DE112018002877T5

DE112018002877T5 - Verstopfungssicherer, leitungsinterner Wirbelelementbewässerungsemitter

Info

Publication number: DE112018002877T5
Application number: DE112018002877.1T
Authority: DE
Inventors: Benjamin D. Hasday; Gregory A. Russell; Shridhar Gopalan; Christopher F. South
Original assignee: DlhBowles Inc
Current assignee: DlhBowles Inc
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2020-02-20
Also published as: US11116151B2; WO2018226827A1; IL271004B2; US20180343813A1; IL271004A; IL271004B1; US20210368700A1

Abstract

Ein verstopfungssicherer leitungsinterner Wirbelemitter und eine Tropfbewässerungsanordnung sowie ein Tropfbewässerungsverfahren verwenden eine doppelseitige Schaltung und eine Reihe von Wirbelkammern mit optimierten Abmessungen, um einen Druckabfall mit großen Abmessungen und eine gute Verstopfungssicherheit herbeizuführen. Die Wirbelkammer 100 ermöglicht zudem einen niedrigeren Exponenten als herkömmliche Schaltungen. Dies sorgt für eine Druckregulierungseigenschaft der Schaltung ohne sich bewegende Teile. Der Wirbelemitter ermöglicht in einem gewissen Maße eine Druckregulierung, ohne auf eine Recyclingfähigkeit zu verzichten oder sich bewegende Teile zu erfordern. Die Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung ist für den Wert einer Emittereffizienz Ef optimiert, wobei Ef = (k/Ackt)*Amin derart, dass k ein einheitsloser Druckverlustkoeffizient ist, Ackt der Flächeninhalt der Schaltung ist und Amin die minimale Querschnittsfläche der Schaltung ist. Ein höheres k pro gegebener Fläche mit größeren Abmessungen ermöglicht ein kleineres Teil mit einer geringeren Verstopfungswahrscheinlichkeit.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/515,973 mit dem Titel „CLOG RESISTANT IN-LINE VORTEX ELEMENT IRRIGATION EMITTER“, eingereicht am 6. Juni 2017, welche hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen zur Verwendung als Tropfbewässerungsemitter. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung Tropfbewässerungsemitter, welche eine im Wesentlichen konstante Tropfströmungsrate über ein breites Spektrum an Leitungsdrücken bereitstellen. Die vorliegende Offenbarung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, als selbstreinigender druckausgleichender Bewässerungstropfemitter verwendbar, welcher für Anordnungen mit einer Vielzahl von Bewässerungstropfemittem optimiert ist, welche an einem Zuführrohr montiert sind, um eine Bewässerungsanordnung oder ein Bewässerungssystem zu bilden.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Tropfemitter werden üblicherweise in Bewässerungssystemen verwendet, um Wasser, welches mit einer verhältnismäßig hohen Strömungsrate durch ein Zuführrohr strömt, in eine verhältnismäßig niedrige Strömungsrate an dem Auslass jedes Emitters umzuwandeln. Jeder Tropfemitter weist im Allgemeinen ein Gehäuse auf, welches einen Strömungsweg definiert, welcher unter hohem Druck stehendes Wasser beim Eintritt in den Tropfemitter zu unter verhältnismäßig niedrigem Druck stehendem Wasser beim Austritt aus dem Tropfemitter reduziert. Eine Vielzahl von Tropfemittern sind üblicherweise innen oder außen an einem Wasserzuführrohr montiert. Bei einer Art von System sind zahlreiche Tropfemitter in regelmäßigen und vorbestimmten Abständen entlang der Länge des Zuführrohrs montiert, um Wasser an exakten Punkten an umliegenden Boden und umliegende Vegetation zu verteilen. Diese Emitter können entweder innen (d.h. leitungsinterne Emitter) oder außen (d.h. leitungsexterne oder Verzweigungsemitter) montiert sein. Einige Vorteile von leitungsinternen Emittern bestehen darin, dass die Emittereinheiten weniger anfällig gegenüber einem durch Stöße hervorgerufenen Lösen von der fluidführenden Leitung sind und die Leitung falls gewünscht unter der Erde vergraben werden kann (d.h. Unterfluremitter), was ferner eine unbeabsichtigte Beschädigung des Emitters (z.B. durch Stöße oder Tritte eines Menschen, Stöße eines Rasenmähers oder -trimmers usw.) erschwert.
Zusätzlich zu den Vorteilen von leitungsinternen Emittern stellen Unterflur-Tropfemitter zahlreiche Vorteile gegenüber Tropfemittern bereit, welche überirdisch liegen und verbaut sind. Erstens begrenzen sie einen Wasserverlust aufgrund von Auslaufen und Verdunstung und stellen dadurch erhebliche Einsparungen beim Wasserverbrauch bereit. Wasser kann außerdem sparsamer verwendet werden, indem es auf exakte Standorte des Wurzelsystems von Pflanzen oder andere gewünschte Unterflur-Orte gerichtet wird. Zweitens stellen Unterflur-Tropfemitter Annehmlichkeiten bereit. Sie ermöglichen es dem Nutzer, das umliegende Gelände zu jeder Tages- oder Nachtzeit ohne Einschränkung zu bewässern. Zum Beispiel können derartige Emitter zur Bewässerung von Park- oder einem Schulgeländen zu jeder gewünschten Zeit verwendet werden. Tropfemitter, welche oberirdisch liegen, können in Parks oder auf einem Schulgelände tagsüber nicht gewünscht sein, wenn Kinder oder andere Menschen anwesend sind. Drittens sind Unterfluremitter angesichts ihres Einbaus an einem verhältnismäßig schwer zugänglichen Standort (d.h. unter der Erde) nur schwer mutwillig zu beschädigen. Viertens kann die Verwendung von Unterflur-Tropfemittern die Verteilung von Wasser auf unerwünschtem Gelände verhindern und die Verwendung von Unterflur-Tropfemittern verhindert unerwünschten „Overspray“. Überflur-Emitter hingegen erzeugen oft Overspray, welcher Fahrzeuge und/oder Fußgänger stört.
Obwohl einige Vorteile von Unterflur-Tropfemittern beschrieben sind, wäre es wünschenswert, eine verbesserte leitungsinterne Tropfemitter-Konstruktion bereitzustellen, welche sowohl bei Unterflur- als auch bei Überfluranwendungen verwendet werden kann. Beide Anwendungen haben einen Bedarf dahingehend, einen verhältnismäßig konstanten Wasserausstoß aus jedem der Emitter in dem Bewässerungssystem bereitzustellen. Genauer gesagt ist es wünschenswert, einen Druckausgleich bereitzustellen, um zu gewährleisten, dass die Strömungsrate des ersten Emitters in dem System im Wesentlichen dieselbe wie die des letzten Emitters in dem System ist. Ohne einen derartigen Strömungsratenausgleich wird der letzte Emitter in einer Reihe von Emittern einem höheren Druckabfall als der Erste unterliegen. Ein derartiger Druckabfall führt zu einer ineffizienten und verschwenderischen Verwendung von Wasser.
Ein Strömungsratenausgleich wurde in Tropfbewässerungsanordnungen aus dem Stand der Technik (wie etwa im US-Patent 4,226,368 (Hunter)) vorgeschlagen, welches eine Anordnung mit einer Vielzahl von Kammern oder Schaltungen offenbart, welche vernetzte Verwirbelungen bereitstellen, doch die Strömungen werden mangelhaft gesteuert und nicht optimiert, um die für viele Tropfbewässerungsanwendungen bevorzugten Strömungen zu erzeugen, sodass bestimmte kritische Abmessungen nicht auf eine solche Weise verwirklicht werden können, dass eine Größenanpassung der Schaltungen ermöglicht wird.
Bei herkömmlichen Tropfemittern aus dem Stand der Technik, welche sich bewegende Teile und druckausgleichende flexible Membranen enthalten, ist eine Seite der Membran einem Bewässerungsleitungsdruck ausgesetzt, wohingegen die gegenüberliegende Seite der Membran einem verminderten Druck ausgesetzt ist. Zum Beispiel kann der verminderte Druck herbeigeführt werden, indem ein Teil des Wassers aus der Bewässerungsleitung durch eine Drosseleinrichtung oder ein Labyrinth getrieben wird. Diese Druckdifferenz auf gegenüberliegenden Seiten der Membran veranlasst die flexible Membran, sich zu verformen. Insbesondere kann der höhere Leitungsdruck verwendet werden, um die flexible Membran in einen Schlitz hineinzutreiben, in dem unter vermindertem Druck stehendes Wasser strömt. In dem Maße, in dem sich der Leitungsdruck erhöht, wird die Membran weiter in den Schlitz gepresst, was den Wirkungsquerschnitt des Schlitzes verringert und somit eine Strömung durch den Schlitz einschränkt. Wie oben beschrieben führt dies zu einer verhältnismäßig konstanten Strömungsrate durch den Emitter über ein Spektrum an Leitungsdrücken. Leider unterliegt der Schlitz auf dieselbe Weise wie der einfache Öffnungsemitter einer Verstopfung. Ferner ist es erforderlich, dass die Membran mit dem Rand des Schlitzes eine Abdichtung bildet, welche eine Strömung zu dem Schlitz hemmt. Leider kann eine Partikelablagerung zudem die Membrandichtung beeinträchtigen, was eine unregelmäßige Strömung hervorruft.
