ساختار شیر انبساطی در مدار کولر خودرو

ساختار شیر انبساطی در مدار کولر خودرو و سیستم‌های تهویه مطبوع چگونه طراحی شده است؟ هر یک از مدل‌های شیر انبساطی در سیکل تبرید چه عملکردی دارند و تفاوت‌های کلیدی آن‌ها در کجاست؟ در این مقاله تخصصی، قصد داریم به بررسی دقیق عملکرد شیر انبساط کولر خودرو و انواع صنعتی آن (مانند کولر گازی) بپردازیم. این مطلب با سطح متوسط، برای تکنسین‌ها، مکانیک‌ها، باتری‌سازها و دانشجویان مهندسی خودرو تدوین شده است. پیشنهاد می‌شود پیش از مطالعه، اطلاعات اولیه‌ای درباره فرایند انبساطی داشته باشید تا با جزئیات ساختار و مکانیزم انواع شیر کولر بهتر آشنا شوید.

فرایند انبساط در مدار کولر خودرو و نقش شیر انبساط

در مقاله فرایند یا عملکرد شیر انبساطی کولر خودرو به دلایل نیاز به فرایند انبساطی در مدار سیستم تهویه‌ مطبوع خودرو 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 شیر انبساط کولر گازی و خودرو (ترموستاتیک و الکترونیک)

شکل 1 انواع شیرهای انبساطی را نشان می‌دهد.

شکل 1- انواع دسته بندی شیر انبساطی

ساختار و عملکرد شیر انبساط کولر خودرو چگونه است؟

به‌صورت کلی اوریفیس‌ها ( اوریفیس و کاربرد آن در سیستم کولر خودرو ) 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 و اجزای شیر انبساط با تعادل داخلی (Internal)

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.

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.

نحوه عملکرد شیر انبساط در مدار کولر (نوع متعادل داخلی)

به شکل 4 توجه کنید.

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

بررسی ساختار شیر انبساط با تعادل خارجی (External)

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.

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 مدل H-Block در کولر خودرو

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.

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