CN108916439B - 流量自控球阀及流量自控方法 - Google Patents

Abstract

一种流量自控球阀及流量自控方法，具有球阀和定差减压阀；球阀包括：具有上、下、左三面筒体的四通阀体，阀体内设有阀座、球体和上阀杆，安装在阀体右端的带有筒体的右侧盖；球体下端设有一盲孔，球体左侧球壁上设有节流孔，右侧球壁偏左位置上设有椭圆形的进水口；转动上阀杆即能调节节流孔的开度；定差减压阀串联在节流孔前，包括滑配在盲孔中的滑阀，安装在阀体下端面与底盖之间的膜片，滑阀与膜片连成一体；在底盖与膜片之间的腔体中设有由调压螺杆、调压螺套和弹簧等组成的压差调节装置；当介质通过节流孔时，由于定差减压阀的压力补偿作用，即使进出口水压发生波动，也能保持节流孔两端的压差保持不变，从而保证通过的流量恒定。

Description

流量自控球阀及流量自控方法

技术领域

本发明涉及流量调节阀领域，尤其是一种流量自控球阀及流量自控方法。

背景技术

球阀由于其具有结构紧凑，密封性能好和操作简便等优点，近几年来在调节流量的功能上得到了广泛的应用。因为在中空球体的球壁上加工出具有某种流量特性形状的通孔，便能方便的实现球体相对开度和通过流量的函数关系，使球阀具有某种流量特性，例如直线流量特性，等百分比流量特性，快开流量特性及抛物线流量特性等。例如在空调系统中，控制系统一般采用线性控制，具体方法如下：盘管的特性是，刚开始小的流量输入会引起大的热量输出，而后随着流量的增加，热量输出斜率会逐渐趋缓，而等百分比球阀在刚开始时只提供小的流量，而后随着开度的增加，输出流量的斜率逐渐增大，两者互相补偿，复合成线性。

这种球阀的流量控制方法存在当球体的开度，即孔（节流孔）的开口面积确定后，如果进口或出口的压力波动引起孔前后压差发生变化时，流过孔的流量不再是原设计时要求的理想流量，而是随压差变化而波动，尤其是在孔前后压差较小的情况下，这样会造成空调系统失控，使环境的温度忽冷忽热，让使用者感到不舒服，并且造成能源浪费，因此，设计一种当球阀进口或出口压力波动时，孔前孔后压差保持不变，这样不会造成空调系统失控，让使用者感到舒服，节约能源的流量自控球阀及流量自控方法，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述球阀存在当球体的开度，即孔（节流孔）的开口面积确定后，如果进口或出口的压力波动引起孔前后压差发生变化时，流过孔的流量不再是原设计要求的理想流量，而是随压差变化而波动，尤其是在孔前后压差较小的情况下，将会造成空调系统失控，使环境的温度忽冷忽热，让使用者感到不舒服，并且造成能源浪费的不足，提供一种当球阀进口或出口的压力波动时，孔前孔后压差保持不变，不会造成空调系统失控，让使用者感到舒服，节约能源的流量自控球阀及流量自控方法。

本发明的具体技术方案是：

一种流量自控球阀，具有球阀和定差减压阀，球阀具有四通阀体1，阀体右端通孔的外侧是环状端面，阀体左端筒体的通孔为出水孔Ｅ，与右端通孔位于同一水平轴线上，上、下筒体的通孔在同一垂直轴线上，二轴线垂直相交，出水孔Ｅ右端面内腔的内壁上有一圆形凹坑，内设阀座3，阀体1的腔中安装有球体2，上筒体的孔中设有上阀杆5；所述阀体1下通孔筒体的颈部有凸块一G1,凸块一上钻有竖向小孔ｈ１,所述竖向小孔与出水孔Ｅ连通；所述球体2左侧球壁的适当位置上加工有具有某种流量特性的节流孔H，右侧球壁偏左适当位置上加工有椭圆形的进水口d；所述定差减压阀串联在节流孔H前，包括安装在阀体1下端面与底盖13之间的膜片14，与膜片连成一体的滑阀12，在底盖13与膜片14之间的腔体六C6内设有调压装置。

