Selbstschlussprinzip in Sanitärarmaturen

Vom Sitzventil mit elastomerem Dichtelement bis zur modernen Hightech-Armatur war ein weiter Weg zurückzulegen. Bei einer Betrachtung der Entwicklung zeigen sich wichtige Wegmarken:

Das Sitzventil mit elastomerem Dichtelement

Der Aufbau ist einfach und besteht aus den Hauptbauteilen Gehäuse, Ventilspindel, Ventilteller mit Dichtung und Ventilsitz. Während die Teile häufig aus dem Werkstoff Messing gefertigt werden, besteht die Dichtung aus einem elastomeren Werkstoff. 

Elastomere Sitzdichtungen unterliegen, wie viele dynamisch beanspruchte Dichtelemente, besonders dem Verschleiß. Sie sind über die Lebensdauer anfällig gegen im Trinkwasser enthaltene Feststoffe wie Sand, Rost oder Kalk. Diese verhindern möglicherweise das Schließen der Armatur.

Das Selbstschluss-Membran-Auslaufventil

Die Entwicklung der Selbstschlussarmaturen ist auf das um 1875 erfundene Selbstschluss-Membran-Auslaufventil zurückzuführen. Dies war eine Weiterentwicklung des Sitzventils, dem eine zeitliche Steuerung zugefügt wurde.

Es begann mit einer Membran, die scheinbar durch eine geheimnisvolle Kraft gegen den Versorgungsdruck auf den Ventilsitz gedrückt wurde. Wie war dies möglich?

Das von links in die Hauptdruckkammer unterhalb der Membran einströmende Wasser drückt diese durch einen Versorgungsdruck nach oben, solange sich in der oberhalb befindlichen Gegendruckkammer kein Druck aufbauen kann. Das ist der Fall, wenn ein Benutzer das Hilfsventil durch Drücken der Druckkappe betätigt. Dadurch strömt das Wasser, das über einen kleinen Druckausgleichskanal durch die Membran in die Gegendruckkammer gelangt, sofort über das Hilfsventil wieder hinaus. Nach dem Loslassen schließt es – in der Regel durch eine Feder unterstützt – den Ausgang. Dadurch kann sich die Gegendruckkammer über den Druckausgleichskanal mit Wasser füllen und sich scheinbar der gleiche Druck aufbauen wie unterhalb der Membran.

Da der statische Druck oberhalb der Membran größer ist, zwingt er diese entgegen dem Volumenstrom auf den kreisrunden Membransitz. Nach dem Schließen der Membran stoppt der Wasserfluss. Es herrschen auf beiden Seiten der Membran gleiche Druckverhältnisse. Das Ventil bleibt geschlossen, da die Angriffsfläche für den Druck in der Gegendruckkammer größer ist als in der Hauptdruckkammer.

Anfang des 20. Jahrhunderts kam es zur Entwicklung weiterer Prinzipien.

Das Kolben-Selbstschlussprinzip im Wasserfluss

Auch hier tauchen wieder die gleichen Begriffe wie Hauptdruckkammer, Hilfsventil, Gegendruckkammer, Druckausgleichskanal usw. auf. Das Funktionsprinzip ist ähnlich wie zuvor beschrieben. Wenn sich bei geschlossenem Hilfsventil über den Druckausgleichskanal die Gegendruckkammer gefüllt hat, kann der in ihr herrschende, höhere statische Druck den Kolben nach unten und das mit ihm verbundene Ventil in den Ventilsitz drücken. Das passiert sogar gegen den Versorgungsdruck in der Hauptdruckkammer, weil unterhalb des geöffneten Kolbens Wasser strömt und damit an dieser Stelle zwar ein höherer dynamischer, aber eben deshalb geringerer statischer Druck herrscht. Im geschlossenen Zustand wirkt dann wieder die größere Angriffsfläche des Kolbens auf Seiten der Gegendruckkammer, da vom Querschnitt der unteren Kolbenfläche die der Kolbenstange subtrahiert werden muss.

Eine Schwäche dieses Prinzips könnte die abzudichtende Reibungsfläche zwischen Kolben und Kolbenwand sein. Diese sollte möglichst dicht sein – vergleichbar mit dem Abdichten des Kolbens eines Otto-Motors mittels der Kolbenringe. Seine Leistung wird wesentlich davon bestimmt, inwieweit das Abströmen des oberhalb des Kolbens herrschenden Druckes in den darunter befindlichen Kurbelgehäuseraum vermieden wird.

