专利名称：换向的阀门和方法
技术领域：
本发明涉及换向阀，尤其涉及用于具有很大的高的和低的系统压力差的流体系统的流体换向阀。
在流体系统中使流体流动方向换向的阀门通常是已知的并且有很多形式。当最高的系统压力与最低的系统压力有明显差异时，该系统的流体换向阀遭受了困难的操作条件。这样的条件限制了所使用的换向阀的型号和种类。用于蒸气压缩机制冷系统的制冷剂换向阀就是典型的例子。
制冷剂换向阀通常被放置在制冷系统中，如在热泵中。系统中制冷剂的高压可能超过系统的低压400psi。这个压力差加到了换向阀结构上从而该换向阀受到了很大的压力。这些力是产生阀门内制冷剂从高压侧向低压侧泄漏的可能性和产生阻碍阀的启动的摩擦力的原因之一。
已有技术提出了一个换向阀结构，它通过依靠压力差来确保阀门零件之间的密封关系的方法成功地减少了泄漏。这种型号的阀门结构由1987年12月15日颁发给Marks的美国专利4,712,582(′582号专利)所说明。这种型号的阀门依靠一个在高压腔内与阀座中的一对开孔之一配合工作的阀门滑动元件来控制系统制冷剂的流动方向。该滑动元件沿阀座从一个流动正向位置移到一个流动反向位置。高压系统的流体迫使该滑动元件在压缩机作业时总是靠在阀座上。该阀座力有助于减少制冷剂从高压侧向低压侧的泄漏。低泄漏率改进了系统的操作性能和效率。
该座力产生了很大的与阀门滑动元件运动反向的摩擦力。从而在一些已有技术的系统中仅在压缩停止工作以及容许系统压力相等或趋于相等之后该阀才能进行操作。在那些当压缩机工作时需要进行流动反向的系统中，需要强大的驱动器来克服摩擦力并操作换向阀门。换向阀驱动器的控制和构造使换向阀组装大大地复杂化并且使其成本显著地增加。
过去曾提出过一些驱动器的原理。例如，582专利的驱动器，它包括一个引导阀部件和安装在滑动元件上并对着圆柱形的高压腔各自的对置端的驱动活塞。该引导阀部件控制着系统制冷剂向阀腔的流通。
该引导阀部件由一个低动力控制螺线管和由该螺线管操纵的一个微型四路引导阀形成。当该螺线管被断电，该引导阀同步地将高压制冷剂供给腔室的一端而将低压制冷剂供给腔室的另一端。该活塞受到了足以将滑动元件移到其一个位置上的制冷剂的压力差。
将螺线管通电驱动该引导阀反转施加在活塞上的压力。一旦该活塞压力被反转，滑动元件被驱动到其在阀座上的另一个位置并且系统制冷剂的流动方向被换向。
这样的驱动器虽然有效且可靠，却是由许多需要大量生产作业来制造的零件组成。这种类型的阀结构不适合于自动化生产。因为换向阀包含有相对大的劳动量而使其成本升高。
另外，不同尺寸的系统需要不同尺寸的阀门。用来冷却小的、隔热相对好的空间的制冷系统包含少量以低流率通过相对小的热交换器进行循环的制冷剂。冷却大的或不隔热的空间的高容量系统包含有大量以高流率通过大的热交换器进行循环的制冷剂。一个所提及的为高容量系统而构造的这种换向阀能够输送较小系统中的制冷剂流体；然而却不能依靠小系统产生足够的能量来正常地驱动过大尺寸的换向阀。
当在小容量系统中装有一个过大尺寸的阀时，如果流体换向要在压缩机停机时进行该阀门可能不能完成该换向。驱动这样一个阀门到达其行程一半时就使得阀门元件将系统的高、低压侧相互连通。该阀门元件所提供的流体通道的大面积迅速消耗并牵制了高压制冷剂的供给，而该高压制冷剂本来是可以驱动阀门元件通过其所剩行程的。从而该阀门元件可能甚至在压缩机重新启动以后还停留在部分被驱动的状态。这种情况发生的可能性迫使所构造的阀门的尺寸要与系统流量相适应并确保足够的阀门驱动压力差。
现代的制冷系统的零件同样产生了对换向阀有不利冲击的各种条件。与先前的压缩机不同，较新的涡形制冷剂压缩机是变容压缩机，它可以将制冷剂从压缩机内＂泵＂到系统中。涡形压缩机可以在压缩机启动后相当长的一段时间内输出液态的制冷剂并使其流经换向阀进入到系统的高压侧。这偶尔会使换向阀产生问题。
当该阀门元件在其两个可选位置之间时，来自腔室的高压制冷剂流体可能会被明显地节流。如果当涡形压缩机将液态的制冷剂泵入换向阀腔室中时阀门还处于以上状态，则可能在阀门腔室内产生一个急剧的压力峰。该压力峰可能会损害或破坏该换向阀。
为了减小操作换向阀的巨大摩擦力，有人建议构造一个手动操作的有一个弹性偏移的泄流阀与其相连的换向阀。见1985年10月7日颁发给Van Allen等人的美国专利第2,855,000号。该泄流阀逆着弹性偏移被手动地打开以便减小施加于换向阀元件上的压力差。这就减小了阻碍换向阀元件运动的摩擦力的量值。该换向阀受到了迅速变化的压力差而导致高频振动并显示出抵制其运动的摩擦力的某些减小。
然后该换向阀被手动地驱动以将流动方向换向。在换向阀被操作之后，偏移弹簧重新关闭泄流阀。在需要将流动自动换向的环境中该建议在商业上是不可行的，因为所需的手动操作不可能被简单、小力量的机械驱动器所重复。
本发明提供了一种新的、改进了的、用于将一个流体系统中循环流体的流体换向的阀门和方法，该阀门的构造和安排使阀门元件在其两个可选择的流动导向位置之间沿其移动路线运动时摆脱了迫使它靠在底座上的流体压力而使它与底座分离开，从而避免了巨大的抵抗阀门元件运动的摩擦力并使其能够使用简单的、小力量的阀门驱动器。该新型反向阀的结构不复杂，由相对较少且容易制造和装配的零件组成并且操作可靠和有效。
