CN101298955A - 跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀 - Google Patents

Abstract

一种跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，属于制冷技术领域。本发明中，阀体左端设有气缸，阀体右端固定有进气管接头，气缸被活塞分隔成左侧高压腔与右侧低压腔，高压腔通过高压腔进气通道与进气口连通，低压腔直接与出气口连通，高压腔进气通道内设有高压腔进气调节螺栓，气缸密封螺母内旋有预紧调节螺栓，开阀弹簧置于预紧调节螺栓右侧，阀杆固定于活塞右侧面中心位置，球形阀头固定于阀杆的右端，活塞连杆穿过开阀弹簧的中心，关阀弹簧与活塞右侧面相接触。在应用中，高低压侧压差的变化可使阀体内的气缸活塞连同阀杆和球形阀头左右运动，以此来调节膨胀阀喉部的流通面积，通过对制冷剂流量的调节来调节系统的高压侧压力。

Description

跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀

技术领域

本发明涉及一种制冷系统节流机构，具体地说是一种跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，属于制冷技术领域。

背景技术

跨临界二氧化碳汽车空调系统在热泵性能方面具有独特的优越性，它的排气温度高、气体冷却器的换热性能好，可以解决现代汽车冬天不能向车厢提供足够热量的缺陷。同时二氧化碳是存天然工质，无毒且不可燃，因此跨临界二氧化碳汽车空调已被国际上公认为是最有希望的下一代汽车空调。

目前，跨临界二氧化碳汽车空调各部件还处于发展过程中，本发明所涉及的是一种节流机构，即一种跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，用来调节气体冷却器内的高压侧气体压力。在二氧化碳系统中，当高压侧压力升高的一定值后，其对制冷量几乎没有影响，而此时压缩机功率却在增加，故COP会降低；而当高压侧压力降低至小于某一压力值后，制冷量将明显减小，而此时压缩机功率基本维持不变，甚至会有所增大，导致COP显著下降。因此，二氧化碳跨临界循环系统中的高压侧压力存在一个最优压力值，在系统的调节过程中，节流机构应具有调节高压侧压力的能力。目前，在二氧化碳车用空调领域应用较多的是外控式变排量压缩机和电子膨胀阀的组合方式，它表现出的调节性能非常优越，主要表现在高压侧压力与蒸发器供液量调节精度高、调节范围宽、系统响应速度快等优点，但由于电子膨胀阀需要步进电机驱动，使得生产成本相对于其它节流元件过高，这极大限制了它的市场应用前景。因此，设计一种调节性能好，并且成本低廉的节流机构成为促进跨临界二氧化碳汽车空调系统进一步发展的关键。

经对现有技术文献的检索发现：中国专利公开号为CN1737472A，公开日为2006年2月22日，专利名称为：跨临界二氧化碳制冷系统节流短管，提出一种可调节流量的节流短管，其核心是：采用一种机械式的带有内部旁通功能的节流短管作为节流元件，其流量可以根据节流短管进口高压的变化实现自动调节。这个方案中，设置了一个主节流短管和一个辅助节流短管，主节流短管始终处于打开状态，流量的变化靠辅助节流短管调节，调节范围受到限制；另一方面该节流短管的高压气体进口与高压腔直接相通，气缸活塞对制冷系统高压侧的压力变化响应过快，在某些运行工况下容易造成严重的系统振荡，极大影响制冷系统运行的稳定性。

到目前为止，还没有出现适用于跨临界二氧化碳汽车空调系统的，不需要另外引入驱动电路，完全采用系统压差驱动控制且调节性能稳定的膨胀阀。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，用于采用定排量或变排量压缩机的二氧化碳汽车空调系统，能对其高压侧压力自动调节。与同类型节流机构相比，本发明的结构简单、生产成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀包括：阀体、进气口、高压腔进气通道、高压腔进气调节螺栓、活塞、阀杆、球形阀头、阀弹簧、出气口、开关阀弹簧、高压腔、低压腔、预紧调节螺栓、气缸。阀体左端设有气缸，阀体右端固定有带进气管的进气管接头，带出气管的出气口置于阀体下部，气缸密封螺母固定在阀体左端，气缸密封螺母内旋有预紧调节螺栓，活塞连杆固定于活塞左侧面中心位置，阀杆固定于活塞右侧面中心位置，球形阀头固定于阀杆的右端，气缸被活塞分隔成左侧高压腔与右侧低压腔，高压腔通过高压腔进气通道与进气口连通，低压腔直接与出气口连通，高压腔进气通道内设有高压腔进气调节螺栓，开阀弹簧置于预紧调节螺栓右侧的定位槽内，并与活塞左侧面相接触，活塞连杆穿过开阀弹簧的中心，位于低压腔中的关阀弹簧与活塞右侧面相接触。高压腔进气调节螺栓外周处嵌设有高压腔进气调节螺栓密封圈。预紧调节螺栓外周处嵌设有预紧调节螺栓密封圈。

