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汽车空调热力膨胀阀的标定及验证方法

2021-12-23 18:44:12·  来源：汽车热管理之家  
　
摘要：热力膨胀阀的零点标定及性能验证是保证整个空调系统的制冷性能及稳定性的重要因素。通过热力膨胀阀的工作原理及空气作动试验研究了膨胀阀 0 度作动值的标
摘要：热力膨胀阀的零点标定及性能验证是保证整个空调系统的制冷性能及稳定性的重要因素。通过热力膨胀阀的工作原理及空气作动试验研究了膨胀阀 0 度作动值的标定，通过四象限图介绍了热力膨胀阀性能验证的试验方法。

1. 引言

膨胀阀的标定及验证是保证膨胀阀性能的关键，会直接影响整个空调系统的制冷性能，对空调系统的制冷效果、运行寿命、运行成本具有重要的意义。
膨胀阀有节流降压、调节流量、保持一定过热度、防止液击和异常过热等作用。使从冷凝器来的高温高压液态制冷剂节流降压成为容易蒸发的低温低压的气液混合物进入蒸发器。膨胀阀通过流量的调节使蒸发器具有一定的过热度，保证蒸发器总容积的有效利用，避免液态制冷剂进入压缩机产生液击；同时又能控制过热度在一定范围，防治异常过热现象的发生。
2 热力膨胀阀的工作原理
2.1 热力膨胀阀的力学平衡
膨胀阀的开度决定制冷剂流量的大小，其开度是由阀芯和推杆联合控制的。感温包内的充注物通过感知平衡管内低压端的温度而产生压力变化，膜片处承受三个力的作用：弹簧对阀芯的弹力FS，平衡管内制冷剂输入的压力PL ，感温包内充注物的压力PB ，当这三个力平衡时，节流阀位置一定，制冷剂流量也一定，此时，PB*a=PL*a+FS其中，PB*a----相当感温包内压力;PL*a----低压侧压力;FS----弹簧力；a-----膜片有效面积。
2.2 热力膨胀阀的温度调节
当平衡管内低压端温度较低时，感温包内充注物的压力较小，小于弹簧力与平衡管内低压端压力之和时，即PB*a<PL*a+FS，阀芯球体上移，阀门关小，冷媒流量减小，此时空气侧温度与流量不变，单位质量冷媒吸热量增加，温度升高；当平衡管内低压端温度较高时，感温包内充注物的压力大于弹簧力与平衡管内低压端压力之和，即PB*a>PL*a+FS，阀芯球体下移，阀门开大，冷媒流量增大，单位质量冷媒吸热量减少，温度降低。

3. 空气作动试验

3.1过热度
膨胀阀出口过热度为感温包温度与膜片下方压力对应的饱和温度差。阀自关闭状态至开始打开所需的过热度为静止过热度（S.S.H），阀从开启至额定开度所需要的过热度增量称为热力膨胀阀的有效过热度（S.H.C）。热力膨胀阀的静止过热度与有效过热度之和称为工作过热度（T.S.H），汽车空调的制冷效果主要通过调节工作过热度实现。
3.2热力膨胀阀的空气作动试验
试验目的：设定静止过热度（S.S.H），即阀关闭状态至刚打开的过热度，也称 0℃作动值。此值一般通过改变阀刚打开时的弹簧负荷来调节。原理图如图1所示，膨胀阀的感温包浸泡在0℃液体中，如果要求0℃作动值为0.1MPa，则入口通入压力为1.03 MPa的空气，出口处固定泄压孔的直径为 0.8mm。试验中通过调节 TXV 的调节螺丝，调节弹簧的压缩量，即弹簧力FS，使得蒸发器出口压力PL为0.1MPa时，阀打开。


图1 空气作动试验原理图
图2 膨胀阀的四象限图

4. 膨胀阀的四象限图

四象限图是膨胀阀单体性能验证的关键，从中可以看出一个膨胀阀的感温包充注特性、钢球压力位移特性、阀芯开度流量特性及温度流量特性等。
4.1 第一象限：充注特性
目的：充注特性是用来检测动力头内冷媒的充注状况。
原理：把动力头的温度逐步升高，由此，PB逐步提高，即开阀压力增大，阀开度逐步增大，随之PL也增大。
感温包内的充注介质及方式可通过图线的斜率来判断，若膨胀阀的充注特性曲线与R134a的特性曲线平行，则为平行充注，否则，为交叉充注。交叉充注时，曲线斜率越大，感温包中惰性气体的比例越小，膨胀阀对系统低压的调节越灵敏；斜率越小，则反之。
4.2 第二象限：压力--位移特性
目的：通过测试低压压力和钢球的位移，可以知道膜片跟弹簧的性能。
原理：将动力头浸泡在0度的恒温槽中,即PB保持不变，然后将低压压力逐步提高,即PL逐步加大,来测量钢球的位移。膨胀阀生产商一般通过曲线是否平滑来检测膜片与弹簧的性能是否有异常。
压力-位移曲线随着PB*a、PL*a、FS 三个力的相互作用而发生变化。当PL=0时，位移最大，阀门完全打开；随着PL的增大，位移越来越小，阀门逐渐关闭。
4.3 第三象限：开度－流量特性
目的：通过测试开度－流量曲线，我们可以知道膨胀阀的制冷能力以及钢球、阀口是否符合要求，测匹配度是否合适。
原理：在膨胀阀开度相同的情况下，钢球及阀口的大小影响到系统的冷媒流量。调整控制好系统工况，PH为1.5MPa,PL为0.2MPa, 入口过冷度为5℃，出口过热度为5 ℃，并保持不变，用手动阀逐步增加膨胀阀开度大小，测试不同开度下的流量大小。
4.4 第四象限：温度－流量
通过以上三个象限，可计算得出温度与流量的对应关系。即膨胀阀通过蒸发器出口温度对系统流量的一个控制情况，以此检测膨胀阀的调控性能及制冷能力。
随着膨胀阀出口温度升高，过热度越来越大，达到静止过热度时，膨胀阀打开，阀开度随着过热度的增大而增大，流量也越来越大。此时，更多低温冷媒流入膨胀阀出口，从而使膨胀阀出口温度下降。

结束语

热力膨胀阀的四象限特性直接影响整个制冷系统的制冷效果和运行压力的稳定性。通过四象限图对膨胀阀的标定和性能进行检测，能够及时排除膨胀阀的制造故障和和标定偏差。热力膨胀阀只有通过准确的0度作动值标定和性能检测，才能保证空调系统的运行的正常压力和制冷效果，为驾驶员及乘客提供舒适的驾乘环境。
作者：牛万莹 赖选华 魏成龙
单位：神龙汽车有限公司
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