專利名稱：低能耗大流量閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在水利上、在農(nóng)田灌溉上、在生活用水上，都大量地存在著水體輸送的工作，為了控制和管理水體的輸送，在供水系統(tǒng)中大量使用了閥門和閘門。“低能耗大流量閥”就是這樣一種閥門，由于它特別適用于大流量的水體輸送，因此在水利閘門和農(nóng)田灌溉用的水閘或小型水壩方面，“低能耗大流量閥”也能得到應(yīng)用。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的閥門都是在外加的力量和能量作用下啟閉的，最典型的是我們每天要用的水龍頭了，因為家用水源的水管直徑很小，水對閥門的關(guān)鍵部件的作用力很小。因此它是利用我們手的旋動提起關(guān)斷水的閥蓋或球閥，使水得以流動的，同樣反向的操作可以切斷水源。當水管的直徑有數(shù)十厘米甚至數(shù)百厘米時，僅用一個人的力量，事實上是無法開啟和關(guān)閉閥門的，這是因為關(guān)閉狀態(tài)下閥門承受了巨大的靜壓力，而靜壓力又造成了巨大的磨擦阻力；當要將有流動的水的閥門關(guān)斷時，又由于水動力的作用及由它引起的磨擦阻力，單靠一個人的力量，要克服如此巨大的靜壓力和巨大的磨擦阻力，實際上是相當困難的。因此，在實際上，人們常常是用一只電動機，驅(qū)動一個蝸輪變速器，再通過一付螺母螺桿才能得以開啟或關(guān)閉閥門。而當水流通過面積大于一平方米以后，人門常用閘門的方式來對待水源的管理了。

發(fā)明內(nèi)容
以上的事實是，無論閥門是處在關(guān)閉的狀態(tài)還是處在開啟的狀態(tài)，閥門的附近都是存在有巨大的力量，但在本發(fā)明提出之前，這個力量通常只是人們力圖克服的對象。而低能耗大流量閥”則是一種利用這“巨大的力量”來開啟或關(guān)閉閥門的一種閥門。
“低能耗大流量閥”是一種利用閥口處流體能量進行閥門啟閉的閥門，它的特點是啟閉閥門所要消耗的外加能量很低，特別適用于大斷面大流量的管道水體輸送，它的特征是有一個喇叭形取流口，一個管理取得的有壓流體去向的換向閥門，以及一個利用取得的有壓流體來開啟或關(guān)閉的閥門，這里的閥門既可以是常規(guī)概念中管道上用的角閥、蝶閥等，也可以是水利灌渠中用膠囊構(gòu)成的充水水壩和水利設(shè)施中制作在水工建筑中的閘門，這閥門既可以由能充液膨脹變形的彈性囊狀體來承擔，也可用一個或多個能充液膨脹變形的彈性囊狀體驅(qū)動機械構(gòu)件帶動的閥門來承擔，這些閥門可以用手輕輕按動控制，也可以用電磁鐵控制。
本閥門適用于一切水質(zhì)比較潔凈的滿管輸送的輸水管道，如自來水供水系統(tǒng)，水利上的輸水系統(tǒng)，農(nóng)田灌溉中的輸水系統(tǒng)等。由于它的大流量特性，因此在水利的閘門方面也可以用為替代設(shè)備。
在本發(fā)明提出之前，本人從未看到同樣的工作原理并用于同樣設(shè)備的設(shè)計，無論是閥門還是閘門。
明顯的事實是，這種將人們力圖克服的對象轉(zhuǎn)變成人們達到目的的能源，從而大大地節(jié)省了啟閉閥門外加的能源，僅從這一點上來看就有著節(jié)能的意義。用一個實際的例子來說明這一點，一只4公斤的電磁鐵額定的最大工作電流是2.3安培，啟動一次的時間算它要2秒，工作電壓按220伏計算，一度電可以動作約3500次，而“低能耗大流量閥”并不要4公斤的力，更不要2秒鐘的工作時間。而且，“低能耗大流量閥”還十分有利于不直接接觸的有線遙控，這對水資源的管理，對農(nóng)田水利管理，對大規(guī)模的水資源調(diào)配都有著較大的幫助。
