СЛИВНОЙ КЛАПАН И ВАКУУМНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СТОЧНОЙ СИСТЕМЫ
DRAIN VALVE AND VACUUM GENERATOR FOR VACUUM DRAIN SYSTEM

Настоящее изобретение, в общем, относится к вакуумным сточным системам и, точнее, к сливным клапанам для вакуумных сточных приемных емкостей, таких как вакуумные туалеты.
Вакуумные сточные системы являются общеизвестными в технике для использования в транспортных средствах, таких как самолет. Вакуумные сточные системы обычно содержат унитаз, соединенный вакуумным трубопроводом с баком-накопителем. Сливной клапан расположен между унитазом и вакуумным трубопроводом. Когда сливной клапан открыт, содержимое унитаза удалено разницей давления в бак-накопитель, так как давление воздуха в линии под вакуумом ниже, чем давление окружающего воздуха в унитазе. Сливной клапан поддерживает границу давления между окружающим воздухом в унитазе и более низким давлением трубопровода и бака-накопителя. В самолете вакуум в трубопроводе может поддерживаться посредством источника вакуума на высотах приблизительно ниже 16000 футов. На высотах приблизительно 16000 футов и выше вакуум в трубопроводе может быть создан посредством разницы атмосферного давления между салоном и внешней средой.
Известные сливные клапаны и способы управления удалением отходов из унитаза в бак-накопитель являются общеизвестными. Такие сливные клапаны предшествующего уровня техники могут использовать большой поворотный диск, имеющий отверстие для пропускания отходов сквозь отверстие. Использование такого большого диска нежелательно, т.к. он делает сливной клапан в целом габаритным, тяжелым и громоздким для использования в ограниченном пространстве, таком как уборные самолета.
Кроме того, использование диска, имеющего отверстие, требует точного расположения отверстия над сливным отверстием так, чтобы отходы, перемещающиеся из унитаза в трубопровод, ведущий в бак-накопитель, не задерживались или не накапливались на периметре отверстия или на жестком участке диска, заставляя диск застревать или должным образом не герметизировать. Кроме того, в течение длительного времени и из-за естественного износа точность расположения таких дисковых отверстий имеет тенденцию уменьшаться, ухудшая вышеупомянутые проблемы.
Другой проблемой, связанной с известными сливными клапанами, использующими диск с отверстиями для пропускания отходов сквозь отверстие, является то, что пользователи не имеют возможности открыть их вручную. Это может привести к негигиеничному возврату отходов в унитаз и затоплению отходами помещения туалета, если сливной клапан застревает в закрытом положении.
Существует необходимость в меньшем, легко устанавливаемом и более эффективном сливном клапане, который не основан на диске, имеющем отверстие для управления удалением отходов из унитазов в вакуумных туалетных системах.
Настоящее изобретение, в общем, направлено на обеспечение улучшенного использования энергии, эффективность и надежность удаления отходов из унитаза в вакуумную сточную систему и для обеспечения конструкции более обтекаемого и компактного сливного клапана, который занимает меньше места, чем сливные клапаны предшествующего уровня техники, используемые в ограниченном пространстве уборной самолета. Устройство и способ изобретения достигают этого посредством сливного клапана, использующего выпускной диск уникальной формы. Такой выпускной диск не содержит отверстие и является достаточно большим для герметизации выпускного отверстия сливного клапана. Выпускной диск меньше и легче, чем любой выпускной диск, используемый в сливных клапанах предшествующего уровня техники. Поскольку диск меньше и уникальной формы, функционирование диска требует небольшого пространства и имеет относительно небольшой слив по сравнению с известными сливными клапанами. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления сливной клапан является составным компонентом уникального легкого решетчатого туалета. Эта нетиповая составная модификация дополнительно минимизирует вес и пространство, требуемые для клапана. Это является важными преимуществами, т.к. минимизация веса, пространства и использования энергии являются основными особенностями при проектировании в авиационной промышленности.