本发明提供一种新的、改进了的、用于将流体系统或回路中的流动方向换向的方法，其中包括将一个高压孔、一个低压孔和第一和第二系统孔与第一个阀门腔室连通，其中至少低压孔和第一和第二系统孔经过阀门底座通到该腔室中；在该腔室中配置一个用于在第一和第二位置之间相对于阀门底座运动的阀门元件；通过将压力差加到阀门元件上迫使该阀门元件以第一位置在阀门底座上与阀门底座进行落坐和密封的接合；当阀门元件落坐于第一位置时，通过经阀门元件将低压孔和第一系统孔连通、将高压孔与第二系统孔连通来引导系统流体以一个方向流过系统；偏移该阀门元件使其从第一位置运动到第二位置；消耗掉压力差使阀门元件能够抬起；随该偏移力将阀门元件沿一个使阀门元件不与底座接触的行进路线从第一位置移动到第二位置；使阀门元件以第二位置重新落坐到阀门底座上；当阀门元件以第二位置落坐时，通过经阀门元件将低压孔与第二系统孔连通、将高压孔与第一系统孔连通来将系统流体的流体方向换向。
在本发明的优选实施例中由一个有效的驱动装置将该阀门元件偏移以便当压力差消失时使其从一个位置运动到另一个位置。
本发明进一步的特点和优点将从以下对一个本发明优选实施模式的描述中变得更加明显，其中所参考的附图为
图1是一个根据本发明构造的，与示意图的制冷系统相连的换向阀门的透视部件分解图；图2是一个图1的阀门的剖视图，该阀门是组装好了的，并且正处在阀门元件完成其使系统流动方向换向的移动的瞬间或压缩机被关闭且系统的压力相等的时刻；图2A是一个大约从图2的2A-2A线所表示的平面所看到的视图；图3A是一个大约从图3B中的3A-3A线所表示的平面所看到的剖视图；图3B是一个与图2相似的剖视图，其中示意地图示了阀门的一个操作状态，同时为清楚起见省略了许多阀门零件；图3C是一个大约从图3B中的3C-3C线所表示的平面所看到的剖视图4A是一个大约从图4B的4A-4A线所表示的平面所看到的剖视图；图4B是一个与图2相似的剖视图，其中示意地图示了阀门的一个操作状态，同时为了清楚起见省略了许多阀门零件；图4C是一个大约从图4B中的4C-4C线所表示的平面看到的剖视图；图5A是一个大约从图5B中的5A-5A线所表示的平面所看到的剖视图；图5B是一个与图2相似的剖视图，其中示意地图示了阀门的一个操作状态，同时为了清楚起见省略了许多阀门零件；图5C是一个大约从图5B中的5C-5C线所表示的平面所看到的剖视图；图6A是一个大约从图6B中的6A-6A线所表示的平面所看到的剖视图；图6B是一个与图2相似的剖视图，其中示意地图示了阀门的一个操作状态，同时为了清楚起见省略了许多阀门零件；图6C是一个大约从图6B中的6C-6C线所表示的平面所看到的剖视图；根据本发明用于流体系统中的流体反向所构造的一个阀门20如附图所图示。该优选的和图示的阀门20是一个安装在一个蒸气压缩制冷如象一个热泵(图1)这样的系统S中的制冷剂流体换向阀门。该系统S可以有任何传统的或适当的结构并被图示为包括一个压缩机C、分别于室内和室外的热交换器IX和OX、以及配置在这两个热交换器之间的蒸发装置XD。参考图1和图2，阀门20包括一个壳体部件22，一个设置在该壳体中的阀门元件24，一个用来将阀门元件支撑在壳体中的阀门支座26和一个用来在壳体中在第一和第二位置之间移动该阀门元件24以便将经过系统S的制冷剂的流动方向换向的驱动器28。
壳体部件22限定了一个容纳阀门元件24并与系统S连通的内部腔室30。该优选的壳体部件22包括一个其对置的端部分别被一个整体园顶端帽34和一个成孔板36密封的圆柱形压力容器32。该成孔板36被熔焊或铜焊到容器32上以便使壳体部件轻易地经受住高的内压力。参考图1，制冷剂流体管40-43都密封地与板36上形成的制冷剂孔45-48相连。流动管40密封地与压缩机的输出管以及孔45(高压孔)连接以便将高压、高温的气态制冷剂引导到壳体部件中。流体管41密封地与压缩机的输入管口以及壳体孔46(低压孔)连接以便将低压的相对低温的制冷剂从壳体部件引导至压缩机中。流体管42密封地与室外热交换器OX以及系统孔47连接以便在室外热交换器和壳体部件22之间输送到制冷剂流体。流动管43密封地与室内热交换器IX以及系统孔48连接以便在室内热交换器IX和壳体部件22之间输送制冷剂流体。这些流体管最好是用紫铜或是一种类似的、适合于将其与系统制冷剂流体管线和成孔板36进行铜焊或等效焊接的材料做成的。
阀门元件24相对于壳体部件在其相对于成孔板36的两个可选择位置之间运动以便引导制冷剂是以一个方向而后以相反的方向流过系统S。阀门元件24包括一个基本上为圆柱形的松驰地装配在压力容器32之中的阀门零件50和一个固定在槽54中并围绕零件50扩张以便与壳体壁相接合的节流环52。该节流环52被构造成一个活塞环状的并在环52各自相对的轴向侧面有效地将腔室30分割成腔室部分30a，30b。
该阀门零件50限定一个面对孔板36的基础部分56，一个限定了槽54和支撑密封环52的远处导向部分58，和一个在导向和基础部分之间的中心体部分59。该基础部分59限定了一个对着由孔板36限定的一个平面阀门底座61的平面阀门底座表面60和开在表面60上的制冷剂引导流体通道62，64。流体通道62是一个在基础部分56中的、细长的、圆顶状的凹口，其开口在底座表面60上。该流体通道62总是对准低压孔46，被称为低压通道。流体通道64是一个在基础部分56中的弯曲的凹口，它总是对准高压孔45。被称为高压通道的通道64在基础部分的密封表面60上开口并对于基础部分直径接近环形180°地进入腔室部分30a。一个在流动通道62，64之间延伸的无孔隔板68形成了底座表面60的一部分。隔板68限定了一个延伸到流体通道64中的凸起状的凸台69。
在图示的阀门零件50中底座表面60由一个连接在阀门元件基础部分端面的板状弹性垫圈60a形成。垫圈60a和基础部分端面本身的尺寸和形状大体相似。底座表面60与孔板底座61一致，这样当底面表面60和底面61接合时，该垫圈材料被弹性地压缩并且该表面有效地将通道62中的低压制冷剂与包围底座表面60的腔室部分30a中的高压制冷剂隔离开。
