專利名稱：液壓閥的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力流量平衡式液壓閥，它可具體應用于貯水箱(或在美國公知的沖洗箱)進口閥。但是，本發明的閥不局限于這方面的特殊應用。本發明還涉及貯水箱進口閥和貯水箱。
已有的貯水箱閥可以方便地分為兩大類。第一類是機械杠桿式閥，它具有一帶圓孔的閥座，和一借助浮子臂發生運動以打開或關閉該圓孔的圓盤。附著在浮子臂上的浮子產生的浮力，由于浮子臂長度帶來的機械優點而得到放大。這類結構較為簡單，非常可靠，因而已沿用了多年。
但是，近來由于用于沖洗便池的水量減少，貯水箱的平均寬度已減小。因為僅需要較小的水量，用于貯存沖洗用水的水箱尺寸也獲得相應減小。結果，以經可以使用的浮子臂長度不能再用于這種貯水箱了。造成上述機械式進口閥關閉力的下降。這又導致這種類型的閥不適用于那些具有高水壓的區域。
由于這方面的發展，液壓進口閥益廣泛地用于貯水箱。這種液壓進口閥通過將進口壓力施加在閥件的一較大的相對面獲得凈關閉力，利用進口壓力促使閥門關閉。但是液壓進口閥存在著許多缺點。一個缺點是，多個閥組件中的一個出現故障時，液壓進口閥總是自動打開。也就是說，閥的故障導致不能截止水流。由于這會造成浴室被淹和水的大量流失，最好的方案應是，閥在完全失靈時，仍能自動關閉。其結果是在這種情況下不會出現任何水流。
就貯水箱進口閥而言，除故障時可關閉外，另一所希望的性能是能安靜工作。傳統的進口閥在其工作期間是一具有驚人噪聲量的噪聲源。由于沖洗作業持續時間雖短，但貯水箱重新充入下一次沖洗所需的水量卻需較長時間，進口閥產生的噪聲，在整個貯水箱充水過程中都存在。這一噪聲是由于氣蝕，紊流和水自由表面產生的噪音(后者是因為水-空氣-水界)而造成的。如果能夠獲得一種安靜的貯水箱進口閥，便表現出特殊的優點。
本發明是通過著眼于克服上述缺點進行的研究完成的，它至少可部分地具有上述優點。相應地，本發明的目的就是提供一種改進的閥門。
按照本發明的第一方面，所公開的壓力流量平衡閥，包括一閥殼，它具有一通入一內部腔室的進口和一由該內部腔室引出的出口，所述進口和出口是基本對置的，以及一大體呈球形的閥體，該閥體位于所述腔室中，并安裝成可朝所述出口和遠離所述出口而運動，所述閥體和出口的尺寸允許所述出口能被所述閥體遮閉，其特征在于，所述腔室的內表面和所述閥體的外表面被成形和布置成，當所述閥體向所述出口運動時，用于流向所述出口和在所述閥體與腔室間流動的流道橫截面積得以減小，同時，用于從所述進口流入和在所述閥體與所述腔室間流動的流道橫截面積得以增大，而當所述閥體遠離所述出口運動時，情況則正好相反，從而改變流速引起的作用在所述閥體上的壓力的平衡。
可優選地方案是，上述球狀閥體為卵形，橢球形，或蘭金卵形(Rankine Ovuloid)。
按照本發明的第二方面，公開了一種控制流過壓力流量平衡閥的流量的方法，該平衡閥包括一閥殼，它具有一通入一內部腔室的進口和一由該內部腔室引出的出口，所述進口和出口是基本對置的，以及一位于所述腔室中的大體呈球形的閥體，該方法包括如下步驟使所述閥體朝遠離所述出口的方向運動，以增大用于在鄰近所述出口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，同時減小用于在鄰近所述進口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，從而在所述閥體上施加一凈流動引起的壓力，使所述閥體連續向遠離所述出口的方向運動，并打開所述閥，和使所述閥體向所述出口運動，以減小用于在鄰近所述出口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，同時增大用于在鄰近所述進口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，從而在所述閥體上施加一凈流動引起的壓力，使所述閥體連續向所述出口運動，并關閉所述閥。
