CN101545553B - 压力控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力控制阀，包括：阀体(1)；阀体(1)内设置的由节流通路(7)连通的高压腔室(51)和低压腔室(61)；阀体(1)的内腔(11)中设置的阀芯(2)，所述阀芯(2)能够相对于节流通路(7)上的开向高压腔室(51)的阀口(71)往返移动，以控制所述阀口(71)的开合度；所述高压腔室(51)与内腔(11)之间通过密封彼此隔绝，所述低压腔室(61)与内腔(11)之间设有连接通路(8)。采用本发明公开的压力控制阀能够控制通过***高压侧与低压侧的压力差的变化，从而对高压侧的制冷剂压力进行直接控制。

Description

压力控制阀

技术领域

本发明涉及制冷循环技术领域，特别涉及一种压力控制阀。

背景技术

目前人类面临着越来越严重的环境问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题日益受到全世界的关注。传统制冷循环***中使用的氯氟烃(俗称氟利昂)制冷工质(即制冷剂)为人工合成化合物，挥发到大气中不易被分解，但却能够分解臭氧分子，对臭氧层造成严重破坏。替代物氢氟烃类制冷工质虽然不破坏臭氧层，但是其温室效应明显。将来人类虽可以努力合成更好的制冷工质，但从长远考虑，地球上本来不存在的物质被大量生产和使用，最终的结果是任何一种非自然界故有的替代物质都可能给地球的生态平衡造成破坏，所以制冷剂应回归自然，即启用各种自然制冷剂，如氨、二氧化碳、碳氢化合物、水、空气等环境友好物质，才符合可持续发展的道路。

二氧化碳是一种天然的制冷剂，有利于环境保护，同时二氧化碳制冷循环的性能也与传统制冷剂的循环性能相当，因此被广泛认为有巨大的发展前途。

使用二氧化碳的制冷循环***与常见的氯氟烃类、氢氟烃类制冷循环***有较大的不同。传统的压缩式制冷是利用低沸点的液态制冷剂(如氯氟烃类、氢氟烃类)蒸发汽化时，从制冷空间的介质中吸热来实现制冷的，这种制冷方法利用制冷剂气-液两相转化过程，从而实现定温吸热和放热，制冷剂在制冷***中实现亚临界循环。但是二氧化碳的临界温度约31℃，低于传统的人工制冷剂，使用二氧化碳的制冷循环***实际上是在临界点之上运行，所以叫做超临界循环，在向外界空间放热时，传统制冷剂发生的是冷凝过程，而二氧化碳制冷***发生的是气体冷却的过程。

现有的一种使用氯氟烃类、氢氟烃类传统制冷剂的制冷循环***包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，由管道连接形成循环回路。通常制冷剂被压缩机压缩成高温高压的气体，并送入冷凝器，在冷凝器中冷凝，然后经过膨胀阀进入低压侧的蒸发器蒸发，从而吸收外界热量。在***运行过程中，主要是通过膨胀阀来控制低压侧的蒸发压力与温度，也使制冷剂流量与蒸发器的热负荷相匹配，提高***的工作效率；对于高压侧的冷凝器来讲，制冷剂的冷凝温度主要依赖于外界冷却介质的温度和流量，而冷凝温度又与冷凝压力一一对应，因此膨胀阀高压侧的压力基本上依赖于外界冷却介质的温度与流量，在***中不需要专门进行控制。

对于二氧化碳制冷***来说，进行超临界循环，在高压侧制冷剂发生的不是冷凝过程，而是气体冷却过程，其压力和温度不是一一对应，而是两个独立的变量，尽管二氧化碳气体冷却温度受外界冷却介质的温度与流量限定，但是压力则不直接受到限制。一方面，在超临界二氧化碳制冷***中，高压侧的压力特性对于***的制冷效率有很大的影响；另一方面，高压侧压力可达70-150bar，是常用制冷装置的7-10倍，压力的增加将引起的压缩机容量的降低，使制冷量随之降低，压力进一步增加到异常水平，甚至会导致压缩机的停机。因此不管是从制冷效率还是从安全性考虑，与通常的亚临界循环制冷***不同，在超临界二氧化碳制冷***中，需要设置直接对高压侧压力进行调节的装置。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种压力控制阀，该压力控制阀用于超临界制冷循环***，能够对高压侧的制冷剂压力进行直接控制。

