CN101545554A - 压力控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力控制阀，包括：阀体；依次设置的低压腔室、阀体的内腔和高压腔室，所述内腔与低压腔室相通；所述内腔与高压腔室之间设有节流通路，所述节流通路具有朝向内腔的阀口；内腔中的阀芯，所述阀芯的朝向节流通路的端面上具有与节流通路相对应的密封部，所述密封部与阀口相配合，所述阀芯能够相对于节流通路朝向内腔的阀口往返移动，以使所述节流通路打开或闭合；所述内腔和高压腔室之间设有常开节流通路。在超临界二氧化碳制冷循环系统中，采用该压力控制阀能够通过控制高压侧和低压侧的压力差，从而直接控制高压侧的制冷剂压力。

Description

压力控制阀

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种压力控制阀。

背景技术

目前人类面临着越来越严重的环境问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题日益受到全世界的关注。传统制冷循环系统中使用的氯氟烃(俗称氟利昂)制冷工质(即制冷剂)为人工合成化合物，挥发到大气中不易被分解，但却能够分解臭氧分子，对臭氧层造成严重破坏。替代物氢氟烃类制冷工质虽然不破坏臭氧层，但是其温室效应明显。将来人类虽可以努力合成更好的制冷工质，但从长远考虑，地球上本来不存在的物质被大量生产和使用，最终的结果是任何一种非自然界故有的替代物质都可能给地球的生态平衡造成破坏，所以制冷剂应回归自然，即启用各种自然制冷剂，如氨、二氧化碳、碳氢化合物、水、空气等环境友好物质，才符合可持续发展的道路。

二氧化碳是一种天然的制冷剂，有利于环境保护，同时二氧化碳制冷循环的性能也与传统制冷剂的循环性能相当，因此被广泛认为有巨大的发展前途。

使用二氧化碳的制冷循环系统与常见的氯氟烃类、氢氟烃类制冷循环系统有较大的不同。传统的压缩式制冷是利用低沸点的液态制冷剂(如氯氟烃类、氢氟烃类)蒸发汽化时，从制冷空间的介质中吸热来实现制冷的，这种制冷方法利用制冷剂气—液两相转化过程，从而实现定温吸热和放热，制冷剂在制冷系统中实现亚临界循环。但是二氧化碳的临界温度约31℃，低于传统的人工制冷剂，使用二氧化碳的制冷循环系统实际上是在临界点之上运行，所以叫做超临界循环，在向外界空间放热时，传统制冷剂发生的是冷凝过程，而二氧化碳制冷系统发生的是气体冷却的过程。

现有的一种使用氯氟烃类、氢氟烃类传统制冷剂的制冷循环系统包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，由管道连接形成循环回路。通常制冷剂被压缩机压缩成高温高压的气体，并送入冷凝器，在冷凝器中冷凝，然后经过膨胀阀进入低压侧的蒸发器蒸发，从而吸收外界热量。在系统运行过程中，主要是通过膨胀阀来控制低压侧的蒸发压力与温度，也使制冷剂流量与蒸发器的热负荷相匹配，提高系统的工作效率；对于高压侧的冷凝器来讲，制冷剂的冷凝温度主要依赖于外界冷却介质的温度和流量，而冷凝温度又与冷凝压力一一对应，因此膨胀阀高压侧的压力基本上依赖于外界冷却介质的温度与流量，在系统中不需要专门进行控制。

对于二氧化碳制冷系统来说，进行超临界循环，在高压侧制冷剂发生的不是冷凝过程，而是气体冷却过程，其压力和温度不是一一对应，而是两个独立的变量，尽管二氧化碳气体冷却温度受外界冷却介质的温度与流量限定，但是压力则不直接受到限制。一方面，在超临界二氧化碳制冷系统中，高压侧的压力特性对于系统的制冷效率有很大的影响；另一方面，高压侧压力可达70-150bar，是常用制冷装置的7-10倍，压力的增加将引起的压缩机容量的降低，使制冷量随之降低，压力进一步增加到异常水平，甚至会导致压缩机的停机。因此不管是从制冷效率还是从安全性考虑，与通常的亚临界循环制冷系统不同，在超临界二氧化碳制冷系统中，需要设置直接对高压侧压力进行调节的装置。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种压力控制阀，该压力控制阀用于超临界制冷循环系统，能够对高压侧的制冷剂压力进行直接控制。

