专利名称：跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制冷系统节流元件，具体地说是一种跨临界二氧化碳制冷系 统高压控制阀，属于制冷技术领域。
背景技术：
长期以来工业界一直使用CFC类和HFC类制冷剂作为制冷工质，前者会破 坏臭氧层，后者会产生明显的温室效应，人工合成的制冷工质不可避免地都对自 然环境造成破坏。二氧化碳是一种天然制冷剂，可以取自大自然或工业排放废气， 有利于环保，同时跨临界二氧化碳制冷循环的性能也与传统氟利昂制冷循环相 当，因此二氧化碳制冷系统被广泛地认为具有很大的发展前途。
跨临界二氧化碳制冷系统的高低压的控制特性与常见的压缩式制冷系统有 较大的不同。目前常用的压縮式制冷系统采用亚临界循环，不管是高压侧还是低 压侧，温度与压力均密切相关。在机组运行过程中，主要是通过调节节流元件来 控制蒸发压力与温度，提高系统的工作效率。对于高压侧来讲，冷凝温度主要依 赖于冷却介质的温度与流量，冷凝压力与冷凝温度一一对应，而高压侧的压力即 为冷凝压力，因此高压侧的压力基本上依赖于冷却介质的温度与流量，在系统中 不需要专门进行控制。对于跨临界二氧化碳制冷系统来讲，其高压侧制冷剂发生 的不是冷凝过程，而是超临界气体的冷却过程，其压力与温度是两个独立的变量。 因此尽管温度受到冷却介质的限定，但是压力却不直接受到限制。在跨临界二氧 化碳制冷系统中，高压侧压力可达70 150bar，是常用制冷装置的7 10倍。另 外高压侧的压力特性对于系统的工作效率有很大的影响，对于某一工况存在一个 最优压力，使得系统能效比达到最大。因此不管是从安全性还是从热效率角度考 虑，在跨临界二氧化碳制冷系统中，均不能像通常的亚临界循环制冷系统那样， 不设置直接对高压侧压力进行调节的装置。为了保证跨临界二氧化碳制冷装置高 压侧压力得到控制，可以采用节流机构来控制高压侧的压力。当高压侧压力过高 时，增大节流机构的开度，而当压力偏低时，则减小开度。经对现有技术文献的检索发现中国专利公开号为CN1737472A，
公开日为 2006年2月22日，专利名称为跨临界二氧化碳制冷系统节流短管，提出一种
可调节流量的节流短管，其核心是采用一种机械式的带有内部旁通功能的节流
短管作为节流元件，其流量可以根据节流短管进口高压的变化实现自动调节。该 机构内部设置了一个主节流短管和一个辅助节流短管，主节流短管始终处于打开 状态，流量的变化靠辅助节流短管调节，通过调节流量大小来控制气体冷却器内 的压力。这个方案中的节流短管对于变化的气体冷却器出口温度必须用调节螺栓 改变弹簧的预紧力，以此来调节出最优压力，不具有自动调节的功能，因此在实 际应用中系统运行工况受到很大限制。
到目前为止，还没有出现适用于跨临界二氧化碳制冷系统的，采用新型感温 控制元件针对不同的气体冷却器出口温度自动调节出系统最优压力的，不需要另 外引入驱动控制方式的可调节式节流机构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计提供一种跨临界二氧化碳制冷 系统高压控制阀，能够随气体冷却器出口温度的变化自动调节系统最优压力，调 节灵敏度高，具有较高的可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出的跨临界二氧化碳制冷系统
高压控制阀包括阀体、阀座、阀口、阔杆、球形阀头、传动板、记忆弹簧、传 动板连杆、进气通道构件、进气孔道、中心孔、定位圈、进气管、出气管、进气 腔、密封块。阀体右端连接进气管，由制冷循环中的气体冷却器通过进气管流入 的制冷剂压力直接作用于传动板右侧面，产生向左的作用力，进气腔通过设置于 进气通道构件上的进气孔道与进气管导通，流入进气腔的制冷剂压力作用于传动 板连杆的左端面，产生向右的作用力，记忆弹簧放置在进气腔内，弹簧两端与阀 座和传动板连杆接触，记忆弹簧感受到制冷剂温度后对传动板连杆的左端面产生 向右的作用力，阀口位于阀座的中心，球形阀头固定在阀杆左端，阀口与球形阀 头构成的最小流通截面——喉部起到节流降压作用，阀杆右端与传动板连杆固 定，传动板连杆右端固定在传动板左侧面中心位置上，传动板连杆从中心孔的右 端插入，中心孔右端设一密封块与传动板连杆紧密配合，阀座与进气通道构件之 间设置一定位圈，阀座外周处嵌设有第三密封圈，进气通道构件外周处嵌设有第四密封圈，阀座、进气通道构件和定位圈均压装在阀体的内壁面上，阀体左端连 接出气管。
