微机电硅膨胀阀在变频空调器中的应用研究

胡明军

(广东恒基金属制品实业有限公司 广东佛山 528300)

节流元件是制冷系统的主要部件之一，对制冷系统的性能起重要作用。目前空调器节流主要有毛细管、电子膨胀阀、节流短管等三种节流方式。而对变频空调器来说，要求节流元件具有较强的制冷剂流量调节能力，目前都是采用电子膨胀阀进行节流。电子膨胀阀作为电子节流元件，有着流量调节范围宽、响应速度快、控制精度高、节能效果明显等优点，但由于空调制冷系统具有强烈的非线性、滞后性以及工况时变性等特点，系统各参数之间还存在强烈的耦合关系，由于其流量特性、传动结构、制造工艺以及控制方案等方面的问题，电子膨胀阀作为节流机构的系统在能效及安全稳定性等方面需要进一步提高［1－3］。

2003年美国美斯泰克(Microstaq)公司开始将微机械电子系统(Micro－mechanical－electronic systems，MEMS)技术引入到制冷控制领域，利用硅微执行器作为制冷空调膨胀阀的导阀，开发出了硅膨胀阀，成功地应用于超市制冷系统改造，其系统工作稳定，节能效果明显［4］。由于市场上变频空调器的比例越来越大，对其系统的稳定性、能效的要求也越来越高，为此对硅膨胀阀在变频空调器中应用进行了探索。

1 硅膨胀阀工作原理及流量特性

1.1 硅膨胀阀工作原理

硅膨胀阀主要包括硅微执行器导阀和主阀两部分，工作方式如图1所示。

图1 硅膨胀阀结构和工作原理

硅微执行器导阀用24V或12V脉宽调节(PWM)电信号驱动，通过调节占空比来控制阀门的输入功率，方波信号调节脉冲宽度实现阀门的开闭［5］。

导阀内的微电热执行器通电后产生微位移并得到放大，位移量与PWM电信号的占空比成正比。占空比增大，导阀位移增大，常闭孔的开度变大，常开孔开度变小，导阀传递给主阀阀芯的控制压力变大，主阀阀芯向下移动，主阀的开度变大和流量增大，直到上方的控制压力与下方压力(反馈压力+弹簧力)平衡时为止;反之，占空比减小，导阀位移减小，常闭孔的开度变小，常开孔开度变大，导阀传递给主阀阀芯的控制压力变小，主阀阀芯向上移动，主阀的开度变小和流量减小，直到上方的控制压力与下方压力(反馈压力+弹簧力)平衡时为止。

主阀跟随着导阀的线性移动而移动，主阀的开度也随着导阀的位置而变化，由此实现了制冷剂流量的自动调节，不受反馈压力波动的影响。在未通电情况下，导阀的常闭孔闭合，常开孔打开，在反馈压力作用下运动的流体通过控制孔进入导阀之后经常开孔流出。在任何时候，当反馈压力和驱动压力不一致时，主阀就会移动，打开或关小主阀开度，直至反馈压力和驱动压力平衡。

导阀与主阀之间采用回流焊连接，连接强度和可靠性高，完全能满足制冷系统耐压和气密性的要求;另外，导阀的引线通过绑定与导阀上层的输入电极连接。

1.2 硅膨胀阀流量特性

利用节流元件制冷剂流量实验台对GF25硅膨胀阀(制冷剂R22，额定制冷量2000－3000W)的流量进行测试，其流量与占空比之间的关系曲线流量特性如图2。

图2 硅膨胀阀流量与占空比之间的关系曲线

从图2中可以看出，无论是正向流通或是逆向流通测试，如果以正向流通的流量为基准对比，阀由100%逐渐减小占空比关阀时，其流量增加或减少的趋势始终滞后于递增开阀相同的占空比的流量，滞后的比例在5%以内。在占空比小于25%以前，阀几乎都是处于关闭状态。

同时对硅膨胀阀(SEV)与传统的电子膨胀阀(EEV)流量与阀开度的响应特性进行对比，其结果如图3。结果表明电子膨胀阀有一个显著的时间延迟，硅膨胀阀比电子膨胀阀响应的线性更好。

2 硅膨胀阀在空调中的对比实验

图3 硅膨胀阀与电子膨胀阀响应曲线

利用空调焓差室就变频空调器采用硅膨胀阀节流与电子膨胀阀节流进行了对比试验。实验采用的空调为KFR－25GW/Bp变频空调器，额定制冷量为2500W，额定制热量为2800W，制冷剂为R22。实验结果如表1。

试验结果表明，在标准工况下，采用硅膨胀阀的变频空调器其制冷和制热运行的能效比均有不同程度地提高，尤其在制热运行时能效比提高明显。

3 结论

通过硅膨胀阀流量特性实验以及在变频空调器中应用实验表明，在最大流量的20%～70%范围内，其流量与占空比之间线性特性较好，其正向流动和反向流动的流量特性重合度高，响应特性线性好，因而其响应时间短，控制稳定性好，从而使得相对电子膨胀阀而言，其变频空调器的制冷量、制热量以及相应的能效比更高。因而，硅膨胀阀可以作为变频空调器节流元件。

表1 硅膨胀阀与电子膨胀阀对比试验

［1］江明旒，王如竹，吴静怡，等.电子膨胀阀的应用领域及关键技术［J］．制冷与空调(北京)，2009，9(1):100－104

［2］马善伟，张川，陈江平，等．电子膨胀阀制冷剂流量系数的试验研究［J］．制冷学报，2005，26(1):24－28

［3］蔡培裕，俞少峰，虞海峰．电子膨胀阀流量特性试验台的研制［J］．制冷，2012，31(2):6－9

［4］Roger Allan．MEMS Silicon Expansion Valve Heads Toward New HVAC Applications［J］．Electronic Design，2010，58(16):33－37.

［5］刘成刚.MEMS技术的发展与应用［J］．济南职业学院学报，2007，1:75－77