CN101849071B - 能够在减少的冲洗体积下工作的高性能马桶 - Google Patents

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Abstract

提供一种虹吸式、重力驱动的马桶，该马桶包括具有马桶桶缸的马桶桶缸组件。该马桶桶缸具有边缘通道和直馈式喷射器通道，该边缘通道沿马桶桶缸的上周边设置，而该直馈式喷射器通道允许诸如水的流体从马桶桶缸组件的入口流向直馈式喷射器出口，流入马桶桶缸的内部，桶缸的集水槽中。该边缘通道包括至少一个边缘通道出口。在该马桶中，将马桶桶缸组件入口、通向边缘通道的进口以及通向直馈式喷射器通道的出口的横截面面积构造为最优化，以在低冲洗体积(不大于大约6.0升/冲洗)下提供显著改进的水压功能。该水压功能在废物的大块去除和桶缸的清洁方面得到改进。

Description

能够在减少的冲洗体积下工作的高性能马桶
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年2月25日提交的US临时专利申请No.61/067,032在35U.S.C.§119(e)下的优先权的利益，该专利申请的全部公开内容被结合在此，作为参考。
技术领域
本发明涉及用于除去人体或其它废物的重力驱动马桶的领域。本发明进一步涉及能够在减少的冲洗体积下工作的马桶的领域。
背景技术
用于除去诸如人体废物的废物产品的马桶是公知的。重力驱动的马桶通常具有两个主要部件：水箱和桶缸。水箱和桶缸能是分离件，它们联接在一起形成马桶系统(通常称为分体马桶)或者水箱和桶缸能够组合成一个整体单元(通常称为连体马桶)
容纳水的水箱通常位于桶缸的后部上方，该水箱用于启动废物从桶缸向污水管道的冲洗，以及利用新水重新填充桶缸。当用户期望冲洗马桶时，他按下位于水箱外部的冲洗杆，该冲洗杆在水箱的内部连接到活动链或杆。当冲洗杆被按下时，其移动水箱内部的链或杆，该链或杆用于提升并打开冲洗阀，致使水从水箱流出并流入桶缸中，因而启动马桶冲洗。
在冲洗周期中，必须满足大致三个目的。第一是将固体和其它废物移除到排泄管道。第二是清洁桶缸，以除去任何沉积或粘附到桶缸表面的固体或液体废物，而第三是交换桶缸中的预冲水体积，从而在使用之间在桶缸中保持相对清洁的水。第二个清洁桶缸的要求通常通过环绕马桶桶缸的上周边延伸的中空边缘来实现。将一些或全部的冲水引导通过此边缘通道并流过位于其中的开口，以将水分散到桶缸的整个表面上并完成所需的清洁。
重力驱动的马桶可分成两个常规类别：冲落式和虹吸式。在冲落式马桶中，马桶的桶缸内的水位总是保持相对恒定。当启动冲洗周期时，水从水箱流出并涌入桶缸中。这导致水位的迅速上升，并且多余的水溢过排污管的堰，将液体和固体废物随它一起带走。在该冲洗周期完结时，桶缸中的水位自然恢复到由堰的高度确定的平衡水位。
在虹吸式马桶中，将排污管和其它水压通道设计为使得在向桶缸添加水时，在排污管中启动虹吸。虹吸管本身是倒置的U形管，其从马桶桶缸中将水抽吸到废水管道。当启动冲洗周期时，水流入到桶缸中，并比它能离开出口进入污水管道更快地溢过排污管中的堰。最后将充足的空气从排污管的下支腿移除，以启动虹吸，而这又将剩余的水从桶缸吸出。由此当虹吸中止时，桶缸中的水位恰好位于堰的水平高度之下，并且需要提供分离机构来在虹吸冲洗周期的结尾重新填充马桶的桶缸，以重新建立最初水位以及防止下水道气体回流的保护“密封”。
虹吸式和冲落式马桶存在固有的优点和缺点。由于需要将大部分空气从排污管的下支腿中移除以便启动虹吸，所以虹吸式马桶倾向于具有较小的排污管，较小的排污管能够导致堵塞。冲落式马桶能够利用大的排污管工作，但通常在桶缸中需要较小量的预冲水，以实现由大多数国家中的管道法规所要求的100∶1的稀释水平(即：在冲洗周期中，必须将桶缸中的预冲水体积的99％从桶缸中移除并用新水替换)。此小的预冲洗体积自身表现为小“水斑”(water spot)。桶缸中的预冲水的水斑或表面面积在保持马桶的清洁中起重要作用。大的水斑增大了废物在接触马桶的陶瓷表面之前将接触水的可能性。这减少了废物与陶瓷表面的粘附，从而马桶经由冲洗周期来清洁自身更加容易。因此具有其小水斑的冲落式马桶在使用之后经常需要手动清洗桶缸。
虹吸式马桶具有能够利用桶缸中的较大预冲水体积和较大水斑来工作的优点。这是可能的，因为在冲洗周期结束时，虹吸作用将预冲水体积的大部分从桶缸吸出。当水箱再填充时，将再填充水的一部分引入桶缸中，以使预冲水体积恢复到其最初水位。以这种方式，即使桶缸中的水的起始体积相对于离开水箱的冲水明显高，仍实现了很多管道法规所要求的100∶1的稀释水平。在北美市场，虹吸式马桶已获得广泛的认可并且现在被视为马桶的标准、公认形式。在欧洲市场，冲落式马桶仍旧较受认可和流行。然而两种形式在亚洲市场都很普遍。
取决于用于实现冲洗作用的水压通道的设计，重力驱动的虹吸式马桶能进一步分为三个常规类别。这些类别是：非喷射式、边缘喷射式、直喷式。
在非喷射式桶缸中，所有的冲水离开水箱进入桶缸入口区，并流过主歧管进入边缘通道中。水经由一系列位于边缘下方的孔绕桶缸的周边分散。将这些孔中的一些的尺寸设计为较大，以允许较大的水流进入桶缸中。需要相对高的流动速率来使水足够快速地溢过排污管的堰，以在下支腿中转移充足的空气并启动虹吸。关于桶缸的清洁和预冲水的交换，非喷射式桶缸通常具有足够优良的性能，但是在大块去除方面的性能相对较差。水向排污管的供给效率低并且是湍流的，这更加难以充分地填充排污管的下支腿和启动强有力的虹吸。由此，非喷射式马桶的排污管通常直径较小并且包含设计用于阻止水的流动的弯曲和收缩。如果没有较小的尺寸、弯曲和收缩，则将不能实现强有力的虹吸。不幸的是，较小的尺寸、弯曲和收缩导致在大块去除方面的较差性能和频繁的堵塞——使终端用户极端不满的状态。
马桶的设计者和工程师已通过加入“虹吸射流”来改进虹吸式马桶的大块废物的去除。在边缘喷射式马桶桶缸中，冲水离开水箱，流过歧管入口区并流过主歧管进入边缘通道中。一部分水经由一系列位于边缘下方的孔围绕桶缸的周边分散。剩余部分的水流过位于该边缘前部的喷射器通道。此喷射器通道将边缘通道连接到位于桶缸的集水槽中的喷射口。该喷射口的尺寸和位置设置为在排污管的开口处直接发出有力的水流。当水流过喷射口时，其用于比在非喷射式桶缸中所能实现的更有效和更快速地填充排污管。此流向排污管的更有能量和更快速的水流使得马桶能被设计成具有较大的排污管直径和较少的弯曲和收缩，而这又相对于非喷射式桶缸提高了大块废物去除的性能。尽管较小体积的水从边缘喷射式马桶的边缘流出，但是由于流过边缘通道的水被加压，所以桶缸的清洁功能一般是可接受的。这使水能以较高的能量离开边缘孔，并且更有效地完成清洁桶缸的工作。
尽管边缘喷射式桶缸通常优于非喷射式的，但是水必须穿过边缘行进到喷射口的长路径消耗和浪费了大量可用能量。直喷式桶缸对此概念进行了改进，并在大块废物的去除方面提供更好的性能。在直喷式桶缸中，冲水离开水箱并流过桶缸入口和主歧管。在此点处，水分成两部分：通过边缘进口流向边缘通道的部分，其主要目的是实现理想的桶缸清洁；以及通过喷射器进口流向“直喷通道”的部分，该“直喷通道”将主歧管连接到马桶桶缸的集水槽中的喷射口。直喷通道能采用不同的形式，有时为围绕马桶一侧的单向的，或者是“双馈送的”，其中对称的通道沿将歧管连接到喷射口的两侧向下延伸。如同边缘喷射式桶缸那样，喷射口的尺寸和位置设置为在排污管的开口处直接发出有力的水流。当水流过喷射口时，其用于比在非喷射式或边缘喷射式桶缸中所能实现的更有效和更快速地填充排污管。该流向排污管的更有能量和更快速的水流使马桶能被设计成具有较大的排污管直径和最小的弯曲和收缩，而这又相对于非喷射式或边缘喷射式桶缸提高了大块废物去除的性能。
