燃氣比例閥背壓管連接結構的設計與應用

劉 樺 王杰盛 蔣小波 張 毅

（1.廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300；2.廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

引言

燃氣比例閥是恒溫燃氣熱水器的關鍵零部件，具有穩壓和比例調節的作用，其中動鐵芯燃氣比例閥具有電流與流量線性關系好、流量大的特點。動鐵芯燃氣比例閥常用于強鼓型燃氣熱水器，普通的比例閥無背壓管連接結構，背壓室通過呼吸孔與大氣相連。在標準EN 26中，有逐漸堵塞排煙口、進風口時燃氣熱水器的煙氣中CO含量不得超過特定值的要求[1]，因此在逐漸堵塞排煙口、進風口時，煙氣中CO、NOx等氣體的含量是否可控很關鍵，普通燃氣比例閥往往難以勝任。在動鐵芯燃氣比例閥上設置背壓管連接結構，通過背壓管將燃燒室相連，背壓室的壓力與燃燒室的壓力一致。帶背壓管連接結構的比例閥在逐漸堵塞排煙口、進風口時表現如何，本文進行了研究，并介紹了動鐵芯燃氣比例閥的背壓管連接結構的設計方案。

1 燃氣比例閥背壓管連接結構的設計方案

1.1 獨立連接結構方案

在專利CN208845910U《用于燃氣比例閥的背壓管連接結構》中，公布了一種獨立的背壓管連接結構方案，在現有燃氣比例閥的基礎上新增連接結構，連接結構設置在閥蓋與比例調節閥之間，連接結構的一端設置有用于與背壓管相連接的連接口，另一端設置有沉臺結構，沉臺結構處放置密封圈，用于將閥蓋與連接結構密封[2]。

該方案的好處是現有結構不用改動，缺點是增加了密封圈和連接結構這兩個物料，比例閥的安裝工序增加，而且用密封圈密封可靠性較差。

1.2 下閥座連接結構方案

在專利CN103994258B《兼具比例電磁閥調節和燃燒室氣壓反饋調節的燃氣閥》中，公布了一種背壓管連接結構設置在下閥座的方案，在下閥座的側邊對應穩壓彈簧的位置設置背壓管連接結構[3]。

該方案的好處是背壓管連接結構與下閥座一體成型，但缺點卻很明顯，與現有結構不通用，且帶連接結構的下閥座無法用純鐵加工成型，導致磁場力比現有結構弱，經過測試，燃氣熱水器在額定負荷時燃氣比例閥的二次壓小300 Pa左右（前壓為2 800 Pa模式）。

1.3 閥蓋與連接結構一體化方案

鑒于上述兩種方案都有各自的缺點，因此本文提出一種新的設計方案，將背壓管連接結構與閥蓋進行一體化設計，將原有的純鐵鈑金件閥蓋改為壓鑄鋁閥蓋，并在新的閥蓋上設置背壓管連接結構，一體式壓鑄成型，見圖1所示。隔膜與閥蓋之間形成背壓室，連接結構中部設置連接孔，在背壓室與連接孔直接設置有呼吸孔，背壓管設置在連接結構與燃氣熱水器的燃燒室直接，使背壓室與燃燒室相通，壓力一致。本方案一體化成型，方便快捷，不增加零部件，不增加工序，也無密封圈，安全可靠，二次壓也不會下降太多。

2 在燃氣熱水器整機上的應用

2.1 出氣壓力與背壓的關系

按上述閥蓋與背壓管連接結構一體化方案組裝燃氣比例閥，并將該燃氣比例閥裝在某型號室外型燃氣熱水器上，燃氣熱水器的燃燒室相對密封，風機為強鼓式，通過背壓管將連接結構與燃燒室相連，此時燃氣比例閥的隔膜背壓室與燃氣熱水器的燃燒室的壓力一致。

設置好燃氣比例閥的低端二次壓和高端二次壓對應的電流后，從低端開始調節電流檔位，記錄燃氣比例閥的電流與隔膜背壓室的壓力（背壓）、出氣壓力（二次壓）的關系，如圖2所示。

