侧孔式电子膨胀阀特性研究

方亮，周大志，郭晓鹏

（丹佛斯自动控制管理（上海）有限公司，上海200235）

侧孔式电子膨胀阀特性研究

方亮*，周大志，郭晓鹏

（丹佛斯自动控制管理（上海）有限公司，上海200235）

侧孔式电子膨胀阀改变了现有市场上以锥阀结构作为流口的节流部件。本文对两种形式节流部件进行实验研究分析发现，侧孔式电子膨胀阀在流量特性、开阀和泄露等性能方面有了很大改善。流量的线性化为精确控制提供了保证，对提高制冷系统性能具有重要的意义。

节流元件；电子膨胀阀；流量控制；侧孔式结构

0 引言

随着社会发展和科学技术进步，人们对于节能和舒适度的要求越来越高，这一变化意味着调节和控制方式的更新；由传统控制向最优控制发展；简单机械式制冷自控元件向电子自控元件的发展[1]。节流机构作为系统制冷剂的流量调节元件，对装置的运行特性有着重要的影响，改善它对蒸发器制冷剂流量的控制特性，使之与系统其它部件良好匹配并适应装置的工况和负荷变化要求，一直是人们十分关注的问题[2]。电子膨胀阀作为系统中的关键部件，具有控制灵活、精度高的优点[3]，尤其在变工况条件下，电子膨胀阀调节性能明显优于热力膨胀阀[4]。目前国内外对电子膨胀阀的研究主要侧重于电机优化[5]、驱动形式对比、控制方案控制算法及应用研究，对电子膨胀阀结构研究主要侧重于试验和比较分析[6-7]。

对流量特性影响因素研究[8-12]，众说纷纭。张川等[13]在这方面已经做了相关的研究：在电子膨胀阀进出口条件不变的情况下，质量流量随阀开度的增加而增大，反映出质量流量与流通面积有良好的线性变化关系。魏文建等[14]对国内外电子膨胀阀阀头线型几何模型进行了研究。

目前市场上的步进电机式电子膨胀阀基本采用锥阀结构作为流口，在设计上阀体及阀针会随着流口的增大而不断增大，产品零件多，生产效率低下，无法进行大批量自动化装配。陶纪明等[15]对阀板式电子膨胀阀进行了研究，而Colibri（蜂鸟）电子膨胀阀在流道及结构上进行了创新设计，在阀的整体性能有了很大的提高。本文对电子膨胀阀流量特性和开阀特性等进行研究，为深入研究电子膨胀阀特性、进一步优化其调节性能提供参考。

1 流量特性分析

1.1 锥阀流量特性

流量特性是指流体在不同开阀脉冲步数时对应的工质流量。目前市场上实际应用的基本都是锥形结构如图1所示，图中以AB为母线所形成的旋转曲面就是膨胀阀的流通截面，其中AB为阀孔边到阀头母线的垂直线段。

图1 圆锥形阀头线形

阀针行程和流通面积百分比之间理论计算关系曲线如图2所示，阀针行程和流量不是线性关系。究其原因是步进电机每步提升阀针距离是相同的，但是锥台结构阀针和圆形阀口之间节流变化率是不同的，所以导致小脉冲流量曲线变化率大，大脉冲时流量变化率小。

图2 圆锥形流通截面积百分比与阀针行程变化曲线

图3所示为阀针行程和流通面积变化百分比之间理论计算关系曲线，从曲线中可以清晰地看出，随着发展行程的变化，流通面积变化百分比是不一致的。此结构优点在于流量曲线集合模型容易建立，加工便捷，成本低廉，在一定开度范围内，基本可以满足系统对制冷剂流量调节的要求；但其缺点是：膨胀阀流量特性曲线不可控；针对不同的制冷系统难于定量地进行阀头锥角的设计计算；在一定精度要求的情况下，流量控制的有效范围较窄（约为全开度脉冲数的40%）；流量曲线的线性较差。