为解决上述问题，本发明提供了一种压力控制阀，包括：阀体1；阀体1内设置的由节流通路7连通的高压腔室51和低压腔室61；阀体1的内腔11中设置的阀芯2，所述阀芯2能够相对于节流通路7上的开向高压腔室51的阀口71往返移动，以控制所述阀口71的开合度；所述高压腔室51与内腔11之间通过密封彼此隔绝，所述低压腔室61与内腔11之间设有连接通路8；所述连接通路8的轴线与阀芯2的轴线平行，并所述连接通路8的轴线与阀芯2的轴线之间的距离大于阀芯2的最大半径，并连接通路8朝向所述内腔11的一端与所述内腔11的底壁连通。

优选的，所述连接通路8为旁路通孔，其内径的范围是0.8mm至4mm。

优选的，所述高压腔室51与内腔11之间设置有密封部件9。

优选的，所述密封部件9为密封圈。

优选的，还包括设置所述内腔11中的、一端与阀芯2相抵接的弹簧3，弹簧3的推力作用于阀芯2。

优选的，所述弹簧3的另一端设置有通过螺纹连接在内腔11内的弹簧调节座4，能够调节所述弹簧3施加在所述阀芯2上的推力大小。

优选的，所述阀芯2的端部为锥形，能够在阀口71内往返移动改变阀口的通路面积。

优选的，所述阀芯2上设有至少一个凹槽22，所述凹槽22中设有密封部件9’。

优选的，所述密封部件9’为密封圈。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述压力控制阀实质上是由连接通路使低压腔室61与内腔11的制冷剂压力相同，即：将低压腔室中的制冷剂压力引入内腔，通过作用在阀芯上的高压腔室的制冷剂压力和低压腔室中的制冷剂压力之差ΔF与弹簧的推力达到的平衡状态，调节阀针与阀口之间的通路面积，当高压侧的压力增大时，增大通路面积，使高压腔室降压；当高压侧的压力减小时，减小通路面积，使高压腔室增压，从而直接控制高压腔室中的制冷剂压力。将本发明所述的压力控制阀置于超临界制冷循环***的冷却器出口侧和蒸发器进口侧之间，能够根据冷却器流出的制冷剂压力与节流膨胀后流入蒸发器压力的差值，来控制***高压侧的压力。

此外，由于阀的控制元直接来自于高压端口的压力与低压端口的压力之差和阀体内的弹簧推力形成的平衡，所以阀的压力控制特性与制冷剂的温度无关，也就不受外界温度影响，因此能够直接控制高压侧的压力，控制的可靠性好。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明实施例中超临界制冷循环***示意图；

图2是本发明实施例一中压力控制阀的结构示意图；

图3是图1中的阀芯受力状态示意图；

图4是本发明实施例一中调节弹簧座的示意图；

图5是本发明实施例二中压力控制阀的结构示意图；

图6是本发明实施例二中旁路通孔的加工位置示意图；

图7是本发明实施例三中压力控制阀的结构示意图。

图中符号说明：

1：阀体、11：内腔、11a：内腔孔；

2：阀芯、21：阀针、22：凹槽、23：阀芯端面；

3：弹簧；

4：弹簧调节座；

5：高压端口、51：高压腔室；

6：低压端口、61：低压腔室；

7：节流通路、71：阀口；

8、8’、8”：旁路通孔；

9、9′：密封部件；

10：压缩机；

20：气体冷却器；

30：内部热交换器；

40：压力控制阀；

50：蒸发器；

60：气液分离器；

70：管路。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

下面以超临界二氧化碳制冷循环***为背景揭示本发明所述压力控制阀的具体实施方式。

图1是本发明实施例中超临界制冷循环***示意图。如图1所示，以制冷剂(二氧化碳)的循环流向为顺序，所述超临界二氧化碳制冷循环***包括：压缩机10，冷却器20，热交换器30，压力控制阀40，蒸发器50和气液分离器60，以管路70连接成闭合回路，完成以二氧化碳为制冷剂的制冷循环过程。

