CN100543384C

CN100543384C - 用于致冷系统中的膨胀阀和致冷系统

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Publication number: CN100543384C
Application number: CNB2005800361460A
Authority: CN
Inventors: H·尼科莱森; J·E·拉斯穆森; T·富恩德-克里斯坦森; J·特雷尔-帕德森; T·马特宗; A·维斯特加尔德; L·M·杰森
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP4783374B2; US8596552B2; DE602005007767D1; EP1809959B1; WO2006042544A1; ATE399295T1; EP1809959A1; JP2008517244A; CN101044363A; US20080087038A1

Abstract

致冷系统的膨胀阀(4)，它包括操作连接的两块膜片(8、10)，一块膜片(8)与致冷剂接触而另一膜片(10)与充填流体接触。这两块膜片(8、10)可以具有不同的工作区。与此两膜片(8、10)间的连接方式相结合，这就在充填流体与致冷剂之间提供了一种“增压齿轮”。允许此充填流体的压力即是当致冷剂的压力高时也是较低的，并在同时保证膨胀阀(4)可恰当工作。膨胀阀(4)特别适用于高压致冷系统如CO₂系统。

Description

用于致冷系统中的膨胀阀和致冷系统

技术领域

本发明涉及用于致冷系统中的阀，特别是膨胀阀，如恒温膨胀阀。本发明的阀特别适用于其中的致冷剂具有较高压力的致冷系统，例如CO₂致冷系统。

背景技术

恒温膨胀阀曾用于采用传统致冷剂如R134a。R404A、R407A、R407B、R407C与R410C等的致冷系统中。这种情形下，膨胀阀通常起到调节蒸发器出口侧过热的节流阀的作用。为此，一般是借助位于蒸发器出口侧的传感器。膨胀阀在用于CO₂致冷系统中时，它仍然如上所述起到节流阀的作用，但这时它不调节蒸发器外侧的过热，而是调节在某些场合下也称之为气体冷却器的放热器中的压力。

在调压过程中，通常期望获得最优性能系数(COP)。当CO₂致冷系统超临界运行时，放热器中的比压从原理上说将与蒸发器中的蒸发温度和放热器的出口温度的各种组合结果相配合，以便获得最优的COP。此放热器的压力通常是利用恒温膨胀阀和充填有气体/液体混合物的传感器来调节。这种传感器类似于传统系统中的传感器，即将放热器出口处测得的温度变换为用来移动阀中关闭元件的相应压力。US5890370中公开了有关去获得最优COP时的更多的细节。

在采用传统致冷剂的致冷系统所用的先有技术膨胀阀中，设有传感器室与蒸发压力室。这两个室由膜片分开。为了使膨胀阀能合适地工作，就必须确保从两侧作用到此膜片上的力亦即因这两个室中压力所引起的力具有可比性的大小，例如具有相同的数量级。由于两方面的压力是作用于膜片上相等的面积上，这便意味着这两种压力的大小必须接近。这在采用传统致冷剂的致冷系统中通常并不成为问题，因为这类系统中致冷剂的压力在工作中通常较低，一般约1～12Bar，虽然在某些情形下，膨胀阀可能会受到高达约42Bar压力的影响。周知，能以合理的成本构制其中出现有上述压力的系统。

但当希望有采用高压致冷剂如CO₂的致冷系统时，这种致冷剂的压力通常则可高达约60～90Bar。结果就会对膨胀阀，特别是对膜片与膜片周围的部分如传感器室和蒸发室两者的壁部所用材料的耐久性、强度和厚度提出严格的要求，这样将加大生产成本且使制造过程更加困难。

发明内容

为此，本发明的目的的之一在于提供可用于致冷系统中的这样的膨胀阀，而此膨胀阀适用于采用高压致冷剂的致冷系统中。

本发明的另一目的在于提供适用于高压致冷系统中的这样的膨胀阀，此膨胀阀是由适用于低压致冷系统的膨胀阀中的标准部件制造的。

本发明的又一目的在于提供适用于高压致冷系统中的这样的膨胀阀，在此系统中作用到此膨胀阀的各部件的力与作用到先有技术的膨胀阀中各部件上的力相比减小了。

本发明的再一目的在于提供能容易和廉价制造的同时能在使用中经受住作用于其上的力与应力的膨胀阀。

根据本发明，上述目的和其他目的可以通过提供这样的膨胀阀来达到，此膨胀阀适用于开启状态或关闭状态，当膨胀阀处于开启状态时，允许致冷剂从入口流向出口，当膨胀阀处于关闭状态时则基本上阻止了上述流动，此膨胀阀包括：

