新型双向热力膨胀阀与变频空调器实用状态下的节能分析

目前变频空调器所采用的节流元件在实用状 态下不能充分发挥其应有的性能和节能优势。针 对变频空 调 器 的 特 点，在 现 有 热 力 膨 胀 阀 的 基 础 上，通过十余项创新 和 改 进，研 制 出 适 用 于 变 频 空 调器，并使 其 在 实 用 状 态 下 的 性 能 和 节 能 优 势 得 到充分发挥的新型双向热力膨胀阀。
发器进口与蒸发器出口的压力差；ｆ 为橡胶密封圈
的圆 环 形 面 积；Ｇ 为 作 用 于 膜 片 下 端 的 作 用 力，其
为关闭力。从式（１）可 知，橡 胶 密 封 圈 的 圆 环 形 面
积ｆ 是定值，不会随运行工况的变化而变化，而蒸
发器进、出口压差 Δｐ 随运行工况不同及蒸发器蒸
发量不同而发生变 化，即 蒸 发 量 大 时，蒸 发 器 进 出
目前变频空调器普遍采用的节流元件为毛细 管和电子膨胀阀。 １ 毛 细 管
毛细管作为节流 元 件，因 结 构 简 单、可 靠 和 成 本低而广 泛 应 用 于 家 用 电 冰 箱、冷 冻 箱 和 定 频 家 用空调器 等 小 型 制 冷 装 置。 但 在 制 冷 系 统 中，其
不能根据 负 荷 变 化 主 动 调 节，因 此 仅 适 用 于 冷 凝 压力和蒸发 温 度 比 较 稳 定 的 制 冷 装 置 。 ［１］ 在 变 频 空调器中 采 用 毛 细 管 作 为 节 流 元 件，只 能 依 据 额 定频率、额定工况点 进 行 匹 配，使 变 频 空 调 器 应 有 的全频域、全 工 况 的 性 能 优 势 不 能 得 到 发 挥。 即 在实际使 用 中，变 频 空 调 器 应 有 的 节 能 效 果 不 能
不同，通常 所 选 配 的 双 向 热 力 膨 胀 阀 无 法 同 时 满
足 制 冷 和 制 热 工 况 下 的 流 量 要 求 ，精 度 较 差 。
新型双向热力膨胀 阀 （以 下 简 称 双 向 阀）针 对
变频空调 器 在 实 际 工 作 时 的 复 杂 多 变 条 件，通 过
创新和改进解决了一系列问题。不但提高了调节
性能，更从结构上消 除 了 可 能 出 现 的 各 种 故 障，使
其成为变频空调器最为实用而且可 靠 的节 流元
件 ，其 结 构 如 图 １ 所 示 。
３．１ 双 向 工 作
双向工作 的 热力 膨 胀 阀 必须 采 用 外 平 衡 结
构，否则反 向 工 作 时 冷 凝 压 力 将 直 接 作 用 于 膜 片
收 稿 日 期 ：２０１１－１２－２８ 作 者 简 介 ：叶 兴 海 ，大 专 ，工 程 师 ，经 理 ，主 要 从 事 热 泵 空 调 系 统 的 节 能 研 究 。
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第 １２ 卷
实现。 ２ 电 子 膨 胀 阀
电 子 膨 胀 阀 作 为 一 种 新 型 节 流 元 件，是 高 效 变频空调器中普遍采用的节流元件。从广义角度 而言，电子膨胀阀实 际 上 是 一 种 电 动 膨 胀 阀，电 子 膨胀阀本 身 仅 仅 是 一 个 执 行 阀，不 具 备 自 动 采 集 温度和压 力 信 号 的 功 能，也 不 具 备 调 节 后 接 受 反 馈温度和 压 力 信 号 的 功 能，需 要 通 过 压 力 传 感 器 检测蒸发 器 出 口 压 力，由 控 制 器 将 其 转 换 成 相 应 的蒸发温 度，通 过 温 度 传 感 器 检 测 蒸 发 器 出 口 温 度，并与蒸发温度进 行 比 对，再 由 控 制 器 控 制 电 子 膨胀阀开 度 大 小，使 蒸 发 器 出 口 过 热 度 保 持 在 设 定值。因此 电 子 膨 胀 阀 在 系 统 配 置 压 力 传 感 器、 温度传感 器 及 高 精 度 控 制 器 和 控 制 模 式 条 件 下， 反应速度 快，不 会 产 生 流 量 波 动 或 振 荡。 从 纯 技 术角度考 虑，电 子 膨 胀 阀 是 变 频 空 调 器 最 理 想 的 节流元件，可 以 保 证 蒸 发 器 出 口 过 热 度 在 任 意 工 况、任意频 率 运 行 条 件 下 始 终 保 持 在 最 佳 值。 但 压力传感 器 昂 贵，仅 适 用 于 中 央 空 调 或 变 频 中 央 空调。在家 用 变 频 空 调 器 中，用 高 昂 的 成 本 追 求 最佳性能是不现 实 的，也 是 无 法 接 受 的。 因 此，普 遍采用温 度 传 感 器 替 代 压 力 传 感 器，其 误 差 相 对 较大。由于 变 频 空 调 器 实 用 状 态 下 工 作 频 率、室 内外温湿 度 及 负 载 等 可 变 因 素 很 多，且 在 用 温 度 传感器替 代 压 力 传 感 器 的 条 件 下，开 发 高 精 度 的 控制器不但周期长，而 且 十 分 困 难，同 时 系 统 中 的 压缩机和 换 热 器 乃 至 管 路 稍 有 变 动，均 将 影 响 到 控制的精 度，所 以 家 用 变 频 空 调 器 节 流 元 件 采 用 电子 膨 胀 阀 不 可 能 兼 顾 成 本 和 性 能，不 是 最 佳 方 案 。 ［２－３］ ３ 新 型 双 向 热 力 膨 胀 阀
丹弗斯公司（ＤＡＮＦＯＳＳ）和 美 国 阿 尔 柯 公 司 （ＡＬ－
ＣＯ）等 均 有 产 品 ，各 公 司 开 发 的 双 向 热 力 膨 胀 阀 的
阀芯均采 用 双 向 平 衡 流 口 结 构，无 论 正 向 还 是 反
向工作时，作用于阀 芯 两 边 的 作 用 力 均 相 等，解 决
了双向工作的问题。但由于制冷和制热工况截然
