CN102171098A - 用于真空排污系统的冲洗阀和真空发生器 - Google Patents

Abstract

本发明的装置和方法提供了一种用于控制从容器中真空排出污物的冲洗阀。所述冲洗阀包括用于从容器中接收污物的入口、与所述入口相对并与所述入口流体连通的出口、连接到所述出口的真空源以及具有独特设计的排放盘，所述排放盘布置在所述入口和所述出口之间，用于切断所述入口和所述出口之间的流体流动。在优选实施例中，所述冲洗阀与污物容器支座的网格面板成一体。

Description

用于真空排污系统的冲洗阀和真空发生器

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求申请日为2008年10月3日的美国临时专利申请No.62/102,674的权益。

技术领域

本发明主要涉及真空排污系统(vacuum waste systems)，更具体地涉及用于真空排污容器诸如真空马桶(vacuum toilets)的冲洗阀。

背景技术

现有技术中广为人知的是，真空排污系统用在运送飞行器(诸如飞机)中。真空排污系统典型地包括由真空管道连接到污物箱的马桶。冲洗阀布置在马桶和真空管道之间。当冲洗阀打开时，由于真空管线中的空气压力低于马桶中的环境空气压力，所以马桶中的污物通过压力差被排到污物箱。冲洗阀保持马桶中的环境空气压力和管道与污物箱中的低压力之间的压力边界。在飞机中，在低于大约16,000英尺的飞行高度，管道可以由真空源置于真空压力下。在大约16,000英尺及以上的飞行高度，管道中的真空压力可以由机舱和飞机外部之间的大气压力差供给。

用于控制从马桶中排出污物到污物箱的常规冲洗阀和方法是已知的。这类现有的冲洗阀可能使用了具有允许污物通过的孔口的大旋转盘。这种大旋转盘的使用是不希望的，因为这种大旋转盘使得整个冲洗阀变得又大又重并且很难用在有限的空间(诸如飞机盥洗室)中。

此外，具有孔口的盘的使用需要精确地将孔口定位在污物入口上，以使得污物从马桶运动到管道从而排到污物箱而不会堵住或聚集在孔口的周围或盘的实心部分上而导致盘被卡住或不能正常密封。而且，随着时间推移并由于正常的磨损，这种盘的孔口的精确位置趋于滑移，从而加剧了前面提到的问题。

使用具有允许污物通过的孔口的盘的常规冲洗阀的另一个问题是使用者不能手动打开冲洗阀。这样可能导致在冲洗阀变成卡在关闭位置时，污物不卫生地积聚在马桶中并从马桶溢出到盥洗室区域中。

在真空马桶系统中需要用于控制从马桶中排出污物的更小的、容易安装的和更有效的冲洗阀，这不依赖于具有孔口的盘。

发明内容

本发明主要涉及在真空排污系统中为污物从马桶中的排出提供改进的能耗、效率和可靠性，并且提供比飞机盥洗室的有限区域中使用的现有的冲洗阀占据更少空间的紧凑的冲洗阀设计。本发明的装置和方法通过采用独特形状的排放盘的冲洗阀来实现上述目的。这种排放盘不包括孔口，而且刚好大到足以密封冲洗阀的出口。这种排放盘比现有冲洗阀中使用的任何排放盘更小更轻。由于这种盘更小并且具有独特的形状，所以与常规冲洗阀相比，盘的操作几乎不需要空间并且具有相对小的电流输入(current draw)。此外，在一个优选实施例中，冲洗阀是与独特的重量轻的网格马桶支座成一体的部件。这种非常规的一体设计进一步减小了阀的重量和所需的空间。这些都是重要的优点，因为在飞机工业中使重量、空间和能耗最小化是最重要的设计要素。

此外，本发明的阀包括手动操控功能以提高可靠性。另一方面，所使用的真空源是由无刷直流电机驱动的离心式单叶轮真空发生器(centrifugal，single impeller，vacuum generator)。由于这种真空发生器设计成比现有真空发生器产生更少的热量，所以发生器的叶轮和壳体可以由工程聚合物制成，由此与用于飞机冲洗阀的常规真空发生器组件相比大大减小了发生器的重量。而且，更小更轻的叶轮直接安装在电机轴上，由此减小了惯性力矩并允许真空发生器达到并保持目标真空压力，而比常规真空发生器能耗更低。这些优点以及其它优点将从这里提供的对本发明的描述中变得明了。

