適切な拡張バルブの選択は、冷凍システムの効率と信頼性に重要です。このガイドは、システムの要件と動作条件に基づいて、拡張バルブのサイジングと選択への体系的なアプローチの概要を説明しています。膨張バルブは、冷媒の流れを蒸発器に調節し、システムのパフォーマンス、エネルギー効率、コンプレッサー保護に不可欠な正しい選択を行います。
冷凍システムの拡張バルブの種類
拡張バルブは、冷蔵システムの重要なコンポーネントであり、冷媒の圧力を低減し、膨張して寒くなることができます。膨張バルブには、サーモスタット膨張バルブ（TXV）と電子拡張バルブ（EEV）の2つの主要なタイプがあります。
サーモスタット膨張バルブ（TXV）
サーモスタット膨張バルブは、サーモスタットエレメント（システムアクチュエータとして機能する）とオリフィス（冷媒の実際の膨張を実行）の2つの主要なコンポーネントで構成されています。それらは、冷却荷重需要に応じて冷媒の流れを調節することにより、蒸発器の出口に一定の過熱を維持するように設計されています。サーモスタット要素は、蒸発器の出口で冷媒の温度を感知し、バルブの開口部を調整して、望ましい過熱を維持します。
内部的に均等化されたバルブ
内部的に均等化されたバルブは、バルブアウトレットで蒸発器圧を感知します。これらのバルブは、温かく高圧液冷媒を受け取り、その圧力を下げて、膨張して冷却することができます。これらのバルブは、圧力低下が最小限の蒸発器に適しています（0.02 mPaまたは0.2 kgf/cm²未満）。内部的に均等化されたバルブの利点は次のとおりです。
- シンプルなデザインと低コスト
- 簡単にインストールして保守できます
- 中小サイズの冷凍システムに適しています
ただし、内部的に均等化されたバルブは、大きな圧力滴または複雑な蒸発器構成を備えたシステムには適していない場合があります。
外部から均等化されたバルブ
外部に均等化されたバルブの動作は、蒸発器の圧力がイコライザーラインを介して蒸発器出口チューブからバルブダイアフラムの底に供給されることを除いて、内部に均等化されたバルブに似ています。この設計は、位相変換中の膨張バルブ温度のバランスを取り、バルブアウトレットと蒸発器出口の間にかなりの圧力降下がある場合に必要です。外部に均等化されたバルブは、次のように適しています。
- 複雑な蒸発器構成を備えた大規模な冷蔵システム
- 高圧降下のシステム（0.02 MPaを超えるまたは0.2 kgf/cm²）
- 過熱の正確な制御が必要なアプリケーション
外部に均等化されたバルブの利点は次のとおりです。
- 過熱制御の改善
- 大規模で複雑な冷凍システムに適しています
- 高圧降下を処理できます
ただし、外部で均等化されたバルブは、内部的に均等化されたバルブよりも複雑で高価です。
電子拡張バルブ（EEV）
電子拡張バルブは、パルス幅変調により、より正確な制御を提供します。選択基準はサーモスタットバルブとは異なり、通常はエアコンと冷凍用途の70〜80％の負荷容量のサイズであり、プルダウン期間などのイベントの予備容量を提供します。 EEVは次のように適しています：
- 高精度温度制御アプリケーション
- 可変冷却荷重を伴うシステム
- エネルギー効率が重要なアプリケーション
EEVの利点は次のとおりです。
- 高精度温度制御
- エネルギー効率
- 可変冷却負荷アプリケーションに適しています
ただし、EEVは、サーモスタット膨張バルブよりも複雑で高価です。
膨張バルブの比較
次の表は、サーモスタット膨張バルブと電子拡張バルブの重要な特性をまとめたものです。
| バルブタイプ | 過熱制御 | 圧力降下 | 複雑 | コスト |
|---|---|---|---|---|
| 内部的に均等化されたTXV | 適度 | 低いです | 低いです | 低いです |
| 外部的に均等化されたTXV | ハイ | ハイ | メディア | メディア |
| 電子拡張バルブ（EEV） | ハイ | 変数 | ハイ | ハイ |
拡張バルブ選択の重要なパラメーター
冷蔵システムの拡張バルブを正しく選択するには、いくつかのパラメーターを考慮する必要があります。
- 冷媒の種類：異なる冷媒には特定のバルブ設計が必要です
- 蒸発器容量（QE）：冷却荷重により、基本容量の要件が決まります
- 蒸発温度/圧力（TE/PE）：バルブの容量と動作に影響します
- 凝縮温度/圧力（TC/PC）：高側の条件を決定します
- 液体冷媒温度（TL）：サブクーリングと修正バルブのサイジングを決定するために重要です
- 液体ライン、ディストリビューター、蒸発器（ΔP）の圧力低下：バルブのパフォーマンスとイコライゼーションタイプの選択に影響します
段階的な選択プロセス
ステップ1：バルブ全体の圧力降下を決定します
圧力降下は、方程式を使用して計算されます。
Δptot=（PC - PE） - ΔP
ここで：
- PC =凝縮圧力
- PE =蒸発圧力
- Δp=液体ライン、ディストリビューター、蒸発器の圧力低下の合計
圧力降下がバルブの容量に直接影響するため、この計算は重要です。
ステップ2：必要なバルブ容量を決定します
蒸発器容量（QE）を使用して、特定の蒸発温度で必要なバルブ容量を選択します。必要に応じて、サブクーリング値に基づいて蒸発器容量を修正します。
サブクーリングは次のように計算されます。
Δtsub= tc - tl
ここで：
- TC =凝縮温度
- TL =液体温度
必要なバルブ容量は、次のように決定されます。
