具有真實流量反饋的先進閥門致動器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及閥門和閥門致動器，并且更具體地涉及被配置為受到電子控制 的閥門和閥門致動器。
【背景技術】
[0002] 很多類型的商業和工業系統包含經由流體控制系統來供應液體的過程，流體控制 系統可以包括各種各樣的栗組件和控制閥門。這些流體控制系統包括但不限于發電站、化 學制造操作、食物和飲料加工、液化氣供應和處理、水供應和處理、加熱、通風和空調（HVAC) 系統等中使用的那些系統。改進用于這些流體控制系統的各種部件的控制機制可以減少能 量使用并且提高這些系統的效率。
[0003] 在典型的常規流體控制系統中，控制閥門組件基于閥門閉合件位置一直跟隨閥門 致動器閥門桿位置的假設提供反饋信號。概括而言，存在的假設是閥門聯動裝置被適當地 設立且完全被操作，盡管可能不是這種情況。誤差可能被引入所述系統，因為在傳統閥門 致動器和閥門之間存在機械聯動裝置，機械聯動裝置可以從反沖、移動滯后、或故障引入誤 差。通常，流體控制閥門組件提供閥門桿的位置。然而，如果水流相對于閥門桿位置是非線 性的，則位置反饋信號可能不指示流經閥門的流體流量的百分比。
[0004] 通常，流量計在物理上串聯地安裝在管道上以測量流經閥門的流體流量，且通常 位于閥體的外部。這些流量計可在工業和/或HVAC應用中使用。
[0005] 本發明的實施例表示對現有技術關于流體控制系統及其控制方面的進步。根據本 文中提供的對本發明的描述，本發明的這些和其它優點以及額外的發明特性將變得明顯。

【發明內容】

[0006] 在一方面，本發明的實施例提供閥門和致動器組件，其包括：閥門，其配置為測量 且控制進入盤管或換熱器的流體流量；和閥門致動器，其配置為經由閥門塞或閉合件的定 位控制閥門的打開和閉合。閥門致動器可以還配置為提供流經閥門的液體的最大流率和最 小流率。在一個實施例中，閥門致動器包括閥門閉合件位置傳感器，閥門閉合件位置傳感器 配置為從閥門閉合件的位置和其它感測輸入確定流經閥門的流體流量。
[0007] 在具體實施例中，通信模塊被配置為通過串行通信總線與建筑物管理系統（BMS) 通信。閥門致動器以可保持的方式存儲來自BMS的信號，從而允許閥門致動器在失去與BMS 的通信的情況下正確地工作。此外，閥門致動器被配置為使其操作可以與BMS、以及與建筑 物的機械加熱、冷卻和栗系統同步，以提高建筑物的HVAC系統的能量效率。利用通信網絡 實施的建筑物管理系統在美國專利公開No. 2010/0142535中公開，其教導和公開內容通過 引用結合于此。
[0008] 在某些實施例中，閥門致動器包括以定位閥門線性移動閉合件需要的動態致動器 受力、閥門閉合件的位置、以及閥門的已知尺寸和幾何特征為基礎的流體流量的計算。在其 它實施例中，閥門致動器包括以定位閥門的旋轉移動式閉合件需要的動態致動器轉矩、閥 門閉合件的位置、以及閥門的已知尺寸和幾何特征為基礎的流體流量的計算。在仍其它實 施例中，閥門致動器包括以由兩個單獨的絕對壓力傳感器或單一壓差傳感器感測的橫跨閥 門入口到出口的壓差、閥門閉合件的位置、以及閥門的已知幾何特征為基礎的流體流量的 計算。在仍其它實施例中，閥門致動器具有通信模塊，通信模塊配置為通過網絡促進與閥門 致動器通信，且還配置為允許流經閥門的流量的遠程監測和閥門致動器的遠程控制。閥門 閉合件位置傳感器可聯接到通信模塊，以使來自閥門閉合件位置傳感器的數據可以被遠程 訪問。
[0009] 在至少一個實施例中，閥門致動器也包括內部流體溫度傳感器、可選流率計、感測 在管路系統中的另一位置的流體溫度的第二流體溫度傳感器，并且來自內部溫度傳感器、 可選流率計、以及第二流體溫度傳感器的數據能夠被本地或遠程訪問。
