DE112019000679T5

DE112019000679T5 - Spritzarmer Brunnen

Info

Publication number: DE112019000679T5
Application number: DE112019000679.7T
Authority: DE
Inventors: Qing He; Tao Huang; Dong Zhao; Wei Chao; Ke Li; Yingchun Mao; John M. Lipscomb
Original assignee: Pioneer Pet Products LLC
Current assignee: Pioneer Pet Products LLC
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2020-11-19
Also published as: GB202012114D0; GB2583327A; GB2583327A8; EP3765209A4; CN111819007A; WO2019157051A1; KR20200108081A; US20190239475A1; EP3765209A1

Abstract

Ein Brunnen ist in der Lage, Flüssigkeit in ein darunterliegendes Becken als eine zumindest im Allgemeinen laminare Säule zu leiten, um die Geräusche und das Spritzen zu minimieren, die mit dem Umwälzen einer Flüssigkeit über den Brunnen verbunden sind. Der Brunnen umfasst ein Becken, einen Wasserhahn, der auf dem Becken montiert ist und einen Scheitelpunkt und weist eine Austrittsöffnung auf, die sich unterhalb des Scheitelpunkts befindet und die Flüssigkeit in das Becken abgibt, eine Pumpe, die in Flüssigkeitsverbindung mit dem Becken und dem Wasserhahn steht, und eine Hebeleitung, welche die Pumpe mit dem Wasserhahn verbindet. Zu den Brunneneigenschaften, die ausgewählt, gesteuert und/oder geändert werden können, um diese Effekte zu erzielen, können die Neigung der Austrittsöffnung des Wasserhahns relativ zur Vertikalen und/oder Horizontalen, die lineare Durchflussrate der Flüssigkeit aus der Austrittsöffnung, der vertikale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt des Wasserhahns und der Oberfläche der Flüssigkeit und/oder dem Boden des Beckens sowie die Eigenschaften von Hebeleitung und Pumpe gehören.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung beansprucht Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/626,983 , eingereicht am 6. Februar 2018 unter der Bezeichnung Low-Splash Fountain, deren Gesamtheit hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
STELLUNGNAHME ZU RECHTEN, DIE MIT BUNDESMITTELN FÜR FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG GEMACHT WURDEN
Nicht anwendbar.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Brunnen und betrifft insbesondere einen vereinfachten Brunnen, der Maßnahmen umfasst, um einer Flüssigkeitssäule, die auf die wasseraufnehmende Oberfläche zufließt, eine zumindest allgemein laminare Strömung zu verleihen, um Spritzer und Lärm zu reduzieren. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brunnens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brunnen werden häufig verwendet, um ein Volumen auf nachfüllbarer Basis mit Flüssigkeit zu versorgen. Der Begriff „Brunnen“, wie dieser hier verwendet wird, bezieht sich auf jede Vorrichtung, die kontinuierlich oder intermittierend Wasser oder eine andere Flüssigkeit einem bestimmten Volumen zuführt und gleichzeitig Flüssigkeit aus diesem Volumen ablässt. Eine solche Art von Brunnen ist ein „Umlaufbrunnen“, der einen Teil oder die gesamte abgelassene Flüssigkeit aus dem Volumen zurückführt, üblicherweise mithilfe einer Pumpe. Viele typische Umlaufbrunnen umfassen eine Hebeleitung (die hier allgemein als ein oder mehrere Rohre, Schläuche und/oder interne Durchgänge definiert wird), ein Becken mit einer das Volumen definierenden Umfangswand und eine Pumpe, die das Wasser im Becken durch die Hebeleitung auf eine bestimmte Höhe anhebt. Bei der Pumpe handelt es sich typischerweise, aber nicht notwendigerweise, um eine Tauchpumpe, die innerhalb des Beckens untergebracht ist. Der Brunnen kann in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten oder an eine Flüssigkeitsquelle gekoppelt sein, die verbrauchte, verdampfte oder anderweitig erschöpfte Flüssigkeit wieder auffüllt. Brunnen mit Umwälzung werden für unzählige häusliche, gewerbliche und industrielle Zwecke verwendet, unter anderem als Tränkevorrichtung für Haustiere und andere Tiere, Trinkbrunnen für Menschen, Lebensräume für Wasserlebewesen und Waschanlagen für Produkte, Maschinenteile usw. Die zirkulierende Flüssigkeit kann Wasser, ein Reinigungsmittel, ein Lösungsmittel usw. sein.
Obwohl verschiedene Umlaufbrunnen einen beachtlichen kommerziellen Erfolg erzielt haben, sind Verbesserungen dennoch wünschenswert. Zum Beispiel erzeugen viele traditionelle Brunnen, einschließlich Umlaufbrunnen, erhebliche Spritzer und Geräusche, wenn der Flüssigkeitsstrom auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Becken fällt und/oder wenn die Flüssigkeit mit ausreichender Kraft auf diese Oberfläche auftrifft, so dass Spritzer verursacht werden, was oft ein Fließgeräusch mit Dezibel erzeugt.
Die beim Betrieb von Brunnen entstehenden Geräusche und Spritzer sind in vielen Anwendungen unerwünscht. Wenn es sich bei dem Brunnen beispielsweise um eine Tiertränke handelt, können sich durch Spritzer Wasserflecken sowohl innerhalb als auch außerhalb des Brunnens bilden. Die Ansammlung erheblicher Wasserflecken kann zum Wachstum von Bakterien führen, was einer gewünschten sauberen Tränke für Haustiere abträglich ist. Darüber hinaus kann der durch fließendes Wasser verursachte Lärm eine ruhige häusliche Umgebung stören und Ablenkung und Irritation des Tierhalters verursachen. Einige Haustiere trinken auch nur ungern oder nicht bereitwillig aus Spritzwasser. Darüber hinaus sind viele Haustiertränken rund um die Uhr im Betrieb, so dass Geräusche, die mit dem Gerät verbunden sind, die Ruhe des Haustiers und des Tierbesitzers in der Nacht beeinträchtigen können.
Erforderlich ist daher ein verbesserter Brunnen, der in der Lage ist, die mit dem Betrieb eines Brunnens verbundenen Spritzer und Geräusche zu reduzieren.
Erforderlich ist auch ein verbesserter Brunnen, der einer Flüssigkeitssäule, die in dem Brunnen zirkuliert, eine zumindest allgemein laminare Strömung verleiht.
Erforderlich ist ferner ein Verfahren zur Reduzierung von Spritzern und Geräuschen im Zusammenhang mit dem Betrieb eines Brunnens.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein Brunnen bereitgestellt, der ein Becken, einen Wasserhahn und eine Pumpe umfasst. Der Wasserhahn enthält zusätzlich Maßnahmen zur Reduzierung der Geräusche und/oder Spritzer, die während des Betriebs auftreten. Zum Beispiel kann der Brunnen so ausgebildet sein, dass dieser eine laminare Strömung in einer Flüssigkeitssäule induziert, die aus dem Brunnen in das Becken fließt. Die laminare Strömung des Wassers führt zu einem gleichmäßigen Eintritt des Wassers in das Becken und minimiert gleichzeitig Spritzer und Geräusche.
Nach einem Aspekt der Erfindung kann es sich bei dem Brunnen um einen Umlaufbrunnen handeln, bei dem der Wasserhahn am Becken montiert ist. Das Becken umfasst einen Boden und mindestens eine Seitenwand und ist so gestaltet, dass dieses die Flüssigkeit aus dem Wasserhahn aufnimmt. Der Wasserhahn kann sich vom Becken nach oben bis zu einem Scheitelpunkt erstrecken und sich danach nach unten zu einem Auslassende wölben, das eine Austrittsöffnung bildet, die so ausgerichtet ist, dass diese einen vertikalen oder parabolischen Strom in das Innere des Beckens erzeugt.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann eine Hebeleitung von der Pumpe bis zur Austrittsöffnung reichen. So kann die Hebeleitung in ähnlicher Weise mit dem Wasserhahn nach oben bis zu einem Scheitelpunkt verlaufen, wonach diese sich nach unten zur Austrittsöffnung wölbt. Die Flüssigkeit kann mithilfe einer Pumpe durch die Hebeleitung vom Becken bis zum Scheitelpunkt des Auslaufs transportiert werden und dann wieder in das Becken zurückfallen.
