专利名称：用于调节通过喷嘴的流体流的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用一种结合不同的流动状态以增加并有效利用喷嘴的喷射(射流输出)和混合作用的改进方法来调节流体流的装置。较特别地，本发明参考一节水淋浴头得以说明。然而，本发明并不限于淋浴头应用并且可适用于其它流体应用包括液态和/或气态流体流。
背景技术：
为了节约水通常的做法是安装节水淋浴头。目前用于此目的的这种装置在操作中还不完善。它们一般通过使用一个通至淋浴头的小入口以减少流量而降低消耗量。来自喷头的水量还可以简单地通过使用直径减小的喷射孔而降低。虽然这些设计在某种程度上都是成功的，但它们的效率也由于流速减小降低了喷射压力而受到限制。因此一个以每分钟9升的AAA级当前标准操作的淋浴头具有喷射压力低、喷射模式受限制和喷射头中的出口孔阻塞的问题。而且，对许多人来说，现有装置的每分钟9升的淋浴头让人感觉不充分。
一种有效利用流速同时保持所需的喷射效果的方法是使主要水流切向通过一个在该室的限制成沿一环形流动路径的外周侧壁中的入口而进入淋浴头室，并且从一个在所述室的中心轴线处或附近的端壁中的出口流出。沿一环形通路流动的主要水流在外周侧壁处或附近形成一个在内部开始的涡流并且朝向出口时速率和压力增加。如果在与环形通路基本成90°处设置另一入口并且通过该另一入口送入一次要控制水流，它将调节并雾化主要流使其成为从出口射出的射流。
这种雾化和形成射流的方法不限于水的应用并且应用于其它流体。一个这种应用是在需要燃料雾化的燃料喷射阀中。美国专利No.6161782(Heinbuck et al.)描述了图2中的一种燃料雾化盘，其中，在与主要环形流动路径基本成90°处设置一次要控制流，并调节和雾化主要流使其成为射流。
在与主要环形流动(或涡流)通路基本成90°处设置一次要控制流的一缺点在于它趋于干扰和阻断涡流。
发明内容
根据第一方面，本发明由一种用于调节通过喷嘴的流体流的装置组成，所述装置包括一由分隔开的端壁所确定的环形室、一外周侧壁、一中心轴线、至少一个位于所述外周侧壁处或附近以允许流体流基本沿所述外周侧壁的切向进入所述室的第一入口、一通过所述端壁之一引出的出口，该装置的特征在于，在使用时，通过所述第一入口进入的流体流具有一基本沿一形成从所述外周侧壁处或附近开始的涡流的第一环形流动路径流动并且朝所述出口流动时速率和压力增加的主要下层和至少一个基本沿一第二流动路径径向向内地朝所述中心轴线流动的次要上层，所述主要下层和所述次要上层在所述入口和所述出口之间的流动的至少一部分期间内相互作用和支承。
优选地，通过用于产生一向内径向流动的方式形成所述次要上层的所述第二流动路径。
优选地，所述装置包括可以与一喷嘴壳接合的一盘形件，该喷嘴壳和盘形件一起限定所述环形室，所述分隔开的端壁之一和所述环形室的所述外周侧壁形成所述盘形件部分，并且所述用于产生一向内径向流动的方式为一位于所述盘形件和所述壳之间的狭窄环形间隙，所述环形间隙相对于所述外周侧壁径向向外设置。
在一实施例中，所述环形间隙的容量是固定的。
在另一实施例中，所述狭窄间隙的容量可以通过所述盘沿所述设置在中心处的壳相对于所述喷嘴壳的运动而变化。
在一实施例中，所述出口位于所述设置在中心的轴处或附近。
优选地，所述至少第一入口为多个入口。
优选地，在一实施例中，形成所述盘形件的一部分的所述分隔开的端壁之一具有一基本平坦的部分。
优选地，在另一实施例中，形成所述盘形件的一部分的所述分隔开的端壁之一具有至少一个基本弯曲的部分。
在另一实施例中，所述装置被用于混合不同的流体。
本发明当前优选实施例将参考附图描述其中图1是一种现有技术的射流二极管的示意性俯视图。
图2是一种现有技术的流体涡流放大器的示意性俯视图。
图3是一个描述现有技术的涡流原理的示意性平面图。
图4是一种根据本发明的用于调节通过喷嘴的流体流动的装置的第一实施例的示意性立体图。
图5是一种根据本发明的用于调节通过喷嘴的流体流动的装置的第二实施例的示意性剖视图。
图6是一种根据本发明的用于调节通过喷嘴的流体流动的装置的第三实施例的示意性剖视图。
图7是图6圆A中所示的装置部分的放大细节图。
图8是用在图5和6中所示的实施例中的盘形件的俯视图。
图9是一种用在根据本发明的用于调节通过喷嘴的流体流动的装置的第四实施例中的盘形件的示意性剖视图。
图10是一种根据本发明的用于调节通过喷嘴的流体流动的装置的第五实施例的示意性剖视图。