Das kolbenlose Selbstschlussprinzip im Wasserfluss

Auf das kolbenlose Selbstschluss-Funktionsteil hielt das Vorgänger-Unternehmen AQUA Butzke-Werke AG seit den 1930er Jahren mehrere Jahrzehnte das Patent.

Die Funktion der Trennung von Gegendruckkammer und Hauptdruckkammer übernimmt in diesem Fall kein Kolben, sondern ein Gummikörper, der hydraulisch dicht wie ein Strumpf über der Gegendruckkammer sitzt. Dieser walkt in sich zusammen sowie auseinander und ermöglicht dadurch eine Expansion oder Kontraktion der Gegendruckkammer. Letztgenannte besteht aus zwei ineinander verschiebbaren Teilen, wodurch sich ihr Volumen vergrößern oder verkleinern kann.

Der Schließvorgang

Ist das Hilfsventil geschlossen, ermöglicht das über den Druckausgleichskanal in die Gegendruckkammer einströmende Wasser hier den Aufbau eines statischen Druckes. Da dieser so lange größer ist als der dynamische Druck unterhalb des Gummikörpers – wie dort Wasser über das Ventil und den Ventilsitz in die Abgangsseite strömt – kann er die Gegendruckkammer auseinander drücken und mit samt dem Gummikörper gegen den Versorgungsdruck der Hauptdruckkammer bewegen.

Erst wenn er es geschafft hat, die Gegendruckkammer soweit auseinanderzudrücken, bis das mit ihr verbundene Hauptventil in den Ventilsitz gedrückt wurde, stoppt der Wasserfluss. Von jetzt an herrscht im Innern der Gegendruckkammer der gleiche statische Druck wie außen in der Hauptdruckkammer, der gegen den Gummikörper drückt. Da aber wiederum die Angriffsfläche im Innern größer ist, verharrt die Gegendruckkammer und damit das Hauptventil in seiner Position.

Der Öffnungsvorgang

Wenn jemand auf die Griffkappe und damit auf das Hilfsventil drückt und dieses öffnet, baut sich schlagartig der Druck in der Gegendruckkammer ab, und der Versorgungsdruck der Hauptdruckkammer ist in der Lage, den Gummikörper mit der Gegendruckkammer zusammenzudrücken und damit das Hauptventil vom Ventilsitz zu heben. Dieser Zustand hält an, solange das Hilfsventil geöffnet bleibt.

Die variable Schließzeit

Eine weitere Forderung, die an eine moderne Selbstschluss­armatur gestellt wird, ist die Möglichkeit einer variabel und möglichst einfach einstellbaren Öffnungszeit bzw. Fließzeit. Korrekterweise sollte aber von einer Schließzeit gesprochen werden. Denn die Zeit, die variabel einstellbar ist, ist die, die mit dem Moment beginnt, wenn das Hilfsventil schließt, also die Hand von der Armatur genommen wird.

Bleiben wir – zur Erklärung der Einstellbarkeit einer Schließzeit – beim kolbenlosen Prinzip.

Man bedient sich hierbei wieder der Physik. Ausgangspunkt ist die Formel zur Berechnung der Zeit in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Weg: t = s : v.

Wobei t die Zeit, s der Weg und v die Geschwindigkeit ist. Wenn die Zeit t – in unserem Fall die Schließzeit – verändert werden soll, wären also theoretisch zwei Variablen verfügbar. Entweder den Schließweg s zu verändern oder die Schließgeschwindigkeit v. Da aber die Letztgenannte durch den Querschnitt des Druckausgleichskanals und damit die Strömungsgeschwindigkeit des in die Gegendruckkammer nachströmenden Wassers konstruktiv vorgegeben und somit in der Praxis nicht veränderbar ist, kommt nur noch der Weg s als Variable in Betracht. Dieser Weg s ist in unserem Fall der Schließweg, den das Ventil aus seiner geöffneten Position bis in den Ventilsitz zurücklegen muss. Um diesen Weg zu variieren, nutzt man eine durch Drehung stufenlos einstellbare Nadel. Hebt das Ventil während des Öffnungsvorganges vom Ventilsitz ab, wird es so weit angehoben, bis es an diese Nadel stößt. Wird die Nadel in ihrer Position gegenüber dem Ventil verstellt, verändert sich der für das Ventil zur Verfügung stehende Öffnungsweg und damit auch der erwähnte Schließweg.

