KR100643578B1

KR100643578B1 - 사이펀관과 분사노즐을 이용한 양변기 세정장치

Info

Publication number: KR100643578B1
Application number: KR1020060034250A
Authority: KR
Inventors: 신우승; 김봉석; 이홍석
Original assignee: 이수인 (주)
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2006-11-10

Abstract

사이펀관과 분사노즐을 이용한 양변기 세정장치가 개시된다. 본 발명의 양변기 세정장치는 내부의 수위에 따라 급수를 개폐하는 볼탭을 통하여 일정량의 세정수를 보유하는 저수조, 볼탭에서 급수관을 통하여 급수를 공급받는 분사노즐, 분사노즐 상부에 배치되어 급수와 저수조 내의 세정수가 합친 혼합 세정수를 저수조 토출구를 통하여 변기본체에 공급하는 역 U자형의 사이펀관으로 구성된다. 본 발명의 양변기 세정장치는 물 마개를 대체하는 사이펀관을 이용하여 누수를 방지할 수 있으며, 양변기 저수조가 낮을 때에도 효과적으로 세정수를 변기본체에 제공할 수 있다.

양변기, 분사펌프, 볼탭, 사이펀, 수문, 분사노즐

Description

사이펀관과 분사노즐을 이용한 양변기 세정장치{WASHING EQUIPMENT OF TOILET STOOL HAVING SIPHON PIPE AND JET NOZZLE}

도 1은 종래기술에 따른 양변기를 나타내는 단면도이다.

도 2는 종래기술에 따른 양변기의 저수조 내부를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양변기 세정장치를 나타내는 단면도이다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양변기 세정장치의 작동원리를 나타내는 단면도들이다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 양변기 세정장치를 나타내는 단면도이다.

도 9 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양변기 세정장치의 작동원리를 나타내는 단면도들이다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양변기 세정장치의 비정상 상태를 나타내는 단면도들이다.

도 15는 분사펌프의 M-N 특성곡선을 나타내는 도면이다.

도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 내부 쓰로트를 나타내는 사시도이다.

도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 양변기 세정장치를 나타내는 단면도이 다.

도 18 내지 도 21은 본 발명의 제3 실시예에 따른 양변기 세정장치의 작동원리를 나타내는 단면도들이다.

도 22 및 도 23은 본 발명의 제3 실시예에 따른 오동작시에 자기 수정과정을 나타내는 도면들이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 101, 201 : 저수조 120, 220 : 볼탭

123 : 분사노즐 125, 225 : 사이펀관

137, 237 : 분배기 239 : 제1 분사노즐

249 : 제2 분사노즐 251 : 내부 쓰로트

253 : 수문

본 발명은 양변기 세정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사이펀관과 분사노즐을 이용한 양변기 세정장치에 관한 것이다.

양변기는 볼탭을 통하여 급수를 공급받아 세정수를 저장하는 저수조와 저수조의 하부에 설치되는 변기본체로 이루어지며, 세정수는 저수조에 설치된 조작레버의 작동에 의해 물 마개가 열리게 되면 변기본체측으로 배출되어 용변과 함께 배출되는 구조로 되어 있다. 이러한 양변기는 저수조와 변기본체가 분리되어 있는 투피 스(two-piece) 양변기와 저수조와 변기본체가 일체로 형성된 원피스(one-piece) 양변기로 구별될 수 있으며, 원피스 양변기는 다시 일반 원피스 양변기와 하이탱크형 원피스 양변기로 구분된다. 최근에는 주택 고급화로 디자인 측면에서 고급스러운 원피스 양변기가 많이 보급되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 양변기를 나타내는 단면도이며, 도 2는 종래기술에 따른 양변기의 저수조 내부를 나타내는 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 용변을 세척하기 위해 사용자가 조작레버(11)를 작동시키게 되면, 이 조작레버(11)에 체인(17)으로 연결된 물 마개(15)가 상부로 회전하여 저수조(1)의 수로(13)를 개방하게 되고, 이 수로(13)를 통하여 저수조에 저장된 저장수(3)는 변기본체(27)의 제트수로(23)를 통하여 제트 분사구(25)로 배출되며, 이와 동시에 일부의 저장수는 림의 배출공(26)을 통하여 배출되어 용변과 함께 바닥 배출구(29)로 배출된다.

저수조(3) 내의 세정수가 설정된 양만큼 수로(13)를 통하여 빠져나가면, 물 마개(15)는 닫히어 수로(13)를 차단한다. 이 때 볼탭(7)은 급수관(5)을 통하여 급수를 저수조측에 공급하여 저수조(1)에 세정수를 채운다. 세정수가 설정된 수위만큼 차오르면 부자공(9)의 작용으로 볼탭(7)은 급수를 차단하고 다음 동작을 대기한다. 도면의 미설명 도면부호 '21'은 보충수관을 나타내며, '19'는 넘침관을 나타낸다.

저수조(1)에 저장한 세정수를 변기본체의 수세작용에 활용하는 양변기의 세척성능은 저수조(1)에서 토출되는 세정수의 유량에 의존한다. 그런데, 변기본체의 세정수 유로와 최종적으로 세정수를 토출하는 부분의 단면적은 일정하므로, 세정수의 유속이 세정수 유량의 중요한 인자로서 작용한다.

식 1 :

(v : 세정수의 유속, g : 중력가속도, H : 저장수의 수위)

저수조에서 토출되는 세정수의 유속은 위의 식 1의 베르누이 방정식에서 나타나듯이 저수조(1)의 저장수(3)의 수위에 의하여 결정된다. 따라서, 양변기의 세척성능을 향상시키기 위해서는 양변기의 저수조(1)를 높은 곳에 위치시키거나 수위를 높여야 한다.

