CN1044032C - 液压阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阀，利用流动不平衡引起的压力保持阀的开启和关闭。该阀有一腔室(15)，对置和对正的进口(12)和出口(13)与之相通。球形体(16)位于该腔室中，并且可往复运动地安装在穿过该出口的杆(17)上。阀体的运动使其一阀体端的流通面积增大，另一端的流通面积减小，按照伯努利的理论，这将改变作用在阀体(16)上的压力，增加作用在阀体上的净作用力。还公开了一种贮水箱进口阀(111，211)和贮水箱(19)。

Description

液压阀

本发明涉及一种压力流量平衡式液压阀，它可具体应用于贮水箱(或在美国公知的冲洗箱)进口阀。但是，本发明的阀不局限于这方面的特殊应用。本发明还涉及贮水箱进口阀和贮水箱。

已有的贮水箱阀可以方便地分为两大类。第一类是机械杠杆式阀，它具有一带圆孔的阀座，和一借助浮子臂发生运动以打开或关闭该圆孔的圆盘。附着在浮子臂上的浮子产生的浮力，由于浮子臂长度带来的机械优点而得到放大。这类结构较为简单，非常可靠，因而已沿用了多年。

但是，近来由于用于冲洗便池的水量减少，贮水箱的平均宽度已减小。因为仅需要较小的水量，用于贮存冲洗用水的水箱尺寸也获得相应减小。结果，以经可以使用的浮子臂长度不能再用于这种贮水箱了。造成上述机械式进口阀关闭力的下降。这又导致这种类型的阀不适用于那些具有高水压的区域。

由于这方面的发展，液压进口阀益广泛地用于贮水箱。这种液压进口阀通过将进口压力施加在阀件的一较大的相对面获得净关闭力，利用进口压力促使阀门关闭。但是液压进口阀存在着许多缺点。一个缺点是，多个阀组件中的一个出现故障时，液压进口阀总是自动打开。也说是说，阀的故障导致不能截止水流。由于这会造成浴室被淹和水的大量流失，最好的方案应是，阀在完全失灵时，仍能自动关闭。其结果是在这种情况下不会出现任何水流。

就贮水箱进口阀而言，除故障时可关闭外，另一所希望的性能是能安静工作。传统的进口阀在其工作期间是一具有惊人噪声量的噪声源。由于冲洗作业持续时间虽短，但贮水箱重新充入下一次冲洗所需的水量却需较长时间，进口阀产生的噪声，在整个贮水箱充水过程中都存在。这一噪声是由于气蚀，紊流和水自由表面产生的噪音(后者是因为水-空气-水界)而造成的。如果能够获得一种安静的贮水箱进口阀，便表现出特殊的优点。

本发明是通过着眼于克服上述缺点进行的研究完成的，它至少可部分地具有上述优点。相应地，本发明的目的就是提供一种改进的阀门。

按照本发明的第一方面，公开了一种阀，包括：一阀壳，它具有一通入内部腔室的进口和一由该内部腔室引出的出口，所述进口和出口是基本对置的；一大体呈球形的阀体，该阀体位于所述腔室中，并安装成可朝所述出口和远离所述出口而运动，所述阀体和出口的尺寸允许所述出口被所述阀体遮闭；以及一由所述阀体伸出的用于使所述阀体往复运动的装置；其特征在于，所述腔室的内表面和所述阀体的外表面适于提供在该阀内的压力和流量的平衡，当所述阀体向所述出口运动时，用于流向所述出口和在所述阀体与腔室间流动的流道横截面积得以减小，同时用于从所述进口流入和在所述阀体与腔室间流动的流道横截面得以增大，而当所述阀体远离所述出口运动时，情况则正好相反，从而所述腔室和所述阀体改变由流速引起的作用在所述阀体上的压力的平衡。

可优选地方案是，上述球状阀体为卵形，椭球形，或兰金卵形(Rankine Ovuloid)。

按照本发明的第二方面，公开了一种控制流过压力流量平衡阀流量的方法，该平衡阀包括一阀壳，它具有一通入内部腔室的进口和一由该内部腔室引出的出口，所述进口和出口是基本对置的，具有一位于所述腔室中的大体呈球形的阀体，以及一由所述阀体伸出的用于使所述阀体往复运动的装置；所述方法包括下述步骤：

