CN104864119A - 一种旋转式流路切换阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制冷控制技术领域，公开了一种旋转式流路切换阀，包括驱动部件和通过所述驱动部件的驱动轴连接的阀体部件，所述阀体部件包括定义有第一组流路通道和第二组流路通道的阀体、通过旋转方式切换所述第一组流路通道与所述第二组流路通道的阀芯，其特征在于，所述阀体部件还包括被所述驱动轴带动一并转动的主动盘、通过第一间隙连动机构与所述主动盘连接以在主动盘的预设的转角行程内传递轴向运动的从动盘，所述驱动轴与所述阀芯通过第二间隙连动机构连接以在所述驱动轴的预设的转角行程内向所述阀芯传递周向运动，所述阀体部件还包括将所述阀芯向所述阀体抵接的弹簧，本发明避免了现有技术在长期受力运动后易磨损及换向卡死的问题，可靠性高。

Description

一种旋转式流路切换阀
技术领域
本发明涉及制冷控制系统的技术领域，特别涉及一种旋转式流路切换阀，尤其适合于大型商用制冷系统。
背景技术
目前商用空调系统用的制冷控制元件之一的切换阀，主要采用大型并联式活塞式切换阀，该产品在市场中已成熟应用。但根据市场反馈及技术分析看，并联换向由于造价高、压力损失大等原因不利于降低成本和提高能源利用效率。所以，商用控制系统领域开始考虑采用回转式切换阀代替并联式切换阀。例如在中国CN102042422B的授权专利中，给出了一种商用制冷系统中使用的回转式切换阀技术。具体工作方式如下：
1、制冷稳态下：阀芯与阀体的阀口处于压紧配合状态，通过阀芯内的切换通道，高压气体进入冷凝器，低压气体由蒸发器出口进入压缩机吸气；2、换向过程：阀芯被向下抵压，使阀芯与阀体分离，阀体与阀芯之间产生间隙，进一步旋转换向，此时阀芯与阀体之间并无接触，从而保证了换向的顺利完成，再通过弹簧作用将阀芯复位，使阀芯与阀体的阀口处于压紧状态；3、制热稳态：阀芯的阀口处于与阀体压紧状态，通过阀芯内的切换通道，高压气体进入换热器。
在该技术方案中，为避免在金属硬密封型式下，阀芯对杂质、温度、润滑等因素影响导致卡死不换向的问题，通过阀芯顶出--阀芯旋转--阀芯复位方式，达到高流通性能的换向目的，有效解决了切换卡死问题。
但是，如前述的现有技术，为达到间歇传送目的，采用行星齿轮、机械伸缩机构及螺纹联动等，结构相对复杂成本相对较高。而且，由于大型制冷设备中机械传动产生的力矩和换向冲击力很大，在产品工作一定时间后，金属部件的齿轮和螺纹部分易发生磨损，影响运行联动的准确性，产品可靠性不高，还会造成安全隐患。
同时，现有技术中的进一步问题是，阀芯是倒锥形设置与阀体配合的结构。由于阀芯与阀体之间密封面在阀的高低压的压差作用下，会使阀芯趋于压紧方向受力，在大型商用制冷系统中，这个压紧力可能比较大，单靠设置的弹簧来使阀芯脱开阀体比较困难，可靠性不高。为此，如何提供一种适应于大型制冷控制系统的可靠性高而且结构简单的换向阀，是本技术领域的技术人员所要解决的问题。
发明内容
鉴于以上问题的存在，本发明公开了一种旋转式流路切换阀，包括驱动部件和通过所述驱动部件的驱动轴连接的阀体部件，所述阀体部件包括定义有第一组流路通道和第二组流路通道的阀体、通过旋转方式切换所述第一组流路通道与所述第二组流路通道的阀芯，所述阀体部件还包括被所述驱动轴带动一并转动的主动盘、通过第一间隙连动机构与所述主动盘连接以在主动盘的预设的转角行程内传递轴向运动的从动盘，所述驱动轴与所述阀芯通过第二间隙连动机构连接以在所述驱动轴的预设的转角行程内向所述阀芯传递周向运动，所述阀体部件还包括将所述阀芯向所述阀体抵接的弹簧。
如上述旋转式流路切换阀，进一步，所述第一间隙连动机构包括设置在所述主动盘端部的第一凸凹部和设置在所述从动盘端部的第二凸凹部，通过所述第一凸凹部与所述第二凸凹部配合，使所述主动盘或从动盘抵接所述阀芯进行轴向移动；