压缩机10用于将吸入的制冷剂压缩；冷却器20用于通过冷却介质与制冷剂间的热交换使压缩机10压缩后的制冷剂冷却；热交换器30用于使冷却器20出口侧的制冷剂与蒸发器50出口侧的制冷剂进行热交换，提高制冷效率；压力控制阀40的高压端口5通过热交换器30连接冷却器20的出口侧，低压端口6连接蒸发器50的进口侧，用于控制热交换器30出口侧的制冷剂压力，也即冷却器20出口侧的压力；蒸发器50用于蒸发压力控制阀40节流降压后的两相的气-液态制冷剂，从冷却空间中吸热；气液分离器60设置于蒸发器50的出口侧和热交换器30之间，用于将气态制冷剂和液态制冷剂分离并临时存储制冷循环中多余的制冷剂；在热交换器30中经过热交换的制冷剂重新流入压缩机10，完成制冷循环过程。

实施例一

图2是本发明优选方案的压力控制阀的结构示意图。如图2所示，所述压力控制阀40包括：阀体1；阀体1内设置的高压腔室51和低压腔室61，高压腔室51和低压腔室61由节流通路7相连通，高压腔室51的高压端口5通过热交换器30连接冷却器20的出口侧，低压腔室61的低压端口6连接蒸发器50的进口侧，高压腔室51与内腔11之间设有密封部件；阀体1的内腔11中设置有阀芯2；阀口71位于节流通路7上且开向高压腔室51；阀芯2相对于阀口71往返移动时，其锥形的端部即阀针21在阀口71内往返移动，从而控制阀口71的开合度，调节通过制冷剂的通路面积。

所述低压腔室61与内腔11之间设有连接通路即图2中的旁路通孔8(对于制冷剂的主要通路节流通路7而言为旁路)，使低压腔室61与内腔11的制冷剂压力相同，即：将低压腔室61中的压力引入内腔11作用于阀芯2上；旁路通孔8的轴线与阀芯2的轴线相交，并且之间有一夹角R，其一端开向低压腔室61，另一端开向内腔11。内腔11中设有一端与阀芯2相抵接的弹簧3，弹簧3的推力作用于阀芯2，弹簧的另一端设置弹簧调节座4，通过螺纹与内腔11连接。

高压腔室51与内腔11之间通过设置在阀芯2的凹槽22内的密封部件9进行密封，阀芯2相对于阀口71往返移动时，密封部件9保证内腔11与高压腔室51之间的密封性，同时，弹簧调节座4上也设有密封部件9’，保证调节弹簧3的推力时，内腔11相对于外界密封良好。

所述压力控制阀40具有节流的功能，阀口71打开时，经热交换器30流出的制冷剂在压力差的作用下由高压侧的高压腔室51经过节流通路7节流降压后进入低压侧的低压腔室61，然后进入蒸发器50蒸发从外界冷却空间吸热。

图3是本实施例所述阀芯受力状态示意图。图中忽略了阀芯重力和与侧壁的摩擦力。如图3所示，旁路通孔8使低压腔室61与内腔11的制冷剂压力相同，即：低压腔室61中的制冷剂压力通过上述旁路通孔8被引入至封闭的内腔11中，因此内腔11中的制冷剂压力F1和弹簧3的推力F2共同作用将阀芯2推向阀口71，使阀针21有深入阀口71达到减少通流面积的趋势；而高压腔室51中的制冷剂则在阀芯3上施加相反的力F3，使锥形的阀针21有远离阀口71达到增加通流面积的趋势。

***工作时，在高压腔室51中的制冷剂压力F3与内腔11中的制冷剂压力F1和弹簧的推力F2共同作用下，阀芯2上的阀针21深入阀口71内一定的距离，此时，作用于阀芯2上的上述三个力达到平衡状态，即F3＝F2+F1，阀针21与阀口71之间间形成一定的通流面积，高压腔室51中的制冷剂经过具有上述通路面积度的阀口71进入低压腔室61中，从低压端口6流向蒸发器50。

当高压腔室51中的制冷剂压力F3与内腔11中的制冷剂压力F1的压力差ΔF增大时，即F3-F1变大，作用在阀芯2上的力的平衡状态改变，即F3＞F2+F1时，阀针21向远离阀口71的方向移动，阀口71通流面积增大，从而流过节流通路7的制冷剂流量增大，使高压侧的制冷剂压力F3减小，最终使内腔11中的制冷剂压力F1与弹簧3的推力F2之和重新等于高压腔室51中的制冷剂压力F3，即F3＝F2+F1，达到新的平衡状态；当高压腔室51中的制冷剂压力F3与低压腔室61中的制冷剂压力F1的压力差ΔF减小时，即：F3-F1变小，作用在阀芯2上的力的平衡状态改变，即F3＜F2+F1时，锥型阀针21向阀口71内侧移动，阀口71通流面积减小，从而流过节流通路7的制冷剂流量减小，使高压侧的制冷剂压力F3增加，最终使低压腔室61中的制冷剂压力F1与弹簧3的推力F2之和重新等于高压腔室51中的制冷剂压力F3，即F3＝F2+F1，达到新的平衡状态。