附图说明

本发明的上述优点以及其它优点将从这里提供的参考附图对本发明进行的描述中变得明了，附图中：

图1是网格马桶支座一侧后部的外部透视图，示出本发明的作为马桶支座侧面的一体部件的冲洗阀的关键部件；

图2是图1中所示的马桶支座侧面的前部透视图，其中盖被施加以封装冲洗阀的部件；

图3是根据本发明一个实施例的冲洗阀的盖的透视图；

图4是图1的沿图1的线4-4剖切的剖视图；

图5是根据本发明一个实施例的冲洗阀中的排放盘的透视图；

图6是图5的排放盘与现有技术的冲洗阀盘相比较的透视图；

图7是根据本发明的真空发生器的透视图；

图8是根据本发明的真空发生器的透视图；

图9是图8的真空发生器沿线9-9剖切的剖视图；以及

图10是马桶支座的透视图，示出与冲洗阀相结合的侧面板。

具体实施方式

下面描述的本发明的实施例并非是穷举的或是用于将本发明限制于所公开的精确的结构和操作。相反地，下面详细描述的实施例是为了说明本发明的原理以及本发明的应用、操作和用途而选定和进行描述的，以便最好地使本领域其它技术人员能够遵循本发明的教导。

本发明主要涉及在真空排污系统(尤其包括飞机真空排污系统)中用于控制污物从马桶中排出的冲洗阀和方法。下面的实例对本发明进行了进一步的说明，但是这些实例不应当被以任何方式解释成是对本发明的范围的限制。

下面转到图1-4，本发明一个实施例的、在真空排污系统中用于控制污物从马桶中排出的冲洗阀标记为10。在本发明的这个实施例中，冲洗阀10设计成是与真空马桶污物容器47的马桶支座40(图10)成一体的部件。马桶支座40具有四个互锁的侧面41、42、43和44，每个侧面都具有开口的网格结构，如图所示，所述网格结构使重量最小化并使结构强度最大化。在申请日为2008年10月3日、序列号为61/102,812并且名称为“真空排污系统及其使用方法(Vacuum WasteSystem and Method for Using the Same)”的美国专利申请中，对支座40进行了详细的描述。这个涉及支座结构的、同时提交的申请中所公开的内容通过引用结合于此。

侧面42和44在它们的边缘上具有一系列互锁的楔形榫头(dovetails)28(图1-2和10)，用于附连到支座的相邻面板41和43的楔形榫头接收部48。在其它实施例中，侧面42和44在它们的边缘上可以具有一系列楔形榫头接收部，用于附连到支座的相邻面板41和43的楔形榫头。图1-2所示的支座侧面44将本发明的冲洗阀10示出为支座侧面44的一个部件。阀的主要部件包括排放盘16、驱动齿轮18、从动齿轮20、驱动轴22(图4)、从动轴24和传感器25(图4)，如图所示，所有这些部件都安装到支座侧面44。前阀盖14通过螺纹紧固件45或其它合适的装置附连到支座面板44，以便至少部分地封装排放盘16，排放盘16布置在侧面板44和盖14之间的腔中。垫圈(未示出)装入侧面板44和盖14之间以形成密封件，从而防止从所述腔中泄露。

支座侧面44包括成一体的环状凸缘30，所述环状凸缘30定位在排放盘上，并具有出口31(如图4中最佳地看到的)，出口31与前阀盖14中的对应的入口27对准。盖14包括环状凸缘26，所述环状凸缘26具有从马桶(未示出)中接收污物的入口27。出口31附连到管道(未示出)并且在排放盘16打开时与入口27和污物箱(未示出)流体连通(如随后所讨论的)。

合适的常规冲洗阀驱动器46(如图4中示意性地所示)具有成一体的驱动轴22。在一个优选实施例中，冲洗阀驱动器是28V直流电机。驱动轴22附连到驱动齿轮18，并且在冲洗阀驱动器操作时使驱动齿轮18旋转。所述驱动齿轮具有用于手动打开和关闭冲洗阀的成一体的延伸臂32。如图1和4中最佳地看到的，从动齿轮20与驱动齿轮18啮合并转动附连到排放盘16的从动轴24(图4)。