进一步，所述第二间隙连动机构包括设置在所述阀芯上的带有第一周向限位部的配合孔和设置在所述驱动轴上的配合轴，通过所述配合轴与所述配合孔的配合，使所述驱动轴在其预设的转角行程内带动所述阀芯转动；
优选地，还包括限制所述从动盘周向转动的第一限位机构和轴向移动的第二限位机构，所述主动盘可滑动地设置在所述驱动轴上，并可抵接所述阀芯进行轴向移动；
进一步，还包括固定在所述阀体上的限位板，所述第一限位机构包括设置在所述限位板上的带有第二周向限位部的配合孔和设置在所述从动盘上的配合轴；所述第二限位机构包括设置在所述限位板上的第一限位端部和设置在所述从动盘上的第二限位端部；
优选地，所述主动盘与所述驱动轴固定连接，所述从动盘可抵接所述阀芯进行轴向移动；
进一步，所述驱动轴上设置的配合轴具体为长方形键轴；
进一步，所述阀体部件上还设置有止挡所述阀芯转动的止挡部件；
进一步，如上述旋转式流路切换阀，所述阀芯为至少带有两个切换通道的大致为上小下大的锥台结构，所述两个切换通道的端口设置在锥面上，所述弹簧设置在所述阀芯的底部，所述配合孔设置在所述阀芯的上部；
进一步，所述阀体具有与所述阀芯配合的大致为上小下大的锥台结构的阀腔，所述阀体的锥面上设置有阀口；
进一步，如上述旋转式流路切换阀，当所述阀芯轴向移动时，所述阀芯不转动；当所述阀芯转动时，所述阀芯不轴向移动；
进一步，当所述阀芯在所述弹簧的压力作用下轴向移动向所述阀体抵接时，所述驱动轴不转动；
进一步，所述切换阀的流路切换过程包括：第一阶段，所述驱动轴带动所述主动盘旋转，所述阀芯向抵接所述阀体的相反方向轴向移动，所述阀芯不转动；第二阶段，所述驱动轴带动所述主动盘转动，所述阀芯与所述驱动轴同步转动，所述阀芯轴向不移动；第三阶段，所述驱动轴和所述主动盘不转动，所述阀芯向抵接所述阀体的方向轴向移动，所述阀芯不转动。
本发明给出的旋转式流路切换阀，通过在驱动轴、主动盘、从动盘、阀芯及阀体之间，分别在周向和轴向设置凸凹联动机构，在预设的角度行程区间内，控制阀芯的转动或轴向移动来达到换向过程。不同阶段的动作可以独立设置，结构简单。另一方面，凸凹连动结构即使运动部件的运动面上产生一定的磨损，也不会造成运动的卡死现象，避免了齿轮和螺纹之间连接，长期受力运动后易磨损的问题，提高了系统的可靠性。
附图说明：
图1：本发明给出的一种旋转式流路切换阀的优选例的示意图；
图2a：图1中的切换阀的主动盘的结构示意图；
图2b：图1中的切换阀的从动盘的结构示意图；
图3：图1中的切换阀的限位板的结构示意图；
图4：驱动轴逆时针旋转时主动盘与从动盘之间位置变化过程示意图；
图5：驱动轴逆时针旋转时图1中的切换阀分别在X1/X2/X3截面上以反映不同连动机构的运动状态示意图；
图6：驱动轴顺时针旋转时主动盘与从动盘之间位置变化过程示意图；
图7；驱动轴顺时针旋转时图1中的切换阀分别在X1/X2/X3截面上以反映不同连动机构的运动状态示意图；
图8：流路切换过程中相关运动部件的时序变化示意图；
图9：图1中的切换阀在X4截面以反映流路切换的结构示意图；
图10：本发明给出的另一种旋转式流路切换阀的优选例的示意图。
图中符号说明：
100-驱动部件、200-阀体部件；
210-阀体、211-阀口、212-限位销；
220阀芯、221-配合孔；
222/223-切换通道；
224/225/226/227-阀芯端口；
228-限位件、229-第一周向限位部；
230限位板、231-配合孔；
232-第一限位端部、234-周向凸凹部；
235-第二周向限位部；
240-弹簧
250/250A-主动盘、251-第一凸凹部；
260/260A-从动盘、261-第二凸凹部；
262-配合轴、263-第二限位端部、264-凸凹部；
270-基座、280-盖板、290-阀腔；
300-驱动轴、310-配合轴。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种制冷系统用的高可靠性结构简单的旋转式流路切换阀，不失一般性，下面以四通换向阀为例，并结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
