膨胀阀

热力膨胀阀

膨胀阀作为节流装置把高压制冷剂液体变为低压制冷剂液体，同时控制制冷剂液体流量，以便进入蒸发器的制冷剂可以充分蒸发，从而最大的发挥蒸发器的性能，而且不会有液体流出而可能导致压

缩机回液。现在空调中常用的有热力膨胀阀和电子式膨胀阀。而热力膨

胀阀因技术成熟，控制简单，价格低廉而在空调及冷冻设备中大量使用。

膨胀阀的结构主要由：1.动力头（膜片）；2.感温包及毛细管；3.弹簧；

4.阀体（节流孔，阀芯，阀杆，阀座）。

这里有几个概念需要用到：1. 过热度，是指吸气管的制冷剂气体温度和蒸发温度的差值。2. 过冷度，是指冷凝器后的制冷剂液体温度和冷凝温度的差值。热力膨胀阀是通过蒸发器出口的过热度（感温包）来调节（热力头）制冷剂液体进入蒸发器的流量。在热力头的一个控制阀芯的膜片上有来自：P1感温包的充注压力（开阀力）；P2膨胀阀出口压力或蒸发器出口压力（关阀力1）；P3弹簧力（关阀力2）。三个力的关系是：P1=P2+P3，

在不同情形下，它们的平衡不断变化来移动阀芯从而

调节制冷剂流量。当流量过小时，蒸发器出口的制冷剂气

体温度升高，感温包温度升高，感温包的充注压力（P1）

升高，开阀，流量增加。P1的升高也会导致弹簧力（P3）

增大。最后阀芯是停留在一个新的平衡点。至于最后平衡

的建立是由几个条件决定的：1. 弹簧会有一个预先设定的

预紧力，称之为静态过热度SS，因为这时所需开阀力最小，所以也叫最小过热度，一般为2-8C。2. 当阀芯开始动作后，弹簧力的增大（叫

可变过热度或打开过热度OS，一般为5C）及蒸发压力的变化和感温包充注

压力的对应的变化（由生产厂家确定），以保证设置的工作过热度（OPS），这

由静态过热度和可变过热度决定，所以是2-13C。但为了充分利用蒸发器和避

免回液，一般取5C左右。如果因为需要要调节静态过热度，可以通过一个调

节螺钉调节弹簧的预紧力来调节静态过热度，因为膨胀阀生产厂家是根据不

同的容量设定好了静态过热度，所以多数情况下不需要调节。

因为制冷剂从膨胀阀流出会经过分液器（如果有的话）及蒸发器时，会

因为分液器的局部阻力和管路的摩擦阻力而有压力损失。如果压力损失小到

可以忽略时，那么蒸发压力（P0）和膨胀阀出口的压力及蒸发器出口压力接

近相等，那么P2≈P0，这种叫内平衡式膨胀阀。但如果有分液器或管路比较

长时，压力损失会比较大，那么蒸发器内的

蒸发压力也不是一个定值，而是逐减小，到

蒸发器出口时，就变成了P0’

的蒸发器出口过热度实际是蒸发器出口蒸

气温度减去P0’对应的蒸发温度（原来是P0

对应的蒸发温度）。对于R22在0-10C的蒸

发温度时，每降低0.18bar，所对应的饱和温度就降低1C。而对于R404A在-30-～-40C的蒸发温度时，每降低0.07bar，所对应的饱和温度就降低1C。如果P0和P0’相差比较大，对于空调工况，分液器和蒸发器的压降在0.5bar都是可以接受的，

也就是蒸发温度在蒸发器出口处有可能会比入口减少3C，那么蒸发器出口过热度就比原来大3C，这就降低了蒸发器的换热效果，所以这时要用外平衡式，而对于低温度工况，因为蒸发温度对压力损失比较敏感，所以一般要使用外平衡式热力膨胀阀。下表给出使用内平衡式膨胀阀的压差限值。

