CN103890505B - 具有压力平衡的流量控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制冷系统的流量控制阀(1)。所述流量控制阀(1)包括：阀口(14)，具有布置成容纳阀构件(5)的突出部的大致圆柱形内周。所述阀构件(5)包括突出部，所述突出部具有对应于所述阀口(14)的内周的大致圆柱形外周，所述突出部也具有至少一个槽形部分(16)，所述至少一个槽形部分(16)限定了在阀构件(5)处于打开位置时沿着所述至少一个槽形部分(16)的流体通道。所述阀构件(5)设置有至少一个第一流体通道(6)和至少一个第二流体通道(7)，所述第一流体通道(6)在第二阀腔(15)和压力平衡腔(8)之间延伸通过阀构件(5)，所述第二流体通道建立了第一阀腔(12)和第一流体通道(6)之间的流体连接。所述第二流体通道(7)具有布置在所述阀构件(5)的突出部的大致圆柱形部分上的开口。本发明允许平衡腔(8)的压力经由槽形部分(16)独立于通过阀(1)的主流而被调节。

Description

具有压力平衡的流量控制阀

技术领域

本发明涉及一种用于制冷系统的流量控制阀，例如膨胀阀。本发明的流量控制阀包括用于降低操作所述阀所需要的力(即用于平衡所述阀)的压力均衡通道。

背景技术

当流量控制阀布置在流路中时，在所述阀的入口侧和出口侧之间引入压差。结果，力沿着通过所述阀的流体流的方向作用到阀构件上。依赖于所述阀的设计，由压差所引入的力可能朝向打开位置或朝向关闭位置推动阀构件。如果力朝向打开位置推动阀构件，则恒定的致动力必须在所述阀关闭时施加至阀构件，用于防止由压差所引起的力导致阀泄漏。另一方面，如果所述力朝向关闭位置推动阀构件，那么打开所述阀需要大的致动力，这是因为由压差所引入的力必须通过致动力来克服。

为了解决上述的问题，一些流量控制阀通过将阀的低压侧与压力平衡腔相互连接来进行平衡，该压力平衡腔与阀构件的一部分接触。由此，由于压差，阀构件上的合力被减小。

US6,568,656公开了一种用于制冷系统的流量控制阀。所述阀包括主体，该主体具有入口、出口、在入口和出口之间的连通通道，所述通道具有阀座。所述阀包括活塞腔和安装在活塞腔中的活塞，用于朝向和远离阀座移动。活塞包括均衡通道，在与活塞腔连通的上端口和下端口之间延伸。下端口布置在活塞的锥形部分中，沿着其在阀处于打开位置时出现通过阀的流体流。

US4,911,404公开了一种用于制冷系统的膨胀阀组件。阀组件包括阀体，该阀体具有上部、提供阀腔和阀口的中间部以及下部。阀进口和出口在阀口的两侧上与阀腔连通。活塞组件安装在所述阀体中用于关闭阀口。活塞组件包括槽形鼻部和泄放(bleed)通道。泄放通道布置在鼻部的槽形部分中。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种流量控制阀，其中当所述阀处于关闭位置时使泄漏的风险最小化。

本发明的实施例的还一目的是提供一种流量控制阀，在所述阀处于关闭位置时不需要施加致动力。

本发明实施例的又一目的是提供一种流量控制阀，其中可以以精确的方式容易地控制平衡力。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于制冷系统的流量控制阀，所述流量控制阀包括：

阀体，限定了流体入口、流体出口和在所述流体入口和所述流体出口之间的流体通道；

阀口，具有布置成容纳阀构件的突出部的大致圆柱形内周；

第一阀腔，布置在阀口的第一侧且与流体入口流体连接；

第二阀腔，布置在阀口的相反的第二侧且与流体出口流体连接；

阀构件，布置在所述阀体的内部部分中，所述阀构件包括突出部，所述突出部具有对应于所述阀口的内周的大致圆柱形外周，所述阀构件在关闭位置和打开位置之间能够移动，在关闭位置时借此防止流体流从第一阀腔流至第二阀腔，在打开位置允许这样的流体流，所述突出部也具有至少一个槽形部分，所述至少一个槽形部分限定了在阀构件处于打开位置时沿着所述至少一个槽形部分的流体通道，

