專利名稱：直動回轉式電子膨脹閥的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于家用空調冷媒流量調節的電子膨脹閥，尤指一種直動回轉式電子膨脹閥。
截止到2001年9月6日，在世界范圍內(包括中國在內)，有關電子膨脹閥及其控制方法的發明專利一共52個。其中有關電子膨脹閥結構的代表性發明主要有以下三種1.直動-針閥式該結構采用定子-轉子的步進電機方式，定子線圈與轉子之間有密封罩，冷媒被完全限定在密封罩內，其轉子由永磁塑料混合磁粉制成，其前端通過多次模塑法，與精密千分螺桿直連，通過永磁步進電機的定子線圈接受外來驅動脈沖，帶動與步進電機轉子直連的精密干分螺桿的步進轉動，使精密千分螺桿前端的閥針在節流孔內做上、下運動，從而控制節流孔的開度，即控制了制冷系統內冷媒的流量。一般來講，精密千分螺桿的螺距為0.5mm，轉子每步轉角為7.5°，這樣閥針最小位移量大約是0.01mm(見中國專利CN97243335、CN94209161)。
2.間動-針閥式該結構仍采用定子-轉子的步進電機方式。閥體密封罩使步進電機定子線圈與永磁轉子隔離。永磁轉子的轉軸下部直連一個齒輪，它與另一個減速齒輪相嚙合，減速齒輪下直連有一個精密千分螺桿，螺桿的外螺紋與閥體內的閥孔內螺紋相嚙合，利用電子計算機輸出脈沖控制步進電機轉子旋轉角度，通過齒輪的傳動，螺桿帶動閥針上、下運動，控制節流孔開度，達到控制制冷系統內冷媒流量的目的。這里的齒輪-螺桿機構是典型的精密機械微量進給機構。一般來講，它可以使每個控制脈沖對應的冷媒流量調節量為上述直動式結構的1/2、1/3，從而使制冷系統內的冷媒流量調節更精密(見中國專利審定公告號214528審定公告號2108211)。
3.直動-轉子式該方案為日本鷺宮制作所最新推出的結構，它也采用永磁步進電機的方式，由永磁塑料轉子和密封罩、節流孔、定子線圈、外圓凸輪等構成。永磁塑料轉子下部通過多次模塑法與一個外圓凸輪相直連。外部脈沖驅動步進電機的永磁轉子回轉，也就是控制外圓凸輪的回轉角度。密封罩上面部分對應步進電機定子、轉子定位部分；節流孔設計在密封罩外圓下方，與外圓凸輪的輪廓面正相對，從而形成冷媒流量調節機構。通過轉子回轉，控制外圓凸輪外圓輪廓與節流孔之間的距離，就達到了冷媒流量自動調節的目的。在這里，外圓凸輪的外廓曲面可以根據冷媒流量調節的需要設計成各種曲面，例如，線性、對數冷媒流量調節方式等。
在目前市場上流行的變頻空調系統內，在微處理器-傳感器-變頻控制器的控制下，變頻壓縮機和電子膨脹閥一起對冷媒流量進行自動調節；從而達到快速、精密地調節房間溫度的目的。
一般來講，制冷系統內冷媒流體流量和系統壓力差與節流孔徑之間的關系如下Q=π·Δp·d4128·μ·l----(1)]]>其中，Q為冷媒的流量，d為節流孔直徑，l為節流孔長度，Δp為節流孔兩端的冷媒壓力差，μ為冷媒流體的粘度。節流孔兩端的冷媒壓力差越大，節流孔直徑越大，節流孔長度越短，冷媒流量越大。調節冷媒流量主要通過調整節流孔兩端的冷媒壓力差Δp、節流孔直徑d來完成。
通常，變頻空調的冷媒流量調節方法有兩個第一調整變頻壓縮機的轉速。從而調整制冷系統內冷媒的壓力差Δp，根據上述公式(1)，達到冷媒流量調節的目的。變頻壓機調速范圍很寬，特別是最小可以達到幾轉/分，由于在低頻或低速運行時，變頻壓縮機的能效比大幅度提高，節能效果十分明顯。因此調整變頻壓縮機的轉速主要是用于精密地調節冷媒的流量，在空調系統快速啟動過程完成后，安裝空調房間的空氣溫度已接近設置溫度，這就達到恒溫控制空氣溫度的階段。這時，主要是使用精密調節變頻壓縮機轉速的方法，完成精密控制空氣溫度的作用，也就是人們常說的精密調節或細調節。
