CN113939679A - 流量受控的活塞阀 - Google Patents

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T·玛格西
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Abstract

活塞阀(10)具有中空壳体(13)、入口(11)和仅通过活塞阀与入口连通的出口(12)以及能相对于壳体向内和向外移动的按钮(27)，该按钮的两个位置设定活塞阀的关闭或打开状态，该活塞阀还包括布置在壳体的内部空间中并被引导而轴向移位的阀活塞(17)、设置在横向布置的元件上的阀座(14)，阀活塞在被压到阀座上时处于关闭状态，入口经通路(16)通入壳体的内腔中，使得在阀活塞的关闭状态下其下部部分封闭该通路。与阀座轴隔开的壳体内腔中还布置有控制阀(30)，其开闭由按钮的位置控制，在壳体的内部空间中在阀活塞与控制阀间形成有其大小取决于阀活塞的瞬时位置的中间空间(34)，在阀活塞的两个端面间设有提供小流体流量的分流通路。

Description

流量受控的活塞阀
技术领域
本发明涉及一种活塞阀，其具有中空壳体、设置在壳体中的入口、仅通过活塞阀与入口连通的出口以及可以相对于壳体向内和向外移动的按钮，其中，按钮的推入和拉出状态设定活塞阀的关闭或打开状态，该活塞阀还包括布置在壳体的中空内部空间中并被引导沿着纵向轴线移位的阀活塞、设置在垂直于所述纵向轴线延伸的元件上的阀座，其中在阀活塞在它被按压到阀座时的极限位置，活塞阀处于关闭状态。
背景技术
在一些应用中需要通过压力操作的阀，例如当水流应该轻松快速地打开或关闭并且无需调节流量时。广泛使用的带有旋转臂或只有单个臂的水龙头的操作在特定应用中过于复杂，或者在湿滑区域中不安全，或者打开和关闭需要一定程度的技巧。在其它领域中，此类水龙头的大尺寸使它们无法使用。
已经提供了几种用于通过按钮控制打开/关闭的解决方案。例如DE 10 2009 008194提出了一种这样的解决方案，其中除了打开和关闭外还可以提供入口朝向多个出口的分支。在该解决方案中，通过按下按钮，可以引起陶瓷体分几步的角位移，所述陶瓷体具有多个开口，并且在陶瓷体的下方或上方存在另一种不同的陶瓷体，其也具有开口并且水流将基于这些开口的相对位置而被打开或关闭或被引导到不同的出口。
在DE 101 37611中可以了解到借助于陶瓷盘的转动进行流体打开和关闭以及分支，其中转动以与圆珠笔的打开和关闭相似的方式发生，在圆珠笔中，成形元件的转动导致圆珠笔的书写头的位置的升高或下沉。
在经典阀的情况下，活塞可以沿轴向方向移动到阀座上方，在推动状态下流动路径中断，而在拉动状态下该路径打开。该操作不允许通过重复推动相同的操作装置来发生从关闭状态到打开状态以及从打开状态到关闭状态的变化。
机械操作式活塞阀的缺点在于，关闭和打开操作的瞬态过程取决于操纵的方式，并且操作所需的力也不独立于流体的压力。
此外，也并非毫不相干的是，诸如按钮的操纵装置只能执行打开和关闭的功能，或者它的结构设计允许通过利用其某些进一步的参数(例如通过其转动)可以执行又一些重要功能(例如冷热水的混合，或入口与多个出口的互相连接，或此类功能的组合)。
在某些应用中，与操纵装置的启动相比，可能需要流路的打开和关闭以一定的延迟发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种活塞阀，该活塞阀可以通过反复按下按钮来实现与阀功能相关的控制，其中，按钮不与直接操作该阀的活塞进行直接的机械连接，因此使用者不会影响打开和关闭步骤的瞬态过程。