Дополнительно, настоящий клапан содержит функцию ручного отключения для повышенной надежности. Еще в одном аспекте используемым источником вакуума является вакуумный генератор с центробежным односторонним рабочим колесом, приводимый в движение бесщеточным двигателем постоянного тока. Поскольку эта модификация вакуумного генератора производит меньше тепла, чем модификации вакуумного генератора предшествующего уровня техники, рабочее колесо и корпус генератора могут быть выполнены из армированного полимера, таким образом значительно сокращая вес генератора по сравнению с известными вакуумными генераторами в сборе, используемыми со сливными клапанами в самолетах. Кроме того, меньшее и более легкое рабочее колесо установлено непосредственно на валу двигателя, таким образом уменьшая момент инерции и позволяя вакуумному генератору достичь и поддерживать требуемый вакуум, используя меньше энергии, чем известные вакуумные генераторы. Эти и другие преимущества изобретения будут очевидны из описания изобретения, приведенного ниже.
Вышеупомянутые и другие преимущества изобретения будут очевидны из описания изобретения, приведенного ниже, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой вид в перспективе наружной части задней стороны унитаза, изображающий основные компоненты сливного клапана настоящего изобретения как неотъемлемой части стороны унитаза;
фиг.2 представляет собой вид в перспективе передней стороны унитаза, изображенного на фиг.1, на котором применена крышка, чтобы закрыть компоненты сливного клапана;
фиг.3 представляет собой вид в перспективе крышки сливного клапана в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 представляет собой вид с сечением фиг.1 по линии 4-4 фиг.1;
фиг.5 представляет собой вид в перспективе выпускного диска в сливном клапане в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 представляет собой вид в перспективе диска фиг.5 по сравнению с размером и формой дисков сливного клапана предшествующего уровня техники изобретения;
фиг.7 представляет собой вид в перспективе вакуумного генератора в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.8 представляет собой вид в перспективе вакуумного генератора в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.9 представляет собой вид с сечением вакуумного генератора фиг.8 по линии 9-9; и
фиг.10 представляет собой вид в перспективе опоры унитаза, изображающий боковую панель, содержащую сливной клапан.
Вариант осуществления изобретения, описанный ниже, не претендует на то, чтобы быть исчерпывающим или ограничивающим изобретение раскрытой определенной конструкцией и функционированием. Вернее, вариант осуществления, описанный подробно ниже, был выбран и описан для объяснения принципов изобретения и его применения, функционирования и использования для лучшей возможности следования этим инструкциям другими специалистами, квалифицированными в данной области.
Настоящее изобретение, в общем, направлено на сливной клапан и способ управления удалением отходов из унитаза в вакуумную сточную систему, включая, в частности, вакуумную сточную систему самолетов. Нижеследующие примеры дополнительно иллюстрируют изобретение, но, в любом случае, не должны быть рассмотрены как ограничивающие объем изобретения.
На фиг.1-4 представлен вариант осуществления сливного клапана настоящего изобретения для управления удалением отходов из унитаза в вакуумную сточную систему, обозначенного 10. В этом варианте осуществления изобретения сливной клапан 10 выполнен как встроенный компонент поддерживающей опоры 40 унитаза (фиг.10) для сборной емкости 47 отходов вакуумного унитаза. Поддерживающая опора 40 унитаза содержит четыре взаимосцепленные стороны 41, 42, 43 и 44, каждая из которых имеет открытую решеточную конструкцию, как показано, для минимизации веса и максимизации конструкционной прочности. Опора 40 описана подробно в патенте США «Вакуумная сточная система и способ ее использования» № 61/102812, поданном 3 октября 2008 г. Раскрытие этой одновременно поданной заявки, относящейся к конструкции опоры, включено в виде ссылки.
Стороны 42 и 44 на краях содержат ряд взаимозацепляемых деталей 28 в виде ласточкина хвоста (фиг.1-2 и 10) для прикрепления их к пазам 48 в виде ласточкина хвоста (фиг.10) смежных панелей 41 и 43 опоры. В других вариантах осуществления стороны 42 и 44 на краях могут содержать ряд пазов в виде ласточкина хвоста для прикрепления их к деталям в виде ласточкина хвоста смежных панелей 41 и 43 опоры. Сторона опоры 44, изображенной на фиг.1-2, изображает сливной клапан 10 по изобретению как компонент стороны 44 опоры. Ключевые компоненты клапана содержат выпускной диск 16, ведущую шестерню 18, ведомую шестерню 20, приводной вал 22 (фиг.4), ведомый вал 24 и датчик 25 (фиг.4), каждый из которых установлен, как изображено, на стороне 44 опоры. Передняя крышка 14 клапана прикреплена к панели 44 опоры резьбовыми соединительными деталями 45 или другими соответствующими средствами для по меньшей мере частичного закрытия выпускного диска 16, расположенного в полости между боковой панелью 44 и крышкой 14. Между боковой панелью 44 и крышкой 14 вставлена прокладка (не изображена) для предотвращения утечки из полости.
