電子膨脹閥設(shè)計(jì)與應(yīng)用問(wèn)題研究

梁紹吉

【摘 要】隨著制冷設(shè)備的發(fā)展，越來(lái)越多的高效節(jié)能空調(diào)產(chǎn)品面世。而作為制冷系統(tǒng)的四大部件之一，節(jié)流裝置在制冷系統(tǒng)中起著非常重要的作用，通過(guò)選擇應(yīng)用合適的節(jié)流機(jī)構(gòu)與制冷系統(tǒng)匹配是整個(gè)制冷設(shè)備降低能耗的重要一環(huán)。本文將對(duì)節(jié)流裝置其中之一電子膨脹閥的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及控制方法進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】電子膨脹閥；制冷；節(jié)能；節(jié)流裝置；控制

0.引言

電子膨脹閥作為一種新型的制冷系統(tǒng)控制部件，突破了傳統(tǒng)節(jié)流機(jī)構(gòu)的概念，它是制冷系統(tǒng)智能化系統(tǒng)化的重要環(huán)節(jié)和手段?？照{(diào)設(shè)備在電子膨脹閥的應(yīng)用方面，突破了以前在機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的某種系統(tǒng)屈從熱力膨脹閥的觀念，進(jìn)入膨脹閥為系統(tǒng)優(yōu)化服務(wù)的新階段，其應(yīng)用使空調(diào)設(shè)備達(dá)到更高的控制精度及工藝要求，對(duì)于制冷行業(yè)的發(fā)展起著重要的作用。

電子膨脹閥的種類一般分為電磁式電子膨脹閥及電動(dòng)式電子膨脹閥兩類。本文主要對(duì)電動(dòng)式電子膨脹閥進(jìn)行描述和分析。

1.傳統(tǒng)的節(jié)流裝置介紹

傳統(tǒng)的節(jié)流裝置包括手動(dòng)節(jié)流閥、孔板、熱力膨脹閥等。手動(dòng)節(jié)流閥越來(lái)越少見，幾乎已經(jīng)被淘汰。而孔板只在某一些設(shè)備上使用，例如滿液式水冷冷水機(jī)等。熱力膨脹閥廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)設(shè)備上。它既可控制蒸發(fā)器供液量，又可節(jié)流飽和液態(tài)制冷劑。根據(jù)熱力膨脹閥結(jié)構(gòu)上的不同，分為內(nèi)平衡式和外平衡式兩種。外平衡式熱力膨脹閥在大量使用，其工作原理是建立在感溫包內(nèi)工質(zhì)壓力、蒸發(fā)器出口壓力及彈簧力平衡的基礎(chǔ)上。但由于熱力膨脹閥的感溫包具有熱容量、傳壓毛細(xì)管的壓力傳遞以及機(jī)械動(dòng)作等系列環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后，故，其調(diào)節(jié)響應(yīng)速度、精度等遠(yuǎn)比不上電子膨脹閥。

2.電子膨脹閥介紹

2.1結(jié)構(gòu)

單從結(jié)構(gòu)上看，電子膨脹閥主要由閥體、閥針、線圈組成。而從控制實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，電子膨脹閥由控制器、執(zhí)行器和傳感器 3 部分構(gòu)成，通常所說(shuō)的電子膨脹閥大多僅指執(zhí)行器，即可控驅(qū)動(dòng)裝置和閥體，實(shí)際上僅有這一部分是無(wú)法完成控制功能的。電子膨脹閥控制器的核心硬件為單片機(jī)，如控制器同時(shí)要完成壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)的變頻等控制功能，一般采用多機(jī)級(jí)連的形式。電子膨脹閥的傳感器通常采用熱電偶或熱電阻。圖1為電子膨脹閥外觀圖。

為了更清楚的了解電子膨脹閥的工作方式，我們以丹佛斯的ETS250作為解剖對(duì)象，對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大致的分析。其實(shí)，一個(gè)電子膨脹閥包括兩個(gè)主要部件：閥體和步進(jìn)電機(jī)。詳見圖2。

1、導(dǎo)線；2、密封裝置；3、電機(jī)罩；4、步進(jìn)電機(jī)；

5、軸承；6、軸；7、襯墊；8、閥塞；9、閥座；10、閥端。

2.2電子膨脹閥特點(diǎn)

電子膨脹閥相對(duì)于其它節(jié)流裝置，具有如下特點(diǎn)：

2.2.1更快的反應(yīng)速度

由于電子膨脹閥過(guò)熱度的計(jì)算是根據(jù)吸氣壓力傳感器及吸氣溫度傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。因此實(shí)時(shí)過(guò)熱度能更快的反應(yīng)出來(lái)。

2.2.2更短的響應(yīng)時(shí)間

閥體從全關(guān)到全開只需要很短的時(shí)間。例如ALCO的EX7系列（冷量330KW）5秒；丹佛斯ETS250（冷量1106KW）為25.4秒。

2.2.3更精確的調(diào)節(jié)功能

電子膨脹閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷量從10%～100%的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2.2.4更準(zhǔn)確的監(jiān)控功能

