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摘要

通過對某一變排量壓縮機汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的熱力膨脹閥的試驗研究，得出了該膨脹閥靜態(tài)過熱度設定值、增益及滯環(huán)、感溫包時間常數(shù)等靜態(tài)和動態(tài)特性，并對試驗結果進行了分析。

關鍵詞:熱力膨脹閥汽車空調(diào)變排量壓縮機試驗研究

1引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)的無級變排量搖板式壓縮機（以下簡稱變排量壓縮機）是根據(jù)壓縮機吸氣壓力的差值，推動搖板改變傾斜角，從而改變活塞的行程和壓縮機主軸每轉一周的排量。所以該類變排量壓縮機改變了傳統(tǒng)的離合器啟閉壓縮機的調(diào)節(jié)方式，壓縮機運行連續(xù)平穩(wěn)，不會引起汽車發(fā)動機周期性的負荷變化，且空調(diào)送風溫度波動小，有利于提高車內(nèi)環(huán)境的熱舒適性；可以保持幾乎恒定且略高于結霜溫度的蒸發(fā)溫度，防止了蒸發(fā)器表面結霜，提高了系統(tǒng)除濕能力；可以降低能耗，節(jié)約燃油。從汽車空調(diào)系統(tǒng)由變排量壓縮機替代定排量壓縮機的發(fā)展總趨勢來看，變排量壓縮機將會在非獨立式汽車空調(diào)系統(tǒng)尤其是各種豪華型汽車空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

熱力膨脹閥是制冷系統(tǒng)廣泛使用的節(jié)流裝置，但是它與變排量壓縮機組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)在實際使用中出現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。At-suoInoue等人在對7缸變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)進行試驗研究時發(fā)現(xiàn)有系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象存在。美國GM公司在無級變排量壓縮機和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的應用過程中，也有同樣發(fā)現(xiàn)。我們對用于某一車型的變排量壓縮機和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題進行了研究，為了詳細分析變排量壓縮機和熱力膨脹閥參數(shù)之間的相互耦合對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，需要對該系統(tǒng)的熱力膨脹閥的動態(tài)行性進行深入地了解。

圖1為我們研究的變排量壓縮機汽車空調(diào)系統(tǒng)中熱力膨脹閥的結構示意圖。該熱力膨脹閥是外平衡式，感溫包為氣體充注，且有兩點與常用熱力膨脹閥不同：

(1)常用熱力膨脹閥是偏壓式，而該熱力膨脹閥是平衡式的，所需的開閥力小，閥桿受力基本不受閥進出口壓力大小的影響。

(2)該熱力膨脹閥的靜態(tài)過熱度為負值，即當過熱度為零時，閥也不能完全關閉，仍有一微量制冷劑流通。

圖1熱力膨脹閥的結構

本文介紹了該熱力膨脹閥靜態(tài)過熱度設定值、增益及滯環(huán)、感溫包時間常數(shù)的測試方法和測試結果，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2試驗裝置和試驗方法

試驗參照JRA2014-1996標準"汽車空調(diào)（HFC-134a）用熱力膨脹閥"和該熱力膨脹閥的廠標進行，試驗工質(zhì)采用氨氣。壓力測量采用RH-ACPS-A型高性能電壓輸出型壓力傳感器，溫度測量采用經(jīng)過標準的銅-康銅熱電偶，膨脹閥開度測量采用DA差動變壓器式位移傳感器，所有被測參數(shù)采用HP34970A數(shù)據(jù)采集儀巡檢記錄。

2．1靜態(tài)過熱度設定值

圖2為靜態(tài)過熱度設定值試驗裝置示意圖。按照熱力膨脹閥靜態(tài)過熱度設定值的要求安裝孔徑為1.3mm的排氣孔，將感溫包放置在溫度為0℃的冰水混凝合物中，調(diào)節(jié)壓力控制閥使閥前壓力P1恒定在1.378Mpa,讀取閥后壓力P2，即可確定靜態(tài)過熱度設定值。

圖2靜態(tài)過熱度設定值試驗裝置

2．2增益及滯環(huán)

圖3為增益及滯環(huán)試驗裝置示意圖。把感溫包放置在溫度為0℃的冰水混凝合物中，調(diào)節(jié)壓力控制閥改變外平衡管壓力來改變熱力膨脹閥開度。氮氣不經(jīng)過熱力膨脹閥，而是直接從排氣孔中排出。先是按一定的壓力差間隔從小到大增加外平衡管壓力，測定熱力膨脹閥的開度，然后再按一定的壓力差間隔從大到小減少外平衡管壓力，測定熱力膨脹閥的開度。

圖3增益及滯環(huán)試驗裝置

2．3感溫包時間常數(shù)

感溫包時間常數(shù)的測定裝置同靜態(tài)過熱度設定值試驗裝置，只是要把原來的一個恒溫槽改為兩個溫度不同（最少相差10℃）的恒溫槽。調(diào)節(jié)壓力控制閥使閥前壓力P1恒定在1.378Mpa,將感溫包先放置在較低溫度的恒溫槽中直至穩(wěn)定，然后將感溫包迅速從較低溫度的恒溫槽移至較高溫度的恒溫槽中，等穩(wěn)定后再將感溫包迅速從較高溫度的恒溫槽移至較低溫度的恒溫槽中直至穩(wěn)定。記錄整個過程感溫包溫度的變化和閥后壓力的變化。