当该阀门元件在其第一位置时，流体通道64对准孔45，48，这样从压缩机来的高压制冷剂被引导至热交换器IX。同时流体通道62对准系统孔47和低压孔46，这样通道62将制冷剂从热交换器OX连通到压缩机的输入端。
阀门元件通过轴向移动离开孔板36而运动到其第二位置，绕壳体部件的纵轴70旋转90°并移回至与孔板36接合。当阀门元件处于其第二位置时流体通道64连通孔45，47，而流体通道62连通孔46，48。这样高压汽态的制冷剂经孔45，47从压缩机引导到热交换器OX，而低压制冷剂经孔46，48从热交换器IX返回到压缩机中。
在本发明的优选实施例中阀门零件50带有一个轴70上从隔板68伸出进入到孔板36中的一个盲孔中的枢轴71(图2)。当阀门元件相对底座51来回移动时该枢轴71使阀门元件在盲孔中转动和轴向滑动的过程中保持对准轴70。该阀门零件的导向部分58在远离枢轴71的地方支撑环52，这样当阀门元件轴向地移向和移开底座51时该阀门元件保持精确地对准轴70。
这样构造和安置节流环52使得高压制冷剂通过它逐渐地泄漏到远离孔45-48的腔室部分30b中直至环52两侧的压力相等为止。该优选的环是一个端部搭接的塑料封流环，用它来阻碍但不中断通过阀门元件的流体的流动。当与壳体壁和阀门元件的材料接合时该环52有一个低的滑动摩擦系数。该环52不会在很大程度上摩擦地抵抗阀门元件相对于壳体的运动。
当腔室30a，30b中的压力相等时(这是阀门的正常操作条件)腔室部分30b中的压力基本上是压缩机输出压力的水平。作用于流体通道62有效面积上的压力基本上处于压缩机输入端的水平。从而该阀门零件底座表面60通过加在阀门元件24上的净压力差被强烈地推到与底座61紧密密封的接合。
在某些应用中增大由环52提供的受限流体是理想的。通过做成一个在阀门零件中在腔室部分30a，30b之间延伸并绕过环52的辅助受限流体通路(没有图示出)能够达到这一点。该流体通路提供了快速的压力平衡，这样阀门元件在变换位置之后迅速地落坐在孔板上。
构造和安置阀门支座26使支撑阀门元件24相对于壳体部件22进行轴向的和旋转运动而保持该阀门元件对准壳体部件的轴70。该图示的支座26包括一个将阀门元件24对中在轴70上的导向元件74和一个将阀门元件组合到导向件72上的心轴元件74。该心轴元件74与阀门元件固定以便与阀门元件一起转动和轴向移动。导向元件72被约束成只能在容器中进行轴向移动。
该导向元件72在压力容器32中同阀门元件24一起轴向滑动，同时还保持阀门元件精确地对准轴70。该图示的导向元件72包括一个与轴70对中的扁平的圆形零件76，以圆周上相隔一定间距的位置从该零件的外圆表面上轴向伸出的筋78，和一个与筋共同从零件72延伸和从该零件的外圆表面径向向内地连接筋的圆柱形套筒状部分80。
当导向元件在壳体22中轴向移动时筋78在容器壁上移动。这些筋78的定向使它们的窄的径向外边缘在圆周上相隔一定间距的位置与容器壁接合。筋都相当窄这样就形成了与容器壁的低滑动摩擦接触。该套筒部分80加强了筋并固定了零件76。零件76限定了一个在轴70上的容纳心轴的支承开孔81(图2)，该支承开孔被加强凸缘所包围。
心轴元件74连接阀门元件24和导向元件72以便进行同轴运动并将扭矩从驱动器28传送到阀门元件24以便使阀门元件在其各位置之间转动。这样心轴元件与阀门元件一起绕轴70转动并沿该轴轴向地移动。该心轴元件74通常为杯状并带有一个与导向元件72相对的圆形基座82，一个由径向延伸的固定在阀门零件导向部分58上的法兰83所限定的开口端，一个从基座82中伸出经过导向元件支承开孔81的枢轴84。
优选的心轴法兰83落坐在阀门元件24上并与阀门元件连接，这样心轴元件和阀门元件就象一个零件那样运动。该心轴法兰基本上是圆环形的只是在其圆周方向有一个定位凹口83a。该法兰83落坐在阀门元件导向部分表面58a上的与其相一致的凹槽中，这样该凹口83a与导向部分表面上凹槽的钥匙状部分相互配合。这样就确保当心轴元件和阀门元件连接在一起时能精确的对准。
优选的和图示的枢轴84将心轴和导向元件72，74栓锁在一起以保证它们共同的轴向运动，同时，允许它们之间的相对运动。枢轴84包括四个半圆柱形的臂，该臂从基座82伸出穿过开孔81。每个臂限定一个栓锁结构85，该栓锁结构具有一个终止于栓锁表面85b的截头圆锥状的凸轮部分85a。该凸轮部分85a逐渐偏转离开伸出的枢轴臂端，这样当这些臂被插入穿过开孔81时该凸轮部分85a与开孔侧面接合并弹性地将该臂偏斜直至该凸轮部分完全穿过了开孔81为止。在这个时候，栓锁表面85b迅速从轴70径向向外地与由导向元件基座76形成的定位器表面咬合成相对的、栓锁的关系，并立即包围开孔81。当枢轴栓锁到位后它们松驰地容纳于开孔81中，这样心轴和导向元件之间的相对转动变得更为方便。
驱动器28使阀门元件在第一和第二位置之间移动。优选的驱动器包括一个用于将阀门元件24抬起并从一个位置将其轴向移动的控制阀门90(见图3-6)，一个作用在抬起的阀门元件上用于将它转到对准其两个位置中的一个并使它重新落坐到阀门元件上的驱动器机构92，和一个用于控制阀门90和驱动器机构92的操作器94。
该操作器94驱动控制阀90以便抬起阀门元件，并且它还调节驱动器机构92以便将阀门元件移动到其两个位置中的一个。该操作器包括一个低动力的螺线管100和一个由螺线管100接合并上下移动的操作滑块102。该螺线管100由一个适当的开关(机械的或电的)进行通电和断电以便实现制冷系统中制冷流体的反向，该开关没有在图中表示，它本身可以被一个定时器、一个温度传感器或任何其它合适的或传统的装置所控制。