그러나, 최근의 양변기는 주택구조의 변화와 더불어 유려한 디자인과 절수를 선호하는 소비자들의 취향에 따라 저수조(1)의 높이를 더욱 낮추고 있으며, 변기본체의 형상 역시 다양한 변화를 요구하고 있다. 이러한 변화 요구는 양변기의 세척성능을 약화시키는 방향이므로 양변기의 개발에 많은 어려움을 겪고 있다.

또한, 일반적으로 저수조의 세정수의 토출을 제어하는 기능은 물마개(15)를 이용하고 있는데, 고무 물마개(15)는 저수조(1) 정상수위의 수두에 의한 압력으로만 닫혀있기 때문에 고무제품의 생산 시 발생된 평면도 저하 또는 사용 중에 발생하는 이물질 부착, 부식 등에 의한 평면도 저하나 접촉면의 변형 등에 의하여 누수가 쉽게 발생되는 문제점이 있었다. 이와 같은 누수를 방지하기 위해서는 물마개(15)를 대체하는 견고한 구조가 요구되지만, 직경이 약 50 mm 정도인 물탱크의 토출구를 간단한 동작으로 여닫는 주목할 만한 대체 수단이 전무한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 물 마개를 대체하는 사이펀관을 이용하여 누수를 방지하는 양변기 세정장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 양변기 저수조의 높이가 낮더라도 효과적으로 세정수를 변기본체에 제공할 수 있는 양변기 세정장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 양변기 세정장치는 내부의 수위에 따라 급수를 개폐하는 볼탭을 통하여 일정량의 저장수를 보유하는 저수조, 볼탭에서 연결관을 통하여 급수를 공급받는 분사노즐, 분사노즐 상부에 배치되어 급수와 저수조 내의 저장수가 합친 혼합 세정수를 저수조 토출구를 통하여 변기본체에 공급하는 역 U자형의 사이펀관으로 구성된다.

본 발명에 있어서, 볼탭에는 수위에 따라서 급수를 저수조측과 노즐측으로 전환하는 전환부가 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 분사노즐은 다수개의 직렬로 구성할 수 있으며, 바람직하게는 볼탭에서 연결관을 통하여 급수를 공급받는 제1 분사노즐, 제1 분사노즐과 대향 배치되는 제1 쓰로트, 제1 분사노즐과 제1 쓰로트 사이에 형성된 유입구, 및 제1 쓰로트에서 연장된 제2 분사노즐로 구성할 수 있다. 또한, 제1 분사노즐과 제1 쓰로트 사이에는 부력을 갖는 볼이 삽입된 볼 안내관이 소정길이만큼 위로 연장되어, 수위에 따라서 급수를 저수조측과 제2 분사노즐측으로 전환할 수 있다.

본 발명에 있어서, 연결관에서 분기되는 조절관에는 정량의 급수를 노즐측에 제공하는 분배기를 더 포함할 수 있으며, 분배기는 외부로 통공되는 유출구, 유출구를 개폐하는 개폐판, 및 개폐판에 탄성력을 제공하여 연결관의 수압에 따라 유출구의 개폐를 조절하는 탄성체로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 역 U자형 사이펀관의 내부에는 내부 쓰로트 및 수문을 더 포함하여 수두비를 가변시킬 수가 있으며, 내부 쓰로트는 사이펀관의 인입구 내부 중앙에 배치되며, 수문은 내부 쓰로트의 외주면과 사이펀관의 내주면 사이에는 반원형의 수문 두 개가 힌지구조로 개폐가 가능하도록 설치할 수 있다.

본 발명에 있어서, 양변기 세정장치의 작동은 사용자가 볼탭의 작동을 개시하는 것을 특징으로 한다. 종래의 양변기 세정장치는 저수조의 저장수를 변기 본체로 토출하고자 하는 경우에는 사용자가 핸들을 사용하여 물 마개를 들어올려서 변기본체로 세척수가 토출되는 구조이지만, 본 발명에서는 사용자가 볼탭의 작동을 개시하게 되는데, 그 작동력이 적어 마치 전자제품의 버튼과 같이 편한 작동감을 갖게 된다.

본 발명에서는 물 마개를 대체하는 사이펀관을 사용한다.

사이펀(siphon)은 고대 알렉산더 시대부터 사용되어 온 유체기계이다. 사이펀은 전형적으로 역 U자 형상의 관으로 입구부를 수조 내부에 두고 출구부를 수조 외부의 토출구에 접속하며, 유체는 수조의 정상 저장수위 보다 높이 올라갔다가 출구부로 내려간다. 사이펀을 작동하기 위해서는 토출구측에서 흡입력을 순간적으로 부가하거나 수조의 수위를 일시적으로 사이펀의 최고점보다 높게 하여 사이펀관 내 부로 유체가 만관이 되게 하여 저장수를 배출하게 된다. 이 때 사이펀 내부에 유체의 흐름이 생기고 유체의 최 앞부분 수두가 수조의 수위보다 낮아지면 수두차에 의해 흐름이 계속적으로 이어지게 되며, 수조의 물이 빠져나가서 유입구에 공기가 들어오면 사이펀 작동이 정지된다. 이러한 사이펀관의 특징은 한번 작동하면 저장수의 수위가 유입구까지 낮아질 때까지 작동을 유지한다.

사이펀관을 사용하는 경우에는 고무 물 마개와 비교하여 누수가 발생하지 않는다는 큰 장점을 갖는다.

아래의 식 2는 사이펀관만을 사용한 경우의 토출유체 운동에너지를 나타낸다.

