膨張弁

本章では冷凍サイクルを構成する「膨張弁」について説明していきます。
膨張弁の機能は主に2つあります。ひとつは、凝縮器を通過した冷媒液の圧力を弁オリフィス（図1）により調整することです。弁オリフィスとは、流体を流す小さな穴のことであり、この弁オリフィスを通過することで、流れの抵抗により圧力降下を生じさせ、蒸発器に流れる冷媒の圧力（蒸発圧力）を調整します。もうひとつは、蒸発器の負荷変動に応じて冷媒流量を調整し、蒸発器出口の冷媒過熱度を一定に保ち、圧縮機への液戻りを防ぐことです¹⁾。過熱度とは、過熱蒸気の温度と、その圧力における飽和温度との差のことです²⁾。蒸気の過熱の程度を表すのに用いられ、この過熱度が不十分だと、冷媒が液もしくは液滴の状態で、圧縮機へ流入してしまう液戻りが生じてしまいます。液戻りが生じてしまうと、液圧縮により、過剰な負荷が圧縮機にかかることで故障の原因となります。そのため、過熱度を一定に保ったまま圧縮機へ冷媒を送る必要があります。
膨張弁は、冷凍装置の特徴に合わせて様々な種類があります。蒸発器出口で一定の過熱度をもたせるように制御するファンコイル蒸発器等の乾式蒸発器では、温度自動膨張弁、キャピラリーチューブ、電子膨張弁が一般的に用いられます。例として、図1、図2に温度自動膨張弁とキャピラリーチューブの模式図を示します。

図1 温度自動膨張弁

図2 キャピラリーチューブ

キャピラリーチューブは比較的安価で、冷蔵庫やエアコンなどの一般家電で用いられています。キャピラリーチューブとは、可動部の無い、内径0.6~2mmの銅の毛細管のことであり、細い流路を冷媒が通ることで、流れに抵抗が生じ、圧力降下する絞り膨張と呼ばれる機能を果たすものです³⁾。絞り膨張とは、狭い流路に流体が流れ込み、流速が大きくなり、流れの抵抗が大きくなることで、圧力が降下することを指します。温度の上昇により物質の体積が増加する熱膨張とは異なります。
ここでは、温度自動膨張弁について紹介します。図3に温度自動膨張弁の動作原理について示します。温度自動膨張弁は、主に感温筒とダイアフラム、弁オリフィス、ニードルで構成されます。感温筒の中には一般的に冷凍装置と同じ冷媒が充填され、蒸発器出口配管に取り付けられています。蒸発器出口の冷媒温度が配管を通して感温筒に伝わることで、感温筒内部の圧力は冷媒温度が高いと大きくなり、冷媒温度が低いと小さくなります。この圧力の変化により、膨張弁内のダイアフラムにたわみが生じて、ニードルが動作し、冷媒流量を調整しています。

図3 温度自動膨張弁の動作原理¹⁾

温度自動膨張弁は機械式であるため、構造と作動原理から定まる固有の制御特性を持つことで、過熱度の変動が収まらない場合があります。また、熱負荷の変動が大きく、温度自動膨張弁では対応できない場合があります。そのようなときには、電子膨張弁を用います³⁾。図4に示すように、電子膨張弁は蒸発器入口と出口に設置した温度センサで取得した温度のデータから、調節器に搭載したマイクロコンピュータで過熱度を演算し、目標過熱度の設定値との偏差に応じて、膨張弁の開閉動作を制御します³⁾。
その他には、蒸発器への安定した冷媒供給のために、満液式シェルアンドチューブ蒸発器では、蒸発器内の液面位置が安定するようにフロート弁が用いられています。

図4 電子膨張弁¹⁾