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Die Erfindung betrifft ein Steuerscheibenpaket für ein Sanitärventil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Bekannte derartige Steuerscheibenpakete umfassen zwei, drei oder zuweilen auch mehr Steuerscheiben, von denen jeweils zwei zusammenwirken. Es ist bekannt, daß die Berührungsflächen aneinander angrenzender Steuerscheiben zwar auf hohe Güte poliert werden müssen, so daß die Steuerscheiben durch Adhäsionskräfte aneinander festgehalten werden; es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine gewisse Rauhigkeit oder Mikrostruktur an den Berührungsflächen durchaus günstig ist. Werden nämlich die Berührungsflächen auf höhere Güte poliert, als dies zur Aufrechterhaltung der Dichtwirkung erforderlich ist, steigt die Größe der Adhäsionskraft sowie der Reibungskraft unnötig an, die bei der Relativverschiebung benachbarter Steuerscheiben aufzubringen ist. Gleichwohl hat sich herausgestellt, daß zuweilen auch solche Steuerscheiben, welche die ideale Mikrostruktur an den Berührungsflächen aufweisen, im Laufe der Zeit schwerer gegeneinander zu bewegen sind. Insbesondere erweist sich als nachteilig, daß das anfängliche Bewegen der einen Steuerscheibe gegen die andere Steuerscheibe eine gewisse "Losbrechkraft" erfordert. Dies hat häufig zur Folge, daß die Steuerscheiben- Relativbewegung über das eigentlich angestrebte Ziel hinausschießt, so daß Korrekturen der Relativstellung erforderlich werden.
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Aus der DE-OS 29 28 504 ist eine Gleitringdichtung bekannt, die aus einem feststehenden und einem mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit rotierenden Ring zusammengesetzt ist. Die Gleitflächen dieser Ringe sollen unter Ausnutzung eines dynamischen, also die hohe Relativgeschwindigkeit der beiden Ringe ausnutzenden Effekts geschmiert werden. Hierzu sind " Hydrodynamisierungsvertiefungen" vorgesehen, welche auf Grund der Bewegung des Gleitringes zu einer Schmier- und Tragwirkung führen. Derartige hydrodynamische Effekte treten bei statischen Anwendungsfällen, zu denen gattungsgemäße Steuerscheibenpakete gehören, jedoch nicht auf.
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Die GB-PS 6 27 436 beschreibt ein motorverstellbares Schieberventil, bei dem ebenfalls in einer Steuerscheibe vorgesehene Vertiefungen die Funktion eines Schmiermittelreservoirs erfüllen. Sie sind in so geringer Anzahl vorhanden, daß eine nennenswerte Reduzierung der Berührungsflächen nicht vorliegt. Eine derartige Maßnahme hätte hier auch keinen Sinn, da die verwendeten Steuerscheiben nicht unter der Einwirkung von Adhäsionskräften aneinander anliegen, also insbesondere die Problematik der sogenannten "Losbrechkraft" nicht aufweisen. Die Bewegungswege sind zudem recht groß; Probleme mit der Feinfühligkeit der Einstellung ergeben sich nicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuerscheibenpaket der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art derart auszubilden, daß die Leichtgängigkeit zweier benachbarter Steuerscheiben dauerhaft erhalten bleibt.
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Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen, makroskopischen Vertiefungen wird die effektive Berührungsfläche zwischen zwei benachbarten Scheiben auf einen Bruchteil dessen abgesenkt, was bei konventionell geschliffenen Berührungsflächen gegeben wäre. Um denselben Bruchteil - gleiche Mikrostruktur der verbleibenden Berührungsfläche vorausgesetzt - sinken die zur Relativbewegung der Scheiben erforderlichen Kräfte. Die Anpresskraft, mit der die beiden Steuerscheiben senkrecht zu ihrer Berührungsfläche aneinandergedrückt werden, kann auf denselben Bruchteil reduziert werden.