需要指出的是，本文中所涉及的左、右、上和下等方位词只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，本文所采用的方位词不应限制本申请请求的保护范围。
图1为本发明给出的一种旋转式流路切换阀的优选例的结构示意图；图9为图1中的流路切换阀在X4截面以反映流路切换方法的结构示意图。
如图1和图9所示。旋转式流路切换阀包括驱动部件100和阀体部件200，驱动部件100上的驱动轴300连接阀体部件200。驱动部件100一般由步进电机和减速结构组成(图中未示出)。阀体部件200包括阀体210、固定在阀体210底部的基座270和固定在阀体210上部的盖板280。在本具体的实施例中，阀体210中间形成大致为上小下大的锥台形状的阀腔290。其中设置有同样上小下大的台结构的阀芯220。基座270和盖板280配合使阀腔290上下密闭。阀体210与阀芯220之间靠锥面密封。在阀芯220的锥面上开设有四个阀芯端口224/225/226/227，在阀芯220的内部具有连接端口224及端口225的第一切换通道222，和连接端口226和227的第二切换通道223。
在阀体210上开设有四个端口A、B、C、D，上述端口A、B、C、D延伸至阀腔290在锥面上形成阀口211。通过阀芯220旋转，可以使第一切换通道222连接端口A与端口B，第二切换通道223连接端口C与端口D，即“A-B、C-D”可定义为阀体210的第一组流路通道；通过阀芯220旋转，也可以使第一切换通道222连接端口B于端口C，第二切换通道223连接端口D与端口A，即“B-C、D-A”定义为阀体210的第二组流路通道连通。当第一组流路通道连通时，第二组流路通道闭合；当第二组流路通道连通时，第一组流路通道闭合。上述功能即可实现系统的流路切换。当然也可以设置进行其他方式流路的切换来满足流路切换阀的功能要求，在本实施例中具体为四通换向阀，但本技术领域的设计人员也可根据本发明技术，设计成多通道换向形式，在此不再赘述。
压力弹簧240安装在阀芯220的底部，压力弹簧240通过阀体部件200的基座270向上将阀芯220抵向阀体210以闭合阀口211。
在本实施例中，阀体部件200中的驱动轴300与主动盘250通过键槽连接。主动盘250可轴向滑动的设置在驱动轴300上，驱动轴300可带动主动盘250转动的前提下，主动盘250还可相对于驱动轴300上下移动。
图2a和图2b分别是图1中切换阀的主动盘和从动盘结构示意图。图3为图1中切换阀的限位板结构示意图。
如图2a、图2b和图3所示，并参照图1。从动盘260设置在主动盘250的上方，在主动盘250轴向朝向从动盘260的端部设置有第一凸凹部251；在从动盘260轴向朝向主动盘250的端部设置有第二凸凹部261。第一凸凹部251与第二凸凹部261配合形成第一间隙连动机构，使主动盘250在预设的转角行程内向从动盘260传递运动(即通过凸轮机构原理，在主动盘250设定的转角区间内，使从动盘260受压进行轴向移动)。
从动盘260可分离的套设在驱动轴300外周部，限位板230固定在阀体210上，从动盘260的外周部设置有向外方向延伸的凸凹部264，作为周向限位的配合轴262。在限位板230的中间设置带有向轴心方向的周向凸凹部234的非整圆孔作为配合孔231，内部形成第二周向限位部235。上述配合轴262与配合孔231相对设置作为第一限位机构，以在从动盘260预设的转角行程内阻挡从动盘260周向转动(即当从动盘260的配合轴262在配合孔231中自由转动一个角度后，与第二周向限位部235接触，停止转动)。
在限位板230的朝向从动盘260的下端部还设置有第一限位端部232，在从动盘260朝向限位板230的上端也设置有第二限位端部263，上述限位端部配合作为第二限位机构，以限制从动盘260轴向向上移动。