第一膜片，它具有第一工作区以及与具有第一压力的致冷剂作流体接触的第一侧，此第一膜片确定膨胀阀的开启与关闭状态；

第二膜片，它具有第二工作区以及与具有第二压力的充填流体作流体接触的第一侧；

其中此第一与第二膜片操作地连接成使此第一/第二膜片的运动会导致第二/第一膜片相应的运动，同时此第一与第二工作区以及此第一与第二压力经选择成使得由致冷剂作用到第一工作区上的力与从第二膜片作用到第一工作区上的力基本上具有相同的数量级但朝向相反。

所述致冷剂为流体，例如液体、气体和/或液体/气体混合物。在本说明书中，“工作区”一词是指各有关膜片的一部分，这一部分产生出用于控制该膨胀阀的力。这样，这一部分可以是有关膜片的整个区域，但它也可以只是膜片整个区域的一小部分，例如用来防止此膜片的其余部分移动或不与邻室的流体接触。

由于第一膜片确定膨胀阀的开启与关闭状态，它便可以在这两种状态间运动以分别确定膨胀阀的开启与封闭状态。但是这种开启状态事实上能够在膜片的各种位置下确定以让各种数量的致冷剂通过。这种“开启状态”甚至可以确定成连续的或无数变化的状态，由此可将每单位时间通过的致冷剂量借助将膜片合适地定位而设定到所需的值。此外，第一膜片最好相对于致冷剂的入口与出口定位成：当第一膜片处于关闭状态时，它至少是基本上封闭入口与出口间的流体通道；当它处于开启状态时，它不封闭此通道，而让对应于此膜片位置的一定数量的致冷剂通过。应该认识到，在膜片处于封闭状态而可能有一些流体通过的情形下，这种流体量也将基本小于膜片处于开启状态时流过的流体量。

本说明书中“操作地连接”一词应理解为两膜片间的某种能保证一块膜片的运动可变换为另一膜片的相应运动的某种连接。这种连接最好是机械类的，例如在这两块包括一或多个部件的膜片之间的物理连接。

本说明书中“相同数量级”一词应理解为相差不多的大小，例如在10倍之内。所述的两种力在下述意义下应该是可比的：在力作用于第一膜片的一侧或另一侧的实际作业条件下的真实变化，应能使得此第一膜片的运动导致该膨胀阀从开启状态变换为封闭状态或者反之。

所述膨胀阀包括两块操作连接的膜片的事实提供了这样的可能性：能够让由第一/第二压力引起的力作用到第一/第二工作区上，随后将这些力通过所述操作连接而传送给第二/第一膜片。这样，所述的第一与第二压力就不必要是可比的大小。对于这两个压力被选择成有不同大小的情形，为了提供相同数量级的力来作用到第一工作区的两侧时，唯一需要做的是选择具有合适可比尺寸的第一与第二工作区。

上面指出的事实特别有利于高压致冷系统例如CO₂致冷系统的情形。虽然如此，但在这种情形下作业中，致冷剂的压力还是较高的(通常约为60～90Bar)，而作业中充填流体的压力则不需如此高，一般可选择为约7～20Bar。此时，为了确保通过第二压力作用到第二膜片上而后传送到第一膜片上的力在大小上与由第一压力直接作用于第一膜片上的力具有可比性，第二工作区就需比第二工作区大。在这样的方式下，于致冷剂和充填流体之间设有一种增压齿轮。

这样，当充填流体的压力可以选择为较低时，就不必为该膨胀阀提供专门设计的或增强的部件。为此，可以采用业已为适用于低压致冷系统中的膨胀阀所制造的标准部件，由此就可以基本地减少制造费用。此外，当可以用标准部件来取代必须特别为高压致冷系统制造的部件时，制造这种膨胀阀也就要容易得多。

