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关于一种新型的三通恒温调节阀

现在恒温调节阀(又称温控阀)中感温部件的热敏材料一般采用智能材料,例如形状记忆合金。智能材料的驱动特性有其局限性,通常难以同时满足恒温阀所必需的微位移与大驱动力的要求1。基于蜡式热动力元件的恒温阀是一种控制流体温度的新型调节阀。它可以同时满足微位移与大驱动力的要求,且具有结构简单、动作可靠、温度控制精度较高、无需电力等外部能源以及自动化程度高等优点,因此在液压驱动冷却系统中得到越来越广泛的应用。就其在系统中流动方式的不同,可分为混合型与分流型,本文介绍混合型恒温阀。

1 恒温阀结构、工作原理以及蜡式热动力元件的特性分析

1.1 恒温阀结构与工作原理

恒温阀(图1)基本结构为蜡式热动力元件和流量调节部件。恒温阀的调节核心部分是完全浸泡在混合流体出口端的蜡式热动力元件(图2)。它根据固体和液体不可压缩和利用密封容器内工作介质(感温蜡与金属铜粉的混合物)的体积随温度变化而变化的物理性质而工作,提供蜡式热动力元件在膨胀方向上的驱动力。

恒温阀的工作过程如下:蜡式热动力元件受热的推力,这两个力共同作用,使蜡式热动力元件带动恒温阀内部的调节筒,在高温流体及低温流体的混合舱内上下移动,以连续自动的方式调节低温、高温流体的流入开度。在液压驱动冷却系统中,高温流体温度发生变化时,自动地调节高温流体及低温流体的流入比例来保持设定的温度。例如混合流体出口温度升高,那么密封容器内的感温蜡将会膨胀,推动调节筒向下运动,减小阀门的高温流道开度,进而降低混合流体温度。

(左端:低温流体接口,右端:高温流体接口,下端:混合流体接口)

图1 三通恒温阀典型结构

恒温阀需要先通过“标定”来完成温度设定。所谓“标定”即通过旋转调节螺栓来调整复位弹簧的压缩量以提供合适的初始力,不同的初始力将会产生不同的恒定出口混合流体温度。

图2 蜡式热动力元件

1.2 蜡式热动力元件的特性分析

由图3可以看出,活塞行程与温度关系曲线整体上呈非线性关系。但是整个曲线可以分成3个区:固体区(熔点温度t1以下),相变区(t1~t2,感温蜡处于固液混合态)和液态区(t2以上,感温蜡全部为液态),在这3个区域都呈现出近似的线性关系。但一般选用
感温介质体膨胀系数最大的相变区作为工作区域。在各线性区域内其调节特性属于比例式调节,即在稳定状态下,其输出参数(行程mm)与输入量(温度℃)成比例变化。

图3 蜡式热动力元件活塞行程与温度关系曲线

2 恒温阀主要性能分析

2.1 静、动态特性分析

恒温阀可看作是一个比例调节控制装置,其静、动态性能较好,工作平稳可靠。这点在计算机仿真和产品试制过程中得到充分验证。

2.2 流体流动局部阻力系数分析

恒温阀为了实现对温度的精确控制,流道结构比较复杂。它的流体流动局部阻力系数不仅决定于它的几何参数,还与入口两流道的流量比有关。由于三通恒温阀有2个支管,所以有2个局部阻力系数,但总局部阻力系数与2支管局部阻力系数并不是简单的代数和3。

由图1可知,低温流体流道比高温流体流道更为复杂,所以低温流体流道局部阻力系数比高温流体流道局部阻力系数更大。经测试,总流体流动阻力系数的数值介于低温、高温流道局部阻力系数之间,是相同管径三通管件的10倍左右。

2.3 恒温阀流道密封性分析

恒温阀流道密封性问题实质上是恒温阀控制温度的两种极限情况。根据阀体结构分析,低温流道在蜡式热动力元件不动作的情况下是关闭的,于是存在低温流道在该情况下的密封性问题;如果混合流体温度高于恒温阀设定温度,高温流道在蜡式热动力元件完全动作的情况下是关闭的,于是存在高温流道在该情况下的密封性问题。

根据恒温阀工作原理分析,低温流道密封性问题并不影响恒温阀工作时对温度的调节和控制。但流道密封性能可用来测试恒温阀的断流能力和流量调节部件的制造质量。流量调节部件的关闭力一部分用来克服被调节流体的压力,另一部分必须使调节筒对上(或下)密封垫有一定的比压,恒温阀的泄漏量取决于这一比压值。比压值是蜡式热动力元件吸收热功转换而来的,比压过高泄漏量减少,但增加了蜡式热动力元件的纯滞后环节,对温度控制精度不利,应综合考虑。实验中所测阀门通过选用具有合理弹性系数的复位弹簧,并与蜡式热动力元件的推力特性相匹配,使得恒温阀低、高温流道密封性能良好,泄漏量为零。

3 恒温阀在注塑机液压驱动冷却系统中的应用

如图4所示,带三通恒温阀的注塑机液压驱动冷却系统属于闭环控制系统。从注塑机出来的高温油通过泵打入通往冷却器的管道中,其间分出1根支路管道连接三通恒温阀的高温流体接口端,而从冷却器出来的低温油则连接三通恒温阀的低温流体接口端,高温油与低温油在恒温阀混合舱内混合,达到设定的、注塑机所需的油温。

图4 注塑机液压驱动冷却系统示意图

4 结束语

针对液压驱动系统通常要求对油液温度进行控制这一问题,研制开发了一种基于蜡式热动力元件的新型三通恒温阀。它提高了冷却系统的可控性和控制精度,克服了传统电测电控与机械组合匹配冷却系统的缺点,实现了简洁可靠的液压驱动冷却系统。

参考文献:

[1] 吴怀超,等.节能冷却系统中温控阀的研制、性能分析与测试J.液压与气动,2004(11):19-21.
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