Ein Drehen der Nadel entgegen dem Uhrzeigersinn bewirkt eine Schließzeitverlängerung. Wird sie im Uhrzeigersinn an das im Ventilsitz befindliche Ventil herangedreht, kann der Öffnungs- und Schließweg und damit die Schließzeit sogar bis auf null reduziert werden. Das heißt, es ist sogar ein Absperren der Armatur ohne Schließen der Absperrarmaturen möglich. Somit lassen sich Einstellungen zwischen 0 bis ca. 50 s stufenlos vornehmen.

Einflussfaktoren aller medienberührten Prinzipien

Alle vorgenannten Prinzipien nutzen das vorhandene Wasser als Medium, was wiederum einen Einfluss auf die Funktion hat. Die Haupteinflussfaktoren sind hierbei die Wasserqualität, der anstehende Wasserdruck und die Wassertemperatur.

Die Wasserqualität hat einen Einfluss u.a. auf Dichtflächen und Druckausgleichskanal.

Die Wassertemperatur und der Wasserdruck haben einen Einfluss auf die Fließzeit.

Technische Keramik – ein Werkstoff für hohe Ansprüche

Die Bezeichnung Keramik („Keramos“) stammt aus dem Altgriechischen. Es war die Bezeichnung für Ton und die aus ihm durch Brennen hergestellten, formbeständigen Erzeugnisse. Die Herstellung von Keramik gehört zu den ältesten Kulturtechniken der Menschheit.

Der Begriff Keramik wird heute breiter gefasst und beschreibt eine ganze Familie von Keramiken. Sie sind aus verschiedenen chemischen Substanzen aufgebaut und verfügen teilweise über sehr unterschiedliche Eigenschaften. Die Keramik schließt auch Werkstoffe auf der Grundlage von Metalloxiden ein, welche für technische Einsatzzwecke genutzt werden.

Die technische Keramik wird in verschiedenen Zweigen der Industrie eingesetzt. Beispiele dafür sind die Textilindustrie, die Metallbearbeitung, die Elektrotechnik, der Anlagenbau, aber auch die Medizintechnik der Gelenkchirurgie sowie die Lebensmittel- und Sanitärtechnik

Keramischer Werkstoff – Oxidkeramik

Im Bereich der Sanitärtechnik werden vorwiegend Keramikscheiben aus Oxidkeramiken – Aluminiumoxid – eingesetzt. Die Rohstoffe werden synthetisch hergestellt und haben einen hohen Reinheitsgrad. Der Herstellungsprozess von Keramikscheiben erfolgt aus einer Rohmasse die, bei Raumtemperatur, in eine Form gepresst wird.

Diese sogenannten Grünlinge sind nicht belastbar und werden im nächsten Schritt einer Wärmebehandlung, dem Sintern, unterzogen. Dies ist der entscheidende Schritt für die Eigenschaften des Bauteils. Mit seinen dabei ablaufenden physikalischen und chemischen Vorgängen wird bei einer Sintertemperatur von 1.200 bis 2.200 °C aus dem Grünling ein dichtes und hartes Material mit einem gleichmäßigen Mikrogefüge.

Da die Bauteile nach dem Sintern an den Oberflächen Unebenheiten und Rauheiten aufweisen, sind sie für Funktionsflächen noch nicht geeignet. Die dann folgenden Arbeitsgänge des Schleifens, Polierens und Läppens sind unumgänglich für die endgültige Form und Oberflächenqualität der keramischen Scheiben. Dabei wird eine sehr ebene und glatte Fläche hergestellt. Die Scheiben haben, nun in dieser Fläche, mikrofeine Poren. Diese dienen als Schmiermittelreservoir, wodurch die Scheiben ein Armaturenleben lang geschmeidig leicht übereinandergleiten.

Die keramischen Scheiben sind gleichzeitig Dicht- und Gleit­element und zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Härte sowie Verschleißfestigkeit aus. Ihre chemische Beständigkeit sowie die Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit und ihre Trinkwassereignung sind weitere positive Eigenschaften des Keramikmaterials.

Keramische Einhebelmischer – Historie und Entwicklung

Anfang der 1970er Jahre startet die Herstellung der weltweit ers­ten keramischen Kartusche in Deutschland. Die Voraussetzung dafür war die Entwicklung der Technologie zur Herstellung der keramischen Scheiben. In den folgenden Jahren tritt der Einhebelmischer mit seiner keramischen Kartusche den erfolgreichen Weg von der Waschtischarmatur zur Dusch- und Wannenfüll-armatur an.