图11是用在图10所示实施例中的盘形件的俯视图。
图12A-C示出利用一种根据本发明的用于调节通过喷嘴的流体流动的装置可以获得的不同的流层剖面。
具体实施例方式
为了很好地描述本发明，先适当描述如图1和2中所示的现有技术中的用于调节流体流动的装置。
图1描述一个“流体涡流二极管”的示意性俯视图，其包括一个在外周侧壁3上具有一切向入口2的环形室1。一出口4与入口2基本成90°地位于室1的一端壁的中心处。进入入口2的液体沿一环形通路流动，该环形通路造成一具有高阻力(拉力)的涡流。在液体回路中这被用作“二极管”。
图2描述一个“流体涡流放大器”的示意性俯视图。与图1中所示的流体涡流二极管相似，它包括一个在外周侧壁3上具有一切向入口2的环形室1。它也有一个与入口2基本成90°并位于室1的一端壁的中心处的出口4。进入入口2的液体也沿着一环形通路流动，该环形通路造成一具有高阻力(拉力)的涡流。然而，它还具有一控制(或次要)入口6。通过此控制入口6的流动阻断了涡流运动和效果，使得流动加强。这种控制流在流体回路中用于“可变阻力”。在图2中，通过控制入口6的流动基本平行于通过入口2进入的主要流的环形(涡流)通路的流动方向。然而，如果重新设置控制入口6使其输入流与环形(涡流)通路垂直而非平行，则可以将其用于产生图2中所示的美国专利No.6161782的“雾化盘”的雾化喷射效果。然而，如上所述，次要流的这种垂直输入阻断而不是有助于涡流。
图3是室1中的一非常小的变化的示意性俯视图，以便有助于说明“涡流”原理。此原理参考以下公式进行说明A)Vr＝VR(r/R)ηR-外径r-内径Vr-涡流切向速率(在r上)VR-涡流切向速率(在R上)η-粘性常数(+1＞η＞-1)其中η＝+1适用于固体，
η＝-1适用于无粘性；和0＞η＞-1适用于气体或液体当所有η值是负数时，Vr可以表示如下Vr＝VR(R/r)η我们也知道B)F＝m[(Vr)2/R]以及C)dp＝S(Vr)2(dr/r)其中F-力m-质量dp-压力变化S-液体密度dr-半径变化通过置换和合并D)Pr＝PR+[S(VR)2/2η][(r/R)2η-1]其中Pr-压力(在r上)PR-压力(在R上)这表示涡流的状态，即，当流体从圆周流向中心时，速度随同压力增加。这种应用已经用于例如园艺喷头等装置中。然而，它们造成一有毛缘的喷射形式并且雾化效果不好。
图4描述一种根据本发明的用于调节通过喷嘴的流体流动的装置的第一实施例的示意性立体图。此装置包括一具有一外周侧壁3的环形室1。流经该室1的流体被分成两层，一主要下层16和一次要上层17。主要下层16从一位于外周侧壁3(或者外周长)切向的入口进入室1以产生一朝向中心的涡流运动。次要上层17从一与外周侧壁3(或外周长)垂直的入口进入室1以便产生一向内朝向位于中心处、与切向入口基本成90°的出口4的径向运动。
主要下层16和次要上层17以一个非破坏性方式从开始(周长)至结束(出口)相互作用(混合)和支承。它们都不会破坏由涡流产生的运动和作用，而是放大和加强涡流效应。也就是说，当层16和17从外周长(圆周)向中心移动时，压力、拉力和速度增加。该涡流以势能的形式被保持并增强，直到它在出口处以我们可以看到的离心喷涌18式的动能形式被释放。可以控制和调节该离心喷涌18以便根据用户端所需的性质产生各种出口喷射构形，即直线、广角度、有毛缘、薄雾-全雾化、单层或分层、断点、脉冲/捶击式等。
图5和6描述用于调节通过喷嘴的流体流动的“淋浴头”装置的第二和第三实施例，该装置产生参考图4中所示的本发明第一实施例而描述的主要下层16和次要上层17流动状态。图5描述一个具有一“固定容量”的环形室1a的淋浴头，同时图6描述一个具有一“可变容量”的环形室1b的淋浴头。
图5中描述的“固定容量”淋浴头的室1a适于接受水流(未示出)，并且被调节雾化的射流通过一个安装在室出口4a上淋浴壳15a中的单孔喷嘴7a排出。
图6中描述的“可调容量”淋浴头的室1b与图5的实施例相似，然而，在此例中可以通过由使用者旋转一出口喷嘴壳8来调节室1b中的流动，这又调节通过淋浴壳15b中的出口4b和喷嘴7b的排出量和喷射形式。