本发明的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀安装在制冷系统中的气体冷却器与蒸发器之间，当由系统运行工况变化导致高压侧压力升高，此时高压气体流过高压腔进气通道，使气缸的高压腔的压力P₃也升高，继而将推动气缸活塞向右侧运动，活塞右侧面所连接的阀杆和球形阀头也同时向右运动，使得球形阀头与阀口构成的喉部流通面积增加，膨胀阀的开度增大，导致二氧化碳制冷剂的流量增加。此时，与出气口连通的低压腔压力P₁以及膨胀阀下游的蒸发压力和蒸发温度也将有所升高，并且由于开阀弹簧压缩形变减小及关阀弹簧压缩形变增加导致活塞所受弹簧的向上压力P₂增大，同时由于此时通过阀口的制冷剂流量增大，使得高压侧压力降低，导致气缸的高压腔压力P₃也降低。于是在P₁、P₂、P₃三个力作用下，气缸中的活塞将连同阀杆和球形阀头一起先向右运动，并逐渐减缓停止在某一平衡位置，使膨胀阀开度在某一稳定运行工况下达到稳定。另一方面，如果制冷剂流量逐渐偏大，此时的蒸发压力将增大，而高压侧压力将减小，这使气缸高低压腔内的压力发生变化，活塞将连同阀杆和球形阀头一起向左运动，膨胀阀阀口的开度减小，流量将逐渐减小并达到适量状态，不会出现流量过大导致蒸发器结霜的现象。在关阀过程中，由于活塞连杆的设计长度能使得活塞达到左侧最大行程时与阀杆相连的球形阀头与阀口仍有一定间隙，所以制冷系统在不同运行工况下不会有管路闭塞的危险情况发生。同时，由于高压腔进气通道在气缸内壁面出口右边缘至开阀弹簧定位槽底部的距离不大于活塞连杆的设计长度，保证了在最小开度状态下高压腔仍然与进气口相连通。

上述的调节过程对系统压力变化的响应快慢可以通过高压腔进气调节螺栓来调节，以确保制冷系统稳定运行，不会出现频繁的系统振荡。当响应过快时，顺时针旋转高压腔进气调节螺栓关小通道的开度；当响应过慢时，逆时针旋转高压腔进气调节螺栓开大通道的开度。在系统高压侧压力调节方面，用预紧调节螺栓将开阀弹簧与关阀弹簧调整至合适的预紧力，使膨胀阀在设计工况范围内能保持高压侧压力为最优压力。

通过上述的调节控制方式，可以完全依靠系统本身的高低压差实现对流量的机械式自动调节，同时使系统高压侧压力达到最优压力，相比于同类节流机构，如节流短管和电子膨胀阀，本发明在拓宽调节范围并提高调节精度的同时也节省了额外的电源驱动装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：阀体1，进气口2，进气管3，高压腔进气通道4，高压腔进气调节螺栓5，活塞6，阀杆7，活塞连杆8，开阀弹簧9，出气口10，出气管11，阀口12，关阀弹簧13，高压腔14，低压腔15，预紧调节螺栓16，气缸密封螺母17，进气管接头18，气缸19，预紧调节螺栓密封圈20，高压腔进气调节螺栓密封圈21，球形阀头22。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。

如图1所示，本发明包括：阀体1、进气口2、高压腔进气通道4、高压腔进气调节螺栓5、活塞6、阀杆7、阀弹簧9、出气口10、开关阀弹簧13、高压腔14、低压腔15、预紧调节螺栓16、气缸19、球形阀头22。阀体1左端设有气缸19，阀体1右端固定有带进气管3的进气管接头18，带出气管11的出气口10置于阀体1下部，气缸密封螺母17固定在阀体1左端，气缸密封螺母17内旋有预紧调节螺栓16，活塞连杆8固定于活塞6左侧面中心位置，阀杆7固定于活塞6右侧面中心位置，球形阀头22固定于阀杆7的右端，气缸19被活塞6分隔成左侧高压腔14与右侧低压腔15，高压腔14通过高压腔进气通道4与进气口2连通，低压腔15直接与出气口10连通，高压腔进气通道4内设有高压腔进气调节螺栓5，开阀弹簧9置于预紧调节螺栓16右侧的定位槽内，并与活塞6左侧面相接触，活塞连杆8穿过开阀弹簧9的中心，位于低压腔15中的关阀弹簧13与活塞6右侧面相接触。

