带有快速冲水存水弯的抽水马桶的制作方法

专利名称：带有快速冲水存水弯的抽水马桶的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有改进的存水弯(trapway)的抽水马桶。
背景技术：
传统的抽水马桶带有座便器部分和存水箱部分，通常形成为一个或两个主要部件。蛇形通路一般位于座便器的后下方以将座便器的内容物传输到建筑物的污物/污水/腐烂物的管道中。该通道一般称作“虹吸管”或“存水弯”。
所述通道的上管部通常充满水以“封住”从其下游来的污水气味，从而防止该气味进入建筑物内部。水由该存水弯的弧形部分保持在座便器和存水弯的上管部中。当通常充满空气/蒸汽的存水弯下游部分在冲水周期中快速地充满水时，该存水弯(有时与相邻的喷嘴一起)产生虹吸而排空座便器中的物体。
从而，存水弯有助于在冲水之前将水保持在座便器中，接着在冲水周期中以虹吸的形式有助于去除污物。在单个冲水周期中使用大量的水可相对较容易地实现上述双重功能。然而，基于环境和节水的原因，许多管辖区域现在禁止销售每个冲水周期中使用过多水量的抽水马桶。例如，一些此类的规章制度要求在每个冲水周期中使用的水量不得超过1.6加仑(6.06升)。
当座便器中充满粪便、手纸或其它固体时，难以用少量的水实现有效的冲洗。因此，当不仅仅有尿时，一些此类用水少的马桶通常需要用户冲水两次或更多次才能满意。这不仅违背了规章制度和环保目的，还浪费使用者时间。
甚至当抽水马桶使用少量水时清洁效果是合理有效的，还是有必要最小化每个冲水周期所占用的时间。冲水周期短有很多优点。例如，若冲水周期时间更短，可缩短抽水马桶产生最大噪声的时间。在半夜使用抽水马桶并且使用者希望尽量降低打扰正在熟睡的其他人(例如婴儿)的可能性时，这种特性是有利的。冲水周期短的另一个优点是因为由于周期短，若希望再次冲水而完成座便器清洗，能变得更快。
实现更短冲水周期的多种尝试特别地包括成形流动通路、控制流动状态(涡流或层流)、和/或减少或消除气穴在存水弯特定位置的出现。例如，美国专利5,918,325披露了一种存水弯，其以多种方式进行了改进试图使得冲水更为优化。还参见美国专利3,484,873、5,706,529和6,292,956。这些专利和所有其它专利的公开和出版物这里全文引入以供参考。
然而，“倒流”会使得开发具有有效清洁且用水少的快速冲水动作的尝试受阻，“倒流”是这种存水弯会造成从管道到存水弯的低压区域的反向气流的一种趋势。因此，对冲水周期短、还能有效并经济地清洁甚至座便器中的固体污物的低容量抽水马桶仍然有一种需求。

发明内容
本发明提供了一种抽水马桶，其包括一个带有改进的水和气排出特性的存水弯。在一个方面，该存水弯在座便器开口和排出口之间延伸，该存水弯带有一个弯曲的挡水堰区域，该挡水堰区域从所述座便器开口延伸到该座便器开口上方再延伸到一个下管部(leg)。下管部从其顶部到一个大体上水平的挡板向后倾斜，该挡板邻接所述下管部的下部并从该下管部后壁向前方延伸，所述下管部的下部连接到与所述排出口连通的外管部。
优选地，所述挡水堰下管部的半径介于大约2.25～3.5英寸之间，并且下管部相对于竖直方向的倾斜度小于15度，更优选地相对于竖直方向的倾斜度介于大约1～8度之间。优选地，该挡板凸缘从下管部的后壁测量的长度介于大约0.5～2.5英寸之间，甚至更优选地介于大约0.7～1.5英寸之间。该挡板凸缘从外管部的底部测量的高度介于大约1.5～3.0英寸之间，更优选地介于大约1.75～2.5英寸之间。
在另一优选形式中，存水弯在整个弯部的挡水堰区域为圆形截面。该弯曲的挡水堰区域优选地在邻接所述下管部的部位具有一个挡水堰下管部半径，其介于大约1.5～4.0英寸之间。
在另一优选形式中，至少一部分外管部是直的并且优选地为水平的，且至少一部分下管部是直的。在另一个优选形式中，上管部具有圆形截面，或者具有扁平内壁。在再一个优选形式中，外管部具有圆形截面，或者具有扁平内壁。
