DE10394030T5

DE10394030T5 - Fluidsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE10394030T5
Application number: DE10394030T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Paul Laker
Original assignee: Tapmagic Ltd
Current assignee: Tapmagic Ltd
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2005-12-15
Also published as: AU2003298453A1; US20060151635A1; US7431224B2; GB0512555D0; GB0300024D0; GB2411610B; GB2411610A; WO2004060573A1; GB2396902A

Abstract

Fluidsteuervorrichtung, umfassend eine Einlass- und eine Auslassöffnung, wobei der Einlass über einen ersten und einen zweiten Strömungspfad mit dem Auslass verbunden ist, wobei der zweite Strömungspfad ein einzelnes Ventilelement umfasst, wobei im Gebrauch der Durchfluss von Fluid entlang des ersten Strömungspfades bewirkt, dass ein Druck auf das Ventilelement einwirkt, dergestalt,
i) dass der Fluss eines Fluids entlang des zweiten Strömungspfades durch das Ventilelement verhindert wird, wenn der auf das Ventilelement wirkende Druck geringer ist als ein Schwellenwert, und
ii) dass der Fluss eines Fluids entlang des zweiten Strömungspfades durch das Ventilelement gestattet wird, wenn der auf das Ventilelement wirkende Druck größer ist als ein Schwellenwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine auf Strömung reagierende Vorrichtung zum Anschließen an den Auslass eines Wasserhahnes.
Ein herkömmlicher Wasserhahn zum Steuern der Zufuhr von Wasser oder eines anderen Fluids an einen Zielort umfasst einen Einlass, der dafür geeignet ist, an das Wasserhauptnetz oder eine andere Zufuhr von Wasser oder eines anderen Fluids angeschlossen zu werden, einen Ventilmechanismus zum Steuern des Wasserflusses durch den Hahn und eine Auslassöffnung, durch die der Wasserfluss an den Zielort ausströmt, beispielsweise in ein Becken, eine Badewanne oder dergleichen. Solche Hähne können zahlreiche Formen annehmen und können sowohl an die Warm- als auch an die Kaltwasserzufuhr angeschlossen sein, um einen Mischwasserstrom aus warmem und kaltem Wasser mit einer Zwischentemperatur zu erzeugen. Aus Gründen der Einfachheit wird der Begriff "Hahn" im vorliegenden Text verwendet, um allgemein sämtliche Formen solcher Hähne zu bezeichnen.
Solche Hähne finden Verwendung, wo immer ein Benutzer die Zufuhr von Wasser oder eines anderen Fluids zu einem Zielort, wie beispielsweise einem Handwaschbecken oder einer Badewanne, steuern will. Die Erfindung findet jedoch besondere Anwendung für die Zufuhr von Warm- und/oder Kaltwasser in einem häuslichen Umfeld und wird im Weiteren anhand einer derartigen Anwendungssituation beschrieben.
Es ist heute üblich, den Auslass am Hahn mit einem Einsatz anzuschließen, der die gleichmäßige Verteilung des Auslassflusses über die Querschnittsfläche der Auslassöffnung hinweg unterstützt. Solche Einsätze unterstützen auch das gleichmäßige Vermischen von warmem und kaltem Wasser, um das Risiko zu minimieren, dass sich der Benutzer die Hände verbrüht, wenn der Warmwasserstrom nicht richtig mit dem Kaltwasserstrom vermischt ist. Solche Einsätze haben in der Regel die Form eines Querstopfens aus Metall, Kunststoff oder Keramik, der in die Auslassöffnung hineingedrückt, hineingeschraubt oder anderweitig eingesetzt wird und von mehreren Axialbohrungen durchzogen ist. Die Bohrungen sind so bemessen und angeordnet, dass, wenn das Hahnventil vollständig geöffnet ist, ein gleichmäßiger Wasserfluss über den Stopfen hinweg anliegt, der einen allgemein zylindrischen Wasserstrahl aus dem Hahn strömen lässt. Die kombinierte Querschnittsfläche der Bohrungen ist in der Regel geringfügig kleiner als die Querschnittsfläche, die erforderlich ist, um die volle Durchflussrate des Wassers durch den Ventilmechanismus zu bewältigen, so dass der Stopfen am Hahnauslass einen kleinen Rückstau verursacht, um einen Wasserstrahl aus dem Hahn zu erzeugen.
Wenn jedoch das Hahnventil nur teilweise geöffnet ist, so übersteigt die kombinierte Querschnittsfläche der Bohrungen in dem Stopfen die Querschnittsfläche, die erforderlich ist, um die volle Durchflussrate des Wassers durch den Stopfen zu bewältigen. Das Wasser tritt dann mangels Druckabfall am Stopfen als langsamer Wasserfluss aus dem Hahnauslass aus. Da die Ebene des Hahnauslasses gewöhnlich in einem Winkel von 5 bis 15° relativ zur Horizontalen geneigt ist, um den vom Hahn kommenden Wasserstrahl zur Mitte des Beckens, zu dem der Hahn gehört, zu richten, füllt der langsame Wasserfluss nicht die Auslassöffnung, sondern tritt als flacher Fluss in einem Bogen am unteren Abschnitt des Stopfens aus. Dieser flache Wasserfluss erweckt nicht nur den Anschein einer geringen Wasserdurchflussrate, sondern ist für einen Benutzer auch ästhetisch inakzep tabel, da der Fluss die Form eines trägen Tröpfelns aus dem Hahn hat.
