ساختار شیر انبساطی در مدار کولر خودرو

ساختار شیر انبساطی در مدار کولر چیست؟ هر یک از مدل‌های شیر انبساطی چگونه عمل می‌کند؟ تفاوت عملکرد انواع مختلف شیر انبساطی در کجاست؟ در این مقاله به این پرسش‌ها پاسخ خواهیم داد. سطح مقاله متوسط است، برای تکنسین‌ها، مکانیک‌ها، باتری‌سازها و دانشجویان مرتبط با تکنولوژی خودرو مناسب است. داشتن اطلاعات اولیه در مورد نحوه عملکرد سیستم تبرید، و فرایند انبساطی قبل از مطالعه این مقاله ضروری به نظر می‌رسد.

دوره یادگیری برق خودرو خارجی در دانشگاه صنعتی شریف

فرایند انبساطی و شیر انبساطی

در مقاله فرایند Expansion در سیستم کولر به دلایل نیاز به فرایند انبساطی در مدار تهویه‌مطبوع اشاره شد. سپس به انواع قطعاتی که این فرایند را انجام می‌دهند معرفی شدند. شیرهای انبساطی و اوریفیس‌ها قطعاتی هستند که این فرایند را در مدار کولر مدیریت می‌کنند. باتوجه‌به اینکه استفاده از شیر انبساطی در خودروهای کلاس متوسط متداول‌تر است. در این مقاله نحوه عملکرد آنها تشریح میشود.

انواع شیرهای انبساطی

شکل 1 انواع شیرهای انبساطی را نشان می‌دهد.

شکل 1- انواع دسته بندی شیر انبساطی

ساختار شیر انبساطی و عملکرد آن به‌صورت کلی

به‌صورت کلی اوریفیس‌ها و شیرهای انبساطی، شرایط را برای انبساط گاز تحت‌فشار آماده می‌کنند. هر دو گروه با استفاده از یک مجرای باریک در مسیر حرکت گاز مبرد این کار را انجام می‌دهند. ایجاد تغییر در سطح مقطع مجرای باریک باعث تغییر در فرایند انبساطی و در نتیجه تغییر در میزان ایجاد سرمایش خواهد شد. در شیرهای انبساطی سطح مقطع این مجرای باریک توسط کنترلر دمایی تغییر می‌کنند به همین دلیل به آنها شیر انبساطی با کنترلر دمایی نیز می‌گویند (Thermal Expansion valve)

ساختار شیر انبساطی از نوع Internally equalized valve

شکل 2 نمونه از این نوع شیر انبساطی را نشان می‌دهد.

شکل 2- شیر انبساطی از نوع Internally equalized expansion valve

نمونه این شیر را می‌توانید در سیستم کولر پراید مشاهده کنید. اجزای داخلی نمونه‌ای از این مدل را در شکل 3 مشاهده می‌کنید.

اجزا داخلی نمونه شیر انبساطی از نوع Internally equalized expansion valve 1- دیافراگم 2- محوطه تحت‌فشار 3- لوله انتقال حرارت 4- میله فشاری 5- مجرای ورود گاز مبرد 6- سوپاپ سوزنی
7-فنر فشاری (Superheat) 8- کپسول حساس به دما 9- بدنه 10-مجرای خروجی گاز مبرد 11-محوطه زیر دیافراگم
شکل 3- اجزا داخلی نمونه شیر انبساطی از نوع Internally equalized expansion valve

همانطور که مشاهده می‌شود مجرای ورودی (شماره 5) با استفاده از یک سوزن مخروطی (شماره 6) کنترل می‌شود. هر چه سوزن مخروطی پایین‌تر برود مجرای تخلیه به داخل شیر انبساطی بازتر می‌شود. مقدار بسته بودن مجرای تخلیه توسط فشار فنر (شماره 7) و نیروی میله‌های فشاری (شماره 4) کنترل می‌شود. نیروی میله‌های فشاری توسط دیافراگم (شماره1) و فضای بالایی آن (شماره2) می‌تواند تحت‌فشار قرار گرفته و به حرکت در بیاید. فضای بالای دیافراگم توسط لوله انتقال حرارت (شماره 3) گرم می‌شود. کپسول حساس به دما (شماره 9) روی لوله خروجی اواپراتور نصب می‌شود. اگر گازهای خروجی گرم شوند. این گرما ابتدا به کپسول و از طریق لوله انتقال حرارت (وسیال مربوطه) به فضای بالای دیافراگم منتقل می‌شود.