图5和6的实施例都包括一个内部盘形件9，该盘形件如图8中所示优选地用于分别形成上述室1a和1b。在每一个实施例中，盘形件9还将流体分配到室1a或1b中。根据这些实施例，所述流体都通过盘形件9的表面10进入所述室。在使用中，水流通过八个绕盘形件9的外周侧壁12的入口11沿切向进入。流体的大部分形成一与图4所示的主要下层16类似的主要下层。然而，当流体经过与入口11连接的八个孔20时，该流体的一部分沿圆周被推入盘形件9和淋浴壳15a或15b之间的环形间隙13。图7中示出该间隙13的一放大视图，其相对于外周侧壁12径向向外设置。然后该流体部分变成一与图4中所示的次要上层17类似的次要上层，并径向向内地朝出口4a或4b行进。每个淋浴头的喷射特征由间隙13的固定宽度确定，因为它设定次要上(控制)层相对于主要层的量。
在如图5中所示的“固定容量”淋浴头的例子中，环形间隙13也是固定的，从而确定其喷射特征，然而在如图6所示的“可调容量”淋浴头的例子中，环形间隙13是可调节的，从而允许喷射特征可变。这允许借助一无级控制机构操纵流层16和17。
在图5和6的第二和第三实施例中所示的盘形件9具有一有一升高中心部分23的表面10，该升高中心部分具有一引导流体流向室出口4或者4a的径向弯曲面。图9中示出一个可用于本发明第四实施例的盘形件9a。盘形件9a与盘形件9相似，可是它的表面10a是平坦的。
图10和11描述一个用于调节通过适于与一水龙头一起使用的喷嘴的流体流动的装置的第五实施例。壳15c和盘形件9c可插在一进入一具有一可拆卸网状出口覆盖物的水龙头的自由端的筒型部件中。该第五实施例具有类似于图5中所示第二实施例“淋浴头”的“固定容量”。一单孔喷嘴7c位于壳15c中，经调节的雾化射流通过该喷嘴7c排出。在该实施例中，盘形件9c具有两个其中通过流体的入口11c。与前述实施例类似，主要流层16和次要流层17是当水流过该装置时形成的。在该实施例中产生次要流层17的间隙13c与作为盘形件9c的一部分的外周侧壁12c相邻。
图12A-C示出显示主要下层16和次要层17之间的关系的三个不同的流层剖面。图12A中所示的弯曲流层剖面是图5和6中所示的盘形件9产生的第二和第三实施例中的流层剖面。图12B中所示的平行流层是由图9中所示的第四实施例的盘形件9a产生的。如果盘形件9a的上表面10a是凸起的而不是平坦的，则将产生图12C中所示的弯曲流层剖面。
从发明者所实施的实验中，根据本发明的上述实施例构成的淋浴头的以下优点是明显的。
●在供给期间的增加的恒定压力下，可以获得一降低至每分钟2升的喷嘴流速，●出口喷嘴的流动保持恒定并且在与淋浴头的供给压力几乎不相关的情况下自调节，●喷嘴喷射比目前的节水淋浴头更精确和更均匀，
●低流速的淋浴射流使人感觉比目前的淋浴头中喷出的射流更充分，●增加的流动压力和由室涡流产生的雾化使得在使用一单孔喷嘴时即使在使用硬水的情况下也能避免阻塞问题，●供给压力的变化对出口喷嘴处的流动和水温没有很大的影响；●在“可调容量”淋浴头中，通过简单旋转淋浴头阀而无级调节进入所述室中的次要控制流能够改变喷嘴排放方式、减少用水量并改变喷射形式而无需中断水流，以及●没有活动部件，从而延长了装置的使用寿命。
在上述实施例中出口位于中心，而在其它未示出的实施例中出口不必位于室的中心并且可以例如位于设置在中心的轴的附近。出口的定位可以改变输出射流的效果，并且其位置稍稍偏离中心可以例如用于产生适于高压冲洗的脉冲喷射。
还应该了解的是，室1内的流层16和流层17之间的接触面(或分界面)可以形成不同的轮廓，例如平行的、凹入的、凸起的、抛物线形的、一些是弯曲的而一些是平面的等。
还应该了解的是，本发明的上述实施例涉及两个流层16和17，但在其它未示出的实施例中可以存在附加的流层。其它流层根据其流动的性质可以呈涡流和/或放射状，并且可以通过物理障碍分开。
因此将理解的是，至少具有已公开的实施例形式的该发明提供一种新颖及得到改善的节水淋浴头。然而明显的是，所述示例只是本发明的当前优选形式并且可以进行多种对于本领域技术人员来说较明显的修改。例如环形室的相对尺寸、环形间隙的形状和构形、出口喷嘴的形状和构形、入口数目和设计以及调节控制流压力的方式都可以改变以便随着本发明人的进一步的开发工作而适合于淋浴头以外的应用。也可以设想该装置可用作一不同流体的混合器。虽然高强度塑料或抗腐蚀金属例如不锈钢或铜是目前优选的，但本发明不限于任何用于构造该淋浴头的特殊材料。
已参考淋浴头的应用对本发明进行了描述，应该了解的是，本发明的装置可适用于其它未示出的流体应用，例如，电子喷油系统、排气系统、消防栓喷嘴、喷砂处理喷嘴、推进点火装置、涂料喷射喷嘴、生物医学喷射系统、洗砖喷嘴、气溶胶瓶/罐喷嘴和气焊焊炬。
