CN101245961A - 具有热控制安全功能的制冷或热泵回路用恒温膨胀阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有热控制安全功能的制冷或热泵回路用恒温膨胀阀，其具有阀元件(33)，该阀元件沿开口方向关闭和移动布置在供应开口(27)和排放开口(31)之间的通道开口(29)的阀座(32)，以使制冷剂流通，并且该阀元件被分配给第一致动元件(36)，第一致动元件(36)包括腔室(38)，其由第一工作面(37)划界并且包含控制装料(41)，其中提供了致动元件(46)，其被进行与高压无关的热激励，当热可激励致动元件(46)的温度相关致动运动与第一致动元件(36)的第一工作面(37)的致动运动相反时，该致动元件(46)的致动运动在运动上与第一致动元件(36)的第一工作面(37)耦合，该热可激励致动元件(46)对于致动运动的温度阈值被设置成是与第一致动元件(36)的控制装料(41)的MOT(最大运行温度)相同的值，该控制装料(41)具有低于其临界密度的流体密度。

Description

具有热控制安全功能的制冷或热泵回路用恒温膨胀阀
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的制冷或热泵回路用恒温膨胀阀。
背景技术
在跨临界制冷或热泵回路中，通常在所用制冷剂的临界压力之上，发生高压侧热量耗散。由于由此造成的在气体冷却器中产生的温度梯度，气体冷却器出口处的压力在回路过程中具有一定的自由度。具体而言，在使用CO2作为制冷剂的回路过程中，将高压调整到作为外界或气体冷却器出口温度的函数的最优效率范围之内是非常重要的。在CO2空调系统中，通常只在制冷回路的调节中使用固定的节流阀或外部控制膨胀元件。在运行期间，前者不允许高压对过程边界条件的任何适应。为了该目的，必须利用电子控制元件来调节外部控制膨胀元件，而电子控制元件的响应特别不足以用于汽车应用。因此，所述外部控制膨胀元件不能提供足够水平的运行可靠性。故障高发和高的开发与购买成本导致了更多的劣势。
DE10249950B4披露了一种用于高压制冷系统的膨胀阀，该膨胀阀具有阀座以及与该阀座互相配合的阀元件、作用于阀元件的弹簧装置、以及用于弹簧装置的调节装置，所述弹簧装置具有作用于阀元件的至少一个第一弹簧和一个第二弹簧。第一弹簧限定了工作范围，而第二弹簧具有能够由所述调节装置改变的弹簧力。
US6,012,300披露了一种具有腔室的膨胀阀，在腔室中密封有制冷剂。该腔室由间接作用于阀元件的隔膜进行划界。然而，该隔膜也暴露于高压侧制冷剂。尤其是，密封在腔室内的制冷剂所作用的工作面(active face)和从气体冷却器经过的高压侧制冷剂所作用的其它工作面是同样的。使用所述膨胀阀，可能没有用于防止高压超过最大允许值(例如120bar)的安全装置。另外，在该膨胀阀入口温度高于制冷剂临界温度时，不可能得到可靠的启动特性。因此，利用所述膨胀阀不能在运行上实现可靠的应用。
DE102005034709.6披露了一种具有第一和第二工作面的热膨胀阀，其中所述第一和第二工作面通过运动与阀元件相耦合。第一工作面是热头(thermal head)中的可膨胀分离装置的一部分，该可膨胀分离装置包括具有控制装料(control charge)的腔室。可以利用这种方式来感应高压侧制冷剂的温度。借助该热头的所述可膨胀分离装置，将腔室中的控制装料的温度相关的压力传送到与该第二工作面连接的温度无关弹簧元件，其中所述第二工作面也受高压的影响。借助于所述实施例，旨在获得在超临界调节范围中的高压限制功能。
发明内容
因此，本发明的目的是进一步开发一种能够调节制冷或热泵回路的高压的膨胀阀，所述制冷或热泵回路可以跨临界运行和亚临界运行在最优范围内并且可以自动防止超过最大允许值。
所述目的通过根据权利要求1的特征部分的膨胀阀来实现。通过使用热可控致动元件，可以提供限压功能或安全功能以防止过高的运行压力，而无需外部激励，其中只有在第二者，即所述热可控致动元件的温度相关致动运动与第一致动元件的第一工作面的致动运动相反时，所述热可控致动元件的致动运动才在运动上与第一致动元件的第一工作面耦合。
