СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ПОДАЧИ ВОДЫ С ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ Российский патент 1994 года по МПК G05D23/02 

Изобретение относится к физике и механике, а именно, к устройствам с регулируемыми параметрами, и может быть использовано при создании смесителей для воды и других жидких сред, а также для регулирования и измерения температуры.

Известны бытовые смесительные устройства для систем холодного и горячего водоснабжения, выпускаемые отечественной промышленностью, содержащие корпус с впускными каналами для горячей и холодной воды и отверстием для выпуска смешанной воды. Подобные смесители просты по конструкции, однако, обладают следующими существенными недостатками, связанными с ручной установкой требуемой температуры смешанной воды:
- невозможность настройки смесителя на требуемую температуру при колебаниях напора и температуры воды во впускных каналах;
- невозможность одновременной настройки двух и более смесителей на требуемую температуру при их последовательном подключении к системе водоснабжения;
- необходим дополнительный расход воды для настройки смесителя на требуемую температуру;
- низкая точность настройки на требуемую температуру, связанная с ее субъективной оценкой;
- эксплуатационные неудобства, вызванные настройкой смесителя на требуемую температуру посредством двух запорных вентилей, а также связанные с затратой времени пользователя на установку и контроль температуры смешанной воды.

Недостатки подобных смесителей могут быть устранены путем автоматического регулирования температуры смешанной воды.

Известно устройство для подачи смешанной воды с заданной температурой [1], содержащее корпус с входом для горячей воды, входом для холодной воды, выходом для смешанной воды, смесительными клапанами, регулирующими степень открытия каналов для горячей и холодной воды, регулятор, управляющий электроприводом, связанным со смесительными клапанами, датчик, воспринимающий температуру смешанной воды и связанный с регулятором, а также задатчик температуры.

В этом устройстве решена проблема удобства эксплуатации путем автоматического регулирования температуры смешанной воды, однако ему присущи и очевидные недостатки, а именно, сложность конструкции, вызванная ее многокомпонентностью, и потребность в источнике электропитания.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является термостатический смесительный вентиль [2], выбранный за прототип, содержащий цилиндрический корпус с каналами для впуска горячей и холодной воды, выпускным каналом для смешанной воды заданной температуры и размещенную в нем продольно перемещающуюся каретку, образующую смесительную камеру, размещенный в ней регулятор температуры с термочувствительным элементом, связанным с клапаном, обеспечивающим изменение соотношение горячей и холодной воды в смесительной камере, в корпусе также размещен связанный с термочувствительным элементом управляющий элемент регулятора температуры, на каретке имеются отстоящие в осевом направлении выступы, обращенные в сторону соответствующих торцов клапана и взаимодействующие с ними, а также осевые и радиальные отверстия для обеспечения впуска и выпуска воды.

При анализе конструкции прототипа выявлены следующие его недостатки.

1. Ограниченность точности регулирования температуры смешанной воды. Как известно из теории регулирования, точность регулирования переменного параметра в значительной степени определяется чувствительностью регулятора или входящего в его состав чувствительного элемента. В качестве чувствительного элемента по условиям надежности и долговечности, предъявляемым к санитарно-техническим приборам, может быть использован герметичный термобаллон, связанный с упругим элементом (сильфоном, мембраной), который может менять свою геометрию под действием теплового расширения термочувствительной среды, заполняющей полость термобаллона. Известно также, что чувствительность термобаллона (т. е. величина хода свободного торца упругого элемента при единичном изменении температуры) определяется из соотношения Vβ/F, где V, β- объем и коэффициент объемного расширения термочувствительной среды, F - эффективная площадь сильфона. Из соотношения видно, что чувствительность при заданных габаритах терморегулятора может быть повышена путем снижения диаметра сильфона или увеличением коэффициента объемного расширения термочувствительной среды, однако, согласно справочным даннымβ не превышает величины 15˙10^-41/^оС, а диаметр сильфона по условиям технологии изготовления не может быть выполненным меньше 5 мм. Отрицательным следствием низкой чувствительности регулятора в термостатическом смесительном вентиле является также необходимость увеличения в нем диаметра клапана и всего устройства с целью обеспечения достаточного расхода воды через зазор между клапаном и седлом на каретке, который рассчитывается исходя из чувствительности регулятора (из анализа конструкции смесительного вентиля видно, что диаметр клапана и подвижной каретки значительно превышает диаметр регулятора). Необходимо также отметить, что увеличение габаритов устройства снижает быстродействие регулятора.