当该螺线管100被断电时阀门20被推动至并保持在其第一位置(图3A-C)。当螺线管100被通电，阀门20被推动至并保持在其第二位置(图6A-C)。该螺线管100被图示为包括一个固定在壳体部件22上的线圈部件110(图1)，一个延伸穿过该线圈部件和壳体容器(32)的壁到达滑块102的可动铁心部件111。
线圈部件100包括一个绕在管形线圈管上的绝缘线圈，一个密封线圈并形成一个与线圈出头相连的电极接线端结构110b的铸塑零件110a，一个部分地包围该线圈的磁力线导通框架110c，和一个与可动铁心部件共同作用以及支撑螺线管110并将其与壳体部件密封连接的电极块112。该电极块112是一个管形圆柱体的、可导磁的元件，它密闭地焊接在壳体壁孔中并垂直于轴70地伸出该壳体壁。该电极112部分地伸入到线圈和零件110a中，而该电极的中心孔用作可动铁心的导轨。
该框架110c是一个基本上为U形的可导磁金属薄板元件，它有支架113和一个弯曲的部分114。该线圈和零件110a被容纳在支架113之间。该支架形成一条直线的可动铁心开口，而这些开口又与一个穿过该线圈和零件110a的中心圆柱形开孔成一条直线。该可动铁心部件111延伸穿过线圈、零件和框架上的开口并密封地与电极块112连接。
该可动铁心部件111包括一个在远离壳体部件22的端部103a被封闭、并且在邻近腔室30的地方与电极112密封地相连接的薄壁管状壳体130；一个在壳体130中在电极112和封闭的壳体端130a之间的圆柱体可动铁心元件134；一个延伸穿过电极块的孔以便将可动铁心的运动传递到滑块102上的推杆136。该电极块112、框架110c和可动铁心元件134都是可导磁的并形成了磁回路以便当线圈通电时使该回路中的磁通量产生一个将可动铁心推向电极块的磁势力。该壳体130是由非磁材料如紫铜或非磁不锈钢做成的，并且它相当薄以便减小磁回路中的磁通间隙。开口的壳体端部密封地铜焊在电极块上。
线圈和可动部件可分离地连接在一起以便进行迅速和简单地组合和分离。优选的线圈和可动铁心部件是通过一个夹子元件138(图1)连接的，该夹子元件弹性地夹紧电极块112，同时在线圈处于框架支架113之间时将该框架110c锁定在电极块和可动铁心部件上的装配位置上。该电极块带有一个设置在靠近阀门壳体22的框架支架113的内表面附近的环形沟槽。该夹子元件最好是一个装有一个发夹形物的钢丝弹簧。框架和线圈都装配到可动铁心部件上，该弹性夹子人工地插入到框架支架和线圈端头之间最靠近壳体22的地方。该夹子滑到电极块沟槽中并弹性地夹紧该电极块，防止框架的移动并将诸部件锁定在一起。
可动铁心元件134被图示为是一个圆柱形元件，它的外表面部分由在该元件的长度方向延伸的、插入与壳体管130的内表面平滑接合的圆柱体弯曲表面部分的相同的平板所形成。该可动铁心元件134在壳体130中被该圆柱体弯曲表面部分轴向地导向，而该插入板为由可动铁心元件的运动所排出的流体的流动提供了通道。
推杆136将可动铁心元件的运动传到滑块102上以便驱动阀门元件24。该推杆136和电极孔之间的间隙使流体能够流进和流出壳体管130，这样那些原本可能会被截留的流体就不会阻碍可动铁心的运动。推杆136被图示为由非磁材料做成的一个直的圆柱体元件。
图示的和优选的滑块102相对于阀门元件在第一和第二位置之间移动以便驱动控制阀门90，以便将阀门元件抬起。图示的滑块102还在它改变位置时能调整驱动器以便将阀门元件24从一个位置转动到另一个位置。该滑块102包括一个由推杆136相接合以便在螺线管通电时相对轴70进行横向滑动的零件140，一个与推杆相对反作用于零件140以便当螺线管断电时将滑块、推杆和可动铁心元件送回到其初始位置的压缩弹簧142。
该滑动零件140被图示为一个环形的元件，它嵌套在导向元件72中并落坐在阀门元件导向表面和心轴法兰83上以便进行相对于轴70的横向滑动。对着阀门元件24的表面该轴向滑动零件限定有径向配置的支脚144(图1)，该支脚伸出并与阀门元件导向部分以及心轴法兰83相接合。该支脚144提供了较低摩擦的阀门元件和滑动零件140之间的相对转动以及滑动零件相对轴70的横向滑动。该滑动零件在支脚144之间的表面部分146是平的并退离阀门元件导向部分。滑动零件的外圆表面148与壳体部件的内壁有一定的间距并轴向地邻近导向元件套筒80。
压缩弹簧142在与推杆直径地相对的位置反作用于滑动零件140。图示的弹簧是一个设置在滑动零件的相配的盲孔149中的螺线压缩弹簧。该弹簧被导向筋78a压缩并保持在其位置上。该筋78a从导向元件套筒80处径向向内地延伸并进入一个窄的、径向延伸的滑动元件狭口150中，该狭口平分孔149。弹簧142就这样被筋78a限制在孔149中。伸出的筋的端部是楔形的以便于压缩弹簧142时将导向元件组合到滑动零件140上。
滑块102与阀门元件24一起沿轴70运动，但却不能相对壳体与阀门元件一起转动。图示的滑动元件通过螺线管推杆136来防止与阀门元件一起的转动。该推杆伸过电极孔进入到阀门壳体腔室部分30b中并进入一个窄的滑动零件狭口152。该滑动零件狭口152紧贴着推杆136但却可滑动地将其容纳在滑动零件内与轴70平行地延伸。
无论螺线管100通电还是断电，控制阀90都在阀门元件中将腔室部分30b与负压流体通道62连通。当操作控制阀时，腔室部分30b中的压力突然地减少到明显低于腔室部分30a中的压力(原来在压缩机输出压力的水平)。所产生的腔室部分30a，30b之间的压力差立即将阀门元件抬起，将其轴向移开板36。阀门元件24在其抬起时带着阀门支座26和滑块102一起移动。这些零件基本上都不与阀门壳体壁相接合，这样，它们在轴70方向上的运动就没有受到妨碍。阀门元件24可相对于导向元件72和滑块102自由地转动，所以存在一个可忽略的抵抗阀门元件绕轴70旋转的摩擦力。