在这里，选择用于致动运动的热可激励致动元件的温度阈值，其与控制装料的MOT的温度值相对应。该温度阈值是热可控致动元件产生致动或冲程运动的温度。该热控制致动元件的工作特征曲线与过热蒸汽状态下的控制装料的工作特征曲线具有相同的梯度，但是在相反的方向上。利用这种方式获得所述安全功能。另外，可以在所有温度水平下实现绝对压力限制，也就是说能够实现MOP(最大运行压力)功能。当从内部热交换器经过的高压侧制冷剂以压力作用于第一致动元件并且该第一致动元件吸收所述制冷剂的温度时，该热可激励致动元件的工作特性与制冷剂的压力无关。
根据本发明另一有利的实施例，提出了在第一致动元件和热可激励致动元件之间提供可分离的机械耦合，并且所述热可激励致动元件啮合在第一致动元件的第一工作面上或啮合在与该第一致动元件连接的阀元件上。在预定温度值之上出现的所述机械耦合使得第一致动元件可以在常规温度阈值范围下的正常运行中独立于所述热可激励致动元件工作，而仅当发生进一步的温度上升时，所述第一控制元件才在运动上与阀元件耦合，这需要使用所述安全功能。
优选在腔室中提供第一控制元件的控制装料，该腔室实现为隔膜或风箱(bellow)的形式并且吸收高压侧制冷剂的温度。该致动元件的腔室中的控制装料的温度相关压力以及所述高压作用于第一致动元件的工作面。由此产生的压力差生成了调节力，该调节力将阀元件置于运动状态，并且作为相关阀座的节流特性的功能，打开一定的过流截面。
优选的是还可以提供附加的、特别是预载的弹簧元件，该弹簧元件增强了对抗高压的作用。具有的结果是：当制冷系统的高压在工作面上产生的温度无关的过剩力足以克服所述特别预载的弹簧元件的预负载及所述腔室的作用力时，发生所述阀元件的打开运动，其结果是阀座和阀元件之间的通道打开或者该通道开口的截面扩大。
第一致动元件的腔室的控制装料优选具有低于其临界密度的装料密度。另外优选的是提出了为控制装料选择物质混合物，使其临界温度高于要调节的制冷剂的临界温度。利用这种方式，控制装料在大多数温度阈值范围内具有高蒸汽比例的两相状态。仅当由控制装料所吸收的能量足以完全使液相蒸发时，控制装料才进入过热蒸汽状态，其中所述液相作为主要填充密度的功能而存在。在所述环境下，如果出现进一步的温度上升，则产生控制压力，该控制压力仅具有比控制装料的先前两相状态的梯度小的梯度，其中所述控制压力的梯度不等于零。将在其之上出现所述物理效应的温度值称为MOT(最大运行温度)。将控制装料的相关压力值称为MOP(最大运行压力)。另外优选的是，热可激励致动元件的温度无关力与第一致动元件的过热状态下的控制装料的增加相对应。如果在过热蒸汽状态下出现进一步的温度上升，则压力仅以远小于先前两相状态下的梯度的梯度上升。由于热可激励致动元件与所述梯度相适应，因此实现了所述安全功能，这是因为所述热可激励和高压无关致动元件以相同梯度在相反方向上起作用，从而能够设置最大运行压力，其以期望的方式与MOP水平上的水平压力分布相对应。
所述温度值或温度阈值优选由热可激励致动元件的结构设计来确定。根据热可激励致动元件的第一有利实施例，提供了双金属元件，尤其是双金属板，其中一个叠放在另一个的顶部。所述双金属板例如布置成风箱的形状。所述双金属元件仅在高于一定温度时才执行致动运动，作为它们预先设置的功能。
热可激励致动元件的设计的第二备选实施例提出利用形状记忆合金生产隔膜、风箱或弹簧元件，尤其是螺旋弹簧或弹簧风箱。利用这种方式，接下来能够使温度相关激励变得可形。
所述致动元件的另一备选实施例由填充的、风箱状的弹簧元件提供，该弹簧元件优选填充有下列介质，即在高于其蒸发压力或低于其饱和温度时以液态聚集体形式存在的介质。
合适的装料介质例如是油或通常具有高沸点的碳氢化合物。所述温度位移变换器元件优选是密封结合隔膜、波纹管、风箱元件或其它圆筒活塞单元，其借助于它们的液体填充物的热膨胀来施加高的致动力。可以将所述元件设计成使得它们的冲程温度特征曲线仅仅在高于一定温度时开始。
优选的是，热可激励致动元件具有压力无关装置，以便于对它们进行预载。利用这种方式，可以对阀的热安全功能开始作用的温度值进行调整。所述类型的装置优选是外部可调的。或者，还可以提供电子激励或马达驱动激励。
另外，优选的是第一致动元件的腔室、尤其是该腔室的内部轮廓由套管或腹板(web)导引。这样可以防止由控制装料的作用所导致的变形。
在恒温膨胀阀的阀元件的静止位置，优选的是打开最小通道开口。这意味着，当热可激励致动元件的下侧上的温度和压力相关过剩力不足以克服后者的预载时，仅打开临时预先确定的节流截面，并且该恒温膨胀阀起固定节流阀的作用，其结果是设置了回路自身中的高压。