一些发明已瞄准通过直喷概念的优化来提高虹吸式马桶的性能。例如在美国专利No.5,918,325中，通过改进排污管的形状来提高虹吸式马桶的性能。在美国专利No.6,715,162中，通过使用冲洗阀以及水向桶缸中的非对称流动来提高性能，该冲洗阀具有结合到入口中的半径。
尽管直馈式喷射桶缸目前代表用于大块废物去除的技术状态，但是仍然需要较大的改进。政府机构不断要求市政水的用户减少他们使用的水量。近年来大部分焦点已经在降低马桶冲洗操作所需要的水需求量。为了表明这一点，马桶中每次冲洗使用的水量已经被政府机构从7加仑/冲洗(20世纪50年代之前)逐渐降低到5.5加仑/冲洗(截止20世纪60年代末)，又降至3.5加仑/冲洗(20世纪80年代)。1995年的国家能源政策法案现在要求在美国销售的马桶只能使用1.6加仑/冲洗(6升/冲洗)的水量。最近在加利福尼亚州已经通过条例，所述条例要求将水的用量进一步降低到1.28加仑/冲洗。当将目前在专利文献中所描述的以及可商业购买的1.6加仑/冲洗的马桶推行到这些较低的水消耗水平时，这些马桶就失去了持续虹吸的能力。因而，如果不开发改进的技术和马桶设计，则制造商将被迫减小排污管的直径并损害性能。
需要解决的第二个相关领域是能够利用双冲洗周期工作的虹吸式马桶的开发。“双冲洗”马桶被设计用于通过加入能够根据需要去除的废物来选择不同耗水量的机构来节水。例如，1.6加仑/冲洗周期能被用于去除固体废物，而1.2加仑或以下的循环用于去除液体废物。现有技术的马桶在1.2加仑或以下通常难以产生虹吸。因而，设计者和工程师们减小了排污管的尺寸以克服该问题，损害固体废物去除所需的1.6加仑循环下的性能。
需要改进的第三领域是直喷式马桶的桶缸清洁能力。由于直喷式桶缸的水压设计，进入边缘通道的水不被加压，而是，它仅在喷射器通道被填充或加压后溢入边缘通道中。结果就是离开边缘的水具有很低的能量，并且直喷式马桶的桶缸清洁功能通常次于边缘喷射式和非喷射式。
因此，在现有技术中，存在对能克服现有技术马桶中的上述缺陷的马桶的需求，所述马桶不仅能够抗堵塞，而且在冲洗期间允许充分的清洁，同时允许能够符合水资源保护标准和政府指导方针。
发明内容
本发明涉及一种用于除去人体或其它废物的重力驱动马桶，该马桶能在减少的水体积下工作，而不减损其去除废物和清洁马桶桶缸的能力。
本发明的各种实施例的优点包括，但不限于，提供一种避免现有技术的上述缺点的抗堵塞马桶，并且提供一种具有更有效的、加压边缘冲洗的直馈式喷射器马桶。在这种情况下，本发明的实施例能提供一种具有更强有力的直喷的马桶，该马桶充分利用可为其所用的势能。在此处的实施例中，该马桶消除了用户为达到清洁的桶缸而启动多次冲洗周期的需要。
本发明能提供一种自清洁马桶，并且还在低于1.6加仑/冲洗以及如0.75加仑/冲洗低或更低的耗水量下提供所有的上述优点。
本发明的实施例提供一种虹吸式马桶，该马桶适于在不明显损及排污管尺寸的情况下以“双冲洗”模式操作。
此外本发明可提供一种具有用于较高性能的水压调节的、直喷路径的马桶和/或提供一种降低水压损失的马桶。
根据本发明的一实施例，提供一种新的和改进的虹吸式、重力驱动型的马桶，该马桶包括马桶桶缸组件，该马桶桶缸组件具有诸如通过从马桶桶缸的底部的集水槽的出口延伸到污水管道的排污管与污水出口流体连通的马桶桶缸。该马桶桶缸具有沿着其上周边的边缘，该边缘容纳通过边缘中的至少一个开口的用于清洁桶缸的冲水的持续加压流。流进入边缘通道和直馈式喷射器中的喷射器通道，同时提供离开边缘的持续加压流。通过将内部水压通路的具体特征的相对横截面面积保持在某一特定界限内而大致同时地保持边缘和喷射器通道中的压力。因为申请人已发现边缘的加压提供更强和更长的射流，其能够在不损失虹吸性能的情况下填充较大的排污管，所以在较低的耗水量下保持大块废物的去除性能和抗堵塞性。
根据上文，在一个实施例中，本发明包括一种具有马桶桶缸组件的虹吸式、重力驱动的马桶，该马桶桶缸组件包括：马桶桶缸组件入口，其与流体源流体连通；马桶桶缸，其具有环绕其上周边并且限定边缘通道的边缘，该边缘具有进口和至少一个边缘出口，其中该边缘通道进口与马桶桶缸组件入口流体连通；桶缸出口，其与污水出口流体连通；以及直馈式喷射器，其与马桶桶缸组件入口流体连通，用于从流体源接收流体，并且与桶缸出口流体连通，用于排放流体，其中该马桶能够在不大于大约6.0升的冲洗体积下工作并且离开该至少一个边缘出口的水被加压，从而表示在冲洗周期中针对时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过3in.H2O·s。
优选以持续的方式对该至少一个边缘出口加压一段时间，例如至少1秒。该马桶优选能够与通过直馈式喷射器的流动大致同时地从该至少一个边缘出口提供持续的加压流。此外，优选地，使用此处的马桶的优选实施例，表示在冲洗周期中针对时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过5in.H2O·s。此外，在优选实施例中，该马桶能够在不大于大约4.8升的冲洗体积下工作。
在又一实施例中，该马桶桶缸组件进一步包括与马桶桶缸组件入口流体连通的主歧管，该主歧管能够从马桶桶缸组件入口接收流体，该主歧管还与边缘通道和直馈式喷射器流体连通，用于将来自马桶桶缸组件入口的流体引向边缘通道和直馈式喷射器，其中主歧管具有横截面面积(Apm)；其中该直馈式喷射器具有进口和出口，该进口具有横截面面积(Ajip)且该出口具有横截面面积(Ajop)，并且进一步包括在直馈式喷射器进口与直馈式喷射器出口之间延伸的喷射器通道；并且其中该边缘通道具有进口，该进口具有横截面面积(Arip)并且该至少一个出口具有总横截面面积(Arop)，其中：
Apm＞Ajip＞Ajop      (I)
Apm＞Arip＞Arop      (II)
Apm＞1.5·(Ajop+Arop)(III)
Arip＞2.5·Arop      (IV)
在一个优选实施例中，主歧管的横截面面积大于或等于直馈式喷射器出口的横截面面积和至少一个边缘出口的总横截面面积的和的大约150％，并且更优选地，边缘进口的横截面面积大于或等于至少一个边缘出口的总横截面面积的大约250％。
在其它实施例中，马桶可进一步包括能够使用至少两个不同的冲洗体积来使马桶工作的机构。
马桶桶缸组件可具有在与由马桶桶缸的边缘限定的平面横向的方向上延伸的纵向轴线，其中该主歧管在与马桶桶缸的纵向轴线大致横向的方向上延伸。
此外在另一实施例中，本发明包括一种具有马桶桶缸组件的虹吸式、重力驱动的马桶，该马桶桶缸组件包括：马桶桶缸组件入口，其与流体源连通；马桶桶缸，其在其中限定用于接收流体的内部空间；边缘，其沿马桶桶缸的上周边延伸并且限定边缘通道，其中该边缘具有边缘通道进口和至少一个边缘通道出口，其中该边缘通道进口与该马桶桶缸组件入口流体连通，而该至少一个边缘通道出口构造为允许流过边缘通道的流体进入马桶桶缸的内部空间；桶缸出口，其与污水出口流体连通；以及直馈式喷射器，其具有进口和出口，其中该直馈式喷射器进口与马桶桶缸组件入口流体连通，用于将流体引入桶缸的内部的下部，其中马桶桶缸组件构造为使得边缘通道和直馈式喷射器能够以持续加压的方式将流体引入桶缸。
