汽車空調熱力膨脹閥容量測試系統的研制

顏吉亮　王玉剛　耿麗萍　王清平（中國計量學院計量測試工程學院　杭州　3008；中石油塔里木油田分公司質量檢測中心　庫爾勒　84000）

汽車空調熱力膨脹閥容量測試系統的研制

顏吉亮1王玉剛1耿麗萍1王清平2
（1中國計量學院計量測試工程學院杭州310018；2中石油塔里木油田分公司質量檢測中心庫爾勒841000）

熱力膨脹閥在不同工況下的流量特性是影響制冷系統性能的重要因素，因此需要對熱力膨脹閥進行制冷劑實流檢測。本文研制了制冷量范圍為1.7～10 kW的熱力膨脹閥容量測試臺。該測試臺以“膨脹閥進出口的壓力值”為測試條件，避免了閥前高壓部分設備流動阻力的差異對測量結果的影響。系統的流量測量不確定度為0.5％，控溫精度為±0.5℃。在標準工況下取額定容量5.5 kW的H型熱力膨脹閥的性能進行了測試，根據溫度-開度、開度-流量、溫度-流量關系特性分析得到在熱力膨脹閥工作區域內，其溫度與流量基本成線性比例關系。根據熱力膨脹閥增益和滯環的定量分析，判別熱力膨脹閥的性能優劣。

汽車空調；熱力膨脹閥；開度；流量

膨脹閥作為制冷系統四大部件之一，可實現冷凝壓力至蒸發壓力的節流作用，因此膨脹閥的動態特性對制冷系統的性能有至關重要的影響。目前汽車空調市場上應用最廣泛的是熱力膨脹閥，它是一種通過感溫包感受蒸發器過熱度以調節膨脹閥開度的流量自動調節閥［1-5］?，F有的熱力膨脹閥流量測試設備以冷凝壓力1.49 MPa，蒸發壓力0.35 MPa作為設計參數，能完成熱力膨脹閥流量-開度的基本測試，但無法得出溫度-流量的特性曲線。另一方面，根據行業標準QC/T 663—2000（汽車空調（HFC-134a）用熱力膨脹閥）［6］的技術要求，額定測試條件為液態制冷劑溫度55℃（飽和壓力1.49 MPa），蒸發溫度5℃（飽和壓力0.35 MPa），而在實際應用中，制冷系統中的冷凝器出口至膨脹閥入口、膨脹閥出口至蒸發器入口、以及冷凝器和蒸發器均可能存在較大的流動阻力，因此以冷凝壓力1.49 MPa，蒸發壓力0.35 MPa為設計參數不符合膨脹閥的實際運行工況［7］。

為了解決上述問題，本文選取以熱力膨脹閥進出口的壓力值為設計條件，研制一套制冷容量范圍為1.7～10 kW的熱力膨脹閥流量測試臺，實現膨脹閥的開度-流量特性測試、溫度-開度特性測試、溫度-流量特性測試以及靜止過熱度測試。

1　測試方法和系統設計

1.1測試方法

熱力膨脹閥的制冷劑流量測試采用實流流量法，原理如圖1所示。先開啟電子膨脹閥支路，調節蒸發溫度、冷凝溫度和電子膨脹閥的流量到指定工況。穩定后，隨著待測膨脹閥的開度變化，不斷調整對應旁路的電子膨脹閥的開度來改變流量值，以滿足熱力膨脹閥入口壓力值，過程中流量計1的值保持不變。記錄待測膨脹閥前的流量計2的讀數，可得到膨脹閥的開度與流量之間的關系［5］。

圖1　膨脹閥制冷劑流量測試原理Fig.1 Schematic of refrigerant flow testing facility

圖2　熱力膨脹閥測試系統流程圖Fig.2 Schematic diagram of the thermal expansion valve testing system

1.2系統分析和設計

為了獲得膨脹閥的溫度-流量關系特性，分別測試膨脹閥的開度-流量關系和溫度-開度關系，擬合兩組實驗數據，最終得到膨脹閥的溫度-流量關系特性。因此，熱力膨脹閥流量測試臺的硬件部分由開度-流量測量和溫度-開度測量兩部分組成。

在溫度-開度測試過程中，通過調節放置膨脹閥的恒溫水浴的溫度，測量膨脹閥的開度變化，得到膨脹閥的溫度-開度的關系［8］，原理較為簡單，本文不進行詳述。膨脹閥的開度-流量測量裝置較為復雜，依據測試方法和技術標準，對此裝置進行分析［9］。