按照本發明的第三方面，公開了一種貯水箱，它具有的貯水箱進口閥屬于上述類型。
按照本發明的第四方面，公開了種貯水箱充水方法，它采用上述控制流過閥門的流量的方法。
本發明的三種實施例將結合附圖進行說明，其中
圖1為普通液壓進口閥的全剖視圖;
圖2為一進口閥的第一種實施例的相同剖視圖;
圖3為一進口閥的第二種實施例的相同剖視圖;
圖4為包含在圖3所示閥中的破壞虹吸的提升閥放大全剖視圖;
圖5為組裝前的圖4所示提升閥的分解透視圖;
圖6為一進口閥的第三實施例的側面正視圖;
圖7為圖6所示閥的縱向剖視圖;
圖8為圖7所示閥的分解透視圖;
圖9至12分別為圖6至8所示閥體的透視圖，側面正視圖，俯視圖和底視圖，和圖13為通過第一種實施例的閥體和腔室的剖視圖，用以說明本發明的工作原理。
圖1示出已有技術的液壓操縱的貯水箱進口閥。該閥與以本申請人的名義在澳大利亞的專利申請第81732/91號描述的閥基本相同。如圖1所示，該液壓進口閥1具有一通往閥座3和出口4的進口2。閥座3用橡膠隔膜6攜帶的閥件5關閉。旁通通道7允許水從進口2導至隔膜6和下游側。由浮子臂9和浮子10操作的輔助閥8，控制施加在隔膜6下游側的壓力。
工作時，隨著輔助閥8如圖1所示那樣被打開，水能夠從進口2流至隔膜的下游側，然后流出輔助閥8。因此，在隔膜6下游側的沒有明顯的壓力作用，因此閥件5在進口2水壓作用下沿離開閥座3的方向運動，使液壓進口閥1打開，水從進口2流過閥座3，并流出出口4。
在貯水箱19充水的情況下，浮子10上升，從而使浮子臂9關閉輔助閥8。結果進口壓力施加于隔膜6的下游側的大表面區，同時該壓力也施加在閥體5的面對進口的較小表面上，但由于面積差產生了通過隔膜6作用在閥件5上的凈關閉力，因而使閥件5座靠在閥座3上關閉該液壓進口閥。
這類液壓進口閥會因多種途徑發生故障。一種途徑是隔膜6被穿孔，而讓水從隔膜6的下游側漏入出口4，從而減小閥件5上的關閉力，使進口閥發生故障而處于打開狀態。類似地，旁通通道7可能被堵塞，這也會減小作用在隔膜6下游側的壓力，并同樣會使閥因故障而打開。此外，雜物也可能堵塞在輔助閥8中，阻止其完全關閉，這也會減小作用在隔膜6下游側的壓力，導致液壓進口因故障而處于打開狀態。
圖2示出本發明的壓力流量平衡閥11的第一種實施例。該閥11有一進口12，一閥座13，和一基本呈圓筒形的出口14。位于進口12和出口14間的是一腔室15，一大體呈球形的閥體16位于其中。閥體16被一滑動地保持在一軸套18中的心軸17支撐。
就結構而言，閥11通過一內體20構成，該內體20包含進口12，并且在內體20上固定一成形環形體21，而環形體21與內體共同形成腔室15。一圓筒形外體22位于該內體20周圍，并且二者之間的通道形成出口14。一冠形件23構成完整的出口14，并為軸套18提供支承。
很明顯，如果心軸17向上運動，則閥體16將遮蓋閥座13，從而阻止任何流體從進口12流至出口14。反之，如果心軸17被下推，則閥座被打開，水便可以經過進口12，腔室15與閥體16間的流道，通過閥座13流入出口14。
由于進口12、腔室15，閥體16和出口14的內表面很光滑，并包括一些形成仿理論流線流道的平緩彎曲，因而水流基本呈流線態勢。減少了脫流，紊流和汽蝕，從而實現基本安靜的流動。
圖2所示方案的不足之處在于，環形出口14包含大量的空氣，必須全部去除才能實現盡可能安靜的流動。為此，研制出了圖3所示的第二種實施例。圖3所示的壓力流量平衡閥111包括一進口112，一閥座113和一單管出口114。與前一實施例一樣，該閥111也包括一腔室115和一裝在心軸117上的閥體116。心軸117鉸接在一浮子臂109上，而浮子臂109在浮子110作用下可作圓弧運動。