使所述阀体朝远离所述出口的方向运动，以增大用于在邻近所述出口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，同时减小用于在邻近所述进口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，从而在所述阀体上施加一净流动引起的压力，使所述阀体连续向远离所述出口的方向运动，并打开所述阀，和

使所述阀体向所述出口运动，以减小用于在邻近所述出口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，同时增大用于在邻近所述进口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，从而在所述阀体上施加一净流动引起的压力，使所述阀体连续向所述出口运动，并关闭所述阀。

按照本发明的第三方面，公开了一种贮水箱，它具有的贮水箱进口阀属于上述类型。

按照本发明的第四方面，公开了一种贮水箱充水方法，它采用上述控制流过阀门的流量的方法。

本发明的三种实施例将结合附图进行说明，其中：

图1为普通液压进口阀的全剖视图；

图2为一进口阀的第一种实施例的相同剖视图；

图3为一进口阀的第二种实施例的相同剖视图；

图4为包含在图3所示阀中的破坏虹吸的提升阀放大全剖视图；

图5为组装前的图4所示提升阀的分解透视图；

图6为一进口阀的第三实施例的侧面正视图；

图7为图6所示阀的纵向剖视图；

图8为图7所示阀的分解透视图；

图9至12分别为图6至8所示阀体的透视图，侧面正视图，俯视图和底视图，和

图13为通过第一种实施例的阀体和腔室的剖视图，用以说明本发明的工作原理。

图1示出已有技术的液压操纵的贮水箱进口阀。该阀与以本申请人的名义在澳大利亚的专利申请第81732/91号描述的阀基本相同。如图1所示，该液压进口阀1具有一通往阀座3和出口4的进口2。阀座3用橡胶隔膜6携带的阀件5关闭。旁通通道7允许水从进口2导至隔膜6和下游侧。由浮子臂9和浮子10操作的辅助阀8，控制施加在隔膜6下游侧的压力。

工作时，随着辅助阀8如图1所示那样被打开，水能够从进口2流至隔膜的下游侧，然后流出辅助阀8。因此，在隔膜6下游侧的没有明显的压力作用，因此阀件5在进口2水压作用下沿离开阀座3的方向运动，使液压进口阀1打开，水从进口2流过阀座3，并流出出口4。

在贮水箱19充水的情况下，浮子10上升，从而使浮子臂9关闭辅助阀8。结果进口压力施加于隔膜6的下游侧的大表面区，同时该压力也施加在阀件5的面对进口的较小表面上，但由于面积差产生了通过隔膜6作用在阀件5上的净关闭力，因而使阀件5座靠在阀座3上关闭该液压进口阀。

这类液压进口阀会因多种途径发生故障。一种途径是隔膜6被穿孔，而让水从隔膜6的下游侧漏入出口4，从而减小阀件5上的关闭力，使进口阀发生故障而处于打开状态。类似地，旁通通道7可能被堵塞，这也会减小作用在隔膜6下游侧的压力，并同样会使阀因故障而打开。此外，杂物也可能堵塞在辅助阀8中，阻止其完全关闭，这也会减小作用在隔膜6下游侧的压力，导致液压进口阀因故障而处于打开状态。

图2示出本发明的压力流量平衡阀11的第一种实施例。该阀11有一进口12，一阀座13，和一基本呈圆筒形的出口14。位于进口12和出口14间的是一腔室15，一大体呈球形的阀体16位于其中。阀体16被一滑动地保持在一轴套18中的心轴17支撑。

就结构而言，阀11通过一内体20构成，该内体20包含进口12，并且在内体20上固定一成形环形体21，而环形体21与内体共同形成腔室15。一圆筒形外体22位于该内体20周围，并且二者之间的通道形成出口14。一冠形件23构成完整的出口14，并为轴套18提供支承。

