CN101545555A - 一种利用敏感元件控制阀芯开度的压力控制阀及制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用敏感元件控制阀芯开度的压力控制阀及制冷系统，包括阀体，波登管和转换部分；所述转换部分包括连杆传动机构、齿轮传动机构和螺纹传动机构；波登管和转换部分将压力变化转换成阀芯的相应运动从而实现对阀口开度的控制；阀体与罩体形成封闭波登管和转换部分的空腔，增强了控制阀的安全性；波登管内腔与阀体进口之间的阻尼孔保证了控制阀操作的稳定性。本发明公开的制冷系统，包括压缩机，气体冷却器，内部热交换器，蒸发器，气液分离器，和本发明公开的压力控制阀。本发明提供的压力控制阀适用于对高压制冷工质的压力的控制，特别适用于跨临界二氧化碳制冷循环系统中对制冷工质的压力进行控制。

Description

一种利用敏感元件控制阀芯开度的压力控制阀及制冷系统

技术领域

本发明涉及一种压力控制阀及制冷系统，特别是涉及一种利用敏感元件控制阀芯开度的压力控制阀及制冷系统。

背景技术

随着技术的发展，高压工质的装置应用越来越广泛，比如：制冷系统中，被广泛认为有发展前途的制冷工质——二氧化碳，作为一种自然的制冷工质，有利于环境保护，同时跨临界二氧化碳制冷循环的性能也与传统氟里昂制冷工质循环系统的性能相当。但是，跨临界二氧化碳制冷系统高低压的控制特性与传统的压缩式制冷系统有较大的不同，其高压侧制冷工质发生的不是冷凝过程，而是超临界气体冷却过程，其压力和温度是两个独立的变量，尽管温度受冷却介质的限定，但是压力却不直接受到限制，高压侧压力可达70-150bar，是传统制冷系统装置的7-10倍；另外，高压侧的压力特性对于系统的工作效率也有很大的影响，因此不管是从安全性还是从工作效率考虑，在跨临界二氧化碳制冷系统中，必须对高压侧压力进行调节，因此就需要相应的压力控制装置。

为适应现代技术对压力控制的需要，特别是适应对跨临界二氧化碳制冷系统压力进行调节的需要，现有技术已经公开了多种压力控制阀，比如专利号为JP11-63740公开一种压力控制装置，这种压力控制装置是利用波纹管作为感应部件来对压力进行控制的。如图1所示，这种压力控制装置包括位于阀体内的进口301、出口309，连通进口与出口的阀孔307，所述阀孔内端为阀口，作为感应部件的波纹管303下端固定，作为自由端的上端与传动杆306焊接固定，波纹管303内部封闭，且被密封在由壳体308形成的封闭空间内。其基本工作过程是：高压制冷工质通过进口301、通道302、304、305进入波纹管303与外部壳体308形成的封闭空间；在进口制冷工质压力变大时，由于波纹管303外压力不变，内外压力差改变，波纹管303外形产生与压力改变相应的变化，下端固定，自由端移动，带动与其焊接成一体的传动杆306相对与阀孔307作轴向运动，阀口通道的截面变大，制冷工质通过阻力减小，进口压力变化小；进口制冷工质压力变小时，传动杆306反向移动，阀口通道的截面减小，制冷工质通过阻力增大，进口压力变大，从而通过对阀口开度的调节，实现对进口制冷工质压力的控制。

这种压力控制装置虽然能够实现对高压流体的压力控制，但是，由于其结构复杂，制造工艺繁琐，质量难以保证，调整精度不高；传动杆与波纹管固定部分、阀体各部分焊接较多，高压系统运行过程中，在高压流体作用下很容易引起波纹管或焊接区域泄漏，导致安全事故发生；波形管调节敏感度太高，调节频繁，不能适应压力控制操作稳定的需要。