Боковина 44 опоры содержит встроенный кольцевой выступ 30, размещенный выше выпускного диска, при этом выпускное отверстие 31 (как лучше всего видно на фиг.4) выровнено с впускным отверстием 27 в передней крышке 14 клапана. Крышка 14 содержит кольцевой фланец 26, который содержит впускное отверстие 27, которое получает отходы из унитаза (не изображено). Выпускное отверстие 31 соединено с трубопроводом (не изображен) и находится в соединении текучей среды с впускным отверстием 27 и баком-накопителем (не изображен), когда выпускной диск 16 открыт (как обсуждается далее).
Соответствующий известный привод 46 сливного клапана (как схематично изображено на фиг.4) имеет единый вал 22 привода. В предпочтительном варианте осуществления приводом сливного клапана является двигатель 28 постоянного тока. Вал 22 привода соединен с ведущей шестерней 18 и вращает ее, когда работает привод сливного клапана. Ведущая шестерня содержит встроенный удлиненный рычажок 32 для ручного открытия и закрытия сливного клапана. Как лучше всего видно на фиг.1 и 4, ведомая шестерня 20 сцепляется с ведущей шестерней 18 и поворачивает ведомый вал 24, прикрепленный к выпускному диску 16 (фиг.4).
Выпускной диск 16 расположен между впускным отверстием 27 и выпускным отверстием 31. Выпускной диск 16 содержит поворотный участок 23 и закрывающий участок 29. Поворотный участок 23 представляет собой участок выпускающего диска 16, который соединен с ведомым валом 24. Закрывающий участок 29 представляет собой участок выпускающего диска 16, который по размеру и форме соответствует размеру и форме выпускного отверстия 31. Закрывающий участок 29 является сплошным, т.к. он не содержит отверстий или углублений. Поворотный участок 23 установлен на боковой панели 44 посредством ведомого вала 24. Поворотный участок 23 поворачивается вперед-назад между закрытым положением (фиг.1) и открытым положением, в котором закрывающий участок 29 выпускающего диска 16 находится по существу на расстоянии от выпускного отверстия 31 так, что по существу вся граница раздела между впускным отверстием и выпускным отверстием открыта. В предпочтительном варианте осуществления диск поворачивается в плоскости по существу на 90 градусов между закрытым положением и открытым положением приблизительно за 0,7 секунды. В открытом положении впускное отверстие 27 и выпускное отверстие 31 сливного клапана находятся в соединении текучей среды друг с другом. В закрытом положении, как показано на фиг.1, закрывающий участок 29 диска 16 перекрывает соединение текучей среды (или границу давления) между впускным отверстием 27 и выпускным отверстием 31 и герметизирует выпускное отверстие 31 от получения отходов из унитаза. Уплотнительная втулка 33, предпочтительно выполненная из полиэтилена, расположена смежно по периметру выпускного отверстия 31 в пределах кольцевого выступа 30 выпускного отверстия 31. Поверхность уплотнения контактирует с поверхностью закрывающего участка 29 и предпочтительно имеет отделку поверхности 32 микрона или более. Когда диск 16 находится в закрытом положении, впускное отверстие 31 находится под вакуумом, и уплотнительная втулка 33 обеспечивает герметичность, что предотвращает утечку отходов. Закрывающему участку 29 приданы такие размеры, чтобы он был немного больше, чем уплотнение 33, для обеспечения полного закрытия.
