CN101846201A - 二氧化碳汽车空调系统膨胀阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二氧化碳汽车空调系统膨胀阀，包括阀体、开设于阀体上的进气口和出气口，在阀体内开设有进气腔和活塞腔，在活塞腔内设置有活塞及活塞杆，活塞杆上端位于隔板中，下端位于出气口处，可将出气口的上端口封闭，进气口位于活塞下方，与活塞腔连通，阀体内开设有进气通道将进气口与进气腔连通，进气腔内安装有记忆弹簧，其位于活塞杆与调节螺塞之间。该胀阀整体结构简单、紧凑，调节灵敏度高，密封性好，具有较高的可靠性，能够随气体冷却器出口温度的变化自动调节系统的最优压力。

Description

二氧化碳汽车空调系统膨胀阀

技术领域

本发明涉及制冷系统中的节流元件，具体说是一种二氧化碳汽车空调系统膨胀阀，

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，可以解决汽车冬天不能向车厢提供足够热量的缺陷。同时二氧化碳无毒且不可燃，因此跨临界二氧化碳汽车空调已被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还处于发展过程中，其中有一种节流装置，即机械调节式膨胀阀，用来调节气体冷却器内的高压侧气体压力。在二氧化碳汽车空调系统中，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，节流装置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，但由于电子膨胀阀需要步进电机驱动，故使得生产成本相对于其它节流元件高，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装置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。

公开号为CN1737472A，公开日为2006年2月22日，名称为：跨临界二氧化碳制冷系统节流短管的专利申请，提出了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。该装置内部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，通过调节流量大小来控制气体冷却器内的压力。该技术方案中的节流短管对于变化的气体冷却器出口温度必须用调节螺栓改变弹簧的预紧力，以此来调节出最优压力，不具有变温自动调节的功能，因此在实际应用中系统运行工况受到很大限制。

到目前为止，还没有出现适用于跨临界二氧化碳制冷系统的，采用新型感温控制元件，能针对不同的气体冷却器出口温度自动调节出系统最优压力的，不需要另外引入驱动控制方式的可调节式节流装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种二氧化碳汽车空调系统膨胀阀，能够随气体冷却器出口温度的变化自动调节系统的最优压力。

本发明所述二氧化碳汽车空调系统膨胀阀，包括阀体、开设于阀体上的进气口和出气口，在阀体内开设有型腔，型腔的下端与出气口连通，型腔的上端旋接有调节螺塞将型腔上端密封，型腔内设置有隔板，将型腔分隔成进气腔和活塞腔，进气腔位于隔板与调节螺塞之间；在活塞腔内设置有活塞杆，其上端位于隔板中与隔板滑动配合，下端位于出气口处，可将出气口的上端口封闭，活塞杆上固定有活塞，活塞位于活塞腔内与活塞腔滑动配合，进气口位于活塞下方，与活塞腔连通；阀体内开设有进气通道将进气口与进气腔连通，进气腔内安装有记忆弹簧，记忆弹簧是由形状记忆合金制成的压缩弹簧，其位于活塞杆与调节螺塞之间。

所述的记忆弹簧是采用形状记忆合金制成，其在运行工况范围内均处于压缩状态。形状记忆合金是一种具有记忆特性的特殊合金材料，在不同温度下记忆弹簧会自动伸缩为所记忆的形状，同时，这种材料还具有超弹性，它的应变量可高达20％，卸载应力后，能完全恢复到原来的形状。本发明中所选用的记忆弹簧是依据二氧化碳制冷系统的压力——温度特性进行设计的，具体的是依据二氧化碳制冷系统气体冷却器出口的最优压力——温度特性，对记忆弹簧的形变——温度特性进行设计，使其安装在膨胀阀内，在一定温度和长度下由压缩形变产生的作用力能使二氧化碳汽车空调系统高压侧达到最优压力。由于记忆弹簧对温度的高精度形状记忆特性，以及快速的形状恢复性能，将其用作本发明的膨胀阀感温控制元件将大大提高调节精度。出气口上端口与活塞杆下端构成的最小流通截面--喉部起到节流作用。

本发明所述膨胀阀安装在汽车空调气体冷却器与蒸发器之间，在空调运行时，由气体冷却器流出的过冷或超临界流体经进气口流入活塞腔，腔内压力作用于活塞下端面，产生向上的作用力，同时记忆弹簧感受到由进气通道流入进气腔的制冷剂温度，将会根据自身的形变--温度特性发生相应于上游气体冷却器出口温度的伸缩变化，但由于活塞运动行程的限制，记忆弹簧不能自由伸展，因此将发生压缩形变，随着记忆弹簧感受到的温度的变化，压缩形变产生的对活塞杆上端的压力也相应地变化。当作用于活塞下端面的作用力恰好等于活塞杆下端与出气口上端口相接触时，记忆弹簧和进气腔内气体压力对活塞杆产生的向下的合力时，膨胀阀开始开启。比如，当在某一气体冷却器出口温度和压力下，出气口处于关闭状态时，活塞所受到的向下作用力大于向上的作用力时，出气口保持关闭状态；随着系统压缩机的运转，位于压缩机吸气口的气液分离器内的部分制冷剂将被抽吸到压缩机排气口下游的气体冷却器内，气体冷却器内部压力将升高，与之相通的活塞腔内的压力也将逐渐升高，当达到并超过最优压力时，活塞将带动活塞杆向上移动并使出气口开启，使得通过膨胀阀的流量迅速增大，活塞腔内的压力将逐渐降低，当降低到高压侧最优压力以下时，活塞杆下端将重新移动至出气口端口将出气口关闭；但随着活塞腔内压力重新升高并超过最优压力时，出气口又会重新开启，如此重复打开和关闭出气口的过程，最终使得气体冷却器内的压力总能达到相应出口温度下的最优压力，因此，在膨胀阀开度的自动调节下，二氧化碳汽车空调系统的运行效率将始终处于最优状态。