“低能耗大流量閥”的意義較為顯而易見，但這閥門附近的流體能量是否足以啟閉閥門呢？我們知道流體力學(xué)中的伯努利方程表明，流體中無處不在的能量形式共有三種勢能、壓能、動能，它們之間相互轉(zhuǎn)化是隨著流體環(huán)境的變化而不斷變化著的。例如在閥門處在關(guān)閉的狀態(tài)時，裝有閥門的管路系統(tǒng)中，在閥門附近靠水源一側(cè)的水體中，存在有勢能、壓能；而在閥門處在開通的狀態(tài)時，在閥門附近存在有勢能、壓能和動能。這勢能、壓能的存在并可以被利用還比較直觀，但它是否足以克服水流的沖力頗值得懷疑了，而至于動能的利用，則更存疑慮了。這里，我們通過對一個蝶閥的分析來說明“低能耗大流量閥”的工作原理。


圖1是用以說明“低能耗大流量閥”獲取能啟閉閥門的壓力水源的示意圖，圖中所顯示的是內(nèi)部構(gòu)造全被暫時移去的閥門，此時的閥門只剩下了兩端還帶有法蘭的一段管道。圖中的兩端管口的下方都有一翻起的邊，它們就是喇叭口的剖面，在喇叭口的后邊都連接著管子。圖中箭頭所示的是通過閥門的水流方向，因此，左邊的喇叭口是逆著水流的方向安置的，而右邊的喇叭口則是順著水流的方向安置的。無論是那一個喇叭口，它口部的截流面積是其后部管口的截流面積的5倍以上。對于左邊的喇叭口來說，水進入喇叭口以后，由于斷面積逐漸減小，因此流速開始增大，與此相伴的水的壓能也稍有提高。如果這股水流一旦被堵塞(背壓)，由于流體的動能變成了零，因而壓能就會迅速升高。這是伯努利方程表明的道理。這最終的壓力能升到多高，和喇叭口與管口的比例有關(guān)，比值越大，這個壓力就越高。此外，這個壓力還和喇叭口后的全部管路上的局部壓力損失和沿程損失有關(guān)，損失越大，這最終的壓力就越低，另外局部損失是流速的函數(shù)，在管內(nèi)流速很小時這個損失也隨之降低，何況也還可以通過改善管內(nèi)流通條件來降低損失。對于“低能耗大流量閥”來說，這個壓力只要能足以啟閉閥門就行了，因為喇叭口太大對整個輸送的水體造成的局部損失也是不利于水體輸送的。至于右端的喇叭口，由于喇叭口所處的斷面水體(不是指喇叭口內(nèi)的水體)的通流面積最小，因而水體的流速稍有提高，因此這里水體中的水的靜壓力(壓能)要低于喇叭口內(nèi)的水體中的水的靜壓力(壓能)，根據(jù)流體力學(xué)原理，喇叭口內(nèi)的水有一種被喇叭口外的水抽吸出去的趨勢。因此這兩個喇叭口的后接管內(nèi)的壓力是明顯不同的左邊從E口輸出的壓力要比右邊從F口流出的壓力高得多。
圖2是“低能耗大流量閥”中蝶閥的構(gòu)造示意圖。圖2中，左邊是閥體1和驅(qū)動器2被沿著蝶形閥門8平面剖開的剖面圖，驅(qū)動器的蓋5及安裝在蓋上的控制盒6、控制盒上的操縱按鈕7都沒有被剖開，此圖中我們還能看到驅(qū)動器與其蓋連接的法蘭4、蝶形閥門8、驅(qū)動器葉片9。右圖是左視圖移走驅(qū)動器蓋后露顯出來的驅(qū)動器內(nèi)部構(gòu)造。圖中顯示出閥體1和它兩端的法蘭3，驅(qū)動器內(nèi)的“能充液膨脹變形的彈性囊狀體”(以下簡稱為膠囊)11、12，焊接固定在驅(qū)動器外殼2上的分隔板10，蝶形閥門通過軸與驅(qū)動器葉片9相連的葉片9的橫端面。右圖現(xiàn)在所顯示的是從兩個喇叭口取得來的有壓水流經(jīng)過控制盒后，高壓力水通過膠囊11上的孔A、B進入到了膠囊11的內(nèi)部，同時低壓力水(更正確講應(yīng)當是負壓力水)則通過膠囊12上的孔C、B從膠囊12通過順向喇叭口流到閥后下游的管內(nèi)去的。由于膠囊11內(nèi)的壓力要高于膠囊12內(nèi)的壓力，而驅(qū)動器的蓋5工作時是固定在驅(qū)動器上的，因此葉片9受到壓力的作用作逆時針轉(zhuǎn)動，直至“低能耗大流量閥”將水源關(guān)斷，葉片9被閥體內(nèi)的擋塊(圖中沒有顯示)擋住為止。這種驅(qū)動器與液壓氣動中的雙作用擺動缸十分相似，不同的是工作區(qū)不是靠精密的密封技術(shù)來分隔作用區(qū)域，而是用了一個“能充液膨脹變形的彈性囊狀體”的膠囊，這主要是為了制造上的便利。如果能夠采用新材料新工藝，既能保證密封，又能可靠地分隔工作區(qū)域，這膠囊是完全可以省去的。例如在水利的閘門中應(yīng)用本設(shè)計，就可以考慮這樣做。