進口112和出口114一起成形在一主體120中，一環形件121裝在該主體120內，并用一與主體120螺紋嚙合的冠形件123定位。環形件121和主體120共同形成腔室115。冠形件123還包括心軸117的支承軸套118。很明顯，在這種連接方式中，軸套118和117間的密封要求不嚴格，因為僅在閥11打開時水才出現在出口114。
環形件121中還包括一破壞虹吸的提升閥125，如圖4和5可清楚看出的那樣，它由一帶翅片的T型閥126和一帶孔的閥板127構成。閥板127定位在閥126的樞軸128上后，在樞軸128上成形出一閥板定位頭129。由于有5個孔130和4個翅片131，空氣總可能通過閥板127進入出口114，使閥126不致貼靠在環形件121上。提升閥125的作用在于保證閥111關閥，出口114中的壓力下降時，空氣能進入出口114，使出口114中保存的水不會高出貯水箱中的水面。結果，偶然出現的負壓施加于進口112時，水不可能借助虹吸現象流出貯水箱和進入進口。
如圖6所示，第三種實施例的進口閥211裝在管軸228的頂部，浮子210在管軸上隨貯水箱19中的水面或升或降。浮子210借助浮子臂209與進口閥211相連。齒條齒輪機構240連接在浮子臂209和進口閥211之間。
如圖7所示，管軸228由兩個同心圓筒件構成，內部的一件為進口212，被出口214環繞。靠近出口底部，有一個或多個孔241，它們限制出出口流動，這將在后面解釋。圖6所示的整個裝置可以公知方式安裝在貯水箱19底部(用影象表示)的孔中，并用螺母242夾緊，密封就位。
從圖8可清楚看出，進口212與閥腔215相通，閥腔215包含一蛋形閥體216，閥體216裝在閥桿217的下端。閥桿217可借助齒條齒輪機構240和浮子臂209上升或下降，以分別關閉和打開閥211。閥腔215由兩件構成，上面一件構成閥座245。O形圈246夾在閥座245和閥腔215的另一件之間。
三個大體呈U形的具有減小橫截面尺寸的通道248從閥座245通入環形腔249，而環形腔249又與出口214相通。上述U形通道248由位于蓋250下側的槽構成。蓋250可以借助插入配合件253，254固定成形在管軸228上端的喇叭口251上。用這種方式便可將蓋250固定在喇叭口251上，從而將閥座245夾持就位。
多個小孔255穿過喇叭口251，從而允許空氣從大氣，經過蓋250的裙部和喇叭口251間的環形空間，進入環形腔249。一截錐形橡膠套256裝在蓋250和喇叭口251之間。該套256的上端成形出一凸像257，它起O形圈作用，為喇叭口250和蓋251間提供密封。該套256設有一中心孔258(圖8)，它在圖7所示的靜止位置時，壓在閥腔215的外表面上。
當閥桿217被圖7所示沿逆時針方向轉動的浮子臂209下移時，水使可從進口212流過閥腔215，通過閥座245，進入U形通道248。由于通道248跟隨一平滑彎道，這一流動基本呈流線狀，從而避免出現紊流和汽蝕。
此外，最初阻止水流從U形通道248流入環形腔249的橡膠套256，在通過敞開的閥座245施加在該套256內表面的水壓作用下，向外產生變形。這一壓力和產生的水流作用結果是，橡膠套256向外膨脹，以增大其中心孔258的有效直徑。
橡膠套256的這種運動同時產生了兩方面的作用，首先，橡膠套256的中心孔258有效地構成了一種可變的節流孔，它隨流量和/或壓力的增大而變大。這具有非常希望的優點，即提供緊靠閥座245的壓降。
此外，在流過進口閥1的水流影響下經向向外膨脹的橡膠套256，導致橡膠套256的中心部分259有效地密封各孔255。結果，沒有任何空氣由大氣通過各孔255，從而由從U形通道進入環形腔249，進而流入出口114的水帶走。這就構成了一種非常有效地噪聲減小裝置。