本发明的又一任务是确保活塞阀的操纵装置的除推动以外的其它参数(例如其转动)可用于执行其它功能而不影响主要功能的执行。
再一任务是提供一种活塞阀，其中与按钮的操作相比，阀的打开和/或关闭以一定的延迟发生。
为了实现这些任务，提供了一种活塞阀，该活塞阀包括具有纵向轴线的中空壳体、设置在壳体中的入口、仅通过活塞阀与入口连通的出口、以及能相对于壳体向内和向外移动的按钮，其中，该按钮的推入和拉出状态设定活塞阀的关闭和打开状态，该活塞阀还包括：阀活塞，其具有两个相对的端面、布置在壳体的中空内部空间中、并被引导沿着纵向轴线移位；设置在垂直于纵向轴线延伸的元件上的阀座，其中，在阀活塞在被压到阀座上时的极限位置，活塞阀处于关闭状态，所述入口经由一通路通入壳体的内腔中，使得在阀活塞的关闭状态下，阀活塞的下部部分关闭所述通路，并且根据本发明，在壳体内腔内与阀座相距预定轴向距离地布置有控制阀，该控制阀的开闭通过按钮的位置来控制，在壳体内部在阀活塞与控制阀之间形成有中间空间，该中间空间的大小取决于阀活塞的瞬时位置，在阀活塞的两个端面之间设置有提供小流体流量的分流通路，其中，分流通路的截面小于处于打开状态时的控制阀的流动截面，在控制阀的上方，壳体的内腔在控制阀与按钮之间限定了上部空间，在上部空间中布置有弹簧，该弹簧将控制阀压向其关闭方向，在中间空间中布置有又一弹簧，该又一弹簧推压阀活塞压以使之处于关闭位置，该壳体包括将阀座下方的内部空间与上部空间互相连接的通路，按钮与阀活塞之间不存在机械连接，并且按钮仅通过利用所建立的流体流和相关的压力模式来控制阀活塞。
在活塞阀的一个优选实施例中，在阀活塞的外表面上设置有径向沟槽，由弹性材料制成的环插入该沟槽中，其中，该沟槽的宽度和/或深度大于该环的尺寸，并且由此产生的间隙构成所述分流通路或其至少一部分。
在一个替代或补充实施例中，沿着阀活塞的外罩(外皮，外层，mantle)设置有至少一个轴向切口，该切口构成所述分流通路或其至少一部分。
在又一优选实施例中，壳体的上部部分上固定有封闭体，控制阀具有形成在所述封闭体的下端部中的阀座，该封闭体具有构成所述上部空间的中空内部空间，按钮被引导并密封在封闭体中，控制阀由穿过上部空间并与按钮连接的杆操作，并且为控制阀提供偏压力的所述弹簧围绕该杆设置。
在这种情况下，优选地，如果阀活塞包括接纳和支承弹簧端部的内凹窝，围绕该凹窝布置有外部环，该凹窝具有上表面，在活塞阀的完全打开状态下，该上表面抵靠封闭体(23)的下端部。
如果封闭体以允许其围绕纵向轴线转动的方式密封地固定在壳体中，则可以实现进一步的功能。
如果借助于调节所述分流通路的截面与推动按钮的时刻相比可以延迟活塞阀的打开和关闭，则可以获得进一步的优点。
附图说明
现在将结合本发明的优选实施例描述根据本发明的活塞阀，其中将参考附图。在附图中：
图1示出了处于其关闭位置的根据本发明的活塞阀的剖视图；
图2是与图1相似的剖视图，示出了处于其初始打开阶段的阀；
图3是与图1相似的剖视图，示出了处于其打开状态的阀；
图4是与图1相似的剖视图，示出了处于其初始关闭阶段的阀；以及
图5a、5b和5c分别示出了控制阀17的俯视图、侧视图和仰视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明控制和设计的活塞阀10的剖视图。该活塞阀10具有入口11和出口12。入口11借助于图中未示出的连接件连接到加压的混合水源，其中混合水的温度由构成的冷水和热水的流量(流速)决定。出口12可以例如连接到处于正常大气压下的也未在图中示出的淋浴喷头。图1示出了当入口11和出口12之间没有流体通路时处于关闭状态的活塞阀10。
