DE19539879A1 - Digitale Steuerung der Auslaufmenge und der Mischtemperatur von Wasserausläufen - Google Patents

Description

In der Sanitärtechnik sind Absperrorgane bekannt mit der gleichzeitigen Funktion, durch Veränderung des Querschnitts den Volumenstrom zu verändern. Ferner sind Einrichtungen bekannt, bei denen sowohl eine Absperrfunktion ausgeführt wird wie auch eine Mischfunktion, indem das zuströmende kalte oder warme Wasser bedarfsgerecht auf eine Wunschtemperatur zusammengemischt wird. (Sogenannte "Einhebel- Mischer"). In der Regel erfolgt die Bedienung manuell.

Weiter sind berührungslos arbeitende Armaturen bekannt, bei denen die Absperrfunktion durch ein elektrisch betätigtes Ventil übernommen wird, welches durch eine sensorgesteuerte Elektronik angesteuert wird. Die Mischfunktion wird dem Stande der Technik entsprechend durch technische Einrichtungen übernommen, bei denen die Wunschtemperatur durch Verändern des Mischverhältnisses erreicht wird, wobei entweder BiMetall-Fühler oder oder andere mechanische Fühler die Mischventilpositionen verändern. Die Vorwahl der Wunschtemperatur erfolgt ebenfalls mechanisch durch Vorverstellen der Öffnungs­ verhältnisse.

Es sind einige Ausführungsbeispiele bekannt, bei denen ein Elektromotor die Mischeinrichtung verstellt, wobei der Elektromotor seine Befehle durch eine sensorgesteuerte Elektronik erhält. Diese Einrichtungen sind relativ aufwendig und kostenintensiv und haben keine große Verbreitung gefunden.

Durch gesetzgeberische Initiativen und durch allgemein erhöhte Anforderungen an die Hygiene werden zunehmend berührungslos gesteuerte Wasserausläufe gefordert und am Markt angeboten. Nachteilig ist, daß die Mischerfunktion (warm/kalt) meist manuell bedient werden muß, was den Hygienezugewinn in Frage stellt.

Weiter ist den manuell einstellbaren Mischern oder Mischthermostaten eigen, daß bei erneuter Wasseranforderung ohne weiteres stets die Temperatur des Vorbenutzers voreingestellt bleibt. In der Praxis hat dies zu teilweise erheblichen Problemen geführt, weil ein praktischer Verbrüh­ schutz selten realisiert werden kann und es der Disziplin der Benutzer aufgegeben ist, nach Entnahme von sehr heißem Wasser den Thermostaten manuell auf eine Mitteltemperatur zurückzustellen, um versehentliche Verletzungen des Nachbenutzers durch Verbrühen zu vermeiden. Trotzdem kommt es häufig zu Verbrühungen, weil nach Entnahme von sehr heißem Wasser eine kleine Menge in der Armatur stehen bleibt und bei erneuter Benutzung zuerst austritt, unabhängig von der dann gewählten Mischerposition. Selbst wenn die Folgen meist nicht erheblich sind, wird diese Tatsache allgemein als sehr unangenehm empfunden.

Die Aufgabenstellung der hier vorgestellten Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Funktionen

• - Absperren
• - Mischen
• - Verbrühschutz
• - berührungslose Bedienung
• - Begrenzung des abgegebenen Wasservolumens,

elektrisch zu realisieren, wobei besonderen Wert auf Zuverlässigkeit, günstige Kosten und einfachen Einbau gelegt worden ist.

Die Erfindung bedient sich dabei der Methoden der Elektronik, mit Hilfe digitaler Steuerungen analoge Signale zu erzeugen. In der Elektronik­ technik sind sogenannte R2R-Netzwerke bekannt. (Fig. 1). Eine Eingangsspannung (1.1.) wird über z. B. 3 Schalter (1.2.) über Widerstände (1.3) an den Ausgang (1.4) geleitet, wo eine Ausgangsspannung abgenommen werden kann. Bei einem symmetrischen Netzwerk leuchtet unmittelbar ein, daß jedem Schalter aufgrund des unterschiedlichen Strompfades eine andere Ausgangsspannung zugeordnet werden kann. Durch Kombination der Schalterstellung ist es in einer 3-Schalter-Version möglich, insges. 9 Kombinationen zu erzeugen. Dabei hat der Schalter 1 aufgrund seines spezifischen Strompfades einen Spannungswert von 1, der Schalter 2 einen solchen von 2 und der Schalter 3 einen solchen von 4. Bei jedem weiteren Schalter würde bei Erweiterung der Anordnung es zu einer Verdopplung des Ausgangswertes kommen. Die Reihe ist also z. B.:

1-2-4-8-16-32-64-128 usw.

