CN1164906C - 直动回转式电子膨胀阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于家用空调冷媒流量调节的直动回转式电子膨胀阀，包括一由永磁塑料磁性转子和定子线圈构成的永磁步进电机，定子线圈与转子之间由密封罩隔开，在转子轴端两侧设有冷媒流入、流出底座，该冷媒流入、流出底座与密封罩合体构成电子膨胀阀的阀体，冷媒流入、流出底座的适当位置上开设有冷媒流入节流孔、冷媒流出节流孔，转子的两个端面为端面凸轮，每个凸轮端面与各自的节流孔相对，外部脉冲驱动步进电机回转，控制端面凸轮转子的回转角度，从而控制了端面凸轮与节流孔之间的距离，即利用双端面凸轮-双节流孔达到冷媒流量调节的目的。

Description

直动回转式电子膨胀阀

技术领域

本发明涉及一种用于家用空调冷媒流量调节的电子膨胀阀，尤指一种直动回转式电子膨胀阀。

背景技术

目前，在传统空调的基础上，新型变频空调越来越受到消费者的青睐，它的显著优点在于可以根据实际需要，更快、更大幅度的调节冷媒流量，从而实现了房间温度的精确控制，并且即舒适又节能。在变频空调上，有一种用于冷媒流量自动调节的关键部件叫做电子膨胀阀。

截止到2001年9月6日，在世界范围内(包括中国在内)，有关电子膨胀阀及其控制方法的发明专利一共52个。其中有关电子膨胀阀结构的代表性发明主要有以下三种：

1.直动-针阀式：该结构采用定子-转子的步进电机方式，定子线圈与转子之间有密封罩，冷媒被完全限定在密封罩内，其转子由永磁塑料混合磁粉制成，其前端通过多次模塑法，与精密千分螺杆直连，通过永磁步进电机的定子线圈接受外来驱动脉冲，带动与步进电机转子直连的精密千分螺杆的步进转动，使精密千分螺杆前端的阀针在节流孔内做上、下运动，从而控制节流孔的开度，即控制了制冷系统内冷媒的流量。一般来讲，精密千分螺杆的螺距为0.5mm，转子每步转角为7.5°，这样阀针最小位移量大约是0.01mm(见中国专利：CN97243335、CN94209161)。

2.间动-针阀式：该结构仍采用定子-转子的步进电机方式。阀体密封罩使步进电机定子线圈与永磁转子隔离。永磁转子的转轴下部直连一个齿轮，它与另一个减速齿轮相啮合，减速齿轮下直连有一个精密千分螺杆，螺杆的外螺纹与阀体内的阀孔内螺纹相啮合，利用电子计算机输出脉冲控制步进电机转子旋转角度，通过齿轮的传动，螺杆带动阀针上、下运动，控制节流孔开度，达到控制制冷系统内冷媒流量的目的。这里的齿轮-螺杆机构是典型的精密机械微量进给机构。一般来讲，它可以使每个控制脉冲对应的冷媒流量调节量为上述直动式结构的1/2、1/3，从而使制冷系统内的冷媒流量调节更精密(见中国专利：【审定公告号】2145285、【审定公告号】2108211)。

3.直动-转子式：该方案为日本鹭宫制作所最新推出的结构，它也采用永磁步进电机的方式，由永磁塑料转子和密封罩、节流孔、定子线圈、外圆凸轮等构成。永磁塑料转子下部通过多次模塑法与一个外圆凸轮相直连。外部脉冲驱动步进电机的永磁转子回转，也就是控制外圆凸轮的回转角度。密封罩上面部分对应步进电机定子、转子定位部分；节流孔设计在密封罩外圆下方，与外圆凸轮的轮廓面正相对，从而形成冷媒流量调节机构。通过转子回转，控制外圆凸轮外圆轮廓与节流孔之间的距离，就达到了冷媒流量自动调节的目的。在这里，外圆凸轮的外廓曲面可以根据冷媒流量调节的需要设计成各种曲面，例如，线性、对数冷媒流量调节方式等。

在目前市场上流行的变频空调系统内，在微处理器-传感器-变频控制器的控制下，变频压缩机和电子膨胀阀一起对冷媒流量进行自动调节；从而达到快速、精密地调节房间温度的目的。