上述的葉片關(guān)斷閥門的過程是在閥體內(nèi)有水流動時進行的，那么僅靠膠囊11中的壓力水能否足以關(guān)斷呢？從圖2的左圖中我們能夠看到，葉片的對稱中心軸處是有一根轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸被固定在閥體上，因此葉片只能繞軸轉(zhuǎn)動而不能作其它任何運動，當“低能耗大流量閥”內(nèi)有滿管的管流在流動時，水流對以軸為分界的上、下兩側(cè)產(chǎn)生的對于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩是正好相反的，下半側(cè)的作用造成了蝶形閥門的關(guān)閉；上半側(cè)的作用造成了蝶形閥門的開啟，這兩個力因為水的重力而稍有不同，但基本上接近平衡，因此在因膠囊引起的輔助的外力的幫助下，閥門的關(guān)閉是完全可以實現(xiàn)的。為了可靠些，我們讓葉片的總受力面積不小于半個蝶形閥門的面積，因為我們還必須將機械效率造成的阻力也考慮進去。
對于正處在關(guān)閉狀態(tài)的“低能耗大流量閥”，我們要想開啟它，只須按下控制盒6上的按鈕7，膠囊11、12中接通的壓力水源接口便發(fā)生切換，這時原先處于萎縮狀態(tài)的膠囊12開始膨脹；而膠囊11則開始萎縮，蝶形閥門開始順時針轉(zhuǎn)動開啟，水流開始在“低能耗大流量閥”中通過，這使得逆向安裝的喇叭口更進一步地獲得了從動能轉(zhuǎn)變過來的壓能，因而蝶形閥門轉(zhuǎn)動得更快。當?shù)伍y門的平面與水流方向平行的時候，由于驅(qū)動器內(nèi)擋板擋塊的阻擋，使得閥門不能夠再轉(zhuǎn)動，于是“低能耗大流量閥”處在了全開啟的狀況中。
控制盒內(nèi)部的構(gòu)造是什么樣的呢？這對不同的“低能耗大流量閥”來說是不一樣。即使是同一種“低能耗大流量閥”，設(shè)計也可以各不相同，只要能達到切換水流的方向就行。本例中的控制盒的內(nèi)部構(gòu)造如圖3所示。圖3是沿著圖2中的按鈕橫向切開控制盒的示意圖，圖中顯示控制盒的左右兩個孔是通過一個組件連通并與圖1中的順流喇叭口接管F相通的；而在控制盒的縱向后端有一個孔，圖3中僅顯示為一個圓，是與圖1中的逆流喇叭口接管E相通的。圖3中還顯示，控制盒被縱向分隔成三腔，在中腔有一個雙穩(wěn)態(tài)的杠桿機構(gòu)，它的作用是在按動按鈕以后，可令中腔與圖3中的左腔相通，同時關(guān)閉了中腔與右腔的通道以及左腔與F口的通道，還開啟了右腔與F接口連接的通道，就如圖3現(xiàn)在所顯示的這樣。如果這之后我們按下另一個按鈕，則上述的情形全部發(fā)生切換中腔與圖3中的右腔相通，同時關(guān)閉了中腔與左腔的通及右腔與F口的通道道，還開啟了左腔與F接口連接的通道。我們已經(jīng)知道，這樣的切換的結(jié)果，是造成圖2中的膠囊11、12與圖1中的E、F中的那一個相接，也就是閥門從關(guān)閉狀態(tài)變成為開啟的狀態(tài)。
“低能耗大流量閥”也可以用于角閥，圖4所示就是這樣一種構(gòu)造。顯然可見的是這樣的構(gòu)造體積很大，因此經(jīng)濟上是否適當需要進一步探討。圖4中，閥體上的1、2是取得壓力水源的位置，它們與手動換向閥的接口1、2相通。
以上都是用一個或多個能充液膨脹變形的彈性囊狀體驅(qū)動機械構(gòu)件帶動的閥門來承擔“低能耗大流量閥”啟閉的例子，另外一種“低能耗大流量閥”是由能充液膨脹變形的彈性囊狀體自身堵住或開通流口來啟閉“低能耗大流量閥”的構(gòu)造。圖5所示就是這樣一種“低能耗大流量閥”，它較適于小口徑的“低能耗大流量閥”。