作为优选，所述球体２的下端有一盲孔，盲孔的中心线与球体２的垂直中心线一致，左侧和右侧分别设有对称的、形状相同的球冠状的腔体三C3和球冠状的腔体七G7，两腔体的中心线与球体2的水平中心线一致，并分别通过长槽a和扁孔b与盲孔相通，长槽a从盲孔的底部一直延伸到孔口；所述节流孔H与球冠状腔的体三C3相通，所述进水口d与球冠状的腔体七C7相通。

作为优选，所述滑阀12由活塞和下阀杆组成，上部具有两个有一定间隔、直径相同且在同一中心线的活塞，两个活塞中心有小轴连成一体，间隔距离大于扁孔b宽度，两活塞间形成环状腔体五C5；所述活塞滑配在球体2的盲孔中，活塞顶部有一小凸台，以使腔体三C3在滑阀12位于顶部时通过长槽a与活塞顶部的腔体四C4相通。

作为优选，所述节流孔H和进水口d的相对位置是：当节流孔H全开时，进水口d的一边与阀座3的内径重合；当转动球体2，节流孔H完全关闭后，进水口d的另一边与阀座3内径的另一边重合。

作为优选，所述滑阀下阀杆通过末端的螺柱和螺母二24将压板27、弹簧座25与膜片14连成一体，膜片14的边缘被夹在阀体1下端的法兰与底盖13的法兰之间，并由若干付螺栓15、垫片16及螺母17压紧在阀体1下法兰端面的环形凹槽中；底盖13与膜片14间的腔体六C6内设有调压装置，包括调压螺杆22，与调压螺杆旋合的调压螺套19及弹簧18：所述底盖13的法兰上设有凸块二G2，上面钻有连接小孔h2，与阀体1的竖向小孔h1衔接，并钻有径向小孔h3，使出水孔Ｅ连通腔体六C6 ；连接小孔h2和径向小孔h3的外端用滚珠26封堵；平面轴承20用以减轻转动调压螺杆22时的力矩；所述的球体上端设有凹槽；上阀杆5下端设有与凹槽间隙配合的扁销，利于在压紧球体2时使球体在水平方向有一定的移动量。

一种流量自控球阀的流量自控方法，所述的流量自控球阀具有上述的流量自控球阀的限定结构，（1）通水前，滑阀12在弹簧18的作用下，上升至最高位置，此时阀口Ｖ全开；通水后，压力水经进水口ｄ、腔体七Ｃ７、扁孔ｂ、环形腔体五Ｃ５及长槽ａ进入节流孔Ｈ前的腔体三Ｃ３，并通过长槽ａ进入到腔体四Ｃ４和腔体二Ｃ２，腔体四Ｃ４内的压力水作用在滑阀12的顶部，腔体二Ｃ２内的压力水作用在膜片14的上方，由于膜片１４和滑阀12是连成一体的，因此带动滑阀12向下运动，阀口V关小，节流作用增大，使腔体三C3内的压力低于进水孔I的压力，同时，节流孔H后出水孔E的压力水经竖向小孔ｈ１、连接小孔h2和径向小孔h3，进入腔体六C6内，作用在膜片14的下方，当作用在膜片上、下方的力和弹簧18 的设定力平衡时，滑阀12 处于理想的设计位置，此时，节流孔H前后的压差△P=F/S，式中F-弹簧18的设定力，S-膜片14 的作用面积；（2）当进水压力P1升高时，由于在压力升高的瞬间滑阀12 来不及动作，因此腔体三C3内的压力也随之升高，腔体四C4和腔体二C2内的压力也相应升高，作用在滑阀12 顶部和膜片14 上方的力增大，滑阀12的受力平衡受到破坏，滑阀12向下移动，阀口V减小，节流作用增大，腔体三C3内的压力随之降低，直至恢复至原来值，保持△P=P2- P3不变；反之，当进水压力P1降低时，腔体三C3内的压力也随之降低，滑阀12在弹簧18的推动下上升，阀口V增大，节流作用减弱，腔体三C3内的压力升高，直至恢复至原来值；（3）当节流孔H后出水孔E的压力P3升高时，通过竖向小孔ｈ１、连接小孔ｈ2、径向小孔ｈ3、腔体六C6内的压力同步升高，推动膜片14及滑阀12向上运动，阀口V增大，节流作用减弱，腔体三C3内的压力随之升高，使△P =P2- P3保持不变；反之，当出水孔E的压力P3降低时，滑阀12向下运动，阀口关小，腔体三C3内的压力随之降低，使△P =P2-P3保持不变；（4）进水孔I的压力水经进水口d、腔体七C7、扁孔b、腔体C5、长槽a、节流孔H及出水孔E向下游供水，由于定差减压阀对节流孔H二端的压力进行压力补偿，因此不管进、出口水压如何波动，能使节流孔H前后的压差保持不变，故能维持稳定的流量；（5）节流孔H二端的压差值可以通过调节弹簧18的预压力来设定，转动调压螺杆22 ，即能使调压螺套19上下移动，从而达到调节弹簧18的预压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该流量自控球阀使用过程中，当球阀进口或出口的水压波动时，通过设于节流孔H前的定差减压阀进行压力补偿，使节流孔H孔前孔后的压差保持不变，从而保证输出流量保持恒定，不会造成空调系统失控，让使用者感到舒服，并节约能源。

