專利名稱：跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷系統(tǒng)節(jié)流元件，具體地說是一種跨臨界二氧化碳制冷系 統(tǒng)高壓控制閥，屬于制冷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
長期以來工業(yè)界一直使用CFC類和HFC類制冷劑作為制冷工質(zhì)，前者會破 壞臭氧層，后者會產(chǎn)生明顯的溫室效應(yīng)，人工合成的制冷工質(zhì)不可避免地都對自 然環(huán)境造成破壞。二氧化碳是一種天然制冷劑，可以取自大自然或工業(yè)排放廢氣， 有利于環(huán)保，同時跨臨界二氧化碳制冷循環(huán)的性能也與傳統(tǒng)氟利昂制冷循環(huán)相 當(dāng)，因此二氧化碳制冷系統(tǒng)被廣泛地認(rèn)為具有很大的發(fā)展前途。
跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的高低壓的控制特性與常見的壓縮式制冷系統(tǒng)有 較大的不同。目前常用的壓縮式制冷系統(tǒng)采用亞臨界循環(huán)，不管是高壓側(cè)還是低 壓側(cè)，溫度與壓力均密切相關(guān)。在機(jī)組運(yùn)行過程中，主要是通過調(diào)節(jié)節(jié)流元件來 控制蒸發(fā)壓力與溫度，提高系統(tǒng)的工作效率。對于高壓側(cè)來講，冷凝溫度主要依 賴于冷卻介質(zhì)的溫度與流量，冷凝壓力與冷凝溫度一一對應(yīng)，而高壓側(cè)的壓力即 為冷凝壓力，因此高壓側(cè)的壓力基本上依賴于冷卻介質(zhì)的溫度與流量，在系統(tǒng)中 不需要專門進(jìn)行控制。對于跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)來講，其高壓側(cè)制冷劑發(fā)生 的不是冷凝過程，而是超臨界氣體的冷卻過程，其壓力與溫度是兩個獨立的變量。 因此盡管溫度受到冷卻介質(zhì)的限定，但是壓力卻不直接受到限制。在跨臨界二氧 化碳制冷系統(tǒng)中，高壓側(cè)壓力可達(dá)70 150bar，是常用制冷裝置的7 10倍。另 外高壓側(cè)的壓力特性對于系統(tǒng)的工作效率有很大的影響，對于某一工況存在一個 最優(yōu)壓力，使得系統(tǒng)能效比達(dá)到最大。因此不管是從安全性還是從熱效率角度考 慮，在跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)中，均不能像通常的亞臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)那樣， 不設(shè)置直接對高壓側(cè)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。為了保證跨臨界二氧化碳制冷裝置高 壓側(cè)壓力得到控制，可以采用節(jié)流機(jī)構(gòu)來控制高壓側(cè)的壓力。當(dāng)高壓側(cè)壓力過高 時，增大節(jié)流機(jī)構(gòu)的開度，而當(dāng)壓力偏低時，則減小開度。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)中國專利公開號為CN1737472A，
公開日為 2006年2月22日，專利名稱為跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)節(jié)流短管，提出一種
可調(diào)節(jié)流量的節(jié)流短管，其核心是采用一種機(jī)械式的帶有內(nèi)部旁通功能的節(jié)流
