DE102004013735B9

DE102004013735B9 - Vorrichtung und Verfahren zum Führen zumindest zweier Strömungsmittel

Info

Publication number: DE102004013735B9
Application number: DE102004013735A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Werner
Original assignee: Allweiler AG
Current assignee: Allweiler GmbH
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: CN1875211B; DE102004013735B4; DE102004013735A1; CN1875211A

Abstract

Vorrichtung zum Führen zumindest zweier Strömungsmittel unterschiedlichen Druckes mit einer Welle als kraftübertragendem Organ sowie einem druckisolierenden Element wie einem die Welle umgebenden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem kraftübertragenden Organ (10) und dem druckisolierenden Element durch Dichtungselemente (70, 70_a) in Achsrichtung nebeneinander liegende Räume (90, 90_a; 96; 98) bestimmt sind, wobei zumindest eines der Dichtungselemente (70, 70_a) leckagefrei ausgebildet ist sowie zwei Räume (90, 90_a; 98) für Fluide (A, B) unterschiedlichen Druckes einen Raum (96) für eine Hilfsflüssigkeit (H) flankieren und letzterer durch eine Einrichtung (100) in zwei Teilräume (96_a, 96_b) für zwei unterschiedliche Druckbereiche unterteilt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Führen zumindest zweier Strömungsmittel unterschiedlichen Druckes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Durchführung von Bewegungen und Kräften durch druckhaltende Begrenzungswände zwischen zwei Fluidsystemen wie Gasen und Flüssigkeiten unterschiedlichen Drucks wird in herkömmlicher Art im wesentlichen durch wellen- und Stangendichtungen wie Stopfbuchsen, Dichtringe und Gleitringdichtungen verwirklicht. Auf der Niederdruckseite findet man meist Umgebungsluft unter Umgebungsdruck. Bei Vakuumsystemen ist die Umgebungsluft auf der Hochdruckseite. Die genannten Dichtungsarten benötigen für ihre einwandfreie Funktion einen gewissen Leckagefluss von der Seite höheren zur Seite niederen Druckes, da es sich um berührende Dichtungen handelt, die eines Schmiermediums bedürfen, um im Betrieb nicht zerstört zu werden.
Bei vielen Anwendungen ist solch eine Leckage aber nicht erwünscht oder sogar nicht zulässig, weil das Fluid z. B. toxisch, geruchsbelästigend oder explosiv ist, oder weil ein Hochvakuum aufrecht erhalten werden soll. Doppelsysteme mit Sperrmedien – beispielsweise doppeltwirkende Gleitringdichtungen – mögen die Leckage reduzieren bzw. die Leckage des Druckfluids durch die Leckage eines weniger schädlichen Sperrfluids substituieren.
Technisch leckagefreie Durchführungen werden heute im wesentlichen nach drei Prinzipien realisiert: Spaltrohrmotor, Magnetkupplung und magnetofluidische Dichtung.
Beim Spaltrohrmotor ist der Motor Teil der Maschine, des Apparates oder des Gerätes, z. B. oft verwendet in einer Pumpe. Der Stator ist auf der Niederdruckseite der Pumpe positioniert und durch ein nichtmagnetisierbares Spaltrohr von der Hochdruckseite isoliert. Der Rotor befindet sich innerhalb der Hochdruckseite der Pumpe. Das Drehmoment wird über elektromagnetische Kräfte durch das Spaltrohr berührungsfrei vom Stator auf den Rotor übertragen.
Die ebenfalls im Pumpenbau gebräuchliche Magnetkupplung funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, jedoch befindet sich auf der Niederdruckseite der Pumpe statt einer Statorwicklung ein Außenrotor mit einer Anordnung von Permanentmagneten, der eine entsprechende Anordnung von Permanentmagneten bzw. ein Induktionskäfig oder -ring auf der Rotorseite gegenübersteht. Der Außenrotor ist mit einem herkömmlichen Motor verbunden, der das Drehmoment erzeugt, das über magnetische Feldlinien – wieder berührungsfrei – auf den Rotor übertragen wird. Die beiden Kupplungselemente sind meist durch ein topfförmig gestaltetes Gehäuseelement, einen Spalttopf, gegeneinander druckisoliert.
Bei der Durchführung auf Basis von Magnetofluid bildet eine magnetisierbare Flüssigkeit – meist eine Dispersion feinster ferromagnetischer Partikel mit Hilfe eines Hilfsstoffes in einem Trägeröl – ein äußerst flexibles und anpassungsfähiges undurchlässiges Dichtelement, z. B. in Form eines ”flüssigen O-Ringes” zwischen Welle und Gehäuse, das durch ein entsprechend gestaltetes Magnetfeld am Ort des abzudichtenden Spaltes fixiert wird. Diese Dichtungsart wird kommerziell etwa in Festplattenlaufwerken und Vakuumdurchführungen in der Oberflächentechnik verwendet.
Die genannten leckagefreien Durchführungsarten haben insbesondere für den Pumpenbau mehrere Nachteile; sowohl Spaltrohrmotor als auch Magnetkupplung benötigen zur Lagerung des Rotors Lagerelemente, die vom Fördermedium der Pumpe selbst geschmiert werden müssen und somit sehr störungsanfällig sind. Der Vorteil der Magnetkupplung, nämlich die Verwendbarkeit von Normmotoren, ist beim Spaltrohrmotor nicht gegeben. Demgegenüber weist die Magnetkupplung den Nachteil auf, dass bei unterschiedlicher zu übertragender Leistung nicht nur unterschiedliche Motoren, sondern auch unterschiedlich dimensionierte Kupplungen eingesetzt werden müssen, um bei kleinen Leistungen keinen Preisnachteil in Kauf nehmen zu müssen. Beide Prinzipien sind durch die Art der Drehmomentübertragung und der Lagerung in ihrer Möglichkeit zur Leistungsübertragung aufgrund des überproportional steigenden Aufwandes bei hohen Leistungen begrenzt. Insbesondere sind hohe Wirbelstromverluste nachteilig, die in Spaltrohren und Spalttöpfen in herkömmlicher Bauart in nichtmagnetischen Metalllegierungen induziert werden.
Magnetofluidische Dichtungen sind in ihrer Anwendbarkeit auf geringe Differenzdrücke begrenzt. Beispielsweise sind für die Abdichtung von 1 bar gegenüber Vakuum sechs hintereinander geschaltete Dichtelemente notwendig. Der übliche Druckbereich für einstufige Kreiselpumpen geht jedoch bereits bis 25 bar und für Sonderanwendungen sowie andere Pumpensysteme weit darüber hinaus. Außerdem müssen die chemische Verträglichkeit sowie Mischvorgänge zwischen den beteiligten Fluiden und dem Magnetofluid beachtet werden.
Die DD 228 014 A1 betrifft eine sperrdruckgestützte magnetische Dichtung für rotierende Antriebswellen zur Abdichtung von chemisch-aggressiven Flüssigkeiten, toxischen Gasen und Dämpfen hohen Druckes gegenüber der Atmosphäre. Sie beschreibt eine Magnetdichtung, die auf der dem abzudichtenden Druckraum abgewandten Seite mit einem von einer Druckpumpe erzeugten Sperrdruck beaufschlagt wird, um die Abdichtung hoher Drücke – beispielsweise bis 2,5 MPa – zu ermöglichen.
Aus der JP 58091968 A ist eine magnetische Vakuumdichtung bekannt, die an der dem abzudichtenden Vakuumraum abgewandten Seite einen Unterdruckraum aufweist, dessen Unterdruck mittels einer Gewindefördereinrichtung der Welle erzeugt wird.
