CN101137799B - 具有块状物加载虹吸辅助的压力抽水马桶 - Google Patents

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Abstract

一种压力抽水马桶(10)，其具有“按需”(取决于块状物)提供虹吸辅助的排污通道(18)。在正常液体污物或小体积块状物的冲水中，在排污通道中不形成虹吸，且钵体中的水和轻污物仅在加压水注的压力下排出。坝(28)附近或其下游大容积(30)被提供来容纳水注的冲出。仅在下支路(32)中块状污物浓度达到阈值时，排污通道启动虹吸。在下支路下部的水平挡板(36)辅助积累块状物至足够浓度，从而在排污通道中启动虹吸。

Description

具有块状物加载虹吸辅助的压力抽水马桶
本发明涉及抽水马桶，具体地涉及具有虹吸辅助的压力抽水马桶。
在钵体(bowl)被填充粪便和卫生纸以及其它固体物时实现抽水马桶有效的冲水是困难的，特别是对耗水量小的抽水马桶。通常对于某些低耗水量的抽水马桶，用户需要冲水抽水马桶两次或更多次数从而清洁到满意的程度。对于用户，这不仅是困扰人和耗时的，而且在许多调节水消耗的管辖区域中，其中在许多地区要求每次冲水不超过1.6加仑(6.1升)，削弱环境保护和节约用水的努力。
常规抽水马桶具有钵体和储水箱，通常以一体或分体式形成。弯曲通道，通常被称为“排污通道(trapway)”，被设置在钵体后面和下面用作钵体的容纳物到达建筑物污物管线的导管。虽然抽水马桶排污通道的精确配置改变，但通常都包括上支路，该上支路通常填充有水，以“捕获”下游的下水道气体，从而防止它们进入建筑内部。通过排污通道的弓形溢流堰(arched weir)或坝(dam)，水被保持在钵体和上支路之间，该坝被提升到钵体开口以上。因此排污通道能够在冲水前帮助将水保持在钵体中。
在冲水周期中，钵体中的水和污物向上通过上支路且经过坝，并向下通过下支路，然后通过出口进入管线。将压力冲水抽水马桶和重力冲水抽水马桶比较，产生冲水的机制是不同的。后者利用下支路中的空气和坝上强加的上支路中压力水头，从而在排污通道中建立虹吸，该虹吸从钵体中抽水和污物，并将其抽出排污通道。由于钵体是空的，所以空气进入钵体并中止虹吸，且来自水箱的新鲜水再注入钵体。
在加压的抽水马桶中，该类马桶利用线压力，存储加压水的水箱，或泵送水的水窝(sump)中的一个或其组合，将加压水流注入到排污通道或钵体中从而将钵体的物体通过排污通道冲出。在常规重力抽水马桶中的该类虹吸通常不用在加压抽水马桶中。然而，某些加压的抽水马桶(如，美国专利6,219,855)也宣称使用虹吸。
在常规压力抽水马桶的排污通道中持续维持虹吸很难。这是由于常规压力抽水马桶的排污通道的设计通常与重力抽水马桶不同。具体地，压力抽水马桶中的排污通道通常从上支路具有大面积下游。该增大的面积能够容纳液体和块状污物，这些液体和污物能够通过水注快速从钵体中排出至排污通道中。如果没有该增大面积，则水和污物可能被迫通过上支路返回至钵体中，这就不能实现有效的冲水。
然而，从上支路开始的大空间下游使得很难实现和保持虹吸。一个原因是在排污通道的冲出区域中大横截面要求更多液体和污物填充。另一个原因是下支路中的空气在开始冲水周期之前可能通过没有被排出水和污物填充的部分放大区域返回到上支路中。
因此，要在加压抽水马桶中使用虹吸，则改进是必要的。
发明内容
本发明提供压力抽水马桶，其提供“按需”虹吸辅助，即在抽水马桶块状物负载增加时提供。在正常液体污物或小块状物冲水过程中，排污通道中没有发生虹吸，且钵体中水和轻污物在加压的水注压力下被充分地抽空。靠近或在坝下游的额外容积被提供来容纳水注冲出物。仅在下支路中块中污物材料的浓度到达阈值时，排污通道才会启动虹吸(如，当粪便和卫生纸出现在排污通道中时)。在下支路的下部的水平挡板可辅助积累块状污物至足够的浓度，从而在排污通道中形成虹吸。
本发明的一个方面提供具有钵体和加压供水系统以便将加压水注入排污通道(要么直接注入要么先通过钵体注入)的抽水马桶，该排污通道在钵体开口和出口之间延伸。排污通道仅在排污通道中块状污物的浓度在阈值以上时产生虹吸，使得在阈值以下不产生虹吸。