附图说明

附图1是本发明的一种纵向剖视图；

附图2是图1的A-A视图；

附图3是 M向视图，节流孔H全开时孔口的形状及位置；

附图4是N向视图，节流孔H全开时进水口d的形状及位置；

附图5是 M向视图，节流孔H全闭时，阀门关闭；

附图6是N向视图，节流孔H全闭时，进水口d的位置。

附图标记说明：1、阀体，2、球体，3、阀座，4、O型形密封圈一，5、上阀杆，6、螺套，7、垫片，8、O形密封圈二，9、螺钉，10、弹垫，11、右侧盖，12滑阀，１3底盖，14、膜片，１５、螺栓，１６、垫圈，１７、螺母一，18、弹簧，19、调压螺套，20、平面轴承，21、O形密封圈三，22、调压螺杆，23、保护罩，24、螺母二，25、弹簧座，26、滚珠，27、压板，28、O形密封圈四，I、进水孔，E、出水孔，Ｇ１、凸块一，Ｇ2、凸块二，H、节流孔，Ｖ、阀口，ｈ１、竖向小孔，h2、连接小孔，h3、径向小孔，a、竖向长槽， d、进水口，b、扁孔，C1～C7、腔体一～腔体七。

具体实施方式

下面结合附图所示对本发明进行进一步描述。

如附图1至附图6所示，本发明由球阀和定差减压阀二部分组成。

球阀由阀体1、球体2、阀座3、O型形密封圈 4、上阀杆 5、螺套 6、垫片7、O形密封圈二 8、及右侧盖11等零件组成。阀体1是个四通阀体，左端筒体的通孔为出水孔E，与右端通孔位于同一水平轴线上，上下筒体的通孔在同一垂直轴线上，二轴线垂直相交，出水孔E右端内腔的内壁上有一圆形凹坑，左端的法兰和下游管道的相应法兰连接，对于小口径球阀可采用螺纹连接；阀体1右端通孔的直径略大于球体2的直径，以便在装配时能装入阀座3和球体2；阀体1的右端有一环状端面，环状端面的中心线与阀体1的水平中心线一致，端面上有6～8只均布的螺孔；阀体1的下通孔中设有腔体二C2，在筒体的颈部有凸块一G1，凸块一Ｇ１上钻有细长的竖向小孔ｈ１，连通出水孔Ｅ，并与下端的法兰面垂直；下法兰的下端面上加工有环形凹槽。

右侧盖11的中部是一筒体，中心设有进水孔I，直径与出水孔Ｅ的直径一致，并在同一水平中心线上；二端是法兰，右端的法兰与上游管道的相应法兰连接，对于小口径球阀，可采用螺纹连接；左端法兰的外径与阀体１右端环形端面的外径一致，法兰上有６～８只均布的通孔，与阀体1右端环形端面上６～８只螺孔匹配；左端法兰的左面有一圆形的凸台，凸台外径与阀体１右端通孔的滑配，凸台的外圆上车有安装Ｏ形密封圈的沟槽，中心有一圆形凹坑；通过若干付螺钉９及弹垫１０，将右侧盖１１固定在阀体１右端的环形端面上；Ｏ形密封圈二８用以防止介质外漏，球体２设置在阀体１和侧盖１１连接后的内部腔体一Ｃ１内。

