1、液體膨脹型自力式溫度調節閥工作原理與閥芯的受力分析
常见的液体膨胀型自力式温度調節閥结 构主要由阀体1、阀座2、阀芯3、弹簧组件4、阀芯推杆6、波纹管组件 7~9、刚性毛细管10、温度传感器11、12、温度设定旋钮13、温度设定显示14以及过温保护装置等构成。如图1a所示。推动阀杆动作的压力信号由传 感器11中的填充感温液体介质的膨胀产生，并通过刚性毛细管10将压力信号传递至平衡波纹管腔室。作用在阀芯上的上部流体的压力和下部流体的压力以及弹簧 力都通过波纹管内液体感温介质产生的力来平衡，其结果是推动力FA和预置弹簧的弹力FF的方向相反，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與執行系統可減少或增大流量。
溫度調節的過程如下：
（1）當傳感器所測的介質溫度升高時，傳感器內的填充物膨脹並施加驅動力FA在閥件上。
（2）當FA大于預設彈簧力FF，后閥門的开度变小，通过閥門的流體流量減少。
（3）流量減少後，溫度降低，直至達到新的力平衡狀態，此時，閥體到達新位置。如圖1b所示
由上面對閥芯的受力分析可得：
FA=pAB-（P1-P2）Av-k1X=FF=k2x???????????????? （1）
：pAB-（P1-P2）Av=k2x+k1X=kx?????????????? （2）
式中：AB爲波紋管的橫截面積；p爲感溫介質産生的膨脹力；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；AV爲閥芯的橫截面積；k1爲波紋管的剛性系數；k2爲彈簧的倔強系數；k=k1+k2爲波紋管與彈簧的總剛性系數；x爲彈簧偏離平衡位置的位移。
由式（2）可见，在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量和膨胀力是至关重要的。
2、液体膨胀型自力式温度調節閥温度传感器的内充液体容积的设计与分析
a、傳感器的內充液體容積的設計與分析
当温度升高时，固体、气体和大多数的液体都会膨胀。图2表示为液体膨胀型自力式温度調節閥温度传感器原理：当温度升高时，传感器缸体内的液体就会膨胀，由于刚性缸体壁阻止了径向的膨胀，液体只能沿轴向膨胀，从而推动活塞和连杆向上运动。
根據文獻[3]可近似地應用簡單液體與固體的簡化狀態方程：
V=V0[1+α（T-T0）-β（p-p0）]???????????? （3）
式中 α为等压体积膨胀系数；
β 为等温压缩系数；
P0 爲溫度爲T0時液體的壓力；
P爲溫度爲T時液體的壓力；
V爲時液體的容積；
V0爲T0時液體的容積。
等壓體積膨脹系數α和等溫壓縮系數β都很小，在一定溫度範圍內爲常數，可通過實驗測出，也可查閱相關文獻。p0則可由充裝液體介質時確定，V0是在溫度T0時傳感器的容積，可取T0爲充裝溫度即室溫，則V0即可認爲是感溫傳感器的內充液體容積。
传感器缸体的活塞测量填充液体的热膨胀量，其行程代表温度的函数。在自力式温度調節閥内，波纹管即为活塞，所以波纹管的行程变化量：
????????? （4）由式（3）可得：ΔV=V0[αΔT-β（p-p0）]，代人式（4）得：
????????? （5）又由式（1），當彈簧平衡位置與波紋管初始位置相同時，x=Δh，則：
pAB=kx+（P1-P2）AV=k?Δh+（P1-P2）AV ????????????? （6）
聯立式（5）、式（6）得：
????????????????????????????????? （7）或（8）
?????????????????????? （8）式（7）可以認爲是在一定的溫度和壓力範圍內傳感器內充裝液體容積V0与閥門结构尺寸（AV，AB）、閥門弹簧与波纹管刚性（k1，k2）、使用條件（p1）以及使用中可能出現的邊界條件——極限情況（對應最大溫度變化△Tmax 、閥後壓力P2≈0和傳感器內壓力Pmax）的關系式。式（8）是波紋管行程代表溫度的具體函數表達式，可見V0在確定、在一定的溫度和壓力範圍內、一定使用條件情況下（即α，β，P1，k等都为常数，P2因阀开度变化产生的变化较小），Δh与ΔT成线形关系。这说明，为获取波纹管的某一行程量Δh ，需要考虑操作元件的形状能满足要求：通常较小横截面积AV， 传感器能产生比大横截面积传感器更大的行程量。当波纹管的行程量较大时，测量的温度范围较大，因而倾向于采用较小容积传感器以得到较大和较精确的测量结 果。但小容积传感器的缺点之一是传递的动力较小。因此，在设计传感器内充介质容积的时候，必须兼顾行程、温度的变化量以及所需动力的大小。
b、傳感器填充液體類型的選擇
爲迅速、准確地將溫度的變化量反應在上推杆行程上，從而調節閥门開度，傳感器所吸收和散失的熱量應盡量少。可通過較小的體積和質量滿足此要求，但在體積確定的情況下也可以通過選擇某種較低熱容的填充介質來實現。貯存在感溫傳感器內充液體的熱量的計算如下[4]：
W=cpmΔT??????????? （9）
式中cp爲填充液體的比熱，一般不是常量，而是隨溫度的變化而改變的，在一定溫度範圍內可近似爲常數，可根據實驗或相關文獻查得；m爲填充液體的質量；ΔT爲溫度的改變量。
自力式温度传感器一般采用丙三醇、甲醇、硅油等液体原料合成的合成油作为填充介质。除了液体，树脂和塑料类物质也能用作填充介质。在很小温度变化范围内， 膨胀性树脂特别适用于体积变化较大的场合。填充介质的选择同时要求填充液体无毒，不危害健康，不污染环境，如果万一发生泄漏，可同废水一起排放。
3、結論
液体膨胀型自力式温度調節閥是一种不需要任何外加能源的直接作用調節閥，实践使用中有着诸多优点。对液体膨胀型自力式温度調節閥关键部件—感温传感器的工 艺设计中，可以根据具体要求，依据上述讨论中的基本原理和相应介质的物性参数，综合考虑相关因素，计算内充介质的容积，选择相应介质。此外，可依据文献[1]的討論與分析，設計感溫傳感器的結構型式與參數、推薦安裝位置。
