專利名稱：用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用一種結(jié)合不同的流動狀態(tài)以增加并有效利用噴嘴的噴射(射流輸出)和混合作用的改進方法來調(diào)節(jié)流體流的裝置。較特別地，本發(fā)明參考一節(jié)水淋浴頭得以說明。然而，本發(fā)明并不限于淋浴頭應(yīng)用并且可適用于其它流體應(yīng)用包括液態(tài)和/或氣態(tài)流體流。
背景技術(shù)：
為了節(jié)約水通常的做法是安裝節(jié)水淋浴頭。目前用于此目的的這種裝置在操作中還不完善。它們一般通過使用一個通至淋浴頭的小入口以減少流量而降低消耗量。來自噴頭的水量還可以簡單地通過使用直徑減小的噴射孔而降低。雖然這些設(shè)計在某種程度上都是成功的，但它們的效率也由于流速減小降低了噴射壓力而受到限制。因此一個以每分鐘9升的AAA級當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)操作的淋浴頭具有噴射壓力低、噴射模式受限制和噴射頭中的出口孔阻塞的問題。而且，對許多人來說，現(xiàn)有裝置的每分鐘9升的淋浴頭讓人感覺不充分。
一種有效利用流速同時保持所需的噴射效果的方法是使主要水流切向通過一個在該室的限制成沿一環(huán)形流動路徑的外周側(cè)壁中的入口而進入淋浴頭室，并且從一個在所述室的中心軸線處或附近的端壁中的出口流出。沿一環(huán)形通路流動的主要水流在外周側(cè)壁處或附近形成一個在內(nèi)部開始的渦流并且朝向出口時速率和壓力增加。如果在與環(huán)形通路基本成90°處設(shè)置另一入口并且通過該另一入口送入一次要控制水流，它將調(diào)節(jié)并霧化主要流使其成為從出口射出的射流。
這種霧化和形成射流的方法不限于水的應(yīng)用并且應(yīng)用于其它流體。一個這種應(yīng)用是在需要燃料霧化的燃料噴射閥中。美國專利No.6161782(Heinbuck et al.)描述了圖2中的一種燃料霧化盤，其中，在與主要環(huán)形流動路徑基本成90°處設(shè)置一次要控制流，并調(diào)節(jié)和霧化主要流使其成為射流。
在與主要環(huán)形流動(或渦流)通路基本成90°處設(shè)置一次要控制流的一缺點在于它趨于干擾和阻斷渦流。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明由一種用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置組成，所述裝置包括一由分隔開的端壁所確定的環(huán)形室、一外周側(cè)壁、一中心軸線、至少一個位于所述外周側(cè)壁處或附近以允許流體流基本沿所述外周側(cè)壁的切向進入所述室的第一入口、一通過所述端壁之一引出的出口，該裝置的特征在于，在使用時，通過所述第一入口進入的流體流具有一基本沿一形成從所述外周側(cè)壁處或附近開始的渦流的第一環(huán)形流動路徑流動并且朝所述出口流動時速率和壓力增加的主要下層和至少一個基本沿一第二流動路徑徑向向內(nèi)地朝所述中心軸線流動的次要上層，所述主要下層和所述次要上層在所述入口和所述出口之間的流動的至少一部分期間內(nèi)相互作用和支承。
優(yōu)選地，通過用于產(chǎn)生一向內(nèi)徑向流動的方式形成所述次要上層的所述第二流動路徑。
優(yōu)選地，所述裝置包括可以與一噴嘴殼接合的一盤形件，該噴嘴殼和盤形件一起限定所述環(huán)形室，所述分隔開的端壁之一和所述環(huán)形室的所述外周側(cè)壁形成所述盤形件部分，并且所述用于產(chǎn)生一向內(nèi)徑向流動的方式為一位于所述盤形件和所述殼之間的狹窄環(huán)形間隙，所述環(huán)形間隙相對于所述外周側(cè)壁徑向向外設(shè)置。
在一實施例中，所述環(huán)形間隙的容量是固定的。
在另一實施例中，所述狹窄間隙的容量可以通過所述盤沿所述設(shè)置在中心處的殼相對于所述噴嘴殼的運動而變化。
在一實施例中，所述出口位于所述設(shè)置在中心的軸處或附近。
優(yōu)選地，所述至少第一入口為多個入口。
優(yōu)選地，在一實施例中，形成所述盤形件的一部分的所述分隔開的端壁之一具有一基本平坦的部分。
