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Die Erfindung auf die sich diese Beschreibung gehört nach dem Einsatzgebiet zur Wasserversorgung und ist dem Bereich Maschinen-Maschinenelemente-Ventile zu zuordnen. Der Einsatz kann darüber hinaus auch in der Industrie, der Landwirtschaft, der Gastronomie oder im öffentlichen Versorgungsbereich erfolgen.
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Zweck und Aufgabe dieser Erfindung ist es ein Schwimmerventil zu schaffen mit dem es möglich ist aus einem geringfügig höher liegenden, kleinen, externen Zwischenbehälter heraus, mit einem Ventilanschlussdruck der sich nur aus dem statischen Druck vom Zwischenbehälter zum Spülkasten ergibt, die Vollbefüllung eines Spülkastens in kurzer Zeit sicher zu stellen. Der Zwischenbehälter wird rangfolgeorientiert mit Wasser unterschiedlicher Qualität durch mehrere Schwimmerventile befüllt und verbindet den Auslauf vom Zwischenbehälter mit dem Zulauf zu diesem Ventil. Während der Befüllung nach ausgelöster Vollspülung soll der Ventilverschluss voll geöffnet sein und es soll erst kurz vor der vorbestimmten Füllstandshöhe zu einem schnellen Ventilverschluss kommen, wobei die Auswirkung einer schnellen Auftriebsbewegung des Schwimmen auf den Verschluss, durch die Erhöhung des gegen die Schließrichtung des Schwimmers gerichteten Strömungswiderstandes, abgemildert wird. Gleichzeitig soll damit die negative Wirkung einer allmählichen Querschnittsverengung am Verschluss hinsichtlich der resultierenden Erhöhung des Strömungswiderstandes und der damit verbundenen Reduzierung des Volumenstromes, nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille, weitestgehend verhindert werden.
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Ziel dieser Erfindung ist es also ein Schwimmerventil konstruktiv so zu gestalten, das es in der Lage ist bei einem relativ gleich bleibenden konstant niedrigen Druck einen nahezu konstanten Volumenstrom von mindestens 0,15 l/s, während der gesamten Dauer einer Vollbefüllung, zu gewährleisten. Es soll eine möglichst optimale Auftriebswirkung erzielt werden und ein Einsatz auch in jedem Unterputz-Spülkasten ermöglichen. Die Herstellung soll einfach und kostengünstig sein.
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Weiterhin soll mit dieser Erfindung eine energiesparende Befüllung von Speicherbehältern mit niedrigem Anschlussdruck ermöglicht werden, ohne dass es zu einer Einschränkung hinsichtlich des Füllkomforts oder des Volumenstromes kommt.
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Nach dem bisherigen Stand der Technik werden in der Praxis ausschließlich membrangestützte Schwimmerventile zur Befüllung von Spülkästen in den unterschiedlichsten Ausführungen verwendet. Bei dauerhaften, niedrigen oder sehr niedrigen Anschlussdrücken von beispielsweise unter 0,1 bar sind diese Ventile nicht mehr in der Lage eine akzeptable Füllzeit zu gewährleisten oder überhaupt einen Verschluss zu bewirken. Auch bei anderen so genanten offenen Ventilsystemen erfolgt die Auftriebsbewegung des Schwimmers immer kontinuierlich mit dem Wasserstandsanstieg oder es sind zur Unterbrechung der Auftriebsbewegung umständliche und komplizierte Haltevorrichtungen oder zusätzliche Gegengewichte erforderlich.
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Mit dieser Erfindung wird die durch die Anordnung des Schwimmen entstandene Verlagerung der Drehmomente beim Wasserstandsanstieg genutzt, um die Auftriebsbewegung des Schwimmers zu unterbrechen und einen schnelleren Verschluss zu erzielen, wodurch die nachteiligen Wirkungen auf den Volumenstrom minimiert werden, vor allem bei größeren Rohrquerschnitten und niedrigen Anschlussdrücken.
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Der Schwimmer (10) und die mit ihm fest verbundenen Bauelemente (8) und (9) und der Dichtungsteil von (14) verändern ihre Position ohne eine zusätzliche Haltevorrichtung selbständig, trotz Wasserstandsanstiegs, erst dann wenn das Gleichgewicht zwischen der in Schließrichtung wirkenden Auftriebskraft und der in Öffnungsrichtung wirkenden Auftriebskraft zu Gunsten der in Schließrichtung wirkenden Auftriebskraft des Schwimmers überschritten wird und das entstandene Ungleichgewicht schließlich zu einer beschleunigten Drehbewegung weg vom Anschlag (11) in Schließrichtung führt.