最后，出口114底部設置阻力孔241意味出口114在閥工作期間可以很快完成充水。結果，大量的噴濺和氣泡噪聲受到抑制，進一步的講，孔241最為具有減小的尺寸，結果，主壓力在進出口間成級下降，從而減少了水中壓力下降至水的氣化壓力以下的機會。而正是這種下降至水的氣化壓力以下的水壓造成了汽蝕和由此產生的汽蝕噪聲。
圖9至12示出閥體216的優選形式。從這些圖上可清楚看出，閥體不是球形。
很明顯，對本領域的技術人員來說，上述方案可帶來多種優點。首先，易被進口水流攜帶的顆粒或碎屑堵塞的該進口閥中的最小通道位于閥座245處。結果，假設這個位置聚集有任何這類物質，它們也很容易在下一次閥門操作時除去。此外，任何這類物質都可容易地被帶過通道248，經過橡膠套256的中心孔258，進入環形腔249。由此，任何這類碎屑都可無阻礙地通過，進入貯水箱19內部。
此外，假如偶然出現的作用于進口212的局部真空，同時進口閥211可處于打開狀態，這時橡膠套256將被向內吸，從而將中心孔258夾在閥腔215的外表面上。同時，橡膠套256的中心部分259將向內移動，從而敞開各孔255，讓大氣中的空氣進入出口214。結果，出口214中的任何水都將下降至貯水箱19中的水位。用這種方法保證防止出現任何側流虹吸現象。
此外，在發生嚴重事故，例如閥桿217折斷時，閥體216在進口水壓作用下被向上推，以關閉閥座245。因而在這方面，該閥屬于“故障關閉”型，而不屬于另一些液壓閥那樣的“故障打開”型。
下面結合圖13和采用圖7給出的代號，說明圖6和7所示閥的工作原理。首先，該領域的技術人員都清楚，如果該閥如圖13所示那樣垂直布置，則向下作用在閥體216和閥桿217的重力，會被閥體216的浮力平衡大部分，這樣這些反方向的作用力在很大程度上被抵銷。相反，如果該閥成水平布置，則這些力與閥桿217和閥體216的運動方向垂直，從而可以被忽略。
圖13中點劃線所示為閥基本處于全開時的閥體216位置。很明顯，在這種狀態，在用于靠近進口212閥腔215的內表面和閥體216的外表面間流動的橫截面顯著減小。反之，用于在靠近出口214的閥體216外表面和閥腔215內表面流動的橫截面顯著增大。
閥體216即將遮蓋閥座245和出口214時的位置，在圖13中用虛線表示。對該領域的技術人員來說，很明顯，上述流道的流通面積情況正好相反。
閥體216大體呈卵形或橢圓形，最好為蘭金卵形(Rankine ovuloid)，從而其橫截面構成一蘭金橢圓，這樣繞實體的流線型流動便可計算。
由于閥腔215中繞閥體216的流動基本呈流線型，雖基本沒有紊流，液流的總能量可假定為恒量，能量損失基本可忽略不計。因此流道所有點上的能量相同。任何給定點處單位質量的總能量E用下列公式計算E= (p)/(ρ) + (V2)/2 (1)式中V為流速，P為所述點處的壓力，ρ為液體密度。
由于假定無能量損失，鄰近進口i處的能量與鄰近出口O處的能量相等。這樣，可用表述伯努利理論的下述公式計算(Pi)/(ρ) + (Vi2)/2 = (PO)/(P) + (VO2)/2 (2)此外，還存在下述流動關系V＝Q/A(3)式中V為流速，Q為流量，A為流通橫截面積。
從上述公式2和3，實際上液體都是不可壓縮的，因而密度保持恒定，可以得出這樣的結論若流量面積增大，流速減小，如果流速減小，壓力就將提高，以保持能量基本不變;反之就是，如果流通面積減小，則流速增大，壓力將下降。