Eine Magnet-Zentrifugal-Dichtung nach WO 82/00695 A1 weist einen nicht unterteilten Raum mit einer Hilfsflüssigkeit auf, der zwischen zwei Magnetdichtungen angeordnet ist.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, bei einer eingangs genannten Vorrichtung eine leckagefreie Durchführung zu erstellen, welche die oben erwähnten Nachteile beseitigt sowie für die Übertragung auch sehr hoher Leistungen zwischen Bereichen mit hohen Druckdifferenzen – bevorzugt mindestens 25 bar – ohne notwendige Lagerschmierung durch ein beteiligtes Fluid ermöglicht. Darüber hinaus soll die Erfindung auch noch kostengünstiger und leichter in der Handhabung sein als Einrichtungen nach dem Stande der Technik.
Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängigen Ansprüche; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.
Erfindungsgemäß sind zwischen einem kraftübertragenden Organ, beispielsweise einer Welle, und einem druckisolierenden Element wie einem Gehäuse od. dgl. Dichtungsmittel oder -elemente so angeordnet, dass drei – insbesondere in Achsrichtung nebeneinander liegende – Räume entstehen: ein Bereich mit einem ersten Fluid bestimmten Druckes – beispielsweise einem Fördermedium mit 25 bar –, ein Bereich für ein zweites Fluid mit einem Differenzdruck zum ersten Fluid – etwa Umgebungsluft mit 1 bar absolut – sowie ein zwischen diesen Bereichen angeordneter dritter Raum für ein Hilfsmittel bzw. eine Hilfsflüssigkeit. Letzterer wird durch eine Einrichtung in zwei Teilräume für zwei unterschiedliche Druckbereiche unterteilt.
Die Hilfsflüssigkeit kann beispielsweise ein Silikonöl sein, das auch als Trägeröl für ein Magnetofluid eingesetzt wird; denn es hat sich als günstig erwiesen, magnetofluidische Dichtungsmittel einzusetzen, dies insbesondere zum Begrenzen des Raumes für die Hilfsflüssigkeit. Diese magnetofluidische Dichtung sperrt den Raum hermetisch ab.
Im Bereich mit der Hilfsflüssigkeit bzw. dem Hilfsfluid befinden sich Mittel, die innerhalb dieses Bereiches einen Differenzdruck erzeugen, wobei der höhere Druck auf der Seite zum Fluid mit dem höheren Druck hin und umgekehrt erzeugt wird. Die erzeugbare Druckdifferenz muss mindestens dem maximal auftretenden Differenzdruck zwischen dem ersten sowie dem zweiten Fluid entsprechen.
Vorteilhafterweise soll dem Raum höheren Drucks ein Fördermedium sowie dem Raum niederen Drucks Umgebungsluft zugeordnet sein. Die Hilfsflüssigkeit soll ein Trägeröl des dem Dichtungselement zugeordneten Magnetofluids sein, gegebenenfalls ein Silikonöl.
Erfindungsgemäß weist der Raum für die Hilfsflüssigkeit zwei Anschlüsse auf, von denen einer zum Erzeugen eines Vakuums sowie der andere als Durchgang für die Hilfsflüssigkeit ausgebildet ist. Zudem soll der Teilraum für den höheren Druck der Hilfsflüssigkeit dem Raum für das Fluid höheren Druckes zugeordnet sein.
Auch zeichnet sich der Erfindungsgegenstand durch relativ zueinander bewegbare, dem druckisolierenden Element und dem kraftübertragenden Organ zugeordnete geometrische Teile aus, die zum Erzeugen einer Durckdifferenz eine Fördereinrichtung für die Hilfsflüssigkeit bilden. Die den Raum für die Hilfsflüssigkeit teilende Einrichtung ist bevorzugt eine Fördereinrichtung.
Die Druckdifferenz innerhalb der Hilfsflüssigkeit wird günstigerweise durch Relativbewegungen geometrischer Teile erzeugt, die dem kraftübertragenden Organ und dem druckisolierenden Element – dem Gehäuse – statisch zugeordnet sind und eine Fördereinrichtung, etwa eine Pumpe, für die Hilfsflüssigkeit bilden. Dabei wird durch geeignete Maßnahmen – z. B. die Anordnung eines Rückschlagventils – sichergestellt, dass bei Stillstand des Systems kein Druckausgleich zwischen Hoch- und Niederdruckbereich der Hilfsflüssigkeit stattfindet.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung entspricht die erzeugbare Druckdifferenz zumindest dem maximal auftretenden Differenzdruck zwischen den Fluiden.
Erfindungsgemäß sind weiterhin Mittel vorgesehen, die auf den Differenzdruck zwischen dem Fluid mit hohem Druck und dem Maximaldruck der Hilfsflüssigkeit reagieren. Die Reaktion wird erfindungsgemäß dazu genutzt, um durch geeignete Mittel die genannte Druckdifferenz auf einen Wert nahe Null zu regeln. Dies kann z. B. durch Regelung der Leistung der die Druckdifferenz erzeugenden Mittel geschehen oder durch Regelung einer Rückströmung aus dem Bereich hohen Druckes der Hilfsflüssigkeit zum Bereich niedrigen Druckes. Es sind Organe zum Regeln der Leistung der die Druckdifferenz erzeugenden Mittel vorhanden oder Organe zum Re geln einer Rückströmung aus dem Teilraum höheren Drucks der Hilfsflüssigkeit zum Teilraum niederen Drucks.
Vorteilhafterweise ist zwischen den Teilräumen für die Hilfsflüssigkeit eine Leitung mit ventilartiger Überströmeinrichtung vorgesehen.
Ist erfindungsgemäß das Volumen zumindest des Raumes für die Hilfsflüssigkeit veränderbar ausgebildet, so kann insbesondere der Teilraum für den niedrigen Druckbereich der Hilfsflüssigkeit in seinem Volumen veränderbar gestaltet sein. Durch die Veränderlichkeit des Volumens des Raumes für die Hilfsflüssigkeit werden Änderungen der Dichte und damit des Volumens des Hilfsfluids – hervorgerufen durch Temperatur- oder auch Druckveränderungen – kompensiert.
Indem das Volumen des der Hilfsflüssigkeit zugeordneten Raumes variabel gestaltet wird, kann erfindungsgemäß sichergestellt werden, dass auch die Druckdifferenz zwischen dem Minimaldruck der Hilfsflüssigkeit und dem Druck des Fluids mit dem niedrigeren Druck nahezu Null ist. Dies mag z. B. durch eine flexible Membrane zwischen einer Seite des Raumes für die Hilfsflüssigkeit und dem Fluid mit entsprechendem Druck realisiert werden, oder – besonders vorteilhaft – durch bewegliche Anordnung zumindest einer magnetofluidischen Dichtung. Bei Anordnung mit Umgebungsluft unter Normaldruck (1 bar) auf der Niederdruckseite ist es am vorteilhaftesten, den Raum auf dieser Seite im Volumen variabel zu gestalten.
Die dargestellten Mittel führen dazu, dass die magnetofluidischen Dichtungen auch bei hohen Druckdifferenzen des ersten und des zweiten Fluids nur mit geringen Differenzdrücken belastet werden und somit ihre hermetische Dichtungsfunktion sichergestellt ist. Die Kraftübertragung erfolgt mechanisch über das kraftübertragende Element – beispielsweise eine Welle –, so dass hohe Übertragungsleistungen möglich sind.
