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来说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。
US 3 464 439(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孔和多个在其侧壁上的出口节流开口。节流开口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，节流开口的阻塞程度增大。进口孔也由穿过该孔延伸的锥形探头(probe)部分地阻塞，以便补偿偏压弹簧的弹簧刚度。不过，节流以减小流量主要是在节流开口处进行。
通过阀的流动通路复杂，包括多处方向变化。这导致不可预知的湍流流动形式和较差的流量控制，尤其是在低压力差情况下更是如此。该装置还依赖于流体流过两组形状可变的孔的流动情况，这可能导致不稳定。该装置机构复杂，其制造需要复杂和困难的机械加工操作。
WO 00/03597(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节的流板，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，该流体流动通道有在其第一端头处的进口孔和在其第二端头处的出口孔；一弹性偏压的流量控制部件，该弹性偏压的流量控制部件包括一流量控制孔，并安装在所述通道内，以便根据跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件而运动；以及一节流部件，该节流部件包括一锥形探头元件，该锥形探头元件与流量控制孔一起确定了一个环形节流孔，该阀构成和布置成这样，即该环形孔的大小取决于流量控制部件相对于节流部件的位置；其中，该流体流动通道基本为直线形。
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。流过该阀的流体流基本为线性并平行于纵向轴线，这避免了湍流形式并提供了良好的流量控制，尤其是在低压力差下。而且，因为该阀仅需要一个孔，因此可以避免由于梯级跌流(cascading flow)而引起的不稳定性和滞后作用。
优选是，节流完全或主要在环形节流孔处进行。
根据本发明的另一方面，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，该流体流动通道有在其第一端头处的进口孔和在其第二端头处的出口孔；一弹性偏压的流量控制部件，该弹性偏压的流量控制部件包括一流量控制孔，并安装在所述通道内，以便根据跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件运动；以及一节流部件，该节流部件包括一锥形探头元件，该锥形探头元件与流量控制孔一起确定了一个环形节流孔，该阀构成和布置成这样，即该环形孔的大小取决于流量控制部件相对于节流部件的位置；其中，节流完全或主要在环形节流孔处进行。
节流完全或主要在环形节流孔处进行避免了梯级跌流和由分离节流孔的相互作用而引起的不稳定性。
该进口孔和出口孔可以构成和布置成这样，即流过孔的流体流基本平行于流体流动通道的纵向轴线。这有助于保证流过阀的流体流光滑且非湍流。该结构还使得该装置能够安装在成一直线的壳体内。
流量控制部件可以包括进口通道，该进口通道构成和布置成这样，即流过该进口通道的流体流基本平行于流体流动通道的纵向轴线。该进口通道可以由圆周壁确定。流量控制孔可以设在隔墙中，该隔墙朝着进口通道的下游端。该进口通道有助于调节节流孔上游的流体流。
流量控制部件可以包括一出口通道，该出口通道构成和布置成这样，即流过该出口通道的流体流基本平行于流体流动通道的纵向轴线。该出口通道可以由一圆周壁确定。
探头元件可以有半球形端头，以便减小当流体流过该探头元件时的分离情况。
流量控制阀可以包括用于调节探头元件的轴向位置的装置，还可以包括用于调节施加在流量控制部件上的弹性偏压力的装置。优选是，该流量控制部件通过压缩弹簧而被偏压，用于调节弹性偏压力的装置包括用于调节弹簧的压缩量的装置。
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。
主体1基本为有一进口端6和一出口端8的柱形。确定了基本直线形的流体流动通道10的轴向孔沿纵向穿过该主体而延伸。在通道的进口端有一向内延伸的凸缘12。该通道的出口端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的中部而沿周向延伸。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20，用于密封该阀，以防泄漏。
流量控制部件2基本为柱形，并安装成可在流体流动通道10内滑动。它包括一上部壁部分22，该上部壁部分22的外径稍微小于孔10的内径，以便允许该流量控制部件2相对于主体部件1而纵向滑动；以及一下部壁部分24，该下部壁部分24的直径略小一些，以便自由地穿过弹簧3的线圈而延伸。隔墙26从上部壁部分和下部壁部分的连接处向内延伸。在该隔墙的中心提供有一流量控制孔28，通过该流量控制孔28，流体可以从阀的进口端流向阀的出口端。流量控制部件2的向上运动受到与本体部件1内的凸缘12相配合的上部壁部分22的限制，而向下的运动将与压缩弹簧3相对抗，最终将通过与底部环4的配合而受到限制。
底部环4包括一环形凸缘30，该环形凸缘有外螺纹22，该外螺纹22与孔下部的内螺纹14啮合；以及一内套环34，该内套环34设有沿轴向伸入孔中的内螺纹36。凸缘30提供了一个用于弹簧3下端的座，并提供了多个沿轴向穿过该凸缘而延伸的流体流动通道38，从而允许流体从该阀的出口端流出。