进气通道构件的圆周上均布有12个进气孔道，其总的流通面积大于阀座上 的阀口的面积。进气通道构件与传动板和传动板连杆构成的密闭空间为真空状 态。传动板外周处嵌设有第一密封圈；密封块孔内处嵌设有第二密封圈。记忆弹 簧压縮形变产生对传动板左侧的压力与传动板右侧的气体压力同时作用于传动 板，传动板受力并带动阀杆连同球形阀头左右移动，以关闭或打开阀口。
所述的记忆弹簧是采用形状记忆合金制成的，在运行工况范围内均处于压縮 状态。形状记忆合金是一种具有记忆特性的特殊合金材料，在不同温度下记忆弹 簧会自动伸缩为所记忆的形状。同时，这种材料还具有超弹性，它的应变量可高 达20%，卸载应力后，能完全恢复到原来的形状。本发明中所选用的记忆弹簧是 依据二氧化碳制冷系统的压力一温度特性进行设计的，具体的是依据二氧化碳 制冷系统气体冷却器出口的最优压力——温度特性，对记忆弹簧的形变——温度 特性进行设计，使其安装在节流阀内在一定温度和长度下由压縮形变产生的作用 力能使二氧化碳制冷系统高压侧达到最优压力。由于记忆弹簧对温度的高精度形 状记忆特性，以及快速的形状恢复性能，将其用作本发明的高压控制阀的感温控 制元件将大大提高调节精度。
本发明的高压控制阀安装在制冷系统中的气体冷却器与蒸发器之间，在制冷 系统运行时，由气体冷却器流出的过冷或超临界流体通过进气管流入高压控制阀 后，对传动板右侧产生压力P2，同时通过进气孔道流入进气腔，位于进气腔内 的传动板连杆左侧面也受到压力P2的作用，腔内放置的记忆弹簧感受到由气体 冷却器流入的制冷剂温度，将会根据自身的形变——温度特性发生相应于上游气 体冷却器出口温度的伸縮变化，但由于传动板运动行程的限制，记忆弹簧不能自 由伸展，因此将发生压縮形变，随着记忆弹簧感受到的温度的变化，压縮形变对 传动板连杆左侧产生的压力也相应地变化。本发明的核心技术是在一定的气体 冷却器出口温度下，当阀杆左端的球形阀头与阀口接触时记忆弹簧和进气腔内气 体压力P2对传动板连杆产生的向右的合力Fi对传动板的压力Pi恰好等于最优压 力。当在某一气体冷却器出口温度和压力下，阔口处于关闭状态时的传动板左侧 压力P!大于传动板右侧压力P2，阔口保持关闭状态，随着系统压縮机的运转，位于压縮机吸气口的气液分离器内的部分制冷剂将被抽吸到压縮机排气口下游 的气体冷却器内，气体冷却器内部压力将升高，与之相通的传动板右侧的压力 P2也将逐渐升高达到并超过传动板左侧压力Pi，也即高压侧的最优压力，此时 传动板带动阀杆连同球形阀头将向左移动并打开阀口，使得通过高压控制阀的流 量迅速增大，P2将由较高压力逐渐降低，当降低到高压侧最优压力以下时，传动 板将带动阀杆连同球形阀头重新移动至阀口位置，关闭阀口，但随着高压侧压力 P2重新升高达到并超过Pi，阀口很快又会重新打开，如此重复打开和关闭阀口 的过程，最终使得P2始终趋向于P。也即气体冷却器内的压力总能达到相应出 口温度下的最优压力。因此，由高压控制阀开度的自动调节将使跨临界二氧化碳 制冷系统的高压侧压力得到控制，使系统运行效率处于最佳状态。
通过上述的调节控制方式，本发明的高压控制阀能够应对系统运行工况的变 化自动将高压侧压力调至最优压力，相比于其它节流机构，本发明的高压控制阀 完全依靠系统自身的压力进行驱动，以及内置的记忆弹簧作为感温控制元件进行 调节，在拓宽调节范围并提高调节精度的同时也不用任何额外的阀门驱动装置。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的高压控制阀内部的进气通道构件的示意图。 图3为图2所示A-A剖视图。