本发明所述膨胀阀在二氧化碳制冷系统中可以针对不同的气体冷却器出口温度自动调节气体冷却器内的压力达到最优压力，使系统运行的能效比达到最大值。并且不需要引入额外的驱动控制方式，而是运用了形状记忆合金材料制成的记忆弹簧作为感温控制元件，用系统自身压力作为驱动力，实现了完全的自动化调节。该膨胀阀整体设计紧凑，结构简单，调节灵敏度高，密封性好，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述二氧化碳汽车空调系统膨胀阀的主视剖面示意图。

具体实施方式

如图1所示，该二氧化碳汽车空调系统膨胀阀包括阀体1、开设于阀体1上的进气口12和出气口13，在阀体1内开设有型腔，型腔的下端与出气口13连通，该出气口13为圆锥形孔，型腔的上端旋接有调节螺塞7将型腔上端密封，为了使密封可靠，在调节螺塞7上套装有密封圈8。型腔内设置有隔板5，将型腔分隔成进气腔9和活塞腔11，进气腔9位于隔板5与调节螺塞7之间。在活塞腔11内设置有活塞杆2，其上端位于隔板5中与隔板5滑动配合，隔板5在与活塞杆2配合的孔壁内嵌有密封圈4，使活塞杆2与隔板5之间能够得以可靠密封。活塞杆2下端为圆锥体，位于出气口13处，可将出气口13的上端口封闭，当活塞杆2将出气口13封闭时，该圆锥体的圆锥面与出气口13的上端口接触。活塞杆2上固定有活塞3，活塞3位于活塞腔11内与活塞腔11滑动配合，进气口12位于活塞3下方，与活塞腔11连通。阀体1内开设有进气通道10将进气口12与进气腔9连通，进气腔9内安装有记忆弹簧6，记忆弹簧6是由形状记忆合金制成的压缩弹簧，其位于活塞杆2与调节螺塞7之间。

在汽车空调系统运行时，由气体冷却器流出的过冷或超临界流体通过进气口12流入膨胀阀，其中少量流体通过进气通道10流入进气腔9，此时位于进气腔9内的记忆弹簧6感受到由气体冷却器流入的流体温度，发生相应的形变并对活塞杆2产生向下的压力，该压力通过活塞杆作用于活塞3上。同时，大量流体进入活塞腔11，腔内压力作用于活塞3的下端面。当气体冷却器出口在某一温度和压力下，活塞3下端面受力小于活塞杆2对活塞3的作用力时，活塞杆2下端向下压紧出气口13，使膨胀阀处于关闭状态。随着系统的不断运行，当气体冷却器内部高压气体压力逐渐升高达到并超过最优压力时，与高压侧压力相等的活塞腔11的压力也逐渐升高，使得活塞3下端面受力达到并超过活塞杆2对活塞3的作用力，此时活塞杆2将向上移动并打开出气口13，使得通过膨胀阀的流量随即增大，高压侧压力将逐渐降低，当活塞腔11的压力小于最优压力时，活塞3将带动活塞杆2重新移动至出气口13上端口处，使膨胀阀处于暂时关闭状态，直到活塞腔11的压力随气体冷却器压力再次升高到最优压力时，出气口13又开始打开，打开和关闭出气口的动作如此反复进行，便使气体冷却器内的压力总能达到相应出口温度下的最优压力。

Claims (2)

1.二氧化碳汽车空调系统膨胀阀，包括阀体(1)、开设于阀体上的进气口(12)和出气口(13)，其特征在于：在阀体内开设有型腔，型腔的下端与出气口连通，型腔的上端旋接有调节螺塞(7)将型腔上端密封，型腔内设置有隔板(5)，将型腔分隔成进气腔(9)和活塞腔(11)，进气腔位于隔板与调节螺塞之间；在活塞腔内设置有活塞杆(2)，其上端位于隔板中与隔板滑动配合，下端位于出气口处，可将出气口的上端口封闭，活塞杆上固定有活塞(3)，活塞位于活塞腔内与活塞腔滑动配合，进气口位于活塞下方，与活塞腔连通；阀体内开设有进气通道(10)将进气口与进气腔连通，进气腔内安装有记忆弹簧(6)，记忆弹簧是由形状记忆合金制成的压缩弹簧，其位于活塞杆与调节螺塞之间。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳汽车空调系统膨胀阀，其特征在于：活塞杆(2)的下端为圆锥体，当活塞杆将出气口(13)封闭时，该圆锥体的圆锥面与出气口的上端口接触。

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