Darum neigen die meisten Benutzer dazu, das Ventil des Hahnes weiter zu öffnen, um einen ästhetisch ansprechenden, vollen Wasserstrahl aus dem Hahnauslass zu erhalten. Dadurch wird Wasser vergeudet, besonders wenn der Benutzer das Wasser nur hin und wieder nutzt, um beispielsweise eine Zahnbürste anzufeuchten oder seine Hände zu befeuchten, wenn er sich das Gesicht wäscht. Des Weiteren besteht beim vollständigen Öffnen des Ventils eines Warmwasserhahns ein größeres Risiko, dass sich der Benutzer verbrüht, wenn das Wasser eine hohe Temperatur hat und nicht in einer Mischbatterie mit kaltem Wasser vermischt wird.
Es ist vorgeschlagen worden, in einen Hahnauslass eine auf Strömung oder Druck ansprechende Vorrichtung einzubauen, die, wenn das Hahnventil nur teilweise geöffnet ist, den Ausfluss an Wasser so steuert, dass das Wasser in einer Anordnung von Strahlen mit niedrigen Durchflussraten austritt, aber die volle Wasserströmung ermöglicht, wenn das Bahnventil vollständig geöffnet ist.
So wird im britischen Patent Nr. 2,063,104 B ein Duschkopf beschrieben, der an seinem Auslass ein federbelastetes Absperrelement aufweist. Das Absperrelement bewegt sich gegen die Federvorspannung aus seinem Sitz in dem Duschkopf heraus, wenn der Wasserstrom und damit der Wasserdruck, der auf seine stromaufwärtige Fläche wirkt, zunimmt. Diese Bewegung vergrößert den Ringspalt zwischen dem Absperrelement und dem Körper des Duschkopfes so, dass ein größerer Strömungspfad entsteht, um die höhere Durchflussrate zu bewältigen, die dem Duschkopf zugeführt wird. Jedoch neigt das Absperrelement bei einer solchen Konstruktion dazu, sich bei Schwankungen der Wasserströmung und/oder des Wasserdrucks, der auf seine stromaufwärtige Fläche wirkt, rasch zu bewegen. Darum neigt der Ausfluss des Wassers aus einer solchen Konstruktion zum Schwanken, und im Extremfall kann der Fluss zwischen einer maximalen und einer minimalen Durchflussrate oszillieren, was zu einem Hämmern in der Vorrichtung und den zugehörigen Rohrleitungen führt.
Wir glauben, dass, nachdem sich das Absperrelement in Reaktion auf den anfänglichen Anstieg des Drucks, der auf seine stromaufwärtige Fläche wirkt, bewegt hat, allenfalls ein geringfügiger Druckabfall am Absperrelement anliegt, da der Auslass und die stromaufwärtigen Kanäle in dem Duschkopf alle ins Freie entlüftet sind. Das Absperrelement kann sich somit ungehindert unter der Einwirkung der Vorspannfeder bewegen, was zu einem raschen Schließen des Auslassringspalts durch das Absperrelement führt. Das führt zu einem raschen Druckaufbau stromaufwärts des Absperrelements, wodurch sich das Absperrelement rasch in die offene Stellung bewegt, so dass sich der Zyklus einer Öffnungs- und Schließbewegung des Absperrelements wiederholt.
Es ist des Weiteren vorgeschlagen worden, beispielsweise im US-Patent Nr. 5,114,072, Luft in den Wasserstrahl einzuleiten, um einen weichen, belüfteten Wasserfluss, insbesondere in Duschköpfen, zu erzeugen. Dies wird mit einem mit Öffnungen versehenen Stopfen erreicht, der in den Auslass zum Hahn oder Duschkopf eingesetzt wird oder darin ausgebildet ist und Luft in das Wasser zieht, während es durch den Stopfen fließt. Ein solcher Stopfen kann ein auf Strömung ansprechendes Bauteil des oben beschriebenen Typs enthalten. Ein solcher belüfteter Strom erweckt bei niedrigen Durchflussraten den Eindruck eines vollen Wasserstromes, aber begrenzt den maximalen Wasserfluss, der ohne deutliche Vergrößerung des Hahnes oder Duschauslasses erreicht werden kann.
Es ist außerdem im US-Patent Nr. 4,352,462 vorgeschlagen worden, eine Düse auszubilden, die dazu dient, Reinigungswasser in einen Behälter, der einen Schlamm enthält, einzuspritzen, wobei ein Verschlusselement verhindert, dass Schlamm in die Fluidströmungskanäle der Düse zurückströmt. Das Verschlusselement umfasst ein Absperrelement, das so federvorbelastet ist, dass es an der Außenseite des Düsengehäuses dergestalt anliegt, dass der Düsenauslass abgesperrt wird, wenn kein Reinigungswasser durch die Düse strömt. Das Absperrelement ist über einen Stab mit einer Querplatte verbunden, die in einem Abschnitt mit breiterem Durchmesser des durch das Düsengehäuse hindurch verlaufenden Fluidströmungskanals untergebracht ist. Das Plattenelement stößt gegen die Schultern, die in der Wand an jedem Ende des Abschnitts mit größerem Durchmesser an den äußersten Enden seines axialen Bewegungspfades ausgebildet sind, und begrenzt dadurch die axiale Bewegung des Absperrelements. Zwischen der Querplatte und der stromabwärtigen Schulter ist eine Vorspannungs-Druckschraubenfeder eingespannt, um das Absperrelement so vorzuspannen, dass es an der Düsenöffnung anliegt und die Öffnung verschließt. Die einzige Aufgabe der Querplatte besteht darin, die axiale Bewegung des Absperrelements zu begrenzen; sie wirkt in keiner Weise als Durchflussregler.
