JP2020008105A - 温度感応型制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却を必要とする熱源を冷却する冷却装置の冷媒供給用の配管に設けられる温度感応制御弁１００において、熱源の温度変化に追従して冷媒を迅速に供給できるようにする。【解決手段】温度変化に応じて膨張収縮する熱膨張体の体積変化に応じてピストン２３を軸線Ｌ方向に進退させるサーモエレメント２０を備える。冷媒を流す弁ポート１３を弁体３で開閉する。弁体３をコイルばね３２（弁閉ばね）により弁閉方向に付勢する。弁体３を含む構造部がダイヤフラム４３にて密閉封止する。軸線Ｌ方向の機械的な押圧力をダイヤフラム４３を介して弁体３に伝達する操作部４を設ける。ダイヤフラム４３は、弁体３による弁閉時にダイヤフラム４３の張力を弁体３に対して弁開方向に付勢するよう構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱源を冷却する冷却装置等に冷媒を供給する温度感応型制御弁に関する。

従来、例えば情報処理分野において、サーバ等の大量に発熱するシステムを循環冷媒によって冷却することが行われている。例えば、特開２００９−２２４４０６号公報（特許文献１）には、ブレードサーバのラックに対して冷却装置を配置し、ラック内を冷却する排熱利用システムが開示されている。また、特開２０１７−６７１６４号公報（特許文献２）には、熱源の温度を感知するのに適したサーモエレメント及びピストン組立体が開示されている。

特開２００９−２２４４０６号公報 特開２０１７−６７１６４号公報

特許文献１の技術では、冷却水（冷媒）により冷却を行うようにしているが、サーバ等の機器では、動作状態に応じて発生する熱量が大きく変化する。このため、熱源が設定温度に達した場合、即時に弁ポートを大きく開き、冷却に必要な冷媒量を即時に流して、熱源を迅速に冷却することが要求される。

本発明は、冷却を必要とする熱源を冷却する冷却装置の冷媒供給用の配管に設けられ、熱源が設定温度に達した場合、弁ポートを大きく開き冷媒を迅速に供給できる温度感応型制御弁を提供することを課題とする。

請求項１の温度感応型制御弁は、温度変化に応じて膨張収縮する熱膨張体の体積変化でピストンを軸線方向に移動させるサーモエレメントと、冷媒を流す弁ポートを弁閉ばねにより弁閉方向に付勢された弁体で開閉する弁装置本体であって、前記弁体を含む構造部がダイヤフラムにて密閉封止されるとともに、前記軸線方向の機械的な押圧力を前記ダイヤフラムを介して前記弁体に軸線方向に伝達する操作部、を有する弁装置本体と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記弁体による弁閉時に前記押圧力を付勢する当該ダイヤフラムの作用面の高さを前記ダイヤフラムの自然状態での作用面よりも高い位置となるよう構成されていることを特徴とする。

請求項２の温度感応型制御弁は、請求項１に記載の温度感応型制御弁であって、前記弁装置本体は、弁ハウジングを有し、該弁ハウジング内には弁室が形成され、前記弁ハウジングの側壁には、前記弁室に冷媒が流入する第１ポートと前記弁室から冷媒が流出する第２ポートが形成され、前記弁室と前記第２ポートの間に軸線方向に前記弁ポートが形成され、前記操作部は、前記弁装置本体の上部に設けられ、前記ダイヤフラムの下部が、前記第２ポートと連通することを特徴とする。

請求項３の温度感応型制御弁は、請求項１に記載の温度感応型制御弁であって、温度−弁リフト特性において、前記ダイヤフラムの前記作用面の高さが自然状態における高さとなる領域が前記サーモエレメントの感温部内の熱膨張体の液体膨張域であることを特徴とする。

請求項１乃至３の温度感応型制御弁によれば、組み付け時の弁閉状態において、操作部のダイヤフラムの軸方向の押圧力の作用面の高さが組み付け前の初期単品の状態、すなわち自然状態での高さより高い位置になることから、ダイヤフラムの張力が下向きに生ずるため、弁開方向に弁体を付勢するように設けられ、サーモエレメントのピストンが操作部に作用する押圧力と同じ方向にダイヤフラムも弁体を付勢しているので、温度変化に対して弁開度の特性が急峻になり、弁開状態となるとき弁ポートを介して冷媒を速やかに流すことができ、熱源の温度変化に追従して、冷却装置等に冷媒を迅速に供給でき、熱源を迅速に冷却することができる。