식 2 : 토출유체 운동에너지 = 저수조 수두 - 사이펀관 손실수두

사이펀관은 세정수가 바로 토출구로 빠져나가는 물 마개 방식에 비해 유체의 흐름이 관로로 이동하고 방향이 180°바뀌기 때문에 유속의 손실이 발생하여 저장수의 토출 성능이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명에서는 이러한 단점을 극복하고 고무 마개 방식의 작동력보다 적은 힘으로 쉽게 사이펀관을 작동시키기 위한 수단으로 분사노즐을 사용한다. 즉, 저수조의 급수를 제어하는 볼탭에 연결관의 일측을 연결하고 연결관의 타측에는 유체를 분사시키는 노즐을 연결한다. 유체를 분사시키는 노즐은 사이펀관 유입구의 내부 중앙에 배치한다.

사용자가 작동레버를 통하여 볼탭의 작동을 개시하면, 급수가 볼탭에서 연결을 통하여 분사노즐로 공급되게 되며, 노즐은 사이펀관의 내부로 빠른 유속으로 급 수를 분사한다. 분사된 유체는 사이펀관 입구를 쓰로트(throat) 역할로 하여 분사펌프를 이루어 주변의 저장수를 사이펀관 내부로 흡입하는 분류작용을 일으킨다. 따라서, 사이펀관 내부는 유체로 만관을 이루면서 수두가 상승한다. 상승한 수두는 사이펀관의 최고지점을 돌아 하강하게 되고, 수두가 저장수의 수두보다 낮은 위치가 되면 사이펀관 내부는 사이펀 작용이 개시되어 저장수가 신속히 사이펀관을 경유하여 저수조 외부로 토출된다. 이 때 노즐에서 급수의 분사를 정지시켜도 사이펀 작용은 지속되지만, 급수를 계속 분사함으로써 토출되는 저장수의 유속을 빠르게 하여 토출유량을 증대시키는 기능을 하게 된다.

저장수 토출 성능 면에서 토출되는 유체를 에너지 보존 관점에서 간략히 정리하면 아래의 식 3와 같다.

식 3 : 토출유체 운동에너지 = 저수조 수두 - 사이펀관 손실두수 + (노즐 분사유체 운동에너지 * 효율)

즉, 분사노즐을 사용하는 경우에는, 사이펀관을 사용했을 때의 손실수두가 있지만 분사유체 운동에너지가 크다면 문제되지 않으며, 오히려 전체적으로 저수조의 수두를 높이는 효과를 얻을 수 있다,

수도관에 공급되는 급수는 통상적으로 급수를 사용하지 않을 때는 2.5~4 kg/cm² 의 수압이 작용하며, 양변기 작동 중에는 유체 흐름에 따른 운동에너지 전환과 배관 및 밸브 등의 손실로 0.5~1.5 kgf/cm² 의 수압이 작용한다. 그러나, 고가수조를 사용하는 건축물의 최고층은 0.3~0.5 kgf/cm² 정도로 다소 낮은 수압이 작용한 다.

사이펀관에 분사노즐을 적용하는 경우에는 작동수압의 영역을 설정하는 것이 중요하다. 작동수압이 분사노즐의 분사유체 속도를 결정하게 되는데, 분사펌프에서는 분사유체의 속도와 흡입과 토출의 유량비율을 고려하여 노즐과 쓰로트의 단면적 비율을 결정하게 된다. 분사유체의 작동 속도 범위가 지나치게 넓게되면 효율의 변화가 심해 원활한 성능을 보증할 수 없게되는 문제점이 있다.

따라서, 작동수압을 일반적인 가정의 로우탱크 양변기에는 0.3~1 kgf/cm² 적합하며, 빌딩과 같은 업무용 검물의 양변기에는 1~2 kgf/cm² 의 수압범위에서 작동하게 사이펀관과 노즐을 설계할 필요가 있다. 이러한 작동수압 특성을 고려하면, 분사펌프의 원활한 작동 유속범위를 고려했을 때 노즐의 직경범위는 3~8 mm 정도가 바람직하다.

사이펀관의 단면적은 저장수의 토출유량 성능을 고려하여 결정하여야 한다. 사이펀관의 단면적은 클수록 토출유량 증대에 유리하지만 사이펀 작용을 일으키기 어려워진다. 즉, 분사펌프와 사이펀관 입구를 조합하여 분사펌프를 구성할 경우에, 분사펌프의 노즐과 쓰로트의 단면적의 비율인 R(노즐 단면적/쓰로트 단면적)에 의해 유량비율과 수두비율의 특성이 결정된다. 기존의 물마개의 직경과 동일한 크기로 사이펀관의 직경을 정할 경우에는, 쓰로트의 직경이 너무 커서 분사펌프에서 R의 값이 너무 작게되어 토출수두가 극히 미약해지므로 초기 분사펌프 작동시 사이펀관 내부를 만관이되게 유체를 토출시키지 못하여 사이펀 작용을 일으키지 못할 수 있다. 따라서, 사이펀관의 직경은 기존 물마개의 직경보다 작게하면서 목표하는 최소 작동수압에서 세정수의 토출유량이 감소하지 않고 종래 물마개 방식과 동일하거나 증대되도록 사이펀관의 단면적과 분사노즐의 직경을 결정하는 것이 바람직하다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면에서 각 층 및 물질들의 모양 및 두께는 설명의 편의를 위하여 과장 또는 개략화된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 부재를 지칭한다.

