低功率電動恆溫混合閥的製作方法

2023-09-24 02:59:50 4

專利名稱：低功率電動恆溫混合閥的製作方法
技術領域：
本發明涉及恆溫混合閥，尤其是涉及無摩擦壓力平衡定量閥門和驅動系統，目標 在於快速安裝的、低功耗的電動恆溫混合閥。
背景技術：
恆溫混合閥是已知的，且由於其執行規程在發達國家中廣泛應用，在新的設備中， 至少存在一個中央恆溫混合閥。然而，就使用安裝方面例如個用的洗手池、浴缸和淋浴裝置 等來說，由此帶來的成本降低和公認的方便安全，導致了恆溫混合閥的市場佔有率的增加。目前，大部分恆溫混合閥利用熱敏蠟元件直接與定量彈簧閥配合。但是，這種直接 驅動的恆溫閥並不能提供不變的出水溫度，如果其中一條供應線供應的水的壓力或溫度提 高或降低時，出水的溫度會暫時改變。熱敏蠟元件通過驅動定量閥對溫度變化做出響應，使 混合水溫度恢復到其改變前的溫度。然而，改變前的溫度並不能在供應線條件改變的同時 恢復達到，而且對應於新的出水溫度，系統將保持在一個新的平衡位置。這個新的出水溫度 不是以前根據其線性特徵而預先設定的溫度，熱敏蠟元件的任何不同於初始位置的新位置 都與不同的混合水溫度關聯。結果，在其中一條供應線的水的壓力或溫度波動的情況下，蠟元件式恆溫閥出現 比初始設置高達2°C的典型錯誤是可以預料到的。另外，這種蠟元件的響應時間慢，壓力波 動之後典型的溫度恢復時間在1.5秒或更大的範圍內，這樣的延遲可能會導致使用者的不 方便，以及通常出現的低流速擺動或傷害。此外，理論上，多數對控制恆溫混合閥的精確接近是通過使用電動擴增反饋裝置 實現。電動恆溫混合閥通常包括熱水和冷水進口、帶有減速齒輪或導向螺杆的電機、旋轉或 線性驅動定量閥、混合腔、溫度傳感器、用於比較溫度傳感器的讀數和參考信號的電子比較 單元、以及用於保持儘可能低的信號差異的電機控制器。這種電動恆溫混合閥的例子可以在美國專利4，359，186 4，420, 8114，931，938 5，944，255以及英國專利GB2056627A中找到。上述系統典型地包括精密電子組件、運行一些複雜的數學模型的微處理器、適於 驅動至少IOW的電機的放大器級，還包括需要高輸出的電子電源。觸電安全保護和功率損 耗保護是必要的，以避免混合水溫度失去控制的風險。在試圖檢測這種複雜性的基本原因時，現有技術的兩個主要缺陷被分離出a.多數已公開的發明正在利用傳統的配有電子驅動單元的定量閥。這些裝置需要 有效的推動力去克服壓力不平衡、氣液密封的摩擦及定量閥內部的液液密封的摩擦。接下 來需要具有高功率消耗和高機械慣性的大電機，進一步需要專用的加速和減速算法計算、 大功率電源以及延伸到交流電網電源的入牆式安裝。b.另外，傳統的定量閥一般具有大容積混合腔，造成了由溫度傳感器讀出的混合 水溫度的讀數延遲。由於熱水和冷水從設在溫度傳感器上的定量閥低速流出時所需的時間 遠大於高速流動時所需時間，導致反饋系統時間常數在一個很大的範圍內分布，從而這種延遲使得在不同流速的情況下有效地控制定量閥變得困難。部分上述現有技術正在利用兩 個獨立的具有連接混合腔的長通路的定量閥，並且時間延遲甚至比前述時間延遲還長。備有複雜的計算模型的微處理器用來克服時間常數的問題，通過在進水壓力或溫 度被幹擾時緩慢調整穩定狀態水溫且生成一個高速或短暫的迴路，形成兩個不同的操作波 段，高速或幹擾波段和調整點或穩定狀態波段。然而，此種解決方法需要附加的傳感器和計 算資源，需要更大功率和空間。因此，雖然電動混合閥的基礎技術已經存在，但還需要一種用於構建定量閥及其 驅動系統的新的方法。

發明內容
為此，本發明的一個目的在於提供一種無摩擦壓力平衡定量閥組件和驅動單元， 目標在於快速安裝的、低消耗功率的電動恆溫混合閥。根據本發明的一個實施例，提供一種無摩擦壓力平衡定量閥組件，包括a.殼體，所述殼體具有第一進水口、第二進水口、中間混合出水口、形成在殼體內 的與第一和第二進水口流體連通的閥腔，所述閥腔具有大致位於中央的加寬部，所述加寬 部與中間混合出水口流體連通；b.閥芯，所述閥芯通過第一和第二加寬端部在閥腔內被引導，且具有沿軸向短於 閥腔的加寬部的中央加寬盤部，所述閥芯可寬鬆地沿軸向在所述閥腔內移動，同時帶動所 述盤部在所述閥腔加寬部內於相對的兩個支座之間移動，所述盤部將所述閥腔分成了第一 管狀進水腔和第二管狀進水腔；c.設置在所述閥芯和殼體的兩端的兩個彈性隔膜密封件，所述兩個彈性隔膜密封 件以有效面積均衡的方式被構造成，用以使位於第一隔膜密封件和盤部之間的第一管狀進 水腔的壓力平衡，以及使位於第二隔膜密封件和盤部之間的第二管狀進水腔的壓力平衡；d.溫度傳感器，所述溫度傳感器浸入混合出水口通路中，以生成電信號；e.