低飞溅喷泉
相关申请的交叉引用
本申请要求在2018年2月6日提交的题为“低飞溅喷泉”的美国临时专利申请序列号62/626,983的优先权，其全部内容通过引入合并于此。
关于在联邦资助的研究和开发下所做的发明的权利的声明
不适用。
技术领域
本发明总体上涉及一种喷泉，更特别地，涉及一种简化的喷泉，该简化的喷泉包含使流向受水面的液体柱至少大致为层流以减少飞溅和噪声的措施。本发明还涉及一种操作这种喷泉的方法。
背景技术
喷泉广泛用于在可补充的基础上向容积提供液体。本文使用的术语“喷泉”适用于在从所限定的容积抽出液体的同时，在连续或间歇的基础上向该容积提供水或另一种液体的任何装置。一种这种类型的喷泉是“再循环喷泉”，其通常利用泵来使容积中的一部分或全部排出液循环。许多典型的再循环喷泉包括提升软管(在本文中被广泛定义为一个或更多个管道、软管和/或内部通道)、具有限定体积的周边壁的盆状件、以及通过提升软管将盆状件中的水提升到一定高度的泵。该泵通常(但不一定)是安装在盆状件内的水下泵。喷泉可在闭环基础上运行，或可与液体源耦合，该液体源补充被消耗、蒸发或以其他方式耗尽的液体。再循环喷泉具有大量的家庭、商业和工业用途，包括作为宠物和其他动物饮水器、人类饮水机、水生生物的栖息地以及用于产品、机器零件的清洗装置等。循环液可以是水、洗涤剂、溶剂等。
尽管各种再循环喷泉已经获得了可观的商业成功，但是仍然需要改进。例如，许多传统的喷泉(包括再循环喷泉)在液体流向盆状件中的液体表面下落时和/或当液体以足够的力撞击该表面而引起飞溅时，会产生大量飞溅和噪声，这通常会产生高分贝的流动声音。
喷泉运行期间产生的噪声和飞溅在许多应用中是不受欢迎的。例如，当喷泉是一种动物饮水装置时，飞溅可以导致在喷泉内和喷泉外形成水斑。大量积水能够导致细菌滋生，这不利于想要的清洁宠物饮水环境。另外，由流动的水引起的噪声可能破坏安静的家庭环境并引起宠物主人的分心和刺激。有些宠物也不情愿或不愿意喝溅出的水。另外，许多宠物饮水装置全天候连续运转，使得与该设备相关联的声音可能会对宠物和宠物主人在晚上的休息产生不利影响。
因此，需要的是一种能够减少与喷泉的运行相关联的飞溅和噪声的改进的喷泉。
还需要的是一种改进的喷泉，该喷泉使在喷泉周围循环的液体柱至少大致为层流。
还需要的是一种减少与喷泉的运行相关联的飞溅和噪声的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种包括盆状件、龙头和泵的喷泉。龙头还采用了减少运行过程中产生的噪声和/或飞溅的量的措施。例如，喷泉可被配置成在从喷泉流入盆状件中的液体柱中引起层流。水的层流导致水平稳地进入盆状件，同时最小化飞溅和噪声。
根据本发明的一个方面，喷泉可以是再循环喷泉，在该喷泉中，龙头被安装到盆状件上。盆状件包括底部和至少一个侧壁，并且被配置为接收来自龙头的液体。龙头可以从盆状件向上延伸至顶端，然后向下弯曲至形成喷口开口的出口端，该喷口开口被定向以产生朝向盆状件内部的竖直流或抛物线流。
根据本发明的另一个方面，提升软管可以从泵延伸到喷口开口。这样，提升软管能够类似地与龙头一起向上延伸至顶端，在这之后提升软管向下弯曲至喷口开口。能够使用泵通过提升软管将液体从盆状件输送到喷口开口的顶端，然后再落回到盆状件中。
在一些实施例中，泵可以将液体输送到龙头的最高处或顶端，在这之后液体主要或仅通过重力从顶端流出喷口开口并落入盆状件中，以形成层状或半层状柱。例如，这能够当离开喷口开口的液体的雷诺数小于4000时发生。更优选地，离开喷口开口的液体的雷诺数小于2000。