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Mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vertiefungen wird jedoch nicht nur die effektive Berührungsfläche der beiden benachbarten Steuerscheiben reduziert; sie stellen auch gleichzeitig Langzeitreservoirs für ein Schmierfett bereit. Auch dann noch, wenn nach sehr langer Betriebsdauer das Fett erschöpft ist, tragen sie zur Schmierung bei. Da sie sich z. T. mit Wasser füllen, sorgen sie für eine immer noch sehr effektive Wasserschmierung über die schmalen Stege hinweg. Schmutzpartikel, die zwischen die Steuerscheiben eindringen, werden schon nach sehr kurzer Relativbewegung der beiden Steuerscheiben von einer dieser Vertiefungen aufgenommen, wo sie ohne Beeinträchtigung der Leichtgängigkeit der Scheiben verbleiben können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt
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Fig. 1 die Draufsicht auf die Berührungsfläche einer zu einem Paket gehörenden Steuerscheibe;
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Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Steuerscheibe von Fig. 1 auf einer zweiten, zum Paket gehörenden Steuerscheibe aufliegend;
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Fig. 3 die gegenüber Fig. 1 maßstäblich vergrößerte Draufsicht auf einen Teil der Berührungsfläche einer Steuerscheibe nach einer zweiten Ausführungsform;
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Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV von Fig. 3;
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Fig. 5 die gegenüber Fig. 1 maßstäblich vergrößerte Draufsicht auf einen Teil der Berührungsfläche einer Steuerscheibe nach einer dritten Ausführungsform;
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Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie VI-VI von Fig. 5.
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Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf die Berührungsfläche einer Steuerscheibe 1, die zu einem Paket von mindestens zwei aufeinanderliegenden, gegeneinander rotatorisch und/oder translatorisch verschiebbaren Steuerscheiben gehört. Die dargestellte Steuerscheibe 1 ist kreisrund, kann jedoch jede andere, dem speziellen Verwendungszweck entsprechende Außenkontur aufweisen. Die Steuerscheibe 1 ist mit einer Durchtrittsöffnung 2 versehen, deren Form wiederum im vorliegenden Zusammenhang ohne Belang ist. Statt der Durchtrittsöffnung 2 kann es sich auch um einen Oberflächenkanal handeln, der die Funktion einer Wasserumlenkung übernimmt. Auch die Zahl der Durchtrittsöffnungen oder Oberflächenkanäle ist ohne Bedeutung und kann nach dem jeweiligen Anwendungsgebiet gewählt werden. Steuerscheiben schließlich, die ausschließlich die Funktion haben, die Öffnungen einer benachbarten Steuerscheibe wahlweise abzusperren oder freizugeben, brauchen überhaupt keine Durchtrittsöffnungen oder Oberflächenkanäle aufzuweisen.
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Die Berührungsfläche der Steuerscheibe 1 ist mit einer Vielzahl von kleinen Vertiefungen 3 überzogen, die von einem Netz aus Stegen 4 voneinander getrennt sind. Auch am Umfang der Steuerscheibe 1 ist ein Steg 6 ausgebildet. Schließlich wird beim gezeigten Ausführungsbeispiel die Durchtrittsöffnung 2 von einem weiteren Steg 7 umsäumt, auf den weiter unten noch eingegangen wird.
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Die Oberfläche der Stege 4 ist in bekannter Weise auf hohe Güte poliert, wobei der Erkenntnisstand über die optimale Mikrostruktur des Schliffs voll berücksichtigt werden kann.
