方亮，周大志，郭曉鵬

（丹佛斯自動控制管理（上海）有限公司，上海200235）

側(cè)孔式電子膨脹閥特性研究

方亮*，周大志，郭曉鵬

（丹佛斯自動控制管理（上海）有限公司，上海200235）

側(cè)孔式電子膨脹閥改變了現(xiàn)有市場上以錐閥結(jié)構(gòu)作為流口的節(jié)流部件。本文對兩種形式節(jié)流部件進行實驗研究分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)孔式電子膨脹閥在流量特性、開閥和泄露等性能方面有了很大改善。流量的線性化為精確控制提供了保證，對提高制冷系統(tǒng)性能具有重要的意義。

節(jié)流元件；電子膨脹閥；流量控制；側(cè)孔式結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著社會發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步，人們對于節(jié)能和舒適度的要求越來越高，這一變化意味著調(diào)節(jié)和控制方式的更新；由傳統(tǒng)控制向最優(yōu)控制發(fā)展；簡單機械式制冷自控元件向電子自控元件的發(fā)展[1]。節(jié)流機構(gòu)作為系統(tǒng)制冷劑的流量調(diào)節(jié)元件，對裝置的運行特性有著重要的影響，改善它對蒸發(fā)器制冷劑流量的控制特性，使之與系統(tǒng)其它部件良好匹配并適應(yīng)裝置的工況和負荷變化要求，一直是人們十分關(guān)注的問題[2]。電子膨脹閥作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，具有控制靈活、精度高的優(yōu)點[3]，尤其在變工況條件下，電子膨脹閥調(diào)節(jié)性能明顯優(yōu)于熱力膨脹閥[4]。目前國內(nèi)外對電子膨脹閥的研究主要側(cè)重于電機優(yōu)化[5]、驅(qū)動形式對比、控制方案控制算法及應(yīng)用研究，對電子膨脹閥結(jié)構(gòu)研究主要側(cè)重于試驗和比較分析[6-7]。

對流量特性影響因素研究[8-12]，眾說紛紜。張川等[13]在這方面已經(jīng)做了相關(guān)的研究：在電子膨脹閥進出口條件不變的情況下，質(zhì)量流量隨閥開度的增加而增大，反映出質(zhì)量流量與流通面積有良好的線性變化關(guān)系。魏文建等[14]對國內(nèi)外電子膨脹閥閥頭線型幾何模型進行了研究。

目前市場上的步進電機式電子膨脹閥基本采用錐閥結(jié)構(gòu)作為流口，在設(shè)計上閥體及閥針會隨著流口的增大而不斷增大，產(chǎn)品零件多，生產(chǎn)效率低下，無法進行大批量自動化裝配。陶紀(jì)明等[15]對閥板式電子膨脹閥進行了研究，而Colibri（蜂鳥）電子膨脹閥在流道及結(jié)構(gòu)上進行了創(chuàng)新設(shè)計，在閥的整體性能有了很大的提高。本文對電子膨脹閥流量特性和開閥特性等進行研究，為深入研究電子膨脹閥特性、進一步優(yōu)化其調(diào)節(jié)性能提供參考。

1 流量特性分析

1.1 錐閥流量特性

流量特性是指流體在不同開閥脈沖步數(shù)時對應(yīng)的工質(zhì)流量。目前市場上實際應(yīng)用的基本都是錐形結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中以AB為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面就是膨脹閥的流通截面，其中AB為閥孔邊到閥頭母線的垂直線段。

圖1 圓錐形閥頭線形

閥針行程和流通面積百分比之間理論計算關(guān)系曲線如圖2所示，閥針行程和流量不是線性關(guān)系。究其原因是步進電機每步提升閥針距離是相同的，但是錐臺結(jié)構(gòu)閥針和圓形閥口之間節(jié)流變化率是不同的，所以導(dǎo)致小脈沖流量曲線變化率大，大脈沖時流量變化率小。

圖2 圓錐形流通截面積百分比與閥針行程變化曲線

圖3所示為閥針行程和流通面積變化百分比之間理論計算關(guān)系曲線，從曲線中可以清晰地看出，隨著發(fā)展行程的變化，流通面積變化百分比是不一致的。此結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于流量曲線集合模型容易建立，加工便捷，成本低廉，在一定開度范圍內(nèi)，基本可以滿足系統(tǒng)對制冷劑流量調(diào)節(jié)的要求；但其缺點是：膨脹閥流量特性曲線不可控；針對不同的制冷系統(tǒng)難于定量地進行閥頭錐角的設(shè)計計算；在一定精度要求的情況下，流量控制的有效范圍較窄（約為全開度脈沖數(shù)的40%）；流量曲線的線性較差。