很明显，如果心轴17向上运动，则阀体16将遮盖阀座13，从而阻止任何流体从进口12流至出口14。反之，如果心轴17被下推，则阀座被打开，水便可以经过进口12，腔室15与阀体16间的流道，通过阀座13流入出口14。

由于进口12、腔室15，阀体16和出口14的内表面很光滑，并包括一些形成仿理论流线流道的平缓弯曲，因而水流基本呈流线态势。减少了脱流，紊流和汽蚀，从而实现基本安静的流动。

图2所示方案的不足之处在于，环形出口14包含大量的空气，必须全部去除才能实现尽可能安静的流动。为此，研制出了图3所示的第二种实施例。图3所示的压力流量平衡阀111包括一进口112，一阀座113和一单管出口114。与前一实施例一样，该阀111也包括一腔室115和一装在心轴117上的阀体116。心轴由117铰接在一浮子臂109上，而浮子臂109在浮子110作用下可作圆弧运动。

进口112和出口114一起成形在一主体120中，一环形件121装在该主体120内，并用一与主体120螺纹啮合的冠形件123定位。环形件121和主体120共同形成腔室115。冠形件123还包括心轴117的支承轴套118。很明显，在这种连接方式中，轴套118和117间的密封要求不严格，因为仅在阀11打开时水才出现在出口114。

环形件121中还包括一破坏虹吸的提升阀125，如图4和5可清楚看出的那样，它由一带翅片的T型阀126和一带孔的阀板127构成。阀板127定位在阀126的枢轴128上后，在枢轴128上成形出一阀板定位头129。由于有5个孔130和4个翅片131，空气总可能通过阀板127进入出口114，使阀126不致贴靠在环形件121上。提升阀125的作用在于保证阀111关阀，出口114中的压力下降时；空气能进入出口114，使出口114中保存的水不会高出贮水箱中的水面。结果，偶然出现的负压施加于进口112时，水不可能借助虹吸现象流出贮水箱和进入进口。

如图6所示，第三种实施例的进口阀211装在管轴228的顶部，浮子210在管轴上随贮水箱19中的水面或升或降。浮子210借助浮子臂209与进口阀211相连。齿条齿轮机构240连接在浮子臂209和进口阀211之间。

如图7所示，管轴228由两个同心圆筒件构成，内部的一件为进口212，被出口214环绕。靠近出口底部，有一个或多个孔241，它们限制出出口流动，这将在后面解释。图6所示的整个装置可以公知方式安装在贮水箱19底部(用影象表示)的孔中，并用螺母242夹紧，密封就位。

从图8可清楚看出，进口212与阀腔215相通，阀腔215包含一蛋形阀体216，阀体216装在阀杆217的下端。阀杆217可借助齿条齿轮机构240和浮子臂209上升或下降，以分别关闭和打开阀211。阀腔215由两件构成，上面一件构成阀座245。O形圈246夹在阀座245和阀腔215的另一件之间。

三个大体呈U形的具有减小横截面尺寸的通道248从阀座245通入环形腔249，而环形腔249又与出口214相通。上述U形通道248由位于盖250下侧的槽构成。盖250可以借助插入配合件253，254固定成形在管轴228上端的喇叭口251上。用这种方式便可将盖250固定在喇叭口251上，从而将阀座245夹持就位。

多个小孔255穿过喇叭口251，从而允许空气从大气，经过盖250的裙部和喇叭口251间的环形空间，进入环形腔249。一截锥形橡胶套256装在盖250和喇叭口251之间。该套256的上端成形出一凸像257，它起O形圈作用，为喇叭口250和盖251间提供密封。该套256设有一中心孔258(图8)，它在图7所示的静止位置时，压在阀腔215的外表面上。

当阀杆217被图7所示沿逆时针方向转动的浮子臂209下移时，水使可从进口212流过阀腔215，通过阀座245，进入U形通道248。由于通道248跟随一平滑弯道，这一流动基本呈流线状，从而避免出现紊流和汽蚀。

