機械式燃氣溫控閥的典型流量溫度曲線與結構

王 禹

(黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150001)

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機械式燃氣溫控閥的典型流量溫度曲線與結構

王 禹

(黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150001)

通過介紹機械式燃氣恒溫器的流量曲線特點及機械結構，了解關鍵件對關鍵參數回差的影響及跳轉簧片設計中應注意的問題。需要注意的是，跳轉簧機械結構是燃氣流量小于15 L/min的小流量機械式燃氣閥，對于大流量的閥類似的結構，要考慮簧片的性能和使用壽命問題，可增加杠桿結構縮放力值。

機械式；燃氣；溫控閥；典型流量；溫度曲線

機械式燃氣溫控閥通過控制燃氣流量來控制后序燃氣設備的設定溫度，此類燃氣溫度控制器的特點是可以應用在沒有電源的場合，實現燃氣流量的自動控制。它的原理是通過熱脹式波紋管遇熱膨脹變形產生位移來影響閥口彈片的跳轉，從而調節閥口的有效流通面積，以達到控制燃燒熱備設定溫度的目的。現代社會自動化程度越來越高，燃氣設備大都需要燃氣控制閥，根據被加熱介質的反饋來控制燃氣流量，從而保持被加熱介質溫度值恒定在設定值。筆者針對自動開關型的機械式燃氣閥/自動恒溫器的典型流量曲線及其控制機構進行介紹。

1 通斷型燃氣閥

1.1 溫度流量曲線

通斷型燃氣閥的主閥口只有開關兩個位置，分別對應如圖1通斷型流量溫度曲線所示的Qmax及Q0。T1=設定的關閉溫度，T2=對應關閉溫度T1的自動開啟溫度，a=T2-T1。

1.2 機構動作原理

燃氣通路開啟后，燃氣到達閥口上方，如圖2所示為通斷型閥口流量調節機構，初始位置此閥口為常開狀態，此時閥口流通面積為最大，即燃氣流量為最大值Qmax。一段時間后，被加熱介質經燃氣加熱達到設定溫度T1，反饋系統中熱脹式熱電偶遇熱膨脹后壓縮彈簧產生機械位移，向下傳遞給跳轉簧片，使得跳轉簧片向下跳轉閥口關閉，此時燃氣通路切斷燃氣流量Qmin=0。隨著燃氣設備的熱量流失，被加熱介質溫度下降到T2，反饋系統中熱脹式熱電偶隨著溫度降低，壓簧復位，施加在跳轉簧片上的壓力消失，從而跳轉彈簧自動復位回到初始位置，即閥口常開的流通量最大狀態。照此工作循環被加熱介質溫度可以穩定在設定值范圍。

圖1 通斷型閥口流量溫度曲線Fig.1 On-off valve port flow temperature curve

圖2 通斷型閥口流量調節機構Fig.2 On-off valve port flow adjustment mechanism

2 分段流量調節型燃氣閥

第一，溫度流量曲線：伺服調節型燃氣閥的主閥口有開關功能，且中間流量狀態可自動調節，如圖3所示為分段流量調節型流量溫度曲線。流量曲線是兩條直線(定流量段)加上斜線(兩個流量段的過渡)。