(제1 실시예)

도 3을 참조하면, 저수조(101) 내부에는 외부 급수관(105)의 용수를 공급하는 볼탭(120)이 배치되어 있다. 볼탭(120)에는 수위에 따라 상하로 이동하는 부자공(115)이 배치되어 저장수(103)의 정상수위에서는 급수를 차단하며, 저장수(103)의 수위가 내려가면 노즐측 연결관(107)으로 급수를 공급하고, 저장수위가 바닥수위까지 내려가면 저수조측 공급관(109)으로 급수를 전환하는 전환밸브(121)가 구비되어 있다. 사용자가 핸들(111)을 내리면 레버바아(117)가 상부로 이동하여 볼탭의 작동링크(119)에 대항하면서, 볼탭(120)에서는 급수가 노즐측 연결관(107)으로 개시된다.

노즐측 연결관(107)은 볼탭(120)에서 급수를 공급받아 저수조(101) 하부에 설치된 분사노즐(123)로 공급한다. 분사노즐(123)의 상부에는 역 U자형의 사이펀관(125)의 인입구(127)가 배치되며, 사이펀관(125)의 토출구(129)는 저수조 토출구(113)와 접속되어 변기본체와 연결된다. 저수조(101) 내부의 저장수(103)가 정상수위인 경우에는 사이펀관(125)의 내부는 대기압이다.

도 4를 참조하면, 사용자가 핸들(111)을 내리면 레버바아(117)가 상부로 이동하여 볼탭의 작동링크(119)에 대항하게 되면, 볼탭(120)에서 급수가 노즐측 연결관(107)으로 개시된다. 노즐측 연결관(107)은 볼탭에서 급수를 공급받아 저수조(101) 하부에 설치된 분사노즐(123)로 공급하며, 노즐(123)은 급수를 사이펀관(125)의 인입구(127)에 분사한다. 노즐에서 급수가 분사되면, 분류작용이 발생하여 노즐에서 분사된 급수(Q_j)와 분류작용에 의한 주변 저장수(Q_s)의 합인 혼합 세정수(Q_d)가 사이펀관(125) 내부로 인입되어 사이펀관의 내부는 만관이 되면서 수두가 상승하게 되며, 사이펀관(125)의 최고점을 돌아 토출구(129)로 하강하여 변기본체로 공급된다. 세정수(Q_d)가 토출구(129)로 배출되면서 저장수(103)의 수위는 하강하며, 이에 따라 부자공(115) 역시 하강하게 된다.

도 5를 참조하면, 사이펀관(125)의 수두가 저수조(101)의 수위보다 낮은 위치로 하강하면 사이펀 작용이 발생한다. 토출되는 유체의 운동에너지는 저장수의 수두와 노즐의 분사에너지이다. 즉, 사이펀관을 사용했을 때의 손실수두가 있지만, 분사유체 운동에너지가 크다면 문제되지 않으며, 오히려 저수조의 수두를 높이는 효과를 얻을 수 있다.

노즐측 연결관(107)은 공급관(135)과 조절관(133)으로 분기되어 있으며, 분기된 조절관(133)에는 분배기(137)가 연결되며, 공급관(135)은 분사노즐(125)과 연결된다. 분배기(137)는 노즐측 연결관(107)을 통해 급수되는 공급수의 압력이 높을 경우에 유출구(138)를 통해 공급수의 일부를 저수조(101) 내부로 방출함으로써 일정한 수압을 갖는 정량의 급수를 분사노즐(127)에 공급할 수 있다. 즉, 볼탭(120)을 통하여 외부 급수관(105)으로부터 공급되는 공급수의 압력이 높거나, 다른 요인에 의해 수압이 불규칙적으로 증가한 때에는, 노즐측 연결관(107)에 공급되는 급수유량(Q_jn)의 압력이 균일하지 않거나 높아질 수 있다. 이 때, 급수유량(Q_jn)의 압력에 의하여 분배기(137)의 탄성체(136)가 수축하면서 개폐판(134)이 후퇴하여 유출구(138)가 개방된다. 유출구(138)가 개방됨과 동시에 공급수의 일부(Q_e)가 배출되면서 노즐측 급수관(107)에서 분기된 공급관(135)의 내부 압력이 낮아진다. 탄성체(136)가 공급수의 압력에 따라 수축하거나 팽창하면서 적정량의 공급수를 저수조로 배출함으로써 공급관(135)으로의 분사유량(Q_j)을 일정하게 유지할 수 있다. 결과적으로, 급수유량(Q_jn)에서 배출유량(Q_e)을 제외한 정량의 분사유량(Q_j)이 공급관(135)에 제공된다.

도 6을 참조하면, 저수조(101)의 바닥수위가 내려가면서, 부자공(115)은 최 하단까지 내려가고, 전환밸브(121)는 노즐측 연결관(107)에서 저수조측 공급관(109)으로 급수를 전환하게 된다. 사이펀관(125) 입구에는 공기가 유입되어 사이펀 작용이 정지되고, 저수조측 공급관(109)의 급수로 인하여 저수조(101)에는 저장수(103)가 저장된다.

도 7을 참조하면, 저수조(101)에 저장수(103)가 저장되면서 수위는 상승하게 되며, 부자공(115)도 부력에 의하여 상승한다. 저장수(103)가 정상수위에 도달하며, 볼탭은 급수를 차단하게 되며, 볼탭의 전환밸브(121)는 노즐측 연결관(107)으로 급수방향을 전환하면서 작동이 완료되어, 다음 동작을 준비하게 된다.

(제2 실시예)

도 8을 참조하면, 저수조(201) 내부에는 외부 급수관(205)의 용수를 공급하는 볼탭(220)이 배치된다, 볼탭(220)에는 부자공(215)이 부자공 지지대(219)로 연결되어 있으며, 수위에 따라서 급수를 개폐하는 단순볼탭(220)이다. 사용자가 핸들(211)을 작동하여 레버바아(217)를 밀게되면 부자공 지지대(219)가 밀리면서 볼탭(220)에서 급수가 개시된다.

