自力式温度調節閥又称直接作用式温度調節閥，集检测、控制、执行诸多功能于一体，通过吸收被调对象本身的能量而动作，无需外加驱动能源。工作原理是根据被调流体温度的变化，使感温传感器内充工作介质的压力随温度变化，借助介质压力的变化改变調節閥的開度，從而調節流體流量，控制溫度。其結構簡單、造價低且管理方便，但精度較低、推動力較小，適用于流量波動幅度較小，儀表氣源或電源供應困難和溫度控制精度要求不高的場合，如石油化工和能源動力等領域。
一、气体膨胀型自力式温度調節閥
1、結構與工作原理
自力式温度調節閥种类很多，结构也各不相同，文中主要以带外感温传感器结构的波纹管压力平衡型自力式温度調節閥为例，探讨基于气体膨胀原理的自力式温度調節閥关键部件—温度传感器的设计问题。
推動閥杆動作的壓力信號由傳感器中的填充感溫氣體介質的膨脹産生，並通過剛性毛細管將壓力信號傳遞至波紋管腔室。作用在閥芯上的上部流體的壓力和下部流體的壓力經過波紋管平衡組件平衡後的合力以及波紋管內氣體感溫介質産生的力全部通過彈簧力來平衡，其結果是推動力FA 和預置彈簧的彈力FF 方向相反，但大小相同，二力在等流量状态下平衡。当温度在测量点基础上上升或下降时，自力式温度調節閥的控制与执行系统可减少或增大流量。
2、波紋管壓力平衡組件設計
以閥杆爲對象分析波紋管壓力平衡組件的受力。向上的力有閥後介質作用在閥芯上的壓力以及閥前介質通過引壓管作用在波紋管平衡組件上的壓力，向下的力有閥前介質作用在閥芯上的壓力以及閥後介質作用在波紋管平衡組件上的壓力。此外，還有波紋管平衡組件偏離平衡位置的彈性力。
根據以上的受力分析，設向上爲正，並且閥前、閥後的壓力通過波紋管平衡組件完全平衡，則有以下關系式：
p2（AV- A杆）+p1（A 平- A杆）- p1AV- p2（A平- A杆）- k1x=0?????????????? （1）
式中，AV爲閥芯橫截面積，A平爲波紋管平衡組件的波紋管橫截面積，A杆爲閥杆的外橫截面積，m2；p1为自力式温度調節閥使用中阀前压力，p2为自力式温度調節閥使用中阀后压力，Pa；k1爲平衡波紋管的剛性系數，N/m；x爲彈簧偏離平衡位置的位移矢量，m。
化簡式（1）可得：
p2（AV- A平）+ p1（A 平- A杆- AV）+ k1x=0???????????????????????????????????????? （2）
若選擇剛性系數較小的平衡波紋管，閥杆的外橫截面積相對閥芯橫截面積很小，可以忽略，則由式（2）得：
p2（AV- A平）+p1（A平- AV）≈0????????????????????????????????????????????????????????? （3）
由式（3）可解得A平≈AV，故波紋管平衡組件的波紋管橫截面積應與閥芯橫截面積相等。
3、閥芯受力分析
温度调节的过程：① 当传感器所测的介质温度升高时，传感器内的气体体积膨胀并在阀件上施加驱动力FA。② 当FA大于預設彈簧力FF后，閥門的开度变小，通过閥門的流体流量减少。③ 流量减少后，温度降低，气体体积收缩，FA減小，在FF的作用下，閥門的开度增大，如此调整直至达到新的力平衡状态，此时，阀芯到达新位置。
設閥杆的外橫截面積相對閥芯橫截面積很小可忽略，且平衡波紋管與波紋管和彈簧的平衡位置相同，以閥杆爲研究對象，可得：
p AB- k2x- k3x- k1x=0??????????????????????????????????????????????????????????????????????? （4）
式中，AB爲波紋管的橫截面積，m2；p爲感溫氣體的壓力，Pa；k2爲波紋管的剛性系數，k3爲彈簧的倔強系數，N/m。
由式（4）得：
?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? （5）
由式（4）可见，在气体膨胀型自力式温度調節閥设计中，分析温度传感器内感温介质随温度变化所产生的膨胀压力是至关重要的。
二、溫度傳感器內充氣體量計算
当温度升高时，固体、气体和大多数的液体都会膨胀。气体膨胀型自力式温度調節閥温度传感器原理为[3]，當溫度升高時，傳感器缸體內的氣體就會膨脹，並通過毛細管將膨脹量傳輸到波紋管外腔，由于波紋管徑向剛性和外腔壁的剛性共同阻止了徑向的膨脹，因此氣體只能沿軸向膨脹，從而推動波紋管和閥杆向上運動。溫度傳感器缸體的活塞可測量填充氣體的熱膨脹量，其行程代表溫度的函數，並將此反應在閥門开度上。在笔者研究的气体膨胀型自力式温度調節閥中，波纹管即为活塞，所以波纹管的行程变化量为：