連接的驅動裝置，所述驅動裝置由低功率電機供電，且軸向平移所述閥芯，通過閥芯的軸向平移，定量流體從所述第一和第二進水口流向混合出水口。根據本發明的第二個實施例，進一步優化筒體的應用，所述殼體分為第一圓柱外 殼，所述第一圓柱外殼具有外周向凹部進水口，所述凹部進水口通過至少一個徑向通路與 第一軸向偏心孔流體連通；和第二圓柱外殼，所述第二圓柱外殼具有外周向凹部進水口，且 通過至少一個徑向通路與第二軸向偏心孔流體連通。根據本發明的第三個實施例，進一步優化面對面設置的筒體的應用，所述殼體分 為第一圓柱外殼和第二圓柱外殼，所述第一圓柱外殼形成有第一表面軸向取向進水口，所 述第一軸向取向進水口指向與第一偏心孔流體連通的的徑向通路，以及第二表面軸向取向 進水口經過所述第一圓柱外殼，進入第二圓柱外殼的後續的軸向取向進水口，所述後續的 軸向取向進水口指向與第二偏心孔流體連通的徑向通路。與上述第二和第三實施例相同，第一和第二圓柱外殼表面互相配合併排列，這樣 第一軸向偏心孔和第二軸向偏心孔都與閥腔相連。第一和第二圓柱外殼分別具有朝向它們 相配合面的內加寬部，形成一個共有的最小容積的混合腔，混合腔通過徑向延長部排放並 被引導入形成在第一圓柱外殼內的軸向取向的混合出水口通路。
與上述第一、第二和第三實施例相同，密封件被構造成由內環、外環以及滾動型薄 活動部構成的彈性隔膜密封件，它們固定在所述閥芯的加寬端部的外表面和殼體外表面上 的凹槽中。隔膜密封件通過墊圈、中心螺栓和螺母緊固在閥芯上，並且通過第一和第二端部 圓盤固定在殼體上。另外，與上述第一、第二和第三實施例相同，所述電機具有固定至其軸上的小齒 輪，電機通過減速齒輪系驅動帶有較小的圓形偏心延長部的最終驅動齒輪，所述最終驅動 齒輪允許緊公差地在中間開孔，以在固定樞軸上以最小的徑向間隙自由地轉動。連接杆具 有第一可連接端、開孔以配合所述偏心延長部的第二圓端以及中間的細的可彎曲部，所述 連接杆的第二圓端裝配到所述偏心延長部上，且其第一可連接端固定在閥芯上。所述最終 驅動齒輪和圓形偏心延長部的角位移轉化成連接杆和閥芯的直線位移，所述連接杆的可彎 曲部的彎曲補償在轉動中所述圓形偏心延長部的軸向位移的偏離。根據本發明的第四個實施例，進一步優化用於自供電的筒體的應用，出水口通路 內設有軸流式渦輪，所述軸流式渦輪安裝在可旋轉地設在第一和第二軸承中的軸上，所述 第一軸承安裝在固定插入部的中間，所述固定插入部由多個徑向翅片構成以允許翅片之間 的水的自由流動，所述第二軸承安裝在第二端部圓盤內，所述軸的末端安裝有纏繞著定子 線圈的永磁轉子，所述永磁轉子位於由第二圓柱外殼限定的圓柱空間內。轉子和定子線圈 的組裝形成了交流電機，轉子和定子線圈之間的整個容積是防水密封的，產生的電力通過 密封的電線傳送到電子電路。


本發明將從以下結合附圖的詳細說明中變得更易充分理解和明顯，其中圖1示出根據本發明第一實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的橫截面圖；圖2示出根據本發明多個實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的滾動隔膜的放大橫 截面圖；圖3示出根據本發明第二實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的高架俯視圖；圖4示出圖3中的無摩擦壓力平衡定量閥沿B-B線的橫截面圖；圖5示出根據本發明第二實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的立體分解圖；圖6示出根據本發明第二實施例的已組裝的無摩擦壓力平衡定量閥的第一端的 立體圖；圖7示出圖6中的無摩擦壓力平衡定量閥部分拆卸的示意圖；圖8示出根據本發明多個實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的驅動單元的立體分 解圖；圖9示出圖8中分解顯示的驅動單元組裝後的立體圖；圖10示出圖9中已組裝的驅動單元的立體圖，其中示出了另一組裝步驟；圖11示出圖10中已組裝的驅動單元安裝在根據本發明第二實施例的無摩擦壓力 平衡定量閥上的立體圖；圖12示出已組裝的無摩擦壓力平衡定量閥和圖11所示的驅動單元的立體圖，顯 示了另一組裝步驟；圖13示出根據本發明第二實施例的帶有驅動單元和防護蓋的無摩擦壓力平衡定量閥的部分剖視俯視圖；圖14示出帶有驅動單元和防護蓋的無摩擦壓力平衡定量閥沿圖13中C-C線的橫 截面圖；圖15示出根據本發明第三實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的第一端的立體示意 圖；圖16示出圖15中所示的無摩擦壓力平衡定量閥部分拆卸的示意圖；圖17示出圖16中所示的無摩擦壓力平衡定量閥進一步拆卸的示意圖；圖18示出根據發明第四實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的橫截面圖；圖19示出圖18中所示的無摩擦壓力平衡定量閥的橫向截面立體圖；和圖20示出在本發明的多個實施例中應用的電子電路的原理圖。