급수는 연결관(209)을 통하여 분사펌프의 입력관(230)과 연결된다. 분사펌프의 입력관(230)은 공급관(235)과 조절관(233)으로 분기되어 있으며, 분기된 조절관(233)에는 분배기(237)가 연결되며, 공급관(235)은 제1 분사노즐(239)과 연결된다. 분배기(237)는 분사펌프의 입력관(230)을 통해 급수되는 공급수의 압력이 높을 경우에 유출구를 통해 공급수의 일부를 저수조(201) 내부로 방출함으로써 일정한 수압을 갖는 정량의 급수를 제1 분사노즐(239)에 공급할 수 있다. 제1 분사노즐(239)에 대향해서 제1 쓰로트(247)가 배치되며, 제1 분사노즐(239)과 제1 쓰로트(247) 사이에는 유입구(241)가 형성되어 있다. 또한, 제1 분사노즐(239)과 제1 쓰로트(247) 사이에는 볼 안내관(243)이 소정 길이만큼 위로 연장되어 있으며, 볼 안내관(243)의 내부에는 볼(245)이 삽입되어 있어 수위에 따라서 볼 안내관(243)을 따라서 상하로 이동한다.

제1 스로트(247)는 연장되어 제2 분사노즐(249)을 구성한다. 제2 분사노즐(249)의 상부에는 역 U자형의 사이펀관(225)의 인입구(227)가 배치되며, 사이펀관(225)의 토출구(219)는 저수조 토출구(213)와 접속되어 있다. 저수조(201) 내부의 저장수(203)가 정상수위인 경우에는 사이펀관(225)의 내부는 대기압이다.

상술한 구조는 제1 실시예와 대비하여 볼탭(220)은 수위에 따라서 급수를 단순히 개폐하며, 저수조측과 분사노즐측으로의 급수 전환을 부력을 갖는 볼(245)에 의해서 이루어지는 것에 특징을 갖는다.

본 발명의 제2 실시예에서는 사이펀관(225)의 인입구가 제2 분사노즐(249)에 대한 제2 쓰로트의 역할을 하게 되는데, 그 단면적이 매우 크기 때문에 볼에 의한 급수전환을 목적으로 분사펌프를 2단 직렬 형식으로 구성된다. 실제로 분사펌프를 2단 직렬로 연결하더라도 단면적 비율 R=0.25 이하에서는 1단 분사펌프에 비해 손실이 크게 증가하지는 않는다.

도 9 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양변기 세정장치의 작동원 리를 나타내는 단면도들이다.

도 9를 참조하면, 사용자가 핸들(211)을 내리면 레버바아(217)가 이동하여 부자공 지지대(219)를 밀게 되면, 볼탭(220)에서 급수가 연결관(209)으로 개시된다. 급수(Q_jn)는 연결관(209)과 분사펌프의 입력관(230)을 거쳐 제1 분사노즐(239)에서 제1 쓰로트(247)로 분사되면서 제1 쓰로트(247) 주변의 저장수를 유입구(241)를 통하여 흡입한다. 분사된 급수(Q_j1)와 흡입수(Q_s1)는 제1 스로트(247)에서 연장된 제2 분사노즐(249)을 통하여 사이펀관(215)의 인입구로 분사되면, 분류작용이 발생하여 제2 분사노즐(249)에서 분사된 급수(Q_j2 = Q_j1 + Q_s1)와 분류작용에 의한 주변 저장수(Q_s2)의 합인 혼합 세정수(Q_d = Q_j1 + Q_s1 + Q_s2)가 사이펀관(225) 내부로 인입되어 사이펀관(225)의 내부는 만관이 되면서 수두가 상승하게 되며, 사이펀관(225)의 최고점을 돌아 토출구로 하강하여 변기본체로 공급된다. 혼합 세정수(Q_d)가 토출구(219)로 배출되면서 저장수(203)의 수위는 하강하게 된다.

도 10을 참조하면, 사이펀관(225)의 수두가 저수조(201)의 수위보다 낮은 위치로 하강하면 사이펀 작용이 발생한다. 토출되는 유체의 운동에너지는 저장수의 수두와 분사노즐의 분사에너지이다.

한편, 볼탭(220)을 통하여 외부 급수관(205)으로부터 공급되는 공급수의 압력이 높거나, 다른 요인에 의해 수압이 불규칙적으로 증가한 때에는, 입력관(230)에 공급되는 급수유량(Q_jn)의 압력이 균일하지 않거나 높아질 수 있다. 이 때, 급수 유량(Q_jn)의 압력에 의하여 분배기(237)의 탄성체(236)가 수축하면서 개폐판(234)이 후퇴하여 유출구(238)가 개방된다. 유출구(238)가 개방됨과 동시에 공급수의 일부(Q_e)가 배출되면서 입력관(230)에서 분기된 공급관(235)의 내부 압력이 낮아진다. 탄성체(236)가 공급수의 압력에 따라 수축하거나 팽창하면서 적정량의 공급수를 저수조로 배출함으로써 공급관(235)으로의 분사유량(Q_j1)을 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 급수유량(Q_jn)에서 배출유량(Q_e)을 제외한 정량의 분사유량(Q_j1)이 공급관(235)에 제공된다.

도 11을 참조하면, 저장수(203)가 바닥수위까지 하강하면, 볼(245)이 흡입압력으로 인하여 분사펌프의 제1 쓰로트(247) 입구로 흡입된다. 이 때, 분사되는 급수는 볼(245)에 부딪히면서 저수조(201)로 흘러나가 저수조 내부에 저장된다. 한편, 사이펀관(225)의 입구로는 공기가 유입되어 사이펀 작용은 정지한다.

