具有集成能量计量的先进阀门致动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及阀门和阀门致动器以及流量和能量计，且更具体地涉及配置为通 过通信能力电控的阀门和阀门致动器以及流量和能量计。
【背景技术】
[0002] 很多类型的商业和工业系统包含经由流体控制系统来供应液体的过程，流体控制 系统可以包括各种各样的栗组件和控制阀门。这些流体控制系统包括但不限于发电站、化 学制造操作、食物和饮料加工、液化气供应和处理、水供应和处理、加热、通风和空调(HVAC) 系统等中使用的那些系统。对于这些商业和工业系统，为了实现监测和追踪能量使用的任 何能力，需要获得且安装多个单独的部件到控制阀门组件。然而，这倾向于以昂贵且耗时的 方式努力监管能耗。
[0003] 自动控制阀门被用于通过借助于定位阀门闭合件限制流体流量而控制在流体加 热或冷却系统中的温度、湿度、或压力。自动控制阀门响应于外部或内部控制器或恒温器操 作，且经常与其它设备一起使用以计算且指示经过的流体体积和由流体系统消耗的能量、 以及与过程控制或建筑物管理系统(BMS)接口。在美国专利公开文本No. 2010/0142535中公 开了使用通信网络实施的建筑物管理系统，通过引用将其教导和公开内容并入本文。
[0004] 本发明的实施例表示对现有技术关于过程控制和HVAC系统及其控制方面的进步。 根据本文中提供的对本发明的描述，本发明的这些和其它优点以及额外的发明特征将变得 明显。
【发明内容】
[0005] 在一个方面，本发明的实施例提供自动控制阀门和致动器组件，其包括：阀门，其 配置为控制进入换热器负载或HVAC盘管的流体流量;和阀门致动器，其配置为经由阀门闭 合件的定位控制具有内部机械流量控制机构的自致动压力无关阀门的打开和闭合。在一个 实施例中，阀门致动器包括集成流体流量和能耗计算和保留模块，集成流体流量和能耗计 算和保留模块配置为计算热能以用于能耗追踪。
[0006] 在某些实施例中，能耗计算和保留模块利用来自阀门流率计的数据计算热能以用 于能耗追踪，阀门流率计计算流经阀门的液体的流率。也使用来自流体温度传感器的数据， 所述数据测量横跨盘管或负载的温差以提供能量的计算。
[0007] 在其它实施例中，阀门致动器具有通信模块，通信模块配置为通过网络促进与阀 门致动器通信，且还配置为允许远程监测流经阀门的流体流量和远程控制阀门致动器。能 耗计算和保留模块可联接到通信模块，以使来自能耗计算和保留模块的数据可以被本地和 远程访问。
[0008] 在另外的实施例中，阀门致动器配置为在连接到机械的压力有关阀体的同时电子 提供压力无关阀门功能性。在又另外的实施例中，阀门致动器配置为产生防止流体在HVAC 盘管或换热器中冻结的流经阀门的自动最小流量，且其中，来自能耗计算和保留模块的数 据用于操作阀门致动器，以使联接到HVAC阀门和致动器组件的任何冷却器和锅炉在其最高 效温差下操作。
[0009] 在一些实施例中，阀门致动器具有多个可调整操作参数，且所述多个可调整操作 参数可以被本地或远程调整。阀门致动器还可包括诊断模块，诊断模块配置为向远程位置 提供有关阀门和致动器组件的操作的诊断信息，其中，诊断模块提供与由能耗计算和保留 模块提供的能耗数据相关的诊断信息。
[0010] 在具体实施例中，阀门致动器具有:马达和齿轮系，其由直接连接或弹簧加载的联 动组件联接到节流阀门闭合件;和电路板，其具有用于调节马达和齿轮系的操作的控制电 路、以及用于使所述致动器能够经由串行通信总线与建筑物管理系统进行通信的通信电 路。阀门致动器也可配置为将机械的压力有关阀体操作为压力无关阀门或压力有关阀门。 [0011]通过结合附图来考虑以下具体实施例，本发明的其它方面、目标和优点将变得明 显。
【附图说明】
[0012] 包含在说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且 附图与文字描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：
[0013] 图1是现有技术的具有流体和能量监测的HVAC阀门构造的示意图；
[0014] 图2是开放系统互连和TCP/IP概念网络模型的并置图；