具體實施例方式下面將通過示例詳細描述根據本發明的一些優選實施例。參考圖1，根據本發明的 第一簡易示例，示出了一種無摩擦壓力平衡定量閥組件，主要標記為10，包括a.殼體12，該殼體12具有第一進水口 14、第二進水口 16、中間混合出水口 18、形 成在殼體內的與第一和第二進水口 14、16流體連通的閥腔20，閥腔20具有大致位於中央的 加寬部22，該加寬部22與中間混合出水口 18流體連通。b.閥芯24，該閥芯24通過第一和第二加寬端部28、30在閥腔20內被引導，且具 有軸向短於閥腔的加寬部22的中央加寬盤部26，閥芯24可寬鬆地沿軸向在閥腔20內移 動，同時帶動盤部26在閥腔加寬部22內於兩個相對的臺體或支座32、33之間移動。盤部 26將閥腔20分成了第一管狀進水腔34和第二管狀進水腔36。c.設置在所述閥芯24和殼體12的兩端的兩個彈性隔膜密封件40、42，兩個彈性 隔膜密封件40、42通過有效面積均衡的方式被構造成用以使位於第一隔膜密封件40和盤 部26之間的第一管狀進水腔34的壓力平衡，以及使位於第二隔膜密封件42和盤部26之 間的第二管狀進水腔36的壓力平衡。該壓力平衡技術消除了在任何給定的相同或不同的 熱水和冷水進水口壓力下施加於閥芯24上的軸向力。所述隔膜密封件由內環44、外環46以及優選為滾動的薄活動部48構成(圖2)。 該隔膜密封件分別固定在位於閥芯24和殼體12的外表面上的凹槽50、52中。它們通過墊 圈54、中心螺栓56和螺母58緊固在閥芯24上，並且通過帶螺紋的端部圓盤60固定在所述 殼體上。還可以採用工業上已知的褶皺成的薄壁金屬波紋管來代替所述彈性隔膜密封件。溫度傳感器62以其端部64穿過孔插入到殼體12內，通過衝壓、超模壓或利用封 閉劑安裝，且浸入混合出水口通路中。該熱敏電阻式的溫度傳感器是優選的但不是必要的， 該溫度傳感器通過控制電路生成可讀的電信號，該控制電路會在隨後參考圖20進行說明。現在易於理解的是，被導入進水口 14和16的熱水和冷水將分別流入已達平衡的 管狀的第一和第二進水腔34、36中，進入盤部26和支座32，33之間的縫並進入用作混合腔 的加寬部22，然後通過出水口 18進行處理。閥芯24的任何軸向位移將改變冷水和熱水的 比例，並由此改變處理後的混合水溫度。本領域的技術人員還可以理解，由於閥芯完全壓力 平衡，彈性隔膜密封件40、42結合有薄滾動型的活動部，且完全避免了密封摩擦，因此閥芯 24的軸向位移只需要最小的力。
根據本發明的第二實施例的無摩擦壓力平衡定量閥的操作，將參考圖3-7被更詳 細地予以說明。如附圖所示，主要標記為70的筒形的、無摩擦的、壓力平衡的定量閥，包括 第一圓柱外殼72，具有外圓周形的凹部74進水口，該凹部74進水口通過多個徑向通路78 與第一軸向偏心孔76流體連通(如圖4、5)；第二圓柱外殼82，具有外圓周形的凹部84進 水口，該凹部84進水口通過多個徑向通路88與第二軸向偏心孔86流體連通(如圖4、7)。第一和第二圓柱外殼72、82表面互相配合併排成行，這樣，第一軸向偏心孔76和 第二軸向偏心孔86都與閥腔相連。第一和第二圓柱外殼72、82分別具有朝向它們的配合 面的內加寬部92、93 (如圖5-7)，當兩個圓柱外殼互相配合時，形成一個共有的最小容積的 混合腔94(如圖4)。混合腔94中的水通過徑向延長部96(圖4)排放，並導向形成在第一 圓柱外殼72內的軸向取向的混合出水口通路98。優選地，混合腔94具有專門的輪廓線。 混合腔94與沿軸向的偏心孔76、86不是同心排列，而是具有方向朝向出水口徑向延長部96 的更大的體積，準確的專門的輪廓是最優化的，這樣，在給定的流速下，朝向出口的圓周流 動速度大約是恆定的，同時混合腔保持最小。第二圓柱外殼82設有彈性密封件97 (圖4)， 彈性密封件97安裝在凹槽99內(圖7)且圍繞加寬直徑部93和徑向延長部96。通過第一 和第二圓柱外殼72，82表面互相配合，混合水可只通過出水口通路98排出(如圖6)。無摩擦壓力平衡定量閥組件70進一步包括閥芯100，閥芯100具有作為雙面閥板 的中央加寬部102，第一和第二加寬端部104、106分別使閥芯100於圓柱外殼72、82的偏 心孔76、86內被引導，然而，不同於本發明的第一個實施例，這裡的閥芯板部102在橫截面 上寬於偏心孔76、86的寬度。