Водопотребляющий бытовой прибор и клапан для такого прибора
Группа изобретений относится к средствам регулирования расхода рабочей среды, управление которыми обеспечивается термоприводами. Водопотребляющий бытовой прибор, в особенности, посудомоечная или стиральная машина с клапаном (1) для такого прибора содержит корпус (2) клапана, полость (3) клапана и соединительные устройства для подвода (4) и отвода (5) среды. В корпусе (2) установлено тело (6) клапана. Для привода тела (6) клапана в закрытое положение и в открытое положение клапана (1) имеется элемент (20) с эффектом памяти формы. Последний переводиться из недеформированного состояния покоя через деформированное напряженное состояние вновь в недеформированное состояние покоя. Имеется также устройство для изменения направления усилия, с помощью которого элемент (20) с эффектом памяти формы, в особенности, однонаправленного типа, приводит тело (6) клапана в закрытое положение и в открытое положение клапана (1) исключительно либо при переводе в свое напряженное состояние, либо при переводе в состояние покоя. Устройство для изменения направления усилия содержит перекидной механизм (13) с кулисной направляющей (14) или представляет собой рычажный механизм. Такое выполнение позволяет повысить долговечность и надежность работы клапана и водопотребляющего бытового прибора, использующего такой клапан. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к клапану, содержащему установленное в корпусе клапана тело клапана, приводимое элементом с эффектом памяти формы, который может переводиться из недеформированного состояния покоя через деформированное напряженное состояние вновь в недеформированное состояние покоя, а также к водопотребляющему бытовому прибору с таким клапаном.
Уровень техники
Во множестве машин и приборов, в особенности в водопотребляющих бытовых приборах, таких как посудомоечные или стиральные машины, используются гидравлические клапаны, перекрывающие большие проходные сечения номинального размера более 10 мм. Для этого известные современные клапаны работают с использованием, например, магнитов постоянного или переменного тока. Магниты обеспечивают быстрый привод клапанов, однако предоставляют в распоряжение только небольшое усилие для привода тела клапана. Кроме того, в особенности при использовании магнитов переменного тока, возникает проблема в том, что из-за подачи на магниты сетевого напряжения создаются колебания в обмотке, вызывающие нежелательный шум.
В качестве альтернативы известны клапаны с непосредственным приводом, в которых для управления телом клапана используются конструктивные элементы, изготовленные из так называемых сплавов с эффектом памяти формы (далее называемых для краткости также «с эффектом памяти»). Память формы (эффект памяти) таких сплавов (металлов с эффектом памяти) базируется на структурном превращении сплава при переходе вверх или вниз за пороговую величину температуры. Вследствие структурного превращения конструктивные элементы из таких сплавов в области пороговой температуры изменяют свои размеры на величину до 5%. При этом возникают значительные перестановочные усилия. Эти перестановочные усилия, активизирующиеся при изменении кристаллической структуры, преобразуются в приводное перемещение клапана.
В целом различают два вида сплавов с эффектом памяти в зависимости от вида и процесса возвратной деформации. С одной стороны, существуют сплавы с эффектом памяти, которые после своей деформации вследствие превышения пороговой температуры после падения температуры ниже пороговой величины не деформируются обратно в свою исходную форму собственными силами. Для нового использования конструктивных элементов из таких сплавов необходимо обеспечить их возвратную деформацию приложением внешнего усилия, например, посредством механического растяжения. Поскольку такие сплавы с эффектом памяти деформируются только в одном направлении в зависимости от температуры, они относятся к сплавам так называемого однонаправленного типа.
Сплавы с эффектом памяти двунаправленного действия также деформируются при превышении пороговой температуры. Однако при падении температуры ниже пороговой величины они вновь принимают свою первоначальную форму. Другое отличие между сплавами однонаправленного и двунаправленного типа состоит в том, что усилие, развиваемое при переходе пороговой температуры конструктивным элементом однонаправленного типа, больше усилия конструктивного элемента двунаправленного типа. Возвратное усилие для восстановления конструктивного элемента однонаправленного типа должно быть рассчитано таким образом, чтобы, с одной стороны, оно было достаточным для достижения возвратной деформации сплава с эффектом памяти при снижении температуры за пороговую величину. С другой стороны, оно не должно быть настолько большим, чтобы препятствовать изменению формы сплава при превышении пороговой температуры.