請求項２の温度感応型制御弁によれば、冷媒が第１ポートから弁室に流入して弁ポートで絞られると低圧状態となって第２ポートから流出することになる。ダイヤフラムの下部が、冷媒が流出する第２ポートの低圧を受けるため、ダイヤフラムはさらに弁開方向に変位し易くなるため、より迅速に大きな流量で冷媒を流すことができる。

請求項３の温度感応型制御弁によれば、温度―リフト特性において、組み付け後のダイヤフラムの押圧力の作用面の高さが自然状態での高さとなる領域をサーモエレメントの感温部内の熱膨張体の固液混合膨張域にすると、これより高い温度では、ダイヤフラムの張力が弁閉方向に働き、温度−リフト特性の傾きが緩やかになり、冷媒流量の急激な増大が見込まれなくなるが、液体膨張域とすれば、ダイヤフラムの張力の弁閉方向への反転が高い温度となり、固液混合膨張域にある場合より高い温度まで温度−弁リフト特性を急峻に保つことができ、より迅速に大きな流量で冷媒を流すことができる。

本発明の実施形態の温度感応型制御弁の縦断面図である。 本発明の実施形態の温度感応型制御弁の上面図である。 本発明の実施形態の温度感応型制御弁におけるサーモエレメントの縦断面図である。 本発明の実施形態の温度感応型制御弁におけるサーモエレメントの温度−変位特性を示す図である。 本発明の実施形態の温度感応型制御弁におけるダイヤフラムの２状態を説明する断面図である。 本発明の実施形態の温度感応型制御弁における温度−弁リフト特性を示す図である。

次に、本発明の温度感応型制御弁の実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の温度感応型制御弁の縦断面図、図２は同温度感応型制御弁の上面図、図３は同温度感応型制御弁におけるサーモエレメントの縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図３の図面における上下に対応する。また、以下の説明において実施形態の温度感応型制御弁を適宜「制御弁」という。

実施形態の制御弁１００は、弁装置本体１０とサーモエレメント２０とで構成されている。弁装置本体１０は、金属製の弁ハウジング１を有し、弁ハウジング１には、中央に円柱状の弁室１Ａが形成され、この弁室１Ａの側部に開口して冷媒が流入する第１ポート１１が形成され、さらに、冷媒が流出する第２ポート１２が形成されている。また、弁ハウジング１には、弁室１Ａと第２ポート１２との間に軸線Ｌを中心とする弁ポート１３が形成されるとともに、弁ポート１３と同軸で弁ハウジング１の上部から第２ポート１２まで貫通するガイド孔１４が形成されている。このガイド孔１４は弁ポート１３の軸線Ｌを中心軸とする円筒状の形状をしている。なお、冷媒は第２ポート１２から流入して第１ポートから流出するような場合もある。

弁室１Ａ、第２ポート１２及びガイド孔１４内には弁体３が配設されている。弁体３は、円柱棒状の弁棒３ａと、弁室１Ａ側から弁ポート１３を開閉する略円錐形状のニードル部３ｂと、ニードル部３ｂの外周に形成された鍔部３ｃとから構成されている。弁棒３ａはガイド孔１４内に挿通され、鍔部３ｃと弁室１Ａの底部のばね受け３１との間に「弁閉ばね」としてのコイルばね３２が配設されている。これにより、コイルばね３２は弁体３を後述のダイヤフラム４３側に付勢している。

