半导体制冷器热力差动的可逆步进式阀门执行机构

摘要

半导体制冷器热力差动的可逆步进式阀门执行机构属于温度控制技术领域中实现多级控制的阀门执行机构；在分户计量供热系统中一直没有合适的调节阀，目前广泛使用属于基地式仪表的散热器温控阀，本发明的执行机构比散热器温控阀更容易实现智能化，可在一些控制功能要求较高的应用场合取代散热器温控阀；该执行机构利用半导体制冷器在两个密封容器中产生的可逆差动压力作为驱动力，通过两套同样结构的正向步进装置和反向步进装置，并与两个离合器配合使用，实现可逆的步进转动；步进装置的传动机构利用倾斜连杆等机构，将垂直方向的驱动力，转变为水平旋转运动，进而实现对球阀的驱动。

权利要求

1.一种半导体制冷器热力差动的可逆步进式阀门执行机构，用于分户计量供热系统中的分户自动控制装置等温度控制的技术领域，其整体结构由能量转换装置和机械传动装置两部分组成，其特征是：能量转换装置由半导体制冷器和两个密封容器构成，在两个密封容器中，充有空气或者低沸点的液体，每个密封容器的上部为一个刚性的罐体，其下部为一个弹性元件，弹性元件有弹性膜片与波纹管，弹性元件的固定端与刚性罐体密封固定连接，半导体制冷器置于两个刚性罐体之间，并与两个罐体的外部壁平面紧密接触，两个罐体及半导体制冷器是与执行机构的机体固定连接的，机械传动装置由杠杆、曲形臂、转轴、正向步进装置和反向步进装置构成，两个弹性元件的自由端硬芯分别与杠杆的两端连接，并将密封容器内部差动压力变化所产生的作用力施加在杠杆上，该杠杆的支点应与执行机构的机体固定，杠杆一端还与一个曲形臂的上部铰链连接，曲形臂下部两个上下对应的支臂的末端与两个水平放置的圆环形的离合器主动片固定连接，垂直放置的转轴穿过这两个圆环孔并且其轴心线通过两个离合器主动片的圆心，正向步进装置和反向步进装置安装在两个离合器主动片之间的转轴上，这两组步进装置的结构相同，每一组步进装置均由棘轮、棘爪、离合器主动片、离合器从动片和传动机构组成，其中传动机构又由垂直运动压杆、倾斜连杆、水平旋转推杆和弹簧组成，两片棘轮以一定间距固定在转轴上，两片棘轮相对的圆盘面称为其内侧面，相背的圆盘面称为其外侧面，两片棘轮间的转轴外面有轴承套，轴承套通过轴承支承与执行机构的机体固定连接，能够限制转轴上下移动，垂直运动压杆中部、水平旋转推杆中部和压弹簧均套在转轴上，套的顺序是在棘轮外侧面先套上水平旋转推杆，再套上压弹簧，最后套上垂直运动压杆，垂直运动压杆两端通过两根倾斜连杆与水平旋转推杆两端连为一体，4个连接处均为铰链，在水平旋转推杆的两端安装有与棘轮边缘上的棘齿相配合的棘爪，在水平旋转推杆靠近棘轮外侧面的一侧安装两个滚轮，在垂直运动压杆远离棘轮外侧面的一侧的转轴上固定安装一个限位凸缘，当杠杆处于平衡状态时，在压弹簧弹性力作用下，水平旋转推杆上安装的滚轮与棘轮外侧面相接触，垂直运动压杆上的离合器从动片与转轴上的限位凸缘相接触。

2.根据权利要求1所述的执行机构，其特征是：步进装置中的传动机构，其垂直运动压杆与水平旋转推杆均水平放置，其倾斜连杆与水平面间有一个0～90°倾角，两根倾斜连杆在棘轮圆盘水平面上的两个投影线段分别与棘轮圆盘外缘相切，相切点是投影线段的一个端点，两个相切点也是水平旋转推杆在棘轮圆盘面上的投影直径的两个端点，每个投影线段的另一个端点在垂直运动压杆在棘轮圆盘水平面的投影上，两个倾斜连杆投影线段中，一个投影线段在水平旋转推杆在棘轮圆盘面上的投影直径及其延长线所分割的某一个半圆这一侧水平面上，另一个投影线段则处在该直径及其延长线所分割的另一个半圆那一侧的水平面上。