Die magnetofluidische Dichtung zur Hochdruckseite besteht bevorzugt aus drei Dichtelementen – dargestellt durch drei in Achsrichtung magnetisierte Permanentmagnete mit zugeordneten ferromagnetischen Polschuhen, die jeweils ein konzentriertes magnetisches Feld erzeugen, das ein Ferrofluid als Dichtmittel fixiert. Diese sind in einem nichtmagnetischen Trägerring vorgesehen. Der Trägerring ist erfindungsgemäß über einen – bevorzugt metallischen – Faltenbalg am Gehäuse fixiert. Letzterer soll an dem Träger- oder Verschlussring anliegen sowie anderseits an dem Druck tragenden Element. Eine gute Montierbarkeit der Vorrichtung wird durch Befestigung des Faltenbalges an einer Buchse realisiert, die mit einem O-Ring gegen die Gehäusebuchse abgedichtet ist und durch einen Gewindering an der Gehäusebuchse fixiert wird.
Der Verschluss- oder Trägerring beinhaltet im Rahmen der Erfindung weiterhin eine – vorteilhafterweise aus Siliziumkarbid geformte – Dichtscheibe, die Teil eines mechanischen Dichtungssystems ist, das aus zwei gleichartigen SiC-Scheiben besteht. Eine der Scheiben weist in der Kontaktfläche entsprechend einem von außen nach innen wirkenden axialen Spiralrillenlager spiralförmig von außen zum Zentrum der Scheibe verlaufende Vertiefungen von einigen μm Tiefe auf; diese Vertiefungen gehen vorteilhafterweise vom Scheibenrand aus und enden in Abstand zu einem Zentraldurchbruch der ringartigen Dichtscheibe. Eine Aufgabe jenes Faltenbalges besteht darin, die der Gehäusebuchse zugeordnete Dichtscheibe bewegbar zu lagern und so deren Förderwirkung durch den Differenzdruck zu limitieren.
Erzeugen die Dichtscheiben im Betrieb einen höheren Druck als den abzudichtenden innerhalb der Pumpe, wird der Trägerring mit der zugeordneten Dichtscheibe in Richtung des abzudichtenden Druckes bewegt; der Abstand zwischen den Dichtscheiben wird größer und konsequenterweise lässt die Förderwirkung nach. Umgekehrt führt ein zu geringer durch die Dichtscheiben erzeugter Druck zur Verringerung des Spaltes zwischen den Dichtscheiben und damit zu einer Erhöhung der Förderwirkung.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Mittel zur Erzielung der Dichtungswirkung dabei einer Wellenhülse und einer Gehäusebuchse zugeordnet werden. Wellenhülse und Gehäusebuchse sowie alle mit dem Förderfluid der Pumpe in Kontakt stehenden Teile bestehen aus nicht magnetischen Materialien, die ausreichend fest und gegen das Förderfluid chemisch beständig sind. Die Wellenhülse ist gegen die Welle und die Gehäusebuchse gegen das Gehäuse durch O-Ringe statisch abgedichtet. Die Gehäusebuchse kann mit Hilfe von Schrauben am Gehäuse befestigt werden. Die hermetische Dichtung ist dabei so ausgeführt, dass sie als Einheit montiert und demontiert werden kann.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung werden Wellenhülse und Gehäusebuchse zueinander durch Wälzlager – etwa durch ein Doppelschrägkugellager – konzentrisch drehbar in definiertem axialem Abstand gehalten. Bei Bedarf ist das Lager auch zur Aufnahme von auf die Welle wirkenden axialen Kräften geeignet. Dazu muss die Wellenhülse z. B. mit einem Sicherungsring oder einer Wellenmutter auf der Welle fixiert werden.
Als günstig hat es sich erwiesen, das Wälzlager in einem von Wellenhülse und Gehäusebuchse begrenzten Ringraum festzulegen. Dieses Wälzlager soll durch Sicherungsringe der Gehäusebuchse bzw. der Wellenbuchse und/oder durch einen flanschartigen radialen Außenring in jenem Ringraum fixiert werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt das Wälzlager an einem Außenring der Wellenhülse an, dem anderseits eine der Dichtscheiben aus Siliziumkarbid zugeordnet ist. Vorteilhafterweise lagert eine der Dichtscheiben in einem sich von dem Außenring weg axial stufenweise erweiternden Abschnitt des Ringraums, dem der Verschlussring mit der anderen Dichtscheibe vorgeordnet ist.
Erfindungsgemäß verläuft zwischen der Außenfläche der Dichtscheibe und dem benachbarten Verschlussring ein Radialspalt, an den gegebenenfalls einerseits ein axialer Ringspalt zwischen der Welle und den Dichtelementen anschließt sowie anderseits ein weiterer axialer Ringspalt, der die benachbarte Dichtscheibe untergreift.
Der besseren Fixierung halber soll die Dichtscheibe zudem durch wenigstens einen achsparallelen Mitnehmerstift an die Mittelwand des Verschlussrings angeschlossen sein.
Von erfinderischer Bedeutung ist auch, dass an der Seite der Vorrichtung, die mit einer Flüssigkeit als Fluid beaufschlagt ist – beispielsweise dem magnetofluidischen Dichtungselement am Träger- oder Verschlussring – eine teilweise mit einem Gas, etwa Luft oder Inertgas, gefüllte Kammer vorgelagert sein kann, die zudem an der der Vorrichtung abgewandten Seite zur Welle mit einem Dichtspalt von etwa 0,1 mm abgedichtet ist; dessen Durchmesser wird größer gewählt als der Durchmesser des Dichtspaltes des magnetofluidischen Dichtungselements am Trägerring aber kleiner als der Durchmesser der äußeren Kammerwand.
Das Volumen der Kammer und die Breiten der Dichtspalte sind erfindungsgemäß so gestaltet, dass bei horizontaler Anordnung und Stillstand des Systems sowie bei Umgebungsdruck innerhalb der Kammer immer ein bestimmtes Gasvolumen im oberen Bereich der Kammer oberhalb des Dichtspaltes der Kammer residual vorhanden ist. Im Betrieb sammelt sich dieses Gasvolumen im Bereich des kleinsten Durchmessers der Welle – in diesem Fall des Dichtspalts der magnetofluidischen Dichtung – konzentrisch um die Welle und wird durch den Betriebsdruck auf ein kleineres Volumen zusammengedrückt. Auch wenn die beiden Volumina von gleicher Größe sind, soll durch geeignete Wahl der Breite des Dichtspaltes der Kammer dabei kein Gas aus dem letzteren entweichen. Andererseits soll das zweite Volumen groß genug sein, um den Dichtspalt der mangetofluiden Dichtung im Betrieb auch bei maximalem Druck vollkommen abzudecken. Ein günstiges Breiten- oder Durchmesserverhältnis zwischen dem Dichtspalt der magnetofluidischen Dichtung, dem Dichtspalt der Kammer und deren inneren Außendurchmesser liegt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bei 1 zu 1,2 zu 1,5.
Die Anordnung stellt sicher, dass die magnetofluidische Dichtung im Betrieb stets nur mit Gas in Kontakt kommt. Eine Durchmischung des Magnetofluids mit einer abzudichtenden Flüssigkeit wird somit wirksam verhindert.
Bei abzudichtenden Flüssigkeiten, bei denen keine chemische Reaktion mit Luft zu erwarten oder eine Reaktion unschädlich ist, kann das Residualvolumen an Luft innerhalb der Kammer bei Befüllung der Pumpe genutzt werden. Anderenfalls ist ein Hilfsanschluss an die Kammer erforderlich, um sie vor Inbetriebnahme der Pumpe mit einem Inertgas zu füllen.