一般来讲，制冷系统内冷媒流体流量和系统压力差与节流孔径之间的关系如下：

$Q=\frac{\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δp}\·d^4}{128\·\mathrm{\μ}\·l}---\left(1\right)$

其中，Q为冷媒的流量，d为节流孔直径，l为节流孔长度，Δp为节流孔两端的冷媒压力差，μ为冷媒流体的粘度。节流孔两端的冷媒压力差越大，节流孔直径越大，节流孔长度越短，冷媒流量越大。调节冷媒流量主要通过调整节流孔两端的冷媒压力差Δp、节流孔直径d来完成。

通常，变频空调的冷媒流量调节方法有两个：

第一：调整变频压缩机的转速。从而调整制冷系统内冷媒的压力差Δp，根据上述公式(1)，达到冷媒流量调节的目的。变频压机调速范围很宽，特别是最小可以达到几转/分，由于在低频或低速运行时，变频压缩机的能效比大幅度提高，节能效果十分明显。因此调整变频压缩机的转速主要是用于精密地调节冷媒的流量，在空调系统快速启动过程完成后，安装空调房间的空气温度已接近设置温度，这就达到恒温控制空气温度的阶段。这时，主要是使用精密调节变频压缩机转速的方法，完成精密控制空气温度的作用，也就是人们常说的精密调节或细调节。

第二：使用电子膨胀阀。电子膨胀阀主要用于冷媒流量的快速调节，也就是大家所说的粗调节。在变频空调刚刚启动时，电子膨胀阀节流孔调节到冷媒流量最大位置，适当提高变频压缩机的转数，使房间的温度快速达到设定值附近。一般讲，系统要求电子膨胀阀的传动可靠、效率高。在变频空调刚刚启动时，为了快速达到恒温控制点，要求冷媒流量很大，在达到恒温点后，又要迅速的减少冷媒流量，因此特别要求电子膨胀阀的动态响应速度快。在最近，日本鹭宫制作所推出了上述第3种的直动-转子式结构，这种电子膨胀阀的关键结构是使用了永磁转子下直连的外圆凸轮，用它与节流孔形成冷媒流量调节机制。其特点是结构简单、传动效率高、动态响应快、体积更小。但是，它有明显的缺陷。  首先，永磁转子下直连外圆凸轮的多次模塑法工艺复杂，零件的精度不容易控制。其次，节流孔设计在密封罩外侧，这样密封罩的厚度增加很多，转子与定子的间隙也增加，由于磁性塑料的磁性一般比永磁铁氧体小得多，由其构成的转子的驱动力矩也就较小。同时，定子与转子之间的大间隙又使转子的驱动力矩减小。最后，由于冷媒节流机制造成对转子转轴的作用力，直接作用在支承上。最大冷媒流量与最小冷媒流量对应的作用力差别很大，造成负载变化大，加上驱动力矩本身较小，这样这种电子膨胀阀的工作可靠性有所下降。

上述3种典型的电子膨胀阀结构中，第1种结构目前被国内、外各大生产厂家普遍采用，这种结构的特点是结构简单、控制可靠、抗振动等抗干扰能力较强。第2种结构通过齿轮机构，使冷媒流量调节更精密；但是由于齿轮-螺纹机构制造、安装误差，实际冷媒流量的调节效果并不理想；并且它的传动链过长，其动态特性较差；在变频空调中，电子膨胀阀主要是用于冷媒流量粗调节，没有精密调节的必要，因此这种结构没有被普遍采用。

发明内容

本发明的目的是提供一种传动效率高、转子回转过程中驱动力矩及负载力矩波动小、动态响应快、冷媒流量调节范围宽、且灵活的直动-回转式电子膨胀阀，其保留了直动式步进电机结构的基础方式，省略了对加工和安装精度要求较高的精密螺杆和阀针等，改动了密封罩上节流孔的设计，特别是提出端面凸轮-节流孔冷媒流量调节机制，以及在一个电子膨胀阀中有两个独立的端面凸轮-节流孔冷媒流量调节机构。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：这种直动回转式电子膨胀阀，包括一由永磁塑料制成的磁性转子和定子线圈构成的步进电机结构，定子线圈与转子之间由密封罩隔开，在转子轴端两侧设有冷媒流入、流出底座，该冷媒流入、流出底座与密封罩合体构成电子膨胀阀的阀体，冷媒流入、流出底座的适当位置上开设有冷媒流入节流孔、冷媒流出节流孔，永磁转子的两个端面又是端面凸轮，端面凸轮的每个端面与各自的节流孔相对，即双端面凸轮-双节流孔的冷媒流量调节机制。

