CN1654906A - 一种压差控制自适应节流膨胀阀 - Google Patents
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Abstract
一种压差控制的自适应节流膨胀阀，包括压差感应机构：包括位于外壳之内的弹性元件和弹性波纹管；弹性元件两端分别与弹性波纹管封闭端外侧及外壳内顶端固定连接，弹性波纹管底端与外壳内底端固定连接；弹性波纹管与外壳间构成腔体A；通量调节机构：包括与弹性波纹管封闭端内顶端相连的传动杆、阀针和阀体；阀体有一通孔，阀针移动于阀体的通孔内，其封闭上端与传动杆下端相连；波纹管与阀体间构成腔体B，其腔壁上设一气体通道，阀体的通孔出口为另一气体通道；还包括反馈毛细管：两端分别与腔体A和位于阀体通孔出口处的气体通道相连通；该阀可实时反映压差变化，迅速调节流通量大小，保证制冷系统变工况运行的平稳和高效；结构简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及节流制冷技术领域的节流膨胀阀，特别涉及一种压差控制自适应节流膨胀阀。
技术背景
近几十年来，深冷多元混合工质节流制冷技术获得了巨大发展，成为从液氮温度到传统复叠制冷温度这一广阔温区的主要制冷技术之一。目前已经有成熟的商用产品问世。采用回热方式的多元混合工质制冷机可以有效提高制冷效率实现更低的制冷温度，并且可以利用普冷领域广泛应用的单级油润滑压缩机驱动。混合工质节流制冷机可以在制冷系统硬件不做大的改动情况下通过充配不同混合物工质实现从80K(液氮温度)到230K(传统单级蒸汽压缩制冷循环的有效制冷温度的下限)的制冷温度范围。
由于深冷系统中混合工质与普冷制冷工质在物性上具有很大的区别，在采用普冷领域油润滑压缩机时，会导致压缩机运行参数与采用普冷工质有很大变化。对普冷运行工况时，由于温区跨度相对较小及工质本身的特性，当环境温度确定，压缩机冷凝压力(对应于压缩机排气高压)就已经确定，当达到制冷温度时，蒸发压力(对应于压缩机吸气低压)也就确定，因此系统在整个运行过程中压力工况变化不大。而且普冷领域目前已经有成熟的技术措施实现制冷机控制来满足不同工况间变换，如采用热力膨胀阀和电子膨胀阀可以调节蒸发器出口过热度，满足不同负荷需求。
但是对于深冷混合工质制冷系统，由于低沸点混合工质的采用，制冷工质在冷凝器内基本为气相放热(可能会出现少量液体工质)，压缩机排气高压受环境温度影响很小，而基本由工质充注量和系统结构参数决定。在制冷机启动过程初期，整个系统基本均处于较高温度，系统内工质绝大部分为气相，随着制冷温度的降低，制冷系统中在除压缩机、冷凝器外的其它部件内工质的液相含量则会逐步增加，当制冷温度达到最低时，整个制冷系统内的工质液相含量达到最高。一方面，工质汽液相的比容相差很大；另一方面，对于固定通道面积的节流元件，如常用的毛细管，其气相工质的通过能力显然没有液相工质大。因此对于一个容积固定的制冷系统，在一定工质充注量的情况下，必然会导致运行压力工况变化很大。其特点是在启动初期，几乎全部为气态工质通过固定流通面积的节流元件，因此系统压缩机排气高压很高，压缩机吸气低压很低，循环工质流量小，对应的制冷量小，使降温时间变长；随着系统温度的降低，通过节流元件的工质进入两相状态，流量相对增加，因此压缩机排气高压会降低，压缩机吸气低压会升高；上述变化趋势随着温度的降低进一步发展，最终到达稳定状态。到最终稳定运行时高低压差比最初压差减小很多，如采用普通空调压缩机驱动，最初压差一般在2.0MPa左右，而最终压差可能会降低到1.0MPa。高低压差的降低，会大大减小工质的节流制冷效应(Joule-Thomson效应)，导致单位流量的工质制冷效率下降；同时对于固定容积的制冷系统，此时由于压缩机吸气低压升高，排气高压降低，系统循环流量增大来满足冷却负荷要求，增大的流量会增加回热换热器的换热负荷，增加换热温差；同时会增加流动阻力，进一步使系统效率下降。压缩机吸气低压升高带来另外一个负面影响就是使制冷温度升高。