Wesentlich ist, daß bei einem Netzwerk mit 3 Schaltern jeder einzelne der 9 Stufen direkt erzeugt werden kann nach den Gesetzen der binären Logik.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, in der 4 elektrisch angesteuerte Ventile parallel betrieben werden. Jedem Ventil ist z. B. eine Lochblende als Drossel zugeordnet, die den Volumenstrom durch das Ventil reduziert. Dabei verdoppelt sich der Volumenstrom durch Ventile entsprechend:

A=1, B=2, C=4, D=8.

Das zuströmende Wasser (2.1) fließt durch die gedrosselten Ventile (2.3; 2.4; 2.5; 2.5) und läuft über (2.3) aus. Der Öffnungs- bzw. Schließzustand der Ventile wird durch eine elektrische Steuereinrichtung (2.7) überwacht. Die elektrische Steuereinrichtung enthält z. B. einen Infrarotsensor (10), der die Abgabe von Wasser veranlaßt. Dabei wird mindestens eines der Ventile geöffnet. In der Praxis wird die Vorwahl so ausgelegt sein, daß eine möglichst geringe, aber ausreichende Wassermenge abgegeben wird. Durch Betätigen der Sensoren (2.8 oder 2.9) kann der Benutzer den Volumenstrom verändern. Die Elektronik wird entsprechend Ventile zuschalten oder abschalten, um eine Position auf der Treppenfunktion (Fig. 3) zu erreichen.

Es leuchtet ein, daß der Volumenstrom NULL ist, wenn alle Ventile geschlossen sind und daß der Volumenstrom MAXIMAL ist, wenn alle Ventile geöffnet sind und daß sich Zwischenwerte entsprechend der Treppenfunktion (Fig. 3) erreichen lassen durch entsprechende Ventilsteuerungen.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung zeigt Fig. 4. Dabei sind im Zulauf sowohl von warmen Wasser (4.1) als auch von kaltem Wasser (4.2) je z. B. 3 Ventile (3; 4; 5; 6; 7; 8;) angeordnet, die von einer elektrischen Steuerung (3.11) betätigt werden. Entsprechend Ventilstellungen im Warm- und/oder Kaltwasserzweig kann sowohl die Menge als auch die Mischtemperatur im Auslauf (4.9) variiert werden. Über den berührungslosen Sensor (4.12) kann Wasserausfluß angefordert werden. Über den Sensor (4. 13) kann der Volumenstrom verändert werden. Über den Sensor (4.14) kann die Temperatur des ausfließenden Wassers verändert werden. Die Bedienung der Sensoren (13, 14) hat jedesmal eine andere Kombination der Ventilstellungen im Warm- und im Kaltwasserzweig zur Folge. Bei drei Ventilen je Zweig gibt es jeweils 9 Positionen, die jeweils mit 9 Positionen des jeweils anderen Zweiges kombiniert werden können, so daß rechnerisch 81 Kombinationsmöglichkeiten gewählt werden können.

Vorteilhaft wird erfindungsgemäß die elektronische Steuerung, die vorzugsweise mit einem Mikroprozessor versehen ist, so programmiert, daß bei Wasseranforderung stets ein mittlerer bis kleinerer Volumenstrom einer mittleren Temperatur fließen wird. Das kann erfolgen, indem z. B. grundsätzlich die Ventile (4 und 7) im Kalt- und Warmwasserzufluß geöffnet werden. Entsprechend den individuellen Wünschen des Benutzers kann einfachst durch Antippen der Sensoren (13 oder 14) sowohl die Auslauftemp. als auch der Volumenstrom wunschgemäß und individuell angepaßt werden.

Nach Ende der Nutzung wird erfindungsgemäß vorteilhaft der versehentlichen Verbrühung vorgebeugt, indem in jedem Fall eine geringe Menge Wasser nachläuft, die durch Öffnen z. B. der Ventile (4 und 7) auf eine ungefährliche, mittlere Temperatur gebracht worden ist.

Da die Auslaufmenge letztlich eine Funktion der Zeit und des Vordruckes ist, liegt es nahe, daß die ohnehin vorhandene Steuerung die abgegebene Menge je Benutzung limitieren kann, indem nach Ablauf einer gewissen Zeit die Ventile automatisch geschlossen werden. Dies ist im Sinne einer Wasserersparnis z. B. bei Waschtischarmaturen.

