熱膨張弁

熱膨張弁またはサーモスタティック膨張弁( TEV、TXV、TX バルブと略されることが多い) は、蒸気圧縮冷凍空調システムのコンポーネントであり、蒸発器に放出される冷媒の量を制御し、蒸発器から流出する冷媒の過熱を一定値に調整することを目的としています。膨張弁は「サーモスタティック」バルブと呼ばれることが多いですが、蒸発器の温度を正確な値に調整することはできません。蒸発器の温度は蒸発圧力によってのみ変化し、他の手段 (コンプレッサーの容量を調整するなど) で調整する必要があります。

熱膨張弁は一般的に「計量装置」と呼ばれることが多いですが、毛細管や圧力制御弁など、低圧部に液体冷媒を放出するが温度に反応しない他の装置を指す場合もあります。

熱膨張弁はヒートポンプの重要な要素です。これは空調、つまり空気冷却を可能にするサイクルです。基本的な冷凍サイクルは、コンプレッサー、コンデンサー、計量装置、蒸発器の4 つの主要要素で構成されています。冷媒がこれら 4 つの要素を含む回路を通過すると、空調が行われます。

サイクルは、冷媒が低圧、中温、気体状態でコンプレッサーに入るときに始まります。冷媒はコンプレッサーによって高圧、高温の気体状態に圧縮されます。その後、高圧、高温のガスはコンデンサーに入ります。コンデンサーは高圧、高温のガスを冷却し、熱をより低温の媒体、通常は周囲の空気に伝達することで高圧液体に凝縮させます。高圧液体から冷却効果を生み出すために、蒸発器に入る冷媒の流れは膨張弁によって制限され、圧力が下がり、等エンタルピー膨張が蒸気相に戻ることで熱が吸収され、冷却が行われます。

TXV タイプの膨張装置には、冷媒と熱力学的特性が類似した液体が充填された感知バルブがあります。このバルブは蒸発器の出力に熱的に接続されているため、蒸発器から排出される冷媒の温度を感知できます。感知バルブ内のガス圧によって TXV を開く力が生まれ、温度が下がるとこの力は減少し、蒸発器への冷媒の流れが動的に調整されます。

過熱とは、蒸発圧力における沸点を超える蒸気の過剰温度です。過熱がないということは、冷媒が蒸発器内で完全に蒸発しておらず、液体がコンプレッサーに再循環する可能性があり、効率が悪く、損傷を引き起こす可能性があります。一方、過熱が多すぎるということは、蒸発器コイルを流れる冷媒が不十分であり、端の方でかなりの部分が冷却を提供していないことを示しています。したがって、過熱を小さな値（通常は数℃）に調整することで、余分な液体冷媒がコンプレッサーに戻されることなく、蒸発器の熱伝達がほぼ最適になります。^[1]

適切な過熱を提供するために、バルブを閉じる方向にバネ力をかけることがよくあります。つまり、バルブの温度が冷媒の蒸発温度よりも低いときにバルブが閉じます。バネ式バルブは固定式または調整式ですが、過熱を確実にするための他の方法も存在します。たとえば、感知バルブの蒸気組成をシステムの他の部分と異なるものにするなどです。

一部の熱膨張弁は、特定の最小流量の冷媒が常にシステム内を流れるように特別に設計されていますが、他の熱膨張弁は、蒸発器の圧力が最大値を超えないように制御するように設計されているものもあります。

冷媒の流量制御、または計量は、システム内のものと同様のガスまたは液体充填物で満たされた温度感知バルブを使用して行われます。バルブの温度が上昇すると、バルブのオリフィスがバルブ本体のスプリング圧力に逆らって開きます。吸入ラインの温度が低下すると、バルブ内の圧力、したがってスプリングの圧力も低下し、バルブが閉じます。TX バルブを備えた空調システムは、TX バルブを使用しない設計の空調システムよりも効率的であることがよくあります。^[2]また、TX バルブ空調システムでは、アキュムレーター (蒸発器の出口の下流に配置される冷媒タンク) は必要ありません。これは、蒸発器の熱負荷が減少するとバルブが液体冷媒の流れを減らし、すべての冷媒が蒸発器内で完全に蒸発するためです (適切な蒸発器温度と気流などの通常の動作条件の場合)。ただし、蒸発器の熱負荷が低い状態では、余分な液体冷媒をタンク内に貯蔵して、液体ラインから凝縮器コイル内に液体が逆流するのを防ぐことができるように、液体冷媒レシーバータンクを TX バルブの前の液体ラインに配置する必要があります。

