CN103429940A

CN103429940A - 改进的平衡控制阀

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Publication number: CN103429940A
Application number: CN2011800584661A
Authority: CN
Inventors: P·沃罗维克
Original assignee: TA Hydronics SA
Current assignee: TA Hydronics SA
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: RU2602950C2; KR20130140753A; EP2463558A1; US9551433B2; SG190314A1; US20130306172A1; WO2012076167A1; CN103429940B; CA2817411A1; JP2014500552A; RU2013123116A; BR112013013294A2

Abstract

一种适用于液体循环系统中的组合平衡控制阀，该阀包括腔室，该腔室内设有阀塞（6，10，16，15）、阀座（13）、调节装置和监测装置，该调节装置用于调节阀塞和阀座的间隙，该监测装置用于监测经过所述间隙的流体的流动速率，该调节装置包括运动转换装置（20-27），该运动转换装置由致动器（28）操作以控制阀塞（6，10，16，15）的运动，从而对于致动器位置的给定变化，提供阀的流导的有利变化，所校准的致动器（28）的增量对应所述流导的增量变化。

Description

改进的平衡控制阀

技术领域

本发明涉及液体循环系统中常用的控制阀和平衡阀，其作用是监测并调节流体的流速，并确保流体相对稳定地流过系统。本发明提供一种结合了新颖的平衡装置设计的控制阀，当装入该改进的阀后，液体循环系统具有更好的性能。

背景技术

在流体网络中，常常需要从源头分送流体到一个或多个消费（负载）点。为了根据不同的需求来提供正确的流量，通常需要使用一个或多个控制阀。这些控制阀响应控制信号，在系统中产生可变的节流，来为每个负载提供合适的流量。例如，控制信号可以由恒温器提供，阀通过改变流经热交换器的热或冷流体的流量来作出响应。如果这些控制阀选择的最大开度大于应用所需的最大数量，则必须一直控制该阀以闭合多余的开度。由于控制阀需要从开放状态到闭合状态反复变化而不是固定在适当的位置，这种余量闭合会导致控制的不稳定。相反，如果选择的阀具有过小的最大开度，就需要额外的泵送能量才能满足系统中所产生的不必要压降。这个问题由于控制阀通常只能用固定的级差调节而变得更加复杂，这迫使用户选择一种或另一种错误类型的级差。

这些系统通常还在不同的终端有不同的剩余压力值。普通控制阀不提供读取流体流速的装置，也不能手动调节其最大开度，这将导致普通控制阀中的流体不能正确地流动。虽然在理论上可以计算剩余压力值，但是在实际中往往由于计算的复杂性而不能计算或由于结构的多样性而不能准确计算。这个问题经常通过安装平衡阀来解决，平衡阀提供了经校准的可调节的节流和用于测量流速的装置。然后在整个系统中应用平衡压力机来调整这些平衡阀，使得在最大流量条件下所有终端没有多余地接收到正确流体流。

当前技术的局限在于平衡阀产生的节流没有计入控制阀中，从而使得控制阀的一部分行程被浪费掉了。

某些现有的设备在单一单元中结合了控制阀和平衡阀的功能，以使该该组合的单元具有更好的性能。通过单一设备达到的控制和平衡功能，可以提供与给定的终端的具体状况相适应的改进的控制性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括集成了平衡组件的控制阀，它克服了现有技术中出现的问题。

根据本发明，提供了一种适于在液体循环系统中使用的组合的平衡控制阀，该阀包括腔室，该腔室内设有阀塞、阀座、调节装置和监测装置，该调节装置用于调节阀塞和阀座的间隙，监测装置用于监测流经该间隙的流体的流动速率，该阀的特征在于，调节装置包括运动转换装置，该运动转换装置可由致动器进行操作以限制阀塞的运动，从而对于致动器位置的给定变化，提供了阀的流导的有利变化，且致动器的增量可以进行校准，该增量对应流导的增量变化。

校准的刻度在任何特定设置中提供可知的节流，利用该刻度可限制控制阀的最大开度，以实现平衡回路所需的调整。平衡回路所需要的流量数值通过读取跨阀节流的压力差来获得。在本发明的一个实际实施例中，调节装置包括具有从腔室外部可见的刻度的校准装置，并且该调节装置可用于调节阀塞和阀座的最大可能间隙，该间隙的增量对应于刻度上提供的读数。在平衡过程之后，致动器响应于外部控制信号，可以改变阀的流导到关闭和设定的最大值之间的任何适当的值。

