Die Erfindung betrifft eine Steuerkartusche für Einhebelmischbatterien mit einem Gehäuse, in dem eine keramische Grundscheibe und eine auf der Grundscheibe aufliegende verdreh- und verschiebbare keramische Steuerscheibe angeordnet ist.. Die Steuerscheibe weist neben einer Offenstellung und einer Schließstellung eine Mischstellung auf. In der Offenstellung und der Mischstellung fließt Wasser durch die Steuerkartusche und in der Schließstellung nicht.

In herkömmlichen Einhebelmischbatterien werden fast ausschließlich Ventile mit keramischen Dichtscheiben (Grundscheibe und Steuerscheibe) eingesetzt. Diese Ventile werden in der Sanitararmaturenbranche Kartuschen oder Steuerkartuschen genannt. Diese Steuerkartuschen zeichnen sich fast alle dadurch aus, dass in einem Gehäuse keramische Dichtscheiben enthalten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerkartusche so zu verändern, dass ein automatischer Verbrühschutz integriert ist, d.h. dass bei einer definierten Temperatur des Mischwasssers die Steuerkartusche automatisch schließt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Steuerkartusche nach dem Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass auf der Steuerscheibe zumindest ein FGL-Element (Formgedächtnislegierungs-Element) angeordnet ist, welches im Betrieb der Steuerkartusche die Temperatur des Mischwasser annimmt und sich bei Erreichen einer Verbrühtemperatur des Mischwassers ausdehnt und hierbei automatisch die Steuerscheibe in die Schließstellung verschiebt, bei der kein Wasser in den Auslauf gelangt, und das FGL-Element sich einerseits an der Steuerscheibe und andererseits am Gehäuse abstützt,. Wenn das Mischwasser eine Verbrühtemperatur aufweist, bei der sich ein Benutzer verbrühen würde, dehnt sich das FGL-Element aus und schiebt dabei die Steuerscheibe in ihre Schließstellung. Erfindungsgemäß ist die Steuerscheibe 4 komplett vom Mischwasser umströmt, wenn die Steuerkartusche sich in einer Offenstellung befindet.

Unter einem FGL-Element wird ein Bauteil aus einer Formgedächtnislegierung verstanden. Eine Formgedächtnislegierung besteht zum Beispiel aus folgenden Werkstoffen: NiTi, CuZnAI, CuAINi, FeMnSi oder FeNiCoTi. Während die meisten Metalle immer dieselbe Kristallstruktur bis zu ihrem Schmelzpunkt besitzen, haben Formgedächtnislegierungen, abhängig von der Temperatur, zwei unterschiedliche Strukturen (Phasen). Formgedächtnislegierungen (Abkürzung FGL, englisch shape memory alloy, Abkürzung SMA) sind also spezielle Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Sie werden oft auch als Memorymetalle bezeichnet. Dies rührt von dem Phänomen her, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung scheinbar„erinnern" können.

Bevorzugt ist das FGL-Element ein FGL-Blech oder ein FGL-Draht ist. Bleche oder Drähte sind so herzustellen, dass sie wenig Platz in der Steuerkartusche beanspruchen.

In bevorzugter Ausführung werden ausschließlich FGL-Elemente verwendet, die sich bei Erreichen der Verbrühtemperatur mit einer Kraft von mindestens 50 N ausdehnen. Es hat sich unerwartet gezeigt, dass diese geringe Kraft bei den derzeit üblichen Steuerkartuschen zum Verschieben der Steuerscheibe ausreicht. Bevorzugt werden zwei oder mehrere FGL-Elemente verwendet. Die Kraft auf die Steuerscheibe kann dadurch erhöht werden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von 8 Figuren weiter erläutert. Alle Figuren zeigen eine identische Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Steuerkartusche in verschiedenen Stellungen. Das Ventil bzw. die Steuerkartusche mit Verbrühschutz ist vorteilhaft wie folgt aufgebaut:

Figur 8 zeigt eine erfindungsgemäße Steuerkartusche 1 . In einem zylindrischen Gehäuse 2 aus Kunststoff befindet sich eine Grundscheibe 3 aus Keramik, die zu der Zylinderwand des Gehäuses 2 abgedichtet ist. In der Grundscheibe 3 befinden sich drei Bohrungen, eine für den Zulauf kalt 5a, eine für den Zulauf warm 5b und eine Bohrung als Auslauf 6 für das Mischwasser. Die Grundscheibe 3 ist gegenüber dem zylindrischen Gehäuse 2 gegen Verdrehung gesichert. Somit bilden das Gehäuse 2 und die Grundscheibe 3 eine Einheit, ähnlich einem zylindrischen Topf. Die beiden Zuläufe 5a, 5b sind wasserdicht über einen Armaturen körper (nicht gezeigt) an das Wasserversorgungsnetz angeschlossen. Die Mischwasserbohrung, bzw. der Auslauf 6 ist an eine Armatur angeschlossen, zum Beispiel an den Auslauf einer Brausearmatur. Über der Grundscheibe 3 liegt eine weitere Scheibe aus Keramik, die Steuerscheibe 4. Diese Steuerscheibe 4 kann sowohl translatorisch als auch rotatorisch mit dem Pivot 8 bewegt werden. Die Steuerscheibe 4 kann um die Mittelachse 9 des zylindrischen Gehäuses 2 um einen Winkel nach links bzw. nach rechts gedreht werden (Drehpunkt 9). Des Weiteren kann die Steuerscheibe 4 translatorisch in Richtung ihrer Symmetrieachse verschoben werden. In der skizzierten Version (siehe Figur 1 ) sind es 5 mm. Die Steuerscheibe 4 vergrößert bzw. verkleinert durch ihre translatorische bzw. rotatorische Bewegung die Querschnitte der Zuläufe 5a, 5b bzw. deren Zulaufbohrungen. In Figur 1 ist dieses Ventil in der Position voll geöffnet, schematisch dargestellt. Die Zuläufe warm und kalt 5a, 5b sind größtmöglich geöffnet, so dass in dieser Position der höchste Volumenstrom entsteht. In den Figuren 1 , 3, 4, 5, 6 ist jeweils ein Schnitt senkrecht zur Mittelachse 9 (siehe Figur 8) der Steuerkartusche gezeigt, bzw. eine Ansicht von oben auf die Steuerscheibe 4.

Diese Bewegungen sind allgemein bekannt durch die Bedienung einer Einhebelmischbatterie in Bad oder Küche. Durch die auf/zu Bewegung am Griff wird die Steuerscheibe translatorisch bewegt und durch eine Drehbewegung rotatorisch. In Figur 2 sind diese Bewegungen exemplarisch an einer Brausearmatur dargestellt. Die Pfeile 1 1 a, 1 1 b markieren die Stellungen auf und zu und die Pfeile 12a, 12b kalt und warm. Das gleiche gilt für alle anderen Einhebelmischbatterien zum Beispiel in der Küche oder auf dem Waschtisch.

In die Steuerscheibe 4 (siehe Figur 3) sind erfindungsgemäß zwei FGL-Elemente 7a, 7b (FGL = Formgedächtnislegierung) formschlüssig eingelegt. Die FGL- Elemente 7a, 7b bestehen aus einer Formgedächtnislegierung (Nickel-Titan- Legierung) und haben die Eigenschaft sich bei einer bestimmten und definierbaren Temperatur zu verformen. Diese FGL-Elemente 7a, 7b sollen im Alltagsbetrieb keine Funktion haben, sie machen die Bewegungen der Steuerscheibe 4 mit und werden bei geöffnetem Ventil ständig mit Mischwasser umströmt. In bevorzugter Ausgestaltung sind diese FGL-Elemente 7a, 7b Bleche oder Drähte.

In Figur 3 ist das Ventil in geschlossen Position dargestellt. Die Zuläufe 5a, 5b bzw. deren Zulaufbohrungen sind jetzt durch die Steuerscheibe 4 verdeckt. Im Gehäuse 2 steht Wasser (und auch an den FGL-Elementen 7a, 7b) das Umgebungstemperatur annimmt, bzw. schon angenommen hat, wenn das Ventil schon längere Zeit verschlossen ist.

Figur 4 zeigt eine Ventilstellung wie sie typischerweise für das Duschen oder Händewaschen sein kann. Das Ventil ist zu ³ A geöffnet und um 20° in Warmstellung gedreht. Die Temperatur des Mischwassers beträgt jetzt angenehme 38°C. Diese und unendlich viele Zwischenstellungen finden während des Produktlebenszyklusses statt. Schätzungen gehen von 4 bis 6 Millionen Bewegungen aus. Bei Tests der Anmelderin auf ihren Lebensdauerprüfständen werden 500.000 Lastwechsel geprüft, was etwa 4,5 Mio einzelnen Bewegungen entspricht.

Wird die Kaltwasserzufuhr gedrosselt, oder fällt gar ganz aus, kann die Mischwasser-temperatur auf Werte ansteigen die ein Verbrühen des Bedieners zur Folge hat. Jetzt (und nur jetzt!) sollen die FGL-Elemente 7a, 7b ihre Arbeit leisten. Ab einer bestimmten Temperatur des Mischwassers (z.B. 46°C) sollen die FGL- Elemente 7a, 7b eine Form annehmen wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Durch die Verformung der FGL-Elemente 7a, 7b wird die Steuerscheibe 4 in Richtung ihrer Symmetrieachse verschoben, (siehe Pfeilrichtung in Figur 5). Jetzt ist das Ventil geschlossen und verhindert eine weitere Zufuhr sowohl von Kaltwasser als auch von Warmwasser.