排污通道具有上支路，其从钵体开口向上和向后延伸到钵体开口上的弯曲的水坝区域，继而到达下支路，该下支路向下倾斜并向前与出口连通。在排污通道中提供较大横截面积的容积增加的冲出段，其恰好在上支路或坝的下游以便快速排出压力注冲出的污物的“冲出物”，而不会引起经上支路回流至钵体。
块状污物浓度的阈值优选在排污通道中除去排污通道自身重量之后的所有物质重量的2％和5％。优选地，采用排污通道下支路中浓度水平。小于该阈值的块状污物浓度相应于轻污物负载，包括仅有液体的污物，基本不需要虹吸辅助压力注入，且当虹吸有助于实现充分冲水时，在块状污物浓度处于或大于与大负载对应的浓度。
排污通道也可具有基本水平的挡板，其在靠近下支路下部处从下支路后壁向前延伸。该挡板在排污通道的下支路中收集块状物，从而在较大块状物要通过排污通道时，达到块状污物浓度的阈值并且在冲水周期中更快形成虹吸。虹吸及其较早启动有助于确保污物将在单次冲水中被排出，即使是在低耗水的抽水马桶中。
在优选形式中，上支路和下支路被坝处的0.5和1英寸(1.3cm和2.5cm)之间的半径分开。上支路可在与如包括抽水马桶的底部或出口的水平面等的水平面相对成30度和45度角之间延伸，而下支路可在与上述水平面成40和60度角之间延伸。坝优选在高于钵体底部的高度延伸，钵体在4和6英寸(10.2cm和15.2cm)之间。水平挡板优选具有突出部，其长度在0.5英寸和2.5英寸(1.3cm和6.4cm)之间，该长度是从下支路的后壁测量的，且高度在1英寸和3.5英寸(2.5cm和8.9cm)之间，该高度是从下支路的底部测量的。
本发明的抽水马桶具有改进的块状物冲水特征，这可以在每次冲水实现低耗水，优选1.4加仑(5.3升)冲水，且冲水速度比加压系统中普通速度低，优选在每秒8到10米，从而减小冲水噪声。然而保持了合适的最小球通道，优选约2英寸(5.1cm)或更大。
本发明的优点可从详细说明书和附图中看出。下面是本发明的优选实施例的说明。为了解本发明的全部范围，应参照权利要求，因为优选实施例不是权利要求范围内仅有的实施例。
附图说明
图1是根据本发明的抽水马桶的带抽水马桶排污通道的侧面正视图，其中排污通道可用于虚线所示的抽水马桶中；
图2是沿图1中抽水马桶后部的前-后中线截取的部分垂直横剖视图；
图3是沿图2中线3-3截取的部分横剖视图；
图4是沿图2中线4-4截取的部分横剖视图；
图5是示意地示出排污通道的视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的压力抽水马桶10，其具有水箱12，钵体14，注入通道16(参见图2)和排污通道18的。除了排污通道以外，抽水马桶可以是任何合适的压力抽水马桶，如图1所示的分体低容积冲水设计的马桶，其以任意已知的方式提供加压水流，包括，例如使用直接水线压力，累积水箱中加压水的量，或提供水窝水泵以便加压箱中水。
美国专利5,305,475和5,046,201公开了压力辅助抽水马桶的示例，其具有用于产生在此适用的喷水的机构。在此结合这些专利中所公开的产生和传送水压的特征作为参考。
以任意这样的方式，将加压至高于空气压力的水从水箱12通过注入通道16。通常，注入通道16是形成在抽水马桶的釉质底部中的通道，且围绕钵体14的前部，因此其出口指向抽水马桶的后部。注入通道16可终止于钵体水窝20中，排污通道18(在其上支路中)中，或排污通道18与钵体开口22的结合处，其引导水注入从而迫使钵体中的污物进入排污通道18。在图1所示的抽水马桶10中，注入通道16终止于钵体水窝20处，其中水注通过开口23。
如图1和2所示，排污通道18从钵体开口22沿弯曲路径延伸，该路径为具有椭圆形或类似的横截面(如图3和图4所示)的基本U形结构。抽水马桶10的底部具有出口24，其优选在基本水平的平面内，在底部，排污通道18安装在污物管线(未示出)的开口端上方。因此在冲水周期中，排污通道18为钵体14内容纳物形成路径，以将该容纳物流至污物管线中。
