陶瓷恒溫閥芯技術研究

吳平良

（福建省廈門市英仕衛(wèi)浴有限公司，福建 廈門 361021）

隨著社會發(fā)展，人們對衛(wèi)浴龍頭產(chǎn)品的舒適性、安全性要求越來越高，原有的普通閥芯龍頭存在較多問題，已不能完全滿足需求，如混合出水溫度忽高忽低，使用不舒適，甚至有燙傷風險等。為彌補普通閥芯龍頭的不足，恒溫龍頭應運而生。恒溫龍頭具有節(jié)能節(jié)水、安全防燙的效果，提高了衛(wèi)浴產(chǎn)品的舒適性和安全性。

1 當前國內外恒溫龍頭的問題概況

當前，國內外市場上的恒溫龍頭其結構大部分是流量開關系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)相互獨立，結構復雜，成本高。存在的問題主要表現(xiàn)在如下3個方面：（1）市政供水不穩(wěn)定引起家庭室內用水壓力忽高忽低，另外，由于家用熱水器內的熱水溫度隨著淋浴用水時間延長，溫度在不斷變化，導致從龍頭流出的水溫不穩(wěn)定，存在燙傷使用者的風險；（2）當冷水突然斷供或操作不當失效時，熱水持續(xù)流出，可能造成使用者全身燙傷的風險；（3）現(xiàn)有恒溫龍頭還存手感重、不順暢、使用壽命短、溫控系統(tǒng)的傳動部分結水垢等缺點，使溫度感應靈敏度逐漸降低，直至失效，而且現(xiàn)有恒溫龍頭結構復雜，成本居高不下。

2 主要研究內容與技術方案

2.1 總體思路

陶瓷恒溫閥芯的主要研究步驟：市場調研→專利分析→樣品收集與分析→研究方向確定→需解決的問題→核心元件選型→方案設計及驗證。

（1）方案設計前的準備：對收集來的樣品按流量控制機構和溫控機構不同進行分類，并分別對其性能進行全面的測試及對比分析，將最優(yōu)性能的樣品進行結構拆解，測量關鍵部位的尺寸，并分析裝配尺寸鏈；分析傳動過程的受力，解析傳動過程的密封尺寸鏈并找出共性。

（2）核心元件選型：①在30～49℃伸長量大的優(yōu)先選用；②熱敏原件的靈敏性高的優(yōu)先選用；③升溫和降溫，在同一溫度點時位移差異小的優(yōu)先選用；④在受工作力的作用下，伸縮壽命長的優(yōu)先選用；⑤溫包感溫面積大的優(yōu)先選用；⑥最小工作力與最大承受力差值大的優(yōu)先選用；⑦用于結構設計，能降低材料用量和結構簡單的熱敏元件優(yōu)先選用。基于以上7個原則選定熱敏原件。

（3）研究方向：將溫控系統(tǒng)和流量開關控制系統(tǒng)合并同軸，流量開關采用特種的三氧化二鋁陶瓷片，降低成本。

（4）需解決的問題：①溫控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)中的潤滑問題；②防止溫控系統(tǒng)結水垢的研究；③流量開關把手扭矩必須≤1.7N·m，啟閉過程中的手感突變問題；④使用壽命短的問題；⑤陶瓷流量開關系統(tǒng)與溫控系統(tǒng)結合的問題。

2.2 技術方案

（1）溫控系統(tǒng)的理論計算、設計及驗證。

第一，冷、熱水流道最小過水面積的計算。閥芯流量可參照式（1）依據(jù)流體管道流量進行建模。

式中：Q為流量，m3/h或t/h；F為管道內徑面積，m2；ΔP為管道進出水端的壓力差，MPa；ρ為流體平均速度，m/s；K為流量修正系數(shù)（閥芯內水路截面并非圓形，且閥芯內水路截面突變及彎曲轉向，必須增加此系數(shù)對理論流量進行修正）。

水的流速ρ根據(jù)伯努利方程進行計算：

式中：g取值為9.8；H為水壓高度，10m水柱約等于一個大氣壓。

將標準規(guī)定的水壓代入公式（2），得出各壓力下的理論流速如表1所示。

表1 理論流速表

為獲得最優(yōu)過水面積，取孔徑分別為φ6mm、φ6.5mm、φ7mm、φ7.5mm、φ8mm、φ8.5mm、φ9mm、φ9.5mm、φ10mm進行理論和實際對比。將管道過水面積、標準水壓和理論流速代入式（1）中計算理論流量，假設K值取1，得出對應的理論流量記錄。