2. Сложность конструкции. Этот недостаток прототипа следует из наличия в его составе подвижной каретки, образующей смесительную камеру. Наличие подвижной каретки с двумя выступами, отнесенными друг от друга в осевом направлении и взаимодействующих с клапаном, обусловлено тем, что термочувствительный элемент регулятора имеет лишь один рабочий (подвижный) торец, в то время как для регулирования температуры смешанной воды требуется одновременное изменение степени открытия двух каналов: с горячей и холодной водой. Усложненность конструкции заключается и в том, что для обеспечения впуска и выпуска из смесительной камеры воды на каретке выполнены радиальные и осевые отверстия. Можно также отметить, что для обеспечения возвратно-поступательного перемещения подвижных элементов в смесительный вентиль введено несколько пружин.

Целью настоящего изобретения является повышение точности регулирования температуры смешанной воды путем повышения чувствительности регулятора температуры и упрощение конструкции известного устройства.

Эта цель достигается тем, что в известном термостатическом смесительном вентиле, содержащем корпус с каналами для впуска холодной и горячей воды, смесительную камеру с каналом для выпуска смешанной воды, размещенный в ней регулятор температуры с клапаном, регулирующим степень открытия каналов с горячей и холодной водой, управляющий орган, взаимодействующий с регулятором, регулятор температуры образован двумя последовательно расположенными и соединенными между собой разнокалиберными сильфонами, противоположные концы которых скреплены с соответствующими клапанами, образующими торцевые стенки регулятора, жестко соединенные между собой штоком, размещенным в полости регулятора, при этом сильфоном большего калибра регулятор ориентирован к впускному каналу с горячей водой, а смежные концы сильфонов связаны с корпусом.

Заявителем не обнаружены известные решения с признаками, сходными с отличительными признаками предлагаемого изобретения.

На чертеже изображен смеситель для подачи воды с заданной температурой. Смеситель содержит корпус 1, образующий цилиндрическую смесительную камеру А с выпускным отверстием Б, патрубок 2 для подвода холодной воды и патрубок 3 для подвода горячей воды с размещенными в нем крышкой 4 и управляющим элементом 5. В смесительной камере А расположен регулятор температуры В, состоящий из сильфона 6 меньшего калибра, сильфона 7 большего калибра, прикрепленных смежными концами к перфорированному фланцу 8, предназначенному для установки регулятора в корпус 1, клапанов 9 и 10, скрепленных с противоположными концами сильфонов и образующих торцевые стенки полости регулятора В, заполненной термочувствительной жидкостью, причем клапаны 9 и 10 жестко соединены между собой штоком 11, пропущенном через осевые отверстия сильфонов 6 и 7 и центральное отверстие фланца 8. На торцах патрубков 2 и 3, ориентированных к смесительной камере А выполнены посадочные места для клапанов 9 и 10.

Сборка смесителя производится в следующем порядке. В корпус 1 на водостойком герметике вворачивается патрубок 2 с каналом для подачи холодной воды, вворачивается регулятор В, причем сильфоном 6 меньшего калибра он ориентируется к патрубку 2, на водостойком герметике в корпус 1 вворачивается патрубок 3, при этом между клапанами 9 и 10 регулятора и соответствующими посадочными местами на подводных патрубках обеспечиваются гарантированные зазоры Г и Д, вворачивается крышка 4, устанавливается управляющий элемент 5 со шлицевым выступом Е, который вводится в радиальное зацепление с пазом Ж, выполненным в клапане 10, управляющий элемент фиксируется в осевом направлении винтом 12.

Тарировка смесителя осуществляется на стенде, обеспечивающем его холодной и горячей водой со стабилизированными напором и температурой в следующем порядке. Задаются фиксированные положения регулятора температуры В относительно посадочных мест на подводных патрубках 2 и 3 путем вращения управляющего элемента 5, находящегося в радиальном зацеплении с регулятором, тем самым обеспечивается различное соотношение холодной и горячей воды в смесительной камере А за счет изменения величины зазоров Г и Д, при этом регистрируется температура смешанной воды на выходе из смесительной камеры и записывается на управляющем элементе 5 относительно риски И на корпусе.

