压力独立控制和平衡阀的制作方法
【专利说明】压力独立控制和平衡阀
[0001] 本发明涉及具有压力独立控制和平衡阀的装置。控制阀和平衡阀常用于循环加热 /冷却系统（hydronic system)中，以监测和调节流体流速并且确保流体的相对稳定的流 动。
[0002] 发明背景
[0003] 在流体网络中，将流体从来源分布到一个或多个消耗（负载）点是常见的。为了根 据不同的需求提供正确量的流体，通常设置一个或多个控制阀。这些控制阀响应于控制信 号以在系统中产生可变的限制，向每个负载提供适当量的流体。例如，控制信号可以由恒温 器来提供，并且控制阀可以通过改变加热流体或冷却流体经过热交换器的流动来响应。如 果选择具有大于应用所需的最大限度的最大开口的控制阀，那么其必须随时被控制为过度 地关闭。当控制阀从打开状态反复地改变为关闭状态而不是安置在适当的位置时，这种过 度关闭导致不稳定的控制。相反地，如果选择具有太小的最大开口的阀，则需要过多的栗运 能来解决在系统中出现的不需要的压降。该问题由于控制阀通常仅在固定的步骤中是可用 的而迫使用户选择一种或另一种错误的类型这一事实而加重。
[0004] 已知的系统通常在不同的终端处具有不同量的剩余压力。普通的控制阀不提供用 于读取流体的流速的工具，也不提供手动调节其最大开口的工具，这将导致普通的控制阀 不正确地控制流体的流动。虽然剩余压力的量可以在理论上被计算，但在实践中，计算由 于其复杂性常常没有进行，或由于构造变化是不准确的。该问题常常通过安装平衡阀来解 决，平衡阀提供校准的可调节限制和测量流速的工具。然后，采用平衡承包商（balancing contractor)来调节整个系统中的这些平衡阀，使得在最大流动条件下，所有的终端接收正 确的流体流动而没有过剩。此外，在一些系统中，随着系统上的负载导致系统阻力变化，并 且随着栗运功率被改变以对应于变化的负载，每个终端处的压力可以改变。结果可能是，在 不同的负载条件下，系统使用比需要多的功率，或一些终端没有得到其需要的流体的量，或 一些终端的操作是不稳定的。为了纠正这一点，压力控制器有时作为单独的部件被包含或 与控制阀结合。
[0005] 已知的阀经历以下问题：控制阀没有考虑到由平衡阀产生的限制，使得控制阀的 冲程的一部分被浪费。
[0006] -些现有装置在单个单元中组合控制阀和平衡阀的功能，提供组合单元的改进的 性能。使用由单个装置实现的控制功能和平衡，提供为在给定终端处经历的精确条件定制 的改进的控制性能是可能的。
[0007] -些现有装置在相同壳体中组合控制阀和压力补偿器以制造压力独立控制阀。这 些装置在一些情况下还包括用于其最大流动的调节器。
[0008] -些现有技术装置所遭受的问题是它们是庞大的，尤其尺寸大。
[0009] 现有技术装置所遭受的另一问题是，它们在其阀杆位置和连接装置的热传递之间 没有正确的关系，特别是当其被调节到特定的最大流动时。
[0010] 本发明试图提供解决现有技术装置呈现的问题中的一个或多个的装置。
[0011] 发明概述
[0012] 本装置使用轴向布局，其中，控制阀塞子（control valve plug)从嵌入经过装置 的流体流动内的主体延伸，并且调节器活塞紧靠该相同嵌入主体的相对端。显著地，这产生 具有如将在下文详细说明的另外的技术优点的紧凑装置。
[0013] 因此，在第一方面，本发明提供了具有压力独立控制和平衡阀的装置，该装置适合 在循环加热/冷却系统中使用，装置包括底座、具有上游表面和下游表面的塞子以及活塞， 其中底座、塞子和活塞同轴地对准，调节工具确定塞子的上游表面和底座之间的第一流动 限制（first flow restriction)的大小，活塞是可操作的以响应于横跨第一限制的压差和 预先确定的力移动，活塞相对于塞子的下游表面的位置确定第二流动限制的大小，从而在 使用中维持横跨第一限制的大体上恒定的压差。
[0014] 优选地，塞子通常是圆柱形的并且其能够相对于底座轴向地移动。流体流速的控 制通过改变塞子和底座之间的距离来实现。
[0015] 优选地，塞子的下游表面通常是圆锥形的并且延伸到由活塞界定的管中。
[0016] 优选地，活塞通常是管状的并且具有至少部分地环绕塞子的下游表面的套叠式部 分（telescopic portion)。优选地，活塞能够在塞子的中心纵向轴线的远侧与塞子形成环 形接触。
[0017] 优选地，流体能够流经装置，并且塞子定位在流体的流动路径内，塞子布置成其纵 向轴线平行于流动方向。优选地，流体流动路径在塞子和底座之间径向向外延伸，并且在塞 子的下游表面和活塞的套叠式管状部分之间径向向内延伸。