因此，本发明的范围包含了具有内部热交换器的跨临界或亚临界制冷或热泵回路，其使得具有自动可设置溢出功能或安全功能而无需例如在蒸发入口额外重新布置管线的恒温膨胀阀变得可能。同时，能够保持最优COP的高压的恒温调节能力。
附图说明
下面，将在附图所举实例的基础上更加详细地描述、介绍本发明和其它有利的实施例和改进。根据本发明，可以将从说明书和附图中收集的特征单个运用或以任何期望的组合方式一起运用。在附图中：
图1是制冷回路的示意图；
图2示出了用于介绍具有在导言中说明的恒温膨胀阀的制冷回路的功能的状态图；
图3示出了恒温膨胀阀的第一实施例；
图4a和图4b是控制装料特征曲线和热可激励致动元件作用于阀开口的特征曲线的示意图；
图5示出了不同运行压力下阀冲程特征曲线的状态图；
图6示出了恒温膨胀阀的第二实施例；以及
图7示出了恒温膨胀阀的第三实施例。
具体实施例
图1示出了空调系统的制冷回路和/或热泵回路11。在制冷压缩机12中，对气体制冷剂，尤其是CO2进行压缩。被压缩的制冷剂供应至气体冷却器13，在该气体冷却器13中，在被压缩的制冷剂和外界之间发生热交换以便于对制冷剂进行冷却。将离开气体冷却器13的制冷剂传送到与膨胀阀15连接的内部热交换器14。膨胀阀15具有下列作用：首先，限制了制冷剂的压力；其次，调节了内部热交换器14的出口处的制冷剂的压力。将制冷剂从膨胀阀15传送到蒸发器16。在蒸发器16中，制冷剂从外界吸收热量。布置在蒸发器16下游的是收集器17，以便于分离气相制冷剂和液相制冷剂并同时收集液态CO2。收集器17接下来连接到内部热交换器14。
现在，将在图2的状态图的基础上介绍所述空调系统的运行模式，在图2中，描绘了压力P与比焓H的曲线。在制冷压缩机12中，将例如CO2等气相制冷剂进行压缩(A-B)。然后，在气体冷却器13和内部热交换器14中对热的、高压跨临界制冷剂进行冷却(B-C和C-D)。降低膨胀阀15中的压力(D-E)，以便于在蒸发器16中蒸发当前的两相(气相和液相)制冷剂(E-F)，并由此从外界吸取热量。COP由步骤E-F中焓的变化Δi和步骤A-B中焓的变化ΔL的比率来确定，即COP＝Δi/ΔL。
CO2的临界温度近似为31℃，其低于迄今用于空调系统中的氟代烃的临界温度(常常＞100℃)。这样的结果是内部热交换器14的出口处的CO2的温度可以高于CO2的临界温度。在所述状态下，CO2自身不会在内部热交换器14的出口处冷凝。因此，必须调节内部热交换器14的出口处的压力。因此，如果外部温度高，例如在夏季，则必需在内部热交换器14的出口处设置高压，以便于获得足够的冷却能力。内部热交换器14的出口温度特别取决于气体冷却器出口处的制冷剂侧的温度，其接下来取决于外界温度。这意味着内部热交换器14的出口处的CO2的温度也可用于最优COP高压的调节，另外其还取决于制冷剂侧气体冷却器的出口温度。
在图2的图中，特征曲线21I和21II示出了最优COP调节区。中间的双箭头表示从0到近似75％的阀冲程的阀冲程范围。在特征曲线21II和特征曲线21III之间示出的是过压调节区。通过使阀冲程进一步开启以超过近似75％，可以消耗过多的压力。特征曲线21IIII表示将被调节的制冷回路11的可设置高压限制。可将所述高压限制设计为可变的。
图3举例说明了根据本发明的恒温膨胀阀15的第一实施例，其中，该恒温膨胀阀15允许制冷系统按照图2中的状态图运行。膨胀阀1 5包括具有高压侧供应开口27的阀壳体26，该供应开口27通向高压空间28中。高压空间28通过通道开口29与低压侧排放开口31连接。通道开口29具有阀座32，在该阀座32中，将阀元件33设置在关闭位置，并且将供应开口27与排放开口31分开。
设置在高压空间28中的是第一致动元件36，其包括第一工作面37，在该第一工作面37上设置阀元件33。腔室38沿阀元件33关闭的方向啮合在所述第一工作面37上，其中该腔室38以隔膜或风箱的形式实现。
另外设置的是弹簧元件39，其例如围绕腔室38并且优选以预载的方式并且在与腔室38相同的力方向上啮合在工作面37上。与阀元件33的尺寸或其杆的长度或设置在高压空间28中的停止元件的长度相配合，可以使得弹簧元件39和/或腔室38的预载变得可能。