在一个优选实施例中，该马桶桶缸组件进一步包括与马桶桶缸组件入口流体连通的主歧管，该主歧管能够从马桶桶缸组件入口接收流体，并且该主歧管还与边缘通道的进口和直馈式喷射器的进口流体连通，用于将来自马桶桶缸组件入口的流体引向边缘通道和直馈式喷射器，其中主歧管具有横截面面积(Apm)；其中该直馈式喷射器的进口具有横截面面积(Ajip)，且直馈式喷射器的出口具有横截面面积(Ajop)；并且其中该边缘通道的进口具有横截面面积(Arip)并且该至少一个出口具有总横截面面积(Arop)，其中：
Apm＞Ajip＞Ajop      (I)
Apm＞Arip＞Arop      (II)
Apm＞1.5·(Ajop+Arop)(III)
Arip＞2.5·Arop      (IV)
优选地，主歧管的横截面面积大于或等于直馈式喷射器出口的横截面面积和至少一个边缘出口的总横截面面积的和的大约150％，并且更优选地，边缘进口的横截面面积大于或等于至少一个边缘出口的总横截面面积的大约250％。
在某些实施例中，马桶可进一步包括能够使用至少两个不同的冲洗体积来使马桶工作的机构。
在一实施例中，本发明进一步包括一种具有马桶桶缸组件的虹吸式、重力驱动的马桶，该组件包括：马桶桶缸、直馈式喷射器和边缘，该边缘限定边缘通道并具有至少一个边缘开口，其中流体通过该直馈式喷射器并通过该至少一个边缘开口引入桶缸，一种用于提供能够在不大于大约6.0升的冲洗体积下工作的马桶的方法，该方法包括通过马桶桶缸组件入口从流体源引入流体，并将该流体引入直馈式喷射器中以及引入边缘通道中，从而流体在压力下从直馈式喷射器以及以持续加压的方式从该至少一个边缘开口流入马桶桶缸的内部，从而表示在冲洗周期中针对时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过3in.H2O·s。
在优选实施例中，表示在冲洗周期中针对时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过5in.H2O·s。在优选实施例中，该马桶能够在不大于大约4.8升的冲洗体积下工作。
在该方法中，该马桶桶缸组件可进一步包括与马桶桶缸组件入口流体连通的主歧管，该主歧管能够从马桶桶缸组件入口接收流体，该主歧管还与边缘通道和直馈式喷射器流体连通，用于将来自桶缸入口的流体引向边缘通道和直馈式喷射器，其中主歧管具有横截面面积(Apm)；其中该直馈式喷射器具有进口和出口，该进口具有横截面面积(Ajip)且该出口具有横截面面积(Ajop)；并且其中该边缘通道具有进口，该进口具有横截面面积(Arip)并且该至少一个出口具有总横截面面积(Arop)，其中该方法进一步包括构造该桶缸，使得：
Apm＞Ajip＞Ajop      (I)
Apm＞Arip＞Arop      (II)
Apm＞1.5·(Ajop+Arop)(III)
Arip＞2.5·Arop      (IV)
在该方法的优选实施例中，主歧管的横截面面积大于或等于直馈式喷射器出口的横截面面积和至少一个边缘出口的总横截面面积的和的大约150％，并且更优选地，边缘进口的横截面面积大于或等于至少一个边缘出口的总横截面面积的大约250％。
根据下文的详细描述，本发明的各种其它优点和特征将变得显而易见，并且这些新颖性特征将特别在所附的权利要求中被指出。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解上面的概述以及下文中本发明优选实施例的详细描述。为了图示本发明，附图中示出了当前优选的实施例。然而应当理解的是，本发明不限于图示的确切布置和方法。
在附图中：
图1是根据本发明实施例用于马桶的马桶桶缸组件的纵向、剖视图；
图2是流程图，显示了根据本发明实施例流体通过用于马桶的马桶桶缸组件的不同部分的流动；
图3是图1中的马桶桶缸组件的内部水腔的透视图；
图4是图1和3中的马桶桶缸组件的内部水腔的进一步的分解透示图；
图5是针对示例8-12的数据的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图6是在示例8-12的试验的中心点处、也就是，示例12在进入冲洗周期的1.2秒时的CFD仿真的侧视图；
图7是示例8-12的出口总面积(以in2计量)与主歧管的横截面积(以in2计量)之间的关系的图表显示；
图8是针对示例13-17的数据的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图9是在示例13-17的试验的中心点处、示例17在进入冲洗周期的1.08秒时的CFD仿真的侧视图；
图10是示例13-17的出口总面积(以in2计量)与主歧管的横截面积(以in2计量)之间的关系的图表显示；
图11是对比示例1的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图12是对比示例2的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图13是对比示例3的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图14是对比示例4的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图15是对比示例5的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图16是对比示例6的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图17是示例7的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示；
图18是示例18中引用的现有技术马桶的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示，均是1.28加仑/冲洗；和
图19是示例18的发明的马桶的压力(以英寸水柱(in.H2O)计量)和时间(以秒计量)之间关系的图表显示。
具体实施方式
此处描述的马桶系统提供边缘喷射系统以及直喷系统的有利特征。该马桶系统的内部水通道设计为使得离开直喷系统的边缘的水被加压。该马桶能保持与目前1.6加仑/冲洗的马桶一致的抗堵塞性，同时仍能以减少的耗水量提供优良的桶缸清洁度。
现在参照图1，显示了用于重力驱动的、虹吸式马桶的马桶桶缸组件的实施例。此处总体指示为10的马桶桶缸组件显示为没有水箱。然而应当理解的是，任何具有如此处所示和所述的马桶桶缸组件10的马桶都将在本发明的范围内，并且马桶桶缸组件10可附接到与管道系统(未示出)接合的马桶水箱(未示出)或壁装式冲洗系统以形成根据本发明的马桶。因而，任何具有此处的马桶桶缸组件的马桶都在本发明的范围内，并且用于将流体引入马桶桶缸组件入口以冲洗马桶的特征和机构，无论是水箱还是其它源，是不重要的，因为任意的这种水箱或水源都可与本发明的马桶中的马桶桶缸组件一起使用。如将在下文更加详细说明的，具有根据本发明的马桶桶缸组件的马桶的优选实施例能够以不大于大约6升(1.6加仑)/冲洗并且较优选4.8升/冲洗(1.3加仑)并且更优选3.8升(1.0加仑)/冲洗的冲水体积提供出众的大块废物的去除和桶缸的清洁。基于本公开，本领域中的技术人员应当理解，能够以大约6.0升或更少的冲洗体积实现这些标准并不意味着该马桶在较高的冲洗体积下将不会很好地起作用，而是实际上在较高的冲洗体积下通常将的确实现良好的冲洗性能，然而，此能力意味着能在宽广范围的冲洗体积下操作的马桶即使在6.0升或以下的较低冲洗体积下仍能实现有利的废物去除和桶缸清洁，以满足艰难的水资源保持需求。