能够改变提升软管和/或喷口开口的各种特征，以实现所期望的最小噪声和飞溅。例如，在提升软管的顶端与盆状件之间的竖直距离可以为10-30厘米。替代地，能够改变提升软管的直径，例如为5-15毫米。另外，能够改变液体流出喷口开口的角度。例如，液体可以相对于竖直方向以0+/-75度的角度流出喷口开口。同样，液体可以以抛物线的形式流出喷口开口。能够设置和/或改变其他参数以改变从龙头到盆状件的水的流动，包括泵的功率、通过泵的流量、泵的升程以及喷口开口的形状。
根据本发明的另一个方面，喷泉可以包括位于喷泉内部的降速结构，该降速结构在液体流出喷口开口之前降低液体的速度。降速结构还可以在液体流出喷口开口时减少液体中的湍流。该降速结构可以直接位于喷口开口附近，或者它能够与喷口开口间隔开。在一个实施例中，降速结构包括多孔构件，该多孔构件可以是能够降低速度和湍流，同时仍允许液体从中通过的多种不同材料。例如，多孔结构可以是泡沫构件、滤网、过滤器和/或允许液体以合适的速率从中通过的任何其他可渗透材料。多孔结构还可以用作过滤器。
根据本发明的另一个方面，一个或更多个过滤器可以围绕喷泉安装，例如，在泵的入口或出口。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用再循环喷泉的方法。该方法包括：将一定量的液体供应到喷泉的盆状件中；将一定量的液体输送到位于喷泉上方的龙头；以及使用泵将一定量的液体从盆状件的一部分再循环到盆状件的另一部分。操作龙头以最小化噪声和飞溅。例如，龙头能够将来自喷泉的液体以半层流的状态引导到盆状件中。液体能够被输送到泵入口，在这之后通过提升软管泵向喷口开口。之后，液体从喷口开口流出并落回到盆状件中。
另外，液体仅可泵送至提升软管的顶端，在这之后，液体主要或仅靠重力落回到盆状件。
在阅读说明书、权利要求书和附图之后，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。详细的描述和示例增强了对本发明的理解，但并不旨在限制所附权利要求书的范围。
附图说明
在附图中示出了本发明的优选示例性实施例，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的部分，在附图中：
图1是根据本发明构造的喷泉的第一实施例的顶部透视图，该喷泉采用循环柱状饮水器的形式；
图2是图1喷泉的侧视图；
图3是图1和2的喷泉的正面分解透视图；
图4是图1-3的喷泉的变型的顶部剖面透视图；
图5是图4的喷泉的正面分解透视图；
图6是围绕喷泉的中心得到的图1-5的喷泉的剖面图；
图7是喷泉的另一个实施例的顶部透视图，该喷泉采用循环柱状饮水器的形式；
图8是根据本发明构造的喷泉的另一个实施例的顶部透视图；并且
图9是根据本发明构造的喷泉的另一个实施例的顶部透视图；
具体实施方式
在描述本材料和方法之前，应当理解，本发明不限于所描述的特定方法、方案、材料和试剂，因为这些可以改变。还应理解，本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求书来限制。
必须注意的是，除非上下文另外明确指出，否则如本文和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一个(a)”、“一个(an)”和“该”包括复数形式。同样，术语“一个(a)”(或“一个(an)”)、“一个或更多个”和“至少一个”在本文中能够互换使用。还应注意的是，术语“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有”能够互换使用。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员之一通常所理解的相同的含义。尽管与本文描述的那些方法或材料相似或等同的任何方法和材料都能够用于本发明的实践或测试中，但是现在描述优选的方法和材料。
