがシャットダウンすると、バルブを閉じることができるため、追加のシャットオフソレノイドバルブが不要になります。

電子弁には、ステッピングモータでオリフィスの大きさを変化させる連続流式と、パルス幅変調（PWM）式があります。いずれの場合も、コントローラーはバルブと組み合わせて使用されます。コントローラーは、冷媒とバルブのタイプに合わせて事前構成されており、センサーから情報 (蒸発器出口の圧力と温度など) を受け取ります。これにより、過熱度を決定できます。バルブへの出力信号により、オリフィス調整が開始されます。 PWM バルブの場合、バルブの容量を決定するのは開閉の関係です。バルブは開いているか閉じているかのどちらかであり、数秒の各時間間隔には、信号に応じて開く期間が含まれます。

両方の機能を組み合わせた 3 番目のタイプのバルブがあります。変調電圧がアクチュエータに送られ、電圧が増加するとアクチュエータのコンテナ内の圧力が増加し、一定期間の「オンサイクル」中にバルブの開口部が増加します。

いずれの場合も、電源が失われた場合にバルブが閉じたままになるように制御を構成できます。周囲温度が低いときに発生する部分負荷状態または浮動凝縮圧力下では、凝縮圧力が低下します。サーモスタット膨張弁はハンチングする傾向がありますが、電子部品を備えたシステムは、部分負荷でも全負荷時とまったく同じ安定した方法で動作します。

連続フロータイプのバルブを図5に示します。バルブシートとスライダーは固体セラミックでできています。バルブスライドの形状により、10 ～ 100% の間で高度に直線的な容量特性が得られます。コントローラとその構成に応じて、単一の制御バルブをさまざまな制御タスクに使用できます。考えられる用途には、過熱制御用の膨張弁、容量制御用の吸入圧力制御、圧縮機の過熱防止用の液体注入、凝縮圧力制御、および過剰な圧縮機容量を補償し、蒸発圧力が設定を下回らないようにするための高温ガスバイパス制御があります。点。

図 5 電子膨張弁。 (a) 外観図、(b) 断面図、(c) スライディングオリフィス (Emerson Climate Technologies)。

キャピラリーチューブとリストリクター

膨張弁の可変オリフィスは、小さなシステムでは、長くて細いチューブに置き換えることができます。これは非変調デバイスであり、特定の制限がありますが、正しく選択して適用すれば、さまざまな条件を合理的に効果的に制御できます。質量流量は、圧力差と入口での液体の過冷却度の関数です。キャピラリーチューブは、ほとんどが小型空調システムでのみ使用され、特定のパラメーター内で自動調整されます。周囲温度が上昇すると、空調スペースの負荷が増加し、凝縮圧力が上昇して、より多くの冷媒の流れが強制されます。

長さ 1 ～ 4 m の 0.8 ～ 2 mm のチューブ内径が一般的です。キャピラリーチューブは、工場で製造され、テスト済みの機器にのみ取り付けられ、冷媒が正確に充填されています。現場設置システムには適用されません。

リストリクター拡張デバイスは、毛細管の制限の一部を克服します。オリフィスは精密にドリルで穴を開けることができますが、キャピラリーチューブはその長さにわたって内径が変化する可能性があり、その結果、予測される性能が変化します。リバーシブルエアコンへの応用例を図6に示す．図６ａでは、装置は通常の冷却モードで示されている。水平方向にわずかに自由に移動できる弾丸がシートに押し付けられ、膨張装置として機能する中央の絞りを通して冷媒を強制的に通過させます。流れが逆になると (図 6b)、弾丸はもう一方のシートに戻りますが、溝が形成されているため、外側の周りの流れとそれを通る流れが可能になるため、制限は非常に小さくなります。

通常、蒸発器の入口ではなく凝縮器の出口に取り付けられます。これは、蒸発器への液体ラインの代わりに、パイプに液体とフラッシュガスが含まれており、断熱する必要があることを意味します。熱の吸収は性能に悪影響を及ぼしますが、流体を駆動するために使用される圧力降下は、いずれにせよ通常、膨張弁で発生します。分割システムの遠隔蒸発器への液体ラインは非常に長くなる可能性があり、より通常使用されるタイプの高圧液体ラインでは、圧力低下により凝縮器の圧力が上昇し、気泡が形成される傾向があります。また、リストリクタはコンデンシングユニットの一部として提供でき、取り外し可能で、最適なパフォーマンスを得るために変更を加えることができます。

