热力膨胀阀（Thermal expansion valve）

让我们先来看看热力膨胀阀的定义。

热力膨胀阀（常缩写为TEV、TXV或TX阀），是蒸汽压缩式制冷和空调系统中的一个部件，它控制进入蒸发器的制冷剂流量，其目的是将流出蒸发器的制冷剂的过热度调节并维持在一个稳定值。尽管常被描述为"恒温"阀，但膨胀阀并不能将蒸发器的温度精确调节至某一特定值。蒸发器的温度仅随蒸发压力的变化而变化，而蒸发压力必须通过其他方式（例如调节压缩机的容量）进行调节。热力膨胀阀通常被统称为"节流机构"，但该术语也可指代任何其他能将液态制冷剂释放到低压侧但不响应温度的装置，例如毛细管或压力控制阀。

这段话论述得非常在理，准确且精炼地阐述了热力膨胀阀的核心功能、工作本质及其在系统中的定位。它正确地指出了系统调节的层次关系——TXV负责局部精确控制（过热度），而整体的蒸发压力/温度则需要通过改变系统容量（如调节压缩机转速、启停）等方式来调节。这体现了制冷系统各部件协同工作的原理。

文中特别澄清了"恒温"一词可能带来的误导，强调TXV不直接控制蒸发器的温度。这一点非常正确！蒸发温度根本上是由蒸发压力决定的（对应于制冷剂的饱和温度），而蒸发压力是由压缩机抽吸能力和蒸发器热负荷共同决定的系统级参数。TXV是在这个既定的蒸发压力下，通过调节流量来"应对"和"匹配"当前的热负荷，从而将过热度稳定在设定值。

在制冷循环中，膨胀阀位于冷凝器和蒸发器之间。是蒸汽压缩式制冷系统的关键部件。

压缩机将制冷剂压缩成高压高温气态。高压高温气体随后进入冷凝器。冷凝器冷却高压高温气体，使其通过将热量传递给温度较低的介质（通常是环境空气）而冷凝成高压液体。为了利用高压液体产生冷却效果，膨胀阀限制进入蒸发器的制冷剂流量，降低压力，使制冷剂发生等焓膨胀，重新汽化，吸收热量，从而实现冷却。

1.2 膨胀阀构成

热力膨胀阀顶部有一个称为动力头的大头，连接毛细管线圈，毛细管末端有一个称为感温包的大球，这些部件都是用不锈钢制成的。线圈可以被拉长，以便于将感温包放置位于蒸发器的出口处，用于感应过热度。

热力膨胀阀主要分为两种类型：内平衡式和外平衡式。内外平衡式膨胀阀的区别在于蒸发器压力对阀针位置的影响方式。可从上图中看出，外平衡膨胀阀有一根平衡管，它的作用是将蒸发压准确地引入到膜片下方。内外平衡式膨胀阀的区别在于蒸发器压力对阀针位置的影响方式。

在内平衡式膨胀阀中：作用于膜片上的蒸发器压力是蒸发器入口处的压力（通常通过内部连接与阀门出口相连）。

而在外平衡式膨胀阀中：作用于膜片上的蒸发器压力是蒸发器出口处的压力。外平衡式热力膨胀阀可以补偿蒸发器中的任何压降。对于内平衡式膨胀阀，蒸发器中的压降会导致过热度增加。

对于低压降的单回路蒸发器盘管，可以使用内平衡阀。

如果多个并联蒸发器采用制冷剂分配器（而不是每个蒸发器上都安装一个阀门），则必须使用外部平衡阀。

1.3 膨胀阀工作原理

热力膨胀阀控制制冷剂流入蒸发器的流量根据它测量出口处的过热度，并据此调整流入蒸发器的制冷剂流量，以维持恒定的过热度。这也能确保制冷剂蒸发后以略微过热的蒸汽形式离开蒸发器，并防止液态制冷剂进入压缩机。液体无法压缩，因此如果进入压缩机，可能会造成严重损坏，甚至导致压缩机报废。