優(yōu)選地，在另一實施例中，形成所述盤形件的一部分的所述分隔開的端壁之一具有至少一個基本彎曲的部分。
在另一實施例中，所述裝置被用于混合不同的流體。


本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選實施例將參考附圖描述其中圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的射流二極管的示意性俯視圖。
圖2是一種現(xiàn)有技術(shù)的流體渦流放大器的示意性俯視圖。
圖3是一個描述現(xiàn)有技術(shù)的渦流原理的示意性平面圖。
圖4是一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的裝置的第一實施例的示意性立體圖。
圖5是一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的裝置的第二實施例的示意性剖視圖。
圖6是一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的裝置的第三實施例的示意性剖視圖。
圖7是圖6圓A中所示的裝置部分的放大細節(jié)圖。
圖8是用在圖5和6中所示的實施例中的盤形件的俯視圖。
圖9是一種用在根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的裝置的第四實施例中的盤形件的示意性剖視圖。
圖10是一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的裝置的第五實施例的示意性剖視圖。
圖11是用在圖10所示實施例中的盤形件的俯視圖。
圖12A-C示出利用一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的裝置可以獲得的不同的流層剖面。
具體實施例方式
為了很好地描述本發(fā)明，先適當(dāng)描述如圖1和2中所示的現(xiàn)有技術(shù)中的用于調(diào)節(jié)流體流動的裝置。
圖1描述一個“流體渦流二極管”的示意性俯視圖，其包括一個在外周側(cè)壁3上具有一切向入口2的環(huán)形室1。一出口4與入口2基本成90°地位于室1的一端壁的中心處。進入入口2的液體沿一環(huán)形通路流動，該環(huán)形通路造成一具有高阻力(拉力)的渦流。在液體回路中這被用作“二極管”。
圖2描述一個“流體渦流放大器”的示意性俯視圖。與圖1中所示的流體渦流二極管相似，它包括一個在外周側(cè)壁3上具有一切向入口2的環(huán)形室1。它也有一個與入口2基本成90°并位于室1的一端壁的中心處的出口4。進入入口2的液體也沿著一環(huán)形通路流動，該環(huán)形通路造成一具有高阻力(拉力)的渦流。然而，它還具有一控制(或次要)入口6。通過此控制入口6的流動阻斷了渦流運動和效果，使得流動加強。這種控制流在流體回路中用于“可變阻力”。在圖2中，通過控制入口6的流動基本平行于通過入口2進入的主要流的環(huán)形(渦流)通路的流動方向。然而，如果重新設(shè)置控制入口6使其輸入流與環(huán)形(渦流)通路垂直而非平行，則可以將其用于產(chǎn)生圖2中所示的美國專利No.6161782的“霧化盤”的霧化噴射效果。然而，如上所述，次要流的這種垂直輸入阻斷而不是有助于渦流。
圖3是室1中的一非常小的變化的示意性俯視圖，以便有助于說明“渦流”原理。此原理參考以下公式進行說明A)Vr＝VR(r/R)ηR-外徑r-內(nèi)徑Vr-渦流切向速率(在r上)VR-渦流切向速率(在R上)η-粘性常數(shù)(+1＞η＞-1)其中η＝+1適用于固體，
η＝-1適用于無粘性；和0＞η＞-1適用于氣體或液體當(dāng)所有η值是負(fù)數(shù)時，Vr可以表示如下Vr＝VR(R/r)η我們也知道B)F＝m[(Vr)2/R]以及C)dp＝S(Vr)2(dr/r)其中F-力m-質(zhì)量dp-壓力變化S-液體密度dr-半徑變化通過置換和合并D)Pr＝PR+[S(VR)2/2η][(r/R)2η-1]其中Pr-壓力(在r上)PR-壓力(在R上)這表示渦流的狀態(tài)，即，當(dāng)流體從圓周流向中心時，速度隨同壓力增加。這種應(yīng)用已經(jīng)用于例如園藝噴頭等裝置中。然而，它們造成一有毛緣的噴射形式并且霧化效果不好。