如上所述，本文所述的许多概念可用于具有多种应用的各种喷泉。尽管以下描述的喷泉用于循环水，但应当注意的是，“水”一词能够类似地用各种其他液体(包括油、溶剂、清洁剂等)中的任何一种代替或互换使用。
现在参考附图，示出了具体的示例性实施例，其中喷泉包括被配置为向诸如狗或猫的动物供应饮用水的动物饮水器、饮水器或“喷泉”。同样，本文描述的概念可应用于除动物饮水器以外的各种喷泉。
图1至图6示出了再循环喷泉20，该再循环喷泉被配置成在模拟自然水流的同时使与喷泉20的运行相关的噪声和飞溅最小化。另外，喷泉20可被配置成在撞击到盆状件中的水的水柱中引起层流或准层流，以使下落冲击最小化，以避免由吸入水中的空气形成气泡，和/或减少由气泡破裂所引起的飞溅。因此，层流或准层流有助于在减少甚至避免飞溅的同时使水平稳地进入盆状件。
“雷诺数”能够被用于确认在给定的系统中是否发生层流。雷诺数是无量纲的值，反映了沿着边界表面(例如管道内部)进行相对内部运动的液体内的惯性力与粘滞力的比。雷诺数能够通过公式Re＝v*d/γ来计算，其中v是液体相对于边界表面的速度，d是液体沿边界表面行进的距离，γ是液体的运动粘度。在给定尺寸的系统中，给定速度的液体(例如水)在其中流动，雷诺数随速度直接增加。因此，在其他条件相同的情况下，液体流动越慢，流动越层流。当雷诺数小于2000时发生层流，而当雷诺数为2000至4000时发生半层流。因此，流出龙头28的液体的雷诺数优选小于4000，更优选地小于3000，最优选为2000或更小。
喷泉20还可以被配置成在液体与盆状件中的水碰撞的区域中引起液体的涡流或漩涡。该涡流被认为吸收能量，这进而有助于使与喷泉20相关的噪声和飞溅最小化。
喷泉20包括盆状件22、泵24、提升软管26和龙头28。如图1、2、4和6所示，盆状件22可以承载泵24和龙头28。喷泉20配置成通过提升软管26将水通过龙头28向上提升，并将水以至少总体上为层流柱的形式引导回盆状件22中，所述层流柱可以是竖直柱、抛物线柱或任何其他柱，减小或最小化由不规则或湍流水流引起的噪声和飞溅。
盆状件22可以由多种材料制成，包括注塑成型塑料、硅树脂、陶瓷、玻璃、竹子、木材、金属或任何其他材料。尽管所示的盆状件22为一件式构造，但是其能够类似地具有彼此连接的多个部件。图1至6的盆状件22包括底部30和单个的连续的侧壁32，该侧壁围绕底部30延伸以形成基本上椭圆形的盆状件。侧壁32的高度足够高以允许盆状件22包含足够量的水，使得动物能够从盆状件22中饮水。例如，侧壁32应当优选足够高以允许至少一英寸半的水(更优选地，允许至少两英寸的水)可以供动物从盆状件中饮水。具体如图2所示，侧壁32的一端可以比另一端更陡峭地倾斜。更具体地，在其附近安装有龙头28的第一端或后端34可以比侧壁32的其他部分更陡。这使得在第一端34与龙头28的后侧36之间的浪费空间最小。另外，与侧壁32的其他部分相比，侧壁32的第二端或前端38具有更平缓的倾斜。因为龙头28的喷口开口40(将在下文中进一步描述)面向第二端38，这个更平缓的倾斜有助于确保水从喷口开口40流出并进入盆状件22后不会引起明显的飞溅或噪声。侧壁32可以包括指示普通使用所需的最小水量的标记42，这将允许使用者在盆状件22中保持足够的水深以确保喷泉20保持可运行。盆状件22还可以具有围绕盆状件22的顶部边缘46延伸的加强边缘44。当然，盆状件22的具体形状和尺寸可以不同于图中所示的形状和尺寸。