[0015] 图3是现有协议、层、和连接媒介的概览图；
[0016] 图4是示出机械的压力无关阀体杆位置和流体流量之间的关系的图表；
[0017]图5A和5B是根据本发明的实施例构造的HVAC系统以及集成的阀门和致动器组件 的示意性方框图；
[0018] 图6是示出根据本发明的实施例的用于集成阀门和致动器组件的可调整设定的方 框图；
[0019] 图7是集成封装中包含的新技术设计的物理图；
[0020] 图8是示出根据本发明的实施例的阀门闭合件闭合的示意图；
[0021] 图9是根据本发明的实施例的用于压力有关控制的阀门闭合件打开的示意图；
[0022] 图10是根据本发明的实施例的用于压力无关控制的阀门闭合件打开的示意图；以 及
[0023] 图11是根据本发明的实施例的气蚀区域(气蚀区域)水温关系的图解说明。
[0024] 尽管将结合某些优选实施例来描述本发明，但是这并不是要将本发明限制于那些 实施例。相反，其旨在覆盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内所包括的所有 替代物、修改和等同物。
【具体实施方式】
[0025] 图1是示出常规HVAC系统110的示意图，常规HVAC系统110需要多个装置来获得所 需的水阀门控制和流体流量及能耗计算。用于来自栗和管道系统的水供应60的热水和冷水 源通常位于房间51的外面，并且通常是由能够被交替连接在源内的一个或多个锅炉或冷却 器(未示出）组成的集中式供应。阀门63调整来自栗和管道系统的水供应60的热水和冷水的 流量，用于房间51的加热和/或冷却。阀门63通常受到弹簧回位阀门致动器56的机械驱动， 弹簧回位阀门致动器56根据由室温控制器54提供的控制信号而被操作连接。
[0026]在典型实施例中，室温控制器54接收来自室温传感器52的温度感测信号，并将温 度感测信号与房间设定点装置53提供的期望的室温设定点进行比较，房间设定点装置53可 以例如是电位计或小键盘。流量计62可以可选地由室温控制器54使用，以提供用于指示目 的的流量信息，以用于可选流量控制而非由常规温度控制、或通过利用入口温度传感器70 和出口温度传感器71以确定横跨水盘管64或负载的温度变化而用于能量计算。
[0027]在所示实施例中，弹簧回位阀门致动器56根据从室温控制器54接收的比例控制信 号进行操作，以将阀门63从完全闭合手动设置为完全打开，以保持由房间设定点装置53提 供的期望的房间设定点。通过使空气经过具有适当量的热水或冷水的水盘管64来控制房间 51的气温，以在水盘管64的温度与房间51的温度之间提供必要的温差，从而朝向房间设定 点装置53的期望的室温设定点来驱动房间51的温度。水盘管64使用由中央锅炉和冷却器系 统提供的热水或冷水，例如，由来自栗和管道系统的水供应60输送的热水或冷水。通常，每 个房间具有其自己的管道系统。在期望以加热模式操作系统时，来自栗和管道系统的水供 应60例如从锅炉提供热水，并且在期望以冷却模式操作系统时，来自栗和管道系统的水供 应60例如从冷却器提供冷水。
[0028] 室外空气通风入口 69和室外空气通风风门68用于向房间提供新鲜空气。由室外空 气通风风门控制器66控制新鲜空气的量，室外空气通风风门控制器对室外空气通风风门致 动器67进行机械设置。存在很多常用的风门致动器控制方法。就所有方法而言，存在室外冷 空气能够将水盘管64中的水冻结并且造成重大财产损失的风险。常见的室外空气风门问题 包括由于磨损、翘曲或其它损坏而未能紧密闭合的风门桨叶、松动或被损坏的机械联动装 置，以及致动器故障。
[0029] 不出所料，盘管冻结状况最有可能发生在加热模式下，因为室外气温低。为使水盘 管64中的水冻结，其中的水必须在一定程度上是静止的，并且在足以使水温降至32 7 (〇°C) 以下的时间段内被暴露在低温下。在室外气温非常低时，室温也可能较低并且阀门至少部 分打开，这能够减小水盘管发生冻结状况的可能性。对于低于32 7 (0°C)但并不足以使房间 51的温度冷到不舒服的较温和的室外气温，水盘管64中的水发生冻结的风险很大，这是因 为阀门63可能由于房间51不需要加热而闭合，以使水盘管64,82中的水不流动，因而出现可 能的冻结状况。
