本发明涉及一种液体分配装置和方法，特别是向贮液臬液体中分配可控制体积的附加液体的装置和方法。 在很多应用场合中，都需要一种将第一种液体配入第二种贮液箱液体中的装置或设备。这样的应用包括化工生产，电镀生产，化肥和食品生产，以及其它各种液体计量场合。其中一个特别要求的分配装置是向抽水马桶中分配液体清洁剂。
现有技术中的各种分配装置广泛地用于分配抽水马桶液体清洁剂。最常用的成功的分配容器是使用一种浮阀，在冲洗循环中，它开启和关闭来改变抽水马桶水箱的水平面。这些容器被设计成无论水箱水平面下降或上升，注满的一个小容器都位于浮子顶部，以从容器中排出清洁剂液体进入水箱中。这种方法和装置也带来一些问题，例如，该方法的效果非常差。很明显，目的是水箱中没有水的情况下，保持抽水马桶的清洁。由于所有的清洁剂都被分配到水箱中，而不是在便桶中，那么其大部分都被冲洗掉了，而没有清洁便桶。由于排放地损失，只有小于10%清洁剂被保留在便槽中。甚至可以在水箱中缓慢溶解的固体便槽清洁剂，也与液体的一样效果差，其90%甚至更多的清洁剂都被冲洗掉了，而没有起到任何清洁作用。现有技术的浮子式分配装置也对性能变化敏感。表面张力、泡沫和尺寸变化都可能引起系统被完全堵塞或分配的清洁剂的数量大幅度改变。由于发生这些明显的变化，让这样的装置分配小的体积液体也是困难的。大多数抽水马桶液体清洁剂规定的分配量为1毫升。这就需要一个12盎司的瓶子来提供可用350次冲洗的液体量，或者说是大约一个的使用量。12盎司的容器的尺寸是太大不适于安装在大多数抽水马桶的水箱中，这就限制了这种产品的使用。
现有技术中的其它分配设备已经作了试验，但都不能分配出所需要的精确的小体积，或者在所需的时间周期内，它们的不能进行最有效的分配操作。例如，授予Stoner的美国专利No.1，728，737号;授予Thornton的美国专利No.1，213，978号;英国专利No.8621号和法国专利第2，613，743号都公开了一种安装在水箱液面之上的液体容器，该容器带有延伸至水箱液面下的排放管。当水箱液面下降时，空气被允许进入容器中，使附加液体从容器中排出。这些装置都已证明是不实用的，因为它们分配的体积太大（如Thornton的′978号专利，英国′621号专利和法国′743号专利）或者在冲洗循环时它们分配的时间不合适（所有上述专利）。这种低效能是由于需要采用现有技术的大直径排放管，在水箱液面下降时，以排空自身的水，从而允许空气通过排放管进入容器中，大直径的排放管产生一个大的附加液体排放体积，因为水进入排放管中以从容器中替换等体积的附加液体。如果排放管贯穿水箱液面一定数量（为了延迟分配的开始），这将导致相对大体积的水进入排放管。如果排放管调整得使其最低段正好与水在其最高液面接触，则分配立即开始，使冲洗循环提前，从而浪费大量的附加液体，在这种情况下，下降排放管道的方法并不满足排放小的可控制体积的液体的要求。
授予Bulow等人的美国专利No.4，507，811号认识到将分配的附加液体送入溢流管而不是流入水箱中，使提高效率成为可能。然而，Buelow装置的缺点是需要将抽水马桶水箱中的水与附加物混合。在Buelow的方案中，固体块被溶解形成饱和溶液并按预先确定的量分配。但是，如果是液体附加物，而不是固态的，附加物随着每次冲洗被连续稀释。Buelow装置也不能有效地精确分配出可控小体积的液体附加物，Buelow装置还有一个缺点，就是它必须安装在水箱水线以下。由于使用了许多个零件，使得冲洗机构与Buelow装置的安装相互干涉，所以Buelow分配器是不实用的。固体溶解的固有缺点是它依赖于时间，如果第二次冲洗循环发生得太快，而没有足够的时间溶解形成饱和溶液，造成在便桶中的清洁剂浓度不够。