In einigen Ausführungen kann die Pumpe Flüssigkeit zum Scheitelpunkt oder zur Spitze des Wasserhahns fördern, woraufhin die Flüssigkeit vom Scheitelpunkt aus der Austrittsöffnung und in das Becken hauptsächlich oder ausschließlich durch Schwerkraft fällt und eine laminare oder halblaminare Säule bildet. Dies kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn die Reynolds-Zahl der Flüssigkeit, die die Austrittsöffnung verlässt, weniger als 4.000 beträgt. Noch bevorzugter ist es, wenn die Reynolds-Zahl der Flüssigkeit, welche die Austrittsöffnung verlässt, weniger als 2.000 beträgt.
Verschiedene Merkmale der Hebeleitung und/oder der Austrittsöffnung können variiert werden, um das gewünschte minimale Geräusch und Spritzen zu erreichen. Zum Beispiel kann der vertikale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Hebeleitung und dem Becken zwischen 10-30 Zentimeter liegen. Alternativ kann der Durchmesser der Hebeleitung variiert werden, zum Beispiel zwischen 5-15 Millimeter. Darüber hinaus kann der Winkel, in dem die Flüssigkeit aus der Austrittsöffnung austritt, variiert werden. Beispielsweise kann die Flüssigkeit aus der Austrittsöffnung in einem Winkel von 0 +/- 75 Grad relativ zur Vertikalen austreten. Die Flüssigkeit kann auch in einer parabolischen Kurve aus der Austrittsöffnung austreten. Andere Parameter können eingestellt und/oder variiert werden, um den Wasserfluss vom Wasserhahn zum Becken zu verändern, einschließlich der Leistung der Pumpe, der Durchflussmenge durch die Pumpe, des Hubs der Pumpe und der Form der Austrittsöffnung.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Brunnen eine geschwindigkeitsreduzierende Struktur enthalten, die sich im Inneren des Brunnens befindet und welche die Geschwindigkeit der Flüssigkeit vor dem Austritt aus der Austrittsöffnung reduziert. Die geschwindigkeitsreduzierende Struktur kann auch Turbulenzen in der Flüssigkeit beim Austritt aus der Austrittsöffnung verringern. Diese geschwindigkeitsreduzierende Struktur kann sich direkt neben der Austrittsöffnung befinden oder diese kann von der Austrittsöffnung in Abstand liegen. In einer Ausführungsform umfasst die geschwindigkeitsreduzierende Struktur ein poröses Element, das aus einer beliebigen Anzahl verschiedener Materialien bestehen kann, die in der Lage sind, Geschwindigkeit und Turbulenzen zu reduzieren, während die Flüssigkeit weiterhin durch sie hindurchfließen kann. Die poröse Struktur könnte zum Beispiel ein Schaumstoffteil, ein Sieb, ein Filter und/oder ein anderes durchlässiges Material sein, das die Flüssigkeit mit einer geeigneten Geschwindigkeit hindurchtreten lässt. Die poröse Struktur kann auch als Filter dienen.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung können ein oder mehrere Filter um den Brunnen herum installiert sein, zum Beispiel an einem Einlass oder einem Auslass der Pumpe.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung eines Umlaufbrunnens vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Zufuhr eine Flüssigkeitsmenge in einem Becken des Brunnens, die Abgabe der Flüssigkeitsmenge an einen Wasserhahn oberhalb des Brunnens und die Rückführung der Flüssigkeitsmenge aus einem Teil des Beckens und in einen anderen Teil des Beckens mithilfe einer Pumpe. Der Wasserhahn wird so betrieben, dass Geräusche und Spritzer minimiert werden. So kann dieser beispielsweise Flüssigkeit aus dem Brunnen in einem Zustand halblaminarer Strömung in das Becken leiten. Die Flüssigkeit kann einem Pumpeneinlass zugeführt werden, wonach diese durch eine Hebeleitung zu einer Austrittsöffnung gepumpt wird. Danach wird die Flüssigkeit aus der Austrittsöffnung in das Becken zurückgeleitet.
Zusätzlich darf die Flüssigkeit nur bis zu einem Scheitelpunkt der Hebeleitung gepumpt werden, wonach diese hauptsächlich oder ausschließlich durch Schwerkraft in das Becken zurückgeführt wird.
Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach Durchsicht der Spezifikation, Ansprüche und Zeichnungen deutlich. Die detaillierte Beschreibung und die Beispiele verbessern das Verständnis der Erfindung, sollen aber nicht den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche einschränken.
Figurenliste
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleichartige Bezugszeichen durchgehend gleichartige Teile bezeichnen, und in denen:

1 eine perspektivische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brunnens in Form eines Umlaufwasserspenders ist;
2 eine Seitenansicht des Brunnens aus 1 ist;
3 eine perspektivische Vorderansicht des Brunnens aus 1 und 2 ist;
4 eine perspektivische Draufsicht einer Variation des Brunnens aus 1-3 ist;
5 eine perspektivische Ansicht des Brunnens aus 4 in auseinandergezogener Perspektive von vorne ist;
6 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Brunnens aus 1 - 5 ist, gezogen durch die Mitte des Brunnens;
7 eine perspektivische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Brunnens in Form eines Umlaufwasserspenders ist;
8 eine perspektivische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Brunnens ist, der in Übereinstimmung mit der Erfindung konstruiert wurde; und
9 eine perspektivische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brunnens ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
Bevor die vorliegenden Materialien und Verfahren beschrieben werden, wird davon ausgegangen, dass diese Erfindung nicht auf die beschriebene Methodik, Protokolle, Materialien und Reagenzien beschränkt ist, da diese variieren können. Es ist auch zu verstehen, dass die hier verwendete Terminologie nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dient und nicht den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung einschränken soll, der nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt wird.
Es ist zu beachten, dass die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, wie sie hier und in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, einen Pluralbezug enthalten, es sei denn, der Kontext diktiert eindeutig etwas anderes. Die Begriffe „ein/eine“, „eine oder mehrere“ und „mindestens eine“ können hier austauschbar verwendet werden. Es ist auch zu beachten, dass die Begriffe „umfassen“, „einschließen“ und „haben“ austauschbar verwendet werden können.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie gemeinhin von einem gewöhnlichen Fachmann auf dem Gebiet des Standes der Technik, zu dem diese Erfindung gehört, verstanden wird. Obwohl alle Verfahren und Materialien, die den hier beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, in der Praxis oder beim Testen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden nun die bevorzugten Verfahren und Materialien beschrieben.
Wie bereits erwähnt, sind viele der hier beschriebenen Konzepte für eine Vielzahl von Brunnen mit unzähligen Anwendungsmöglichkeiten verwendbar. Während der unten beschriebene Brunnen zur Umwälzung von Wasser verwendet wird, ist zu beachten, dass das Wort „Wasser“ in ähnlicher Weise durch eine Vielzahl anderer Flüssigkeiten, einschließlich Öl, Lösungsmittel, Reinigungsmittel usw. ersetzt oder austauschbar verwendet werden kann.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun bestimmte beispielhafte Ausführungsformen dargestellt, in denen der Brunnen einen Tiertränkebrunnen, Bewässerer oder „Brunnen“ umfasst, der so ausgebildet ist, dass dieser ein Tier wie einen Hund oder eine Katze mit Trinkwasser versorgt. Auch hier sind die hier beschriebenen Konzepte auf eine Vielzahl von Brunnen anwendbar, bei denen es sich nicht um Tiertränkebrunnen handelt.
1-6 zeigen einen Umlaufbrunnen 20, der so ausgebildet ist, dass die mit dem Betrieb des Brunnens 20 verbundenen Geräusche und Spritzer minimiert werden, während der natürliche Wasserfluss simuliert wird. Zusätzlich kann der Brunnen 20 so ausgebildet sein, dass dieser eine laminare oder quasi-laminare Strömung in der Wassersäule induziert, die auf das Wasser im Becken auftrifft, um den Aufprall von Tropfen zu minimieren, um die Blasenbildung durch in das Wasser gesaugte Luft zu vermeiden und/oder um durch Blasenausbrüche verursachte Spritzer zu reduzieren. Die laminare Strömung oder quasi-laminare Strömung trägt somit dazu bei, dass das Wasser ohne Reibung in das Becken eindringen kann, während Spritzer reduziert oder sogar vermieden werden.