Die Erfindung umfasst also mehrere einander zugeordnete Funktionskomplexe, nämlich zum einen die Räume mit den hermetischen Dichtungen und dem Hilfsfluid, zudem Mittel zum Erzeugen der Druckdifferenz, dann die Regelung der Druckdifferenz mit Hochdruck. Auch der Druckausgleich im Hilfsfluid – die Druckdifferenz zum Niederdruck – wird erfasst sowie die beschriebene Zusatzeinrichtung für die Gasbeaufschlagung.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren, bei dem – insbesondere unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung – zwischen dem kraftübertragenden Organ und dem druckisolierenden Element in – durch jeweils ein Dichtungselement begrenzten Räumen – Fluide unterschiedlichen Druckes und zwischen diesen in einem Raum eine Hilfsflüssigkeit bzw. ein Hilfsfluid gehalten werden; in letzterem werden zwei Druckbereiche hergestellt, zudem soll der Teilbereich für den höheren Druck jener Hilfsflüssigkeit dem Raum für das Fluid höheren Druckes zugeordnet werden. Der Raum für die Hilfsflüssigkeit soll beidseits zu den Räumen für die Fluide durch magnetofluidische Dichtungselemente hermetisch abgedichtet werden.
Ein weiterer Verfahrensschritt sieht vor, dass der Raum für die Hilfsflüssigkeit vor deren Einführung mit einem Vakuum beaufschlagt wird; die Hilfsflüssigkeit vermag so sämtliche Hohlräume innerhalb der Vorrichtung aufzufüllen.
Zudem soll eine Rückströmung aus dem Teilraum höheren Drucks der Hilfsflüssigkeit zum Teilraum niederen Drucks geregelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch, dass die Druckdifferenz innerhalb der Hilfsflüssigkeit durch Relativbewegung geometrischer Elemente erzeugt wird, die der Welle einerseits und dem druckisolierenden Element anderseits zugeordnet sind und eine Fördereinrichtung bilden.
Nach einem anderen Verfahrensmerkmal wird durch Dichtscheiben, die zwischen sich spiralartige Rillen bzw. Vertiefungen begrenzen, eine Förderwirkung für die Hilfsflüssigkeit aufgebaut. Die Förderwirkung der Dichtscheiben soll durch Vermehrung von deren Druck sowie des Abschnitts zueinander erhöht werden.
Ein anderes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet an, dass in einer dem Dichtungselement vorgelagerten sowie ein Gas enthaltender Kammer das Gasvolumen im Betrieb im Bereich des Dichtspaltes zwischen Dichtungselement und Welle konzentrisch um diese gesammelt sowie durch den Betriebsdruck zusammengedrückt wird.
Als Vorzüge des erfindungsgemäßen Systems sind vor allem folgende Einzelheiten anzusehen:

• mit geringen Kosten realisierbar;
• keine Wirbelstromverluste;
• als Cartridge montierbar;
• einfacher Austausch möglich;
• geringer Platzbedarf;
• keine Gleitlager innerhalb der Pumpe erforderlich;
• Aufnahme des Axialschubes durch das integrierte Wälzlager möglich;
• Einsatz von kostengünstigen Ferritmagneten möglich;
• auch für Pumpen mit sehr hoher Leistung einsetzbar;
• mit geringem konstruktiven Aufwand in vorhandene Pumpen-Baureihen zu integrieren.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele mit Einzelheiten der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; diese zeigt in:
1: einen Dichtungsbereich einer Pumpenwelle im Längsschnitt mit erfindungsgemäßer Dichtung vor dem Zusammenbau;
2: den Dichtungsbereich gemäß 1 in montiertem Zustand;
3: den gegenüber 2 etwas vergrößerten Dichtungsbereich ohne Pumpenwelle;
4: einen vergrößerten Ausschnitt aus 2, 3;
5: einen vergrößerten Ausschnitt aus 4 in anderer Ausgestaltung;
6: eine Gehäusebuchse des Dichtungsbereichs im Längsschnitt;
7: eine Wellenhülse des Dichtungsbereichs im Längsschnitt;
8 bis 10: diametrale Schnitte durch unterschiedliche, die Wellenbuchse umfangende Organe des Dichtungsbereichs;
11: ein vergrößertes Detail der 10;
12: Draufsicht auf eine für den Dichtungsbereich bestimmte ringartige Dichtscheibe;
13, 14: zwei Diametralschnitte durch ein Paar von Dichtscheiben nach Linie D in 12;
15: einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt der Vorrichtung;
16: eine Schemaskizze zu einer magnetofluidischen Dichtung;
17: eine schematische Zuordnung von Querschnitten mit einer Zusatzeinrichtung zu unterschiedlichen Verfahrensständen;
18 bis 20: drei unterschiedliche Dichtungssituationen an der in Seitenansicht wiedergegebenen Pumpenwelle.
Ein Dichtungsbereich Q der Pumpenwelle 10 einer nicht weiter wiedergegebenen Kreiselpumpe weist eine mit ihrer Längsachse M₁ zur Längsachse M der Pumpenwelle 10 koaxiale Wellenhülse 12 der Länge a von 60 mm sowie eines Innendurchmessers d von hier 30 mm auf; die Wanddicke b der Wellenhülse 12 misst 5 mm. In einem mittleren Abstand a₁ von etwa 25 mm zur Stirnkante 14 der Wellenhülse 12 ragt gemäß 7 von dieser ein angeformter Außenring 16 – identischer Wanddicke b – der Kraglänge e von etwa 7 mm ab. Nahe des Außenringes 16 ist eine Außennut 18 für einen O-Ring 20 zu erkennen; ein weiterer O-Ring 20 lagert in einer der Stirnkante 14 nahen Innennut 19. Nahe der dargestellten Heckkante 15 der Wellenhülse 12 findet sich eine zweite Außennut 22 als Einstich für einen weiter unten beschriebenen Sicherungsring.
Die Wellenhülse 12 wird von einer koaxialen Gehäusebuchse 26 jener Länge a umfangen, deren Innendurchmesser d₁ hier 68 mm beträgt bei einer Wanddicke b₁ von ebenfalls 5 mm. Die Wellenhülse 12 ist gegen die Pumpenwelle 10 und die Gehäusebuchse 26 gegen das Pumpengehäuse durch die O-Ringe 20 statisch abgedichtet. Im übrigen kann die Gehäusebuchse 26 durch Schrauben am Gehäuse befestigt werden.
In mittlerem Abstand a₂ von hier etwa 20 mm zur Stirnkante 28 der Gehäusebuchse 26 ragt von deren Wandung 30 ein angeformter Flanschring 32 des Durchmessers f von 100 mm sowie der Breite g von 10 mm ab, der zum einen – beispielsweise zwei – radiale Gewindebohrungen 34 für Verschlussschrauben 35 enthält sowie etwa vier achsparallele Durchbrüche 36 für Anschlussschrauben 38.