Des Weiteren dichtet das Absperrelement in seiner Ruhestellung, wenn nun Wasser durch die Düse strömt, die Düsenöffnung so ab, dass keine Schlammfeststoffe in die Düsenöffnung eindringen können. Wenn eine solche Vorrichtung dazu verwendet werden würde, den Durchfluss von Reinigungsfluid durch die Düsenöffnung zu regeln, so würde der Druck, der auf die stromaufwärtige Fläche des Absperrelements wirkt, bewirken, dass das Absperrelement aus den oben genannten Gründen zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung oszilliert.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine Fluidsteuervorrichtung bereit, die eine Einlass- und eine Auslassöffnung umfasst, wobei der Einlass über einen ersten und einen zweiten Strömungspfad mit dem Auslass verbunden ist, wobei der zweite Strömungspfad ein einzelnes Ventilelement umfasst, wobei im Gebrauch der Durchfluss von Fluid entlang des ersten Strömungspfades bewirkt, dass ein Druck auf das Ventilelement einwirkt, dergestalt, i) dass der Fluss eines Fluids entlang des zweiten Strömungspfades durch das Ventilelement verhindert wird, wenn der auf das Ventilelement wirkende Druck geringer ist als ein Schwellenwert, und ii) dass der Fluss eines Fluids entlang des zweiten Strömungspfades durch das Ventilelement gestattet wird, wenn der auf das Ventilelement wirkende Druck größer ist als ein Schwellenwert.
Der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad können koaxial oder konzentrisch angeordnet sein. Der erste Strömungspfad kann einen Fluidstrom über eine Anordnung von Öffnungen in die Auslassöffnung ablassen. Der zweite Strömungspfad kann einen Fluidstrom über eine Belüftungsanordnung oder alternativ über eine Richtanordnung in die Auslassöffnung ablassen. Das Ventilelement umfasst vorzugsweise ein Membranventil. Das Membranventil kann zwei oder mehr Einschnitte umfassen, dergestalt, dass das Ventil bei Aktivierung eine im Wesentlichen regelmäßige Öffnung definiert, wie beispielsweise ein Quadrat, ein Sechseck, ein Achteck usw. Des Weiteren kann die Vorrichtung noch einen oder mehrere Maschenfilter umfassen, um Fluid, das durch die Vorrichtung fließt, zu verteilen und Teilchen aus der Fluidströmung zu filtern.
Wie oben angesprochen, kann die Erfindung auch auf andere Fluidabgabevorrichtungen als Hähne angewendet werden, und der Ventilmechanismus, der den Durchfluss von Wasser oder eines anderen Fluids durch den Abflussauslass steuert, kann vom Auslass räumlich entfernt angeordnet sein, wie im Fall eines Duschkopfes. Der Begriff "Hahn" wird darum im vorliegenden Text so verwendet, dass allgemein alle derartigen Abgabevorrichtungen darunter fallen, und die Erfindung wird der Einfachheit halber anhand eines Hahnes oder Wasserhahnes beschrieben.
Die optimalen Abmessungen der verschiedenen Bauteile der Vorrichtung, die Festigkeit des Membranventils und die Größe der Öffnungen in beiden Strömungspfaden können problemlos durch einfache empirisch-praktische Versuche ermittelt werden. Die Vorrichtung bietet sich bestens für die Herstellung der Bauteile aus spritzgegossenen oder gegossenen technischen Kunststoffen oder durch maschinelle Bearbeitung an. Die Bauteile werden bequem mittels beliebiger Techniken übereinander montiert, beispielsweise mittels Kleben, Ultraschallschweißen oder einer sonstigen Schweißtechnik oder durch Einrasten der Teile ineinander.
Die Vorrichtung hat vorzugsweise eine allgemein zylindrische Gestalt, so dass die internen Bauteile und die durch die Vorrichtung hindurch verlaufenden Fluidströmungskanäle radial im Wesentlichen um die Längsachse der Vorrichtung herum symmetrisch sind.
Die Vorrichtung ist mit einem Mittel – beispielsweise einem Schraubgewinde, einem Bajonettanschluss oder einer Reihe von um den Außenumfang herum verlaufenden Sägezahnrippen – versehen, mit dem die Vorrichtung in dem Auslass des Hahnes oder einer anderen Vorrichtung befestigt werden kann.
Die Erfindung wird nun zur Veranschaulichung anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, beschrieben.
1–3 zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Anordnung von Löchern für einen Auslass mit hoher Strömungsrate umfasst.
4–6 zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Belüftungsvorrichtung oder eine Richtvorrichtung für einen Auslass mit hoher Strömungsrate umfasst.
7-9 zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine zusätzliche Diffusionsplatte umfasst.
10-12 zeigen schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine aktive Reglerdiffusorplatte und ein Ventil für hohe Strömungsraten umfasst.
Die in den 1, 2 und 3 gezeigte Vorrichtung umfasst ein zylindrisches Körperelement 1 mit einem Abschnitt 2 mit größerem Durchmesser, der sich in der Ausnehmung des Metallgehäuserings 3 befindet. Der Metallgehäusering 3 ist mittels einer Gewindeanordnung 5 in das Hahngehäuse 4 eingesetzt.
Das zylindrische Körperelement 1 hat eine Durchflussbegrenzerplatte 6, die am Eingangsende der Einheit installiert ist und dazu dient, den maximalen Flüssigkeitsdurchfluss durch die Vorrichtung hindurch auf einen bestimmten Arbeitsdruck zu begrenzen. Die Einheit ist mit einer Dichtungsscheibe 7 versehen, die durch den obersten Abschnitt des Körpers 1, die Begrenzerplatte 6 und den inneren Abschnitt des Hahngehäuses 4 zusammengedrückt wird.
Der Durchflussbegrenzer 6 kann passiv sein, wie in der Zeichnung gezeigt, und aus einer zylindrischen Platte mit einer Anordnung von Löchern bestehen, oder kann ein aktives Druckausgleichssystem sein, das beispielsweise eine Anordnung aus einem O-Ring und einem Konus verwendet. Zu Veranschaulichungszwecken ist der Durchflussbegrenzer als einfache passive Platte gezeigt. In dem inneren zylindrischen Körperelement 1 sind zwei Strömungspfade 8 und 9 zum Ablassen der Flüssigkeit angeordnet. Der innere der konzentrischen Strömungspfade 9 wird durch ein Membranquetschventil 10 gesteuert, das konzentrisch in der Bohrung angeordnet ist. Das Membranquetschventil 10 ist von dem Typ, den man üblicherweise in Tropfschutzkappen und Soßenflaschen findet, und bleibt unter normalen Bedingungen im geschlossenen Zustand.