此外，最初阻止水流从U形通道248流入环形腔249的橡胶套256，在通过敞开的阀座245施加在该套256内表面的水压作用下，向外产生变形。这一压力和产生的水流作用结果是，橡胶套256向外膨胀，以增大其中心孔258的有效直径。

橡胶套256的这种运动同时产生了两方面的作用，道先，橡胶套256的中心孔258有效地构成了一种可变的节流孔，它随流量和/或压力的增大而变大。这具有非常希望的优点，即提供紧靠阀座245的压降。

此外，在流过进口阀1的水流影响下经向向外膨胀的橡胶套256，导致橡胶套256的中心部分259有效地密封各孔255。结果，没有任何空气由大气通过各孔255，从而由从U形通道进入环形腔249，进而流入出口114的水带走。这就构成了一种非常有效地噪声减小装置。

最后，出口114底部设置阻力孔241意味出口114在阀工作期间可以很快完成充水。结果，大量的喷溅和气泡噪声受到抑制，进一步的讲，孔241最为具有减小的尺寸，结果，主压力在进出口间成级下降，从而减少了水中压力下降至水的气化压力以下的机会。而正是这种下降至水的气化压力以下的水压造成了汽蚀和由此产生的汽蚀噪声。

图9至12示出阀体216的优选形式。从这些图上可清楚看出，阀体不是球形。

很明显，对本领域的技术人员来说，上述方案可带来多种优点。首先，易被进口水流携带的颗粒或碎屑堵塞的该进口阀中的最小通道位于阀座245处。结果，假设这个位置聚集有任何这类物质，它们也很容易在下一次阀门操作时除去。此外，任何这类物质都可容易地被带过通道248，经过橡胶套256的中心孔258，进入环形腔249。由此，任何这类碎屑都可无阻碍地通过，进入贮水箱19内部。

此外，假如偶然出现的作用于进口212的局部真空，同时进口阀211可处于打开状态，这时橡胶套256将被向内吸，从而将中心孔258夹在阀腔215的外表面上。同时，橡胶套256的中心部分259将向内移动，从而敞开各孔255，让大气中的空气进入出口214。结果，出口214中的任何水都将下降至贮水箱19中的水位。用这种方法保证防止出现任何侧流虹吸现象。

此外，在发生严重事故，例如阀杆217折断时，阀体216在进口水压作用下被向上推，以关闭阀座245。因而在这方面，该阀属于＂故障关闭＂型，而不属于另一些液压阀那样的＂故障打开＂型。

下面结合图13和采用图7给出的代号，说明图6和7所示阀的工作原理。首先，该领域的技术人员都清楚，如果该阀如图13所示那样垂直布置，则向下作用在阀体216和阀杆217的重力，会被阀体216的浮力平衡大部分，这样这些反方向的作用力在很大程度上被抵销。相反，如果该阀成水平布置，则这些力与阀杆217和阀体216的运动方向垂直，从而可以被忽略。

图13中点划线所示为阀基本处于全开时的阀体216位置。很明显，在这种状态，在用于靠近进口212阀腔215的内表面和阀体216的外表面间流动的横截面显著减小。反之，用于在靠近出口214的阀体216外表面和阀腔215内表间流动的横截面显著增大。

阀体216即将遮盖阀座245和出口214时的位置，在图13中用虚线表示。对该领域的技术人员来说，很明显，上述流道的流通面积情况正好相反。

阀体216大体呈卵形或椭圆形，最好为兰金卵形(Rankineovuloid)，从而其横截面构成一兰金椭圆，这样绕实体的流线型流动便可计算。

由于阀腔215中绕阀体216的流动基本呈流线型，虽基本没有紊流，液流的总能量可假定为恒量，能量损失基本可忽略不计。因此流道所有点上的能量相同。任何给定点处单位质量的总能量E用下列公式计算： $E=\frac{P}{\mathrm{\ρ}}+\frac{V^2}{2}---\left(1\right)$ 式中V为流速，P为所述点处的压力，ρ为液体密度。