Клапан, содержащий элемент с эффектом памяти для управления телом клапана, известен из патентного документа ФРГ №19963499 А1. В этом устройстве тело клапана подпружинено в своем основном положении и может смещаться в положение управления исполнительным органом. Исполнительный орган выполнен в виде элемента с эффектом памяти из сплава с эффектом памяти. Для него предусмотрено устройство управления для настройки температурного изменения. При использовании в таком клапане элемента с эффектом памяти однонаправленного типа получаются различными величины приводных усилий, необходимых для перевода клапана в открытое или в закрытое положение. Это обусловлено тем, что когда элемент с эффектом памяти при своей деформации перемещается в том же направлении, что и тело клапана, генерируется более высокое усилие, чем при перемещении в противоположных направлениях, так что более слабая пружина должна обеспечивать возврат элемента с эффектом памяти. Однако эта более слабая возвратная пружина должна дополнительно противодействовать противоположному перемещению тела клапана, а при определенных условиях давлению текучей среды. Если же используются элементы с эффектом памяти двунаправленного типа, приходится рассчитывать на более низкие приводные усилия.
Раскрытие изобретения
Соответственно, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании клапана, который перекрывает проходные сечения точно и бесшумно, а также водопотребляющего бытового прибора, обладающего преимуществами за счет наличия в нем такого клапана.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет клапана указанного типа, содержащего устройство для изменения направления усилия. С его помощью элемент с эффектом памяти формы приводит клапан в оба положения либо при своем переводе в напряженное состояние, либо при переводе в состояние покоя. Таким образом, изобретение отходит от таких конструктивных решений, в которых деформированное состояние или состояние покоя элемента с эффектом памяти формы точно отнесено к открытому или закрытому состоянию клапана или наоборот. В отличие от этого оно следует тому принципу, что развитие большого усилия элементом с эффектом памяти формы однонаправленного типа используется для обеих операций перевода клапана, то есть как для его открытия, так и для закрытия. За счет этого достигается воздействие высокого усилия изменения формы элемента с эффектом памяти при обоих перемещениях тела клапана, так что они могут управляться с одинаковой точностью.
Исходным условием для этого является наличие устройства для изменения направления усилия. При этом в первом предпочтительном примере выполнения изобретения устройство для изменения направления усилия преобразует перемещение элемента с эффектом памяти в направлении привода непосредственно в перемещение в противоположных друг другу направлениях. Под направлением привода имеется в виду направление перемещения под действием усилия, развиваемого элементом с эффектом памяти при преобразовании формы, или противоположное ему возвратное усилие, которые используются для привода клапана. В отличие от него противоположные друг другу направления означают направления, в которых действует усилие для открытия или закрытия клапана. В принципе устройство для изменения направления усилия может производить преобразование направления либо усилия изменения формы элемента с эффектом памяти в результате превышения пороговой температуры, либо отдельно прилагаемого возвратного усилия в случае использования элемента с эффектом памяти однонаправленного типа, либо возвратного усилия, активизируемого самим элементом с эффектом памяти двунаправленного типа в результате снижения температуры за пороговую величину. Однако предпочтительно используется усилие изменения формы элемента с эффектом памяти однонаправленного типа, поскольку оно является наиболее высоким.
Устройство для изменения направления усилия может быть реализовано самым различным образом. Согласно одному предпочтительному примеру выполнения оно может содержать кулисную направляющую. При этом оно представляет собой простой механизм, который легко монтируется и поэтому мало подвержен ошибкам и погрешностям, а также требует немного места. Согласно альтернативному варианту устройство для изменения направления усилия может представлять собой рычажный механизм. Он дает преимущество в возможности более точной настройки.
Из уровня техники известно множество элементов с эффектом памяти. К ним относятся так называемые металлы с эффектом памяти, которые представляют собой сплавы, например, на основе никеля и титана (NiTi), железа (Fe) или меди (Сu). Кроме того, известны синтетические материалы со свойствами эффекта памяти. В предпочтительном примере выполнения элемент с эффектом памяти может быть образован металлом с эффектом памяти, который деформируется или изменяет форму при нагреве. Металлы с эффектом памяти или соответствующие сплавы предпочтительны, так как они более долговечны и поэтому реже приводят к отказам клапана. Во всех случаях изменение формы металла с эффектом памяти обеспечивается подачей энергии в форме тепла. В следующем предпочтительном примере выполнения нагрев может осуществляться путем пропуска электрического тока через сам металл с эффектом памяти. При этом нагрев обеспечивается эффективно и почти без потерь, так как не требуется никаких шагов преобразования энергии в отдельном нагревательном устройстве.