圖5所示的“低能耗大流量閥”的構(gòu)造及工作原理是這樣的。在閥體的內(nèi)部有兩個膠囊，一個是夾層的桶形環(huán)狀膠囊，叫外圍膠囊，另一個是一頭尖一頭圓的柱狀膠囊，叫中心膠囊，它被支持在兩端的徑向設(shè)置的支持幅條上，中心膠囊中的水也是通過這支持幅條輸入或排出膠囊的。這種“低能耗大流量閥”的喇叭口宜設(shè)在外圍膠囊的上方內(nèi)側(cè)表面。圖5中的右圖是通流時的情況，此時膠囊中的水都已排盡。當我們按動控制盒的按鈕(圖中均未畫出)后，從逆向喇叭口取得的水開始流入膠囊，水先是流進外圍膠囊的下半部。逐漸淹至中心膠囊和外圍膠囊的上半部，這時的流道已變得很細，水流的流速也大起來，于是從喇叭口獲得的水壓也更高，直至水流完全被膨脹的膠囊堵塞住為止。圖5中的左圖就是這種堵塞時的斷面狀況。由于這種“低能耗大流量閥”中的膠囊內(nèi)不是進水就是排水，因此這種“低能耗大流量閥”的方向控制閥的構(gòu)造相對來說也就比較簡單。為了防止膠囊在堵流時在水壓力的作用下發(fā)生過大的變形并因受力不均而導(dǎo)致膠囊材料損壞，因此可在膠囊的內(nèi)部設(shè)置一些牽拉筋以用來平衡膠囊材料的受力不均。
利用本專利所說的取水裝置取得的壓力水填充用膠囊制作的充水水壩，可以堵截渠流或使原被堵截的水渠開通。圖6所示的就是充水壩堵住及開通渠流時的情形。其中左圖是水利灌渠被充水水壩堵流時的情形；右上圖是充水水壩堵流時水壩段橫剖面圖；而右下圖則是充水壩內(nèi)的壓力水被排盡時水壩段剖面圖，這圖中顯示此時灌渠中的水能得以暢通。為了使從喇叭口取得的水的水壓力能高于水壩上游側(cè)的水壓力，而從喇叭口取得的水的水壓力還不可避免地要遭受到壓力損失，因此對于充水水壩的取水口最好是設(shè)置在膠囊體靠近壩頂?shù)奈恢?，這可使得只要壩還未堵住水流，取水口將還繼續(xù)取水，直至完全堵住為止。
能充液膨脹變形的彈性囊狀體自身堵住或開通流口來啟閉“低能耗大流量閥”的控制閥門內(nèi)，為了防止囊中的水向外回流，必要時可以加設(shè)止回的單向閥，這里的單向閥的通流局部壓力損失必須足夠小。
圖7是另一種“低能耗大流量閥”，或稱其為特大角向閥，因為它更適于設(shè)計成改變流向的角向閥，出于通用考慮，圖7設(shè)計成了不改變流向的結(jié)構(gòu)的形式。這也是一種能充液膨脹變形的彈性囊狀體自身堵住或開通流口來啟閉“低能耗大流量閥”。在圖7中，閥體1中部漸變成矩形斷面，內(nèi)部設(shè)有斜置的通流柵欄6(如圖7右側(cè)A-A所示)，柵欄下方設(shè)有正壓截流口2和它的引流管3；負壓截流口5和它的引流管4，兩條管路7沿著柵欄底部送達雙穩(wěn)態(tài)的二位三通閥8，這種閥的膠囊9只有一個，它在閥門開啟時因其內(nèi)部固定有卷曲的鋼絲而被卷曲在上邊懸掛著，在需要開閉閥門時，正壓截流口開始引流，使膠囊9漸漸充水，水的重量使膠囊漸漸展開，最后終因通流柵欄上下兩側(cè)的壓差關(guān)斷水流(如圖7左下方所示)。為了降低閥門的局部損失，因此柵欄的通流面積應(yīng)大于閥門對應(yīng)的公稱通流面積，在A-A視圖中，用虛線畫的園10所包括的面積是與柵欄的流通面積相等的，而閥門公稱通徑的通流面積則與用雙點劃線畫的園11相等。
綜上所述可知，“低能耗大流量閥”是一種利用管流中的流體能量進行關(guān)閉或開啟的閥門，操作這種閥門的開關(guān)只需要極少的力量，因而它非常適于進行遙控?！暗湍芎拇罅髁块y”很適用于農(nóng)業(yè)灌溉及水利及自來水工程方面應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.