圖4描述一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的裝置的第一實施例的示意性立體圖。此裝置包括一具有一外周側(cè)壁3的環(huán)形室1。流經(jīng)該室1的流體被分成兩層，一主要下層16和一次要上層17。主要下層16從一位于外周側(cè)壁3(或者外周長)切向的入口進入室1以產(chǎn)生一朝向中心的渦流運動。次要上層17從一與外周側(cè)壁3(或外周長)垂直的入口進入室1以便產(chǎn)生一向內(nèi)朝向位于中心處、與切向入口基本成90°的出口4的徑向運動。
主要下層16和次要上層17以一個非破壞性方式從開始(周長)至結(jié)束(出口)相互作用(混合)和支承。它們都不會破壞由渦流產(chǎn)生的運動和作用，而是放大和加強渦流效應(yīng)。也就是說，當(dāng)層16和17從外周長(圓周)向中心移動時，壓力、拉力和速度增加。該渦流以勢能的形式被保持并增強，直到它在出口處以我們可以看到的離心噴涌18式的動能形式被釋放?？梢钥刂坪驼{(diào)節(jié)該離心噴涌18以便根據(jù)用戶端所需的性質(zhì)產(chǎn)生各種出口噴射構(gòu)形，即直線、廣角度、有毛緣、薄霧-全霧化、單層或分層、斷點、脈沖/捶擊式等。
圖5和6描述用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流動的“淋浴頭”裝置的第二和第三實施例，該裝置產(chǎn)生參考圖4中所示的本發(fā)明第一實施例而描述的主要下層16和次要上層17流動狀態(tài)。圖5描述一個具有一“固定容量”的環(huán)形室1a的淋浴頭，同時圖6描述一個具有一“可變?nèi)萘俊钡沫h(huán)形室1b的淋浴頭。
圖5中描述的“固定容量”淋浴頭的室1a適于接受水流(未示出)，并且被調(diào)節(jié)霧化的射流通過一個安裝在室出口4a上淋浴殼15a中的單孔噴嘴7a排出。
圖6中描述的“可調(diào)容量”淋浴頭的室1b與圖5的實施例相似，然而，在此例中可以通過由使用者旋轉(zhuǎn)一出口噴嘴殼8來調(diào)節(jié)室1b中的流動，這又調(diào)節(jié)通過淋浴殼15b中的出口4b和噴嘴7b的排出量和噴射形式。
圖5和6的實施例都包括一個內(nèi)部盤形件9，該盤形件如圖8中所示優(yōu)選地用于分別形成上述室1a和1b。在每一個實施例中，盤形件9還將流體分配到室1a或1b中。根據(jù)這些實施例，所述流體都通過盤形件9的表面10進入所述室。在使用中，水流通過八個繞盤形件9的外周側(cè)壁12的入口11沿切向進入。流體的大部分形成一與圖4所示的主要下層16類似的主要下層。然而，當(dāng)流體經(jīng)過與入口11連接的八個孔20時，該流體的一部分沿圓周被推入盤形件9和淋浴殼15a或15b之間的環(huán)形間隙13。圖7中示出該間隙13的一放大視圖，其相對于外周側(cè)壁12徑向向外設(shè)置。然后該流體部分變成一與圖4中所示的次要上層17類似的次要上層，并徑向向內(nèi)地朝出口4a或4b行進。每個淋浴頭的噴射特征由間隙13的固定寬度確定，因為它設(shè)定次要上(控制)層相對于主要層的量。
在如圖5中所示的“固定容量”淋浴頭的例子中，環(huán)形間隙13也是固定的，從而確定其噴射特征，然而在如圖6所示的“可調(diào)容量”淋浴頭的例子中，環(huán)形間隙13是可調(diào)節(jié)的，從而允許噴射特征可變。這允許借助一無級控制機構(gòu)操縱流層16和17。
在圖5和6的第二和第三實施例中所示的盤形件9具有一有一升高中心部分23的表面10，該升高中心部分具有一引導(dǎo)流體流向室出口4或者4a的徑向彎曲面。圖9中示出一個可用于本發(fā)明第四實施例的盤形件9a。盤形件9a與盤形件9相似，可是它的表面10a是平坦的。
圖10和11描述一個用于調(diào)節(jié)通過適于與一水龍頭一起使用的噴嘴的流體流動的裝置的第五實施例。殼15c和盤形件9c可插在一進入一具有一可拆卸網(wǎng)狀出口覆蓋物的水龍頭的自由端的筒型部件中。該第五實施例具有類似于圖5中所示第二實施例“淋浴頭”的“固定容量”。一單孔噴嘴7c位于殼15c中，經(jīng)調(diào)節(jié)的霧化射流通過該噴嘴7c排出。在該實施例中，盤形件9c具有兩個其中通過流體的入口11c。與前述實施例類似，主要流層16和次要流層17是當(dāng)水流過該裝置時形成的。在該實施例中產(chǎn)生次要流層17的間隙13c與作為盤形件9c的一部分的外周側(cè)壁12c相鄰。