在优选的实施例中，校准装置合宜地从腔室中以连杆的形式露出，连杆具有沿其长度方向的直线刻度，连杆的直线运动被传递到阀座和阀塞中的一者或两者，从而调整阀座和阀塞的间隙，该间隙的调节量对应根据直线刻度的连杆移动的距离。

在一个选择中，连杆是由可用于限制其移动的带螺纹的套筒环绕，该套筒的螺纹与相对腔室固定的互补的螺纹结构啮合，并可通过旋转套筒来获得该螺纹结构的直线运动。任选地，该套筒不可转动，套筒与相对于壳体可平移地安装的螺母接合。在另一选择中，可围绕所述转动构件的圆周设置刻度，该刻度可以是上述的直线刻度之外的刻度（例如允许微调）或作为唯一的刻度。

理想的是，阀塞和阀座被配置为与系统中的预设的流体流动的方向轴向对齐。在轴向结构中，流体沿单一轴线从阀流入和流出，并且阀具有沿着该轴线移动的阀塞。与要求流体方向过度改变的几何结构相比，这种几何结构减少了紊流从而具有更小的噪声。与其它的结构相比，这种结构还使得阀更加紧凑。

在一个优选的实施例中，校准的连杆延伸到腔室中并包括带齿的齿条部，该齿条部啮合小齿轮，该小齿轮被固定在凸轮机构的凸轮板上，该凸轮板与小齿轮一起旋转以实现凸轮从动件的移动，该凸轮机构用于调整阀塞与阀座的间隙。凸轮从动件合宜地固定在轴上，阀座或阀塞被安装固定在该轴上。当凸轮从动件随着凸轮板中提供的引导运动时，该轴发生轴向移动，从而调节阀塞与阀座的间隙。

将凸轮的结构设置成可将致动器的匀速运动转变成阀塞的合适的运动，从而响应控制信号给阀的流导提供有利变化。例如，凸轮可被设计成使得阀的开度可以补偿传热装置的输出特性，从而在控制信号和传热之间建立更加近似线性的关系。这样的控制信号和所需的控制变量之间的线性关系有时也被称为恒定的增益，并且这对于控制系统是有利的。当阀塞靠近其闭合位置的时，凸轮运动也可在移动阀塞方面给致动器提供机械上的增益，从而降低驱动致动器所需的功率。

优选地，阀塞与阀座被构造成其提供的流体流导与阀塞的移动大致成比例。任选地，该阀塞可以被设置具有部分压差补偿，以进一步减少致动器所需的功率。

任选地，轴的轴向运动受到偏置弹簧的抵制，该偏置弹簧可被配置成将阀向打开位置或者闭合位置偏置。理想的是，偏置弹簧促使阀打开，这有助于防止振荡。

对于由于阀内部和设置致动器的外部位置之间的压力差的结果而由系统压力促使阀处于打开位置的情形，通常会涉及作直线运动的阀塞的控制阀。因此，在对已经描述的发明的一个可选的改进中，这一问题的解决方法是提供两个直径相等的轴，这两个轴被配置成在两个具有不同压力的区域之间朝相对方向同时进行轴向移动。

正如已经指出的，在一些实施例中，可使用一个或多个弹簧来产生偏置力，使得阀始终朝向打开位置或始终朝向关闭位置。在这些情况中，压差平衡还可以被配置成在相同的方向上提供“偏置力”。

附图说明

现将通过举例参照附图来进一步描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的阀经局部剖视的侧视图;

图2示出了图1中的阀经局部剖视的俯视图;

图3示出了部分通过其行程的阀的横截面视图;

图4示出了结合有机电致动器的阀的外部侧视图。

具体实施例

图1中的阀一般包括壳体（14，17），它限定了腔室，在该腔室中，设有阀塞组件（6，10，15，16）和阀座（13），该阀塞组件（6，10，15，16）和阀座（13）在液体循环系统中沿流体流动的方向轴向对齐。阀塞（6，10，15，16）承载在轴（24）上，该轴（24）的轴线通过阀塞（6，10，15，16）的中心。轴（24）还承载着凸轮从动组件（23，25）。校准装置被设置成组件（1，2，29，30，31）的形式，该组件（1，2，29，30，31）与连杆（28）交互作用，该连杆（28）穿过密封的入口腔室，其可以借由安装在入口的轴承轴向自由滑动。该连杆适于连接到机电或其他受控的驱动装置。校准的行程限制机构（1，2，28，29，30，31）在平衡的过程中被用来调节阀的最大开度。