Рассмотрим работу подключенного к системе водоснабжения смесителя в режиме автоматического регулирования температуры в реальных условиях при одном из положений управляющего элемента 5, соответствующем, например, температуре Т. Этой температуре согласно тарировке соответствует зазор Г, задающий расход холодной воды, и зазор Д, задающий расход горячей воды, определяющие заданную температуру Т смешанной воды в смесительной камере А и расположенного в ней регулятора В. При рассогласовании заданной температуры Т с температурой в смесительной камере на величину ΔТ в результате внешних воздействий, например, при изменении напора и (или) температуры в системе водоснабжения, произойдет следующее. В случае повышения температуры в смесительной камере соответственно повысится температура термочувствительной жидкости в полости регулятора на величину ΔТ, это вызовет тепловое расширение жидкости, ее объем увеличится на величину ΔV = VβΔT. Очевидно, что геометрический объем полости регулятора также увеличится на величину ΔV, однако регулятор выполнен таким образом, что объем его полости может увеличиться под действием гидравлического давления расширяющейся жидкости лишь при одновременном растяжении сильфона 7 большего калибра и сжатии сильфона 6 меньшего калибра, причем на одну и ту же величину, например, Δh за счет жесткой связи между клапанами в виде штока 11. При этом, поскольку смежные концы сильфонов в процессе регулирования неподвижны относительно корпуса 1, зазор Д уменьшится, а зазор Г увеличится, вызвав снижение температуры в смесительной камере до заданной за счет увеличения поступления в нее холодной воды и уменьшения горячей. В случае понижения заданной температуры Т на величину ΔТ объем полости регулятора уменьшится на величину ΔV и клапаны под действием упругих сил сильфонов переместятся в противоположную сторону на величину Δh, что вызовет повышение температуры смешанной воды до заданной.

Из описания конструкции и работы регулятора температуры В при перемещении его клапанов 9 и 10 на величину Δh относительно фланца 8 геометрическое изменение его объема может быть найдено из соотношения ΔV = Δh ΔF, где ΔF - разность эффективных площадей сильфонов 6 и 7, откуда Δh = ΔV/ΔF = V β/ΔF, - величина, характеризующая чувствительность регулятора температуры. Из анализа соотношения для Δh можно сделать вывод, что в отличие от известных термочувствительных устройств типа "термобаллон" в регуляторе температуры заявляемого смесителя чувствительность, а следовательно и точность регулирования, может быть повышена путем уменьшения величины ΔF, т.е. снижением разности диаметров входящих в состав регулятора сильфонов. Необходимо отметить, что повышение точности регулирования температуры может быть обеспечено в заданных габаритах и при выбранной термочувствительной среде (например, безопасной для здоровья человека), что особенно важно при требованиях, предъявляемых к современным санитарно-техническим приборам. При этом следует иметь в виду, что при снижении разности диаметров сильфонов в процессе регулирования повышается гидравлическое давление в полости регулятора, поэтому проектирование подобных устройств требует расчета на прочность и устойчивость сильфонов.

По сравнению с известным термостатическим смесительным вентилем, предназначенным для подачи воды с заданной температурой, использование изобретения позволит повысить точность регулирования заданной температуры смешанной воды и снизить затраты на его производство за счет упрощения конструкции и снижения габаритно весовых параметров.

Изобретение позволяет повысить точность регулирования температуры в смесителях для подачи воды с заданной температурой за счет повышения чувствительности регулятора, а также упростить конструкцию таких смесителей. В корпусе 1 продольно размещен регулятор 2, имеющий полость, заполненную термочувствительной средой и образованную разнокалиберными сильфонами 3 и 4 и клапанами 5 и 6, регулирующими степень открытия каналов с горячей и холодной водой, причем смежные концы сильфонов скреплены с перфорированным фланцем 7, а клапаны связаны между собой штоком 8. В процессе автоматического регулирования под действием теплового расширения термочувствительной среды клапаны синхронно перемещаются в продольном направлении относительно закрепленного в корпусе 1 фланца 7, изменяя степерь открытия каналов для впуска холодной и горячей воды, тем самым поддерживая заданную температуру смешанной воды. Чувствительность регулятора и точность регулирования обратно пропорциональны разности эффективных площадей сильфонов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ПОДАЧИ ВОДЫ С ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ, содержащий корпус с каналами для впуска холодной и горячей воды и цилиндрической камерой с выпускным отверстием, регулятор температуры в виде продольно расположенного в этой камере термобаллона, заполненного термочувствительной средой, клапаны для регулирования степени открытия каналов впуска соответственно холодной и горячей воды, и управляющий элемент, связанный с термобаллоном, отличающийся тем, что термобаллон образован двумя последовательно расположенными и соединенными между собой разнокалиберными сильфонами, противоположные концы которых скреплены с соответствующими клапанами, образующими торцевые стенки этих сильфонов, жестко соединенные между собой штоком, размещенным в их полости, при этом сильфон меньшего калибра расположен со стороны канала для впуска холодной воды, а смежные концы сильфонов связаны с корпусом. 2. Смеситель по п. 1, отличающийся тем, что сильфоны соединены между собой через перфорированный фланец, снабженный центральным отверстием под шток и установленный в корпусе по винтовой поверхности, а управляющий элемент имеет шлиц для радиального зацепления с одним из клапанов.