接下来，将描述龙头28。尽管在图1至6中示出的实施例示出了龙头28，该龙头是与盆状件22分离的部件，应当注意的是，龙头和盆状件也能够整体制造，以形成一体的盆状件和龙头(未示出)。另外，龙头可以类似地位于盆状件的外部，用一根或更多根软管(未显示)将水输送到龙头，然后再输送回盆状件中。龙头28可以由多种不同的材料制成，包括注塑成型塑料、硅树脂、陶瓷、玻璃、竹子、木材、金属或任何其他材料。另外，龙头28的具体形状和尺寸能够与图中所示的不同。
仍然参照图1至6，本实施例的龙头28是具有前件56和后件58的两件式龙头。应当注意的是，由于龙头28在沿着其长度的各种点处是圆形或卵形的，因此术语“前”和“后”在某种程度上是任意的。能够通过将两个部件56、58卡扣在一起，或者通过胶合，钎焊或其他将两个部件彼此固定的方式来组装部件56和58。当然，龙头也能够是一件式的或多件式的龙头。
龙头28可以是朝下的曲线龙头28，该龙头包括基部48以及前壁50和后壁52，该前壁和后壁从基部48向上延伸至出口端54，在其中形成有喷口开口40。在基部48处，后壁52的尺寸基本上符合盆状件22的第一端34和底部30的尺寸，使得龙头28能够牢固地抵靠在侧壁32上。同样，在基部48处，进气口60(图1)在前壁50中形成，并且在前壁50的前方通向盆状件22的内部。该进气口60创建有通道，水或其他液体能够通过该通道从龙头28下方流向在龙头28的基部48内形成的蓄盆状件62，如图6所示。参考图1-6所示，龙头28的前壁50和后壁52均向上和向内延伸以形成曲线龙头28。龙头28的横截面的表面积随着前壁50和后壁52从基部48的进一步延伸而减小。因此，龙头28在基部48处的横截面的表面积为龙头28的最大横截面表面积。因此，龙头28的最小横截面表面积位于喷口开口40处。
另外，前壁50和后壁52均构成曲面，其中曲率角沿着龙头28的长度变化。在描述前壁50和后壁52时，要特别注意图2，其中，将前方向定义为图的左侧，将后方向定义为图的右侧。从进气口60开始，前壁50在向上弯曲并向前弯曲之前首先向后壁52成角度地向上和向后延伸。前壁50相对于水平方向的倾斜角连续变浅，直到其在最高点或顶端64处达到0的角度(即，水平)。前壁50从最高点64向下并且向前弯曲。因此，前壁50的横截面总体上呈C形。相反，后壁52沿着龙头28的整个长度在向前方向上朝向前壁50延伸。最初，后壁52主要竖直延伸，并稍微向前延伸。同样，后壁52从基部48向上延伸得越远，倾斜角度增加并变得越浅，直到后壁52在最高点或顶端66处达到0的角度。后壁52从最高点66向下并且向前弯曲，其中从最高点64、66到出口端54的倾斜角对于后壁52而言略大于前壁50。因此，后壁52的横截面得形状像钩子。由于前壁50和后壁52的倾斜角度逐渐变化，所以龙头28的形状通常模仿具有向下延伸的喙的天鹅的轮廓。龙头28还能够具有各种其他美观的倾斜设计。
如下面更详细地讨论的，可以设置、控制和/或选择龙头28的尺寸和位置以及喷泉20的其他方面，包括从喷口开口40流出的水的线性流速，以确保水以总体上呈层流柱的方式从喷口开口40流出，该层流柱从喷口开口40延伸到盆状件22的水面。同样如下面更详细地描述的，这些以及可能的其他特性被设置、控制和/或选择为确保下落的水在撞击盆状件22中的水面时很少或没有飞溅。
示出的龙头28设置在盆状件22的底部30上。例如，盆状件22的底部30可以具有脊、锥、柱或其他凹痕，如所示的支座68，其有助于将龙头28定位在盆状件22周围的合适位置。支座68可以配置成相对于盆状件22可释放的牢固地接合龙头28。否则，龙头28还可以包括吸盘(未示出)或允许龙头28固定在盆状件22上的其他安装装置。