短管作為節(jié)流元件，其流量可以根據(jù)節(jié)流短管進(jìn)口高壓的變化實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。該 機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置了一個主節(jié)流短管和一個輔助節(jié)流短管，主節(jié)流短管始終處于打開 狀態(tài)，流量的變化靠輔助節(jié)流短管調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)流量大小來控制氣體冷卻器內(nèi) 的壓力。這個方案中的節(jié)流短管對于變化的氣體冷卻器出口溫度必須用調(diào)節(jié)螺栓 改變彈簧的預(yù)緊力，以此來調(diào)節(jié)出最優(yōu)壓力，不具有自動調(diào)節(jié)的功能，因此在實 際應(yīng)用中系統(tǒng)運(yùn)行工況受到很大限制。
到目前為止，還沒有出現(xiàn)適用于跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的，采用新型感溫 控制元件針對不同的氣體冷卻器出口溫度自動調(diào)節(jié)出系統(tǒng)最優(yōu)壓力的，不需要另 外引入驅(qū)動控制方式的可調(diào)節(jié)式節(jié)流機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計提供一種跨臨界二氧化碳制冷 系統(tǒng)高壓控制閥，能夠隨氣體冷卻器出口溫度的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)最優(yōu)壓力，調(diào) 節(jié)靈敏度高，具有較高的可靠性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明提出的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)
高壓控制閥包括閥體、閥座、閥口、闊桿、球形閥頭、傳動板、記憶彈簧、傳 動板連桿、進(jìn)氣通道構(gòu)件、進(jìn)氣孔道、中心孔、定位圈、進(jìn)氣管、出氣管、進(jìn)氣 腔、密封塊。閥體右端連接進(jìn)氣管，由制冷循環(huán)中的氣體冷卻器通過進(jìn)氣管流入 的制冷劑壓力直接作用于傳動板右側(cè)面，產(chǎn)生向左的作用力，進(jìn)氣腔通過設(shè)置于 進(jìn)氣通道構(gòu)件上的進(jìn)氣孔道與進(jìn)氣管導(dǎo)通，流入進(jìn)氣腔的制冷劑壓力作用于傳動 板連桿的左端面，產(chǎn)生向右的作用力，記憶彈簧放置在進(jìn)氣腔內(nèi)，彈簧兩端與閥 座和傳動板連桿接觸，記憶彈簧感受到制冷劑溫度后對傳動板連桿的左端面產(chǎn)生 向右的作用力，閥口位于閥座的中心，球形閥頭固定在閥桿左端，閥口與球形閥 頭構(gòu)成的最小流通截面——喉部起到節(jié)流降壓作用，閥桿右端與傳動板連桿固 定，傳動板連桿右端固定在傳動板左側(cè)面中心位置上，傳動板連桿從中心孔的右 端插入，中心孔右端設(shè)一密封塊與傳動板連桿緊密配合，閥座與進(jìn)氣通道構(gòu)件之 間設(shè)置一定位圈，閥座外周處嵌設(shè)有第三密封圈，進(jìn)氣通道構(gòu)件外周處嵌設(shè)有第四密封圈，閥座、進(jìn)氣通道構(gòu)件和定位圈均壓裝在閥體的內(nèi)壁面上，閥體左端連 接出氣管。
進(jìn)氣通道構(gòu)件的圓周上均布有12個進(jìn)氣孔道，其總的流通面積大于閥座上 的閥口的面積。進(jìn)氣通道構(gòu)件與傳動板和傳動板連桿構(gòu)成的密閉空間為真空狀 態(tài)。傳動板外周處嵌設(shè)有第一密封圈；密封塊孔內(nèi)處嵌設(shè)有第二密封圈。記憶彈 簧壓縮形變產(chǎn)生對傳動板左側(cè)的壓力與傳動板右側(cè)的氣體壓力同時作用于傳動 板，傳動板受力并帶動閥桿連同球形閥頭左右移動，以關(guān)閉或打開閥口。