Die „Reynolds-Zahl“ kann verwendet werden, um zu bestätigen, ob in einem bestimmten System eine laminare Strömung auftritt. Die Reynolds-Zahl ist ein dimensionsloser Wert, der das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften innerhalb einer Flüssigkeit widerspiegelt, die einer relativen inneren Bewegung entlang einer Grenzfläche, wie zum Beispiel dem Inneren eines Rohres, ausgesetzt ist. Die Reynolds-Zahl kann durch die Gleichung Re=v*d/Υ berechnet werden, wobei v die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in Bezug auf die Begrenzungsfläche, d die Strecke, über welche sich die Flüssigkeit entlang der Begrenzungsfläche bewegt, und Υ die kinematische Viskosität der Flüssigkeit ist. In einem System mit gegebenen Abmessungen, in welchem Flüssigkeit (wie Wasser) mit einer gegebenen Geschwindigkeit fließt, steigt die Reynolds-Zahl direkt mit der Geschwindigkeit. Daher gilt: je langsamer die Flüssigkeit strömt, desto laminarer ist die Strömung, wenn alles andere gleich ist. Eine laminare Strömung tritt auf, wenn die Reynolds-Zahl unter 2.000 liegt, während eine halblaminare Strömung auftritt, wenn die Reynolds-Zahl zwischen 2.000-4.000 liegt. Daher hat eine Flüssigkeit, die aus dem Wasserhahn 28 austritt, vorzugsweise eine Reynolds-Zahl von weniger als 4.000, bevorzugter weniger als 3.000, am meisten bevorzugt 2.000 oder weniger.
Der Brunnen 20 kann auch so ausgebildet sein, dass dieser einen Wirbel oder Strudel von Flüssigkeit im Bereich des Auftreffens der Flüssigkeit auf das Wasser im Becken induziert. Es wird davon ausgegangen, dass dieser Wirbel Energie absorbiert, was wiederum dazu beiträgt, die mit dem Brunnen 20 verbundenen Geräusche und Spritzer zu minimieren.
Der Brunnen 20 umfasst ein Becken 22, eine Pumpe 24, eine Hebeleitung 26 und einen Wasserhahn 28. Wie in 1, 2, 4 und 6 gezeigt, kann das Becken 22 sowohl die Pumpe 24 als auch den Wasserhahn 28 aufnehmen. Der Brunnen 20 ist so ausgebildet, dass dieser das Wasser durch den Wasserhahn 28 über die Hebeleitung 26 nach oben hebt und das Wasser in einer zumindest allgemein laminaren Säule, die eine vertikale Säule, eine parabolische Säule oder eine andere Säule sein kann, welche die Geräusche und Spritzer, die durch unregelmäßigen oder turbulenten Wasserfluss verursacht werden, reduziert oder minimiert, zurück in das Becken 22 leitet.
Das Becken 22 kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein, einschließlich spritzgegossenem Kunststoff, Silikon, Keramik, Glas, Bambus, Holz, Metall oder jedem anderen Material. Obwohl das abgebildete Becken 22 aus einem Stück besteht, könnte dieses in ähnlicher Weise aus mehreren Teilen bestehen, die miteinander verbunden sind. Das Becken 22 der 1-6 umfasst einen Boden 30 und eine einzelne, durchgehende Seitenwand 32, die sich um den Boden 30 herum erstreckt und ein im Wesentlichen ovales Becken bildet. Die Höhe der Seitenwand 32 ist hoch genug, damit das Becken 22 eine ausreichende Wassermenge aufnehmen kann, so dass ein Tier aus dem Becken 22 trinken kann. Zum Beispiel sollte die Seitenwand 32 vorzugsweise so hoch sein, dass einem Tier, das aus dem Becken trinkt, mindestens 1 1/2 Zoll und noch bevorzugter mindestens 2 Zoll Wasser zur Verfügung stehen. Wie speziell in 2 zu sehen ist, kann ein Ende der Seitenwand 32 stärker geneigt sein als die anderen Enden. Genauer gesagt, kann das erste oder hintere Ende 34, in dessen Nähe der Wasserhahn 28 montiert ist, steiler sein als die anderen Teile der Seitenwand 32. Dadurch wird der vergeudete Raum zwischen dem ersten Ende 34 und einer hinteren Seite 36 des Wasserhahns 28 minimiert. Darüber hinaus weist ein zweites oder vorderes Ende 38 der Seitenwand 32 im Vergleich zu den anderen Teilen der Seitenwand 32 eine allmählichere Neigung auf. Da die Austrittsöffnung 40 des Wasserhahns 28 dem zweiten Ende 38 zugewandt ist, wie weiter unten beschrieben wird, trägt diese allmählichere Neigung dazu bei, dass der Wasserfluss nach dem Verlassen der Austrittsöffnung 40 und dem Eintritt in das Becken 22 keine signifikanten Spritzer oder Geräusche verursacht. Die Seitenwand 32 kann mit einer Markierung 42 versehen sein, die eine für den normalen Gebrauch gewünschte Mindestwassermenge angibt, die es dem Benutzer ermöglicht, eine ausreichende Wassertiefe im Becken 22 aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass der Brunnen 20 funktionsfähig bleibt. Das Becken 22 kann auch eine verstärkte Lippe 44 aufweisen, die sich um einen oberen Rand 46 des Beckens 22 herum erstreckt. Natürlich kann die spezifische Form und Größe des Beckens 22 von den in den Figuren gezeigten abweichen.
Als nächstes wird der Wasserhahn 28 beschrieben. Obwohl die in den 1-6 gezeigte Ausführungsform einen Wasserhahn 28 zeigt, der eine vom Becken 22 getrennte Komponente ist, ist zu beachten, dass der Wasserhahn und das Becken auch integral hergestellt sein könnten, so dass ein einteiliges Becken und ein Wasserhahn entstehen (nicht abgebildet). Zusätzlich könnte der Wasserhahn in ähnlicher Weise außerhalb des Beckens angeordnet sein, wobei ein oder mehrere Schläuche (nicht abgebildet) Wasser zum Wasserhahn führen, das dann wieder in das Becken zurückgeleitet wird. Der Wasserhahn 28 kann aus einer Reihe verschiedener Materialien hergestellt sein, darunter spritzgegossener Kunststoff, Silikon, Keramik, Glas, Bambus, Holz, Metall oder jedes andere Material. Darüber hinaus kann die spezifische Form und Größe des Wasserhahns 28 von den in den Figuren gezeigten Werten abweichen.
Noch mit Bezug auf 1-6 ist der Wasserhahn 28 der gegenwärtigen Ausführungsform ein zweiteiliger Wasserhahn mit einem vorderen Teil 56 und einem hinteren Teil 58. Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe „vorne“ und „hinten“ etwas willkürlich sind, da der Wasserhahn 28 an verschiedenen Punkten entlang seiner Länge kreisförmig oder eiförmig ist. Die Teile 56 und 58 können durch Zusammenschnappen der beiden Teile 56 und 58 oder durch Kleben, Löten oder anderweitiges Befestigen der beiden Teile aneinander zusammengefügt sein. Natürlich kann der Wasserhahn auch ein einteiliger oder mehrteiliger Wasserhahn sein.