活塞阀10具有壳体13，该壳体具有柱形的中空体部，在其下部部分具有阀座14，该阀座14由垂直于壳体13的纵向轴线15延伸的非对称设计的分离构件构成，该分离构件具有与出口12连通的中心开口。在壳体13的内部空间中，在图1的左侧，设置有竖直通路16，该竖直通路终止于阀座14的上方并且与入口11连通。
在壳体13的内腔中，在阀座14上方的空间中布置有部分关闭的阀活塞17，其具有形成为柱形管道的底部部分，在该柱形管道上设置有用于接纳密封环18的沟槽。阀活塞17具有较宽的柱形上部体部部分，其上设置有向外开口的沟槽19，直径比沟槽19的尺寸小的O形环20插入该沟槽19中，由此阀活塞17不提供其下方和上方的空间之间的密封分离。应当注意，阀活塞17的设计在图5a、5b和5c中详细示出，在这些图中可以看到，除了不完全闭合的环20之外，在阀活塞17的外罩中还设置了一对轴向切口21、22，它们各自构成具有小截面的通路，这些通路用作阀活塞17的两个端面之间的分流支路。关于阀活塞17，属性“部分关闭”表示由其分隔的两个空间彼此不密封，而是在它们之间存在预定程度的流体通路。
再次参考图1，其中可以看出，封闭体23附接到壳体13的上侧，其外径基本上等于壳体13的直径，并且封闭体23被设计为相对于纵向轴线15对称并沿着逐步变窄的区段延伸到壳体13的内腔中。封闭体23还具有带有下端部24的中空内部空间，其在下端部24的下方和上方容纳相应的凹窝。为阀活塞17提供偏压的弹簧25的上端插入到下凹窝中，并且为按钮27提供偏压的弹簧26的下端布置在上凹窝中。按钮27插入到封闭体23的中央开口中，并且它被引导沿着纵向轴线15轴向移位。在按钮27的中央下部部分中固定有带螺纹的杆28。该杆28的下端部稍宽并具有向外开口的圆形沟槽，密封环29布置在该沟槽中。在封闭体23的下端部24处形成有具有锥形下部外表面的凹部。杆28与密封环29一起构成控制阀30，并且其轴向位移通过按钮27在壳体13的内孔中的密封引导来实现。
弹簧26布置在按钮27的内表面和封闭体23的下端24的上表面的中央部分之间，并在向上的方向上、亦即向壳体13的外侧按压按钮27。
偏压弹簧25布置在端部24的下部凹部与阀活塞17之间，并将阀活塞17向下压向阀座14。弹簧25的下端部由形成在阀活塞的上表面中的凹窝保持。该凹窝被柱形环包围，该柱形环的上表面形成阀活塞17的上表面。
在图1的右侧所示的壳体13的壁中设置有竖直通路31，其下端在阀座14下方与壳体13的内腔相通，从而与出口12连通，且其上端与限定在按钮27的下表面与封闭体23的下端部24之间的上部空间32连通。杆28的直径略小于设置在封闭体23的下端部24的中心部分中的轴向孔33，因此在按钮27的按压状态下，上述上部空间32与形成在封闭体23的下端部24与阀活塞17之间的中间空间34连通。
根据本发明的活塞阀的操作如下。
在图1所示的位置，活塞阀17被偏压弹簧25压到阀座14上，该阀被密封环18密封。中间空间34中的压力与入口11处存在的压力相同，该压力高于大气压力。在上部空间32中只存在大气压力，因为现在控制阀30处于关闭状态(按钮27处于其上部位置)，即，中间空间34中的压力不同于上部空间32中的压力。上部空间32中的大气压力通过通路31产生，因为该通路的下端与出口12的连通确保了该大气压力。在该位置，中间空间34中的超压作用在杆28的最下表面上，由此该压力高于由弹簧26在控制阀30上提供的偏压，该控制阀30被压向其自身的阀座并保持关闭。相同的超压还作用在阀活塞17的上端部上，该超压与由弹簧25提供的压力一起将该阀活塞压向其自身的阀座14。