所述的記憶彈簧是采用形狀記憶合金制成的，在運(yùn)行工況范圍內(nèi)均處于壓縮 狀態(tài)。形狀記憶合金是一種具有記憶特性的特殊合金材料，在不同溫度下記憶彈 簧會自動伸縮為所記憶的形狀。同時，這種材料還具有超彈性，它的應(yīng)變量可高 達(dá)20%，卸載應(yīng)力后，能完全恢復(fù)到原來的形狀。本發(fā)明中所選用的記憶彈簧是 依據(jù)二氧化碳制冷系統(tǒng)的壓力一溫度特性進(jìn)行設(shè)計的，具體的是依據(jù)二氧化碳 制冷系統(tǒng)氣體冷卻器出口的最優(yōu)壓力——溫度特性，對記憶彈簧的形變——溫度 特性進(jìn)行設(shè)計，使其安裝在節(jié)流閥內(nèi)在一定溫度和長度下由壓縮形變產(chǎn)生的作用 力能使二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓側(cè)達(dá)到最優(yōu)壓力。由于記憶彈簧對溫度的高精度形 狀記憶特性，以及快速的形狀恢復(fù)性能，將其用作本發(fā)明的高壓控制閥的感溫控 制元件將大大提高調(diào)節(jié)精度。
本發(fā)明的高壓控制閥安裝在制冷系統(tǒng)中的氣體冷卻器與蒸發(fā)器之間，在制冷 系統(tǒng)運(yùn)行時，由氣體冷卻器流出的過冷或超臨界流體通過進(jìn)氣管流入高壓控制閥 后，對傳動板右側(cè)產(chǎn)生壓力P2，同時通過進(jìn)氣孔道流入進(jìn)氣腔，位于進(jìn)氣腔內(nèi) 的傳動板連桿左側(cè)面也受到壓力P2的作用，腔內(nèi)放置的記憶彈簧感受到由氣體 冷卻器流入的制冷劑溫度，將會根據(jù)自身的形變——溫度特性發(fā)生相應(yīng)于上游氣 體冷卻器出口溫度的伸縮變化，但由于傳動板運(yùn)動行程的限制，記憶彈簧不能自 由伸展，因此將發(fā)生壓縮形變，隨著記憶彈簧感受到的溫度的變化，壓縮形變對 傳動板連桿左側(cè)產(chǎn)生的壓力也相應(yīng)地變化。本發(fā)明的核心技術(shù)是在一定的氣體 冷卻器出口溫度下，當(dāng)閥桿左端的球形閥頭與閥口接觸時記憶彈簧和進(jìn)氣腔內(nèi)氣 體壓力P2對傳動板連桿產(chǎn)生的向右的合力Fi對傳動板的壓力Pi恰好等于最優(yōu)壓 力。當(dāng)在某一氣體冷卻器出口溫度和壓力下，闊口處于關(guān)閉狀態(tài)時的傳動板左側(cè) 壓力P!大于傳動板右側(cè)壓力P2，闊口保持關(guān)閉狀態(tài)，隨著系統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，位于壓縮機(jī)吸氣口的氣液分離器內(nèi)的部分制冷劑將被抽吸到壓縮機(jī)排氣口下游 的氣體冷卻器內(nèi)，氣體冷卻器內(nèi)部壓力將升高，與之相通的傳動板右側(cè)的壓力 P2也將逐漸升高達(dá)到并超過傳動板左側(cè)壓力Pi，也即高壓側(cè)的最優(yōu)壓力，此時 傳動板帶動閥桿連同球形閥頭將向左移動并打開閥口，使得通過高壓控制閥的流 量迅速增大，P2將由較高壓力逐漸降低，當(dāng)降低到高壓側(cè)最優(yōu)壓力以下時，傳動 板將帶動閥桿連同球形閥頭重新移動至閥口位置，關(guān)閉閥口，但隨著高壓側(cè)壓力 P2重新升高達(dá)到并超過Pi，閥口很快又會重新打開，如此重復(fù)打開和關(guān)閉閥口 的過程，最終使得P2始終趨向于P。也即氣體冷卻器內(nèi)的壓力總能達(dá)到相應(yīng)出 口溫度下的最優(yōu)壓力。因此，由高壓控制閥開度的自動調(diào)節(jié)將使跨臨界二氧化碳 制冷系統(tǒng)的高壓側(cè)壓力得到控制，使系統(tǒng)運(yùn)行效率處于最佳狀態(tài)。