在现有技术中还有另一装置，如授予Pennell等人的美国专利No.1，623，132号，贮液箱液位的改变所以控制将液体附加物分配入同一个贮液箱。由于使用了倒置的U形管作为液位感测管，以防止空气进入附加物容器，Pennell的装置是很复杂的。该U形管是注满液体的，它可以形成压力平衡状态，以防止液体从附加物容器中排出。Pennell设计的一个缺点是U形管的一端直接位于排放嘴的下面，当容器在安装时被倒置，液体就通过管嘴被排放且注满U形管并建立了压力平衡。如果U形管没有对准管嘴，容器内的全部液体都将被排出。这样，Pennell装置将附加物作为控制液体分配进入同一个贮液箱，即水箱，而不是进入溢流水箱。
如果容器非常小，则溢流装置是实用的。一个实用的抽水马桶清洁剂容器至少需要提供一个月的供应量，所以每次循环排出的数量是非常小的。一个安装在分配器上的实用的溢流装置应当限定约为3盎司重量的体积。对于一个月使用来说，则需要每次循环排出0.25ml或者大约5滴液体。在循环中的适当时间内分配这么小的体积是很不容易的，或者不能与便池中的水的充分混合。在适当的时间分配出适当的数量，这对尺寸的组合的限制是十分严的。已经确定的是，最高水平面对分配体积和时间是有非常重要的作用，它可以从一个装置到另一个装置进行改变。我们希望这种变化不要影响到分配的数量，而且所具有的容器不必根据安装的装置做任何方式的调整。
这就产生了一个技术上的需要，需要一种将小的，可精确控制的液体分配进入另一种液体贮液箱中的更有效的装置和方法，特别是将抽水马桶清洁剂的小体积液体直接分配进抽水马桶中。为了最实用，这样的装置必须足够的小，以便直接安装在溢流管上。
本发明的目的在于提供一种新的装置和方法，它能将小的可控制体积的第一液体可靠而有效地分配到第二贮液箱液体中。本发明采用将抽水马桶液体清洁剂直接分配给一个正排量的泵装置，它不具有运动部件，用于将小的可控体积的附加物分配进溢流管，而不必与抽水马桶水箱中再次注满的水混合。
本发明的液体分配装置包括一适于保持分配液体的容器，由此在容器内限定了一分配液体水平面。该容器还包括一分配管嘴和一感测导管。分配管嘴包括在其末端的一排放口，并设置在容器中的液面以下。感测导管具有第一和第二开口端，第一开口端位于容器中液面以上，而第二开口端位于容器外面并设置在管嘴排放口以下。感测导管的第二开口端浸入贮液箱液体中，随着循环中贮液箱液位的下降和上升，将导致从容器中经排放管嘴可控制地排放被分配的液体。感测导管的第二开口端和排放嘴的直径应这样选择：应能形成足够大的液体表面张力，以阻止空气从感测导管和排放嘴处进入，并使之建立压力平衡状态。因此，这种压力平衡状态产生，无论何时，都可防止分配液体流出来。
本发明的装置发现有其特殊的应用，即作为抽水马桶清洁剂的分配器，它可自动地分配清洁剂，并利用水箱中液位的变化作为动力源，有效地计量地泵出抽水马桶清洁剂。独特地利用表面张力建立的压力平衡状态能将一个很小的精确体积的清洁剂液体，在冲洗循环中以最有效的时刻加入，并能使被分配的液体进入溢液管中而不与水箱中再次注满的水混合。
本发明的又一个目的是提供抽水马桶清洁剂的分配器和方法，在水箱液位循环的再注满阶段时，将清洁剂分配入水箱的溢流管中。
本发明的又一个目的是提供一种液体分配设备，在该设备中空气通过同样的排放口可以进入容器，也可使分配液体离开容器，而在使用时不必压缩或放松容器，也不需要使用运动部件、机械阀门或倒置的U形管。
本发明还有一个目的在于提供一种液体分配设备，由于所含液体产生的表面张力形成的压力平衡状态，它可以防止分配液体从容器中流出来。
本发明的目的还在于提供一种装置，其中与液体贮液箱连接的感测导管，其形状和方位可以改变，以控制分配的液体体积。
本发明的方法包括下述步骤：（1）提供一种适于保持第一种液体的容器，该容器具有一分配管嘴和一感测导管;（2）提供一带有外部开口的感测导管，在开口被浸湿后其开口尺寸设计得使液体的表面张力可以防止空气的进入;（3）将容器设置在第二贮液箱液体之上;和（4）使第二贮液箱液体平面相对于感测导管的外部开口端上升或下降，至少在上升和下降循环的一个阶段，外部开口端是低于贮液箱液体平面的，而管嘴排放口总是位于所述第二贮液箱液体平面之上。
