CN106461106A - 温度控制阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种控制器，响应环境温度超过阈值来打开或关闭一个阀，例如以防止水到可能已冻结和爆裂的管的继续供应。输出轴(4)作用在该阀的阀杆上，以使其在打开位置和关闭位置之间旋转。表簧(8)将输出轴朝向那些位置之一偏置但由闩锁(28)制约，直到热致动器(30)机械地操作，以响应温度变化来释放该闩锁。该闩锁可以是作用在棘轮齿轮(22)上的棘爪(28)，所述棘轮齿轮(22)允许输出轴(4)在一个方向上旋转但不在其他方向上旋转。棘轮齿轮(22)可以安装在输入轴(14)上，该输入轴(14)通过齿轮组(16‑19)连接到输出轴(4)，以当抵抗弹簧(8)的力转动输出轴(4)时给出机械效益。

Description

温度控制阀
技术领域
本发明涉及用于控制通过管道供水或其他流体的阀，所述管道当管道中的水冻结时容易破裂。尤其应用于控制水从公共供水到家庭房屋或商业房屋的流动的止水栓。也可以用于控制水到在寒冷气候下暴露于环境温度的室外管的流动。在进一步的应用中，该阀可控制来自储水箱的水的流动或来自供给物的气体的流动。
背景技术
管道的冻结问题是众所周知的。当水管暴露于低的环境温度时，存在水管中的水会存在冻结风险。由此产生的冰占据比原来的水更大的体积，进而可以引起水管爆裂，使得在冰已解冻之后，水可以从破裂的水管泄漏。水管爆裂是供水管穿过不保温的屋顶空间或邻近建筑物的冷外壁时特有的问题。在总管压力下继续供应给水管的水可以漏出并穿过建筑物喷流，引起巨大损坏。该风险在无人居住的房屋中加剧，因为温度更可能降到冻结之下并且所产生的泄漏可能长时间未被发现。
就冻结管的问题已经提出解决方案，即使用温度响应阀，以当温度降至接近冰点时切断供水。在其中水从储水箱而不是总管供水输送的情况下，可替代选择是打开该阀，以便在接近冻结温度时排空水箱进而防止由于爆裂管而引起的水的不受控制释放的风险。第三种选择是打开该阀，以允许水到排水管的连续小流动，因为流动的水与静止的水相比不太可能冻结。在许多情况下，此类温度响应阀响应来自温度传感器的输入在电子控制下操作。然而，不依赖于电源的解决方案将是优选的。
美国专利5427132在图8和图9中公开一种由蜡基热致动器控制的温度切断阀。在低温下，致动器中的蜡收缩并引起通过简单的齿条齿轮传动装置作用的活塞通过四分之一圈转动阀构件。然而，致动器和阀之间的直接连接产生两种明显的困难。首先，此类致动器可以提供足够的力(或可替代地，活塞的足够位移)来转动并牢固地关闭该阀，似乎是不太可能的。其次，当温度再次上升时，致动器中膨胀的蜡将引起该阀重新打开，这将允许水恢复流动并通过已在冰冻条件下引起的任何破裂泄漏。
发明内容
本发明提供如权利要求1中限定的温度响应阀控制器。
本发明还提供如权利要求13中限定的操作温度控制阀的方法。
本发明的优选但非必要特征在从属权利要求中限定。
本发明解决现有技术的问题，因为弹簧中存储的能量用于驱动阀至其第二位置。热致动器必须仅提供足够的能量、力和位移，以释放闩锁，这使得其设计更简单，所以现有的致动器可能是足够的。
在本发明控制从外部供应的水流动的典型应用中，例如，代替家庭止水栓，本发明的目的不是防止破裂管。即使当阀已经关闭时，通常阀下游的管将仍然充满水，因此它们仍然容易冻结。相反，本发明的目的是防止在管爆裂之后由恢复水到管的供应而引起的损坏。一旦已释放闩锁，所述阀由弹簧力保持关闭，直到手动复位，这可以被推迟直到进行对损坏的检查之后。
附图说明
图1是根据本发明的温度响应阀控制器的无壳体的前视图。
图2是图1的阀控制器的右侧视图。
图3是图1的阀控制器的后视图。
图4是包封在壳体中的图1的阀控制器的前视图。
