电子膨胀阀在家用变频空调器中的应用

闫长林

（美的家用空调国内研发中心 广东顺德 528311）

1 引言

目前在家用空调领域，主要存在两种节流的方式，一种是传统的毛细管节流，另一种则是电子膨胀阀的节流。但毛细管只能对流量做微小的调节，故比较适合于负荷较稳定的系统，在负荷变化大时，无法有效及时地改变制冷剂流量。而电子膨胀阀的最大特点就是流量调节的及时性，可以及时响应压缩机排量的改变。故用于调节制冷剂流量的电子膨胀阀，也将广泛地应用于各类制冷系统中，实现了制冷系统的状态控制，极好地解决了系统的舒适性和系统运行的节能性问题。电子膨胀阀和变频压缩机组成的系统已取得了很好的效果，尤其是在家用变频空调器的低频和高频运行时，电子膨胀阀的优势就明显地体现出来。

2 电子膨胀阀工作原理及特点

电子膨胀阀作为一种新型的控制元件，是制冷系统智能化的重要环节，也是制冷系统优化得以真正实现的重要手段和保证，已经被应用在越来越多的家用变频空调领域中。

与毛细管相比，电子膨胀阀在以下方面有显著的优势[1]：

（1）电子膨胀阀从全闭到全开状态其用时仅需几秒钟，反应和动作速度快，不存在静态过热度现象，且开闭特性和速度均可人为设定，尤其适合于家用变频空调的使用。

表1 实验项目

表2 制冷实验数据

（2）电子膨胀阀的适用温度低。电子膨胀阀的感温部件为热电偶或热电阻，在低温下能准确反应出过热度的变化。

（3）电子膨胀阀的过热度设定值可调。电子膨胀阀的调节作用可以彻底实现远距离控制，根据不同需要灵活调整过热度以减小蒸发器表面和冷藏库内环境之间的温差。

（4）电子膨胀阀可起到节能的作用。采用电子膨胀阀控制压缩机排气温度可以防止因排气温度的升高对系统性能产生的不利影响，同时又可省去专设的安全保护器，节约成本，节省电耗约6%。

3 电子膨胀阀在变频空调器上的应用

作为一种电子式控制元件，电子膨胀阀具有采用速度快、精度高等特点，这相对于毛细管有着明显的优势。主要应用于以下几个方面：

（1）变频空调器性能最适化应用[2]

图1所示为电子膨胀阀的流量示意图，图2为流量随频率变化的示意图。

由此可见控制电子膨胀阀的开度随频率的变化而变化，可使系统在最佳状态下运行[3]，目前家用变频空调器中，能效为一、二级的机型已经广泛采用电子膨胀阀的控制技术。

（2）在提高除霜性能中的应用

在制热时电子膨胀阀以最适的制热开度运转，当除霜开始时，开度快速变更为除霜开度。例如采用三花制Q型500脉冲膨胀阀，开度可以设置为480，以增加制冷剂流量，使除霜更快，更完全。

（3）在提高空调器低温能力上的应用

在空调器低温测试中，利用电子膨胀阀的开度调节可以有效提升除霜后空调器能力的上升速率，以提高积分能力值。

（4）在空调器中抑制制冷剂噪音的应用

在家用变频空调器中，若采用毛细管节流方式，由于毛细管在节流的过程中制冷剂状态的变化常常会引起毛细管产生不可避免的振动，这种振动传至冷凝器，则表现为断续的极为刺耳的噪音。当采用电子膨胀阀后，节流的快速性及安装固定，制冷剂噪音将会得到抑制。

（5）电子膨胀阀的高温保护应用

在空调器运行的过程中，可以通过调节电子膨胀阀的开度抑制可能出现的压缩机排气温度过高的情况发生，即当排气温度过高时，电子膨胀阀将以某一速率增大开度，起到降低排气温度的作用。

（6）电子膨胀阀的低压保护应用

在空调器的运行过程中，可以通过调节电子膨胀阀的开度抑制低压过低的情况发生，即低压过低时，电子膨胀阀将以某一速率增大开度，起到提高低压的作用，并防止负压的产生。

4 电子膨胀阀与毛细管节流在变频空调器的制冷性能对比[4]

我们对一台1.5P的家用变频空调挂机进行了实验对比，除了节流部分按照毛细管和电子膨胀阀之外，其他部分完全一样。为了避免实验中的系统误差，设计了两个节流系统的切换装置，使得实验在同一台机子上连续完成，这样就提高了实验结果的可靠性。其实验系统原理如图3所示。

