張 毅 袁金魁 劉 樺

（廣東萬(wàn)和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

家用燃?xì)鉄崴骶哂屑訜峥焖?、體積緊湊、價(jià)格低等特點(diǎn)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，連續(xù)多年成為中國(guó)家用熱水器市場(chǎng)上銷售額份額第一的類別[1]。其中帶自動(dòng)恒溫功能燃?xì)鉄崴鳎褂眠^(guò)程中能保持水溫穩(wěn)定，為用戶帶來(lái)更好體驗(yàn)，深受用戶喜愛(ài)。然而在中低端熱水器市場(chǎng)，由于成本、結(jié)構(gòu)限制，最低溫升過(guò)高問(wèn)題，仍然一直困擾著很多消費(fèi)者[2]。

對(duì)于目前燃?xì)鉄崴髌毡椴捎玫拇髿馐饺紵彤a(chǎn)品來(lái)說(shuō)，分段燃燒能有效擴(kuò)大負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。分段方式跟成本和產(chǎn)品性能關(guān)系密切。中低端熱水器在設(shè)計(jì)時(shí)基于合理成本控制，往往選擇簡(jiǎn)單的分段方式[3]，導(dǎo)致出現(xiàn)最小溫升過(guò)高問(wèn)題。

本文旨在探討一種創(chuàng)新方案，通過(guò)把比例調(diào)節(jié)閥應(yīng)用于分段燃燒控制，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗壤y與分氣桿結(jié)構(gòu)一體化，在增加分段降低最低溫升的同時(shí)有效降低成本，提高中低端熱水器性價(jià)比，切實(shí)提升用戶體驗(yàn)。

1 燃?xì)獗壤y與分氣桿的一體化設(shè)計(jì)方案探討

1.1 現(xiàn)有燃?xì)獗壤y和分氣桿的結(jié)構(gòu)

燃?xì)獗壤y是快速恒溫型燃?xì)鉄崴骱诵牟考細(xì)獗壤y上設(shè)置有截止閥和比例調(diào)節(jié)閥，作用分別是控制燃?xì)馔〝嗪驼{(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫?，使熱水器具備安全用氣及自?dòng)恒溫功能。分氣桿上設(shè)置有電磁閥，作用是把燃?xì)夥峙涞礁鱾€(gè)噴嘴，實(shí)現(xiàn)分段燃燒擴(kuò)大熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍?，F(xiàn)有產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上燃?xì)獗壤y和分氣桿是獨(dú)立的兩個(gè)部件，兩者通過(guò)法蘭連接成一體，結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

可以看出，燃?xì)獗壤y的截止閥和比例調(diào)節(jié)閥設(shè)置在燃?xì)庵髀?，控制燃?xì)馔〝嗪土髁看笮?；分氣桿的電磁閥位于燃?xì)庵?，控制支路燃?xì)獯蜷_(kāi)和關(guān)閉。圖1（a）所示為簡(jiǎn)單的兩分段結(jié)構(gòu)方式，只需要一個(gè)電磁閥，成本較低，最小負(fù)荷是三排火燃燒；圖1（b）所示為復(fù)雜的三分段結(jié)構(gòu)方式，需要兩個(gè)電磁閥，成本較兩分段結(jié)構(gòu)高20 %以上，最小負(fù)荷是一排火燃燒，最低溫升明顯優(yōu)于兩分段結(jié)構(gòu)。

圖1 燃?xì)獗壤y與分氣桿現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)前行業(yè)對(duì)三分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通常根據(jù)熱負(fù)荷大小對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，減少材料用量使成本有所下降，但由于基本結(jié)構(gòu)沒(méi)有重大變更，使得優(yōu)化空間有限，這種優(yōu)化方式接近瓶頸。傳統(tǒng)三分段功能的燃?xì)獗壤y與分氣桿的成本偏高成為阻礙其在中低端熱水器推廣使用的主要原因。

1.2 燃?xì)獗壤y與分氣桿的一體化設(shè)計(jì)方案

比例調(diào)節(jié)閥兼具截止功能，可以替代電磁閥實(shí)現(xiàn)分段控制功能，由此提出了一種新的結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 燃?xì)獗壤y與分氣桿的一體化設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)原理圖

從用氣安全角度考慮，燃?xì)獗壤y與分氣桿的一體化設(shè)計(jì)方案仍然采用截止閥作為第一道可關(guān)閉閥門，第二道截止功能由處于支路上的兩個(gè)比例調(diào)節(jié)閥兼具，符合GB 6932中關(guān)于燃?xì)馔返膹?qiáng)制要求。

由于比例調(diào)節(jié)閥設(shè)置在燃?xì)庵飞?，單個(gè)比例調(diào)節(jié)閥控制的燃?xì)饬髁勘痊F(xiàn)有設(shè)置在主路上的比例調(diào)節(jié)閥控制的燃?xì)饬髁啃?，因此，可以?duì)一體化方案的比例調(diào)節(jié)閥小型化，一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿的結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)氣通道位于分氣桿下方，兩者呈T字型，第一道截止閥位于進(jìn)氣通道上，比例調(diào)節(jié)閥設(shè)置在進(jìn)氣通道左右兩側(cè)。燃?xì)鈴倪M(jìn)氣通道經(jīng)過(guò)截止閥后，分別進(jìn)入左右兩側(cè)燃?xì)庵?，?jīng)過(guò)支路上比例調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力或流量后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的分氣腔并從噴嘴噴射出來(lái)。當(dāng)比例調(diào)節(jié)閥斷電時(shí)，可截?cái)鄬?duì)應(yīng)的支路，而不影響另一支路的燃?xì)廨敵觥Ｉ鲜鼋Y(jié)構(gòu)方式流道彎道數(shù)量少可減小氣體流動(dòng)過(guò)程中局部壓力損失，并有利于閥體模具一體成型。在其中一支路上設(shè)置電磁閥用于增加支路的分段功能，實(shí)現(xiàn)了1/3/6三分段形式，滿足熱水器最低溫升要求。

