本发明涉及一种双向热力膨胀阀。
背景技术：
本部分的内容仅提供了与本公开相关的背景信息，其可能并不构成现有技术。
热力膨胀阀是制冷系统中控制系统过热度的关键元件，一般安装于冷凝器和蒸发器之间。热力膨胀阀实现从冷凝压力至蒸发压力的压降，并且调节制冷剂的流量，因而直接决定整个系统的运行性能。
感温包一般安装于储液筒(气液分离器)和蒸发器之间。热力膨胀阀通过感温包感测蒸发器出口温度，从而调节其节流口开度大小，即调节流进蒸发器的制冷剂的质量流量，进而调节蒸发器出口温度，以保证制冷剂过热度稳定并且保证气态制冷剂流进压缩机，实现在合理的蒸发效率下的压缩机安全工作。
一种已知的双向热力膨胀阀包括阀体和阀芯。阀体上设置有第一端口和第二端口。双向热力膨胀阀允许制冷剂沿着从第一端口至第二端口的第一方向流动(可以称为“正向流动”)以及沿着从第二端口至第一端口的第二方向流动(可以称为“反向流动”)。阀芯容置在阀体内并且能够相对于阀体在抵靠阀体上的阀座而关闭膨胀阀的关闭位置与离开阀座而打开膨胀阀的打开位置之间移动。
在阀芯与阀体之间形成节流口。通过感温包感测的蒸发器出口温度可以调节节流口的开度，从而调节流过节流口的制冷剂的质量流量。
通常，制冷剂正向流动的工况与制冷剂反向流动的工况不同。例如，在正向流动工况下第一端口与第二端口之间的压差较小，而在反向流动工况下第一端口与第二端口之间的压差较大。在该示例中，在节流口的开度一定的情况下，例如在节流口处于额定开度或者最大开度的情况下，制冷剂在正向流动工况下流过节流口的流率较小并因而其质量流量较小；而制冷剂在反向流动工况下流过节流口的流率较大并因而其质量流量较大。简言之，正向流动工况与反向流动工况的差异越大，则流过节流口的制冷剂流量差异越大。如果流过节流口的制冷剂流量过小，则会降低压缩机的制冷能力，甚至不能满足制冷要求。反之，如果流过节流口的制冷剂流量过大，则可能使得制冷剂在蒸发器中不能充分蒸发，导致液态的制冷剂进入压缩机中而出现液击现象，降低压缩机效率，甚至损坏压缩机构。
因此，本领域中期望提供一种双向热力膨胀阀，其在正向流动工况和反向流动工况下均能够满足制冷剂流量需求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种双向操作(正向流动操作和反向流动操作)最优化的双向热力膨胀阀。
本发明的另一目的是提供一种结构简化和/或成本较低的双向热力膨胀阀。
根据本发明的一方面，提供了一种双向热力膨胀阀，其包括：阀体、阀芯和单向流动组件。阀体具有阀座、第一端口和第二端口。阀芯容置在阀体内并且具有与阀座形成节流口的抵靠部，阀芯能够相对于阀体在第一位置与第二位置之间移动，在第一位置，抵靠部抵靠阀座以关闭节流口；在第二位置，抵靠部远离阀座以打开节流口。单向流动组件提供了连通第一端口和第二端口的流动路径并且构造成允许流体从第一端口流动到第二端口且阻止流体从第二端口流动到第一端口。
对于本发明的双向热力膨胀阀而言，由于设置有单向流动组件，因此通过单向流动组件能够改变工作流体(例如，制冷剂)在正向流动工况或反向流动工况下的质量流量。这样，可以根据正向流动工况和反向流动工况的差异来设计该单向流动组件的结构和尺寸，使得配装有该单向流动组件的双向热力膨胀阀能够良好地满足正向流动工况和反向流动工况的需求。另外，单向流动组件可以根据双向热力膨胀阀的具体结构进行设计，因此仅需对现有热力膨胀阀进行较小改动，由此可以大大降低制造成本和组装成本。
可选地，所述单向流动组件包括形成所述流动路径的流动通道和设置在所述流动通道中以允许流体沿从所述第一端口至所述第二端口的方向流过所述流动通道的单向阀。
