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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine
auf Strömung
reagierende Vorrichtung zum Anschließen an den Auslass eines Wasserhahnes.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nun zur Veranschaulichung anhand bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind,
beschrieben.
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1–3 zeigen schematische Darstellungen einer
ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die eine Anordnung von Löchern
für einen
Auslass mit hoher Strömungsrate
umfasst.
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4–6 zeigen schematische Darstellungen einer
zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die eine Belüftungsvorrichtung oder
eine Richtvorrichtung für
einen Auslass mit hoher Strömungsrate
umfasst.
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7-9 zeigen
schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die eine zusätzliche
Diffusionsplatte umfasst.
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10-12 zeigen
schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die eine aktive Reglerdiffusorplatte und ein Ventil für hohe Strömungsraten umfasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
diesem Zustand wird die niedrige Strömungsrate, die aus der Bohrung
des Hahnes 4 austritt, in eine Anordnung von Sprühstrahlen 14 umgewandelt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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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)