電子膨脹閥在定頻制冷系統上的應用

彭喜姣

（中山美科冷凍設備有限公司，廣東 中山 528400）

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電子膨脹閥在定頻制冷系統上的應用

彭喜姣

（中山美科冷凍設備有限公司，廣東 中山 528400）

摘 要：壓縮機制冷系統，現在有使用定頻壓縮機的定頻制冷系統和使用變頻壓縮機的變頻制冷系統，變頻制冷系統中的變頻壓縮機根據設備當前溫度與設定目標溫度的差值大小調節壓縮機的轉速，從而使壓縮機輸出的制冷量增大或減小。而在使用定頻壓縮機的定頻制冷系統中，節流元件用熱力膨脹閥或是毛細管時，其制冷量的輸出幾乎不變，為保證制冷設備內的溫度或空調房間的溫度保持恒定，壓縮機需頻繁開停，筆者針對上述問題，對電子膨脹閥在定頻制冷系統上的應用進行了研究。

關鍵詞：電子膨脹閥；熱力膨脹閥；定頻壓縮機；變頻壓縮機；制冷系統

變頻壓縮機主要是通過控制器調節輸入給壓縮機的電源頻率而改變變頻壓縮機的轉速：控制器實時檢測變頻壓縮機當前負載的輕重，或是檢測制冷設備當前的實際溫度與設定的目標溫度的差值大小來調節輸入給壓縮機的電源頻率，從而改變變頻壓縮機的轉速使壓縮機輸出的制冷量增大或減小，當變頻壓縮機當前的負載重或制冷設備當前的實際溫度與設定的目標溫度差別大的時候，輸入給壓縮機的電源頻率增加變頻壓縮機的轉速就變快，壓縮機單位時間的排氣量加大從而使變頻壓縮機輸出的制冷量增大；反之當變頻壓縮機的負載輕，或制冷設備當前的實際溫度與設定的目標溫度接近的時候，輸入給壓縮機的電源頻率減小變頻壓縮機的轉速就變慢，壓縮機單位時間的排氣量減小，從而使變頻壓縮機輸出的制冷量減小，變頻壓縮機轉速慢消耗的功率小、轉速快，消耗的功率大，這樣就起到了能量調節的目的。

定頻制冷系統中最常見的節流元件是熱力膨脹閥或者是毛細管，熱力膨脹閥雖然也可以在一定范圍內調節制冷劑流量，但調節的范圍很小，毛細管的流量幾乎固定，因此使用定頻壓縮機的制冷系統，壓縮機的轉速恒定且當節流元件采用熱力膨脹閥或是毛細管時，因制冷劑流量不變，所以制冷量的輸出幾乎不變，為了保證降溫速度，一般制冷系統選取的壓縮機制冷量都會有余量，當設備的實際溫度達到設定的目標溫度之后，設備所用的溫度控制器便會控制壓縮機停機，而當設備的溫度升高到一定程度之后，設備所用的控制器又會控制壓縮機開機，由于壓縮機的頻繁啟動會影響壓縮機的壽命，而且壓縮機停機時間太短高低壓還沒平衡時壓縮機啟動困難，因此原有制冷設備的溫度控制器都會設定一個開機溫度，一個停機溫度，兩個溫度之間有一個差值，通過這個差值保證壓縮機的開和停具有一定的時間周期，從而導致制冷設備內的溫度波動較大，不能像變頻系統一樣通過調節變頻壓縮機的冷量輸出便可恒定制冷設備的設定溫度；而且壓縮機頻繁的啟動、停止，浪費了很多的電能，又損耗壓縮機的使用壽命；筆者針對上述問題，對電子膨脹閥在定頻制冷系統上的應用進行了研究。

1. 常規定頻制冷系統圖和帶電子膨脹閥的定頻制冷系統圖

帶電子膨脹閥的定頻制冷系統特點如下所述。

1.1 如圖1所示，常規的定頻制冷系統的節流元件是熱力膨脹閥或者毛細管，熱力膨脹閥雖然可以在一定范圍內調節流量，但是流量調節的范圍非常小，這是因為熱力膨脹閥的感溫包將感受到的溫度信號轉換為壓力信號后，該壓力信號則傳遞到與閥針連接的膜片上，膜片的變形便帶動膨脹閥的閥針運動從而自動調整膨脹閥的開度，但是由于膜片的變形量有限，使得閥針的運動位移較小，膨脹閥的流量調節范圍就小；毛細管只要直徑和長度固定，則其流量也幾乎固定，因此常規的定頻制冷系統，其制冷量的輸出幾乎不變，這對于負荷變化較大的制冷系統便無法滿足要求。

