燃气比例阀与分气杆的一体化设计与应用

张 毅 袁金魁 刘 桦

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528325）

引言

家用燃气热水器具有加热快速、体积紧凑、价格低等特点，在市场竞争中占据优势，连续多年成为中国家用热水器市场上销售额份额第一的类别[1]。其中带自动恒温功能燃气热水器，使用过程中能保持水温稳定，为用户带来更好体验，深受用户喜爱。然而在中低端热水器市场，由于成本、结构限制，最低温升过高问题，仍然一直困扰着很多消费者[2]。

对于目前燃气热水器普遍采用的大气式燃烧型产品来说，分段燃烧能有效扩大负荷调节范围。分段方式跟成本和产品性能关系密切。中低端热水器在设计时基于合理成本控制，往往选择简单的分段方式[3]，导致出现最小温升过高问题。

本文旨在探讨一种创新方案，通过把比例调节阀应用于分段燃烧控制，实现燃气比例阀与分气杆结构一体化，在增加分段降低最低温升的同时有效降低成本，提高中低端热水器性价比，切实提升用户体验。

1 燃气比例阀与分气杆的一体化设计方案探讨

1.1 现有燃气比例阀和分气杆的结构

燃气比例阀是快速恒温型燃气热水器核心部件，燃气比例阀上设置有截止阀和比例调节阀，作用分别是控制燃气通断和调节燃气压力，使热水器具备安全用气及自动恒温功能。分气杆上设置有电磁阀，作用是把燃气分配到各个喷嘴，实现分段燃烧扩大热负荷调节范围。现有产品在设计上燃气比例阀和分气杆是独立的两个部件，两者通过法兰连接成一体，结构原理图如图1所示。

可以看出，燃气比例阀的截止阀和比例调节阀设置在燃气主路，控制燃气通断和流量大小；分气杆的电磁阀位于燃气支路，控制支路燃气打开和关闭。图1（a）所示为简单的两分段结构方式，只需要一个电磁阀，成本较低，最小负荷是三排火燃烧；图1（b）所示为复杂的三分段结构方式，需要两个电磁阀，成本较两分段结构高20 %以上，最小负荷是一排火燃烧，最低温升明显优于两分段结构。

图1 燃气比例阀与分气杆现有结构原理图

当前行业对三分段结构进行优化，通常根据热负荷大小对结构进行差异化设计，减少材料用量使成本有所下降，但由于基本结构没有重大变更，使得优化空间有限，这种优化方式接近瓶颈。传统三分段功能的燃气比例阀与分气杆的成本偏高成为阻碍其在中低端热水器推广使用的主要原因。

1.2 燃气比例阀与分气杆的一体化设计方案

比例调节阀兼具截止功能，可以替代电磁阀实现分段控制功能，由此提出了一种新的结构方案，结构原理图如图2所示。

图2 燃气比例阀与分气杆的一体化设计方案结构原理图

从用气安全角度考虑，燃气比例阀与分气杆的一体化设计方案仍然采用截止阀作为第一道可关闭阀门，第二道截止功能由处于支路上的两个比例调节阀兼具，符合GB 6932中关于燃气通路的强制要求。

由于比例调节阀设置在燃气支路上，单个比例调节阀控制的燃气流量比现有设置在主路上的比例调节阀控制的燃气流量小，因此，可以对一体化方案的比例调节阀小型化，一体化燃气比例阀与分气杆整体结构如图3所示。

图3 一体化燃气比例阀与分气杆的结构示意图

进气通道位于分气杆下方，两者呈T字型，第一道截止阀位于进气通道上，比例调节阀设置在进气通道左右两侧。燃气从进气通道经过截止阀后，分别进入左右两侧燃气支路，经过支路上比例调节阀调节压力或流量后，进入对应的分气腔并从喷嘴喷射出来。当比例调节阀断电时，可截断对应的支路，而不影响另一支路的燃气输出。上述结构方式流道弯道数量少可减小气体流动过程中局部压力损失，并有利于阀体模具一体成型。在其中一支路上设置电磁阀用于增加支路的分段功能，实现了1/3/6三分段形式，满足热水器最低温升要求。

