機械式燃氣溫控閥的典型流量溫度曲線與其機械結構分析

王玉

摘 要：本文從小流量機械式燃氣恒溫器的典型流量溫度曲線的視角切入，對流量溫度控制的兩種典型方式相應機械結構進行了匯總及對照分析（基于EN標準的燃氣閥）。介紹了不同流量曲線對應的閥門關閉件的典型機械驅動機構工作原理及應用，并著重介紹了結構中關鍵件—跳轉彈簧的特性和影響。

關鍵詞： 燃氣閥 燃氣控制器 自動恒溫器 流量控制 精度偏差

1.概述

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。它的原理是通過熱漲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到達控制燃燒熱備設定溫度的目的。該燃氣閥廣泛應用于壁掛爐?熱水器?灶具和烤箱等多種燃氣設備，

現代社會自動化程度愈來愈高，燃氣設備大都是需求燃氣控制閥啟動后燃氣通路可以根據被加熱介質的反饋來控制實現自動燃氣流量調節從而保持被加熱介質溫度值恒定在設定值。基于應用下文將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。

2.通斷型燃氣閥

2.1.溫度流量曲線：通斷型燃氣閥的主閥口只有開關兩個位置，分別對應如圖通斷型流量溫度曲線（1）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

通斷型閥口流量溫度曲線（1） 通斷型閥口流量調節機構（2）

2.2.機構動作原理：燃氣通路開啟后燃氣到達閥口上方如圖通斷型閥口流量調節機構 （2）， 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到達設定溫度T1，反饋系統中熱漲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，反饋系統中熱漲式熱電偶隨著溫降縮短在壓簧作用下復位使得施加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。

3.分段流量調節型燃氣閥

3.1.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，如圖分段流量調節型流量溫度曲線 （3） 流量溫度曲線所示。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）。

分段流量調節型流量溫度曲線（3）

3.2.對應的機械結構將由兩個閥口來實現上圖溫度流量曲線，典型結構列舉了如下圖示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的功能。

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（4a）（4b）， 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，反饋系統中熱漲式熱電偶遇熱膨脹伸長壓桿產生向下機械位移使得大閥口關閉，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， 熱漲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漲式熱電偶長度縮短使得跳簧自動復位，接著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。

兩個閥口布置為并聯型結構見如圖（4a） 兩個閥口布置為串聯型結構見如圖（4b）

4.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，實際中熱漲式波紋管溫度反饋速度的滯后將實際使得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的現象。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，這樣就更好的保證了設定精度以及避免了燃氣的浪費。用戶可以綜合精度?溫度?恒溫效果需求考慮來選擇具體的類型。

5.燃氣閥精度與回差

回差即流量溫度曲線中a是指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的遲滯特性產生的，顯然回差a越小則說明被加熱介質越接近設定的恒溫狀態，也就標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，設計中應該對影響控制精度的關鍵件驗證。

6.影響回差的關鍵件

機構動作原理的分析中可以看出具有兩個位置的跳轉簧片是實現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即會發生瞬間跳轉，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? Ansysis 等軟件相互驗證來選用合適的料厚，并設計適宜的形狀，零件成型后進行時效處理，保證開關動作時機械性能。

另外注意在跳轉簧的計算中臨界條件是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。

7.結語

從文中的介紹可以認識到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。需要注意的是文中分析的跳轉簧機械結構是燃氣流量小于15標升/分鐘的小流量機械式燃氣閥，對于大流量的閥類似的結構考慮簧片的性能和使用壽命問題，可以考慮增加杠桿結構縮放力值去實現。

參照文獻：

[1] EN 161 Automatic shut-off valves for gas burners and gas appliance

[2] EN 126 Multifunctional controls for gas burning appliance

[3] EN13611 燃氣設備的安全