阀座３亦起到密封作用，由聚合材料，例如聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）等弹性材料制成，阀座３的内径比出水孔Ｅ的直径略大；二只阀座３分别设置在阀体１出水孔Ｅ右端内腔壁及侧盖１１左端凸台中心相应的圆形凹坑内；通过调整垫片７的厚度，由若干付螺钉９等调节对球体２的压紧程度，既保证密封又保证适当的转动力矩，球体２定位后其中心基本上位于阀体１水平轴线和垂直轴线的交点上；二只阀座３安装后，纵向尺寸比横向尺寸略大，这是考虑到能在较大的面积上布置特形的节流孔Ｈ和适当增加球体的转动角度。

阀杆5动配在阀体１的上通孔中，下端有一个扁销，扁销的二侧与球体２上方的凹槽松配，略有间隙，以便在压紧球体２时使其在水平方向有一定的移动量；上端的小轴与手柄或电机连接，通过转动阀杆5带动球体２转动，以调节节流孔Ｈ的开度；螺套６用以限制阀杆５的轴向的位置；Ｏ形密封圈一４用以防止介质外漏；阀体１上通孔上端的法兰用来安装电机或球体２开度的指示盘。

球体２的下端有一盲孔，中心线与球体２的垂直中心线一致；左侧和右侧分别设有对称的、形状相同的球冠状腔体三C3 和七G7，中心线与球体2的水平线一致，并分别通过长槽a和扁孔b与盲孔相通，长槽a从盲孔的底部一直延伸到孔口；在左侧球壁的适当位置上加工有具有某种流量特性的节流孔H，如图3所示，与腔体三C3相通；在右侧球壁偏左位置加工有进水口d，如图4所示，与腔体七C7相通；节流孔H和进水口d的相对位置是：当节流孔H全开时，进水口d的一边与阀座3的内径重合（图4 ），当转动球体2 ，节流孔H完全关闭后（图5 ），进水口d的另一边与阀座3内径的另一边重合（图6）；球体2的顶端加工有槽，槽的对称平面通过球体2的垂直中心线，以保证球体2的旋转轴线与球体2的垂直中心线一致。为了防止球体2转动时，节流孔H及排水口d的边缘切割弹性体阀座3，二孔的边缘均有光滑倒圆。

定差减压阀有底盖13、膜片14、弹簧18、调压螺套19、平面轴承20、O形密封圈三21、调压螺杆22、保护罩23、螺母二24、弹簧座25、滚珠26、压板27、O形密封圈四28、滑阀12及球体2等零件组成。

滑阀12由活塞和下阀杆组成，上部具有二个有一定间隔、直径相同且同一中心线的活塞，中心有小轴连接，间隔距离大于扁孔b的宽度，因此二个活塞间具有环状腔体五C5；活塞滑配在球体2的盲孔中，活塞顶部有一小凸台，以使腔体三C3在滑阀12位于顶部时通过长槽a与活塞顶部的腔体四C4相通；下阀杆通过末端的螺柱和螺母二24将压板27、弹簧座25与膜片14连成一体，膜片14的边缘被夹在阀体1下端的法兰与底盖13的法兰之间，并由若干付螺栓15、垫片16及螺母一17压紧在阀体1下法兰端面的环形凹槽中，既固定了膜片14，又起到密封作用；底盖13与膜片14间的腔体六C6内设有调压螺杆22、调压螺套19及弹簧18等，平面轴承20用以减轻调压时的旋转力矩，O形密封圈三21 用以防止介质外漏；底盖13的法兰上有凸块二G2，上面钻有连接小孔h2与阀体1上的竖向小孔h1衔接，并钻有径向小孔h3，使连接小孔h2连通腔体六C6；这样，在安装后出水孔E通过竖向小孔h1、连接小孔h2和径向小孔h3与腔体六C6相通，连接小孔h2和径向小孔h3的外端钻后用滚珠26封堵；O形密封圈四28用以防止介质外漏。由上述可见，膜片14将定差减压阀分为C2和C6上下二腔，腔体二C2通过长槽a与节流孔H前的腔体三C3相通，而腔体六C6与节流孔H后的出水孔E相通。