其中所述阀构件设置有至少一个第一流体通道和至少一个第二流体通道，所述第一流体通道在第二阀腔和压力平衡腔之间延伸通过阀构件，所述第二流体通道建立了第一阀腔和第一流体通道之间的流体连接，所述第二流体通道具有布置在所述阀构件的突出部的大致圆柱形部分上的开口。

在本发明的上下文中，术语“流量控制阀”应当被解释成表示能够控制通过所述阀的流体的流量的阀。由此，流量控制阀可以处于关闭位置或打开位置，其中在关闭位置流量控制阀防止流体流通过所述阀，在打开位置流量控制阀允许流体流通过所述阀。另外，在流量控制阀处于打开位置时，所述阀可以进一步能够控制通过所述阀的流体的流量或流率，所述阀可以能够调整所述开度，用于获得期望的流量或流率。

在本发明的上下文中，术语“制冷系统”应当理解成表示其中诸如制冷剂等流体介质流循环且被交替地压缩和膨胀的系统，由此提供了对一体积的制冷或加热。因此，制冷系统可以例如是用于家庭式制冷的系统、或用于超市的制冷家具、空调系统、热泵等。

流量控制阀包括阀体，该阀体限定了流体入口、流体出口以及在流体入口和流体出口之间的流体通道。因此，流体可以经由流体入口进入流量控制阀、经由流体通道穿过所述阀以及经由流体出口从所述阀流出。

流量控制阀还包括阀口。阀口优选地布置在流体通道中。如上所述，穿过所述阀的流体穿过所述阀口。阀口具有布置成容纳阀构件的突出部分的大致圆柱形内周。这将在下文中被详细地描述。

另外，流量控制阀包括第一阀腔和第二阀腔。第一阀腔布置在阀口的第一侧、与流体入口流体连接；第二阀腔布置在阀口的相反的第二侧、与流体出口流体连接。因此，穿过所述阀的流体穿过所述流体入口、进入第一阀腔、穿过阀口、进入第二阀腔以及经由流体出口流出所述阀。

阀构件布置在阀体的内部部分中。阀构件包括突出部，该突出部具有对应于所述阀口的内周的大致圆柱形的外周。因此，阀构件在阀构件装配到阀口的圆柱形内周中的含义上与阀口“匹配”。由此，阀构件相对于阀口的位置确定了通过阀口的流体流量，由此确定通过所述阀的流体流量。

阀构件在关闭位置和打开位置之间能够移动，在关闭位置通过阀口的流体流被防止，在打开位置通过阀口的流体流被允许。在打开位置，另外还可以如上所述地调整所述阀的开度。

阀构件的突出部还具有至少一个槽形部分。所述至少一个槽形部分限定了通过阀口且在阀构件处于打开位置时沿着槽形部分的流体通道。因此，当阀构件处于打开位置时，流过所述阀的流体穿过在阀口的内周和阀构件的槽形部分之间限定的通道。

阀构件还设置有至少一个第一流体通道，该第一流体通道在第二阀腔和压力平衡腔之间延伸通过阀构件。在操作期间，在流体入口处的流体压力高于在流体出口处的流体压力。因此，在第一阀腔处的压力高于在第二阀腔处的压力，压差横跨于阀口存在。压差朝向打开位置或朝向关闭位置推动阀构件，依赖于流量控制阀的设计和通过阀的流体流的方向。如果压差朝向打开位置推动阀构件，那么存在在关闭位置阀泄漏的风险。另一方面，如果压差朝向关闭位置推动阀构件，那么打开所述阀所需要的致动力可能非常高。延伸通过所述阀构件的第一流体通道部分地解决了该问题，因为第一流体通道确保了第二阀腔的低压也存在于压力平衡腔处。压力平衡腔被布置成使得所述平衡腔的低压抵消了由于压差而作用到阀构件上的力。例如，压力平衡腔可以布置在阀构件的末端处，所述末端布置成与突出部相反。