在驱动轴300的端部设置有长方形键轴作为配合轴310，阀芯220上设置的带有在周向向轴心凸起和凹陷的沉孔221作为配合孔221，凸起和凹陷过度部分作为第一周向限位部229。配合孔221与配合轴310配合作为第二间隙连动机构，使驱动轴300带动阀芯220在驱动轴300的预设的转角行程内转动(即当驱动轴300的配合轴310在配合孔231中自由转动一个角度后，与第一周向限位部229接触，并带动阀芯220转动)。
图4为驱动轴逆时针旋转时，主动盘与从动盘之间位置变化过程示意图，图5为驱动轴逆时针旋转时，图1中切换阀分别在X1/X2/X3截面上以反映不同连动机构的运动状态示意图。其中X1截面主要反映从动盘260与限位板230之间的位置关系变化图；X2截面主要反映阀芯220与阀体210的限位关系的变化图；X3截面主要反映驱动轴300与阀芯220之间的位置关系变化图。
如图4和图5所示。假设阀体部件200的从动盘260、主动盘250和阀芯220等运动部件在换向初始的相对状态如图5所示，即体现各传动件在X1、X2、X3截面的相互位置关系。当驱动轴300开始逆时针转动时，带动主动盘250逆时针转动，主动盘250与从动盘260此时凹凸部(凸轮连动结构)为已经处于贴合状态(见图4中的a位置关系)，而且从动盘260受到限位板230的轴向限制和周向转动限制不能动作，主动盘250旋转挤压从动盘260，压力使主动盘250向下移动(见图4中的b位置关系)，这样主动盘250带动阀芯220克服弹簧240的弹力下移，实现阀芯220与阀体210脱离，将阀体210上的四个端口A、B、C、D打开。在上述运动过程中，由于第二间隙连动机构的设置位置关系(见图5中的X3截面图)，驱动轴300的配合轴310与阀芯220的配合孔221是脱离的，所以阀芯不转动。
当旋转一定行程后，驱动轴300的配合轴310与阀芯220的配合孔221的第一周向限位部229接触后，阀芯220被带动转动。当驱动轴300带动阀芯200继续旋转到一定的行程后，阀芯220上设置的限制件228与阀体部件200上的限位板230上设置的止挡部件(限位销)212接触(见图7的X2截面图)，阀芯220停止转动，驱动部件100完成动作，阀体部件200完成换向功能。
在这种状态下，弹簧240通过阀芯220向主动盘250施加一个轴向向上的力，由于主动盘250与从动盘260凹凸部抵接关系，会迫使从动盘260向顺时针旋转，这样一来使主动盘250上升(见图4中的c位置关系)，阀芯220也轴向向上移动，实现阀芯220回复功能。
图6为驱动轴顺时旋转时，主动盘与从动盘之间位置变化过程示意图，图7为驱动轴顺时针旋转时，图1中切换阀分别在X1/X2/X3截面上以反映不同连动机构的运动状态示意图。其中X1截面主要反映从动盘260与限位板230之间的位置关系变化图；X2截面主要反映阀芯220与阀体210的限位关系的变化图；X3截面主要反映驱动轴300与阀芯220之间的位置关系变化图。
如图6和图7所示。假设阀体部件200的从动盘260、主动盘250和阀芯220等运动部件在换向初始的相对状态如图7所示，即体现各传动件在X1、X2、X3截面的相互位置关系。当驱动轴300开始顺时针转动时，带动主动盘250顺时针转动，主动盘250与从动盘260此时凹凸部(凸轮连动结构)为已经处于贴合状态(见图6中的a位置关系)，而且从动盘260受到限位板230的第一限位端部232的轴向向上的限制，和第二周向限位部235的转动限制。主动盘250旋转挤压从动盘260，该压力使主动盘250向下移动(见图6中的b位置关系)，这样主动盘250带动阀芯220克服弹簧240的弹力下移，实现阀芯220与阀体210脱离，将阀体210上的四个端口A、B、C、D打开。在上述运动过程中，由于第二间隙连动机构的设置位置关系(见图7中的X3截面图)，驱动轴300的配合轴310与阀芯220配合孔221的第一周向限位部229还没有接触，所以阀芯220不转动。