Нагрев металла, через который пропускается электрический ток, базируется на том, что металл оказывает сопротивление электрическому току. Согласно следующему особенно предпочтительному примеру выполнения для управления нагревом может использоваться позистор (терморезистор с положительным температурным коэффициентом). Позистор представляет собой нагревательный резистор, который имеет положительный температурный коэффициент. Следовательно, при повышении температуры его сопротивление растет. Как было указано, температурный нагрев происходит за счет пропуска тока. Ток проходит через позистор беспрепятственно только в течение короткого времени до тех пор, пока позистор вследствие нагрева не создаст определенное сопротивление, при определенных условиях вплоть до полного прерывания тока. Это означает, что при соответствующем расчете позистора можно целенаправленно создавать определенный импульс тока.
В соответствии с изобретением эта особенная характеристика позистора используется для особенно эффективного управления нагревом элемента с эффектом памяти, поскольку для активизации элемента с эффектом памяти желательна относительно высокая сила тока возбуждения. Однако если ток возбуждения такой высокой силы пропускать через элемент с эффектом памяти в течение более продолжительного времени, это может привести к его повреждению. Поэтому продолжительность воздействия тока возбуждения должна быть ограничена. Таким образом, необходимо создать такой импульс возбуждения, при котором элемент с эффектом памяти не повреждается даже после многих циклов возбуждения. Импульс возбуждения может иметь силу тока примерно от 3 А до 6 А и действовать в течение 100-500 мс. Соответствующий позистор, включенный перед элементом с эффектом памяти, обеспечивает именно такое ограничение тока или импульса возбуждения. Он создает этот импульс описанным выше образом за счет того, что пропускает ток требуемой силы только в течение короткого промежутка времени. Использование позистора устраняет необходимость в использовании сложных и дорогих средств управления для создания определенного импульса тока.
В соответствии с изобретением описанный выше клапан может быть также встроен в водопотребляющий бытовой прибор, в особенности в посудомоечную или стиральную машину.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 изображает клапан в разрезе,
фиг.2 изображает устройство для изменения направления усилия в клапане по фиг.1.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан клапан 1 в одном из примеров выполнения изобретения. Клапан 1 содержит корпус 2 клапана, полость 3 клапана и соединительные устройства для подвода 4 и отвода 5. В полости 3 клапана помещено тело 6 клапана, укрепленное на рычаге 7, который установлен с возможностью поворота на оси 8. Тело 6 клапана переводится из своего закрытого положения, показанного на фиг.1 сплошными линиями, через первое рабочее положение А, показанное штриховыми линиями, в открытое положение В, также показанное штриховыми линиями. Рабочее положение А представляет максимальное отклонение тела 6 клапана в направлении открытия и является промежуточным. В отличие от него открытое положение В представляет положения покоя тела 6 клапана в открытом состоянии клапана 1.
На фиг.2 представлено устройство для изменения направления усилия для привода клапана 1. Как показано на фиг.2, ось 8 проходит насквозь через крышку 10 корпуса и снабжена шестерней 10 за пределами крышки. Шестерня 11 зацепляется с зубчатым секторным диском 12, установленным на крышке 10 корпуса с возможностью поворота. С секторным диском 12 взаимодействует пружина 9 сжатия, которая прижимает диск секторный 12 в направлении по часовой стрелке и опирается на корпус 2. Между секторным диском 12 и крышкой 10 корпуса расположен перекидной механизм 13, установленный на секторном диске 12 с возможностью поворота относительно него. Таким образом, при повороте секторного диска 12 перекидной механизм 13 перемещается вместе с ним. С помощью пружины (не показана) перекидной механизм 13 удерживается в показанном основном положении. Перекидной механизм снабжен кулисой 14, в которую входит толкатель 15 клапана, укрепленный на крышке 10 корпуса. Таким образом, при перемещении секторного диска 12 толкатель 15 перемещается внутри кулисы 14 относительно перекидного механизма 13.
В альтернативном варианте перекидной механизм 13 может быть жестко связан с секторным диском 12, например укреплен на его задней стороне. В этом случае установка толкателя 15 должна быть подвижной. Толкатель 15 может направляться в прорези на крышке 10 корпуса, так что при перемещении секторного диска 12 он может перемещаться поперечно диску в кулисе 14.
С секторным диском 12 жестко соединен также палец 16, который входит в продольное отверстие 17 удлиненной соединительной серьги 18. На узкой стороне соединительной серьги 18 к ней присоединен один конец пружины 19 растяжения, другой конец которой укреплен в опоре на корпусе 2. На противоположной узкой стороне соединительной серьги 18 укреплен провод 20 из металла с эффектом памяти в качестве элемента с эффектом памяти. Провод 20 огибает направляющий ролик 21, укрепленный на крышке 10 корпуса с возможностью вращения, и присоединен своим другим концом к нагревательному резистору 22. Нагревательный резистор 22 включен в электрическую цепь между первым внешним выводом 23 с одной стороны и проводом 20, соединительной серьгой 18, пружиной 19 растяжения и вторым внешним выводом 24 с другой стороны. Таким образом, при работе электрический ток проходит через элементы 23, 20, 22, 24.