バルブの定格電力に比べて非常に低い熱負荷では、オリフィスが熱負荷に対して大きすぎる場合があり、バルブは過熱を設定値に制御しようとして開閉を繰り返し、過熱を振動させることがあります。クロスチャージ、つまり、異なる冷媒の混合物または窒素などの非冷媒ガスも含むセンシングバルブチャージ（システム内で同じ冷媒のみで構成されるチャージ、いわゆるパラレルチャージとは対照的）は、バルブチャージの蒸気圧対温度曲線が特定の温度値でシステムの冷媒の蒸気圧対温度曲線と「交差」するように設定されます（つまり、特定の冷媒温度未満で、バルブチャージの蒸気圧がシステムの冷媒の蒸気圧よりも突然高くなり、計量ピンが開いた位置に留まるようにバルブチャージが設定されます）。これにより、システムの動作中にバルブオリフィスが完全に閉じるのを防ぐことで、過熱ハント現象を軽減できます。常に最小の冷媒流量を生成するさまざまな種類のブリード通路を介して同じ結果を得ることができます。ただし、熱負荷が特に低いときに完全に蒸発した状態で吸入ラインに到達しない特定の冷媒流量を決定する必要があり、コンプレッサーはそれに対応できるように設計する必要があります。液体感知バルブ充填量を慎重に選択することで、いわゆる MOP (最大動作圧力) 効果も達成できます。正確な冷媒温度を超えると、感知バルブ充填物が完全に蒸発し、感知された過熱に関係なくバルブが流量を制限し始めます。蒸発器の過熱を目標値まで下げるために過熱を増加させるのではなく、過熱を検出します。したがって、蒸発器の圧力が MOP 値を超えて上昇しないようにします。この機能は、コンプレッサーの最大動作トルクを、小排気量の自動車エンジンなどのアプリケーションで許容される値に制御するのに役立ちます。

冷媒充填量が少ない状態では、コンプレッサーの作動時に熱膨張弁と蒸発器から大きなシューという音が聞こえることがよくあります。これは、弁の可動オリフィスの直前に液体ヘッドがないため、オリフィスが液体ではなく蒸気または蒸気/液体混合物を計量しようとすることによって引き起こされます。

熱膨張弁には、内部均等化と外部均等化の 2 つの主なタイプがあります。外部均等化と内部均等化のバルブの違いは、蒸発器の圧力がニードルの位置にどのように影響するかです。内部均等化バルブでは、ダイヤフラムに対する蒸発器の圧力は蒸発器の入口の圧力(通常はバルブの出口への内部接続経由) ですが、外部均等化バルブでは、ダイヤフラムに対する蒸発器の圧力は蒸発器の出口の圧力です。外部均等化サーモスタット膨張弁は、蒸発器を通る圧力降下を補正します。 ^[3]内部均等化バルブでは、蒸発器の圧力降下は過熱の増加に影響します。

内部均等化バルブは、圧力損失の低い単一回路の蒸発器コイルに使用できます。冷媒ディストリビューターを複数の並列蒸発器（各蒸発器にバルブではなく）に使用する場合は、外部均等化バルブを使用する必要があります。外部均等化TXVはすべてのアプリケーションで使用できますが、外部均等化TXVを内部均等化TXVに置き換えることはできません。^[4]自動車用途では、ブロックタイプバルブと呼ばれるタイプの外部均等化熱膨張バルブがよく使用されます。このタイプでは、感知バルブがバルブ本体内の吸入ライン接続内に配置され、蒸発器の出口から流出する冷媒と常に接触しているか、冷媒が吸入ラインに流れるときにダイヤフラムの上部にあるチャンバーに含まれる感知電荷と熱を交換できるように熱伝達手段が提供されています。

バルブ/ダイヤフラム型は冷媒の過熱を制御するほとんどのシステムで使用されていますが、より大規模なシステムや複数の蒸発器を備えたシステムでは、個別に調整できるように電子膨張弁が一般的になりつつあります。電子バルブは、バルブ/ダイヤフラム型では提供できないより広い制御範囲と柔軟性を提供できますが、追加の温度センサーと圧力センサー、および電子制御回路が必要になるため、システムが複雑になり、故障するポイントが増えます。ほとんどの電子バルブは、バルブ内部に密閉されたステッピング モーターを使用して、ねじ機構を備えたニードル バルブを作動させますが、一部のユニットでは、ステッピング ローターのみが密閉ボディ内にあり、デバイスの外側にあるステーター コイルによって密閉されたバルブ ボディを介して磁気的に駆動されます。

• TEV はどのように機能しますか?