Bei einem Versuch zur Lösung der mit dem Partikelablagerungen verbundenen Probleme in einem druckausgleichenden Emitter wird das unter vermindertem Druck stehende Wasser aus dem Labyrinth verwendet, um den Schlitz und Abdichtungsflächen während einer anfänglichen Druckbeaufschlagung der Bewässerungsleitung zu reinigen. Insbesondere ist ein derartiger Emitter durch Miller im US-Patent Nr. 5,628,462 , ausgestellt am 13. Mai 1997, mit dem Titel „Drip Irrigation Emitter“ offenbart, in welchem eine Kammer zwischen dem Schlitz und der Membran geschaffen wird. Bei dem durch Miller offenbarten Emitter wird die Membran, während die Membran lediglich geringfügig verformt wird, während einer anfänglichen Druckbeaufschlagung der Bewässerungsleitung mit unter vermindertem Druck stehendem Wasser gespült, welches von der Drosseleinrichtung oder dem Labyrinth zugeleitet wird. In dem Maße, in dem sich der Leitungsdruck erhöht, verformt sich die Membran, wodurch die Kammer zum unter vermindertem Druck stehendem Wasser abgedichtet wird und eine Strömung durch den Schlitz eingeschränkt wird. Die oben erwähnten Referenzen aus dem Stand der Technik sind hilfreich, um die Fachbezeichnung von Tropfemitter-Anordnungen und -Komponenten darzulegen und werden daher zu diesem Zweck und zur Befähigung durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen. Die Tropfemitter aus dem Stand der Technik sind nicht so wirksam und sparsam wie gewünscht und es besteht ein Bedarf an sparsamen, größenanpassbaren und wirksamen, fluidisch ausgerüsteten Tropfbewässerungsvorrichtungen, welche dafür geeignet sind, als Reaktion auf einen variierenden Leitungsdruck eine konstante Tropfströmung bereitzustellen, welche die Verstopfungsgefahr verringert.
DARSTELLUNG
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, die oben genannten Schwierigkeiten durch Bereitstellen eines verstopfungssicheren leitungsinternen Wirbelelement-Bewässerungsemitters oder eines Bewässerungstropfers, welcher über seine gesamte Lebensdauer leicht zu verwenden, verhältnismäßig einfach herzustellen und vergleichsweise kostengünstig zu verbauen ist, zu bewältigen. Die Wirbelemitter-Struktur der vorliegenden Offenbarung kann ausgelegt sein, als Bauteil spritzgegossen und dann als Teil eines Tropfbewässerungssystems in ein extrudiertes Rohr eingeführt zu werden. Das Rohr der Tropfbewässerungsanordnung kann auf einem Landwirtschaftlichen Feld platziert werden und Fluid kann hineingepumpt werden. Die Emitter nehmen den hohen Druck und die Strömung innerhalb des Rohrs auf und produzieren eine angestrebte Strömungsrate (welche in Abhängigkeit der Anforderungen der Umgebung, des Geländes oder der Pflanze, welche bewässert werden, auswählbar ist). Der Wirbelemitter der vorliegenden Offenbarung hat eine höhere Effizienz als herkömmliche Schwenk- oder Sprinklersysteme. Die Emitter stellen nicht nur die zweckmäßige Druckabsenkung bereit; sie widerstehen einer Verstopfung von Kies und Schutt in vorhandenem Grundwasser.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung sorgt ein neu entwickelter Prototyp eines verstopfungssicheren leitungsinternen Wirbelelement-Bewässerungsemitters gemessen an seinen physikalischen Abmessungen für eine höhere Druckabsenkung als vergleichbare Vorrichtungen aus dem (oben beschriebenen) Stand der Technik. Die großen Abmessungen und der in jeder Kammer erzeugte Wirbel tragen dazu bei, Schutt und Kies durch das System zu spülen. Die Schaltung der vorliegenden Offenbarung ist zudem optimiert, um so wenig Raum wie möglich in Anspruch zu nehmen. Die kleinere Schaltungsbaugruppe spart in Verbindung mit der natürlichen Aushöhlung, welche bei der Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung auftritt, Schaltungsmasse ein. Dies spart Kosten für eine Bewässerungsanordnung und ermöglicht es, Teile in dünnwandigeren Leitungen zu verwenden, da dünnwandigere Leitungen eine geringere zum Bonden von Schaltungen zu erhitzende Masse erfordern.
Die Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung weist eine eigene Druckregulierung auf und diese Druckregulierung kann als optimierter Exponent beschrieben werden. Der Exponent einer optimierten Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung kann gerade einmal 0,3 aufweisen, wohingegen eine Standardöffnung (aus dem Stand der Technik) einen Exponenten von 0,5 aufweist. In Bezug auf die Strömung bedeutet dies, dass die Strömung an dem Auslass des Tropfemitters nur in geringem Maße zunimmt, wenn sich der Druck entlang des Einlasses des Tropfemitters erhöht. Wie oben erwähnt kommen bei Tropfemittern aus dem Stand der Technik Dichtungen als Druckausgleichsvorrichtung in Fluchtung mit dem gewundenen Tropfemitterweg zum Einsatz. Ein Druckausgleich sorgt für einen Exponenten von 0, wobei eine Strömung der Schaltung bei jedweder Druckveränderung nicht zunimmt. Die Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung ohne Druckausgleichsvorrichtung erreicht einen derartigen Exponenten nicht, kompensiert dies jedoch dadurch, dass sie keine Gummidichtung erfordert. In dem relevanten Bereich von Bewässerungsfluiddrücken und Strömungen kann der .3-Exponent ausreichen, um eine Überwässerung von Pflanzen zu verhindern. Die Konstruktion der vorliegenden Offenbarung ermöglicht die optionale Verwendung einer Druckausgleichsvorrichtung. Die vorliegenden Offenbarung ermöglicht ein Hinzufügen einer Druckausgleichsvorrichtung, doch für natürlich Schaltungen mit natürlicher Strömung ohne Druckausgleichsvorrichtung bietet der niedrige Exponent des Wirbels eine gute Kombination aus Strömungssteuerung und Kosten in einem Teil der Vorrichtung, welcher nicht zum Druckausgleich dient.
Eine Filterkomponente wie etwa ein 3D-Filter oder ein entlang eines Gehäuses der Baugruppe positionierter Filter kann bereitgestellt werden, welcher mit der offenbarten Schaltung verwendet werden kann, um Wasser aus der Massenströmung innerhalb des Bewässerungsrohrs oder der Bewässerungsröhre zu sammeln. Der verstopfungssichere leitungsinterne Wirbelemitter der vorliegenden Offenbarung kann entlang oder über der Unterseite des Bewässerungsfluidrohrs oder der Bewässerungsfluidröhre liegen, bei dem es zu einer erheblichen Ablagerung von Schutt und Kies kommen kann. Die Position des Filters kann dazu beitragen, Kies durch Schwerkraft zu entfernen. Die Wirbelschaltung kann im Vergleich zu üblichen Emittern große Abmessungen für einen auftretenden Druckabfall pro Schaltungsfläche aufweisen. Die großen Abmessungen und der in jeder Kammer erzeugte Wirbel tragen zur Beseitigung von Kies und Schutt aus dem System bei.