在成本上，由于閥體采用一體化壓鑄成型，結(jié)構(gòu)緊湊，流道彎道少，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減少一壓鑄件；比例調(diào)節(jié)閥小型化使得比例線圈和整體尺寸大幅減小，比例調(diào)節(jié)模塊成本下降約40 %。對(duì)于一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿，新結(jié)構(gòu)方案在材料成本和產(chǎn)品體積上，都具有明顯優(yōu)勢(shì)，新結(jié)構(gòu)三分段方式與傳統(tǒng)的二分段結(jié)構(gòu)成本相當(dāng)，因此從成本上分析，新型三分段一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿可應(yīng)用在中低端熱水器上，可維持整機(jī)價(jià)格不變而帶來(lái)更低的溫升，符合消費(fèi)者的期待。

2 驗(yàn)證分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)制作手板樣件進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程分為樣件測(cè)試和整機(jī)對(duì)比測(cè)試兩部分，樣件測(cè)試主要考核比例調(diào)節(jié)閥基本性能指標(biāo)，即比例調(diào)節(jié)模塊小型化之后在燃?xì)庵飞系男阅鼙憩F(xiàn)；整機(jī)對(duì)比測(cè)試主要驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿和傳統(tǒng)燃?xì)獗壤y和分氣桿在燃?xì)鉄崴髡麢C(jī)上的性能差異。

2.1 樣件測(cè)試

比例調(diào)節(jié)模塊的基本性能包括比例特性和穩(wěn)壓特性。測(cè)試采用壓縮空氣作為氣源，當(dāng)量噴嘴孔徑為φ3mm，測(cè)試電源模式為直流脈沖。比例特性測(cè)試設(shè)定一次壓力為2000 Pa，控制電流從80 mA逐漸增大到180 mA，測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)的二次壓力值，描繪出電流和二次壓力的關(guān)系曲線（I-P曲線）；穩(wěn)壓特性測(cè)試設(shè)定控制電流設(shè)定在120 mA、150 mA、180 mA，在每一個(gè)電流值，使一次壓力從0 Pa逐漸增大到4000 Pa，測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)的二次壓力值，描繪出一次壓力和二次壓力的關(guān)系曲線（P-P曲線）。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 比例調(diào)節(jié)模塊基本性能測(cè)試結(jié)果

從圖6測(cè)試結(jié)果可以看出，I-P曲線基本成線性，回差小于60 Pa，說(shuō)明調(diào)節(jié)性能好，有利于整機(jī)快速恒溫，精準(zhǔn)控溫；從三組P-P曲線來(lái)看，正常工作區(qū)間內(nèi)壓力波動(dòng)不超過(guò)80 Pa，穩(wěn)壓性能符合要求。

2.2 整機(jī)對(duì)比測(cè)試

以某一型號(hào)恒溫型燃?xì)鉄崴鳛闇y(cè)試平臺(tái)，保持燃?xì)鈮毫退畨?、水溫基本恒定，分別測(cè)試傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)燃?xì)獗壤y與分氣桿在整機(jī)上的性能，包括控制電流對(duì)出水溫度的關(guān)系、控制電流對(duì)二次壓力的關(guān)系。由于新結(jié)構(gòu)采用了兩個(gè)比例調(diào)節(jié)模塊，整機(jī)控制板只能對(duì)其中一個(gè)模塊進(jìn)行控制，因此在測(cè)試時(shí)對(duì)另一比例調(diào)節(jié)模塊外接電源，并使外接電源輸出電流始終等于控制板的輸出電流。測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)比例閥和分氣桿在整機(jī)上的性能

通過(guò)擬合直線的關(guān)系式可知，兩種結(jié)構(gòu)燃?xì)忾y在整機(jī)上的性能表現(xiàn)相似，在相同的控制電流下，輸出二次壓力和出水溫度都非常接近。說(shuō)明一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿在熱水器上的應(yīng)用是可行的。

3 結(jié)論

比例調(diào)節(jié)閥利用自身截止功能用于控制分段燃燒，在結(jié)構(gòu)原理上是可行并符合相關(guān)規(guī)定的。通過(guò)合理設(shè)計(jì)使比例調(diào)節(jié)閥小型化，有助于實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗壤y與分氣桿的閥體一體化，有效降低成本。經(jīng)初步測(cè)試表明，新型燃?xì)獗壤y與分氣桿的比例特性和穩(wěn)壓特性均能保持高的性能水平，整機(jī)基本性能與傳統(tǒng)燃?xì)忾y對(duì)比結(jié)果非常接近，具有可替代性。

圖6 一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿在整機(jī)上的性能

新型一體化燃?xì)獗壤y與分氣桿的特點(diǎn)是把比例調(diào)節(jié)閥設(shè)置在燃?xì)庵飞希瑟?dú)立控制支路燃?xì)庹{(diào)壓穩(wěn)壓以及氣路通斷，此方案為燃?xì)獗壤y與分氣桿提供新的開(kāi)發(fā)思路。在熱水器上應(yīng)用需要配合相應(yīng)的控制電路，開(kāi)發(fā)適應(yīng)的控制邏輯，并應(yīng)制定相適應(yīng)的使用規(guī)范。新方案為熱水器工作運(yùn)行過(guò)程帶來(lái)的特殊有益效果，有必要進(jìn)一步深入討論和研究。