閥芯100可沿軸向在雙面閥板102每一面設定的兩個極端位 置之間寬鬆地移動，該兩個極端位置經由雙面閥板102的每一面分別與相對的第一和第二 邊緣閥座108、110中的一個相靠近(如圖4、5、7)並分別與偏心孔76、86對齊限定。導流 板112 (如圖5、7)設在混合水的位於兩個圓柱外殼72、82上的流路內，以在利用溫度傳感 器140 (圖4)進行溫度測量之前改善熱水和冷水的混合。圓柱外殼72、82和閥芯100可優選地使用塑料材料製作。除塑料生產簡單之外， 出水口通路98沿軸向定向的一些優勢將在以下根據本發明的第三和第四實施例中進行說明。主要地，如根據本發明的第一實施例中所述，同樣的彈性隔膜密封件120、122設 置在閥芯100和圓柱外殼72、82的兩端。該兩個彈性隔膜密封件120、122被構造成，它們 的有效面積與邊緣閥座108、110的實際面積相等，用於使位於第一隔膜密封件120和閥板 102之間的第一管狀進水腔116的壓力平衡，以及使位於第二隔膜密封件122和閥板102之 間的第二管狀進水腔118的壓力平衡。彈性隔膜密封件120，122由內環44、外環46以及優 選地滾動的薄活動部48構成(圖2)。彈性隔膜密封件120，122分別固定在位於閥芯100 和圓柱外殼72、82的外表面上的凹槽124、126中(圖5)。彈性隔膜密封件120、122通過墊 圈128、中心螺栓130和螺母132緊固在閥芯100上。密封件120、122固定在第一和第二圓 柱外殼72、72上，通過第一和第二優選的金屬的端部圓盤134，136固定。兩個沿縱向運動 的貫穿螺栓138 (圖6)緊固第一和第二端部圓盤134，136以保持組件70。還可以採用工業 上已知的褶皺成的薄壁金屬波紋管來代替所述彈性隔膜密封件。如同第一個實施例，溫度傳感器140以其端部穿過孔插入到第二圓柱外殼82內， 浸入混合出水口通路中。該熱敏電阻式的溫度傳感器是優選的但不是必要的。該溫度傳感
9器通過控制電路生成可讀的電信號，該控制電路會在隨後參考圖20進行解釋。彈性密封件97和145分別密封在第一和第二圓柱外殼72、82之間，以及第一端部 圓盤134與第一圓柱外殼72之間。當無摩擦壓力平衡定量閥70用作在合適殼體內的恆溫 筒時，四個周邊的和一個平面的彈性密封件142、144 (圖4)在兩個進水口、出水口和乾燥區 域中分別分開設置，該無摩擦壓力平衡定量閥70將會在下面參考圖13、14予以說明。操作時，根據本發明的第二實施例實質上類似於第一實施例，然而本領域的技術 人員可以了解，由於涉及閥座108、110的混合腔的專門的輪廓，以及混合腔94與和閥座 108,110非同軸排列，因此在定量閥座108,110之間，到溫度傳感器的頂端141 (圖4)所容 納的水的容積，是很小的，幾乎在小於2立方釐米的範圍內，然而，流動沒有被限制且最小 壓力也由此降低。另外，溫度傳感器的頂端141安裝在導流板112的最靠近下遊的位置(圖 5、7)，在那裡流動最快並且混合徹底。因此，熱水和冷水從定量閥座108、110流到溫度傳感 器頂端141所需的時間大大地減少。例如，甚至在流速小至2公升每分鐘的時候，計算出的 時間在30毫秒之內。通過這樣小的值，前述現有技術中提到的時間常數偏差問題被完全解 決。如上述公開的，本發明的一個目的在於提供一種用於有效驅動無摩擦壓力平衡定 量閥的閥芯的驅動裝置。該驅動裝置的操作將參考圖8-14予以更為詳細的解釋，描述安裝 在無摩擦壓力平衡定量閥70上的驅動單元，就如同上述對本發明的第二實施例的描述那 樣。然而可以理解的是，這種驅動裝置將如本發明的任何其他實施例一樣運行良好。參考附圖所示，主要標記為70(圖8)的無摩擦壓力平衡定量閥組件，裝備有主要 標記為150的驅動單元。驅動單元150的操作將以其各個部件組裝的順序依次做出說明。如分解圖8中示出，所述驅動單元由一個低功率電機162供電，該電機162具有安 裝在其軸上的小齒輪164。所述電機，通過主要標記為165的三階正減速齒輪，驅動最終驅 動齒輪190。減速齒輪165包括第一雙齒輪166，可在第二軸168上自由轉動；固定在第一 軸172上的第二雙齒輪170，以及固定在第二軸168上的第三單齒輪174。這些軸可轉動地 安裝在基板176和蓋板178之間。精確直徑的階梯軸180，優選為已淬硬和拋光的，通過穿 過基板176、套筒182、蓋板178，並由螺母184固定而被裝配。外部最終小齒輪186以衝壓 或其他不同的方式固定在第二軸168上。最終驅動齒輪190，具有較小的圓形偏心延長部 192，優選為一體製作。