为解决上述问题，本发明提供了一种压力控制阀，包括：阀体1；依次设置的低压腔室61、阀体1的内腔11和高压腔室51，所述内腔11与低压腔室61相通；所述内腔11与高压腔室51之间设有节流通路7，所述节流通路7具有朝向内腔11的阀口71；内腔11中的阀芯2，所述阀芯2的朝向节流通路7的端面22上具有与节流通路7相对应的密封部21，所述密封部21与阀口71相配合，所述阀芯2能够相对于节流通路7朝向内腔11的阀口71往返移动，以使所述节流通路7打开或闭合；其特征在于：所述内腔11和高压腔室51之间设有常开节流通路8。

优选的，所述常开节流通路8为通孔，其内径的范围是0.4mm至2mm。

优选的，所述常开节流通路8的轴线与阀芯2的轴线平行。

可选的，所述常开节流通路8与阀芯2的轴线相交。

优选的，所述常开节流通路8朝向内腔11的开口81与阀芯2朝向节流通路7的端面22之间的距离H大于或等于2mm。

优选的，所述常开节流通路8的轴线与阀芯2轴线的距离R2大于阀芯的最大直径R1。

可选的，所述常开节流通路8至少有两个，并且以阀芯2的轴线为为中心均匀分布。

优选的，还包括：所述内腔11中的、一端与阀芯2相抵接的弹簧3，所述弹簧3处于被压缩的状态。

优选的，还包括：所述低压腔室61和内腔11之间的、通过螺纹与内腔11连接的弹簧调节座4，所述弹簧调节座4具有连通低压腔室61和内腔11的通路41；所述弹簧调节座4朝向内腔11的端面连接所述弹簧3的另一端，能够调节弹簧3施加在阀芯2上的推力大小。

所述压力控制阀的外形为圆柱体。

所述压力控制阀的外圆表面具有连接螺纹12。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所述的压力控制阀本质上是由阀体内腔与高压腔室之间的常开节流通路作为制冷剂的主要通路，流过制冷剂，实现制冷系统的循环；正常状态下弹簧的推力、内腔中的制冷剂压力和高压腔室中的制冷剂压力共同作用于阀芯，使阀芯封闭节流通路；当高压腔室中的制冷剂压力超出正常水平时，因作用在阀芯上的高低压的压力差增大，超过弹簧施加在阀芯上的推力，而使阀芯离开阀口，节流通路打开，对高压侧进行泄压，直到高压侧的制冷剂压力回复正常水平，阀芯重新封闭节流通路；通过弹簧调节座调节弹簧施加在阀芯上的推力，可以根据需要设定高低压侧的压力差，从而控制制冷系统高压侧的制冷剂压力。

因此，在超临界制冷循环系统的冷却器出口侧和蒸发器进口侧之间，采用本发明所述的压力控制阀能够通过控制高压侧和低压侧的压力差，从而直接控制高压侧的制冷剂压力。

其次，本发明所述的压力控制阀的控制元直接来自与系统高压侧与低压侧制冷剂的压力差，与制冷剂的温度无关，也就不受外界温度影响，因此压力控制的可靠性好。

另外，在常开节流通路8的轴线与阀芯2的轴线平行时，常开节流通路8的轴线与阀芯2轴线的距离R2大于阀芯的最大直径R1，或者常开节流通路8与阀芯2的轴线相交并且常开节流通路8的出口高于阀芯2的高度，这样有效地避免了常开节流通路8的流体对阀芯2的冲击，使阀体能够可靠地运行。

