MOP热力膨胀阀工作原理

MOP热力膨胀阀工作原理

少数的人明了热力膨胀阀之最大作业压力(maximum operating pressure, MOP)的运作原理─此种压力也系许多膨胀阀设计的共同点。

热力膨胀阀(thermostatic expansion valve, TEV) 在冷媒压缩循环系统中，系一项令人迷惑的组件。这种迷惑不仅来自于对膨胀阀构造本身的不了解，也来自于对其「最大作业压力(maximum operating pressure, MOP)」运用原理的误解。因此，甚么是"最大作业压力"？其功能何在？其系如何在膨胀阀内运作呢？

由于马达是压缩机运转时的承载部分，许多阀类制造商也将 MOP 视为 "马达超载的保护装置 (motor overload protection)"。MOP 通常也系被运用来防止「系统过量循环

(system flooding)」或「压缩机超载(compressor overload)」，或者被使用来限制循环系统的起动流量 (当系统在微负载的情况下起动)。这一类功能与传统的曲轴箱所使用的压力限制阀或旧式机械式压力控制阀等的功能相似。

当冷媒的蒸发压力超过预设之控制压力时，调温控制装置内(具MOP特性)的气体则作出关阀的动作。关阀的目的系在将系统压力限制在预设之"最大作业压力"的范围内。一般冷气机与热泵装置通常皆需要这一类具有「最大作业压力, MOP」控制功能的装置，来限制冷媒压缩机的循环负载(亦即减低压缩机冷媒吸入端的压力)。在这一类的装置中，控制阀内的 "填充气体 (pressure limiting charge)"会使膨胀阀趋乎于关闭的状态，直到"冷媒的蒸发压力(system evaporator pressure)低于填充气体的"最大作业压力"。此般功能可以帮助压缩机稳定系统的压力(pull down capabilities of the system compressor)，详图一。

如何运作(How it works)

热力膨胀阀具有一个温度感应球，感应球内的"填充气体(gas charge)"会因为感应到*冷媒的蒸发高温而呈现"过热状态(superheated)"。过热状态的气体会经由管线传输至膨胀阀的隔膜部分，进而抑制膨胀阀"隔膜装置(diaphragm assembly)"所施之开阀力量。当感应球的温度趋向预设之控制温度时，膨胀阀也将趋向关闭的状态，但是其仍会允许适量的冷媒通过阀口。

(注：温度感应球的安置位置通常系位于压缩机冷媒吸入端。)

由于热力膨胀阀装置内之填充气体的「最大作业压力, MOP」状态，系设计来限制某特定温度之下的压缩机"吸入端"压力(suction pressure)；因此，我们必须对其运作方式作一番了解。

热力膨胀阀的感温控制部分(即power head)包括两部分(如图二所示)：a.温度感应球(sensing bulb)；b.隔膜装置(diaphragm or element head)。感温控制装置内的"填充物质(charge)"，则为两种不同物理性质之物质的混合体 (即「液态冷媒」与某种「特殊气体」，此种气体在某相对的温度与压力条件下，是不会冷凝为液体)。「液态冷媒」在装置中系执行膨胀与关阀的作用，其目的在于控制冷媒循环系统内的冷媒蒸发的"过热状态(superheat)"；「气体部分」则扮演着微调的角(如机械式弹簧的功能一般)。

此种混合体皆同时充满于「温度感应球(V1)」及「隔膜装置(V2)」内 (如图二所示)。当压缩机吸入端 (suction line) 的温度升高，感应球体的温度也会随之升高。此热反应则会驱使温度感应球内的液态冷媒进行蒸发而膨胀，然后扩散至膨胀阀上端的隔膜装置内(V2)。一但，感应球内的气态冷媒几乎完全蒸发扩散至隔膜装置内之后，剩余在感应球内的物质(V1)则大部分为"non-condensable"「特殊气体」部分。