于是，本发明的膨胀阀便特别适用于其中的致冷剂是高压流体如CO₂的致冷系统。

在一最佳实施形式中，第一压力如上所述是基本大于第二压力的。在此情形下，该膨胀阀的各种部件特别是膜片就不需增强而可采用标准部件。

另外，第二压力可基本大于第一压力或者这两种压力之差可以较小。除外，这两种压力可以具有可比性的大小。

在一实施形式中，第二工作区可以基本地大于第一工作区。如以上所述，这样就能让第一压力较高而不要求第二压力也高，于此同时还保证了作用于第一膜片的第一与第二侧上的力的大小是可比的，这也就保证了该膨胀阀可以恰当地工作。

或者，此第一工作区可以基本地大于第二工作区。

所述的膨胀阀还可包括用来限制第一和/或第二膜片运动的装置。这就可以确保膜片与施加到其上的力无关，而不会受到有可能伤害到它的应力水平的影响。所述用于限制膜片运动的装置最好包括一或多个临近上述膜片设置的止推垫，位于与所述第一侧相对的一侧，亦即各自背向致冷剂或充填液体。这样，当膜片受到相应流体压力所致的力影响时，就会阻止膜片沿离开流体的方向行经一段超过一定距离的路程，这是由于它在移过这一定距离之后就会碰触上止推垫，从而防止了膜片进一步移动。

所述膨胀阀还包括有允许在此膨胀阀处于其关闭状态时从入口朝出口释放致冷剂的装置，如果此膨胀阀非常密实不透气时，当膨胀阀处于关闭状态时致冷剂就不能从入口到出口。在此情形下，于膨胀阀处于关闭状态时，入口部与出口部间的压力差就会保持到较高水平。当压缩器在膨胀阀处于关闭状态而起动时，此压缩器就必须反抗此较大的压力差起动，从而就难以起动。为此，最好是设置允许致冷剂从入口释放到出口的装置，以对压力作某种程度的均衡。

所述流体释放装置可以在喷嘴中至少设有一条沟槽的形式提供，而此沟槽在膨胀阀处于关闭状态时则为第一膜片覆盖。这种沟槽通常较小，在一般的膨胀阀中此沟槽的横剖面积约为0.1平方毫米。不论在何种情形下，此沟槽的尺寸都应该是：当膨胀阀处于关闭状态时，在对应于压缩器关闭的典型最小时间间隔的时间间隔内，压力应均衡化。上述典型的最小时间间隔约为5～10分钟。

在一最佳实施例中，所述充填流体实质上是纯液体，例如丙烯(R-1270)或丙烷(R-290)。通常将选用充填流体的混合物以在压力与温度间获得所需要的关系。不幸的是，这种混合的充填流体之间的压力与温度关系并未严格地确定。为此，本发明的优点便在于可将纯液体用作充填流体，这是因为对此种纯液体而言，压力与温度间的关系已严格地确定。

从第二膜片作用到第一工作区上的力最好是由充填流体作用到第二工作区上的第二压力的力所产生。例如在一最佳实施例中，此第二工作区便受到充填流体的影响。于是此第二膜片或至少是其工作区即第二工作区便沿脱离包含充填流体的室的方向移动。由于第一与第二膜片间前述的操作连接关系，也就使得此第一膜片沿着朝向致冷剂的方向移动。

第一与第二膜片可各包括一第二侧。第一膜片的第二侧与第二膜片的第二侧最好处于基本上是相同压力的作用下。在这种情形下，第一与第二膜片可以构成例如包含大气之类流体且具有所需压力的实质上是封闭的室的一部分。此室的压力最好远小于所述第一压力与第二压力，通常近似于大气压力。在此情形下，因该室中的压力而作用到膜片的工作区上的力与作用到膜片上的其余的力相比可以略去不计。