图5是图4的阀控制器的右侧视图。
图6是图4的阀控制器的后视图。
图7是示出第一备选脱扣装置(trip means)的根据本发明的第二实施例的阀控制器的输出轴的分解透视图。
图8是图7的阀控制器的输出轴的轴线剖视图。
图9是示出两个备选超控装置的根据本发明的温度响应控制器的第三实施例的前视图，所述两个备选超控装置的放大图在图9A和图9B中示意性地示出。
图10是示出第二备选脱扣装置的根据本发明的阀控制器的第四实施例的一部分的透视图。
图11是图10的脱扣装置的组件的分解透视图。
具体实施方式
图1-6所示的温度响应阀控制器包括壳体2,(在图4-6中可见)，所述壳体中安装了输出轴4用于绕其轴线旋转。在暴露于壳体2的外部的输出轴4的一端中，形成了用于接收要被控制的阀(未示出)的阀杆的盲孔6。如图所示，盲孔6具有大致正方形横截面，适合于接合用于欧洲家庭水供应的标准止水栓的正方形阀杆。此类止水栓安装在进入房屋的主供水管上并需要四分之一圈来将其从完全打开位置移动到完全关闭位置。当然，凹部的尺寸和形状可以设定成与任何其他类型的阀杆的横截面互补；可替代地，输出轴4的端部可以从壳体2向外突出，以与阀杆中的凹部接合。提供了诸如安装板(未示出)等装置，用于安装邻近阀的阀控制器的壳体2。壳体2可以方便地形成作为包括由螺钉7或其他固定装置固定在一起的两个部件的外壳。
表簧8绕输出轴4螺旋地缠绕。弹簧8的内端固定在输出轴4中的通道10中，并且该弹簧的外端12固定到壳体2。当输出轴4在一个方向上转动以打开所述阀(该方向是如图1中看到的逆时针方向)时，弹簧8收紧并在输出轴4上施加恢复力，以促使阀回来朝向其关闭位置。轴4和弹簧8可经布置使得甚至当阀完全关闭时，弹簧8继续在其上施加力，从而帮助确保阀完全关闭并由弹簧8的力保持关闭。
输入轴14也可旋转地安装在壳体2中。输入轴14的一端通过与暴露输出轴4的端部的面相对的面从壳体2延伸出。输入轴14因此指向远离阀。输入轴14的露出端可以形成有整体手柄(未示出)，或者形成有齿条或其他用于附接手柄的合适装置(未示出)。优选地，手柄采用与通常附接到止水栓的那些类似的轮子的形式。轮型手柄具有的优势是：该手柄在其自己的直径内转动，而曲柄型手柄需要空间在其周围来转动才能不被阻塞和不引起损坏。
输入轴14通过齿轮组(gear train)联接到输出轴4，这在输入轴14上的手柄用于克服表簧8的力来打开所述阀时提供机械效益。在本发明的图示实施例中，齿轮组包括四个齿轮16、17、18、19和可旋转地安装在壳体2中的中间轴20。第一齿轮16安装在输入轴14上；第二齿轮17和第三齿轮18安装在中间轴20上；第四齿轮19安装在输出轴4上。每个齿轮随其上安装的轴旋转。第一齿轮16以3:1的齿轮比啮合第二齿轮17，并且第三齿轮18以4:1的齿轮比啮合第四齿轮19，由此整个齿轮组给出12:1的机械效益。当然，齿轮的数量和它们之间的齿轮比可以变化，以适应本发明的每个实施例的情况。如图3中最清楚地看到，在该实施例中，第四齿轮19可以仅是扇形齿轮，这是因为输出轴14需要通过仅90°转动所述阀。
输入轴14也承载棘轮齿轮22。摇臂24安装在壳体2中，以可绕枢转点26旋转，由此摇臂24上的棘爪28可以移动到与棘轮齿轮22的齿啮合或者脱离与棘轮齿轮22的齿啮合。该棘爪用作闩锁，以防止齿轮在一个方向(如图3中看到的逆时针方向)上转动。因此，棘爪28与棘轮齿轮22的啮合通过齿轮组16、17、18、19作用，以阻止输出轴4转动并防止所述阀在表簧8的影响下关闭。棘爪28不阻止棘轮齿轮22在相反的方向(图3中顺时针方向)上转动，所以该棘爪仍然能够转动手柄并旋转输入轴14以打开所述阀。