膨脹閥開度-流量測量裝置的流程如圖2所示。其中的冷凝器、儲液器、過冷器、過濾器、電磁閥、質量流量計等為高壓部分，在系統額定流量下的阻力損失約為0.15 MPa，而實際汽車空調的制冷系統中高壓段通常只有冷凝器和儲液器，其阻力損失遠小于此測試臺高壓段的阻力損失，若選用測試條件為冷凝壓力（P2）1.49 MPa，則熱力膨脹閥流量測試的入口條件為閥前壓力值1.24 MPa，與行業標準QC/T 663—2000不符。另外，不同的汽車空調系統，可能會采用不同結構的冷凝器，如管片式、管帶式以及平行流冷凝器［10-11］、流阻不盡相同，對應的熱力膨脹閥的工作參數也隨之改變，為了統一比較基準，膨脹閥入口測壓參照點的布置至關重要。本系統設計的熱力膨脹閥入口（P3）壓力為1.49 MPa，可基本滿足實際汽車空調系統的運行狀況，并消除制冷系統高壓部分流阻對熱力膨脹閥測試產生的影響，提高了測試數據的可靠性。

對測試臺的蒸發器和冷凝器的水循環進行節能優化設計，將冷凝器出口的高溫冷卻水和蒸發器出口的低溫冷凍水混合后，進入100 L容積的恒溫水浴，將混合水溫度穩定控制在30℃，再分流進入冷凝器和蒸發器。此水循環系統不僅降低了測試臺的能耗，而且通過調節循環水路流量值和恒溫水浴溫度值實現了換熱器換熱量的調控，相關測控系統也有較大改進［7］。

2　測試臺系統裝置

2.1硬件設備

在熱力膨脹閥流量測試臺中設計了兩個恒溫水浴，其中一個容量為50 L，作為膨脹閥入口處的恒溫過冷器；另一個為容量100 L的開式循環恒溫水浴，用來穩定蒸發器和冷凝器的進水，控溫精度為0.5℃。測試臺采用BITZER活塞制冷壓縮機，型號為4EC-4.2Y-40S，通過電磁閥控制可進行壓縮機的半載（2缸）或滿載（4缸）運行，滿足測試不同容量膨脹閥的需求。冷凝器采用套管式換熱器，蒸發器采用板式換熱器，使整體結構更為緊湊。兩臺水循環泵采用1.1 kW的變頻水泵，型號為KQL 20/160-1.1/2，額定流量為2.5 m3/h，額定揚程為32 m。冷卻水預冷器采用變頻風冷散熱器，其額定散熱功率為5 HP，通過改變風冷散熱器的風扇轉速可調節預冷器的散熱量。

2.2測點布置和傳感器選擇

系統各測試點布置如圖2所示：

1）在膨脹閥工作段前后布置壓力測點、溫度測點及流量測點；

2）蒸發器、冷凝器和壓縮機前后布置溫度和壓力測點；壓縮機設置高低壓保護；

3）恒溫水浴前后布置溫度測點。

溫度測量均采用測溫不確定度為 ±0.1℃的PT100鉑電阻溫度計，壓力傳感器的精度為±0.2％。測試臺對流量測量精度要求高，因此選用OVAL質量流量計，流量范圍為0～360 kg/h時的測量精度為0.2％～0.8％，滿足設計要求。

2.3軟件控制系統

熱力膨脹閥流量測試臺的測控系統組成如圖3所示，采用研華工控機作為主控機，利用研華PCI-1711進行信號采集和系統控制［8］?；赩B平臺編寫測控軟件，實現系統的數據采集、實時數據顯示及數據后處理。

圖3　測試臺的測控系統結構Fig.3 Measurement and control system of test-bench

2.4熱力膨脹閥開度-流量測試

要得到穩定工況下的溫度-流量曲線，需要在指定工況下對相應的參數進行調節和控制。以壓縮機滿載工作，膨脹閥出口壓力為0.35 MPa，膨脹閥入口壓力為1.49 MPa情況為例：安裝待測膨脹閥，鎖緊膨脹閥出入口，使制冷劑全部從電子膨脹閥通過。設定過冷器的溫度為50℃。調節電子膨脹閥開度、水循環系統中的水流量和預冷器的散熱量，直到膨脹閥出口壓力為0.35 MPa，膨脹閥入口壓力為1.49 MPa，保持工況穩定至少30 min。根據膨脹閥前后的溫度、壓力和流量值可得到開度-流量特性曲線。