参考图2，排污通道18的上支路26从钵体开口22向上和向后延伸至弯曲部，该弯曲部的内径形成溢流堰或水坝28，在该点之后，水可通过排污通道18的下游部分。在坝28的下游处或紧接坝28的下游处，是容积增加的“冲出”区30，其具有较大的横截面从而容纳由水注迫使快速通过上支路26的污物和水。大尺寸减小了水返回到钵体中的几率。下支路32从坝28向下和向前延伸至开口34，该开口34与马桶出口24对齐。坝24沿着较小的半径以便将经由上支路26的流向改变180度成为通过下支路32的流向。
在下支路32的底部开口34附近，排污通道18具有短的、平的水平挡板36，其在下支路32的后壁之间延伸。挡板36用来扰动经由下支路32的流体。对于液体和非常小体积的污物，挡板36通过在下支路32中产生扰动而改善流动。对于较大体积的污物，挡板36用来积累下支路32中的块状物，从而实现启动虹吸所必要的块状物的浓度，并在冲水周期的较早时间开始。
将排污通道18特定地配置并设定尺寸，在冲水周期中当从钵体14排出大量块状污物时，在排污通道18中实现持续地虹吸抽吸，以辅助喷水。进一步设计排污通道18，从而在排污通道中存在阈值浓度的块状物时，即当足够的固体污物出现在排污通道18中时，仅仅进行虹吸。当仅液体或不足的块状物(阈值浓度以下)出现在排污通道中时，不形成虹吸。下支路32中的块状污物浓度具有特殊的重要性，且在该区域中要考虑块状污物的浓度阈值。
参考图5，下面的表1总结了对于各种排污通道设计参数，认为是可接受的和优选的值。
 参数   优选值   范围
 排污通道坝半径(r)   0.8in/2cm   0.5-1.0in/1.3-2.5cm
 钵体以上的排污通道坝高度(hD)   4.85in/12.3cm   4.0-6.0in/10.2-15.2cm
 排污通道上支路角度(θU)   32.5度   30到45度
 排污通道下支路角度(θD)   50度   40到60度
 挡板突出部长度(LB)   1.1in/2.8cm   0.5-2.5in/1.3-6.4cm
 挡板突出部高度(hB)   1.2in/3.0cm   1-3.5in/2.5-8.9cm
 最小球通道   2.0in/5.1cm   1.5-2.5in/3.8-6.4cm
 块状污物浓度阈值   重量百分比2.5％   重量百分比2％-5％
表1——排污通道设计参数
上面给出的参数的值取决于钵体中水的容积以及在冲水周期中通过注入通道注入的水的容积和速率。这些值在下面表2中给出。
  参数   值
  钵体容积   0.75加仑/2.8升
  冲水容积   1.4加仑/5.3升
  注入速度   8.5m/s
表2——马桶条件
本发明人根据经验确定了坝28的半径(r)和上支路26偏离水平的角度(θU)参数对块状污物和实现虹吸的能力最敏感。下支路32的角度(θD)具有中等影响，挡板34的位置和配置(LB)和(hB)也具有中等影响。本发明人还确定，在下支路32内的块状污物浓度(包括液体质量)的重量百分比为2％到5％之间，且优选块状污物浓度阈值以重量计为2.5％时，具有该配置的排污通道可形成虹吸。
上支路26和下支路32之间的坝半径(r)优选设计为0.5和1.0英寸(1.3-2.5cm)之间。上支路26被设计从钵体开口22以从水平成30和45度之间的角度θU 向上和向后延伸。而且，下支路32优选从水平成40到60度的角度延伸。本发明人根据经验判断，对于上述参数，坝半径(r)为0.8英寸(2cm)，上支路角度(θU)为32.5度，且下支路角度(θD)为50度是最优选的。选择这些值来帮助形成携带块状物远离水坝28的内部弯曲部进入下支路32的流动分布。
挡板34优选在长度(LB)为0.5英寸到2.5英寸之间延伸，高度(hB)为1到3.5英寸(2.5-8.9cm)之间。与上面给出其它参数对应的优选参数值分别是1.1英寸(2.8cm)和1.2英寸(3.0cm)。这些值为流过下支路32的流动提供充分的扰动从而在其中积累块状物，而不会过度关闭通道。挡板突出部高度和长度将与下支路的半径成比例地变大或变小。
已经进行了经验测试，与类似常规压力抽水马桶比较，具有本发明的排污通道的抽水马桶改善了总的块状物性能。其改进的除去块状物的能力允许抽水马桶以非常低的冲水容积工作，与常规抽水马桶每次冲水1.6加仑(6.1升)相比，本发明的抽水马桶每次冲水1.4加仑(5.3升)，并且注入速率较低，优选为8-10米每秒(更优选在8.5m/s)。因此，改进的抽水马桶消耗较少的水，操作更安静，且比常规压力抽水马桶更好地处理块状污物。