Der Wasserhahn 28 kann ein nach unten gerichteter krummliniger Wasserhahn 28 sein, der eine Basis 48 und eine Vorderwand 50 und eine Rückwand 52 umfasst, die sich von der Basis 48 nach oben zu einem Auslassende 54 mit der darin ausgebildeten Austrittsöffnung 40 erstrecken. An der Basis 48 ist die Rückwand 52 so dimensioniert, dass diese im Wesentlichen den Abmessungen des ersten Endes 34 und des Bodens 30 des Beckens 22 entspricht, so dass der Wasserhahn 28 an der Seitenwand 32 sitzen kann. Ebenfalls am Boden 48 ist in der Vorderwand 50 eine Ansaugöffnung 60 (1) ausgebildet, die vor der Vorderwand 50 in das Innere des Beckens 22 mündet. Diese Öffnung 60 schafft einen Durchgang, durch den Wasser oder eine andere Flüssigkeit unter dem Wasserhahn 28 zu einem Reservoir 62 fließen kann, das sich im Boden 48 des Wasserhahns 28 befindet, wie in 6 zu sehen ist. Unter Bezugnahme auf 1-6 erstrecken sich sowohl die Vorderwand 50 als auch die Rückwand 52 des Wasserhahns 28 nach oben und innen, um den gekrümmten Wasserhahn 28 zu bilden. Die Oberfläche des Querschnitts des Wasserhahns 28 nimmt ab, je weiter sich die Vorderwand 50 und die Rückwand 52 von der Basis 48 aus nach oben und innen erstrecken. Somit ist die Querschnittsfläche des Wasserhahns 28 an der Basis 48 die größte Querschnittsfläche des Wasserhahns 28. Die kleinste Querschnittsfläche des Wasserhahns 28 befindet sich daher an der Austrittsöffnung 40.
Darüber hinaus stellen sowohl die Vorderwand 50 als auch die Rückwand 52 gekrümmte Flächen dar, bei denen der Krummungswinkel über die Länge des Wasserhahns 28 variiert. Bei der Beschreibung der Vorderwand 50 und der Rückwand 52 wird besonders auf 2 hingewiesen, wo eine vordere Richtung als die linke Seite der Figur und eine hintere Richtung als die rechte Seite der Figur definiert ist. Von der Ansaugöffnung 60 aus erstreckt sich die Vorderwand 50 zunächst schräg nach oben und hinten zur Rückwand 52 hin, bevor sich diese nach oben und nach vorne krümmt. Der Neigungswinkel der Vorderwand 50 relativ zur Horizontalen wird kontinuierlich flacher, bis dieser an einer Spitze oder einem Scheitelpunkt 64 einen Winkel von 0 (d.h. horizontal) erreicht. Von der Spitze 64 aus krümmt sich die Vorderwand 50 nach unten und nach vorne. Daher ist der Querschnitt der Vorderwand 50 im Allgemeinen C-förmig. Im Gegensatz dazu erstreckt sich die Rückwand 52 über die gesamte Länge des Wasserhahns 28 nach vorne in Richtung der Vorderwand 50. Anfänglich erstreckt sich die Rückwand 52 hauptsächlich vertikal und leicht nach vorne. Auch hier nimmt der Neigungswinkel zu und wird flacher, je weiter die Rückwand 52 von der Basis 48 nach oben verläuft, bis die Rückwand 52 an der Spitze oder dem Scheitelpunkt 66 einen Winkel von 0 erreicht. Von der Spitze 66 aus krümmt sich die Rückwand 52 nach unten und nach vorne, wobei der Neigungswinkel von den Spitzen 64, 66 bis zum Auslassende 54 für die Rückwand 52 etwas größer ist als für die Vorderwand 50. Infolgedessen ist der Querschnitt der Rückwand 52 hakenförmig. Wegen der allmählich variierenden Neigungswinkel der Vorderwand 50 und der Rückwand 50 ahmt die Form des Wasserhahns 28 im Allgemeinen das Profil eines Schwans mit einem nach unten verlaufenden Schnabel nach. Der Wasserhahn 28 könnte auch verschiedene andere ästhetisch ansprechende Schrägdesigns haben.
Wie weiter unten ausführlicher besprochen wird, können die Abmessungen und die Lage des Wasserhahns 28 und anderer Aspekte des Brunnens 20, einschließlich der linearen Durchflussrate des Wassers aus der Öffnung 40, so eingestellt, kontrolliert und/oder ausgewählt werden, dass sichergestellt ist, dass das Wasser aus der Öffnung 40 in einer allgemein laminaren Säule fließt, die sich von der Öffnung 40 bis zur Wasseroberfläche im Becken 22 erstreckt. Auch diese und möglicherweise weitere Merkmale werden, wie nachstehend näher beschrieben, eingestellt, kontrolliert und/oder ausgewählt, um sicherzustellen, dass das fallende Wasser mit wenig oder gar keinen Spritzern auf die Wasseroberfläche im Becken 22 auftrifft.
Der Wasserhahn 28 ist auf dem Boden 30 des Beckens 22 abgestützt dargestellt. Zum Beispiel kann der Boden 30 des Beckens 22 Erhebungen, Kegel, Pfosten oder andere Vertiefungen aufweisen, welche die gezeigten Sitze 68 zeigen, die helfen, den Wasserhahn 28 an einer geeigneten Stelle um das Becken 22 herum zu platzieren. Die Sitze 68 können so ausgebildet sein, dass diese den Wasserhahn 28 lösbar, aber sicher in Bezug auf das Becken 22 einrasten lassen. Andernfalls kann der Wasserhahn 28 auch Saugnäpfe (nicht abgebildet) oder andere Befestigungsvorrichtungen aufweisen, mit denen der Wasserhahn 28 am Becken 22 befestigt werden kann.
Die Pumpe 24 kann zwischen dem Wasserhahn 28 und dem Becken 22 angeordnet sein. Demzufolge befindet sich die Pumpe 24 im Becken 62. Bei der Pumpe 24 kann es sich um eine beliebige Pumpe handeln, die bei Brunnen mit Umwälzung verwendet wird, wie diese Fachleuten des Standes der Technik bekannt sind. Zum Beispiel könnte eine 5-Volt-, 1-Watt-Gleichstrompumpe verwendet werden. Die Verwendung einer solchen Pumpe würde den erforderlichen Wasserfluss zum Wasserhahn gewährleisten und gleichzeitig die damit verbundene Geräuschentwicklung minimieren. Eine solche Pumpe kann Wasser in der erforderlichen Menge pumpen. Alternativ könnte für höhere Durchflussraten auch eine andere Pumpe, zum Beispiel eine 12-Volt-, 1-Watt-Pumpe, verwendet werden. Natürlich können für verschiedene Anwendungen deutlich unterschiedliche Durchflussraten gewählt werden.
Unter Bezugnahme auf 3 enthält die Pumpe 24 einen Pumpeneinlass 70, der sich vorzugsweise direkt neben dem Boden des Beckens 22 befindet, um die am Pumpeneinlass 70 verfügbare Wassermenge zu maximieren. Die Pumpe 24 enthält auch einen Pumpenauslass 72, der sich vorzugsweise oben an der Pumpe 24 befindet, da das Wasser durch den Wasserhahn 28 nach oben und aus der Auslassöffnung 40 gepumpt wird, die sich am Auslassende 54 des Wasserhahns 28 befindet. Obwohl sich die abgebildete Pumpe 24 innerhalb des Beckens 22 befindet, könnte diese in ähnlicher Weise auch außerhalb des Beckens angeordnet sein, mit einer Versorgungsleitung (nicht abgebildet), die sich vom Becken zum Pumpeneinlass erstreckt, und möglicherweise mit einer Auslassleitung, die sich vom Pumpenauslass zum Wasserhahn 28 erstreckt, wenn sich die Pumpe außerhalb des Wasserhahns 28 befindet.
Der Brunnen 20 kann auch mit einem Filter 74 ausgestattet sein, um Verunreinigungen, die sich im Wasser angesammelt haben, herauszufiltern. Der Filter 74 kann zum Beispiel neben dem Einlass 70 der Pumpe 24 angeordnet oder am Einlass 70 der Pumpe 24 installiert werden. Ein solcher Filter 74 kann ein modularer Filter sein, der an die Pumpe 24 montiert werden kann. Ein Beispiel für diesen Filtertyp wird in US-Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2015/0189862 gezeigt und beschrieben, die hier mit Bezug vollständig aufgenommen ist. Zusätzlich kann ein Vorfilter (nicht abgebildet) vorgesehen sein, der sich vor dem Filter befindet. Der Vorfilter kann ein Siebgitter oder ein Stoffsieb sein, das leicht entfernt, gereinigt und zurückgesetzt werden kann. Zum Beispiel könnte der Vorfilter direkt neben der Ansaugöffnung 60 der Pumpe 24 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zum Einlassfilter 74 kann ein Filter 76 am Pumpenauslass 72 angeordnet sein, was die Grundfläche des Brunnens 20 potenziell minimieren könnte.