最优选地，存水弯的最小圆形通道约为2英寸。
在另一形式中，抽水马桶还带有一个喷嘴，该喷嘴能提供介于22～28(优选地约为25)加仑/分钟的流速。
从而本发明提供一种具有独特的存水弯设计的抽水马桶。该抽水马桶设计成使得座便器里的水在一个冲水周期中完全并快速地充满该存水弯的关键部分。这使得快速地排出座便器中的内容物，使用水量最小。该存水弯的设计改善了整个冲水周期的时间并显著地提高了冲水动作的速度，与具有传统存水弯设计且通常由重力驱动的抽水马桶相比将近提高了一半。
略微向后倾斜的下管部减少了挡水堰区域的气穴形成，否则这些气穴将干扰到存水弯的虹吸效果。挡板凸缘分散了从下管部通过的水流并输送气体和微粒，还促进了这些物体从存水弯的快速排出。弯曲的挡水堰区域均匀的圆形截面在虹吸开始阶段有助于提升挡水堰中的液面，这进一步有助于去除空气。
从详细描述和附图中将会更加清楚本发明的这些还有其它的优点。下文只描述了本发明优选的实施方式。为了评估本发明的全部范围，应该看附带的权利要求，因为该优选的实施方式并不是作为权利要求范围内仅有的实施方式。


图1示出了根据本发明的抽水马桶存水弯的左侧正视图，以虚线示出了使用存水弯的典型环境；图2示出了图1中的抽水马桶后部从前到后沿中心线剖开的竖直截面图；图3示出了沿图2中3-3线的截面图；图4示出了沿图2中4-4线的截面图；图5示意性地示出了存水弯部分反面一侧的视图；图6示出了沿图5中6-6线的截面图；图7为与图6类似的截面图，只是沿图5中7-7线形成；图8为与图6类似的截面图，只是沿图5中8-8线形成；图9为与图6类似的截面图，只是沿图5中9-9线形成；图10为存水弯的示意性表示，示出了一个由存水弯外管部中的气坝(air dam)产生的气穴(air pocket)(由实阴影画出)和一个因污物倒流到存水弯下管部中的低压区域产生的气穴(虚线)，该(虚线)气穴在这里公开的存水弯中不出现，但在以前的一些存水弯设计中确实出现。
图11为与图1类似的视图，只是为第二实施方式；图12为与图2类似的视图，只是为第二实施方式；图13示出了沿图12中13-13线的截面图；和图14为图11中的存水弯的示意性表示，带有存水弯的某些参数的标记。
具体实施例方式
图1示出了一个带有根据本发明的虹吸通道或存水弯12设计的抽水马桶10。特别地，除了存水弯12，抽水马桶10可为任意合适的抽水马桶，优选地为低冲水量设计的马桶。
例如，图1以虚线示出一种带有安装到座便器基座16上的分离的冲水箱14的两件式抽水马桶。冲水箱14底部的孔(未示出)与座便器基座16顶部的孔(未示出)对齐，使得在一个冲水周期中，水可以从冲水箱流经该孔并进入形成在座便器基座16中座便器18中。
存水弯12从座便器18中的开口20沿着蛇形路径延伸，该存水弯在大部分的长度上大体上具有均匀并恒定的圆形截面(如图3所示)。该截面至少出现在挡水堰34的第二个弯部30处。
该存水弯在座便器基座16的底部有一个排出口22，该排出口安装在污水管道(未示出)的开口端上方。该存水弯12形成了一条污物通路，使得在一个冲水周期中座便器18中的内容物流到污物/污水/腐烂物的管道中。
请参照图2，存水弯12的入口24从座便器开口20向后延伸到第一弯部26。一个大体上直着向后指向的上管部28从第一弯部26以大约40～60度的角度延伸到第二弯部30。下管部32从第二弯部30略微向后倾斜地从顶部到底部远离开口20延伸，下管部32与竖直方向的夹角优选地介于大约1～10度之间，最优选地介于4～6度之间。
在上管部28和下管部32之间的弯部30形成了一个大约40度的角度，从而与通过上管部28的流动方向相比，将流动方向改变了大约140度。在第二弯部30内径的表面形成了挡水堰34(沿着下部内表面)，在该点后水流能流过存水弯的下游部分。