有人提到可不可以通过调节静态过热度来补偿因为压力损失而增大的蒸发器过热度，如静态过热度是4C，蒸发器过热度要求是6C，那么可变过热度为2C，而压力损失造成的蒸发器进出口温度差为3C，如果使用内平衡式膨胀阀，把静态过热度调小为1C，那么加上压降造成的3C和可变过热度，蒸发器过热度还是6C。但是如果蒸发器压力下降，那么流量变小，那么压降也会变小，如变小为1C。那么理论上过热度是4C。这时阀开度变小，弹簧力被释放，那么静态过热度变为0。那实际过热度只有3C。如果压力损失再变小，小到能忽略，那这时过热度就只有2C。当蒸发压力增大，流量增大时，就有可能，压力的变大使关阀力变大，而流量的增大又使回气管温度降低，最后是使阀关闭。

膨胀阀的感温包的充注：

因为膨胀阀的开启和闭合通过感温包感受的温度变化来调节阀的开度从而调节流量，所以感温包里面充注物的特性也就决定了膨胀阀的控制特性。常用的充注有以下几种：

1．液体充注：相同充注

感温包中充入和制冷系统一样的制冷剂（70-80%），并且充注

量比较多，以保证在工作温度范围里

都有液体存在。这样，温包内及膜片

上方的的压力就总是感温包感受温度

对应的饱和压力。从它的特性曲线可

以看到，因为感温包充注和制冷系统

是相同制冷剂，所以P1和P2（忽略

压力损失时是P0）是重合的。这种方式的特点是：

1）感温包的工作不受环境温度影响；

2）停机后，关阀力只有弹簧预紧力，不能起截止作用；

3）压缩机启动时，感温包因为有惰性比系统会反应慢些，所以阀开度会比较大，会使蒸发器出口过热度较小甚至可能带液，且由于制冷剂流量较大，会使压缩机长时间处于高吸气压力，容易引起压缩机过载；

4）由于液体较多，所以热惯性也大，在调节过程流量波动较大；

5）在低温时，需要较大过热度才能使膨胀阀平衡，降低的蒸发器效率，所以一般用在-40C以上蒸发温度中。

液体交叉充注：

如果感温包中充注的制冷剂和制冷系统中的不一样那就是交叉充注。这种充注改善了相同充注的一些缺陷，特点如下：

1）适当的延缓了开阀力的下降；

2）对环境温度的变化不敏感；

3）对吸气管温度的变化反应小；

4）可满足特殊要求的过热度特性；

5）压缩机停机时，阀关闭得快；

6）压缩机启动时能够降低负荷，防止回液，并迅速把

吸气压力降下来

2．气体充注：相同充注：

感温包中充入和制冷系统相同的制冷剂，但是充注量比液体充注

的要少，而且是在设计的最高蒸发温度时刚好全部汽化，也就是

在这个温度时，感温包内全部是气体。所以当蒸发温度和蒸发压

力继续上升时，关阀力也上升，蒸发器出口温度上升，感温包感

受温度也升高，但这时因为感温包都是气体，所以压力变化并不

大，这就是到了MOP（Maximum Operation Pressure or Motor

Overload protection），所以这时总的表现是关阀力增大，但是

阀关到一定程度，蒸发压力到一个顶值，然后变小，因为流量

小了压力也会降下来，所以它的特点如下：

1）可以防止压缩机在开机时引起液击，因为感温包的感应滞

后而使温度保持在较高水平，这时膨胀阀的开阀力较大，使过

多制冷剂流进入蒸发器；

2）停机时关阀力会比开阀力大很多，所以阀关闭较严；

3）在膨胀阀感温包所处环境温度较高时，因为有MOP特性，

可以避免膨胀阀膜片处在高压状态而造成疲劳，延长膨胀阀使

用寿命；

4）因为感温包，毛细管和膜片腔都充满大部分制冷剂气体，

所以制冷剂气体常常会在最冷的地方凝结成液体，如果在膜片

腔凝结的话将会影响膨胀阀的工作，所以要保证感温包是膨胀

阀充注腔中是温度最低的地方，而感温包为了感受温度准确些

都会有保温棉，这可能也可以起到这个作用吧。

气体交叉充注：

如果充注的制冷剂和制冷系统的不一样，那么可以在较宽的蒸发温度范围内保持静态过热度大体恒定。特别是在低温制冷装置中，因为相同充注在低温时过热度会增大而减少蒸发器的制冷量（和液体充注相同的弊端）。它也是改善了相同充注的一些特性。