可选地，所述流动通道包括形成在所述阀芯中的通路。例如，所述流动通道包括设置在所述阀芯的所述抵靠部中的通路。抵靠部中的通路一般长度较短。这样，可以降低加工难度，并且可以缩短工作流体的行程从而降低耗损。
可选地，所述单向阀定位成邻近所述阀芯中的所述通路。
可选地，所述单向阀为单独部件并且固定到所述阀芯的端部。这样，单向阀的设计变得灵活，且方便组装和拆卸。
可选地，所述单向阀包括限定有连通通道的主体和阀构件，所述连通通道与所述阀芯中的所述通路连通并且限定所述单向阀的阀座，阀构件能够抵靠所述阀座或与所述阀座隔开以关闭或打开所述连通通道。
可选地，所述单向阀进一步包括将所述阀构件保持在主体内的端帽。
可选地，在所述阀构件与所述端帽之间设置有偏置构件，所述偏置构件将所述阀构件朝向关闭所述单向阀的位置偏压。可选地，所述阀构件为球状构件、锥状构件、圆弧状构件或者圆环状构件。
可选地，所述单向阀一体地形成在所述流动路径中，并且所述阀芯中的所述通路的一部分构成所述单向阀的阀座，阀构件能够抵靠所述阀座或与所述阀座隔开以关闭或打开所述连通通道。通过该结构，可以使得本发明的双向热力膨胀阀的结构得到简化，并且变得紧凑。
可选地，所述单向阀进一步包括将所述阀构件保持在所述阀座内的端帽，所述阀构件为球状构件、锥状构件、圆弧状构件或者圆环状构件。
可选地，所述单向阀包括用于打开和关闭所述流动通道的簧片。
可选地，所述流动通道形成构成所述阀体的材料中。可选地，所述流动通道形成在所述阀体外，所述单向阀设置在所述阀体外部或内部。
在本发明的另一方面中，提供一种包括上述双向热力膨胀阀的系统。
附图说明
通过以下参照附图的描述，本发明的一个或几个实施例的特征和优点将变得更加容易理解，其中：
图1是采用双向热力膨胀阀的系统的制冷工况的示意图。
图2是采用双向热力膨胀阀的系统的制热工况的示意图。
图3是图1所示的系统在制冷工况下操作的示例的示意图。
图4是图2所示的系统在制热工况下操作的示例的示意图。
图5是根据本发明的第一实施方式的双向热力膨胀阀的纵向剖视图。
图6是图5所示的双向热力膨胀阀的阀芯的剖视图。
图7是图5所示的双向热力膨胀阀的单向流动组件的剖视图。
图8是图7所示的单向流动组件的主体的剖视图。
图9是图7所示的单向流动组件的端帽的剖视图。
图10是根据本发明的第二实施方式的双向热力膨胀阀的纵向剖视图。
图11是图10所示的阀芯与单向流动组件的剖视图。
图12是示出根据本发明的双向热力膨胀阀在制冷工况下流体流动的示意图。
图13是示出根据本发明的双向热力膨胀阀在制热工况下流体流动的示意图。
具体实施方式
下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而不是对本发明及其应用或用法的限制。
在以下描述中所提到的“上”、“下”、“顶”、“底”等方向仅是相对于附图中所示热力膨胀阀的定向而言的，并且能够随热力膨胀阀的实际方向而变化。
下面将参照图1和图2描述采用双向热力膨胀阀的系统及其工作原理。
图1和图2所示的系统10包括压缩机11、四通换向阀12、第一热交换器(室外机)13、双向热力膨胀阀14和第二热交换器(室内机)15。在第一热交换器13与双向热力膨胀阀14之间可以设置过滤器18。在压缩机11的上游在四通换向阀12与压缩机11之间可以设置储液罐(气液分离器)16。