按照帕斯卡原理，液體中的壓力以等量作用于所有方向，因此壓力會作用在閥腔215表面，具體地說，就是閥體216的表面。這樣，從圖13便可看出，如果閥體216位于圖13中點劃線所示位置，靠近進口212的流通面積是減小的，因而靠近進口212的流速增大，作用在閥體216自由端的壓力將減小。反之，靠近出口處，流通面積是增大的，因而流速減小，類似地，作用在鄰近閥桿217端的閥體216上的壓力增大。由于壓力等于力除以面積，而連接在閥桿217端的閥體216“半球體”面積近似地等于閥體216自由端“半球體”的面積，靜壓差產生的靜推力使閥體216逆液流方向沿遠離閥座245的方向運動，從而保持閥門打開。
由于液體流過閥體216，出現了將閥體216推向出口的阻力。該阻力可通過使連接在閥桿217端的閥體216“半球體”的表面積，大于閥體216自由端“半球體”的表面積而得到平衡。例如，閥桿端“半球體”可以是一標準半球體，而另一“半球體”可以是一半橢球體。
從上述討論可知，存在一個平衡位置，在該位置液體流過閥體216時在閥桿217上不產生靜軸向力。但閥體216在偏離該平衡位置任一方向的微小位移，都將導致出現不平衡力，連續使閥門向打開或關閉方向運動。這意味，即使采用圖6和7所示的短浮子臂209，閥門也能很容易得到控制。從圖6和7還可看出，排放貯水箱19產讓的浮子210的初始向下運動，使閥體216向下運動以部分打開閥座245，從而上述壓差起作用，并連續打開閥門211。閥體216的向下運動最好通過抑制閥桿217的向下運動而限制。換句話說，閥體216最后與進口212接觸。
當貯水箱19由于水通過進口閥111的送入而充水時，浮子210將上升，從而抬起浮子臂209，并使閥體216如圖7所示那樣向上朝平衡位置運動。一旦超過平衡位置作用在閥體216上的壓差，趨于抬起閥體216，隨著上升的浮子210而起作用，導致閥門的關閉，在關閉過程中，在浮體210和作用在閥體216相對“半球”上的壓差共同作用下，閥體216被上推，產生準確而迅速的關閉動作。
有關領域的技術人員可以理解，上述閥結構提供了一種易于打開和關閉的閥。一旦閥開始打開或關閉，并且球形閥體越過其“平衡”位置，由于力的不平衡，閥將全開或全關。這樣，與普通閥相比，操作閥門所需的能量較小。這一特征，使閥可以在具有非常短的浮子臂情況下使用。
此外，兩個“半球”16/116/216的相對面積可以調整，以保證在整個“沖程”過程中不存在凈關閉壓力。這樣，即使在閥桿或浮子臂上端折斷這樣的嚴重故障情況下，閥在少量流動之后將一直關閉，并保持關閉狀態。因此，普通液壓進口閥誤打開操作基本避免了。
另外，由于基本呈流線流動，基本沒有可聽見的汽蝕噪音，并且只有輕微紊流發生，可以使噪聲顯著減小。
上面僅描述了本發明的三種實施例。但對有關領域的技術人員來說，在不脫離本發明的范圍的條件下，顯然還可作出變型。
權利要求
1.一種壓力流量平衡閥(11，111，211)，包括一閥殼，它具有一通入內部腔室(15，115，215)的進口(12，112，212)和一由該內部腔室引出的出口(14，114，214)，所述進口和出口是基本對置的，以及一大體呈球形的閥體(16，116，216)，該閥體位于所述腔室中，并安裝成可朝所述出口和遠離所述出口而運動，所述閥體和出口的尺寸允許所述出口被所述閥體遮閉，其特征在于，所述腔室(15，115，215)的內表面和所述閥體(16，116，216)的外表被成形和布置成，當所述閥體向所述出口運動時，用于流向所述出口和在所述閥體與腔室間流動的流道橫截面積得以減小，同時用于從所述進口流入和在所述閥體與腔室間流動的流道橫截面得以增大，而當所述閥體遠離所述出口運動時，情況則正好相反，從而改變流速引起的作用在所述閥體上的壓力的平衡。
2.如權利要求1所述的閥，其特征在于，所述閥體安裝在穿過所述出口的桿(17，117，217)上。
3.如權利要求2所述的閥，其特征在于所安裝的所述桿可縱向往復運動。
4.如權利要求1至3所述的閥，其特征在于，所述出口是繞所述內部腔室朝所述進口彎曲和延伸的。
