邓显敏
长青热能科技（中山）有限公司 广东中山 528400
摘要：手动燃气旋塞阀是家用灶具的关键零部件之一，随着消费者对烹调的火力要求逐渐提高。满足各种烹调菜色场合，火力的大小的精准调节决定了的烹调效果。过去传统旋塞阀阀芯的设计，因为对机加工的难度和能力限制，按照GB/T39485-2020燃气燃烧器和燃烧器具用安全和控制装置，标准要求旋塞阀能够基本实现燃气断通以及流量大小调节，基本达到控制火力大小和节能的效果，随着广泛用户尤其是高端消费者的体验的要求，旋塞阀阀芯的精准流量控制与调节成为行业的重点研究方向，本文从旋塞阀的工作原理、优势为切入点，探讨旋塞阀阀芯的流量控制设计与优化。
关键字：旋塞阀；燃气灶；旋塞阀阀芯，旋塞阀转动角度
引言
作为家用燃气灶的核心部件旋塞阀，是一种用于连接和切断灶具与燃气的开关，因此，旋塞阀的密封性能是保证燃气安全性的重要手段之一，而旋塞阀阀芯的设计，可以保证在使用燃气时更加精准的控制流量和火力大小，随着灶具智能化进程的加快，市面上对旋塞阀的应用也越来越多，因此，对旋塞阀阀体及阀芯的要求也越来越高，目前市面上的燃气灶调节火力方面，主要使用旋塞阀和比例阀，而相对比例阀来说，旋塞阀更具优势。
1、旋塞阀工作原理
旋塞阀简单来说，是通过转轴的燃气连通或阻断，实现开关以及流量大小调节的一种常用的阀门。如下图所示简要说明使用原理：灶具使用的阀门处于关闭状态，通过3转轴与1阀芯相连，在关闭状态时与阀体的进气口与阀芯处于关闭状态。当手转动转轴，转轴带动2阀芯处于开启的状态。
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其阀芯与阀体通过油脂进行有效密封以及延长使用寿命。
旋塞阀阀芯与阀体通气孔随着旋转，可以调节其重合率如下图所示，当孔洞重合率最大时，燃气流量达到最大，当孔洞与阀芯孔洞完全不重合时，阀门关闭。在阀门打开状态时，随着转动阀芯角度的改变，阀体通气孔以及阀芯通气孔因此发生角度变化，燃气流通的通道发生改变，因而时通过的燃气流量发生改变，以达到控制流量的目的。首先我们在实验室进行模拟测试，配合专用的测试仪器可以得到角度变化与燃气流量的变化是非线性的变化过程。
2.实验室进行流量验证
为了解析角度以及流量的变化过程，说明一下实验装置，为了使数据更加准确，我们使用的仪器为多量程的精密数显流量计，量程分别为0~2L/min，以及0~20L/min。气源压力为2.8KPA，阀体的旋转角度为0~170度，如下图阀体的进气端接2.8KPa恒定的气压，数显流量计出口端接0.98mm的喷嘴，阀体通道的通气孔为5mm，按照每转动一个角度在数显流量计上记录对应的流量值L/min。
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如上图所示得出结论，在147度到156度之间，变化角度为9度，转轴在90度最大流量QMax为3.09L/min，瞬间变小为微火流量0.9L/min，这样意味着从大火切换为小火时，转轴转动的范围很小。从用户实际使用中手扭的角度很小火力有明显的变化。那么要调到自己需要的火力时会比较麻烦，靠手扭转轴的很难精准地控制火力大小，如上图红色区域，角度转动范围对应的流量变化区域出现急降。因此为了解决以上的调节流量的急速变化的问题，我们通过重新对阀芯进行设计改良，使用精确的数控加工设备，使得调节流量更加方便，有效。
3、旋塞阀的设计与优化与验证
传统阀芯通孔的设计优劣：从以上的流量读数数据反应，我们使用传统的设计即阀体通气孔与阀芯通气孔互相交叉来实现流量控制的方法，虽然加工方便，即通过普通钻孔机加工的方法一次钻孔成型，如下图所示：使用钻头将阀芯钻出通气孔弊端是：用户使用时在能难调节到合适的火力，用户体验较差。
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为了拉长调节流量变化距离，我们可以优化设计，设置增加若干过渡流量孔的方法，即在阀芯上设置更多的固定流量孔设置，设计如下图所示：流量孔1，流量孔2，流量孔3，流量孔4每个流量孔之间的设置通气槽，设计如下所示，流量槽设置在一个水平面上，采用数控加工方法，在数控机床上增加动力头，加工流量孔（1~4）。
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如设计图中通气槽设置的作用原理如下：
其一：阀体主气道与阀芯流量孔能够有效相连，即转动阀芯时，流量槽都能贯通。我们用上述的同等装置进行流量测试；
其二，保证阀体与阀芯的旋转润滑，密封油脂在通气槽内及时补充，保证气密性以及40000次的使用寿命。
转轴转动角度以及流量数据如下：
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以曲线进行转轴转动数据表示
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如上图所示优化后得出结论：流量曲线比较平缓下降，即在先前的147度到156度之间，变化角度为9度，调节范围增大从122度到156度之间，与旧设计相同转轴在90度最大流量QMax仍然为3.09L/min，逐渐减少微火流量至0.9L/min，从上述曲线大火切换为小火时，转轴转动的范围增加。用户实际使用中手扭的角度拉大，火力有逐渐现行地变小。那么要调到自己需要的火力时会比较方便，如上图红色区域，角度转动范围对应的流量变化区域逐渐下降。使用精确的数控加工设备，使得调节流量更加方便，有效。
4、先进自动控制流量旋塞阀应用
通过对灶具旋塞阀阀芯通气孔设计的优化，可以保证阀芯在于旋塞阀转动重合时，达到最优，在国内高端的燃气灶具上应用，在市场用户的需求下低端的燃气灶具也逐步的替代。多档位流量的步进旋塞阀应用则更加精准，他通过步进电机控制，代替手动调节旋钮角度。精确度大幅提高，步进电机采用56步小型电机，阀芯的以及阀体，通过步进电机相连，结构与手动阀的设计相似。其所有部件能够符合GB/T39485-2020标准高温的场合。精准调节阀门流量
5、结束语
旋塞阀最重要的作用是保证灶具使用时的安全性以及火力调节，因此，在设计优化时，应该将这两项作为优先考虑，从密封性以及实时火力调节入手。目前来看，虽然旋塞阀在燃气灶具上应用广泛，但也存在一定的改良空间，随着灶具智能化以及智能厨房的提出，对灶具的要求也将越来越高，因此，旋塞阀的改良与优化势在必行。本文进行了简单的优化分析，以旋塞阀的阀芯为主要优化重点，提升其气密性和精确度，随着制造工艺的不断优化，未来燃气灶具将有更先进的技术出现，以及优异的简便火力调节使用体验，提升家用烹调效果，期望本文课题的提出，能够为燃气灶具旋塞阀的优化和设计提供更多思路和研究方向。
参考资料：
[1]GB/T39485-2020燃气燃烧器和燃烧器具用安全和控制装置特殊要求 手动旋塞阀
[2]长青热能科技（中山）有限公司.CN212360886U一种燃气阀和燃气灶具