因此，所述压力控制阀实质上是由旁路通孔8使低压腔室61与内腔11的制冷剂压力相同，即：将低压腔室61中的制冷剂压力F1引入内腔11，通过作用在阀芯2上的高压腔室51的制冷剂压力F3和低压腔室61中的制冷剂压力F1之差ΔF与弹簧3的推力F2达到的平衡状态，调节阀针21与阀口71之间的通路面积，从而直接控制高压腔室51中的制冷剂压力。当压力F3增大时，增大通路面积，使高压腔室降压；当压力F3减小时，减小通路面积，使高压腔室增压。

另外，所述弹簧3作用于阀芯2上的推力F2大小能够调节，如图4所示，弹簧3一端的设置弹簧调节座4，通过调节弹簧调节座4的与弹簧3的相对位置，即改变图4中弹簧调节座底端与阀芯2的距离H，则改变所述弹簧3施加在所述阀芯2上的推力F2大小，从而进一步改变控制压力的所述高压腔室51中的制冷剂压力F3与低压腔室61中的制冷剂压力F1的压力差ΔF。调节弹簧3作用于阀芯2上的推力F2大小也可以通过其他的方式。

为使在制冷循环***的回路出现流量或压力波动时，内腔11中的制冷剂压力能及时反映出***中制冷剂压力的变化，旁路通孔8的内径D不能过于小；但是如果内径D过大，如图2所示，由于旁路通孔8在内腔11中的开口正对阀芯2，从旁路通孔8流出的制冷剂也会对阀芯2产生一定的冲击，影响阀芯2的平衡状态，因此在本发明的实施例中，所述旁路通孔8的内径D在0.8mm-4mm范围内较为合适，既能及时反映出***中制冷剂压力的变化又不会因流量过大对阀芯造成冲击。

以上所述压力控制阀由于阀的控制元直接来自于高压端口的压力与低压端口的压力之差和阀体内的弹簧推力形成的平衡，所以阀的压力控制特性与制冷剂的温度无关，也就不受外界温度影响，因此能够直接控制高压侧的压力，控制的可靠性好。

事实上，本发明实施例所述的压力控制阀还可以是更为优选的结构，以防止流出旁路通孔8的制冷剂对阀芯2产生一定的冲击，影响阀芯2的平衡状态，进而影响其压力控制特性，具体在以下实施例中说明。

实施例二

本实施例结合附图5揭示所述压力控制阀的优选的实施方式。如图5所示的压力控制阀的结构示意图。

所述低压腔室61与内腔11之间设有旁路通孔8’，将低压腔室61中的压力引入内腔11作用于阀芯2上，旁路通孔8’的轴线与阀芯2的轴线相交并且之间有一夹角R。与实施例一中所示的压力控制阀的区别在于，实施例一中旁路通孔8的一端开向内腔11，其开口无论阀芯2移动到任何位置都对着阀芯2，而本实施例中，阀口71完全打开的状态下，所述旁路通孔8的开向内腔11的开口高于阀芯2的端面23，无论阀芯在内腔11中移动到任何位置，所述开口都不会对着阀芯2；即使阀口71完全打开，即如图5中阀芯2所处的位置，旁路通孔8’流进内腔11的制冷剂都不会对阀芯2造成冲击，确保阀芯2如实施例一中所述力的平衡的稳定性，从而提高了压力控制的可靠性。