工作原理

转动球体2，节流孔Ｈ的开口面积由大变小直至关闭，或由小变大直至全开。当用于空调系统中时，节流孔Ｈ开口的大小由被控环境的温度决定，要求温度高时，通过的热水就多，开度就大，反之，开度就小。当球体２定位在某一要求位置时，节流孔Ｈ开口的大小就已确定，由于本发明能保证节流孔Ｈ前后的压差保持不变，这样通过的流量也不变，从而不受进、出水孔水压的波动影响。

一种流量自控球阀的流量自控方法，所述的流量自控球阀具有上述的流量自控球阀的限定结构，（1）通水前，滑阀12在弹簧18的作用下，上升至最高位置，此时阀口Ｖ全开；通水后，压力水经进水口ｄ、腔体七Ｃ７、扁孔ｂ、环形腔体五Ｃ５及长槽ａ进入节流孔Ｈ前腔体三Ｃ３，并通过长槽ａ进入到腔体四Ｃ４和腔体二Ｃ２，腔体四Ｃ４内的压力水作用在滑阀12的顶部，腔体二Ｃ２内的压力水作用在膜片14的上方，由于膜片１４和滑阀12是连成一体的，因此带动滑阀12向下运动，阀口V关小，节流作用增大，使腔体三C3内的压力低于扁孔I的压力，同时，节流孔H后出水孔E的压力水经竖向小孔ｈ１、连接小孔h2和径向小孔h3进入腔体六C6内，作用在膜片14的下方，当作用在膜片上、下方的力和弹簧18 的设定力平衡时，滑阀12处于理想的设计位置，此时，节流孔H前后的压差△P=F/S，式中F-弹簧18的设定力，S-膜片14 的作用面积；（2）当进水压力P1升高时，由于在压力升高的瞬间滑阀12 来不及动作，因此腔体三C3内的压力也随之升高，腔体四C4和腔体二C2内的压力也相应升高，作用在滑阀12 顶部和膜片14 上方的力增大，滑阀12的受力平衡受到破坏，滑阀12向下移动，阀口V减小，节流作用增大腔体三C3内的压力随之降低，直至恢复至原来值，保持△P=P2- P3不变；反之，当进水压力P1降低时，腔体三C3内的压力也随之降低，滑阀12在弹簧18的推动下上升，阀口V增大，节流作用减弱，腔体三C3内的压力升高，直至恢复至原来值；（3）当节流孔H后出水孔E的压力P3升高时，通过竖向小孔ｈ１、连接小孔ｈ2、腔体六C6内的压力同步升高，推动膜片14及滑阀12向上运动，阀口V增大，节流作用减弱，腔体三C3内的压力随之升高，使△P =P2- P3保持不变；反之，当出水孔E的压力P3降低时，滑阀12向下运动，阀口关小，腔体三C3内的压力随之降低，使△P =P2-P3保持不变；（4）进水孔I的压力水经进水口d、腔体七C7、扁孔b、腔体C5、长槽a、节流孔H及出水孔E向下游供水；由于定差减压阀对节流孔H二端的压力进行压力补偿，因此不管进、出口水压如何波动，能使节流孔H前后的压差保持不变，故能维持稳定的流量；（5）节流孔H二端的压差值可以通过调节弹簧18的预压力来设定，转动调压螺杆22 ，即能使调压螺套19上下移动，从而达到调节弹簧18的预压力。下面对节流孔H二端的压差值△P进行计算：

当滑阀12处于某平衡位置时，滑阀12 的受力平衡方程式为:

P2×S+G±F_M=P3×S+ k（Xo+X）

即：（P2-P3）×S= k（Xo+X）-G±Fm……(1)