[0018] 优选地，活塞具有凸缘和推动活塞以增大第二限制的大小的弹簧，凸缘具有低压 侧和高压侧，凸缘的低压侧在使用中经受所述第一限制下游的流体压力（P2)，从而产生推 动活塞以增大第二限制的大小的力，凸缘的高压侧在使用中经受第一限制上游的流体压力 (Pl)，从而产生推动活塞以减小第二限制的大小的力。
[0019] 优选地，活塞的管状部分在内部和外部两者均具有直径的过渡，使得活塞的经受 P2的径向面积等于活塞的经受Pl的径向面积。
[0020] 此外，优选地，在使用中，对于将朝向打开位置推动活塞的侧面、将朝向关闭位置 推动活塞的内侧面，活塞的经受来自第二限制下游的流体压力（P3)的径向面积是相等的。 这提供以下优点，与第一限制之前流体的流体压力之间可能发生的流体压力的变化相比， 本发明的装置对第二限制之后流体的流体压力之间可能发生的流体压力的变化不太敏感。 这又允许调节器尽管在范围广泛的系统压差下仍能起作用。换言之，根据本发明，活塞通过 来自系统的范围广泛的施加的流体压力轴向地操作。
[0021] 将理解的是，调节器的最重要的功能中的一个是，在范围广泛的施加的压力条件 下提供相同的流速。然而，已知的调节器的常见故障是，其遭受下陷（sag)。下陷是当增大 Pl和P3之间的系统压差时发生的现象，该现象导致Pl和P2之间的控制的压差减小。这又 导致流体流速随着Pl减去P3的增大而降低。这种状况产生不稳定性，因为降低流速导致 压差的增大，但这仅仅在流体的减速期间暂时发生。一些装置尝试通过被布置使得其紧靠 Pl而不是紧靠 P3来解决下陷。然而，虽然这防止下陷的相对危险的影响，但其仍然导致调 节器随着Pl和P3之间的差异的变化而改变流动。有利地，根据本发明的装置几乎完全不 受Pl和P3之间的差异的变化的影响。
[0022] 在实施方案中，活塞和塞子的下游表面包括调节部分（regulating section)，调 节部分位于控制部分（control section)的下游，控制部分由塞子的上游表面和底座构成。 活塞向上游移动以关闭调节部分中的流体路径，其中活塞紧靠由塞子的下游表面形成的控 制机构，并且通过流经装置的流体的压差来操作，压差由塞子的上游表面和底座之间的间 隙形成的控制限制产生。活塞包括管状部分，并且活塞的移动产生流体路径的调节限制，该 调节限制在由活塞的移动产生的流体路径的控制限制的下游。
[0023] 在实施方案中，活塞包括管状部分，该管状部分具有邻近活塞的上游端部的减小 外径的部分。此外，邻近具有减小外径的部分和从该部分下游，活塞的管状部分具有减小内 径的部分。减小的外径大体上等于减小的内径。
[0024] 有利地，根据本发明，塞子连同其由其相关联的机构壳体形成的下游表面形成流 动路径中大体上仅有的阻碍。优选的实施方案包括拉纳约翰逊式阀（Larner Johnson type valve)。换句话说，控制塞从由机构壳体形成的主体伸缩，该机构壳体嵌入流体的流动中。 在该阀的情况下，包括活塞的压差部分已经被布置使得活塞抵靠控制塞从其伸缩的相同的 主体（但在其另一端上）关闭流动路径。这具有简化构造、减少使用中的流体压降的优点， 并且减小了装置的整体尺寸。
[0025] 此外，根据本发明，在现有技术装置中将需要的至少一个密封件现在是不需要的。 代替地，本发明仅需要刮削器或导引装置。还意味着，可以使用突出部（jog)来抵消P3,因 为在活塞的表面处存在的相同的流体压力也存在于突出部处。
[0026] 使用具有本发明的轴向布局的阀可能发生的问题是，相对大的涡流可能在流经装 置的流体的下游产生。这些涡流通常被称为"尾流"，其存在于控制机构和调节限制的下游。 涡流在流体中发生气蚀（cavitation)并且这可以导致振动。振动可以不利地影响装置的 性能。
[0027] 因此，在第二方面，本发明提供具有压力独立控制和平衡阀的装置，该装置适合在 循环加热/冷却系统中使用，装置包括底座、具有上游表面和下游表面的塞子以及活塞，控 制器确定塞子的上游表面和底座之间的第一流动限制的大小，活塞是可操作的以响应于横 跨第一限制的压差和预先确定的力移动，活塞相对于塞子的下游表面的位置确定第二流动 限制的大小，从而在使用中维持横跨第一限制的大体上恒定的压差；其中塞子的下游表面 由一个或多个气蚀抑制元件界定。
[0028] 优选地，气蚀抑制元件包括多个脊。
[0029] 在一个实施方案中，气蚀抑制元件由多个圆柱形构件形