惰性充注

在气体充注中，为了减缓反应的速度，会在温包中加入惰性片，

这些惰性片是由多孔的热惰性材料制作，这些小孔提供了相当大

的表面积，当感温包温度上升时，惰性片温度上升比较慢，那么

那些蒸发的气体会冷凝在惰性片的表面，阻止感温包压力上升。

而当温度下降时，制冷剂气体开始会在感温包壁面凝结，压力下降较快，到一定程度后，温度下降较慢的惰性片会蒸发温包内的液体，从而影响制冷剂气体的冷凝速度，延缓压力下降。

三种充注的反应速度如表所示，

除了上面介绍的充注外，还有一些充注如：混合充注，吸附充注

下图是Sporlan公司的膨胀阀不同充注时过热度-蒸发温度特性曲线，根据不同的蒸发温度范围选择不同的充注。该公司建议使用带MOP的膨胀阀才以保护压缩机。

各种充注使用的情况：

液体充注：制冰机；

液体交叉充注：商用制冷设备（中，低温），制冰机，运输制冷设备，空调设备；

气体充注：空调设备（包括移动式），冷水机组；

气体交叉充注：空调热泵和空调设备；

下面是ALCO公司各种充注应用的具体情况：

上面的第一位代表的是制冷剂，下表列出了各字母代表的制冷剂。R410A是Z。

第二位及后面的字母是代表充注方式，具体如下：

在W（MOP）后面的数字代表工厂测试的MOP值（psig）,名义值会小10psig。

下表显示了一些类型的膨胀阀是可以互换的。

膨胀阀的选型：

要选择合适的膨胀阀，首先要知道一些参数：

1．制冷剂类型；

2．蒸发器制冷量Q；（注意：是蒸发器的，不是压缩机的）

3．蒸发器压力和温度；（通过计算得到膨胀阀出口压力）

4．冷凝器压力和温度；（通过计算得到膨胀阀进口压力）

5．过冷度或膨胀阀入口制冷剂液体温度；

6．1）冷凝器到膨胀阀间的压力损失，2）经过膨胀阀的压力损失，3）膨胀阀出口到蒸发器出口的压力损失（因为膨胀阀是控制进入蒸发器的制冷剂流量，一定流量对应一定的制冷量，所以要知道从膨胀阀入口到蒸发器出口间的压力差，而且如果超过一定数值就要选用外平衡式）。

知道以上参数后，选型步骤如下：

1．进入膨胀阀不同制冷剂液体温度的修正系数Klt。膨胀阀的名义制冷量是在制冷剂液体温度100F(38C)时测得的。如果给出的是过冷度（要看指的是冷凝器出口的还是在膨胀阀入口的，因为在冷凝器出口到膨胀阀入口之间会有压力损失，如果给的是前者，还要通过压力损失换算成膨胀

阀入口的过冷度。但是看Sporlan给出的修正系数选择表，其实用哪个都可以，因为这个压力损失不会太大，所以两个地方的温度差异也不大。用膨胀阀入口的制冷剂液体温度和蒸发器温度（Sporlan认为在-40F和40F之（-40-4C）间的蒸发温度变化对这个系数的影响不大，所以只给出了0F（-18C）蒸发温度时的修正系数）查出这个修正系数，这里给出了Sporlan和Alco的，以供参考。

2．压力差修正系数KΔp。这里给出的压力差不是膨胀阀前后的压力差，而是膨胀阀入口和蒸发器出口之间的压力差，因为是这个压力差会影响到制冷剂的流量。

Sporlan公司：

Alcon公司：

2．计算出实际需要的膨胀阀的名义制冷量Qn。因为膨胀阀的名义制冷量都是在一定条件下测得的，所以不同条件时会有所变化，因此需要上面的修正系数，查出修正系数后，可以用蒸发器制冷量（Q）及下式计算出膨胀阀在相应条件下的名义制冷量。