低圧フロートバルブとスイッチ

浸水蒸発器は、チューブが濡れたままになるように、一定の液体レベルを必要とします。単純なフロートバルブで十分ですが、蒸発器シェルの外側にフロートを配置する必要があります。これは、沸騰している液体の表面が攪拌され、絶え間ない動きがメカニズムに過度の摩耗を引き起こすためです。したがって、フロートは別のチャンバー内に収容され、シェルへのバランスラインと結合されます (図 7 を参照)。

このようなバルブは計量装置であり、圧縮機が停止したときに確実な遮断を提供しない場合があります。このような状況では、圧力が均等になるまで冷媒が蒸発器に漏れ続け、液面が吸入口に近づきすぎる可能性があります。この遮断を行うには、液体ラインに電磁弁が必要です。

低圧フロートには密閉用の電磁弁が必要なため、この弁は、事前設定されたオリフィスと組み合わせてオン/オフ制御として使用でき、フロートスイッチで制御できます (図 8)。

レベル検出器の最も一般的な形式は、シーリングスリーブ内で上下する鉄芯を搭載した金属製のフロートです。誘導コイルがスリーブを取り囲み、コアの位置を検出するために使用されます。得られた信号は増幅されて電磁弁を切り替え、レベルと感度を調整できます。スロットルバルブは、減圧装置を提供するために取り付けられています。

フロート制御が失敗すると、シェル内のレベルが上昇し、液体がコンプレッサーの吸引に流れ込む可能性があります。これを警告するために、アラームとカットアウトを操作するために、通常は 2 つ目のフロートスイッチがより高いレベルに取り付けられます。

浸水コイルが液体タンク内に配置されている場合、冷媒レベルはタンク内にあり、レベルコントロールの配置が難しくなります。このような場合、下部バランスパイプにガストラップまたはサイフォンを形成して、フロートチャンバーに間接的なレベルを与えることができます。サイフォンまたはトラップを配置して、オイルなどの非揮発性流体を入れることもできます。これにより、バランスパイプに霜が付かないようにすることができます。

高圧フロートバルブ

シングルエバポレーター浸水システムでは、コンデンサーから排出された液体をエバポレーターに直接通すフロートバルブを取り付けることができます。作用はスチームトラップと同じです。フロートチャンバーは凝縮器の圧力にあり、制御は高圧フロートと呼ばれます (図 9)。

高圧フロートスイッチは、高圧レシーバーを必要とせずに凝縮器を排水したままにします。蒸発器のレベルは、システムチャージによって固定されます。この方法では、シェルおよびプレート熱交換器とスプレーチラーを使用した低料金システムが可能です。図 10 のタイプのフロートバルブは、アンモニアまたは二酸化炭素冷媒で動作します。液体を中間フラッシュ膨張容器に膨張させるフロートスイッチを備えたエコノマイザー回路は、低温用途に使用されます。このコントロールは、いずれかの必要性を検出できないため、複数の蒸発器に供給することはできません。

臨界充填の問題は、蒸発器から出た余剰の液体冷媒を吸引ラインのレシーバーまたはアキュムレーターにこぼれさせ、コンデンサーから出る温かい液体でこれを沸騰させることで克服できます。このシステム、低圧レシーバー回路では、液体はコンデンサーから高圧フロートを介して排出されますが、圧力降下の最終段階は、暖かい液体がレシーバー内のコイルを通過した後、二次膨張弁で行われます。このようにして、蒸発器から出る余分な液体を蒸発させるために熱が利用されます (図 11 を参照)。

2 つの熱交換器は、この容器内のコンデンサーから暖かい液体を運びます。最初のコイルはレシーバーの上部にあり、ガスが乾燥した状態でコンプレッサーに入るのに十分な過熱を提供します。下部コイルは余分な液体を沸騰させ、蒸発器自体を残します。この冷媒供給方法では、蒸発器の内部湿潤面が改善され、熱伝達が向上します。