在作为蒸发器的第一热交换器13(制热模式下，如图2)或第二热交换器15(制冷模式下，如图1)与储液罐16或压缩机11(没有储液罐的情况下)之间可以设置有感温包17。感温包17用于感测从蒸发器(第一热交换器13或第二热交换器15)出来的流体(制冷剂)的温度，以确定该流体的过热度，从而通过管172向热力膨胀阀提供相应的压力。另外。平衡管174将系统10内的制冷剂引导到双向热力膨胀阀14的平衡口。根据由管172提供的压力与通过平衡管174引入的制冷剂压力之间的差来控制双向热力膨胀阀的阀芯相对于阀体的位置，即，控制阀芯的抵靠部与阀体的阀座之间的节流口的开度。通过控制双向热力膨胀阀的节流口的开度将出自蒸发器的制冷剂的过热度维持在预定范围内。
图1是采用双向热力膨胀阀的系统10的制冷工况的示意图。在制冷工况下，如图1所示，压缩机11排出高温高压的气态制冷剂(工质)，制冷剂在经过四通换向阀12后进入第一热交换器13。第一热交换器13在制冷工况下用作冷凝器，将制冷剂的热量传递至周边环境，获得液态的低温高压制冷剂。随后，制冷剂经由过滤器18流进双向热力膨胀阀14，经过其节流口后膨胀成为低温低压的雾状制冷剂。从双向热力膨胀阀14排出的雾状制冷剂流进第二热交换器15。第二热交换器15在制冷工况下用作蒸发器，制冷剂在蒸发器中吸收热量变为气态以便进入压缩机11中进行再循环。在此过程中，热力膨胀阀14基于感温包17感测到的从作为蒸发器的第二热交换器15排出的制冷剂的温度(即，过热度)，并且基于该温度来调节热力膨胀阀14的开度。
图2是采用双向热力膨胀阀的系统10的制热工况的示意图。通过切换四通换向阀12可以使系统10从图1所示的制冷工况转变成图2所示的制热工况。在制热工况下，如图2所示，压缩机11排出高温高压的气态制冷剂(工质)，制冷剂在经过四通换向阀12后进入第二热交换器15。第二热交换器15在制热工况下用作冷凝器，将制冷剂的热量传递至周边环境，从而加热周边环境。随后，制冷剂流进双向热力膨胀阀14，经过其节流口后膨胀成为低温低压的雾状制冷剂。从双向热力膨胀阀14排出的雾状制冷剂经由过滤器18流进第一热交换器13。第一热交换器13在制热工况下用作蒸发器，制冷剂在蒸发器中吸收热量变为气态以便进入压缩机11中进行再循环。在此过程中，热力膨胀阀14基于感温包17感测到的从作为蒸发器的第一热交换器13排出的制冷剂的温度(即，过热度)，并且基于该温度来调节热力膨胀阀14的开度。
通过参照图1和图2的描述可知，系统10借助于四通换向阀12和双向热力膨胀阀14既可以实现制冷又可以实现制热。制冷剂在制冷工况和制热工况下沿相反的方向流过双向热力膨胀阀14的节流口。双向热力膨胀阀14的节流口的额定开度或者最大开度在制冷工况下和制热工况下是相同的。
通常，系统的制冷工况和制热工况的差异较大。在双向热力膨胀阀的节流口的开度一定的情况下(例如，处于额定开度或最大开度的情况下)，流过双向热力膨胀阀的节流口的制冷剂的质量流量在制冷工况与制热工况下明显不同。在系统设计时，通常热力膨胀阀的容量设计成或选择成在制冷工况下相对于冷凝器和蒸发器的容量是最优的。然而，在制热工况下，上述设计会出现热力膨胀阀的容量与冷凝器和蒸发器的容量匹配不良的状况，导致整个系统的效率下降或能耗增加。
下面参照图3和图4以示例的方式来描述系统的两种工况的差异。
图3是图1所示的系统在制冷工况下操作的示例的示意图。双向热力膨胀阀14具有与第一热交换器13流体连通的第一端口141和与第二热交换器15流体连通的第二端口142。在图3所示的制冷工况下，制冷剂从第一端口141经由节流口流动至第二端口142。第一热交换器13用作室外侧的冷凝器，而第二热交换器15用作室内侧的蒸发器。假设：第一热交换器13具有50℃的冷凝温度t1和267psig的冷凝压力p1；第二热交换器15具有10℃的蒸发温度t2和84psig的蒸发压力p2，则冷凝压力与蒸发压力的差值△p1＝p1-p2＝183psig。