本发明的抽水马桶和排污通道的改进块状物处理能力的经验研究包括，纸浆垫、纸浆球和糊测试(paste testing)，都是由本行业内的一个或多个参与者执行的，从而测试抽水马桶的冲水性能。本发明的抽水马桶表明，与常规压力抽水马桶相比，在一次冲水中，能够从抽水钵体中排出的纸浆垫(例如由多段多层卫生纸形成)的数量至少提高15％，在某些情况中能提高33％。纸球(将卫生纸团成一个球)载入的测试表明，本发明的抽水马桶能够在第一次冲水中排出50个纸球的约90％，60个纸球的60％，余下的可在第二次冲水中排出，而不会堵塞排污通道。已知这样的结果在常规压力抽水马桶中是不能重复的。应该注意，50个单层卫生纸的1.5-2英寸(3.8-5.1cm)的纸球表示约4％的块状物浓度。
应该理解，本发明的优选实施例已经在上面做了描述。然而，对本领域技术人员来说，显然可以在本发明的范围内对优选实施例做出各种修改和变化。因此，本发明不局限于上述实施例。本发明完整的范围由所附权利要求限定。
工业应用性
本发明提供具有改进的排污通道设计的压力抽水马桶，其在排污通道中出现足够的块状物时，通过在排污通道内建立虹吸而允许马桶更有效地冲水块状污物。

Claims (13)

1.一种抽水马桶，具有钵体和加压的供水系统，该加压供水系统具有用于在压力下将水注入排污通道的通道，所述排污通道在钵体开口和出口之间延伸，并且所述排污通道具有上支路，其从所述钵体开口向上和向后延伸至所述钵体开口上方的水坝区域，所述排污通道还具有下支路，该下支路以相对于包含所述出口的水平面成30度到60度之间的一角度从所述水坝区域向下和向前倾斜至所述出口，其中一基本水平的挡板在靠近所述下支路的下部处从所述下支路的后壁向前延伸，并且其中所述抽水马桶在所述排污通道中出现阈值浓度的块状污物时启动虹吸，而在所述排污通道中块状污物浓度没有达到所述阈值时不启动所述虹吸。
2.如权利要求1所述的抽水马桶，其中在所述排污通道的下支路中出现所述阈值浓度的块状污物，从而启动所述虹吸。
3.如权利要求2所述的抽水马桶，其中块状污物的所述阈值浓度为所述下支路中除去所述排污通道自身重量后的所有物质重量的2％到5％之间。
4.如权利要求1所述的抽水马桶，其中所述上支路和下支路被在所述坝处为0.5英寸和1英寸之间的半径分隔开。
5.如权利要求1所述的抽水马桶，其中所述上支路与包含所述出口的水平面相对成一定角度而延伸，该角度在30度到45度之间。
6.如权利要求1所述的抽水马桶，其中水通过所述用于在压力下将水注入排污通道的通道的速率为每秒输送8到10米的水。
7.如权利要求1所述的抽水马桶，其中所述坝在所述钵体底部以上的一定高度延伸，该高度为4英寸到6英寸之间。
8.如权利要求1所述的抽水马桶，其中所述挡板具有突出部，从所述下支路的后壁测量，该突出部的长度在0.5英寸到2.5英寸之间。
9.如权利要求1所述的抽水马桶，其中所述挡板具有突出部，从所述下支路的底部测量，该突出部的高度在1英寸到3.5英寸之间。
10.如权利要求1所述的抽水马桶，其中所述排污通道限定冲出区域，与所述上支路比较，该冲出区域具有增大的横截面积。
11.一种抽水马桶，具有钵体和加压水箱，该加压水箱具有用于在压力下将水注入排污通道的注入通道，所述排污通道在钵体开口和出口之间延伸，并具有上支路，其从所述钵体开口向上和向后延伸至所述钵体开口上方的弯曲水坝区域，继而到达下支路，该下支路向下和向前倾斜从而与所述出口连通，其中在所述排污通道的所述下支路中块状污物达到占所述下支路中除去所述排污通道自身重量后的所有物质重量的2％和5％之间的阈值浓度时，所述排污通道启动虹吸。
12.如权利要求11所述的抽水马桶，其中所述上支路以与包含所述出口的水平面相对成一定角度延伸，该角度在30度到45度之间。
13.如权利要求11所述的抽水马桶，其中所述下支路具有基本水平的挡板，该挡板在靠近所述下支路下部处从所述下支路的后壁向前延伸。
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