下管部32的底端在另一个弯部36处过渡，该弯部指向一个短而且直的向前倾斜的管部38。管部38终止于一个指向直而且水平的外管部42的弯部，该外管部42终止于一个指向排出口22的90度的弯部44。
存水弯12从座便器开口到挡水堰34处的整个弯曲的第二弯部30并直到下管部32都有一个大致均匀的圆形截面。优选地，存水弯12的整个所述部分的内截面的直径变化不超过5％。图6～图9示出了短倾斜管部38和外管部42的非圆形截面，其具有平坦的下表面，主要是基于铸造方面的考虑。
在下管部32的底端附近，存水弯12有一个短且平的水平挡板46，该挡板46在下管部32的后壁和短倾斜管部38之间延伸。优选地挡板46的延伸长度约等于下管部32的半径，或者在一种情形下大约为11/16英寸。挡板46用于产生涡流并改变离开下管部32的流动轨迹，其有助于使流动向下游移动。
一个凹陷的空腔或凹处48——在此称其为气坝48(air dam)——可选地形成并在外管部42的上部内侧部分延伸，该上内侧部分是中心线50与排出口22相对的一侧。优选地，该气坝48邻接倾斜管部38和外管部42的相交部分，该气坝从外管部42的上部内表面向上优选地以一种平滑的、轮廓为金字塔形构造而延伸，使得其底部大于其尖端，如图4所示。
然而，注意到气坝48可以是任意合适形状，例如半球形，只要在气坝48的前缘形成一个尖锐或小半径的边缘，其足以导致将水流从存水弯12分离即可。优选地，气坝48的上游向上延伸的表面51形成一个约为90度或更小的角度，以有助于以下述方式从存水弯12的表面分离流体。
图7和图8示出了外管部42在气坝48处的半个截面。该气坝48可为约1/2～1英寸(优选地5/8英寸)高，约1/2～3英寸(优选地11/2英寸)长，且约等于外管部42的直径(优选地21/8英寸)。
存水弯12设计为使得在一个冲水周期中从座便器而来的水完全并迅速地充满存水弯12的关键部分。这是可以实现的，因为向后倾斜的下管部32减小或消除了挡水堰34处气穴的形成，该气穴会干扰存水弯12的虹吸效果，在虹吸初始阶段，第二弯部30的均匀圆形截面有助于提升挡水堰34处的液面。
进而，气坝48有助于快速冲水，其通过以下途径实现将流体从下管部32的内壁分离而在存水弯12中产生一片流体，这片流体倾向于阻塞试图通过存水弯12从污物管线到挡水堰34下游的下管部42的低压区域而回流的空气。更具体地，如图10所示，在冲水时，流体流过挡水堰34进入下管部32和存水弯的其它通常为充气状态的下游部分。
流体离开下管部的下端并进入短倾斜管部38。在离开短倾斜管部38的下端之后，在存水弯上表面(从如图2所示观察)的流体流经气坝48的前缘表面52(优选地为一个小半径凸出的表面或小平尖角表面)，该前缘表面52指向气坝48的向上延伸的表面51，该表面51优选地与短倾斜管部38形成一个直角或锐角。这使得流体以相当高的速度从存水弯的上表面分离。这接着使得大致在外管部42的区域形成由实阴影线示出的气穴54。
这有效地减小了通过外管部42的截面面积，这增大了通过外管部42的流体压力和速度。这做了两方面的事情。其增大了通过外管部42的流体速度(尽管面积更小一些)，并促使流体产生一个更大的向下的力来克服污物管道中空气的压力，该空气倾向于向下管部32的低压区域移动并在下管部32中形成由虚线阴影表示的气穴56，这可能偶尔出现，取决于哪方面的压力占优。该称为“倒流”的现象不利于提供一次快速有力的冲水。从而，气坝48有助于防止倒流，从而使得流体可以通过下管部32和短倾斜管部38的整个面积，并且增大外管部42中的流体速度。
图11～14示出了本发明的另一种优选的实施方式，其中类似于前述实施方式的特征标以相似的附图标记，但是前缀加上数字“1”。本实施方式的存水弯大体上与前述实施方式具有相同构造，但是，在外管部上没有设置气坝特征。