环4作为节流部件5的安装座，该节流部件5具有圆形截面，包括一个外螺纹下端40，该外螺纹下端40与环4内的内螺纹36啮合；一个较大直径的中心部分42，该中心部分42与套环34紧配合；以及锥形探头元件44，该锥形探头元件44沿阀的轴线朝着阀的进口端延伸。探头元件44穿过流量控制部件2的流量控制孔28延伸，并与该流量控制孔一起确定了一个环形节流孔46，该环形节流孔46的横截面积取决于该流量控制部件相对于节流部件的位置。因此，节流孔46的大小由节流部件2的位置和探头元件44的形状决定，而该探头元件44的形状由下面所提出的一组公式确定。探头元件44的末端48为半球形，以避免当流体流过该探头元件末端时发生流体分离。
节流部件5在其下端包括一狭槽50，用于容纳螺丝刀，这使得探头元件的轴向位置可以进行调节。此外，环4可以旋转，以便调节弹簧3的压缩程度。对这两个部件的调节使得能够对流过阀的流体流量进行精确控制。
在使用时，流体从通道的进口端6穿过阀而流向出口端8，从而首先经过由上部柱形壁22确定的流量控制部件的上部，该流量控制部件的上部使得流动平稳并对流动进行调节。然后，流体通过在探头元件44和流量控制孔28之间的环形节流孔46流入由下部壁部分24确定的流量控制部件的下部，在流体通过环4的出口孔38流出阀的出口端之前，该流量控制部件的下部再使流动平稳并对流动进行调节。
当流体流过节流孔46时，流体流速有一突降，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，当流量控制部件2受压时，跨过该阀的压力差增加。
在非常低的压力差下，流量控制部件2由压缩弹簧3向上偏压至图2所示完全打开的位置，在该位置处，流量控制部件的上部壁部分22与凸缘12配合。这时，环形孔46的横截面积最大，阀完全打开。这时，跨过该环形孔的压力差较小。
当跨过阀的压力差增加时，流量控制部件2被压向如图3所示的中间打开位置，从而使弹簧3压缩。这时，环形节流孔46的横截面积减小，跨过环形孔的压力差增加。
通过进一步增加压力差，流量控制部件2进一步压低，直到它到达完全闭合的位置，如图4所示。环形孔46的横截面积进一步减小，跨过该孔的压力差进一步增加。这样，不管压力差的变化如何，流过阀的流量保持为基本恒定的值。
流过阀的流体流如图5所示。可以看出，流过阀的流体流是光滑的且基本平行于阀的纵向轴线，从而避免了方向的突然变化。因此，阀的工作是可预见的和稳定的。
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46的压力降来控制。已经发现，能够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。
为了使阀正确工作，重要的是使探头元件的型面正确。该型面根据探头元件在孔位移为x处的直径Dp(x)而确定，该直径Dp(x)通过迭代处理而进行计算，下面将参考附图
6和7介绍该迭代处理。在处理中所用的量和公式将在所附加的名称表中进行说明。
图6示意地示出了探头元件44、流体流动通道10的一侧和流量控制部件2的一部分，其与探头元件一起限定了环形节流孔46。所示的流量控制部件2在位移x处从其静止位置开始，该位置由点划线60表示。如上所述，探头元件的型面根据该元件在位移x处的直径Dp(x)而确定，该位置由流量控制部件2的下游边缘来确定。
平衡时作用在流量控制部件2上的力是平衡力，它们包括由于压力差而引起的第一力项F1，该第一力项F1等于ρgαΔH；由于压缩弹簧而引起的第二力项F2，该第二力项F2等于(K1+K2x)(x+z)；以及由于流体流过节流孔时的动量变化率而引起的第三力项F3。该第三力项F3等于ρ(A(x))V2，它可以分解成等于ρ(A(x))V2cos(90-θ)的轴向分量F’3和等于ρ(A(x))V2sin(90-θ)的径向分量F″3，其中ρ是流体密度，θ是垂直于节流孔处的探头元件平面的线与流体流动通道轴线之间的夹角。
当角度θ较大时，动量项的径向分量变得非常小，节流孔的尺寸近似于流量控制孔28的面积和探头元件在位移为x处的横截面积之差。该近似关系用于在图7所示流程图中所提出的公式中。当θ值较小时，动量的径向分量变得更重要，上述三角函数就必须加以考虑，并进行如流程图中所述的合适修正。
迭代处理包括多个步骤，这些步骤以图7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，确定了以下值所需的恒定流量、除型面直径之外的阀的所有基本尺寸、弹簧常数、起始和最终压力差(DP)以及DP增量。在下一步骤66中，选择流量系数Cd(x)的缺省值，通常在范围0.6至0.8内。然后将弹簧预压缩z设定为0(步骤68)，将迭代循环的计数设置为零(步骤70)，并将压头差ΔH设为起始值ΔH起始(步骤72)。
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。在步骤74中所提出的状态用于判断是否为起始差值状态。在步骤76中，根据流量系数Cd(x)计算所需的排出面积A(x)n。在步骤78中计算突现的射流的动量M(x)n。在步骤80中，计算出计量孔的轴向位置xn。在步骤82中，设定起始弹簧预压缩量z。
在步骤84中对循环所进行的次数n进行检查。当n＝0时，表示进行第一次循环，在步骤86中n加1，在步骤88中，由实验数据得出流量系数Cd(x)。循环再返回步骤74并重复进行。
当n≠0时，表示为随后所进行的循环，在步骤90中将新的排出面积与先前计算的排出面积比较，当它低于允许差值时，压力差增大，并计算探头元件的直径(步骤92)。该处理过程重复进行，直到达到最大压力差。