實際制作同樣孔徑的樣品，并根據(jù)標準水壓進行測試，記錄測量結果，繪制出壓力恒定時對應過水面積與流量關系曲線組及不同壓力下過水面積與流量關系曲線圖。

通過分析實際樣品，測繪出樣品單邊進水孔面積為37.3mm2，相當于φ6.9mm的孔。因此選上面孔徑為φ7mm孔徑測量的流量數(shù)據(jù)與理論計算的流量數(shù)據(jù)對比，得出流量修正系數(shù)K=0.93。將流量修正系數(shù)K=0.93代入公式（1），得到與實際相符的流量計算公式（3）：

將孔徑過水面積、標準水壓和理論流速代入公式（3），得出修正后的壓力、流量記錄，通過數(shù)據(jù)繪制出水壓-流量曲線圖和孔徑-流量曲線圖。

根據(jù)北美和歐洲的溫控標準對流量性能的要求，選孔徑-流量曲線圖中在1.45psi水壓下冷、熱進水流量≥6L/min的管徑面積，選流量-壓力曲線圖中在45psi壓力下冷、熱進水流量≥20L/min的管徑面積進行理論計算。

第二，滑栓直徑和移動距離的確定方法。從北美和歐洲的溫控標準獲得計算的前提條件，依據(jù)標準條件推算出滑栓的直徑和移動距離。

假設滑栓總位移為X，根據(jù)流量-壓力曲線圖得出冷、熱水過水最小面積（孔徑）。當冷水為4℃、熱水為60℃時，依據(jù)標準條件，分別在壓力變化、溫度變化和冷水斷供時，通過總流量不變和能量守恒定律，確?；旌纤疁卦谠O定初始溫度[（40.6±0.6）℃或（38±1）℃]范圍內變化，其滑栓的上、下移動量符合熱敏元件的位移曲線。利用相同原理和方法分別計算出下列條件下的滑栓移動量：冷水4℃、熱水68℃；冷水21℃、熱水60℃；冷水21℃、熱水68℃。找出符合熱敏元件位移曲線的總移動量X。如果沒有符合要求的結果則調整X的值，并返回上述條件重新計算，直到找出符合要求的變量X；并通過計算過水面積確定滑栓的直徑D，利用流量-管徑曲線圖中符合要求的管徑按上述方法進行核算，找出最優(yōu)的變量X和滑栓直徑D。

第三，溫控系統(tǒng)的傳動計算。溫控系統(tǒng)的調節(jié)機構必須在360°的轉動角度內能使混合水的出水溫度達到從冷水到熱水的每個溫度點，依據(jù)熱敏元件的性能特點、工作力值、最大承受力值，以及從15℃變化到90℃的最大位移量，分別計算工作彈簧和熱敏元件保護彈簧的初始壓縮高度、初始壓縮力、彈簧高度及傳動裝置位移量。原則是當溫控系統(tǒng)調到全冷位置，而冷水流道進的是90℃熱水時，熱敏元件最大位移伸長量小于保護彈簧的初始高度到壓并高度的差值，確保熱敏元件不被破壞。

假設熱敏元件性能如下：15℃升高到38℃；38℃升高到60℃，伸長2.3mm；15℃升高到90℃，伸長5.4mm；最小工作力45N；最大載荷140N；38℃理想工作載荷為55N；38℃左右，工作彈簧最理想的K=5N/mm。

為確保調溫機構轉動360°出水溫度能從全冷調到全熱，則轉動機構的直線位移需＞5.4mm，因此可采用導程為6mm、螺距為1.5mm的四頭矩形傳動螺紋來實現(xiàn)，也可采用螺距為2mm的三頭矩形傳動螺紋來實現(xiàn)。

工作彈簧的設計計算：38℃時，工作彈簧載荷為45～55N，但初始壓縮高度又不能超過壓并高度的70%，彈簧K值≤8N/mm。

保護彈簧的設計計算：在38℃時，保護彈簧初始壓縮力與工作彈簧初始工作力的差值越大越好。在38℃的工作位置，假如出水溫度因其他原因升到90℃，此時需確保熱敏元件伸長3.4mm后，保護彈簧的壓縮力＜140N。這就需考慮工作彈簧過長而造成的成本增加。在符合溫控技術的條件下，為確保工作彈簧和保護彈簧的初始壓縮力差異為最優(yōu)，采用以上幾種差值方案進行驗證，找出最優(yōu)的設計方案。