特别地，与上述类似，在此实施方式中，抽水马桶110带有一个虹吸通道或存水弯112，该存水弯112从座便器118的开口120沿着蛇形路径延伸，并具有大体上均匀的截面，例如挡水堰134处的圆形截面(如图13)。设在座便器基座116底部的排出口122安装在污物管道(未示出)的开放端上，使得存水弯112形成了一个用于在一个冲水周期中使座便器118的内容物流到污物管线中的通路。
现在请参照图12，存水弯112的直入口124从座便器开口向后延伸到第一向上弯部126。一个大体上直的上管部128从第一弯部126以大约40～60度的角度向上延伸到第二弯部130，该上管部128具有大体上均匀的圆形或扁平圆形截面。下管部132从第二弯部130略微向后倾斜地从顶部到底部延伸而远离座便器开口。
在上管部128和下管部132之间的第二弯部130形成了一个大约40度的角度。在第二弯部130内径的表面形成有挡水堰134(沿着下部内表面)，在该点后水流能从座便器流过存水弯112的下游部分到达污物管道中。下管部132的底端在另一个弯部136过渡，该弯部指向一个短而且直的向前倾斜的管部138。管部138终止于一个指向直而且水平的外管部142的弯部140，该外管部142终止于一个指向排出口122的90度的弯部144。
存水弯112从座便器开口到挡水堰134处的整个弯曲的第二弯部130并直到下管部132可有一个大致均匀的圆形截面。在此情形下，优选地，存水弯112的整个所述部分的内截面的直径变化不超过5％。存水弯112的上管部128和外管部142部分可选地具有平坦的下表面，大体上形成一个与这些管部的内径相交的直线弦表面(linear chord surface)。上管部128和外管部142的这种平坦构造与前述实施方式中图6和图9所示的短倾斜管部38和外管部42的非圆形截面类似，前述该非圆形截面具有平坦的下表面，主要是基于铸造方面的考虑。
在下管部132的底端附近，存水弯112具有一个短且平的水平挡板146，该挡板146在下管部132的后壁和短倾斜管部138之间延伸。挡板146用于产生涡流并改变离开下管部132的流动轨迹，其有助于使流动向下游移动。
存水弯112设计为使得在一个冲水周期中从座便器而来的水完全并快速地充满存水弯112的关键部分。这是可以实现的，因为向后倾斜的下管部132减小或消除了挡水堰134处气穴的形成，该气穴会干扰存水弯112的虹吸效果，在虹吸初始阶段，第二弯部130的均匀圆形截面也有助于提升挡水堰134处的液面。
流体流过挡水堰134进入下管部132和存水弯的其它通常充有气体的下游部分。流体离开下管部128的下端，并在进入短倾斜管部138之前由挡板146中断，该中断产生了通过外管部的涡旋流动，该涡旋流动用来带走该区域的空气，从而增大通过外管部142的流体的速度以阻止空气倒流。
参照图14，存水弯112构造成具有试图实现快速冲水动作的多个设计参数。上文已经对其中几个参数进行了讨论，然而，下表总结了11个最重要的参数。其中合适地为每个参数提供了优选值的范围。
表1-存水弯的设计参数

上面提供的范围是为一种具有大约1.8～2.1英寸的球形通道的存水弯和带有喷水通道的抽水马桶而选择的，正如本领域所公知的，该喷水通道提供一个大约25加仑/分钟(“gpm”)的初始流速和一个座便器中的水面在座便器开口处或在其之下时的大约10gpm的“保持(hold down)”流速。
在上面示出的11个参数中，本发明的发明者根据经验确定出了对于快速冲水最为关键的三个参数为存水弯挡水堰下管部半径(r4)、存水弯挡水堰下管部角度(θ3)和挡板凸缘长度(L1)。
下管部132设计成从第二弯部130向后从顶部到底部以一个角度延伸并远离座便器开口，该角度相对于竖直方向介于大约1～15度之间，更优选地介于大约1～8度之间，且最优选地介于大约4～6度之间。下管部存水弯半径(r4)优选地介于1.5～4.0英寸之间，更优选地介于2.25～3.5英寸之间。该半径选择为有助于形成挡水堰部分的流型，而确保水流靠近挡水堰内弯部附近流动并且将此区域下游的空气朝向排出口推动。