2 zeigt das System im Betrieb mit niedriger Strömungsrate. Die Flüssigkeit 11 fließt durch die Bohrung des Hahns 4 und durch die Anordnung von Löchern 12 in der Begrenzerplatte 6. Das Wasser tritt in die Kammer 13 ein, wo es in Richtung des äußeren Strömungspfades 8 verteilt wird, wo es als eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 austritt. Der Druck, der in der Kammer 13 erzeugt wird, wirkt auf die Oberseite des Membranquetschventils 10, reicht aber nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in Funktion treten zu lassen.
In diesem Zustand wird die niedrige Strömungsrate, die aus der Bohrung des Hahnes 4 austritt, in eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 umgewandelt.
3 zeigt das System im Betrieb mit hoher Strömungsrate. Wenn der Hahn weiter geöffnet wird, so bewirkt der verstärkte Durchfluss der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch die Anordnung von Löchern 12 in der Begrenzerplatte 6 strömt, einen Druckanstieg in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Der Druckanstieg in der Kammer 13 infolge der verstärkten Flüssigkeitsströmung durch die Vorrichtung hindurch wirkt auf die äußere Fläche des Membranquetschventils 10, und an einem kontrollierten Punkt überschreitet der anliegende Druck, der auf die Oberseite des Membranquetschventils 10 wirkt, die Halteschwelle, wodurch sich die inneren Abschnitte des Membranquetschventils 10 entsprechend umstülpen und öffnen. In diesem Zustand tritt der Flüssigkeitsstrom, der durch die Vorrichtung hindurch fließt, durch die Anordnung von Sprühstrahlen 14 um den äußeren koaxialen Strömungspfad 8 herum, das Membranquetschventil 10 und durch eine Anordnung von inneren Strahlen 15, die sich innerhalb des inneren Strömungspfades 9 befinden, ins Freie aus.
Die Gesamtquerschnittsfläche des Auslasspfades 9, der durch das Membranquetschventil 10 gesteuert wird, ist so gestaltet, dass immer ein Überdruck auf die Oberseite des Ventils 10 einwirkt, um das Ventil in der offenen Stellung zu halten, während sich die Einheit im Modus mit hoher Strömungsrate befindet. Die Strömungsrate, in die die Vorrichtung umschaltet, wird durch die Querschnittsfläche des äußeren Strömungspfades 8 und die Charakteristik des Ventils 10 gesteuert. Der Wechsel zwischen den beiden Zuständen erfolgt praktisch unmittelbar und erzeugt zwei Durchflusszustände – im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Durchflussvorrichtungen, die einen proportionalen Ausfluss im Verhältnis zum Durchfluss der Flüssigkeit durch die Vorrichtung hindurch haben.
Wenn die Strömungsrate der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch die Anordnung von Löchern 12 in der Begrenzerplatte 6 strömt, verringert wird, so kommt es zu einem Absinken des Drucks in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Dieser verringerte Druck in der Kammer 13 reicht nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in der geöffneten Stellung zu halten, und die Elastizität des Membranquetschventils 10 bewirkt, dass das Ventil sich wieder schließt, wodurch der Strömungspfad 9 zu den inneren Sprühstrahlen 15 verschlossen wird. In diesem Zustand wird die verringerte Strömungsrate, die aus der Bohrung des Hahnes 4 austritt, in eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 umgewandelt.
Die in den 4–6 gezeigte Vorrichtung umfasst ein zylindrisches Körperelement 1 mit einem Abschnitt 2 mit größerem Durchmesser, der sich in der Ausnehmung des Metallgehäuserings 3 befindet. Der Metallgehäusering 3 ist mittels einer Gewindeanordnung 5 in das Hahngehäuse 4 eingesetzt. Das zylindrische Körperelement 1 hat eine Durchflussbegrenzerplatte 6, die am Eingangsende der Einheit installiert ist und dazu dient, den maximalen Flüssigkeitsdurchfluss durch die Vorrichtung hindurch auf einen bestimmten Arbeitsdruck zu begrenzen. Die Einheit ist mit einer Dichtungsscheibe 7 versehen, die durch den obersten Abschnitt des Körpers 1, die Begrenzerplatte 6 und den inneren Abschnitt des Hahngehäuses 4 zusammengedrückt wird. Der Durchflussbegrenzer 6 kann passiv sein, wie in der Zeichnung gezeigt, und aus einer zylindrischen Platte mit einer Anordnung von Löchern bestehen, oder kann ein aktives Druckausgleichssystem sein, das beispielsweise eine Anordnung aus einem O-Ring und einem Konus verwendet. Zu Veranschaulichungszwecken ist der Durchflussbegrenzer als einfache passive Platte gezeigt.
In dem inneren zylindrischen Körperelement 1 sind zwei Strömungspfade 8 und 9 zum Ablassen der Flüssigkeit angeordnet. Der innere der konzentrischen Strömungspfade 9 wird durch ein Membranquetschventil 10 gesteuert, das konzentrisch in der Bohrung angeordnet ist. Das Membranquetschventil 10 ist von dem Typ, den man üblicherweise in Tropfschutzkappen und Soßenflaschen findet, und bleibt unter normalen Bedingungen im geschlossenen Zustand.