Figurenliste
Die Funktionsweise der vorliegenden Offenbarung kann unter Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Darstellungen besser verstanden werden, wobei:

1 eine perspektivische Draufsicht einer Ausführungsform eines Wirbelemitter-Einsatzelements mit einer Vielzahl der Wirbelemitter-Kammern gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform des Wirbelemitter-Einsatzelements mit einer Vielzahl der Wirbelemitter-Kammern gemäß 1 ist;
3 eine Unteransicht einer Ausführungsform des Wirbelemitter-Einsatzelements mit einer Vielzahl der Wirbelemitter-Kammern gemäß 1 ist;
4 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des Wirbelemitter-Einsatzelements mit einer Vielzahl der Wirbelemitter-Kammern gemäß 1 ist;
5 eine Endansicht einer Ausführungsform des Wirbelemitter-Einsatzelements mit einer Vielzahl der Wirbelemitter-Kammern gemäß 1 ist;
6 eine Draufsicht im Aufriss einer einzelnen Wirbelemitter-Kammer der vorliegenden Offenbarung ist;
7 eine Seitenansicht im Aufriss der Wirbelemitter-Kammer aus 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
8 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Wirbelemitter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
9 eine Draufsicht einer Ausführungsform der Wirbelemitter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus 8 ist;
10 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Wirbelemitter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus 8 ist;
11 eine Endansicht einer Ausführungsform der Wirbelemitter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus 8 ist;
12 eine Unteransicht einer Ausführungsform der Wirbelemitter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus 8 ist;
13 eine Explosionsansicht einer Ausführungsform der Wirbelemitter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus 8 ist;
14 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Wirbelemitter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus 8 ist;
15 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der innerhalb eines Rohrs positionierten Wirbelemitter-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
16 ein Schaubild zur Veranschaulichung der durchschnittlichen Strömungsrate im Verhältnis zur Korngröße aus einem Test mit mehreren Emitter-Vorrichtungen im Vergleich sowie der offenbarten Emitter-Anordnung ist;
17 ein Schaubild zur Veranschaulichung von Daten zu einem Druck (P) und einer Strömungsrate (Q) für Ausführungsformen der offenbarten Emitter-Anordnung, aufweisend eine Druckausgleichsvorrichtung, ist; und
18 ein Schaubild zur Veranschaulichung von Exponentenwerten der Ausführungsformen des Schaubilds aus 17 ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun wird ausführlich auf Ausführungsbeispiele Bezug genommen, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Es sei angemerkt, dass weitere Ausführungsformen Verwendung finden können und strukturelle und funktionale Änderungen vorgenommen werden können. Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert oder verändert werden, die folgende Beschreibung ist somit lediglich beispielhaft und ist nicht darauf ausgelegt, die die verschiedenen Alternativen und Modifikationen, die an den beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden können, in irgendeiner Weise zu beschränken.
Wenn vorliegend verwendet, meinen die Begriffe „Beispiel“ und „beispielhaft“ Fallbeispiel oder Veranschaulichung. Die Begriffe „Beispiel“ oder „beispielhaft“ geben keinen entscheidenden oder bevorzugten Aspekt bzw. Ausführungsform an. Das Wort „oder“ soll eher einschließend als ausschließend gemeint sein, es sei denn, dies geht aus dem Kontext anderweitig hervor. Beispielsweise umfasst die Aussage „A verwendet B oder C“ jedwede einschließende Permutation (d.h. A verwendet B; A verwendet C; oder A verwendet sowohl B als auch C). Des Weiteren sind die Artikel „ein“/„eine“/„eines“ im Allgemeinen darauf ausgelegt, „ein(-e) oder mehrere“ zu bedeuten, es sei denn, dies geht aus dem Kontext anderweitig hervor.
In den Figuren werden durchweg ähnliche Bezugszeichen verwendet. Daher sind in bestimmten Ansichten lediglich ausgewählte Elemente gekennzeichnet, obwohl die Merkmale des Systems oder der Anordnung in sämtlichen Figuren identisch sein können. Ebenso sind weitere Aspekte und Anordnungen möglich, auch wenn in diesen Figuren ein einzelner Aspekt der Offenbarung veranschaulicht ist, was unten beschrieben wird.
Eine Ausführungsform einer verstopfungssicheren leitungsinternen Wirbelbewässerungsemitter-Anordnung 100 und deren Bestandteilen ist bereitgestellt. In einer Ausführungsform weist die Wirbelemitter-Anordnung 100 eine Wirbelemitter-Schaltung 110 auf, wobei die Anordnung einen Einlass, einen Auslass und einen zwischenliegenden Strömungskanal definiert, welcher eine Fluidkommunikation zwischen dem Einlass und dem Auslass bereitstellt. Eine Ausführungsform der Wirbelemitter-Anordnung 100 ist in den 8-15 veranschaulicht und kann eingerichtet sein, um eine in den 1-5 veranschaulichte Wirbelemitter-Schaltung 110 aufzuweisen. Die Wirbelemitter-Schaltung 110 kann definiert sein, um einen Einheitskörper 120 mit einer doppelseitigen Fläche mit einer Vielzahl von einzelnen oder individuellen Wirbelkammern 130 (in den 6 und 7 ferner veranschaulicht) mit Strömungskanal-Lumenabmessungen aufzuweisen, welche optimiert sind, um einen Druckabfall mit großen Lumenabmessungen und einen guten Beständigkeit gegen Verstopfung herbeizuführen. Die Wirbelschaltung oder der Wirbelemitter der vorliegenden Offenbarung kann für einen dimensionslosen Koeffizienten einer Emittereffizienz „Ef“ optimiert werden, wobei „Ef = (k/Ackt)* Amin“. In dieser Gleichung ist k ein einheitsloser Druckverlustkoeffizient, Ackt ist die Gesamtfläche der Schaltung und Amin ist die minimale Querschnittsfläche der Schaltung. Mit dieser Messung wird ermittelt, ob ein verhältnismäßig hoher Druckverlust pro Flächeneinheit der Emitter-Anordnung besteht, während innerhalb des Fluids eine verhältnismäßig hohe Beständigkeit gegen Verstopfung gegenüber Kies erreicht wird.
Die wie durch die 1-5 veranschaulichte Wirbelemitter-Schaltung 110 weist verschiedene Abschnitte aufweisend eine Filterkomponente 210, eine Druckverminderungskomponente 220 und eine Druckausgleichskomponente 230 auf. Es sei jedoch angemerkt, dass die Emitter-Anordnung 100 mit der Druckverminderungskomponente 220 betreibbar ist und die verbleibenden Abschnitte zur Verwendung in lediglich einer optionalen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht sind, welche hier nicht beschränkt ist. Die Filterkomponente 210 kann jedwede strukturelle Ausgestaltung sein, welche es einem Fluid, welches vor einer Strömung durch die Anordnung 100 und die Schaltung 110 Schutt oder andere Partikel aufnehmen kann, ermöglicht, dort hindurch zu strömen. Die Filterkomponente 210 kann verschiedene strukturelle Ausgestaltungen aufweisen und kann dahingehend fungieren, es einem Fluid zu ermöglichen, durch einen Einlass der Anordnung 100 zu strömen, und gleichzeitig zu verhindern, dass verhältnismäßig großer Kies oder Partikel, welche sich innerhalb des druckbeaufschlagten Fluids befinden, welches durch das Rohr strömt, in die Anordnung 100 eindringen. Die Druckausgleichskomponente 230 kann eine bewegbare Vorrichtung sein, welche den Druck und die Strömung eines durch die Anordnung strömenden Fluids auf eine bestimmte Weise mit dem Ziel anpasst, den Druck einer Fluidströmung darin zu regeln. Die Druckausgleichskomponente 230 kann eine Dichtung oder Blende 235 aufweisen und deren Betrieb wird hier umfassender offenbart.
Die Wirbelemitter-Schaltung 110 weist insbesondere eine Druckverminderungskomponente 220 auf, welche eine Vielzahl von Wirbelkammern 130 aufweist. Jede Wirbelkammer 130 kann durch eine Wandung 132 definiert sein, welche einen Fluiddurchgang definiert, und in einer vernetzten Struktur entlang einer ersten Fläche 112 der Wirbelemitter-Schaltung 110 sowie einer zweiten gegenüberliegenden Fläche 114 der Wirbelemitter-Schaltung 110 fluchten. Wie durch 6 veranschaulicht weist jede Wirbelkammer 130 einen Einlassbereich 140, eine Leistungsdüse 150 und einen Wechselwirkungsbereich 160 mit einem Auslass 170 auf. Der Einlassbereich 140 kann eine Einlassöffnung 180 aufweisen, welche mit einer anderen Wirbelkammer 130 in Verbindung steht, welche innerhalb der Schaltung 110 in Reihe ausgerichtet ist. Der Auslass kann mit einer unterschiedlichen Wirbelkammer 130 in Verbindung stehen, welche innerhalb der Schaltung 110 in Reihe fluchten. Der Einlassbereich 140 kann um die Einlassöffnung 180 (wenn vorhanden) herum abgerundet sein und durch die Leistungsdüse 150 mit dem Wechselwirkungsbereich 160 in Kommunikation stehen.