图3 圆锥形流通截面积变化百分比与阀针行程变化曲线

小口径直动式电子膨胀阀结构基本都是圆锥形阀头，重要参数如图所示，流通面积计算公式[7]为：

图4为实测各型号圆锥型样品测试阀能力与开阀脉冲式关系曲线。由于锥阀结构设计的局限，现有电子膨胀阀流量曲线基本都是S型和L型，即脉冲数和流量不是线性关系，这导致了控制的复杂性和不准确性，大大降低了电子膨胀阀的应用精度。

图4 圆锥型样品测试阀能力与开阀脉冲式关系曲线

1.2 侧孔式电子膨胀阀流量特性

侧孔式在开启/关闭的过程中，阀芯的流通面积是线性变化的；而传统的锥形阀芯结构中流通面积是非线性的。Colibri（蜂鸟）电子膨胀阀，曲线更加接近于直线，方便控制，控制精准度更高。

图5所示为侧孔式阀芯结构，图6为阀针行程和流通面积百分比之间理论计算关系曲线，阀针行程和流量完全满足线性关系。究其原因，侧孔式流口设计步进电机每步提升阀针距离与阀口变化成正比，小脉冲段和大脉冲段节流面变化率一致。图7所示为阀针行程和流通面积变化百分比之间理论计算关系曲线，从图中计算结果可以看出，变化率完全一致。在一定精度要求的情况下，流量控制的有效范围较宽（约为全开度脉冲数的90%以上）；流量曲线的线性度好。

图5 侧孔式阀芯结构

图6 侧孔式流通截面积百分比与阀针行程变化曲线

图7 侧孔式流通截面积变化百分比与阀针行程变化曲线

从图8可以看出，Colibri（蜂鸟）电子膨胀阀样品测试阀能力与开启度关系曲线，曲线更加接近于直线，控制简单，相对控制精准度更高。

图8 Colibri样品测试阀能力与开启度关系曲线

2 开阀性能分析

电子膨胀阀的开阀性能主要由电机扭力、摩擦力、脉冲频率等因素决定，由于现阶段电机工业及材料科学发展的限制，在电机结构尺寸不变的前提下，磁性材料磁性能的优劣决定了电机扭力的大小，在磁性材料确定的情况下，电机的扭力随着转子的增大而增大，当阀口直径增大的情况下，一般采用增粗转子外径的方法，来满足大口径电子膨胀阀对电机扭力的需求。当阀口继续增大，通过增加转子内径无法实现高性价比，且电机非常大，安装和空间都不允许，此时一般采用齿轮减速方式增大扭力。

大小口径电子膨胀阀在细节设计上也有一些区别：由于普通小口径的直动式因为阀口比较小，电子膨胀阀电机扭力足够满足设计要求，一般没有内平衡压力设计；只有当口径增大后，电机扭力不足以满足要求时，才会有内平衡设计，来减少大口径阀口在最大开阀压差的情况下对电机扭力的需求。

在电机力矩结构设计上主要包括直动式和齿轮减速式。由于磁性材料限制，直动式电子膨胀阀阀口直径一般小于8 mm，大口径电子膨胀阀要求开阀力较大，一般采用的都是齿轮减速式结构，国内外电子膨胀阀一直沿用此种设计理念。本文研究的Colibri（蜂鸟）电子膨胀阀，采用新的侧孔流道设计，在电机性能和阀体结构上进行了优化，打破了传统大口径电子膨胀阀用齿轮减速式结构的局限，采用直动式设计大口径电子-膨胀阀，减少了零部件及工艺流程，同时减少了外漏焊接点和连接点，大大提高了产品的可靠性。

2.1 开阀性能

最大开阀压测试是考核直动式电子膨胀阀产品性能优劣的关键指标。目的主要包括：测试在恶劣条件下电机扭力是否满足要求、测试中阀能否正常打开，测试在最大开阀压差条件下电机是否失步。