2.5熱力膨脹閥溫度（過熱度）-開度測試

熱力膨脹閥通過感溫包接收過熱度信號，改變閥的開度以調節制冷劑流量，因此熱力膨脹閥的溫度（過熱度）-開度測試實驗需要為感溫包提供一個穩定信號［12-13］。測試方法如圖4所示，熱力膨脹閥設置在恒溫水浴上方，將熱力膨脹閥的感溫包放置于恒溫水浴中。向熱力膨脹閥通入氮氣，利用壓力調整閥調節氣體壓力值至0.35 MPa（額定工況）后，進入熱力膨脹閥的平衡口，然后增加感溫包溫度（即提高恒溫水浴溫度），并測量相應溫度下的熱力膨脹閥開度。

在膨脹閥閥桿處設置BAUMER位移傳感器。當恒溫水浴溫度值發生變化時，對應的熱力膨脹閥閥桿亦發生位移變化，位移傳感器感受閥桿的位移，將位移信號通過RS485接口傳送給計算機，實時顯示待測膨脹閥的開度值，由此得出溫度-開度曲線。壓力調整閥的工作范圍為0.005～0.9 MPa，精度為0.5級。BAUMER位移傳感器的檢測范圍為0～10 mm，精度為0.003 mm，分辨率為0.0003 mm。

圖4　膨脹閥的過熱度-開度測試裝置示意圖Fig.4 Schematic of expansion valve superheat-opening testing instrument

3　測試結果及分析

3.1參數條件

測試臺的制冷劑采用HFC-134a，名義制冷量范圍為1.7～10.55 kW（0.5～3 RT）。標準工況膨脹閥入口壓力為1.49 MPa，膨脹閥入口溫度為50℃，膨脹閥出口壓力為0.35 MPa，膨脹閥出口溫度為5℃。

取名義容量為5.5 kW的熱力膨脹閥（最大開度為1 mm）作為測試對象，調節測試臺各參數，當系統達到穩定后，自動采集待測熱力膨脹閥前后的溫度、壓力及流量值。

3.2開度-流量關系實驗

由圖5可知，隨著熱力膨脹閥的開度增大，通過閥孔的流量也不斷增加。當膨脹閥開度大于0.6 mm時，流量基本保持不變，而膨脹閥在達到開度0.6 mm之前，其開度-流量曲線特性為近似線性比例關系。此測試結果體現了熱力膨脹閥工作區域的線性比例特性［14-15］。

圖5　開度-流量特性實驗曲線Fig.5 The flow variation with opening

3.3溫度-開度關系實驗

圖6給出感溫包溫度從0℃上升到25℃時，熱力膨脹閥開度隨溫度的變化值。圖中可看出，感溫包低于8℃時，膨脹閥一直處于靜止狀態，當溫度大于8℃時，膨脹閥啟動，因此，此型號膨脹閥的靜止過熱度［16］為8℃。熱力膨脹閥的開啟點在感溫包溫度為8℃，最大開度為17℃左右。閥的開啟點在全開點過程中隨著溫度的升高，熱力膨脹閥的開度幾乎成線性比例增大。

圖6　溫度-開度特性實驗曲線Fig.6 The opening variation with temperature

圖6中溫度-開度特性關系曲線的斜率稱為熱力膨脹閥的增益。增益越大，熱力膨脹閥對制冷系統的振蕩影響也越大。在溫度為9～15℃時，熱力膨脹閥增益基本不變，且增益值較小。

隨著溫度不斷增加，開度隨之增加的過程稱為正行程；隨著溫度不斷降低，開度隨之減小的過程稱為反行程。此時，由于膨脹閥的結構特點，導致在同一溫度點，正反行程的開度不一致，得到如圖6所示的滯環曲線，滯環越大，制冷系統越容易引起振蕩。被測熱力膨脹閥在溫度為8～15℃時滯環較小，說明穩定性較好。