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Trotz umfangreicher Recherchen bei DEPATISnet konnte ich keine Schwimmerventile für die Anwendung im sehr niedrigen Druckbereich ausfindig machen, die in vergleichbarer Weise wie beschrieben funktionieren und zur Anwendung in einem Spülkasten oder in anderen Speicherbehältern geeignet sind.
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Ich habe deshalb nur auf die bereits erwähnten und mir nach dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten Bezug genommen.
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Zweck und Aufgabe dieser Erfindung werden durch die kennzeichnenden Merkmale in den Ansprüchen 1–9 gelöst.
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Mit dieser Erfindung werden alle vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt oder dessen negative Wirkung verringert.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Sie zeigen:
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1 – Darstellung des Schwimmerventils in voll geöffnetem Zustand
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2 – Darstellung des Schwimmerventils in geschlossenem Zustand
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3 – Beispiele für weitere Ausführungsformen hinsichtlich der Lage, der Anordnung, der Abmessung, der Dimensionierung, der Winkelstellung, der Form, der Dimensionierung, der Anzahl, und der Winkelstellung von Bauelementen (8), (9) und (10) Bezugszeichenliste:
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Bezugszeichenliste
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Verwendete Abkürzungen:
- SV
- Schwimmerventil
- WSL
- Wasserstandslinie
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Ausführungsbeispiel:
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Das Ausführungsbeispiel in 1 und 2 zeigt die Anwendung dieses Schwimmerventils in einem Spülkastens (1). Folgende Bedingungen werden vorausgesetzt:
Das gesamte Schwimmerventil wurde im Inneren des Spülkastens (1) genau senkrecht ausgerichtet und der Höhe nach so befestigt, dass sich daraus ein Speichervolumen von 6 Litern ergibt. Der Querschnitt des Zulaufs (7), der Durchlaufquerschnitt am Verschluss (14) und der Querschnitt des Zulaufrohres sind so dimensioniert, das eine nahezu drucklose Befüllung von einem externen Zwischenbehälter aus erfolgen kann und die Füllzeit dabei für eine Vollbefüllung nicht länger als 40 Sekunden dauert, sofern der Zwischenbehälter eine entsprechenden Zulaufmenge gewährleisten kann. Der Zwischenbehälter, von dem aus die Befüllung erfolgt wird rangfolgeorientiert, bivalent mit zwei Membranschwimmerventilen gefallt. Der Zulauf vom Zwischenbehälter zum Anschluss (7) des Schwimmerventils erfolgt nur mit einem geringen statischen Druckunterschied zwischen 0,02 und 0,03 bar-Druckdifferenz.
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Der dargestellte Spülkasten (1) verfügt über die übliche Entleerungsvorrichtung (2). Durch Betätigung der Tasten (4) oder (5) wird (2) angehoben und der Spülvorgang ausgelöst. Die Auf- und Abwärtsbewegung von Bauteil (2) wird durch den am oberen Ende dargestellten Doppelpfeil symbolisiert.
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Schwimmer (10) besteht aus Styropor. Auf mit Luft gefüllte und nach unten offene Schwimmer sollte verzichtet werden. Bauelemente (8) und (9) bestehen aus Leichtmetall und sind fest miteinander verbunden. Auf eine lösbare kraftschlüssige Verbindung sollte verzichtet werden, um einer Winkelverstellung während des Betriebes oder durch den Nutzer vorzubeugen. Der Ventilkörper kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Zulaufrohr (15) besteht vorzugsweise aus Kunststoff. Auf eine Darstellung der Halterung für das Schwimmerventil wurde verzichtet. Bauelement (9) stellt eine Verlängerung des zweiseitigen Hebels dar und dient als Halterung für den Schwimmer (10). Zwischen (9) und (10) sollte eine feste Verbindung hergestellt werden, entweder durchgesteckte Presspassung nicht lösbare Verbindung oder durch verstellbar zusätzliche Anschläge. Ein selbständiges Verschieben entlang der Halterung, während des Betriebes, sollte unbedingt ausgeschlossen werden.
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Funktionsbeschreibung:
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Fig. 1
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Die Entleerungsvorrichtung (2) wurde durch Betätigung der Vollspültaste (4) angehoben und der Spülkasten (1) hat sich über (6) zum WC entleert. Der Wasserstand hat sich bis auf die WSL (1) abgesenkt. Mit der Betätigung der Taste (4) hat sich das Ventil vollständig geöffnet. Schwimmer (10) mit (8) und (9) hängen senkrecht nach unten und das Dichtungsteil von (14) ist vom zu verschließendem Gegenstück von (14) abgefallen. Bauelement (8) liegt in dieser freihängenden Position noch nicht ganz am Anschlag (11) an. Bauteil (8), (9) und (10) bilden einen Gewichtsschwerpunkt wobei ein Teil von (10) und (9) über (13) hinaus nach links ragen. Hebel (8) und Schwimmerhalterung (9) bilden einen zweiseitigen Hebel und sind fest miteinander verbunden.