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In Fig. 2 ist die Steuerscheibe 1 von Fig. 1 teilweise auf einer zweiten, zum Paket gehörenden Steuerscheibe 8 aufliegend und im Schnitt dargestellt. Bei dieser handelt es sich um eine konventionelle Steuerscheibe mit makroskopisch ebener Berührungsfläche. Die Steuerscheibe 8 ist ebenfalls mit einer Durchtrittsöffnung 9 versehen, die bei der dargestellten Relativstellung von der Durchtrittsöffnung 2 der Steuerscheibe 1 teilweise überlappt, also freigegeben wird. Die Zeichnung macht deutlich, daß die Berührungsfläche zwischen den beiden Steuerscheiben 1, 8 nur einen Bruchteil dessen beträgt, was sich bei entsprechend großen konventionellen Steuerscheiben ergeben würde. Auf denselben Bruchteil kann beim dargestellten Steuerscheibenpaar 1, 8 gegenüber herkömmlichen Steuerscheiben die Anpreßkraft reduziert werden, so daß die zur optimalen Abdichtung erforderliche Flächenpressung beibehalten bleibt. Die Folge ist eine erhebliche, theoretisch auf den gleichen Bruchteil stattfindende Verringerung der Adhäsions- und Reibungskräfte. Insbesondere die Verkleinerung der Haftreibungskräfte, möglicherweise auch der Adhäsionskräfte, erhöht den Bedienungskomfort des Schieberventils, in dem das Steuerscheibenpaket eingebaut ist, erheblich: die Gefahr, daß beim "Losbrechen" der beiden Steuerscheiben 1, 8 aus einer Ruhelage über die angestrebte neue Relativstellung hinausgeschossen wird, ist erheblich reduziert. Besonders wichtig ist, daß die geschilderte Leichtgängigkeit der Steuerscheiben 1, 8 von Dauer ist. Herkömmliche Steuerscheiben verlieren zuweilen einen Teil ihrer Leichtgängigkeit nach einer gewissen Betriebszeit, möglicherweise dann, wenn das werkseitig aufgetragene Fett ausgewaschen ist.
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Die von den Vertiefungen 3 und Stegen 4 gebildeten Taschen stellen außerdem ein Fettreservoir dar, welches eine Fettversorgung der Berührungsflächen über sehr lange Zeit hinweg sicherstellt. Selbst dann, wenn nach dieser Zeit der Fettvorrat erschöpft ist, tragen die Vertiefungen 3 zur Schmierung bei: sie sind dann zumindest teilweise mit Wasser gefüllt und ermöglichen so über die schmalen Stege 4 hinweg eine sehr effektive Wasserschmierung. Schließlich dienen die Vertiefungen 3 als Aufnahmetaschen für kleinste Verunreinigungspartikel, die möglicherweise zwischen die Steuerscheiben 1, 8 gelangen können und bei herkömmlichen Steuerscheiben praktisch auf Dauer zwischen diesen unter Erzeugung von Reibung eingeschlossen werden. Derartige Partikel gelangen beim dargestellten Steuerscheibenpaket bereits nach kurzer Relativverschiebung der Scheiben 1, 8 in eine von einer Vertiefung 3 gebildeten Tasche, wo sie ohne Beeinflussung der Scheibenleichtgängigkeit verbleiben.
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Ein nicht mit der Leichtgängigkeit der Scheiben 1, 8 verbundener Vorteil der aus den Vertiefungen 3 und Stegen 4 bestehenden Makrostruktur sei ebenfalls anhand der Fig. 2 erläutert. Wenn die Durchströmungsrichtung des Mediums ( insbesondere des Wassers) mit der durch die Pfeile angedeuteten Richtung übereinstimmt, prallt das Medium bei teilweise verschlossener Durchtrittsöffnung 9 nicht auf eine glatte, sondern auf eine strukturierte Oberfläche der Steuerscheibe 1. Hierdurch wird die mit der Durchströmung der teilweise überlappenden Durchtrittsöffnungen 2, 9 verbundene Geräuschentwicklung erheblich reduziert.