实施例一和实施例二中所述旁路通孔的轴线与阀芯的轴线之间的夹角R，其角度的取值范围，是由旁路通孔的加工过程决定的。图6是加工旁路通孔的示意图，如图6所示，在铝型材的胚体上加工出高压腔室51、高压端口5、低压腔室61、低压端口6以及用于形成内腔的孔11a，然后沿图示的A方向通过孔11a加工出旁路通孔8’，所述旁路通孔8’的轴线与阀芯2的轴线之间的夹角的取值范围之内，都必须保证能够通过孔11a加工出旁路通孔，如图6中所示，旁路通孔8’的轴线介于位置B和位置C之间，其中点b是孔11a的开口边缘点，而点c是孔11a内的用于安装弹簧调整座4的螺纹终止点。例如采用钻头能够伸进孔11a内钻出通孔8’，加工过程中钻头不会接触孔11a的开口边缘b，也同时保证通孔开口在螺纹之外。

可见，实施例一和实施例二中所述旁路通孔虽能实现本发明的目的，但旁路通孔的加工不是很方便，为便于旁路通孔的加工成型，所述压力控制阀可以是旁路通孔8的轴线与阀芯2的轴线平行的结构，具体在以下实施例中说明。

实施例三

本实施例结合附图7揭示所述压力控制阀的优选的实施方式。如图7所示的压力控制阀的结构示意图。

所述低压腔室61与内腔11之间设有旁路通孔8”，使低压腔室61中的压力与内腔11的压力相同，本实施例所述的压力控制阀的结构与上述实施例的主要区别在于，所述旁路通孔8”的轴线与阀芯的轴线平行，并且旁路通孔8”的轴线与阀芯2的轴线之间的距离大于阀芯2的最大半径，相应的，内腔11的横截面尺寸相对上述两个实施例也增大。所述压力控制阀的其他结构与前述的实施例基本相似。

显然，本实施例中所述压力控制阀中旁路通孔8”中流出的制冷剂不会对阀芯2造成冲击，确保阀芯2上所述力的平衡状态的稳定性，从而提高了压力控制的可靠性。此外，从加工过程考虑，旁路通孔8”的轴线与阀芯2的轴线平行，也就与阀体腔室11的轴线平行，沿着轴线的方向制造旁路通孔更易加工。

以上所有的实施例所述的压力控制阀中，阀芯2上设凹槽，所述凹槽中放置密封部件，在内腔11和高压腔室51之间进行密封，还可设置两个以上的凹槽，分别放置密封部件，以提高密封性。密封部件可以是密封圈，但并不限于密封圈密封，本领域技术人员应该可以推知，其他动密封的结构也在本发明保护范围之内。

需要说明的是，本发明所述的连接通路8也不限于实施例中的旁路通孔，其他形式的通路只要能连通低压腔室和内腔均可以实现本发明的目的，例如，旁路通孔为垂直于阀芯轴线而设置的结构也在保护范围之内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种压力控制阀，包括：阀体(1)，阀体(1)内设置的由节流通路(7)连通的高压腔室(51)和低压腔室(61)，阀体(1)的内腔(11)中设置的阀芯(2)，其特征在于：所述阀芯(2)能够相对于节流通路(7)上的开向高压腔室(51)的阀口(71)往返移动，所述阀芯(2)的端部为锥形，能够在阀口(71)内往返移动改变阀口的通路面积，以控制所述阀口(71)的开合度；所述高压腔室(51)与内腔(11)之间通过密封彼此隔绝，所述低压腔室(61)与内腔(11)之间设有连接通路(8)；所述连接通路(8)的轴线与阀芯(2)的轴线平行，并所述连接通路(8)的轴线与阀芯(2)的轴线之间的距离大于阀芯(2)的最大半径，并连接通路(8)朝向所述内腔(11)的一端与所述内腔(11)的底壁连通。

2.根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于：所述连接通路(8)为旁路通孔，其内径的范围是0.8mm至4mm。

3.根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于：所述高压腔室(51)与内腔(11)之间设置有密封部件(9)。

4.根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于：所述密封部件(9)为密封圈。

5.根据权利要求1所述的压力控制阀，其特征在于：还包括设置所述内腔(11)中的、一端与阀芯(2)相抵接的弹簧(3)，弹簧(3)的推力作用于阀芯(2)。

6.根据权利要求5所述的压力控制阀，其特征在于：所述弹簧(3)的另一端设置有通过螺纹连接在内腔(11)内的弹簧调节座(4)，能够调节所述弹簧(3)施加在所述阀芯(2)上的推力大小。

7.根据权利要求6所述的压力控制阀，其特征在于：所述弹簧调节座(4)上设有密封部件(9’)。

8.根据权利要求7所述的压力控制阀，其特征在于：所述密封部件(9’)为密封圈。

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