圖12A-C示出顯示主要下層16和次要層17之間的關(guān)系的三個不同的流層剖面。圖12A中所示的彎曲流層剖面是圖5和6中所示的盤形件9產(chǎn)生的第二和第三實施例中的流層剖面。圖12B中所示的平行流層是由圖9中所示的第四實施例的盤形件9a產(chǎn)生的。如果盤形件9a的上表面10a是凸起的而不是平坦的，則將產(chǎn)生圖12C中所示的彎曲流層剖面。
從發(fā)明者所實施的實驗中，根據(jù)本發(fā)明的上述實施例構(gòu)成的淋浴頭的以下優(yōu)點是明顯的。
●在供給期間的增加的恒定壓力下，可以獲得一降低至每分鐘2升的噴嘴流速，●出口噴嘴的流動保持恒定并且在與淋浴頭的供給壓力幾乎不相關(guān)的情況下自調(diào)節(jié)，●噴嘴噴射比目前的節(jié)水淋浴頭更精確和更均勻，
●低流速的淋浴射流使人感覺比目前的淋浴頭中噴出的射流更充分，●增加的流動壓力和由室渦流產(chǎn)生的霧化使得在使用一單孔噴嘴時即使在使用硬水的情況下也能避免阻塞問題，●供給壓力的變化對出口噴嘴處的流動和水溫沒有很大的影響；●在“可調(diào)容量”淋浴頭中，通過簡單旋轉(zhuǎn)淋浴頭閥而無級調(diào)節(jié)進入所述室中的次要控制流能夠改變噴嘴排放方式、減少用水量并改變噴射形式而無需中斷水流，以及●沒有活動部件，從而延長了裝置的使用壽命。
在上述實施例中出口位于中心，而在其它未示出的實施例中出口不必位于室的中心并且可以例如位于設(shè)置在中心的軸的附近。出口的定位可以改變輸出射流的效果，并且其位置稍稍偏離中心可以例如用于產(chǎn)生適于高壓沖洗的脈沖噴射。
還應(yīng)該了解的是，室1內(nèi)的流層16和流層17之間的接觸面(或分界面)可以形成不同的輪廓，例如平行的、凹入的、凸起的、拋物線形的、一些是彎曲的而一些是平面的等。
還應(yīng)該了解的是，本發(fā)明的上述實施例涉及兩個流層16和17，但在其它未示出的實施例中可以存在附加的流層。其它流層根據(jù)其流動的性質(zhì)可以呈渦流和/或放射狀，并且可以通過物理障礙分開。
因此將理解的是，至少具有已公開的實施例形式的該發(fā)明提供一種新穎及得到改善的節(jié)水淋浴頭。然而明顯的是，所述示例只是本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選形式并且可以進行多種對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說較明顯的修改。例如環(huán)形室的相對尺寸、環(huán)形間隙的形狀和構(gòu)形、出口噴嘴的形狀和構(gòu)形、入口數(shù)目和設(shè)計以及調(diào)節(jié)控制流壓力的方式都可以改變以便隨著本發(fā)明人的進一步的開發(fā)工作而適合于淋浴頭以外的應(yīng)用。也可以設(shè)想該裝置可用作一不同流體的混合器。雖然高強度塑料或抗腐蝕金屬例如不銹鋼或銅是目前優(yōu)選的，但本發(fā)明不限于任何用于構(gòu)造該淋浴頭的特殊材料。
已參考淋浴頭的應(yīng)用對本發(fā)明進行了描述，應(yīng)該了解的是，本發(fā)明的裝置可適用于其它未示出的流體應(yīng)用，例如，電子噴油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、消防栓噴嘴、噴砂處理噴嘴、推進點火裝置、涂料噴射噴嘴、生物醫(yī)學(xué)噴射系統(tǒng)、洗磚噴嘴、氣溶膠瓶/罐噴嘴和氣焊焊炬。
在其中本發(fā)明裝置用于噴砂處理噴嘴或其它推進點火裝置的未示出實施例中，固體或拋射體通過流體流攜帶。在以與圖4中所示相似的方式形成流體流時，中心噴涌18可以用于控制由該裝置點燃的固體或拋射體的飛行路徑的方向和穩(wěn)定性。