[0010] 在另外的實施例中，閥門致動器包括區域氣溫控制器，區域氣溫控制器基于感測 到的區域溫度和理想區域溫度確定用于閥門致動器的位置，其中，用于閥門致動器的位置 基于來自閥門閉合件位置傳感器的數據驗證。在一些實施例中，閥門致動器具有多個可調 整操作參數，且所述多個可調整操作參數可以本地或遠程調整。所述多個可調整操作參數 可包括用于區域氣溫控制器的積分設定，其中，積分設定提供用于閥門致動器的正或負調 整因子，以確定當流經閥門的實際流率不匹配流經閥門的理想流率時用于閥門致動器閉合 件的校正位置。而且，所述多個可調整操作參數可包括用于區域氣溫控制器的導數設定，其 中，導數設定提供用于閥門致動器的正或負調整因子，以確定在流經閥門的流率突變的情 形下用于閥門致動器閉合件的校正位置。
[0011] 閥門致動器可還包括配置為確定流過閥門的流體是否可能氣蝕的抗氣蝕模塊，其 中，抗氣蝕模炔基于閥門中的流體溫度、閥門入口壓力、和閥門出口壓力確定閥門中的氣蝕 將發生的可能性，且其中，來自閥門閉合件位置傳感器的數據用于調整流經閥門的流體流 率以防止氣蝕。而且，閥門致動器可包括診斷模塊，診斷模塊配置為將有關閥門和致動器組 件的操作的診斷信息提供給遠程位置，其中，診斷模塊提供與流經閥門的實際流率相對于 流經閥門的理想流率相關的診斷信息。
[0012] 在具體實施例中，閥門致動器具有：由聯動組件聯接到閉合件的馬達和齒輪系； 和電路板，其具有用于調節馬達和齒輪系的操作的控制電路、以及用于使致動器能夠經由 串行通信總線與建筑物管理系統通信的通信電路。閥門致動器也可配置為將閥門操作為壓 力無關閥門或壓力有關閥門。
[0013] 在具體實施例中，閥門致動器具有多個可調整的操作參數，這些參數的值控制閥 門致動器的操作。此外，多個可調整的操作參數可以被本地或遠程調整。
[0014] 在另一方面，本發明的實施例提供計算流經閥門的流體流率的方法。所述方法包 括以下步驟：將用于閥門閉合件的靜態力或轉矩值存儲在閥門致動器的存儲器中，且利用 存儲的靜態力或轉矩值計算用于閥門閉合件上的動態力或轉矩的值。所述方法還包括確定 塞幾何因子且將幾何塞因子存儲在閥門致動器的存儲器中、經由閥門塞位置傳感器確定閥 門塞位置、且利用動態力或轉矩值、塞幾何因子、和閥門塞位置計算流體流率。而且，所述方 法包括將流體流率與計算的用于防凍結保護的最小流率相比較，且當流體流率低于計算的 用于防凍結保護的最小流率時調整閥門操作。
[0015] 在具體實施例中，閥門閉合件在打開位置和閉合位置之間線性移動，且所述方法 還包括計算塞落座力值、將塞落座力值存儲在閥門致動器的存儲器中、且利用塞落座力值 和靜態力值計算動態力值。在更具體的實施例中，確定塞幾何因子借助于查找存儲在閥門 致動器的存儲器中的表格、或借助于以閥門桿位置的變量表達式為基礎的多項式完成。
[0016] 在其它實施例中，閥門閉合件在打開位置和閉合位置之間旋轉地移動。所述方法 也可包括將用于閥門閉合件的一個或多個尺寸存儲在閥門致動器的存儲器中、將軸承摩擦 因子存儲在閥門致動器的存儲器中、且利用存儲的所述一個或多個尺寸、存儲的所述軸承 摩擦因子、和靜態轉矩值計算動態轉矩值。
[0017] 在又另一方面，本發明的實施例提供計算流經閥門的流體流率的方法。所述方法 包括以下步驟：確定閥門入口和閥門出口之間的壓差、基于閥門閉合件的位置計算流量系 數因子、且利用流量系數因子和壓差計算流體流率。所述方法還包括將流體流率與計算的 用于防凍結保護的最小流率相比較，且當流體流率低于計算的用于防凍結保護的最小流率 時調整閥門操作。