Darüber hinaus kann der Brunnen 20 auch eine geschwindigkeitsreduzierende Struktur 78 enthalten, die sich innerhalb des Wasserhahns 28 befindet und die Geschwindigkeit der durchfließenden Flüssigkeiten reduziert. Die geschwindigkeitsreduzierende Struktur 78 könnte überall stromabwärts des Scheitels angeordnet sein, aber bessere Ergebnisse werden beobachtet, wenn die geschwindigkeitsreduzierende Struktur direkt neben der Austrittsöffnung 40 angeordnet ist, so dass das Wasser mit sehr wenig Energie aus dem Auslauf austritt, da der Durchmesser des Wasserstroms an der geschwindigkeitsreduzierenden Struktur größer ist als stromaufwärts dieser Struktur. Die Oberflächenspannung des aus der Austrittsöffnung 40 stromabwärts der geschwindigkeitsreduzierenden Struktur austretenden Stroms bewirkt, dass sich der Durchmesser des Stroms verengt. Das Wasser beschleunigt auch beim Fallen, gewinnt dabei Energie und beginnt die Rotation, die das Spritzen beim Aufprall mit dem Wasser im Becken reduziert.
In der abgebildeten Ausführungsform umfasst die geschwindigkeitsreduzierende Struktur ein poröses Element 78, das sich neben der Austrittsöffnung 40 befindet. Das poröse Element 78 kann praktisch jedes Material enthalten, das Flüssigkeit mit einer begrenzten Geschwindigkeit hindurchströmen lässt, einschließlich Schaumstoff, Siebe, Filter und alle anderen durchlässigen Materialien, die den Fachleuten des Standes der Technik bekannt sind. Die Dichte des porösen Elements 78 kann auf der Grundlage der Fließeigenschaften eines bestimmten Wasserhahns 28 ausgewählt werden. Zum Beispiel können Wasserhahndesigns, die ohne das poröse Element relativ starke Turbulenzen an der Austrittsöffnung 40 aufweisen würden, mit einem porösen Element geliefert werden, das eine höhere Dichte hat als ein poröses Element, das für Wasserhahndesigns geliefert wird, die ansonsten geringere Turbulenzen aufweisen würden. Natürlich können einige Designs von Wasserhähnen strukturell und betrieblich so ausgebildet sein, dass die gewünschten Strömungseigenschaften ohne ein poröses Element oder eine andere geschwindigkeitsreduzierende Struktur in dem Wasserhahn erreicht werden.
Der Wasserfluss durch die Hebeleitung 26 und durch das poröse Element 78 wird nun beschrieben.
In vielen der abgebildeten Ausführungsformen befindet sich die Austrittsöffnung 40 auf einer niedrigeren Höhe als die Höhe eines Scheitelpunkts 80 der Hebeleitung 26 zwischen den Scheitelpunkten 64, 66 der Vorderwand 50 und der Rückwand 52. Sobald das Wasser den Scheitelpunkt 80 der Hebeleitung 26 erreicht, beginnt dieses, nach unten in Richtung der Austrittsöffnung 40 zu fallen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Flüssigkeit, sobald diese den Scheitelpunkt 80 erreicht hat, eine minimale bis gar keine Geschwindigkeit. Infolgedessen wird die Flüssigkeit von dem Scheitelpunkt 80 zur Austrittsöffnung 40 und in das Becken 22 bewegt. In anderen Ausführungsformen kann das Wasser, das sich der Austrittsöffnung 40 nähert, aufgrund der Kombination der Pumpkraft der Pumpe 24 sowie der Gravitationskräfte, die auf das Wasser wirken, während dieses zur Austrittsöffnung 40 fällt, eine signifikante Geschwindigkeit und/oder turbulente Kräfte aufweisen. Diese können durch andere Faktoren noch verstärkt werden, einschließlich der Reibung zwischen dem Wasser und der Hebeleitung 26, des Winkels des tangentialen Flusses, Schwankungen im Durchmesser der Hebeleitung 26 und anderer Faktoren. Das poröse Element 78 kann dazu beitragen, diese turbulenten Kräfte, die auf das Wasser wirken, bevor dieses aus der Austrittsöffnung 40 austritt, zu beseitigen, indem dieses das Herunterfallen des Wassers aus der Austrittsöffnung 40 stoppt oder verlangsamt, was wiederum diese turbulenten Kräfte minimieren oder aufheben kann, so dass diese nicht fortbestehen, wenn das Wasser die Austrittsöffnung verlässt.
Wie der Wasserhahn 28 ist die Pumpe 24 auf dem Boden 30 des Beckens 22 abgestützt dargestellt. Auch hier kann der Boden 30 des Beckens 22 Erhebungen, Sitze oder andere Vertiefungen (nicht dargestellt) aufweisen, die bei der Lokalisierung der Pumpe 24 an der entsprechenden Stelle helfen. Die Sitze können so ausgebildet sein, dass diese die Pumpe 24 lösbar, aber sicher in Bezug auf das Becken 22 einrasten lassen. Andernfalls kann die Pumpe 24 am Boden des Beckens 22 mit Saugnäpfen (nicht abgebildet) oder anderen Befestigungsvorrichtungen befestigt sein. Darüber hinaus kann die Pumpe 24 allein aufgrund ihrer Lage zwischen dem Becken 22 und dem Wasserhahn 28 an ihrem Platz bleiben. Zusätzlich kann das Becken 22 über einen Kanal oder eine Rinne 82 verfügen, der/die sich unter oder neben dem Reservoir 62 für ein mit der Pumpe 24 verbundenes Netzkabel (nicht abgebildet) befindet. Dieser Kanal 82 kann auch dazu beitragen, die Pumpe 24 in Bezug auf das Becken 22 zu positionieren und/oder zu sichern.
Unter Bezugnahme auf 3 leitet die Hebeleitung 26 Wasser von der Pumpe 24 durch den Wasserhahn 28. Auch hier umfasst der Begriff „Hebeleitung“, wie dieser hier verwendet wird, jede Kombination von Schläuchen, Leitungen, Rohren, internen Durchgängen oder anderen Strukturen, durch die Wasser von der Pumpe 24 zum Auslass des Wasserhahns 28 geleitet wird. Die abgebildete Hebeleitung 26 ist ein Rohr, das sich in einem internen Kanal im Wasserhahn 28 befindet. Die Hebeleitung 26 erstreckt sich vom Pumpenauslass 72 über die Länge des Wasserhahns 28 bis zum Scheitelpunkt 80 der Leitung, danach verläuft dieser nach unten und endet in der Austrittsöffnung 40. Wie gezeigt, ist die Hebeleitung 26 im Wesentlichen hakenförmig. Der Hebeleitung 26 kann eine separate Komponente sein, die am Wasserhahn 28 installiert ist, oder diese kann darin ausgebildet sein. Wie gezeigt, wird die Hebeleitung 26 relativ zum Wasserhahn 28 durch eine Halterung 84 gesichert, die von der Vorderwand 50 ausgeht. Der Wasserhahn 28 kann, falls erforderlich, zusätzliche Stützen enthalten, um die Hebeleitung 26 an ihrem Platz zu befestigen. Um die Installation zu vereinfachen, kann die Hebeleitung 26 ein flexibler Schlauch sein, der leicht manipuliert werden kann, um diesen auszurichten und fest mit dem Pumpenauslass 72 und dem Auslassende des Wasserhahns 28 zu verbinden. Alternativ kann die Hebeleitung 26 fest oder verstellbar sein.
Im Betrieb wird zunächst Wasser in das Becken 22 eingefüllt. Eine Wassermenge fließt durch die im Wasserhahn 28 gebildete Ansaugöffnung 60 zurück. Die Wassermenge sammelt sich dann im Reservoir 62, bevor diese in den Pumpeneinlass 70 gelangt. Nachdem das Wasser in die Pumpe 24 eingesaugt und aus dem Pumpenauslass 72 in die Hebeleitung 26 gepumpt wurde, wird dieses durch den Wasserhahn 28 transportiert. Sobald das Wasser das Ende der Hebeleitung 26 erreicht hat, fließt dieses über den Scheitelpunkt oder die Spitze 80, bevor dieses zumindest zu einem wesentlichen Teil aufgrund der Schwerkraft fällt, bevor dieses die Austrittsöffnung 40 in Form einer laminar fließenden Säule verlässt. Natürlich würde das Wasser auch durch das Schaumelement 78 fließen, wenn dieses sich im Hebeleitung 26 befindet, bevor dieses aus der Austrittsöffnung 40 austritt.