Die Wirbelkammer 130' aus einer Vielzahl von Wirbelkammern 130, welche in direkter Kommunikation mit einem Anordnungsauslass oder einer Druckausgleichskomponente 230 stehend fluchten, können möglicherweise keinen Auslass 170 aufweisen, welcher durch den Einheitskörper 120 der Schaltung 110 hindurch positioniert wird, können jedoch andernfalls einen Durchgang 134 aufweisen, welcher mit der Druckausgleichskomponente 230 oder dem Anordnungsauslass direkt in Verbindung steht (siehe 3). Analog dazu kann der Einlassbereich 140, wenn die Wirbelkammer 130 mit einem Anordnungseinlass (wie etwa einer Druckausgleichskomponente 230 oder einer Filterkomponente 210) in Verbindung steht, möglicherweise keine Einlassöffnung 180 aufweisen, jedoch andernfalls einen Durchgang 136 aufweisen, welcher mit der Druckausgleichskomponente 230 oder der Filterkomponente 210 direkt in Verbindung steht.
Ein Konvergenzwinkel CA kann von einem Scheitel 152 aus gemessen werden, welcher entlang der Wandung 132 um den Umfang der Wirbelkammer 130 an der Leistungsdüse 150 fluchtet. Der Konvergenzwinkel CA umfasst wie durch 6 veranschaulicht eine erste Seite, welche sich von der Wandung 132 an dem Scheitel 152 entlang des Einlassbereichs 140 erstreckt, und eine zweite Seite, welche sich von der Wandung 132 auf einer gegenüberliegenden Seite des Scheitels 152 entlang einer im Allgemeinen geraden Linie erstreckt, welche an dem Einlassbereich 140, der Leistungsdüse 150 und dem Wechselwirkungsbereich 160 ausgerichtet ist. Der Konvergenzwinkel CA kann ein Minimalwinkel von 45° sein, kann jedoch bis zu ungefähr 80° betragen. In einer Ausführungsform kann der Konvergenzwinkel CA ungefähr 55° betragen. Wenn der Konvergenzwinkel CA zu klein ist und sich der Druckabfall verringern, während sich der Flächeninhalt vergrößert, kann dies den Wert der Emittereffizienz Ef verringern. Wenn der Konvergenzwinkel CA 80° übersteigt, kann die Strömungskonditionierung derart beschaffen sein, dass die Wirbelstärke verringert wird, wodurch k stärker verringert wird als Ackt, was zu geringeren Ef-Werten führt.
Ferner kann der Konvergenzwinkel CA dahingehend modifiziert werden, um die Gesamtlänge jeder Wirbelkammer 130 zu verändern. Bei gemeinsamer Anordnung einer Vielzahl von Wirbelkammern 130 in Reihe kann der Konvergenzwinkel CA eingerichtet sein, um die engste mögliche Beabstandung zu ermöglichen, welchen Herstellungsprozesse ermöglichen können. Diese Prozesse können ein Formverfahren umfassen, können jedoch auch weitere, wie etwa eine additive Herstellung oder dergleichen umfassen. Die gewünschte Platzierung der Wirbelkammer 130 bei einer effizienten Raumausnutzung entlang der Flächen 112, 114 kann den Wert der Emittereffizienz Ef der Anordnung 100 erhöhen.
Die Leistungsdüse 150 kann eine Breite Pw und einen Radius Pr aufweisen. Es ist gewünscht, dass die Abmessung des Leistungsdüsenradius Pr kleiner ist, um eine hohe Geschwindigkeit einer Fluidströmung durch die Leistungsdüse 150 hindurch aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform kann diese Abmessung so klein sein, wie es Herstellungsbedingungen zulassen, also etwa zwischen 0,05 mm bis ungefähr 0,3 mm oder in einer Ausführungsform 0,07 mm. Die Leistungsdüsenbreite Pw kann minimal .8 mm betragen, um eine Verstopfung zu vermeiden. Die Ausgestaltung der Wirbelkammern 130 kann von den Abmessungen der Leistungsdüse 150 abhängen und Verhältnisse in Bezug auf die Leistungsdüsenbreite Pw miteinbeziehen. Der Auslass 170 (sowie der Einlass 180) können einen Halsdurchmesser Td aufweisen, wobei der Halsdurchmesser Td mindestens .8 mm betragen kann, jedoch wünschenswerterweise nicht sehr viel größer ist, da eine Wirbelstärke andernfalls vermindert wird. Der Wechselwirkungsbereich 160 hat einen Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD. In einer Ausführungsform kann das Verhältnis des Halsdurchmessers Td zu der Leistungsdüsenbreite Pw ungefähr 1:1 betragen und zusätzlich kann das Verhältnis des minimalen Wechselwirkungsbereichsdurchmessers IRD zu der Leistungsdüsenbreite Pw ungefähr 2:1 betragen und das Verhältnis des minimalen Wechselwirkungsbereichsdurchmessers IRD zu dem Halsdurchmesser Td kann ebenfalls ungefähr 2:1 betragen. In einer Ausführungsform kann das Verhältnis des Wechselwirkungsbereichsdurchmessers IRD zu dem Halsdurchmesser Td ungefähr 2,69:1 betragen und einen Bereich von 2,69 +/- 1,2 zu 1 umfassen.
Der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD kann ausgelegt sein, klein genug zu sein, damit der Flächeninhalt verringert wird, aber groß genug, damit die Schaltung 130 und ein darin strömendes Fluid in dem Wechselwirkungsbereich 160 einen Wirbel erzeugen. In einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis für die Abmessung des Wechselwirkungsbereichsdurchmessers IRD in Bezug auf die Leistungsdüsenbreite Pw ungefähr 2,15:1 IRD:Pw. Der Bereich dieses Verhältnisses kann bei 2,15 von ungefähr minus 0,15 bis ungefähr plus 0,85 bis 1 liegen.
Der Einlassbereich 140 kann einen Ausgangsdurchmesser ED aufweisen. Der Ausgangsdurchmesser ED kann dieselbe Größe wie der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD aufweisen. Dies kann einen geringen Druckabfall verursachen, da die Strömung von dem Einlass zu dem erweiterten Bereich innerhalb des Einlassbereichs 140 verläuft. Ein großer Ausgangsdurchmesser ED kann es der Wirbelkammer 130 ermöglichen, einen großen Konvergenzwinkel CA aufzuweisen, welcher in die darauffolgende Wirbelkammer 130 hineinreicht, welche dabei helfen kann, zu veranlassen, dass die Strömungskonditionierung weiterhin in die Wirbelkammern 130 hinein verläuft.
7 veranschaulicht eine Seitenansicht im Aufriss, der Wirbelemitter-Kammer 130 aus 6 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Leistungsdüse 150 hat eine Tiefe Pd, welche sich von einer Oberfläche 132 der Schaltung zu einem Boden 134 der Schaltung 110 erstreckt. In einer Ausführungsform kann die Schaltung 110 die Tiefe Pd der Leistungsdüse 150 annehmen, um etwa gleich der Tiefe der anderen Bauteile, einschließlich des Wechselwirkungsbereichs 160 und des Einlassbereichs 140, zu sein. Diese Ausgestaltung kann einen problemlosen Übergang einer Fluidströmung von der Leistungsdüse 150 zu dem Wechselwirkungsbereich 160 bereitstellen. Die Tiefe von jedem Bauteil kann jedoch variiert werden und diese Offenbarung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt. In einer Ausführungsform kann die Leistungsdüsentiefe Pd zudem gleich der Leistungsdüsenbreite Pw sein. Das Verhältnis der Leistungsdüsenbreite Pw zu der Leistungsdüsentiefe Pd kann ungefähr 1:1 betragen, kann jedoch im Bereich von 1 +/- 0,25 zu 1 liegen. Die Leistungsdüse 150 kann eine zu einem Quadrat geformte Querschnittsform aufweisen, welche eine bevorzugte Strömungskonditionierung in den Wechselwirkungsbereich 160 bereitstellen kann, und kann eine bevorzugte minimale Abmessung für den Flächeninhalt der Leistungsdüse 150 bereitstellen. Zudem ist eine Halslänge TL bereitgestellt, welche sich von dem Boden 134 der Wirbelkammer 130 zu einer gegenüberliegenden Seite der Schaltung 110 erstrecken kann, welche mit einer anderen Wirbelkammer 130 verbunden sein kann, welche entlang einer hier beschriebenen zweiten Seite 114 der Schaltung 110 positioniert ist, oder kann eine weitere Struktur zur Ermöglichung einer Kommunikation der Fluidströmung mit entweder einer Filterkomponente 210, einer Druckausgleichskomponente 230 oder einem Einlass/einer Düse sein, um ein Fluid an eine Umgebung zu versprühen.