第二使用電子膨脹閥。電子膨脹閥主要用于冷媒流量的快速調節，也就是大家所說的粗調節。在變頻空調剛剛啟動時，電子膨脹閥節流孔調節到冷媒流量最大位置，適當提高變頻壓縮機的轉數，使房間的溫度快速達到設定值附近。一般講，系統要求電子膨脹閥的傳動可靠、效率高。在變頻空調剛剛啟動時，為了快速達到恒溫控制點，要求冷媒流量很大，在達到恒溫點后，又要迅速的減少冷媒流量，因此特別要求電子膨脹閥的動態響應速度快。在最近，日本鷺宮制作所推出了上述第3種的直動-轉子式結構，這種電子膨脹閥的關鍵結構是使用了永磁轉子下直連的外圓凸輪，用它與節流孔形成冷媒流量調節機制。其特點是結構簡單、傳動效率高、動態響應快、體積更小。但是，它有明顯的缺陷。首先，永磁轉子下直連外圓凸輪的多次模塑法工藝復雜，零件的精度不容易控制。其次，節流孔設計在密封罩外側，這樣密封罩的厚度增加很多，轉子與定子的間隙也增加，由于磁性塑料的磁性一般比永磁鐵氧體小得多，由其構成的轉子的驅動力矩也就較小。同時，定子與轉子之間的大間隙又使轉子的驅動力矩減小。最后，由于冷媒節流機制造成對轉子轉軸的作用力，直接作用在支承上。最大冷媒流量與最小冷媒流量對應的作用力差別很大，造成負載變化大，加上驅動力矩本身較小，這樣這種電子膨脹閥的工作可靠性有所下降。
上述3種典型的電子膨脹閥結構中，第1種結構目前被國內、外各大生產廠家普遍采用，這種結構的特點是結構簡單、控制可靠、抗振動等抗干擾能力較強。第2種結構通過齒輪機構，使冷媒流量調節更精密；但是由于齒輪-螺紋機構制造、安裝誤差，實際冷媒流量的調節效果并不理想；并且它的傳動鏈過長，其動態特性較差；在變頻空調中，電子膨脹閥主要是用于冷媒流量粗調節，沒有精密調節的必要，因此這種結構沒有被普遍采用。
發明內容
本發明的目的是提供一種傳動效率高、轉子回轉過程中驅動力矩及負載力矩波動小、動態響應快、冷媒流量調節范圍寬、且靈活的直動-回轉式電子膨脹閥，其保留了直動式步進電機結構的基礎方式，省略了對加工和安裝精度要求較高的精密螺桿和閥針等，改動了密封罩上節流孔的設計，特別是提出端面凸輪-節流孔冷媒流量調節機制，以及在一個電子膨脹閥中有兩個獨立的端面凸輪-節流孔冷媒流量調節機構。
為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案這種直動回轉式電子膨脹閥，包括一由永磁塑料制成的磁性轉子和定子線圈構成的步進電機結構，定子線圈與轉子之間由密封罩隔開，在轉子軸端兩側設有冷媒流入、流出底座，該冷媒流入、流出底座與密封罩合體構成電子膨脹閥的閥體，冷媒流入、流出底座的適當位置上開設有冷媒流入節流孔、冷媒流出節流孔，永磁轉子的兩個端面又是端面凸輪，端面凸輪的每個端面與各自的節流孔相對，即雙端面凸輪-雙節流孔的冷媒流量調節機制。
本發明的優點是結構更簡單、成本更低、工作可靠、動態響應速度更快、轉子驅動力矩波動更小、傳動效率更高、冷媒流量調整范圍更寬，因而利于大規模推廣。
圖1為本發明結構示意2為永磁塑料端面凸輪轉子結構示意圖(主視圖)圖3為永磁塑料端面凸輪轉子結構示意圖(俯視圖)具體實施方式
如圖1所示，本發明直動回轉式電子膨脹閥包括一由永磁塑料磁性轉子5和定子線圈6構成的永磁步進電機，定子線圈與轉子之間由薄壁密封罩4隔開，在轉子軸端兩側設有冷媒流入、流出底座9、1，該冷媒流入、流出底座與密封罩合體構成電子膨脹閥的閥體，冷媒流入、流出底座的適當位置上開設有冷媒流入節流孔7、冷媒流出節流孔3，轉子的兩個端面為端面凸輪，每個凸輪端面與各自的節流孔相對。