Wie oben erwähnt, ist die Fähigkeit, einen laminaren oder quasilaminaren Fluss aus der Austrittsöffnung 40 zu erreichen, bei einer gegebenen physikalischen Konstruktion des Wasserhahns maximal, wenn die Förderhöhe der Pumpe so gewählt ist, dass das Wasser beim Erreichen des Scheitelpunkts 80 der Hebeleitung 26 hauptsächlich oder ausschließlich durch Schwerkraft fließt. Abhängig von der spezifischen Wasserhahnkonstruktion eine laminare Strömung teilweise auch dadurch erreicht werden, dass das Wasser vor dem Austritt aus der Austrittsöffnung 40 durch das Schaumelement 78 hindurchfließt. Dies wiederum trägt dazu bei, die erwünschten Fließeigenschaften zu gewährleisten, um die Geräusche und Spritzer zu minimieren, die mit der Wasserabgabe in das Becken 22 verbunden sind. Abhängig von der Ausrichtung der Öffnung 40 relativ zur Vertikalen kann die Wassersäule, die aus der Austrittsöffnung 40 austritt, vertikal nach unten oder in einer parabolischen Kurve verlaufen.
Eine ähnliche Ausführungsform des Brunnens 120 ist in 7 dargestellt. Viele der oben beschriebenen Merkmale sind ähnlich, wenn nicht sogar identisch mit den oben beschriebenen. Diese Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie die Komponenten des Brunnens 20 der 1-6, erhöht um 100. Ein Hauptunterschied in dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Wasserhahn 128 nicht auf dem Boden 130 des Beckens 122 abgestützt ist, sondern entweder auf dem Boden 130 des Beckens 122 ruht oder mit einem äußeren Rand 186 des Beckens 122 gebildet wird. Zusätzlich befindet sich ein verlängerter Rand 188 des Beckens 122 direkt neben dem Wasserhahn 128. Darüber hinaus wird das Reservoir 162 zwischen dem verlängerten Rand 188, der Seitenwand 132 und dem Boden 130 des Beckens 122 gebildet. Der verlängerte Rand 188 kann die darunterliegende Pumpe (nicht abgebildet) abdecken, um das ästhetische Erscheinungsbild zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, kann eine kleinere Pumpe als die oben beschriebene 5-Volt-, 1-Watt-Gleichstrompumpe wünschenswert sein. Zusätzlich ist das Auslassende 154 des Wasserhahns 128 viel weniger geneigt als das in 1-6 gezeigte Auslassende 54. Infolgedessen tritt das Wasser aus der Austrittsöffnung 140 näher an der Horizontalen aus, bevor dieses in das Becken 122 eintritt.
Als nächstes zu 8 kommend wird eine weitere Ausführungsform des Brunnens 220 gezeigt, wobei die gleichen Bezugszeichen in 1-6 um 200 erhöht verwendet werden. Diese Ausführungsform zeigt einen Brunnen 220, bei dem das Becken 222 und der Wasserhahn 228 integral ausgebildet sind. Zusätzlich enthält das Becken 222 in dieser Ausführungsform eine obere Wand 290 mit einem Abfluss 292, der über dem Boden 230 liegt, so dass sich das Reservoir 262 tatsächlich zwischen der oberen Wand 278 und dem Boden 230 des Beckens 222 befindet. Auch die spezifische Form des Wasserhahns 228 und insbesondere die Lage und Neigung der Austrittsöffnung 240 führen dazu, dass das Wasser aus der Austrittsöffnung 240 im Wesentlichen horizontal austritt. Daher ist dieser Wasserhahn 228 nicht nach unten gerichtet. Dennoch treten minimale Geräusche oder Spritzer auf, wenn das Wasser das Becken 222 erreicht. Auch dies kann aufgrund einer laminaren oder halb-laminaren Strömung auftreten, wenn das Wasser das Becken 222 erreicht, oder dieses kann aufgrund anderer Faktoren auftreten, einschließlich der spezifischen Lage und Form der oberen Wand 290 und des Abflusses 280.
Eine weitere Ausführungsform des Brunnens 320 ist in 9 dargestellt, in welcher die gleichen Bezugszeichen wie in 1-6 verwendet werden, jedoch um 300 erhöht. Dieser Brunnen 320 umfasst einen zweiten Wasserhahn 328, wobei ein erstes Teil 394 des Wasserhahns 328 mit dem Becken 322 und ein zweites Teil 396, das sich an der Rückseite des Wasserhahns 328 befindet, gebildet wird. Wie gezeigt, besteht das zweite Teil 396 aus einem anderen Material als das erste Teil 394, zum Beispiel aus einem im Wesentlichen durchscheinenden Material, so dass das Reservoir 362 beobachtet werden kann. Wie bei der vorherigen Ausführungsform führen die spezifische Form des Wasserhahns 328 und insbesondere die Lage und die Neigung der Austrittsöffnung 340 dazu, dass das Wasser aus der Austrittsöffnung 340 im Wesentlichen horizontal austritt. Vorzugsweise führt dies zu einem laminaren oder halb-laminaren Wasserfluss von der Austrittsöffnung 340 in das Becken 322, um das Geräusch und das Spritzen zu minimieren, sobald das Wasser in das Becken eintritt.
Die Hauptkomponenten der verschiedenen Ausführungsformen des Brunnens 20 wurden beschrieben. Im Folgenden wird nun eine Reihe verschiedener Variationen von Brunnenmerkmalen und -eigenschaften beschrieben, zusammen mit einer Erklärung der Auswirkung dieser Variationen auf die Fließeigenschaften und einigen möglichen Gründen für diese Effekte. Zu diesen verschiedenen Strömungseigenschaften können unter anderem gehören, sind aber keineswegs beschränkt darauf: Flüssigkeitsströmung mit minimalen Geräuschen, Flüssigkeitsströmung mit minimalen Spritzern, laminare Strömung der Flüssigkeit, Flüssigkeitsströmung, die zu einem Whirlpool oder Wirbel in der Flüssigkeitssäule und/oder innerhalb des Beckens führt, und Flüssigkeitsströmung, die die Turbulenzen im Wasser minimiert.
Zusätzlich zu dem in den Figuren gezeigten Wasserhahndesign können der spezifische Winkel oder die Neigung des Wasserhahns 28 und, was noch wichtiger ist, das Auslassende 54 des Wasserhahns 28 eingestellt und/oder variiert werden. Aufgrund dieser Variationen kann der Wasserhahn 28 Wasser aus der Austrittsöffnung 40 in verschiedenen Winkeln ausgeben, um unterschiedliche Fließeigenschaften zu erzielen oder den Flüssigkeitsstrom zu optimieren. Zum Beispiel ist, wie gezeigt, die Austrittsöffnung 40 in einem Winkel von etwa 30 Grad relativ zur Vertikalen ausgerichtet. Neigungen von 0 bis 75 Grad, und typischerweise von 5 bis 45 Grad, relativ zur Vertikalen sind durchaus möglich. Tatsächlich ist es denkbar, dass die Austrittsöffnung auf praktisch jede beliebige Stelle gerichtet sein kann, auch auf oder über die Horizontale hinaus. Die laminare Strömung wird jedoch leichter durch die Einwirkung von Gravitationskräften über die Breite des Strahls gestört, wenn die Neigung sich der Horizontalen nähert oder diese übersteigt. Der Winkel der Austrittsöffnung 40 kann auch in Abhängigkeit von der Neigung der Seitenwand 32 des Beckens 22 gegenüber der Austrittsöffnung 40 gewählt werden. In ähnlicher Weise kann die Austrittsöffnung 40 in Richtung einer Seite des Beckens 22 oder der anderen Seite des Beckens abgewinkelt sein.