نکته 1: دقت کنید که انچه در شکل 3 نشان داده شده است نوعی شیر انبساطی است، شرکت‌های تولید کننده می‌تواند مکانیزم‌های مختلفی را برای آن طراحی و استفاده کنند.

نکته 2: در برخی مدل‌ها بجای استفاده از کپسول حساس به دما از ایجاد حالت سیم پیچ مانند دور لوله خروجی اواپراتور استفاده می‌شود. در این حالت اگر داخل آن از مبرد پر نشود، کیفیت عملکرد آن کاهش پیدا خواهد کرد

نحوه عملکرد شیر انبساطی از نوع Internally equalized expansion valve

به شکل 4 توجه کنید.

نحوه عملکرد شیر انبساطی در مدار 1- سوزن و ساچمه کنترل 2-فنر فشاری (Superheat) 3-دیافراگم 4-مجرای ورودی به اواپراتور 5- لوله اواپراتور
6- لوله انتقال حرارت 7- پره‌های اواپراتور 8- کپسول حساس به حرارت
9- لوله خروجی از اواپراتور (گاز گرم) 10- گاز گرم فشار پایین 11- مایع مبرد فشار بالا
شکل 4- نحوه عملکرد شیر انبساطی در مدار

بر اساس شکل 4 هرچه دمای بخش بالایی دیافراگم بیشتر شود فشار دیافراگم روی فنر (Superheat) بیشتر خواهد شد. و سوزن ساچمه را بیشتر فشار داده و مجرای خروجی بیشتر باز می‌شود. شکل 5 به‌صورت انیمیشن این حالت را نشان می‌دهد.

شکل 5-نحوه باز شدن مجرای خروجی به اواپراتور در نوعی شیر انبساطی

همانطور که در شکل 5 مشاهده می‌شود هنگامی که دمای گاز کولر در اواپراتور بیش از حد بالا می‌رود، افزایش بیش از حد دما در اواپراتور باعث کاهش فرایند خنک کاری خواهد شد. بعلاوه امکان نشتی در مدار را نیز به دلیل افزایش فشار، بالا خواهد رفت. بنابراین این دما باید کنترل شود. با باز شدن دو اتفاق به‌صورت هم زمان می‌افتد، به دلیل بزرگ‌تر شدن سطح مقطع مجرای شیر انبساطی فرایند Expansion کندتر انجام می‌شود. در نتیجه میزان گرما گیری کاهش پیدا کرده و در نهایت منجر به کاهش دمای گازهای خروجی از اواپراتور خواهد شد. برخی مدل‌ها فشار روی فنر توسط یک پیچ قابل تنظیم است بنابراین می‌توان میزان بار اواپراتور را به‌صورت دستی نیز تنظیم کرد

نکته: کپسول حساس به حرارت و لوله مربوطه در واقع نوعی سنسور دمایی است. معمولاً در حالت ایدئال از نوعی سیال با قابلیت انبساط خوب پر می‌شود و کاملاً نسبت به محیط ایزوله و آب‌بندی است در بسیاری از موارد سیال مورداستفاده نوعی گاز مبرد است. جنس بدنه کپسول و لوله عموماً از آلیاژهای مس استفاده می‌شود.

ساختار شیر انبساطی از نوع Externally equalized valve

نوعی شیر انبساطی از نوع Externally equalized در شکل 6 مشاهده می‌شود.