所述阀构件还设置有至少一个第二流体通道，其建立了第一阀腔和第一流体通道之间的流体连接。第二流体通道确保在阀构件处于打开位置时压力平衡腔中的压力略微高于第二阀腔中的压力。这具有压力均衡不再完全的作用，由于压差而作用到阀构件上的合力与没有设置第二流体通道的方案相比被增加。这具有避免了阀构件的振动的作用。另外，如果流量控制阀被设计成使得由于压差而作用到阀构件上的力朝向关闭位置推动阀构件，则其确保了合力足以确保所述阀在关闭位置时处于密封或不泄漏。

第二流体通道具有开口，该开口布置在阀构件的突出部的大致圆柱形部分处。这意味着第二流体通道的开口未布置在突出部的槽形部分处。由此，开口布置在没有形成通过阀口的主流路的一部分的部分处。这是有利的，因为通过第二流体通道的流体流由此完全独立于通过阀的主流体流，其经由槽形部分而发生。这允许通过第二流体通道的流体流被非常精确地控制，以及为了满足特定的要求，例如关于流体的类型、流体的状态(液态和/或气态)、压差等。

阀构件还可以具有在外周的区域中的沟槽，包括第二流体通道的开口。沟槽提供至所述开口的流体供给，由此提供至第二流体通道的供给，即使阀构件处于所述开口不与第一阀腔直接流体接触的位置。

沟槽可以是锥形的，在该情形中以上文所述的方式供给至所述开口的流体量依赖于阀构件相对于阀口的关闭位置和打开位置的位置。因此，沟槽的设计允许通过第二流体通道的流体流，由此作用到阀构件上的合力被作为阀构件的位置的函数精确地控制。

沟槽可以在关闭位置和打开位置之间沿着阀构件的大致轴向方向延伸。根据该实施例，经由所述沟槽供给至所述开口的流体量依赖于沿着移动方向的阀构件的位置。

阀构件的突出部的槽形部分可以具有大致抛物线形状。根据该实施例，流过所述阀的流体的流量或流率依赖于所述阀构件相对于阀口的位置，因为在槽形部分和阀口的内周之间所限定的开口在阀构件被移动远离关闭位置时增大。抛物线形状确保了阀构件的位置与流量或流率之间的期望的关系。

第一阀腔和阀口可以由一元件限定，该元件可拆卸地安装在流量控制阀上。根据该实施例，阀的表面在阀的操作期间和另外在阀的装配期间被保护。另外，因为所述元件是可拆卸的，所以易于执行所述元件的维护或更换，因此确保了所述阀的可靠的操作。

从流体入口至第一阀腔的流体流可以经由形成在所述元件的壁部分中的一个或更多的切口出现。根据该实施例，切口形成了过滤器，在这样的杂质到达制冷系统的其余部分之前从流过所述阀的流体移除了杂质。另外，因为所述元件是可拆卸的，容易清洁所述过滤器。

切口可以例如是狭缝或槽。可以容易地在所述元件中切割出狭缝或槽，狭缝或槽因此从制造的角度来看是有利的。替代地，切口可以是在元件的壁部分中钻出的圆形孔，或切口可以具有任何其他的合适的形状。

流量控制阀还可以包括用于移动阀元件的致动器。致动器可以是任何合适的类型，例如电致动器。致动器可以例如包括螺纹主轴，将致动器的旋转移动转换成阀构件的线性移动。

根据第二方面，本发明提供了一种用于流量控制阀的阀构件，所述阀构件包括突出部，所述突出部具有对应于阀口的内周的大致圆柱形的外周，所述突出部具有至少一个槽形部分，其中所述阀构件设置有至少一个第一流体通道和至少一个第二流体通道，所述第一流体通道延伸通过阀构件，第二流体通道建立了在所述阀构件的外周和第一流体通道之间的流体连接，所述第二流体通道具有布置在阀构件的突出部的大致圆柱形部分上的开口。

根据本发明的第二方面的阀构件适合于用于根据本发明的第一方面所述的流量控制阀。上文的论述因此同样适用于本发明的第二方面。

根据本发明的第三方面提供了一种制冷系统，包括压缩机、冷凝器、蒸发器和根据本发明的第一方面的流量控制阀，所述流量控制阀布置成控制供给至蒸发器的流体的流量。

应当注意到，本领域技术人员将容易认识到结合本发明的第一方面所描述的任何特征还可以组合到本发明的第二方面或第三方面中，结合本发明的第二方面所描述的任何特征还可以与本发明的第一或第三方面组合，以及结合本发明的第三方面所描述的任何特征还可以与本发明的第一或第二方面组合。

