流量控制阀的制作方法

专利名称：流量控制阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流量控制阀，该流量控制阀不管跨过阀的压力差如何，输送的流体流量都基本恒定。
在例如多层办公大楼内的大型中心供热系统中，实际上通常采用标定阀(calibration valve)来平衡流体的分配。主管道环路使热水从通常位于地下室内的锅炉泵送到顶层并反复循环。在各层中，次级管道环路与主环路直接相连，并向连接于该次级环路的供给和返回管道之间的一系列散热器进行供给。还可以使第三级管道环路与次级环路相连，依此类推。显然，跨过任何管道环路的压力差取决于进口点和出口点距离锅炉的高度和各管道运行时的摩擦损失。除了由此引起的差别，满足各层的供热要求所需的流量也不必相同，实际上甚至可以作为个人要求(打开散热器和关闭散热器)或占用量的函数而每天变化。
为了获得理想的流量分配，需要采用平衡阀，该平衡阀通常安装在最后的散热器和使次级环路的返回管道与主环路相连的接头之间，或者安装在最后的散热器和使第三级环路的返回管道与次级环路相连的接头之间，依此类推。为了对设计流量进行人工调节和对任意特定平衡阀的节流程度进行人工调节，还需要将流量计安装到管道环路中。通常但不是排他，流量计通过跨过平衡阀的压力差出口(tapping)而进行连接。不过，对任意一个阀的设定进行调节都将影响跨过所有其它阀的压力差。因此，人工调节既费时又不精确。而且，当泵的压头特性或任意各管道的摩擦阻力发生变化时，都可能改变一个或所有平衡阀的最优设定。
一种可选和优选的方法是采用恒定流量阀。通常的结构是采用逆着弹簧而设置的可变孔，这样，压力差确定了跨过该可变孔的堵塞程度。在一个这样的可变孔类型的阀中，可变孔形成于弹簧偏压活塞的侧壁上，该弹簧偏压活塞将根据压力差而相对于衬套运动。该孔区域分成一个朝前的固定孔和一个或多个侧孔，这样，该组合的可变排出面积将在所需的压力差范围内产生设计流量。这既可以在主流动通路中产生，也可以在次级流动通路中产生。当压力差较低时，提供有较大的排出面积，当压力差较高时，弹簧被压缩，衬套将部分堵塞该孔，从而保持基本恒定的流量。活塞和弹簧可以呈筒(cartridge)的形式，该筒可以从主阀体中取出并更换成有着不同流量和/或不同压力范围的其它筒。
该结构有多个问题首先，对于较低和很低的流量，雷诺数是在层流或过渡状态流中的雷诺数，该层流或过渡状态流由于行近流的剖面是可变的，因此将缺乏可重复性。第二，在侧壁上机械加工形成可变堵塞以提供所需的恒定流量，这需要进行非常精确的机械加工。通常，该方法对于任意给定流量都需要有单独的和精确几何形状的可变堵塞。由于有一个或多个通过活塞孔的流动通路，在通路之间的流量分配并不必然有可重复性，因此，该结构将导致在次级管道阻力升高和降低之间的滞后。这可能导致流量公差在工业上所希望的界限±5％之外。
US3464439(Budzich)所述的另一流量控制阀具有一弹性偏压的活塞，该活塞安装成可在缸体内滑动。该活塞有一个在其端面上的进口开口和多个在其侧壁上的出口开口。进口开口由穿过该开口而延伸的锥形探头(probe)部分地阻塞，留出一环形流动通道。出口开口也由缸体壁部分地阻塞。活塞的位置取决于跨过该阀的压力差，当压力差增加时，进口开口和出口开口的阻塞程度增大。
通过阀的流动通路复杂，从而导致不可预知的流动形式和较差的流量控制，尤其是在低压力差情况下。该装置还依赖于使用两套成形孔，需要复杂和困难的机械加工操作，且机构复杂。
WO00/03597(May)公开了一种可调流量控制阀，该可调流量控制阀包括一个弹性偏压活塞和一个可调的节流板，该节流板位于活塞的一个边缘附近。节流板和活塞之间的距离可以调节，以便调节通过该阀的流量。该阀的机构复杂，且需要采用复杂的制造方法。