本发明的优点是：结构更简单、成本更低、工作可靠、动态响应速度更快、转子驱动力矩波动更小、传动效率更高、冷媒流量调整范围更宽，因而利于大规模推广。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为永磁塑料端面凸轮转子结构示意图(主视图)

图3为永磁塑料端面凸轮转子结构示意图(俯视图)

具体实施方式

如图1所示，本发明直动回转式电子膨胀阀包括一由永磁塑料磁性转子5和定子线圈6构成的永磁步进电机，定子线圈与转子之间由薄壁密封罩4隔开，在转子轴端两侧设有冷媒流入、流出底座9、1，该冷媒流入、流出底座与密封罩合体构成电子膨胀阀的阀体，冷媒流入、流出底座的适当位置上开设有冷媒流入节流孔7、冷媒流出节流孔3，转子的两个端面为端面凸轮，每个凸轮端面与各自的节流孔相对。

永磁端面凸轮转子5，由永磁塑料混合磁粉制成，其外圆轮廓仍为圆形，并24极化。但两个端面为平面凸轮，用于构成冷媒流量调节机构。外部脉冲通过定子线圈驱动转子回转，并控制端面凸轮转子的回转角度，从而调整了端面凸轮与节流孔之间的距离，即调整公式(1)中的d值，达到调节冷媒流量的目的。

这个零件有两个作用；第一，它是步进电机的永磁转子。第二，它的端面为平面凸轮。凸轮转子的两个平面凸轮端面与两个节流孔相对，也就是双凸轮端面-双节流孔冷媒流量调节机制，这是本设计的关键结构。

图2、图3为永磁塑料混合磁粉转子的结构简图，在永磁塑料端面凸轮转子结构示意图(俯视图)上可以看到，在OB连线上，有一个直径为1mm的初始位置定位块501。在端面轮廓的AC段对应冷媒最大流量区域，在端面轮廓的CD段对应冷媒最大、最小流量隔离区域，端面轮廓的的DE段对应冷媒最小流量区域，AE段对应冷媒流量按设计者指定的曲线调节的区域。

每个端面轮廓的冷媒调节段AE曲廓，可以根据需要设计成不同的曲廓形式，并且与各自的节流孔组成冷媒节流调节机制，这样就可以更灵活的设计冷媒流量的调节方式。

通常，端面凸轮轮廓曲面可设计为以下两种形式之中的一种：

第一：为阿基米德螺线面，与外螺纹的曲面一样。轮廓升程曲线为直线。

第二：端面轮廓面满足下述条件：外廓OA、OB、OC、OD、OE线与转子回转中心轴线OO’垂直，如图3所示。轮廓升程曲线可以为斜直线或根据需要设计的任意曲线。

例如，将永磁凸轮转子的两个端面凸轮轮廓曲线设计为差动方式，一个端面曲廓是升程螺距为1mm的阿基米德螺线面，另一个是升程螺距为0.8mm的阿基米德螺线面，两个曲面旋向相同，在上述直动-针阀式结构中，这相当于螺杆螺距为0.2mm的电子膨胀阀冷媒流量调节的效果，而通常螺杆的最小螺距仅为0.5mm，因此双凸轮-双节流孔机构使冷媒流量的调节更精密。

如果仍使用上述的曲面和升程螺距，但两个曲面旋向不同，如永磁塑料端面凸轮转子结构示意图(主视图)所示，这相当于螺杆螺距为1.8mm的直动-针阀式电子膨胀阀冷媒流量调节的效果，则转子每转动一步，冷媒流量调节量更大、更迅速、调节范围更宽。

因此本设计的关键独创结构：双凸轮-双节流孔冷媒调节机构，在略去了制造工艺复杂、精度要求较高、由多次模塑法制造多个直连零件的结构方式之后，其结构更简化，制造更简单。同时，其动态响应更快，冷媒流量调节范围更大，使设计变频空调的设计人员选择更灵活。

端面凸轮转子作为步进电机的转子，其外圆是24磁性极化。在密封罩内，它完全与外界隔离。在外部脉冲经定子线圈形成的空间励磁磁场作用下，它回转一步，其步距角为7.5°。共回转285°，总行程是38步，这比鹭宫制作所设计的上述第3种直动-转子式结构有所增加。