[0018] 在具體實施例中，所述方法還包括測量流過閥門的流體的溫度、利用所述溫度確 定流體的比重、且利用所述比重計算流體流率。
[0019] 在結合附圖參考以下具體實施例時，本發明的其它方面、目標和優點將變得明顯。
【附圖說明】
[0020] 包含在說明書中并且構成說明書的一部分的附圖示出了本發明的數個方面，并且 與文字描述一起用來解釋本發明的原理。在附圖中：
[0021] 圖1是具有水盤管防凍結保護的現有技術HVAC閥門構造的示意圖；
[0022] 圖2是針對開環水系統的HVAC閥門和盤管位置的示意圖；
[0023] 圖3是針對閥門位于盤管的返回側的閉環水系統的HVAC閥門和盤管位置的示意 圖；
[0024] 圖4是針對閥門位于盤管的供應側的閉環水系統的HVAC閥門和盤管位置的示意 圖；
[0025] 圖5A和5B是根據本發明的實施例構造的HVAC系統以及集成閥門和致動器組件 的示意性方框圖；
[0026] 圖6是根據本發明的實施例的示出用于集成閥門和致動器組件的可調整設定的 方框圖；
[0027] 圖7是示出閥門桿位置和流體流量之間的一般關系的圖表；
[0028] 圖8是示出線性移動閥門桿移動和桿力之間的關系的圖表；
[0029] 圖9是示出典型球心閥和蝶形閥幾何因子的表格；
[0030] 圖10是示出旋轉移動式蝶形閥桿移動和桿轉矩之間的關系的圖表；
[0031]圖11是依據本發明的實施例的氣蝕區域水溫關系的圖表說明；
[0032]圖12是包含在集成封裝中的新技術設計的物理圖；
[0033] 圖13是根據本發明的實施例的顯示閉合的閥門塞的示意圖；
[0034] 圖14是根據本發明的實施例的用于壓力有關控制的打開的閥門塞的示意圖；
[0035] 圖15是根據本發明的實施例的用于壓力無關控制的打開的閥門塞的示意圖；以 及
[0036] 圖16是流量計算的示意性方框圖。
[0037] 盡管將結合某些優選實施例描述本發明，但是并不是要將本發明限制于這些實施 例。相反，旨在涵蓋包括在由所附權利要求限定的本發明的精神和范圍內的所有替代方案、 修改和等同方案。
【具體實施方式】
[0038] 雖然在此呈現的許多示例和實施例中就本發明在HVAC系統中的應用而言描述本 發明。然而，本領域技術人員將認識到本發明的范圍不受限于HVAC系統。如以上引用的， 本發明的實施例可在操作中發現的各種流體控制系統中使用，包括但不限于發電站、化學 制造操作、食品和飲料加工、液化氣供應和處理、水供應和處理等。下文描述的示例性實施 例中無任何內容旨在限制本發明的范圍和適用性。也應該注意到，術語"閥門塞"和"閥門 閉合件"在本申請中就諸如球心閥的線性移動閥門而言可交換地使用。在其它示例中，例 如就諸如蝶形閥的旋轉移動式閥門而言，"閥盤"和"閥門閉合件"可交換地使用。
[0039] 圖1是顯不現有技術中提供的HVAC系統的個實施例的不意圖。例如，圖1是顯 示常規HVAC系統110的示意圖，常規HVAC系統110需要多個設備來獲得所需的水閥門控 制和水盤管防凍結保護。用于來自栗和管道系統的水供應60的熱水和冷水源通常位于房 間51的外面，并且通常是由可以被交替連接在源內的一個或多個鍋爐或冷卻器（未示出） 構成的集中式供應機。閥門63調整來自栗和管道系統的水供應60的熱水和冷水的流量， 用于房間51的加熱和/或冷卻。閥門63通常受到彈簧回位閥門致動器56的機械驅動，彈 簧回位閥門致動器56根據由室溫控制器54提供的控制信號而被操作性連接。
[0040] 在典型實施例中，室溫控制器54接收來自室溫傳感器52的溫度感測信號，并將溫 度感測信號與房間設定點設備53提供的期望的室溫設定點進行比較，房間設定點設備53 可以例如是電位計或小鍵盤。流量計62由室溫控制器54可選地使用以提供用于指示目的 的流量信息，以用于可選流量控制而非常規溫度控制、或通過添加供水和回水溫度傳感器 而用于能量計算。