泵24可以位于龙头28与盆状件22之间。因此，泵24位于蓄盆状件62中。泵24可以如本领域普通技术人员已知的与再循环喷泉一起使用的任何泵。例如，能够使用5伏1瓦的直流泵。使用这样的泵将向龙头提供必要的水流，同时具有与此相关的最小的噪声。这样的泵可以以一定速率泵水。替代地，不同的泵，例如12伏1瓦的泵也能够用于更高的流速。当然，能够为不同的应用选择明显不同的流速。
参照图3，泵24包括泵入口70，该泵入口优选地直接位于盆状件22的底部30附近，以使泵入口70处的可用水量最大化。泵24还包括泵出口72，由于水是通过龙头28向上并从位于龙头28出口端54处的喷口开口40中泵出，因此该泵出口优选地位于泵24的顶部。尽管所示的泵24位于盆状件22内，但是它可以类似地位于盆状件的外部，如果泵位于龙头28的外部，则其具有从盆状件延伸到泵入口的供应管线(未示出)，并且还可能具有从泵出口延伸到龙头28的排放管线。
喷泉20还可以配备有过滤器74，以过滤掉由水收集的任何污染物。例如，过滤器74可以位于泵24的入口70附近或紧靠其安装。这样的过滤器74可以是能够安装到泵24上的模块化过滤器。在美国专利申请公开号2015/0189862中示出并描述了这种类型的过滤器的示例，其全部内容通过引用合并于此。另外，预过滤器(未示出)可以提供设置在过滤器的上游。预过滤器可以是丝网或滤网，其能够被容易地移除、清洁和装回。例如，预过滤器能够直接位于泵24的进气口60附近。替代地，或者除了入口过滤器74之外，过滤器76可以位于泵出口72处，这能够潜在地使喷泉20的占地面积最小化。
此外，喷泉20还可包括位于龙头28内的降速结构78，该降速结构降低流过其中的液体的速度。降速结构78能够位于顶端下游的任何地方，但是当降速结构直接位于喷口开口40附近时，可以观察到改进的结果，由于水流的直径在降速结构处比在该结构的上游处更宽，因此水以很小的能量从喷口开口流出。从降速结构下游的喷口开口40流出的水流的表面张力使水流直径变窄。水也在下落过程中加速，获得能量并开始旋转，从而减少了在与盆状件中的水撞击时的飞溅。
在所示的实施例中，降速结构包括位于喷口开口40附近的多孔构件78。多孔构件78实际上可以包括允许液体以有限的速率从中移动的任何材料，包括泡沫材料、滤网、过滤器以及以及本领域普通技术人员已知的任何其他可渗透材料。多孔构件78的密度能够基于给定的龙头28的流动特性来选择。例如，对于多孔构件，在喷口开口40处显现出相对严重的湍流的龙头设计能够被提供具有比被提供用于显现出较低的湍流的龙头设计的多孔构件的密度更高的密度的多孔构件。当然，一些龙头设计能够在结构上和操作上被配置成实现所需的流量特性，而在龙头中没有多孔构件或任何其他降速结构。
现在将描述通过提升软管26并且通过多孔构件78的水的流动。
在许多所示的实施例中，喷口开口40位于比在前壁50与后壁52的最高点64、66之间的提升软管26的最高点80的高度更低的高度上。因此，一旦水到达提升软管26的最高点80，它就开始朝着喷口开口40向下下落。在一个优选实施例中，一旦液体到达最高点80，它就具有最小速度甚至没有速度。结果，液体随后从最高点80运动到喷口开口40并落入盆状件22中。在其他实施例中，由于来自泵24的泵送力和在水朝向喷口开口40下落时作用在水上的重力的组合，接近喷口开口40的水可能具有显著的速度和/或施加在其上的湍流力。其他因素能够进一步恶化这种情况，包括在水与提升软管26之间的摩擦量、切向流的角度、提升软管26直径的变化、以及任何其他因素。多孔构件78能够通过阻止或减慢水从喷口开口40下落的速度来有助于改善在水离开喷口开口40之前作用在水上的这些湍流力，这反过来能够在水离开喷口开口之后最小化或消除这些湍流力。