图4是图2所示的系统在制热工况下操作的示例的示意图。在图4所示的制热工况下，制冷剂从第二端口142经由节流口流动至第一端口141。第一热交换器13用作室外侧的蒸发器，而第二热交换器15用作室内侧的冷凝器。假设：第二热交换器15具有60℃的冷凝温度t3和337psig的冷凝压力p3；第一热交换器13具有-10℃的蒸发温度t4和37psig的蒸发压力p4，则冷凝压力与蒸发压力的差值△p2＝p3-p4＝300psig。
制热工况下的压差△p2明显大于制冷工况下的压差△p1。在双向热力膨胀阀14的节流口的开度一定的情况下，由于压差△p2明显大于压差△p1，因此制热工况下的制冷剂的质量流量明显大于制冷工况下的制冷剂的质量流量。两种工况的差异越大，则制冷剂的质量流量的差异越大。
发明人发现了上述问题并基于上述问题提出了本发明。下面参照附图5至图13来描述根据本发明的双向热力膨胀阀。
图5是根据本发明的第一实施方式的双向热力膨胀阀100的纵向剖视图。如图5所示，双向热力膨胀阀100包括阀体(阀壳)110和容置在阀体110内的阀芯130。阀体110具有阀座113，并且阀芯130具有抵靠或远离阀座113的抵靠部133。阀芯130能够相对于阀体110在抵靠部133抵靠阀座113的第一位置与抵靠部133远离阀座113的第二位置之间移动。在抵靠部133与阀座113之间形成节流口120。抵靠部133在抵靠阀座113时关闭节流口120从而防止制冷剂流过节流口120。抵靠部133在远离阀座113时打开节流口120从而允许制冷剂流过节流口120。
阀体110上还设置有分别位于节流口120两侧的第一端口111和第二端口112。结合图1所示的系统，第一端口111可以与第一热交换器13流体连通，而第二端口112可以与第二热交换器15流体连通。在制冷工况下，制冷剂从第一端口111经由节流口120流至第二端口112(可以称为“正向流动”)。在制热工况下，制冷剂从第二端口112经由节流口120流至第一端口111(可以称为“反向流动”)。
根据本发明的双向热力膨胀阀100还包括单向流动组件150。单向流动组件150构造成允许制冷剂从第一端口111和第二端口112中的一者向另一者流动但是防止制冷剂从第一端口111和第二端口112中的所述另一者向所述一者流动。简言之，单向流动组件150允许制冷剂在第一端口111与第二端口112之间仅沿一个方向流动。
如图5所示的示例，单向流动组件150构造成允许制冷剂从第一端口111流动至第二端口112但是防止制冷剂从第二端口112流动至第一端口111。如此，在制冷工况下，在流入第一端口111的制冷剂经由节流口120流至第二端口112的同时，制冷剂还可以通过单向流动组件150提供的额外流动路径从第一端口111流动至第二端口112，如图12所示，从而提供了较大的流动截面。在制热工况下，流入第二端口112的制冷剂仅通过节流口120流动至第一端口111，而不能通过单向流动组件150流动至第一端口111(此时，由单向流动组件150提供的额外流动路径被关闭)，如图13所示，从而提供了较小的流动截面。