[0030] 针对图1中所示的常规HVAC系统110,冻结状态计(freeze stat)59与弹簧回位阀 门致动器56用线串联。在冻结状态计59检测到可能的冻结状况时，其将使弹簧回位阀门致 动器56的功率中断，弹簧回位阀门致动器56在一些情况下具有内部弹簧机制，以在失去功 率时将其驱动至已知位置。通常发生的是，该已知位置是完全打开阀门位置，以使阀门63保 护水盘管64和管道系统不被冻结，尽管较低量的流量将足以防止发生冻结状况。该方案往 往会浪费能量。在一些情况下，冻结状态计59也可以向室外空气通风风门致动器67提供功 率，致动器也可以具有弹簧回位操作，以在冻结状态计59检测到可能的冻结状况的情况下 闭合室外空气通风风门68。
[0031] 用于实现闭环中的HVAC盘管64中的冻结保护的替代方法是添加防冻剂，以防止刚 性管道和盘管由于水变成冰时所产生的膨胀而遭受物理应力、形变和破裂。将化合物添加 到水中，以使混合物的冰点减小到系统可能遇到的最低温度以下。HVAC闭环系统最常使用 的防冻化合物是乙二醇和丙二醇。二醇的最重要的特性的其中之一是其粘性，因为其对栗 送的容易程度有影响，并且影响热传递。二醇的粘性与温度成反比变化。热的二醇自由流 动，但是其粘性随其冷却而增大，直到最终凝结并且不再流动。二醇和水的混合物比单独的 水更粘，并且其粘性随二醇含量增大而变大，或者在水混合物温度下降的情况下，其粘性增 大。
[0032] 在商业和工业系统中使用的图1的其它实施例中，某些部件可不必具有或可具有 替代性功能性以用于应用。用于过程冷却或加热的系统可能不需要由室外空气通风控制器 66、室外空气通风风门致动器67、室外空气通风风门68、和室外空气通风入口 69提供的室外 空气吸入功能性。弹簧复位阀门致动器56可以是没有弹簧复位功能的设计以允许在没有流 体冻结条件的可能性的情况下弹簧复位阀门致动器在损失用于施加的动力时保持就位。
[0033] 下文将描述的图5A-10的示意图示出了相对于现有技术的各种改进。根据图5A和 5B的示意图中所示出的本发明的一方面，阀门和致动器组件37在一个集成组件中包括阀门 18、 致动器14、室温控制器8、辅助流体温度传感器2、流体温度传感器22、阀门流率传感器 19、 流体压力和流量计算模块25、以及能耗计算和保留模块24,该集成组件安装得更快，因 为只需对一个装置进行安装和布线，而不像图1的系统110那样需要对多个单独的装置进行 安装和布线。图5A和5B的实施例还示出，阀门18包括入口阀门压力传感器20和出口阀门压 力传感器21，以使得能够获得阀门18两端的压力下降。图5A和5B示出了具有阀门和致动器 组件37的本发明，其具有全部需要单独安装和互连布线的几个传统装置的全部功能。阀门 和致动器组件37可以被现场配置为作为压力有关或压力无关阀门进行操作，并且将在任何 一种阀门控制模式下提供能量高效的冻结保护。
[0034]在一个本发明的实施例中，通信网络遵循分层互连网络模型构成。分层互连网络 模型包括抽象协议独立的七层开放系统互连(0SI)概念模型（IS0/IEC 7498-1)，且后来制 定更新的协议相关的四层TCP/IP概念模型有时指代因特网模型、或不那么频繁地指代国防 部( D0D)模型，以将处理活动打破成层级系列的网络服务及其用于通过两个或更多个网络 实体之间的传输媒介来传递数据的相应独立定义的任务、活动、和分量。两种模型都基于无 关协议栈的概念。0SI模型由国际组织构思且采用，以用于标准化(ISO)和国际电信同盟-电 信标准化局（ITU-T)。TCP/IP模型(RFC 1122)初始地具有四层，且后来由他人提议通过将初 始最低层（即，网络访问层)扩展成数据链路层和最低物理层而包含五层。所述模型描述了 通用的一组用于网络通信的特定协议的指南和过程，包括端到端连接性、寻址、传输、格式 化、路由选择、和数据的接收。与TCP/IP的更松散定义的层定义相反，0SI模型定义严格的分 层。
[0035]通信协议建立用于语法、语义学、和格式和同步化的程序上的二进制规则，以用于 通过计算机网络或BMS通信。协议可在软件或硬件或两者中采用，且定义用于数据结构、验 证、误差检测、和程序的方法，以用于处理丢失或损坏数据包，从而实现计算和控制实体之 间的数据传递。层不定义具体单一协议。实际上，层定义可以由多个协议实施的数据通信功 能，以使每层可包含数个协议，每个协议提供相关于那