Bei z. B. Badarmaturen kann mit dieser Funktion die Füllmenge als solche vorgewählt werden, weil der Vordruck in der Regel ortsüblich konstant ist und der Variationsbereich akzeptabel ist. Die gewünschte Menge kann mit einem Steller (4.16) vorgewählt werden.

Bei Badarmaturen kann ferner durch Abtasten der Auslauftemperatur durch den Sensor (4.15) erreicht werden, daß die Temperatur des abgegebenen Wassers konstant gehalten wird, ohne daß ein zusätzlicher Thermostat erforderlich wäre. Abweichungen vom Sollzustand, die über die Sensoren (4.13) eingegeben werden, erzeugen eine von der zentralen Steuereinheit neu errechnete Stellung der Ventilregister. Aus Sicherheitsgründen kann in Badarmaturen die Auslauftemperatur auf einen Höchstwert begrenzt werden von z. B. 45°C.

Auch bei Badarmaturen wird der Verbrühschutz gewährleitet, indem bei Abgabe von Wasser höherer Temperatur automatisch ein geringer Wassernachlauf mittlerer Temperatur veranlaßt wird.

Beim Duschen wird es gelegentlich als nachteilig empfunden, daß beim sportlich-gesunden kalten Abduschen der Temperaturregler auf ,,KALT" steht, was bei nachfolgenden Nutzern regelmäßig zu Unmut führt. Auch in diesem Fall kann durch geringen Nachlauf einer mittleren Wassertemperatur nach Ende des Duschens vorteilhaft dieser Nachteil vermieden werden.

Es liegt auf der Hand, daß der berührungslose Sensor (12) auch durch einen Sensor oder Schalter ersetzt werden kann. Dieser hätte dann die generelle Funktion "Wasserentnahme EIN" und "Wasserentnahme AUS". Diese Funktion käme für Auslaufarmaruren im Haushalt, in Gewerbe und Industrie und natürlich in Bad und Dusche zur Anwendung.

Dieser Sensor kann in einer wassergeschützten Ausformung als sogenannte FOLIENTASTATUR ausgeführt sein. Dabei kann durch z. B. kapazitive Abtastung der den Funktionen zugeordneten Felder eine nahezu berührungslose Betätigung erreicht werden, ähnlich wie es z. B. bei weit verbreiteten Steuerungen für Aufzugsanlagen bereits heute eingesetzt wird. Ein Ausführungsbeispiel für ein Bedienungsfeld zeigt

Fig. 5.: Ein Problem für wassertechnische Anlagen ist die Verkalkung und Verschmutzung der Armaturen. Insbesondere sind Ventile anfällig gegen Verkalkung. Es ist bekannt, daß das Anlagen von elektrischen oder magnetischen Feldern an Wasser die im Wasser befindlichen Kalk- oder Gipsionen wirksam daran hindert, sich in Kristallen abzulagern.

Erfindungsgemäß wird daher der Anordnung ein wirksamer mechanischer Filter vorgeschaltet mit einer Maschenweite von < 80 µm, um mechanische Partikel abzufiltern. Dieser Filter muß einfachst zu wechseln sein.

Zur Verhinderung von Kalkablagerungen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das zuströmende Wasser an sich gegenüberstehenden Elektroden aus nichtkorrosivem Material vorbeiströmen zu lassen. Diese Elektroden werden mit einem elektrischen Signal mittlerer Frequenz und mittlerer elektrischer Spannung (Volt) beaufschlagt. Das Wasser wird durch die Ausformung der Anordnung gezwungen, vollständig das sich ergebende elektrische Feld zu durchfließen. Die Frequenz kann 50Hz-20Khz sein, die Spannung kann bis zu 48 Volt betragen. Ergebnismäßig wird erreicht, daß sich keine Kalkionen kristallien ablagern können, womit vorteilhaft die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich erhöht wird.

Im Wasserauslauf kann erfindungsgemäß eine miniaturisierte Turbine angeordnet sein, die an einen elektrischen Generator angeflanscht ist. Die bei Wasserfluß abgegebene elektrische Leistung wird in einem elektrischen Stromspeicher gespeichert. Der Stromspeicher kann durch einen elektr. Kondensator hoher Kapazität oder durch einen elektrischen Akkumulator ausgebildet sein. Insbesondere sind Nickel-Hydrid- Akkumulatoren bevorzugt vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, alle vorstehend beschriebenen Funktionen durch eine elektronische Fernbedienung steuerbar zu gestalten. Die Fernbedienung ist wasserdicht ausgeführt und batteriebetrieben. Insbesondere für Badarmaturen oder für behindertengerecht ausgestattete Armaturen ist die durch Verwendung des erfindungsgemäßen Gedankens mögliche Verwendung einer Fernbedienung ein wesentlicher Vorteil.