弁ハウジング１の弁室１Ａと反対側には、操作部４が取り付けられている。操作部４は、弁ハウジング１に固着された下蓋４１と、下蓋４１と同径の上ケース４２と、下蓋４１と上ケース４２との間に配置されたダイヤフラム４３と、下蓋４１内でダイヤフラム４３と弁体３の弁棒３ａとの間に配置された下当金４４と、上ケース４２内でダイヤフラム４３の上に配置された上当金４５とで構成されている。そして、下蓋４１、ダイヤフラム４３及び上ケース４２は、外周縁の部分で溶接されて一体に接合されている。なお、図２の上面図に示すように、弁ハウジング１は矩形状であるが、上ケース４２（及び下蓋４１、ダイヤフラム４３）、サーモエレメント２０は軸線Ｌ回りに回転対称な形状である。

下当金４４は、弁棒３ａの外径よりも大径となっている。これにり、後述のように、サーモエレメント２０の作用でダイヤフラム４３が変形して弁棒３ａに押圧力を伝達するとき、弁棒３ａから受ける反作用力を下当金４４の広い面積でダイヤフラム４３に対して分散させることができ、ダイヤフラム４３の耐久性の向上を図ることができる。また、同様に、上当金４５は、後述のピストン２３の外径より大径となっている。これにり、ピストン２３がダイヤフラム４３に直接当接する場合よりも上当金４５の広い面積でダイヤフラム４３に対して押圧力を分散して伝達でき、ダイヤフラム４３の耐久性の向上を図ることができる。

これにより、操作部４は、ダイヤフラム４３と下蓋４１とが下当金４４及び弁棒３ａからなる構造部を密閉封止するとともに、ダイヤフラム４３の外部すなわち上ケース４２内の上当金４５からの軸線Ｌ方向の機械的な押圧力を、ダイヤフラム４３及び下当金４４を介して弁体３（弁棒３ａ）に伝達するような機能を有している。そして、この操作部４の上ケース４２の円筒部４２ａ内にサーモエレメント２０（その一部）が収容され、上ケース４２の上端からサーモエレメント２０の感温部２１ａが突出されるとともに、サーモエレメント２０の感温部側基部２１ｂの感温部２１ａ側の端部に円筒部４２ａの端部の係止片４２ａ１が係合されている。

サーモエレメント２０は、温度変化によるパラフィン等の膨張収縮を利用したサーモアクチュエータである。図３に示すように、サーモエレメント２０は、感温ケース２１と、ガイドケース２２と、ピストン２３と、ダイヤフラム２４と、ラバーピストン２５と、保護板２６とを備えて構成されている。感温ケース２１は端部に底のある円筒形状の感温部２１ａと、ガイドケース２２の一部を覆う感温部側基部２１ｂとから構成されている。ガイドケース２２は、ピストン２３、ラバーピストン２５及び保護板２６を内挿する円筒形状のガイド部２２ａと、感温ケース２１の感温部側基部２１ｂに覆われるガイド側基部２２ｂとから構成されている。

感温ケース２１の主に感温部２１ａ内には、パラフィン等のワックスからなる熱膨張体２Ａが充填され、熱膨張体２Ａの下端面は、弾性密封部材であるダイアフラム２４により封止されている。ガイドケース２２のガイド側基部２２ｂのすり鉢状内面２２ｂ１と、ダイアフラム２４の下側との間には流体室が設けられ、流体室には流動体２Ｂが充填されている。流動体２Ｂは、非圧縮性で、流動性、潤滑性が良い非圧縮性流動体である。ガイドケース２２のガイド部２２ａの内側のピストン摺動孔２２ａ１内には、ラバーピストン２５と保護板２６を介して、ピストン２３が摺動自在に挿通されて、ピストン２３の外側端部はピストン摺動孔２２ａ１から突き出している。

感温部２１ａの環境温度が上昇すると熱膨張体２Ａが膨張するとともにダイアフラム２４が膨出し、ダイアフラム２４の下方の流体室に封入された流動体２Ｂを押し下げる。これにより、流動体２Ｂは変形してその一部がガイド部２２ａのピストン摺動孔２２ａ１内に進入し、ラバーピストン２５と保護板２６を介して、ピストン２３を下方へ押し下げる。