Die Wirbelemitter-Anordnung 100 der vorliegenden Offenbarung funktioniert durch Aufnehmen der Strömung von Fluid und Leiten derselben durch einen Konvergenzdurchgang, welcher durch eine Reihe von Wirbelkammern 130 definiert ist, welche in Reihe entlang einer der Seiten der Schaltung 110 fluchten. Es hat sich herausgestellt, dass diese Ausgestaltung die Geschwindigkeit der Strömung erhöht und diese konditioniert, um einen besseren Drall oder eine bessere Wirbelstärke zu produzieren. Es hat sich herausgestellt, dass die Lineargeschwindigkeit der Leistungsdüse umso höher ist, je höher die Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit des Wechselwirkungsbereichs ist. Je höher die Winkelgeschwindigkeit, desto höher ist der Druckverlust K1. Dieser Verlust beruht auf der Dissipation kinetischer Energie durch eine Scherspannung, welche zwischen Schichten eines rotierenden Fluids auftritt. Die Abmessungen des Konvergenzwinkels CA, der Leistungsdüsenbreite Pw, des Wechselwirkungsbereichsdurchmessers IRD und des Halsdurchmessers Td wurden ermittelt, um einen Druckabfall durch die Schaltung 100 zu optimieren. Eine Reihe von Konstruktionsversuchen wurden durchgeführt, um die optimalen Werte und Verhältnisse dieser Abmessungen zu ermitteln, wobei die Verhältnisse ermittelt wurden, um eine optimale Emittereffizienz Ef aufrechtzuerhalten.
Je effizienter die Schaltung eine lineare Strömung in eine Drehströmung umwandeln kann, desto höher ist der Druckabfall. Der Konvergenzwinkel CA sollte irgendwo zwischen 45° bis 70° oder 80° liegen. Zwischen diesen Winkeln verändert sich der Wert k, welcher zur Berechnung der Emittereffizienz Ef verwendet wird, nur unwesentlich. Die räumliche Effizienz der Schaltung, das Richten der Strömung und die Konditionierung werden allesamt durch den Konvergenzwinkel CA beeinflusst. Der Konvergenzwinkel CA und der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD können die Gesamtschaltungslänge beeinflussen, da es gewünscht sein kann, eine Vielzahl von Wirbelkammern 130 entlang einer Oberfläche der Schaltung 110 nahe beieinander zu platzieren. In einer Ausführungsform kann es gewünscht sein, die größtmögliche Anzahl an Wirbelkammern 130 auf der Schaltung 110 anzubringen. In dieser Ausführungsform kann der Konvergenzwinkel CA ausreichend groß sein, damit die die Gesamtlänge der Wirbelkammer 130 kurz ist. Der Zwischenraum zwischen Kammern 130 kann durch die Länge jeder Kammer 130 festgelegt sein, sodass der Winkel so groß wie möglich sein kann, ohne die Kammern 130 zu nah aneinander zu platzieren.
Der Konvergenzwinkel CA kann groß genug sein, damit die Führung und die Konditionierung derart beschaffen sind, dass die höchste Druckabsenkung für die Baugruppengröße erreicht werden kann. Kleine Winkel (unter 45°) und große Winkel (über 80°) können die Druckabsenkung der Schaltung verringern. Kleine Winkel können die Strömung möglicherweise nicht in ausreichendem Maße in Richtung der Wand der Wirbelkammer 130 und weg von der Leistungsdüse 150 und dem Hals 170 führen. Kleine Winkel können zudem einen sehr viel höheren Platzbedarf aufweisen, was den Wert der Emittereffizienz Ef verringert. Große Winkel können die Strömung verlangsamen und diese zu sehr nach außen treiben und der Wirbel kann möglicherweise weniger stark sein.
Der Einlassbereich 140 kann entlang der durch den Konvergenzwinkel CA definierten Kammerwände 132 zu der Leistungsdüse 150 hin konvergieren. Die Leistungsdüse 150 kann dieselbe Tiefe wie Breite aufweisen (Pw=Pd). Eine quadratische Leistungsdüse kann die größte minimale Abmessung für den Flächeninhalt bereitstellen und weist eine bessere Strömungskonditionierung auf. Eine Leistungsdüsenbreite Pw, welche höher ist, erschwert es, einen Wirbelstärkenverlust zu vermeiden, da die Strömung geradewegs in den Hals gerichtet sein kann. Eine Leistungsdüsenbreite Pw, welche geringer ist, kann die Strömungskonditionierung beeinflussen, welche in die Kammer 130 hinein verläuft, was deren Effizienz verringert. In einer Ausführungsform kann die Leistungsdüse 150 keine gerade Länge dazu aufweisen. Das Verbreitern des Konvergenzwinkels CA kann einen entsprechenden großen Bereich auf dem Ausgang des Halses 170 ermöglichen. Die unvermittelte Erweiterung kann mit einem geringen, aber nicht unerheblichen Druckabfall einhergehen. Eine Wand des Konvergenzwinkels CA trifft an der Leistungsdüse 150 tangential mit dem Wechselwirkungsbereich 160 zusammen. Die andere Seite der Leistungsdüse 150 ist ein runder Scheitel 152, an dem der Konvergenzwinkel CA und der Wechselwirkungsbereich 160 zusammentreffen. Dieser runde Abschnitt oder Scheitel 152 kann so klein sein, wie es Einschränkungen bei Herstellungsprozessen wie etwa Formen oder additiver Herstellung zulassen, da ein kleiner Scheitel 152 eine höhere Geschwindigkeit bereitstellen und für eine verbesserte Systemleistung sorgen kann.
Der Einlassbereich 140 kann als Konvergenzdurchgang betrachtet werden, welcher mit dem Wechselwirkungsbereich 160 kommuniziert, welcher eine kreisförmige Kammer mit einem Loch oder einem Hals 170 in der Mitte sein kann. Der Konvergenzdurchgang führt die Strömung der Schaltung hauptsächlich tangential, wobei die Führung in gewissem Maße zu der Wandung 132 hin gerichtet ist, um einen Wirbel in dem Wechselwirkungsbereich 160 zu erzeugen, welcher durch Ableitung von Energie durch den Drehimpuls der durch die Geometrie der Kammerwände 132 hervorgerufenen Wirbelströmung eine Druckabsenkung herbeiführt. Diese Ausgestaltung kann auch für die Druckregulierung verantwortlich sein. In dem Maße, in dem sich der Druck erhöht, erhöht sich der Verlust an Druck aufgrund des Drehimpulses und verringert den gemessenen Exponenten der Schaltung 110. Der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD im Verhältnis zu der Leistungsdüsenbreite Pw kann ungefähr 2:1 bis 3:1 betragen, kann jedoch konkret ungefähr 2,15:1 betragen.
Wenn der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD kleiner als ungefähr (2:1) wäre, kann die Wirbelstärke verloren gehen, und ein größeres Verhältnis als ungefähr (3:1) kann den Flächeninhalt bei schnellerer Geschwindigkeit zunehmen lassen als den Druckabfall. Die geringe Schaltungsgröße kann raumeffizient sein und es ermöglichen, dass eine hohe Anzahl an Wirbelkammern 130 in einer kleinen Baugruppe eingerichtet sind. Der Hals 170 kann eine minimale Abmessung von 0,8 mm im Durchmesser aufweisen, um eine Verstopfung zu vermeiden. Sie kann klein genug sein, damit die Strömung nicht direkt in den Hals 170 eintritt, was die Wirbelstärke der Schaltung 110 vermindert.
Die Wirbelanordnung 100 kann die Schaltung 110 sowie zusätzliche Komponenten aufweisen, um druckbeaufschlagtes Fluid von einem Rohr 300 in ausreichendem Maße durch die Wirbelemitter-Anordnung 100 zu leiten und ein Fluid mit einem angestrebten Durchsatz an die Umgebung zu versprühen. Die 8-15 veranschaulichen die Wirbelemitter-Anordnung 100, welche die beschriebene Wirbelschaltung 110 aufweist. In einer Ausführungsform ist die Schaltung 110 entlang einer dem Fluid zugewandten Seite innerhalb des Rohrs 300 an einer Trägerplatte 250 und entlang der gegenüberliegenden Seite der Schaltung 110 an einer Tragstelle angebracht, um die Wirbelemitter-Anordnung 100 entlang einer Innenfläche 302 des Rohrs 300 zu lagern.