5 zeigt das System im Betrieb mit niedriger Strömungsrate. Die Flüssigkeit 11 fließt durch die Bohrung des Hahns 4 und durch die Anordnung von Löchern 12 in der Begrenzerplatte 6. Das Wasser tritt in die Kammer 13 ein, wo es in Richtung des äußeren Strömungspfades 8 verteilt wird, wo es als eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 austritt. Der Druck, der in der Kammer 13 erzeugt wird, wirkt auf die Oberseite des Membranquetschventils 10, reicht aber nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in Funktion treten zu lassen. In diesem Zustand wird die niedrige Strömungsrate, die aus der Bohrung des Hahnes 4 austritt, in eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 umgewandelt.
6 zeigt das System im Betrieb mit hoher Strömungsrate. Wenn der Hahn weiter geöffnet wird, so bewirkt der verstärkte Durchfluss der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch die Anordnung von Löchern 12 in der Begrenzerplatte 6 strömt, einen Druckanstieg in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Der Druckanstieg in der Kammer 13 infolge der verstärkten Flüssigkeitsströmung durch die Vorrichtung hindurch wirkt auf die äußere Fläche des Membranquetschventils 10, und an einem kontrollierten Punkt überschreitet der anliegende Druck, der auf die Oberseite des Membranquetschventils 10 wirkt, die Halteschwelle, wodurch sich die inneren Abschnitte des Membranquetschventils 10 entsprechend umstülpen und öffnen.
In diesem Zustand tritt der Flüssigkeitsstrom, der durch die Vorrichtung hindurch fließt, durch die Anordnung von Sprühstrahlen 14 um den äußeren koaxialen Strömungspfad 8 herum, das Membranquetschventil 10 und durch eine Belüftungs- oder Richtvorrichtung 16 ins Freie aus. Belüftungs- oder Richtvorrichtungen 16 sind allgemein bekannt und werden üblicherweise verwendet, um Wasser zu belüften oder das Ausströmen aus dem Hahn weicher zu machen. Bei der Vorrichtung kann es sich um eine Patroneneinheit handeln, wie sie in den Zeichnungen detailliert veranschaulicht ist, oder die Vorrichtung könnte dergestalt integral in dem Körpergehäuse ausgebildet sein, um die Anzahl der Bauteile zu verringern. Für die Zwecke dieser Beschreibung wird die Belüftungs- oder Richtvorrichtung 16 als Patronenbaugruppe gezeigt.
Die Gesamtquerschnittsfläche des durch die Belüftungs- oder Richtvorrichtung 16 hindurch verlaufenden Auslasspfades, der durch das Membranquetschventil 10 gesteuert wird, ist so gestaltet, dass immer ein Überdruck auf die Oberseite des Ventils 10 einwirkt, um das Ventil in der offenen Stellung zu halten, während sich die Einheit im Modus mit hoher Strömungsrate befindet.
Die Strömungsrate, in die die Vorrichtung umschaltet, wird durch die Querschnittsfläche des äußeren Strömungspfades 8 und die Charakteristik des Ventils 10 gesteuert. Der Wechsel zwischen den beiden Zuständen erfolgt praktisch unmittelbar und erzeugt zwei Durchflusszustände – im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Durchflussvorrichtungen, die einen proportionalen Ausfluss im Verhältnis zum Durchfluss der Flüssigkeit durch die Vorrichtung hindurch haben.
Wenn die Strömungsrate der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch die Anordnung von Löchern 12 in der Begrenzerplatte 6 strömt, verringert wird, so kommt es zu einem Absinken des Drucks in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Dieser verringerte Druck in der Kammer 13 reicht nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in der geöffneten Stellung zu halten, und das Formgedächtnis des Membranquetschventils 10 bewirkt, dass das Ventil sich wieder schließt, wodurch der Strömungspfad 16 zu der Belüftungs- oder Richtvorrichtung verschlossen wird. In diesem Zustand wird die verringerte Strömungsrate, die aus der Bohrung des Hahnes 4 austritt, in eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 umgewandelt.
Die in den 7-9 gezeigte Vorrichtung umfasst zusätzliche Merkmale, mit denen die Geschwindigkeit der Sprühstrahlen während des Modus' mit hoher Strömungsrate verringert wird, und umfasst ein zylindrisches Körperelement 1 mit einem Abschnitt 2 mit größerem Durchmesser, der sich in der Ausnehmung des Metallgehäuserings 3 befindet. Der Metallgehäusering 3 ist mittels einer Gewindeanordnung 5 in das Hahngehäuse 4 eingesetzt. Das zylindrische Körperelement 1 hat eine Durchflussbegrenzerplatte 6, die am Eingangsende der Einheit installiert ist und dazu dient, den maximalen Flüssigkeitsdurchfluss durch die Vorrichtung hindurch auf einen bestimmten Arbeitsdruck zu begrenzen. Die Einheit ist mit einer Dichtungsscheibe 7 versehen, die durch den obersten Abschnitt des Körpers 1, die Begrenzerplatte 6 und den inneren Abschnitt des Hahngehäuses 4 zusammengedrückt wird. Der Durchflussbegrenzer 6 kann ein aktives Druckausgleichssystem sein, das einen O-Ring und einen Konus verwendet, wie in der Zeichnung gezeigt, oder es kann eine passive Anordnung sein, die aus einer zylindrischen Platte mit einer Anordnung von Löchern besteht. Zu Veranschaulichungszwecken ist der Durchflussbegrenzer als ein aktives Druckausgleichssystem gezeigt.