图l中阀体l，阀座2，阀口3，阔杆4a，球形阀头4b，传动板5，记忆 弹簧6，传动板连杆7，进气通道构件8，进气孔道9，中心孔IO，定位圈ll， 第一密封圈12，进气管13，出气管14，第三密封圈15a，第四密封圈15b，进 气腔16，密封块17，第二密封圈18。
图2-3中进气通道构件8，进气孔道9，中心孔IO，密封块17，第二密封 圈18。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的具体实施做进一歩描述。
如图1所示，本发明包括阀体l、阀座2、阀口3、阀杆4a、球形阀头4b、 传动板5、记忆弹簧6、传动板连杆7、进气通道构件8、进气孔道9、中心孔IO、 定位圈ll、进气管13、出气管14、进气腔16、密封块17。阀体1右端连接进气管13，由制冷循环中的气体冷却器通过进气管13流入 的制冷剂压力直接作用于传动板5右侧面，产生向左的作用力，进气腔16通过 设置于进气通道构件8上的进气孔道9与进气管13导通，流入进气腔16的制冷 剂压力作用于传动板连杆7的左端面，产生向右的作用力，记忆弹簧6放置在进 气腔16内，弹簧两端与阀座2和传动板连杆7接触，记忆弹簧6感受到制冷剂 温度后对传动板连杆7的左端面产生向右的作用力，阀口 3位于阀座2的中心， 球形阀头4b固定在阀杆4a左端，阀口 3与球形阀头4b构成的最小流通截面—— 喉部起到节流降压作用，阀杆4a右端与传动板连杆7固定，传动板连杆7右端 固定在传动板5左侧面中心位置上，传动板连杆7从中心孔10的右端插入，中 心孔10右端设一密封块17与传动板连杆7紧密配合，阀座2与进气通道构件8 之间设置一定位圈ll，阀座2外周处嵌设有第三密封圈15a，进气通道构件8外 周处嵌设有第四密封圈15b，阀座2、进气通道构件8和定位圈11均压装在阀体 l的内壁面上，阀体1左端连接出气管14。
如图2、 3所示的进气通道构件8的圆周上均布有12个进气孔道9，其总的 流通面积大于阀座2上的阀口 3的面积。记忆弹簧6采用形状记忆合金制成，在 运行工况范围内均处于压縮状态。进气通道构件8与传动板5和传动板连杆7构 成的密闭空间为真空状态。传动板5外周处嵌设有第一密封圈12;密封块17孔 内处嵌设有第二密封圈18。
在制冷系统运行时，由气体冷却器流出的过冷或超临界流体通过进气管13 流入本发明的高压控制阀，通过进气孔道9流入进气腔16，对传动板连杆7左 侧产生压力，记忆弹簧6感受到由气体冷却器流入的制冷剂温度，也对传动板连 杆7的左侧产生压力。同时，由进气管13流入的制冷剂压力直接作用于传动板 5的右侧。当气体冷却器出口在某一温度和压力下，传动板5右侧压力小于左侧 压力，阀口3处于关闭状态，随着系统压缩机的不断运行，气体冷却器内部高压 气体压力将升高，此时传动板5右侧的压力也逐渐升高达到并超过左侧的压力， 此时阀杆4a连同球形阀头4b将向左移动并打开阀口 3，使得通过高压控制阀的 流量迅速增大，高压侧压力将由较高压力逐渐降低，当传动板5右侧的压力小于 左侧的压力时，传动板5将带动阀杆4a连同球形阀头4b重新移动至阀口 3，使 高压控制阀处于关闭状态，直到传动板5的右侧压力随气体冷却器压力再次升高到与传动板5左侧压力相等时，阀口 3又开始打开，如此继续重复阀口 3的打开 和关闭过程，使得传动板5右侧的压力始终趋向于阔口 3关闭状态下传动板5左 侧的压力，由于在阀口3关闭状态下，传动板5左侧所受到的压力被设计为最优 压力，因此气体冷却器内的压力总能达到相应出口温度下的最优压力。
本发明在二氧化碳制冷系统中可以针对不同的气体冷却器出口温度自动调 节气体冷却器内的压力达到最优压力，使系统运行的能效比达到最大值。本发明 不需要引入额外的驱动控制方式，而是运用了形状记忆合金材料制成的记忆弹簧 作为感温控制元件，用系统自身压力作为驱动力，实现了完全的自动化调节。本 发明整体设计紧凑，结构简单，调节灵敏度高，密封性好，具有较高的可靠性。