发明内容

鉴于现有技术中压力控制阀存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用波登管作为敏感元件，并根据波登管内部压力变化控制阀芯开度的压力控制阀，实现较高精度的控制，同时保证压力控制阀的安全性，提高压力控制阀的使用寿命和操作的稳定性；另外，还提供了一种采用本发明压力控制阀的制冷系统。

为了实现上述目的，本发明提供的利用敏感元件控制阀芯的压力控制阀包括：阀体，阀芯，所述阀体设有进口和出口，所述进口与出口的连通管路上具有阀口，该阀口开度的大小受阀芯的控制；还包括波登管和转换部分；

所述波登管包括固定端和自由端，其内腔与进口相通；所述固定端固定在阀体上，所述自由端根据内腔中的压力变化产生与该压力大小相应的位移；

所述的转换部分两端分别连接波登管自由端和阀芯，用于将所述波登管自由端的位移转换为阀芯位移，所述阀芯位移控制阀口开度大小。

优选地，所述转换部分包括连杆传动机构、齿轮传动机构和螺纹传动机构；

所述连杆传动机构包括中间杆和连接杆；所述中间杆的一端为该转换部分与所述波登管自由端连接的一端，其另一端铰接所述连接杆的一端；所述连接杆另一端与主动齿轮相联，并驱动主动齿轮转动；

所述齿轮传动机构包括主动齿轮，与主动齿轮相啮合的从动齿轮；所述的从动齿轮与下述螺杆固定，且在同一轴线上；

所述螺纹传动机构包括螺杆、与螺杆相配合的螺母和传动杆，所述螺母固定在阀体上，所述传动杆固定在螺杆上，且与螺杆同轴线；

所述阀芯固定在传动杆端部，并位于阀口处。

另一种转换部分的优选方式基本上述转换部分相同，只是阀芯不是固定在传动杆端部，而是位于阀口处，并与传动杆端部接触，并且所述传动杆轴线、阀孔轴线和阀芯中心同轴。

优选地，所述转换部分包括连杆传动机构、齿轮传动机构和螺纹传动机构；

所述连杆传动机构包括中间杆和连接杆；所述中间杆的一端为该转换部分与所述波登管自由端连接的一端，其另一端铰接所述连接杆的一端；所述连接杆另一端与主动齿轮相联，并驱动主动齿轮转动；

所述齿轮传动机构包括主动齿轮，与主动齿轮相啮合的从动齿轮；所述的从动齿轮与下述螺杆固定，且在同一轴线上；

所述螺纹传动机构包括螺杆、与螺杆相配合的螺母和传动杆，所述螺母固定在阀体上，所述传动杆固定在螺杆上，且与螺杆同轴线；

所述阀芯位于阀口处，并与传动杆端部接触，所述传动杆轴线、阀孔轴线和阀芯中心同轴。

优选地，所述的主动齿轮为扇形齿轮。

优选地，所述的主动齿轮与从动齿轮的轴线平行。

优选地，还包括调节机构，所述调节机构包括阀芯架、调节弹簧和堵块，所述阀芯架一端支撑阀芯，另一端支撑在调节弹簧上，调节弹簧支撑在与阀体固定的堵块上。

优选地，所述堵块为中空的调节螺钉，所述调节螺钉通过螺纹与阀体固定联接。

优选地，在阀体上还设有罩体，所述罩体与阀体形成封闭的空腔，所述空腔将波登管，转换部分封闭。

优选地，在连通进口和波登管内腔的管路中，还设有阻尼孔。

本发明提供的制冷系统包括：压缩机，气体冷却器，内部热交换器，蒸发器，气液分离器，上述的压力控制阀，所述压力控制阀的进口与内部热交换器的出口相通，出口与蒸发器的进口相通。

波登管被应用于压力表的制造上已经有六十多年的历史，具有优越的特性曲线，制造工艺成熟，因此利用波登管作为敏感元件完全可以满足对压力控制的要求，更好地实现对压力的控制。本发明提供的压力控制阀与现有技术相比，具有以下优点：

