胡明軍

(廣東恒基金屬制品實業(yè)有限公司 廣東佛山 528300)

節(jié)流元件是制冷系統(tǒng)的主要部件之一，對制冷系統(tǒng)的性能起重要作用。目前空調器節(jié)流主要有毛細管、電子膨脹閥、節(jié)流短管等三種節(jié)流方式。而對變頻空調器來說，要求節(jié)流元件具有較強的制冷劑流量調節(jié)能力，目前都是采用電子膨脹閥進行節(jié)流。電子膨脹閥作為電子節(jié)流元件，有著流量調節(jié)范圍寬、響應速度快、控制精度高、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，但由于空調制冷系統(tǒng)具有強烈的非線性、滯后性以及工況時變性等特點，系統(tǒng)各參數之間還存在強烈的耦合關系，由于其流量特性、傳動結構、制造工藝以及控制方案等方面的問題，電子膨脹閥作為節(jié)流機構的系統(tǒng)在能效及安全穩(wěn)定性等方面需要進一步提高［1－3］。

2003年美國美斯泰克(Microstaq)公司開始將微機械電子系統(tǒng)(Micro－mechanical－electronic systems，MEMS)技術引入到制冷控制領域，利用硅微執(zhí)行器作為制冷空調膨脹閥的導閥，開發(fā)出了硅膨脹閥，成功地應用于超市制冷系統(tǒng)改造，其系統(tǒng)工作穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯［4］。由于市場上變頻空調器的比例越來越大，對其系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能效的要求也越來越高，為此對硅膨脹閥在變頻空調器中應用進行了探索。

1 硅膨脹閥工作原理及流量特性

1.1 硅膨脹閥工作原理

硅膨脹閥主要包括硅微執(zhí)行器導閥和主閥兩部分，工作方式如圖1所示。

圖1 硅膨脹閥結構和工作原理

硅微執(zhí)行器導閥用24V或12V脈寬調節(jié)(PWM)電信號驅動，通過調節(jié)占空比來控制閥門的輸入功率，方波信號調節(jié)脈沖寬度實現閥門的開閉［5］。

導閥內的微電熱執(zhí)行器通電后產生微位移并得到放大，位移量與PWM電信號的占空比成正比。占空比增大，導閥位移增大，常閉孔的開度變大，常開孔開度變小，導閥傳遞給主閥閥芯的控制壓力變大，主閥閥芯向下移動，主閥的開度變大和流量增大，直到上方的控制壓力與下方壓力(反饋壓力+彈簧力)平衡時為止;反之，占空比減小，導閥位移減小，常閉孔的開度變小，常開孔開度變大，導閥傳遞給主閥閥芯的控制壓力變小，主閥閥芯向上移動，主閥的開度變小和流量減小，直到上方的控制壓力與下方壓力(反饋壓力+彈簧力)平衡時為止。

主閥跟隨著導閥的線性移動而移動，主閥的開度也隨著導閥的位置而變化，由此實現了制冷劑流量的自動調節(jié)，不受反饋壓力波動的影響。在未通電情況下，導閥的常閉孔閉合，常開孔打開，在反饋壓力作用下運動的流體通過控制孔進入導閥之后經常開孔流出。在任何時候，當反饋壓力和驅動壓力不一致時，主閥就會移動，打開或關小主閥開度，直至反饋壓力和驅動壓力平衡。

導閥與主閥之間采用回流焊連接，連接強度和可靠性高，完全能滿足制冷系統(tǒng)耐壓和氣密性的要求;另外，導閥的引線通過綁定與導閥上層的輸入電極連接。

1.2 硅膨脹閥流量特性

利用節(jié)流元件制冷劑流量實驗臺對GF25硅膨脹閥(制冷劑R22，額定制冷量2000－3000W)的流量進行測試，其流量與占空比之間的關系曲線流量特性如圖2。

圖2 硅膨脹閥流量與占空比之間的關系曲線

從圖2中可以看出，無論是正向流通或是逆向流通測試，如果以正向流通的流量為基準對比，閥由100%逐漸減小占空比關閥時，其流量增加或減少的趨勢始終滯后于遞增開閥相同的占空比的流量，滯后的比例在5%以內。在占空比小于25%以前，閥幾乎都是處于關閉狀態(tài)。

同時對硅膨脹閥(SEV)與傳統(tǒng)的電子膨脹閥(EEV)流量與閥開度的響應特性進行對比，其結果如圖3。結果表明電子膨脹閥有一個顯著的時間延遲，硅膨脹閥比電子膨脹閥響應的線性更好。

2 硅膨脹閥在空調中的對比實驗

圖3 硅膨脹閥與電子膨脹閥響應曲線

利用空調焓差室就變頻空調器采用硅膨脹閥節(jié)流與電子膨脹閥節(jié)流進行了對比試驗。實驗采用的空調為KFR－25GW/Bp變頻空調器，額定制冷量為2500W，額定制熱量為2800W，制冷劑為R22。實驗結果如表1。

試驗結果表明，在標準工況下，采用硅膨脹閥的變頻空調器其制冷和制熱運行的能效比均有不同程度地提高，尤其在制熱運行時能效比提高明顯。

3 結論

通過硅膨脹閥流量特性實驗以及在變頻空調器中應用實驗表明，在最大流量的20%～70%范圍內，其流量與占空比之間線性特性較好，其正向流動和反向流動的流量特性重合度高，響應特性線性好，因而其響應時間短，控制穩(wěn)定性好，從而使得相對電子膨脹閥而言，其變頻空調器的制冷量、制熱量以及相應的能效比更高。因而，硅膨脹閥可以作為變頻空調器節(jié)流元件。

表1 硅膨脹閥與電子膨脹閥對比試驗

［1］江明旒，王如竹，吳靜怡，等.電子膨脹閥的應用領域及關鍵技術［J］．制冷與空調(北京)，2009，9(1):100－104

［2］馬善偉，張川，陳江平，等．電子膨脹閥制冷劑流量系數的試驗研究［J］．制冷學報，2005，26(1):24－28

［3］蔡培裕，俞少峰，虞海峰．電子膨脹閥流量特性試驗臺的研制［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］劉成剛.MEMS技術的發(fā)展與應用［J］．濟南職業(yè)學院學報，2007，1:75－77