在感應機構內(nèi)灌注液體制冷劑后，與其溫度相對應的飽和壓力p就通過毛細管而作用在膜片的上波紋面(參看圖6-2)。使膜片有一向下的推力P,其值等于p×(膜片受壓面積)。再看閥體里面部分，整個閥體是處在閥孔噴射出的低壓濕蒸汽區(qū)域，其壓力就是蒸發(fā)壓力P0，它充滿整個閥體中，并且通過傳動桿孔之間的間隙，作用于膜片的下波紋面形成一個向上作用力P0。其值等于p0×(膜片受壓面積)。還有一個向上的彈簧壓縮力W，它通過傳動桿和墊片也傳給膜片的下波紋面。至于由冷凝壓力pk引起的作用于閥針上的向下力pk，其值等于pk x (閥針孔面積)，但因閥針孔面積很小，故pk值很小，在分析時可以忽略不計。因此，膜片的上下兩面分別作用著P, P0與W力，并且是方向相反地對抗著，當三個力處在平衡狀態(tài)即P=Po+W時，膜片不動，也就是閥針的位量不動，閥針孔的開啟度不變。只要這三個力中任一力變化就會破壞原有的平衡，此時P≠Po+W。P與(Po+W)的差值稱不平衡力。由于膨脹閥各活動零件之間存在摩擦力，當不平衡力小于摩擦力時，膜片仍處于原位置不動，只有當不平衡力大于摩擦力時，膜片才開始動作(從而改變了閥針孔的開啟度)。此時彈簧的伸長度發(fā)生變化，W值就相應改變，直至建立新的平衡位置時(P, P0與W三力重新平衡)，膜片才停止動作。由于膨脹閥內(nèi)各活動零件之間的摩擦力很小，一般在分析時亦可忽略不計。
膨脹閥的工作原理就是利用P力的變化來改變閥針孔的開啟度，從而改變制冷劑的流量，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。膨脹閥工作時，可把感溫包扎在蒸發(fā)器出口管道上，如圖6-3所示。此時，感溫包中的飽和壓力P是訊號，由p而引起的P力是主動力，因為感溫包所處C點的過熱溫度總是大于蒸發(fā)溫度，故一般情況下，P力總是大于PO力。如果P力與PO力相等，不管有無彈簧力W,閥門將無法起調(diào)節(jié)作用。如果P力大于P0力，而無彈簧力W作用，將永遠使閥門處于開足位置而亦無法實現(xiàn)調(diào)節(jié)。因此，彈簧力W是起著平衡調(diào)節(jié)作用的力，改變W力的大小，可以改變膨脹閥的工作性能。當p> (Po+W)時，膜片向下移動，使閥針孔開大;當P< (Po+W)時，膜片向上移動，使閥針孔關小。從閥針孔嚴密關閉到克服W力后開始開啟所需的過熱度(C點過熱溫度與蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)溫度之差)，稱膨脹閥的靜裝配過熱度(一般約為3℃)"膨脹閥的工作過熱度(一般5℃左右)總是大于靜裝配過熱度。靜裝配過熱度太小會造成膨脹閥關閉不嚴密，以及可能因吸氣管帶液而使壓縮機產(chǎn)生液擊。靜裝配過熱度太大又會造成膨脹閥的工作過熱度過高而使蒸發(fā)器傳熱面積得不到充分利用，影響制冷機工作經(jīng)濟性。
現(xiàn)在以圖6-3冷庫的蛇形蒸發(fā)排管為例，來說明膨脹閥的工作情況。該制冷系統(tǒng)采用F-12為制冷劑，膨脹閥的感溫包也充注F-12。感溫包扎在蒸發(fā)器出口的蒸汽過熱區(qū)(C點)。液態(tài)F-12經(jīng)膨脹閥孔節(jié)流噴入閥體成為低溫濕蒸汽，從A點流入蒸發(fā)排管，在排管中蒸發(fā)吸熱，使?jié)裾羝幸后w成分逐漸減少，至B點時全部蒸發(fā)成干蒸汽。如忽略排管內(nèi)流動阻力，則在B點前F-12的溫度不變，即為該蒸發(fā)壓力下的飽和溫度。當干蒸汽離開B點后，將繼續(xù)吸熱成為過熱蒸汽，溫度逐漸上升，至C點的溫度作為膨脹閥感溫包受傳感的過熱溫度，溫包內(nèi)的F-12壓力是C點過熱溫度相對應的飽和壓力(忽略蒸發(fā)排管與感溫包的傳熱溫差)。
