机械式燃气温控阀的典型流量温度曲线与其机械结构分析

王玉

摘 要：本文从小流量机械式燃气恒温器的典型流量温度曲线的视角切入，对流量温度控制的两种典型方式相应机械结构进行了汇总及对照分析（基于EN标准的燃气阀）。介绍了不同流量曲线对应的阀门关闭件的典型机械驱动机构工作原理及应用，并着重介绍了结构中关键件—跳转弹簧的特性和影响。

关键词： 燃气阀 燃气控制器 自动恒温器 流量控制 精度偏差

1.概述

机械式燃气温控阀通过控制燃气流量来控制后序燃气设备的设定温度，此类燃气温度控制器的特点是可以应用在没有电源的场合实现燃气流量的自动控制。它的原理是通过热涨式波纹管遇热膨胀变形产生位移来影响阀口弹片的跳转，从而调节阀口的有效流通面积以到达控制燃烧热备设定温度的目的。该燃气阀广泛应用于壁挂炉?热水器?灶具和烤箱等多种燃气设备，

现代社会自动化程度愈来愈高，燃气设备大都是需求燃气控制阀启动后燃气通路可以根据被加热介质的反馈来控制实现自动燃气流量调节从而保持被加热介质温度值恒定在设定值。基于应用下文将针对自动开关型的机械式燃气阀/自动恒温器的典型流量曲线及其控制机构进行介绍。

2.通断型燃气阀

2.1.温度流量曲线：通断型燃气阀的主阀口只有开关两个位置，分别对应如图通断型流量温度曲线（1）的Qmax及Q0。

T1=设定的关闭温度，

T2=对应关闭温度T1的自动开启温度

a=T2-T1

通断型阀口流量温度曲线（1） 通断型阀口流量调节机构（2）

2.2.机构动作原理：燃气通路开启后燃气到达阀口上方如图通断型阀口流量调节机构 （2）， 初始位置此阀口为常开状态，此时阀口流通面积为最大即燃气流量为最大值Qmax。一段时间后被加热介质经燃气加热到达设定温度T1，反馈系统中热涨式热电偶遇热膨胀后压缩弹簧产生机械位移向下传递给跳转簧片，使得跳转簧片向下跳转阀口关闭，此时燃气通路切断燃气流量Qmin=0；随着燃气设备的热量流失被加热介质温度下降到T2，反馈系统中热涨式热电偶随着温降缩短在压簧作用下复位使得施加跳转簧片上的压力消失，从而跳转弹簧自动复位回到初始位置即阀口常开的流通量最大状态。照此工作循环被加热介质温度可以稳定在设定值范围。

3.分段流量调节型燃气阀

3.1.温度流量曲线：伺服调节型燃气阀的主阀口有开关功能且中间流量状态可自动调节，如图分段流量调节型流量温度曲线 （3） 流量温度曲线所示。流量曲线是两条直线（定流量段）加上斜线（两个流量段的过渡）。

分段流量调节型流量温度曲线（3）

3.2.对应的机械结构将由两个阀口来实现上图温度流量曲线，典型结构列举了如下图示两个阀口串联和两个阀口并联的形式，其机械结构不同但能实现同样的分段式温度流量曲线的功能。

双阀口机构动作原理：燃气通路开启后燃气到达大阀口上方如图（4a）（4b）， 初始位置流量调节机构中两个阀口为常开状态，此时流通面积为两个阀口累积的最大状态即燃气流量为最大值Qmax，被加热介质经燃气燃烧加热到达设定温度T1，反馈系统中热涨式热电偶遇热膨胀伸长压杆产生向下机械位移使得大阀口关闭，工作过程对应流量温度曲线中的斜线；此时阀口流通面积为小阀口的最大流通面积即燃气流量对应Qmin； 在温度增至T2的过程中， 热涨式热电偶继续遇热膨胀机械位移向下增加，超过小阀口的跳转簧临界位置使跳转簧瞬间跳转，小阀口关闭此时燃气流量为最小值Q=0；加热过程结束。随着被加热介质热量损失温度降低热涨式热电偶长度缩短使得跳簧自动复位，接着阀口反向动作小大阀口依次开启至最大流量状态，重新加热过程启动。照此工作循环被加热介质温度可以稳定在设定值范围。

两个阀口布置为并联型结构见如图（4a） 两个阀口布置为串联型结构见如图（4b）

4.通断型燃气阀与分段流量调节型燃气阀对比

流量温度曲线图（1）和图（3）对照可知，通断型燃气阀的流量理论上在到达设定温度最大值后瞬间切断，实际中热涨式波纹管温度反馈速度的滞后将实际使得多余的燃气进入燃具设备造成被加热的介质超出设定温度的现象。对于分段流量调节型燃气阀在接近设定温度时燃气阀将自动调整为小流量，这样就更好的保证了设定精度以及避免了燃气的浪费。用户可以综合精度?温度?恒温效果需求考虑来选择具体的类型。

5.燃气阀精度与回差

回差即流量温度曲线中a是指燃气恒温器设定温度与实际温度的差值，恒温器启动后被加热介质的时间温度将在这个范围内浮动。差值是由于跳簧本身的固有的迟滞特性产生的，显然回差a越小则说明被加热介质越接近设定的恒温状态，也就标明燃气阀的精度越好，因此回差a是衡量燃气控制阀精度的重要指标，设计中应该对影响控制精度的关键件验证。

6.影响回差的关键件

机构动作原理的分析中可以看出具有两个位置的跳转簧片是实现温度到达设定值后阀口瞬间关闭的关键件。跳转簧的特性是簧片弹性变形超过了临界点即会发生瞬间跳转，而外力消失后簧片又回复到初始的自由位置。

接触簧片属弹性零件，工作时长期处在弯曲应力或反复转换应力的作用下，因此接触簧片要具有良好的弹性和抗疲劳强度，根据设计要求选用具有较高弹性、韧性及强度的材料如不锈钢303?铍青铜Qbe2.0等。可采取挠度公式计算结合静态分析工具如Mechanica? Ansysis 等软件相互验证来选用合适的料厚，并设计适宜的形状，零件成型后进行时效处理，保证开关动作时机械性能。

另外注意在跳转簧的计算中临界条件是开关接触簧片产生弹性变形，只有挠度大于等于接触簧片弹性变形量时，才能保证开关的正常工作。

7.结语

从文中的介绍可以认识到机械式燃气恒温器的流量曲线特点及机械结构，了解关键件对关键参数回差的影响及跳转簧片设计中应注意的问题。需要注意的是文中分析的跳转簧机械结构是燃气流量小于15标升/分钟的小流量机械式燃气阀，对于大流量的阀类似的结构考虑簧片的性能和使用寿命问题，可以考虑增加杠杆结构缩放力值去实现。

参照文献：

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

[2] EN 126 Multifunctional controls for gas burning appliance

[3] EN13611 燃气设备的安全