根据本发明的第三方面的制冷系统还可以有利地以下述的方式操作。压缩机、冷凝器、流量控制阀和蒸发器布置在制冷流路中，合适的制冷剂在其中流动。制冷剂在压缩机中被压缩。被压缩的制冷剂被供给至冷凝器，在其中制冷剂至少部分地被冷凝，离开冷凝器的制冷剂大致处于液相。制冷剂之后穿过流量控制阀，在其中制冷剂被膨胀。膨胀后的制冷剂在制冷剂被再次供给至压缩机之前被供给至蒸发器，其中蒸发制冷剂，以及重复所述循环。在冷凝器以及蒸发器处发生热交换。在冷凝器处，热交换导致了从制冷系统射出的热量，与冷凝器的热交换提供对一体积的加热。在蒸发器处，热交换导致了热量供给至制冷系统，与蒸发器的热交换提供对一体积的制冷。

流量控制阀控制至蒸发器的制冷剂的供给。制冷剂的供给可以根据过热控制策略被有利地控制。在此情形中，离开蒸发器的制冷剂的过热度被测量，至蒸发器的制冷剂的供给被控制以获得过热值，其是零或接近零以及是正的。正的过热确保了液态制冷剂未被允许通过蒸发器且到达压缩机。如果液态制冷剂被供给至压缩机，那么液态制冷剂可能损坏压缩机，供给至压缩机的液态制冷剂因此不是期望的。另一方面，非常高的过热值表示制冷剂被加热以及在蒸发器中被蒸发。由此，在蒸发器中消耗的一些能量被用于加热制冷剂，制冷系统的效率是差的。因此，小但是是正的过热值表示制冷系统被以最优的效率操作，而没有损坏压缩机的风险。

在制冷剂路径中流动的制冷剂可能有利地是CO₂。可替代地，制冷剂可以是任何其他合适类型的制冷剂，诸如R134a，R404A，R407A，R407B，R407C或R410C。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明实施例的流量控制阀的横截面示意图；

图2-4是图1的流量控制阀的一部分在三个不同的位置的透视图；

图5是示出根据本发明实施例的作为流量控制阀的阀行程的函数的拉力的图表；和

图6-9示出了根据本发明的实施例的阀构件。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的流量控制阀1的横截面视图。流量控制阀1包括阀体2，该阀体2限定流体入口3和流体出口4。阀构件5被以参考图2-4更加详细地描述的方式可移动地布置在阀体2的内部中。阀构件5可以处于关闭位置或打开位置，在关闭位置防止从流体入口3至流体出口4的流体流，在打开位置这样的流体流被允许。

第一流体通道6轴向地延伸通过阀构件5，第二流体通道7在第一流体通道和阀构件5的一侧之间延伸通过阀构件5。第一流体通道6将阀1的低压侧与压力平衡构件8相互连接，以及第二流体通道7将阀1的高压侧与第一流体通道6相互连接。这将在下文被详细描述。致动器9经由主轴10使得阀构件5移动。

图2-4是图1的流量控制阀1的一部分的横截面视图，示出了在操作期间的阀构件5的移动。因此，阀构件5在图2中处于关闭位置，在图3中阀构件5处于部分打开位置，在图4中阀构件5处于完全打开位置。

可拆卸地安装在阀上的元件11限定了第一阀腔12，该第一阀腔经由多个切口13流体连接至流体入口(在图2-4中未示出)。切口13提供了过滤功能，防止大的杂质进入第一阀腔12。所述元件11还用圆柱形内周限定了阀口14。阀口14流体连接至第二阀腔15(在图1中显示)，其又流体连接至流体出口(在图2-4中不可见)。因此，第一阀腔12中的压力与经由流体入口进入所述阀的流体压力大体相同，第二阀腔15中且在阀构件5下方的阀口14的部分中的压力大致与经由流体出口离开所述阀的流体的压力大体相同。因此，第一阀腔12中的压力高于第二阀腔15中的压力，由此横跨阀口14存在压差。

