这，就是空调制冷热力膨胀阀！

     汽车空调常用的膨胀阀主要包括热力膨胀阀、电磁膨胀阀、电子膨胀阀。本文，我们来介绍学习下热力膨胀阀。          

一、热力膨胀阀作用
     

       

空调制冷系统理论压焓图可以清楚地看出（图1），3-4节流环节的膨胀阀处于四个关键环节中的一员，元件虽小，但也是不可或缺的一枚重要零件。其主要有三个功能，包括节能降压、调节流量和保持合适的过热度。  

 

图1 制冷循环理论压焓图  

 

二、热力膨胀阀类型

         

热力膨胀阀根据膜片感受到的压力来源不同分为内平衡式和外平衡式，如图2所示。由于汽车空调用蒸发器的压降相对较大，为了保证合适的过热度以及防止液击压缩机，所以车用空调一般采用外平衡式结构类型，一般为H型，铝制材料。  

 

图2 热力膨胀阀的内、外平衡方式的区别  

 

三、热力膨胀阀基本结构

         

热力膨胀阀的H型基本结构如下图3所示，动力头、阀芯、上/下传动杆、调节弹簧、阀体等构成。  

 

图3 热力膨胀阀H型的基本结构  

 

四、热力膨胀阀工作原理

         

膨胀阀的基本工作原理如下图4所示，热力膨胀阀开度的大小由感温包感受到的压力P1、膜片下方受到压力P2以及弹簧压力P3三个作用力共同决定。  

 

图4 膨胀阀的基本工作原理  

 

当P1＞P2+P3的时候，相当于阀开启；当P1=P2+P3的时候，维持合适的开度；当P1＜P2+P3的时候，相当于阀关闭，如下图5示意。这个可以通俗地理解为：蓄水库的水位超过上限高位警戒线之后，整个水库的压强很大，需要打开/开大闸门泄洪，以维持正常水位；蓄水库的水位处于正常水平，则维持已有状态即可；蓄水库的水位低于下限地位警戒线，则需要关闭/关小闸门以蓄水。对应到热力膨胀阀，即过热度大则需要调大开度；过热度合适则维持已有开度；过热度小则调下开度。  

 

图5 膨胀阀开启/关闭简单示意  

 

同时，根据以上膨胀阀的工作受力平衡原理分析、以及压力与温度的理论对应关系可以得出，P1= P1（t1），P2=P2（t2），P1（t1）= P2（t2）+P3。  

如果需要开启膨胀阀，则P1（t1）＞P2（t2）+P3。由于膨胀阀的P3是预先设置的弹簧压力，固定不变，则可以得出t1一定要大于t2才有能开启阀，进一步说明蒸发器出口必须存在一定的过热度才能开启膨胀阀，这个过热度就是t1-t2。  

 

 

五、过热度

         

热力膨胀阀的过热度定义为膨胀阀感温包感受到的温度与阀出口或蒸发器出口压力所对应的制冷剂饱和温度之差（ T1-T2 ），如图 1 所示。  

 

图 1  过热度测量示意  

 

膨胀阀的总过热度由静止过热度和有效变化过热度组成，即 TSH=SSH+CSH ，如图 2 所示。其中， TSH （ Total Superheat ）为平时工作过程中所讲的过热度； SSH （ Static Superheat ）为从膨胀阀关闭状态至刚刚打开但还未开阀的过热度，为膨胀阀出厂设定的一个固定参数值，可以通过旋转调节弹簧来实现 SSH 的数值调整，但是对于一辆汽车而言，其值是固定不变的，亦可称为 0 ℃作动作值，举例说明， 0 ℃作动值为 0.142Mpa G （对应的饱和温度为 -5 ℃），则它的静止过热度为 0 ℃ - （ -5 ℃） =5 ℃； CSH （ Change Superheat ）是膨胀阀从开始开阀至目标开度所需的过热度。  

 

图 2  膨胀阀阀流量特性示意图  

 