该连杆（28）在垂直于阀塞运动方向并平行阀塞（6，10，15，16）的端面的方向，以齿部的形式延伸到腔室中。所述齿部与小齿轮（21）啮合，该小齿轮（21）通过销（26）固定地安装在凸轮板上，该凸轮板包括用于凸轮从动件（23）的导向装置（20）。该凸轮从动件（23）固定地安装在轴（24）上，该小齿轮（21）通过轴（24）中的插槽，以便不阻碍该轴的轴向移动。当所述连杆沿轴向移动时，小齿轮（21）通过与连杆（28）的齿部的啮合被迫使旋转，凸轮板与该小齿轮一起旋转。随着凸轮板的转动，凸轮从动件（23）被迫使在凸轮导向装置（20）中运动，带动轴（24）也一起运动。轴（24）除轴向以外的任何方向上的运动被壳体（14，17）、轴（24）的插槽中的小齿轮（21）的接合和其它组件所阻碍。轴（24）上承载的阀塞（6，10，15，16）也被迫朝轴向移动，从而调节阀塞（6，10，15，16）和阀座（13）的间隙。阀塞运动的距离用从腔室中露出的连杆上的刻度来测量。连杆沿刻度运动的距离对应阀塞（6，10，15，16）预先计算出的运动距离。齿条轴承（12，18，19）可有助于轴（24）平滑移动，该齿条轴承支撑齿条部分靠紧小齿轮且不妨碍其直线运动。

就在阀塞（6，10，15，16）之后，有弹簧（4）环绕着轴（24）。弹簧（4）被压缩以促使阀塞（6，10，15，16）与阀座（13）分离。

有腔室形成于阀塞（16）和盖板（11）之间，该腔室由一系列的通道被连通到阀塞（16）上游的位置点。这个腔室的压力部分地补偿跨阀的压力差，以减少移动阀塞所需的驱动力。

在轴（24）的两个相对端环绕轴（24）密封设置的前承载板和后承载板（5，22）在腔室中将液体从空气中分离。轴（24）的通过各承载板（5，22）的圆周是相同的。

参照图2可以看出，小齿轮（21）被安装在连杆轴承（34）上，从动轴承（36，37）协助凸轮从动件（23）平滑地运动。通过销（39）和偏置弹簧（33），凸轮板相对于凸轮从动件（23）的位置被加偏压，以促使凸轮从动件（23）返回图1所示的位置，并且之后抵制连杆向下的冲程。

跨阀的压力差使用定位在腔室的相对侧的开孔（42，43）进行监控。校准装置（1，2，29，30和31）使用的刻度被选择与用于监控压力差的刻度相关，使得流速可以由这两个读数进行确定。

在图3中，显示了具有断面图案的两个相关区域：压力补偿室（40）和其连接到腔室上游区域的关联通道。在保持稳定的同时通道的位置被选择成以对执行器施加尽可能小的力。机构腔（41）与流体分隔，并连接到腔室外部的空气。

在使用中，首先，最大的操作流体被施加到阀上，通过组合此流速下的校准刻度和测得的压力差，确定出阀塞与阀座的最佳最大间隙，以及调整阀以限制最大间隙量至该最佳值。之后，在阀响应外部控制信号的正常操作中，受控的驱动装置可以控制致动器，使得阀在闭合位置和最佳的最大打开位置之间移动。

下表总结了图1，图2和图3中指引的组件。

Claims

1.一种适用于液体循环系统中的组合平衡控制阀，所述阀包括腔室，所述腔室内设置有阀塞（6，10，16，15）、阀座（13）、调节装置（20-28）和监测装置，所述调节装置用于调节所述阀塞和阀座的间隙，所述监测装置用于监测经过所述间隙的流体的流动速率，其特征在于，所述调节装置包括运动转换装置（20-27），所述运动转换装置由致动器（28）操作以控制所述阀塞（6，10，16，15）的运动，从而对于给定的所述致动器位置的变化，为所述阀的流导提供有利的变化，所述致动器（28）的增量被校准，该增量对应于所述流导的增量变化。

2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述致动器包括连杆（28）和相关联的校准装置（1，2，29，30，31），所述连杆（28）可实施直线运动来致动运动转换装置（20-27），以调整阀塞（6,10，16，15）和阀座的间隙，该相关联的校准装置（1，2，29，30，31）从腔室中露出且具有从所述腔室外部可见的刻度，并且可操作地限制由所述致动器产生的所述阀塞与阀座之间的最大间隙。

3.根据权利要求1或2所述的阀，其特征在于，所述校准装置（1，2，29，30，31）由一个或多个螺纹件（1，31）组成，基于所述一个或多个螺纹件（1，31）的旋转，所述螺纹件被设置成在预定增量上阻止所述致动器（28）的直线运动。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的阀，其特征在于，围绕旋转螺纹部件（1，31）的圆周设置有刻度，该刻度可以是上述直线的刻度之外的刻度或者或作为唯一的刻度。