阀构件5具有突出部，该突出部布置在阀口14中。突出部具有大致圆柱形的外周，由此与阀口14的圆柱形内周匹配。突出部还设置有三个槽形部分16，其中之一是可见的。槽形部分16具有抛物线形状。可替代地，其他的类似于抛物线形状的形状或甚至其他几何形状也是可以的。第二流体通道7具有开口，该开口布置在突出部的圆柱形部分处，即开口未布置在槽形部分16处。锥形沟槽17形成在第二流体通道7的开口的表面区域中。

在图2中，阀构件5布置成与阀口14的上部邻接。槽形部分16、第二流体通道7的开口和锥形沟槽17都布置在阀口14中。由此，流体被防止从第一阀腔12经由阀口14流入到第二阀腔15中，因为阀构件5布置在完全关闭的位置。第一流体通道6确保压力平衡腔8中的压力与第二阀腔15中的压力相同。第一阀腔12中的高压沿着朝向阀口14和朝向关闭位置的方向推动阀构件5。然而，因为相同的压力出现在第二阀腔15和压力平衡腔8中，所以对应于阀口14的直径的阀构件5的一部分被平衡，高压仅作用到布置在阀口14的直径之外的阀构件5的环形部分上。作用到阀构件5的合力与没有第一流体通道6的情形相比被减小。由此，打开所述阀所需要的力被减小。然而，合力仍然是正向的，由此确保阀构件5保持在关闭位置，且所述阀是密封的。

在图3中，阀构件5已经朝向向上的方向移动，由此将槽形部分16布置成与第一阀腔12流体连接。结果，流体现在被允许从第一阀腔12沿着槽形部分16朝向第二阀腔15流动，阀构件5布置在部分打开的位置。另外，锥形沟槽17的一部分布置成与第一阀腔12流体连接，由此允许高压流体经由锥形沟槽17和第二流体通道7从第一阀腔12流至第一流体通道6。由于锥形沟槽17的一部分被布置成与第一阀腔12流体连接，压力平衡腔8中的压力略微增大，由此略微高于第二阀腔15中的压力。这增加了在朝向关闭位置的方向上阀构件5上的合力。另一方面，第一阀腔12的高压作用到阀构件5的槽形部分16上，由此提供了在远离关闭位置的方向上推动阀构件5的力。作用在阀构件5上的合力在朝向关闭位置的方向上仍然是正的，但是合力被平衡使得在远离关闭位置朝向更大的开度的方向上移动阀构件5所需要的力不是过大的。

槽形部分16和锥形沟槽17被以这样的方式设计以使得阀构件5移动离开关闭位置越远，通过槽形部分16以及通过锥形沟槽17和第二流体通道7的流量越大，这是因为槽形部分16和锥形沟槽17的更大的部分被暴露至高压。因此，移动阀构件5同时改变阀的开度，通过高的压力调整作用到槽形部分16上的力，并且调整了压力平衡腔8中的压力。

一个优点是锥形沟槽17和第二流体通道7的开口布置在阀构件5的圆锥形部分处，这是因为这提供了设计锥形沟槽17的可能性，用于依照期望的方式调整所述平衡腔8中的压力，并且由此调整作用到阀构件5上的合力，而无需考虑经由槽形部分16通过所述阀的流体的流量。

在图4中，阀构件5已经在远离关闭位置的方向进一步移动，阀构件5现在处于完全打开位置。从图4可知，槽形部分16的更大的部分现在与第一阀腔12流体连接。由此，经由槽形部分16通过阀的流量已经被增加，在远离关闭位置的方向上作用到槽形部分16上的力由于第一阀腔12中的高压也被增加。同时，锥形沟槽17以及第二流体通道7的开口已经完全移动到第一阀腔12中，由此确保了从第一阀腔12至第一流体通道6的最大流量，并且由此确保了压力平衡腔8中的最大压力。

图5是示出在阀构件5被在如图2所示的关闭位置18与如图4所示的完全打开位置19之间移动时作为阀构件5的位置(阀行程)的函数的作用到阀构件5上的最终的拉力的图表。从图5可见，在移动期间拉力保持是正的，合力在朝向关闭位置的方向上推动阀构件5。还显然的是，拉力在大部分移动上是大致恒定的。由于锥形沟槽17的精心设计，实现了拉力在大部分移动上是大致恒定的。