如图1中所示，马桶桶缸组件10包括排污管12、边缘14，该边缘14构造为在其中限定边缘通道16。该边缘通道中具有至少一个出口18，该出口18用于将诸如冲水的流体从该边缘通道16内引入桶缸20中。该组件包括底部的集水槽部22。直馈式喷射器24(如图3和图4中最好地显示)包括在直馈式喷射器进口28与直馈式喷射器出口30之间延伸的喷射器通道或通路26。如所示的，具有两个这样的通道26，所述通道26延伸以便在总体结构内环绕桶缸20向外弯曲。通道通入单一直馈式喷射器出口30，然而，基于本公开应当理解，可设置不只一个此直馈式喷射器出口，每个出口位于通道26的末端处或多个这种通道的末端处。然而，优选将射流从如所示的双通道集中到单一直馈式喷射器出口30中。马桶组件具有出口32，该出口32也是通向排污管12的总入口。排污管12如所示地弯曲以在冲洗时提供虹吸并且排空进入污水出口34。
此外马桶桶缸组件10具有马桶桶缸组件入口36，该马桶桶缸组件入口36与流体源(未示出)，诸如来自水箱(未示出)、壁装式冲洗器等的冲水处于连通，每个流体源从城市或其它流体供给源提供流体，诸如水。如果表示出水箱，则将它在马桶桶缸组件的后部上方联接到马桶桶缸组件入口36上。可替代地，如果水箱位于马桶桶缸组件入口36上方，则其能与马桶桶缸组件10的本体成一体。此水箱将容纳用于启动从桶缸到污水管道的虹吸的水以及用于在冲洗周期之后利用新水重新填充桶缸的阀机构。任意这样的阀或冲洗机构都适于与本发明一起使用。本发明还能够与各种双冲洗或多冲洗机构一起使用。因此基于本公开，本领域中的技术人员应当理解，任何与水源处于连通的能够启动冲洗虹吸并将水引入入口36中的水箱、冲洗机构等都可与此处的马桶桶缸组件一起使用，包括那些本领域中已知的或在将来的某一天被研发的提供双冲洗或多冲洗的机构，只要此机构能向桶缸组件提供流体并且与边缘通道的进口和直馈式喷射器的进口处于流体连通。
入口36允许了从流体的入口到直馈式喷射器24和边缘通道16的流体连通。优选地，流体从入口36首先流过主歧管38，从该主歧管38，流动分成进入直馈式喷射器进口28的第一流和进入进口40流入边缘通道16中的第二流。从直馈式喷射器进口28，流体流入喷射器通道26中并最终通过直馈式喷射器出口30。从边缘通道的进口40，流体优选沿两个方向(或马桶桶缸组件也可形成为沿仅一个方向流动)流过边缘通道并通过至少一个，并优选多个边缘出口18流出。尽管边缘出口可以各种横截面形状(圆形、方形、椭圆形、三角形、狭缝状等)构造，但优选为便于制造，该出口的横截面构造优选为大致弧形的，更优选为大致圆形的。
在根据本发明的包括如此处描述的马桶桶缸组件10的马桶中，冲水例如从水箱(未示出)通过马桶桶缸组件入口36进入马桶桶缸20中，并且优选进入主歧管38中。在该主歧管的距入口36最远的末端42处，水分开。如上所述，水的第一流流过直馈式喷射器24的进口28并流入喷射器通道26中。如上所述，第二或剩余流通过边缘进口40流入边缘通道16中。直馈式喷射器通道26中的水流向集水槽22中的喷射器出口30并在桶缸的出口处形成强烈的、加压水流，该出口还是排污管口32。此强烈加压水流能够迅速地在排污管12中启动虹吸以抽空桶缸并将其内含物排泄到与污水出口34连通的污水管道。流过边缘通道16的水引起强烈的、加压水流，从而离开各个边缘出口18，其用于在冲洗周期中清洗桶缸。
在图2中，以流程图说明此处的直馈喷射马桶的水压通路的优选主要特征。水从水箱44流过冲洗阀46的出口和桶缸入口36并流入马桶桶缸组件10的主歧管38中。然后主歧管38将水分成两股或多股流：一股通过直馈式喷射器进口28进入喷射器通道24中，而另一股通过边缘进口40进入边缘通道16中。来自边缘通道的水通过边缘出口18并进入马桶的桶缸20。来自喷射器通道26的水通过直馈式喷射器出口30并与来自边缘通道16的水在马桶的桶缸20中再次会合。再会合的流通过到达污水出口34的排污管12和排泄管道离开桶缸。
图3显示了根据本发明的直馈喷射马桶的内部水通道的透视图。主歧管38、喷射器通道24和限定通道的边缘14与排污管12显示为一个设计，其中部件以部分不连续视图显示，其中部件以一定距离断开，该距离将是集水槽22的长度。在图4中，主歧管38、喷射器通道24和边缘14是分开的并以分解透视图显示以更好地示出边缘进口40和直馈喷射进口28。在如图1、图3和图4中所示的本发明的实施例中，主歧管、喷射器通道和边缘通道形成为连续腔。在其它实施例中，它们可作为独立腔形成，并且在制造过程期间开孔以形成边缘进口和喷射进口。
还应当理解，在本发明的马桶桶缸组件中使用的实际几何结构能发生改变，但仍能保持图2中概述的基本流动路径。例如，直喷进口能通往环绕桶缸的一侧不对称延伸的一个、单一喷射器通道。或者它能通往环绕桶缸的两侧对称或不对称延伸的两个、双喷射器通道。喷射器通道、边缘通道、主歧管等延伸的通路能在三维中变化。各种直馈喷射马桶的所有可能排列都可在本发明的范围内使用。
然而，发明人已发现通过控制指定腔和通道的横截面面积和/或体积，具有根据本发明的马桶桶缸组件的马桶可设置为在低冲洗体积下具有出众的水压性能，包括各种现有技术的边缘馈送喷射器设计的桶缸清洁能力，同时还提供各种直馈式喷射器设计的大块去除能力。
直喷射式马桶中的边缘的加压为桶缸的清洁提供了上述优点，但是发明人已发现它还能在无需明显损及排污管的横截面面积的情况下将高性能扩展到非常低的冲洗体积。发明人已发现对边缘加压对水压性能具有双重作用。首先，离开边缘孔的加压水具有较高的速度，而这又对粘附于马桶桶缸的废物施加较大的剪切力。因而，较少的水能分配到边缘，而更多的水能分配到喷射器。其次，当边缘加压时，它在整个边缘进口上施加增加的背压，而这又增加喷射水的动力和持续时间。这两个因素联合提供了更长和更强的射流，允许马桶设计者选择使用具有较大体积而不损失虹吸性能的排污管。因而，对边缘加压不仅提供更强大的边缘冲洗，而且它还提供了更强大的喷射，通过减少冲洗边缘所需的水来实现较低的耗水量，并且在没有虹吸损失的情况下使较大的排污管能在低冲洗体积下使用。
实现上述优点并以不大于约6.0升/冲洗(1.6加仑/冲洗)的冲洗体积提供出众的马桶性能的能力依赖于大体同时地对边缘通道16和直喷通道24进行加压，从而强大的加压水流大体同时从喷射器出口30和边缘出口18流动。如此处所使用的，“大体同时”流动和加压意味着通过边缘的加压流和直喷通道流中的每一个对于它们发生时间的至少一部分时间是同时发生的，然而，对于向边缘和喷射器通道的流动的具体开始和停止时间可稍稍改变。也就是说，通过喷射器的流动可在与以加压流通过边缘通道出口的水的进入不同的时间直接向下流过喷射器通道并从喷射器出口流出并且进入集水槽区，而且这些流动中的一个可在另一个之前停止，但在冲洗周期的至少一部分中，流动同时发生。
边缘通道16和直喷通道24的加压优选通过保持如关系(I)-(IV)中那样相对横截面面积来实现：
Apm＞Ajip＞Ajop      (I)
Apm＞Arip＞Arop      (II)
Apm＞1.5·(Ajop+Arop)(III)