Wenn die Austrittsöffnung 40 zur linken Seite des Beckens 22 hin geneigt ist, kann ein Wirbel- oder Whirlpool-Effekt im Uhrzeigersinn auftreten. Umgekehrt, wenn die Austrittsöffnung 40 zur rechten Seite des Beckens 22 geneigt ist, kann ein Wirbel- oder Whirlpool-Effekt im Gegenuhrzeigersinn auftreten. Der Coriolis-Effekt hat auch die Tendenz, einen Wirbel im fallenden Flüssigkeitsstrom zu induzieren. In beiden Fällen wird davon ausgegangen, dass der Wirbel Energie absorbiert, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Spritzern verringert wird.
Ein weiterer Aspekt, der eingestellt, kontrolliert und/oder variiert werden könnte, um unterschiedliche Fließeigenschaften zu erreichen, ist die „Fallstrecke“ des Strahls oder der vertikale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt des Auslaufs und der Wasseroberfläche im Becken oder, auf andere Weise gemessen, zwischen dem Scheitelpunkt des Auslaufs und dem Boden 30 des Beckens 22. Je größer dieser Abstand ist, desto größer ist die Geschwindigkeit des Wassers beim Aufprall auf die Oberfläche des im Becken 22 enthaltenen Wassers und desto größer ist die Aufprallkraft beim Aufprall. Es wird angenommen, dass es zu Spritzern kommen kann, wenn die Geschwindigkeit und die resultierende Aufprallkraft hoch genug sind, um dem auftreffenden Wasser Turbulenzen zu verleihen. Andererseits sollten die Geschwindigkeit und die resultierende Aufprallkraft idealerweise hoch genug sein, um die Oberflächenspannung beim Aufprall zu brechen. Unter der Annahme, dass die Geschwindigkeit in erster Linie oder ausschließlich eine Funktion der Schwerkraft ist, erfordern diese Überlegungen, dass der Scheitelpunkt des Wasserhahns in einem bestimmten Höhenbereich über der Wasseroberfläche im Becken 22 und/oder über dem Boden des Beckens gehalten wird (alles andere ist gleich).
Eine Theorie über die Ursache von Spritzern beim Aufprall von Wassertropfen auf eine Oberfläche bezieht sich auf den „Tropfenaufprall“, der am Aufprallpunkt einen „Wirbelring“ induzieren kann. Man nimmt an, dass die Eindringkraft eines Wirbelrings eine Funktion der „Weber-Zahl“ des Stroms ist, die einen dimensionslosen Parameter darstellt, der die Oberflächenspannung und die kinetische Energie des fallenden Wassers widerspiegelt. Die Weber-Zahl kann mit der Formel W=ρDU²/Υ bestimmt werden, wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit, D der Durchmesser der Flüssigkeitssäule, U die relative Eintrittsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsdampfes in die Flüssigkeitsoberfläche und Υ der Oberflächenspannungskoeffizient von Wasser im Becken 22 ist. Es hat sich gezeigt, dass, wenn die Weber-Zahl unter einem kritischen Wert liegt, der von der auftreffenden Säule erzeugte Wirbelring in das Wasser eindringt und kein Spritzen verursacht. Andererseits dringt der Wirbelring nicht in das Wasser ein, sondern wird hochgezogen und erzeugt einen starken Flüssigkeitsstrahl, der einen Spritzer erzeugt, wenn die Weber-Zahl höher als der kritische Wert ist. Dieser Wert wurde mit 100 und, was noch typischer ist, mit etwa 80 in den gegenwärtigen Ausführungsformen bestimmt.
Die Weber-Zahl einer Wassersäule ist direkt abhängig von der Geschwindigkeit des fallenden Wassers in der Ebene des Auftreffens auf das Wasser im Becken. Wie oben erwähnt, hängt die Flüssigkeitsgeschwindigkeit am Auftreffpunkt von der Fallstrecke des Wasserstroms oder der Entfernung vom Scheitelpunkt des Wasserhahns zur Wasseroberfläche im Becken 22 ab. Daher gilt: Je größer der vertikale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt des Wasserhahns und dem Becken 22 ist, desto größer ist die Weber-Zahl und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Spritzern kommt.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde festgestellt, dass günstige Ergebnisse erzielt werden, wenn der vertikale Abstand zwischen der Spitze des Wasserhahns und der Wasseroberfläche im Becken 22 6-10 Zoll (180 bis 250 mm) und typischerweise 8,0 Zoll (200 mm) beträgt. Etwas anders ausgedrückt, beträgt der vertikale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt des Wasserhahns und dem Boden 30 des Beckens 22 der vorliegenden Ausführungsform typischerweise zwischen 200 und 300 mm (8-12 Inch) und typischerweise etwa 250 mm (9-10 Inch).
In ähnlicher Weise gilt: Je größer der Durchmesser der Flüssigkeitssäule ist, desto größer ist die Weber-Zahl und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Spritzern kommt. Die Größe der Flüssigkeitssäule ist weitgehend eine Funktion des Durchmessers der Austrittsöffnung 40. Daher kann der Durchmesser der Öffnung 40, bestimmt durch den Innendurchmesser der Hebeleitung 26, bei ansonsten gleichen Bedingungen so niedrig eingestellt werden, dass Spritzer minimiert oder verhindert werden. Wie oben erwähnt, kann der Innendurchmesser des stromabwärtigen Endes der Hebeleitung 26 der hier offenbarten Ausführungsformen zwischen 5-15 Millimeter und typischerweise etwa 9-10 Millimeter betragen.
Auch die volumetrische Wasserdurchflussrate durch die Pumpe 24, durch die Hebeleitung 26 und aus der Austrittsöffnung 40 hindurch könnte eingestellt, kontrolliert und/oder variiert werden. Zusätzlich zur Auswahl der Förderhöhe der Pumpe, wie oben beschrieben, könnte auch der Quelldruck durch die Pumpe 24, durch die Hebeleitung 26 und aus der Austrittsöffnung 40 hinaus eingestellt, kontrolliert und/oder variiert werden.
Darüber hinaus können die Fließeigenschaften des Brunnens 20 auf der Grundlage der Eigenschaften der Hebeleitung 26, die das Wasser von der Pumpe 24 durch den Wasserhahn 28 und aus der Austrittsöffnung 40 heraus transportiert, eingestellt und/oder variiert werden. Zum Beispiel kann zusätzlich zur Auswahl des Durchmessers der Hebeleitung 26, wie oben beschrieben, die Länge der Hebeleitung 26 vom Pumpenauslass 72 bis zur Austrittsöffnung 40 so gewählt sein, dass der Durchfluss beeinflusst wird, indem die Druckverluste gewählt werden, die durch den Flüssigkeitsstrom durch die Hebeleitung entstehen. Darüber hinaus kann das Material der Hebeleitung 26 und insbesondere die Härte und/oder Glätte der Hebeleitung 26 die Fließeigenschaften beeinflussen.
Eine weitere Möglichkeit, die gewünschten Fließeigenschaften durch den Brunnen 20 zu erreichen, ist der Einbau eines Belüfters (nicht abgebildet) in den Brunnen. Obwohl ein Belüfter nicht erforderlich ist, trägt dieser dazu bei, Luft mit dem gepumpten Wasser zu vermischen, wodurch die Form des Wasserstroms verändert wird. Der Belüfter kann sich neben der Pumpe 24, im Inneren der Hebeleitung 26 oder im Wasserhahn 28 befinden. Da dem resultierenden Wassergemisch, das aus dem Belüfter austritt, Luft beigemischt wird, wird die Menge an Spritzern, die durch das in das Becken 22 fallende Wasser verursacht wird, minimiert. Man geht davon aus, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Luft dem herabfallenden Wasser als Polster dient. In einer Ausführungsform könnte der Belüfter ein Kunststoffbelüfter sein. Der Kunststoffbelüfter könnte einen Schwamm oder ein anderes ähnliches Material enthalten. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Schwamms als Belüfter besteht darin, dass der Schwamm als sekundärer Einwegfilter fungieren kann.