热致动器30也安装在壳体2内。可以使用各种类型的热致动器，其产生直线移动作为对环境温度变化的机械响应。示例包括由形状记忆合金和双金属带或杯形成的元件。优选的是，应该不需要外部动力源。附图示出优选类型的致动器30，其是蜡热致动器。它包括活塞32，其响应蜡或其他介质(附图未示)的主体的热膨胀或收缩在导向件34中滑动。内部或外部复位弹簧(未示出)可以被要求，以响应所述介质的收缩以驱动活塞32缩回到导向件34中。蜡热致动器可容易购得，其结构和操作的细节不形成本发明的一部分。
在本发明的目前实施例中，挂钩38在远离棘爪28的摇臂24的端部上形成。挂钩38由在热致动器30的活塞32端部上形成的环36钩住。当环境温度降到接近冰点的阈值之下时，活塞32缩回并且环36在钩38上拉下。这引起摇臂24绕点26枢转并提起棘爪28脱离棘轮齿轮22的齿。棘轮齿轮22、输入轴14、齿轮组16-19和输出轴4从而使用表簧8中存储的能量自由地旋转，由此阀控制器驱动所述阀到其关闭位置并防止水流入容易冻结的管中。
阀控制器可以设置有一个或多个脱扣装置，其可以手动地操作，即使当环境温度尚未降至阈值之下时使用表簧8的能量关闭所述阀。在图1-6中，远离热致动器的摇臂24的端部承载在壳体2外部延伸的脱扣杆40(图4)。用户可以手动地提起脱扣杆40，以从棘轮齿轮22脱开棘爪28并释放该机制，以驱动所述阀关闭。在致动器30的活塞32上形成的环36足够大，以不干扰摇臂24以这种方式的手动移动。
显然，同样地，脱扣杆可以在邻近热致动器的摇臂24的端部上形成，在这种情况下该脱扣杆需要被压下，以便释放该机制。在其他实施例中，脱扣杆可以通过90°转动，以从壳体2的顶部延伸。通过在壳体2内提供合适的联动装置，位于其外部上的几乎任何地方的杆或按钮可经布置实现摇臂24的期望移动。
止水栓和其他阀频繁地安装在难以接入的位置中，所以可能需要提供可以远程操作的脱扣装置。在本发明的该实施例中，远程操作的脱扣装置的示例包括气缸42和在气缸内滑动的活塞44(图1)。活塞的露出部分联接到摇臂24，使得当延伸时，活塞将提起棘爪28脱离棘轮齿轮22的齿。柔性管(未示出)在便于用户的位置中将气缸44连接到遥控开关。通过手动地操作开关，活塞42可以通过所述管气动地、液压地或机械地(例如通过鲍登线的使用)控制。
图7和图8示出包括备选脱扣装置的本发明的实施例。在该实施例中，齿轮组的第四齿轮19不直接固定到输出轴4，而是经由传动销50固定到输出轴4。传动销50延伸穿过输出轴4中的相对狭槽52并突出超过狭槽52，以与第四齿轮19中形成的相对键槽特征部54接合。如图所示，有两对相对键槽54，但是单对或较高数量的对数也是可能的。(键槽54对越多，在一对键槽54可以与传动销50衔接之前齿轮19将必须转动的角度越小。)在该配置中，传动销50传输第四齿轮19和输出轴4之间的转矩，使得该机制正好如关于图1-6所述起作用。
该实施例中的输出轴4是中空的并且沿其中心延伸脱扣销56。在一端附近，脱扣销56由横向孔58穿孔，所述横向孔58环绕输出轴的狭槽52之间的传动销50。脱扣销56的另一端60是远离所述阀的一端，从壳体2的外部伸出并在脱扣按钮62中终止，所述脱扣按钮62可以与脱扣销56整体形成或者可以是如图所示的单独组件。复位弹簧64向外(即朝向其伸出端)偏置脱扣销56，这保持传动销50与键槽54接合。
当手动按下脱扣按钮62时，脱扣销56被迫向下(如图8中所示)，并且传动销50承载有该脱扣销，使得该脱扣销沿输出轴4壁中纵向对准的狭槽52移动并脱离与第四齿轮19中的销槽54的接合。这具有这样的影响：从输出轴4去耦齿轮组16-19使得输出轴自由地旋转并在表簧8的影响下关闭所述阀，即使输入轴14和齿轮组16-19保持防止通过棘爪28和棘轮齿轮22之间的啮合而旋转。(输入轴14、棘轮齿轮22和棘爪28未在图7和图8中示出，但可以与图1-3中的那些相同。)