Die Grundplatte 250 kann an der Schaltung 110 mit einer Vielzahl von Befestigungselementen angebracht sein, welche sich durch Bohrlöcher 252 hindurch erstrecken und die durch die Wirbelkammern 130 in der Schaltung 110 definierten Fluiddurchgänge bilden können. In einer Ausführungsform kann die Filterkomponente 210 eine dreidimensionale Ausgestaltung sein, welche von der Schaltung 110 her vorstehen kann und zum Inneren des Rohrs 300 hin freiliegt (wie durch 1 veranschaulicht). Hierbei kann die Filterkomponente 210 mit der Druckausgleichskomponente 230 und darauffolgend mit der Druckverminderungskomponente 220 (d.h. der Vielzahl von Wirbelkammern 130) in direkter Kommunikation stehen. Alternativ kann die Filterkomponente 210 wie durch die 8-15 veranschaulicht entlang der Trägerplatte 250 positioniert sein. Die Filterkomponente 210 kann eine Fluidkommunikation mit der Schaltung 110 von einem Fluid aus ermöglichen, welches durch das Rohr 300 hindurch strömt. Die Filterkomponente 210 kann entlang der Tragstelle 250 mit einem Einlassabschnitt in Fluidkommunikation stehen, um mit der Schaltung und der Vielzahl von Wirbelkammern 130 zu kommunizieren. Eine vorstehende 3D-Filterkomponente kann den Fluideingang zu der Schaltung in Richtung des Inneren der Röhre und entfernt von einer Ebene halten, auf welcher sich Kies und Schutt absetzen, wenn das System nicht in Betrieb ist. Die Filterkomponente 210 kann in dieser Ausgestaltung (nicht abgebildet) durch die Grundplatte 250 hindurch vorstehen oder kann entlang der Grundplatte 250 in Richtung des Massestrombereichs positioniert sein, welcher eine Strömung höherer Geschwindigkeit hat als die Ränder des Rohrs 300. Dies trägt dazu bei, zu verhindern, dass Schutt in das System eintritt.
Beim Betrieb kann ein Fluid vor einem Versprühen aus dem Auslass 270 an die Umgebung aus einem Anordnungseinlass an der Filterkomponente 210, der Druckverminderungskomponente 220 und der Druckausgleichskomponente 230 durch die Anordnung 100 hindurch strömen. 14 veranschaulicht ein Beispiel für den Betrieb der vorliegenden Anmeldung, wobei Pfeile die Strömung eines Fluids durch die Anordnung 100 hindurch kennzeichnen. Ein Fluid kann zuerst durch die Filterkomponente 210 eintreten, um Schutt oder Kies aus dem Fluid zu entfernen. Das Fluid kann dann strömen, um auf einer dem Fluid zugewandten Seite (Oberseite) der Blende 235 der Druckausgleichskomponente 230 aufzutreffen. Das Fluid tritt dann in die Druckverminderungskomponente 220 ein, welche die Reihe von Wirbelkammern 130 aufweist, welche entlang der ersten Seite 112 und der zweiten Seite 114 der Schaltung 110 ausgerichtet sind. Die Strömung kann durch die Einlässe 180 und die Hälse 170 der Vielzahl von Wirbelkammern 130 durch die Einlassbereiche 140, die Leistungsdüsen 150 und die Wechselwirkungsbereiche 160 darin verlaufen, was durch Bereitstellen eines gewissen Druckverlusts keine Wirbelströmung erzeugt und einen Fluiddruck vermindert. Wenn die Strömung die Vielzahl von Wirbelkammern 130 durchlaufen hat, kann die Strömung in die Druckausgleichskomponente 230 an einer gegenüberliegenden Seite (Unterseite) der Blende 235 eintreten. Die Druckausgleichskomponente 230 kann eine Druckdifferenz bereitstellen, welche zu der Verformung der Blende führt, um eine kleine Öffnung zwischen der verformten Blende und einem Ausgangsloch 238 zu bilden, welches ausgelegt ist, einen Überschuss der Druckverlusts zuzuführen und eine angestrebte Strömungsrate zu erreichen. Die Strömung kann dann durch den Auslass 270 an die Umgebung verteilt werden.
Die Leistung der offenbarten Anordnung wurde auf Grundlage des Koeffizienten der Emittereffizienz Ef optimiert. Dieser Kennwert wird durch eine Geometrie maximiert, welche einen hohen Druckverlust KI produziert, obwohl eine große minimale Strömungsfläche Amin und eine kleine Gesamtfläche Ackt vorliegt. Die Wirbelkammern 130 funktionieren durch Beschleunigen eines Fluids durch deren durch den Konvergenzwinkel CA definierten Durchgang, woraus sich eine minimale Querschnittsfläche ergibt, welche als die Leistungsdüse 150 bezeichnet wird. Die lineare Geschwindigkeit des aus der Leistungsdüse 150 austretenden Fluids wird innerhalb des kreisförmigen Wechselwirkungsbereichs 160 in Rotation versetzt, bevor es durch einen konzentrisch platzierten kreisförmigen Hals 170 austritt und dann in einen darauffolgenden Einlassbereich 140 der nächsten Wirbelkammer 130 eintritt.
In einer Ausführungsform kann die Schaltung wie in den 2, 3 und 14 veranschaulicht einen Abschnitt der Druckausgleichskomponente 230 aufweisen, welche innerhalb des Einheitskörpers 120 definiert ist und mit einer Vielzahl von Wirbelkammern 130 kommuniziert. Die Druckausgleichskomponente 230 kann einen vertieften Bereich 232 mit einem Vorsprung 236 zur Aufnahme der Blende 235 aufweisen. Die Blende 235 kann den vertieften Bereich 232 in eine erste Zone 330, welche mit der ersten Seite 112 der Schaltung 110 kommuniziert, und eine zweite Zone 332 teilen, welche mit der zweiten Seite 114 der Schaltung 110 kommuniziert. Eine Bodenfläche 334 kann entlang der zweiten Zone 332 vorhanden sein und eine Vielzahl von radial positionierten Ausnehmungen 236 aufweisen, welche von einem Ausgangsloch 238 beabstandet sind, welches mit dem Auslass 270 fluchtet. Hierbei kann der Auslass 270 in der Trägerplatte 262 definiert sein und die Trägerplatte 260 kann an der der Grundplatte 250 gegenüberliegenden Seite der Schaltung 110 fluchten. Die Blende 235 kann sich beim Betrieb innerhalb der zweiten Zone 332 des ausgesparten Bereichs 232 in Richtung der Ausgangslöcher 238 biegen und kann die Strömung eines Fluids und einen Druckpegel als Fluidaustritt durch die Ausgangslöcher 238 drosseln. Das Ausgangsloch 238 kann innerhalb eines Sockels 336 auf der Bodenfläche 334 innerhalb der zweiten Zone 332 positioniert sein und ein Kanal oder Überlauf 338 kann innerhalb des Sockels 336 definiert sein, um eine Fluidkommunikation zwischen der zweiten Zone 332 und dem Ausgangsloch 238 zu ermöglichen. Dies kann eine Druck- und Fluidregulierung unterstützen, wenn die Blende 235 gebogen wurde, um an dem Ausgangsloch 238 anzuliegen. Diese Ausgestaltung kann die ordnungsgemäße Funktion und Regulierung einer Fluidströmung und eines Drucks durch die Anordnung 100 ermöglichen und einen Exponentenwert von ungefähr 0 bereitstellen.
Die Vielzahl von radial positionierten Ausnehmungen 236 kann es einem Fluid ermöglichen, innerhalb der zweiten Zone 332 zwischen der Unterseite der Blende 235 und der Trägerplatte 260 zu strömen, um es einem Fluid zu ermöglichen, durch den Überlauf 338 hindurch zu gelangen und aus dem Ausgangsloch 238 auszutreten. Der Auslass 270 der Trägerplatte 260 kann an dem Ausgangsloch 238 und einem Loch (nicht abgebildet) entlang des Rohrs 300 für an die Umgebung zu versprühendes Fluid ausgerichtet sein.