В предпочтительном варианте осуществления выпускной диск 16 имеет каплевидную форму, как изображено на фиг.5. В выпускном диске 16 каплевидной формы поворотный участок 23 представляет собой наиболее узкий ведомый участок выпускного диска 16, и закрывающий участок 29 представляет собой более широкий ведущий участок выпускного диска 16. Как показано на фиг.6, изображенная каплевидная форма значительно меньшего размера и поэтому легче по весу, чем выпускные диски 17, обычно используемые в известных сливных клапанах, так как нефункциональный материал области 49 отсутствует на диске 16. Форма выпускного диска 16 не ограничена каплевидной формой. Поскольку закрывающий участок 29 герметизирует выпускное отверстие 31, чтобы не допустить возврата отходов из унитаза, могут быть использованы другие соответствующие формы с удаленными нефункциональными участками, включая, но не ограничиваясь, круглую, треугольную или многоугольную форму. "Нефункциональный материал" значит материал поворотного участка, в котором нет необходимости для поддержания работоспособности этого участка, и закрывающего участка, в котором нет необходимости закрывать границу раздела между впускным отверстием 27 и выпускным отверстием 31. В выпускных дисках, имеющих форму без более узкого ведомого участка, поворотный участок 23 представляет собой тот участок выпускного диска 16, который прикреплен к ведомому валу 24, и закрывающий участок 29 представляет собой тот участок выпускного диска 16, который имеет форму и размер, соответствующие размеру и форме выпускного отверстия 31. В некоторых вариантах осуществления выпускной диск 16 может быть объединением форм. Поворотный участок 23 может отличаться по форме от закрывающего участка 29. Например, выпускной диск 16 может быть в форме весла с удлиненным поворотным участком 23, напоминающим ручку, и более широким, округленным закрывающим участком 29, напоминающим по форме широкую часть ракетки для пинг-понга.
Как лучше всего видно на фиг.4, вал 22 привода соединен с датчиком 25, таким как потенциометр, и поворачивает его. Встроенный блок 34 управления системой (фиг.1), прикрепленный к боковой панели 44, содержит электрическое соединение с датчиком 25 и получает данные от датчика относительно углового положения вала 22 привода. Поскольку вал 22 привода также поворачивает ведущую шестерню 18, что, в свою очередь, приводит к повороту ведомой шестерни 20 и диска 16, встроенный блок управления системой косвенно определяет положение диска 16.
Может быть использован любой соответствующий вакуумный генератор для обеспечения дифференциала давлений в трубопроводе, прикрепленном к выпускному отверстию 31 сливного клапана, посредством отсасывания воздуха из бака-накопителя, соединенного с трубопроводом, когда клапан открыт. Однако предпочтительным вакуумным генератором является одноступенчатый центробежный вакуумный генератор с бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Такой вакуумный генератор предпочтительней, т.к. он меньше, легче по весу и использует меньше энергии, чем другие типы вакуумных генераторов, и все же способен к быстрому достижению необходимого вакуума. Этот вакуумный генератор имеет одностороннее рабочее колесо и предпочтительно приводится в действие быстродействующим бесщеточным электродвигателем постоянного тока.
Предпочтительный центробежный вакуумный генератор 50, изображенный на фиг.7-9, содержит верхний спиралевидный корпус 52, нижний спиралевидный корпус 54, одностороннее рабочее колесо 56 (фиг.9), блок управления 57 вакуумным генератором, бесщеточный двигатель 58 постоянного тока, впускной фланец 59 и выпускной фланец 61. Таким образом, воздух забран из бака-накопителя в вакуумный генератор через впускное отверстие 60, образованное впускным фланцем 59 верхнего спиралевидного корпуса 52. Рабочее колесо 56 закручивает воздух снаружи в спиралевидную камеру, которая выталкивает воздух в выпускное отверстие 62, образованное выпускным фланцем 61. Корпуса 52, 54 и рабочее колесо 56 предпочтительно выполнены из армированного полимера для уменьшения их веса, чтобы сделать конструкцию компактной и предотвратить обледенение при функционировании при холодной погоде. Рабочее колесо установлено на валу 64 двигателя (фиг.9), который соединен с двигателем 58 постоянного тока, и вращается в пределах корпусов 52, 54 со скоростью приблизительно 40000-90000 об/мин, предпочтительно 40000-50000 об/мин. Поскольку рабочее колесо 56 небольшое и легкое по весу, оно может быть установлено непосредственно на валу 64 двигателя 58 постоянного тока, что приводит к уменьшению момента инерции, что позволяет вакуумному генератору в сборе быстро достигнуть требуемых скоростей. Кроме того, полученный уменьшенный момент инерции по сравнению с известными вакуумными генераторами, используемыми в подобных применениях, позволяет использование меньшего двигателя постоянного тока и уменьшение потребления тока. Блок 57 управления вакуумным генератором управляет двигателем 58, получает входной сигнал от датчиков уровня (не изображены) на баке-накопителе (не изображен) и произвольно управляет нагревательными элементами системы (не изображены).