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Der zweiseitige Hebel ist mit Schwimmer (10) fest verbunden, und bildet von der Drehachse bis zum Ende der Schwimmerhalterung die eine Seite des zweiseitigen Hebels, und von der Drehachse (12) bis zum Dichtungsteil des Verschlusses (14) die andere Seite des zweiseitigen Hebel. Ein Teil des Schwimmers (10) liegt in freihängender Position, bei fester Einbaulage des Ventils und entleertem Speicherbehälter (1), auf der linken Seite der von der Drehachse (12) projizierten, senkrechten Fläche (13) zum Boden des Speicherbehälters (1), und der andere Teil des Schwimmers (10) liegt auf der rechten Seite dieser projizierten Fläche (13). In dieser geöffneten Position läuft das Wasser von (7) nach (15) mit vollem Durchfluss bis zur WSL (2). Während des weiteren Wasserstandsanstiegs über die WSL 2 hinaus erreicht das Wasser zuerst den auf der linken Seite befindlichen Teil des Schwimmers (10). Da dieser Teil des Schwimmen sich auf der linken Seite von (13) befindet, bewirkt die Auftriebskraft des Schwimmers zuerst Rechtsdrehung in Öffnungsrichtung. Bauteil (8) liegt am Anschlag (11) an und unterbindet eine weitergehende Drehbewegung in Öffnungsrichtung. Die in 1 dargestellte Position von (8), (9) und (10) hat sich im Wesentlichen nicht verändert. Mit weiterem Wasserstandsanstieg erreicht das Wasser auch die rechte Seite des Schwimmers. Auf beiden Seiten von (13) wächst die Auftriebskraft. Der Schwimmer (10) und die mit ihm fest verbundenen Bauelemente (8) und (9) und der Dichtungsteil von (14) verändern ihre Position ohne eine zusätzliche Haltevorrichtung selbständig, trotz Wasserstandsanstiegs, erst dann wenn das Gleichgewicht zwischen der in Schließrichtung wirkenden Auftriebskraft und der in Öffnungsrichtung wirkenden Auftriebskraft zu Gunsten der in Schließrichtung wirkenden Auftriebskraft des Schwimmers überschritten wird. Der Gleichgewichtszustand tritt mit dem Erreichen der WSL 3 ein. Die Drehmomente auf beiden Seiten halten sich die Waage. Der weitere Wasserstandsanstieg über die WSL 3 hinaus führt zum Ungleichgewicht zu Gunsten des Drehmoments in Schließrichtung und schließlich zu einer beschleunigten Drehbewegung vom Anschlag (11) in Schließrichtung und dann zum direkten Verschluss von (14) Trotz steigender Auftriebskraft des Schwimmers (10) bleibt seine Position am Anschlag (11), bis zum Erreichen der WSL 3, unverändert, der Verschluss (14) geöffnet und ein ungeminderter Wasserzulauf gewährleistet.
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Mit der Verzögerung des Verschlussvorganges und dem dafür später erfolgten beschleunigten Verschlussvorgang wird die negative Wirkung, die bei einer allmählichen Querschnittsverengung am Verschluss hinsichtlich der resultierenden Erhöhung des Strömungswiderstandes an der sich stetig verringernden Öffnung zwischen den Rohrverschlussteilen (14) und der damit verbundenen Reduzierung des Volumenstromes, nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille eintreten würde, weitestgehend verhindert oder auf einen kurzen Zeitraum beschränkt.
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Fig. 2
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Wie bereits in 1 beschrieben wird mit dem Erreichen der WSL 3 der Gleichgewichtszustand zwischen den Drehmomenten erreicht. Mit dem Überschreiten der WSL 3 entsteht ein Ungleichgewicht zu Gunsten des größer werdenden Drehmomentes in Schließrichtung- Linksdrehung setzt ein. Der gesamte Schwimmer verlagert sich sehr schnell auf die rechte Seite, wodurch die Drehbewegung in Schließrichtung beschleunigt wird. Innerhalb von sehr kurzer Zeit ist der Verschluss (14) vollständig geschlossen und der Zulauf zum Speicherbehälter (1) beendet. Die WSL 4 ist erreicht. Zwischen WSL 3 und WSL 4 vollzieht sich der beschleunigte Verschlussvorgang. Im Ergebnis liegt der gesamte Schwimmer (10) auf der rechten Seite von (13).