挡板146的延伸长度优选地介于大约0.5～2.5英寸之间，且更优选地介于大约0.7～1.5英寸之间，以使水流的中断更为优化，而不会过度地封闭该通道。进一步，挡板146优选地设置在距外管部的下表面介于大约1.5～3.0英寸之间的高度，更优选地介于大约1.75～2.5英寸之间。如前所述，这些值是为约2英寸的球形通道而选择的。挡板凸缘高度和长度将与下管部的半径成比例地上下变化。
需要理解的是，上面已经描述了本发明的优选实施方式。然而，本领域技术人员将会很清楚所述优选实施方式的修改和变化形式，这些将落入本发明的精神和范围之中。因此，本发明不应该限制于所描述的实施方式。要确定本发明的全部保护范围，应该参考下述的权利要求。
工业实用性本发明提供了改进的抽水马桶，该抽水马桶通过帮助存水弯中的空气向下流动并且通过阻止上游空气倒流进入存水弯而更有效地冲洗污物。
权利要求
1.一种带有存水弯的抽水马桶，该存水弯在座便器开口和一排出口之间延伸，该存水弯带有一个弯曲的挡水堰区域，该挡水堰区域从所述座便器开口延伸到该座便器开口上方再延伸到一个下管部，其改进包括所述下管部自其顶部到一个大体上水平的挡板向后倾斜，该挡板邻接所述下管部的下部并从该下管部的后壁向前方延伸，所述下管部的下部连接到与所述排出口连通的外管部。
2.如权利要求1的抽水马桶，其中所述存水弯在整个弯曲的挡水堰区域为圆形截面。
3.如权利要求1的抽水马桶，其中所述弯曲的挡水堰区域在与所述下管部邻接的部位具有一个挡水堰下管部半径，该半径介于大约1.5～4.0英寸之间。
4.如权利要求3的抽水马桶，其中所述挡水堰下管部半径介于大约2.25～3.5英寸之间。
5.如权利要求1的抽水马桶，其中所述外管部大体上是水平的。
6.如权利要求5的抽水马桶，其中所述外管部至少一部分是直的。
7.如权利要求1的抽水马桶，其中从所述下管部后壁测量，所述挡板的凸缘长度介于大约0.5～2.5英寸之间。
8.如权利要求7的抽水马桶，其中所述凸缘长度介于大约0.7～1.5之间。
9.如权利要求1的抽水马桶，其中从所述外管部底部测量，所述挡板的凸缘高度介于大约1.5～3.0英寸之间。
10.如权利要求9的抽水马桶，其中所述凸缘高度介于大约1.75～2.5英寸之间。
11.如权利要求1的抽水马桶，其中所述下管部至少一部分为直的。
12.如权利要求1的抽水马桶，其中所述下管部相对于竖直方向的倾斜角度小于15度。
13.如权利要求12的抽水马桶，其中所述下管部相对于竖直方向的倾斜角度介于大约1～8度之间。
14.如权利要求1的抽水马桶，其中所述存水弯的最小球形通道约为2英寸。
15.如权利要求1的抽水马桶，其中所述上管部具有圆形的截面。
16.如权利要求1的抽水马桶，其中所述上管部具有扁平的内壁。
17.如权利要求1的抽水马桶，其中所述外管部具有圆形的截面。
18.如权利要求1的抽水马桶，其中所述外管部具有扁平的内壁。
全文摘要
一种抽水马桶，带有一个在座便器开口和排出口之间延伸的存水弯。该存水弯包括一个在座便器开口上方的弯曲的、优选为均匀圆形截面的挡水堰区域、一个下管部、一个在下管部和排出口之间延伸的直的外管部。该下管部具有一个向后的斜面，在该处设置有一个水平挡板。该倾斜的下管部和水平挡板一起工作以防止空气倒流到挡水堰上方的区域，并且有助于快速带走并抽空挡水堰下方的空气。
文档编号E03D11/18GK1882749SQ200480028862
公开日2006年12月20日 申请日期2004年9月28日 优先权日2003年10月3日
发明者威廉·C·库鲁, 文卡塔·S·克里希纳穆尔蒂, 丹尼尔·N·哈洛伦, 刘应德, 苏迪普·慕克吉 申请人:科勒公司