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Automatischer nicht-gefrierender Wasserhahn für Wasserinstallationen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserhahn für Wasserinstallationen und
insbesondere einen solchen Wasser hahn, der mit einer automatischen Vorrichtung
versehen ist, die das Gefrieren des Hahnes im Winter verhindert.
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Um das Einfrieren eines Wasserhahnes in kalten Gegenden zu verhindern,
war man bis Jetzt gezwungen, das Wasser während der Nacht laufen zu lassen, so daß
es nicht gefrieren konnte. Dieses Verfahren ist Jedoch wegen des Wasserverlustes
nachteilig. Eine andere Möglichkeit, das Einfrieren zu verhindern,bestand bis Jetzt
darin, ein Abflußventil am Wasserhahn vorzusehen, das in der Nähe der Hauptwasserleitung
und im Boden angeordnet ist. Die Nachteile dabei sind, daß das Ventil Jeden Abend
betätigt werden muß und daß wenn dies vergessen wurde, große Mühe zum Auftauen
des
Eises erforderlich war, wobei außerdem die Installatinskosten unnötig hoch waren.
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Die vorliegende Erfindung geht von den folgenden bekannten physikalischen
Eigenschaften des Wassers aus:ruhendes Wasser weist normalerweise eine sehr geringe
Wärmeleitfähigkeit auf, wobei der Wärmeaustausch zwischen zwei Bereichen mit ruhendem
Wasser als auch zwischen ruhendem Wasser und dem es umgebenden Gehäuse im wesentlichen
durch Wasserfluß übertragen wird, während beim Gefrieren ruhenden Wassers erhebliche
Zeit dazu benötigt wird, die Wärme beim Übergang des Wassers vom flüssigen in den
festen Zustand abzugeben, da ein großer Betrag an latenter Wärme frei wird.
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Bekanntlich beginnt das Frieren von Wasser in einer Leitung am Wasserhahn,
der der kalten Luft ausgesetzt ist, und schreitet dann in Richtung Wasserleitung
fort. Erfindungsgemäß wird nun ein komplettes Einfrieren der Leitung dadurch verhindert,
daß für kurze Zeit das beinahe gefrierende Wasser automatisch abgelassen wird und
durch Wasser ersetzt wird, das in der unterirdischen Hauptleitung, die nicht direkt
der Kälte ausgesetzt ist, eine höhere Temperatur aufweist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigen: Figur 1 eine äußere Ansicht eines erfindungsgemäßen Wasserhahns, Figur
2 eine Seitenansicht eines Längs schnitts durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel,
Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie 111-1 II des in Figur 2 dargestellten Wasserhahns,
wodurch eine Draufsicht auf den an der Grenze zwischen der oberen und der unteren
Kammer im Hauptkörper ange3rdneten Kolben dargestellt ist, Figur 4 eine Seitenansicht
eines Schnittes durch den in Figur 3 dargestellten Kolben und durch ein Entleerungsventil,
Figur
5 eine schematische Darstellung der Hubbegrenzung des Kolbens, Figur 6 ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel des Gefrierventils im Schnitt und Figur 7 eine Seitenansicht
des in Figur 6 dargestellten Gefrierventils.
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In-Figur 1 ist die äußere Ansicht eines erfindungsgemäßen Wasserhahnes
dargestellt. Der innere Raum des aus wärmeisolierendem Material bestehenden Hauptkörpers
1 ist in eine obere Kammer, die nicht gefrorenes ruhendes Wasser aufweist, und eine
untere Kammer, die direkt mit der unterirdischen Hauptleitung verbunden ist, aufgeteilt;
zwischen der Verbindung iA zur Hauptleitung und der oberen Kammer 1B ist ein besonderes
Gefrierstück 2 angeordnet, das so ausgestaltet ist, daß es zuerst gefriert, insbesondere
bevor die obere Kammer gefriert; an der Grenzschicht zwischen der oberen Kammer
1B und der unteren Kammer 1C ist ein Ventil angeordnet, so daß eine Durchtrittsöffnung
für eine geringe Wassermenge durch die Grenzschicht gegeben ist, und zwar unter
der Druckdifferenz, die nach der Eisbildung im Gefrierstück 2 auftritt und die verwendet
wird, um das in diesem Gefrierstück sich bildende Eis zum Schmelzen zu bringen,
wodurch dieses Gefrierstück als ein Ventil dient, das auf dem Prinzip der Eisbildung
und Enteisung arbeitet.