16 veranschaulicht ein Schaubild, welches Testdaten einer Durchschnittsströmung im Verhältnis zur Korngröße für vier unterschiedliche Bewässerungsemitter-Anordnungen zeigt. Dieser „Kies-Test“ ist ein industrieller Standardleistungstest zur Messung der Druck- und Strömungsverhältnisse sowie Verstopfungssicherheit. Dabei wird ein Fluid durch eine Auswahl an Emittern rezirkuliert und größere Kiespartikel mit einer Kieskonzentration von 250 PPM werden nach und nach einzeln hinzugegeben, wobei das Fluid bei einem Betrieb bei 1,5 LPH in einem Strömungsbereich von 15 psi letztendlich eine Endkonzentration von ungefähr 2750 PPM erreichte. Die ersten drei Schaubildlinien stellen Tests dar, welche unter Verwendung von Bewässerungsemitter-Anordnungen durchgeführt wurden, welche bekannte Anordnungen sind und „Vergleichsemitter Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3“ genannt wurden. Diese Anordnungen sind gegenwärtig auf dem heutigen Markt verfügbar und weisen nicht die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Merkmale, einschließlich der Wirbelschaltung 110, auf. Die vierte und fünfte Schaubildlinie stellen zwei Tests dar, welche an der vorliegenden Emitter-Anordnung, aufweisend die oben beschriebenen und „Offenbarte Emitterversuche Nr. 1 und Nr. 2“ genannte Wirbelschaltung, durchgeführt wurden. Das Schaubild stellt die gemessene durchschnittliche Strömungsrate durch die Anordnungen als verschiedene Größen von Kies oder Partikeln, welche dem Fluid mit der Zeit hinzugegeben wurden, dar. Die Y-Achse stellt die durchschnittliche Strömungsrate Q in Liter pro Stunde (LPH) dar und die X-Achse stellt die Korngröße dar, wobei die geringere Zahl einen gröberen Körnungswert darstellt. Wie durch das Schaubild aus 16 dargestellt, zeigen die Schaubildlinien, dass die durchschnittliche Strömungsrate Q im Zuge einer Erhöhung der Korngröße, welche stetig gröber wurde, für die Vergleichsemitter Nr. 1, 2 und 3 nach einer Korngröße von ungefähr 140 bis 70 steil abfiel. Im Vergleich dazu veranschaulichen die Offenbarten Emitterversuche Nr. 1 und Nr. 2, dass die durchschnittliche Strömungsrate für die vorliegende Emitter-Anordnung 100, welche die Wirbelschaltung 110 der vorliegenden Anmeldung aufweist, im Zuge einer stetigen Erhöhung der Korngröße eine verhältnismäßig konstante durchschnittliche Strömungsrate erbrachte. Die gemessene durchschnittliche Strömungsrate Q über der Zeit betrug ungefähr 1 LPH bis 4 LPH. Es sei angemerkt, dass Messungen alle 30 Minuten vorgenommen wurden, wenn bei diesen Tests zusätzlicher Kies, bei dem eine zunehmende Grobheit gemessen wurde, in die Strömung eines Fluids eingeleitet wurde.
17 veranschaulicht ein Schaubild, welches verschiedene Tests der Wirbelemitter-Anordnung 100 abbildet, welche die Wirbelschaltung 110 der vorliegenden Offenbarung aufweist und die Druckausgleichskomponente 230 aufweist. Dieses Schaubild ist ein P-Q-Schaubild, bei dem ein Druck und eine durchschnittliche Strömungsrate der gemessenen Anordnungen 100 ermittelt wurden. Diese Daten zeigen, dass für neun (9) unterschiedliche Tests verschiedener Prototypen der vorliegenden Anordnung 100 der an dem Auslass der Anordnung 100 gemessene Pegeldruck (psi) über ein breites Spektrum von Strömungsraten Q (mL/min) auf einem verhältnismäßig konstanten Pegel gehalten werden konnte. Hierbei behielt jeder der gemessenen Prototypen eine Strömungsrate zwischen ungefähr 23 psi bis 28 mL/min bei, sobald sich ein Druck von ungefähr 5 psi auf ungefähr 40 psi erhöhte.
Obwohl die Testdaten der Anmelderin zeigen, dass in einem einzelnen Wirbel 130 der Wert der Emittereffizienz Ef für einen größeren Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD höher sein kann, können die geringfügigen Druckverluste der Schaltung auftreten, wenn eine Strömung durch die Leistungsdüse 150 in den Wechselwirkungsbereich 160 eintritt, wenn eine Strömung von dem Wechselwirkungsbereich 160 zu dem Hals 170 verläuft, wenn eine Strömung von dem Hals 170 zu dem Ausgangsdurchmesser verläuft, und verschiedene statische Biegungen, die ablaufen, müssen hindurchlaufen, um entweder die Anordnung zu verlassen, oder zu einer Druckausgleichsvorrichtung 230 hindurchlaufen - was sich beides zu einem nicht unerheblichen Druckabfall summieren kann. Die Schaltung kann ein Gleichgewicht all dieser Wirkungen, also nicht nur der Wirbelstärke der Schaltung, sondern zusätzlicher Druckverluste sein.
Wie oben erwähnt kann die Wirbelemitter-Anordnung 100 der vorliegenden Offenbarung als Spritzgussbauteil hergestellt werden. Sie kann statisch, ohne sich bewegende Teile oder dynamisch, mit einer Druckausgleichsvorrichtung zur Unterstützung einer Druckveränderung sein. Die Wirbelemitter-Anordnung 100 kann an einer Innenseite des Rohrs 300 angebracht sein und kann eingeführt und angebracht werden, wenn das Rohr als Teil eines Tropfbewässerungssystems extrudiert bzw. stranggepresst wird. Das Rohr 300 des Tropfbewässerungssystems kann auf einem landwirtschaftlich genutzten Feld platziert werden und es kann Wasser eingepumpt werden. Die Emitter-Anordnungen 100 können die Hochdruckströmung innerhalb des Rohrs aufnehmen und eine angestrebte Strömungsrate produzieren (welche in Abhängigkeit der Anforderungen der Umgebung, des Geländes oder der Pflanzen, welche bewässert werden, ausgewählt werden kann).
Die Wirbelemitter-Anordnung 100 der vorliegenden Offenbarung und die offenbarten Druckverminderungselemente 220 stellen eine höhere Effizienz als herkömmliche Schwenk- oder Sprinklersysteme bereit. Die Emitter 100 stellen nicht nur die zweckmäßige Druckabsenkung bereit; sie sind auch gegenüber einer Verstopfung von Kies oder Schutt in verfügbarem Grundwasser beständig. Gemäß der vorliegenden Offenbarung sorgt ein neu entwickelter Prototyp eines verstopfungssicheren leitungsinternen Wirbelelement-Bewässerungsemitters für eine höhere Druckabsenkung für dessen physikalische Abmessungen als vergleichbare Vorrichtungen aus dem Stand der Technik (wie oben beschrieben). Die großen Abmessungen und der in jeder Kammer 130 erzeugte Wirbel tragen dazu bei, Schutt und Kies durch das System zu spülen. Die kleinere Schaltungsbaugruppe spart in Verbindung mit der natürlichen Aushöhlung, welche bei der Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung auftritt, Schaltungsmasse ein. Dies spart Kosten für eine Bewässerungsanordnung und ermöglicht es, Teile mit einer dünnwandigeren Leitung zu verwenden, da die Innenwand-Leitung eine geringere, zum Bonden von Schaltungen zu erhitzende Masse erfordert.
Die Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung reguliert natürlich einen Druck. Die Schaltung 110 optimiert die Höhe eines Exponenten. Der Exponent einer optimierten Wirbelschaltung der vorliegenden Offenbarung kann gegenüber einer Standardöffnung (aus dem Stand der Technik), welche einen Exponenten von 0,5 aufweist, gerade einmal 0,3 erzielen. In Bezug auf die Strömung bedeutet dies, dass die Strömungsänderung nur geringfügig zunimmt, während sich der Druck erhöht.
18 veranschaulicht ein Schaubild, welches die gemessenen Exponentenwerte abbildet, welche den verschiedenen Tests der Prototypen der durch 17 dargestellten Wirbelemitter-Anordnung 100 entsprechen. Hierbei wurde ermittelt, dass jeder der getesteten Prototypen einen Exponentenwert hat, welcher geringer als ungefähr 0,14 und gerade einmal ungefähr 0,04 betrug. Das Hinzufügen der Druckausgleichskomponente 230 zu der Druckverminderungskomponente 220 der vorliegenden Offenbarung sorgt für einen Exponenten von ungefähr 0, sodass sich eine Strömung der Schaltung bei jedweder Veränderung eines Drucks nicht erhöht. Die Wirbelschaltung 110 der vorliegenden Offenbarung kann in Kommunikation mit einer Druckausgleichskomponente (PC-Komponente) 230 verwendet werden, welche eine Blende 235 aufweist. Die Schaltung 110 kann jedoch auch in einer Anordnung 100 ohne Druckausgleichskomponente (PC-Komponente) 230 verwendet werden, in welcher der relevante Bereich von Bewässerungsdrücken und -strömungen, der Exponentenbereich von 0,3 ausreichen sollte, um eine Überwässerung der angestrebten Umgebung zu verhindern. Diese Vorrichtung ermöglicht das Hinzufügen eines Druckausgleichs, doch bei natürlich strömenden Schaltungen ohne PC bietet der geringe Exponent der Wirbelschaltung 110 eine Kombination aus einer Strömungssteuerung und Kosten in einem Nicht-PC-Teil.
Obwohl gemäß der Patentvorschriften die beste Betriebsart und bestimmte Ausführungsformen der Offenbarung dargelegt wurden, ist der Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt, sondern viel mehr durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche. Somit sind weitere Abwandlungen innerhalb des Geistes und Schutzumfangs dieser Offenbarung möglich und einem Fachmann ersichtlich.