3.4溫度-流量關系實驗

根據圖5和圖6可得出溫度-開度特性實驗曲線，如圖7所示。圖中A1、B1點之后，流量值開始隨著溫度的增加而增大，在A2和B2點之后熱力膨脹閥的流量基本保持恒定。說明A1和A2之間區域（B1和B2之間區域）為熱力膨脹閥的工作區域內，制冷劑質量流量與感溫包溫度呈近似線性關系。

圖7　溫度-流量特性實驗曲線Fig.7 The flow variation with temperature

計算熱力膨脹閥的容量公式［17］為：

式中：Q為容量，kW；qmr為額定點的制冷劑質量流量，kg/s；h1為熱力膨脹閥入口處飽和液態制冷劑的比焓值，kJ/kg；h2為膨脹閥出口處飽和氣態制冷劑的比焓值，kJ/kg；K為過冷度修正值。

本系統的過冷度為5℃，由表1可得過冷度修正值為1.065［17］。根據R134a壓焓圖可查得，膨脹閥出口飽和壓力為0.35 MPa時，氣態制冷劑的比焓值h2為401.494 kJ/kg，膨脹閥入口飽和壓力為1.49 MPa時，液態制冷劑的比焓值h1為272.394 kJ/kg。根據公式（1）可計算得到5.5 kW熱力膨脹閥的額定流量值為144.0 kg/h，其值皆小于A2、B2點的流量值。說明此熱力膨脹閥的額定流量在線性工作區域內，有20％的余量，符合此熱力膨脹閥的設計要求。

圖7中在8～15℃溫度段，被測膨脹閥的增益和滯環均較小。對于熱力膨脹閥而言，增益和滯環是影響制冷系統或空調系統穩定性的重要因素［15-16］。增益大，系統易引起振蕩，而在一定增益范圍內，滯環越大，系統也越容易引起振蕩，且振蕩的幅度和增益、滯環成正比。通過溫度-流量特性曲線圖可以良好反映熱力膨脹閥的增益和滯環，以判別熱力膨脹閥的性能優劣。

4　結論

1）本文分析了現有行業標準的不明之處，確定以膨脹閥入口壓力1.49 MPa為測試條件，研制了熱力膨脹閥容量測試臺，通過熱力膨脹閥的實測數據分析，此實驗臺能良好完成熱力膨脹閥溫度-流量關系特性測試。

2）實驗結果表明：被測熱力膨脹閥在其工作區域內溫度-流量特性呈現近似線性比例關系，符合該熱力膨脹閥的設計要求。

3）通過此熱力膨脹閥容量測試臺的實驗測試，可定量分析熱力膨脹閥溫度-流量特性的增益和滯環，以判別熱力膨脹閥的性能優劣，為設計改進提供參考依據。

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About the corresponding author

Wang Yugang，male，associate professor，College of Metrology and Measurement Engineering，China University of Metrology，+ 86 571-86914564，E-mail：ygwang@cjlu.edu.cn.Research fields：measurement technology of refrigeration and air-conditioning equipment.

Development of Testing System on Thermal Expansion Valve Capacity

Yan Jiliang1Wang Yugang1Geng Liping1Wang Qingping2
（1.College of Metrology and Measurement Engineering，China University of Metrology，Hangzhou，310018，China；2.Testing Center for Quality，Petro China Tarim Oilfield Company，Korla，841000，China）

Thermal expansion valve's flow characteristic under different conditions is one of the most important factors affecting refrigeration system performance.So it is necessary to detect the actual refrigerant flow of thermal expansion valve.A thermal expansion valve testbench was developed and its range of refrigerating capacity was 1.7-10 kW.In the system，in order to avoid the influence of flow resistance difference of the high pressure part on the measured results，inlet pressure of expansion was treated as the testing condition.The uncertainty of flow measurement is 0.5％and temperature control accuracy is±0.5℃.Performance of a 7 kW capacity H-type thermal expansion valve was tested in the standard condition，and the property of flow-opening，temperature-opening，flow-temperature was acquired and analyzed.In the thermal expansion valve's work range，the flow increases linearly with the increase of temperature.Through the quantitative analysis of thermal expansion valve's gain and hysteresis，the performance of thermal expansion valve is judged.

automobile air-conditioning；thermal expansion valve；opening；flow

TU831；U463.85+1

A

0253-4339（2015）05-0107-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.0107

2014年12月8日

簡介

王玉剛，男，副教授，中國計量學院計量測試工程學院，（0571）86914564，E-mail：ygwang@cjlu.edu.cn。研究方向：制冷及空調測試技術。