[0041] 在所示實施例中，彈簧回位閥門致動器56根據從室溫控制器54接收的比例控制 信號進行操作，以將閥門63從完全閉合手動設置為完全打開，以保持由房間設定點設備53 提供的期望的房間設定點。通過使空氣經過具有適當量的熱水或冷水的水盤管64來控制 房間51的氣溫，以在水盤管64的溫度與房間51的溫度之間提供必要的溫差，從而朝向期 望的房間設定點設備53來驅動房間51的溫度。水盤管64使用由中央鍋爐和冷卻器系統 提供的熱水或冷水，例如，由來自栗和管道系統的水供應60輸送的熱水或冷水。通常，每個 房間具有其自己的管道系統。在期望以加熱模式操作系統時，來自栗和管道系統的水供應 60例如從鍋爐提供熱水，并且在期望以冷卻模式操作系統時，來自栗和管道系統的水供應 60例如從冷卻器提供冷水。
[0042] 室外空氣通風入口 69和室外空氣通風風門68用于向房間提供新鮮空氣。由室外 空氣通風風門控制器66控制新鮮空氣的量，室外空氣通風風門控制器機械設置室外空氣 通風風門致動器67的位置。存在很多常用的風門致動器控制方法。就所有方法而言，存在 室外冷空氣可以將水盤管64中的水凍結并且造成重大財產損失的風險。常見的室外空氣 風門問題包括由于磨損、翹曲或其它損壞而未能緊密閉合的風門槳葉、松動或被損壞的機 械聯動裝置，以及致動器故障。
[0043] 管道系統可以是例如圖2中所示的系統的開環系統120,或可以是如圖3和圖4所 分別示出的那些系統的閉環系統130、140。例如，針對圖2的開環系統120,由于開環系統 通常在系統中具有可以干擾熱傳遞的大量空氣，所以閥門致動器80和閥門81必須位于水 盤管64、82的返回側上，以確保水盤管82的管子充滿水，從而獲得良好的熱傳遞。針對閉 環系統130、140,閥門致動器80和閥門81可以位于水盤管82的返回側上，如圖3中所示， 或者可以位于水盤管64、82的供應側上，如圖4中所示。
[0044] 如圖4中所示，使閉環閥門致動器80和閥門81位于水盤管64、82的供應側上可 以工作，但是使水盤管64、82中具有空氣的概率較高，這將干擾熱傳遞。如圖3中所示，在 閉環閥門致動器80和閥門81位于水盤管64、82的返回側上的情況下，在水盤管64、82中 具有較少空氣的情況下熱傳遞較好，但是水盤管64、82中的流體發生凍結的風險較高。這 是因為空氣是可壓縮的，并且水盤管64、82中具有較多空氣的系統由于空氣的前述可壓縮 性而可以吸收由凍結狀況產生的增大的壓力中的一些。水盤管82中具有較少空氣的系統 中的水更易于出現凍結狀況。
[0045] 不出所料，盤管凍結狀況最有可能發生在加熱模式下，因為室外氣溫低。為使水 盤管64、82中的水凍結，其中的水必須在一定程度上是靜止的，并且在足以使水溫降至 32°F(0°C)以下的時間段內被暴露在低溫下。在室外氣溫非常低時，室溫可能較低并且閥 門至少部分打開，這可以減小水盤管發生凍結狀況的可能性。
[0046] 對于低于32°F(0°C)但并不足以使房間51的溫度冷到不舒服的較溫和的室外氣 溫，水盤管64、82中的水發生凍結的風險很大，這是因為閥門63可能由于房間51不需要加 熱而閉合，以使水盤管64、82中的水不流動，因而出現可能的凍結狀況。
[0047] 對于圖1中所示的常規HVAC系統110,凍結狀態計（freezestat) 59與彈簧回位 閥門致動器56用線串聯。在凍結狀態計59檢測到可能的凍結狀況時，其將使彈簧回位閥 門致動器56的功率中斷，彈簧回位閥門致動器56在一些情況下具有內部彈簧機制，以在失 去功率時將彈簧