Qn=Q x Klt x KΔp

3．查膨胀阀选型表，按名义制冷量查出相应的膨胀阀型号。

以下是以ALCO的膨胀阀的技术资料进行选型：

已知条件：

蒸发器制冷量： 18kW

使用制冷剂： R407C

冷凝温度(压力)： 35C（15.5bar）

蒸发温度(压力)： 0C（4.61bar）

过冷度：1C

冷凝器出口到膨胀阀进口的压力损失： 2.2bar

蒸发器进口到出口的压力损失：0.3bar

1．按照所使用制冷剂及制冷剂液体温度查Ktl得：Ktl=0.98

2．按照所给出的压力损失计算从冷凝器出口到蒸发器出口的压力损失：

ΔP=15.5-4.61-2.2-0.3=8.39 bar

查表得：KΔp=1.15

3.计算膨胀阀名义制冷量：

Qn=18 x 0.98 x 1.15 = 20.29 kW

查表得，TCLE 550NW 24.0kW 比较合适，因为在蒸发器设计时，都会留有一点的余量，而且膨胀阀自身有一定的调节能力，所以选大不选小。

选型总结：其实上例的制冷剂液体温度是比较低的，一般要水冷的才能做到，而这时压缩比也会比较小，这种情况下所得的修正系数是大于1.0，所以要选比蒸发器制冷量大的膨胀阀。而风冷的液体温度及压缩比都会高一些，这时所得的修正系数都会小于是1.0，所以这时要选比蒸发器制冷量小的膨胀阀。至于低温的，因为蒸发温度比较低且压缩比大，都会大于1.0。

膨胀阀的安装：

膨胀阀只有正确安装了，才能达到设计效果，

使蒸发器发挥最大效率。膨胀阀有三个部分

（内平衡式只有两部分）需要安装在系统管路

上：

1．阀体：因为膨胀阀是控制进入蒸发器的制

冷剂流量及压力的零件，所以越靠近蒸发器，到蒸

发器的压力损失越小越好，这样通过膨胀阀的制冷

剂液体进入到蒸发器就越多，尽可能避免冷量损失。

如果膨胀阀后需要接分配器，那么如果可能就直接

焊在膨胀阀出口，如果不能直接连接，两者距离最

好不要超过24in（610mm），否则会影响分配效果。

此外还要注意：1。对于感温包是气体充注的膨胀阀，

阀体要保持比感温包的温度高，以避免气体在阀体凝结，从而

影响膨胀阀的正常工作；2。对于蒸发膨胀阀前的制冷剂液体

管路有上升管路而造成压力损失的，要注意这部分压力损失造

成的液体饱和压力的下降，从而使过冷度变小，如果过冷度下

降到0，那么制冷剂液体就会出现闪发气体，最终影响制冷性

能。对于焊接连接的膨胀阀，要注意操作规范，如用湿毛巾降

温，以免高温损坏膜片和弹簧。

2．感温包：感温包因为是通过感应蒸发器出口的过热度来控制进

入蒸发器的制冷剂流量，所以要尽量靠近安装在蒸发器出口，如果没有合适位置，那对蒸发器到感温包的管路也要做好保温，避免管路的温度上升过多，从而影响感温包的正常工作状态。在蒸

发器的出口管要设计一段水平管来安装感温包，因为如果出口管马上上升，那么感温包就没有合适的安装位置了。在出口管要设置一个存油弯或叫存液弯，主要是针对出口管后面有上升管路时这里可以积聚冷冻油或未蒸发的制冷剂液体，当到一定程度时，会堵塞管路使其压力上升，从而可以推动这些油或液体上升，如果没有，积聚在水平管上有可能影响感温包的工作状态。如果实在是没有水平管路可以安装，那么不得不安装在竖直管路时，最好是在下降的竖直管路上。

选好感温包的装置后，就是固定感温包，针对蒸发器出口管

尺寸，感温包的固定位置见下图：

如果在2-1/8”OD或更大的管路中，有：（1）过冷度比较小或

需要更精确的控制；（2）外界温度对感温包的影响比较大时。可

以把感温包安装在一个套管上并将这个套管装在管路里面。

绝对不允许把感温包安装在管路底部，因为客路底部通常会有

冷冻油或制冷剂液体，从而影响感温饭感受制冷剂气体温度。

3．外平衡管：外平衡管要安装在紧接着感温包的位置上，不能安装在感温包前面，因为这样会对制冷剂气体有扰动，从而影响感温包位置上实际的制冷剂气体。其他要求可参考感温包的安装位置。