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Besonders starke Geräusche treten bekanntlich in der ersten Öffnungsphase eines Schieberventils auf, wenn also die regelnde Kante der Durchtrittsöffnung 2 der Scheibe 1 gerade die regelnde Kante der Durchtrittsöffnung 9 der Scheibe 8 überschreitet. Diese Geräuschspitzen lassen sich sehr effektiv dadurch bekämpfen, daß der die Öffnung 2 der Scheibe 1 umgebende, die Regelkante bildende Steg 7 weggelassen wird. Die der Öffnung 2 unmittelbar benachbarten Vertiefungen 3 öffnen sich dann seitlich zu dieser. Dies hat zur Folge, daß die in der ersten Öffnungsphase fließende Strömung in eine Vielzahl von Einzelströmungen aufgeteilt wird, die - insbesondere bei nicht parallelen Regelkanten - sehr feinfühlig nacheinander eröffnet werden.
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Die Dimensionen der aus den Vertiefungen 3 und den Stegen 4 gebildeten Makrostruktur können in weiten Grenzen variieren (Fig. 1 und 2 übertreiben die Größe der Makrostruktur zu Erläuterungszwecken): der Grundsatz geht selbstverständlich dahin, das Verhältnis der von den Vertiefungen 3 eingenommenen Fläche zu der von den Stegen 4 gebildeten Berührungsfläche so groß wie möglich zu halten, um hierdurch die zwischen den benachbarten Steuerscheiben 1, 8 wirkenden Adhäsions- und Reibungskräfte so klein wie möglich zu halten.
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Die untere Grenze für die Breite der Stege 4, die soweit als möglich immer anzustreben sein wird, ist durch deren mechanische Stabilität bestimmt. Die Obergrenze für die in der Berührungsfläche liegende Abmessung der Vertiefungen 3, gleichbedeutend mit dem maximalen Abstand benachbarter Stege 4, wird durch den kleinsten Abstand benachbarter Durchtrittsöffnungen in der angrenzenden Steuerscheibe bestimmt, so daß also zwischen diesen kein direkter Wasserübertritt stattfinden kann. Im allgemeinen wird aber aus Gründen der Feinfühligkeit der Steuerung das durch die Vertiefungen 3 gebildete Raster sehr viel feiner sein.
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Das oben für den maximalen Abstand der Stege 4 Gesagte gilt nicht für diejenigen Bereiche der Berührungsfläche der Steuerscheibe 1, die bei den möglichen Relativstellungen zur Steuerscheibe 8 niemals freiliegen. Hier ist es möglich, durchgehende, stegfreie Vertiefungen vorzusehen.
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Die Abmessungen der Vertiefungen 3 senkrecht zur Berührungsfläche, also die eigentliche "Tiefe", sind unkritisch, da es ausreicht, wenn in diesem Bereich keine direkte Berührung mit der Fläche der benachbarten Steuerscheibe 8 stattfindet.
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Die Form der Vertiefungen braucht weder in der Draufsicht noch im Schnitt rechteckig zu sein. Dies wird aus den Fig. 3 bis 6 deutlich.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Steuerscheibe 101, deren Vertiefungen 103 die Form quadratischer Pyramiden besitzen. Auf diese Weise erhalten die Stege 104 von der Berührungsfläche aus divergierende Wände, was ihre Bruchsicherheit erhöht.
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Die Vertiefungen 203 der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Steuerscheiben 201 sind halbkugelförmig. Auch hierdurch wird die mechanische Stabilität der zwischen den Vertiefungen 203verbleibenden Stege 204 erhöht.
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Im übrigen kann durch die spezifische Formgestaltung der Vertiefungen gezielt auf die Geräuschentwicklung des die Steuerscheiben enthaltenden Schieberventils Einfluß genommen werden.
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Die Herstellung der Steuerscheiben wird durch die beschriebene Makrostruktur in keiner Weise erschwert oder verteuert. Bei den am häufigsten verwendeten Keramikscheiben kann die Makrostruktur schon im grünen Zustand durch den Formstempel mit eingebracht werden. Das nachfolgende Brennen der Scheiben wird hierdurch nicht erschwert, das Schleifen und Polieren eher erleichtert.