In axialem Abstand i (etwa 10 mm) von jener Stirnkante 28 ist die Wandung 30 der Gehäusebuchse 36 ein- bzw. achswärts zweifach gestuft. Diese beiden Stufen 40, 40_a jeweils geringer Radialhöhe sind erforderlich, da der Innendurchmesser d₂ der Stirnkante 28 mit 73 mm größer ist als der anderseitige Durchmesser d₁ von 68 mm; die Stirnkante 28 ist Teil eines Wandabschnitts 30a, der an jenem Flanschring 32 ansetzt. Im Bereich dieses Flanschringes 32 ist im übrigen ein innerer Formring 42 – geringer radialer Höhe – der Breite i₂ von 10 mm aus der Wandung 30 herausgeformt (s. 6)
Nahe der Heckkante 44 der Gehäusebuchse 26 verläuft eine Innennut 23, die der oben erwähnten Außennut 22 der Wellenhülse 12 gegenüberliegt und mit ihr gemeinsam ein Paar von Sicherungsringen 46, 46_i hält, das in dem von Wellenhülse 12 und Gehäusebuchse 26 gebildeten Zylinderringraum 50 verläuft; letzterer geht am Formring 42 gemäß 1 in einen gestuften Abschnitt 51 des Zwischenraumes von Wellenhülse 12 und Gehäusebuchse 26 über.
Zwischen den Sicherungsringen 46, 46_i und dem Außenring 16 der Wellenhülse 12 sitzt im Zylinderringraum 50 ein Wälzlager 52, beispielsweise ein Doppelschrägkugellager, das Wellenhülse 12 und Gehäusebuchse 26 konzentrisch drehbar in definiertem radialen und axialen Abstand hält. Dazu muss die Wellenhülse 12 – beispielsweise mit dem inneren Sicherungsring 46_i oder einer Wellenmutter – auf der Welle 10 fixiert werden.
Vor allem die 1, 4, 5 verdeutlichen, dass die oben erwähnten Stufen 40, 40_a als Anschlag für einen – querschnittlich L-förmigen – Haltering 56 und einen von diesem gehaltenen O-Ring 20 dienen; diese werden gemäß 1 axial in den gestuften Abschnitt 51 eingeschoben. Der – von einem von der Stirnkante 28 umgebenen Frontring 54 – an die Stufe 40_a gepresste Haltering 56 eines Innendurchmessers n von 64 mm, eines Außendurchmessers n₁ von 74 mm sowie der Breite k von 7 mm steht der anderen Stufe 40 mit einem angeformten Außenring 57 der Höhe n₃ von etwa 5 mm in Abstand gegenüber.
Innerhalb des Frontringes 54 sowie des Halteringes 56 ist ein radial zweistufiger Träger- oder Verschlussring 60 axialer Breite k₁ von 15 mm angebracht, den 8 deutlich werden lässt mit einer achsparallelen Außenwand 61 des Innendurchmessers z von 65 mm. Etwa mittig zwischen der Außenkante 62 dieser Außenwand 61 sowie einer radialen ringartigen Frontwand 65 des Verschlussringes 60 ist letzterer durch eine – ebenfalls ringförmige – radiale Mittelwand 63 gestuft; an diese ist ein achsparalleler Wandring 64 des Außendurchmessers z₁ von 51 mm angeformt und an letzteren jene Frontwand 65. Der Durchmesser z₂ der zentrischen Öffnung 66 der Frontwand 65 misst 35 mm. Der Querschnitt des Halteringes 56 besteht also aus zwei Winkelabschnitten, deren äußerer die Außenwand 61 und die Mittelwand 63 enthält; an letztere schließt der Wandring 64 des inneren Winkelabschnitts an, der auch die Frontwand 65 umfasst und an der zentrischen Öffnung 66 endet.
Zwischen der Mittelwand 63 des nichtmagnetischen Träger- oder Verschlussringes 60 sowie dem erwähnten Frontring 54 ist ein ringförmiger – bevorzugt metallischer – Faltenbalg 68 zu erkennen, der an den Außenring 57 angeschlossen ist sowie innenseitig an die Mittelwand 63 des Trägerringes 60. Letzterer ist in der Gehäusebuchse 26 angeordnet. Innerhalb des Wandringes 64 bzw. des Trägerringes 60 sind drei jeweils ringförmige Magnetdichtungen 70 angeordnet, deren Aufbau insbesondere 10, 11 zu entnehmen ist. Ihre Breite q misst etwa 3 mm, der Innendurchmesser y des Ringdurchbruches 72 etwa 35 mm und der Außendurchmesser y₁ hier 50 mm. Mit 74 ist ein Permanentmagnet für ein Ferrofluid bezeichnet, der gemäß 16 zwei Polschuhe N, S enthält, beispielsweise gemäß 11 bei 76 einen querschnittlich U-förmigen Ring – aus zumindest zwei Teilen – als Eisenrückschluss mit sich zum Ringdurchbruch 72 öffnendem Spalt 78 der Breite q₁ von etwa 0,1 mm.
Die drei Dichtelemente 70 bilden eine magnetofluidische Dichtung zur Hochdruckseite und sind drei in Achsrichtung magnetisierte Permanentmagnete mit zugeordneten ferromagnetischen Polschuhen N, S, die jeweils ein konzentriertes magnetisches Feld erzeugen, das ein Ferrofluid als Dichtmittel fixiert. Der Faltenbalg 68 liegt zur besseren Montierbarkeit der Vorrichtung am Frontring 54 an und ist mit dem Haltering 56 durch einen O-Ring 20 gegen die Gehäusebuchse 26 abgedichtet, der durch den – mit Außengewinde versehenen – Frontring 54 an der Gehäusebuchse 26 fixiert wird.
Zwei weitere Magnetdichtungen 70 der beschriebenen Art sind an der heckwärtigen Seite der Sicherungsringe 46 angeordnet. Diese Magnetdichtungen 70 werden von zwei entsprechenden Magnetdichtungen 70_a anderer Durchmesserdimensionierung umfangen unter Zwischenschaltung eines Distanzringes 79.
Jener Verschluss- oder Trägerring 60 enthält weiterhin eine in 12, 13 skizzierte Scheibe 80 aus Siliziumkarbid, die Teil eines mechanischen Dichtungssystems aus zwei gleichartigen SiC-Schei ben 80, 80_a der Breite g₁ von etwa 7 mm mit Zentraldurchbruch 82 des Durchmessers t von etwa 39 mm ist. Der Außendurchmesser t₁ der Scheibe 80, 80_a sei mit etwa 65 mm angenommen. In der in 1 bis 5, 13 rechten Scheibe 80_a sind an der Front- oder Kontaktfläche 84 – entsprechend einem von außen nach innen wirkenden axialen Spiralrillenlager – hier sechzehn vom Scheibenrand 81 ausgehende, in Draufsicht teilkreisfömig gebogene Spiralrillen 86 einer Tiefe von 10 μm bis 20 μm eingeätzt oder eingeschliffen. Diese Spiralrillen 86 enden in radialem Abstand zur zentrischen Öffnung 66 und sind durch entsprechend gebogene Dammrippen 88 getrennt. Die Pumprichtung und die Spiralrillen 86 sind in 12 an der Scheibe 80_a von außen zur Mitte vorgegeben.
Die Spiralrillen oder -nuten 86 können sowohl in die stationäre als auch in die bewegte Scheibe 80, 80_a eingearbeitet sein. Wichtig ist, dass die bearbeitete Frontfläche 84 der anderen Scheibe 80, 80_a direkt gegenüberliegt, damit im Betrieb die Förderwirkung erzeugt wird.