在阀门元件被抬起后，孔45，46在腔室30a中相互连通而环52和控制阀90将腔室30a，30b连通。阀门元件两端之间的压力差被明显地减小，因此阀门元件24趋于停留在抬起的位置，在这个位置上它可以自由地绕轴70转动。
在图示的换向阀中控制阀90包括第一和第二阀门元件160，162，该阀门元件由滑动零件140携带，并与一个从阀门元件通道62开始的穿过阀门元件导向部分表面58a进入腔室30b的孔道164共同作用。每个阀门元件160，162被显示成一个装在各自的滑动零件导向开孔166之中的提动阀(见图3-6)。该提动阀被配置成相对滑动零件中心轴70相互间隔刚刚大于90°。当阀门元件24在其第一位置时提动阀160关闭孔道164(图3)。当阀门元件在其第二位置时提动阀162关闭通道164(图6)。提动阀被导向元件套筒限制在各自的开孔166中，该套筒80(见图3-6中没有显示出，图1)总是保持对准并开关闭或接合每个提动阀的端部。
滑块102被从图3的位置移动到图4的位置以便沿阀门导向部分表面58a滑动提动阀160并打开孔道164。当阀门零件完成其90°的旋转进入轴向对准其第二位置(如图5A-C所示)时滑动零件140同时将提动阀162移动到盖住孔道164的位置。打开的孔道164将腔室部分30b与低压流体通道62连通，这样，腔室部分30b中的压力立即减到压缩机的输入压力水平。该阀门零件然后抬起并绕轴70转动90°在阀门元件已经转动之后驱动器机构通过移动提动阀162以截断通道164来操纵控制阀90以便重新关闭该通道。
当要将制冷剂流体反向时阀门元件24返回其第一位置(图3)。螺线管100将滑块102从其图5的位置移到其图3的位置。当阀门元件完成其转动时提动阀162与滑块一起移动以打开孔道164而提动阀160移到盖住孔道164的位置。必须注意到无论那个提动阀连接和密封通道164它都被压力差牢牢地固定。该提动阀由塑料材料做成，这种塑料与阀门导向部分表面58a的滑动摩擦系数很小。当通道164被打开时加在提动阀上的压力差不会明显地阻碍提动阀的运动。
驱动器机构92绕轴70在第一和第二位置之间来回转动抬起的阀门元件24(图示在图3和6)并将阀门元件重新落坐。图示的驱动器机构92包括一个对流体压力敏感的驱动活塞部件170和一个连带的凸轮传动装置172。
驱动活塞部件170沿轴70上下移动凸轮传动装置的元件。该活塞部件170包括一个由阀门元件24携带的驱动活塞180，一个在阀门元件24和驱动活塞之间起作用的活塞弹簧182，一个在阀门元件和活塞之间起密封作用以产生一个包含该活塞弹簧的活塞腔室186的活塞密封件184。一个通道188(图3-6)总是将流体通道62与活塞腔室186连通。一个在阀门元件底座表面60和活塞腔室186之间延伸的流体通道189能够只在阀门元件被抬起时连通腔室部分30a和活塞腔室186。
活塞180被安装成可沿轴70的方向相对阀门元件24上下移动。图示的活塞是一个杯状的基本上为圆柱形的元件，它安装在阀门元件表面58a上的圆柱形开孔190中并与轴70对中。该活塞弹簧182是一个螺线压缩弹簧，它包围一个伸入开孔190和活塞中的弹簧导向件192。
当阀门元件24在其第一或第二位置而腔室部分30a，30b都处在压缩机输出压力的水平时，活塞180被完全压入开孔190中，完全将弹簧182压缩。该活塞被压下是因为经通道188到流体通道62该活塞腔186内的压力保持在压缩机输入端的水平。活塞180的两端之间的压力差产生了一个力，该力超过了弹簧力和任何由密封件184引起的阻碍运动的摩擦力。
活塞密封件184与阀门元件开孔190的圆柱形壁密封地接合以阻碍通过活塞的泄漏。优选的密封件是一个与活塞本身连续模压的柔性圆环形凸缘。其它的密封结构也可以加以使用，如O形圈。当活塞没有受到压力差时活塞弹簧182施加一个大于足以克服由密封件184产生的阻碍上下运动的摩擦的力并移动该活塞。
当阀门元件24被抬起，腔室部分30b中的压力基本上与阀门元件流体通道62中的压力相同，因此，活塞180没有受到明显的压力差。从而作用在活塞180上并抵抗弹簧182的压力就消失了。于是活塞弹簧182就迫使活塞移出阀门开孔190并进入心轴元件74。由弹簧的储存能量产生的活塞运动激励凸轮传动装置172转动阀门元件。活塞的这种状态由图5A-C表示。
凸轮传动装置172在滑块102和阀门元件24之间起作用以便相对壳体22转动该阀门元件。活塞180通过舌榫和狭口结构被有效地锁在心轴元件上，这样阀门元件被迫反对相对于阀门元件的转动。心轴元件带有一个与相应的活塞狭口(图1)相互配合的舌榫194。心轴元件同样带有一个容纳相应的活塞舌榫的狭口196(图1)。
当活塞从阀门元件24中冒出时凸轮传动装置172就转动阀门元件，使它对其两个位置中的一个。该凸轮传动装置172包括在驱动活塞180相反的侧面形成的凸轮表面或凸轮滑边200，202，在滑块102上形成的在直径上相对的随动器204，206。凸轮滑边200可与随动器204相接合使阀门元件24绕轴70以一个方向转动。凸轮滑边202可与随动器206相接合使阀门元件24绕轴70以相反的方向转动。
凸轮表面200是一个螺线形的凸轮滑边，它从活塞180的封闭端沿其外表面延伸至相反的活塞端的一个与活塞密封件184轴向相隔一定距离的位置。构造凸轮滑边200使得当活塞移动通过其行程时凸轮滑边200和随动器204接合的空间位置相对于活塞轴70经过90°的弧度。