由本发明的特征所带来的新的特性由后面所附的权利要求书来限定。但是，本发明的最佳实施例，以及进一步的目的和优点，通过结合附图并参考下面的详细描述，将是最易理解的，其中：
图1是本发明带有局部剖的侧视图，图中示出了本发明的装置与设在抽水马桶水箱中的溢流水管安装在一起，并且抽水马桶水箱中的水平面处于最高位置;
图2是相似于图1的带有局部剖的另一幅侧视图，但是图中的抽水马桶水箱中的水平面处于最低位置;
图3是相似于图1和2的带有局部剖的侧视图，图中抽水马桶水箱中水平面正在上升;和
图4是本发明的一个侧视图，它以图解的形式，示出了用于向贮液箱中分配附加液体的本发明的装置。
参照图1，本发明的液体分配装置一般由标号10来表示，分配装置10包括一个普通的刚性容器12，该容器具有一个分配管嘴14和感测导管18。容器12可以是任何尺寸、形状或结构，能适合盛放分配液体26的即可。典型的容器12是由可模制的塑料制造的。分配管嘴14被固定在容器12上，位于被分配液体水平面28下的一点处，并包括在其末端的排放口16。感测导管18具有位于容器12中的第一开口端20，它处于分配液体26的水平面28之上。感测导管18还包括位于容器12外的第二开口端22，它处于排放口16以下的一垂直位置。详细的描述将在后面进行，感测导管18还包括至少一段长度的部分具有增大的横截面24，在分配操作时，用于保证适量的液体在适当的时间内分配完。
如图1所示，当容器12刚与悬垂的分配管嘴14和感测导管18安装好，被分配的液体26将从管嘴滴落，直到容器内形成压力平衡状态为止。这种压力状态可由下面的公式限定：
P＝Pa-Ωc·Hc
在这里，Pa为大气压力，Ωc为分配液体26的重量密度，Hc是分配液形成的压头。这种压力平衡状态可以防止被分配的液体从容器中溢出。在感测导管18中达到一种平衡高度的液柱Hw与容器12中液体高度之间的关系根据下面的公式确定：
Hw＝（Ωc/Ωw）·Hc
这里Ωw为贮液箱液体的重量密度。
当贮液箱液体平面32开始下落时，感测导管中的液柱19也通过导管下落。由于这种回落，空气将通过管嘴14被吸入容器12的顶部。当贮液箱液体32达到其最低位置，即低于感测导管的第二开口端22以下，如图2所示，液柱19并没有完全从感测导管中排空。由于在容器内的导管顶部的负压头及分配管嘴14处分配液体的表面张力和第二开口端22处液体的表面张力，液柱19仍被留在感测导管内。当然，与前述公式相一致，当贮液箱内的容积上升Hw下降，Hc也下降。当容器12的液体平面28，即Hc处于最低位置时，在管嘴14和第二开口端22处的表面张力决定了Hw的高度。优选地，如图2所示感测导管的长度H，其长度要长于Hw的最大长度，这样，当贮液箱水平面32下降时，以使感测管24的扩大横截面积部分总是充满空气。这就保证了分配操作的多次循环中所分配的体积保持一致。
如图3所示，当贮液槽中液体平面32开始上升时，这将使感测导管18中的液柱19上升，由此将替换导管中的空气。这样，被挤压的空气从感测导管18的第一开口端20进入容器12的上部，它推动被分配的液体26从管嘴14的排放口16处流出。
感测管横截面直径增大部分，如附图所示的膨胀段24，用于控制分配液体体积的大小和时间。膨胀段24最好位于最高的贮液箱液体平面32以下，以确保适当的分配体积。膨胀段可以设置得同实践中的一样低，这样可以使被分配液体26有更多的时间与箱中的液体进行混合。
贮液箱液体水平面32具有一可改变的最大高度，一般希望使用带有膨胀体积的小直径的感测导管就可以实现最大的分配体积。
分配管嘴14的直径取决于其长度和排放口16的内径，与感测管18的长度和第二开口端22的内径也有关系，还取决于被分配的液体26的数量、贮液箱液体水平面32上升和下降以及分配液体和贮液箱液体的表面张力。如果分配液体的表面张力减少了，如掺入表面活化剂，在分配循环中，就需要一个较小内径的排放口16用于排放的给定体积的分配液体26。