为了最大限度减少冷媒流体对转子的腐蚀作用，端面凸轮转子由PPS永磁塑料制成。在永磁转子的两个平面凸轮端面上，为了减少磨损，由PCVD工艺沉积0.1mm厚的耐磨层。

由于通过冷媒流进、流出节流孔的冷媒流体对端面凸轮转子中轴的两端支承作用一个侧向力，为了使它的影响减到最小，此设计使冷媒流出节流孔与流进节流孔位于与转子回转中心轴线平行的同一轴线上。

如图2、图3所示，在转子端面凸轮的冷媒流进端面有一个初始位置定位块501，它与冷媒流进底座上的定位块一起，起初始定位、限位作用，为膨胀阀工作做起始位置参考点，并且使最大流量点与最小流量点之间有30°的隔离间距，使最大冷媒流量与最小冷媒流量之间有一个缓冲，减少误动作。在空调系统刚刚启动时，为了掌握冷媒流量的初始值，外部控制器发出一系列脉冲，使电子膨胀阀的转子迅速向冷媒最小流量位置回转，冷媒流量迅速地回到起始参考点(冷媒流量最小值)，从这个位置开始，根据空调整体控制的需要，外部电子控制器发出确定的脉冲数，调整转子转到确定的角度，确定控制冷媒的流量。

如图1所示，在工作时，冷媒流体从电子膨胀阀的冷媒流进底座，通过节流孔进入电子膨胀阀阀体内，又从冷媒流出底座的节流孔流出。冷媒流进底座上有一个定位块，与转子上的初始位置定位块相配合完成初始位置定位作用，为了对外部线圈进行定位，冷媒流进底座的底部外径比冷媒流出底座略宽。因此，冷媒流进底座与冷媒流出底座在结构上略有不同，不能互换。

不锈钢转子轴2是由不导磁的不锈钢制成。两端为轴尖支承，因为中轴的温度变化引起其长度变化，所以中轴的冷媒流进底座部分的轴尖与其支承之间设计有一定的顶部间隙，由于冷媒流进端的流体压力始终高于其流出端，因此中轴的轴向定位在冷媒流出底座上。为了减少摩擦，在冷媒流进、流出的底座上嵌入刚玉或人造红宝石轴承，用做转子中轴的支承。

宝石支承8，由两个零件构成，材料为刚玉或人造红宝石。

冷媒流入、冷媒流出底座及冷媒流入、冷媒流出管均可由黄铜制成。

密封罩是由薄壁不锈钢材料制成，与冷媒流进、流出两个底座焊接相连。

定子线圈6，线圈为全封闭式，仅导线连出。

Claims (6)

1、一种直动回转式电子膨胀阀，包括一由永磁塑料磁性转子和定子线圈构成的永磁步进电机，定子线圈与转子之间由密封罩隔开，其特征在于：在转子轴端两侧设有冷媒流入、流出底座，该冷媒流入、流出底座与密封罩合体构成电子膨胀阀的阀体，冷媒流入、流出底座的适当位置上开设有冷媒流入节流孔、冷媒流出节流孔，转子的两个端面为端面凸轮，每个凸轮端面与各自的节流孔相对。

2、根据权利要求1所述的直动回转式电子膨胀阀，其特征在于：永磁塑料转子的两个凸轮端面与各自的节流孔形成双端面凸轮-双节流孔的冷媒调节机构。

3、根据权利要求1所述的直动回转式电子膨胀阀，其特征在于：永磁转子的端面凸轮轮廓为阿基米德螺线面，轮廓升程曲线为直线。

4、根据权利要求1所述的直动回转式电子膨胀阀，其特征在于：永磁转子端面凸轮轮廓面满足下述条件：端面外廓上各线(OA、OB、OC、OD、OE)与转子回转中心轴线(OO’)垂直，轮廓升程曲线为斜直线或根据需要设计的任意曲线。

5、根据权利要求1所述的直动回转式电子膨胀阀，其特征在于：冷媒流出节流孔与流进节流孔位于与转子回转中心轴线平行的同一轴线上。

6、根据权利要求1所述的直动回转式电子膨胀阀，其特征在于：永磁塑料转子的两个平面凸轮端面上，由PCVD工艺沉积0.1mm厚的耐磨层。

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