図１に示すように、上当金４５には、遊び孔４５ａ、ガイド挿通孔４５ｂ及びばね収容孔４５ｃが同軸に形成されており、サーモエレメント２０のピストン２３が遊び孔４５ａに臨まされるとともに、ガイド部２２ａがガイド挿通孔４５ｂ内に挿通されている。また、ガイド部２２ａの外周には固定ばね４６が配設され、この固定ばね４６は、円筒部４２ａ内の感温部側基部２１ｂとばね収容孔４５ｃの底部との間で圧縮して配設されている。すなわち、前記のように感温部側基部２１ｂの端部は円筒部４２ａの係止片４２ａ１に係合されているので、上記固定ばね４６のばね力によりサーモエレメント２０は円筒部４２ａに固定されている。また、サーモエレメント２０の感温部２１ａは円柱状に突出しており、温度感知対象に対して装着が容易な構造となっている。そして、この感温部２１ａは、金属プレート５０の装着孔５０ａ内に装着され、この金属プレート５０からの熱が感温部２１ａに伝達される。なお、金属プレート５０は図示しない熱源に密着されている。

以上の構成により、図１の状態から、サーモエレメント２０の感温部２１ａの温度が上昇して前記のようにピストン２３が下降するとピストン２３が上当金４５（遊び孔４５ａの底部）に当接する。さらに、ピストン２３が下降すると、上当金４５が下降してダイヤフラム４３が変形するとともに下当金４４が下降し、さらにこの下当金４４に当接している弁体３が下降する。このように、この実施形態では、ピストン２３の押圧力が、上当金４５、ダイヤフラム４３及び下当金４４を介して弁体３に加わり始める瞬間が「弁開点」であり、この弁開点から弁体３のニードル部３ｂが弁ポート１３の周囲から離間して、弁ポート１３を開状態とする。

図４はサーモエレメント２０における感温部２１ａの温度とピストン２３の変位（リフト）との関係を示す温度−変位特性を示す図である。感温部２１ａ内の熱膨張体２Ａは、温度に応じて固体状態、固体と液体が混合する固液混合状態及び液体状態のように、相変化する。これにより、温度−変位特性は、固体状態で膨張する「固体膨張域」と、固液混合状態で膨張する「固液混合膨張域」と、液体状態で膨張する「液体膨張域」とで、それぞれ異なる傾きを呈する。そして、固液混合膨張域での傾き、すなわち温度膨張率が一番大きく（急峻に）なる。この温度−変位特性はサーモエレメント２０の固有の特性として既知であり、この場合ピストン２３のリフトＬ１〜Ｌ３の範囲が「固液混合膨張域」に対応している。

ここで、前記のように、弁装置本体１０において弁開点は、上記「固液混合膨張域」の範囲内となるように設定されている。この実施形態では、弁開点は、図４に示す「弁開リフト＝０」及び「サーモエレメントリフト＝Ｌ２」となる状態に設定されている。このように、サーモエレメント２０における熱膨張体２Ａの温度膨張率が大きい「固液混合膨張域」の範囲内に弁開点が設定されているので、熱源が設定温度に達した場合、弁ポート１３を速やかに大きく開くことができる。これにより、熱源の温度変化に追従して、図示しない冷却装置に冷媒を迅速に供給でき、結果的に熱源を迅速に冷却することができる。

なお、サーモエレメント２０において、感温部２１ａの温度が低下して、熱膨張体２Ａが収縮するとき、ダイヤフラム２４が動かずに固化した熱膨張体２Ａ内に真空の空隙ができたり、流動体２Ｂ内に空隙ができることがある。また、熱膨張体２Ａ内の収縮によりダイヤフラム２４が変形して流動体２Ｂも形状を変えることがある。このような場合、ピストン２３は突出した状態で、ラバーピストン２５及び保護板２６もピストン２３側に停留した状態となったり、ラバーピストン２５だけが流動体２Ｂに追従して移動した状態となったり、ラバーピストン２５と保護板２６が動体２Ｂに追従して移動した状態となることがある。いずれの場合も、ピストン２３が突出して停留した状態では、このピストン２３は操作部４（あるいは弁体３）に対して押圧力を加えるものではなく、本発明における「弁開点」とは異なる状態である。