Arip＞2.5·Arop      (IV)
其中Apm是主歧管，诸如主歧管38的横截面面积，Ajip是喷射器进口，诸如直馈式喷射器进口28的横截面面积，Arip是边缘进口，诸如边缘进口40的横截面面积，Ajop是喷射器出口，诸如直馈式喷射器出口30的横截面面积，而Arop是边缘出口，诸如边缘出口18的总的横截面面积。将水通道的几何结构保持在这些参数内允许马桶将可通过水箱中的水的重力压头(gravity head)得到的势能最大化，这在将减少的水体积用于冲洗周期时变得非常关键。此外，将水通道的几何结构保持在这些参数内实现直馈喷射马桶中的边缘和喷射器通道的大致同时加压，使在大块去除和桶缸清洁两方面的性能最大化。如此处测量的，为了评估这些关系，所有面积参数被用于表示入口/出口面积的和。例如，由于优选具有多个边缘出口，所以边缘出口的面积是所有每个出口的单个面积的和。类似地，如果使用多个射流通道或出口/进口，那么喷射器入口面积或喷射器出口面积将分别是所有喷射器进口的面积的和，和所有喷射器出口的面积的和。
参照关系(III)和(IV)，尽管关于主歧管的面积与边缘出口和直馈式喷射器出口的面积的和的比率，以及边缘进口与边缘出口的面积的比率，此关系提供了大致最小值，但是应当理解，此比率能达到最大值，在该最大值处，诸如此处所述的益处可能不容易实现。此外对于此比率还存在这些值，即，性能在所述值处是最可能最有益的。由此，优选关于关系(III)，主歧管的面积与边缘出口和直馈式喷射器出口的面积的和的比率为从大约150％到大约2300％，并且更优选从大约150％到大约1200％。此外关于关系(IV)，优选边缘进口与边缘出口的面积的比率为大约250％到大约5000％，并且更优选从大约250％到大约3000％。
能满足这些参数的面积的代表示示例在下面的表1中示出。
表1
  参数  最小面积(平方英寸)  最大面积(平方英寸)   优选最小面积(平方英寸)   优选最大面积(平方英寸)
  Apm   3   20   3.5   15
  Ajip   2.5   15   4   12
  Ajop   0.6   5   0.85   3.5
  Arip   1.5   15   2   12
  Arop   0.3   5   0.4   4
  Apm/(Arop+Ajop)   150％   2300％   150％   1200％
  Arip/Arop   250％   5000％   250％   3000％
喷射器通道的横截面面积Ajc和边缘通道的横截面面积Arc也是重要的，但不如在上文的关系(I)-(IV)中所述的因素那样重要。一般地，喷射器通道应具有使得横截面面积的范围在Ajip与Ajop之间的尺寸。然而，实际上，喷射器通道总是至少部分地填充水，这使喷射器通道的横截面面积的上边界稍微不那么关键。然而，明显地存在喷射器通道变得太收缩或太扩张的点。边缘通道的横截面面积也不较不重要，因为在冲洗周期中不打算对边缘进行完全填充。计算流体动力(CFD)仿真清楚地显示水沿边缘通道的下壁流动，并且当所有的边缘出口变得充满时，压力开始在水层上方的空气中形成。增加边缘的尺寸将因而成比例地降低边缘压力。但在美学上可接受的马桶边缘的预期范围之内，影响可能是微小的。当然，也存在边缘的横截面面积变得太收缩的下限。在最小值处，边缘通道的横截面面积应超过边缘出口的总面积。
除了上述四种关系之外，某些其它几何学的细节也与实现本发明的优选功能有关。一般地，所有的水通道和进出口(port)应优选设计为避免不必要的流动收缩。收缩能作为通道或进出口的过度狭窄或通过过多的弯曲、角度或其它流路方向的变化的结果而存在。例如，喷射器通道能具有在理想范围内的横截面面积，但是如果其急剧转向，则能量将由于方向变化产生的湍流而损失。或者，喷射器的横截面面积的平均值可能在理想范围内，但是如果其横截面面积变化使得存在收缩或大的开口，则将减损它的性能。此外，通道应设计为在不过度使水的流动收缩的情况下将填充通道所需的体积减到最小。此外，流动的水所遇到的进出口的角度能对进出口的有效横截面面积有影响。例如，如果边缘进口置于与水的流路平行的位置，则与如果相等横截面面积的进出口垂直于流动的方向布置相比，更少的水将进入进出口。同样地，通过马桶的水压通道的水的主要流动是向下的。流动的水沿向下方向定位的进出口将比那些沿向上方向布置的进出口具有更大的有效面积。
实际上，本发明下的高性能、低耗水量马桶能容易地通过本领域中的技术人员公知的标准制造技术来制造。主歧管、喷射器进口、边缘进口、边缘通道、喷射器通道、喷射器出口和边缘出口的几何结构和横截面面积能通过用于流铸的模具的几何结构控制或者使用计量器或模板通过手工精确切削出。
现在将通过下面的非限定性示例和对比示例对本发明进行说明。
示例
此处提供示例来论证本发明的效用，但并不意于限制本发明的范围。来自示例的数据在表2中汇总。在所有的后续示例中，将提出并讨论对比马桶和本发明马桶的若干几何方面。几何因素限定和测量如下：
“冲洗阀出口的面积”：其通过测量冲洗阀的最底部的内径来计算，水通过该冲洗阀离开并进入主歧管。
“主歧管的横截面面积”：其被测量为马桶的主歧管在距桶缸入口的边缘下游2英寸(5.08cm)的距离处的横截面面积。在那个区域将马桶剖开，并通过与0.10英寸(0.254cm)的方形网格的比较来测量横截面的几何尺寸。
“喷射器进口面积”：其被定义为在水进入喷射器通道之前紧接的通道的横截面面积。在一些马桶设计中，此进出口被明确地定义为喷射通路与边缘通路之间的手工切削或冲压的开口。在其它设计中，诸如图1和图3中所示的设计中，通路更流畅，并且从主歧管到喷射器通道的过渡不太突然。在此情形中，将喷射器进口认为是主歧管与喷射器通道之间的合理过渡，如图4中所示。
“边缘进口面积”：其被定义为流路在主歧管与边缘通道之间的过度点处的横截面面积。在一些马桶设计中，该进出口被明确地定义为喷射通路与边缘通路之间的手工切削或冲压的开口。在其它设计中，诸如图1和图3中所示的设计中，通路更流畅，并且从主歧管到边缘通道的过渡不太突然。在此情形中，将边缘进口认为是主歧管与边缘通道之间的合理过渡，如图4中所示。
“喷射器出口面积”：其通过制作喷射口的粘土印模并将其与具有0.10英寸(0.254cm)截面的网格相比较来测量。
“边缘出口面积”：其通过测量边缘孔的直径并且对于每个给定直径乘以孔的数量来计算。
“集水槽体积”：其是在溢出堰之前能注入马桶的桶缸中的水的最大量。它包括桶缸本身的体积以及由该堰确定的平衡水位之下的喷射器通道和排污管的体积。
“排污管直径”：其通过使具有1/16英寸的直径增量的球体通过该排污管来测量。将通过排污管的整个长度的最大球限定排污管直径。
“排污管体积”：其是排污管的从集水槽中的入口到污水排泄管处的出口的整个长度的体积。其通过堵塞排污管的出口并用水填充排污管的整个长度，直到水向着排污管入口倒流来测量。在填充期间必须改变桶缸的位置以确保水通过并填充整个腔。
“峰值流动速率”：其通过启动整个马桶系统的冲洗周期并将从马桶的出口排放的水直接收集到放在数字天平上的容器中来测量。该天平联接到具有数据收集系统的计算机，并且每0.05秒记录容器中的质量。将峰值流动速率确定为质量关于时间的导数(dm/dt)的最大值。
“峰值流动时间”：其与峰值流量测量一起计算为在冲洗周期的启动与峰值流动速率的出现之间的时间。
