汽车空调用热力膨胀阀关键性能指标检测方法探讨

丁浩 来雨霏

摘要：热力膨胀阀在汽车空调系统中起着重要的作用，是制冷系统中关键部件之一，其质量好坏直接影响整个制冷系统的运行性能，对空调系统的运行寿命、制冷效果、运行成本具有重要的意义。本文针对汽车空调用热力膨胀阀过热度、阀口泄漏、气密性及耐久性等4个关键性能指标进行分析，并研究探讨相应的检测方法，为提升热力膨胀阀的整体质量水平，开展政府监管提供了必要的技术手段和基础。

关键词：热力膨胀阀；汽车空调；制冷系统

引言：

随着家用汽车的普及，为满足人们对于汽车舒适性的不断追求，作为汽车车内环境舒适性重要调节装置的汽车空调系统，为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制等功能，已经成为现代汽车的标准配置，成为不可或缺的部件。因此汽车的高速增长，必然带来了汽车空调行业的高速增长。热力膨胀阀是汽车空调的重要零部件，能对空调中的制冷剂流量加以控制，起到节流、降压、调节制冷剂流量等作用，其性能好坏直接影响整个制冷系统的正常运行。目前国内现有的膨胀阀性能检测方法还存在诸多不足之处，难以适应膨胀阀生产测试的需求，因此亟需研究热力膨胀阀关键性能测试方法，为膨胀阀的产品质量控制及改进提供必要的技术手段。

一、热力膨胀阀的工作原理

汽车空调主要由四个主要部件压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，及其部分其它附件制冷剂、储液器、干燥瓶、连接管道、电机、控制系统等组成。在汽车制冷系统中四个基本设备中，热力膨胀阀体积最小，但不可或缺，作用同样巨大，质量状况直接决定整个制冷系统的运行性能，对制冷设备的运行寿命、节约能源、降低运行成本等有着重要的意义[1，2]。

热力膨胀阀通过感温包感受蒸发器出口端过热度的变化，导致感温包内充注的制冷剂产生压力变化，压力的作用导致膜片产生弹性变形，并作用于传动膜片上，促使膜片形成上、下位移，将力传递给传动杆从而推动阀针上下移动，使阀门关小或开大，起到降压、节流作用，此外还能自动调节蒸发器的制冷剂供给量，保持蒸发器出口端为设定的过热度，使蒸发器热交换面积得到充分作用，以及减少液击冲缸现象的发生，可见热力膨胀阀主要功能是：节流、调节和控制，同时它还有防止液击和湿压缩及异常过热的功能。

热力膨胀阀由感应机构、执行机构、调整机构和阀体组成，基本结构如图1所示，其动作原理如图2所示。感温包感受到蒸发器出口温度后，使整个感应系统处于对应的饱和压力P1，该压力将通过膜片传给顶杆直到阀芯。在压力腔上部的膜片仅有P1存在，而膜片的下方则有调整弹簧的弹簧力F和蒸发压力P2，三者处于平衡时有P1=P2+F。当蒸发器热负荷增大时，出口过热度偏高，P1增大，P1>P2+F，合力使顶杆、阀芯下移，热力膨胀阀开启增大，制冷剂流量按比例增加。反之，热力膨胀阀开启变小，制冷剂流量按比例减小。因此，空调设备就可以由热力膨胀阀通过控制过热度实现制冷系统的自我调整。

二、热力膨胀阀的关键性能指标

汽车空调用热力膨胀阀的过热度、阀口泄漏、气密性、耐久性能是评估热力膨胀阀性能的重要指标[3]。（1）过热度，热力膨胀阀感温包温度与阀出口或平衡管接头处（设计时）压力所对应的制冷剂饱和温度之差。过热度的大小可直接反映出蒸发器其蒸发面积的利用率，如果一个热力膨胀阀运行中能使该处的过热度小，则表示蒸发面积的利用率高，也就是制冷效率高，假如该处的过热度甚至为零，那么这蒸发器的蒸发面积利用率达到100%，相对来说就是制冷的时间会更短。静止过热度是热力膨胀阀从关闭状态到开始开启点的过热度，该过热度是打开阀必须具有的最小过热度。保证热力膨胀阀工作在最佳匹配点，就必须保证热力膨脹阀有合适的过热度，制冷系统才能达到最大冷量。因此过热度对热力膨胀阀的性能有着重要影响；（2）阀口泄漏，阀口泄漏是检测阀口关闭的紧密程度。热力膨胀阀的阀口若密封不严，在出口侧管路关闭的情况下，制冷剂可能会通过阀门泄漏，造成正常工作时过热度过低。（3）气密性，热力膨胀阀的气密性是由阀内部向外部泄漏的制冷剂量，气密性分为出口侧气密性和进口侧气密性。若气密性不符合要求，热力膨胀阀在工作时可能出现制冷剂泄漏，影响制冷效果；（4）耐久性，热力膨胀阀的耐久性即其工作寿命，由于热力膨胀阀在工作状态下运动部件阀杆会根据温度变化不断调整开度。长期使用后，热力膨胀阀的膜片、传动片和传动杆运动部件可能出现磨损，抗疲劳能力下降。膜片长期受到压力后容易出现开裂失效，阀口磨损导致泄漏量超标。耐久性能直接关系到汽车空调系统的稳定性和工作寿命。