排放盘16布置在入口27和出口31之间。排放盘16包括旋转部23和遮盖部29。排放盘16的旋转部23是排放盘16的与从动轴24附连的部分。遮盖部29是排放盘16的、尺寸和形状与出口31的尺寸和形状相对应的部分。遮盖部29是连续的到不包括任何孔口或孔的程度。旋转部23通过从动轴24安装在侧面板44上。旋转部23在关闭位置(图1)和打开位置之间来回旋转，在打开位置，排放盘16的遮盖部29基本上离开(clear of)出口31，从而使入口和出口之间的基本上整个边界打开。在一个优选实施例中，在大约0.7秒内，排放盘在关闭位置和打开位置之间在一个平面内旋转基本90度。在打开位置，冲洗阀的入口27和出口31彼此流体连通。当在关闭位置时，如图1所示，排放盘16的遮盖部29使入口27和出口31之间的流体连通(或压力边界)中断，并密封出口31使之不能从马桶中接收污物。优选地由聚乙烯制成的套筒式密封件33与出口31的周边相邻地布置在出口31的环状凸缘30内。密封件的表面与遮盖部29相接触并且优选地具有百万分之32或更好的表面光洁度。当排放盘16处于关闭位置时，在出口31和套筒式密封件33中出现的真空实现了防止污物泄露的密封作用。遮盖部29的尺寸制成为略大于密封件33，以确保完全关闭。

在一个优选实施例中，排放盘16是泪滴形的，如图5所示。在泪滴形的排放盘16中，旋转部23是排放盘16的缩小的后部，而遮盖部29是排放盘16的较宽的前部。如图6所示，所述的泪滴形排放盘比通常用在常规冲洗阀中的排放盘小很多因此更轻，因为在盘16的区域49中没有非功能材料。排放盘16的形状并不限于泪滴形。只要遮盖部29密封出口31使之不能从马桶中接收污物，可以使用其它合适的形状，其中非功能材料的不同部分被移除，其它合适的形状包括但不限于圆形、三角形或多边形。“非功能材料(Non-functional material)”在旋转部中是指不必维持旋转部的完整性的材料，而在遮盖部中是指不必去遮盖位于入口27和出口31之间的边界的部分。在具有不带缩小后部的形状的排放盘中，旋转部23是排放盘16的附连到从动轴24的部分，而遮盖部29是排放盘16的、尺寸和形状与出口31的尺寸和形状相对应的部分。在一些实施例中，排放盘16可以是多个形状的组合。旋转部23可以与遮盖部29具有不同的形状。例如，排放盘16可以是桨叶形的，并具有类似于手柄的细长旋转部23以及类似于乒乓球拍拍面的较宽的圆形遮盖部29。

如图4中最佳地看到的，驱动轴22附连到传感器25并使传感器25旋转，所述传感器25诸如电位计。附连到侧面板44的成一体的系统控制器(ISC)34(图1)与传感器25电连接，并接收来自所述传感器的关于驱动轴22的角位置的数据。由于驱动轴22也使驱动齿轮18旋转，驱动齿轮18又使从动齿轮20和排放盘16旋转，所以ISC间接地读取排放盘16的位置。

任何合适的真空发生器都可以用于在附连到冲洗阀的出口31的管道中提供压力差，这是通过在阀打开时从连接到所述管道的污物箱中抽出空气而实现的。然而，优选的真空发生器是带无刷直流电机的单级离心式真空发生器。这种真空发生器是优选的，因为这种真空发生器比其它类型的真空发生器更小、重量更轻并且能耗更低，但是能够快速地达到目标真空度。这种真空发生器具有单个叶轮并且优选地由高速无刷直流电机提供动力。

图7-9所示的优选的离心式真空发生器50包括涡卷形顶壳52、涡卷形底壳54、单个叶轮56(图9)、真空发生器控制器(VGC)57、直流无刷电机58、吸入口凸缘59和排出口凸缘61。因此，空气从污物箱通过由涡卷形顶壳52的吸入口凸缘59形成的吸入孔口60被吸入真空发生器中。叶轮56使外面的空气旋转进入涡卷形腔中，该涡卷形腔将空气引导到由排出口凸缘61形成的排出孔口62。涡卷形壳52、54和叶轮56优选地由工程聚合物构成以减轻它们的重量、保证设计的紧凑性并且防止在寒冷天气下在操作过程中结冰。所述叶轮安装在与直流电机58连接的电机轴64(图9)上并在涡卷形壳52、54内以大约40,000rpm-90,000rpm，优选40,000rpm-50,000rpm的转速旋转。由于叶轮56是小而重量轻的，所以所述叶轮可以直接安装在直流电机58的电机轴64上，这致使惯性力矩减小，惯性力矩的减小使得真空发生器组件能够很快地达到目标速度。此外，与相似应用中使用的常规真空发生器相比，致使惯性力矩减小使得能够使用较小的直流电机并能够减小电流输入。VGC57控制电机58，接收来自污物箱(未示出)上的水平传感器(未示出)的输入，并且选择地控制系统加热器(未示出)。