永磁端面凸輪轉子5，由永磁塑料混合磁粉制成，其外圓輪廓仍為圓形，并24極化。但兩個端面為平面凸輪，用于構成冷媒流量調節機構。外部脈沖通過定子線圈驅動轉子回轉，并控制端面凸輪轉子的回轉角度，從而調整了端面凸輪與節流孔之間的距離，即調整公式(1)中的d值，達到調節冷媒流量的目的。
這個零件有兩個作用；第一，它是步進電機的永磁轉子。第二，它的端面為平面凸輪。凸輪轉子的兩個平面凸輪端面與兩個節流孔相對，也就是雙凸輪端面-雙節流孔冷媒流量調節機制，這是本設計的關鍵結構。
圖2、圖3為永磁塑料混合磁粉轉子的結構簡圖，在永磁塑料端面凸輪轉子結構示意圖(俯視圖)上可以看到，在OB連線上，有一個直徑為1mm的初始位置定位塊501。在端面輪廓的AC段對應冷媒最大流量區域，在端面輪廓的CD段對應冷媒最大、最小流量隔離區域，端面輪廓的的DE段對應冷媒最小流量區域，AE段對應冷媒流量按設計者指定的曲線調節的區域。
每個端面輪廓的冷媒調節段AE曲廓，可以根據需要設計成不同的曲廓形式，并且與各自的節流孔組成冷媒節流調節機制，這樣就可以更靈活的設計冷媒流量的調節方式。
通常，端面凸輪輪廓曲面可設計為以下兩種形式之中的一種第一為阿基米德螺線面，與外螺紋的曲面一樣。輪廓升程曲線為直線。
第二端面輪廓面滿足下述條件外廓OA、OB、OC、OD、OE線與轉子回轉中心軸線OO’垂直，如圖3所示。輪廓升程曲線可以為斜直線或根據需要設計的任意曲線。
例如，將永磁凸輪轉子的兩個端面凸輪輪廓曲線設計為差動方式，一個端面曲廓是升程螺距為1mm的阿基米德螺線面，另一個是升程螺距為0.8mm的阿基米德螺線面，兩個曲面旋向相同，在上述直動-針閥式結構中，這相當于螺桿螺距為0.2mm的電子膨脹閥冷媒流量調節的效果，而通常螺桿的最小螺距僅為0.5mm，因此雙凸輪-雙節流孔機構使冷媒流量的調節更精密。
如果仍使用上述的曲面和升程螺距，但兩個曲面旋向不同，如永磁塑料端面凸輪轉子結構示意圖(主視圖)所示，這相當于螺桿螺距為1.8mm的直動-針閥式電子膨脹閥冷媒流量調節的效果，則轉子每轉動一步，冷媒流量調節量更大、更迅速、調節范圍更寬。
因此本設計的關鍵獨創結構雙凸輪-雙節流孔冷媒調節機構，在略去了制造工藝復雜、精度要求較高、由多次模塑法制造多個直連零件的結構方式之后，其結構更簡化，制造更簡單。同時，其動態響應更快，冷媒流量調節范圍更大，使設計變頻空調的設計人員選擇更靈活。
端面凸輪轉子作為步進電機的轉子，其外圓是24磁性極化。在密封罩內，它完全與外界隔離。在外部脈沖經定子線圈形成的空間勵磁磁場作用下，它回轉一步，其步距角為7.5°。共回轉285°，總行程是38步，這比鷺宮制作所設計的上述第3種直動-轉子式結構有所增加。
為了最大限度減少冷媒流體對轉子的腐蝕作用，端面凸輪轉子由PPS永磁塑料制成。在永磁轉子的兩個平面凸輪端面上，為了減少磨損，由PCVD工藝沉積0.1mm厚的耐磨層。
由于通過冷媒流進、流出節流孔的冷媒流體對端面凸輪轉子中軸的兩端支承作用一個側向力，為了使它的影響減到最小，此設計使冷媒流出節流孔與流進節流孔位于與轉子回轉中心軸線平行的同一軸線上。
如圖2、圖3所示，在轉子端面凸輪的冷媒流進端面有一個初始位置定位塊501，它與冷媒流進底座上的定位塊一起，起初始定位、限位作用，為膨脹閥工作做起始位置參考點，并且使最大流量點與最小流量點之間有30°的隔離間距，使最大冷媒流量與最小冷媒流量之間有一個緩沖，減少誤動作。在空調系統剛剛啟動時，為了掌握冷媒流量的初始值，外部控制器發出一系列脈沖，使電子膨脹閥的轉子迅速向冷媒最小流量位置回轉，冷媒流量迅速地回到起始參考點(冷媒流量最小值)，從這個位置開始，根據空調整體控制的需要，外部電子控制器發出確定的脈沖數，調整轉子轉到確定的角度，確定控制冷媒的流量。