Когда пользователь приводит в действие рычаг для спуска воды в туалете, он передает электрический сигнал на встроенный блок управления 34 системой, который приводит в действие привод 46 сливного клапана. В ответ привод сливного клапана вызывает поворот вала 22 привода и прикрепленной ведущей шестерни 18, содержащей зубцы 19 приводной шестерни (фиг.1 и 4). В предпочтительном варианте осуществления вал привода и ведомая шестерня поворачиваются по существу на 90 градусов в направлении по часовой стрелке. Сцепление зубцов 19 ведущей шестерни с зубцами 21 ведомой шестерни 20 поворачивает ведомый вал 24 и выпускной диск 16, прикрепленный к ведомому валу, по существу на 90 градусов против часовой стрелки к открытому положению. В открытом положении выпускной диск освобождает периметр и впускного отверстия 27, и выпускного отверстия 31 таким образом, что впускное отверстие 27 находится в соединении текучей среды с выпускным отверстием 31. Если требуется, направление поворота может быть по часовой стрелке, а не против часовой стрелки. Также, если требуется, может быть изменена протяженность поворота. В других вариантах осуществления может требоваться обеспечить большую степень поворота выпускного диска, чтобы убедиться, что диск полностью освобождает впускное отверстие.
Когда выпускной диск находится в открытом положении, разница давлений между окружающим воздухом, находящимся в унитазе, и более низким давлением воздуха в трубопроводе между унитазом (не изображен) и баком-накопителем осуществляет всасывающее усилие для удаления отходов из унитаза в бак-накопитель через трубопровод. Более низкое давление воздуха в трубопроводе создается вакуумным генератором (предпочтительно генератор 50, описанный выше) на высотах приблизительно ниже 16000 футов и атмосферным давлением за бортом самолета на высотах приблизительно 16000 футов и выше.
Приблизительно после одной секунды после открытия сливного клапана блок управления 34 системой подает сигнал приводу сливного клапана повернуть вал 22 привода и ведущую шестерню 18 по существу на 90 градусов против часовой стрелки. Это поворачивает ведомый вал 24 и выпускной диск 16 по существу на 90 градусов по часовой стрелке так, чтобы соединение текучей среды между впускным отверстием 27 и выпускным отверстием 31 было закрыто диском 16 и уплотнение 33 герметично, чтобы больше не получать отходов из унитаза.
В случае отключения электроэнергии от привода сливного клапана сливной клапан может быть управляем вручную. Для ручного управления сливным клапаном рычажок 32 будет повернут пользователем по существу на 90 градусов для открытия сливного клапана и затем назад по существу на 90 градусов в противоположном направлении для закрытия сливного клапана. Таким образом, когда сливной клапан застревает или прилипает в закрытом положении, рычажок 32 может быть повернут пользователем для открытия сливного клапана. Этот новый признак предотвращает негигиеничный возврат отходов в унитаз и затопление отходами помещения туалета, если сливной клапан закрыт.
Все ссылки, включая публикации, патентные заявки и патенты, процитированные здесь, тем самым включены здесь в качестве ссылок в той же самой степени, как если бы каждая ссылка была индивидуально и соответственно обозначена для включения в виде ссылки, и в конечном итоге были здесь изложены.
Перечисление в данном документе диапазонов значений просто предназначено для условного обозначения индивидуальных ссылок на каждое отдельное значение, попадающее в пределы диапазона, если здесь иначе не обозначено, и каждое отдельное значение включено в описание, как если бы оно было отдельно перечислено в данном документе. Все способы, описанные здесь, могут быть выполнены в любой соответствующей последовательности, если иначе здесь не обозначено или иначе явно противоречит контексту. Использование какого-либо и всех примеров, или формулировки примера (например, «такой, как»), обеспеченных здесь, предназначено просто для лучшего освещения изобретения и не ограничивает объем изобретения, если иначе не требуется. Никакая формулировка в описании не должна быть рассмотрена как указание какого-либо незаявленного элемента как существенного для осуществления изобретения.
В данном документе описаны предпочтительные варианты осуществления данного изобретения, включая лучший способ, известный изобретателям для осуществления изобретения. Должно быть очевидным, что изображенные варианты осуществления являются только примерами и не должны быть восприняты как ограничивающие объем изобретения.