3試驗結果及分析

3．1靜態(tài)過熱度設定值

按照熱力膨脹閥靜態(tài)過熱度設定值的條件，測定出來的靜態(tài)過熱度設定值是-0.5℃，與閥樣本提供的（-0.3±0.8）℃的靜態(tài)過熱度設定值相符。一般熱力膨脹閥的靜態(tài)過熱度設定值為正值，而本文研究的熱力膨脹閥的靜態(tài)過熱度設定值為負值。也就是說，當過熱度為零時，閥沒有完全關閉，仍有微小流量的制冷劑流過。

在對無級變排量壓縮機和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)研究時發(fā)現(xiàn)，熱力膨脹閥開度變化和壓縮機搖板傾角度調(diào)節(jié)會相互作用，從而加劇系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。當蒸發(fā)器負荷減小時，蒸發(fā)器出口過熱度減小，熱力膨脹閥開度和流量減小；同時蒸發(fā)壓力降低，使得壓縮機搖板傾斜角度變小乃至壓縮機排量也減小，并且由于熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)作用使得排量減少幅度增加。當制冷劑流量很小，特別是在熱力膨脹閥突然打開時，運行會變得很不穩(wěn)定。所以，為了適應無級變排量壓縮機和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的特殊要求，消除或減輕該類系統(tǒng)的振蕩問題，則采用負靜態(tài)過熱度設定值的方法，使得熱力膨脹閥開度關到最小，仍有微小流量的制冷劑流過。

3．2增益及滯環(huán)

熱力膨脹閥開度隨外平衡管壓力的變化情況見圖4。圖中的點表示試驗實測數(shù)據(jù)，曲線是根據(jù)最小二乘法由試驗數(shù)據(jù)得出的二次擬合曲線；上面一組數(shù)據(jù)為外平衡管壓力從大到小的開度變化，下面一組為外平衡管壓力從小至大的開度變化。從圖中可心看出，隨著外平衡管壓力的不斷增加，使得熱力膨脹閥受到的過熱度越來越小，則開度越變越小。曲線的斜率稱為熱力膨脹閥的增益，表示為單位外平衡管壓力的開度變化。兩組曲線的水平距離是膨脹閥的滯環(huán)，可以看出滯環(huán)在閥開度的中間較大，在關閉或開啟處較小。

圖4開度和滯環(huán)（感溫包溫度為0℃）

研究表明，熱力膨脹閥的增益是影響制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要因素，增益越大，系統(tǒng)越容易引起振蕩；在一定的增益范圍內(nèi)，膨脹閥的滯環(huán)也會引起系統(tǒng)的振蒎；振蕩的幅度與增益和滯環(huán)的大小成正比，所以減少膨脹閥的增長率益和滯環(huán)可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3．3感溫包時間常數(shù)

閥后壓力P2隨感溫包溫度突降突升時的變化過程見圖5，時間常數(shù)為閥后壓力變化至其全變化量的63.2%的時間。從試驗數(shù)據(jù)中得出，感溫包溫度突然上升時的時間常數(shù)是12s，而感溫包溫度突然下降時的時間常數(shù)是5s，因此可以看出感溫包溫度突然上升的時間常數(shù)經(jīng)感溫包溫度突然下降時的時間常數(shù)要大得多。

圖5感溫包溫度突變時P2的變化過程

熱力膨脹閥感溫包時間常數(shù)這種動態(tài)特性是由于在感溫包中放置了一種能延滯充注工質(zhì)的氣化但對充注工質(zhì)的冷凝并無太大影響的物體，使得感溫包感受溫度由高向低變化時，其中的充注工質(zhì)在物體表面迅速液化，而在感溫包受溫度由低向高變化時，蒸發(fā)氣化較慢。在蒸發(fā)器出口過熱度突然降低時，感溫包的突降時間常數(shù)使得熱力膨脹閥很快關?。ɑ蜿P閉），避免較大的時間滯后使得有濕蒸氣進入壓縮機；而當蒸發(fā)器出口過熱度升高時，感溫包較大的上升時間常數(shù)使得熱力膨脹閥動作滯后，起到抑制閥的調(diào)節(jié)振蕩的作用。

4結論

本文通過對某一車型變排量壓縮機汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的熱力膨脹閥的試驗研究，得出了該膨脹閥靜態(tài)過熱度設定值、增益及滯環(huán)、感溫包時間常數(shù)等靜態(tài)和動態(tài)特性。為了消除或減輕小制冷劑流量時的系統(tǒng)振蕩問題，該膨脹閥采用負靜態(tài)過熱度設定值；而熱力膨脹閥的增益和滯環(huán)的得出可用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性；在蒸發(fā)器出口過熱度突然降低時，感溫包溫度突然下降時的較小時間常數(shù)可實現(xiàn)對壓縮機的保護，而感溫包溫度突然上升時的較大時間常數(shù)可以抑制閥的調(diào)節(jié)振蕩。本研究結果為分析變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性奠定了基礎。