3.根据权利要求1所述的执行机构，其特征是：步进装置中的棘轮可根据需要做成圆形盘面或扇形盘面。

说明书

半导体制冷器热力差动的可逆步进式阀门执行机构

所属技术领域

[0001] 本发明涉及一种在温度控制技术领域中实现多级控制的阀门执行机构，它尤其适合用于分户计量供热系统中的分户自动控制装置。

背景技术

[0002] 目前，在温度控制领域中常用的执行机构有电动执行机构、气动执行机构、电磁阀和自力式执行机构等几种。上述几种常用执行机构依据的工作原理各不相同。电动执行机构使用可正反转的伺服电机与减速器以输出位移；气动执行机构利用压力0.02～0.1MPa的空气使弹性元件发生形变，以输出位移；散热器温控阀充有部分低沸点液体的温包内的压力随室温的变化而改变，进而以温包内的气体去推动阀门开大或关小。但在分户计量供热系统中，电动执行机构和气动执行机构由于价格高和对配套设备的依赖性强，是不适合用于分户自动控制装置的；电磁阀只有开和关两种工况，控制质量较差，基本上也可以被排除；至于现在广泛使用的自力式温控阀，由于它属于基地式仪表，只能实现最基本的比例式调节，难以实现智能化，不易用来进行较复杂控制、远程控制和联网控制。

发明内容

[0003] 为克服电磁阀只有开与关两种工作状态的不足，新型执行机构应具有连续控制或至少多级控制的能力；为克服散热器温控阀的工作状态本质上只取决于被控室温，因而控制功能单一的缺点，新型执行机构应具有接收各种外部控制命令的能力。本发明涉及的执行机构就是为满足上述改进要求而设计的，一方面它可实现多级控制，级数多少可根据控制对象的具体要求而定，虽然其动作速度较慢，但可以满足室温等慢变参数的控制要求；另一方面，它的工作状态由半导体制冷器输入端直流电压的有无与极性所决定，只要给该执行机构配上适当的控制电路或使其智能化，其工作状态就不但与被控参数相关，还可受其他控制命令的实时影响，因而控制功能可根据需要设置。

[0004] 本发明为解决其技术要求所采用的技术方案如下：该执行机构的整体结构由能量转换装置和机械传动装置两部分组成，如说明书附图中的图1所示。能量转换装置由半导体制冷器和两个密封容器构成，在两个密封容器中，充有空气或者低沸点的液体，每个密封容器的上部为一个刚性的罐体，其下部为一个弹性元件，弹性元件有弹性膜片与波纹管，弹性元件的固定端与刚性罐体密封固定连接，半导体制冷器置于两个刚性罐体之间，并与两个罐体的外部壁平面紧密接触，两个罐体及半导体制冷器是与执行机构的机体固定连接的。机械传动装置由杠杆、曲形臂、转轴、正向步进装置和反向步进装置构成，两个弹性元件的自由端硬芯分别与杠杆的两端连接，并将密封容器内部差动压力变化所产生的作用力施加在杠杆上，该杠杆的支点应与执行机构的机体固定，杠杆一端还与一个曲形臂的上部铰链连接，曲形臂下部两个上下对应的支臂的末端与两个水平放置的圆环形的离合器主动片固定连接，垂直放置的转轴穿过这两个圆环孔并且其轴心线通过两个离合器主动片的圆心，正向步进装置和反向步进装置安装在两个离合器主动片之间的转轴上，这两组步进装置的结构相同，每一组步进装置均由棘轮、棘爪、离合器主动片、离合器从动片和传动机构组成，其中传动机构又由垂直运动压杆、倾斜连杆、水平旋转推杆和弹簧组成，两片棘轮以一定间距固定在转轴上，两片棘轮相对的圆盘面称为其内侧面，相背的圆盘面称为其外侧面，两片棘轮间的转轴外面有轴承套，轴承套通过轴承支承与执行机构的机体固定连接，能够限制转轴上下移动，垂直运动压杆中部、水平旋转推杆中部和压弹簧均套在转轴上，套的顺序是在棘轮外侧面先套上水平旋转推杆，再套上压弹簧，最后套上垂直运动压杆，垂直运动压杆两端通过两根倾斜连杆与水平旋转推杆两端连为一体，4个连接处均为铰链，在水平旋转推杆的两端安装有与棘轮边缘上的棘齿相配合的棘爪，在水平旋转推杆靠近棘轮外侧面的一侧安装两个滚轮，在垂直运动压杆远离棘轮外侧面的一侧的转轴上固定安装一个限位凸缘，当杠杆处于平衡状态时，在压弹簧弹性力作用下，水平旋转推杆上安装的滚轮与棘轮外侧面相接触，垂直运动压杆上的离合器从动片与转轴上的限位凸缘相接触。步进装置中的传动机构，其垂直运动压杆与水平旋转推杆均水平放置，其倾斜连杆与水平面间有一个0～90°倾角，两根倾斜连杆在棘轮圆盘水平面上的两个投影线段分别与棘轮圆盘外缘相切，相切点是投影线段的一个端点，两个相切点也是水平旋转推杆在棘轮圆盘面上的投影直径的两个端点，每个投影线段的另一个端点在垂直运动压杆在棘轮圆盘水平面的投影上，两个倾斜连杆投影线段中，一个投影线段在水平旋转推杆在棘轮圆盘面上的投影直径及其延长线所分割的某一个半圆这一侧水平面上，另一个投影线段则处在该直径及其延长线所分割的另一个半圆那一侧的水平面上。