图8也示意性地示出安装在输出轴4上的状态指示器66，其随轴4转动并且可以例如通过开口或窗口(未示出)从壳体2外部看到。这允许用户容易看到所述阀是否处于打开状态或关闭状态。
阀控制器还可以设置有超控装置，其与脱扣装置相比，即使当环境温度确实降至阈值之下时防止该控制器关闭所述阀。图9示出根据本发明的阀控制器，其仅在除说明两个备选种类的超控装置以外的微小方面不同于图1-6的实施例。单个阀控制器中包括两种类型，通常不会是必要的。
图9A示出超控装置，其利用锁定柱塞70来防止第四齿轮19的旋转。此类锁定柱塞是可购的零件。锁定柱塞70安装在壳体2中的孔中，使得拇指轮72呈现在壳体的外部上。拇指轮72的旋转引起销74被推入壳体的内部，其中销74可以在围绕第四齿轮19外周的一系列孔76之一中接合，并防止第四齿轮和相关联的输出轴4旋转，即使棘爪28被释放。明显地，锁定柱塞70可以通过与其他的齿轮16、17、18、22中的任一个接合而类似地工作。
图9B示出利用与第一棘爪28无关地接合棘轮齿轮22的第二超控棘爪78的超控装置。超控棘爪78可以使用从壳体2的外部可以接近的按钮80推动与棘轮齿轮22接合。超控棘爪78然后作用，以防止棘轮齿轮22和该机制的其余部分的旋转，使得甚至当第一棘爪28由热致动器30自动地脱开时，所述阀无法关闭。将注意的是，按钮80和超控棘爪78之间的连接包括一自由度，以当齿轮在手柄82的卷绕期间在逆时针方向(如图9中看到)上旋转来打开所述阀时允许棘爪78通过棘轮齿轮22的齿控制。
按钮80可以设置有伸出的指状抓取器(未示出)，以当超控棘爪78需要脱开时允许其再次被拉起。
图10示出与输出轴4和摇臂24有关的第二备选脱扣装置。该脱扣装置的组件在图11中的分解视图中示出。连杆臂90的第一端连接到摇臂24的远端，邻近其中摇臂24接合热致动器的点。连杆臂90的第二端包括环绕脱扣销94的切口92。脱扣销94包括倾斜凸轮表面95，其接合连杆臂90的切口92。
脱扣销94的第一端位于输出轴4的一端中的凹部中。脱扣销94的第二端从壳体2伸出并包括用于位于壳体2外部的脱扣按钮98的附接件96。螺旋弹簧99在向外的方向上偏置脱扣销94和脱扣按钮98。
为了手动地关闭截止阀，用户抵抗弹簧99的力推动脱扣按钮98,。倾斜凸轮表面95的移动作用在切口92上，以在大致平行于其长度的方向上拉动连杆臂90。这反过来引起摇臂24绕枢轴点26旋转并从棘轮齿轮22释放棘爪28，使得表簧8如前所述自由地驱动所述阀关闭。
虽然该实施例的脱扣销94被示出与输出轴4轴向对准并位于输出轴4中，脱扣销94实际上不随输出轴4旋转，或者以任何必要的方式与其接合。因此脱扣销94、脱扣按钮98和连杆臂90的第二端可以设置在任何方便的替代位置处。
图9也示出固定在输出轴4上的机械止动构件100。当驱动机制被释放(无论手动地经由脱扣按钮98或自动地由热致动器30释放)且所述阀在表簧8的影响下被驱动关闭时，机械止动构件100随输出轴4旋转，直到其抵触一个柱(未示出)或相对于壳体2固定的其他元件。止动构件100因此以不引起对所述阀损坏的控制方式终止弹簧驱动的移动。
本发明的图示实施例已参照在表簧的影响下通过四分之一圈从其打开位置被驱动到其关闭位置的阀的控制进行描述。然而，将理解的是，在其他应用中，可经布置以输出轴的类似四分之一圈将所述阀从其关闭位置移动到其打开位置，例如，以在发生冻结之前排空储水箱，或者以允许水穿过管的滴流，使得其不太可能冻结。
其他类型的阀可要求多于四分之一圈用于其操作。这将不要求本发明的机制变化，除了确保为表簧的强度和齿轮比选择合适的值以外，使得所要求的圈数可以手动地应用于输入轴，而无不适当的努力。
本文所述的机制只需要很少的适应，以允许其响应上升到比阈值高的温度，例如以打开来自储存箱的导管在火灾的情况下释放水或其他灭火剂，或者在其他温度控制应用中释放冷却剂。另一个示例可以是也在火灾的情况下切断气体或易燃液体从供应的流动。此类应用也意在落入本发明所请求保护的范围内。