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Durch die Ventilfunktion des Gefrierstückes wird das beinahe -gefrierende
ruhende Wasser in der oberen Kammer 1B augenblicklich entleert, so daß das Eis im
Gefrierstück durch den Nachfluß des etwas wärmeren Wassers in der unterirdischen
Leitung mittels Wärmeaustausch völlig schmilzt, wonach der frühere Zustand durch
das Gleichgewicht zwischen den beiden hydraulischen Drucken wieder hergestellt wird,
von denen der eine in der.
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oberen Kammer und der andere in der unteren Kammer herrscht und wobei
eine gewisse Zeit gewonnen wird, bis sich die Anordnung in einem erneuten beinahe
- gefrierenden Zustand befindet.
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Von diesem grundsätzlichen Prinzip geht die vorliegende Erfindung
aus.
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In den warmen Jahreszeiten kann der Wasserhahn normal manuell bedient
werden, wobei der Schaft des Drehgriffes 3 gedreht wird, um das Entleerungsventil
zu öffnen und demgemäß die gewünschte Wassermenge auslaufen zu lassen, wie es bei
gewöhnlichen Wasserhähnen der Fall ist. Die Leitung 4 in Figur 1 ist eine direkte
Verbindung von der Hauptleitung zur unteren Kammer. Mit 1D ist weiterhin ein Wasserauslaß
bezeichnet.
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Die Teile des Hauptkörpers 1 mit Ausnahme des Gefrierstückes können
aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Hart-PVC, bestehen.
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Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsstück
10 mit der nicht dargestellten Hauptleitung verbunden mit einer wärmeisolierenden
Abdeckung versehen und derart angeordnet, daß die Auslaßöffnung 1D nach unten gerichtet
ist.
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Das durch die Einlaßöffnung 1A eintretende Wasser gelangt sowohl über
eine Leitung 5 direkt in die innerhalb des Hauptkörpers angeordnete untere Kammer
1C, während ein Teil des Wassers durch das Gefrierstück, das aus einem wärmeabstrahlendem
Teil aus wärmeleitendem Metall besteht, in die im Hauptkörper angeordnete obere
Kammer 1D gelangt.
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Der Drehgriff 3 aus Hart-PVC, der den oberen Teil des Hauptkörpers
glockenförmig umfaßt, ist mit einem sich nach oben erstreckenden metallischen hohlen
Schaft 12 verbunden, der wiederum in Schraubverbindung mit einem Metallgehäuse 11
steht, das die obere Kammer 1B dicht abschließt.
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Der Schaft 12 ist mit einer Entleerungsspindel 13 über ein
bewegliches
Ventil verbunden, das an der Grenzschicht zwischen der oberen Kammer und der unteren
Kammer vorgesehen ist, wobei die Ventilspindel 13 an ihrem Ende mit einem Entleerungsventil
15 aus Gummi versehen ist, das mit dem an der Auslaßöffnung angeordnetem Ventilsitz
derart zusammenarbeitet, daß beim Drehen des Griffes 3 das Ventil 15 geöffnet wird,
so daß eine beliebige Menge Wasser aus der Auslaßöffnung 1D ausfließt.
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Um nun das Wasser in der oberen Kammer gerade dann zu ersetzen, wenn
es kurz vor dem Gefrieren ist, weist die Grenzschicht zwischen der oberen Kammer
1B und der unteren Kammer 1C ein bewegliches Ventil auf, das eine Hart-PVC-Scheibe
16 und ein Kolbenteil 17 enthält.