第一、由于波登管材料具有抗压强度高和制造简单等特性，，使本发明提供的压力控制阀制造成本低，可靠性高。

第二、本发明优选技术方案中的转换部分把压力控制阀的进口压力通过齿轮传动组件按照一定的传动比例准确地、以旋转角度的形式传递到螺纹传动联接，螺纹传动将上述旋转角度转换成轴向位移，并通过轴向位移控制阀芯的位置，从而实现对阀口开度的控制，通过选择合适的齿轮传动与螺纹传动关系能够很容易地保证了较高的控制精度，并且保证控制过程稳定。

第三，本发明优选技术方案中外罩与阀体形成一个空腔，内部的波登管、传动机构等都置于所述空腔中，即使阀体或波登管出现非预见的泄漏，不会对周围环境的安全产生威胁。

第四，本发明优选技术方案中阻尼孔的增加可以在高压流体压力波动时，延缓压力的传递时间，提高压力控制阀的使用寿命和操作的稳定性能。

基于本发明中压力控制阀所具备的优点，采用本发明压力控制阀的制冷系统，可以对系统高压侧的压力进行较好控制，保证较好制冷效果。

本发明提供的控制阀适用于高压装置系统中的压力控制，特别适用于跨临界二氧化碳制冷循环系统中对高压制冷工质压力的控制。

附图说明

图1现有技术JP11-63740压力控制装置结构示意图。

图2为本发明压力控制阀实施例一内部结构示意图。

图3为图2实施例中俯视结构示意图。

图4为图2的I——I部分放大图。

图5为本发明压力控制阀实施例二结构示意图。

图6为本发明压力控制阀实施例三结构示意图。

图7是本发明提供的制冷系统原理图。

具体实施方式

本发明基本构思是：用波登管这种敏感元件代替现有技术中的波纹管或弹性膜盒等作为压力传感器件，通过感知进口端压力的变化，将波登管的弹性形变通过相应机构转换成阀芯位置的变化，从而实现对控制阀出口压力的控制。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

本部分实施例虽以对跨临界二氧化碳制冷系统中高压制冷工质的压力进行控制为背景进行描述的，但并不限制其他相似场合的应用。图2是实施例一压力控制阀内部结构示意图，图3是图2的压力控制阀俯视图，下面结合图2和图3对本例中压力控制阀进行描述。

如图2所示，在阀体11中，有通过螺纹13、15与制冷系统联接的制冷工质进口12和出口14，所述进口12通过阀孔46与出口14连通，阀孔下端为阀口45。压力控制阀还包括：波登管21、转换部分和调节机构。

参照图2和图3。波登管21开口一端固定在阀体11上，波登管21内腔21-1通过进口支道17与进口12相通，另一端为封闭的自由端；波登管21自由端焊接有连接头23。

转换部分又包括连杆传动机构、齿轮传动机构和螺纹传动机构。连杆传动机构进一步包括第一中间轴712、第二中间轴711、中间杆732和连接杆731；齿轮传动机构进一步包括扇形齿轮34、固定轴72和从动齿轮35；螺纹传动机构进一步包括转轴36、螺杆37、螺母38和传动杆41。具体连接结构是：中间杆732一端通过第一中间轴712与连接头23铰接，另一端通过第二中间轴711与连接杆731一端铰接，连接杆731另一端固定在作为主动齿轮的扇形齿轮34上，扇形齿轮34绕固定轴72旋转，所述固定轴72固定在阀体11上；从动齿轮35与扇形齿轮34啮合，并与转轴36固定并带动其转动，在转轴36上设置螺杆37，所述螺杆37与固定在阀体11上的螺母38啮合构成螺纹传动联接，在螺杆37还固定传动杆41，传动杆41延伸至连通进口12与出口14的阀孔46的外端阀口45，所述转轴36、螺杆37、传动杆41、阀孔46同轴线；作为阀芯的钢球42位于在阀孔46外端的阀口45处，钢球42中心在传动杆轴线上且与传动杆41一端接触。