像龙头28一样，泵24被示为位于盆状件22的底部30上。同样，盆状件22的底部30可以具有有助于将泵24定位在适当的位置的脊、座或其他凹痕(未示出)。支座可以被配置成相对于盆状件22可释放但牢固地接合泵24。否则，可以使用吸盘(未示出)或其他紧固装置将泵24固定到盆状件22的底部。此外，泵24可以保持在原地，仅由于其位置在盆状件22与龙头28之间。另外，盆状件22可以具有位于蓄盆状件62下方或附近的用于与泵24相关联的电源线(未示出)的通道或槽82。这个通道82还能够有助于定位和/或固定泵24相对于盆状件22的位置。
参考图3，提升软管26将水从泵24引导通过龙头28。同样，本文所使用的术语“提升软管”涵盖软管、导管、管道、内部通道或其他结构的任何组合，通过这些结构将水从泵24输送到龙头28的出口。图示的提升软管26是位于龙头28中的内部通道中的管道。提升软管26从泵出口72沿着龙头28的长度向上延伸到软管最高点80，在这之后，其向下延伸以终止于喷口开口40。如图所示，提升软管26基本上是钩形的。提升软管26可以是安装在龙头28上的独立部件，或者可以在龙头中形成。如图所示，提升软管26通过从前壁50延伸的支撑件84固定在相对于龙头28的位置上。如果需要，龙头28可以包括附加的支撑件以将提升软管26固定在适当的位置。为了简化安装，提升软管26可以是柔性软管，该柔性软管能够容易地被操纵，以便与泵出口72和龙头28的出口端对准并紧密连接。替代地，提升软管26可以是固定的或可调节的。
在运行中，水首先倒入盆状件22中。一定量的水将通过形成在龙头28中的进水口60流回。然后，一定量的水在进入泵入口70之前收集在蓄盆状件62中。一旦水被吸入泵24，并从泵出口72泵出到提升软管26，它就会通过龙头28输送。一旦水到达提升软管26的末端，它就会流过顶端或最高点80，然后至少在很大程度上由于重力而下落，然后以层流柱的形式从喷口开口40流出。当然，如果在水从喷口开口40流出之前，在提升软管26中存在泡沫构件78，则水也将流过该泡沫构件。
如上所述，对于给定的龙头物理结构，如果选择泵头，使得水在到达顶端80(提升软管26)时主要或仅靠重力流动，则实现从喷口开口40流出的层流或准层流的能力最大化。根据特定的龙头设计，由于水在流出喷口开口40之前通过泡沫构件78的水的流动，还能够部分地实现层流。反过来，这有助于确保理想的流动特性，以最小化与水输送到盆状件22相关联的噪声和飞溅。根据喷口开口40相对于竖直方向的定向，流出喷口开口40的水柱可以竖直向下或呈抛物线延伸。
喷泉120的类似实施例在图7中示出。上面描述的许多相同的特征即使与上面描述的不完全相同，也是相似的。这些部件由与图1-6的喷泉20的部件相同的附图标记表示，该附图标记增大了100。在该实施例中的一个主要区别在于，龙头128不位于盆状件122的底部130上，而是放置在盆状件122的外边缘186上或由其形成。另外，盆状件122的延伸边缘188直接与龙头128相邻。此外，蓄盆状件162形成在盆状件122的延伸边缘188、侧壁132与底部130之间。延伸边缘188可以覆盖位于其下方的泵(未示出)，以改善美观性。为了实现该目的，可能需要比上述5伏1瓦的直流泵小的泵。另外，龙头128的出口端154的倾斜度远小于图1-6所示的出口端54的倾斜度。结果，水在进入盆状件122之前从喷口开口140靠近水平方向流出。
接下来转到图8，示出了喷泉220的另一个实施例，其中，使用了与图1-6中相同的附图标记，其中增大了200。该实施例示出了喷泉220，其中，盆状件222和龙头228整体成形。另外，在该实施例中，盆状件222包括顶壁290，该顶壁具有覆盖底部230的排水口292，使得蓄盆状件262实际上位于盆状件222的顶壁278与底部230之间。同样，龙头228的特定形状，更具体地，喷口开口240的位置和倾斜度导致从喷口开口340流出的水流基本上是水平的。因此，龙头228不朝下。但是，当水到达盆状件222时，会产生最小的噪声或飞溅。同样，这能够由于当水到达盆状件222时的层流或半层流而发生，或者它能够基于包括顶部壁290和排水口280的特定的位置和形状的其他因素而发生。