最終驅動齒輪190中間以緊密級公差開孔，以在固定軸180上以最 小的徑向間隙自由地轉動。可選地，已組裝的驅動單元(圖9)設有軸承，優選地為球軸承194 (圖10)，被衝 壓在最終驅動齒輪190的圓形的偏心的延長部192上，簧環196把最終驅動齒輪190緊固 在軸180上。所述驅動單元通過螺栓198連接在無摩擦壓力平衡定量閥70 (圖11)，螺栓 198緊固在形成於第二端部圓盤的螺紋孔199 (圖5)中。主要標記為200的連接杆(圖12、 13、14)設有第一可連接平直端202、用於配合偏心延長部192或軸承194的第二圓端204、 以及中間的細的可彎曲部206。連接杆200採用半彈性材料製作，優選地採用玻璃增強塑 料。連接杆200將其第二圓端204裝配到軸承194上，且其第一可連接平直端202通過螺 釘130 (圖11)和螺母132固定在閥芯300上，螺母132插入到連接杆200的槽208 (圖13) 中。操作過程中，驅動小齒輪186驅動最終驅動齒輪190連同其圓形的偏心的延長部192。偏心延長部192的角位移通過球軸承194轉化成連接杆200的直線位移，進而轉化成 閥芯100的直線位移。可以理解的是，連接杆的細的可彎曲部206的彎曲有利於補償在轉動中圓形的偏 心延長部192的軸向位移的偏離。同樣可以理解的是，上述的驅動裝置施加了很小的摩擦 力，然而其剛硬、消除了齒隙、操作高效且精確。因此，該組件長期使用時，功率範圍在0. Iff 內的微型低功率電機就足夠了。操作中，偏心延長部192的偏心距是計算過的，這樣最終驅動齒輪190的大約三次 旋轉(120度)就足夠閥芯100的整個行程的直線位移。當閥芯100到達行程的端點時，電 機162由於其低功率而機械地停止，從而齒輪系元件不受到損害。在行程端點時，電子電 路可辨識到電機162的瞬時的高電流消耗，以便電機停止電機功率直到控制電路要求其反 轉。為便於理解，最終驅動齒輪190顯示為全圓齒輪，然而，大約150度的扇形齒輪將產生 閥芯100的整個行程。可以理解的是，可彎曲的連接杆200可為任何形狀的、可以多種不同的方式安裝 在閥芯100上且可旋轉地安裝在偏心延長部192上。還可以理解的是，任何其他的驅動裝 置，例如齒輪和槓桿、導向螺杆、齒輪齒條、繞緊的琴鋼絲或可變形扁平條，可以被結合應用 於本發明的一個或多個實施例，而不會偏離本發明的範圍。驅動單元150可通過保護蓋210(圖13、14)密封，顯示為帶有在其頂部的撥盤式 旋鈕212，以便於手動設置溫度。撥盤式旋鈕212裝配到旋轉電位器216的軸214上，軸214 通過軸封218密封。旋轉電位器216用於出水口水溫的電子調節，這一點隨後將會參考電 子電路一起予以解釋說明(圖20)，這裡電子電路只作略述，並且標記為220。然而可以理 解的是，其他任何溫度設定設備都可以使用，包括例如帶顯示單元的標有箭頭的觸摸按鈕。無摩擦壓力平衡定量閥70與驅動單元150安裝組合，該無摩擦壓力平衡定量閥70 配設有分別設在熱、冷和乾燥區域之間的四個外部彈性密封件142和平面密封件144(圖 14)，且與可置換的筒體一樣可容易地安裝在在適當殼體內。本領域的技術人員已經熟知這 種殼體和筒體設置，因此在這裡不再詳細說明。如上面公開的以及在前述段落中已經描述的，本發明的一個目的在於提供一種無 摩擦壓力平衡定量閥組件和驅動裝置，作為一個緊湊的可置換的筒體。為了使此種筒體可 裝配入傳統的單手混合水龍頭殼體中，以及可能採用普通的陶瓷圓盤結構以同步控制兩個 進水口的容積，本發明的第三實施例參照圖15-17被公開並予以詳細說明。參考附圖，圖中示出了主要標記為250的一種無摩擦壓力平衡定量閥組件，其與 本發明的第二優選實施例中的組件70基本相似，然而，沒有採用第二個實施例中用作進水 口的外圓周的凹部74、84 (圖3、4)，這裡第一和第二進水口 254、256分別從表面設置在第一 端圓盤258上，且在它們之間設置有同樣的出水口 260。如圖16所示，當端部圓盤258卸除 之後，這種構造將會更好地被理解，圖中為了表示清楚，塞子262、264也被移除。第一軸向 定向進水口 265指向第一圓柱外殼268的徑向通路266，且與第一偏心孔(圖4中的116) 流體連通。第二軸向定向進水口 269經過第一圓柱外殼268，進入隨後的第二圓柱外殼272 的軸向定向進水口 270，如圖17所示，其中移除了第一圓柱外殼268。隨後進水口 270指向 第二圓柱外殼272的徑向通路274，且與第二偏心孔(圖4中的118)流體連通。塞子262、 264用來密封通向外部的徑向孔266、274，徑向孔266、274開口是為了生產方便。