“边缘压力”：其通过在将边缘进口的位置看作12:00的情况下在马桶边缘的顶部中的位于9点钟位置的钻孔来测量。在该孔与Pace
Figure GPA00001075336800211
P300-10”D压力传感器之间实现气密连接。该传感器联接到数据收集系统并在冲洗期间每隔0.005秒记录压力读数。然后通过取八个连续读数的平均值来平滑这些数据，产生0.040秒的时间间隔。此外对于各种试验马桶的几何结构，使用CFD仿真来计算整个冲洗周期过程中的边缘压力。用于CFD仿真的压力计算的间隔时间也是0.040秒。
“桶缸冲刷”：其通过将由2部分的酱料与一部分的水混合而制成的酱的均匀涂层涂覆到桶缸的内部。在冲洗马桶之前允许对该材料进行为期三分钟的干燥，以评估其桶缸清洁性能。半定量的“桶缸冲刷得分”使用如下的等级来给出：
5-在一次冲洗中将所有的测试介质完全地从桶缸表面冲掉。
4-在一次冲洗之后，在桶缸表面上，留下总面积小于1平方英寸未清洁掉，并通过第二次冲洗完全除去。
3-在一次冲洗之后，在桶缸表面上，留下总面积大于1平方英寸未清洁掉，并通过第二次冲洗完全除去。
2-在两次冲洗之后，在桶缸表面上，留下总面积小于1/2平方英寸未清洁掉。
1-在两次冲洗之后，在桶缸表面上，留下大于1/2平方英寸的面积未清洁掉。
0-在三次冲洗之后，在桶缸表面上，留下大于1/2平方英寸的面积未清洁掉。
示例1(对比)
对可商业购买的具有对称、双直馈式喷射器的1.6加仑/冲洗马桶进行几何学和性能分析。该马桶代表许多可商业购买的直馈喷射马桶，因为关于大块去除的性能非常好，所又在MaP(ConsultingInc.，08年11月的MaP 13th版，Mississauga，ON，Canada)测试上得分超过1000g，但不对被引向边缘的用于桶缸清洁的最少水进行加压。图11显示了在冲洗周期中在边缘中记录的压力曲线。没有观察到持续的压力，只看到由于动态波动的小峰值。压力-时间曲线的积分是0.19inH2O·s，表示几乎完全没有加压。
在表2中，缺乏边缘加压的原因是明显的。该马桶没能满足本说明书中规定的标准，最显著之处在于边缘出口面积实际上大于边缘进口面积，并且是此处所述的两倍那么大或更大。此外主歧管的横截面面积对于边缘出口面积和喷射器出口面积的组合尺寸而言太小。
在桶缸冲刷测试中，该马桶在1.6加仑/冲洗下得到4分。为对较低水体积下的冲洗能力进行评估，将水箱中的水位逐渐降低，直到马桶在1.17加仑下未能持续虹吸。在1.17加仑下，桶缸冲刷得分降到3。
示例2(对比)
对可商业购买的具有单一直馈式喷射器的1.6加仑/冲洗马桶进行几何学和性能分析。该马桶代表许多可商业购买的直馈喷射马桶，因为对于大块去除的性能非常好，所又在MaP(Veritec Consulting Inc.，08年11月的MaP 13th版，Mississauga，ON，Canada)测试上得分超过1000g，但不对被引向边缘的用于桶缸清洁的最少水进行加压。图12显示了在冲洗周期中在边缘中记录的压力曲线。没有观察到持续的压力，只看到在基线上方的由于动态波动的非常微弱的信号。压力-时间曲线的积分是0.13in.H2O·s，表示几乎完全没有加压。
在表2中，缺乏边缘加压的原因是明显的。该马桶没能满足本说明书中规定的标准。边缘进口面积小于边缘出口面积的两倍，并且主歧管的横截面面积对于边缘出口面积和喷射器出口面积的组合尺寸而言太小。
在桶缸冲刷测试中，该马桶在1.6加仑/冲洗下得到5分。为对较低水体积下的冲洗能力进行评估，将水箱中的水位逐渐降低，直到马桶在1.33加仑下未能持续虹吸。在1.33加仑下，桶缸冲刷得分降到1。
示例3(对比)
对可商业购买的具有对称、双直馈式喷射器的1.6加仑/冲洗马桶进行几何学和性能分析。该马桶代表许多可商业购买的直馈喷射马桶，因为对于大块去除的性能非常好，所又在MaP(Veritec Consulting Inc.，08年11月的MaP 13th版，Mississauga，ON，Canada)测试上得分超过1000g，但不对被引向边缘的用于桶缸清洁的最少水进行充分加压。图13显示了在冲洗周期中在边缘中记录的压力曲线。检测到了微弱的、不稳定信号，但持续至少一秒的最大压力仅为0.2in.H2O。压力-时间曲线的积分是1.58in.H2O·s，表示最小和无效的加压。
在表2中，缺乏边缘加压的原因是明显的。边缘进口面积小于边缘出口面积的两倍。
在桶缸冲刷测试中，该马桶在1.6加仑/冲洗下得到5分。为对较低水体积下的冲洗能力进行评估，将水箱中的水位逐渐降低，直到马桶在1.31加仑下未能持续虹吸。在1.31加仑下，桶缸冲刷得分降到1。
示例4(对比)
对可商业购买的具有对称、双直馈式喷射器的1.6加仑/冲洗马桶进行几何学和性能分析。该马桶代表许多可商业购买的直馈喷射马桶，因为对于大块去除的性能非常好，在MaP(Veritec Consulting Inc.，08年11月的MaP 13th版，Mississauga，ON，Canada)测试上得分超过1000g，但不对被引向边缘的用于桶缸清洁的最少水进行加压。图14显示了在冲洗周期中在边缘中记录的压力曲线。没有观察到持续的压力，只看到在基线上方的由于动态波动的非常微弱的信号。压力-时间曲线的积分是0.15in.H2O·s，表示几乎完全没有加压。
在表2中，缺乏边缘加压的原因是明显的。边缘进口面积小于边缘出口面积的两倍。此外，边缘进口几乎平行于流动的方向定位，这大大降低了其有效横截面面积。
在桶缸冲刷测试中，该马桶在1.6加仑/冲洗下得到5分。为对较低水体积下的冲洗能力进行评估，将水箱中的水位逐渐降低，直到马桶在1.31加仑下未能持续虹吸。在1.31加仑下，桶缸冲刷得分降到4。
示例5(对比)
对可商业购买的具有对称、双直馈式喷射器的1.6加仑/冲洗马桶进行几何学和性能分析。该马桶代表许多可商业购买的直馈喷射马桶，因为对于大块去除的性能非常好，在MaP(Veritec Consulting Inc.，08年11月的MaP 13th版，Mississauga，ON，Canada)测试上得分超过800g，但不以持续的方式对被引向边缘的用于桶缸清洁的最少水进行加压。图15显示了在冲洗周期中在边缘中记录的压力曲线。检测到短暂的、不稳定信号，在基线上方没有压力持续至少一秒。压力-时间曲线的积分是1.11in.H2O·s，表示最小和无效的加压。
在表2中，缺乏边缘加压的原因是明显的。边缘进口面积小于边缘出口面积的2.5倍，这妨碍了马桶实现持续的边缘压力和由此产生的性能的大幅提升，即使所有的其它参数都已满足。
在桶缸冲刷测试中，该马桶在1.6加仑/冲洗下得到5分。为对较低水体积下的冲洗能力进行评估，将水箱中的水位逐渐降低，直到马桶在1.39加仑下未能持续虹吸。在1.39加仑下，桶缸冲刷得分降到2。
示例6(对比)
对可商业购买的具有单一直馈式喷射器的1.6加仑/冲洗马桶进行几何学和性能分析。该马桶代表许多可商业购买的直馈喷射马桶，因为对于大块去除的性能非常好，在MaP(Veritec Consulting Inc.，08年11月的MaP 13th版，Mississauga，ON，Canada)测试上得分超过700g，但不对被引向边缘的用于桶缸清洁的最少水进行加压。图16显示了在冲洗周期中在边缘中记录的压力曲线。检测到微弱的信号，但是持续至少一秒的最大压力仅为0.5in.H2O。压力-时间曲线的积分是2.13in.H2O·s，表示最小和无效的加压。