In dem inneren zylindrischen Körperelement 1 sind zwei Strömungspfade 8 und 9 zum Ablassen der Flüssigkeit angeordnet. Der innere der konzentrischen Strömungspfade 9 wird durch ein Membranquetschventil 10 gesteuert, das konzentrisch in der Bohrung angeordnet ist. Bei dieser Konstruktion ist den Sprühstrahlen 8 eine parallele Platte 20 nachgeordnet, die eine Anordnung von Löchern 21 in der gleichen Matrix wie die Sprühstrahlen aufweist, aber einen größeren Durchmesser haben, damit die Sprühstrahlen 8 ungehindert durch die untere Platte 20 hindurch passieren können. Die parallele Platte hat eine Öffnung 22, die mit einem Maschensieb 23 oder einem anderen geeigneten Verteilungsmittel, einschließlich einer Formkonstruktion, innerhalb des Gehäuses versehen ist. Der Auslasspfad der Kammer, der das Ventil 10 enthält, kann gewünschtenfalls auch mit einem Maschennetz 24 ausgestattet werden, um den Wasserstrahl zu verteilen, der mit hoher Strömungsrate aus dem Ventil austritt.
8 zeigt das System im Betrieb mit niedriger Strömungsrate. Die Flüssigkeit 11 fließt durch die Bohrung des Hahns 4 und durch den aktiven Regler 6. Das Wasser tritt in die Kammer 13 ein, wo es in Richtung des äußeren Strömungspfades 8 verteilt wird, wo es als eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 austritt, und passiert die größeren Löcher 21 in der parallelen Platte 20. Der Druck, der in der Kammer 13 erzeugt wird, wirkt auf die Oberseite des Membranquetschventils 10, reicht aber nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in Funktion treten zu lassen. In diesem Zustand wird die niedrige Strömungsrate, die aus der Bohrung des Hahnes 4 austritt, in eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 umgewandelt.
9 zeigt das System im Betrieb mit hoher Strömungsrate. Wenn der Hahn weiter geöffnet wird, so bewirkt der verstärkte Durchfluss der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch den aktiven Regler 6 strömt, einen Druckanstieg in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Der Druckanstieg in der Kammer 13 infolge der verstärkten Flüssigkeitsströmung durch die Vorrichtung hindurch wirkt auf die äußere Fläche des Membranquetschventils 10, und an einem kontrollierten Punkt überschreitet der anliegende Druck, der auf die Oberseite des Membranquetschventils 10 wirkt, die Halteschwelle, wodurch sich die inneren Abschnitte des Membranquetschventils 10 entsprechend umstülpen und öffnen.
In diesem Zustand wird der Flüssigkeitsstrom, der durch das Ventil 10 hindurch strömt, weicher gemacht und durch das primäre Maschennetz 24 und in die zweite Kammer 25 hinein verteilt. Weil das sekundäre Sieb 23 einen leichten Rückstau erzeugt, füllt sich die Kammer 25 mit Wasser, das dann über das sekundäre Maschennetz 23 und die Öffnung 22 austritt und dabei eine weiche Wassersäule 26 bildet. Wenn sich die Kammer 25 mit Wasser füllt, so interagiert das hohe Wasservolumen mit den Sprühstrahlen 14, die durch die Anordnung von Sprühlöchern 8 austreten, und verringert die Geschwindigkeit der Sprühstrahlen 14, indem es die Strahlen 14 zunächst behindert und dann die Energie von den Sprühstrahlen 8 nutzt, um das umgebende Wasser durch die größeren Löcher 21 in der unteren Platte 20 mitzureißen, wodurch eine größere Anordnung von Sprühstrahlen 27 erzeugt wird, die eine geringere Geschwindigkeit haben. Darum wird, wenn die Einheit im Modus mit hoher Strömungsrate betrieben wird, die Sprühstrahlgeschwindigkeit und das anschließende Zurückspritzen, zu dem es durch das Auftreffen der Sprühstrahlen 8 auf das Waschbecken kommt, infolge der zusätzlichen Komponenten gegenüber den früher offenbarten Verfahren deutlich verringert. Die Abmessungen der Löcher in den Öffnungen und Maschennetzen kann in der Weise bestimmt werden, dass man die Einheit unter Verwendung einer Vielzahl von Lochgrößen und Maschennetzkonfigurationen testet.
Die Gesamtquerschnittsfläche des Auslasspfades ist so gestaltet, dass immer ein Überdruck auf die Oberseite des Ventils 10 einwirkt, um das Ventil in der offenen Stellung zu halten, während sich die Einheit im Modus mit hoher Strömungsrate befindet. Die Strömungsrate, in die die Vorrichtung umschaltet, wird durch die Querschnittsfläche des äußeren Strömungspfades 8 und die Charakteristik des Ventils 10 gesteuert. Der Wechsel zwischen den beiden Zuständen erfolgt praktisch unmittelbar und erzeugt zwei Durchflusszustände – im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Durchflussvorrichtungen, die einen proportionalen Ausfluss im Verhältnis zum Durchfluss der Flüssigkeit durch die Vorrichtung hindurch haben.
Wenn die Strömungsrate der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch die Anordnung von Löchern 12 in der Begrenzerplatte 6 strömt, verringert wird, so kommt es zu einem Absinken des Drucks in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Dieser verringerte Druck in der Kammer 13 reicht nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in der geöffneten Stellung zu halten, und das Formgedächtnis des Membranquetschventils 10 bewirkt, dass das Ventil sich wieder schließt. Wenn sich das Ventil schließt, so reißt das Wasser, das aus den Sprühstrahlen 8 austritt, das umgebende Wasser durch die größeren Löcher 21 in der unteren Platte 20 mit und verringert das Flüssigkeitsvolumen in der zweiten Kammer 25. Wenn die Kammer 25 leer ist, so können die Sprühstrahlen 8 ungehindert durch die untere Platte 20 mit einer Geschwindigkeit passieren, die dem Wasserdurchfluss durch die Vorrichtung hindurch proportional ist. Als Alternative könnten das primäre und/oder das sekundäre Maschennetz gewünschtenfalls durch eine Matrix aus Löchern ersetzt werden.