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Die auf einer Gummidichtung 16a ruhende bewegliche Scheibe 16 weist
eine zentrale Welle 18 auf, die in den Hohlschaft 12 eingreift und mit einer ringförmigen
Dichtung 19 abgedichtet ist, so daß sie während des normalen Wasserablaufens leicht
gegen das obere Ende der Spindel 13 gedrückt wird. Wie Figur 3 zeigt, ist die obere
Fläche des Kolbens 17 mit flachen Entleerungsrillen 17a versehen, deren Tiefe ungefähr
1 mm beträgt. Durch diese Entleerungsrillen 17a wird eine geringe Wassermenge in
die zentrale Öffnung der rohrförmigen Spindel 13 geleitet, wenn eine Druckdifferenz
zwischen der oberen und der unteren Kammer auftritt (wie es der Fall ist, wenn das
Gefrierstück durch Eis blockiert ist), so daß hierdurch eine Steuerung der Enteisung
im Gefrierstück 2 erzielt wird.
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Bei normaler Wasserentnahme bleibt die Oberflihe der Scheibe 16 in
der Zwischenschicht gegen die Spitze der Spindel 13 gedrückt, so daß die Bewegung
des Griffes 3 direkt auf das Entleerungsventil 15 übertragen wird, welches demzufolge
entweder auf den Ventilsitz 14 gedrückt oder entsprechend der Drehrichtung des Griffes
3 angehoben wird.
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Um diesen eben beschriebenen Effekt zu erzielen, ist innerhalb
der
Öffnung 12a des Hohlschaftes 12 eine Druckfeder 20 angeordnet, die ihre Kraft auf
die zentrale Welle 18 der Scheibe über eine Hohlmutter 21 ausübt und deren Anpreßdruck
über eine Einstellschraube 22 geregelt werden kann. Bei dem angegebenen Ausführungsbeispiel
ist die obere Fläche der Scheibe 16 dem Atmosphärendruck ausgesetzt.
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Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, weist das Kolbenventil 17 eine ringförmige
Dichtung am gleitenden Umfang und an der Öffnung auf, in die die Spindel 13 eingreift,
während sein Hub auf den ungefähr 1,6 mm großen Raum zwischen den unteren Enden
der U-förmigen Bolzen 25 und des Haltebolzens 26 (Figur 5) beschränkt ist. Dieser
Raum von 1,6 mm ist so klein, daß während eines gewöhnlichen Wasserauslaufvorganges
sein Einfluß vernachlässigbar klein ist.
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Der Teil der metallischen Abdeckung 11, der in einer Schraubverbindung
mit dem Schaft 12 steht, erstreckt sich nach unten in die obere Kammer 1B, wobei
sein unteres Ende über eine ringförmige Dichtung 27 dicht mit dem unteren Teil des
Schaftes 12 verbunden ist. Die äußere Seite dieses sich nach unten erstreckenden
Teiles der Metallabdeckung 11 weist ein Gewinde auf, an dem ein Metallring 30 angeschraubt
werden kann, durch dessen Verstellung nach oben oder nach unten die effektive wärmeleitende
Fläche verändert werden kann. Ziel dieser E-nstellung ist es, die Zeit zu bestimmen,
innerhalb derer das ruhende Wasser in der oberen Kammer bis auf Oo C abkühlt, so
daß die Abkühlgeschwindigkeit des Wassers in der oberen Kammer durch entsprechende
Einstellung der wärmeabstrahlenden Metallfläche in Abhängigkeit vom Kältegrad der
Umgebung eingestellt werden kann Dadurch wird verhindert, daß das Wasser in der
oberen Kammer gefriert, bevor das Wasser in dem Gefrierstück gefrieren kann.