شکل 6- شیر انبساطی از نوع Externally equalized expansion valve

همانطور که در شکل 6 نیز مشاهده می‌شود نوع Externally و نوع Internally تفاوت خاصی با هم ندارند. فقط در نوع Externally یک ارتباط به زیر دیافراگم نیز اضافه شده است. اجزا داخلی نمونه ای از این مدل را در شکل 7 مشاهده می‌کنید.

اجزا داخلی نمونه شیر انبساطی از نوع Externally equalized expansion valve 1- دیافراگم 2- محوطه تحت‌فشار 3- لوله توپر انتقال حرارت 4- میله فشاری 5- مجرای ورود گاز مبرد 6- سوپاپ سوزنی
7-فنر فشاری 8- کپسول حساس به دما 9- بدنه 10-لوله به سمت خروجی اواپراتور
11-مجرای خروجی گاز مبرد 12-محوطه زیر دیافراگم
شکل 7- اجزا داخلی نمونه شیر انبساطی از نوع Externally equalized expansion valve

شیر انبساط Externally این مزیت را دارد که فشار مبرد از خروجی اواپراتور به طور مستقیم در قسمت زیرین دیافراگم دستگاه عمل می‌کند. این ساختار بر مشکل احساس افت فشار در سراسر اواپراتور غلبه می‌کند. شکل 8 نمونه این مدل را روی خودرو تویوتا نشان می‌دهد.

1- لوله انتقال حرارت 2- دیافراگم 3- لوله تعادل 4- سوپاپ کنترل
5-فنر فشاری (Superheat) 6- پره‌های خنک کننده 7- کپسول حساس به دما
شکل 8-نحوه عملکرد شیر انبساطی از نوع Externally

همانطور که در شکل 8 مشاهده می‌شود پایین دیافراگم به لوله خروجی از اواپراتور راه داردبنابراین گاز از طریق لوله تعادل (شماره3) به زیر دیافراگم راه پیدا می‌کند. بالای دیافراگم هم توسط مبرد داخل کپسول حساس به دما است پر می‌شود. از طرفی فشار فنر (Superheat) نیز روی دیافراگم تاثیر می‌گذارد. تعادل بین این 3 نیرو باعث کنترل سوپاپ سوزنی شده و مجرای ورود به اواپراتور کنترل می‌شود.

ساختار شیر انبساطی از نوع H block

متداول‌ترین نوع شیر انبساطی مخصوصاً در خودرو های داخلی نوع بلوک H شکل است. شکل 9 این نمونه را نشان می‌دهد.

شکل 9- شیر انبساطی از نوع H Block

اجزا داخلی این نوع شیر در شکل 10 نشان داده شده است.

اجزا داخلی ساختار شیر انبساطی از نوع H block 1- ورود از سمت کندانسور 2- سوپاپ بلبرینگی 3- خروج به سمت کمپرسور 4-مجموعه دیافراگم
5- فضای بالای دیافراگم آب بندی شده حاوی سیال قابل انبساط 6-سوزن کنترل 7- لوله خروجی اواپراتور
شکل 10- اجزا داخلی ساختار شیر انبساطی از نوع H block

سیال پر شده در بالای دیافراگم گرمای مسیر اواپراتور را از طریق بدنه دریافت می‌کند. اگر دمای گازهای خروجی از اواپراتور افزایش یابد. بدنه این افزایش دما را به بدنه دیافراگم (شماره 4) انتقال می‌دهد. بدنه دیافراگم باعث گرم شدن سیال داخل محوطه بالا دیافراگم (شماره 5) شده و در نتیجه دیافراگم به پایین فشرده می‌شود. سوزن کنترل (شماره 6) این نیرو را به سوپاپ ساچمه ای (شماره 2) منتقل کرده و مسیر ورود به اواپراتور بازتر خواهد شد.
اگر توجه کنید بخش پایینی دیافراگم با مسیر خروجی اواپراتور در ارتباط است بنابراین می‌توان گفت مدل H Block در واقع بهینه شده مدل Externally است و نحوه و مقدار باز شدن و بسته‌شدن مجرای ورودی اواپراتور از تعامل 3 فشار مختلف تبعیت خواهد کرد.

نویسنده : مهندس بهروز خطیبی