现在参见图2，其中按钮27显示为处于按下位置，即其上端部落在封闭体23的上平面中，控制阀30处于打开状态，因为密封环29移动离开其带有斜面的阀座。当控制阀30打开时，流体通路在中间空间34和上部空间32之间通过轴向孔33打开，并且由于在上部空间32中仅存在低(大气)压力的事实，流体将流过上部空间32中的开放的孔33，并且中间空间34中的压力将降低。阀活塞17的下表面和上表面之间的压力差将克服弹簧25的偏压力沿着纵向轴线15向上推动并移动阀活塞17，由此在阀活塞17下方的通路将打开以用于混合水流向出口12，并且该压力本身也将通过通路31出现在上部空间32中。
由于所描述的压力分布，阀活塞17将向上移动直至其抵接，该状态在图3中示出。阀活塞17的上表面(由前面提到的环形成)抵接封闭体23的下端部24的下表面，并且中间空间24的容积减至最小。阀活塞17的下表面和上表面之间的分流路径显著减少。从入口11流出的流体的压力克服弹簧25的偏压力沿向上方向挤压阀活塞17，并且在入口11与出口12之间提供自由流动路径。上部空间32中的压力基本上对应于出口12处的压力。阀活塞17的两个相对面之间的压力差使其保持在图3所示的打开位置。
该自由流动路径可以通过按钮27的提升而关闭。然后控制阀30处于图4所示的关闭位置。通过控制阀30的关闭，上部空间32与阀活塞17上方的中间空间34(减至最小)之间的流动路径被中断。阀活塞17下方增大的压力迫使流体流入中间空间34，由此阀活塞17的上下表面之间的压力差减小到零，并且弹簧25的偏压力沿向下的方向推动阀活塞17，直至它到达图1所示的位置。然后入口11与出口12之间的流体路径被中断，并且阀关闭。在上部空间32中，大气压力将再次通过通路31占优势。
在这种设计中，如果入口11处的压力由于任何原因消失，则弹簧25会将阀活塞17推入最低位置—在该位置阀变成关闭状态，并且弹簧26将类似地关闭控制阀30。这样，如果供水系统出现任何问题并且超压消失，则自动进入全闭状态，当压力恢复时，只有再次有意按下按钮27后才能开始流动。
根据本发明的解决方案的特征在于，在按钮27与打开和关闭主流动路径的阀活塞17之间不存在某种直接机械连接，因为阀活塞17仅通过与偏压弹簧25、26的作用一起提供的流动和压力分布模式而移动。打开和关闭瞬态过程的速度可以通过分流通路的设计以精细的方式控制，即，减少了阀活塞17的外部密封以及切口21、22的尺寸和通路31的截面和长度。
该解决方案的特点在于，阀活塞17的两个相对面之间的流动路径的截面首先由切口21、22的截面以及沟槽19与环20之间的间隙决定。如果这些通路的截面改变、即减小，则流体在两个相对面之间只会更慢地流动，并且前面提到的压力平衡需要更长的时间，这导致阀的关闭和打开延迟。可以存在这样的应用领域，其中水流的开始仅在按下按钮27之后延迟地发生。延迟的程度可以通过分流路径的上述截面的变化来调整。
所述实施例的又一特征在于，阀的操作不需要转动按钮27或封闭体23。因此这些元件的相对角位置可以是固定的，这提供了更多控制功能的余地和可能性。因此，封闭体23以密封方式布置在壳体13中，但它可以围绕轴线15转动。当然，尽管壳体13和封闭体23的相对角位置是固定的，但也提供了转动的可能性，并且在这种情况下壳体13和封闭体23可以一起转动。

Claims (7)