Die besonderen Eigenschaften der Keramik konnten eingesetzt werden und bedeuteten Langlebigkeit sowie Unabhängigkeit von Partikeln im Wasser.

Heute ist es eine alltägliche Szene: Um zu Hause die Hände zu waschen, gibt der Nutzer durch Anheben des Hebels den Wasserweg frei, durch die Schwenkbewegung ändert er die Mengenanteile von Warm- und Kaltwasser. Dies geschieht hunderte oder besser tausende Male und erfordert selbst im Haushalt einen extrem verschleiß- sowie korrosionsfesten Werkstoff.

Das modulare „Framic“-Konzept

Der Aufbau der „Framic“-(Franke Modular Innovation Cartridge-)Selbstschlusskartusche ist modular und besteht aus vier Einzelkomponenten:

Wenn der Mischer nicht montiert wird, bleibt es ein Ventil, das entweder hinter einen Thermostaten oder direkt an kaltes bzw. vorgemischtes Wasser angeschlossen werden kann.

Die hydraulische Steuerung (mediengetrenntes Selbstschlussprinzip)

Eine Weiterentwicklung der verschiedenen Selbstschlussprinzipien ist eine vom Medium Wasser getrennte und gekapselte hydraulische Steuerung.

In die Entwicklung sind die Erkenntnisse der bekannten Selbstschlussprinzipien und der Wissensstand über die Funktion von Stoßdämpfern eingeflossen.

Aufgrund ihrer mediengetrennten Bauart arbeitet die Steuerung fließdruckunabhängig. Die Einflüsse der Wasserqualitäten, besonders die Faktoren – Schwebekörper im Wasser aus denen sich Ablagerungen und Verkalkungen bilden können, sind von dem Funktionsbereich der Steuerung entkoppelt.

Bei der Betätigung der Druckkappe (Kolbenstange) werden drei Funktionen umgesetzt:

1. Der Fluidspeicher wird gefüllt. Dabei fließt durch einen beweglichen Membranring, welcher einen großen Querschnitt öffnet, das Fluid von Kammer A in Kammer B.

2. Der Kraftspeicher wird mit Energie geladen, es wird eine Feder vorgespannt.

3. Der weiter unten angebundene Schieber wird im Ventil nach unten bewegt (Bild 7: rechts), so dass die Öffnungen der Keramikscheiben übereinanderliegen. Der Wasserfluss ist freigegeben.

Der Schließvorgang erfolgt angetrieben durch den Kraftspeicher. Dabei schließt sich der bewegliche Membranring und das Rückfließen des Fluids von Kammer B in Kammer A geschieht auf einem definierten Weg. Dieser wird, wie bei dem kolbenlosen Selbstschlussprinzip, durch eine Ausgleichsbohrung definiert.

Ein Drehen der Nadel entgegen dem Uhrzeigersinn bewirkt eine Schließzeitverlängerung. Wird sie im Uhrzeigersinn gedreht, kann die Schließzeit bis auf wenige Sekunden reduziert werden.

Das keramische Ventil

Mit dem „Framic“-Ventil wurde ein neuer Bereich der Ventiltechnik im Sanitärbereich betreten. Erstmals wurde ein keramisches Dreischeibenventil mit hydraulischer Steuerung für Selbstschlussarmaturen entwickelt, patentiert und in die industrielle Fertigung überführt.

Das Ventil besteht aus zwei festeingebauten Keramikscheiben und einem beweglichen keramischen Schieber. Dieser wird durch die hydraulische Steuerung linear bewegt und öffnet oder schließt durch seine Bewegung das Ventil.

Der Aufbau setzt die Anforderung eines stagnationsfreien Ventils um und trägt damit zur Sicherstellung einwandfreier Trinkwasserhygiene bei.

Der keramische Mischer

Der Aufbau der hydraulischen Steuerung und Ventileinheit erlaubt das Anbinden weiterer Komponenten, wie einer Mischeinheit. Durch den Boden der Mischeinheit dringt das Wasser zu den Keramikscheiben vor, von denen die untere die feststehende Scheibe, mit Steuerschlitzen, Öffnungen für das kalte und warme Wasser besitzt. Die obere bewegliche Scheibe, die auf der unteren gleitet, verfügt über eine große Öffnung und ist direkt mit der Kolbenstange als Antrieb verbunden. Das Drehen der Kappe nach rechts oder links öffnet die Steuerschlitze für warmes und kaltes Wasser im gleichen Verhältnis zu einander, so dass Mischwasser am Ventil zur Verfügung steht.