塞子262、264通過裝在圓形凹槽275中的彈性密封件進行密封，且當已組裝的筒體插入到合適殼體 內時被固定。彈性密封件固定在圍繞第二圓柱外殼272的隨後進水口 270的凹槽內，以及 固定在圍繞進水口 265、269和第一圓柱外殼268的出水口 271的凹槽內，以便於內部密封。 彈性密封件固定在圍繞第一端部圓盤258上的進水口 254、256和出水口 260的凹槽內，以 分開熱、冷、混合水及乾燥區域，當組件250固定在合適殼體內時，該組件250優選地裝有陶 瓷圓盤閥門結構(圖未示)，用於如上公開那樣同步控制兩個進水口的流量。第三個實施例 的其餘細節與第二個實施例是一樣的，包括驅動單元150、密封凹槽99以及閥芯100。通過使用用於進行兩個進水口的同步容積控制的陶瓷圓盤結構，取得了兩個重要 的目標。第一個是，消除了通常出現在混合水龍頭進水口中的單向止回閥，其中出水口被控 制。第二個是，延長了彈性隔膜密封件120、122的壽命，使用閥門時彈性隔膜密封件120、 122將僅面對壓力，即多數時間內隔膜是靜止的。如上面提到的，本發明的一個目的在於提供一種無摩擦壓力平衡定量閥組件和驅 動單元，可選擇驅動裝置的自供電。因此，參照圖18-20詳細揭露並說明了本發明的第四實 施例。參考附圖，圖中示出了主要標記為300的一種無摩擦壓力平衡定量閥組件，與本發明 的第二優選實施例中的組件70或第三實施例中的組件250除了增加了軸流式渦輪302外 基本相似，該軸流式渦輪302設在第一圓柱外殼315內的出水口通路304內。軸流式渦輪 302安裝在軸306上，優選地由耐腐蝕硬質材料例如碳化鎢(TC)或鍍鉻的不鏽鋼製成。軸 306可旋轉地分別安裝在第一和第二軸承上310、312，優選地，第一和第二軸承310、312例 如為制表工業中公知的藍寶石軸承或陶瓷軸承。這種TC軸和藍寶石或陶瓷軸承的結合可 用水作為滑潤劑。第一軸承310安裝在固定插入部314的中間，位於第一圓柱外殼315的出水口通 路304內，由多個徑向翅片316(圖19)構成，以允許翅片之間的水的自由流動。第二軸承 312安裝在第二端部圓盤320內。永磁轉子322安裝在軸306的末端，且纏繞著優選為塑料 浸漬的、密封的定子線圈324，位於由第二圓柱外殼327限定的圓柱空間325內。轉子322 和定子線圈324的組裝形成了交流電發生器也就是公知的交流發電機350(圖20)。轉子 322和定子線圈324之間的空間充滿水或被收集的空氣，整個容積是通過彈性密封件326進 行防水密封的。產生的電力通過密封的電線328傳送到電子電路220 (圖20)。這種渦輪機構造大體上為小型的公知的轉槳式水輪機，渦輪葉片的幾何形狀可限 定速度、提取功率和水壓損失。上述參數的計算方法對於渦輪技術領域的技術人員是公知 的。主要標記為220的簡易電子電路的示意性地在圖20中示出，並在圖14中簡略描 出輪廓。電子電路220可以位於驅動單元150的保護蓋210下的自由空間內，並且在閥門 工作時，利用渦輪機302產生的電進行持久地驅動無摩擦壓力平衡定量閥。由於流動發生 時即刻就能產生足夠的電，因此不再需要可充電電池。簡單地說，完全簡化的模擬電路包括交流發電機350、整流二極體352和濾波電容 器354，可調節出水口溫度期望值的電位器216與熱敏電阻356和固定電阻358形成了溫斯 頓橋(Winston bridge)。該溫斯頓橋通過簡化的儀表放大器的非反相輸入和放大設定電阻 362進行測量，這裡儀表放大器以雙路運算放大器360進行描述。雙路運算放大器360被認 定為直接驅動低功率驅動電機162，優選地具有內部電流限制電路，以避免閥芯的行程到端點時的電機發熱。熱敏電阻356設置在溫度傳感器頂端364處(圖18)，浸於混合水通路之中。此種簡單的、低功率消耗的模擬電路的操作過程對於電子領域的技術人員是清楚 的。然而可以理解的是，通過省略交流發電機350並用內部設置的或可置換的電源例如電 池、可充電電池或外部電源將其替換，同樣的電路220也可以與本發明的第一、第二、第三 或任何其他實施例結合使用。如上公開的，混合腔的小容積和最小功率需求使得這種簡單的模擬電路在沒有任 何計算能力的情況下可穩定快速地操作。然而可以理解的是，任何其他的模擬或數字電路 也可以與無摩擦壓力平衡定量閥及驅動裝置結合使用。本領域的技術人員可以理解，以上雖然公開了主要關於水流動的詳細內容，但在 根據本發明的各種實施例中公開的混合閥並不限於水的混合，而是可用於廣泛範圍內的具 有不同且可變的溫度和壓力的液體之間的混合，以提供一種大致穩定的預定的混合液體溫度。本領域的技術人員進一步可以理解，本發明的保護範圍並不僅限於已示出和描述 的實施例。而是，本發明的保護範圍僅由權利要求及其等同物限定。