当驱动轴300旋转一定角度行程后，驱动轴300的配合轴310与阀芯220配合孔221的第一周向限位部229接触，带动阀芯220转动。当驱动轴300带动阀芯220继续旋转到一定的程角后，阀芯220上设置的限制件228与阀体部件上200的限位板230上的止挡部件(限位销212)接触(见图5中的X2截面图)，阀芯220停止转动，驱动部件100完成动作，阀体部件200完成换向功能。
在这种状态下，弹簧240通过阀芯220向主动盘250施加一个轴向向上的力，由于主动盘250与从动盘260凹凸部抵接关系，会迫使从动盘260向逆时针旋转使主动盘250上升(见图6的c位置关系)，阀芯220也轴向向上移动，实现阀芯回复功能。
图10为本发明给出的另一种旋转式流路切换阀的优选例的示意图。
如图10所示。在本具体实施例中，对前述方案进行延伸，将主动盘250A固定连接在驱动轴300上，从动盘260A可相对与驱动轴轴向滑动。这样设置的方案也可以实现如前技术方案的阀的切换功能，，所以在此不再赘述。本领域的技术人员应该可以得到启发，上述变化都应该在本发明的保护范围内。
图8为切换阀在流路切换过程中相关运动部件的时序变化简图。
如图8所示。切换阀的流路切换过程包括：第一阶段Q1，驱动轴300带动主动盘250旋转，阀芯220向抵接阀体210的相反方向轴向移动以脱离阀体210，阀芯220不旋转；第二阶段Q2，驱动轴300带动主动盘250旋转，阀芯220与驱动轴300联动动转，但阀芯220轴向不移动；第三阶段Q3，驱动轴300和主动盘250不转动，阀芯220向抵接阀体210的方向轴向移动以抵接阀体210，但阀芯220不旋转。
本发明给出的旋转式流路切换阀，通过在驱动轴、主动盘、从动盘、阀芯及阀体之间，分别在周向和轴向设置凸凹联动机构，在预设的角度行程区间内，控制阀芯的转动或轴向移动来达到换向过程。不同阶段的动作可以独立设置，结构简单。加之阀芯本身的向下重力作用，可以靠凸轮的斜面抵压比较容易开阀，不易产生卡死现象；另一个有益之处在于，阀芯在驱动机构(电机)停止后靠凸轮的斜面抵压回复密封，可以缩短电机的动行程，也为下一次换向预留间隙时间。同时采用上小下大的锥台设计，可以使结构更加简单，圆台大端面可以设置弹簧来确保压紧密封，小端面通过凸轮和轴配合设计使得一个电机的驱动实现阀芯的轴向移动和周向转动。
以上结合具体实施例，对本发明所提供的旋转式切换阀进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种旋转式流路切换阀，包括驱动部件(100)和通过所述驱动部件(100)的驱动轴(300)连接的阀体部件(200)，所述阀体部件(200)包括定义有第一组流路通道和第二组流路通道的阀体(210)、通过旋转方式切换所述第一组流路通道与所述第二组流路通道的阀芯(220)，其特征在于，所述阀体部件(200)还包括被所述驱动轴(300)带动一并转动的主动盘(250)、通过第一间隙连动机构与所述主动盘(250)连接以在主动盘(250)的预设的转角行程内传递轴向运动的从动盘(260)，所述驱动轴(300)与所述阀芯(220)通过第二间隙连动机构连接以在所述驱动轴(300)的预设的转角行程内向所述阀芯(220)传递周向运动，所述阀体部件(200)还包括将所述阀芯(220)向所述阀体(210)抵接的弹簧(240)。
2.如权利要求1所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述第一间隙连动机构包括设置在所述主动盘(250)端部的第一凸凹部(251)和设置在所述从动盘(260)端部的第二凸凹部(261)，通过所述第一凸凹部(251)与所述第二凸凹部(261)配合，使所述主动盘(250)或从动盘(260)抵接所述阀芯(220)进行轴向移动。