1.一种活塞阀(10)，该活塞阀包括具有纵向轴线(15)的中空壳体(13)、设置在所述壳体(13)中的入口(11)、仅通过所述活塞阀(10)与所述入口连通的出口(12)、以及能够相对于所述壳体(13)向内和向外移动的按钮(27)，其中，所述按钮(27)的推入和拉出状态设定所述活塞阀(10)的关闭和打开状态，所述活塞阀还包括：阀活塞(17)，其具有两个相对的端面、布置在所述壳体(13)的中空内部空间中并被引导沿着所述纵向轴线(15)移位；设置在垂直于所述纵向轴线(15)延伸的元件上的阀座(14)，其中，在所述阀活塞(17)在被压到所述阀座(14)上时的极限位置，所述活塞阀(10)处于关闭状态，所述入口(11)经由通路(16)通向所述壳体(13)的内腔中，使得在所述阀活塞(17)的关闭状态下，所述阀活塞(17)的下部部分封闭所述通路(16)，其特征在于，在所述壳体(13)的内腔中在距所述阀座(14)预定的轴向距离处布置有控制阀(30)，所述控制阀(30)的打开和关闭由所述按钮(27)的位置控制，在所述壳体(13)内部在所述阀活塞(17)与所述控制阀(30)之间形成有中间空间(34)，所述中间空间(34)的大小取决于所述阀活塞(17)的瞬时位置，在所述阀活塞(17)的两个端面之间设置有提供小流体流量的分流通路，其中，所述分流通路的截面小于处于打开状态时的所述控制阀(30)的流动截面，并且在所述控制阀(30)的上方，所述壳体(13)的内腔在所述控制阀(30)与所述按钮(27)之间限定了上部空间(32)，在所述上部空间(32)中布置有弹簧(26)，该弹簧将所述控制阀(30)压向其关闭方向，并且在所述中间空间(34)中布置有又一弹簧(25)，该又一弹簧推压所述阀活塞(17)以使之采取关闭位置，并且所述壳体(13)包括使所述阀座(14)下方的内部空间与所述上部空间(32)互相连接的通路(31)，所述按钮(27)与所述阀活塞(17)之间不存在机械连接，所述按钮(27)仅通过利用所建立的流体流和相关的压力模式来控制所述阀活塞(17)。
2.如权利要求1所述的活塞阀，其中，在所述阀活塞(17)的外表面上设置有径向沟槽(19)，由弹性材料制成的环(20)插入所述沟槽(19)中，其中，所述沟槽(19)的宽度和/或深度大于所述环(20)的尺寸，并且由此产生的间隙构成所述分流通路或其至少一部分。
3.如权利要求1所述的活塞阀，其中，沿着所述阀活塞(17)的外罩设置有至少一个轴向切口(21，22)，所述切口构成所述分流通路或其至少一部分。
4.如权利要求1所述的活塞阀，其中，封闭体(23)固定在所述壳体(13)的上部部分上，并且所述控制阀(30)具有形成在所述封闭体(23)的下端部(24)中的阀座，该阀座具有构成所述上部空间(32)的中空内部空间，所述按钮被引导并密封在所述封闭体(23)中，所述控制阀(30)由杆(28)操作，该杆被引导穿过所述上部空间(32)并连接到所述按钮(27)，偏压所述控制阀(30)的所述弹簧(26)围绕所述杆(28)布置。
5.如权利要求4所述的活塞阀，其中，所述阀活塞(17)包括内凹窝，所述内凹窝接纳并支承所述弹簧(25)的端部，外部环围绕所述内凹窝布置，所述内凹窝具有上表面，在所述活塞阀(10)的完全打开状态下，该上表面抵靠所述封闭体(23)的下端部(24)。
6.如权利要求4所述的活塞阀，其中，所述封闭体(23)以允许其围绕所述纵向轴线(15)转动的密封方式固定在所述壳体(13)中。
7.如权利要求1所述的活塞阀，其特征在于，通过调节所述分流通路的截面，与按下所述按钮(27)的时刻相比，能延迟所述活塞阀(10)的打开和关闭。
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