此外，通过将压力控制阀的外形设置为圆柱体，并在所述压力控制阀的外圆表面设有连接螺纹12，这样压力控制阀可以直接装配在制冷循环系统的管路中，安装使用非常简便。当然本发明也可以在压力控制阀外部设置安装固定用部件，然后单独与管路进行连接使用。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是超临界制冷循环系统示意图；

图2是本发明实施例一中压力控制阀的结构示意图；

图3是图2中的阀芯受力状态示意图；

图4是本发明实施例一中压力控制阀的另一种结构的示意图；

图5是本发明实施例二中压力控制阀的结构示意图；

图6是图5沿A方向的侧视图；

图7是本发明实施例三中压力控制阀的结构示意图。

图中符号说明：

1：阀体、11：内腔、12：螺纹；

2：阀芯、21：密封部、22：阀芯朝向节流通路7的端面、23：阀芯朝向弹簧调节座的端面；

3：弹簧；

4：弹簧调节座、41：弹簧调节座通路；

5、5’：高压端口、51、51’：高压腔室；

6：低压端口、61：低压腔室；

7：节流通路、71：阀口；

8、8’、8”、8a、8b：常开节流通路、81：常开节流通路朝向腔室11的开口；

10：压缩机；

20：气体冷却器；

30：内部热交换器；

40：压力控制阀；

50：蒸发器；

60：气液分离器；

70：管路。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

下面以超临界二氧化碳制冷循环系统为背景揭示本发明所述压力控制阀的具体实施方式。

图1是超临界制冷循环系统示意图。如图1所示，以制冷剂(二氧化碳)的循环流向为顺序，所述超临界二氧化碳制冷循环系统包括：压缩机10，冷却器20，热交换器30，压力控制阀40，蒸发器50和气液分离器60，以管路70连接成闭合回路，完成以二氧化碳为制冷剂的制冷循环过程。

压缩机10用于将吸入的制冷剂压缩；冷却器20用于通过冷却介质与制冷剂间的热交换使压缩机10压缩后的制冷剂冷却；热交换器30用于使冷却器20出口侧的制冷剂与蒸发器50出口侧的制冷剂进行热交换，提高制冷效率；压力控制阀40的高压端口5通过热交换器30连接冷却器20的出口侧，低压端口6连接蒸发器50的进口侧，用于对流过的制冷剂节流降压，同时控制热交换器30出口侧的制冷剂压力，也即冷却器20出口侧的压力；蒸发器50用于蒸发压力控制阀40节流降压后的两相的气-液态制冷剂，从冷却空间中吸热；气液分离器60设置于蒸发器50的出口侧和热交换器30之间，用于将气态制冷剂和液态制冷剂分离并临时存储制冷循环中多余的制冷剂；在热交换器30中经过热交换的制冷剂重新流入压缩机10，完成制冷循环过程。

实施例一

本实施例结合图2～图4说明所述压力控制阀的一种具体实施方式。

图2是实施例一所述压力控制阀的结构的示意图。如图2所示，所述压力控制阀包括：阀体1；依次设置的低压腔室61、阀体1的内腔11和高压腔室51；高压腔室51和低压腔室61位于阀体1的两端，内腔11位于它们之间，所述内腔11与高压腔室51之间设有节流通路7，所述节流通路7具有朝向内腔11的阀口71；高压腔室51的高压端口5通过热交换器30连接到冷却器20的出口侧，而低压腔室61的低压端口6连接蒸发器50的进口侧；

所述低压腔室61和内腔11之间的、通过螺纹与内腔11连接的弹簧调节座4，所述弹簧调节座4具有连通低压腔室61和内腔11的通路41；设于内腔11中的弹簧3，其一端固定在弹簧调节座4朝向内腔11的端面上，另一端与阀芯2相抵接，弹簧3处于被压缩的状态，施加推力作用于阀芯2，能够将阀芯2推向节流通路7；