1.2 如圖2所示，采用電子膨脹閥的定頻制冷系統的節流元件是電子膨脹閥，直動型電動式電子膨脹閥的結構圖如圖3所示，它是以步進電機驅動的電子膨脹閥，電動機轉子的轉動，主要依靠電磁線圈間產生的磁力進行的，通過給步進電機施加一定邏輯關系的數字信號，電動機轉子的轉動則由與轉子連接的齒輪傳遞到另一與閥針連接的帶螺桿的齒輪，從而將電機轉子的轉動變換成閥針的直線運動，從而改變閥口的流量面積來達到控制流量的目的，閥口可以全開也可以全關，也可以在全開和全關之間的任意位置，而且閥口從全開到全關或從全關到全開只需要幾秒鐘的時間，如果需要，也可以人為設定關閥或開閥的速度、關閥或開閥的閥值范圍，只需要給步進電機輸入一定的信號便可，閥口的大小可以任意人為設定，因此通過電子膨脹閥的流量可以任意調節，所以采用了電子膨脹閥的定頻頻制冷系統，雖然壓縮機的排氣速率固定，但通過電子膨脹閥閥口的改變控制了定頻壓縮機的冷量輸出，非常適合于負荷變化較大的制冷系統。

2. 電子膨脹閥的控制

電子膨脹閥是按照人工設定的程序，給閥上的步進電機輸入信號，任意設定閥口的大小，由此來調節蒸發器供液量的，因此從實現控制流量的角度來看，電子膨脹閥不單單是由可控驅動裝置和閥體（如圖3所示）組成，還需要有最重要的控制器，否則閥體不會工作，而控制器如何控制、何時控制閥口的開或關，則一般由傳感器檢測制冷設備的狀態來決定，因此真正意義上的可控電子膨脹閥由以下3部分組成：控制器、傳感器、帶電機的閥體（即執行器），通常所說的電子膨脹閥大多僅指執行器，實際上僅有這一部分是無法完成控制流量的功能的。

電子膨脹閥控制器的核心硬件為單片機，再輔助一些溫度傳感器或電流功率傳感器，由溫度傳感器或者是電流功率傳感器檢測制冷設備的狀態并傳送給控制器，控制器由此判斷閥口應開大或是縮小或是維持當前開度不變，以及閥口開大或縮小的速度，于是輸出開關閥邏輯信號給驅動裝置，電動機轉子的轉動則由與轉子連接的齒輪傳遞到另一與閥針連接的帶螺桿的齒輪，從而將電機轉子的轉動變換成閥針的直線運動，從而改變閥口的流量面積來達到控制流量的目的，如圖4所示。

電子膨脹閥在不同應用場合的控制傳感器如圖5、圖6所示。

3. 定頻制冷系統采用電子膨脹閥后的優勢

使用常規的定頻制冷系統的恒溫冷柜或速凍柜，當溫度達到設定溫度之后，恒溫冷柜所設的溫度控制器便會控制壓縮機停機，而當溫度升高到一定程度之后，恒溫冷柜所設的溫度控制器又會控制壓縮機開機，由于壓縮機的頻繁啟動會影響壓縮機的壽命，因此原有恒溫冷柜的溫度控制器都會設定一個開機溫度，一個停機溫度，兩個溫度之間有一個差值，通過這個差值保證壓縮機的開和停具有一定的時間周期，從而導致恒溫冷柜內的溫度波動較大；使用常規的定頻制冷系統的速凍冷柜，在降溫的初期需要的冷量很大，所以必須配套較大冷量的壓縮機，當柜內溫度降下來后，只需要很小的冷量就能維持柜溫了，而在傳統的使用定頻制冷系統的速凍冷柜上，當柜溫降下來后，壓縮機停止，當柜溫再次超這設定的溫度點，壓縮機又啟動，壓縮機依靠其不斷地“開、停”來維持速凍柜的溫度，消耗了很多的電能，又損耗壓縮機的使用壽命。

定頻制冷系統采用電子膨脹閥后，有以下的優勢：

3.1 制冷效率高、節能：對于壓縮機制冷系統來講，當冷凝溫度不變時，蒸發溫度越高壓縮機制冷量越大效率也越高。對于使用普通的熱力膨脹閥或是毛細管定頻制冷系統的冷柜來講，為了能讓冷柜達到設定的溫度，蒸發溫度必須比設定溫度低才可以，因此在冷柜內的溫度較高時也必須讓壓縮機在較低的蒸發溫度工況下工作。使用定頻制冷系統的冷柜采用電子膨脹閥后，在每次開始啟動時，電子膨脹閥先開到壓縮機所能接受的最大開度流量，流量大蒸發溫度提高，壓縮機輸出的冷量越大且制冷效率越高，此時壓縮機以最大功率最高效率進行制冷，使得冷柜內的溫度迅速接近設定的溫度，于是電子膨脹閥的開度逐漸減小，流量也逐漸減小，蒸發溫度隨著冷柜內溫度的降低而逐漸降低，以保證蒸發溫度與冷柜內溫度的差距，于是壓縮機在低能耗狀態下運轉，當冷柜內的溫度達到所設定的溫度后，壓縮機僅以所需的極小功率維持設定的溫度，于是，冷柜的蒸發溫度由高到低，最大限度地提高了效率，節省了能源。

