燃氣比例閥與分氣桿的一體化設計與應用

張 毅 袁金魁 劉 樺

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

家用燃氣熱水器具有加熱快速、體積緊湊、價格低等特點，在市場競爭中占據優勢，連續多年成為中國家用熱水器市場上銷售額份額第一的類別[1]。其中帶自動恒溫功能燃氣熱水器，使用過程中能保持水溫穩定，為用戶帶來更好體驗，深受用戶喜愛。然而在中低端熱水器市場，由于成本、結構限制，最低溫升過高問題，仍然一直困擾著很多消費者[2]。

對于目前燃氣熱水器普遍采用的大氣式燃燒型產品來說，分段燃燒能有效擴大負荷調節范圍。分段方式跟成本和產品性能關系密切。中低端熱水器在設計時基于合理成本控制，往往選擇簡單的分段方式[3]，導致出現最小溫升過高問題。

本文旨在探討一種創新方案，通過把比例調節閥應用于分段燃燒控制，實現燃氣比例閥與分氣桿結構一體化，在增加分段降低最低溫升的同時有效降低成本，提高中低端熱水器性價比，切實提升用戶體驗。

1 燃氣比例閥與分氣桿的一體化設計方案探討

1.1 現有燃氣比例閥和分氣桿的結構

燃氣比例閥是快速恒溫型燃氣熱水器核心部件，燃氣比例閥上設置有截止閥和比例調節閥，作用分別是控制燃氣通斷和調節燃氣壓力，使熱水器具備安全用氣及自動恒溫功能。分氣桿上設置有電磁閥，作用是把燃氣分配到各個噴嘴，實現分段燃燒擴大熱負荷調節范圍。現有產品在設計上燃氣比例閥和分氣桿是獨立的兩個部件，兩者通過法蘭連接成一體，結構原理圖如圖1所示。

可以看出，燃氣比例閥的截止閥和比例調節閥設置在燃氣主路，控制燃氣通斷和流量大小；分氣桿的電磁閥位于燃氣支路，控制支路燃氣打開和關閉。圖1（a）所示為簡單的兩分段結構方式，只需要一個電磁閥，成本較低，最小負荷是三排火燃燒；圖1（b）所示為復雜的三分段結構方式，需要兩個電磁閥，成本較兩分段結構高20 %以上，最小負荷是一排火燃燒，最低溫升明顯優于兩分段結構。

圖1 燃氣比例閥與分氣桿現有結構原理圖

當前行業對三分段結構進行優化，通常根據熱負荷大小對結構進行差異化設計，減少材料用量使成本有所下降，但由于基本結構沒有重大變更，使得優化空間有限，這種優化方式接近瓶頸。傳統三分段功能的燃氣比例閥與分氣桿的成本偏高成為阻礙其在中低端熱水器推廣使用的主要原因。

1.2 燃氣比例閥與分氣桿的一體化設計方案

比例調節閥兼具截止功能，可以替代電磁閥實現分段控制功能，由此提出了一種新的結構方案，結構原理圖如圖2所示。

圖2 燃氣比例閥與分氣桿的一體化設計方案結構原理圖

從用氣安全角度考慮，燃氣比例閥與分氣桿的一體化設計方案仍然采用截止閥作為第一道可關閉閥門，第二道截止功能由處于支路上的兩個比例調節閥兼具，符合GB 6932中關于燃氣通路的強制要求。

由于比例調節閥設置在燃氣支路上，單個比例調節閥控制的燃氣流量比現有設置在主路上的比例調節閥控制的燃氣流量小，因此，可以對一體化方案的比例調節閥小型化，一體化燃氣比例閥與分氣桿整體結構如圖3所示。

圖3 一體化燃氣比例閥與分氣桿的結構示意圖

進氣通道位于分氣桿下方，兩者呈T字型，第一道截止閥位于進氣通道上，比例調節閥設置在進氣通道左右兩側。燃氣從進氣通道經過截止閥后，分別進入左右兩側燃氣支路，經過支路上比例調節閥調節壓力或流量后，進入對應的分氣腔并從噴嘴噴射出來。當比例調節閥斷電時，可截斷對應的支路，而不影響另一支路的燃氣輸出。上述結構方式流道彎道數量少可減小氣體流動過程中局部壓力損失，并有利于閥體模具一體成型。在其中一支路上設置電磁閥用于增加支路的分段功能，實現了1/3/6三分段形式，滿足熱水器最低溫升要求。