도 12를 참조하면, 분사되는 급수가 볼(245)에 부딪히면서 저수조(201) 내부에 저장되면서, 수위는 상승하게 된다. 볼(245)은 제1 분사노즐(239)에서 분사되는 급수의 흐름에 갇혀서 이탈하지 못한다. 수위가 계속 상승하면서 사이펀관(225) 내부의 수두는 수위보다 더 높은 위치에 있게 되는데, 이는 볼(245)을 돌아 나온 일부 급수가 제2 분사노즐(249)과 제2 쓰로트를 경유하여 사이펀관(225)의 수두를 높이기 때문이다. 즉, 수위가 정상수위에 도달하기 전 일정지점에서 수두는 사이펀의 최고점을 지나 변기본체에 보충수(Q_a)를 공급하게 된다. 이 경우, 급수유량(Q_jn)은 저장유량(Q_j)과 보충수(Q_a)의 합이 되는데, 보충수(Q_a)는 급수유량(Q_jn)의 약 20% 정도이다.

계속하여, 수위가 상승하여 정상수위에 도달하면, 부자공(215)이 원위치 되면서 볼탭(220)이 급수를 차단하게 되며, 볼(245)은 부력에 의해 볼 안내관(243)을 따라서 위로 떠오르게 되어 동작이 완료된다.

(실시예 3)

본 발명의 제1 및 제2 실시예의 세정장치는 정상적인 작동을 벗어난 상태에서 오동작이 발생할 가능성이 있다. 정상적인 작동을 벗어난 상태는 세정장치가 정상작동 중 급수가 중단되는 단수상황이 발생하거나 볼탭이 순간적으로 오동작을 유발하는 상황 등이다. 이 경우에는 저수조의 저장수 수위는 정상수위와 바닥수위 사이에 위치하게 된다. 이 상태에서 급수가 재개되어 급수가 분사노즐에서 분사되면, 사이펀관 내부의 수두는 상승하지만, 현재 수위와 사이펀관 최고점간의 높이 차가 커서 수두만 상승하고 저장수의 토출은 이루어지지 않는 경우가 발생할 수 있다.

도 13을 참조하면, 제2 분사노즐(249)에서 분사된 급수(Q_j2)는 높이 차(ht)에 의하여 수두 높이(h)만 상승시키고 분류작용을 일으키지 못하고, 다시 사이펀관(225) 입구를 통하여 저수조(201)로 빠져 나오게 되면서 저장수(203)의 수위는 상승한다.

도 14를 참조하면, 저장수(203)의 수위가 상승하게 되면 사이펀관(225) 내부에서 넘침현상으로 제2 분사노즐(249)에서 분사되는 급수가 빠져나가기 시작하고 사이펀관의 내부수두(hr)는 낮아지며, 특정 수위에 도달하면 분사되는 급수가 그대로 토출구(219)로 빠져나가는 정체수위가 나타나 지속적인 누수가 발생된다. 즉, 이 경우에는 Q_jn=Q_j1=Q_j2=Q_d 가 동일하게 되며, 이는 누수량이 된다. 이러한 누수상황은 급수 수압이 낮을수록, 그리고 노즐과 사이펀관의 단면비 R이 작을수록 발생할 확률이 크다. 지속적인 방지하기 위하여는 작동 최저 수압을 높게 설정하면 되지만, 수압이 각각 다른 다양한 현장에서 적용할 수 없는 문제점이 있다.

위와 같은 누수 현상과 해결책을 설명하기 위해서는 일반적인 분사펌프의 수두비 : 유량비 특성곡선으로 설명할 수 있다.

도 15는 분사펌프의 M-N 특성곡선을 나타내는 도면이다. 도면에서 d는 노즐의 직경이며, D는 쓰로트의 직경을 나타낸다. R은 노즐 단면적대 쓰로트 단면적의 비를 나타내며, R₁은 분사펌프의 쓰로트의 단면적이 큰 경우의 분사펌프의 R 값을 나타내며, R₂는 쓰로트의 단면적이 작은 경우의 분사펌프의 R값을 나타낸다.

도 15를 참조하면, 특성곡선의 횡측은 유량비로서 흡입유량(Q_s)/분사유량(Q_j)을 나타내며, 종측은 수두비로서 토출수두(P_d)-흡입수두(P_s)/분사수두(P_j)-토출수두(P_d)를 나타낸다. 그래프에서 유량비가 0인 지점, 즉 흡입유량(Q_s)이 0이되는 상태를 나타내는데 이 때 수두비가 최대가 된다. 이 상태에서는 분사유체가 토출관 의 수두를 상승시키기만 하고 쓰로트로 순환하여 빠져나올 때의 상태로 토출관의 수두는 가장 높이 올라간다.

예컨대, 쓰로트의 단면적이 큰 R₁=0.06 에서는 임의의 목표 작동범위 최저수압 P에서 최대 상승수두 h₁이 저수조의 정상수위와 바닥수위의 차인 h_t보다 낮게되어 정체수위를 피할 수 없다.

반면에, 쓰로트의 단면적이 작은 R₂=0.25 에서는 최대상승수위 h₂가 h_t보다 높기 때문에 정체수위가 없어지며 저수조의 저장수를 항상 사이펀관 최고점을 넘겨 배출해낸다. 따라서, 저장수의 수위를 바닥수위까지 내릴 수 있으므로 다시 정상 작동상태로 복귀할 수 있다. 그러나, 이러한 단면적 비율인 R 값을 만족하는 사이펀관의 단면적(분사펌프의 쓰로트)은 너무 작은 값으로 현실적으로 적용이 불가능하다.