与没有单向流动组件的现有双向热力膨胀阀相比，图5所示的双向热力膨胀阀100因为单向流动组件150而使得在制冷工况下通过双向热力膨胀阀的制冷剂的质量流量大大增加，由此可以提高包括该双向热力膨胀阀的系统的制冷量(制冷能力)和制冷效率。这样，当在系统设计时将热力膨胀阀的容量设计成或选择成在制冷工况下相对于冷凝器和蒸发器的容量为最优的情况下(此时，热力膨胀阀所经受的压差较小，但是提供的流动截面较大，从而总体提供预定的冷量)，在制热工况下，热力膨胀阀的容量也能够与冷凝器和蒸发器的容量形成较好的匹配(此时，热力膨胀阀所经受的压差较大，但是提供的流动截面较小，从而总体上也能够提供所期望的冷量)。此外，通过设计由单向流动组件150提供的额外流动路径的横截面积，可以同时对系统所处的制热工况和制冷工况二者进行优化而获得在两种工况下都最优的系统效率。特别是，此外，通过设计由单向流动组件150提供的额外流动路径的横截面积，可以使得系统能够容易地适配例如南方或北方的气候环境并获得良好的系统效率。
通过单向流动组件提供的额外流动路径可以形成在阀体(阀壳)内和/或阀体(阀壳)外。例如，单向流动组件可以包括将第一端口流体连通至第二端口的管道，该单独管道可以完全位于阀体外(即，整个流动路径处于阀体外)，或者可以完全位于阀体内(即，整个流动路径处于阀体内)，或者可以一部分位于阀体外而另一部分位于阀体内(即，整个流动路径包括处于阀体外的一部分和处于阀体内的一部分)。
单向流动组件包括形成流动路径的流动通道和设置在流动路径中以允许流体沿从第一端口至第二端口的方向流过流动通道的单向阀。流动通道可以包括形成在热力膨胀阀的一个或多个部件(例如，阀体或阀芯)中的通路。单向阀可以为单独件并且连接在流动路径中，或者单向阀可以一体地形成在流动路径中。
下面参照附图对根据本发明的双向热力膨胀阀的示例进行详细说明。应理解的是，本发明的双向热力膨胀阀不局限于图示的示例，图示的示例仅仅出于说明性的目的。
图5至图9示出了根据本发明第一实施方式的双向热力膨胀阀100及其部件。如图5所示，单向流动组件150包括设置在阀芯130的抵靠部133中的通路134和邻近通路134的单向阀152。单向阀152包括主体151和设置在主体151中的阀构件152a。主体151上限定有阀座152b。阀构件152a能够在抵靠阀座152b以关闭通路134的关闭位置与远离阀座152b以打开通路134的打开位置之间移动。
单向阀152安装在阀芯130的邻近第二端口112的端部(如图6所示的下端部)135处。单向阀152包括接收阀芯130的端部135的凹部155(如图7和图8所示)。阀芯130的端部135可以过盈配装在单向流动组件150的凹部155中，由此将单向流动组件150固定至阀芯130。如图6所示。在将单向阀152组装至阀芯130之后，单向阀152与阀芯130的抵靠部133直接抵接，并且单向阀152的连通通道154与抵靠部133的通路134对准且连通。如此，经由通路134和连通通道154将第一端口111与第二端口112流体连通。
在图示的示例中，单向阀152构造成允许制冷剂从第一端口111流动至第二端口112但防止制冷剂从第二端口112流动至第一端口111。单向阀152沿正向流动方向(从第一端口111至第二端口112的流动方向)位于连通通道154的下游侧。
尽管图示的示例中将单向阀152安装在阀芯130的下端部135处，然而单向阀152可以安装在任何合适的位置处，只要能够使单向阀152执行上述功能即可。例如，单向阀152可以安装在阀体110的外部，或者可以安装在阀体110中，或者可以安装在阀芯上的除下端部之外的其他位置处，这取决于单向流动组件150所提供的流动路径的设置。