当使用者驱动开关来冲洗马桶时，所述开关触发电信号给成一体的系统控制器34，系统控制器34启动冲洗阀驱动器46。作为响应，冲洗阀驱动器使驱动轴22以及所附连的驱动齿轮18旋转，驱动齿轮18具有驱动齿轮齿19(图1和4)。在优选实施例中，所述驱动轴和所述驱动齿轮沿顺时针方向旋转基本90度。驱动齿轮齿19与从动齿轮20的齿21的啮合使从动轴24和附连到该从动轴的排放盘16逆时针旋转基本90度到达打开位置。在所述打开位置，所述排放盘离开入口27和出口31这两者的周边，从而入口27与出口31流体连通。如果需要，旋转的方向可以是顺时针，而不是逆时针。类似地，如果需要，旋转的范围也可以变化。在其它实施例中，可能希望为排放盘提供更大的旋转角度以使排放盘完全离开入口。

当排放盘处于打开位置时，马桶中存在的环境空气压力与位于马桶(未示出)和污物箱之间的管道中的较低的空气压力之间的压力差形成抽吸力，以便将来自马桶的污物通过管道排到污物箱。在低于大约16,000英尺的飞行高度，所述管道中的较低的空气压力由真空发生器(优选上面描述的发生器50)产生，而在大约16,000英尺及以上的飞行高度，所述管道中的较低的空气压力由飞机外部的大气压力产生。

在打开冲洗阀后大约一秒之后，系统控制器34发信号给冲洗阀驱动器，以使驱动轴22和驱动齿轮18逆时针旋转基本90度。这样使从动轴24和排放盘16顺时针旋转基本90度，从而入口27和出口31之间的流体连通由排放盘16关闭，并且密封件33被密封而不能从马桶中接收更多的污物。

在冲洗阀驱动器的电源故障的情况下，冲洗阀可以被手动操作。为了手动操作冲洗阀，延伸臂32将由使用者旋转基本90度以打开冲洗阀，然后向相反的方向旋转基本90度以关闭冲洗阀。因此，在冲洗阀被卡在关闭位置或变成卡在关闭位置的情况下，延伸臂32可以由使用者旋转以打开冲洗阀。这个新颖的特征防止了由于冲洗阀的关闭引起的马桶中的污物不卫生地积聚以及污物从马桶溢出到盥洗室区域中的可能性。

这里引用的所有参考文献(包括公开文献、专利申请文献和专利文献)通过以相同范围地引用而被结合于此，就像每篇参考文献都是被独立地和特别地指成通过参考而被结合于此和整个内容被阐述一样。

在描述本发明的上下文(尤其是后面的权利要求书的上下文)中，所使用的术语“一”、“一个”、“所述”以及类似的表述被解释成是既包括单数，也包括复数，除非在此另有说明或与上下文明显矛盾。这里对数值范围的描述仅是想用作一种对落入该范围内的每个单独的数值分别进行参考的简要表述方法，除非在此另有说明，每个单独的数值被结合进说明书中，就像这里对每个单独的数值分别进行描述一样。这里描述的所有方法可以按照任意合适的顺序执行，除非在此另有说明或与上下文明显矛盾。这里提供的任何一个实例和所有的实例或示例性的语句(例如“诸如”)仅是为了更好地说明本发明，并非是对本发明的范围提供限制，除非另有声明。说明书中没有语句应该被解释成是将任何未要求保护的元素指定成是实施本发明所必须的。

这里描述了本发明的优选实例，包括发明人所知道的实施本发明的最佳方式。应当理解的是，所描述的实施例仅是示例性的，并且不应当被视作是对本发明的范围的限制。

Claims (20)

1.一种真空马桶系统中使用的冲洗阀，包括：

壳体，其具有连接到真空源的出口和与所述出口流体连通的入口；和

排放盘，其包括旋转部和遮盖部，所述遮盖部是连续的并且所述遮盖部的尺寸和形状与所述出口的尺寸和形状相对应，所述旋转部安装到所述壳体以用于在关闭位置和打开位置之间旋转运动，在所述关闭位置，所述遮盖部密封所述出口使之不与所述入口流体连通，在所述打开位置，所述遮盖部基本上离开所述出口。

