变排量压缩机汽车空调用热力膨胀阀的试验研究

变排量压缩机汽车空调用热力膨胀阀的试验研究摘要
通过对某一变排量压缩机汽车空调制冷系统的热力膨胀阀的试验研究，得出了该膨胀阀静态过热度设定值、增益及滞环、感温包时间常数等静态和动态特性，并对试验结果进行了分析。

关键词:热力膨胀阀汽车空调变排量压缩机试验研究
1 引言
汽车空调系统的无级变排量摇板式压缩机（以下简称变排量压缩机）是根据压缩机吸气压力的差值，推动摇板改变倾斜角，从而改变活塞的行程和压缩机主轴每转一周的排量。

所以该类变排量压缩机改变了传统的离合器启闭压缩机的调节方式，压缩机运行连续平稳，不会引起汽车发动机周期性的负荷变化，且空调送风温度波动小，有利于提高车内环境的热舒适性；可以保持几乎恒定且略高于结霜温度的蒸发温度，防止了蒸发器表面结霜，提高了系统除湿能力；可以降低能耗，节约燃油。

从汽车空调系统由变排量压缩机替代定排量压缩机的总趋势来看，变排量压缩机将会在非独立式汽车空调系统尤其是各种豪华型汽车空调系统中得到广泛的应用。

热力膨胀阀是制冷系统广泛使用的节流装置，但是它与变排量压缩机组成的汽车空调制冷系统在实际使用中出现了系统稳定性问题。

At-suo Inoue等人在对7缸变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统进行试验研究时发现有系统振荡现象存在。

美国GM公司在无级变排量压缩机和热力膨胀阀汽车空调制冷系统的应用过程中，也有同样发现。

我们对用于某一车型的变排量压缩机和热力膨胀阀汽车空调制冷系统的稳定性问题进行了研究，为了详细分析变排量压缩机和热力膨胀阀参数之间的相互耦合对系统稳定性的影响，需要对该系统的热力膨胀阀的动态行性进行深入地了解。

图1为我们研究的变排量压缩机汽车空调系统中热力膨胀阀的结构示意图。

该热力膨胀阀是外平衡式，感温包为气体充注，且有两点与常用热力膨胀阀不同：
(1) 常用热力膨胀阀是偏压式，而该热力膨胀阀是平衡式的，所需的开阀力小，阀杆受力基本不受阀进出口压力大小的影响。

(2) 该热力膨胀阀的静态过热度为负值，即当过热度为零时，阀也不能完全关闭，仍有一微量制冷剂流通。

图1 热力膨胀阀的结构
本文介绍了该热力膨胀阀静态过热度设定值、增益及滞环、感温包时间常数的测试方法和测试结果，并对试验数据进行分析。

2 试验装置和试验方法
试验参照JRA2014-1996标准"汽车空调（HFC-134a）用热力膨胀阀"和该热力膨胀阀的厂标进行，试验工质采用氨气。

压力测量采用RH-ACPS-A型高性能电压输出型压力传感器，温度测量采用经过标准的铜-康铜热电偶，膨胀阀开度测量采用DA差动变压器式位移传感器，所有被测参数采用HP34970A数据采集仪巡检记录。

2．1 静态过热度设定值
图2为静态过热度设定值试验装置示意图。

按照热力膨胀阀静态过热度设定值的要求安装孔径为1.3mm的排气孔，将感温包放置在温度为0℃的冰水混凝合物中，调节压力控制阀使阀前压力P1恒定在1.378Mpa,读取阀后压力P2，即可确定静态过热度设定值。

图2 静态过热度设定值试验装置
2．2 增益及滞环
图3为增益及滞环试验装置示意图。

把感温包放置在温度为0℃的冰水混凝合物中，调节压力控制阀改变外平衡管压力来改变热力膨胀阀开度。

氮气不经过热力膨胀阀，而是直接从排气孔中排出。

先是按一定的压力差间隔从小到大增加外平衡管压力，测定热力膨胀阀的开度，然后再按一定的压力差间隔从大到小减少外平衡管压力，测定热力膨胀阀的开度。

图3 增益及滞环试验装置
2．3 感温包时间常数
感温包时间常数的测定装置同静态过热度设定值试验装置，只是要把原来的一个恒温槽改为两个温度不同（最少相差10℃）的恒温槽。