在成本上，由于阀体采用一体化压铸成型，结构紧凑，流道弯道少，相比传统结构减少一压铸件；比例调节阀小型化使得比例线圈和整体尺寸大幅减小，比例调节模块成本下降约40 %。对于一体化燃气比例阀与分气杆，新结构方案在材料成本和产品体积上，都具有明显优势，新结构三分段方式与传统的二分段结构成本相当，因此从成本上分析，新型三分段一体化燃气比例阀与分气杆可应用在中低端热水器上，可维持整机价格不变而带来更低的温升，符合消费者的期待。

2 验证分析

根据上述设计制作手板样件进行测试验证，验证过程分为样件测试和整机对比测试两部分，样件测试主要考核比例调节阀基本性能指标，即比例调节模块小型化之后在燃气支路上的性能表现；整机对比测试主要验证新结构一体化燃气比例阀与分气杆和传统燃气比例阀和分气杆在燃气热水器整机上的性能差异。

2.1 样件测试

比例调节模块的基本性能包括比例特性和稳压特性。测试采用压缩空气作为气源，当量喷嘴孔径为φ3mm，测试电源模式为直流脉冲。比例特性测试设定一次压力为2000 Pa，控制电流从80 mA逐渐增大到180 mA，测量并记录对应的二次压力值，描绘出电流和二次压力的关系曲线（I-P曲线）；稳压特性测试设定控制电流设定在120 mA、150 mA、180 mA，在每一个电流值，使一次压力从0 Pa逐渐增大到4000 Pa，测量并记录对应的二次压力值，描绘出一次压力和二次压力的关系曲线（P-P曲线）。测试结果如图4所示。

图4 比例调节模块基本性能测试结果

从图6测试结果可以看出，I-P曲线基本成线性，回差小于60 Pa，说明调节性能好，有利于整机快速恒温，精准控温；从三组P-P曲线来看，正常工作区间内压力波动不超过80 Pa，稳压性能符合要求。

2.2 整机对比测试

以某一型号恒温型燃气热水器为测试平台，保持燃气压力和水压、水温基本恒定，分别测试传统结构和新结构燃气比例阀与分气杆在整机上的性能，包括控制电流对出水温度的关系、控制电流对二次压力的关系。由于新结构采用了两个比例调节模块，整机控制板只能对其中一个模块进行控制，因此在测试时对另一比例调节模块外接电源，并使外接电源输出电流始终等于控制板的输出电流。测试结果如图5和图6所示。

图5 传统比例阀和分气杆在整机上的性能

通过拟合直线的关系式可知，两种结构燃气阀在整机上的性能表现相似，在相同的控制电流下，输出二次压力和出水温度都非常接近。说明一体化燃气比例阀与分气杆在热水器上的应用是可行的。

3 结论

比例调节阀利用自身截止功能用于控制分段燃烧，在结构原理上是可行并符合相关规定的。通过合理设计使比例调节阀小型化，有助于实现燃气比例阀与分气杆的阀体一体化，有效降低成本。经初步测试表明，新型燃气比例阀与分气杆的比例特性和稳压特性均能保持高的性能水平，整机基本性能与传统燃气阀对比结果非常接近，具有可替代性。

图6 一体化燃气比例阀与分气杆在整机上的性能

新型一体化燃气比例阀与分气杆的特点是把比例调节阀设置在燃气支路上，可独立控制支路燃气调压稳压以及气路通断，此方案为燃气比例阀与分气杆提供新的开发思路。在热水器上应用需要配合相应的控制电路，开发适应的控制逻辑，并应制定相适应的使用规范。新方案为热水器工作运行过程带来的特殊有益效果，有必要进一步深入讨论和研究。