第二，對應的機械結構由兩個閥口來實現，典型結構列舉了兩個閥口串聯和兩個閥口并聯的形式，其機械結構不同，但能實現同樣的分段式溫度流量曲線功能。

圖3 分段流量調節型流量溫度曲線Fig.3 Section flow-regulation type flow temperature curve

圖4 兩個閥口布置為并聯型結構Fig.4 Two valve ports arranged in parallel structure

雙閥口機構動作原理：燃氣通路開啟后，燃氣到達大閥口上方，如圖4、5，初始位置流量調節機構中兩個閥口為常開狀態，此時流通面積為兩個閥口累積的最大狀態，即燃氣流量為最大值Qmax，被加熱介質經燃氣燃燒加熱到達設定溫度T1，反饋系統中熱脹式熱電偶遇熱膨脹伸長，壓桿產生向下機械位移，使大閥口關閉，工作過程對應流量溫度曲線中的斜線；此時閥口流通面積為小閥口的最大流通面積，即燃氣流量對應Qmin；在溫度增至T2的過程中，熱脹式熱電偶繼續遇熱膨脹機械位移向下增加，超過小閥口的跳轉簧臨界位置使跳轉簧瞬間跳轉，小閥口關閉此時燃氣流量為最小值Q=0；加熱過程結束。隨著被加熱介質熱量損失，溫度降低，熱脹式熱電偶長度縮短，使得跳簧自動復位，閥口反向動作小大閥口依次開啟至最大流量狀態，重新加熱過程啟動。照此工作循環被加熱介質溫度可以穩定在設定值范圍。

圖5 兩個閥口布置為串聯型結構Fig.5 Two valve ports arranged in series structure

3 通斷型燃氣閥與分段流量調節型燃氣閥對比

流量溫度曲線圖1和圖3對照可知，通斷型燃氣閥的流量理論上在到達設定溫度最大值后瞬間切斷，實際中熱脹式波紋管溫度反饋速度的滯后會使多余的燃氣進入燃具設備，造成被加熱的介質超出設定溫度。對于分段流量調節型燃氣閥在接近設定溫度時，燃氣閥將自動調整為小流量，這樣就保證了設定精度，避免了燃氣的浪費。用戶可以綜合精度、溫度、恒溫效果考慮選擇具體的類型。

4 燃氣閥精度與回差

回差即流量溫度曲線中a代表的燃氣恒溫器設定溫度與實際溫度的差值，恒溫器啟動后，被加熱介質的時間溫度將在這個范圍內浮動。差值是由于跳簧本身的固有遲滯特性產生的，顯然回差a越小，說明被加熱介質越接近設定的恒溫狀態，也就表明燃氣閥的精度越好，因此回差a是衡量燃氣控制閥精度的重要指標，設計中應對影響控制精度的關鍵件驗證。

5 影響回差的關鍵件

機構動作原理可以看出具有兩個位置的跳轉簧片是當溫度到達設定值后，閥口瞬間關閉的關鍵件。跳轉簧的特性是簧片彈性變形超過了臨界點，發生瞬間跳轉，而外力消失后，簧片又回復到初始的自由位置。

接觸簧片屬彈性零件，工作時長期處在彎曲應力或反復轉換應力的作用下，因此，接觸簧片要具有良好的彈性和抗疲勞強度，根據設計要求選用具有較高彈性、韌性及強度的材料，如不銹鋼303鈹青銅Qbe2.0等。可采取撓度公式計算，結合靜態分析工具，如Mechanica等軟件相互驗證選用合適的料厚，并設計適宜的形狀，零件成型后進行時效處理，保證開關動作的機械性能。另外，在跳轉簧的計算中，到達臨界條件時，開關接觸簧片產生彈性變形，只有撓度大于等于接觸簧片彈性變形量時，才能保證開關的正常工作。

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Typical flow temperature curve and structure of mechanical gas temperature control valve

WANG Yu

(Heilongjiang Institute of Mechanical Science, Harbin 150001, China)

By introducing the flow curve characteristics and mechanical structure of mechanical gas thermostat, the influence of key parts on the hysteresis of key parameters and the problems in the design of jumping reed are discussed. It should be noted that the jump spring mechanical structure is a small flow of gas flow less than 15 L/min mechanical gas valve. It needs to consider the reed performance and service life for large flow of the valve, which can increase the leverage structural scale force.

Mechanical; Gas; Temperature control valve; Typical flow; Temperature curve

2017-01-27

王禹(1981-)，男，碩士，工程師。

TH134

A

1674-8646(2017)08-0068-02