内腔11中具有阀芯2，所述阀芯2的朝向节流通路7的端面22上具有与节流通路7相对应的密封部21，所述密封部21与阀口71相配合，所述阀芯2能够相对于节流通路7朝向内腔11的阀口71往返移动，以使所述节流通路7打开或闭合；所述密封部21为锥形；

内腔11和高压腔室51之间设有常开节流通路8，常开节流通路8与阀芯2的轴线平行；如图2中所示，常开节流通路8的轴线与阀芯2轴线的距离R2小于或等于阀芯2的最大直径R1；所述常开节流通路8为通孔，也可以是其他形状的、能够流过制冷剂的通路。

对于二氧化碳超临界制冷循环系统，将该压力控制阀设置于冷却器20的出口侧和蒸发器50的进口侧之间，在正常状况下，冷却器20流出的高压制冷剂经热交换器30热交换后，由压力控制阀40的高压端口5进入高压腔室51，流过常开节流通路8进入内腔11和低压腔室61，经节流然后流入与低压端口6连通的蒸发器50形成系统循环，此时，弹簧3的推力F2、内腔11中的制冷剂压力F1和高压腔室51中的制冷剂压力F3共同作用于阀芯2，其中高压腔室51中的制冷剂压力F3与另外两个力的方向相反，如图3所示；由于F2+F1≥F3，阀芯2被推向阀口71，使节流通路7封闭。

如果系统高压侧的制冷剂压力的增加超过正常水平，导致高压腔室51中的制冷剂压力F3与内腔11中的制冷剂压力F1之差超过设定值(即弹簧3的推力F2)，阀芯2上的受力状态F2+F1<F3，使阀芯2离开阀口71，节流通路7打开，对高压腔室51进行泄流降压，同时也起到补充节流作用，则高压腔室51中的制冷剂压力降低，当F3降至满足F2+F1≥F3时，阀芯2重新封闭阀口，因此可以有效的防止高压侧的制冷剂压力异常增加。即在高压侧的制冷剂压力异常增加时，节流通路7不仅能起到高压泄流的作用，同时还可以起到同步节流的作用，同时增加系统的制冷剂流量，提高系统效率。

此外，弹簧3的推力F2能够通过将弹簧调节座4沿阀芯2的轴线方向旋入或旋出内腔11，调节弹簧3的压缩长度，从而改变弹簧3的预紧力，继而方便的调整需要进行泄流的高压侧压力的设定值，因此，所述的压力控制阀能够根据系统对高压腔室51中的制冷剂压力的不同需求，调整弹簧3的推力F2，达到控制高压侧制冷剂压力的目的。

由于低压腔室61和内腔11连通，则低压腔室61中的制冷剂压力与内腔11中的制冷剂压力相等，因此，以上所述压力控制阀的控制元直接来自于高压腔室51中制冷剂的压力与低压腔室61中的压力之差(ΔF＝F3-F1)和弹簧3推力F2之间的相对大小，所以，阀的压力控制特性与制冷剂的温度无关，也就不受外界温度影响，能够直接控制系统高压侧的压力，控制的可靠性好。

如图2所示，为使高压腔室51中保持适量制冷剂正常流入到低压腔室61，作为优选的实施方式所述常开节流通路8为通孔，其内径的大小根据系统系统所需要的制冷剂流量的大小而确定，内孔的直径范围在0.4mm至2mm之间。

由于所述常开节流通路8的轴线与阀芯2轴线平行，常开节流通路8的轴线与阀芯2的轴线的距离R2小于或等于阀芯的最大直径R1，为了避免从高压腔室51经由常开节流通路8中流出的制冷剂对阀芯2产生冲击，影响阀芯2的稳定性，作为优选的实施方式，所述阀芯2的、朝向节流通路7的端面22与常开节流通路8朝向内腔11的开口81之间的距离H大于或等于2mm。

所述常开节流通路8可以根据系统制冷剂的流量大小如图2所示的仅设置一个，也可以如图4中所示的设置2个甚至多个，即常开节流通路8a和8b，所述常开节流通路8a和8b以阀芯2的轴线为对称轴对称分布，这样的结构能够平衡由通路8a和8b中流出的制冷剂对阀芯2产生的冲击。本领域技术人员应该可以推知，常开节流通路8至少设有两个且以阀芯2的轴线为中心对称分布，同样也可实现本发明的目的。

