Wasserarmatur, insbesondere für sanitäre Hausinstallationen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserarmatur, insbesondere für sanitäre Hausinstallationen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Wasserarmatur ist beispielsweise aus der un­ter der Nummer WO 85/01337 veröffentlichten internatio­nalen Patentanmeldung bekannt. Diese offenbart einen Wasserspender, dessen Wasserdurchfluss mittels eines elektrisch ansteuerbaren Ventils einschalt- bzw. ab­schaltbar ist. Im Strömungskanal des Wasserspenders ist bezüglich des Ventils stromaufwärts ein vom Wasser be­aufschlagtes Turbinenrad angeordnet, welches einen elek­trischen Generator kleiner Leistung antreibt. Der Gene­rator ist mit einer das Ventil ansteuernden Steueranord­nung verbunden, dessen Akkumulator mit der vom Generator gelieferten Energie aufladbar ist. Der Strömungskanal des Wasserspenders weist eine Biegung von 90° auf, be­züglich welcher stromaufwärts das Turbinenrad vorgesehen ist, wobei die Drehachse des Turbinenrades mit der Längsachse des den Strömungskanal in diesem Bereich be­grenzenden, rohrförmigen Gehäuses zusammenfällt. Der Ge­nerator ist mit der Turbine fluchtend ausserhalb des Ge­häuses im Bereich der 90°-Biegung vorgesehen, wobei im Gehäuse eine Ausnehmung für das Durchführen der mit der Abtriebswelle des Turbinenrades gekoppelten Generator­welle vorgesehen ist. Zwischen dem Generator und dem Ge­häuse der Wasserarmatur ist ein durch die Ausnehmung im Gehäuse in den Strömungskanal vorstehendes, hutförmiges Dichtelement eingeklemmt, das eine in axialer Richtung verlaufende Bohrung für die Abtriebswelle des Turbinen­rades bzw. die Antriebswelle des Generators aufweist. Zwischen der inneren Mantelfläche des Dichtelementes und der Antriebswelle des Generators ist eine O-Ringdichtung vorgesehen, welche weiter in axialer Richtung an der in­neren Stirnfläche des Dichtelementes und dieser gegen­über an einer an der Generatorwelle vorgesehenen Dicht­scheibe ansteht. Diese Dichtungsanordnung führt im Ver­gleich zur kleinen Leistung der Turbine zu erheblichen Verlusten. Ueberdies ist sie einer Abnützung und Alte­rung ausgesetzt, was dazu führen kann, dass Wasser in das Innere des Generators eindringt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wasserarmatur gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, deren Verluste äusserst gering sind und deren Dichtungsanordnung alterungsunabhängig zuverlässig dicht ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnen­den Teiles des Anspruchs 1 gelöst.

Der Rotor des Generators ist bezüglich des Strömungska­nales nicht abgedichtet, sondern rotiert im Wasser. Im Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein im we­sentlichen hohlzylindrisches Dichtelement vorgesehen, welches den Stator vom Wasser abtrennt. Es ist somit keine Verluste erzeugende und der Alterung ausgesetzte dynamische Dichtung mehr notwendig, sondern die Abtren­nung zwischen dem mit Wasser gefüllten Raum und des Sta­ tors erfolgt durch eine statische Dichtung. Dadurch, dass die Erregung des Generators durch eine Permanent­magnetanordnung am Rotor erfolgt, sind keine stromfüh­renden Teile im mit Wasser gefüllten Raum notwendig, was die Wasserarmatur erheblich vereinfacht und ihre Zuver­lässigkeit erhöht.

In einer besonders bevorzugten und einfachen Ausfüh­rungsform gemäss Anspruch 2 ist der Rotor vom Dichtele­ment becherförmig umschlossen. Die Dichtungsanordnung im Generator ist somit einstückig ausgebildet und sie dient zugleich zur Lagerung des Rotors.

In einer besonders einfachen Ausführungsform sitzt der Stator auf dem Dichtelement. Dies erübrigt eine zusätz­liche Halterung für den Stator.

Da der Rotor im Wasser dreht, können die Verluste mit einer Ausbildungsform gemäss Anspruch 5 minimalisiert werden.

Mit einem Drosselelement gemäss Anspruch 7 kann die Ver­kalkung des Generators verhindert werden, da der Aus­tausch des im Rotorbereich vorhandenen Wassers unterbun­den oder stark verlangsamt ist.

Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausbildungsform gemäss Anspruch 8 ist das Dichtelement durch einen Teil des den Strömungskanal begrenzenden Gehäuses gebildet. Dies er­laubt einen äusserst einfachen Aufbau der Wasserarmatur und verhindert eine sonst notwendige Umlenkung des Was­sers.

Eine besonders bevorzugte Wasserarmatur ist im Anspruch 10 definiert. Diese eine elektrische Steueranordnung und eine elektrisch-steuerbare Ventilanordnung aufweisende Wasserarmatur ist von einer externen Energiequelle unab­hängig, was die Installation erheblich vereinfacht.

Bei einer Ausbildungsform gemäss Anspruch 11 wird das vom Generator erzeugte Signal auch für die Ermittlung des Wasserdurchflusses durch die Armatur verwendet. Es wird somit auf einfachste Weise ermöglicht, bei entspre­chender Ausbildung der Steueranordnung, eine Mischarma­tur zu schaffen, welche bei gegebener Mischwassertempe­ratur auch einen vorbestimmten Wasserdurchfluss ermög­licht.

Anspruch 12 definiert einen elektrischen Generator klei­ner Leistung, das heisst von einigen Watt, der sich insbesondere für die Verwendung in Wasserarmaturen eig­net. Er kann aber auch in Zusammenhang mit andern Flüs­sigkeits- oder Gasinstallationen eingesetzt werden.

Weitere bevorzugte Ausbildungsformen sind in den weite­ren abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand eines in der einzigen Fi­gur schematisch dargestellen Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Wasserarmatur 10 weist ein im wesentlichen hohlzy­lindrisches Gehäuse 12, beispielsweise aus Messing, mit einem im radialer Richtung gegen aussen abstehenden Ein­ lassstutzen 14 auf. In Verlängerung des Gehäuses 12 ist ein elektrischer Generator 16 vorgesehen, dessen Stator­wicklung 18, wie mit einer Linie 20 angedeutet, mit ei­ner elektrischen Steueranordnung 22 verbunden ist. In Strömungsrichtung 5 gesehen, ist dem Gehäuse 12 ein elektrisch ansteuerbares symbolisch dargestelltes Ventil 24 nachgeschaltet, welches über die elektrische Leitung 26 ebenfalls mit der Steueranordnung 22 verbunden ist.

Im Bereich des Einlassstutzens 14 ist im Innern des Ge­häuses 12, das ja den Strömungskanal 28 für das Wasser umschliesst, ein Turbinenrad 30 vorgesehen, das auf ei­ner Welle 32 drehfest sitzt, deren Drehachse 34 mit der Längsachse des Gehäuses 12 zusammenfällt.

Das Turbinenrad 30 weist einen zur Drehachse 34 rota­tionsymmetrischen Turbinenkörper 36 mit einer im Bereich des Einlassstutzens 14 vorgesehenen konkaven Ausnehmung 38 für die Umlenkung des durch den Einlasstutzen 14 zu­geführten Wassers in die axiale Richtung. auf. In Strö­mungsrichtung S der Ausnehmung 38 folgend, ist am Turbi­nenkörper 36 ein zylindrischer Teil 40 vorgesehen, an welchem von der Mantelfläche in radialer Richtung abste­hende, vom durchströmenden Wasser in axialer Richtung S beaufschlagte Turbinenschaufeln 42 angeordnet sind.

Bezüglich des Turbinenkörpers 36 stromabwärts weist das Gehäuse 12 im Innern eine mit mehreren in axialer Richtung verlaufenden Bohrungen 44 versehene Lagerungs­wand 46 für die Welle 32 auf. Auf der dem Turbinenkörper 36 zugewandten Seite ist in der Lagerungswand 46 ein Sackloch 48 vorgesehen, dessen Achse mit der Drehachse 34 zusammenfällt. In das Sackloch 48 ist eine hutförmige Lagerbüchse 50 aus Kunststoff eingesetzt, in deren Aus­nehmung eine Lagerkugel 52 vorgesehen ist, an welcher sich die Welle 32 mit ihrem diesseitigen Ende in axialer Richtung abstützt. In radialer Richtung ist der Endbe­reich der Welle 32 von der Lagerbüchse 50 geführt.