在表2中，最小边缘加压的原因是明显的。边缘进口面积小于边缘出口面积的2.5倍，这妨碍了马桶实现持续的边缘压力和由此产生的性能的大幅提升，即使所有的其它参数都已满足。有益地观察到示例6的马桶的进出口尺寸与示例4的马桶的进出口尺寸非常相似，然而前者具有几乎是后者15倍大的压力时间积分。这种情形的原因是如上文所讨论的进出口的定向。示例4的马桶中的主歧管朝向喷射器进口向下倾斜，其引导水离开边缘进口流动，降低了其有效横截面面积。示例6的马桶具有与图1中所示类似的水平主歧管。
在桶缸冲刷测试中，该马桶在1.6加仑/冲洗下得到5分。为对较低水体积下的冲洗能力进行评估，将水箱中的水位逐渐降低，直到马桶在1.28加仑下未能持续虹吸。在1.28加仑下，桶缸冲刷得分降到3。
示例7(本发明)
根据本发明优选实施例制造具有双直馈式喷射器的1.6加仑/冲洗的马桶。该马桶的几何结构和设计与图1和图3中所示的相同。马桶在大块去除上的性能与上文的可商业购买的示例相似，在MaP测试中能够得分1000g。如在表2中所见，水压通路中的所有进出口和通道的内部几何结构在由本发明规定的限制内。主歧管的横截面面积为6.33in2，喷射器进口面积为4.91in2，边缘进口面积为2.96in2，喷射器出口面积为1.24in2，而边缘出口面积为0.49in2。还保持进出口尺寸之间的临界比：主歧管的横截面面积与边缘出口和喷射器出口的横截面面积的和的比率为3.66。而边缘进口面积与边缘出口面积的比率为6.04，大大高于对比示例。如在图17中所见，在冲洗周期中在边缘中测量到强大的、持续压力。5in.H2O的压力保持至少一秒并且压力-时间曲线的积分为15.3，大大超过现有技术中所看到的值。
在桶缸冲刷测试中，该马桶在1.6加仑/冲洗下得到5分。为对较低水体积下的冲洗能力进行评估，将水箱中的水位逐渐降低，直到马桶在0.81加仑下未能持续虹吸。在0.81加仑下，桶缸冲刷得分降到4。然而，当将冲洗体积增加到在示例1-6中得到的最小冲洗体积1.17加仑时，桶缸冲刷得分保持在5的最大值。此外应当注意，在双冲洗应用中，因为假定低体积循环将仅用于液体废物，所以桶缸清洁能力不那么关键。如0.81加仑低实现的持续虹吸使该马桶理想地适合于双冲洗应用。
示例8-12(本发明)
执行CFD仿真以进一步论证本发明的范围和效用。在CFD中研究的马桶的总体设计在图1和图3中所示。然而，对具体尺寸进行了改变以示出由此产生的对冲洗性能和在马桶的边缘中产生和保持的压力的影响。第一组仿真使用具有2in.直径出口的冲洗阀，该冲洗阀的2in.直径对应于3.14in2的冲洗阀出口面积。在保持冲洗阀出口面积恒定的同时，整个水压通路的横截面面积(即，主歧管、边缘进口、喷射器进口、边缘通道和喷射器通道的横截面面积)在高设定与低设定之间改变。同样地，喷射器进出口和边缘进出口面积在高设定与低设定之间改变以产生22个设计的试验。靠近区间的中心添加点产生如表2和图5中的示例8-12所示的五个CFD仿真。
如在表2和图5中能看到的，在所有情形中，1in.H2O以上的边缘加压持续几乎2秒钟。所观察到的趋势较为有益，并且支持本发明的论断。边缘压力随着喷射器出口面积和边缘出口面积的降低而增加。图7示出了峰值边缘压力作为总的边缘和喷射器出口面积以及水压通路的总横截面的函数的等值线图。减小喷射器出口面积和边缘出口面积对最大边缘压力具有较强的正效应。同样地，减小整个水压通路的横截面面积也具有正效应。这是因为较大的水压通路需要更多的水来填充，并且用于填充该腔的水是有效能源的无效使用。水压通路需要最优地具有能处理冲洗阀的流动输出的尺寸。遵循本发明中概述的指导思想能实现此最优。
图6显示了用于试验的中心点，示例12，在进入冲洗周期1.2秒时的计算流体动力仿真的侧视图。能够看到边缘的下部被水覆盖。流动被边缘出口的尺寸和在边缘中的水上方的空气中形成的压力所限制。结果是在仿真的桶缸部分中能看到均匀、有力的边缘冲洗。
应当注意，示例7中描述的马桶落入该计算流体动力试验的区间中。基于图7中的CFD获得的等值线图，示例7的马桶应具有6-7in.H2O的峰值边缘压力，其稍稍低于大约9in.H2O的试验测量值。然而，压力-时间曲线的总体形状上的一致性是显著的，并且强有力地支持本发明的对优良马桶设计的指导思想。
示例13-17(本发明)
执行另外的CFD仿真以进一步论证本发明的范围和效用。在CFD中研究的马桶的总体设计在图1和图3中所示。然而，对具体尺寸进行了改变以示出由此产生的对冲洗性能和在马桶的边缘中产生和保持的压力的影响。该第二组仿真使用具有3in.直径出口的冲洗阀，该冲洗阀的3in.直径对应于7.06in2的冲洗阀出口面积。此外增加排污管尺寸以利用可通过3英寸阀实现的较高流动。在保持冲洗阀出口面积恒定的同时，整个水压通路的横截面面积(即，主歧管、边缘进口、喷射器进口、边缘通道和喷射器通道的横截面面积)在高设定与低设定之间改变。同样地，喷射器进出口和边缘进出口面积在高设定与低设定之间改变以产生22个设计的试验。靠近区间的中心添加点产生如表2和图8中的示例13-17所示的五个CFD仿真。
为减少计算时间，仿真不运行至结束。但如在表2和图8中能看到的，在所有情形中实现持续的边缘加压。所观察到的趋势较为有益，并且支持本发明的论断。边缘压力随着喷射器出口面积和边缘出口面积的降低而增加。图10显示了峰值边缘压力作为总的边缘和喷射器出口面积以及水压通路的总横截面的函数的等值线图。减小喷射器出口面积和边缘出口面积对最大边缘压力具有较强的正效应。然而，与2英寸阀的仿真不同，减小整个水压通路的横截面面积对边缘压力具有负效应。这是因为较大的水压通路需要最优地处理3英寸冲洗阀的较大流动输出。在3英寸冲洗阀仿真中，所选的用于高和低的设定在整个水压通路的横截面面积的理论最优值之下，而对于2英寸仿真，所选的设定稍稍在此最优值之上。然而，在整个范围中，由此产生的马桶设计在较低冲洗体积下的大块去除和清洁度方面的性能将超过当前可用的那些马桶设计。
图9显示了用于试验的中心点，示例17，在进入冲洗周期1.08秒时的计算流体动力仿真的侧视图。能够看到边缘的下部被水覆盖。流动被边缘出口的尺寸和在边缘中的水上方的空气中形成的压力所限制。结果是在仿真的桶缸部分中能看到均匀、有力的边缘冲洗。整体来看，来自示例13-17的数据表明对于在1.6加仑/冲洗或以下工作的直喷射式马桶，本发明可扩展到所有可能的几何结构。
示例18(本发明)
为论证本发明的有效性，利用1.28加仑的减小冲洗体积来对基于本发明(示例7)制造的马桶和来自现有技术(示例6)的马桶的边缘中的压力进行测量。在1.6加仑下加压到2.13in.H2O·s的现有技术的马桶在该减小体积下几乎损失了其所有的加压能力，衰退到0.28in.H2O·s(见图18)。相比之下，基于本发明的马桶在1.28加仑/冲洗下损失不到其加压的20％，保持12.64in.H2O·s(见图19)。
表2
Figure GPA00001075336800291
表2(续)
Figure GPA00001075336800301
本领域中的技术人员将理解，在不偏离本发明实施例的广义发明概念的情况下，可对上述实施例作出改变。因此，应理解，本发明不限于所公开的具体实施例，而是意在覆盖在如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的改进。

Claims (15)

1.一种具有马桶桶缸组件的虹吸式、重力驱动的马桶，所述马桶桶缸组件包括：