当然，本实施例中所述常开节流通路8的轴线与阀芯2轴线的距离R2小于或等于阀芯的最大直径R1，事实上，更为优选的实施方式，所述常开节流通路8的轴线与阀芯2轴线的距离R2大于阀芯的最大直径R1，在实施例二中具体说明。

实施例二

以下结合附图5和图6揭示本发明的一种优选的实施方式。图5是本实施例所述压力控制阀的结构示意图，图6是图5沿A方向的侧视图。

如图5所示，与实施例一类似，本实施例所述压力控制阀包括：阀体1；依次设置的低压腔室61、阀体1的内腔11和高压腔室51，所述内腔11与低压腔室61由通路41相连通，所述内腔11与高压腔室51由节流通路7连通；内腔11中的阀芯2，所述阀芯2能够相对于节流通路7上的朝向内腔11的阀口71往返移动，以使所述阀口71的打开或闭合，阀芯的开合程度随高压腔室51的压力大小而变化；还包括所述内腔11中的、一端与阀芯2相抵接的弹簧3，所述弹簧3处于被压缩的状态；所述低压腔室61和内腔11之间的、通过螺纹与内腔11连接的弹簧调节座4，所述弹簧调节座4具有连通低压腔室61和内腔11的通路41；所述弹簧调节座4朝向内腔11的端面连接所述弹簧3的另一端，能够调节弹簧3施加在阀芯2上的推力大小；所述内腔11和高压腔室51之间设有常开节流通路8’。

与实施例一中所述的压力控制阀的主要区别之处在于，本实施例中所述常开节流通路8’的轴线与阀芯2轴线的距离R2大于阀芯的最大直径R1，可见，常开节流通路8’朝向内腔11的开口81’正对着内腔11的空间，而没有如实施例一中图2所示的对着阀芯2，因此，从高压腔室51经由常开节流通路8’流出的制冷剂将不会冲击阀芯2而影响阀芯2的稳定性。

优选的，所述常开节流通路8’为通孔，其内径的范围在0.4mm至2mm，也可以是其他形状的能够流过制冷剂的通路。所述常开节流通路8’也可以为两个或两个以上，以阀芯2的轴线为中心均匀分布。

此外，作为实施例一和实施例二中所述的压力控制阀优选的实施方式，如图6所示，所述压力控制阀的外形为圆柱体，阀体1的外圆表面设有螺纹12，所述高压腔室51的高压端口5和所述低压腔室61的低压端口6分别位于圆柱形阀体1的两端，所述压力控制阀能够以螺纹连接的形式，直接内置安装在热交换器进口管内或冷却器的出口管内，安装使用方便，结构简单可靠。

此外，虽然如图5所示，所述压力控制阀的外形为圆柱体，阀体1的外圆表面设有螺纹12，本发明并不限于图5所示的实施方式，压力控制阀的外形也可以是局部是带螺纹12的圆柱体，而其它部位是方形或大小不等的圆柱体等，均为本发明的保护范围。

以上实施例一和实施例二中所述的常开节流通路8都与阀芯2的轴线平行，事实上，常开节流通路8的轴线也可以与阀芯2的轴线相交，具体在以下的实施例三中说明。

实施例三

本实施例结合附图7揭示本发明所述的压力控制阀的另一种实施方式。

图7是本实施例所述的压力控制阀的结构示意图，如图7所示，与前述的实施例一和实施例二中的压力控制阀的区别在于，本实施例中，高压腔室51与低压腔室61的轴线相互垂直，常开节流通路8”的轴线与阀芯2的轴线相交且夹角为R。其他结构均与实施例一类似，此处不再重复。