调节压力控制阀使阀前压力P1恒定在1.378Mpa,将感温包先放置在较低温度的恒温槽中直至稳定，然后将感温包迅速从较低温度的恒温槽移至较高温度的恒温槽中，等稳定后再将感温包迅速从较高温度的恒温槽移至较低温度的恒温槽中直至稳定。

记录整个过程感温包温度的变化和阀后压力的变化。

3 试验结果及分析
3．1 静态过热度设定值
按照热力膨胀阀静态过热度设定值的条件，测定出来的静态过热度设定值是-0.5℃，与阀样本提供的（-0.3±0.8）℃的静态过热度设定值相符。

一般热力膨胀阀的静态过热度设定值为正值，而本文研究的热力膨胀阀的静态过热度设定值为负值。

也就是说，当过热度为零时，阀没有完全关闭，仍有微小流量的制冷剂流过。

在对无级变排量压缩机和热力膨胀阀汽车空调制冷系统研究时发现，热力膨胀阀开度变化和压缩机摇板倾角度调节会
相互作用，从而加剧系统运行的不稳定性。

当蒸发器负荷减小时，蒸发器出口过热度减小，热力膨胀阀开度和流量减小；
同时蒸发压力降低，使得压缩机摇板倾斜角度变小乃至压缩机排量也减小，并且由于热力膨胀阀的调节作用使得排量减少
幅度增加。

当制冷剂流量很小，特别是在热力膨胀阀突然打开时，运行会变得很不稳定。

所以，为了适应无级变排量压缩
机和热力膨胀阀汽车空调制冷系统的特殊要求，消除或减轻该类系统的振荡问题，则采用负静态过热度设定值的方法，使
得热力膨胀阀开度关到最小，仍有微小流量的制冷剂流过。

3．2 增益及滞环
热力膨胀阀开度随外平衡管压力的变化情况见图4。

图中的点表示试验实测数据，曲线是根据最小二乘法由试验数据得出的二次拟合曲线；上面一组数据为外平衡管压力从大到小的开度变化，下面一组为外平衡管压力从小至大的开度变化。

从图中可心看出，随着外平衡管压力的不断增加，使得热力膨胀阀受到的过热度越来越小，则开度越变越小。

曲线的斜率称为热力膨胀阀的增益，表示为单位外平衡管压力的开度变化。

两组曲线的水平距离是膨胀阀的滞环，可以看出滞环在阀开度的中间较大，在关闭或开启处较小。

图4 开度和滞环（感温包温度为0℃）
研究表明，热力膨胀阀的增益是影响制冷系统稳定性的一个重要因素，增益越大，系统越容易引起振荡；在一定的增益范围内，膨胀阀的滞环也会引起系统的振蒎；振荡的幅度与增益和滞环的大小成正比，所以减少膨胀阀的增长率益和滞环可以增加系统的稳定性。

3．3 感温包时间常数
阀后压力P2随感温包温度突降突升时的变化过程见图5，时间常数为阀后压力变化至其全变化量的63.2%的时间。

从试验数据中得出，感温包温度突然上升时的时间常数是12s，而感温包温度突然下降时的时间常数是5s，因此可以看出感温包温度突然上升的时间常数经感温包温度突然下降时的时间常数要大得多。

图5 感温包温度突变时P2的变化过程
热力膨胀阀感温包时间常数这种动态特性是由于在感温包中放置了一种能延滞充注工质的气化但对充注工质的冷凝并无太大影响的物体，使得感温包感受温度由高向低变化时，其中的充注工质在物体表面迅速液化，而在感温包受温度由低向高变化
时，蒸发气化较慢。

在蒸发器出口过热度突然降低时，感温包的突降时间常数使得热力膨胀阀很快关小（或关闭），避免较大的时间滞后使得有湿蒸气进入压缩机；而当蒸发器出口过热度升高时，感温包较大的上升时间常数使得热力膨胀阀动作滞后，起到抑制阀的调节振荡的作用。

4 结论
本文通过对某一车型变排量压缩机汽车空调制冷系统的热力膨胀阀的试验研究，得出了该膨胀阀静态过热度设定值、增益及滞环、感温包时间常数等静态和动态特性。

为了消除或减轻小制冷剂流量时的系统振荡问题，该膨胀阀采用负静态过热度设定值；而热力膨胀阀的增益和滞环的得出可用于分析系统稳定性；在蒸发器出口过热度突然降低时，感温包温度突然下降时的较小时间常数可实现对压缩机的保护，而感温包温度突然上升时的较大时间常数可以抑制阀的调节振荡。

本研究结果为分析变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统的稳定性奠定了基础。