通過上述的調(diào)節(jié)控制方式，本發(fā)明的高壓控制閥能夠應(yīng)對系統(tǒng)運(yùn)行工況的變 化自動將高壓側(cè)壓力調(diào)至最優(yōu)壓力，相比于其它節(jié)流機(jī)構(gòu)，本發(fā)明的高壓控制閥 完全依靠系統(tǒng)自身的壓力進(jìn)行驅(qū)動，以及內(nèi)置的記憶彈簧作為感溫控制元件進(jìn)行 調(diào)節(jié)，在拓寬調(diào)節(jié)范圍并提高調(diào)節(jié)精度的同時也不用任何額外的閥門驅(qū)動裝置。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的高壓控制閥內(nèi)部的進(jìn)氣通道構(gòu)件的示意圖。 圖3為圖2所示A-A剖視圖。
圖l中閥體l，閥座2，閥口3，闊桿4a，球形閥頭4b，傳動板5，記憶 彈簧6，傳動板連桿7，進(jìn)氣通道構(gòu)件8，進(jìn)氣孔道9，中心孔IO，定位圈ll， 第一密封圈12，進(jìn)氣管13，出氣管14，第三密封圈15a，第四密封圈15b，進(jìn) 氣腔16，密封塊17，第二密封圈18。
圖2-3中進(jìn)氣通道構(gòu)件8，進(jìn)氣孔道9，中心孔IO，密封塊17，第二密封 圈18。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施做進(jìn)一歩描述。
如圖1所示，本發(fā)明包括閥體l、閥座2、閥口3、閥桿4a、球形閥頭4b、 傳動板5、記憶彈簧6、傳動板連桿7、進(jìn)氣通道構(gòu)件8、進(jìn)氣孔道9、中心孔IO、 定位圈ll、進(jìn)氣管13、出氣管14、進(jìn)氣腔16、密封塊17。閥體1右端連接進(jìn)氣管13，由制冷循環(huán)中的氣體冷卻器通過進(jìn)氣管13流入 的制冷劑壓力直接作用于傳動板5右側(cè)面，產(chǎn)生向左的作用力，進(jìn)氣腔16通過 設(shè)置于進(jìn)氣通道構(gòu)件8上的進(jìn)氣孔道9與進(jìn)氣管13導(dǎo)通，流入進(jìn)氣腔16的制冷 劑壓力作用于傳動板連桿7的左端面，產(chǎn)生向右的作用力，記憶彈簧6放置在進(jìn) 氣腔16內(nèi)，彈簧兩端與閥座2和傳動板連桿7接觸，記憶彈簧6感受到制冷劑 溫度后對傳動板連桿7的左端面產(chǎn)生向右的作用力，閥口 3位于閥座2的中心， 球形閥頭4b固定在閥桿4a左端，閥口 3與球形閥頭4b構(gòu)成的最小流通截面—— 喉部起到節(jié)流降壓作用，閥桿4a右端與傳動板連桿7固定，傳動板連桿7右端 固定在傳動板5左側(cè)面中心位置上，傳動板連桿7從中心孔10的右端插入，中 心孔10右端設(shè)一密封塊17與傳動板連桿7緊密配合，閥座2與進(jìn)氣通道構(gòu)件8 之間設(shè)置一定位圈ll，閥座2外周處嵌設(shè)有第三密封圈15a，進(jìn)氣通道構(gòu)件8外 周處嵌設(shè)有第四密封圈15b，閥座2、進(jìn)氣通道構(gòu)件8和定位圈11均壓裝在閥體 l的內(nèi)壁面上，閥體1左端連接出氣管14。
如圖2、 3所示的進(jìn)氣通道構(gòu)件8的圓周上均布有12個進(jìn)氣孔道9，其總的 流通面積大于閥座2上的閥口 3的面積。記憶彈簧6采用形狀記憶合金制成，在 運(yùn)行工況范圍內(nèi)均處于壓縮狀態(tài)。進(jìn)氣通道構(gòu)件8與傳動板5和傳動板連桿7構(gòu) 成的密閉空間為真空狀態(tài)。傳動板5外周處嵌設(shè)有第一密封圈12;密封塊17孔 內(nèi)處嵌設(shè)有第二密封圈18。