Auf der bezüglich der Lagerungswand 46 andern Seite des Turbinenrades 30 weist das Gehäuse 12 an seinem Ende ei­ne Wand 54 mit einer axialen Ausnehmung 56 für die Welle 32 auf. Auf der Welle 32 sitzt eine ringförmige Dichtung 58, die in axialer Richtung am Turbinenkörper 36 an­liegt. Auf der der Wand 54 zugewandten Seite weist die Dichtung 58 eine dünne Dichtlippe 60 auf, welche an der Wand 54 anliegt.

Das Gehäuse 12 ist im Bereich der Turbinenschaufeln 42 in zwei Teilgehäuse unterteilt, wie dies mit der mit 62 bezeichneten Trennlinie angedeutet ist, um die Montage der im Innern des Gehäuses 12 angeordneten Teile zu er­möglichen. Die beiden Gehäuseteile werden nach der Mon­tage entlang der Trennlinie 62 miteinander zu einem ein­zigen Gehäuse 12 zusammengefügt.

Auf der Welle 32 sitzt weiter der Rotor 64 des Genera­tors 16, welcher von einem becherförmigen Dichtelement 66 umfasst ist. Das Dichtelement 66 besteht aus einem nicht magnetisierbaren Material,beispielsweise aus tief­gezogenem, austenitischem rostfreiem Stahl. Der offene Endbereich des Dichtelementes 66 überlappt das Gehäuse 12 im Bereich der Wand 54 und ist mittels einer Einbör­delung 68 an diesem befestigt. Das Gehäuse 12 weist im Bereich dieser Ueberlappung eine in Umlaufrichtung um­laufende Nut 70 auf, in welcher ein O-Ring 72 vorgesehen ist.

Der Rotor 64 weist einen im Querschnitt T-förmigen, ro­tationssymmetrischen Tragkörper 74, beispielsweise aus Messing oder Kunststoff, auf. Auf dem Tragkörper 74 sitzt drehfest ein hohlzylinderförmiger Permanentmagnet 76, welcher lateral auf dem Umfang magnetisiert ist. Solche Permanentmagnete sind beispielsweise unter den Namen "FERROXDURE" von der Firma Philips erhältlich.

Im Innern des becherförmigen Dichtelementes 66 ist im Bereich dessen Bodens 66′ ein Lagerungselement 78 vorge­sehen, welches beispielsweise mit dem Dichtelement 66 verklebt ist. In einer zentralen Bohrung 80 des Lage­rungselementes 78 ist eine weitere Lagerbüchse 50 ein­gesetzt, in welcher ebenfalls eine weitere Lagerkugel 52 vorgesehen ist, an welcher sich das diesseitige Ende der Welle 32 in axialer Richtung abstützt. In radialer Rich­tung ist der diesseitige Endbereich der Welle 32 von der Lagerbüchse 50 geführt.

Koaxial zum Rotor 64 sitzt auf dem becherförmigen Dicht­element 66 der Stator 80 mit seiner mehrphasigen Stator­wicklung 18 und dem Weicheisenkörper 82. Der Stator 80 weist weiter eine den Weicheisenkörper 82 und die Sta­torwicklung 18 umschliessende Haube 84, beispielsweise aus Kunststoff auf, welche zusammen mit einem ringför­migen Kunststoffkörper 86, welcher auf der dem Gehäuse 12 zugewandten Seite des Weicheisenkörpers 82 dicht auf das Dichtelement 66 aufgesetzt ist, den Generator 16 ge­ gen die Umgebung abschliesst. Mittels einer Stopfbüchse 88 sind die elektrischen Leiter der Statorwicklung 18 durch die Haube 84 hindurchgeführt. Dieser Generator 16 benötigt keinen Kommutator, was die Lebensdauer erheb­lich erhöht.

Diese elektrischen Leiter sind, wie mit der Linie 20 schematisch dargestellt, mit der Steueranordnung 22 ver­bunden. Diese weist einen schematisch angedeuteten und mit 90 bezeichneten Akkumulator auf, wobei vorzugsweise ein Nickel-Cadmium-, Blei-, oder wiederaufladbarer Lithium-Akkumulator vorgesehen sein kann. Dieser Akkumu­lator 90 wird mit der vom Generator 16 gelieferten Ener­gie aufgeladen, wobei in der Steueranordnung 22 die Pha­senspannungen des Generators 16 gleichgerichtet werden. Der Akkumulator 90 liefert die Energie für die gesamte Steueranordnung 22 und das Ventil 24, auch wenn der Was­serfluss durch die Wasserarmatur 10 infolge des ge­schlossenen Ventils 24 unterbrochen ist. Steueranordnun­gen 22 dieser Art sind bekannt und sind beispielsweise mit einem Näherungssensor verbunden, um das Ventil 24 zu öffnen, sobald der Näherungssensor ein Signal empfängt und dieses, beispielsweise nach einer bestimmten Zeit oder nach Beendigung des vom Näherungssensor empfangenen Signals, wieder zu schliessen.