三、关键性能指标的检测方法分析

国内现行的汽车空调用热力膨胀阀标准主要有QC/T663-2000《汽车空调用热力膨胀阀》和JB/T3548-91《制冷用R12、R22、R502热力膨胀阀》，这两份标准制定的时间较早，有些技术内容以及难以适应现在热力膨胀阀产品的发展现状。目前从事汽车空调用热力膨胀阀检测研究的机构较少，大多数只针对汽车空调整机进行测试。有实力从事热力膨胀阀研究的企业更少，国内的研究机构主要专注于热力膨胀阀的结构设计，对其性能测试较少[4，5]。本文基于汽车空调用热力膨胀阀的实际行业现状，在综合分析国内外先进汽车空调用热力膨胀阀标准规范的基础上，针对影响热力膨胀阀性能的过热度、阀口泄漏气密性和耐久性等关键性能指标开展了检测方法研究，主要包括以下几个方面：

（一）基于流量的热力膨胀阀过热度检测方法

现有热力膨胀阀标准在检测过热度时，采用了出口压力判断阀口开度大小的原理，这种方法存在对开度变化不敏感、反映不直观等不足。本研究通过热力膨胀阀平衡部入口减压阀，调节出不同的外平衡进气压力，测量不同外平衡压力下的流量，采集实验数据，通过分析挖掘出流量与容积及流量与压力之间的对应关系，从而确定不同工况下外平衡压力加压参考值。进一步挖掘气体流量和容量之间的内在关联规律，建立流量法和压力法之间的数值关系。

（二）基于差压法的热力膨胀阀内漏检测方法研究

内漏是热力膨胀阀一个重要的性能指标，基于差压传感器灵敏度远远大于现有压力测试灵敏度的特点，差压法可大大缩短测试时间、增加测试精度。测试中先关闭排气阀，延时保证阀口关闭后关闭对比阀，作为基准压力差，再延时一定时间，读取差压计得到泄漏增加量。通过归纳分析管道容积、时间与差压的数据，挖掘出最优管道、最优时间下的差压泄漏优化检测方法。

（三）基于同压错时法的热力膨胀阀外漏检测方法研究

现有标准中热力膨胀阀外漏指标主要采用水检方式，这方法存在以下缺点：冷媒侧通高压，平衡部端通低压，高低压两路模式造成管路复杂，尤其实际测试中容易通过传动杆窜到一起，进而损坏测试夹具。基于实际的测试需求，研究通过控制冷媒进气口和外平衡进气口的电磁阀来控制着两端进气的顺序，然后测量不同延迟时间下外漏量，通过分析挖掘这些数据优化外漏检测中合理的压力设置及管道布置方式。

（四）高效热力膨胀阀耐久性检测方法研究

在研究国内外热力膨胀阀耐久性检测标准的基础上，研究了不同变化频率、不同压力曲线形状、保压时间因素等对膜片寿命的影响，并且在耐久性检测过程中增加出口压力检测来辅助判断产品耐用极限。

四、结论

热力膨胀阀作为汽车空调的重要零部件，其性能对汽车空调效果有着重要影响。国内生产的热力膨胀阀的调节性能、稳定性、寿命等关键性能指标落后于国外，基本属于低端产品。亟需研究热力膨胀阀关键性能测试方法，为膨胀阀的产品质量控制及改进提供必要的技术手段。本文在综合分析国内外先进汽车空调用热力膨胀阀标准规范的基础上，针对影响热力膨胀阀性能的过热度、阀口泄漏、气密性、耐久性等关键性能指标开展检测方法研究，研究的检测方法为国内热力膨胀阀生产企业的设计制造提供重要的参考依据，可以促进汽车空调热力膨胀阀行业整体质量提升和健康发展。同时也为政府监管提供了必要的技术支撑。

参考文献：

[1] 章嘉瑞，顾其江，邓永林.H型汽车空调节流膨胀阀的研究与改进，制冷与空调[J]，2005，5（5），69-72.

[2] 杨建中，邓永梓，杨英俊.H形汽车空调节流膨胀阀改进阀门，2001（3），39-41.

[3] QC/T 663-2000 车空调用热力膨胀阀[S]，北京：国家机械工业局，2000.

[4] 郭传欣，李征涛，叶学敏，等.H型汽车空调用热力膨胀阀开度试验台的研制[J].2009，9（2）：50-52.

[5] 徐朋朋，蔡晋辉，姚燕，等.热力膨胀阀过热度自动检测系统，中国计量学院学报[J].2010，21（1）：16-19.

（本文受2012C23038浙江省科技計划项目资助）