Die in den 10–12 gezeigte Vorrichtung ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Geschwindigkeit der Sprühstrahlen während des Betriebsmodus' mit hoher Strömungsrate verringert wird, indem die Querschnittsfläche der Ventilöffnung 10 optimiert wird und dadurch der Wasserdurchfluss durch das Ventil 10 hindurch maximiert wird, und die ein zylindrisches Körperelement 1 mit einem Abschnitt 2 mit größerem Durchmesser umfasst, der sich in der Ausnehmung des Metallgehäuserings 3 befindet. Der Metallgehäusering 3 ist mittels einer Gewindeanordnung 5 in das Hahngehäuse 4 eingesetzt.
Das zylindrische Körperelement 1 hat eine Durchflussbegrenzerplatte 6, die am Eingangsende der Einheit installiert ist und dazu dient, den maximalen Flüssig keitsdurchfluss durch die Vorrichtung hindurch auf einen bestimmten Arbeitsdruck zu begrenzen. Die Einheit ist mit einer Dichtungsscheibe 7 versehen, die durch den obersten Abschnitt des Körpers 1, die Begrenzerplatte 6 und den inneren Abschnitt des Hahngehäuses 4 zusammengedrückt wird. Der Durchflussbegrenzer 6 kann ein aktives Druckausgleichssystem sein, das einen O-Ring und einen Konus verwendet, wie in der Zeichnung gezeigt, oder es kann eine passive Anordnung sein, die aus einer zylindrischen Platte mit einer Anordnung von Löchern besteht. Zu Veranschaulichungszwecken ist der Durchflussbegrenzer als ein aktives Druckausgleichssystem gezeigt. In dem inneren zylindrischen Körperelement 1 sind zwei Strömungspfade 8 und 9 zum Ablassen der Flüssigkeit angeordnet. Der innere der konzentrischen Strömungspfade 9 wird durch ein Membranquetschventil 10 gesteuert, das konzentrisch in der Bohrung angeordnet ist.
11 zeigt das System im Betrieb mit niedriger Strömungsrate. Die Flüssigkeit 11 fließt durch die Bohrung des Hahns 4 und durch den aktiven Regler 6. Das Wasser tritt in die Kammer 13 ein, wo es in Richtung des äußeren Strömungspfades 8 verteilt wird, wo es als eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 austritt. Aufgrund der Konstruktion von aktiven Durchflussreglern besteht der Abfluss von der Auslassöffnung aus 4 oder mehr kleinen Öffnungen 30, die im Normalbetrieb eine Anordnung von Hochgeschwindigkeitsstrahlen erzeugen. Wenn der aktive Durchflussregler 6 direkt oberhalb des Silikonmembranventils 10 angeordnet ist, so können die fokussierten Hochdruckstrahlen auf die Oberseite des Ventils wirken und das Ventil veranlassen, unregelmäßig und vorzeitig zu öffnen; und wenn das Ventil sich im offenen Modus befindet, so verlaufen die Kräfte dieser Strahlen durch die Öffnung und erzeugen eine Mittelsäule von hoher Geschwindigkeit. Diese Ergebnisse sind beide für einen einwandfreien Betrieb nicht wünschenswert. Um die oben besprochenen Probleme zu vermeiden, verwendet diese Ausführungsform der Konstruktion einen Haltering 31, der eine flache Fläche 32, die unter dem aktiven Durchflussregler angeordnet ist, und eine Anordnung von Öffnungen 33, die entlang des Umfangs angeordnet sind, aufweist, damit das Wasser durch das Ventil 10 und durch die Kammer 9 hindurch und ins Freie fließen kann.
Der Druck, der in der Kammer 13 erzeugt wird, wirkt auf die Oberseite des Membranquetschventils 10, reicht aber nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in Funktion treten zu lassen. In diesem Zustand wird die niedrige Strömungsrate, die aus der Bohrung des Hahnes 4 austritt, in eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 umgewandelt.
12 zeigt das System im Betrieb mit hoher Strömungsrate. Wenn der Hahn weiter geöffnet wird, so bewirkt der verstärkte Durchfluss der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch den aktiven Regler 6 strömt, einen Druckanstieg in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Der Druckanstieg in der Kammer 13 infolge der verstärkten Flüssigkeitsströmung durch die Vorrichtung hindurch wirkt auf die äußere Fläche des Membranquetschventils 10, und an einem kontrollierten Punkt überschreitet der anliegende Druck, der auf die Oberseite des Membranquetschventils 10 wirkt, die Halteschwelle, wodurch sich die inneren Abschnitte des Membranquetschventils 10 entsprechend umstülpen und öffnen. In diesem Zustand tritt der Flüssigkeitsstrom, der durch die Vorrichtung hindurch strömt, zunächst durch den aktiven Regler 6 aus, wo er dann durch die flache Fläche 32 des Halterings 31 zu den äußeren Strömungspfaden 8 verteilt wird, wo er als eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 austritt, sowie durch die Anordnung von Öffnungen in dem Haltering 33, durch das Ventil 10 und durch die Auslassöffnung 9, wobei eine mittige Wassersäule 34 erzeugt wird.
Die Konstruktion der Öffnung eines Silikonventils 10 ist allgemein bekannt und wird gemeinhin für die Abgabe von Lebensmitteln und Hygieneprodukten verwendet. Die Öffnung besteht normalerweise aus zwei tangentialen Einschnitten, die eine quadratische Öffnung bilden. Das Ventil gibt es auch im Dreifacheinschnittformat, wodurch eine sechseckige Öffnung entsteht, die eine höhere Strömungsrate durch das Ventil hindurch bietet. Darum könnte das Ventil mit einem oder mehreren Einschnitten hergestellt werden, doch für Demonstrationszwecke sprechen wir hier von einem dreifach eingeschnittenen Ventil.