调节机构包括作为阀芯架的阀球架43、调节弹簧51和中空螺钉52。如图4所示，所述钢球42焊接在阀球架43上，阀球架43下方设有调节弹簧51，调节弹簧51上端支撑阀球架43，下端支撑在中空的调节螺钉52上，调节螺钉52又通过螺纹固定在阀体11上。

本例中，扇形齿轮34与从动齿轮35轴线平行，通过直齿轮实现啮合；从动齿轮35、转轴36、螺杆37、传动杆41为一体结构；在传动杆41与阀体11之间还设有密封件47，用于保证高压制冷工质不会通过传动杆41与阀体11之间泄漏。

本例中，波登管21作用是感知阀体11的进口12的压力大小，将波登管21的内腔21-1压力的变化转换为自由端的弹性形变变化。基本原理是：波登管21外部压力保持不变，因为内腔21-1与进口12相通，制冷工质压力改变时，波登管21的内部压力与外部压力之差就会改变，压力差的变化使波登管21产生弹性形变的变化；连接杆731，中间杆732、第一中间轴711、第二中间轴712和固定轴72形成的连杆机构的作用是将波登管21的弹性形变转化成扇形齿轮34在平面上绕固定轴72转动角度的变化；齿轮传动机构的作用一是放大波登管自由端的弹性形变量来保证压力控制的精度；螺纹传动机构的作用是将转轴36的转动位移转换成传动杆41的轴向线性位移；调节弹簧51的作用：一是支撑钢球、阀球架，二是到消除传动间隙；调节螺钉52的作用是调节设定弹簧51压缩量，最终调整驱动阀芯所需力的大小，调整压力控制阀的敏感度。

本例压力控制阀的完整工作过程是：当进口12制冷工质压力增大时，波登管21内腔21-1压力增大，弹性形变量增大；当进口端制冷工质压力减小时，波登管21弹性形变量减小，波登管21自由端随着弹性形变量的变化发生位移，通过连接头23、中间杆732和连接杆731驱动扇形齿轮34绕固定轴72转动，扇形齿轮34通过齿轮啮合带动从动齿轮35、转轴36和螺杆37转动，转轴36上的螺杆37与固定在阀体11的螺母36相配合，由于螺纹传动的作用，转轴36在进行旋转同时，还有轴向位移的变化，由于螺杆37与传动杆41刚性联接，所以传动杆41随转轴上下移动，由于与钢球42焊接联接的钢球架43的下方弹簧51向上的约束力，使钢球42总是与传动杆端部保持接触，因此通过传动杆41的轴向位移来控制钢球42在相对与阀口45的位置，使钢球42与阀口45之间形成节流通道，钢球42向上移动时，节流通道截面积减小；当钢球42向下移动时，节流通道截面积增大。当高温高压的制冷工质气体流经该节流通道时，制冷工质压力和温度就会降低，形成气液混合状态体，根据节流通道截面积的不同，制冷工质压力变化不同，因此实现对制冷工质压力的控制。

为了进一步保证压力控制阀的安全性，实施例二在实施例一的基础上增设罩体，如图5所示，罩体60与阀体11焊接成一个密封的空腔，内部的波登管、连杆机构，齿轮及轴都置于密封的空腔内。在本例中，在密封件47失效或波登管出现非预见的泄漏时，高压的二氧化碳制冷工质会被密闭在空腔内，不会对人体和周围环境造成危害，提高压力控制阀的安全性。鉴于其他部分与实施例一相同，此外不再赘述。

鉴于制冷系统工况的复杂性，制冷工质压力发生波动性变化是不可避免的，如果对制冷工质每一次压力波动变化都进行压力调整，就不能保证压力控制阀的使用寿命和操作的稳定性，另一方面，对于压力波动性变化，由于其时间短，也没有必要进行压力调节。因此，实现例三在实施例二的基础上进一步进行改进，提供了一种保证压力控制阀工作稳定的结构。如图6所示，在进口支道17与进口之间，设置较小直径的阻尼孔16，制冷工质流经阻尼孔16进入波登管21的内腔21-1，当进口制冷工质压力突然增大时，由于阻尼作用，阻尼孔16阻止制冷工质流量的突变，延缓了压力传递的时间，同样，当进口制冷工质压力减小时，阻尼孔16会阻止进口支道17内制冷工质流量的突变，延缓压力传递时间。这样的结构使压力控制阀能够避免制冷工质压力波动时压力控制阀的频繁调整，有利提高压力控制阀的使用寿命和操作的稳定性能。鉴于其他部分与实施例二相同，此外不再赘述。