凸轮表面202是一个螺线形的凸轮滑边，它从活塞180的封闭端沿其外表面延伸至相反的活塞端的一个与活塞密封件184轴向相隔一定距离的位置。构造凸轮滑边200使得当活塞移动通过其行程时凸轮滑边202和随动器206接合的空间位置相对于活塞轴70经过90°的弧度。凸轮滑边200，202的螺旋角相同但它们的旋向或方向相反。凸轮滑边在它们靠近活塞密封件的端部互相邻近并在相反的伸出的活塞端相互邻近。
每个凸轮随动器204，206由一个凸出部分形成，该凸出部分从滑动零件140的内圆表面径向向内延伸以便与各自的凸轮滑边200，202接合。凸轮随动器204，206延伸穿过心轴元件侧壁上的带缺口开孔208(图1)以便与凸轮轨道接合。有缺口的开孔208很大并可以让阀门和心轴元件在它们可选择的位置之间转动而不会干涉凸轮随动器。当装配阀门10时随动器通过心轴元件的基座82上的狭口82a。
当阀门元件24处于其第一(图3)位置并要将系统流体反向时，螺线管被通电并移动滑块102使凸轮随动器204与凸轮滑边200在活塞的凸出端接合(图4)。同时滑块102将随动器206移开其对准凸轮滑边202的位置。滑块102还移动提动阀160使其打开孔道164并使阀门元件24上抬。见图5。
当阀门元件24被抬起，活塞弹簧182迫使活塞180移出圆柱形开孔190，且阀门元件24转入到对准其第二位置(图6)。随着活塞180从阀门元件开孔190中冒出，凸轮滑边200和随动器204接合并相对运动。滑块102被固定成不能相对壳体部件22转动而活塞180被固定成不能相对阀门元件24转动。从而，随动器204和凸轮滑边200之间的反作用力使阀门元件24绕轴70旋转一个随动器和凸轮滑边接合的90°的角度。该抬起的阀门元件对准其第二(图6)位置。
在图示的阀门20中，活塞180带有相同的突齿状的、从凸轮滑边200，202径向向外的凸轮元件210(见图1)。当活塞接近其行程的端部而凸轮滑边200与随动器204接合时，凸轮元件210与随动器206共同作用。每个凸轮元件210都提供了一个轴向延伸的凸轮狭口211以便在活塞完成其行程并完全伸出阀门元件时对相应的随动器204或206进行导向。
值得一提的是当阀门元件24刚开始抬起而驱动器机构刚开始转动该阀门元件时，通道189被打开并直接暴露给高压、热气态的、从系统直接流到腔室部分30a中的制冷剂。通道189使一些高压气体直接流入活塞腔室186，这样就有效地，至少是基本地补充了弹簧182驱动活塞的力。
当阀门元件完成其旋转并对准了其第二位置时，驱动器28以一个或两个独立的方法重新落坐在阀门元件24上。第一个方法是，驱动器机构施加一个促使阀门元件与底座60接合的力。第二个方法是，当阀门元件完成其旋转时控制阀90起作用以重新建立使阀门元件落坐的阀门元件两端的压力差。
当活塞180完成其相对于阀门元件24的行程而不能进行相对于壳体部件22的轴向运动时驱动器机构促使阀门元件24到其底座61上。因此，阀门元件24在壳体部件中轴向运动到达底座61上。优选的和图示的活塞180包括一个杆状的延长元件215，它穿过枢轴地伸出以便与壳体端帽34接合。阀门元件24在活塞180到达其行程的端头和活塞延长件215与端帽接合之前完成其旋转。随着活塞继续其行程延伸件215与端帽接合并限制了活塞元件相对于壳体部件的进一步的轴向运动。压缩弹簧182继续在活塞和阀门元件之间起作用这样就有一个阀门落坐反力施加到阀门元件上，该力促使阀门元件到达底座61上。
在本发明的图示和优选的实施例中，每个凸轮滑边200，202与相应的凸角状凸轮210的表面配合部分地形成了每一个轴向延伸的凸轮狭口211。每个该凸轮狭口211底部是由一个邻近活塞密封件184的轴向当阻挡面217形成的。凸轮随动器204，206与该轴向阻挡面接合以防止活塞进一步移出阀门元件。该轴向延伸的凸轮狭口211在阀门元件已经旋转90°之后容纳凸轮随动器并允许活塞继续其相对于阀门元件的轴向行程。该轴向延伸的凸轮狭口211限制活塞使其不能相对于阀门元件旋转，否则这种旋转可能会使阀门元件与底座61和控制阀90错位。
虽然由驱动器机构提供的阀门落坐力在刚开始时局限于弹簧182的所产生的落坐力，但是腔室部分30b的压力最终会上升并以一个强大的压力差落坐力来补充该弹簧力。
驱动器机构92驱动控制阀90是通过将阀门元件转动90°使孔164移到一个被提动阀162盖住并紧密密封的位置来进行的。这就截断了腔室30b与低压流体通道62的连通。由于受限的制冷剂流过节流环52，该腔室(30b)的压力开始上升到压缩机输入压力的水平。加在阀门元件24上的压力差的合成力使该阀门元件重新落坐在其第二位置上(图6)。
一旦阀门元件24重新落坐，活塞腔室186经通道188重新与压缩机的输入负压相连通。活塞180经受到一个加在其上的压力差(腔室部分30a的高压和活塞腔室186的低压之间)，该压力差远远超过弹簧182施加在活塞上的力。活塞就这样被强迫退入阀门元件开孔190中，并完全压缩弹簧182。注意，当活塞180被迫进入阀门元件开孔中时，不存在使阀门旋转的趋势，因为凸轮表面200，202和对应的随动器204，206不接合也没有进行驱动阀门元件的对位。
当要再进行制冷剂流体的反向时，螺线管100被断电。滑块102从其图6的位置移动，将随动器206对准凸轮滑边202。提动阀162从孔道164移开，从而抬起阀门元件。活塞180两端的压力差被消除且活塞180从阀门元件开孔190中冒出。