感温包内充满制冷剂，这种制冷剂与制冷系统里的制冷剂完全隔离的，这两种制冷剂永远不会接触或混合，它们始终是分开的。

过热作用感温包内的制冷剂沸腾，沸腾过程中产生压力，沿着毛细管传递到动力头膜片中。在膨胀阀的入口处安装有一个可拆卸的阀芯（图中为Danfoss牌阀芯）。该阀芯带有一个节流孔，与阀门配合使用以控制制冷剂的流量。根据制冷量和所用制冷剂的不同，滤芯的尺寸也各不相同。

顶针与膜片相连。膜片是一片薄薄的柔性金属片。当膜片上下移动时，会带动顶针上下移动。膜片下方有一个弹簧，它压在膜片上，我们就是通利用这个弹簧来调节过热度的。弹簧的调节旋钮就在盖子内。

顶针顶的是阀芯，下面说阀芯！

我们继续说到阀芯，其上还有一个小孔，或称节流孔，由一个弹簧式止动器阻挡。顶针向下推动该止动器，从而打开阀门。止动器向下推得越深，制冷剂的流量就越大。

高压液态制冷剂被强制通过一个细小的孔口，导致压力降低。这类似于喷水壶的喷嘴，当你扣动扳机时，高压水被强制通过细小的孔口喷入压力低得多的环境中。这使得水呈现出部分液态、部分气态的混合状态。

随着蒸发器负荷的增加，出口处的过热度也随之升高。出口处的感温包检测到这一变化后，内部的制冷剂沸腾，导致毛细管内的压力升高。

这种压力向下推动膜片，膜片再向下推动顶针，从而打开阀门，让更多制冷剂流入。随着制冷剂流量的增加，过热度降低，感温包和毛细管内的压力也随之降低，这意味着向下推动膜片的压力减小。此时，弹簧将膜片向上推，带动顶针向上移动。随着顶针的上升，弹簧式止动器开始关闭节流孔，减少制冷剂的流量。这个过程不断重复，稳定阀门，确保制冷剂的流量保持在适宜的范围内。

2. 内/外平衡膨胀阀区别

弄清楚原理，我们就可以介绍一下内/外平衡膨胀阀的区别了！

我们将通过一个R22制冷剂的案例进行介绍。

（1）内平衡TXV

内平衡TXV弹性金属膜片作为关键感力元件，承受以下三个力的作用：

P?：阀后制冷剂压力，作用于膜片下部，方向为使阀门关闭；

P?：弹簧作用力，也作用于膜片下部，方向为使阀门关闭，其大小可通过调整螺钉进行调节；

P?：感温包内制冷剂压力，作用于膜片上部，方向为使阀门开启，其大小由感温包内制冷剂的性质及其所感受的温度决定。

在任何稳定运行工况下，上述三个力将达到平衡，即满足：

P? + P? = P?

此时，膜片保持不动，阀芯位置固定，阀门开度维持稳定。

具体运行过程分析如下：

如图所示为一内平衡膨胀阀，感温包内充注有与制冷系统相同的制冷剂R22。假设进入蒸发器的液态制冷剂蒸发温度 t?=5℃，其对应的饱和压力 P?=0.584MPa。若忽略蒸发器内的压力损失，则蒸发器内部压力处处为 0.584MPa。

制冷剂在蒸发器中吸热沸腾，由液态逐渐变为气态。此时分为3种情况。

① 制冷剂完全气化，达到饱和蒸气状态：制冷剂继续吸收热量，成为过热蒸气。假设在蒸发器出口，制冷剂温度升高了5℃，即 t?=10℃。当感温包与该点温度达到平衡时，其内部制冷剂温度也为 10℃，对应的饱和压力 P?=0.681MPa，此压力作用于膜片上部。若将弹簧作用力P?设定为相当于 0.097MPa的压力（通过调整螺钉进行调节到过热度5℃），则膜片下部总压力为：

P? + P? = 0.584 + 0.097 = 0.681 = P?