圖3 圓錐形流通截面積變化百分比與閥針行程變化曲線

小口徑直動式電子膨脹閥結(jié)構(gòu)基本都是圓錐形閥頭，重要參數(shù)如圖所示，流通面積計算公式[7]為：

圖4為實測各型號圓錐型樣品測試閥能力與開閥脈沖式關(guān)系曲線。由于錐閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的局限，現(xiàn)有電子膨脹閥流量曲線基本都是S型和L型，即脈沖數(shù)和流量不是線性關(guān)系，這導(dǎo)致了控制的復(fù)雜性和不準(zhǔn)確性，大大降低了電子膨脹閥的應(yīng)用精度。

圖4 圓錐型樣品測試閥能力與開閥脈沖式關(guān)系曲線

1.2 側(cè)孔式電子膨脹閥流量特性

側(cè)孔式在開啟/關(guān)閉的過程中，閥芯的流通面積是線性變化的；而傳統(tǒng)的錐形閥芯結(jié)構(gòu)中流通面積是非線性的。Colibri（蜂鳥）電子膨脹閥，曲線更加接近于直線，方便控制，控制精準(zhǔn)度更高。

圖5所示為側(cè)孔式閥芯結(jié)構(gòu)，圖6為閥針行程和流通面積百分比之間理論計算關(guān)系曲線，閥針行程和流量完全滿足線性關(guān)系。究其原因，側(cè)孔式流口設(shè)計步進電機每步提升閥針距離與閥口變化成正比，小脈沖段和大脈沖段節(jié)流面變化率一致。圖7所示為閥針行程和流通面積變化百分比之間理論計算關(guān)系曲線，從圖中計算結(jié)果可以看出，變化率完全一致。在一定精度要求的情況下，流量控制的有效范圍較寬（約為全開度脈沖數(shù)的90%以上）；流量曲線的線性度好。

圖5 側(cè)孔式閥芯結(jié)構(gòu)

圖6 側(cè)孔式流通截面積百分比與閥針行程變化曲線

圖7 側(cè)孔式流通截面積變化百分比與閥針行程變化曲線

從圖8可以看出，Colibri（蜂鳥）電子膨脹閥樣品測試閥能力與開啟度關(guān)系曲線，曲線更加接近于直線，控制簡單，相對控制精準(zhǔn)度更高。

圖8 Colibri樣品測試閥能力與開啟度關(guān)系曲線

2 開閥性能分析

電子膨脹閥的開閥性能主要由電機扭力、摩擦力、脈沖頻率等因素決定，由于現(xiàn)階段電機工業(yè)及材料科學(xué)發(fā)展的限制，在電機結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，磁性材料磁性能的優(yōu)劣決定了電機扭力的大小，在磁性材料確定的情況下，電機的扭力隨著轉(zhuǎn)子的增大而增大，當(dāng)閥口直徑增大的情況下，一般采用增粗轉(zhuǎn)子外徑的方法，來滿足大口徑電子膨脹閥對電機扭力的需求。當(dāng)閥口繼續(xù)增大，通過增加轉(zhuǎn)子內(nèi)徑無法實現(xiàn)高性價比，且電機非常大，安裝和空間都不允許，此時一般采用齒輪減速方式增大扭力。

大小口徑電子膨脹閥在細節(jié)設(shè)計上也有一些區(qū)別：由于普通小口徑的直動式因為閥口比較小，電子膨脹閥電機扭力足夠滿足設(shè)計要求，一般沒有內(nèi)平衡壓力設(shè)計；只有當(dāng)口徑增大后，電機扭力不足以滿足要求時，才會有內(nèi)平衡設(shè)計，來減少大口徑閥口在最大開閥壓差的情況下對電機扭力的需求。

在電機力矩結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要包括直動式和齒輪減速式。由于磁性材料限制，直動式電子膨脹閥閥口直徑一般小于8 mm，大口徑電子膨脹閥要求開閥力較大，一般采用的都是齒輪減速式結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外電子膨脹閥一直沿用此種設(shè)計理念。本文研究的Colibri（蜂鳥）電子膨脹閥，采用新的側(cè)孔流道設(shè)計，在電機性能和閥體結(jié)構(gòu)上進行了優(yōu)化，打破了傳統(tǒng)大口徑電子膨脹閥用齒輪減速式結(jié)構(gòu)的局限，采用直動式設(shè)計大口徑電子-膨脹閥，減少了零部件及工藝流程，同時減少了外漏焊接點和連接點，大大提高了產(chǎn)品的可靠性。