Obwohl die vorliegenden Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht und in der vorangehenden ausführlichen Beschreibung beschrieben wurden, wird angemerkt, dass die Wirbelemitter-Anordnungen nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sind, sondern dass an den hier beschriebenen Systemen und Anordnungen zahlreiche Umstellungen, Modifikationen und Ersetzungen vorgenommen werden können. Das Ausführungsbeispiel wurde unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Selbstverständlich werden einem Fachmann nach der Durchsicht und Kenntnis der vorstehenden, ausführlichen Beschreibung Modifikationen und Änderungen ersichtlich. Dementsprechend dient die vorliegende Beschreibung dem Zweck, sämtliche derartigen Änderungen, Modifikationen und Variationen zu umfassen, welche im Geist und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen. Soweit der Ausdruck „umfassen“ oder „beinhalten“ entweder in der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet wird, soll ein solcher Ausdruck einschließend sein, in der Weise ähnlich dem Ausdruck „aufweisen“, so wie „aufweisend“ ausgelegt wird, wenn es als Überleitungswort in einem Anspruch verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62515973 [0001]
US 4226368 [0006]
US 5628462 [0008]

Claims

Wirbelemitter-Anordnung für ein leitungsinternes Bewässerungsrohr, aufweisend: einen Einheitskörper, welcher einen Einlass, einen Auslass und einen mehrlumigen Strömungskanal dazwischen definiert, der eine Fluidkommunikation zwischen dem Einlass und dem Auslass bereitstellt; wobei der Emitter als doppelseitige Schaltung und Vielzahl von in Reihe ausgerichteten Wirbelkammern mit Lumen eingerichtet ist; wobei die Wirbelkammern jeweils einen Einlassbereich, eine Leistungsdüse, einen Wechselwirkungsbereich und einen Hals mit optimierten Abmessungen aufweisen, um einen Druckabfall einer Fluidströmung herbeizuführen; und wobei die Wirbelschaltung für eine Emittereffizienz Ef optimiert ist, wobei Ef= (k/Ackt)*Amin derart, dass k ein einheitsloser Druckverlustkoeffizient ist, Ackt der Flächeninhalt der Schaltung ist und Amin die minimale Querschnittsfläche der Schaltung ist.
Wirbelemitter nach Anspruch 1, wobei ein höheres k pro gegebener Fläche mit größeren Abmessungen ein kleineres Teil mit einer verringerten Verstopfungswahrscheinlichkeit ermöglicht.
Wirbelemitter-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reihe von Wirbelkammern und Lumen konvergierende Verwirbelungen und Strömungen mit einem optimierten Konvergenzwinkel erzeugen.
Wirbelemitter-Anordnung für ein leitungsinternes Bewässerungsrohr, aufweisend: eine Wirbelschaltung mit einem Einheitskörper, aufweisend eine doppelseitige Schaltung mit einer Vielzahl von Wirbelkammern mit mehrlumigen Strömungskanälen dazwischen, welche eine Fluidkommunikation zwischen einem Einlass und einem Auslass der Wirbelschaltung bereitstellen; jede Wirbelkammer einen Einlassbereich, eine Leistungsdüse, einen Wechselwirkungsbereich und einen Hals mit optimierten Abmessungen aufweist, um einen Druckabfall einer Fluidströmung darin zu erzeugen; und wobei die Reihe von Wirbelkammern und Lumen konvergierende Verwirbelungen und Strömungen mit einem optimierten Konvergenzwinkel erzeugen.
Wirbelemitter-Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Wirbelschaltung für eine durch die folgende Gleichung definierte Emittereffizienz optimiert ist: Ef = (k/Ackt)*Amin, wobei k ein einheitsloser Druckverlustkoeffizient ist, Ackt der Flächeninhalt der Schaltung ist und Amin die minimale Querschnittsfläche der Schaltung ist.
Wirbelemitter-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, ferner umfassend eine Filterkomponente und eine Druckausgleichskomponente.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Wirbelemitter-Anordnung eingerichtet ist, um entlang einer Innenfläche eines Rohrs positioniert zu sein, um eine gewünschte Menge an druck-beaufschlagtem Fluid aus dem Rohr an die Umgebung zu verteilen.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei eine Vielzahl von Wirbelemitter-Anordnungen entlang der Innenfläche des Rohrs positioniert sind.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei ein höheres k pro gegebener Fläche mit größeren Abmessungen ein kleineres Teil mit einer verringerten Verstopfungswahrscheinlichkeit ermöglicht.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Konvergenzwinkel durch eine Umfangswand der Wirbelkammer, welche sich von einem Scheitel der Leistungsdüse entlang des Einlassbereichs erstreckt, und eine gegenüberliegende Wand entlang des Einlassbereichs definiert ist, wobei der Konvergenzwinkel zwischen etwa 45° und etwa 80° liegt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei der Konvergenzwinkel ungefähr 55° beträgt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei die Leistungsdüse eine Breite Pw und eine Tiefe Pd aufweist, wobei die Leistungsdüsenbreite Pw ein Verhältnis zu der Leistungsdüsentiefe Pd aufweist, welches im Bereich von ungefähr 0,75:1 bis ungefähr 1,25:1 liegt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei die Leistungsdüse eine Breite Pw und eine Tiefe Pd aufweist, wobei die Leistungsdüsenbreite Pw ein Verhältnis zu der Leistungsdüsentiefe Pd aufweist, welches ungefähr 1:1 beträgt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei der Wechselwirkungsbereich einen Durchmesser IRD aufweist und die Leistungsdüse eine Breite Pw aufweist, wobei der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD ein Verhältnis zu der Leistungsdüsenbreite Pw aufweist, welches im Bereich von ungefähr 2:1 bis ungefähr 3:1 liegt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, wobei das Verhältnis zwischen dem Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD und der Leistungsdüsenbreite Pw ungefähr 2,15:1 beträgt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, wobei der Wechselwirkungsbereich einen Durchmesser IRD aufweist und der Hals einen Durchmesser Td aufweist, wobei der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD ein Verhältnis zu dem Halsdurchmesser aufweist, das im Bereich von etwa 1,49:1 bis etwa 3,89:1 liegt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, wobei das Verhältnis zwischen dem Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD und dem Halsdurchmesser Td etwa 2,69:1 beträgt.
Wirbelemitter-Anordnung für ein leitungsinternes Bewässerungsrohr, aufweisend: eine Grundplatte; eine Wirbelschaltung mit einem Einheitskörper mit einer Vielzahl von Wirbelkammern, welche entlang einer ersten Fläche definiert sind, und einer Vielzahl von Wirbelkammern, welche entlang einer gegenüberliegenden zweiten Fläche definiert sind, wobei jede Wirbelkammer einen Einlassbereich, eine Leistungsdüse, einen Wechselwirkungsbereich und einen Hals mit optimierten Abmessungen aufweist, um einen Druckabfall einer Fluidströmung darin herbeizuführen; eine Trägerplatte, wobei die Grundplatte an der ersten Seite der Wirbelschaltung angebracht ist und die Trägerplatte an der gegenüberliegenden zweiten Seite der Wirbelschaltung angebracht ist; eine Filterkomponente, welche mit der Wirbelschaltung in Fluidkommunikation steht; und eine Druckausgleichskomponente, welche mit der Wirbelschaltung in Fluidkommunikation steht.
Wirbelemitter-Anordnung nach Anspruch 18, ferner aufweisend einen Konvergenzwinkel, welcher durch eine Umfangswand der Wirbelkammer, welche sich von einem Scheitel der Leistungsdüse entlang des Einlassbereichs erstreckt, und eine gegenüberliegende Wand entlang des Einlassbereichs definiert ist, wobei der Konvergenzwinkel zwischen etwa 45° und etwa 80° liegt.
Wirbelemitter-Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Leistungsdüse eine Breite Pw und eine Tiefe Pd aufweist, wobei die Leistungsdüsenbreite Pw ein Verhältnis zu der Leistungsdüsentiefe Pd aufweist, das im Bereich von etwa 0,75:1 bis etwa 1,25:1 liegt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der Wechselwirkungsbereich einen Durchmesser IRD aufweist und die Leistungsdüse eine Breite Pw aufweist, wobei der Wechselwirkungsbereichsdurchmesser IRD ein Verhältnis zu der Leistungsdüsenbreite Pd aufweist, das im Bereich von etwa 2:1 bis etwa 3:1 liegt.
Wirbelemitter-Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei der Wechselwirkungsbereich einen Durchmesser IRD aufweist und der Hals einen Durchmesser Td aufweist, wobei der Wechselwirkungsbereichsdurchmessers IRD ein Verhältnis zu dem Halsdurchmesser Td aufweist, das im Bereich von etwa 1,49:1 bis etwa 3,89:1 liegt.