根据本发明，提供了一种流量控制阀，该流量控制阀包括一本体部件，该本体部件有一孔，该孔确定了流体流动通道；一弹性偏压活塞部件，该弹性偏压活塞部件安装在所述通道内，并可响应于跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件运动，所述活塞部件确定了在所述活塞部件和所述孔之间的环形节流孔，其中，所述通道的至少一部分有非均匀的剖面，这样，环形孔的大小取决于活塞部件相对于本体部件的位置。
该阀能在很宽的压力差范围内提供基本恒定的流体流量，该压力差范围包括当流动呈层流或过渡状态流时的非常低的压力差。该阀的机构简单，且易于制造和操作可靠。
当然，流过阀的流体流量仅对于压力差在预定范围内变化时才基本恒定，即在上工作极限和下工作极限之间，例如从10kPa至250kPa或从30kPa至450kPa，这取决于所选阀的设计特性。流量“基本恒定”的意思是流量控制在允许差值范围内，例如±5％。
该阀并不依赖于使用一个或多个通过精确机械加工而形成的、具有复杂几何形状的侧孔，因此能够以比现有恒定流量阀更便宜的方式制造。而且，因为该阀仅需要一个孔，因此可以避免由于梯级跌流(cascadingflow)而引起的滞后作用。
优选是，该流体流动通道的非均匀部分的尺寸朝着所述通道的进口端增加，优选是成扩口形或喇叭形。
优选是，该活塞部件包括一活塞头，所述节流孔确定于所述活塞头的下游边缘和流体流动通道的所述非均匀部分之间。该活塞头可以基本为柱形。
优选是，该活塞头有侧壁，该侧壁与流体流动通道的非均匀部分一起确定了一环形流体流动狭槽，其中，所述环形狭槽的长度和面积取决于该活塞部件相对于该本体部件的位置。
利用由该环形狭槽提供的摩擦流阻将提高在低流量时的流量控制效果。
优选是，活塞部件包括一支承构件，所述支承构件安装成可在孔内滑动。活塞头可以与支承构件连接，以便与该支承构件一起运动，且该活塞头从所述支承构件朝着所述阀的进口端延伸。该支承构件可以包括一个基本轴向的流体流动通道。该支承构件可以与弹性偏压部件配合。
该流量控制阀可以包括一壳体，其中，本体部件可以安装在该壳体内，其中，所述壳体能装有可更换的、具有不同流体流量的流量控制阀筒。
优选实施方式恒定流量阀构成筒形，在使用中，该筒安装在一壳体(未示出)内。该阀包括一主体部件1、一活塞部件2、一压缩弹簧3和一底部环4。这些部件的尺寸可以变化，以便提供不同的预定流体流量，且壳体可以根据所需的流量而装有一定范围的不同的筒。
主体1基本为有一进口端6和一出口端8的柱形。确定了流体流动通道的轴向孔10纵向穿过该主体而延伸，该孔包括上部10a、中部10b和下部10c。
孔的上部10a的直径是非均匀的，其直径朝着进口端6增大。该上部成扩口形或喇叭形，在图示实施例中，它的直径从在下端的大约13mm增加到在进口端的大约15mm。该扩口形孔的形状由多项式级数(polynomialprogression)确定，就象喇叭的钟形部分。
孔的中部10b的直径均匀，在实施例中，该直径为大约15.5mm。这使得在中部10b和上部10a之间的接头处有一环形台阶12。
下部10c的直径基本与中部10b的直径相同，但是它包括一个切入该孔的圆柱壁内的螺纹14。
本体部件的外表面16基本为柱形，在实施例中，其直径为大约20.5mm。朝着进口端6处有一个直径大约为20mm的减小直径部分17，且一个直径为大约19mm的槽18环绕该外部柱形表面16的中部而周向延伸。该减小直径部分17和该槽18用于将该本体部件1安装到壳体中，该槽18装有O形环(未示出)，用于密封该阀，以防泄漏。
活塞部件2包括一实心柱形头部22，该实心柱形头部有圆形端表面23和柱形侧壁24，且通过两支脚25而与支承构件26相连。在实施例中，该头部22的外径为大约12.5mm，长度为大约6.5mm。
头部22的外径稍微小于孔的扩口形上部10a的最小直径，并位于流体流动通道的进口端6内或者恰好在其上面，从而确定了在孔上部10a的扩口形壁和头部22的下边缘30之间的环形节流孔28。该孔的面积取决于活塞部件2相对于本体部件1的位置。
此外，活塞头22的柱形侧壁24和孔上部10a的扩口形壁确定了一个环形流体流动狭槽31，该环形流体流动狭槽31的长度和横截面积取决于活塞2相对于本体部件1的位置。在实施例中，该狭槽的长度可以从0mm到6.5mm之间变化。