将压头差ΔH与最终值进行比较(步骤94)，当它不等于该值时，压头差增大(步骤96)。计数值n重新设定为零(步骤98)，并重复进行处理。当压头差ΔH等于最终值时，处理结束(步骤100)。
因此，对于任意给定的值，上述处理都能够计算出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。
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。
阀的部件可以制成不同形状和尺寸，以便提供不同流量和工作压力范围。不过，本体部件的外部尺寸可以保持恒定(或限制在有限的尺寸范围内)，这样，该阀能够可互换地装入很少数量的通用壳体内。
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。
名称a 孔的作用面积a＝(π/4)(D2外-D2内) 米2A(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D内孔内径mD外孔外径mDH(x)＝4A(x)/P(x)环形孔在轴向位置x时的液力直径 mDp(x) 在孔位移为x时的探头直径 mE 行近流速度系数1/(1-m2)1/2无量纲g 重力加速度m/秒2ΔH压头差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/mm 进口面积和计量面积之比无量纲M(x)突现的环形射流的动量损失 牛顿Re＝DH(x)V/ν雷诺数 无量纲P(x)环形孔在轴向位置x处的 米湿润周边
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，该流体流动通道有在其第一端头处的进口孔和在其第二端头处的出口孔；一弹性偏压的流量控制部件，该弹性偏压的流量控制部件包括一流量控制孔，并安装在所述通道内，以便根据跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件运动；以及一节流部件，该节流部件包括一锥形探头元件，该锥形探头元件与流量控制孔一起确定了一个环形节流孔，该阀构成和布置成这样，即该环形孔的大小取决于流量控制部件相对于节流部件的位置；其中，该流体流动通道基本为直线形。
2.根据权利要求1所述的流量控制阀，其中节流完全或主要在环形节流孔处进行。
3.一种流量控制阀，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，该流体流动通道有在其第一端头处的进口孔和在其第二端头处的出口孔；一弹性偏压的流量控制部件，该弹性偏压的流量控制部件包括一流量控制孔，并安装在所述通道内，以便根据跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件运动；以及一节流部件，该节流部件包括一锥形探头元件，该锥形探头元件与流量控制孔一起确定了一个环形节流孔，该阀构成和布置成这样，即该环形孔的大小取决于流量控制部件相对于节流部件的位置；其中，节流完全或主要在环形节流孔处进行。
4.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，其中该进口孔和出口孔可以构成和布置成这样，即流过该孔的流体流基本平行于流体流动通道的纵向轴线。
5.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，其中流量控制部件包括一进口通道，该进口通道构成和布置成这样，即流过该进口通道的流体流基本平行于流体流动通道的纵向轴线。
6.根据权利要求5所述的流量控制阀，其中该进口通道由圆周壁确定。
7.根据权利要求5或6所述的流量控制阀，其中流量控制孔在一隔墙中，该隔墙朝着进口通道的下游端。
8.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，其中流量控制部件包括一出口通道，该出口通道构成和布置成这样，即流过该出口通道的流体流基本平行于流体流动通道的纵向轴线。
9.根据权利要求8所述的流量控制阀，其中该出口通道由一圆周壁确定。
10.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，其中探头元件有半球形端头。
11.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，还包括用于调节探头元件的轴向位置的装置。
12.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，还包括用于调节施加在流量控制部件上的弹性偏压力的装置。
13.根据权利要求12所述的流量控制阀，其中该流量控制部件通过压缩弹簧而被偏压，用于调节弹性偏压力的装置包括用于调节弹簧的压缩量的装置。
14.根据前述任意一个权利要求所述的流量控制阀，还包括一壳体，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。
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。一弹性偏压流量控制部件(2)安装在所述通道内，用于根据跨过该阀的流体压力差而相对于该本体部件运动。该流量控制部件(2)包括一流量控制孔(28)，该流量控制孔(28)与一探头元件(44)一起确定了一个环形节流孔(46)。该探头元件(44)为锥形，这样，该环形孔(46)的大小取决于流量控制部件相对于探头部件的位置。
文档编号G05D7/00GK1417505SQ0212265
公开日2003年5月14日 申请日期2002年6月18日 优先权日2001年10月31日
发明者约翰·H·梅 申请人:流体控制英国有限公司