虽然以上各例均是以跨临界二氧化碳制冷系统中压力控制阀为基础进行的描述，但由于对压力调节或控制的原理相同，上述各例提供的结构同样适用于对各种高压工质压力的调节或控制。

以上述各例为基础，其具体结构还可以做出很多变形，比较典型的有：密封件47密封功能也可以通过传动杆41与阀体11之间的配合关系实现；调节机构的增加为压力控制阀适用于多种环境提供了基础，但对于本发明的而言不是必要技术特征；调节弹簧53下的螺钉52也可以是不可调的中空堵块或是设在阀体上的凸台，只是这样的结构不能根据实际工况的要求对弹簧压缩量进行相应调整，影响对压力控制阀敏感度的调整；扇形齿轮34与从动齿轮35啮合也不限于直齿轮啮合，在两齿轮轴线不平行或角度很大的情况下，还可以通过斜齿轮或蜗轮蜗杆啮合实现；主动齿轮当然也可以为半圆齿轮甚至是全周齿轮，主动齿轮旋转角度不大，扇形齿轮足以满足需要，而且可以节约空间；阀芯也可以固定在传动杆端部，只是安装结构复杂；阀口也可以在阀孔的内端，这样传动杆41端部可以做成与阀口相配合的形状，与阀口形成节流截面。

上述各例仅是本发明的典型示例，根据本发明的基本构思的启示，还可以在总体结构上做出更多的变化，第一，对于波登管，可以选用C型组合的波登管；第二，转换部分可以采用多种方式实现，连杆传动，螺纹传动和齿轮传动或者是其他传递动力的机构，或者是这些传动机构的组合，都可以实现本发明的目的；第三，转换部分与阀芯的联接也可以用多种方式实现，例中凸轮轴驱动阀芯，螺纹杆直接驱动，连杆直接驱动以及波登管自由端直接驱动都可以实现本发明的目的。由于本发明的构思是突破了现有技术中压力控制阀的固有思维产生，因此，本发明包括更多的内容。

本发明还提供了一种利用本发明提供的压力控制阀的制冷系统，图7为跨临界二氧化碳制冷循环系统的原理图。系统中制冷工质的循环流程为：压缩机110→气体冷却器120→内部热交换器130→压力控制阀140→蒸发器150→气液分离器160→压缩机110，本例中压力控制阀140就是采用本发明实施例三中的压力控制阀。制冷系统的工作原理是：制冷工质在压缩机110中升压至超临界压力，然后进入气体冷却器120中，被冷却介质所冷却，为了提高系统的性能，出气体冷却器120后的高压气体在内部热交换器130中进一步冷却，内部热交换器130热量交换用压缩机110回气管前面的低温低压蒸汽实现，然后用压力控制阀140减压节流，经节流后的气体被冷却，且部分气体液化，湿蒸气进入蒸发器150内汽化，吸收周围介质的热量。由于蒸发器150中的液体并不全部汽化，而是有少量液体盈余，因此，在蒸发器150与内部热交换器130之间设气液分离器160，以防止压缩机110液击，气液分离器160出来的低压饱和蒸汽进入内部热交换器130的低压侧通道，吸收高温高压的超临界气体的热量后，成为过热蒸气进入压缩机110升压，如此周而复始循环。