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Bei einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel zur Bestimmung
der Abkühlrate besteht der Hauptkörper 1 teilweise
aus Metall, das
in einstellbarer Weise von einem isolierenden Ring umgeben ist, so daß die wärmeabstrahlende
Metallfläche veränderbar ist.
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Das Gefrierstück 2 ist ein Gefrierventil, das so eingerichtet ist,
daß es gefriert, bevor die anderen Teile, und insbesonderedas ruhende Wasser in
der oberen Kammer, gefrieren und das durch das Schmelzen des Eises durch fließendes
Wasser wieder geöffnet wird.
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In den Figuren 6 und 7 ist ein bevorzuges Ausführungsbeispiel des
Gefrierventils dargestellt. Wie bereits im Zusammenhang mit Figur 1 dargestellt,
ist das Gefrierstück 2 im Verbindungsstück zwischen der oberen Kammer und dem Wassereinlaß
1A angeordnet.
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Aus Figur 6 wird deutlich, daß im Gefrierstück 2 ein Metallzylinder
31 angeordnet ist, der der kalten Umgebungsluft ausgesetzt ist und derìwie es Figur
2 zeigt, mit wärmeabstrahlenden Teilen, wie z.B. Kühlrippen oder Kühlstangen 32
versehen sein kann, die sich ringsrum erstrecken und dafür sorgen, daß das Gefrierstück
als erstes Teil des Wasserhahns gefriert.
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Das Gefrierventil erstreckt sich über den Querschnitt des Wasserzulaufs
im Gefrierstück und weist eine zentrale Öffnung 34a und verschiedene am Umfang angeordnete
Öffnungen 34b auf, so daß in Abwesenheit von Eis im Gefrierstück das Wasser durch
das Ventil 33 strömt. Bei geeigneter Wahl der Größe der Öffnung 34a und der Öffnungen
34b sowie ihre Anzahl kann nicht nur die Gefrierzeit bestimmt werden, sondern auch
die zum Wasserersatz notwendige Zeit, entsprechend der Zeit, die zwischen Abtauen
und Wasserfluß entsprechend dem Zyklus Gefrieren - Enteisung - Wasserfluß - Wassergleichgewicht
- Gefrieren vergeht.
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Bei dem in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das Ventil 33 auf beiden Seiten parabolischsum
eine vergleichsmäßig
gleichförmige Eisschicht zu erzielen, so daß eine leichte Eisbildung und eine leichte
Enteisung auftritt und die Schließfunktionen und Öffnungsfunktionen des Gefrierventils
zuverlässig reproduzierbar sind.
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Während des Gefriervorganges beginnt die Eisbildung am Umfang des
Gefrierventils 33, der in direktem Kontakt mit den Kühlrippen 32 steht, während
die zentrale Öffnung 34a als letztes vom Eis verschlossen wird;-#ährend des Schmelzvorganges
wird die zentrale Öffnung 34a zuerst freigegeben und anschließend die Umfangsöffnungen
34b. Danach fließt das Wasser aus der Hauptleitung durch die Öffnungen 34a und 34b,
um so das beinahe gefrierende Wasser in der oberen Kammer 1B zu ersetzen.
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In unmittelbarer Nachbarschaft der zentralen öffnung 34a des parabolischen
Ventils 33 bildet sich oftmals besonders weiches, mit Einschlüssen versehenes Eis,
das auch als Schneeis bezeichnet werden kann, so daß bei Verwendung dieses Schneeeises
zur Schließung der zentralen Öffnung 34a während des Gefrierprozesses nur eine geringe
Menge an fließendem Wasser zum Schmelzen erforderlich ist. Diese geringe Wassermenge
wird durch das Kolbenventil 17 gesteuert zur Verfügung gestellt und zwar unter dem
Einfluß der Druckdifferenz zwischen der oberen und der unteren Kammer, die sich
beim Schließen des Gefrierventils einstellt.