喷泉320的又一实施例在图9中示出，其中，使用与图1-6相同的附图标记，但是增大了300。喷泉320包括两件式龙头328，其中，龙头328的第一部件394由盆状件322形成，而第二部件396位于龙头328的后部。如图所示，第二部件396由与第一部件394不同的材料制成，例如基本半透明的材料，使得能够对蓄盆状件362进行观察。像先前的实施例一样，龙头328的特定形状，更具体地，喷口开口340的位置和倾斜度导致从喷口开口340流出的水流基本上是水平的。优选地，这导致水的层流或半层流从喷口开口340流到盆状件322，以使水进入盆状件时的噪声和飞溅最小。
已经对喷泉20的各种实施例的主要部件进行了描述。在下文中，现在将描述喷泉特征和特性的许多不同变化，并解释这些变化对流量特性的影响以及产生这些影响的一些可能原因。这些不同的流量特性可以包括(但不限于)噪声最小的流体流动、飞溅最小的流体流动、液体的层流、在流体柱中和/或盆状件内产生漩涡或涡流的流体流动以及最小化水中的湍流的流体流动。
除了图中所示的龙头设计之外，能够对龙头28的特定角度或倾斜度，更重要地，对龙头28的出口端54进行设置和/或改变。由于这些变化，龙头28可以以各种不同的角度将水从喷口开口40喷出，以实现不同的流动特性或对液体流动进行优化。例如，如图所示，喷口开口40相对于竖直方向成大约30度的角度来定向。相对于竖直方向成0至75度(更典型地为5至45度)的倾斜当然是可能的。实际上，可以想到的是，喷口开口实际上能够指向任何位置，包括水平方向或水平方向以外的方向。但是，当倾斜度接近或超过水平面时，层流更容易通过在整个流的宽度上施加重力而破坏。还能够根据盆状件22的与喷口开口40相对的侧壁32的倾斜度来选择喷口开口40的角度。类似地，喷口开口40可以朝向盆状件22的一侧或盆状件22的另一侧成角度。
在喷口开口40朝向盆状件22的左侧倾斜的情况下，可能以顺时针方向发生涡流或漩涡效应。相反，在喷口开口40朝向盆状件22的右侧成角度的情况下，可能以逆时针方向发生涡流或漩涡效应。科里奥利效应还将倾向于在下落的液体流中引起涡流。在这两种情况下，涡流都被认为吸收能量，从而减少了飞溅的可能性。
另一个能够被设置，控制和/或改变以实现不同流动特性的方面是水流的“下落距离”或在喷口开口的顶端与盆状件中的水面之间的竖直距离，或者以另外的方式测量的在喷口开口的顶端与盆状件22的底部30之间的竖直距离。当水撞击盆状件22内包含的水面时，距离越大，水的速度越大，从而撞击时的冲击力越大。可以相信，当速度和所产生的冲击力足够高时，会在发生撞击的水中产生湍流，从而能够发生飞溅。另一方面，理想情况下，速度和所产生的冲击力应足够高，以在撞击时破坏表面张力。假设速度主要或仅是重力的函数，则这些考虑要求将龙头的顶端保持在盆状件22中的水面以上和/或盆状件底部以上的特定高度范围内(其他所有条件均相等)。
关于水滴撞击表面时飞溅的原因的一种理论涉及“下落撞击”，其能够在撞击点处引起“涡流环”。涡流环的穿透力被认为是流体的“韦伯数”的函数，韦伯数代表了无量纲的参数，反映了下落的水的表面张力和动能。韦伯数能够使用公式W＝ρDU2/γ来确定，其中，ρ是液体的密度，D是液柱的直径，U是液体流进入液体表面的相对进入速度，而γ是盆状件22中的水的表面张力系数。已经发现，当韦伯数低于临界值时，由撞击柱产生的涡流环将穿透水，并且将不会引起飞溅。另一方面，当韦伯数高于临界值时，涡流环将不会穿透水，而是将被拉起并产生强大的液体射流，从而产生飞溅。在本实施例中，该值已确定为100，更典型的是约为80。