开阀弹簧9与关阀弹簧13在活塞6的行程中始终处于压缩形变状态，

活塞6达到向左最大行程时，阀杆7右端的球形阀头22与阀口12所形成的流道喉部截面积略大于0。

高压腔进气调节螺栓5外周处嵌设有高压腔进气调节螺栓密封圈21。预紧调节螺栓16外周处嵌设有预紧调节螺栓密封圈20。

预紧调节螺栓16旋动至最右端时，其右侧端面距离高压腔进气通道4位于高压腔14壁面的出口仍有距离。

高压腔进气通道4位于高压腔14壁面的出口右边缘至预紧调节螺栓16右侧弹簧定位槽底部的距离不大于活塞连杆8的长度。

在制冷系统运行时，由气体冷却器流出的过冷或超临界流体通过进气管3流经阀口12后成为两相流体，通过出气管11流向蒸发器，完成对工作流体的节流降压过程。同时，流进进气口2的少量制冷剂将通过高压腔进气通道4流入高压腔14，通道内的流动阻力由高压腔进气调节螺栓5旋转调节，从阀口12流出的两相制冷剂流出出气口10的同时也将充满低压腔15。通过气缸19内部高低压腔压力及开阀弹簧9与关阀弹簧13对活塞6压力的相互平衡，活塞6将稳定在对应某一工况下的平衡位置，此时阀杆7右端的球形阀头22与阀口12构成的喉部流通面积不再变化，流经膨胀阀的制冷剂流量保持稳定，同时系统高压侧压力也达到最优压力。

跨临界二氧化碳汽车空调系统高低压侧压差的变化可以使本发明的膨胀阀内的气缸活塞连同阀杆和球形阀头左右运动，以此来调节膨胀阀喉部的流通面积，通过对制冷剂流量的调节来调节系统的高压侧压力。本发明的控制机构不需要引入控制电路，整体设计合理，调节范围宽，调节灵敏度高，具有较高的可靠性和经济性。

Claims (7)

1、一种跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，包括：阀体(1)、进气口(2)、高压腔进气通道(4)、高压腔进气调节螺栓(5)、活塞(6)、阀杆(7)、阀弹簧(9)、出气口(10)、开关阀弹簧(13)、高压腔(14)、低压腔(15)、预紧调节螺栓(16)、气缸(19)、球形阀头(22)，其特征在于：阀体(1)左端设有气缸(19)，阀体(1)右端固定有带进气管(3)的进气管接头(18)，带出气管(11)的出气口(10)置于阀体(1)下部，气缸密封螺母(17)固定在阀体(1)左端，气缸密封螺母(17)内旋有预紧调节螺栓(16)，活塞连杆(8)固定于活塞(6)左侧面中心位置，阀杆(7)固定于活塞(6)右侧面中心位置，球形阀头(22)固定于阀杆(7)的右端，气缸(19)被活塞(6)分隔成左侧高压腔(14)与右侧低压腔(15)，高压腔(14)通过高压腔进气通道(4)与进气口(2)连通，低压腔(15)直接与出气口(10)连通，高压腔进气通道(4)内设有高压腔进气调节螺栓(5)，开阀弹簧(9)置于预紧调节螺栓(16)右侧的定位槽内，并与活塞(6)左侧面相接触，活塞连杆(8)穿过开阀弹簧(9)的中心，位于低压腔(15)中的关阀弹簧(13)与活塞(6)右侧面相接触。

2、根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，其特征在于所述活塞(6)到达左侧最大行程时，阀杆(7)的右端球形阀头(22)与阀口(12)所形成的流道喉部截面积略大于0。

3、根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，其特征在于所述高压腔进气调节螺栓(5)外周处嵌设有高压腔进气调节螺栓密封圈(21)。

4、根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，其特征在于所述预紧调节螺栓(16)外周处嵌设有预紧调节螺栓密封圈(20)。

5、根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，其特征在于所述预紧调节螺栓(16)旋动至最右端时，其右侧端面距离高压腔进气通道(4)位于高压腔(14)壁面的出口仍有距离。

6、根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，其特征在于所述高压腔进气通道(4)位于高压腔(14)壁面的出口右边缘至预紧调节螺栓(16)右侧弹簧定位槽底部的距离不大于活塞连杆(8)的长度。

7、根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳汽车空调系统机械调节式膨胀阀，其特征在于所述开阀弹簧(9)与关阀弹簧(13)在活塞(6)的行程中始终处于压缩形变状态。

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