支承构件26包括一上部32、一中部34和一下部36。一轴向孔38穿过该支承构件26延伸，以便提供一个流体流动通道。
支承构件26位于本体部件1的孔中部10b内。上部32的外径稍微小于孔中部10b的内径，从而允许活塞部件2能够相对于主体部件1而纵向滑动。活塞部件2的向上运动由支承构件26的上部32与本体部件1的台阶12的配合而受限制，而向下运动则受到与底部环4的配合的限制。
支承构件26的中部34的外径稍微大于压缩弹簧3的内径，该压缩弹簧3推入配合装在该中部34上。下部36有稍微小的直径，以便自由地穿过弹簧3的线圈而延伸。
底部环4为环形，并有外螺纹40，该外螺纹40与孔下部10c的内螺纹14啮合。凸缘42在底部环4的下端向内延伸，从而提供了一个用于弹簧3下端的座。在凸缘42中有两个径向相对的凹口44，用于与紧固工具啮合。
在装配好的流量控制阀中，在非常低的压力差下，活塞部件2通过压缩弹簧3而向上偏压至如图7所示的完全打开位置，这时，活塞头的下边缘30近似与孔上部10a的进口端6平齐。在使用时，流体从进口端6穿过阀而流向出口端8。流体通过在活塞头22的下边缘30和孔的扩口形上部10a之间的环形节流孔28而流过活塞头22。然后，流体在通过出口端8流出阀之前将经过活塞支承构件26中的孔38和本体部件中的孔的中部10b和下部10c。
当跨过阀的压力差增加时，活塞部件2被压向中间打开位置，从而压缩弹簧3，如图8所示。因此，在活塞头22的柱形壁和孔的上部10a之间的环形狭槽31的长度增加，狭槽的横截面积减小。同时，在活塞头22的下边缘30和孔的扩口形上部10a之间的环形节流孔28的横截面积减小。
通过进一步增加压力差，活塞部件2被进一步压低，直到它到达完全闭合的位置，如图9所示。在活塞头22的柱形壁和孔的上部10a之间的环形狭槽31的长度进一步增加，狭槽的横截面积进一步减小，且环形节流孔28的横截面积进一步减小。
当流体流过环形狭槽31时，摩擦损失增加，这将限制流过阀的流体流量。该摩擦损失与狭槽的长度成正比，并与其横截面积成反比，因此，当活塞部件2被压低时，跨过阀的压力差增加。
而且，当流体流过节流孔28时，流体流速有一个突降，导致形成跨过该孔的压力降。该压力降与孔的横截面积成反比，因此，当活塞部件2被压低时，跨过阀的压力差增加。
流过阀的流体流如

图10所示。阀可以制成不同尺寸，以便提供不同流量。图11包括一个表示用于不同设计流量的典型喇叭尺寸的表。
为了正确操作该阀，重要的是孔的上部10a的型面正确，因为流体流动环形孔的尺寸取决于活塞2相对于孔的位置。该型面根据孔在活塞位移为x处的直径D(x)型面而确定，该直径通过迭代处理而进行计算，下面将参考附图12至16介绍该迭代处理。在该处理中所用的数值和公式参见所附的词汇图表。
图12是阀的横剖图，表示了对流过阀的流体流量有影响的尺寸。图13包括当阀处于平衡状态时与作用在活塞2上的力相关的一组公式，图14和15包括与由于突现的环形射流而施加在活塞上的力相关的一组公式。
图12至15中所示的活塞2处于距离其静止位置位移为x的位置处，该静止位置由孔部分10a的上游端确定。孔部分10a的型面根据孔在位移为x处的孔直径D(x)型面而确定，该位置由活塞头22的下游边缘30来确定。
平衡时作用在活塞2上的力是平衡力，它们包括第一力项(π/4)D2活塞ρg(H1-H3)和第二力项(π/4)(D2本体-D2孔)ρg(H3-H4)，该第一力项和第二力项是由分别跨过活塞头22和支承构件26中的孔38的压力差而引起的。第三力项(K1+K2x)(x+z)是由压缩弹簧引起的。第四力项(π/4)D2活塞ρV2进口，第五力项(π/4)D2孔ρV2孔和第六力项ε(x)(π/4)(D2本体-D2孔)ρV(x)2是由当流体分别流过进口、支承构件26中的孔38以及节流孔28时流体动量的变化而引起的。与由于突现的环形射流而施加的力相关的第六力项可以分解成轴向分量ε(x)(π/4)(D2本体-D2孔)ρV(x)2cosθ和径向分量ε(x)(π/4)(D2本体-D2孔)ρV(x)2sinθ，其中ρ是流体密度，θ是垂直于节流孔处探头元件表面的线与垂直于流体流动通道纵向轴线的相交线之间的夹角。