随着活塞通过其行程，凸轮滑边202和随动器206接合并互相相对运动。滑块102被固定为不能进行相对于壳体部件22的转动而活塞180被固定为不能进行相对于阀门元件的转动。从而随动器206与凸轮滑边202之间的反作用力使阀门元件24绕轴70旋转一个由凸轮滑边202所占的90°的角度。该仍旧抬起的阀门元件24对准其第一(图3)位置。
活塞180继续其行程，使延伸件215与壳体部件的端帽接合，这样，活塞弹簧182有效地迫使阀门元件与底座61接合。凸轮随动器204，206随着活塞继续其行程而移入它们对应的轴向凸轮狭口211中。该凸轮狭口211确保阀门元件在移向其底座时不会产生旋转。
当抬起的阀门元件一开始对准其图3的位置时，提动阀160截断孔道164，这样腔室30b不再与流体通道62连通。随着受限制冷剂流过节流环52，该腔室(30b)的压力开始上升到压缩机的输入压力水平。腔室30b中的上升的压力产生了一个加在阀门元件24上的压力，迫使该阀门元件与底座61形成牢固的落坐关系(图3)。由于施加在其上的压力差，活塞180也同样被迫反着弹簧力退入阀门开孔中。
阀门20的结构和操作使它能用于很多不同尺寸的制冷系统中而设有阀门不能完成换向运动的重大危险。其理由是这种新阀门不依赖于明显的系统压力差的连续存在来完成换向。假设当压缩机C刚被关闭时一个相对较小容量的系统S要求进行换向。螺线管100驱动控制阀90以便抬起阀门元件24。经被抬起的阀门元件系统的高和低压侧被连通。由于系统S小，它包含少量的制冷剂而且热交换器也小。这样系统的压力迅速达到相等。然而依靠储存在弹簧182中的能量该阀门元件24转到对准其两个位置中的一个，并且在活塞180完成其行程时由弹簧力使该阀门元件重新落坐。阀门的这种状态被图2显示。当压缩机再次循环到了＂开＂时，逐渐在腔室30a，30b中建立起了压力，产生了一个压力差，该压力差使阀门元件稳固地落坐同时再次压下活塞180将能量储存在弹簧182中以便完成下一次换向。
另外，由于阀门元件24在其所处的位置之间移动时是抬起的，所以不需要高强度、耐摩擦的底座和阀门滑动表面。阀门20的大部分组件可以由铸塑的零件构成。壳体部件、流体管、螺线管和弹簧基本上由金属构成。其它的零件都是塑料的。生产新阀门的劳动力和材料的费用远比生产已有阀门的小。
虽然在此只详细地图示和描述了一个本发明的优选实施例，本发明不限于所揭示的精确结构。对于在本技术领域熟练的人来说本发明可以产生各种修正变形和应用。在此本发明覆盖了落入本发明权利要求精神和范围内的所有这样的修正变形和应用。
权利要求
1.一种用于蒸气制冷系统的换向阀包括a.一个限定了一个腔室的壳体，该腔室带有经一个腔室壁通到所说腔室中的一个高压孔、一个低压孔和第一和第二系统孔；b.一个配置在所说壳体中以便与所说壁基本平行地在第一位置和第二位置之间运动的阀门元件，在第一位置中所说阀门元件将所说低压孔与所说第一系统孔连通同时将所说高压孔与所说第二系统孔连通，在第二位置中所说阀门元件将所说低压孔与所说第二系统孔连通，同时，将所说高压孔与所说第一系统孔连通，当所说阀门元件在所说第一和第二位置时截断所说高和低压孔的连通；c.所说阀门元件受到一个净压力差而使得所说阀门元件牢固地落坐于所说第一或第二位置，以便防止所说高压孔和所说低压孔之间的泄漏，d.一个用来反转作用在所说阀门元件上的净压力差的方向使所说阀门元件抬起并移开其第一或第二位置以便进行到达另一个位置的移动的驱动器。
2.根据权利要求1的阀门，其特征在于所说驱动器包括当所说阀门元件落坐在一个位置上时有封闭位置的控制阀，所说控制阀打开使压力差反转并抬起所说阀门元件。
3.根据权利要求1的阀门，其特征在于所说驱动器进一步包括一个阀门元件驱动器机构以便当所说阀门元件被抬起时在所说第一和第二位置移动所说阀门元件。
4.根据权利要求3的阀门，其特征在于所说驱动器机构移动所说阀门元件绕一根轴转动。
5.根据权利要求3的阀门，其特征在于所说驱动器机构包括弹簧装置，该弹簧装置在所说阀门元件落坐时被加载，而在所说阀门元件抬起时被去载以便为移动所说阀门元件提供能量。
6.一个用于流体系统中将流体方向换向的阀门包括a.一个限定一个高压孔、一个低压孔和第一和第二系统孔的壳体；b.一个在所说壳体中的阀门元件，所说阀门元件落坐在一个第一位置上，在此所说阀门元件将所说低压孔与所说第一系统孔连通，并且截断所说高压孔和所说低压孔之间的泄漏，所说阀门元件受到了一个压差落坐力，该力将所说阀门元件稳固地推在所说第一位置。c.所说阀门元件落坐在一个第二位置上，在此所说阀门元件将所说低压孔与所说第二系统孔连通，并且，截断所说高压孔和所说低压孔之间的泄漏，所说阀门元件受到了一个压差落坐力，该力将所说阀门元件稳固地推在所说第一位置。d.一个用来在所说位置之间移动所说阀门元件的驱动器，所说驱动器结构包括可以将作用在处于所说第一或第二位置上的所说阀门元件上以便抬起所说阀门元件的压力差的方向反转的控制阀，和一个于所说阀门元件上以便移动所说抬起的阀门元件对准所说的另一个位置的驱动器机构。
7.根据权利要求6的阀门，其特征在于所说驱动器机构包括一个用来绕一根轴相对所说壳体转动所说阀门元件的凸轮传动装置。
8.根据权利要求6的阀门，其特征在于驱动器机构包括一个对流体压力敏感的、用来移动所说抬起的阀门元件的活塞部件，所说活塞部件包括一个根据所施加的流体压力差而相对于所说壳体上下移动的活塞元件和一个在一个方向反对活塞的运动而在另一个方向完成活塞运动的弹簧。
9.根据权利要求8的阀门，其特征在于在阀门元件被移动后所说弹簧和活塞共同作用给所说阀门元件施加一个落坐力。
