チラーエキスパンションバルブとは：種類、機能、作動原理

工業用冷凍機では、冷媒の流れを制御するために膨張弁が使用されます。膨張弁の種類によって、その働きは異なります。このブログでは、6種類の膨張弁とその機能、働きについてご紹介します。

膨張弁の機能とは何ですか？

膨張弁は冷媒液の圧力と温度を下げ、弁の開度を調整することで流量を変えます。

チラーエクスパンションバルブの仕組み

膨張弁の内部には絞りオリフィスがあり、直径が小さく、冷媒の流れを制御します。高圧の液体冷媒は、オリフィスを通過する際に、ゆっくりとした流れから速い流れへと変化します。この過程で圧力が低下します。液体冷媒の一部は蒸気と液体の混合物になります。

理解しやすくするために、膨張弁を高圧水鉄砲と考えることができます。スロットルオリフィスは小さなノズルに相当します。ノズルから出る水は霧状になり、圧力と温度が低下します。

膨張弁の種類とは？

手動式膨張弁

手動式膨張弁は、初期の機械式冷凍システムで一般的に使用されていました。その名の通り、温度変化に応じて自動的に開度を調整することができず、手動による制御が必要であります。構造は非常にシンプルで、バルブ本体、バルブニードル、調整ボタン、シールリングで構成されています。その制御精度はオペレーターの熟練度に依存するため、オペレーターの高いリテラシーが要求されます。また、応答速度が非常に遅く、複雑な作業条件下では頻繁な調整が必要となります。

キャピラリーチューブ式膨張弁

キャピラリーチューブとは、内径0.5mm～2mm、長さ数十cm～数mの金属管（通常は銅管）を巻いたものです。構造がシンプルで調整部品がないため、冷媒の流れを変えることができません。そのため、低コストで耐久性に優れています。

しかし、単一の作業条件にしか適応できず、制御精度も高くないため、家庭用エアコン、冷蔵庫、冷凍庫などの一部の小型機器での使用に適しています。

熱膨張弁（EEV）

熱膨張弁の原型は、ダンフォス社やエマソン社などの企業が最初に開発しました。その部品には、絞り穴、温度感知バルブ、ダイヤフラム、スプリング、バルブニードルなどがあります。ダイアフラムは、蒸発器の前後の温度を比較するために使用されます。温度が上昇すると、膨張弁はより多くの冷媒を通過させるためにバルブニードルの開度を増加させます。このプロセスは人間を必要としません。異なるバランシング方法によって、熱膨張弁は内部バランシングタイプと外部バランシングタイプに分けられます。外部バランシングタイプは、構造に応じてF型とH型に分けることができます。

熱膨張弁は成熟した技術により低コストで信頼性が高く、膨張弁市場のほとんどを占めています。しかし、電子式膨張弁に比べ感度が若干低く、温度制御精度が要求される場所には不向きであります。現在、熱膨張弁はコールドルームチラー、ウォークインチャンバーチラー、ヒートポンプドライヤーなどの中小規模の冷凍システムで一般的に使用されています。

自動膨張弁（AEV）

自動膨張弁は、スプリング、ダイヤフラム、バルブニードルを使用して冷媒の流れを変えます。スプリングによって加えられる圧力は、調整可能な基準圧力とみなすことができます。ダイアフラムは実際の圧力値を感知することができます。ダイヤフラムが感知した圧力に応じて、スプリングとバルブニードルが調整し、バルブポートの開度を変化させます。

比較的応答速度が速く、設置やメンテナンスが簡単です。しかし、負荷に応じて流量を調整することができません。負荷が大きすぎる場合、液体の供給不足が発生する可能性があります。そのため、自動膨張弁は使用条件や負荷が比較的安定している場合に適しています。

電子膨張弁（EEV）

プロセスの流れによっては非常に高い温度制御精度が要求されるため、熱膨張弁ではこの要求を満たせないことがあります。そこで、電子膨張弁が登場しました。主な構成部品は、バルブ本体、ステッピングモーター、コントローラー、センサーです。センサーから送られる電子信号によってステッピングモーターの回転を制御し、バルブの開度を変えることができます。

制御精度が高く、応答速度が速いです。そのため、さまざまな複雑な作業条件に適しており、精密冷凍機、中央空調機、動的温度制御システムなどによく使用されます。しかし、コストが比較的高く、設置や試運転が比較的複雑であります。技術的な障壁もあり、専門家の助けを必要とします。

フロート式膨張弁

フロート式膨張弁は、トイレのフロートのように、フロートの高さによって液面の変化を感知します。液面が上昇するとフロートも上昇し、バルブの開度が小さくなり、流量が減少します。

構造が非常に簡単で、制御精度が高くないです。大型冷凍設備、工業用アンモニア冷凍システムなどに適しています。

比較のために、膨張弁の比較表を示します：

カテゴリー	制御方法	調整精度	応答速度	コスト	自動調整
サーモスタット式膨張弁	過熱制御	中高	中	中	Yes
手動式膨張弁	手動手動調整	低	遅	低	No
自動式膨張弁	吸込圧力一定	中	遅	低	Yes
電子式膨張弁	電子制御装置＋センサー	高	速	高	Yes
毛細管式膨張弁	静的絞り（圧力差）	低	速	非常に低い	No
フロート式膨張弁	液面フローティング制御	低	遅	中低	Yes

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