在其中本发明装置用于喷砂处理喷嘴或其它推进点火装置的未示出实施例中，固体或抛射体通过流体流携带。在以与图4中所示相似的方式形成流体流时，中心喷涌18可以用于控制由该装置点燃的固体或抛射体的飞行路径的方向和稳定性。
还应该了解的是，以水为所述流体对上述淋浴头实施例进行了说明，在其它未示出的实施例中该流体可以为其它类型，或者是液体或者是气体或者是它们的混合物。这种流体例如可以是油、涂料、农用化学溶液、清洗剂、药物或工业气体例如氧气和氮气。此外，本发明的装置可以用于在喷射前混合不同的流体。
权利要求
1.一种用于调节通过喷嘴的流体流的装置，所述装置包括一由分隔开的端壁所确定的环形室、一周向侧壁、一中心轴线、至少一个位于所述周向侧壁处或附近以允许流体流基本沿所述周向侧壁的切向进入所述室的第一入口、一通过所述端壁之一引出的出口，该装置的特征在于，在使用时，通过所述第一入口进入的流体流具有一基本沿一形成从所述周向侧壁处或附近开始的涡流的第一环形流动路径流动并且朝向所述出口时流动速率和压力增加的主要下层和至少一个基本沿一第二流动路径径向向内地朝所述中心轴线流动的次要上层，所述主要下层和所述次要上层在所述入口和所述出口之间的流体流的至少一部分内相互作用和支承。
2.一种如权利要求1的用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其特征在于，通过用于产生一向内径向流动的结构形成所述次要上层的所述第二流动路径。
3.一种如权利要求2的用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其特征在于，所述装置包括可以与一喷嘴壳接合的一盘形件，该喷嘴壳和盘形件一起限定所述环形室，并且所述分隔开的端壁之一和所述环形室的所述周向侧壁形成所述盘形件部分，并且所述用于产生一向内径向流动的结构为一位于所述盘形件和所述壳之间的狭窄环形间隙，所述环形间隙相对于所述周向侧壁径向向外设置。
4.一种如权利要求3的用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其特征在于，所述环形间隙的容量是固定的。
5.一种如权利要求3的用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其特征在于，所述狭窄间隙的容量可以通过所述盘沿所述设置在中心处的壳相对于所述喷嘴壳的运动而变化。
6.一种如权利要求1的用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其特征在于，所述出口位于所述设置在中心的轴处或附近。
7.一种如权利要求1的用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其特征在于，所述装置为一淋浴头。
8.一种如权利要求1的用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其特征在于，所述至少第一入口为多个入口。
9.一种如权利要求3的用于调节流体流的装置，其特征在于，形成所述盘形件的一部分的所述分隔开的端壁之一具有一基本平坦的部分。
10.一种如权利要求3的用于调节流体流的装置，其特征在于，形成所述盘形件的一部分的所述分隔开的端壁之一具有至少一个基本弯曲的部分。
11.一种如权利要求1的用于调节流体流的装置，其特征在于，所述装置用于混合不同的流体。
全文摘要
一种用于调节通过喷嘴的流体流的装置，其包括一个由被分隔端壁所确定的环形室(1)，一个周向侧壁(3)，一个中心轴线，和一个在周向侧壁(3)上或其附近的第一入口以使一个流体流与周向侧壁(3)呈切向地进入所述室(1)，和一个通过其中一个端壁的出口(4)。在使用中，一个通过第一入口进入的流体流具有一个沿着从周向侧壁(3)开始形成一个涡流的第一环形流动路径流动且向着出口增加速度和压力的主要下层16和至少一个基本上沿着一个第二流动路径径向向内地向着中心轴线流动的次要上层(17)。此主要下层(16)和次要上层(17)在入口和出口(4)之间的至少一部分流动的附近相互作用和支承。
文档编号B05B1/18GK1681603SQ03821883
公开日2005年10月12日 申请日期2003年8月15日 优先权日2002年8月15日
发明者J·吴 申请人:涡流工程方案有限公司