试验过程中，关于热力膨胀阀过热度的调整主要遵循以下几点原则：  

• 如果膨胀阀过热度偏小，则按照顺时针方向旋转螺丝，增加弹簧压缩量，增大弹簧力，减小膨胀阀的开度，使制冷剂流量减少，则增大过热度，减小 0 ℃作动值；
• 如果膨胀阀过热度偏大，则按照逆时针方向旋转螺丝，减少弹簧压缩量，减小弹簧力，增大膨胀阀的开度，使制冷剂流量增多，则减小过热度，增大 0 ℃作动值；
• 调节螺丝的动作不应该跨步太大，而应该尽量细调微调的进行，推荐每次调整约 1/4 ，或 1/2 圈，每一圈调整量对应的过热度约变化 1~1.5 ℃；
• 每次调整间隔时间一般要求 10min~30min 。
• 过热度较佳范围为 5 ℃ ~8 ℃。
  
       
  
     
  六、充注方式          

             

  
       

根据膨胀阀感温包内充注的介质与制冷系统流动工质的是否相同划分为同工质充注与异工质充注，依据膨胀阀感温包内部充注介质本身的气液组分划分液体充注、气体充注、交叉充注、混合充注、吸附充注等等，参考充注特性分为平行充注与交叉充注，具体如下图3和图4所示。  

 

图 3 膨胀阀的充注方式分类  

 

图 4  膨胀阀不同充注方式的特点  

 

而汽车空调系统研发工作过程中，常常会讲到平行充注和交叉充注，此处 一 般 平行充注指气体充注（ G 充注），交叉充注指气体交叉充注（ C 充注）。  

图 5 为平行充注的充注特性曲线，从中可以看出，平行充注的感温包充注特性与 R134a 冷媒饱和温度特性曲线基本平行，且具有最大的工作压力限制，即 MOP 。  

 

图 5  平行充注的充注特性曲线  

 

图 6 为交叉充注的充注特性曲线，从图可以得出，交叉充注的感温包充注特性与 R134a 饱和温度特性曲线存在一个交叉点。当蒸发器出口压力低于交叉点及以下范围的时候，会出现感温包内介质感受到的压力要高于相同温度下膜片下方感受到的压力，进而会发生即使不存在过热度也会存在膨胀阀出现微小开度，这个现象会导致有一定的制冷剂流过膨胀阀进入到蒸发器内部，而产生结霜等不良问题。当蒸发器出口压力高于交叉点及以上区域的时候，则恢复到正常情况，即膨胀阀必须有过热度才有可能开启膨胀阀。同时，根据相关研究表明，交叉充注特性曲线的斜率越平缓，则系统稳定性越好。  

 

图 6  交叉充注的充注特性曲线    

     

   

七、热力膨胀阀四象限图          

           

 

通过这一张图就可以看透热力膨胀阀，示意如下图所示。  

 

 

第一象限为热力膨胀阀的充注特性 ，可以了解和比较阀的充注状态。  

通过示意的曲线图可以看出，随着感温包感受到的温度逐渐升高，阀的出口压力也随着逐渐增大，且会有一个最大稳定工作压力，这是 G 充注的一个特性。当感温包感受到的温度为 B 时候，则可以得知 B 点温度对应的出口压力，再由压焓图可以知道，蒸发阶段为恒压过程，即 B 点温度对应点的出口压力可以相对于 R134a 饱和蒸汽对应的压力，即可以通过该压力得到制冷剂饱和温度 A ，进而就可以计算出过热度 =B-A 。  

 

 

第二象限为开度 - 压力特性 ，可以知道膜片与弹簧的性能如何。  

阀开度可以理解为阀芯的位移。当固定感温包感受到的温度值，则随着阀开度的减小，阀出口压力逐渐增大；当固定阀开度数值不变的时候，随着感温包感受到的温度增加，阀出口压力逐渐增大。  

 

 

第三象限为开度 - 流量特性 ，可以了解阀的制冷能力如何，系统匹配是否合适。  

阀的容量固定情况下，阀开度基本与阀流量成正比例变化。而当固定流量情况下，随着阀的容量增大，所需阀开度越小。  

 

 

第四象限为温度 - 流量特性 ，此象限可以通过前面的三个象限推导出来，可以用于检测阀的制冷能力和调控能力。  

通过曲线图可以看出，黄色圈内对应的流量均为 0 ，此为静止过热度的表现。后续有流量了，那是阀刚刚真正开始打开，即开始有了有效过热度。  

 

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主要参考资料：  

《蒸发器与热力膨胀阀回路稳定性研究》  

《汽车空调热力膨胀阀的标定及验证方法》  

版权声明：本文素材来源热管理文摘精选，由HETA小编整理

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