因此，保持一定节流前后压差范围对于深冷混合工质制冷机具有重要意义。上述问题的产生在于固定通径的节流元件如毛细管对工质流通量的调节能力小。目前针对深冷混合工质制冷系统可变容量运行调节膨胀阀的公开报道(文章、专利)非常少。普冷领域的热力膨胀阀和电子膨胀阀可以在一定范围内实现流量的控制和调节，但是采取的技术途径不同。其中，热力膨胀阀是通过感应蒸发器出口过热度的变化相应调节节流阀开度(李松寿等，制冷原理及设备，上海：上海科学技术出版社，1988，pp.259-265)；电子膨胀阀采用一个控制器调节步进电机的动作实现节流阀开度的调节，需要单独控制器和编制相应控制程序。另外，普冷领域曾经采用过一种自动膨胀阀，又称为恒压膨胀阀(吴业正等编，制冷原理及设备，西安：西安交通大学出版社，1987，pp.258-259)，其工作原理是利用预先设定的弹簧压力实现蒸发压力的基本恒定，但是这种自动膨胀阀对于负荷变化呈现一种负反馈特征，即负荷大节流阀开度变小，使制冷剂流量进一步变小；或负荷减小，阀门开度却变大，造成系统运行不稳定，现在很少应用。另外，本申请人于2003年申请的专利(申请号：03121465.7)描述了采用电磁阀控制的多路节流控制方案，可以较好实现深冷混合工质节流制冷机的变工况运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够连续调节压力变化，由压差控制的自适应节流膨胀阀。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的压差控制的自适应节流膨胀阀，包括：
一压差感应机构，该压差感应机构包括外壳11、弹性元件12、一端封闭的弹性波纹管13；所述弹性元件12和弹性波纹管13位于外壳11之内，所述弹性元件12的两端分别与弹性波纹管13封闭端外侧及外壳11内顶端固定连接，弹性波纹管13底端与外壳11的内底端固定连接；所述弹性波纹管13与外壳11之间构成腔体A；
一通量调节机构；该通量调节机构包括与弹性波纹管13封闭端内顶端相连的传动杆21、阀针22和阀体23；所述阀体23具有一通孔，阀针22移动于阀体23的通孔内，其上端封闭且与传动杆21下端相连；所述波纹管13与阀体23之间构成腔体B，在构成腔体B的外腔壁即阀体23上设有一气体通道231，阀体23的通孔出口为另一气体通道232；
还包括一反馈毛细管3，该反馈毛细管3的两端分别与腔体A和气体通道232相连通。
所述的阀针22为上端封闭侧壁开孔的圆管或圆锥形。所述的弹性元件12为压力弹簧或拉力弹簧；所述的弹性元件12带有外部预调整机构4。
本发明提供的压差控制的自适应节流膨胀阀的工作原理和过程为：通过压差感应结构感应节流前后压差的变化，带动通量调节结构实现流量调节，具体为：根据预先调整的弹性元件12和弹性波纹管13变形量，设定相应的工作压差，此时保持相应的设定节流膨胀阀开度；当节流前后压差变大时，会使波纹管13和弹性元件12发生新的变形量，因此带动阀针使对应节流膨胀阀开度增大，使通量增大，这样会使节流前后压差适当减小，最后稳定在一个压差值，对应着一个变大的节流阀开度；当节流前后压差变小时，也会使波纹管13和弹性元件12发生新的变形量，因此带动阀针使对应节流膨胀阀开度减小，使通量减小，这样会使节流前后压差适当增大，最后稳定在一个压差值，对应着一个变小的节流阀开度。
