四通换向阀的作用、结构特点和故障诊断

         

    四通换向阀是制冷空调系统中比较重要的控制部件,可以改变制冷剂流向,实现制冷和制热功能的切换。本文从四通阀的作用、工作原理、结构特点、常见故障等方面进行了系统综述,旨在为四通阀的设计优化和故障诊断提供参考。             

                  

 

1 四通阀的作用与工作原理      

         

   1.1 四通阀的作用    

四通换向阀主要用于热泵式空调,通过改变制冷剂流向,可实现空调在制冷和制热两种工况间的切换,是系统除压缩机外最关键的控制部件[3]。具体来说,四通阀在制冷空调系统中的作用体现在以下几个方面:

(1)换向功能:  

四通阀通过电磁铁通断和活塞位移   ,   可使高压气态制冷剂在冷凝器和蒸发器间切换流向   ,   从而改变空调的工作模式。

(2)安全保护:

当系统出现高低压失衡等异常情况时,四通阀可切断制冷剂回路,避免压缩机液击和系统损坏。

(3)油分离:

四通阀通过内置的静态或动态油分离结构,可有效分离气液两相制冷剂中夹带的润滑油,维持压缩机正常运转[4]。

(4)噪声消除:

通过优化四通阀内部流道结构,可减小换向瞬间的冲击噪声,提高空调的舒适性[5]。

   1.2 四通阀的工作原理    

四通阀一般安装在热泵式空调室外机的压缩机排气管路上,通过电磁铁的通断实现制冷剂流向的切换。如图1所示,在制冷工况下,四通阀右侧电磁铁通电,推动活塞向左移动,使高压气态制冷剂经排气管进入四通阀d口,然后流向c口进入室外换热器冷凝放热,最终从a口流向节流装置。在制热工况下,左侧电磁铁通电,推动活塞向右移动,使制冷剂由d口进入a口,然后流向室内机蒸发吸热,最终从c口经四通阀回到压缩机吸气[6]。

四通阀换向过程的动力来自电磁铁产生的电磁力。如图2所示,电磁铁主要由线圈、铁芯、衔铁等组成。当线圈通电后,在电流的作用下产生磁场,吸引衔铁克服弹簧力向铁芯方向移动,从而推动主阀芯和活塞切换位置[7]。为保证换向的可靠性,电磁铁的推力需大于活塞运动的阻力。

 

 

2 四通阀的作用与工作原理      

         

   2.1 四通阀的结构特点    

四通阀虽然种类繁多,但基本结构大致相同,主要包括阀体、活塞、电磁铁、弹簧等几部分[8]。图3为某款四通阀的内部结构示意图,其结构特点如下:

(1)阀体:

采用灰铸铁或球墨铸铁材质,内部加工有供制冷剂流动的通道,并设有与管路连接的回气口、吸气口、排气口等接口。

(2)换向机构:

由活塞和滑阀组成,活塞与阀体之间配有O型密封圈,以减小换向时的摩擦阻力和内泄漏。滑阀采用耐磨损的特氟龙材料,可在阀体内滑动,实现通道的切换。

(3)电磁铁:

安装在阀体两侧,通过线圈通断产生电磁力,推动活塞带动滑阀运动。为提高线圈绝缘性能,并避免发热烧毁,多采用整体环氧树脂灌封结构。

(4)弹簧:

用于在换向瞬间提供复位力,保证活塞及时返回。弹簧的刚度和预紧力需合理设计,以平衡电磁力和摩擦力。

(5)消音装置:

在回气口处设置消音器,利用多级串联节流和旋流降噪原理,减小制冷剂高速流动产生的气流噪声[9]。

  2 .2  四通阀的类型      

根据结构形式和工作原理的不同,四通阀可分为以下几种类型:

(1)滑阀式:

如图4a所示,利用滑阀在阀体内的滑动切换通道,结构紧凑,密封性好,应用最为广泛[10]。

(2)旋转式:

如图4b所示,采用类似球阀的结构,通过阀芯的旋转实现通道切换,切换迅速,但密封及寿命较差[11]。

(3)厚膜式:

如图4c所示,利用压电陶瓷材料在电压作用下的形变,实现阀芯的柔性变形,结构简单,噪音小,但可靠性较低[12]。

(4)电子式:

利用电子膨胀阀代替四通阀实现换向功能,通过控制器协调多个电子膨胀阀的开度,改变制冷剂流向。该类型可实现无级调节,控制精度高,但成本较高[13]。

(5)其他类型:

如集成四通阀与单向阀为一体的组合阀,以及同时集成膨胀阀与四通阀功能的一体化阀等[14],但尚未大规模应用。

 

3 四通阀常见故障分析      

         

四通阀作为制冷系统的关键控制部件,其性能的好坏直接影响到空调的制冷制热效果。然而在实际使用中,四通阀经常出现各种故障,导致空调无法正常工作。以下重点分析四通阀的常见故障及处理方法。

  3.1 串气故障    

3.1.1 故障表现  
四通阀串气是指在换向过程中,由于密封不严或换向不彻底,造成高压气体从排气口串通到吸气口,使吸气压力升高,甚至高于冷凝压力,严重时会引起压缩机停机[15]。串气故障的主要表现为:
(1)压缩机吸排气压力接近,压比降低;
(2)回气过热度降低,甚至接近饱和温度;
(3)系统制冷量下降,压缩机排气温度升高;
(4)在四通阀处可听到制冷剂穿透的声音。

3.1.2 故障原因  
四通阀串气故障的原因较多,归纳起来主要有以下几点:
(1)换向不到位:由于弹簧失效或电磁铁推力不足,导致活塞行程不够,使通道不能完全切换,高低压侧连通。
(2)动密封失效:活塞与阀体间的O型圈老化失效,或由于制冷剂中夹带的杂质磨损密封面,造成泄漏通道。
(3)静密封不严:阀芯与阀座间隙过大,或密封面有划伤、污垢等,使阀芯无法紧密贴合阀座。
(4)阀芯卡涩:由于制冷剂中水分、酸性物质的腐蚀作用,或低温下的润滑油凝固,使阀芯与阀体粘连,无法动作。
(5)接管连接问题:四通阀与管路连接不当,接口处渗漏;或由于管路布置不合理,管路振动较大,使接口松动[16]。

3.1.3 故障诊断与排除  
当发现空调出现制冷制热效果差,且伴有串气故障的表现时,可采取以下步骤诊断和排除:
(1)检查接线是否正确,电磁阀是否动作。如电磁阀不工作,则测量线圈阻值判断是否烧毁,必要时更换电磁阀总成。
(2)在断电状态下,手动推动阀芯,检查是否移动灵活。如阀芯卡涩,可尝试用加热或轻敲的方法使其恢复,否则需要更换四通阀。
(3)检查管路连接是否牢固,阀体外表有无裂纹、渗漏等。如接口渗漏,可更换O型圈并涂抹适量螺纹密封胶。
(4)如经上述检查排除,仍怀疑阀芯密封不严,可在高压侧充入氮气,检查阀座密封情况。如有泄漏,需要拆解四通阀,修复或更换阀芯及阀座。

    3.2 其他常见故障       

除串气外,四通阀还可能出现噪音大、阀体开裂、回油不畅等故障,应根据具体情况采取相应措施,如:
(1)更换消音器,优化内部流道,减小气流脉动;
(2)检查阀体材质,如强度不足则需升级;
(3)清洗油路,必要时可在回油管路增加单向阀,防止倒油。

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