正常状态下，阀芯2在内腔11中的制冷剂压力F1和弹簧3推力F2封闭节流通路7，高压腔室51”中的制冷剂压力对阀芯2施加相反方向的力F3，制冷剂由高压腔室51”经过所述常开节流通路8”流入内腔11和低压腔室61，当系统高压侧的制冷剂压力增加超过异常水平时，高压腔室51”和内腔11的制冷剂压力差超过设定值，即F3-F1>F2，阀芯2离开阀口71，由节流通路7对高压侧的高压腔室51”进行泄流降压，F3回复正常水平后，阀芯2重新封闭，从而实现直接控制高压侧压力的目的。

由于常开节流通路8”朝向内腔的开口81”始终高于阀芯2朝向弹簧调节座的端面23，因此，从常开节流通路8”中流出的制冷剂不会影响阀芯2动作的稳定，从而保证了压力控制的可靠性。任何熟悉本领域的技术人员应该容易推知，其他形式的通路只要能连通高压腔室和内腔均可以实现本发明的目的，例如，常开节流通路8为垂直于阀芯轴线而设置的结构也在保护范围之内。

需要说明的是，以上实施例中所述的压力控制阀的可以采用铝、铜或不锈钢等金属材料，也可以采用耐高温高压并能适合制冷剂的工程塑料等非金属材料，如PPS(Polyphenylene sulphide聚苯硫醚)等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1、一种压力控制阀，包括：阀体(1)；依次设置的低压腔室(61)、阀体(1)的内腔(11)和高压腔室(51)，其特征在于：所述内腔(11)与低压腔室(61)相通；所述内腔(11)与高压腔室(51)之间设有节流通路(7)，所述节流通路(7)具有朝向内腔(11)的阀口(71)；内腔(11)中的阀芯(2)，所述阀芯(2)的朝向节流通路(7)的端面(22)上具有与节流通路(7)相对应的密封部(21)，所述密封部(21)与阀口(71)相配合，所述阀芯(2)能够相对于节流通路(7)朝向内腔(11)的阀口(71)往返移动，以使所述节流通路(7)打开或闭合；同时所述内腔(11)和高压腔室(51)之间设有常开节流通路(8)。

2、根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于：所述常开节流通路(8)为通孔，其内径的范围是0.4mm至2mm。

3、根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于：所述常开节流通路(8)的轴线与阀芯(2)的轴线平行。

4、根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于，所述常开节流通路(8)与阀芯(2)的轴线相交。

5、根据权利要求3所述的压力控制阀，其特征在于：所述常开节流通路(8)朝向内腔(11)的开口(81)与阀芯(2)朝向节流通路(7)的端面(22)之间的距离H大于或等于2mm。

6、根据权利要求3所述压力控制阀，其特征在于：所述常开节流通路(8)的轴线与阀芯(2)轴线的距离R2大于阀芯的最大直径R1。

7、根据权利要求2所述的压力控制阀，其特征在于：所述常开节流通路(8)至少有两个，并且以阀芯(2)的轴线为中心均匀分布。

8、根据权利要求3～7任一项所述的压力控制阀，其特征在于：所述常开节流通路(8)为通孔，其内径的范围是0.4mm至2mm。

9、根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于，还包括：所述内腔(11)中的、一端与阀芯(2)相抵接的弹簧(3)，所述弹簧(3)处于被压缩的状态。

10、根据权利要求9所述的压力控制阀，其特征在于，还包括：所述低压腔室(61)和内腔(11)之间的、通过螺纹与内腔(11)连接的弹簧调节座(4)，所述弹簧调节座(4)具有连通低压腔室(61)和内腔(11)的通路(41)；所述弹簧调节座(4)朝向内腔(11)的端面连接所述弹簧(3)的另一端，能够调节弹簧(3)施加在阀芯(2)上的推力大小。

11 根据权利要求1～7、9、10中任一项所述的压力控制阀，其特征在于：所述压力控制阀的外形为圆柱体。

12、根据权利要求11所述的压力控制阀，其特征在于：所述压力控制阀的外圆表面具有连接螺纹(12)。

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