在图示的示例中，阀构件152a具有圆形截面，并且容置在单向流动组件150的主体151中。相应地，单向流动组件150的主体151中设置有用于容置阀构件152a的容置部157。在图示的示例中，容置部157具有锥形截面。阀座152b可以形成在容置部157上，可以形成在容置部157与连通通道154的过渡部上，或者可以形成在连通通道154的端部上。
在制冷工况下，单向阀152处于打开状态，来自第一端口111的制冷剂流经通路134和连通通道154并通过单向阀152流向第二端口112。在制热工况下，来自第二端口12的制冷剂的高压作用于单向阀152的阀构件152a上，使阀构件152a朝向连通通道154移动以抵靠阀座152b从而关闭连通通道154，并防止制冷剂从第二端口112经由通路134流动至第一端口111。
连通通道154可以为圆孔、弧形槽或圆环形槽的形式。相应地，阀构件152a可以为球形构件(如图所示)、锥形构件、弧形构件或者圆环形构件。另外，连通通道154和单向阀152的数量、形状结构或相对位置等可以根据实际需要而改变。在其他示例中，单向阀可以是位于流动通道的端部处的簧片，或者可以是能够实现上述功能的任何其他构件。
单向流动组件150还可以包括端帽156。端帽156位于单向阀152的下侧。阀构件152a可以在端帽156与连通通道154之间移动。端帽156可以构造成防止阀构件152a掉落并且在单向阀152打开时允许制冷剂从单向流动组件150流出。端帽156可以包括接收主体151的凸台153的凹部159。凸台153可以过盈配装在凹部159中。
在其他示例中，端帽可以具有用于直接接收阀芯130的下端部135的凹部。阀芯130的下端部135可以过盈配装在该凹部中，由此将单向流动组件的主体夹持在端帽与抵靠部之间。在这样的示例中，单向流动组件150的主体151的凸台153可以省去。端帽的位置、结构或尺寸等可以根据实际需要而改变。
可选地，单向流动组件150的主体151和端帽156中可以设置有用于将位于第二端口112侧的制冷剂引入至阀芯上部以实现压力平衡的通孔158a和158b。单向流动组件150的各个构件的结构可以根据阀体和阀芯的结构变化而变化。
在其他示例中，单向流动组件可以包括将单向阀的阀构件朝向流动通道偏压的偏置构件。该偏置构件可以设置在阀构件与端帽之间。偏置构件可以是压缩弹簧。
图10是根据本发明的第二实施方式的双向热力膨胀阀200的纵向剖视图。图11是图10所示的阀芯与单向流动组件的剖视图。第二实施方式的双向热力膨胀阀与第一实施方式的双向热力膨胀阀的区别仅在于：在第二实施方式中将单向阀的主体与阀芯形成为一体件。
如图10和11所示，双向热力膨胀阀200的抵靠部233也作为单向流动组件250的主体。抵靠部233中设置有通路234。在通路234的下侧设置有单向阀252的阀构件252a。在该示例中，通路234等同于图5所示的示例中的通路134和连通通道154。阀芯中的通路234的一部分可以构成单向阀的阀座252b。阀构件252a能够抵靠阀座252b或与阀座252b隔开以关闭或打开通路(或连通通道)。在单向阀252的下侧设置有与阀芯的下端部过盈配合(或以任何其他合适方式固定，例如螺纹连接，铆接，粘接，焊接，卡扣连接等)的端帽256。
尽管在此已详细描述本发明的各种实施方式，但是应该理解本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。所有这些变型和变体都落入本发明的范围内。而且，所有在此描述的构件都可以由其他技术性上等同的构件来代替。