本发明的分配设备10还包括在贮液箱液体上固定安装容器12的装置，如固定卡子34连接在抽水马桶溢流管36的最上端。在这种结构中，分配管嘴14被设置在溢流管之上，这样，被分配的液体26可直接落入溢流管36中，进而落入抽水马桶槽中，而不进入主水箱。在这种结构中，清洁剂以更浓缩的形式直接进入便桶中，而不是作为冲洗液体的一部分，因而它可直接进入抽水马桶排水管。因此，本发明可以使清洁剂的使用具有更高的效率。
由于使用对水平面变化低敏感的感测导管（即，直径所引起的被分配体积的一个很小的改变可以使箱中液体的水平面变化），本发明便于有效地采用溢流装置。例如，导管直径为0.06英寸，水平面的变化为每英寸可替换出0.046ml附加液体，或者每英寸为一滴。名义分配率一般设置为每次循环5滴，低于溢流量的水箱最高水平面为1英寸时将产生+/-1滴的装置变化量，水箱的最高水平面的范围可在溢流的最高点至2英寸以下之间调整。这样，对于该感测管的直径，对于给定装置的控制体积将产生4至6滴，其标准偏差量不超过1滴。
排放清洁剂最好要早于水槽再注满循环之前（排空气完成之后）。这就意味着感测导管必须延伸至最高水箱水平面以下。分配小体积的附加外液体需要小直径的感测导管。在感测导管上采用增大直径段所获得的进一步优点是，在水箱水平面较低时可增加被分配的体积，而在增大段以上使用减小直径的导管可以随着水平面上升减小分配速率。这优较小直径的管子必须延伸至水箱最高水平面以上，因为，当压力平衡状态重新建立时，感测导管中的液体要上升超过水箱水平面。
此外，管嘴排放口和感测导管的外部开口的尺寸设计得必须允许表面张力形成可防止液体从开口处流出。当然，如果这些开口太小，分配的流体在最佳周期内流的太慢。已经确定，对于典型的抽水马桶清洁液体，排放管嘴的直径为0.125英寸而感测导管外部开口的直径为0.06英寸时效果最好。
另外，已经确定，感测导管的一端要延伸至低于最高水平面3英寸的一点，名义分配体积可以为每次循环5滴。如果最高水平面是低于溢流点的1英寸，则最高水平面在溢流顶点至低于2英寸之间的范围内，被分配的体积变化为+/-1滴。这样，对于排放管嘴直径为0.125英寸而感测导管外部开口直径为0.06英寸时，对于给定装置的控制体积为4至6滴，其标准偏差量少于1滴。合适的性能要求，借助表面张力保持感测导管中的液体。当第一次变换时，感测导管内包含有容器液体，多次循环后，该液体被水替换。在两种情况下，表面张力必须足以阻止空气进入感测导管。水的表面张力为0.0051b/ft，典型的清洁剂的表面张力要比水小的多（由于掺入了表面活性剂）。因此清洁剂的表面张力要求限定感测导管的端部的最大直径。已经发现，最好选择感测导管的最小直径大约为0.06英寸，在水平面上升并与感测导管端部接触时，以保证保持液体并可防止空气进入导管中。
可以理解，当水箱液面降落低于感测口端部时，在排入管嘴和感测导管外部开口处的表面张力可以确保阻止空气进入，这样，当产生上涨至压力平衡状态时，就可以阻止液体的排放。当容器首次安装和变换时，在两个开口的表面张力也是十分必要的。在压力平衡状态形成时，它可以限制只排放很少数量的液体。
图4是本发明典型应用的附图，用于将分配液体或附加液体26与贮液箱液体30混合。在这种应用场合中，附加液体26和贮液箱液体30的混合用于预定的处理场合，超过时间水箱42中液体平面32将下降。当贮液箱液体被加注系统44再次注满时，贮液箱液体水平面32上升，附加液体26按前述方式经分配管嘴14排入贮液箱液体中。任何一个本领域普通技术人员都能想到，可采用一系列分配装置10，用于向水箱42提供不同的附加液体，其各个的分配的液体，以其相对的比例使贮液箱液体水平面32发生变化。
本领域的技术人员还能联想到沿感测导管的自身长度来改变导管的横截面尺寸，当贮液箱液体平面上升时，被分配的液体的体积将发生改变。这样，通过调整感测导管18的横截面尺寸，可预先知道贮液箱液体水平面的上升，从而对给定的任何场合，所将合适的分配液体的精确体积加到贮液箱液体中。
在不脱离本发明的实质精神的范围内，本领域普通技术人员可以想到各种变化和改进的实施例。这些变化和改进由后面所附的权利要求书所覆盖。