腔室38优选由高导热材料形成。设置在腔室38中的是控制装料41，其在腔室38中的压力与温度相关。当高压作用于高压侧时，如果所作用的高压相对于预载的弹簧元件39和腔室38中的控制装料41的压力具有过剩力，则所述高压对工作面37起作用并打开通道开口29。在最优COP的调节范围内，打开和关闭运动与热可激励致动元件46无关，该热可激励致动元件46同样设置在高压空间28内。
在图3的示例性实施例中，热可激励致动元件46与腔室38和弹簧元件39相对地啮合在第一工作面37上，如果设置了的话。或者，致动元件46也可以啮合在阀元件33上或者是另外啮合在阀元件33上。热可激励致动元件46由双金属板形成，该双金属板以风箱的形状一个叠放在另一个顶部。可以通过压力无关装置(没有任何更详细的图示)对该双金属板进行预载，使得仅当一旦需要安全功能时，所述双金属板进行致动运动或冲程运动。这是制冷剂温度上升超过MOT的情形。相应地，使双金属板的预载或它们的材料构造适应于所述类型的温度阈值。
如果高压相对于腔室38和弹簧元件39的压力具有足够的过剩力(如果设置)，那么通过预先确定的冲程特征曲线，打开最优截面，从而将最优高压(最优COP范围)设置为内部热交换器处的制冷剂的高压侧出口温度的函数。
根据本发明的膨胀阀15使得可自动设置过压和安全功能成为可能，以便于制冷回路能够以最优COP的高压运行。图4a是第一致动元件36的腔室38中的控制装料的特征曲线19的示意图，在该图中，描绘了压力与温度一直到临界点的关系。由于以两相形式存在一直到所述点的控制装料逐渐变成高于回路11的MOT值20的单相过热气体状态，因此控制装料的压力仅以相当较平缓的梯度连续上升。然而，该安全功能可以仅仅通过水平压力分布从MOT值20获得。在本发明的一个有利实施例中，所述其它不利的上升通过使用热可激励致动元件46进行补偿，所述热可激励致动元件46的特征曲线在图4a中用46′示出。利用这种方式，获得了阀开口特征曲线22，其在图4b中示出。当回路11的高压位于其上时，具有MOP值的水平压力分布的所述阀开口特征曲线22导致产生最大的质量流量，从而导致了对产生高压的自抑制，这是因为腔室38的沿阀元件33的关闭方向所作用的温度诱致的压力得到补偿。所述热可激励致动元件46还可以在初期作用于通道开口29的开口截面上，以便于防止高压的上升超过MOP值。
另外要说明的是，尽管对于COP的最优化，制冷侧的气体冷却器的出口温度是回路中的优选调节温度，但是为了将高压调节在最优COP的范围内的目的，同样可以使用内部热交换器14处的高压侧的出口温度。出于这个目的，与每个最优COP的气体冷却器的出口状态相对应的内部热交换器14的出口状态通过模拟或测试回路来确定，在该回路中使用了本发明所述的恒温膨胀阀15。因此，借助于内部热交换器14的高压侧的出口温度产生了最优COP的压力分布，而所述最优COP的压力分布是按照图5所示的状态图的最优阀冲程特征曲线22的目标，在图5中，描绘了质量流率与温度的关系。所述最优COP的阀冲程特征曲线22被限定为整个阀冲程范围的一部分，这将根据应用的环境来限定，例如在0和75％之间。这在图2中由特征曲线21I和21II示出。双箭头22示出了最优COP的调节范围。超过后者的上限，溢出功能开始起作用。如果节流点的质量流率特征曲线23被设计成高于所述上限，也就是说直到达到了总阀冲程范围的100％，从而是充分陡峭的，使得这样的质量流率可以从高压侧流出流入低压侧，并由此可以防止系统高压的进一步上升，那么就可以获得如本发明所要求的安全功能以防止过高的系统压力。
通过在蒸发器入口处布置所述类型的恒温膨胀阀15，可以避免复杂的管线重新布置，这例如在按照专利US 6,012,300的恒温膨胀阀的使用中是必需的，这是由于此处所述的阀必须吸收气体冷却器处的制冷剂侧的出口温度-或者通过在气体冷却器出口处进行局部布置或者通过在阀和气体冷却器出口之间重新布置毛细管线。
图6举例说明了图3的备选实施例。与后者相比较，所述热可激励致动元件46由形状记忆合金制造为弹簧元件。所述致动元件46可以以这样一种方式设置，以使得冲程运动仅在高于预定温度阈值时发生。这里，作用力还可以另外由弹簧元件的截面确定。另外，形状记忆合金所构成的所述热可激励致动元件46的电激励也是可能的。对于图3所述的其它功能和变化同样适用于本实施例。
图7举例说明了图3的热可激励致动元件46的另一备选实施例。在所述实施例中，提供允许溢出功能或安全功能的液压填充、风箱状弹簧元件。热可激励致动元件36的装料包含例如不同的油和碳氢化合物。
所用所述特征在每一情形中对于本发明都是必要的并且可以以任何期望的方式相互组合。