ここで、操作部４において、ダイヤフラム４３は、図１及び図２に示すように弁体３による弁閉時に、このダイヤフラム４３の張力を下当金４４を介して弁体３（弁棒３ａ）に対して作用させているが、この張力による軸線Ｌ方向の力は、弁体３を弁開方向に付勢している。図５は、ダイヤフラムの構造を表す図であり、図５（Ａ）は、ダイヤフラム４３が、操作部４に組み込まれる前の初期単品の状態（自然状態）、すなわちダイヤフラム４３に何ら負荷が掛かっていない状態を示す断面図で、図５（Ｂ）は、操作部４に組み込まれた際の弁閉時におけるダイヤフラム４３の状態を示す断面図であり、二点鎖線は上当金４５と下当金４４を示している。

図５（Ａ）に示すように、ダイヤフラム４３は、薄膜金属製の円環状であり、外周部には平面状のフランジ面４３ｂ１，４３ｂ２を有するフランジ部４３ｂ、中心部には上当金４５と当接する平面状の作用面４３ａ２，下当金４４に当接する平面状の作用面４３ａ１を有する当接部４３ａがそれぞれ形成され、この外周部のフランジ部４３ｂと中心部の当接部４３ａの間には波形の円環状部４３ｃが形成されている。 そして、当接部４３ａの下当金４４と当接する作用面４３ａ１は、軸線方向の機械的な押圧力をダイヤフラム４３を介して弁体３に伝達する「作用面」となっている。

ここで、ダイヤフラム４３が操作部に組み込まれる前の自然状態においては、中央部の作用面４３ａ１は、外周部のフランジ面４３ｂ１より低い位置となっている。次に、ダイヤフラム４３が操作部に組み込まれる際には、弁閉位置において図５（Ｂ）に示すように、波形の環状部４３ｃが変形して中央部の作用面４３ａ１が外周部のフランジ面４３ｂ１より高い位置に組み込まれる。すなわち、作用面４３ａ１の位置は、図５（Ａ）の自然状態の位置より高くなっている。これにより、弁閉時にダイアフラム４３に下向きの張力が生ずることになり、弁体にはこの張力が弁開方向に作用する。なお、サーモエレメント２０からピストン２３の力が作用していないときは、「弁閉ばね」としてのコイルばね３２のばね力はダイヤフラム４３の張力に抗して、弁閉状態を維持するよう設定されている。ダイアフラム４３の形状は、図５（Ａ），（Ｂ）の実施例に限られるものでは無く、弁閉時において、ダイヤフラムの張力が弁開方向に働く構造であればよい。

このように、ダイヤフラム４３が組み付け状態で弁開方向に弁体３を付勢しているので、図６に示すように、サーモエレメント２０における感温部２１ａで感知する温度と弁体３の弁リフト（弁開度）との特性が従来よりも急峻になる。したがって、弁開状態となるとき弁ポート１３を介して冷媒を速やかに流すことができ、熱源の温度変化に追従して、冷却装置等に冷媒を迅速に供給でき、熱源を迅速に冷却することができる。さらに、ダイヤフラム４３の張力はサーモエレメント２０のピストン２３の押圧力と同じ方向に力を働かせるため、サーモエレメント２０のピストン２３のストロークに対して不要な荷重が加わることがなく、サーモエレメント２０の耐久性も向上する。

また、実施形態では、ダイヤフラム４３の下部すなわち下蓋４１側の面が、冷媒が流出する第２ポート１２の低圧を受けるため、ダイヤフラム４３はさらに弁開方向に変位し易くなる。これにより、より迅速に大きな流量で冷媒を流すことができる。

また、実施形態において、組み付け後のダイヤフラムの押圧力の作用面の高さが自然状態での高さとなる領域をサーモエレメント２０の感温部２１ａ内の熱膨張体２Ａの液体膨張域とした場合の温度−リフト特性は、図４及び図６の特性Ａに示すように、熱膨張体２Ａの固液混合膨張域と液体膨張域との間の温度−弁リフト特性における変曲点のリフト（温度）より大きいリフトの位置で、ダイヤフラム４３が、該ダイヤフラム４３の「自然状態での位置」となるので、この変曲点以降の温度でも、ダイヤフラム４３の弁開方向の張力が働くので、温度−弁リフト特性を急峻に保つことができ、より迅速に大きな流量で冷媒を流すことができる。