權利要求
一種無摩擦壓力平衡定量閥組件，用於低功率電動恆溫混合閥，包括a.殼體，所述殼體具有第一進水口、第二進水口、中間混合出水口、形成在所述殼體內的與所述第一和第二進水口流體連通的閥腔，所述閥腔具有大致位於中央的加寬部，所述加寬部與所述中間混合出水口流體連通；b.閥芯，所述閥芯通過第一和第二加寬端部在所述閥腔內被引導，且具有沿軸向短於所述閥腔的加寬部的中央加寬盤部，所述閥芯可寬鬆地在所述閥腔內沿軸向移動，同時帶動所述盤部在所述閥腔加寬部內於兩個相對的支座之間移動，所述盤部將所述閥腔分成第一管狀進水腔和第二管狀進水腔；c.設置在所述閥芯和殼體的兩端的兩個密封件，所述兩個密封件通過有效面積均衡的方式被構造成用以使位於第一密封件和所述盤部之間的所述第一管狀進水腔的壓力平衡，以及使位於第二密封件和所述盤部之間的所述第二管狀進水腔的壓力平衡；d.溫度傳感器，所述溫度傳感器暴露於混合出水口通路，生成電信號；和e.被連接的驅動裝置，所述驅動裝置由低功率電機供電，且軸向平移所述閥芯，通過閥芯的軸向平移，定量流體從所述第一和第二進水口流向混合出水口。
2.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述殼體分為第一圓柱外殼和第二圓柱 外殼，所述第一圓柱外殼具有通過至少一個徑向通道與第一軸向偏心孔流體連通的外周凹 陷進水口，所述第二圓柱外殼具有通過至少一個徑向通道與第二軸向偏心孔流體連通的外 周凹陷進水口。
3.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述殼體被分為第一圓柱外殼和第二圓 柱外殼，所述第一圓柱外殼設有指向與第一偏心孔流體連通的徑向通道的第一表面軸向取 向進水口，以及通過所述第一圓柱外殼進入所述第二圓柱外殼的後續軸向取向進水口的第 二表面軸向取向進水口，所述後續軸向取向進水口指向與第二偏心孔流體連通的徑向通道。
4.根據權利要求2和3所述的組件，其特徵在於，所述第一和第二圓柱外殼彼此表面配 合、對齊以便第一軸向偏心孔和第二軸向偏心孔接合到閥腔，所述第一和第二圓柱外殼具 有朝向它們的配合面的內加寬部，形成共同的最小容積的混合腔，所述混合腔通過徑向延 伸部排放且被引導入形成在所述第一圓柱外殼內的軸向取向混合出水口通路。
5.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述密封件是構造有內環、外環和薄滾動 型活動部的彈性隔膜密封件。
6.根據權利要求5所述的組件，其特徵在於，所述彈性隔膜密封環固定在所述閥芯的 外表面和所述殼體上的凹槽中，且通過墊圈、中心螺栓和螺母緊固在閥芯上、並且通過被緊 固的端圓盤固定至所述殼體。
7.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述彈性隔膜密封件為薄壁金屬波紋管。
8.根據權利要求4所述的組件，其特徵在於，所述閥芯通過第一和第二加寬端部而在 所述第一和第二偏心孔內被引導，所述閥芯具有在中心加寬的雙面閥板部，所述閥芯閥板 部橫截面比所述第一和第二偏心孔寬，所述閥芯可沿軸向在雙面閥板每一面設定的兩個極 端位置之間寬鬆地移動，所述極端位置由雙面閥板靠近與所述第一和第二偏心孔平齊的相 對的第一和第二閥座之一的任一面限定。
9.根據權利要求4所述的組件，其特徵在於，所述最小容積的混合腔形成有專門的輪廓，所述混合腔與所述軸向偏心孔不是同心排列，而是具有指向所述出水口徑向延長部的 更大的體積，所述專門的輪廓被優化成在給定的流速下、朝向出水口的圓周流動速度大約 是恆定的。
10.根據權利要求4所述的組件，其特徵在於，所述第二圓柱外殼設有安裝在圍繞所述 加寬直徑部和所述徑向延長部的凹槽內的彈性密封件，通過所述第一和第二圓柱外殼的表 面互相配合，混合水可只通過所述出水口通路排出。
11.根據權利要求4所述的組件，其特徵在於，混合水的流路內設有導流板，以在所述 溫度傳感器進行溫度測量之前改善熱、冷水的混合。
12.根據權利要求2所述的組件，其特徵在於，當所述無摩擦壓力平衡定量閥用作在合 適殼體內的恆溫筒時，所述第一和第二進水口、所述出水口和乾燥區域之間分別設置有四 個周邊的和一個平面的彈性密封件。
13.根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，當所述無摩擦壓力平衡定量閥用作在合 適殼體內的恆溫筒時，所述彈性密封件固定在圍繞第一進水口、第二進水口、隨後的進水口 和所述出水口的凹槽內，且分別位於熱、冷、混合水和乾燥區域之間。