5.根据前述任一权利要求所述的阀，其特征在于，阀塞（6，10，16，15）和阀座（13）被配置成与系统中流体的预期的流动方向轴向对齐。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的阀，其特征在于，所述运动转换装置（20-27）啮合所述连杆（28）的齿条部，所述连杆（28）的齿条部与小齿轮（21）啮合，所述小齿轮（21）又被固定在凸轮板上，所述凸轮板限定出凸轮机构的凸轮导向装置（20），所述凸轮板与所述小齿轮（21）一起旋转以实现凸轮从动件（23）的运动，所述凸轮机构可操作地用于调整所述阀塞与阀座的间隙。

7.根据权利要求6所述的阀，其特征在于，所述凸轮从动件（23）被固定到轴（24）上，所述阀座（13）或阀塞（6，10，16，15）又被固定安装在所述轴（24）上，从而当所述凸轮从动件（23）跟随所述凸轮板所提供的导向装置（20）运动时，所述轴（24）发生轴向运动，从而调整所述阀塞与阀座的间隙。

8.根据权利要求6或7所述的阀，包括偏压机构（33，39），其促使连杆（28）从所述壳体（14，17）中露出。

9.根据权利要求7或8所述的阀，其特征在于，所述轴（24）相对的端部容纳于前部和后部承载板（5，22）内，并在其通过所述两个承载板（5，22）的地方具有相同的直径。

10.根据权利要求1至9的任一项所述的阀，其特征在于，所述致动器（28）由驱动装置驱动，所述驱动装置响应于外部控制信号以驱动所述致动器（28），并且其中所述运动转换装置（20-27）被配置成将驱动装置和致动器的匀速运动转换成有利的阀塞（6,10，16，15）运动，从而响应于所述控制信号为阀的流体流导提供有利变化。

11.根据前述任一项权利要求所述的阀，其特征在于，所述阀塞（6,10，16，15）和阀座（13）被配置成提供与所述阀塞（6,10，16，15）的移动量大致成比例的流体流导。

12.根据前述任一项权利要求所述的阀，其特征在于，所述阀塞（6，10，16，15）被提供了部分压力差补偿。

13.根据前述任一项权利要求所述的阀，其特征在于，所述阀塞（6，10，16，15）相对于所述阀座（13）的轴向运动被偏置弹簧（4）阻止。

14.根据权利要求13所述的阀，其特征在于，所述偏置弹簧（4）被布置促使所述阀打开。

15.根据前述任一项权利要求所述的阀，其特征在于，流体压力通过内腔室转移，以最小化所述致动器（28）为克服入口和出口之间给定的压力差所需的作用力。

16.根据前述任一项权利要求所述的阀，其特征在于，所述调节装置（20-28）可响应匀速的致动，以使得所述阀提供间隙量的变化，所述间隙量的变化大约遵循下列公式：

式中，K_V是在所述致动器处于给定位置时所述阀的流导，K_VS是所述阀的最大流导，h为所述致动器的位置，其范围从阀全开时的0到阀全闭的1，

是“EQM系数”。

17.根据前述任一项权利要求所述的阀，其被配置成可从完全打开的位置到完全关闭的位置以平滑和连续的方式调整所述阀塞（6，10，16，15）和阀座（13）之间的间隙。

18.根据权利要求17所述的阀，其中，所述阀塞（6，10，16，15）包括弹性密封装置（15），在所述阀塞的大部分行程中，所述密封装置（15）适于与所述阀座（13）相配合。

19.根据前述任一权利要求所述的阀，其中，所述运动转换装置（20-27）位于流体流动的路径内。

20.根据前述任一权利要求所述的阀，其特征在于，所述阀塞（6，10，16，15）可被调节成在所述致动器（28）的预定行程位置达到其完全关闭位置。

21.根据前述任一项权利要求所述的阀，其特征在于，所述监测装置和校准装置一起被配置使得用户能够从所述校准装置（1，2，29，30，31）的所述刻度上的读数和所述阀两端的压力差的确定值计算出通过该阀的流体的流速。

22.根据前述任一项权利要求所述的阀，其进一步特征在于，所述监测装置包括处理器，该处理器可从所述校准装置（1，2，29，30，31）的所述刻度上的读数和所述阀两端的压力差的确定值计算出通过该阀的流体的流速。

23.根据权利要求22所述的阀，其中，所述处理装置包括对照图表，从所述对照图表可以确定出对于给定的压力差和所述校准装置（1，2，29，30，31）的刻度增量的流速。

24.根据权利要求21或22所述的阀，其中，所述处理装置是自动的。