由于假定无能量损失，邻近进口i处的能量与邻近出口O处的能量相等。这样，可用表述伯努利理论的下述公式计算： $\frac{\mathrm{Pi}}{\mathrm{\ρ}}+\frac{{\mathrm{Vi}}^2}{2}=\frac{\mathrm{Po}}{\mathrm{\ρ}}+\frac{{\mathrm{Vo}}^2}{2}---\left(2\right)$

此外，还存在下述流动关系：

V=Q/A                (3)式中V为流速，Q为流量，A为流通横截面积。

从上述公式2和3，实际上液体都是不可压缩的，因而密度保持恒定，可以得出这样的结论：若流量面积增大，流速减小，如果流速减小，压力就将提高，以保持能量基本不变；反之就是，如果流通面积减小，则流速增大，压力将下降。

按照帕斯卡原理，液体中的压力以等量作用于所有方向，因此压力会作用在阀腔215表面，具体地说，就是阀体216的表面。这样，从图13便可看出，如果阀体216位于图13中点划线所示位置，靠近进口212的流通面积是减小的，因而靠近进口212的流速增大，作用在阀体216自由端的压力将减小。反之，靠近出口处，流通面积是增大的，因而流速减小，类似地，作用在邻近阀杆217端的阀体216上的压力增大。由于压力等于力除以面积，而连接在阀杆217端的阀体216＂半球体＂面积近似地等于阀体216自由端＂半球体＂的面积，静压差产生的静推力使阀体216逆液流方向沿远离阀座245的方向运动，从而保持阀门打开。

由于液体流过阀体216，出现了将阀体216推向出口的阻力。该阻力可通过使连接在阀杆217端的阀体216＂半球体＂的表面积，大于阀体216自由端＂半球体＂的表面积而得到平衡。例如，阀杆端＂半球体＂可以是一标准半球体，而另一＂半球体＂可以是一半椭球体。

从上述讨论可知，存在一个平衡位置，在该位置液体流过阀体216时在阀杆217上不产生静轴向力。但阀体216在偏离该平衡位置任一方向的微小位移，都将导致出现不平衡力，连续使阀门向打开或关闭方向运动。这意味，即使采用图6和7所示的短浮子臂209，阀门也能很容易得到控制。从图6和7还可看出，排放贮水箱19产让的浮子210的初始向下运动，使阀体216向下运动以部分打开阀座245，从而上述压差起作用，并连续打开阀门211。阀体216的向下运动最好通过抑制阀杆217的向下运动而限制。换句话说，阀体216最后与进口212接触。

当贮水箱19由于水通过进口阀111的送入而充水时，浮子210将上升，从而抬起浮子臂209，并使阀体216如图7所示那样向上朝平衡位置运动。一旦超过平衡位置作用在阀体216上的压差，趋于抬起阀体216，随着上升的浮子210而起作用，导致阀门的关闭，在关闭过程中，在浮体210和作用在阀体216相对＂半球＂上的压差共同作用下，阀体216被上推，产生准确而迅速的关闭动作。

有关领域的技术人员可以理解，上述阀结构提供了一种易于打开和关闭的阀。一旦阀开始打开或关闭，并且球形阀体越过其＂平衡＂位置，由于力的不平衡，阀将全开或全关。这样，与普通阀相比，操作阀门所需的能量较小。这一特征，使阀可以在具有非常短的浮子臂情况下使用。

此外，两个＂半球＂16/116/216的相对面积可以调整，以保证在整个＂冲程＂过程中不存在净关闭压力。这样，即使在阀杆或浮子臂上端折断这样的严重故障情况下，阀在少量流动之后将一直关闭，并保持关闭状态。因此，普通液压进口阀误打开操作基本避免了。

另外，由于基本呈流线流动，基本没有可听见的汽蚀噪音，并且只有轻微紊流发生，可以使噪声显著减小。

上面仅描述了本发明的三种实施例。但对有关领域的技术人员来说，在不脱离本发明的范围的条件下，显然还可作出变型。

Claims (18)