在制冷系統(tǒng)運(yùn)行時，由氣體冷卻器流出的過冷或超臨界流體通過進(jìn)氣管13 流入本發(fā)明的高壓控制閥，通過進(jìn)氣孔道9流入進(jìn)氣腔16，對傳動板連桿7左 側(cè)產(chǎn)生壓力，記憶彈簧6感受到由氣體冷卻器流入的制冷劑溫度，也對傳動板連 桿7的左側(cè)產(chǎn)生壓力。同時，由進(jìn)氣管13流入的制冷劑壓力直接作用于傳動板 5的右側(cè)。當(dāng)氣體冷卻器出口在某一溫度和壓力下，傳動板5右側(cè)壓力小于左側(cè) 壓力，閥口3處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著系統(tǒng)壓縮機(jī)的不斷運(yùn)行，氣體冷卻器內(nèi)部高壓 氣體壓力將升高，此時傳動板5右側(cè)的壓力也逐漸升高達(dá)到并超過左側(cè)的壓力， 此時閥桿4a連同球形閥頭4b將向左移動并打開閥口 3，使得通過高壓控制閥的 流量迅速增大，高壓側(cè)壓力將由較高壓力逐漸降低，當(dāng)傳動板5右側(cè)的壓力小于 左側(cè)的壓力時，傳動板5將帶動閥桿4a連同球形閥頭4b重新移動至閥口 3，使 高壓控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，直到傳動板5的右側(cè)壓力隨氣體冷卻器壓力再次升高到與傳動板5左側(cè)壓力相等時，閥口 3又開始打開，如此繼續(xù)重復(fù)閥口 3的打開 和關(guān)閉過程，使得傳動板5右側(cè)的壓力始終趨向于闊口 3關(guān)閉狀態(tài)下傳動板5左 側(cè)的壓力，由于在閥口3關(guān)閉狀態(tài)下，傳動板5左側(cè)所受到的壓力被設(shè)計為最優(yōu) 壓力，因此氣體冷卻器內(nèi)的壓力總能達(dá)到相應(yīng)出口溫度下的最優(yōu)壓力。
本發(fā)明在二氧化碳制冷系統(tǒng)中可以針對不同的氣體冷卻器出口溫度自動調(diào) 節(jié)氣體冷卻器內(nèi)的壓力達(dá)到最優(yōu)壓力，使系統(tǒng)運(yùn)行的能效比達(dá)到最大值。本發(fā)明 不需要引入額外的驅(qū)動控制方式，而是運(yùn)用了形狀記憶合金材料制成的記憶彈簧 作為感溫控制元件，用系統(tǒng)自身壓力作為驅(qū)動力，實現(xiàn)了完全的自動化調(diào)節(jié)。本 發(fā)明整體設(shè)計緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)靈敏度高，密封性好，具有較高的可靠性。
權(quán)利要求
1、一種跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制閥，包括閥體(1)、閥座(2)、閥口(3)、閥桿(4a)、球形閥頭(4b)、傳動板(5)、記憶彈簧(6)、傳動板連桿(7)、進(jìn)氣通道構(gòu)件(8)、進(jìn)氣孔道(9)、中心孔(10)、定位圈(11)、進(jìn)氣管(13)、出氣管(14)、進(jìn)氣腔(16)、密封塊(17)，其特征在于閥體(1)右端連接進(jìn)氣管(13)，由制冷循環(huán)中的氣體冷卻器通過進(jìn)氣管(13)流入的制冷劑壓力直接作用于傳動板(5)右側(cè)面，產(chǎn)生向左的作用力，進(jìn)氣腔(16)通過設(shè)置于進(jìn)氣通道構(gòu)件(8)上的進(jìn)氣孔道(9)與進(jìn)氣管(13)導(dǎo)通，流入進(jìn)氣腔(16)的制冷劑壓力作用于傳動板連桿(7)的左端面，產(chǎn)生向右的作用力，記憶彈簧(6)放置在進(jìn)氣腔(16)內(nèi)，