QV = QE / FSUB
ここで：
- FSUB =メーカーテーブルからのサブクーリング補正係数
HVACバルブ選択計算機
この計算機は、バルブ全体の圧力降下と蒸発器容量に基づいて、HVACシステムに必要なバルブ容量を決定します。
ステップ3：適切なオリフィスサイズを選択します
計算された圧力低下、バルブ、蒸発温度、および修正された蒸発器容量を越えて、特定の冷媒のメーカーの容量テーブルから対応するオリフィスサイズを選択します。膨張バルブ容量は、計算された蒸発器容量と等しいか、わずかに大きくする必要があります。
ステップ4：サーモスタットチャージを選択します
アプリケーションと温度範囲に基づいて、適切なサーモスタットチャージを選択します。さまざまな充電タイプには次のものがあります。
- G-チャージ（ガス）：エアコンで一般的に使用されますが、バルブの体温が検知電球温度を下回るとコントロールを失います
- l-チャージ（液体）：バルブ本体がセンシング電球よりも冷たいときに正確な制御を提供します
- c/cl/cy-charge（クロスチャージ）：低温アプリケーションで使用され、検知電球と比較してバルブの体温に関係なく制御を維持します
- s/sa/sl充電：正確な制御と最大動作圧力（MOP）保護を提供する
ステップ5：内部または外部のイコライゼーションを選択します
蒸発器の圧力低下に基づいて、内部または外部の等化から選択します。
- 使用 内部イコライゼーション 蒸発器全体の圧力低下が無視できる（0.02 MPaまたは0.2 kgf/cm²未満）
- 使用 外部イコライゼーション バルブアウトレットと蒸発器アウトレットの間に有意な圧力降下がある場合、または蒸発器インレットで圧力ドロップタイプの冷媒ディストリビューターを使用する場合
バルブの選択に対する動作条件の影響
液体温度とサブ冷却の影響
液体温度はバルブの選択に大きく影響します。 1つのケーススタディで示されているように、液体温度の43°Cから21°C（2段階コンプレッサーのサブクーラーによる）の差は、必要なバルブをTE 12-5からはるかに小さなTE 5-4モデルに変更しました。
通常、すべての標準容量テーブルは、4°Cのサブクーリング値について計算されます。実際のサブクーリングが異なる場合、製造業者が提供する修正係数を使用してバルブ容量を調整する必要があります。
蒸発器の圧力低下の効果
蒸発器全体にかなりの圧力降下があるシステムでは、外部に均等化されたバルブを使用する必要があります。 R134Aの場合、0.01 MPa（0.1 kgf/cm²）の圧力低下は静的な過熱を約1°C増加させ、冷媒の流れを制限し、システム容量を低下させます。
蒸発器の圧力降下が大幅に低下したシステム内の内部均等化バルブは、望ましい過熱よりも高く動作します。たとえば、蒸発器全体に6 psi圧力降下があるシステムでは、内部に均等化されたバルブは、目的の9°Fではなく13°Fの過熱で動作します。
過熱設定と調整
スーパーヒートは、適切なバルブの操作とシステム保護に重要です。エアコンでは、ほとんどのバルブは10°Fの過熱に設定されています。過熱調整は、静的な過熱を変化させます。これは、バルブが完全に閉じた状態から開き始める過熱です。
過熱を調整するには：
- 蒸発器の出口（t）の温度を測定する
- 蒸発圧力を可能な限り蒸発器の近くに測定する
- 圧力温度チャートから蒸発温度（ET）を決定します
- 過熱を計算します：SuperHeat = T - ET
- 必要に応じてTXVを調整します
バルブのサイジングとシステムのパフォーマンス
不適切なサイジングの結果
適切なバルブのサイジングは、システムのパフォーマンスに重要です。小型のバルブは冷媒の蒸発器を飢えさせ、特大のバルブは圧縮機に冷媒であふれます。いずれかの状況は、非効率的な動作、システム容量の低下、およびエネルギー消費の増加につながります。
電子拡張バルブの場合、選択基準は通常、次のことをお勧めします。
- 通常の冷蔵アプリケーションの70-80％負荷容量
- プルダウン期間中に十分な容量を確保するための低温アプリケーションの50-60％
エネルギー効率の考慮事項
拡張バルブは、システムエネルギー効率に直接影響します。 TXVは、エネルギー消費が重要な問題になったため、1980年代後半に再導入され、多くのアプリケーションで毛細血管チューブやメータリングピストンなどの固定計量デバイスを置き換えました。
適切にサイズと調整された拡張バルブにより、最適な蒸発器性能とコンプレッサー保護が保証され、エネルギー効率の高い動作が生じます。過熱が少なすぎるとコンプレッサーに損傷を与える可能性がありますが、過熱が多すぎると、蒸発器の性能が低下し、コンプレッサーの過熱が生じます。
結論
冷凍膨張バルブの適切な選択とサイジングは、複数のパラメーターを慎重に検討する必要がある体系的なプロセスです。適切な拡張バルブを選択するには、システムの要件を理解し、正しい容量の計算、およびサブ冷却や圧力低下などの動作条件の会計が含まれます。
よく選択された拡張バルブは、最適なシステムパフォーマンスを保証するだけでなく、エネルギー効率を高め、機器の寿命を延ばします。選択プロセスは、メーカーのガイドラインに従い、特定のアプリケーション要件を検討して、最良の結果を達成する必要があります。
このガイドで概説されている段階的なアプローチに従うことにより、エンジニアと技術者は、信頼性の高い効率的な冷蔵システムに正確な冷媒制御を提供する拡張バルブを自信を持って選択できます。