此时，膜片受力平衡，阀门保持一定的开度，恰好保证蒸发器出口制冷剂的过热度为 5℃。

当负荷变化时，进行如下的自动调节：

② 当蒸发器负荷减小时：蒸发器内制冷剂沸腾减弱。感温包所处温度将低于10℃，导致P?减小，出现P? + P? > P?；阀芯在合力作用下关小，制冷剂供液量减少，系统在新的平衡点运行。

③ 当蒸发器负荷增加时：蒸发器内制冷剂沸腾加剧。感温包所处温度将高于 10℃，导致 P?增大，出现 P? + P? < P?。阀芯在合力作用下开大，制冷剂供液量增加。

（2）外平衡TXV

弄清楚内平衡的调节原理就很好懂了，外平衡膨胀阀就是不以膨胀阀出口压力作为P?，而是取蒸发器出口压力为P?。这是因为考虑到阻力的影响。

当蒸发盘管较细或相对较长，或者多根盘管共用一个热力膨胀阀并通过分液器并联时，因制冷剂流动阻力较大，若仍使用内平衡式热力膨胀阀，将导致蒸发器出口制冷剂的过热度很大，蒸发器传热面积不能有效利用。

还以这个图为例，试想一下：

若蒸发器有压降，若制冷剂在蒸发器内的压力损失为0.036 MPa，则蒸发器出口制冷剂的蒸发压力P?=0.584-0.036=0.548MPa，对应的饱和温度降低为3℃，蒸发器因相同，出口温度还是10℃，则此时，蒸发器出口制冷剂的过热度变为：10-3=7℃；蒸发器内制冷剂的阻力损失越大，过热度增加得越大，这时就不应使用内平衡式热力膨胀阀。一般情况下，当蒸发器内压力损失达到规定的数值时，应采用外平衡式热力膨胀阀，具体见不同厂家的参数表。

3. 结语

热力膨胀阀作为一种自动流量控制装置，其核心作用在于根据蒸发器热负荷精确计量进入蒸发器的液体制冷剂流量。该阀门的动作依赖于一个温度感应元件（感温包），其内部充注物受蒸发器出口温度影响而产生压力变化，进而驱动阀芯克服弹簧力动作，实现节流孔开度的连续调节。此精密机制确保了制冷剂能在蒸发器内完全蒸发，从而显著提升系统能效。正因如此，配备热力膨胀阀的系统通常无需在蒸发器出口设置吸气储液罐。然而，为应对低热负荷工况下可能产生的多余液态制冷剂，系统需阀上游的液管中安装储液器，以维持稳定运行并防止液体回流至冷凝器。

为应对极低热负荷时阀门可能产生的振荡现象，并拓展其控制性能，热力膨胀阀阀采用了多项优化技术。其中，交叉充注技术通过使感温包内充注物的压力-温度特性曲线与系统制冷剂曲线在特定点交叉，有效防止阀门在低温工况下完全关闭，从而抑制流量波动，维持系统稳定性。类似地，内置泄放通道也可实现恒定的最小流量。此外，通过精确设计感温包充注量，可实现最大工作压力（MOP）功能：当蒸发器温度超过预设限值时，感温包内充注物完全气化，阀门将转而限制流量以抑制压力上升，此特性对于保护压缩机、尤其在对扭矩敏感的应用中至关重要。

在系统运行实践中，特定故障模式可通过声学特征进行初步判断。例如，当系统制冷剂充注量不足时，流经热力膨胀阀节流孔的介质将由设计工况的纯液体变为气液两相流或蒸汽。这种状态的突变会导致流体特性失稳，从而引发阀门及蒸发器内部产生显著的呼啸或嘶鸣声，可作为现场诊断的一个重要参考指标。

本期关于膨胀阀的探讨暂告一段落，但我们的探索之旅才刚刚开始！之后的文章，我们将系统讲解如何根据实际工况，为您的系统“量身配阀”。然学海无涯，笔者所知不过一粟。文中若有疏漏之处，恳请各位前辈、同仁不吝指正，共同探讨。

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