電子膨脹閥控制器通常都整合了諸如遠(yuǎn)程控制、故障診斷等功能。

2.3電子膨脹閥步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理介紹

電子膨脹閥的一個(gè)關(guān)鍵部件是帶動(dòng)其閥體動(dòng)作的步進(jìn)電機(jī)。在這里給大家簡(jiǎn)單介紹一下一般步進(jìn)電機(jī)的工作原理。

步進(jìn)電機(jī)通常分兩種：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)及感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)與反應(yīng)式不同的是它的轉(zhuǎn)子是永磁體，其效率更高，電流更小，發(fā)熱更低，在運(yùn)轉(zhuǎn)中更平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。

步進(jìn)電機(jī)按相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作原理（以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例）：

圖3 定轉(zhuǎn)子的展開圖

電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞組（三相），其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開0、1/3て、2/3て，（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，A與齒5相對(duì)齊，（A就是A，齒5就是齒1）。上圖3是定轉(zhuǎn)子的展開圖。

經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。像這種我們通常稱為3相6拍工作方式。感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理大致一樣，不過(guò)要注意：由于轉(zhuǎn)子為永磁體，每1對(duì)極都有南極和北極。

以丹佛斯ETS250電子膨脹閥為例，其所用的步進(jìn)電機(jī)為2相2極感應(yīng)式。每步轉(zhuǎn)動(dòng)角為7.5°（轉(zhuǎn)子48個(gè)極，4的倍數(shù)），總步數(shù)為3810，閥體垂直位移為17.2mm，150步/秒。下表1為ETS250開關(guān)順序。

3.電子膨脹閥開度控制方法的實(shí)際應(yīng)用

了解步進(jìn)電機(jī)工作原理后，我們現(xiàn)在探討一下電子膨脹閥的開度控制方法。

電子膨脹閥的開度控制與熱力膨脹閥一樣，根據(jù)系統(tǒng)的回氣過(guò)熱度進(jìn)行控制，只不過(guò)熱力膨脹閥是通過(guò)三個(gè)壓力平衡調(diào)整閥門的開度，而電子膨脹閥則通過(guò)過(guò)熱度控制器來(lái)調(diào)節(jié)。我們知道：吸氣過(guò)熱度=吸氣溫度-蒸發(fā)溫度。

因此所有的過(guò)熱度控制器都有兩種計(jì)算吸氣過(guò)熱度的方法：

（1）在吸氣管放置一個(gè)吸氣溫度傳感器測(cè)量吸氣溫度Ti，在蒸發(fā)器放置一個(gè)蒸發(fā)溫度傳感器測(cè)量蒸發(fā)溫度Te，而吸氣過(guò)熱度SH=Ti-Te。這是最直接的測(cè)量方法。

（2）有時(shí)候在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器處放置溫度探頭不是一件容易的事，像使用板式換熱器、非滿液式殼管式換熱器的空調(diào)機(jī)組。另外一種辦法就是在吸氣管放置一個(gè)吸氣溫度傳感器測(cè)量吸氣溫度Ti，在吸氣管安裝一個(gè)吸氣壓力傳感器測(cè)量低壓Pi，然后根據(jù)壓力與溫度的對(duì)應(yīng)表而查出對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度Te，此時(shí)過(guò)熱度照樣可以計(jì)算出來(lái)SH=Ti-Te。只不過(guò)蒸發(fā)溫度是根據(jù)蒸發(fā)壓力Pi間接計(jì)算出來(lái)。注意不同的制冷劑需要用到不同的壓力與溫度的對(duì)照表。

根據(jù)上述方法，計(jì)算出吸氣過(guò)熱度出來(lái)以后問(wèn)題就解決了，我們先給控制器一個(gè)設(shè)定過(guò)熱度SH0，然后算出設(shè)定值與實(shí)際值（反饋值）之間的偏差△SH，采用最基本的PID算法，在正偏差時(shí)（設(shè)定值大于實(shí)際值，過(guò)熱度偏小，供液偏多）減小閥門的開度以減小對(duì)蒸發(fā)器的供液量；在負(fù)偏差時(shí)（設(shè)定值小于實(shí)際值，過(guò)熱度偏大，供液不足）增大閥門的開度以增加供液量。最終的目的就是使得實(shí)際過(guò)熱度符合設(shè)定過(guò)熱度。本公司使用的控制器為卡樂(lè)EVD4控制器。

卡樂(lè)的EVD4驅(qū)動(dòng)器屬于一個(gè)通用的過(guò)熱度控制器，詳見圖4。其可編程的特性使其可與其它品牌的電子膨脹閥兼容。例如可以驅(qū)動(dòng)包括卡樂(lè)E2V系列、Sporlan SEI系列、ALCO EX系列、丹佛斯ETS系列等常規(guī)用到的電子膨脹閥，應(yīng)用的冷媒種類也非常廣泛。

4.結(jié)束語(yǔ)

電子膨脹閥在過(guò)熱度控制、流量調(diào)節(jié)均優(yōu)于傳統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，而且反應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣，以及可以按要求整合例如遠(yuǎn)程控制、故障診斷等新功能，在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果方面更加顯著，有廣闊的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]韓寶琦，李樹林.制冷空調(diào)原理及應(yīng)用，1998.