[0005] 本发明的有益效果是，虽然该执行机构的动作速度较慢，但可以用在如室温等慢变参数的控制场合，与在分户计量供热系统中广泛使用的散热器温控阀相比，该执行机构更便于实现智能化，因而在某些需要较高控制效果的分户计量供热系统中，使用这种执行机构的分户控制装置可取代散热器温控阀。

附图说明

[0006] 图1是本发明的第一个实施例的结构原理图。

[0007] 图2是图1中传动机构的俯视图。

[0008] 图3是图1中传动机构的A向图。

[0009] 图4是图1中传动机构的力传递分析图。

[0010] 图5是本发明的第二个实施例的结构原理图。

[0011] 图中1.密封容器，2.波纹管，3.半导体制冷器，4.杠杆，5.曲形臂，6.离合器主动片，7.限位凸缘，8.离合器从动片，9.垂直运动压杆，10.限位块，11.水平旋转推杆，12.倾斜连杆，13.压弹簧，14.棘轮，15.棘爪组件，16.轴承套，17.轴承支承，18.机架，19.滚轮，20.转轴，21.阀门连接器，22.刚性罐体，23.上活塞室，24.下活塞室，25.弹性膜片，26.上活塞，27.下活塞，28.活塞推杆，29.充气嘴。

具体实施方式

[0012] 在图1所示的实施例中，两个密封容器(1)中充入适当数量的低沸点液体，液体数量的下限应保证在压力上限时，还有液体未完全蒸发。半导体制冷器(3)置于两个刚性罐体(22)之间，半导体制冷器的两个工作面应与两个罐体的外壁平面紧密接触，为减少热阻，与半导体制冷器工作面接触的罐体外壁平面应有一定的光洁度并在接触面涂上导热胶。当半导体制冷器输入直流电压时，其工作面的温差可达60℃，考虑到热阻损失，两个容器内部空气的温度差也可达40℃。这个温度差对应的低沸点液体的饱和蒸气压力差再乘上波纹管的有效面积即为作用在曲形臂(5)上的推力。

[0013] 该实施例的工作过程：该执行机构的两组步进装置，上面一组负责正向步进转动，下面一组负责反向步进转动，它们与两个离合器配合使用，实现正反向可逆的步进转动功能。当半导体制冷器无输入直流电压，两个密封容器内部压力相等，杠杆(4)处于平衡状态时，在压弹簧(13)作用下，两组步进装置的水平旋转推杆(11)下面安装的滚轮(19)均与棘轮(14)接触，垂直运动压杆(9)上的离合器从动片(8)均与转轴(20)上的限位凸缘(7)接触，整个传动机构处于平衡状态。在水平旋转推杆下面安装滚轮是为了减少其旋转时的摩擦力，增大水平旋转推杆两端下部所连接的棘爪对棘轮的推力。此时，两个离合器的主动片与从动片均处于浅度脱离状态，但两片之间的距离应很小，一般应小于1mm。使用曲形臂的目的是使离合器主动片圆心、离合器从动片圆心、转轴轴心线与曲形臂上部铰链在同一垂直线上。由于两组步进装置是同样结构的，说明书附图中的图2与图3所示的只是上面一组步进装置的传动机构的俯视图与侧视图。