2.1 開閥性能

最大開閥壓測試是考核直動式電子膨脹閥產(chǎn)品性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。目的主要包括：測試在惡劣條件下電機扭力是否滿足要求、測試中閥能否正常打開，測試在最大開閥壓差條件下電機是否失步。

Colibri（蜂鳥）電子膨脹閥采用了獨特的內(nèi)平衡設(shè)計，此種設(shè)計在保證了內(nèi)泄露前提下，提高了開閥性能中最大開閥壓差及逆向最大開閥壓差。

側(cè)孔式電子膨脹閥最大開閥壓差性能主要取決于閥兩側(cè)壓差及溫度高低對材料熱膨脹率的影響。隨著溫度的升高，摩擦力不斷減小，壓力增大，摩擦力不斷增大。此種情況主要由設(shè)計結(jié)構(gòu)及材料特性決定。此種設(shè)計好處在于，在電機扭力允許及結(jié)構(gòu)尺寸確認的條件下，可以通過側(cè)孔大小、數(shù)量來設(shè)計閥口流量大小，最大開發(fā)壓差，逆向最大開閥壓差等性能在結(jié)構(gòu)定型后與閥口大小無關(guān)，開閥力只與壓差和溫度有關(guān)。

2.2 驅(qū)動速度

Colibri（蜂鳥）電子膨脹閥改變了大口徑電子膨脹閥齒輪減速式結(jié)構(gòu)，采用了直動式結(jié)構(gòu)，全開脈沖數(shù)600步，如采用160步/s的速率，全開最短時間3.75 s；而同樣口徑齒輪減速式的電子膨脹閥全開脈沖數(shù)大概是2,600～3,800步，如采用300步/s的速率，全開所需最短時間8.7 s～12.7 s。同樣流通能力的電子膨脹閥，Colibri（蜂鳥）開關(guān)閥時間只有齒輪減速式的1/3左右。該結(jié)構(gòu)的膨脹閥流量與脈沖數(shù)一一對應(yīng)，即對于給定的調(diào)節(jié)目標(biāo)，所對應(yīng)的脈沖數(shù)量也固定的，且調(diào)節(jié)速度快，可以快速反應(yīng)達到調(diào)節(jié)目標(biāo)，避免了多次長時間震蕩式調(diào)節(jié)，節(jié)省了較多能量。由于流量曲線線性度較高，在大脈沖保持溫度時，可以保證小調(diào)節(jié)量大調(diào)節(jié)范圍，使實際溫度與設(shè)定溫度上下波動幅度很小，達到節(jié)能的目的。

3 泄漏性能

泄漏包括內(nèi)漏和外漏。對于外漏，主要風(fēng)險在于焊縫焊接強度不夠。針對Colibori（蜂鳥）電子膨脹閥，主要有1條主焊縫，4條輔焊縫，且都為激光焊接。市場上齒輪減速電子膨脹閥除了2個接管釬焊焊縫外，還有至少2個密封裝配面，且釬焊焊接會出現(xiàn)造成氣孔、虛焊等不良品。Colibri（蜂鳥）采用激光焊接，可以大幅降低由于焊接工藝造成的外漏問題。

內(nèi)漏是指電子膨脹閥在全閉時，工質(zhì)從高壓端向低壓端的泄漏量。錐閥結(jié)構(gòu)軟密封有很好的泄漏性能，側(cè)孔式節(jié)流結(jié)構(gòu)同樣具有很好的泄漏特性。Colibri（蜂鳥）采用雙活塞密封及軟密封結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上看，雙活塞密封結(jié)構(gòu)主要是借鑒了四通閥主閥活塞結(jié)構(gòu)，既可以降低內(nèi)漏，又保證了極端條件正反向流通時，即最大開閥壓差及逆向最大開閥壓差的情況下，閥能正常工作。閥全閉時，節(jié)流結(jié)構(gòu)兩側(cè)有較高的壓力差，高壓一側(cè)的壓力通過閥口套上孔及間隙作用于雙活塞密封結(jié)構(gòu)，將雙活塞密封結(jié)構(gòu)壓向低壓側(cè)，與雙活塞密封結(jié)構(gòu)與閥口套壓緊。雙活塞密封結(jié)構(gòu)與閥口套接觸面精度較高，因此間隙很小，形成密封，工質(zhì)不能通過。 壓力差越大，密封性越好，這恰與其它結(jié)構(gòu)相反，也是側(cè)孔式節(jié)流結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