本发明不只适用于承载水的管，也可以同样地用于保护承载易于冻结的其他液体的管。也可以用于打开或堵住任何其他气体或液体的流动，其中要求通过机械热致动进行控制。热致动器将被设计成使得其用于致动的阈值温度适于所讨论的液体的冰点。

Claims (16)

1.一种温度响应阀控制器，其包括：
输出轴(4)，其在第一位置和第二位置之间可旋转；
弹簧(8)，其作用在所述输出轴(4)上，以驱使其朝向所述第二位置；
闩锁(22、28)，其限制所述输出轴(4)在所述弹簧(8)的影响下朝向所述第二位置的移动；和
热致动器(30)，其机械地操作来释放所述闩锁(22、28)以响应环境温度超过阈值。
2.根据权利要求1所述的阀控制器，其中所述弹簧(8)是作用在所述输出轴(4)上的表簧。
3.根据权利要求1或2所述的阀控制器，还包括手柄，其用于抵抗所述弹簧(8)的力手动地将所述输出轴(4)从所述第二位置移动到所述第一位置。
4.根据权利要求3所述的阀控制器，其中所述手柄布置为驱动输入轴(14)的旋转；所述阀控制器还包括齿轮组(16-19)，用于将所述输入轴(14)联接到所述输出轴(4)。
5.根据权利要求4所述的阀控制器，其中所述闩锁(22、28)作用在所述输入轴(14)上，以限制所述输出轴(4)经由所述齿轮组(16-19)的移动。
6.根据权利要求5所述的阀控制器，其中所述闩锁包括棘爪(28)，用于使棘轮齿轮(22)接合安装在所述输入轴(14)上。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的阀控制器，还包括用于手动地释放所述闩锁(22、28)的脱扣装置(40、90)。
8.根据权利要求7所述的阀控制器，还包括用于所述脱扣装置(40、90)的远程操作的机械、气动或液压控件(42、44)。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的阀控制器，还包括用于防止所述闩锁(22、28)释放的超控装置(78、80)。
10.根据权利要求1-8中的任一项所述的阀控制器，还包括超控装置(70-76)，用于如果所述闩锁(22、28)释放防止所述输出轴(4)旋转。
11.根据前述任一项权利要求所述的阀控制器，其中所述热致动器(30)通过介质的收缩操作以响应温度下降。
12.一种操作温度控制阀的方法，包括步骤：
抵抗弹簧(8)的力将阀构件从第二位置旋转到第一位置；
接合闩锁(22、28)以限制所述阀构件在所述弹簧(8)的影响下朝向所述第二位置的移动；以及
布置热致动器(30)，以机械地操作来释放所述闩锁(22、28)以响应环境温度超过阈值。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括当所述环境温度尚未超过所述阈值时，手动地使用脱扣装置(40、90)以释放所述闩锁的步骤。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括如果所述环境温度超过所述阈值，手动地设置超控装置(78、80)以防止所述闩锁(22、28)的释放的步骤。
15.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法，其中所述阀在所述第一位置中打开，在所述第二位置中关闭。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述阀是用于供水到建筑物的止水栓。
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