第四，冷、熱水混合均勻的構思及計算。冷、熱水在熱敏元件的感溫區(qū)域的混合均勻性決定恒溫閥芯的溫度穩(wěn)定性和準確性。為使冷、熱水在感溫區(qū)域均勻混合，依據(jù)水的霧化混合效果最優(yōu)的原理設計相應結構，使得冷、熱水從滑栓兩端進入混水腔后通過一個多孔混水器再流過熱敏元件的感溫區(qū)。為了在優(yōu)化恒溫性能的同時不影響流量，必須全方位考慮多孔混水器的設計。首先，多孔面積不節(jié)流。閥芯的水路流道中，將最小過水點設置在滑栓處，面積為50mm2。為避免二次節(jié)流，多孔混水器側壁上的小孔總過水面積必須≥70mm2。其次，多孔混水器中間孔與熱敏元件直徑組成的過水孔面積必須≥70mm2。最后，為確保冷、熱水混合均勻且不限流，設定不同組合進行驗證：混水器的周圈進水孔孔徑和數(shù)量、混水器混合腔的內徑和混水器出水孔的孔徑。通過上述多種方案的組合分析驗證，找出符合溫控性能要求且不限流的混水器結構。

第五，溫控系統(tǒng)的方案設計及實驗。分析溫控系統(tǒng)的傳動結構，計算最小過水面積，設計冷、熱水均勻混合的多種方案，利用田口式DOE實驗方法進行方案組合，篩選代表性方案進行手板制作及測試驗證，得出最優(yōu)解，即流量最大、溫控性能穩(wěn)定的結構方案。

（2）陶瓷閥芯系統(tǒng)與溫控系統(tǒng)合并后的結構簡化、理論計算及驗證。依據(jù)標準，陶瓷閥芯系統(tǒng)中的流量控制開關扭矩≤1.7N·m；動、靜壓為1.6MPa時各連接處密封可靠，無漏水；在3.5MPa水壓下溫控系統(tǒng)和陶瓷閥芯系統(tǒng)均不可有任何泄露和永久性破壞；溫控系統(tǒng)和陶瓷閥芯系統(tǒng)有機結合，結構簡化。

第一，陶瓷片結構設計及驗證。決定閥芯操作手感輕重的主要因素之一是上、下陶瓷片在相對轉動時的接觸面積大小，接觸面積越大，同等條件下操作手感越重。為此，在設計時必須盡可能減小上、下陶瓷片的接觸面積?？傮w方案上可采用環(huán)形結構，利用陶瓷片外邊緣進行密封和通水控制，中間為通孔，正好可將溫控系統(tǒng)放置在中間。控制流量開關把手轉動時的摩擦力大小可恒定，有利于保持把手轉動時的手感順滑穩(wěn)定，且能有效縮小閥芯的體積。閥芯開啟角度與流量關系的曲線也是衡量閥芯好壞的指標之一，上、下陶瓷片之間的通道形狀決定閥芯開啟過程中流量變化的大小。通過流體力學分析軟件模擬、優(yōu)化上、下陶瓷片的通道形狀，得出的模型驗證流量曲線如圖1所示。相比市場同類產(chǎn)品，該陶瓷片能在從開啟到關閉的過程中有效調節(jié)出使用者所需的所有流量，而市場同類產(chǎn)品大部分存在流量把手開啟到40%時已經(jīng)達到最大流量。

圖1 陶瓷片把手模型驗證流量曲線圖

第二，平衡上、下陶瓷片壓差的壓力平衡容腔設計。在上下陶瓷片接觸面積相同的情況下，兩個陶瓷片之間的擠壓力越大，操作手感越重。為此，在設計整體結構時可結合閥芯結構，有意在上陶瓷片的上端設置一個壓力平衡容腔，將經(jīng)過陶瓷片之間的水引至該容腔。由于水從下陶瓷片的下端面流經(jīng)陶瓷片之間來到上陶瓷片的上端面，進入容腔，容腔內的水壓能對上陶瓷片背面產(chǎn)生向下的壓力，從而平衡了下陶瓷片下端面受到的向上的壓力，陶瓷片轉動時產(chǎn)生的摩擦力相對減小，使得使用者在操作流量開關時更加輕松順暢。

第三，各零部件組成的冷熱進水通道和冷熱水混合腔設計。陶瓷恒溫閥芯的冷熱水通道和冷熱水混合腔設計如圖2所示。冷水從底座的一側進入，通過底座與主體所組成的熱水環(huán)形腔，再從滑栓底部進入滑栓內部的混水腔；熱水從底座的另一側進入，通過底座與主體組成的冷水環(huán)形腔，再從滑栓的頂部進入滑栓內部的混水腔；冷熱水在滑栓的混水腔第一次混合后，通過混水器側壁上均布的微小孔進行第二次混合，然后進入熱敏元件感溫區(qū)域；混合后的水通過下陶瓷片與上陶瓷片之間的通道進入上陶瓷片上部的壓力平衡容腔后，到達出水口然后出水。