從圖2中可以看出，在燃氣比例閥的電流從75 mA增加到190 mA的過程中，燃氣比例閥的二次壓與背壓均隨比例閥電流的增加而增加，用多項式對曲線進行擬合，可以看出二次壓、背壓與電流的平方相關。比例閥電流增加，鐵芯受到的磁場力增加，鐵芯帶動氣門向上運動，閥口開度增加，二次壓增加。比例閥電流增加，風機電流會跟隨增加，由于燃燒室相對密封，燃燒室的壓力增加，背壓管將燃燒室與背壓室相連，則背壓室的壓力也增加。

背壓管不連接，此時隔膜背壓室與大氣相通，記錄不同電流值時的燃氣比例閥的出氣壓力。可以發現，此時的燃氣比例閥的出氣壓力比連接背壓管時的出氣壓力要小，且連接背壓管時的出氣壓力與不連接背壓管時的出氣壓力的差值，與相應的背壓值一致，這是因為，連接背壓管時，燃氣比例閥背壓室與燃氣熱水器的燃燒室相通，壓力一致，隨著背壓室的壓力增加，則隔膜受到向上的力增加，帶動氣門向上運動，閥口開度增加，出氣壓力增加。

2.2 堵塞排煙口和進風口實驗

為進一步驗證上述現象與風機結構和燃燒室狀態有關，而與燃氣熱水器的具體類型無關，將上述閥蓋與背壓管連接結構一體化方案組裝的燃氣比例閥安裝在某型號平衡式燃氣熱水器上，同樣的，燃燒室相對密封，風機為強鼓式。

背壓管不連接，此時隔膜背壓室與大氣相通，記錄逐漸堵塞排煙口和進風口時熱水器負荷偏差與風機轉速的關系，如圖3所示。

從圖中可以看出，背壓管不連接時，隨著堵塞程度的增加，風機轉速增加，堵塞排煙口時，風機轉速從3 350 r/min增加到3 670 r/min，熱負荷下降且下降比例較大，在3 670 r/min時，熱負荷下降了14.5 %；而堵塞進風口時，風機轉速從3 350 r/min增加到3 700 r/min，熱負荷上升，在3 700 r/min時，熱負荷上升了4.7 %。也就是說，背壓管不連接時，堵塞排煙口與進風口時燃氣熱水器的熱負荷變化趨勢不一樣，導致在逐漸堵塞時，煙氣中CO、NOx等氣體的含量不可控。

通過背壓管將燃氣比例閥的背壓管連接結構與燃氣熱水器的燃燒室相連，此時燃氣比例閥的隔膜背壓室與燃氣熱水器的燃燒室的壓力一致，記錄逐漸堵塞排煙口和進風口時熱水器負荷偏差與風機轉速的關系，如圖4所示。

從圖4可以看出，背壓管連接時，隨著堵塞程度的增加，風機轉速增加，堵塞排煙口與進風口時燃氣熱水器的熱負荷均呈下降趨勢，且下降比例較小，風機轉速從3 350 r/min增加到3 700 r/min，堵塞排煙口時熱負荷下降了1.2 %，堵塞進風口時熱負荷下降了1.7 %，有利于控制煙氣中CO、NOx等氣體的含量。

3 結論

介紹了動鐵芯燃氣比例閥背壓管連接結構的設計方案，提出一種新的方案，閥蓋與背壓管連接結構一體化成型，不增加零部件，不增加工序，也無密封圈，安全可靠，二次壓也不會下降太多。燃氣比例閥連接背壓管時的出氣壓力與不連接背壓管時的出氣壓力的差值，與相應的背壓值一致。經試驗研究發現，強鼓型燃氣熱水器的燃燒室相對密封，背壓管不連接，隨著堵塞程度的增加，風機轉速增加，逐漸堵塞排煙口時，熱負荷下降且下降比例較大，而逐漸堵塞進風口時熱負荷上升，逐漸堵塞排煙口與進風口時燃氣熱水器的熱負荷變化趨勢不一樣，導致在堵塞時，煙氣中CO、NOx等氣體的含量不可控；背壓管連接時，隨著堵塞程度的增加，風機轉速從3 350 r/min增加到3 700 r/min，燃氣熱水器的熱負荷均呈下降趨勢，且下降比例較小，堵塞排煙口時熱負荷下降了1.2 %，堵塞進風口時熱負荷下降了1.7 %，有利于控制煙氣中CO、NOx等氣體的含量。