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Bei geeigneter Ausnutzung dieser Schneeisbildung können die Wasserdurchflußöffnungen
34a und 34b im Gefrierventil größer gemacht werden, so daß der effektive Wasserdurchfluß
etwas vergrößert wird, wodurch der Wasserdurchfluß während der Enteisungsphase vergrößert
wird und damit ein schnellerer Austausch des fast gefrierenden ruhenden Wassers
in der oberen Kammer 1B erzielt wird. Größere Öffnungen 34a und 34b bedeuten auch
größeren Widerstand gegen das Zusetzen mit
Kesselstein, so daß
die Wartungsintervalle entsprechend größer werden.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wies das Gefrierventil 33 Scheibenform
auf, wobei festgestellt wurde, daß die Eisbildung am Umfang beginnt und beim Fortschreiten
zur Mitte immer dünner wird, so daß eine parabolische Eisschicht entstand. Der Grund
für die Verwendung eines parabolischen Gefrierventils 33 entsprechend dem ersten
Ausführungsbeispiel ist die Anpassung der Ventilform an die natürliche Eisbildungsform,
so daß die Schneeisbildung leichter erzielt wird.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise des automatischen nicht gefrierenden
Wasserhahnes beschrieben. Zum vollen Verständnis der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen
nicht gefrierenden Wasserhahnes seien die folgenden Bemerkungen vorausgeschickt:
Da die obere Kammer 1B und die untere Kammer 1C durch die bewegliche Scheibe 26
und den Kolben 17,die beide aus Material geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, getrennt
sind, tritt kein Wärmeübergang vom ruhenden Wasser in der oberen Kammer 13 zum ruhenden
Wasser in der unteren Kammer 1C auf, solange das Wasser in Ruhe ist, so daß jeglicher
Wärmeübergang nur durch fließendes Wasser erfolgt. Da weiterhin der Raum oberhalb
des beweglichen Ventils 16 durch den Hohlschaft 12 unter Atmosphärendruck steht,
und von der Feder 20 eine nach unten wirkende Kraft auf das bewegliche Ventil 16
ausgeübt wird, und da weiterhin der Raum unterhalb des beweglichen Ventils 16 über
die Hohlspindel 13 mit dem in der Auslaßöffnung herrschenden atmosphärischen Druck
in Verbindung steht, ist das bewegliche Ventil 16 sowohl von der oberen Kammerseite
her als auch von der unteren Kammerseite her mit Atmosphärendruck beaufschlagt.
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Wird das Gefrierventil 33 durch Eis verschlossen, so steigt der Druck
des fast gefrierenden Wassers in der oberen Kammer 1B durch weitere Abkühlung, so
daß die Scheibe 16'des beweglichen Ventils
an der Grenzschicht
zwischen der oberen und unter Kammer angehoben wird und eine geringe Wassermenge
durch die Hohlöffnung in der Entleerungsspindel 13 abfließt. Durch dieses Abfließen
fällt der hydraulische Druck in der oberen Kammer unter den-Jenigen der unteren
Kammer IC, so daß der Kolben 17 aufgrund des hydraulischen ~Druckes in der unteren
Kammer angehoben wird mit dem Ergebnis, daß das Wasser im Raum oberhalb des Kolbens
durch die Entleerungsrillen 17a abfließt. Obwohl der durch die U-förmigen Bolzen
25 und die Anschlagbolzen 26 begrenzte Hub des Kolbens sehr klein ist (ungefähr
1,6 mm)1 steht der Kolbenbewegung aufgrund der Wasserentleerung kein Widerstand
entgegen.