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Fällt nach dem Betätigen der Kurzspültaste der Wasserstand nicht unter die WSL 2 ab, erfolgt keine Verzögerung der Auftriebsbewegung in Schließrichtung, das heißt es kommt bis zum Erreichen der WSL 4 auch zu keinem beschleunigten Verschlussvorgang in Schließrichtung sondern, wie bei anderen Schwimmerventilen auch, zu einem allmählichen Verschlussvorgang. Zwischen WSL 2 und WSL 4 liegt der Kurzspülbereich und zwischen WSL 1 und WSL 2 der Bereich der für eine Vollspülung eine ausreichend Wassermenge vorhält, ähnlich wie das auch beim Einsatz von Membranschwimmerventilen der Fall ist.
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Fig. 3
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Hier werden weitere Beispiele für Ausführungsformen hinsichtlich der Lage, der Anordnung, der Abmessung, der Dimensionierung, der Winkelstellung, der Form, der Dimensionierung, der Anzahl, und der Winkelstellung von Bauelementen (8), (9) und (10) skizzenhaft dargestellt.
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Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich mit dieser Erfindung folgende Vorteile:
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Vorteile:
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1.
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Durch die Beschleunigung des Verschlussvorganges kommt es zu einer Verkürzung der Füllzeit des Speicherbehälters (1) nach Auslösung einer Vollentleerung. Bei einem sehr niedrigen, relativ gleich bleibenden Anschlussdruck von beispielsweise 0,1 bar am Rohranschluss (7) und einem vom Rohranschluss (7) bis zum Ende des Zulaufrohrs (15) durchgängigem Querschnitt von 2 cm2 würde ein langsamer Verschlussvorgang zu einer erheblichen Verringerung des Volumenstroms führen und folglich auch die Füllzeit erheblich verlängern.
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Nach dem Stand der Technik werden üblicherweise Membranschwimmerventile zur Befüllung eines Spülkastens-Speicherbehälters eingesetzt. Bei einem dauerhaften Anschlussdruck von 0,1 bar würde der Einsatz eines Membranschwimmerventils zu einer unzumutbar langen Füllzeit führen. Ziel dieser Erfindung war es ein Schwimmerventil so auszustatten, das es in der Lage ist bei einem relativ gleich bleibenden niedrigen Druck einen Volumenstrom von mindestens 0,15 l/s während der gesamten Füllzeit zu gewährleisten. Die Befüllung des Spülkastens (1) soll aus einem etwas höher untergebrachten externen Zwischenbehälter, der bivalent durch zwei rangfolgeorientierte Schwimmerventile befüllt wurde, erfolgen.
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Die kennzeichnenden Merkmale können aber auch für ein membrangestütztes Schwimmerventil genutzt werden.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen 1–9 gelöst
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2.
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Das Schwimmerventil kann konstruktiv so ausgestaltet werden, dass es in jedem Spülkasten untergebracht werden kann.
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3.
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Diese Erfindung ermöglicht es mit niedrigem Anschlussdruck eine energiesparende Befüllung von Speicherbehältern sicher zu stellen, ohne nennenswerte Einschränkung hinsichtlich des Füllkomforts oder des Volumenstromes.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen 1–9 gelöst
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4.
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Dieses Schwimmerventil eignet sich bei entsprechender Dimensionierung auch für den Anschluss an eine Regenwasserzuleitung, die mit wesentlich geringerem Einschaltdruck der Hauswasserversorgungsanlage eine ausreichend hohe Zulaufmenge pro Zeit gewährleisten kann. Die Einschaltdrücke von Hauswasserversorgungsanlagen können auf diese Weise entscheidend reduziert werden und so auch erhebliche Stromkostenersparnisse erreicht werden. Bei einem zu überwindenden Höhenunterschied von 5 m zuzüglich Druck- und Rohrreibungsverluste sind handelsübliche Membranschwimmerventile schon nicht mehr geeignet einen entsprechenden Füllkomfort sicherzustellen.
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Mit diesem Ventil ist beispielsweise ist auch eine direkte Befüllung des Spülkastens mit einer kleinen Pumpe aus einem Regenwasserfass denkbar.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen 1–9 gelöst
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5.
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Die Anwendung dieser Erfindung beschränkt sich nicht nur auf Spülkästen sondern sie eignet sich auch zur Anwendung für andere Speicherbehälter im Bereich der Landwirtschaft, Industrie oder der Gastronomie.
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6.
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Ein nach diesem Funktionsprinzip ausgestattetes Niederdruckschwimmerventil eignet sich auch für den Einsatz in Ländern oder Gebieten, die über kein funktionierendes zentrales Trinkwasserversorgungsnetz, mit entsprechend ausgebauten Drucksystemen, verfügen und auf gespeicherte Regenwasser- oder andere Brauchwasserreserven angewiesen sind.