因此，本发明提供的压差控制的自适应节流膨胀阀，能够实时感应节流前后压差变化，从而自动调节节流通量变化，确保节流前后压差在一定范围内变化，保证制冷系统变工况运行的平稳和高效；而且其结构简单，成本低，无需另外的控制器件。
附图说明
图1是本发明的一种压差控制自适应节流膨胀阀(实施例1)结构示意图；
图2是本发明的另一种压差控制自适应节流膨胀阀(实施例2)结构示意图；
图3是本发明的再一种压差控制自适应节流膨胀阀(实施例3)结构示意图；
其中：外壳11 弹性元件12 弹性波纹管13 传动杆21
阀针22 阀体23 腔体A、B 反馈毛细管3
弹性元件预调整机构4 气体通道231、232
具体实施方式
实施例1制备一个压差控制的自适应节流膨胀阀，结构示意图见图1。
该压差控制的自适应节流膨胀阀，包括：
一压差感应机构包括：外壳11、弹性元件12、一端封闭的弹性波纹管13；所述弹性元件12和弹性波纹管13位于外壳11之内，所述弹性元件12的两端分别与弹性波纹管13封闭端外侧及外壳11内顶端固定连接，弹性波纹管13底端与外壳11的内底端固定连接；所述弹性波纹管13与外壳11之间构成腔体A；
一通量调节机构：包括与弹性波纹管13封闭端内顶端相连的传动杆21、阀针22和阀体23；所述阀体23具有一通孔，阀针22移动于阀体23的通孔内，其上端封闭且与传动杆21下端相连；所述波纹管13与阀体23之间构成腔体B，在构成腔体B的外腔壁即阀体23上设有一气体通道231，阀体23的通孔出口为另一气体通道232；
还包括一反馈毛细管3，该反馈毛细管3的两端分别与腔体A和气体通道232相连通。
本实施例的阀针22为上端封闭侧壁开孔的圆管，弹性元件12为压力弹簧。
弹性元件12用以平衡腔体A和B之间压差产生的力；传动杆21与波纹管13的封闭端相连，阀针22与传动杆21连接；压差变化使波纹管13产生位移，通过传动杆21带动阀针22运动，因而可以调节节流膨胀阀的开度。腔体A通过反馈毛细管3与气体通道232(低压出口)相连通，用以感应低压变化；腔体B的气体通道231为高压入口，进而感应高压变化；阀针22采取通孔结构；其工作过程如下：根据预先调整的弹簧压力，节流膨胀阀在设定压差下保持设定开度；当A、B腔压差变大时，波纹管13通过传动杆21带动阀针22向上运动，因此，通孔开度变大，流量增加使节流前后压差不再增大保持一个平衡；反之，当压差减小时，波纹管13通过传动杆21带动阀针22向下运动，因此，通孔开度减小，流量减小使节流前后压差增大保持一个新的平衡，由此可以通过感应节流前后压差变化调节节流孔开度，实现自适应调节目的。
实施例2制备一个压差控制的自适应节流膨胀阀，结构示意图见图2。
该压差控制的自适应节流膨胀阀，包括：
一压差感应机构：包括外壳11、拉力弹簧12、一端封闭的弹性波纹管13；通量调节机构包括传动杆21、阀针22和阀体23；其结构形式为：一端封闭的弹性波纹管13与外壳11之间构成腔体A，波纹管13与阀体23之间构成腔体B，拉力弹簧12用以平衡腔体A和B之间压差产生的力；传动杆21与波纹管13的封闭端相连，阀针22连接在传动杆21上面；压差变化使波纹管13产生位移，通过传动杆21带动阀针22运动，因而可以调节节流膨胀阀的开度。腔体A通过反馈毛细管3与气体通道232(高压入口)相连通，用以感应高压变化；腔体B的气体通道231为低压出口；阀针22采取锥形结构；其调节过程为，当压差变大时，波纹管13通过传动杆21带动阀针22向下运动，因此，通孔开度变大；反之，当压差减小时，波纹管13通过传动杆21带动阀针22向上运动，因此，通孔开度减小，流量减小，由此可以通过感应节流前后压差变化调节节流孔开度，实现自适应调节目的。