[0014] 当半导体制冷器输入正向电压时，图1中左侧密封容器温度降低，容器内低沸点液体对应的饱和蒸气压力下降；右侧密封容器温度升高，容器内低沸点液体对应的饱和蒸气压力上升。在差动压力作用下，左侧波纹管的自由端向上移动，右侧波纹管的自由端向下移动，使杠杆顺时针转动，带动曲形臂向下移动。在曲形臂向下移动过程中，上部离合器的主动片啮合齿和从动片啮合齿首先从浅度脱离状态过渡到完全啮合状态，而下部离合器的主动片啮合齿和从动片啮合齿同时从浅度脱离状态过渡到深度脱离状态。当上部离合器已处于完全啮合状态而曲形臂进一步下移时，由于上部垂直运动压杆在啮合的上部离合器限制下，只能上下移动，其在图2上部棘轮圆盘水平面上投影的位置不变，因而使得两根倾斜连杆的上端垂直下移，倾斜连杆下端水平移动，即倾斜连杆在棘轮圆盘水平面上投影的长度增大，因而使上部水平旋转推杆如图2箭头所示做正向旋转运动，该水平旋转推杆两端下部安装的棘爪(15)推动上部棘轮跟随其旋转。此时由于下部离合器的主动片啮合齿和从动片啮合齿处于深度脱离状态，因而下面一组步进装置整体(除了下部离合器的主动片)可跟随棘轮旋转，不会对上部垂直运动压杆的下移产生限制。当上部棘轮正向转过一个齿的位置，而通过阀门连接器(21)连接到该执行机构的球阀的阀芯也正向转过同一角度时，上部垂直运动压杆压合一个正向行程开关。正向行程开关的闭合将产生两个动作：一个动作是送一个步进信号给计数器，使计数器加1，从而得到此时阀门的位置反馈信号；另一个动作是切断半导体制冷器的电压源。离合器主动片或从动片每一对啮合齿之间的角度应与棘轮每一步所转过的角度对应，因而，上部垂直运动压杆压合正向行程开关后，其进一步下移将受到固定安装在转轴上部的限位块(10)的限制，以免破坏离合器主动片与从动片啮合齿之间的对应关系。半导体制冷器输入电压被切断后，两个密封容器中气体的温度将逐渐趋同，使曲形臂逐渐上移，在上移过程前一阶段，上部垂直运动压杆在压弹簧作用下跟随着上移，直至碰到上部限位凸缘为止，在其后的阶段中，曲形臂的上移使得上部离合器的主动片啮合齿与从动片啮合齿脱离完全啮合状态进入浅度脱离状态，当然，此时下部离合器的主动片啮合齿与从动片啮合齿也应从深度脱离状态进入浅度脱离状态。在上部垂直运动压杆上移的阶段，两根倾斜连杆带动上部水平旋转推杆反方向旋转，当上部垂直运动压杆碰到限位凸缘时，上部水平旋转推杆两端的棘爪正好在棘齿背上滑过一个齿，重新回到初始状态，为下一次的步进动作做好准备。

[0015] 当半导体制冷器输入反向电压时，反向的步进过程与上述正向的步进过程类似，只不过这时曲形臂向上移动，下部棘轮反向步进一个齿，下部垂直运动压杆压合反向行程开关，计数器减1而已。

[0016] 传动机构的力传递分析可如说明书附图中的图4所示。倾斜连杆长度为C，其右上端与垂直运动压杆的端部以铰链连接，左下端与水平旋转推杆的端部以铰链连接。当垂直运动压杆向下移动距离m时，倾斜连杆的右上端也下降距离m。设倾斜连杆的左下端与此同时水平移动距离n，这也是与水平旋转推杆的端部下面连接的棘爪水平移动的距离，则可导出m与n之间的关系：

[0017] ∵C2＝A2+B2

[0018] 又∵C2＝(A-m)2+(B+n)2

[0019] ∴n2+2Bn+m2-2Am＝0

[0020]

[0021] 忽略摩擦力等因素的影响，可认为垂直运动压杆以力F1向下移动距离m所做的功与棘爪以力F2水平移动距离n做的功相等，即F1m＝F2n，或F2＝mF1/n。由于n的大小与波纹管自由端的位移量有关，而m的大小与设计要求的棘爪水平移动的距离量有关，考虑到m与n都是设计前已知的量，因此下面仅给出它们与A、B之间的关系：

[0022] 由

[0023] 得n2+2Bn-2Am+n2＝0

[0024] 设m/n＝k

[0025] 有

[0026] 例如在上式中取k＝1，可得n+B＝A，或A-m＝B，即移动前倾斜连杆C与垂线的夹角与移动后倾斜连杆C与水平面的夹角相等，为对称移动。

[0027] 在图5所示的另一个实施例中，在结构强度允许的前提下，两个密封容器中应从充气嘴(29)充入较高压力的空气，因为通过理论计算可知，当两个容器内部空气的温度差一定时，容器内空气的压力越高，两个容器的压力差越大，有效面积相同的弹性元件所产生的推力也越大。具体的理论计算如下。根据气体状态方程式

[0028]

[0029] 式中，R气体常数，V密封容器容积(m3)，T密封容器内气体温度(K)，P密封容器内气体压力(Pa)。

[0030] 由于

[0031] 可得

[0032] 因此

[0033] 在图5中，每个密封容器下部采用两个活塞室(23，24)和两个活塞(26，27)的目的是为了使空气的压力效应主要作用在刚性的活塞上，而不是作用在主要起密封作用的弹性膜片(25)上。另外，为了延长弹性膜片的使用寿命，与弹性膜片接触两个活塞面的边缘应为圆角，两个活塞室相对密封面的内缘也应为圆角。

[0034] 在以上两个实施例中，实现可逆步进功能的机械部分都是相同的。