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Durch den vom Kolbenhub des Kolbens 17 bewirkten Wasserfluß bricht
das Eis im Gefrierventil 33/ während die Spindel 13 durch die Kolbenverschiebung
angehoben wird, so daß das fast gefrierende ruhende Wasser in der oberen Kammer
völlig von etwas wärmerem Wasser aus der Haub leitung ersetzt wird. Das wärmere~TWasser
gelangt in die obere Kammer durch das Gefrierventil 33, das zu diesem Zeitpunkt
durch Abtauen vollständig geöffnet'ist. Aufgrund des Wärmeaustausches durch den
Wasserfluß sind nach kurzer Zeit die Wassertemperaturen und die hydraulischen Drucke
innerhalb des Hauptkörpers 1, d.h. zwischen der oberen und der unteren Kammer# gleichförmig,
so daß die Scheibe 16 und die Spindel 13 in ihre Ausgangsstellungen zurückkehren,
so daß die Schicht zwischen den beiden Kammern verschlossen wird und die Wasserentleerung
aufhört. Diese erreichte statische Gleichgewichtsbedingung hält an, bis das Gefrierventil
im Gefrierstück erneut durch Eisbildung aufgrund der Kälte der Umgebung geschlossen
wird, wobei eine gewisse Zeit verstreicht, bis ein neuer Gefriervorgang einsetzte
Nach dem erneuten Verschließen des Gefrierventils durch Eis beginnt derselbe Zyklus
von vorne: Gefrieren - Schmelzen -Wasserfluß - Entleerung und erneutes Füllen -
statisches Gleichgewicht - Gefrieren.
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Soll der erfindungsgemäße,automatischq nicht-gefrierende Wasserhahn
durch
gewöhnliche manuelle Bedienung entleert werden, so wird der Drehgriff 3 betätigt,
um das Entleerungsventil 15 anzuheben und so die gewünschte Wassermenge abzulassen,während
das bewegliche Ventil 16 durch die Feder 20 leicht gegen die Spindel 13 gedrückt
wird.
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Im folgenden werden einige experimentelle Werte bei Verwendung eines
erfindungsgemäßen Wasserhahnes in einem Gefrierraum angegeben.
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Temperatur im Gefrierraum: -150C Bei Verwendung von Wasser bei 130C
wurden folgende Zeitintervalle zwischen den Entleerungen gemessen: Das erste Mal:
ungefähr 45 min das zweite und alle folgende Male: ungefähr 30 min Entleerungsdauer:
ungefähr 20 sec Entleerungsmenge: ungefähr 1,0 1 Der erfindungsgemäße Wasserhahn
arbeitete sehr zuverlässig ohne Lecken.
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Da die Entleerungsmenge einstellbar ist, wird sie vorteilhafterweise
so groß gewählt, daß sie gerade derjenigen Menge Wasser entspricht, die den senkrecht
Leitungsteil füllt.
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Wie im einzelnen dargestellt wurde, ist der erfindungsgemäße Wasserhahn
in der Lage, das vollständige Einfrieren einer Wasserleitung automatisch zu verhindern
aufgrund des automatischen Ablassens eines kleinen Teils fast gefrorenen Wassers
für kurze Zeit, so daß ein Wärmeaustausch und ein Wasserersatz innerhalb des Hahnes
durch den Wasserfluß ermöglicht wird.
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Der nicht-gefrierende Wasserhahn für Wasserinstallationen verwendet
ein Gefrierstück, das zwischen einer oberen Kammer im Hahn mit ruhendem fast gefrierendem
Wasser und einer unteren Kammer mit ruhendem nicht-gefrierendem Wasser angeordnet
ist.
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Das Gefrierteil ermöglicht ein automatisches Öffnen und Schließen
eines
Ventils aufgrund des abwechselnden Gefrierens und Schmelzens von Wasser, wodurch
das Ventilöffnen durch das Schmelzen des Wassers erfolgt unter einer Druckdifferenz,
die während des Gefrierprozesses sich zwischen der oberen Kammer und der unteren
Kammer einstellt. Während des Öffnungsvorganges wird eine vorbestimmte Wassermenge
von der oberen Kammer entfernt und durch Wasser aus der unteren Kammer ersetzt,
so daß eine gewisse Zeit verstreicht, bevor das Wasser im Gefrierteil erneut gefriert,
wodurch der Hahn vor vollständigem Einfrieren geschützt ist.