これに対し、実施形態において、組み付け後のダイヤフラムの押圧力の作用面の高さが自然状態での高さとなる領域をサーモエレメント２０の感温部２１ａ内の熱膨張体２Ａの固液混合膨張域とした場合の温度−リフト特性は、図６の特性Ｂに示すように、温度−弁リフト特性における変曲点のリフトより小さいリフトの位置で、ダイヤフラム４３が、該ダイヤフラム４３の「自然状態での位置」となるので、これ以降の温度において、ダイヤフラム４３の弁閉方向の張力が働くことになり、温度−弁リフト特性は特性Ａに比べ傾きが少し緩くなるが、従来の温度−リフト特性よりは良くなっている。

実施形態におけるサーモエレメントはラバーピストン、保護板及び流動体を備えているが、これらは無くてもよい。サーモエレメントは、熱膨張体の体積変化をピストンに伝達するものであればよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、弁体が弁ポートの周囲の弁座に当接し、弁ポートを完全に閉とするものに限らず、弁体と弁座の間に隙間や流路があり、僅かなブリード流量がある場合でもよい。すなわち、本発明において、弁ポートの「閉状態」とは、完全に閉とする場合やブリード流量がある場合も含む概念である。

１ 弁ハウジング
１Ａ 弁室
１１ 第１ポート
１２ 第２ポート
１３ 弁ポート
１４ ガイド孔
Ｌ 軸線
２１ 感温ケース
２１ａ 感温部
２１ｂ 感温部側基部
２２ ガイドケース
２２ａ ガイド部
２２ｂ ガイド側基部
２３ ピストン
２４ ダイヤフラム
２５ ラバーピストン
２６ 保護板
２Ａ 熱膨張体
２Ｂ 流動体
３ 弁体
３ａ 弁棒
３ｂ ニードル部
３ｃ 鍔部
３ａ′ 弁棒
３１ ばね受け
３２ コイルばね
４ 操作部
４１ 下蓋
４２ 上ケース
４２ａ 円筒部
４３ ダイヤフラム
４３ａ１ 作用面 （押圧力の作用面）
４４ 下当金（弁体側当金）
４５ 上当金（ピストン側当金）
４６ 固定ばね
４７ コイルばね
４５ａ 遊び孔
４５ｂ ガイド挿通孔
４５ｃ ばね収容孔
１０ 弁装置本体
２０ サーモエレメント
１００ 温度感応型制御弁

Claims (3)

1. 温度変化に応じて膨張収縮する熱膨張体の体積変化でピストンを軸線方向に移動させるサーモエレメントと、
   冷媒を流す弁ポートを弁閉ばねにより弁閉方向に付勢された弁体で開閉する弁装置本体であって、前記弁体を含む構造部がダイヤフラムにて密閉封止されるとともに、前記軸線方向の機械的な押圧力を前記ダイヤフラムを介して前記弁体に軸線方向に伝達する操作部、を有する弁装置本体と、
   を備え、
   前記ダイヤフラムは、前記弁体による弁閉時に前記押圧力を付勢する当該ダイヤフラムの作用面の高さを前記ダイヤフラムの自然状態での作用面よりも高い位置となるよう構成されていることを特徴とする温度感応型制御弁。
2. 前記弁装置本体は、弁ハウジングを有し、該弁ハウジング内には弁室が形成され、前記弁ハウジングの側壁には、前記弁室に冷媒が流入する第１ポートと前記弁室から冷媒が流出する第２ポートが形成され、前記弁室と前記第２ポートの間に軸線方向に前記弁ポートが形成され、
   前記操作部は、前記弁装置本体の上部に設けられ、前記ダイヤフラムの下部が、前記第２ポートと連通することを特徴とする請求項１に記載の温度感応型制御弁。
3. 温度−弁リフト特性において、前記ダイヤフラムの前記作用面の高さが自然状態における高さとなる領域が前記サーモエレメントの感温部内の熱膨張体の液体膨張域であることを特徴とする請求項１に記載の温度感応型制御弁。

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