“低能耗大流量閥”是一種利用閥口處流體能量進行閥門啟閉的閥門，它的特點是啟閉閥門所要消耗的外加能量很低，特別適用于大斷面大流量的管道水體輸送，它的特征是有一個喇叭形取流口，一個管理取得的有壓流體去向的換向閥門，以及一個利用取得的有壓流體來開啟或關(guān)閉的閥門，這里的閥門既可以是常規(guī)概念中管道上用的角閥、蝶閥等，也可以是水利灌渠中用膠囊構(gòu)成的充水水壩和水利設(shè)施中制作在水工建筑中的閘門，這閥門既可以由能充液膨脹變形的彈性囊狀體來承擔，也可用一個或多個能充液膨脹變形的彈性囊狀體驅(qū)動機械構(gòu)件帶動的閥門來承擔，這些閥門可以用手輕輕按動控制，也可以用電磁鐵控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“閥口處流體能量”，指的是流體中的三種能量形式動能、壓能、和勢能，在堵流或順流時被轉(zhuǎn)化為的壓能；而“喇叭形取流口”則是取得這種壓能的手段，它的張口逆向水流時獲取正壓力；而當張口順向水流時可取得負壓，正負壓力都能被利用來啟閉閥門，為了安全可靠，喇叭口前應(yīng)配備攔污網(wǎng)柵以防止污物堵住喇叭開口及其后邊管道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“啟閉閥門所要消耗的外加能量很低”，指的是“低能耗大流量閥”的啟閉操作人員只須用幾公斤以下的力量按動一下就可操縱大流量閥的啟閉，也可以用電磁鐵代替人的操作來操縱大流量閥的啟閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“一個管理取得的有壓流體去向的換向閥門”，指的是“低能耗大流量閥”的啟閉是通過另外一個小的“換向閥門”的動作來完成的，用手輕輕按動控制或用電磁鐵控制的就是這個“換向閥門”，必要時在這閥門內(nèi)可以增設(shè)止回水的單向閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“利用取得的有壓流體來開啟或關(guān)閉的閥門，這里的閥門既可以是常規(guī)概念中管道上用的角閥、蝶閥等，也可以是水利灌渠中用膠囊構(gòu)成的充水水壩和水利設(shè)施中制作在水工建筑中的閘門，”，所指的閥門、水壩、閘門都是“低能耗大流量閥”，這里主要是因為本發(fā)明寇名的是“閥門”，同時也為了說明“低能耗大流量閥”不僅指常規(guī)概念中管道上用的角閥、蝶閥等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“這閥門既可以由能充液膨脹變形的彈性囊狀體來承擔”，所指的是用以阻斷或開通“低能耗大流量閥”內(nèi)主體水體流動的關(guān)鍵部件是能充液膨脹變形的彈性囊狀體，它主要是利用膠囊的柔性持征形成膨脹或收斂形態(tài)以充填或開通流道，前款所述的水利灌渠中用膠囊構(gòu)成充水水壩也是這種閥的形式之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“一個或多個能充液膨脹變形的彈性囊狀體驅(qū)動機械構(gòu)件帶動的閥門來承擔”所指的是用以阻斷或開通“低能耗大流量閥”內(nèi)主體水體流動的關(guān)鍵部件不是能充液膨脹變形的彈性囊狀體本身，彈性囊狀體只是驅(qū)動機械構(gòu)件，再由機械部件帶動阻斷或開通“低能耗大流量閥”內(nèi)主體水體流動的關(guān)鍵部件，由于這里的“彈性囊狀體”主要是為了密封而用的，因此在確?？煽棵芊獾那疤嶂乱部梢圆挥眠@“彈性囊狀體”。
全文摘要
“低能耗大流量閥”是一種水體輸送中利用閥口處流體能量進行閥門啟閉的低能耗的閥門，因而操作這種閥門需要的動力非常之小，這種閥門可以用手動控制，也可以用電磁鐵控制，在用電力控制時，一度電可以啟閉閥門達數(shù)千次之多。因此特別適用于低壓力大流量閥門或管道閘門，并且也很適用于無人直接操作或遙控的閥門。“低能耗大流量閥”特別適用于農(nóng)業(yè)灌溉、水利上灌渠輸水和自來水供水工程。
文檔編號F16K31/12GK1400413SQ01124428
公開日2003年3月5日 申請日期2001年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月27日
發(fā)明者陳漢保 申請人:陳漢保