当角度θ较小时，动量项的径向分量变得非常小，环形节流孔的尺寸近似于活塞头22的面积和孔部分10a在位移为x处的横截面积之差。该近似关系用于在图16所示流程图中所提出的公式中。当θ值更大时，动量的径向分量变得更大，上述三角函数就必须加以考虑，并对流程图进行合适修正。
跨过该阀的压力损失可以通过对跨过阀各部分的压头损失进行求和而确定，关于这些压头损失的公式如图15所示。该压头损失是由于当流体从阀的一个部分流向下一部分时的摩擦效应和流量系数而引起的。
迭代处理包括多个步骤，这些步骤以图16中的流程图的形式表示。该处理包括开始步骤62；随后是定义步骤64，在该定义步骤64中，确定了以下值设计流量Q、压力差范围、弹簧特性系数K1和K2以及阀的除型面几何尺寸D(x)型面之外的所有基本尺寸。第一次迭代循环的计数n设置为零(步骤66)，压头差ΔH1，4设为起始值ΔH开始(步骤68)，且第二迭代循环的计数m，设置为零(步骤70)。
确定跨过孔本体的压力差(步骤72)，确定跨过活塞头22的压力差(步骤74)，并根据压力差而确定活塞的位移，这是需要弹簧预压缩量的第一计算(步骤76)。然后将轴向位移x设置为零(步骤78)。
然后的处理包括有以下步骤的循环，重复该循环直到完成该处理。
通过实验数据得出流量系数Cd(x)n。这能够对排出面积进行第一估计(步骤82)。确定在轴向位移x处的型面直径(步骤84)，并得出突现的射流速度(步骤86)。作用在活塞上的合成力确定为动量的变化量和突现射流对孔基座的冲击量的函数(步骤88)。这能够得出活塞的新轴向位置(步骤90)。
然后对公式求解以确定环形通道中的雷诺数(步骤92)、流量系数(步骤94)和摩擦系数(步骤96)。
然后增大活塞的轴向位置(步骤98)，再对公式求解以确定通过该轴向增量的压头损失(步骤100)、跨过计量边缘的压头差(步骤102)和在轴向位移x处的排出面积(步骤104)。
再将排出面积的连续计算值与允许差值X进行比较(步骤106)。当这些阀中的差值超过允许差值X时，计数值n增加(步骤108)，该处理返回到步骤84，并重复进行。当比较值之差等于或小于允许差值X时，该处理继续进行，并计算出在位移值xn处的型面直径(步骤110)。将计算的结果置于数组中(步骤112、114、116)。
然后将跨过阀的压头差与压头差的最大值进行比较(步骤118)，当这些值不相等时，计算压头损失(步骤120)。当计数值m等于零时，弹簧预压缩量z设为等于值xn(步骤122)，且总压力差和计数值m增大(步骤124、126)。计算跨过环形孔的压头差(步骤128)和计算活塞的位移(步骤130)，然后该处理返回步骤80，并重复进行。
当在步骤118中该比较值相等时，计算筒壳体上游和下游的压力差(步骤132)。这包括进口损失和压力恢复。然后处理结束(步骤134)。
因此，上述处理能够对于任意给定的值计算探头元件的正确型面，从而在给定的压力差范围内提供所需的恒定流量。
因此，阀通过打开或关闭而反过来改变压力差，以便使流过阀的流体流量保持基本恒定，该流量由跨过环形孔28的压力降以及在活塞头22的柱形壁和孔上部10a的壁之间的环形通道31内的摩擦损失而控制。已经发现这两种作用的组合将在很宽的压力差范围内提供非常稳定的流量，非常低的压力差也包含在该压力差范围内。
可以对本发明进行各种变化，下面将介绍该变化的某些实例。