（4）溫控傳動系統(tǒng)自潤滑和防水垢技術。第一，對長期浸泡在水中的零件表面進行化學處理，讓其表面產(chǎn)生致密、耐磨、自潤滑和防結水垢的無毒膜層；第二，研發(fā)并生產(chǎn)材質本身具備耐磨、自潤滑和防結水垢性能的零件，用于零部件的加工制作。通過研究后，相關人員開發(fā)出一種表面處理的藥水及使用方法，對零件予以表面處理。通過硬水浸泡測試對比，證明該方法有效。

2.3 關鍵技術點

（1）熱敏元件感溫區(qū)的二次混水結構。溫控系統(tǒng)中的冷、熱水混合結構的混水效果直接影響使用體驗，采用二次混水結構能有效解決此類問題。

（2）上、下陶瓷片流道結構。常規(guī)陶瓷片流道結構在角度開啟到40%左右時，其流量已經(jīng)達到閥芯流量最大值，給使用者的體驗是閥芯調節(jié)不方便。流體力學軟件優(yōu)化后的陶瓷片流道結構，其流量與開啟角度接近正比例關系，流量調節(jié)更符合使用者需求。

（3）流量把手手感調節(jié)。恒溫產(chǎn)品使用過程中，使用者最先體驗到的是閥芯開關手感。經(jīng)實際使用統(tǒng)計，把手開關扭矩在0.5～1.0N·m范圍內時使用者感覺舒適。采用壓力平衡容腔結構可減小把手扭矩受水壓影響，有效降低把手操作扭矩，延長閥芯使用壽命。

圖2 水流通道示意圖

第四，閥芯把手操作扭力的理論分析。依據(jù)標準要求，陶瓷閥芯系統(tǒng)中的流量控制開關扭矩必須≤1.7N·m。為了滿足標準要求，需要找出產(chǎn)生扭矩的位置，并從扭矩的兩個因素著手分析，即力臂和摩擦力。一方面，在滿足閥芯流量和結構要求的條件下需要盡可能縮小閥芯的直徑，減小力臂；另一方面，減少摩擦系數(shù)和作用力也是降低閥芯開關扭矩的重要因素。此外，密封圈變形產(chǎn)生的作用力在確保能通過1.6MPa工作壓力密封測試并在3.5MPa極限壓力的條件下進行優(yōu)化，首先，通過減少壓縮量來降低作用力；其次，不同的形狀在受力情況下的作用力分析；最后，選擇在同種變形條件下產(chǎn)生作用力小的材質進行密封圈的設計驗證。水壓產(chǎn)生的作用力是由作用面積大小和壓強大小決定的。而壓強受標準和水源限制，最大壓力≤125psi，那么作用面積的減小是降低扭矩的關鍵因素。因此，為達到性能結構，可采用獨特陶瓷片結構，降低作用面積，進而達到降低扭矩的效果。

（3）零部件材質的選擇。因溫控閥芯長期處于熱水中，溫度高達90℃，這就對材質性能有特別的要求。所選用的材質需要能長期耐高溫，且性能不產(chǎn)生變化（如密封性、強度、抗扭等）。另外，因溫控系統(tǒng)尺寸精度要求高，所有選用材質必須在4～99℃變化情況下尺寸變化不影響性能。

（4）精確的溫控傳動系統(tǒng)。設計溫控傳動系統(tǒng)時，需要找出能包容所有常規(guī)條件的極端條件對溫度變化的影響并進行理論分析及計算，合理優(yōu)化結果，再通過實際驗證對比，這樣得出的溫控傳動系統(tǒng)才能完全滿足實際使用需求，確保恒溫閥芯溫度穩(wěn)定性。

3 結束語

恒溫閥芯屬于恒溫淋浴龍頭的核心元件，恒溫閥芯的性能直接決定恒溫淋浴龍頭的品質。因此很多衛(wèi)浴企業(yè)嘗試研究及開發(fā)恒溫閥芯，期待能有技術突破。文章通過對實際開發(fā)過程的總結，結合理論分析與實踐驗證，給出陶瓷恒溫閥芯技術研究的一種方法，指出此類產(chǎn)品設計的關鍵技術點，為恒溫產(chǎn)品技術研究及產(chǎn)品設計開發(fā)人員提供設計思路參考。