3.如权利要求1所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述第二间隙连动机构包括设置在所述阀芯(220)上的带有第一周向限位部(229)的配合孔(221)和设置在所述驱动轴(300)上的配合轴(310)，通过所述配合轴(310)与所述配合孔(221)的配合，使所述驱动轴(300)在其预设的转角行程内带动所述阀芯(220)转动。
4.如权利要求2所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，还包括限制所述从动盘(260)周向转动的第一限位机构和轴向移动的第二限位机构，所述主动盘(250)可滑动地设置在所述驱动轴(300)上，并可抵接所述阀芯(220)进行轴向移动。
5.如权利要求4所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，还包括固定在所述阀体(210)上的限位板(230)，所述第一限位机构包括设置在所述限位板(230)上的带有第二周向限位部(235)的配合孔(231)和设置在所述从动盘(260)上的配合轴(262)；所述第二限位机构包括设置在所述限位板(230)上的第一限位端部(232)和设置在所述从动盘(260)上的第二限位端部(263)。
6.如权利要求2所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述主动盘(250)与所述驱动轴(300)固定连接，所述从动盘(260)可抵接所述阀芯(220)进行轴向移动。
7.如权利要求3所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述驱动轴(300)上设置的配合轴(310)具体为长方形键轴。
8.如权利要求1所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述阀体部件(200)上还设置有止挡所述阀芯(220)转动的止挡部件。
9.如权利要求1-8任一项所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述阀芯(220)为至少带有两个切换通道的大致为上小下大的锥台结构，所述两个切换通道的端口设置在锥面上，所述弹簧(240)设置在所述阀芯(220)的底部，所述配合孔(221)设置在所述阀芯(220)的上部。
10.如权利要求9项所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述阀体(210)具有与所述阀芯(220)配合的大致为上小下大的锥台结构的阀腔(290)，所述阀体(210)的锥面上设置有阀口(211)。
11.如权利要求1-8任一项所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，当所述阀芯(220)轴向移动时，所述阀芯(220)不转动；当所述阀芯(220)转动时，所述阀芯(220)不轴向移动。
12.如权利要求11所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，当所述阀芯(220)在所述弹簧(240)的压力作用下轴向移动向所述阀体(210)抵接时，所述驱动轴(300)不转动。
13.如权利要求1-8任一项所述的旋转式流路切换阀，其特征在于，所述切换阀的流路切换过程包括：第一阶段，所述驱动轴(300)带动所述主动盘(250)旋转，所述阀芯(220)向抵接所述阀体(210)的相反方向轴向移动，所述阀芯(220)不转动；第二阶段，所述驱动轴(300)带动所述主动盘(250)转动，所述阀芯(220)与所述驱动轴(300)同步转动，所述阀芯(220)轴向不移动；第三阶段，所述驱动轴(300)和所述主动盘(250)不转动，所述阀芯(220)向抵接所述阀体(210)的方向轴向移动，所述阀芯(220)不转动。
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