따라서, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에서는 사이펀관의 입구에 사이펀관의 입구의 중심부에 분사노즐에서 일정거리를 두고 길이가 자체 직경의 1.5~2배인 관통된 관으로 내부 쓰로트를 형성하여, 분사펌프의 R 값을 가변시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 사이펀관은 제1 및 제2 실시예의 사이펀관을 개선한 것으로 정체수위를 피할 수 있고, 이에 더하여 최저 작동수압 범위를 내릴 수 있는 효과가 있다.

도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 사이펀관에 배치한 내부 쓰로트를 나타내는 사시도이다.

도 16을 참조하면, 사이펀관(225)의 인입구 내부 중앙에 내부 스로트(251)를 배치한다. 내부 쓰로트(251)의 외주면과 사이펀관(225)의 내주면 사이에는 반원형의 수문(253) 두 개가 힌지구조로 개폐가 가능하도록 설치될 수 있다. 도 16에서의 수문(253)은 두 개의 수문이 열린 때와 닫힌 때를 각각 도시하였다. 실제의 작동에서는 동시에 열리거나 닫히게 된다.

내부 스로트(251) 및 수문(253)은 분사펌프의 노즐과 쓰로트의 단면적 비율인 R값을 가변하는 기능을 한다. 즉, 상술한 분사펌프 특성 그래프에서 예컨대 R=0.06과 0.25의 두 개의 특성곡선을 선택적으로 운용할 수 있다. 다시 말하면, 수문(253)이 닫혀있을 때는 분사노즐과 내부 쓰로트(251)가 이루는 R₂=0.25인 특성으로 분사펌프가 작동하게 하여 수두의 상승수위를 높여 정체수위를 피하고, 수문이 열린 때에는 분사노즐과 사이펀관(225)의 인입구가 이루는 R₁=0.06인 특성으로 분사펌프가 작동하게 하여 흡입유량을 증대시켜 토출량을 증가시킬 수 있다.

수문(253)의 개폐는 사이펀관(225)의 내부의 수두에 따라 자동적으로 이루어지는데 수두가 상승하면 수압에 의해 닫힘 상태가 유지되고, 사이펀 작용이 일어나면 흡입력에 의해 수문이 열리게 되며, 사이펀 작용이 끝나게 되면 다시 자중에 의해 닫히게 된다.

도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 양변기 세정장치를 나타내는 단면도이다.

도 17을 참조하면, 제2 실시예와 대비하여 사이펀관(225)의 내부에 내부 쓰 로트(251)와 수문(253)이 배치되어 있다. 정상상태에서는 저수조(201)의 저장수(203)의 수위는 정상수위를 유지하고, 사이펀관(215)의 내부는 대기압이며, 볼탭(220)은 급수를 차단하는 상태이며, 수문(253)은 자중으로 닫힌 상태를 유지한다.

도 18을 참조하면, 사용자가 핸들(211)을 내리면 레버바아(217)가 이동하여 부자공 지지대(219)를 밀게 되면, 볼탭(220)에서 급수가 연결관(209)으로 개시된다. 급수(Q_jn)는 연결관(209)과 분사펌프의 입력관(230)을 거쳐 제1 분사노즐(239)에서 제1 쓰로트(247)로 분사되면서 제1 쓰로트(247) 주변의 저장수를 유입구(241)를 통하여 흡입한다. 분사된 급수(Q_ji)와 흡입수(Q_s1)는 제1 스로트(247)에서 연장된 제2 분사노즐(249)로 분사되면, 내부 쓰로트(251) 주변에서 분류작용이 발생하여 노즐에서 분사된 급수(Q_j1 + Q_s1)와 분류작용에 의한 주변 저장수(Q_s2)의 합인 혼합 세정수(Q_d)가 사이펀관(225) 내부로 인입되어 사이펀관의 내부는 만관이 되면서 수두가 상승하게 되며, 사이펀관(225)의 최고점을 돌아 토출구(219)로 하강하여 변기본체로 공급된다. 세정수가 토출구(219)로 배출되면서 저장수(203)의 수위는 하강하게 된다. 이 때 수문(253)은 닫힘상태를 유지한다.

도 19를 참조하면, 사이펀관(225)의 수두가 저수조(201)의 수위보다 낮은 위치로 하강하면 사이펀 작용이 발생한다. 이 때 수문(253)은 사이펀 작용에 의한 흡 입력으로 수문(253)이 회전하면서 개방되며, 저장수의 수두와 노즐의 분사에너지에 의해 저장수를 신속히 토출하게 된다.

도 20을 참조하면, 저장수(203)가 바닥수위까지 하강하면, 볼(245)이 흡입압력으로 인하여 분사펌프의 제1 쓰로트(247) 입구로 흡입된다. 이 때, 급수는 볼(247)에 부딪히면서 저수조(201)로 흘러나가 저수조 내부에 저장된다. 한편, 사이펀관(225)의 입구로는 공기가 유입되어 사이펀 작용은 정지한다. 사이펀관(225) 입구로 공기가 흡입되면서, 수문(253)은 자중으로 아래로 회전하여 닫히게 된다.

도 21을 참조하면, 분사되는 급수가 볼(245)에 부딪히면서 저수조(201) 내부에 저장되면서, 수위는 상승하게 된다. 볼(245)은 제1 분사노즐(239)에서 분사되는 급수에 의하여 갇혀서 이탈하지 못한다. 수위가 계속 상승하면서 사이펀관(215) 내부의 수두는 수위보다 더 높은 위치에 있게 되는데, 이는 볼(245)을 돌아 나온 일부 급수가 제2 분사노즐(249)과 내부 쓰로트(251)를 경유하여 사이펀관(225)의 수두를 높이기 때문이다. 즉, 수위가 정상수위에 도달하기 전 일정지점에서 수두(h)는 사이펀관(225)의 최고점을 지나 변기본체에 보충수(Q_a)를 공급한다.