?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? （6）
式中，△h爲波紋管即閥杆的行程，m；V爲溫度T時氣體的體積，V0爲溫度T0時氣體的體積，m3。
計算傳感器內充氣體量時，爲了分析與計算方便，首先按照理想氣體狀態方程來推導。由理想氣體狀態方程有[4]：
pV=nRT???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? （7）
式中，p爲溫度T时气体的压强，Pa；n为气体的摩尔数，mol；T为气体的热力学温度，K；R为理想气体常数，一般取8.314J/（mol?K）。
波紋管的行程變化量如果以彈簧、波紋管的平衡爲起點，則有：
??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? （8）
聯立式（5）~式（8）並化簡可得：
????????????????????????????????????????????????????????? （9）
或
??????????????????????????????????????????????????????????? （10）
式（9）可以认为是在一定的温度和压力范围内，传感器内充装气体摩尔数与閥門结构尺寸、传感器体积、閥門弹簧、波纹管、平衡波纹管刚性以及使用中可能出现的极限情况（对应最大温度变化和最大行程）的关系式。式（10）是波纹管行程代表温度的具体函数表达式，可见，若V0确定，在一定的温度和压力范围内，△h 随T 的升高而增加。
自力式温度传感器中一般采用氮气或惰性气体作为填充介质，要求填充气体无毒，如果发生泄漏不污染环境。为迅速、准确地将温度的变化量反应在上推杆行程上，从而調節閥门开度，传感器所吸收和散失的热量应尽量少。
溫度傳感器內充氣體的熱量計算如下[2]：
W=cpm△T??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? （11）
式中，m爲填充氣體的質量，kg；△T爲溫度的改變量，K；cp爲填充氣體的比定壓熱容，kJ/（kg?K），一般並不是常量，而是隨溫度的變化而改變，在一定溫度範圍內可近似爲常數，可以根據實驗或者相關文獻查得。
綜合式（9）～式（11）可見，獲取波紋管的某一行程量△h，需要考慮操作元件的形狀能否滿足要求，通常若橫截面積AV較小，則傳感器能産生比大橫截面積傳感器更大的行程。當波紋管的行程量較大時，測量的溫度範圍較大，因而采用較小體積傳感器可得到較大和較精確的測量結果。但小體積傳感器的缺點是傳遞的動力較小，因此，在設計傳感器內充氣體的量與體積時，必須兼顧行程、溫度的變化量以及所需動力的大小等因素。
彈簧的倔強系數與初裝壓力相對應，倔強系數大，則所需初裝壓力也大。初裝壓力較大有利于穩定，可增強抵抗幹擾與脈動壓力的能力，這需要根據被調壓力等參數具體確定。平衡波紋管與波紋管彈性系數應盡可能小，因爲平衡波紋管、波紋管與彈簧的平衡位置很難相同，造成平衡波紋管、波紋管的彈性力成爲幹擾因素。
以上分析與計算是建立在理想氣體狀態的基礎上，適用于密度不太高、壓強不太大（與大氣壓比較）和溫度不太低（與室溫比較）的情況，精確的計算應該按照實際氣體狀態方程與式（5）、式（6）、式（8）和式（12）聯立求解。實際氣體狀態方程式可選擇最具有代表性的範德瓦耳斯方程式[4]：
?????????????????????????????????????????????????????????????? （12）
式中，a、b爲範德瓦耳斯常數，可以從相關專業手冊中查得。
三、結語
气体膨胀型自力式温度調節閥是一种直接作用式調節閥，相对于液体膨胀型、饱和蒸汽压力型自力式温度調節閥，其感温范围和控温比例带较宽，温度传感器输出推动力小，气体可压缩性大，所以过温操作时不需要专门的过温保护装置，在一些场合仍然存在较大发展空间。
设计气体膨胀型自力式温度調節閥关键部件——感温传感器时，可以根据具体要求，依据基本原理和相应介质的物性参数，综合考虑相关因素来选择相应介质、计算内充介质的量以及根据被调压力等参数选择合适的初装压力。此外，可依据文献[1]选择感温传感器的最佳结构型式与参数，推荐最佳安装位置与型式。