在成本上，由于閥體采用一體化壓鑄成型，結構緊湊，流道彎道少，相比傳統結構減少一壓鑄件；比例調節閥小型化使得比例線圈和整體尺寸大幅減小，比例調節模塊成本下降約40 %。對于一體化燃氣比例閥與分氣桿，新結構方案在材料成本和產品體積上，都具有明顯優勢，新結構三分段方式與傳統的二分段結構成本相當，因此從成本上分析，新型三分段一體化燃氣比例閥與分氣桿可應用在中低端熱水器上，可維持整機價格不變而帶來更低的溫升，符合消費者的期待。

2 驗證分析

根據上述設計制作手板樣件進行測試驗證，驗證過程分為樣件測試和整機對比測試兩部分，樣件測試主要考核比例調節閥基本性能指標，即比例調節模塊小型化之后在燃氣支路上的性能表現；整機對比測試主要驗證新結構一體化燃氣比例閥與分氣桿和傳統燃氣比例閥和分氣桿在燃氣熱水器整機上的性能差異。

2.1 樣件測試

比例調節模塊的基本性能包括比例特性和穩壓特性。測試采用壓縮空氣作為氣源，當量噴嘴孔徑為φ3mm，測試電源模式為直流脈沖。比例特性測試設定一次壓力為2000 Pa，控制電流從80 mA逐漸增大到180 mA，測量并記錄對應的二次壓力值，描繪出電流和二次壓力的關系曲線（I-P曲線）；穩壓特性測試設定控制電流設定在120 mA、150 mA、180 mA，在每一個電流值，使一次壓力從0 Pa逐漸增大到4000 Pa，測量并記錄對應的二次壓力值，描繪出一次壓力和二次壓力的關系曲線（P-P曲線）。測試結果如圖4所示。

圖4 比例調節模塊基本性能測試結果

從圖6測試結果可以看出，I-P曲線基本成線性，回差小于60 Pa，說明調節性能好，有利于整機快速恒溫，精準控溫；從三組P-P曲線來看，正常工作區間內壓力波動不超過80 Pa，穩壓性能符合要求。

2.2 整機對比測試

以某一型號恒溫型燃氣熱水器為測試平臺，保持燃氣壓力和水壓、水溫基本恒定，分別測試傳統結構和新結構燃氣比例閥與分氣桿在整機上的性能，包括控制電流對出水溫度的關系、控制電流對二次壓力的關系。由于新結構采用了兩個比例調節模塊，整機控制板只能對其中一個模塊進行控制，因此在測試時對另一比例調節模塊外接電源，并使外接電源輸出電流始終等于控制板的輸出電流。測試結果如圖5和圖6所示。

圖5 傳統比例閥和分氣桿在整機上的性能

通過擬合直線的關系式可知，兩種結構燃氣閥在整機上的性能表現相似，在相同的控制電流下，輸出二次壓力和出水溫度都非常接近。說明一體化燃氣比例閥與分氣桿在熱水器上的應用是可行的。

3 結論

比例調節閥利用自身截止功能用于控制分段燃燒，在結構原理上是可行并符合相關規定的。通過合理設計使比例調節閥小型化，有助于實現燃氣比例閥與分氣桿的閥體一體化，有效降低成本。經初步測試表明，新型燃氣比例閥與分氣桿的比例特性和穩壓特性均能保持高的性能水平，整機基本性能與傳統燃氣閥對比結果非常接近，具有可替代性。

圖6 一體化燃氣比例閥與分氣桿在整機上的性能

新型一體化燃氣比例閥與分氣桿的特點是把比例調節閥設置在燃氣支路上，可獨立控制支路燃氣調壓穩壓以及氣路通斷，此方案為燃氣比例閥與分氣桿提供新的開發思路。在熱水器上應用需要配合相應的控制電路，開發適應的控制邏輯，并應制定相適應的使用規范。新方案為熱水器工作運行過程帶來的特殊有益效果，有必要進一步深入討論和研究。