계속하여, 수위가 상승하여 정상수위에 도달하면, 볼탭(220)이 급수를 차단하게 되며, 볼(245)은 부력에 의해 볼 안내관(243)을 따라서 위로 떠오르게 되어 동작이 완료된다.

이하, 저수조에 작동 중 급수가 중단되는 단수 상황이 발생되거나 볼탭의 순간적인 오작동 등의 상황에서 저수조의 저장수 수위가 정상수위와 바닥수위 사이에 위치하는 경우의 세정장치 작동을 설명한다.

도 22 및 도 23은 본 발명의 오동작시에 자기 수정과정을 나타내는 도면들이다.

도 22 및 도 23을 참조하면, 단수가 있은 후에 급수가 개시되면 급수(Q_jn)는 연결관(209)과 분사펌프의 입력관(230)을 거쳐 제1 분사노즐(239)에서 제1 쓰로트(247)로 분사되면서 제1 쓰로트(247) 주변의 저장수를 유입구(241)를 통하여 흡입한다. 분사된 급수(Q_j1)와 흡입수(Q_s1)는 제1 스로트(247)에서 연장된 제2 분사노즐(249)로 분사되면, 내부 쓰로틀(251) 주변에서 분류작용이 발생하여 제2 분사노즐(249)에서 분사된 급수와 분류작용에 의한 주변 저장수(Q_s2)의 합인 혼합 세정수(Q_d)가 사이펀관(225) 내부로 인입되어 사이펀관(225)의 내부는 만관이 되면서 수두(hr)가 상승하게 되며, 사이펀관(225)의 최고점을 돌아 토출구(219)로 하강하여 변기본체로 공급된다. 세정수가 토출구(219)로 배출되면서 저장수(203)의 수위는 하강하게 된다. 이 때 수문(253)은 닫힘상태를 유지한다. 도 23의 경우에는 사이펀 작용이 일어나지 않은 경우로서 넘침현상에 의하여 저장수의 수위가 바닥상태까지 하강하는 경우이며, 급수 수압이 사이펀 작용을 일으킬 정도로 큰 경우에는 바로 사이펀 작용이 일어나서 정상적으로 동작하게 된다.

저장수가 바닥 상태로 하강하면 상술한 도 20의 상태가 되며, 이후의 동작은 도 20 및 도 21에서 설명한 바와 같이 정상상태로 양변기 세정장치가 동작하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상술한 것과 같이 본 발명의 양변기 세정장치는 물 마개를 대체하는 사이펀관을 이용하여 고무 물 마개에서 쉽게 발생되는 누수 현상을 방지하는 양변기 세정장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 양변기 세정장치는 양변기 저수조의 높이가 낮더라도 효과적으로 세정수를 변기본체에 제공할 수 있다.

또한, 종래의 양변기 세정장치는 저수조의 저장수를 변기 본체로 토출하고자 하는 경우에는 사용자가 핸들을 사용하여 물 마개를 들어올려서 변기본체로 세척수가 토출되는 구조이지만, 본 발명에서는 사용자가 핸들로 볼탭의 작동을 개시하게 되는데, 그 작동력이 적어 마치 전자제품의 버튼과 같이 편한 작동감을 갖게 된다.

Claims

저수조 및 변기본체로 이루어진 양변기에 있어서,

내부의 수위에 따라 급수를 개폐하는 볼탭을 통하여 일정량의 저장수를 보유하는 저수조;

상기 볼탭에서 연결관을 통하여 급수를 공급받는 분사노즐; 및

상기 분사노즐 상부에 배치되어 급수와 저수조 내의 저장수가 합친 혼합 세정수를 저수조 토출구를 통하여 변기본체에 공급하는 역 U자형의 사이펀관을 포함하며, 상기 역 U자형 사이펀관의 내부에는 내부 쓰로트 및 수문을 구비하여 단면적비를 가변시키는 것을 특징으로 하는 양변기용 세정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 볼탭에는 수위에 따라서 급수를 저수조측과 노즐측으로 전환하는 전환부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 양변기 세정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 분사노즐은,

상기 볼탭에서 연결관을 통하여 급수를 공급받는 제1 분사노즐;

상기 제1 분사노즐과 대향 배치되는 제1 쓰로트;

상기 제1 분사노즐과 제1 쓰로트 사이에 형성된 유입구; 및

상기 제1 쓰로트에서 연장된 제2 분사노즐로 구성되는 것을 특징으로 하는 양변기 세정장치.
제 3 항에 있어서,

상기 제1 분사노즐과 제1 쓰로트 사이에는 부력을 갖는 볼이 삽입된 볼 안내관이 소정길이만큼 위로 연장되어, 수위에 따라서 급수를 저수조측과 제2 분사노즐측으로 전환하는 것을 특징으로 하는 양변기 세정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 연결관에서 분기되는 조절관에 정량의 급수를 노즐측에 제공하는 분배기를 더 포함하며,

상기 분배기는,

외부로 통공되는 유출구;

상기 유출구를 개폐하는 개폐판; 및

상기 개폐판에 탄성력을 제공하여 상기 연결관의 수압에 따라 유출구의 개폐를 조절하는 탄성체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 양변기 세정장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 내부 쓰로트는 사이펀관의 인입구 내부 중앙에 배치되며, 상기 수문은 상기 내부 쓰로트의 외주면과 상기 사이펀관의 내주면 사이에는 반원형의 수문 두 개가 힌지구조로 개폐가 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 양변기용 세정장치
제 1 항에 있어서,

상기 양변기 세정장치의 작동은 사용자가 상기 볼탭의 작동을 개시하도록 하는 것을 특징으로 하는 양변기용 세정장치.