На фиг.2 клапан 1 находится в том же закрытом положении, что и на фиг.1. Для привода клапана 1 на внешние выводы 23, 24 подается электрический ток. Нагревательный резистор 22, через который проходит ток, вырабатывает управляющий импульс для нагрева провода 20. Вследствие резкого кратковременного нагрева провод 20 укорачивается и перемещает соединительную серьгу 18 к направляющему ролику 21. При этом соединительная серьга 18 захватывает с собой палец 16 на диске 12. Соединительная серьга 18 поворачивает диск 12 против часовой стрелки, сжимая пружину 9 сжатия.
Поворот диска 12 передается на шестерню 11 и ось 8, так что рычаг 7 отводит тело 6 клапана от опоры на отвод 5 и переводит его поворотом против часовой стрелки в рабочее положение А (фиг.1). При поворотном перемещении диска 12 толкатель 15, зафиксированный относительно крышки 10 корпуса, перемещается в кулисе 14 перекидного механизма 13 в рабочее положение а'. После прекращения подачи электрического тока и нагрева провода 20 в нем снимается усилие, приводившее его к укорочению. Теперь на него воздействует в обратном направлении пружина 19 растяжения, которая растягивает провод 20 до его исходной длины. При этом диск 12 поворачивается по часовой стрелке, то есть обратно в свое исходное положение. Однако если провод 20 может занять свое прежнее положение, благодаря продольному отверстию 17 в соединительной серьге 18, возврату секторного диска 12 препятствует толкатель 15, который теперь принудительно переводится перекидным механизмом 13 в промежуточное положение b в кулисе. Это препятствует полному обратному повороту диска 12, так что рычаг 7 тоже совершает только часть своего обратного пути и останавливается в открытом положении В. При этом путь между подводом 4 и отводом 5 внутри клапана 1 открыт без необходимости постоянного силового воздействия для удержания открытого положения В.
Посредством подачи нового импульса электрического тока на внешние выводы 23, 24 нагревательный резистор 22 вновь нагревается, что вновь приводит к укорочению провода 20. Это вызывает поворот секторного диска 12 против часовой стрелки. Новый поворот секторного диска 12 переводит рычаг 7, а вместе с ним и тело 6 клапана в рабочее положение А, которое соответствует второму положению а'' толкателя 15 внутри кулисы 14. Это второе рабочее положение а'' отличается от первого рабочего положения а' тем, что при последующем остывании провода 20, его удлинении под действием пружины 19 растяжения и соответствующем повороте секторного диска 12 по часовой стрелке возможен полный возврат секторного диска 12 в исходное положение по фиг.2. При этом рычаг 7 и тело 6 клапана занимают закрытое положение, показанное на фиг.1.
Клапан по изобретению может использоваться для самых различных целей в водопотребляющем бытовом приборе, в особенности в посудомоечной или стиральной машине. Так, например, он может использоваться для регулирования расхода в напорной трубе для подачи моющей жидкости или для дозированной подачи, в особенности жидких моющих средств и ополаскивателей.
В заключение следует еще раз отметить, что описанный выше клапан является только примером выполнения изобретения. Для специалиста в данной области понятно, что при осуществлении изобретения возможны самые различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема защиты. Так, можно обойтись без нагревательного резистора, если взамен используется провод со свойствами изменения формы, в который для его нагрева может подаваться ток от трансформатора, включенного перед ним в электрическую цепь.
Возможны также другие варианты выполнения устройства для изменения направления усилия, например, такие, в которых линейное перемещение элемента с эффектом памяти в одном направлении преобразуется с помощью шаговых механических средств в приводное перемещение, ориентируемое в двух направлениях. Далее, вместо поворотного перемещения для привода клапана может быть предусмотрено также линейное приводное перемещение.
Кроме того, следует отметить, что использование единственного числа не исключает наличия соответствующих признаков во множественном числе.