Dabei sind voraussichtlich Reibkräfte zwischen Grundscheibe 3 und Steuerscheibe 4 und der nicht dargestellten Hebelmechanik von ca. 80 N zu erwarten. Diese Kraft müssen die FGL-Elemente 7a, 7b aufbringen. Dabei ist zu bedenken, dass ein Teil der Kraft für Reibung zwischen FGL-Elemente 7a, 7b und Gehäuse 2 „verloren" geht. Des Weiteren werden gegen Ende der Transformation nur 83% der Kraft in Translationsrichtung geleitet (cos 34°, siehe Figur 5). Zu Beginn der Translation sind es nahezu 100%, was der Performance des Transformationsvorganges sicherlich entgegen kommt. Zu Beginn der Transformation schnell und stark, gegen Ende etwas langsamer und schwächer. Werden all diese Umstände berücksichtigt kommt man zu dem Schluss, dass jedes der beiden FGL-Elemente 7a, 7b mindestens 50 N aufbringen muss.

Diese Kraft ist stark abhängig von der Normalkraft der Gleitpaarung und/oder des tribologischen Systems Keramik/Keramik. Die Hebelmechanik hat nur einen geringen Einfluss, da hier Gleitpaarungen mit extrem niedrigem Reibbeiwert gewählt werden. Die Kraft ist normalerweise konstruktiv beeinflussbar, das ist in dem hier beschrieben System aber nur noch bedingt der Fall, da das ganze System auf Volumenstrom und hydraulische Funktion optimiert wurde und somit die Normalkraft kaum noch beeinflussbar ist. Lediglich über den Reibbeiwert sind noch Optimierungen vorstellbar. Ferner ist zu bedenken, dass die Kraft bei vergleichbaren Systemen über die Zeit zunimmt, weil sich das tribologische System verschlechtert. Dies gilt ins besonders für dieses System, da es sich hierbei um ein sogenanntes „offenes System" handelt, bei dem die Steuerscheibe 4 komplett von Wasser umströmt wird. Deswegen müssen entsprechende Reserven berücksichtigt werden, damit das System auch noch unter diesen Bedingungen funktioniert.

Der Transformationsvorgang sollte möglichst schnell und möglichst ohne weitere Steigerung der Temperatur ablaufen. 1 bis 2 Sekunden sind akzeptabel.

Die Rückstellung der FGL-Elemente 7a, 7b bzw. der FGL-Bleche wird mechanisch über den Griff der Armatur erfolgen (Figur 2). Eine selbstständige Rückverformung der FGL-Elemente 7a, 7b nach Abkühlung des Wassers ist vorteilhaft.

Figur 6 zeigt rechts die FGL-Elemente 7a, 7b im Normalzustand und links im verformten Zustand, sowie Figur 7 eine Skizze eines der FGL-Elemente 7a, 7b, welches hier als Blech ausgebildet ist im unverformten Zustand in zwei Ansichten. Figur 8 (siehe auch die Beschreibung weiter oben) zeigt eine erfindungsgemäße Steuerkartusche 1 in einem zylindrischen Gehäuse 2 aus Kunststoff. In dem Gehäuse 2 ist ein Boden 13 mit einem Zulauf 14b für Warmwasser und einem Zulauf 14a für Kaltwasser angeordnet sowie ein Mischwasserauslauf (in Figur 8 nicht zu sehen). Über dem Boden 13 befindet sich eine Grundscheibe 3 aus Keramik In der Grundscheibe 3 befinden sich drei Bohrungen, eine für den Zulauf kalt 5a, eine für den Zulauf warm 5b und eine Bohrung für das Mischwasser. Die Grundscheibe 3 ist gegenüber dem zylindrischen Gehäuse 2 gegen Verdrehung gesichert. Somit bilden das Gehäuse 2 und die Grundscheibe 3 eine Einheit, ähnlich einem zylindrischen Topf. Die beiden Zuläufe 5a, 5b sind über die Zuläufe 14a, 14b wasserdicht über einen Armaturen körper an das Wasserversorgungsnetz angeschlossen. Die Mischwasserbohrung ist an den Auslauf einer Armatur angeschlossen, zum Beispiel an den Auslauf einer Brausearmatur.

Über der Grundscheibe 3 liegt eine weitere Scheibe aus Keramik, die Steuerscheibe 4. Auf dieser Steuerscheibe sind die FGL-Elemente 7a, 7b angeordnet, die bei Beaufschlagung mit heißem Wasser die Steuerscheibe 4 in Schließrichtung verschieben, so lange bis die Steuerkartusche 1 geschlossen ist. Abgedeckt wird die Steuerscheibe durch eine Lagerscheibe 15 aus Keramik.