式中：

P2---节流孔H前的压力

P3----节流孔H后的压力

S---膜片14 的有效作用面积

G---滑阀12 及弹簧座25等零件的重量

F_M---滑阀12 运动时的摩擦力

k ---弹簧刚度

Xo----设定压差下的弹簧压缩量

X----节流孔H前后水压发生变化时弹簧的附加变动量可正可负。

为了简化设计，因重量G及摩擦力F_M相对弹簧的设定力很小，故可忽略不计，（1）式可简化为：

△P =P2-P3= k Xo/S+ k X/S……….（2）

由于在设计中采用了较大的膜片面积S，较小的弹簧刚度k和较大的压缩量Xo，并且当孔H前后水压变化时弹簧的附加变动量很小，因此k Xo / S也可忽略不计，

（２）式可简化为:

△P =Ｐ２－Ｐ３＝kＸｏ/S= F/S…….（3）

式中 Ｆ＝kＸｏ即为弹簧１８的设定压力。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征或技术数据可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种流量自控球阀，具有球阀和定差减压阀，球阀具有四通阀体(1)，阀体右端通孔的外侧是环状端面，阀体左端筒体的通孔为出水孔(Ｅ)，与右端通孔位于同一水平轴线上，上、下筒体的通孔在同一垂直轴线上，二轴线垂直相交，阀体(1)的内腔中安装有球体(2)及阀座(3)，上筒体的通孔中设有上阀杆（5）；其特征在于：所述阀体(1)下通孔筒体的颈部有凸块一(G1),凸块一上钻有竖向小孔(ｈ1),所述竖向小孔与出水孔(Ｅ)连通；所述球体(2)左侧球壁上加工有具有节流孔（H），右侧球壁偏左位置上加工有椭圆形的进水口（d）；所述定差减压阀串联在节流孔（H）前，包括底盖（13）、膜片（14），与膜片连成一体的滑阀（12），在底盖（13）与膜片（14）之间的腔体六(C6)内设有调压装置；阀体(1)右端通孔的直径略大于球体(2)的直径。

2.根据权利要求1所述的流量自控球阀，其特征在于：所述球体（２）的下端有一盲孔，盲孔的中心线与球体（２）的垂直中心线一致，左侧和右侧分别设有对称的、形状相同的球冠状的腔体三（C3）和球冠状的腔体七（G7），两腔体的中心线与球体（2）的水平中心线一致，并分别通过长槽（a）和扁孔（b）与盲孔相通，长槽（a）从盲孔的底部一直延伸到孔口；所述节流孔（H）与球冠状的腔体三（C3 ）相通，所述进水口（d）与球冠状的腔体七（C7）相通。

3.根据权利要求2所述的流量自控球阀，其特征在于：所述滑阀（12）由活塞和下阀杆组成，上部具有两个有一定间隔、直径相同且在同一中心线的活塞，两个活塞中心有小轴连成一体，间隔距离大于扁孔（b）宽度，两活塞间形成环状腔体五（C5）；所述活塞滑配在球体（2）的盲孔中，活塞顶部有一小凸台，以使腔体三（C3 ） 在滑阀（12）位于顶部时通过长槽（a）与活塞顶部的腔体四（C4）相通。

4.根据权利要求3所述的流量自控球阀，其特征在于：所述滑阀下阀杆通过末端的螺柱和螺母二（24）将压板（27）、弹簧座（25）与膜片（14）连成一体，膜片（14）加厚的边缘被夹在阀体（1）下端的法兰与底盖(13)的法兰之间，并由若干付螺栓(15)、垫片(16)及螺母(17)压紧在阀体(1)下法兰端面的环形凹槽中；调压装置包括：调压螺杆（22），与调压螺杆旋合的调压螺套（19）及弹簧（18）：所述底盖（13）的法兰上设有凸块二(G2)，上面钻有连接小孔(h2)与阀体(1)的竖向小孔(h1)衔接，并钻有径向小孔(h3)，使出水孔(Ｅ)连通腔体六（C6）；连接小孔（h2）和径向小孔（h3）的外端用滚珠(26)封堵；平面轴承（20）用以减轻转动调压螺杆（22）时的力矩。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的流量自控球阀，其特征在于：所述节流孔（H）和进水口（d）的相对位置是：当节流孔（H）全开时，进水口（d）的一边与阀座（3）的内径重合；当转动球体（2），节流孔（H）完全关闭后，进水口(d)的另一边与阀座(3)内径的另一边重合。