马桶桶缸组件入口，与流体源流体连通；
马桶桶缸，具有环绕其上周边并且限定边缘通道的边缘，所述边缘通道具有进口和至少一个出口，并且所述边缘通道进口的横截面面积大于或等于所述至少一个边缘通道出口的总横截面面积的大约250％，其中所述边缘通道进口与所述马桶桶缸组件入口流体连通；
桶缸出口，与污水出口流体连通；以及
直馈式喷射器，与所述马桶桶缸组件入口流体连通，用于从所述流体源接收流体，并且与所述桶缸出口流体连通，用于排放流体，
其中所述马桶能够在不大于大约6.0升的冲洗体积下工作，并且离开所述至少一个边缘出口的水被加压，从而表示在冲洗周期中相对于时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过3in.H2O·s。
2.根据权利要求1所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中所述马桶能够从所述至少一个边缘出口提供流动，以持续的方式对所述至少一个边缘出口加压一段时间。
3.根据权利要求2所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中所述一段时间为至少1秒。
4.根据权利要求2所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中所述马桶能够与通过所述直馈式喷射器的流动大致同时地从所述至少一个边缘出口提供持续的加压流。
5.根据权利要求1所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中表示在冲洗周期中相对于时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过5in.H2O·s。
6.根据权利要求1所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中所述马桶能够在不大于大约4.8升的冲洗体积下工作。
7.根据权利要求1所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中所述马桶桶缸组件进一步包括：
主歧管，与所述马桶桶缸组件入口流体连通，所述主歧管能够从所述马桶桶缸组件入口接收流体，所述主歧管还与所述边缘通道和所述直馈式喷射器流体连通，用于将来自所述马桶桶缸组件入口的流体引向所述边缘通道和所述直馈式喷射器，其中所述主歧管具有横截面面积(Apm)；
其中所述直馈式喷射器具有进口和出口，所述进口具有横截面面积(Ajip)，所述出口具有横截面面积(Ajop)，并且所述直馈式喷射器进一步包括在该直馈式喷射器进口与该直馈式喷射器出口之间延伸的喷射器通道；以及
其中所述边缘通道具有进口，所述进口具有横截面面积(Arip)，并且所述至少一个出口具有总横截面面积(Arop)，其中：
Apm＞Ajip＞Ajop                                (I)
Apm＞Arip＞Arop                                (II)
Apm＞1.5·(Ajop+Arop)                          (III)
Arip＞2.5·Arop。                              (IV)
8.根据权利要求1所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中所述马桶桶缸组件还包括主歧管，所述主歧管与所述马桶桶缸组件入口流体连通，所述主歧管能够从所述马桶桶缸组件入口接收流体，所述主歧管还与所述边缘通道和所述直馈式喷射器流体连通，用于将来自所述马桶桶缸组件入口的流体引向所述边缘通道和所述直馈式喷射器，并且其中所述主歧管的横截面面积大于或等于所述直馈式喷射器出口的横截面面积和所述至少一个边缘出口的总横截面面积之和的大约150％。
9.根据权利要求1所述的虹吸式、重力驱动的马桶，其中所述马桶进一步包括使用至少两个不同的冲洗体积来实现所述马桶的操作的机构。
10.根据权利要求1所述的马桶，其中所述马桶桶缸组件具有在与由所述马桶桶缸的所述边缘限定的平面横向的方向上延伸的纵向轴线，所述主歧管在大致与所述马桶桶缸的所述纵向轴线横向的方向上延伸。
11.一种用于提供能够在不大于大约6.0升的冲洗体积下工作的马桶的方法，其中在具有马桶桶缸组件的虹吸式、重力驱动的马桶中，所述组件包括：马桶桶缸、直馈式喷射器和边缘，所述边缘限定边缘通道并具有至少一个边缘开口，其中流体通过所述直馈式喷射器并通过所述至少一个边缘开口引入所述桶缸，所述方法包括：
通过马桶桶缸组件入口从流体源引入流体，并将所述流体引入所述直馈式喷射器以及所述边缘通道，其中所述边缘通道具有进口和至少一个出口，并且所述边缘通道进口的横截面面积大于或等于所述至少一个边缘通道出口的总横截面面积的大约250％，从而流体在压力下从所述直馈式喷射器以及以持续加压的方式从所述至少一个边缘开口流入所述马桶桶缸的内部，从而表示在冲洗周期中相对于时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过3in.H2O·s。
12.根据权利要求11所述的方法，其中表示在冲洗周期中相对于时间绘制的边缘压力的曲线的积分超过5in.H2O·s。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述马桶能够在不大于大约4.8升的冲洗体积下工作。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述马桶桶缸组件进一步包括：
主歧管，与所述马桶桶缸组件入口流体连通，所述主歧管能够从所述马桶桶缸组件入口接收流体，所述主歧管与所述边缘通道和所述直馈式喷射器流体连通，用于将来自所述桶缸入口的流体引向所述边缘通道和所述直馈式喷射器，其中所述主歧管具有横截面面积(Apm)；
其中所述直馈式喷射器具有进口和出口，所述进口具有横截面面积(Ajip)且所述出口具有横截面面积(Ajop)；以及
其中所述边缘通道具有进口，所述进口具有横截面面积(Arip)，并且所述至少一个出口具有总横截面面积(Arop)，其中所述方法进一步包括构造所述桶缸，使得：
Apm＞Ajip＞Ajop                            (I)
Apm＞Arip＞Arop                            (II)
Apm＞1.5·(Ajop+Arop)                      (III)
Arip＞2.5·Arop。                          (IV)
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述马桶桶缸组件还包括主歧管，所述主歧管与所述马桶桶缸组件入口流体连通，所述主歧管能够从所述马桶桶缸组件入口接收流体，所述主歧管还与所述边缘通道和所述直馈式喷射器流体连通，用于将来自所述马桶桶缸组件入口的流体引向所述边缘通道和所述直馈式喷射器，并且其中所述主歧管的横截面面积大于或等于所述直馈式喷射器出口的横截面面积和所述至少一个边缘出口的总横截面面积之和的大约150％。
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