2.如权利要求1所述的冲洗阀，其中所述真空源是真空发生器。

3.如权利要求2所述的冲洗阀，其中所述真空发生器是具有叶轮的单级离心式真空发生器，所述叶轮直接安装在电机轴上。

4.如权利要求1所述的冲洗阀，其中所述排放盘的形状选自以下形状组成的组：泪滴形、圆形和浆叶形。

5.如权利要求1所述的冲洗阀，其中所述排放盘是泪滴形的，并且所述旋转部位于泪滴形的缩小的后部，而所述遮盖部位于泪滴形的较宽的前部。

6.如权利要求1所述的冲洗阀，所述冲洗阀还包括：

驱动组件，其用于使所述排放盘旋转；和

电机，其操作地连接到所述驱动组件。

7.如权利要求6所述的冲洗阀，所述冲洗阀还包括延伸臂，所述延伸臂连接到所述驱动组件，以用于手动旋转所述驱动组件以使所述排放盘在所述打开位置和所述关闭位置之间运动。

8.如权利要求1所述的冲洗阀，其中所述旋转运动的范围是大约90度。

9.如权利要求1所述的冲洗阀，所述冲洗阀还包括套筒式密封件，所述套筒式密封件布置在所述壳体中、位于所述出口和所述排放盘之间，所述套筒式密封件在所述排放盘处于所述关闭位置时抵接所述出口的周边以密封所述出口。

10.如权利要求1所述的冲洗阀，所述冲洗阀还包括适于确定所述排放盘的位置的传感器。

11.如权利要求10所述的冲洗阀，其中所述传感器是电位计，所述电位计附连到所述驱动轴以便确定所述驱动轴的旋转位置。

12.一种真空马桶系统中使用的冲洗阀，包括：

壳体，其具有连接到真空源的出口和与所述出口流体连通的入口；和

排放盘，其包括旋转部和遮盖部，所述遮盖部是连续的并且所述遮盖部的尺寸和形状与所述出口的尺寸和形状相对应，所述旋转部安装到所述壳体以用于在关闭位置和打开位置之间旋转运动，在所述关闭位置，所述遮盖部密封所述出口使之不与所述入口流体连通，在所述打开位置，所述遮盖部基本上离开所述出口；

驱动轴，其安装在所述壳体上；

从动齿轮，其安装在所述壳体上并适于旋转所述排放盘；

驱动齿轮，其安装在所述驱动轴上并适于旋转所述从动齿轮；和

延伸臂，其与所述驱动齿轮成一体，所述延伸臂用于手动打开所述冲洗阀。

13.一种具有一体冲洗阀的真空马桶系统，包括：

真空马桶污物容器，其由污物容器支座支撑；

所述支座具有一体冲洗阀板和冲洗阀盖，所述冲洗阀板包括出口，所述冲洗阀盖具有用于接收来自所述污物容器的污物的入口，所述入口与所述板的出口流体连通；

排放盘，其包括旋转部和遮盖部，所述遮盖部是连续的并且所述遮盖部的尺寸和形状与所述出口的尺寸和形状相对应，所述旋转部安装到所述壳体以用于在关闭位置和打开位置之间旋转运动，在所述关闭位置，所述遮盖部密封所述出口使之不与所述入口流体连通，在所述打开位置，所述遮盖部基本上离开所述出口；

齿轮传动装置，其安装在所述板上，以用于响应施加在所述齿轮传动装置上的驱动力来旋转所述冲洗阀的排放盘；和

真空发生器，其与所述板的出口流体连通。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述排放盘的形状选自以下形状组成的组：泪滴形、圆形和浆叶形。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述真空发生器是单级离心式真空发生器。

16.如权利要求13所述的系统，其中所述板的至少一部分具有开口的网格结构。

17.如权利要求13所述的系统，其中所述真空发生器包括封装叶轮的壳体，所述叶轮由工程聚合物构成。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述叶轮以大约40,000rpm-50,000rpm的转速旋转。

19.如权利要求13所述的系统，其中所述支座包括楔形榫头和楔形榫头接收部之一，并且所述冲洗阀板包括相应的楔形榫头接收部和楔形榫头之一，其中所述冲洗阀板通过所述楔形榫头和楔形榫头接收部的互锁而附连到所述支座。

20.一种用于冲洗真空马桶系统的方法，包括：

提供冲洗阀，所述冲洗阀具有排放盘、连接到真空源的出口和与所述出口流体连通的入口，所述排放盘包括旋转部和遮盖部，所述遮盖部是连续的并且所述遮盖部的尺寸和形状与所述出口的尺寸和形状相对应，所述旋转部安装到所述壳体以用于在关闭位置和打开位置之间旋转运动，在所述关闭位置，所述遮盖部密封所述出口使之不与所述入口流体连通，在所述打开位置，所述遮盖部基本上离开所述出口；和

沿着从关闭位置到打开位置的第一方向旋转所述排放盘，在所述关闭位置，所述遮盖部密封所述出口，而在所述打开位置，所述遮盖部基本上离开所述出口。

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