事实上，此时存留于温度感应球内之冷媒部份已无几，"non-condensable" 气体部分则发挥着物理"理想气体(ideal gas)"的特性。此特性的气体提供控制装置内"过热状态"的气态冷媒 (the superheat)一些弹性调节的空间；同时，其也在依据感应球体的温度，调节冷媒压缩机"入口端的压力(suction pressure)"。此种运作即发挥了"MOP"控制装置的效果。

过热状态 (Superheat)

现在让我们来分析另一个负载情况。当一个冷媒系统正在启动时，其热力膨胀阀所属之感应球的温度系处于温暖的状态，阀口也处于较敞开的状态。由于此时冷媒循环量及热负载较大，冷媒压缩机吸入端的温度(suction temperature)也随之升高。膨胀阀控制装置内的液态冷媒也由液态转变为气态，然后经由管路扩散至膨胀阀的「隔膜装置」内。此时，non-condensable 气体部分仍存留于感应球内，处于近乎于 ideal gas 的状态。

此阶段的装置反应抑制了膨胀阀「隔膜装置」的开阀力量，继而控制了通过阀口的冷媒流量。这种运作(再一次)表现了「最大作业压力, MOP」的控制效果。

此时，阀口仍然处于敞开的状态，虽然逐升的冷媒温度持续的影响感应球体。根据物理 "Ideal Gas Law" 来估计，每 1.0 psi 的膨胀阀口压差，即反应着每 7℃的感应球内的温度变化(详图三)。通常膨胀阀外壳上标示的 MOP 量，系膨胀阀所控制之阀口下游压力。此定额系来至于原厂的测试结果，测试方法牵涉到 orifice 管件的使用及受测阀的进口端压力与流量等。原厂的实验在于测试其产品在"稳定过热状态 (static superheat

condition)" 时的功能。当膨胀阀装置内的"气态冷媒"完全扩散至隔膜装置内之后，阀内的 MOP 值可由曲线上的点来表示 (详图四)。

通常阀表面上标示的 MOP 值与冷媒系统中的实际 MOP 量，两者之间的误差约为 8

至 10 psi。膨胀阀表面所标示之 MOP 值，系在相对较高的感应球温度上订定的，目的在于确保膨胀阀装置内的蒸发冷媒，可以完全扩散至膨胀阀膈膜装置内。通常冷媒循环系统内的实际温度，会比原厂测试过程中所设定的系统温度要低。但是，一般冷媒系统的实际运作温度(最终)仍会进入阀表面所标示的 MOP 条件。

作业压力 (Pressure)

关阀的动作、感应球的温度及冷媒系统的循环量，皆会影响到 MOP 的整体运作。如图一所示，当阀口状态改变时，膨胀阀装置内之填充物质的体积(element volume) 亦会改变。这种改变(基本上)会造成冷媒系统的循环量及阀口下游之压力等增大。当你接受一项事实，即 "MOP" 仅是「热力膨胀阀」所控制之阀口下游的压力，你将同样的可以理解到膨胀阀在其初始调节(或设定)时的原理，即通过膨胀阀的「初始流量」越大，所产生的「最大作业压力, MOP」也越大。

MOP 系热力膨胀阀在某一特定状况下，所控制之阀口"下游压力(downstream pressure)"。事实上，MOP 的控制功能无法与一般的压力限制阀 (pressure regulating valve)、

电磁阀(solenoid valve)或者电动开关(electrical switch) 等的敏捷功能相比，因为 MOP 的运作有其特定的条件。

通常，热力膨胀阀的感应球温度在还未升高至让 MOP 发挥功能之前，热力膨胀阀的阀口系处于"敞开"的状态(当感应球温度持续升高之际)。但是，当感应球的温度达到让 MOP 发挥控制功能之际，膨胀阀的执行动作则相反，即当感应球的温度达到让 MOP 发挥控制功能之后，膨胀阀的阀口则渐趋向"关闭"的状态。

热力膨胀阀(thermostatic expansion valve, TEV)"的特点在于「使用方便」，如果使用者的目的仅在于寻一个经济的方法，来控制膨胀阀下游的压力(suction pressure)及"过热状态(superheated condition