還應(yīng)該了解的是，以水為所述流體對上述淋浴頭實施例進行了說明，在其它未示出的實施例中該流體可以為其它類型，或者是液體或者是氣體或者是它們的混合物。這種流體例如可以是油、涂料、農(nóng)用化學(xué)溶液、清洗劑、藥物或工業(yè)氣體例如氧氣和氮氣。此外，本發(fā)明的裝置可以用于在噴射前混合不同的流體。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，所述裝置包括一由分隔開的端壁所確定的環(huán)形室、一周向側(cè)壁、一中心軸線、至少一個位于所述周向側(cè)壁處或附近以允許流體流基本沿所述周向側(cè)壁的切向進入所述室的第一入口、一通過所述端壁之一引出的出口，該裝置的特征在于，在使用時，通過所述第一入口進入的流體流具有一基本沿一形成從所述周向側(cè)壁處或附近開始的渦流的第一環(huán)形流動路徑流動并且朝向所述出口時流動速率和壓力增加的主要下層和至少一個基本沿一第二流動路徑徑向向內(nèi)地朝所述中心軸線流動的次要上層，所述主要下層和所述次要上層在所述入口和所述出口之間的流體流的至少一部分內(nèi)相互作用和支承。
2.一種如權(quán)利要求1的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其特征在于，通過用于產(chǎn)生一向內(nèi)徑向流動的結(jié)構(gòu)形成所述次要上層的所述第二流動路徑。
3.一種如權(quán)利要求2的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其特征在于，所述裝置包括可以與一噴嘴殼接合的一盤形件，該噴嘴殼和盤形件一起限定所述環(huán)形室，并且所述分隔開的端壁之一和所述環(huán)形室的所述周向側(cè)壁形成所述盤形件部分，并且所述用于產(chǎn)生一向內(nèi)徑向流動的結(jié)構(gòu)為一位于所述盤形件和所述殼之間的狹窄環(huán)形間隙，所述環(huán)形間隙相對于所述周向側(cè)壁徑向向外設(shè)置。
4.一種如權(quán)利要求3的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其特征在于，所述環(huán)形間隙的容量是固定的。
5.一種如權(quán)利要求3的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其特征在于，所述狹窄間隙的容量可以通過所述盤沿所述設(shè)置在中心處的殼相對于所述噴嘴殼的運動而變化。
6.一種如權(quán)利要求1的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其特征在于，所述出口位于所述設(shè)置在中心的軸處或附近。
7.一種如權(quán)利要求1的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其特征在于，所述裝置為一淋浴頭。
8.一種如權(quán)利要求1的用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其特征在于，所述至少第一入口為多個入口。
9.一種如權(quán)利要求3的用于調(diào)節(jié)流體流的裝置，其特征在于，形成所述盤形件的一部分的所述分隔開的端壁之一具有一基本平坦的部分。
10.一種如權(quán)利要求3的用于調(diào)節(jié)流體流的裝置，其特征在于，形成所述盤形件的一部分的所述分隔開的端壁之一具有至少一個基本彎曲的部分。
11.一種如權(quán)利要求1的用于調(diào)節(jié)流體流的裝置，其特征在于，所述裝置用于混合不同的流體。
全文摘要
一種用于調(diào)節(jié)通過噴嘴的流體流的裝置，其包括一個由被分隔端壁所確定的環(huán)形室(1)，一個周向側(cè)壁(3)，一個中心軸線，和一個在周向側(cè)壁(3)上或其附近的第一入口以使一個流體流與周向側(cè)壁(3)呈切向地進入所述室(1)，和一個通過其中一個端壁的出口(4)。在使用中，一個通過第一入口進入的流體流具有一個沿著從周向側(cè)壁(3)開始形成一個渦流的第一環(huán)形流動路徑流動且向著出口增加速度和壓力的主要下層16和至少一個基本上沿著一個第二流動路徑徑向向內(nèi)地向著中心軸線流動的次要上層(17)。此主要下層(16)和次要上層(17)在入口和出口(4)之間的至少一部分流動的附近相互作用和支承。
文檔編號B05B1/18GK1681603SQ03821883
公開日2005年10月12日 申請日期2003年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月15日
發(fā)明者J·吳 申請人:渦流工程方案有限公司