記憶彈簧(6)兩端與閥座(2)和傳動板連桿(7)接觸，記憶彈簧(6)感受到制冷劑溫度后對傳動板連桿(7)的左端面產(chǎn)生向右的作用力，閥口(3)位于閥座(2)的中心，球形閥頭(4b)固定在閥桿(4a)左端，閥口(3)與球形閥頭(4b)構(gòu)成的最小流通截面——喉部起到節(jié)流降壓作用，閥桿(4a)右端與傳動板連桿(7)固定，傳動板連桿(7)右端固定在傳動板(5)左側(cè)面中心位置上，傳動板連桿(7)從中心孔(10)的右端插入，中心孔(10)右端設(shè)一密封塊(17)與傳動板連桿(7)緊密配合，閥座(2)與進(jìn)氣通道構(gòu)件(8)之間設(shè)置一定位圈(11)，閥座(2)外周處嵌設(shè)有第三密封圈(15a)，進(jìn)氣通道構(gòu)件(8)外周處嵌設(shè)有第四密封圈(15b)，閥座(2)、進(jìn)氣通道構(gòu)件(8)和定位圈(11)均壓裝在閥體(1)的內(nèi)壁面上，閥體(1)左端連接出氣管(14)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制闊，其特征在于所述記憶彈簧(6)采用形狀記憶合金制成，在運(yùn)行工況范圍內(nèi)均處于壓縮狀 太
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制閥，其特征在 于所述進(jìn)氣通道構(gòu)件(8)的圓周上均布有12個進(jìn)氣孔道(9)，其總的流通面積 大于闊座(2)上的閥口 (3)的面積。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制閥，其特征在 于所述進(jìn)氣通道構(gòu)件(8)與傳動板(5)和傳動板連桿(7)構(gòu)成的密閉空間為 真空狀態(tài)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制閥，其特征在 于所述傳動板(5)外周處嵌設(shè)有第一密封圈(12)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制閥，其特征在 于所述密封塊(17)孔內(nèi)處嵌設(shè)有第二密封圈(18)。
全文摘要
一種跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)高壓控制閥，屬于制冷技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括閥體、閥座、閥口、閥桿、球形閥頭、進(jìn)氣通道構(gòu)件、進(jìn)氣孔道、進(jìn)氣腔、記憶彈簧、傳動板、傳動板連桿、進(jìn)氣管、出氣管。閥體右端連接進(jìn)氣管，閥體左端連接出氣管，閥口位于閥座中心位置，進(jìn)氣腔通過設(shè)置于進(jìn)氣通道構(gòu)件上的進(jìn)氣孔道與進(jìn)氣管導(dǎo)通，記憶彈簧放置在進(jìn)氣腔內(nèi)，彈簧兩端與閥座和傳動板連桿接觸，球形閥頭固定在閥桿左端，閥桿右端與傳動板連桿固定，傳動板連桿右端固定在傳動板左側(cè)面中心位置上。本發(fā)明在跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)中可以針對不同的氣體冷卻器出口溫度自動調(diào)節(jié)氣體冷卻器內(nèi)的壓力達(dá)到最優(yōu)壓力，使系統(tǒng)運(yùn)行的能效比達(dá)到最大值。
文檔編號F25B41/06GK101315234SQ200810040709
公開日2008年12月3日 申請日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者亮 陳, 陳江平, 陳芝久 申請人:上海交通大學(xué)