水柱的韦伯数直接取决于下落的水在与盆状件中的水碰撞的平面处的速度。如上所述，在碰撞点处的液体速度取决于水流的下落距离或从龙头的顶端到盆状件22中的水面的距离。因此，在其他条件相同的情况下，在龙头顶端与盆状件22之间的竖直距离越大，韦伯数越大，进而飞溅将发生的可能性就越大。
在本实施例中已经发现，当在龙头顶端与盆状件22中的水面之间的竖直距离为6-10英寸(180至250mm)，并且更典型地为8.0英寸(200mm)时，可获得良好的结果。有点不同，在本实施例的龙头顶端与盆状件22的底部30之间的竖直距离通常为8-12英寸(200至300mm)，并且更典型地大约为9-10英寸(250mm)。
类似地，在其他条件相同的情况下，液柱的直径越大，韦伯数越大，进而飞溅将发生的可能性就越大。液柱的尺寸很大程度上是喷口开口40的直径的函数。因此，在其他条件相同的情况下，由提升软管26的内径确定的开口40的直径能够设置为足够小，以最小化或防止飞溅。如上所述，本文公开的实施例的提升软管26的下游端的内径可以为5-15毫米，并且更典型地为大约9-10毫米。
而且，能够对通过泵24、提升软管26并从喷口开口40流出的水的体积流率进行设置、控制和/或改变。除了选择如上所述的泵头以外，还可以潜在地对通过泵24、提升软管26并从喷口开口40流出的源压力进行设置、控制和/或改变。
另外，能够基于将水从泵24输送、通过龙头28并流出喷口开口40的提升软管26的特性来设置和/或改变喷泉20的流动特性。例如，除了选择如上所述的提升软管26的直径之外，能够选择从泵出口72到喷口开口40的提升软管26的长度，以通过选择由于流体流过提升软管而产生的压头损失来影响流量。此外，提升软管26的材料，更具体地，提升软管26的硬度和/或光滑度能够影响流动特性。
通过喷泉20实现期望的流动特性的另一种方式是通过将曝气器(未示出)合并到喷泉中。虽然不是必需的，但曝气器有助于将空气与被泵送水混合，这改变了水流的形状。曝气器可位于泵24附近、提升软管26内或龙头28内。由于从曝气器流出的所得到的水混合物中混合了空气，因此使由水在其落入盆状件22时所引起的飞溅量最小。这被认为是由于空气对下落的水起到了缓冲作用。在一个实施例中，曝气器能够是塑料曝气器。塑料曝气器能够包括海绵或其他类似的材料。使用海绵作为曝气器的另外的好处是，海绵能够用作二级一次性过滤器。
同样，能够选择盆状件22的特性以实现不同的流动模式。例如，盆状件22的整体形状可以与所示的实施例不同。类似地，一个或多个侧壁32的高度和斜率也可以与所示的不同。此外，尽管在图1-6中所示的盆状件22具有基本上平坦的底部30，但是底部30的特定斜率可以改变。而且，底部30和/或侧壁32能够具有各种纹理以引起不同的流动特性。也能够对用于制造盆状件22的材料进行选择以获得不同的结果，以及能够在其上进行的任何表面处理。此外，也能够改变盆状件22内包含的水的最小期望深度。
尽管没有讨论具体的材料，但是应当注意的是，各种部件能够由任何合适的耐用材料制成，包括但不限于塑料、不锈钢、其他金属、玻璃等。
通过考虑本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施例和用途对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，本发明不限于在此说明和描述的特定材料、方法、公式、操作/测定条件等，而是包括属于所附权利要求的范围内的这种修改形式。