1．一种阀(11,111,211)，包括：一阀壳，它具有一通入内部腔室(15,115,215)的进口(12,112,212)和一由该内部腔室引出的出口(14,114,214)，所述进口和出口是基本对置的；一大体呈球形的阀体(16,116,216)，该阀体位于所述腔室中，并安装成可朝所述出口和远离所述出口而运动，所述阀体和出口的尺寸允许所述出口被所述阀体遮闭；以及一由所述阀体伸出的用于使所述阀体往复运动的装置；其特征在于，所述腔室(15,115,215)的内表面和所述阀体(16,116,216)的外表面适于提供在该阀内的压力和流量的平衡，当所述阀体向所述出口运动时，用于流向所述出口和在所述阀体与腔室间流动的流道横截面积得以减小，同时用于从所述进口流入和在所述阀体与腔室间流动的流道横截面得以增大，而当所述阀体远离所述出口运动时，情况则正好相反，从而所述腔室和所述阀体改变由流速引起的作用在所述阀体上的压力的平衡。

2．如权利要求1所述的阀，其特征在于，用于使所述阀体运动的所述装置包含一穿过所述出口的杆(17,117,217)，所述阀体安装在所述杆上。

3．如权利要求2所述的阀，其特征在于所安装在所述杆可纵向往复运动。

4．如权利要求1所述的阀，其特征在于，所述出口具有至少一条出口通道，所述出口通道是绕所述内部腔室朝所述进口弯曲和延伸的。

5．如权利要求4所述的阀，其特征在于，所述出口具有多条平行连通的通道(248)。

6．如权利要求4所述的阀，其特征在于，所述出口通道(14,214)围绕所述阀的进口(12,212)。

7．如权利要求1所述的阀，其特征在于，所述出口具有至少一个与大气相通的孔(130,255)。

8．如权利要求7所述的阀，其特征在于，所述一个或多个与大气相通的孔(255)，在所述出口(245)未被遮闭时，是被封闭的(256)。

9．如权利要求1所述的阀，其特征在于，所述球形体(16,116,216)，由卵形，椭球形和兰金卵形构成的形体组中选择。

10．如权利要求1至9中任一项所述的阀，其特征在于，所述阀为贮水箱进口阀。

11．如权利要求10所述的阀，其特征在于，所述贮水箱进口阀安装在构成所述贮水箱进口的杆(128,228)的上端。

12．一种贮水箱，其特征在于包括有权利要求10或11所述的贮水箱进口阀(11,111,211)。

13．一种控制流过压力流量平衡阀(11,111,211)流量的方法，该平衡阀包括一阀壳，它具有一通入内部腔室(15,115,215)的进口(12,112,212)和一由该内部腔室引出的出口(14,114,214)，所述进口和出口是基本对置的，具有一位于所述腔室中的大体呈球形的阀体(16,116,216)，以及一由所述阀体伸出的用于使所述阀体往复运动的装置；所述方法包括下述步骤：

使所述阀体朝远离所述出口的方向运动，以增大用于在邻近所述出口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，同时减小用于在邻近所述进口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，从而在所述阀体上施加一净流动引起的压力，使所述阀体连续向远离所述出口的方向运动，并打开所述阀，和

使所述阀体向所述出口运动，以减小用于在邻近所述出口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，同时增大用于在邻近所述进口的所述阀体和所述腔室间流动的流道横截面积，从而在所述阀体上施加一净流动引起的压力，使所述阀体连续向所述出口运动，并关闭所述阀。

14．如权利要求13所述的方法，其特征在于所述阀体运动经过一平衡位置，在该位置所述流动引起的压力基本等于零。

15．如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括限制所述阀体(116)沿远离所述出口(114)的方向运动(109,123)的步骤，以阻止所述阀体与所述进口(112)发生接触。

16．如权利要求13所述的方法，其特征在于所述阀为贮水箱进口阀(11,111,112)，并且所述阀体(16,116,216)随贮水箱中的水面运动。

17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括通过一浮子臂(109,209)，将所述贮水箱(19)中的浮子(110,210)与所述阀体相互连接的步骤。

18．一种贮水箱的充水方法，其特征在于，所述方法包括权利要求13所述的方法。

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