14.根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，所述陶瓷圓盤結構用於兩個進水口的同 步容積控制。
15.根據權利要求4所述的組件，其特徵在於，所述第一和第二圓柱外殼和所述閥芯由 塑料材料製成。
16.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述驅動裝置從下列列表中選取齒輪 和槓桿、導向螺杆、齒輪齒條、繞緊的琴鋼絲、可變形扁平條。
17.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述電機具有固定到其軸上的小齒輪， 所述電機通過減速齒輪系驅動帶有較小的圓形偏心延長部的最終驅動齒輪，所述最終驅動 齒輪以緊公差中心鑽孔以在固定樞軸之上以最小的徑向間隙自由地旋轉，連接杆具有第一 可連接端、開孔以配合所述偏心延長部的第二圓端以及中間的細的可彎曲部，所述連接杆 的第二圓端裝配到所述圓形偏心延長部上，且其第一可連接端固定在所述閥芯上，所述最 終驅動齒輪和圓形偏心延長部的角位移轉化成所述連接杆和閥芯的直線位移，所述連接杆 的可彎曲部的彎曲補償在轉動中所述圓形偏心延長部的軸向位移的偏離。
18.根據權利要求17所述的組件，其特徵在於，所述圓形偏心延長部上衝壓有球軸承， 且所述連接杆的第二圓端與所述軸承外部配合。
19.根據權利要求17所述的組件，其特徵在於，所述連接杆採用玻璃增強塑料製成。
20.根據權利要求17所述的組件，其特徵在於，所述減速齒輪係為三級正減速齒輪。
21.根據權利要求17所述的組件，其特徵在於，所述偏心延長部的偏心距允許所述最 終驅動齒輪的大約三次旋轉，以充分地線性平移所述閥芯的整個行程，所述最終驅動齒輪 從全圓齒輪和扇形齒輪之間選擇。
22.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，當閥芯到達行程的端點時，所述電機由 於其低功率而機械地停止，從而不會導致對所述驅動裝置部件的損害。
23.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，在所述閥芯的行程端點，電子電路識別 到所述電機的瞬時高電流消耗，以便停止電機功率直到控制電路要求其反轉。
24.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述驅動單元通過保護蓋密封，所述保護蓋包括配備在其頂部的手動溫度設定裝置，在密封的撥盤式旋鈕和帶顯示單元的標有箭 頭的觸摸按鈕之間選擇所述設定裝置。
25.根據權利要求4所述的組件，其特徵在於，所述出水口通路內設有軸流式渦輪，所 述軸流式渦輪安裝在可旋轉地設在第一和第二軸承內的軸上，所述第一軸承安裝在固定插 入部的中間，所述固定插入部由多個徑向翅片構成以允許翅片之間的水的自由流動，所述 第二軸承安裝在所述第二端部圓盤內，所述軸的末端安裝有纏繞著定子線圈的永磁轉子， 所述永磁轉子位於設置在所述第二圓柱外殼內的圓柱空間內，所述轉子和所述定子線圈的 組裝形成了交流電機，轉子和定子線圈之間的整個容積是防水密封的，產生的電力通過密 封的電線傳送給電子電路。
26.根據權利要求24所述的組件，進一步包括電子電路，所述電子電路定位在所述驅 動單元的所述保護蓋下的自由空間內，所述電子電路通過電源驅動所述無摩擦定量閥驅動 裝置，電源從如下列表中選取內部設置的電池、內部可置換的電池、內部渦輪產生和外部 電源。
27.根據權利要求26所述的組件，其特徵在於，所述電子電路至少包括調節電位器，該 調節電位器與熱敏電阻傳感器和固定電阻形成溫斯頓橋，溫斯頓橋通過儀表放大器的非反 相輸入和放大設定電阻進行測量，儀表放大器由雙路運算放大器組成，所述雙路運算放大 器被設定為直接驅動所述低功率驅動電機。
全文摘要
一種無摩擦壓力平衡定量閥組件，用於低功率電動恆溫筒體，包括隔開的熱水和冷水進水口和通過中央加寬部與閥腔流體連通的中間混合出水口；通過加寬端部在閥腔內被引導的閥芯，具有把閥腔分成了兩個管狀進水腔的中央加寬盤部；設置在閥芯和殼體的兩端的兩個隔膜密封件，用於管狀進水腔的壓力平衡；浸入混合出水口通路中的溫度傳感器，生成可被控制電路讀取的電信號；由低功率電機供電的驅動裝置，通過齒輪系和偏心軸和可彎曲連接杆驅動以使閥芯軸向平移。通過平衡無摩擦閥芯的軸向平移，定量流體從所述冷水和熱水進水口流向混合出水口。
文檔編號G05D23/13GK101889251SQ200880119595
公開日2010年11月17日 申請日期2008年12月1日 優先權日2007年12月6日
發明者艾坦·利夫林 申請人:艾坦·利夫林