在實際應(yīng)用中，應(yīng)用Colibri（蜂鳥）電子膨脹閥的系統(tǒng)較普通減速式電子膨脹閥在蒸發(fā)器穩(wěn)定控制、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精確等方面有了一定程度的提高，使系統(tǒng)整體性能得到了一定的提升。

4 結(jié)論

側(cè)孔式電子膨脹閥的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有電子膨脹閥結(jié)構(gòu)相比，有更多優(yōu)點。在流量特性方面，使流量與脈沖數(shù)量成比例關(guān)系；在線性度方面，使流量變化更趨于線性化，便于實現(xiàn)控制邏輯簡化，對控制的可靠性有很大作用；在泄漏特性方面，激光焊接、焊縫少，大大降低的外漏概率，同時在內(nèi)漏方面具有正反向流通都有低泄漏的特性；快速的開關(guān)閥特性，大大提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，使蒸發(fā)器波動更小。側(cè)孔式結(jié)構(gòu)為制冷系統(tǒng)冷媒流量的精確控制提供了硬件基礎(chǔ)，有利于空調(diào)系統(tǒng)性能的提高及節(jié)能的作用，在能源日益緊張及能耗不斷降低的背景下具有現(xiàn)實意義。

[1]陳芝久,孫文喆,于兵.制冷裝置節(jié)能控制與電子膨脹閥應(yīng)用研究[J] ,制冷學(xué)報, 1998, 19(4): 39-44.

[2]陳文勇,陳芝久,朱瑞琪.電子膨脹閥調(diào)節(jié)蒸發(fā)器過熱度的控制算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2001,35(8):1229-1232.

[3]何法明.電子膨脹閥與熱力膨脹閥的比較[J].世界海運, 2004, 27(5): 44-45.

[4]APREA C, MASTRULLE R. Experimental evaluation of electronicand thermostaticexpansion valves performances using R22 and R407C[J]. Applied Thermal Engineering, 2002, 22: 205-218.

[5]吳俊云,方亮,裘慧祥.中國電機工程學(xué)報[J].2012,32(27): 73-78.

[6]陳芝久,孫文,于兵.制冷裝置節(jié)能控制與電子膨脹閥控制研究[J].制冷學(xué)報, 1998, 19(4): 39-44.

[7]朱瑞琪,陳文勇,吳業(yè)正.電子膨脹閥的控制[J].流體機械, 1998, 26(5): 3235.

[8]KIM Y,O’NEALDL.A semi-empiricalmodel of two-phase flow of refrigerant-134-a through short tube orifices[J].Experimental Thermaland Fluid Science,1994, 9(4): 426-435.

[9]STONE J A. Discharge coefficients and steady state flow forces for hydraulic poppet valves[J]. Transaction ASME,1960, 82(1): 144-154.

[10]ATAKE Y, AKIYAMA N. Study on the flow coefficient of thespool shape oil pressureswitch valve (Part 1,Part2)[J].Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, 1970, 36(286): 960-981.

[11]WILEDD.The Measurement of expansion valve capacity[J].Refrigeration Engineering,1965,65(8):139-152

[12]DAVIES A, DAVIDS T C. Single and two-phase flow of dichlorodifluoromethane through sharp2edged orifices[J].ASHARE Transactions, 1973, 79(7): 109 - 123.

[13]張川,馬善偉,陳江平,等.電子膨脹閥節(jié)流機構(gòu)流量特性的實驗研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2006,40(2):291-296.

[14]魏文建,張川,王濤.電子膨脹閥閥頭線型幾何模型的研究[J].流體機械, 2005, 33(7): 73-77.

[15]陶紀(jì)明,何奎,李楊.閥板式電子膨脹閥研究[J].上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 12(4): 362-364.

Investigation on the Performance of Side-hole Electronic Expansion Valve

FANG Liang*, ZHOU Dazhi, GUO Xiaopeng
(Danfoss Automatic Controls Management (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200235, China)

Side-hole electronic expansion valve changed the normal cone valve structure in the current market. The two kinds of throttling parts were studied by experimental investigation, and the experimental results show that, the electronic expansion valve characteristics of flow characteristics, the opening performance, leakage characteristic and other performance have been greatly improved. The linearization of flow rate provides a guarantee for the precise control, and it is important for improving the performance of the refrigeration system.

Throttle element; Electronic expansion valve; Flow control; Side hole structure

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.204

*方亮（1986-），男，工程師，碩士。研究方向：閥門設(shè)計。聯(lián)系地址：上海市宜山路900號科技大樓C座22層，郵編：200235。聯(lián)系電話：021-61513067。E-mail：fangliang@danfoss.com。