Claims (15)

1、用于对可跨临界及亚临界运行的制冷或热泵回路(11)的高压进行调节的恒温膨胀阀，所述恒温膨胀阀具有阀壳体(26)，在该阀壳体(26)中，在输入侧，高压在供应开口(27)中占优，而在输出侧，低压在排放开口(31)中占优，所述恒温膨胀阀还具有阀元件(33)，该阀元件(33)沿开口方向关闭和移动通道开口(29)的阀座(32)以使制冷剂流通，该通道开口(29)布置在所述供应开口(27)和所述排放开口(31)之间，并且所述阀元件(33)被分配给第一致动元件(36)，该第一致动元件(36)包括腔室(38)，该腔室(38)由第一工作面(37)划界并且包含有控制装料(41)，其特征在于，提供了致动元件(46)，所述致动元件(46)被进行与高压无关的热激励，当所述热可激励致动元件(46)的温度相关致动运动与所述第一致动元件(36)的所述第一工作面(37)的致动运动相反时，所述致动元件(46)的所述致动运动在运动上与所述第一致动元件(36)的所述第一工作面(37)耦合，其中所述热可激励致动元件(46)对于致动运动的温度阈值被设置成是与所述第一致动元件(36)的控制装料(41)的MOT(最大运行温度)相同的值，所述控制装料(41)具有低于其临界密度的流体密度。
2、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在所述第一致动元件(36)和所述热可激励致动元件(46)之间提供可分离的机械耦合，并且所述热可激励致动元件(46)啮合在所述第一致动元件(36)的第一工作面(37)上或啮合在与所述第一致动元件(36)相连接的阀元件(33)上。
3、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述腔室(38)以隔膜或风箱的形式实现，并且所述腔室(38)是导热的，以便于吸收高压侧制冷剂的温度。
4、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述第一致动元件(36)的所述控制装料(41)的临界温度高于所述制冷剂的临界温度。
5、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述热可激励致动元件(46)的温度无关力与所述第一致动元件(36)的过热状态下的控制装料(41)的增加相对应。
6、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述热可激励致动元件(46)以双金属元件的形式实现，该双金属元件中的一个叠放在另一个的顶部。
7、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述热可激励致动元件(46)以弹簧元件的形式实现，该弹簧元件由形状记忆合金构成。
8、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述热可激励致动元件(46)以填充的、风箱状的弹簧元件的形式实现。
9、根据权利要求8所述的阀，其特征在于，所述热可激励致动元件(46)以液压填充的风箱状的弹簧元件的形式实现。
10、根据权利要求7所述的阀，其特征在于，所述热可激励致动元件(46)由压力无关装置预载。
11、根据权利要求10所述的阀，其特征在于，通过所述压力无关装置将所述热可激励致动元件(46)的所述预载设置为热安全功能开始起作用的温度阈值。
12、根据权利要求10所述的阀，其特征在于，所述压力无关装置是可调的。
13、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述腔室(38)或所述腔室(38)的内部轮廓由套管或腹板导引。
14、根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在所述阀元件(33)的静止位置，打开所述阀元件(33)和所述阀座(32)之间的预定的最小通道开口(29)，在组装期间，该最小通道开口(29)是外部可调的。
15、具有内部热交换器(14)的跨临界或亚临界制冷或热泵回路(11)，其特征在于，设置了根据前述任一权利要求所述的膨胀阀(15)。
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