Die Dichtelemente 70 und die Scheibe 80 im Trägerring 60 sind gegen letzteren abgedichtet, z. B. dicht eingeschrumpft. Die zweite Scheibe 80_a ist gegenüber der ersten auf der Wellenhülse 12 angeordnet. 5 macht einen Ringspalt 13 zwischen Scheibe 80 und Wellenhülse 12 deutlich. Im gewählten Ausführungsbeispiel wird die SiC-Scheibe 80_a durch den Außenring 16 als seitlichem Anschlag und einen O-Ring 20, der gleichzeitig eine Abdichtung gegen die Wellenhülse 12 und eine Drehmitnahme darstellt, festgelegt. Die Drehmitnahme kann – falls erforderlich – etwa durch einen Mitnehmerstift zwischen Anschlag 16 und SiC-Scheibe 80_a unterstützt werden. Die gegenüberliegenden Flächen der Scheiben 80, 80_a sind im Mikromterbereich plan bearbeitet und weisen eine entsprechend feine Oberflächenrautiefe auf. Der Balg 68 des Trägerringes 60 gewährleistet eine Beweglichkeit der Kontaktflächen der Scheiben 80, 80_a axial zueinander mit einem Abstand von Null bis einige Zehntel Millimeter. Im Stillstand werden die Scheiben 80, 80_a durch die abzudichtende Druckdifferenz gegeneinandergedrückt, und somit wird durch die Scheiben 80, 80_a die Hochdruckseite der Vorrichtung zur Niederdruckseite abgedichtet. Dichtelemente 70 und Dichtscheibe 80 an der Trägerscheibe 60 werden – wie erwähnt – zur Wellenhülse 12 durch den Ringspalt 13 in einem definierten konzentrischen Abstand von etwa 0,1 mm gehalten (5).
14 soll den Druckaufbau durch die Förderwirkung zwischen den beiden Scheiben 80, 80_a in drei Ausschnitten gegenüberstellend verdeutlichen. Der obere Ausschnitt zeigt eine Kurve K für den Druckaufbau, wenn die linke Scheibe 80 nur durch eine medienseitige Kraft P belastet und das Druckniveau auf der Scheibenaußen- und der Scheibeninnenseite gleich ist (Funktion als Spiralrillen-Axiallager). Die beiden Ausschnitte darunter zeigen Kurven K_m bzw. K_e für mögliche Druckverläufe, wenn die Kraft durch einen Mediendruck auf die linke Scheibe 80 und entsprechend höherem Druckniveau auf der Scheibeninnenseite – wie erfindungsgemäß der Fall – erzeugt wird. Abhängig vom Druckverlauf kann eine zusätzliche Maßnahme zur Druckregulierung entsprechend 5 notwendig werden, die weiter unten erläutert wird.
Die magnetofluidische Dichtung zur Atmosphärenseite besteht aus den vier oben beschriebenen Dichtelementen 70, 70_a , die – wie gesagt – an den Sicherungsringen 46 so angeordnet sind, dass zwei Elemente 70 zur Wellenhülse 12 und zwei Elemente 70_a zur Gehäusebuchse 26 gerichtet sind. Das Magnetofluid hat in diesem Fall nicht nur eine dichtende, sondern auch eine zentrierende Wirkung, so dass die Scheibe 80 mit den Dichtungselementen axial frei beweglich ist zwischen – in diesem Bereich zueinander konzentrisch zylindrisch liegender – Wellenhülse 12 und Gehäusebuchse 26. Dadurch ist das Volumen im Bereich zwischen den magnetofluiden Dichtungen – wie gefordert – auf der Niederdruckseite variabel und somit eine gegen Null gehende Druckdifferenz zwischen der Niederdruckseite des Hilfsfluids sowie der Umgebung gewährleistet.
15 lässt erkennen, wie der Raum zwischen den magnetofluidischen Dichtelementen 70 vorteilhafterweise mit Hilfe von zwei Anschlüssen 33 – oder der beiden Gewindebohrungen 35 – mit einer Hilfsflüssigkeit befüllt wird. Während ein Anschluss 33 zum Auffüllen mit der Hilfsflüssigkeit genutzt wird, dient der andere dazu, die Vorrichtung vorher mit einem Vakuum zu beaufschlagen, so dass die Hilfsflüssigkeit sämtliche Hohlräume innerhalb der Vorrichtung Q auffüllt. Durch geeignete Anordnung der Anschlüsse 33 an den gegenüberliegenden Seiten des Ringraumes 27 in der Gehäusebuchse 26, der die der Wellenhülse 12 zugeordnete Dichtscheibe 80_a umschließt, lässt sich ein Differenzdruck zwischen den Anschlüssen 33 erzeugen, der zur Durchströmung der Vorrichtung mit Hilfsflüssigkeit aus einem externen Behälter während des Betriebes – z. B. zur Kühlung – genutzt werden kann. Dies wird etwa dadurch erreicht, dass der Ringraum 27 zwei unterschiedliche Seiten aufweist und eine der Seiten des Ringraumes 27 zur Scheibe 80 hin einen sehr geringen radialen Abstand von hier 0,1 mm und die andere Seite einen größeren Abstand von etwa 1 mm bildet.
Im Betrieb entfalten die SiC-Dichtscheiben 80, 80_a mit den Spiralrillen 86 gegeneinander eine Förderwirkung auf die Hilfsflüssigkeit, die zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite der Vorrichtung Q einen der Förderwirkung entsprechenden Differenzdruck aufbaut. Die Hilfsflüssigkeit wird so gewählt, dass einerseits eine gute Schmierung des Wälzlagers 52 gewährleistet ist und ein möglichst ho her Differenzdruck über den Dichtscheiben 80, 80_a entstehen kann (vorteilhaft: hohe Viskosität) und anderseits die Erwärmung der Hilfsflüssigkeit in beherrschbaren Grenzen bleibt (max. etwa 80°C, vorteilhaft: geringe Viskosität). Die Hilfsflüssigkeit wird darüber hinaus so gewählt, dass es mit dem Magnetofluid der Dichtungen 70, 70_a verträglich ist – günstigenfalls kann auf das Trägeröl des Magnetofluids (z. B. ein Silikonöl) zurückgegriffen werden.
Um ein ”Durchschlagen” der magnetofluiden Dichtung auf der Hockdruckseite durch Überdruck – drei Ringe ertragen einen Differenzdruck von max. etwa 0,5 bar – zu verhindern, muss die Förderwirkung der Dichtscheiben 80, 80_a durch den an der hochdruckseitigen Dichtung anliegenden Differenzdruck limitiert werden. Dies wird durch die vorher bereits erwähnte Beweglichkeit der der Gehäusebuchse 26 zugeordneten Dichtscheibe 80 durch den Faltenbalg 68 erzielt. Erzeugen die Dichtscheiben 80, 80_a im Betrieb einen höheren Druck als den abzudichtenden innerhalb der Pumpe, wird die Trägerscheibe 60 mit der zugeordneten Dichtscheibe 80 in Richtung des abzudichtenden Druckes bewegt: der Abstand zwischen den Dichtscheiben 80, 80_a wird größer und konsequenterweise lässt die Förderwirkung nach. Umgekehrt führt ein zu geringer – durch die Dichtscheiben 80, 80_a – erzeugter Druck zur Verringerung des Spaltes zwischen den Dichtscheiben 80, 80_a und damit zur Erhöhung der Förderwirkung.