图6-9示出根据本发明的实施例的阀构件5。在图6-9中显示的阀构件5可以例如用在图1-4中所显示的阀1中。图6是侧视图，图7是透视图，图8是端视图，以及图9是阀构件5的横截面视图。

在图6中，可见两个槽形部分16、锥形沟槽17以及第二流体通道7的开口。在图7中，可以看到所有三个槽形部分16、以及锥形沟槽17和第一流体通道6。在图8中，明显的是，第一流体通道6完全延伸通过阀构件5，可以看到所有三个槽形部分16。在图9中，可以看到锥形沟槽17，明显的是第二流体通道7延伸通过阀构件5，建立了至第一流体通道6的流体连接。还可以看到第一流体通道6完全延伸通过阀构件5。

Claims (10)

1.一种用于制冷系统的流量控制阀(1)，所述流量控制阀(1)包括：

阀体(2)，限定了流体入口(3)、流体出口(4)和在所述流体入口(3)和所述流体出口(4)之间的流体通道；

阀口(14)，具有布置成容纳阀构件(5)的突出部的大致圆柱形内周；

第一阀腔(12)，布置在阀口(14)的第一侧且与流体入口(3)流体连接；

第二阀腔(15)，布置在阀口(14)的相反的第二侧且与流体出口(4)流体连接；

阀构件(5)，布置在所述阀体(2)的内部部分中，所述阀构件(5)包括突出部，所述突出部具有对应于所述阀口(14)的内周的大致圆柱形外周，所述阀构件(5)能够在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置时借此防止流体流从第一阀腔(12)流至第二阀腔(15)，在打开位置中允许这样的流体流，所述突出部也具有至少一个槽形部分(16)，所述至少一个槽形部分(16)限定了在阀构件(5)处于打开位置时沿着所述至少一个槽形部分(16)的流体通道，

其中所述阀构件(5)设置有至少一个第一流体通道(6)和至少一个第二流体通道(7)，所述第一流体通道(6)在第二阀腔(15)和压力平衡腔(8)之间延伸通过阀构件(5)，所述第二流体通道建立了在第一阀腔(12)和第一流体通道(6)之间的流体连接，所述第二流体通道(7)具有布置在所述阀构件(5)的突出部的大致圆柱形部分上的开口。

2.根据权利要求1所述的流量控制阀(1)，其中所述阀构件(5)还具有形成在所述外周的区域中的沟槽(17)，所述外周包括第二流体通道(7)的开口。

3.根据权利要求2所述的流量控制阀(1)，其中所述沟槽(17)是锥形的。

4.根据权利要求2或3所述的流量控制阀(1)，其中所述沟槽(17)在关闭位置和打开位置之间沿着阀构件(5)的大致轴向移动方向延伸。

5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的流量控制阀(1)，其中所述阀构件(5)的突出部的槽形部分(16)具有大致抛物线形状。

6.根据前述权利要求1-3中任一项所述的流量控制阀(1)，其中所述第一阀腔(12)和阀口(14)由一元件(11)限定，所述元件(11)以可拆卸方式安装在所述流量控制阀(1)上。

7.根据权利要求6所述的流量控制阀(1)，其中从流体入口(3)至第一阀腔(12)的流体流经由形成在所述元件(11)的壁部分中的一个或更多的切口(13)流过。

8.根据前述权利要求1-3中任一项所述的流量控制阀(1)，还包括用于导致所述阀构件(5)的移动的致动器(9)。

9.一种用于流量控制阀(1)的阀构件(5)，所述阀构件(5)包括突出部，所述突出部具有对应于阀口(14)的内周的大致圆柱形的外周，所述突出部具有至少一个槽形部分(16)，其中所述阀构件(5)设置有至少一个第一流体通道(6)和至少一个第二流体通道(7)，所述第一流体通道延伸通过阀构件(5)，第二流体通道建立了在所述阀构件(5)的外周和第一流体通道(6)之间的流体连接，所述第二流体通道(7)具有布置在阀构件(5)的突出部的大致圆柱形部分上的开口。

10.一种制冷系统，包括压缩机、冷凝器、蒸发器和根据权利要求1-8中任一项所述的流量控制阀(1)，所述流量控制阀(1)被布置成控制供给至蒸发器的流体的流量。