1. Водопотребляющий бытовой прибор, в особенности, посудомоечная или стиральная машина со встроенным клапаном (1), содержащим корпус (2) клапана, полость (3) клапана и соединительные устройства для подвода (4) и отвода (5), а также установленное в корпусе (2) клапана тело (6) клапана, служащее для открывания и закрывания клапана, причем для привода тела (6) клапана в закрытое положение и в открытое положение клапана (1) предусмотрен элемент (20) с эффектом памяти формы, который может переводиться из недеформированного состояния покоя через деформированное напряженное состояние вновь в недеформированное состояние покоя, также предусмотрено устройство для изменения направления усилия, с помощью которого элемент (20) с эффектом памяти формы, в особенности, однонаправленного типа, приводит тело (6) клапана в закрытое положение и в открытое положение клапана (1) исключительно либо при переводе в свое напряженное состояние, либо при переводе в состояние покоя, при этом устройство для изменения направления усилия содержит перекидной механизм (13) с кулисной направляющей (14) или представляет собой рычажный механизм.
2. Водопотребляющий бытовой прибор по п.1, отличающийся тем, что элемент с эффектом памяти формы выполнен из металла с эффектом памяти формы.
3. Водопотребляющий бытовой прибор по п.2, отличающийся тем, что элемент с эффектом памяти формы выполнен с возможностью пропуска через него электрического тока для нагрева.
4. Водопотребляющий бытовой прибор по п.2, отличающийся тем, что для управления нагревом предусмотрен нагревательный резистор (22).
5. Водопотребляющий бытовой прибор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, устройство для изменения направления усилия содержит проходящую насквозь через крышку (10) корпуса ось (8), на которой установлен с возможностью поворота рычаг (7) с укрепленным на нем телом (6), клапана, причем ось (8) снабжена шестерней (11) за пределами крышки (10) корпуса, которая зацепляется с зубчатым секторным диском (12), установленным на крышке (10) корпуса с возможностью поворота.
6. Водопотребляющий бытовой прибор по п.5, отличающийся тем, что с секторным диском (12) взаимодействует пружина 9 сжатия, которая прижимает диск (12) в направлении по часовой стрелке и опирается на корпус (2).
7. Водопотребляющий бытовой прибор по п.5 или 6, отличающийся тем, что между секторным диском (12) и крышкой (10) корпуса расположен перекидной механизм (13), установленный на диске (12) с возможностью поворота относительно него.
8. Водопотребляющий бытовой прибор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в кулисную направляющую (14) перекидного механизма (13) входит толкатель (15) клапана, укрепленный на крышке (10) корпуса.
9. Водопотребляющий бытовой прибор по п.5 или 6, отличающийся тем, что перекидной механизм (13) может быть жестко связан с секторным диском (12).
10. Водопотребляющий бытовой прибор по п.9, отличающийся тем, что толкатель (15) направляется в прорези на крышке (10) корпуса, так что при перемещении секторного диска (12) он может перемещаться поперечно диску в кулисной направляющей (14).
11. Водопотребляющий бытовой прибор по любому из пп.5-10, отличающийся тем, что с секторным диском (12) жестко соединен палец (16), который входит в продольное отверстие (17) удлиненной соединительной серьги (18).
12. Водопотребляющий бытовой прибор по п.11, отличающийся тем, что на узкой стороне соединительной серьги (18) к ней присоединен один конец пружины (19) растяжения, другой конец которой укреплен в опоре на корпусе (2).
13. Водопотребляющий бытовой прибор по п.12, отличающийся тем, что на противоположной узкой стороне соединительной серьги (18) укреплен провод (20) из металла с эффектом памяти в качестве элемента с эффектом памяти формы.
14. Водопотребляющий бытовой прибор по п.13, отличающийся тем, что провод (20) огибает направляющий ролик (21), укрепленный на крышке (10) корпуса с возможностью вращения, и присоединен своим другим концом к нагревательному резистору 22, расположенному на корпусе (2) клапана.
15. Клапан (1) для водопотребляющего бытового прибора, в особенности, для прибора, заявленного в любом из пп.1-14, содержащий корпус (2) клапана, полость (3) клапана и соединительные устройства для подвода (4) и отвода (5), а также установленное в корпусе (2) клапана тело (6) клапана, служащее для открывания и закрывания клапана, причем для привода тела (6) клапана в закрытое положение и в открытое положение клапана (1) предусмотрен элемент (20) с эффектом памяти формы, который может переводиться из недеформированного состояния покоя через деформированное напряженное состояние вновь в недеформированное состояние покоя, а также предусмотрено устройство для изменения направления усилия, с помощью которого элемент (20) с эффектом памяти формы, в особенности, однонаправленного типа, приводит тело (6) клапана в закрытое положение и в открытое положение клапана (1) исключительно либо при переводе в свое напряженное состояние, либо при переводе в свое состояние покоя, при этом устройство для изменения направления усилия содержит перекидной механизм (13) с кулисной направляющей (14) или представляет собой рычажный механизм.