Die Gesamtquerschnittsfläche des Auslasspfades durch den Auslasspfad 9 hindurch sowie der Durchfluss, der durch die Öffnungen 33 in dem Haltering 31 zur Verfügung steht, sind so gestaltet, dass immer ein Überdruck auf die Oberseite des Ventils 10 einwirkt, um das Ventil in der offenen Stellung zu halten, während sich die Einheit im Modus mit hoher Strömungsrate befindet. Die Strömungsrate, in die die Einheit umschaltet, wird durch die Querschnittsfläche des äußeren Strömungspfades 8 und die Charakteristik des Ventils 10 gesteuert. Der Wechsel zwischen den beiden Zuständen erfolgt praktisch unmittelbar und erzeugt zwei Durchflusszustände – im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Durchflussvorrichtungen, die einen proportionalen Ausfluss im Verhältnis zum Durchfluss der Flüssigkeit durch die Vorrichtung hindurch haben.
Wenn die Strömungsrate der Flüssigkeit 11, die durch die Bohrung des Hahnes 4 und durch den aktiven Durchflussregler 6 strömt, verringert wird, so kommt es zu einem Absinken des Drucks in der Kammer 13, weil der axiale Querschnitt der Auslasslöcher in dem äußeren Strömungspfad 8 unveränderlich ist. Dieser verringerte Druck in der Kammer 13 reicht nicht aus, um das Membranquetschventil 10 in der geöffneten Stellung zu halten, und das Formgedächtnis des Membranquetschventils 10 bewirkt, dass das Ventil sich wieder schließt, wodurch die mittige Wassersäule 34 abgeschaltet wird.
Ein weiteres Merkmal dieser Konstruktion ist, dass, weil die Einheit keine Maschennetze oder kleine geformte Öffnungen braucht, um den Durchfluss zu verteilen, jegliche Partikel wie beispielsweise Sand oder Kalzium, die in dem zugeführten Wasser suspendiert sind, durch die Vorrichtung hindurchströmen können, ohne die Funktion der Einheit zu beeinträchtigen.
Die Vorrichtungen können auch alternative Formen aufweisen, bei denen das zylindrische Körperelement 1 mit einem größeren Durchmesser hergestellt wird und einen Gewindeabschnitt aufweist, wodurch die Einheit direkt in das Hahngehäuse 4 mittels einer Gewindeanordnung 5 eingeschraubt werden kann. Eine solche Form der Vorrichtung arbeitet in der gleichen Weise wie die Vorrichtung der 1 bis 6, doch sie liegt in einer Form vor, die ohne Weiteres während der Produktion des Hahnes in einen Hahnauslass integriert werden kann oder die einen herkömmlichen Strömungsrichter oder Belüfter, der bereits in den Hahnauslass eingebaut ist, ersetzen kann. Die Einheit könnte so hergestellt werden, dass sie für jegliche Anwendungen mit Außen- oder Innengewinde verwendet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Verringern der Menge von Wasser oder eines anderen Fluids, das an einem Hahn (4) abgelassen wird, bereit, wobei diese Vorrichtung ein Körperelement (1) umfasst, das einen Einlass aufweist, der dafür geeignet ist, an eine Zufuhr von Wasser oder eines anderen Fluids angeschlossen zu werden, und zwei Auslässe aufweist, durch die das Fluid an den Zielort abgegeben werden soll, wobei ein Fluidpfad zwischen dem Einlass und dem Auslass durch einen auf Strömung oder Druck ansprechenden Ventilmechanismus (10) gesteuert wird, der sich in dem inneren Fluidpfad (9) zwischen dem Einlass und dem Auslass befindet.
(1)

Claims

Fluidsteuervorrichtung, umfassend eine Einlass- und eine Auslassöffnung, wobei der Einlass über einen ersten und einen zweiten Strömungspfad mit dem Auslass verbunden ist, wobei der zweite Strömungspfad ein einzelnes Ventilelement umfasst, wobei im Gebrauch der Durchfluss von Fluid entlang des ersten Strömungspfades bewirkt, dass ein Druck auf das Ventilelement einwirkt, dergestalt, i) dass der Fluss eines Fluids entlang des zweiten Strömungspfades durch das Ventilelement verhindert wird, wenn der auf das Ventilelement wirkende Druck geringer ist als ein Schwellenwert, und ii) dass der Fluss eines Fluids entlang des zweiten Strömungspfades durch das Ventilelement gestattet wird, wenn der auf das Ventilelement wirkende Druck größer ist als ein Schwellenwert.
Fluidsteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei es keine nennenswerte Behinderung für ein Fluid gibt, das den ersten Strömungspfad entlang fließt.
Fluidsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad koaxial verlaufen.
Fluidsteuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad konzentrisch angeordnet sind.
Fluidsteuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Strömungspfad eine Fluidströmung über eine Anordnung von Öffnungen in die Auslassöffnung ablässt.
Fluidsteuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Strömungspfad eine Fluidströmung über eine Anordnung von Öffnungen in die Auslassöffnung ablässt.
Fluidsteuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fluidsteuervorrichtung mehrere Auslassöffnungen umfasst.
Fluidsteuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Strömungspfad eine Fluidströmung über eine Belüfteranordnung in die Auslassöffnung ablässt.
Fluidsteuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Strömungspfad eine Fluidströmung über eine Richtanordnung in die Auslassöffnung ablässt.
Fluidsteuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ventilelement ein Membranventil umfasst.
Fluidsteuervorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Membranventil drei Einschnitte umfasst, dergestalt, dass das Ventil bei Aktivierung eine im Wesentlichen sechseckige Öffnung definiert.
Fluidsteuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung des Weiteren einen oder mehrere Filter umfasst, um Teilchen aus dem Fluid zu entfernen, das durch den ersten und/oder den zweiten Strömungspfad fließt.