Auch die Eigenschaften des Beckens 22 könnten ausgewählt werden, um unterschiedliche Strömungsmuster zu erreichen. Zum Beispiel könnte sich die Gesamtform des Beckens 22 von den abgebildeten Ausführungsformen unterscheiden. In ähnlicher Weise könnten auch die Höhe und die Neigung der Seitenwand 32 oder der Seitenwände von den gezeigten Ausführungsformen abweichen. Obwohl das in den 1-6 dargestellte Becken 22 einen Boden 30 aufweist, der im Wesentlichen flach ist, könnte die spezifische Neigung des Bodens 30 variiert werden. Zudem könnten der Boden 30 und/oder die Seitenwände 32 verschiedene Texturen haben, um unterschiedliche Fließeigenschaften zu induzieren. Die für die Herstellung des Beckens 22 verwendeten Materialien können ebenfalls ausgewählt werden, um unterschiedliche Ergebnisse zu erzielen, sowie alle Oberflächenbehandlungen, die darauf angewandt werden könnten. Darüber hinaus könnte auch die minimal gewünschte Tiefe des im Becken 22 enthaltenen Wassers variiert werden.
Auch wenn spezifische Materialien nicht diskutiert wurden, ist anzumerken, dass die verschiedenen Komponenten aus allen geeigneten, dauerhaften Materialien hergestellt werden könnten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Kunststoff, Edelstahl, andere Metalle, Glas und dergleichen.
Weitere Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Spezifikation und der Praxis der hier offen gelegten Erfindung. Es wird davon ausgegangen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen Materialien, Verfahren, Formulierungen, Betriebs- sowie Prüfbedingungen usw., die hier dargestellt und beschrieben sind, beschränkt ist, sondern auch solche modifizierten Formen davon umfasst, die in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/626983 [0001]

Claims

Umlaufbrunnen, der eine Flüssigkeitssäule erzeugt, mit: einem Becken; einem Wasserhahn mit einer in das Becken gerichteten Austrittsöffnung; und einer Pumpe in Flüssigkeitsverbindung mit dem Becken und dem Wasserhahn; wobei der Brunnen strukturell und betriebsfähig so ausgebildet ist, dass Flüssigkeit von einer Auslassöffnung des Hahns als eine zumindest allgemein laminare Säule in das Becken fällt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 1, in welchem das Becken ferner einen Boden und wenigstens eine Seitenwand umfasst; wobei das Becken so ausgebildet ist, dass dieses eine Flüssigkeitsmenge aufnimmt; wobei der Wasserhahn in dem Becken angebracht ist und sich von dem Boden des Beckens zu einem Auslassende mit der Austrittsöffnung erstreckt, wobei der Wasserhahn einen oberhalb der Austrittsöffnung liegenden Scheitelpunkt aufweist; und wobei die Pumpe so ausgebildet ist, dass diese Flüssigkeit von dem Becken zum Scheitelpunkt des Wasserhahns pumpt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 2, ferner mit einem Hebeleitung, die innerhalb des Wasserhahns aufgenommen ist und sich von der Pumpe zur Austrittsöffnung erstreckt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 1, in welchem der Brunnen strukturell und betriebsfähig derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit von dem Scheitelpunkt aus wenigstens primär durch Schwerkraft aus der Austrittsöffnung und in das Becken fällt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 1, in welchem der vertikale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt und dem Becken zwischen 10-30 Zentimeter beträgt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 5, in welchem der Durchmesser der Hebeleitung zwischen 5-15 Millimeter beträgt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 1, in welchem die Flüssigkeitsmenge die Austrittsöffnung in einem Winkel von 0 +/- 75 Grad in Bezug zu der Vertikalen verlässt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 1, in welchem der Wasserhahn strukturell und betriebsfähig derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit von dem Wasserhahn in einer parabolischen Kurve in das Becken fällt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 1, ferner mit einer geschwindigkeitsreduzierenden Struktur, die innerhalb des Wasserhahns zwischen dem Scheitelpunkt und der Austrittsöffnung angeordnet ist; wobei die geschwindigkeitsreduzierende Struktur so ausgebildet ist, dass diese die Geschwindigkeit der Flüssigkeit reduziert, bevor die Flüssigkeit die Austrittsöffnung verlässt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 9, in welchem die geschwindigkeitsreduzierende Struktur ein poröses Element umfasst.
Verfahren zum Verwenden eines Umlaufbrunnens mit den Schritten: Zuführen einer Flüssigkeitsmenge zu einem Becken des Brunnens; Liefern der Flüssigkeitsmenge an einen oberhalb des Beckens angeordneten Wasserhahn; Pumpen der Flüssigkeit nach oben zu einem Scheitelpunkt eines Wasserhahns; Lenken der Flüssigkeit, so dass diese wenigstens von dem Scheitelpunkt des Wasserhahns zur Austrittsöffnung des Wasserhahns primär durch Schwerkraft nach unten fließt; und Lenken der Flüssigkeit, so dass diese in einer wenigstens im Allgemeinen laminaren Strömung von der Austrittsöffnung des Wasserhahns zum Becken fließt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit einem Induzieren eines Wirbels in dem Strom in der Nähe eines Aufprallbereichs des Stroms und der Flüssigkeit im Becken.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Liefern einer Flüssigkeitsmenge an einen Pumpeneinlass; Pumpen der Flüssigkeitsmenge durch eine Hebeleitung in Richtung einer Austrittsöffnung; und Zurückführen der Flüssigkeitsmenge aus der Austrittsöffnung in das Becken.
Verfahren nach Anspruch 11, in welchem der Schritt des Pumpens bei einer volumetrischen Flussrate zwischen 0,5 und 5,0 l/min erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, in welchem der Schritt des Pumpens bei einer volumetrischen Flussrate zwischen 1,2 und 2,0 l/min erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Lenken einer Flüssigkeitsmenge von dem Scheitelpunkt des Wasserhahns aus und durch und/oder vorbei an einer geschwindigkeitsreduzierenden Struktur, die in dem Wasserhahn zwischen dem Scheitelpunkt und der Austrittsöffnung angeordnet ist; und Reduzieren der Geschwindigkeit der Flüssigkeitsmenge, während diese durch die geschwindigkeitsreduzierende Struktur hindurchfließt.
Verfahren nach Anspruch 16, in welchem die Geschwindigkeit reduzierende Struktur ein poröses Element umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt: Lenken der Flüssigkeitsmenge aus der Austrittsöffnung in einem Winkel von weniger als 0 +/- 75 Grad in Bezug zur Vertikalen.
Verfahren nach Anspruch 11, in welchem die Flüssigkeit von dem Wasserhahn in einer parabolischen Kurve in das Becken fällt.
Verfahren nach Anspruch 11, in welchem eine die Auslassöffnung des Wasserhahns verlassende Flüssigkeit eine Reynolds-Zahl von weniger als 4.000 hat.
Verfahren nach Anspruch 20, in welchem eine die Auslassöffnung des Wasserhahns verlassende Flüssigkeit eine Reynolds-Zahl von weniger als 2.000 hat.
Umlaufbrunnen, mit: einem Becken; einem krummlinigen Wasserhahn mit einem Scheitelpunkt und einer Austrittsöffnung, die unterhalb des Scheitelpunkts und oberhalb des Beckens liegt; einer Pumpe in Flüssigkeitskommunikation mit dem Becken und dem Wasserhahn; und einer Hebeleitung, die sich von einem Pumpenauslass zum Scheitelpunkt des Wasserhahns nach oben und dann zur Austrittsöffnung nach unten erstreckt; wobei der Wasserhahn strukturell und betriebsfähig derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit von der Austrittsöffnung zum Becken mit einer Reynolds-Zahl von weniger als 4.000 fällt, um wenigstens einen halb-laminaren Fluss der Flüssigkeit zu induzieren.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 22, in welchem der Wasserhahn strukturell und betriebsfähig derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit von der Austrittsöffnung zum Becken mit einer Reynolds-Zahl von weniger als 2.000 fällt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 22, in welchem sich die Hebeleitung im Wesentlichen horizontal zur Austrittsöffnung erstreckt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 22, in welchem sich die Hebeleitung in einem Winkel zwischen 30-60 Grad relativ zur Vertikalen der Austrittsöffnung erstreckt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 22, in welchem der Wasserhahn strukturell und betriebsfähig derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit aus dem Wasserhahn in das Becken in einer parabolischen Kurve fällt.
Umlaufbrunnen nach Anspruch 22, ferner mit: einem porösen Element, das innerhalb der Hebeleitung unterhalb des Scheitelpunkts des Wasserhahns angebracht ist.