In Fallen, in denen die oben dargestellte Selbstregelungswirkung zwischen den Dichtscheiben 80, 80_a nicht ausreicht, ist die Unterstützung der Regelung mit Hilfe einer Überströmfunktion zwischen Hochdruck und Niederdruckbereich der Hilfsflüssigkeit realisierbar. Dabei wird die Dichtscheibe 80 auf der Hochdruckseite innerhalb des Trägerringes 60 axial verschiebbar und mit radialer Luft – Radialspalt 17 zwischen Trägerring 60 und Dichtscheibe 80 von 0,1 mm in 5 – nach außen angeordnet. Zur radialen Fixierung und zur Drehmitnahme am Trägerring 60 dienen gemäß 5 mindestens zwei Mitnehmerstifte 67. Am äußeren Ende der Dichtscheibe 80 begrenzt eine radiale Anlagefläche 69 einen Dichtspalt. Die Anordnung der Anlagefläche 69 ist so gewählt, dass die Dichtscheibe 80 vom Trägerring 60 abhebt und somit der Dichtspalt öffnet, wenn der Druck zwischen Dichtscheibe 80 und Trägerring 60 höher ist als der Druck des abzudichtenden Fluids auf der Hochdruckseite. Von der Anlagefläche 69 geht ein achsparallel verlaufender Ringspalt 21 aus, der einerseits von der Außenwand 61 des Trägerringes 60 begrenzt ist sowie anderseits vom Umfang der – der Gehäusebuchse 26 zugeordneten – Dichtscheibe 80.
Insbesondere bei Anwendungen, bei denen keine chemisch aggressiven Medien abzudichten sind, bestehen verschiedene Möglichkeiten zur Kostenreduktion der Konstruktion. So können die Funktionen der Wellenhülse 12 und der Gehäusebuchse 26 von Welle 10 und Gehäuse übernommen werden. Die magnetofluidischen Dichtungen lassen sich kostengünstiger realisieren, wenn die Welle 10 aus ferromagnetischem Material gestaltet wird, so dass die magnetischen Feldlinien durch die Welle 10 geführt werden. Dadurch sind Anordnungen möglich, bei denen das magnetische Feld eines einzigen Permanentmagneten über mehrere Dichtspalte geführt wird. Die auf der Niederdruckseite notwendige Zentrierwirkung ist dann aber nicht mehr gegeben. Es liegt im Gegenteil eine Instabilität vor, so dass die Anpassung des Volumens des Raumes für die Hilfsflüssigkeit auf andere Weise als beschrieben realisiert werden muss. Die genannten Dichtscheiben 80, 80_a aus SiC können für einfache Anwendungen aus kostengünstigeren Materialien hergestellt und in andere Bauteile integriert werden.
Beim dargestellten Prinzip zur Erzeugung einer Druckdifferenz mit Hilfe von Dichtscheiben 80, 80_a mit Spiralnuten 86 handelt es sich lediglich um eine Ausführungsmöglichkeit. Andere Prinzipien – wie z. B. Fördergewinde – sind denkbar und möglich.
Der prinzipielle Aufbau einer magnetofluidischen Dichtung ist 16 zu entnehmen. Das Magnetfeld eines ringförmigen Permanentmagneten 74 mit axialer Magnetisierung wird durch zwei Polschuhe 73 auf einen Ringspalt 77 um die Welle 10 konzentriert. Das konzentrierte Feld hält ein Magnetofluid 75 stationär in jenem Ringspalt 77 fest, das somit eine Dichtwirkung zwischen den beiden Seiten des Aufbaus hervorruft.
Um ein Durchmischen zwischen abzudichtender Flüssigkeit und Magnetofluid der Dichtung 70 zu verhindern, wird die oben beschriebene Vorrichtung gemäß 17 wie folgt ergänzt.
Am Trägerring 60 wird ein Bereich, ein Raum oder eine Kammer 90 der magnetofluidischen Dichtung 70 vorgelagert angeordnet, der/die teilweise mit einem Gas G – beispielsweise Luft oder einem Inertgas – gefüllt ist. Die Kammer 90 wird auf der der Vorrichtung abgewandten Seite zur Welle 10 mit einem Ring- oder Dichtspalt 92 der Weite q₃ von etwa 0,1 mm abgedichtet, dessen Durchmesser f₁ größer ist als der Durchmesser des Dichtspaltes 77 der magnetofluidischen Dichtung 70 am Trägerring 60 aber kleiner als der Durchmesser f₂ der äußeren Kammerwand 94.
Das Volumen der Kammer 90 und die Durchmesser der Dichtspalte sind so gestaltet, dass bei horizontaler Anordnung und Stillstand des Systems sowie bei Umgebungsdruck innerhalb der Kammer 90 immer ein bestimmtes Gasvolumen V0 im oberen Bereich der Kammer 90 – oberhalb von deren Dichtspalt 92 – residual vorhanden ist. Im Betrieb sammelt sich dieses Gasvolumen im Bereich des kleinsten Durchmessers des Rotors – dies ist im vorliegenden Fall der Dichtspalt 77 der magnetofluidischen Dichtung 70 – konzentrisch um die Welle 10 und wird durch den Betriebsdruck auf ein Volumen V1 zusammengedrückt. Auch wenn V1 gleich V0 ist, soll durch geeignete Wahl des Durchmessers f₁ des Dichtspaltes 92 der Kammer 90 dabei kein Gas aus diesem Dichtspalt 92 entweichen. Andererseits soll V1 groß genug sein, um den Dichtspalt 77 der magnetofluiden Dichtung 70 im Betrieb auch bei maximalen Druck komplett abzudecken. Ein günstiges Durchmesserverhältnis zwischen dem Dichtspalt 77 der magnetofluidischen Dichtung 70, dem Dichtspalt 92 der Kammer 90 und dem inneren Außendurchmesser der Kammer ist 1 zu 1,2 zu 1,5. Mit V1* ist in 17 das Gasvolumen bei Maximaldruck bezeichnet.
Die Anordnung stellt – wie schon erwähnt – sicher, dass die magnetofluidische Dichtung im Betrieb stets nur mit Gas in Kontakt kommt. Eine Durchmischung des Magnetofluids mit einer abzudichtenden Flüssigkeit wird somit wirksam verhindert.
Die 18 bis 20 zeigen in abstrahierter Darstellung ein Prinzip der Erfindung zu zwei – in axialem Abstand s zueinander verlaufenden – magnetofluidischen Dichtungen 70, die an einer Welle 10 und einer zu dieser parallelen Gehäusewand 24 als druckisolierendem Element so angeordnet sind, dass drei Bereiche oder Räume entstehen: ein Raum 90_a mit einem abzudichtenden Fluid A bestimmten Druckes (z. B. Fördermedium mit 25 bar), ein Raum 96 mit einer Hilfsflüssigkeit H zwischen den Dichtungen 70 sowie ein Raum 98 mit einem Fluid B mit einem Differenzdruck zu Fluid A (z. B. Umgebungsluft mit 1 bar absolut). Der mittlere Raum 96 ist in zwei Hälften oder Abschnitte 96_a , 96_b geteilt durch eine Fördereinrichtung 100, die als Pumpensymbol in Form eines Kreises samt innenliegendem Dreieck skizziert ist für die Mittel, die eine Förderwirkung und damit einen Differenzdruck erzeugen. Die Verbindung 71 des Kreises mit der Gehäuseseite und die Verbindung 71_a des Dreiecks mit der Wellenseite symbolisiert die Zuordnung der Bauteile der Fördereinrichtung zu bewegten und stationären Teilen der Vorrichtung.
Die punktiert hervorgehobenen Räume 90_a , 96_a verdeutlichen Bereiche hohen Druckes; der Differenzdruck zwischen besagten Räumen wird mit geeigneten Mitteln – symbolisiert durch die „Messleitung” 95 und dem Symbol „deltaP = 0!” – aufgenommen und ein Signal – symbolisiert durch die Pfeillinie 95_a – zur Regulierung der Fördereinrichtung 100 in Abhängigkeit vom Differenzdruck erzeugt. In den punktfreien Räumen 96_b , 98 herrscht niedriger Druck.