弹簧的强度可以改变，以提供不同的设计流量。弹簧可以由其它弹性偏压部件代替，例如弹性材料或压缩空气气缸。尽管该阀优选是由不锈钢制成，但是它也可以由包括塑料、陶瓷和复合材料的其它材料制成。也可以采用不同的制造方法，例如包括失蜡铸造和模铸。词汇A(x) 在轴向位置x处的计量面积米2Cd(x) 流量系数F(x，Re，m，E) 无量纲Cp(x) 突现的螺帽射流压力恢复系数 无量纲D孔孔直径 mD本体本体内径 mD最大型面本体的最大可能直径的外径 mD活塞活塞直径 mD(x)型面在轴向位置x处的型面直径mD螺帽螺帽内径 mD弹簧弹簧内径 mE行近流速度系数1/(1-M2)1/2无量纲f孔孔的摩擦系数 无量纲F(x)动量动量项的变化的总和 牛顿g重力加速度 m/秒2H0筒组件的上游压头 mH1型面的上游压头 mH2计量边缘的上游压头 mH3计量孔的下游压头 mH4孔的下游压头 mH5筒组件的下游压头 mk粗糙度高度 mK1弹簧的刚性常数 牛顿/mK2弹簧的刚性梯度 牛顿/m2K(x) 有效弹簧刚性K(x)＝K1+K2x 牛顿/mL孔的长度 mM进口面积和计量面积之比 无量纲Re孔孔中的雷诺数无量纲Re(x) 在轴向位置x处的型面和计量 无量纲边缘之间的雷诺数V孔孔中的平均速度 m/秒V本体本体内的平均速度m/秒V进口平均进口速度m/秒V螺帽平均螺帽射流速度m/秒V弹簧弹簧内径中的平均速度m/秒V(x)计量边缘处的平均速度m/秒x 孔的轴向位移mz 弹簧的预压缩量 mρ 流体密度Kg/m3ν 运动粘度m2/秒X 以面积项表示的允许差值 m2δH(m) 在增加距离上的在型面和 m活塞之间的压头损失Δx 增加距离mΔH梯度增加的压力梯度 mζ 进口损失系数无量纲ε(x) 环形射流的动量冲击弹簧帽的效率 无量纲下标用于流程图中的计数m，n
权利要求
1.一种流量控制阀，包括一本体部件，该本体部件有一孔，该孔确定了流体流动通道；一弹性偏压活塞部件，该弹性偏压活塞部件安装在所述通道内，并可响应于跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件运动，所述活塞部件确定了在所述活塞部件和所述孔之间的环形节流孔，其中，所述通道的至少一部分有非均匀的剖面，这样，环形孔的大小取决于活塞部件相对于本体部件的位置；其特征在于该活塞部件有侧壁，该侧壁与流体流动通道的非均匀部分一起确定了一环形流体流动狭槽，其中，所述环形狭槽的长度和横截面积取决于该活塞部件相对于该本体部件的位置。
2.根据权利要求1所述的流量控制阀，其中该流体流动通道的非均匀部分的尺寸朝着所述通道的进口端增加。
3.根据权利要求2所述的流量控制阀，其中该流体流动通道的非均匀部分成扩口形。
4.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，其中所述活塞部件包括一活塞头，所述节流孔确定于所述活塞头的下游边缘和流体流动通道的所述非均匀部分之间。
5.根据权利要求4所述的流量控制阀，其中该活塞头基本为柱形。
6.根据权利要求4或5所述的流量控制阀，其中活塞部件包括一支承构件，所述支承构件安装成可在所述孔内滑动。
7.根据权利要求6所述的流量控制阀，其中活塞头与支承构件连接，以便与该支承构件一起运动，且该活塞头从所述支承构件朝着所述阀的进口端延伸。
8.根据权利要求6或7所述的流量控制阀，其中该支承构件包括一个基本为轴向的流体流动通道。
9.根据权利要求6至8中任意一个所述的流量控制阀，其中该支承构件与一弹性偏压部件配合。
10.根据前述权利要求中任意一个所述的流量控制阀，还包括一壳体，本体部件安装在该壳体内，其中，所述壳体能装有可更换的、具有不同流体流量的流量控制阀筒。
11.一种流量控制阀，基本如本文所述和如附图所示。
全文摘要
一种流量控制阀包括一本体部件(1)，该本体部件有一孔(10)，该孔确定了流体流动通道。一弹性偏压活塞部件(2)安装在所述通道内，并可响应于跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件(1)运动。该活塞部件(2)确定了在所述活塞部件和所述孔之间的环形节流孔(28)。所述通道的至少一部分(10a)有非均匀的剖面，这样，环形孔(28)的大小取决于活塞部件相对于本体部件的位置。
文档编号F16K17/20GK1465877SQ0212265
公开日2004年1月7日 申请日期2002年6月18日 优先权日2002年6月18日
发明者约翰·H·梅, 约翰 H 梅 申请人:哈特斯莱·纽曼·亨德有限公司, 哈特斯莱 纽曼 亨德有限公司