上述膨胀阀还可包括一个当膨胀阀处于封闭状态时抵靠阀座的封闭件，由此可防止致冷剂从入口移向出口，而此封闭件当膨胀阀处于开启状态时则不贴抵阀座。所述封闭件可以是独立的部件，它与第一膜片操作地连接成使得第一膜片的移动将导致此封闭件抵靠或脱离阀座。或者，此封闭件可以是或可以包括第一膜片。在此情形下，当第一膜片贴抵阀座时此膨胀阀处于封闭状态，当第一膜片不贴抵阀座时此膨胀阀处于开启状态。

本发明的膨胀阀特别适用于致冷系统，尤其是高压致冷系统如CO₂致冷系统。撇开此膨胀阀不论，这种系统通常包括蒸发器、压缩器与放热器。

附图说明

下面参考附图讲述发明，附图中：

图1是包括本发明的膨胀阀的致冷系统示意图；

图2是本发明的膨胀阀的横剖图；

图3是图2中以B标明的部分的放大图。

具体实施方式

图1是包括有蒸发器1、压缩器2、放热器3与膨胀阀4的致冷系统的示意图。膨胀阀4由探测放热器3出口侧温度的传感器5控制。膨胀阀4的入口与放热器3的出口连通，故而膨胀阀4的阀室中的压力与放热器3的压力相等。此压力作用到膨胀阀4的第一膜片上(见以下所述)。传感器5连接一包含充填流体且与膨胀阀4的第二膜片的第一侧接触的毛细管(再参看以后所述)。这样，放热器3出口侧的温度变化将导致充填流体的压力变化，从而导致第二膜片运动。

图1所示的致冷系统如上所述最好在最优的COP或接近最优COP下工作。但从原理上说，在希望有最优COP时，放热器3的一定压力便对应于蒸发器1的蒸发温度与放热器3的出口温度的各种组合形成，结果是几乎可以略去对蒸发温度的依赖性。这样，放热器3的最优COP压力在蒸发温度例如-10℃～10℃下几乎相同，因此蒸发温度在获得最优COP中只起到极小作用，从而可以略去其影响。

图2是本发明的膨胀阀4的横剖图。图中示明分别用来相对于膨胀阀4前引和引离致冷剂的入口部6和出口部7。膨胀阀4包括具有由第一止推垫9确定的工作区的第一膜片8，还包括具有工作区的第二膜片10以及第二止推垫11。第二膜片10的工作区大于第一膜片8的工作区。

第一膜片8与第二膜片10经第一止推垫9、第二止推垫11、阀杆12与球形件13连接。球形件13保证了在阀杆12与第一止推垫9之间传送的力是以合适的方式即不会在任一膜片中导致应力的方式传送。

膨胀阀4还包括装盛有充填流体的毛细管14。毛细管14与一测温包流体连通，此测温包用作探测其中插设着膨胀阀4的致冷系统的放热器出口侧温度的传感器(未图示)。此传感器用来控制膨胀阀4。毛细管14与第二膜片10的第一侧成流体连接，于是此充填流体的压力作用到第二膜片10的工作区上。此压力又通过第二膜片10、止推垫9与11、阀杆12以及球形件13作用到第一膜片8的工作区上。由此便在膜片8与10之间提供了一种“增压齿轮”，结果就不需将毛细管14中充填流体的压力保持成与致冷系统的入口部6、出口部7中致冷剂的压力同样的高。于是当膨胀阀4用于高压致冷系统时，就不必为例如毛细管14或第二膜片10制造能承受因高压而涉及到的力的特殊部件。这样便能采用膨胀阀4的原本打算用于低压致冷系统的标准部件。这类标准部件包括膨胀阀4中所具有的毛细管14与第二膜片10。这样就非常有利同时能极其基本地降低生产成本。

在膜片8与10之间界定出室15。室15通常包含大气或包含大气压力下的另外的适当气体。这样，第一膜片8以及第二膜片10便处于这种气体的压力作用下。但是室15中的压力通常远低于致冷剂系统的入口部6、出口部7中致冷剂的压力以及毛细管14中的压力。于是作用到膜片8与10上且由室15中的压力所引起的力，分别同作用于膜片8与10的工作区域上，来自致冷剂或充填流体的以及通过前述连接器件(即止推垫9、11、阀杆12以及球形件13)来自相对的膜片8与10上的压力所产生的力相比，通常可以略去不计。因此在考虑作用到膜片8与10的工作区域上的合力时，只需考虑上述情形中后面的那些力即可。