需要说明的是，按照毛细管配置的系统设计中，毛细管规格是在额定频率和额定工况下，按照额定制冷量3500W和制热量4500W的要求进行系统匹配。而电子膨胀阀的节流配置是按照优化控制原则自动控制，此时系统处于最优的状态运行。本次研究实验的测试项目是按照GB/T 7725中的变频空调的一些性能测试指标测试。主要内容见表1所示。

为了便于叙述，我们将毛细管方案定为方案a，采用电子膨胀阀的方案定为方案b。下面就制冷、制热、SEER、HSPF、APF等方面进行实验数据对比分析。

4.1 制冷性能数据对比分析

制冷的系统测试数据见表2所示。

从实验数据上看，首先额定制冷情况下的数据基本相同，这说明在额定频率点67Hz时空调系统的毛细管节流和电子膨胀阀的节流特性基本相同。而在其他的运行状态下，由于电子膨胀阀可以自动进行流量调节，所以其相关性能的测试数据要比毛细管的节流数据优越。

表3 制热实验数据

表4 SEER的相关数据

表5 HSPF的相关数据

与方案a相比，方案b的优势如下：

（1）在中间制冷时，方案b的设计频率减低，能效比提高了约0.2；

（2）在额定最小制冷时，空调运行在最低频率15Hz下，方案b的制冷量也提高了近80%，EER也提高了64%，体现出了电子膨胀阀很明显的优势；

（3）在额定最大制冷高频运行时，电子膨胀阀节流的性能优势也比较明显，其制冷量提高了123W，提高了约3.3%，而能效比则提高了2.8%。

4.2 制热性能数据对比分析

制热系统的数据见表3。

表6 两种APF的相关数据

其制热同制冷情况类似，额定制热工况下的数据基本相同。而在其他运行状态下，从相关的性能测试数据来看，电子膨胀阀的优势明显高于毛细管的节流性能。

电子膨胀阀与毛细管的具体优势对比：

（1）在中间制热时，方案b的设计频率降低了3Hz，能效比提高了约0.2。

（2）在额定最小制热时，空调运行在最低频率15Hz下，方案b的制热量提高了282W，近83%，EER也提高了70%，很明显地体现出了电子膨胀阀的节流优势。

（3）在额定低温制热运行时，电子膨胀阀的性能优势也比较明显，其制热量提高了131W，约提高了3.7%。

4.3 SEER对比分析

根据制冷的单项数据来看，我们按照GB/T 7725中的计算方法来算SEER，这样就可以得出这两种节流方案对SEER的影响。具体对比数据请见表4。

从上面数据来分析，按照GB/T 7725计算出来的SEER相差不大，电子膨胀阀的SEER比毛细管提高了约3.63%。

4.4 HSPF对比分析

同样，根据制热的单项数据来看，我们按照GB/T 7725中的计算方法来算HSPF，这样就可以得出这两种节流方案对HSPF的影响。具体对比数据请见表5。

从上面数据来分析，按照GB/T 7725计算出来的HSPF相差不大，电子膨胀阀的HSPF比毛细管提高了约4.2%。

4.1.4APF（全年能源消耗效率）对比分析

在前面制冷和制热相关数据的对比基础上，现在可以对APF（全年能源消耗效率）进行计算对比，具体数据请见表6。

从上面的实验数据可以得出，在额定频率和额定工况下运行时，方案b的性能优势不大，但在低频和高频及其他工况下运行时，则方案b的性能优势很明显。从理论分析，由于毛细管的规格设计是基于额定频率和额定工况设计，因此在额定区域附近，电子膨胀阀的优势不明显。但当变频空调的运行频率偏离了额定频率之后，毛细管的流量调节范围已不能满足要求，而电子膨胀阀则可以随时适应节流要求，从而其性能优势在变频空调器应用中很明显。

5 结论

综上所述，采用电子膨胀阀对家用变频空调器节流，其制冷制热能力有效得到控制，大大增加了家用变频空调器舒适性。对于变频空调去的设计，无论从理论上还是实验数据来看，电子膨胀阀的节流特性已经是变频空调器的最优选择，特别是当变频空调器处于低频或者高频运行时，其性能优势更为明显。电子膨胀阀应用于家用变频空调器已经成为行业的主流，势不可挡。

[1]赵瑞军，王先来，李维平.山西建筑，2005，31（1）

[2]江明旒，王如竹，吴静怡等.电子膨胀阀的应用领域及关键技术[J].制冷与空调，2009.9（1）：100-104

[3]吴东兴，金苏敏，樊高定等.电子膨胀阀—压缩机的同步控制[J].流体机械，2005（5:）：78-79

[4]何晓明、王志刚、俞炳丰小冷量变频空调器制冷系统采用单根毛细管的性能分析流体机械，1998,12