10.一种将流体系统中流体的方向换向的方法包括经一个阀门底座将一个高压孔、一个低压孔、和第一和第二系统孔与一个阀门腔室连通，这些孔都穿过该阀门底座；在所说腔室中配置一个阀门元件以便相对于该阀门底座在第一和第二位置之间运动。施加一个压力差到阀门元件上，该压力差的方向迫使阀门元件在阀门底座上以第一位置与阀门底座落坐并密封地接合。当该阀门元件落坐在所说的第一位置时通过经一个阀门元件流体通道将低压孔与第一系统孔连通引导系统流体以一个方向通过系统，高压孔经所说腔室与第二系统孔连通；偏移该阀门元件使其从第一位置移到第二位置；消除压力差以便抬起所说阀门元件；随偏移力沿一条阀门元件与底座分离了的路线将阀门元件从所说第一位置移到第二位置；重新建立所说压力差以便将在第二位置的元件推到与阀门底座接合；和当阀门元件落坐在所说第二位置时通过经所说阀门元件的流体通道将低压孔与第二系统孔连通将流体流过系统的方向反向，高压孔经所说腔室与第一系统孔连通。
11.一种将流体系统中流体的方向换向的方法包括经一个阀门底座将一个高压孔、一个低压孔、和第一和第二系统孔与一个阀门腔室连通，这些孔都穿过该阀门底座；在所说腔室中配置一个阀门元件以便相对于该阀门底座上下运动并施加一个第一压力差到阀门元件上迫使阀门元件在阀门底座上与阀门底座落坐并密封地接合；通过将上下移动的阀门元件以第一位置落坐在阀门底座上，将高压孔与第一系统孔连通同时将低压孔与第二系统孔连通，从而引导系统流体以一个方向通过系统；通过将上下移动的阀门元件以第二位置落坐在阀门底座上，将高压孔与第二系统孔连通，同时，将低压孔与第一系统孔连通，从而将通过系统的流体的流动方向反向；偏移该阀门元件使其从当前位置移到另一个位置；消除所说第一压力差；将第二压力差加到阀门元件上以便将阀门移开阀门底座；用偏移力将阀门元件移向另一个位置；和重新建立所说第一压力差使阀门元件以其另一个位置落坐在阀门底座上偏移阀门元件使它从当前位置移到另一个位置。
12.一个在制冷系统中的流体换向阀包括a.一个限定一个腔室的壳体；b.四个制冷剂孔通到所说腔室中，该腔室包括一个将所说腔室与从一个系统制冷压缩机排出的制冷剂连通的高压孔、一个将所说腔室与一个压缩机的输入端连通的低压孔、和将所说腔室与系统热交换器连通的第一和第二系统孔；c.一个配置在所说腔室中并限定了一个流体通道以便将所说低压孔与所说第一和第二系统中的一个连通的阀门元件；d.与所说低压孔和所说系统孔相连的底座结构，当所说阀门元件在其第一位置即所说流体通道将所说低压孔与所说第一系统孔连通时所说底座结构密封地与所说阀门元件接合，当所说阀门元件在其第二位置即所说流体通道将所说低压孔与所说第二系统孔连通时所说底座结构密封地与所说阀门元件接合；和e.一个用来相对于所说底座结构沿一条阀门元件与底座分离了的路线在所说第一位置和第二位置之间移动阀门元件的驱动器；f.所说驱动器包括用于在所说阀门元件两端建立一个压力差以便迫使所说阀门元件和所说底座密封地接合的压力控制阀，当所说阀门元件处在所说第一和第二位置时所说控制阀消除所说压力差使所说阀门元件与底座分离。
13.一种操作一个换向阀门以便可选择地将一个高压孔与第一和第二系统孔分别连通同时因而可选择地将一个低压孔与第二和第一系统孔分别连通的方法，包括的步骤为a.将阀门元件配置在第一位置以便将低压孔与第一系统孔连通；b.通过将一个第一阀门元件压力区域与低压孔连通，将一个第二的、相反的阀门元件压力区域与一个较大的压力连通来在阀门元件两端建立一个第一压力差；c.强制地将阀门元件以第一位置落坐在底座表面上，这样，在所说高压孔和所说低压孔之间沿该底座表面的泄漏被明显地截断；d.储存从所说第一压力差获得的驱动阀门元件的能量；e.消除所说第一压力差使阀门元件以阀门元件落坐力所产生的最小的阻力在其所说位置之间移动；f.通过移动所说阀门元件到所说第二位置而用掉储存的驱动能量；
14.一种操作一个换向阀门以便可选择地将一个高压孔与第一系统孔连通，同时，将一个低压孔与第二系统孔连通以及将一个高压孔与第二系统孔连通，同时，将一个低压孔与第一系统孔连通的方法，所包括的步骤为a.将阀门元件配置在第一位置以便低压孔与第一系统孔连通；b.通过将一个第一阀门元件压力区域与低压孔连通，将一个第二的、相反的阀门元件压力区域与一个较大的压力连通来在阀门元件两端建立一个第一压力差；c.强制地将阀门元件以第一位置落坐在底座表面上，这样，在所说高压孔和所说低压孔之间的连通被明显地截断；d.连通所说第一和第二压力区域以便明显地改变压力差；e.使所说阀门元件与底座表面脱离接合；f.移动所说阀门元件使其与第二位置并列；g.将阀门元件以第二位置落坐在底座表面上，这样，所说高压孔和所说低压孔之间的连通被明显地截断。
全文摘要
一个用于蒸气压缩制冷系统的换向阀包括一个限定了一个腔室壳体，该腔室带有穿过一个腔室壁通到所说腔室中的一个高压孔、一个低压孔和第一和第二系统孔；一个配置在壳体中以便与壁基本平行地在第一位置和第二位置之间运动的阀门元件，在第一位置中阀门元件将低压孔与第一系统孔连通，同时，将高压孔与第二系统孔连通，在第二位置中阀门元件将低压孔与第二系统孔连通，同时，将高压孔与第一系统孔连通，当阀门元件在第一和第二位置时截断高压和低压孔的连通；阀门元件受到一个净压力差而使得阀门元件牢固地落坐于第一或第二位置以便防止高压孔和低压孔之间的泄漏；一个用来反转作用在阀门元件上的净压力差的方向使阀门元件抬起并移开其第一或第二位置以便促进到达另一个位置的移动。
文档编号F16K31/42GK1130735SQ9511841
公开日1996年9月11日 申请日期1995年9月16日 优先权日1994年9月16日
发明者T·W·帕克 申请人:特拉华州兰科公司