权利要求
1、一种跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阀，包括阀体(1)、阀座(2)、阀口(3)、阀杆(4a)、球形阀头(4b)、传动板(5)、记忆弹簧(6)、传动板连杆(7)、进气通道构件(8)、进气孔道(9)、中心孔(10)、定位圈(11)、进气管(13)、出气管(14)、进气腔(16)、密封块(17)，其特征在于阀体(1)右端连接进气管(13)，由制冷循环中的气体冷却器通过进气管(13)流入的制冷剂压力直接作用于传动板(5)右侧面，产生向左的作用力，进气腔(16)通过设置于进气通道构件(8)上的进气孔道(9)与进气管(13)导通，流入进气腔(16)的制冷剂压力作用于传动板连杆(7)的左端面，产生向右的作用力，记忆弹簧(6)放置在进气腔(16)内，记忆弹簧(6)两端与阀座(2)和传动板连杆(7)接触，记忆弹簧(6)感受到制冷剂温度后对传动板连杆(7)的左端面产生向右的作用力，阀口(3)位于阀座(2)的中心，球形阀头(4b)固定在阀杆(4a)左端，阀口(3)与球形阀头(4b)构成的最小流通截面——喉部起到节流降压作用，阀杆(4a)右端与传动板连杆(7)固定，传动板连杆(7)右端固定在传动板(5)左侧面中心位置上，传动板连杆(7)从中心孔(10)的右端插入，中心孔(10)右端设一密封块(17)与传动板连杆(7)紧密配合，阀座(2)与进气通道构件(8)之间设置一定位圈(11)，阀座(2)外周处嵌设有第三密封圈(15a)，进气通道构件(8)外周处嵌设有第四密封圈(15b)，阀座(2)、进气通道构件(8)和定位圈(11)均压装在阀体(1)的内壁面上，阀体(1)左端连接出气管(14)。
2、 根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阔，其特征在于所述记忆弹簧(6)采用形状记忆合金制成，在运行工况范围内均处于压縮状 太
3、 根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阀，其特征在 于所述进气通道构件(8)的圆周上均布有12个进气孔道(9)，其总的流通面积 大于阔座(2)上的阀口 (3)的面积。
4、 根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阀，其特征在 于所述进气通道构件(8)与传动板(5)和传动板连杆(7)构成的密闭空间为 真空状态。
5、 根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阀，其特征在 于所述传动板(5)外周处嵌设有第一密封圈(12)。
6、 根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阀，其特征在 于所述密封块(17)孔内处嵌设有第二密封圈(18)。
全文摘要
一种跨临界二氧化碳制冷系统高压控制阀，属于制冷技术领域。本发明包括阀体、阀座、阀口、阀杆、球形阀头、进气通道构件、进气孔道、进气腔、记忆弹簧、传动板、传动板连杆、进气管、出气管。阀体右端连接进气管，阀体左端连接出气管，阀口位于阀座中心位置，进气腔通过设置于进气通道构件上的进气孔道与进气管导通，记忆弹簧放置在进气腔内，弹簧两端与阀座和传动板连杆接触，球形阀头固定在阀杆左端，阀杆右端与传动板连杆固定，传动板连杆右端固定在传动板左侧面中心位置上。本发明在跨临界二氧化碳制冷系统中可以针对不同的气体冷却器出口温度自动调节气体冷却器内的压力达到最优压力，使系统运行的能效比达到最大值。
文档编号F25B41/06GK101315234SQ200810040709
公开日2008年12月3日 申请日期2008年7月17日 优先权日2008年7月17日
发明者亮 陈, 陈江平, 陈芝久 申请人:上海交通大学