Selbstverständlich können alle vorgenannten Merkmale immer miteinander kombiniert werden, solange der Grundgedanke verfolgt wird, die Auslaufmenge oder das Mischverhältnis von kaltem und warmen Wasser durch eine Vielzahl gesteuerter Ventile zu verändern.

Claims (11)

1. Apparat und Verfahren zur digital gesteuerten Absperrung und Drosselung von Volumenströmen sowie zum Zwecke der Temperatursteuerung durch Beeinflussen der Volumenströme des zuströmenden kalten bzw. warmen Wassers an sanitärtechnischen Anlagen und Wasserausläufen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Register, bestehend aus einer Vielzahl parallel angeordneter elektrisch betätigter Ventile in Wasserauslauf-Armaturen eingefügt ist. Wobei die einzelnen Ventile von einer zentralen, elektronischen Steuereinrichtung einzeln betätigt werden, und wobei die Strömungswiderstände der einzelnen Ventile bzw. die der zugeordneten Wasserpfade unterschiedlich sein können.

2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswiderstände der einzelnen parallel angeordneten elektrisch gesteuerten Ventile in aufsteigender Reihenfolge sich jeweils halbieren.

3. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich sowohl im Kalt- als auch im Warmwasser­ zulauf ein jeweils identisches Ventilregister befindet, welche beide von einem zentralen elektronischen Steuergerät angesteuert werden.

4. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß über geeignete elektronische Sensoren Signale der zentralen elektronischen Steuereinheit übermittelt werden mit dem Ziel, den Wasserauslauf ein- sowie auszuschalten, sowie durch gezieltes Ansteuern der verschiedenen Ventile in den eingesetzten Registern den Volumenstrom und die aus Kalt- und Warmwasser gemischte Wassertemperatur zu beeinflussen.

5. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wasserabgabe in einer Standardeinstellung der Ventilregister erfolgt, die in der zentralen elektronischen Steuereinheit fest programmiert ist, unabhängig von der manuell gewählten Einstellung bei der Vorbenutzung. Die Steuerlogik ist so eingerichtet, daß diese Standardeinstellung bei jeder Benutzung zu Anfang eingestellt wird.

6. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beendigung der Wasserabgabe die Ventilregister durch die zentrale elektronische Steuereinheit so angesteuert werden, daß für eine frei wählbare geringe Zeit vor endgültiger Schließung aller Ventile eine geringe Menge Wasser einer mittleren Temperatur die Auslaufarmatur spült.

7. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Auslauf und nach den Ventilregistern angeordneter Temperatursensor die IST-Temperatur des Wassers an die zentrale elektronische Steuereinheit weitergibt, in welcher bei Abweichung einer frei vorwählbaren SOLL-Temperatur die Kombination der angesteuerten Ventile in den im Warm- und Kaltwasserzulauf angeordneten Ventilregister so verändert, daß die IST-Temperatur der SOLL- Temperatur nahekommt.

8. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das abzugebende Wasservolumen als Funktion der Abgabezeit von der zentralen elektronischen Steuereinheit vorwählbar gesteuert wird, wobei die elektr. Steuereinheit die unterschiedlichen Strömungswiderstände der jeweils geöffneten Ventile und deren Einfluß auf den Volumenstrom bei der Berechnung der abgegebenen Wassermenge berücksichtigt.

9. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß in den wasserzuführenden Leitungen vor Eintritt in die Ventilregister in den Leitungen elektrische und nichtkorrosive Elektroden angeordnet sind, die mit einem elektrischen Wechselstromsignal mittlerer Spannung beaufschlagt werden.

10. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Wasserauslauf eine Wasserturbine mit angeflanschtem elektrischen Generator befindet, deren elektrische Leistung zur Aufladung von elektrischen Speicherelementen und zur Steuerung der Ventilregister benutzt wird.

11. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Ventilregister benötigten Ventile als Einzelventile ausgebildet sein können mit jeweils einer den Strömungswiderstand beeinflussenden Blende, oder als in ein einziges Gehäuse zusammengefaßtes Array von Ventilen, wobei die Gehäuseform die den Strömungswiderstand beeinflussende Drossel als integralen Bestandteil enthält.