Colibri（蜂鸟）电子膨胀阀采用了独特的内平衡设计，此种设计在保证了内泄露前提下，提高了开阀性能中最大开阀压差及逆向最大开阀压差。

侧孔式电子膨胀阀最大开阀压差性能主要取决于阀两侧压差及温度高低对材料热膨胀率的影响。随着温度的升高，摩擦力不断减小，压力增大，摩擦力不断增大。此种情况主要由设计结构及材料特性决定。此种设计好处在于，在电机扭力允许及结构尺寸确认的条件下，可以通过侧孔大小、数量来设计阀口流量大小，最大开发压差，逆向最大开阀压差等性能在结构定型后与阀口大小无关，开阀力只与压差和温度有关。

2.2 驱动速度

Colibri（蜂鸟）电子膨胀阀改变了大口径电子膨胀阀齿轮减速式结构，采用了直动式结构，全开脉冲数600步，如采用160步/s的速率，全开最短时间3.75 s；而同样口径齿轮减速式的电子膨胀阀全开脉冲数大概是2,600～3,800步，如采用300步/s的速率，全开所需最短时间8.7 s～12.7 s。同样流通能力的电子膨胀阀，Colibri（蜂鸟）开关阀时间只有齿轮减速式的1/3左右。该结构的膨胀阀流量与脉冲数一一对应，即对于给定的调节目标，所对应的脉冲数量也固定的，且调节速度快，可以快速反应达到调节目标，避免了多次长时间震荡式调节，节省了较多能量。由于流量曲线线性度较高，在大脉冲保持温度时，可以保证小调节量大调节范围，使实际温度与设定温度上下波动幅度很小，达到节能的目的。

3 泄漏性能

泄漏包括内漏和外漏。对于外漏，主要风险在于焊缝焊接强度不够。针对Colibori（蜂鸟）电子膨胀阀，主要有1条主焊缝，4条辅焊缝，且都为激光焊接。市场上齿轮减速电子膨胀阀除了2个接管钎焊焊缝外，还有至少2个密封装配面，且钎焊焊接会出现造成气孔、虚焊等不良品。Colibri（蜂鸟）采用激光焊接，可以大幅降低由于焊接工艺造成的外漏问题。

内漏是指电子膨胀阀在全闭时，工质从高压端向低压端的泄漏量。锥阀结构软密封有很好的泄漏性能，侧孔式节流结构同样具有很好的泄漏特性。Colibri（蜂鸟）采用双活塞密封及软密封结构，从结构上看，双活塞密封结构主要是借鉴了四通阀主阀活塞结构，既可以降低内漏，又保证了极端条件正反向流通时，即最大开阀压差及逆向最大开阀压差的情况下，阀能正常工作。阀全闭时，节流结构两侧有较高的压力差，高压一侧的压力通过阀口套上孔及间隙作用于双活塞密封结构，将双活塞密封结构压向低压侧，与双活塞密封结构与阀口套压紧。双活塞密封结构与阀口套接触面精度较高，因此间隙很小，形成密封，工质不能通过。 压力差越大，密封性越好，这恰与其它结构相反，也是侧孔式节流结构的优点。

在实际应用中，应用Colibri（蜂鸟）电子膨胀阀的系统较普通减速式电子膨胀阀在蒸发器稳定控制、系统响应速度快、调节精确等方面有了一定程度的提高，使系统整体性能得到了一定的提升。

4 结论

侧孔式电子膨胀阀的结构与现有电子膨胀阀结构相比，有更多优点。在流量特性方面，使流量与脉冲数量成比例关系；在线性度方面，使流量变化更趋于线性化，便于实现控制逻辑简化，对控制的可靠性有很大作用；在泄漏特性方面，激光焊接、焊缝少，大大降低的外漏概率，同时在内漏方面具有正反向流通都有低泄漏的特性；快速的开关阀特性，大大提高了系统响应速度，使蒸发器波动更小。侧孔式结构为制冷系统冷媒流量的精确控制提供了硬件基础，有利于空调系统性能的提高及节能的作用，在能源日益紧张及能耗不断降低的背景下具有现实意义。

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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，工程师，硕士。研究方向：阀门设计。联系地址：上海市宜山路900号科技大楼C座22层，邮编：200235。联系电话：021-61513067。E-mail：fangliang@danfoss.com。