冷庫在連續(xù)降溫過程中，膨脹閥閥孔隨著C點過熱度的變化在頻繁地開大與關小。設開始時排管內(nèi)F-12的蒸發(fā)壓力P0為1.86公斤/厘米2，相應的蒸發(fā)溫度為一15℃ (B點前)，在C點的過熱溫度為一10.5℃。如忽略傳熱溫差，則感溫包內(nèi)F-12的充劑溫度亦為-10.5℃,感溫包內(nèi)的飽和壓力P則為2.19公斤/厘米2，膨脹閥的工作過熱度為4.5℃。又設折算的彈簧壓緊力w(其值等于彈簧壓緊力w除以膜片受壓面積)為0.23公斤/厘米2(約相當于靜裝配過熱度3℃)。此時膜片受到的向下不平衡力(折算至每厘米2膜片受壓力)為:
此不平衡力促使膜片向下移動，閥針孔開始開大，制冷劑流量隨著增加，蒸發(fā)壓力與溫度上升，干蒸汽B點的位置左移至B1點。同時亦使彈簧的壓縮力有了增加，直至三力平衡(P=Po+w)為止，閥門才停止動作。
然而這一平衡現(xiàn)象是暫時的。因為當閥門開大，制冷劑流量增大，蒸發(fā)溫度上升后，C點制冷劑的過熱溫度亦要下降。但由于溫度傳遞有滯后現(xiàn)象，C點制冷劑的溫度變化不能立即反映到感溫包內(nèi)。隨著時間的推遲，感溫包內(nèi) F-12的溫度才逐漸下降，從而又使膜片上面的壓力p值下降，出現(xiàn)p< (Po+w)的情況，此時膜片就要向上移動，閥針孔關小，制冷劑流量隨著減小，蒸發(fā)壓力與溫度下降，干蒸汽點位置由B1后移至B2點。同時亦減輕了彈簧的壓縮力，直至三力再次平衡，閥門又停止動作。
同樣，這一平衡現(xiàn)象仍是暫時的。因為蒸發(fā)溫度下降后，C點的過熱溫度又有些升高，由于溫度傳遞的滯后現(xiàn)象，要經(jīng)過片刻后感溫包內(nèi)的溫度才會逐漸上升，從而再次使p值增高，出現(xiàn)P>（p0+w)的情況而使閥針孔開大。干蒸汽點由B2前移至B3..3…熱力膨脹閥就是這樣頻繁地開大、關小地工作。冷庫降溫的初階段，閥門動作的輻度較大，降溫快。當接近終溫時，由于蒸發(fā)溫度與冷庫溫度差小，閥門每一動作的輻度逐漸縮小，降溫速度就減慢。從上例中看出，每開大或關小一次，其蒸發(fā)溫度就下降一點，因此，膨脹閥的流量是波浪式地逐步減小。當工作過熱度減至最低限度時(不小于靜裝配過熱度)，閥門就無能力自行縮小了。若人為地過分放松彈簧的壓縮予緊力，閥門就會失去控制作用，出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，破壞了正常降溫。
一個理想的熱力膨脹閥應當控制使進入蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑正好等于在蒸發(fā)器中蒸發(fā)的數(shù)量;在工作溫度條件下，過熱度不能過高，以便使蒸發(fā)器能夠得到充分的利用;在工作過程中應當隨著冷負荷的變化迅速改變進入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑的數(shù)量，使之保持平衡。但是，由于膨脹閥感溫包所感受的溫度不那么及時，因為感溫包本身有一個熱慣性，使訊號傳遞有滯后現(xiàn)象。例如:當閥門開大時，過熱度就隨著縮小，由于感溫包的感受熱量不及時，閥門還繼續(xù)開大，以致超過正常的需要量，過量液體進入蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器出口管道(即口點)的過熱度小于所要求的過熱度，閥門才關小。同理，在閥門關小時，過熱度隨著增大，也由于感溫包的感受熱量不及時，閥門還繼續(xù)關小，以致小于正常需要量，使進入蒸發(fā)器的流量不足，蒸發(fā)器出口管道(即C點)過熱度大于所要求的過熱度，閥門才開大，如此反復不已。另外，由于膨脹閥各活動零件之間存在摩擦力，所以膨脹閥的供液量總是如圖6-4所示波動地進行著，不能完全適應制冷系統(tǒng)實際需要的供液量，所以熱力膨脹閥的靈敏度還不理想，有待于進一步改革。