２）（Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｓｈａｏｘｉｎｇ Ｃｉｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｓ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ－ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎ ｐｅｏｐｌｅ’ｓ ｌｉｖｉｎｇ，ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｉｓ ｈｉｇｈｌｙ ｐａｉｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｂｙ ｅｖｅｒｙ ａｓｐｅｃｔ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｒａｐｉｄｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ．Ｂｕｔ，ｈｏｗ ｃａｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｂｅ ｅｘｅｒｔｅｄ ａｄｅ－ ｑｕａｔｅｌｙ ｉｎ ｆｕｌｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｆｕｌｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎｖｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ，ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｔｈａｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｕｎｄｅｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｔａｔｅ，ｔｅｎ ｍｏｒｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｐａｓｓｅｄ，ｎｅｗ ｔｗｏ－ｗａｙ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ ｍａｋｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｉｓ ｆｕｌｌｙ ｅｘｅｒｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉ－ ｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｔａｔｅ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ；ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｔａｔｅ； ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ；ｎｅｗ ｔｗｏ－ｗａｙ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ
下端，使阀口关闭，无 法 工 作。 单 向 工 作 的 外 平 衡
热力膨胀 阀 其 平 衡 部 密 封 通 常 采 用 橡 胶 密 封 圈，
且橡胶密封圈上下两端面所承受的制冷剂压力差
直接作用 于 传 递 杆，并 通 过 传 递 杆 作 用 于 膜 片 下
端 ，即
Ｇ＝Δｐ×ｆ
（１）
式中：Δｐ 在单向工作 的 外 平 衡 热 力 膨 胀 阀 中 为 蒸
胀 阀 和 ２ 只 单 向 阀 ，分 别 用 于 制 冷 和 制 热 。
双向热力膨胀阀的工作原理与单向热力膨胀
阀完全相 同，区 别 在 于 双 向 热 力 膨 胀 阀 正 向 和 反
向均能自动调节流量。
国际上对于双向热力膨胀阀的研究和开发已
有２０ 多 年 历 史 ，行 业 中 知 名 度 很 高 的 公 司 ，如 丹 麦
热 力 膨 胀 阀 的 应 用 已 有 数 十 年 历 史，技 术 相
对成熟，广泛应用于 中 央 空 调 及 大 中 型 制 冷 设 备。
目前常用 的 热 力 膨 胀 阀 均 是 单 向 热 力 膨 胀 阀，单
向热力膨胀阀只能 正 向 节 流 降 压，自 动 调 节 流 量，
不能反向工作。在热泵系统中须设置２只热力膨
第１２卷 第３期 ２ ０ １ ２ 年 ６ 月
ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＡＩＲ－ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ
９５－１０２
新型双向热力膨胀阀 海１） 钱 纪 明２） 陈 杰１） 张 斌１） 祝 宇１） 邓 永 林１）
１）（浙 江 春 晖 智 能 控 制 股 份 有 限 公 司 ） ２）（浙 江 省 绍 兴 市 科 技 信 息 研 究 院 ）
热力膨胀 阀 不 同 于 电 子 膨 胀 阀 （仅 是 一 种 执 行阀），是集回气压 力 和 回 气 温 度 信 号 采 集 及 流 量 调节，调节 后 的 回 气 压 力 和 回 气 温 度 反 馈 信 号 采 集于一体 的 独 立 的 流 量 自 动 调 节 阀，具 有 自 适 应 调节能力。