5.如權利要求4所述的閥體，其特征在于，所述出口由多條平行連通的通道(248)構成。
6.如權利要求4或5所述的閥體，其特征在于，所述閥的出口(14，214)圍繞所述閥的進口(12，212)。
7.如權利要求1至6所述的閥，其特征在于，所述出口包括至少一個與大氣相通的孔(130，255)。
8.如權利要求7所述的閥，其特征在于，所述一個或多個與大氣相通的孔(255)，在所述出口(245)未被遮閉時，是被封閉的(256)。
9.如權利要求1至8所述的閥，其特征在于，所述球形體(16，116，216)，由卵形，橢球形和蘭金卵形構成的形體組選擇。
10.權利要求1至9任一項所述的閥構成的貯水箱進口閥。
11.權利要求10所述的水箱進口閥，其特征在于安裝在構成所述貯水箱進口的桿(128，228)的上端。
12.一種貯水箱，其特征在于包括有權利要求10或11所述的貯水箱進口閥(11，111，211)。
13.一種控制流過壓力流量平衡閥(11，111，211)流量的方法，該平衡閥包括一閥殼，它具有一通入內部腔室(15，115，215)的進口(12，112，212)和一由該內部腔室引出的出口(14，114，214)，所述進口和出口是基本對置的，以及一位于所述腔室中的大體呈球形閥體(16，116，216)，所述方法包括下述步驟使所述閥體朝遠離所述出口的方向運動，以增大用于在鄰近所述出口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，同時減小用于在鄰近所述進口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，從而在所述閥體上施加一凈流動引起的壓力，使所述閥體連續向遠離所述出口的方向運動，并打開所述閥，和使所述閥體向所述出口運動，以減小用于在鄰近所述出口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，同時增大用于在鄰近所述進口的所述閥體和所述腔室間流動的流道橫截面積，從而在所述閥體上施加一凈流動引起的壓力，使所述閥體連續向所述出口運動，并關閉所述閥。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于所述閥體運動經過一平衡位置，在該位置所述流動引起的壓力基本等于零。
15.如權利要求13或14所述的方法，其特征在于還包括限制所述閥體(116)沿遠離所述出口(114)的方向運動(109，123)的步驟，以阻止所述閥體與所述進口(112)發生接觸。
16.如權利要求13至15中任一項所述的方法，其特征在于所述閥為貯水池進口閥(11，111，121)，并且所述閥體(16，116，216)隨貯水池中的水面運動。
17.如權利要求16所述方法，其特征在于，還包括通過一浮子臂(109，209)，將所述貯水池(19)中的浮子(110，210)與所述閥體相互連接的步驟。
18.一種貯水池的充水方法，其特征在于，所述方法包括權利要求16或17所述的方法。
全文摘要
本發明公開了一種閥，利用流動不平衡引起的壓力保持閥的開啟和關閉。該閥有一腔室(15)，對置和對正的進口(12)和出口(13)與之相通。球形體(16)位于該腔室中，并且可往復運動地安裝在穿過該出口的桿(17)上。閥體的運動使其一閥體端的流通面積增大，另一端的流通面積減小，按照伯努利的理論，這將改變作用在閥體(16)上的壓力，增加作用在閥體上的凈作用力。還公開了一種貯水箱進口閥(111，211)和貯水箱(19)。
文檔編號E03D1/30GK1106115SQ94113729
公開日1995年8月2日 申請日期1994年9月20日 優先權日1993年9月20日
發明者迪皮爾里 申請人:卡羅馬工業有限公司