如圖1所示，在工作時，冷媒流體從電子膨脹閥的冷媒流進底座，通過節流孔進入電子膨脹閥閥體內，又從冷媒流出底座的節流孔流出。冷媒流進底座上有一個定位塊，與轉子上的初始位置定位塊相配合完成初始位置定位作用，為了對外部線圈進行定位，冷媒流進底座的底部外徑比冷媒流出底座略寬。因此，冷媒流進底座與冷媒流出底座在結構上略有不同，不能互換。
不銹鋼轉子軸2是由不導磁的不銹鋼制成。兩端為軸尖支承，因為中軸的溫度變化引起其長度變化，所以中軸的冷媒流進底座部分的軸尖與其支承之間設計有一定的頂部間隙，由于冷媒流進端的流體壓力始終高于其流出端，因此中軸的軸向定位在冷媒流出底座上。為了減少摩擦，在冷媒流進、流出的底座上嵌入剛玉或人造紅寶石軸承，用做轉子中軸的支承。
寶石支承8，由兩個零件構成，材料為剛玉或人造紅寶石。
冷媒流入、冷媒流出底座及冷媒流入、冷媒流出管均可由黃銅制成。
密封罩是由薄壁不銹鋼材料制成，與冷媒流進、流出兩個底座焊接相連。
定子線圈6，線圈為全封閉式，僅導線連出。
權利要求
1.一種直動回轉式電子膨脹閥，包括一由永磁塑料磁性轉子和定子線圈構成的永磁步進電機，定子線圈與轉子之間由密封罩隔開，其特征在于在轉子軸端兩側設有冷媒流入、流出底座，該冷媒流入、流出底座與密封罩合體構成電子膨脹閥的閥體，冷媒流入、流出底座的適當位置上開設有冷媒流入節流孔、冷媒流出節流孔，轉子的兩個端面為端面凸輪，每個凸輪端面與各自的節流孔相對。
2.根據權利要求1所述的直動回轉式電子膨脹閥，其特征在于永磁塑料轉子的兩個端面均為端面凸輪。
3.根據權利要求1或2所述的直動回轉式電子膨脹閥，其特征在于永磁塑料轉子的兩個凸輪端面與各自的節流孔形成雙端面凸輪-雙節流孔的冷媒調節機構。
4.根據權利要求1或2所述的直動回轉式電子膨脹閥，其特征在于永磁轉子的端面凸輪輪廓為阿基米德螺線面，輪廓升程曲線為直線。
5.根據權利要求1或2所述的直動回轉式電子膨脹閥，其特征在于永磁轉子的端面凸輪輪廓面滿足下述條件端面外廓上各線(OA、OB、OC、OD、OE)與轉子回轉中心軸線(OO’)垂直，輪廓升程曲線為斜直線或根據需要設計的任意曲線。
6.根據權利要求1或2所述的直動回轉式電子膨脹閥，其特征在于冷媒流出節流孔與流進節流孔位于與轉子回轉中心軸線平行的同一軸線上。
7.根據權利要求1所述的直動回轉式電子膨脹閥，其特征在于在凸輪轉子的冷媒流進端面和冷媒流進底座上各有一個定位塊，它處于最大流量區域曲面輪廓的中心，與最大流量點相隔45°。
8.根據權利要求1所述的直動回轉式電子膨脹閥，其特征在于永磁塑料轉子的兩個平面凸輪端面上，由PCVD工藝沉積0.1mm厚的耐磨層。
全文摘要
本發明涉及一種用于家用空調冷媒流量調節的直動回轉式電子膨脹閥,包括一由永磁塑料磁性轉子和定子線圈構成的永磁步進電機,定子線圈與轉子之間由密封罩隔開,在轉子軸端兩側設有冷媒流入、流出底座,該冷媒流入、流出底座與密封罩合體構成電子膨脹閥的閥體,冷媒流入、流出底座的適當位置上開設有冷媒流入節流孔、冷媒流出節流孔,轉子的兩個端面為端面凸輪,每個凸輪端面與各自的節流孔相對,外部脈沖驅動步進電機回轉,控制端面凸輪轉子的回轉角度,從而控制了端面凸輪與節流孔之間的距離,即利用雙端面凸輪－雙節流孔達到冷媒流量調節的目的。
文檔編號F25B41/04GK1348082SQ0113453
公開日2002年5月8日 申請日期2001年11月5日 優先權日2001年11月5日
發明者周延周 申請人:周延周