Sobald das Ventil 24 geöffnet ist, beginnt das Wasser in Strömungsrichtung S zu fliessen, wodurch das Turbinenrad 30 zu drehen beginnt. Diese Drehbewegung wird mittels der Welle 32 auf den Rotor 64 übertragen, welcher in den Statorwicklungen 18 Wechselspannungen induziert. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist proportional zur Drehzahl des Rotors 64. Dies ermöglicht bei entsprechen­der Auswertung in der Steueranordnung 22 die Berechnung des pro Zeiteinheit durch die Wasserarmatur 10 fliessen­den Wassers. Falls es sich beim Ventil 24 um ein regel­bares Ventil handelt, kann somit die Durchflussleistung der Wasserarmatur 10 auf einen vorbestimmten Wert einge­stellt werden.

Die Dichtung 58 muss nicht absolut dichtend ausgebildet sein. Es ist vorgesehen, dass der vom becherförmigen Dichtelement 66 umschlossene Raum mit Wasser gefüllt ist. Die Dichtung 58 drosselt allerdings den Wasserfluss zwischen diesem Raum und dem vom Gehäuse 12 umschlosse­nen Raum, um die Kalkablagerung innerhalb des Generators 16 gering halten zu können. Die Reibungsverluste der Dichtung 58 sind verschwindend klein, da die Lippe 60 bei geschlossenem Ventil 24 und somit ja stillstehendem Turbinenrad 30 höchstens mit dem Druckuntschied zwischen dynamischem und statischem Druck des Wassers beauf­schlagt wird, bei geöffnetem Ventil 24 und somit laufen­dem Turbinenrad 30 hingegen im Strömungskanal 28 nur der dynamische Wasserdruck ansteht, so dass die Lippe 60 höchstens mit der Kraft ihrer Eigenelastizität gegen die Wand 54 drückt.

Um die Axialkräfte der Welle 32 von der Lagerbüchse 50 besser aufnehmen zu können, ist es denkbar, dass an der inneren Stirnfläche der Lagerbüchse 50 ein gestrichelt angedeutetes Hartmetallplättchen 92 angeordnet ist, auf welchem sich die Lagerkugel 52 abstützt.

Es ist auch denkbar, dass der Permanentnagnet direkt am Turbinenrad vorgesehen ist. Das Gehäuse der Wasserarma­tur besteht dann mindestens im Bereich des Permanentmag­ netes aus einem nicht magnetisierbarem Material und ist in diesem Bereich hohlzylindrisch ausgeführt, und der Stator umgreift das Gehäuse im Bereich des Permanent­magnetes. Bei dieser Ausführungsform ist das Turbinenrad somit zugleich Rotor des Generators.

Die vom Generator abzugebende Leistung für den vorgese­henen Anwendungszweck beträgt höchstens einige Watt. Es ist somit ohne weiteres denkbar, dass der Generator auch für andere Zwecke verwendet werden kann, so beispiels­weise als Drehzahlaufnehmer. Es ist aber auch möglich, diesen als Motor, beispielsweise zum Antrieb einer Pumpe kleiner Leistung, einzusetzen.

Selbstverständlich können anstelle des einen Permanent­magnetes mehrere Permanentmagnete für die Erregung vorgesehen sein.

Die Dichtung 58 kann auch weggelassen werden, dies ins­besondere, wenn die Wasserarmatur 10 im Gebiet mit kalk­armem Wasser eingesetzt ist. Sie kann aber auch durch eine Filteranordnung ersetzt sein, die das Eindringen von Kalk in den Rotorraum herabsetzt oder verhindert.

Es ist auch denkbar, dass das elektrisch ansteuerbare Ventil dem Turbinenrad, in Strömungsrichtung gesehen, vorgeschaltet ist.

Die Wasserarmatur kann als Mischarmatur ausgebildet sein, wobei dann für die Regulierung des Warm- und des Kaltwassers je ein Ventil vorgesehen ist. Mittels einem Temperatursensor kann die Mischwassertemperatur gemessen werden, um diese auf einen gegebenen Wert zu regulieren.