实施例3制备一个压差控制的自适应节流膨胀阀，结构示意图见图3。
该实施例的压差控制的自适应节流膨胀阀包括压差感应机构和通量调节结构；
压差感应机构包括外壳11、压力弹簧12、一端封闭的弹性波纹管13；通量调节机构2包括传动杆21、阀针22和阀体23；其结构形式为：一端封闭的弹性波纹管13与外壳11构成腔体A，波纹管13与阀体23构成腔体B，压力弹簧12用以平衡腔体A和B之间压差产生的力；传动杆21与波纹管13的封闭端相连，阀针22连接在传动杆21上面；压差变化使波纹管13产生位移，通过传动杆21带动阀针22运动，因而可以调节节流膨胀阀的开度。腔体A通过反馈毛细管3与气体通道232(低压出口)相连通，用以感应低压变化；腔体B的气体通道231为高压入口；阀针22采取锥形结构。压力弹簧12带有预调整结构4。其工作过程如下：根据预先调整的弹簧压力，节流膨胀阀在设定压差下保持设定开度；当A、B腔压差变大时，波纹管13通过传动杆21带动阀针22向上运动，因此，锥形阀针向上运动，阀门开度变大，流量增加使节流前后压差不再增大保持一个平衡；反之，当压差减小时，波纹管13通过传动杆21带动阀针22向下运动，因此，发明开度减小，流量减小使节流前后压差增大保持一个新的平衡，由此可以通过感应节流前后压差变化调节节流孔开度，实现自适应调节目的。
上述公开内容完整地描述了本发明的基本特征，本领域的技术人员可以通过这些内容理解本发明的基本思想，并且会承认，其他本发明未提及的具体实施形式，如其他不同的节流阀针结构，不同的弹簧形式以及调整结构等也是在本发明精神和权利要求范围内的。
Claims (4)
1、一种压差控制的自适应节流膨胀阀，其特征在于，本发明提供的压差控制的自适应节流膨胀阀，包括：
一压差感应机构，该压差感应机构包括外壳(11)、弹性元件(12)、一端封闭的弹性波纹管(13)；所述弹性元件(12)和弹性波纹管(13)位于外壳(11)之内，所述弹性元件(12)的两端分别与弹性波纹管(13)封闭端外侧及外壳(11)内顶端固定连接，弹性波纹管(13)底端与外壳(11)的内底端固定连接；所述弹性波纹管(13)与外壳(11)之间构成腔体(A)；
一通量调节结构；该通量调节机构包括与弹性波纹管(13)封闭端内顶端相连的传动杆(21)、阀针(22)和阀体(23)；所述阀体(23)具有一通孔，阀针(22)移动于阀体(23)的通孔内，其上端封闭且与传动杆(21)下端相连；所述波纹管(13)与阀体(23)之间构成腔体(B)，腔体(B)的外腔壁即阀体(23)上设有一气体通道(231)，阀体(23)的通孔出口为另一气体通道(232)；
还包括一反馈毛细管(3)，该反馈毛细管(3)的两端分别与腔体(A)和气体通道(232)相连通。
2、按权利要求1所述的压差控制自适应节流膨胀阀，其特征还在于：所述的阀针(22)为上端封闭侧壁开孔的圆管或圆锥形。
3、按权利要求1所述的压差控制自适应节流膨胀阀，其特征还在于：所述的弹性元件(12)为压力弹簧或拉力弹簧。
4、按权利要求1所述的压差控制自适应节流膨胀阀，其特征还在于：所述的弹性元件(12)带有外部预调整机构(4)。
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