膨胀阀4还设有喷嘴16用以在膨胀阀处于开启状态下将致冷剂引入到入口部6与出口部7之间。此喷嘴16形成为膨胀阀4的下部17的整体部分。这从生产角度考虑是有利的。因为能以尽可能少的部件制造这种膨胀阀，这就要容易得到而且经济。这是由于构成膨胀阀4的各种部件都需要、极其精确地装配到一起，因此部件愈多也就需要愈精确地制成各个部件。但在另一方面，喷嘴16可以作为独立部件形成而装配到膨胀阀4的下部内。

图3是图2以B标明的膨胀阀4的部分的放大图。这样，图3示明了第一膜片8的部分、第一止推垫的部分以及喷嘴16的部分。喷嘴16于其上部形成有一对沟槽18。当膨胀阀处于关闭状态时，理想上应防止致冷剂从入口部6流到出口部7。但如此前所说明的，当膨胀阀处于关闭状态时由于会在入口部6与出口部7之间保持压力差而造成某些缺点。致冷系统的压缩器在此膨胀阀关闭时将难以反抗此压力差起动，当沟槽18在膨胀阀4关闭时则可让少量的致冷剂通过膨胀阀4而使入口部6与出口部7两处的压力均衡。沟槽18的尺寸选定成：根据对于关闭此压缩器的最小时间为典型的时标提供这种压力均衡。此时标通常约为5～10分钟。在典型的膨胀阀中，各个沟槽18的横剖面积在这种情形下约为0.1平方毫米。

Claims

1、一种膨胀阀(4)，此膨胀阀(4)适用于开启状态或关闭状态，当膨胀阀(4)处于开启状态时，允许致冷剂从入口(6)流向出口(7)，当膨胀阀(4)处于关闭状态时则阻止了上述流动，此膨胀阀包括：

第一膜片(8)，它具有第一工作区以及与具有第一压力的致冷剂作流体接触的第一侧，此第一膜片(8)确定膨胀阀(4)的开启与关闭状态；

第二膜片(10)，它具有第二工作区以及与具有第二压力的充填流体作流体接触的第一侧；

其中此第一膜片(8)与第二膜片(10)操作地连接成使此第一膜片的运动会导致此第二膜片相应的运动或此第二膜片的运动会导致此第一膜片相应的运动，同时此第一与第二工作区以及此第一与第二压力经选择成使得由致冷剂作用到第一工作区上的力与从第二膜片(10)作用到第一工作区上的力具有相同的数量级但指向相反。

2、权利要求1的膨胀阀(4)，其中所述致冷剂是高压流体。

3、权利要求2的膨胀阀(4)，其中所述致冷剂是CO₂。

4、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中所述第一压力大于第二压力。

5、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中所述第二工作区大于第一工作区。

6、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中还包括用来限制第一膜片(8)移动的第一止推垫(9)。

7、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中还包括用来限制第二膜片(10)移动的第二止推垫(11)。

8、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中还包括当膨胀阀(4)处于关闭状态时，允许致冷剂从入口(6)释放向出口(7)。

9、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中所述充填流体是纯流体。

10、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中所述从第二膜片(10)作用到第一工作区上的力是由充填流体作用到第二工作区上的压力所产生。

11、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中第一膜片(8)与第二膜片(10)各包括一第二侧，而第一膜片(8)的第二侧与第二膜片(10)的第二侧则处于是相同压力的作用下。

12、上述权利要求1-3中的任一项的膨胀阀(4)，其中还包括有当膨胀阀(4)处于封闭状态时抵靠膨胀阀(4)中阀座的封闭件，由此防止了致冷剂从入口(6)移向出口(7)，而此封闭件当膨胀阀(4)处于开启状态时则不贴抵此阀座。

13、权利要求12的膨胀阀(4)，其中所述封闭件是第一膜片(8)。

14、一种致冷系统，它包括蒸发器(1)、压缩器(2)、放热器(3)以及上述任一项权利要求的膨胀阀(4)。