3.2 溫度恒定、波動小：使用定頻制冷系統的冷柜采用電子膨脹閥后，當冷柜內的溫度接近設定的溫度時，電子膨脹閥的開度減小，流量減小，當柜溫降到設定溫度后，只需要通過溫度傳感器檢測柜體內的溫度，根據柜溫自動將電子膨脹閥開到一定的開度，從而控制定頻壓縮機的冷量輸出，壓縮機僅以所需的極小功率維持設定的溫度，而不需要頻繁地啟動壓縮機，便能維持冷柜內的溫度穩定。

3.3 延長了壓縮機的使用壽命：使用定頻制冷系統的冷柜采用電子膨脹閥后，當柜溫達到設定溫度后電子膨脹閥只需開到很小的開度，壓縮機便以所需的極小功率運行便維持柜溫，不需要停機，避免了壓縮機頻繁地開開停停造成對壓縮機壽命的衰減，延長了壓縮機的使用壽命。

3.4 使用電子膨脹閥后，電子膨脹閥從全閉到全開狀態其用時僅需幾秒鐘，反應和動作速度快，因此不存在靜態過熱度現象。

3.5 電子膨脹閥可起到節能的作用：對于壓縮機制冷系統，如果在停機期間使高低壓側連通，則會產生所謂工質遷移現象，即冷凝器中的常溫高壓液體將逐漸流入蒸發器，使蒸發器的溫度和壓力都升高，再次開機時，要重新建立壓差也需要消耗壓縮機額外一部分能量。反之，如果在停機期間切斷高低壓側，這雖然維持了蒸發器的低溫低壓，但再次啟動時，壓縮機屬于帶載啟動，電流沖擊大，也會增加能量的損失。但若是采用電子膨脹閥就會解決上述問題。具體做法是：停機時令膨脹閥全關，防止冷凝器的高溫液體流入蒸發器，造成再次啟動時的能量損失。開機前，將膨脹閥全開，使系統高低壓側平衡，然后開機。這樣既實現了輕載啟動，又減少了停機中的熱量損失。

3.6 電子膨脹閥除了制冷時可作為節流元件使用以外，同時在化霜時還可起到電磁閥的作用。在低溫風冷冷柜中一般都是使用的翅片式蒸發器，制冷運行一段時間后翅片式蒸發器上會結上厚厚的一層霜，如果不將這些霜融掉一則影響蒸發器的冷量傳出，二則蒸發風扇的阻力增大風量減小，影響柜溫的均勻性，嚴重的霜層可導致柜溫上升，因此風冷冷柜一般都需要采用定時熱氣除霜，當使用毛細管或熱力膨脹閥作為節流元件時，蒸發器采用熱氣化霜時，在毛細管或熱力膨脹閥的制冷回路需另外增加一制冷電磁閥，制冷時：制冷電磁閥接通化霜電磁閥關斷；化霜時：制冷電磁閥關斷化霜電磁閥接通，以保證在化霜時沒有低溫制冷劑流入蒸發器（如圖7所示），否則從熱力膨脹閥或毛細管流過的低溫制冷劑在進入蒸發器時會抵消一部分從化霜電磁閥流過的高溫制冷劑的熱量，使得風冷蒸發器的化霜時間延長，不僅浪費能量還因為化霜時間的延長，導致冷柜內的物品溫度升高而滋生細菌；若是采用了電子膨脹閥之后則可取消制冷電磁閥，因為電子膨脹閥本身可以通過設定的控制程序，在化霜過程中將電子膨脹閥完全關閉，起到制冷電磁閥的作用（如圖8所示）。

結語

在定頻制冷系統中采用電子膨脹閥節流后，因可以在較大范圍內調節流量，減小了壓縮機的頻繁啟動，因此延長了壓縮機的使用壽命，而且耗電量大大下降，實現了高效節能、溫度波動小、電能消耗少的功效，電子膨脹閥的應用實現了快速、節能和舒適控溫效果，還可以像變頻制冷系統一樣維持制冷設備內的柜溫恒定，適合于對溫度變化要求較高的產品，如果是空調設備采用電子膨脹閥后則可以維持空調房間的溫度波動小，提高人體的舒適度；在定頻制冷系統中采用電子膨脹閥后，相比用熱力膨脹閥或毛細和節流來說，對環境溫度的適應性更廣，可以預見，在定頻制冷系統中采用電子膨脹閥有著廣闊的前景。中山美科冷凍設備有限公司在使用定頻壓縮機的冷柜上和冷飲機械設備上率先采用了電子膨脹閥，獲得了很好的效果，特別是冷柜，不管是中溫冷柜還是低溫冷柜，經權威機構檢測，其澳洲能效均達到了高效級別，比同類不采用電子膨脹閥的冷柜節能20%以上。

參考文獻

［1］王水財，陳自軍，王晶，彭喜姣，曹文海.一種帶電子膨脹閥的冷柜［P］.中國專利：201420109947.1，2014-03-11.

中圖分類號：TP211

文獻標識碼：A