压力控制阀140设置在内部热交换器130和蒸发器150之间，如图3所示，其具体的工作过程为：进口12与内部热交换器130出口相连，出口14与蒸发器150进口相连，高压高温的制冷工质气体从内部热交换器130流入进口12，经过节流阀口45绝热膨胀之后，变成压力和温度较低的气液混合状态从出口14流出至蒸发器150，制冷工质在蒸发器150中蒸发吸收热量，从而达到制冷的目的。本例中的制冷系统中压力控制阀可以采用上压力控制阀实施例中的各结构实现。

以上所述仅是本发明的优选典型实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理或构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种利用敏感元件控制阀芯的压力控制阀，包括阀体，阀芯，所述阀体设有进口和出口，所述进口与出口的连通管路上具有阀口，其特征在于，还包括波登管和转换部分；

所述波登管包括固定端和自由端，所述固定端固定在阀体上，所述自由端根据内腔中的压力变化产生相应的位移；

所述的转换部分两端分别连接波登管的自由端和阀芯，用于将所述波登管自由端的位移转换为阀芯的位移，通过所述阀芯的位移控制阀口开度大小。

2、根据权利要求1所述的控制阀，其特征在于，所述转换部分包括连杆传动机构、齿轮传动机构和螺纹传动机构；

所述连杆传动机构包括中间杆和连接杆；所述中间杆的一端为该转换部分与所述波登管自由端连接的一端，其另一端铰接所述连接杆的一端；所述连接杆另一端与主动齿轮相联，并驱动主动齿轮转动；

所述齿轮传动机构包括主动齿轮，与主动齿轮相啮合的从动齿轮；所述的从动齿轮与下述螺杆固定，且在同一轴线上；

所述螺纹传动机构包括螺杆、与螺杆相配合的螺母和传动杆，所述螺母固定在阀体上，所述传动杆固定在螺杆上，且与螺杆同轴线；

所述阀芯固定在传动杆端部，并位于阀口处。

3、根据权利要求1所述的控制阀，其特征在于，所述转换部分包括连杆传动机构、齿轮传动机构和螺纹传动机构；

所述连杆传动机构包括中间杆和连接杆；所述中间杆的一端为该转换部分与所述波登管自由端连接的一端，其另一端铰接所述连接杆的一端；所述连接杆另一端与主动齿轮相联，并驱动主动齿轮转动；

所述齿轮传动机构包括主动齿轮，与主动齿轮相啮合的从动齿轮；所述的从动齿轮与下述螺杆固定，且在同一轴线上；

所述螺纹传动机构包括螺杆、与螺杆相配合的螺母和传动杆，所述螺母固定在阀体上，所述传动杆固定在螺杆上，且与螺杆同轴线；

所述阀芯位于阀口处，并与传动杆端部接触，所述传动杆轴线、阀孔轴线和阀芯中心同轴。

4、根据权利要求2或3所述的压力控制阀，其特征在于，所述的主动齿轮为扇形齿轮。

5、根据权利要求2或3所述的压力控制阀，其特征在于，所述的主动齿轮与从动齿轮的轴线平行。

6、根据权利要求3所述的控制阀，其特征在于，还包括调节机构，所述调节机构包括阀芯架、调节弹簧和堵块，所述阀芯架一端支撑阀芯，另一端支撑在调节弹簧上，调节弹簧支撑在与阀体固定的堵块上。

7、根据权利要求6所述的压力控制阀，其特征在于，所述堵块为中空的调节螺钉，所述调节螺钉通过螺纹与阀体固定联接。

8、根据权利要求1，2，3，6或7任一项所述的压力控制阀，其特征在于，在阀体上还设有罩体，所述罩体与阀体形成封闭的空腔，所述空腔将波登管，传动机构封闭。

9、根据权利要求1，2，3，6或7任一项所述的压力控制阀，其特征在于，在连通进口和波登管内腔的管路中，还设有阻尼孔。

10、一种制冷系统，包括压缩机，气体冷却器，内部热交换器，蒸发器，气液分离器，其特征在于，还包括权利要求1，2，3，6或7任一项所述的压力控制阀，所述压力控制阀的进口与内部热交换器的出口相通，出口与蒸发器的进口相通。

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