In 18 geschieht die Druckregulierung allein durch Regelung der Fördereinrichtung über den Differenzdruck (bevorzugte Lösung). Ergänzend sei dazu auf 4 Bezug genommen. 19 zeigt die Druckregelung mit Hilfe einer – an jene Messleitung 95 mit einer Pfeillinie 95_b angeschlossenen sowie durch ein Überströmventil symbolisierten – Überströmeinrichtung 97, die vom Differenzdruck angesteuert wird und sich in einer die Räume 96b und 98 verbindenden Leitung 99 befindet. 20 verdeutlicht die Kombination beider Regelvarianten entsprechend 5 der konkreten Ausführung.
Im Bereich 96 mit der Hilfsflüssigkeit H befinden sich also Mittel, die innerhalb dieses Bereiches 96 einen Differenzdruck erzeugen, wobei der höhere Druck auf der Seite zum Fluid A mit dem höheren Druck hin und umgekehrt erzeugt wird. Die erzeugbare Druckdifferenz muss mindestens dem maximal auftretenden Differenzdruck von Fluid A und Fluid B entsprechen. Zudem sind Mittel vorhanden, die auf den Differenzdruck zwischen dem Fluid A mit höherem Druck und dem Maximaldruck der Hilfsflüssigkeit H reagieren. Die Reaktion wird dazu genutzt, um durch geeignete Mittel die genannte Druckdifferenz auf einen Wert nahe Null zu regeln. Dies kann z. B. durch Regelung der Leistung der Druckdifferenz erzeugenden Mittel geschehen oder durch Regelung einer Rückströmung aus dem Raum 90_a hohen Druckes der Hilfsflüssigkeit H zum Raum 96_b niedrigen Druckes.
Indem das Volumen des der Hilfsflüssigkeit H zugeordneten Raumes 96 variabel gestaltet wird, kann sichergestellt werden, dass auch die Druckdifferenz zwischen dem Minimaldruck der Hilfsflüssigkeit H und dem Druck des Fluids B mit dem niedrigeren Druck nahezu Null ist. Dies kann zum Beispiel durch eine flexible Membrane zwischen einer Seite des Raumes für die Hilfsflüssigkeit H und dem Fluid mit entsprechendem Druck realisiert werden oder durch bewegliche Anordnung einer der magnetofluidischen Dichtungen 70. Bei Anordnung mit Umgebungsluft unter Normaldruck (1 bar) auf der Niederdruckseite ist es am vorteilhaftesten, den Raum 96 auf dieser Seite im Volumen variabel zu gestalten.
Die dargestellten Mittel stellen sicher, dass die magnetofluidischen Dichtungen 70 auch bei hohen Druckdifferenzen der Fluide A, B nur mit geringen Differenzdrücken belastet werden – und somit ihre hermetische Dichtungsfunktion sichergestellt ist. Die Kraftübertragung erfolgt mechanisch über das kraftübertragende Element, z. B. die Welle 10, so dass hohe Übertragungsleistungen möglich sind.
Die Druckdifferenz innerhalb der Hilfsflüssigkeit H wird beispielsweise durch Relativbewegung von geometrischen Elementen erzeugt, die der Welle 10 und dem Gehäuse statisch zugeordnet sind und eine Fördereinrichtung für die Hilfsflüssigkeit H bilden. Dabei wird durch geeignete Maßnahmen – z. B. durch jenes Rückschlagventil – sichergestellt, dass bei Stillstand des Systems kein Druckausgleich zwischen Hoch- und Niederdruckbereich 96_a bzw. 96_b der Hilfsflüssigkeit H stattfindet.

Claims

Vorrichtung zum Führen zumindest zweier Strömungsmittel unterschiedlichen Druckes mit einer Welle als kraftübertragendem Organ sowie einem druckisolierenden Element wie einem die Welle umgebenden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem kraftübertragenden Organ (10) und dem druckisolierenden Element durch Dichtungselemente (70, 70_a ) in Achsrichtung nebeneinander liegende Räume (90, 90_a ; 96; 98) bestimmt sind, wobei zumindest eines der Dichtungselemente (70, 70_a ) leckagefrei ausgebildet ist sowie zwei Räume (90, 90_a ; 98) für Fluide (A, B) unterschiedlichen Druckes einen Raum (96) für eine Hilfsflüssigkeit (H) flankieren und letzterer durch eine Einrichtung (100) in zwei Teilräume (96_a , 96_b ) für zwei unterschiedliche Druckbereiche unterteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein magnetofluidisches Dichtungselement (70, 70_a ) zum Begrenzen des Raumes (96) für die Hilfsflüssigkeit (H).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass dem Raum (90_a ) höheren Drucks ein Fördermedium sowie dem Raum (98) niederen Drucks Umgebungsluft zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsflüssigkeit (H) ein Trägeröl des dem Dichtungselement (70, 70_a ) zugeordneten Magnetofluids ist, gegebenenfalls ein Silikonöl.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (96) für die Hilfsflüssigkeit (H) zwei Anschlüsse (33) aufweist, von denen einer zum Erzeugen eines Vakuums sowie der andere als Durchgang für die Hilfsflüssigkeit (H) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilraum (96_a ) für den höheren Druck der Hilfsflüssigkeit (H) dem Raum (90_a ) für das Fluid (A) höheren Druckes zugeordnet ist (18 bis 20).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen den Teilräumen (96_a , 96_b )
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel innerhalb der Teilräume (96_a , 96_b ) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch relativ zueinander bewegbare, dem druckisolierenden Element und dem kraftübertragenden Organ (10) zugeordnete geometrische Teile, die zum Erzeugen einer Druckdifferenz eine Fördereinrichtung für die Hilfsflüssigkeit (H) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Raum (96) für die Hilfsflüssigkeit (H) teilende Einrichtung eine Fördereinrichtung (100) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugbare Druckdifferenz zumindest dem maximal auftretenden Differenzdruck zwischen den Fluiden (A, B) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit welchen die Druckdifferenz zwischen dem maximalen Druck der Hilfsflüssigkeit und dem Druck des Fluids mit dem höheren Druck gegen null regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Organe zum Regeln der Leistung der die Druckdifferenz erzeugenden Mittel.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch Organe (97, 99) zum Regeln einer Rückströmung aus dem Teilraum (96_a ) höheren Drucks der Hilfsflüssigkeit (H) zum Teilraum (96_b ) niederen Drucks.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Teilräumen (96_a , 96_b ) für die Hilfsflüssigkeit (H) eine Leitung (99) mit ventilartiger Überströmeinrichtung (97) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen zumindest des Raumes (96) für die Hilfsflüssigkeit (H) veränderbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Teilraum (96_b ) für den niedrigen Druckbereich der Hilfsflüssigkeit (H) in seinem Volumen veränderbar gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch membranartige Dichtungselemente zum Begrenzen des Raumes (96) für die Hilfsflüssigkeit (H).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich beidseits des Raumes (96) für die Hilfsflüssigkeit (H) zwischen dem kraftübertragenden Organ (12) und dem druckisolie renden Element (24) ein magnetofluidisches Dichtelement (70, 70_a ) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (70, 70_a ) wenigstens einen Permanentmagneten (74) in einem Ring (76) enthält sowie ein dem kraftübertragenden Organ bzw. der Welle (10) an einem Ringspalt (77) zugeordnetes Magnetofluid (75).
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (74) Teil einer das Dichtungselement bildenden Magnetdichtung (70) ist, welche mit dem Ring (76) die Welle (10) umfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld des ringförmigen Permanentmagneten (70) mittels zugeordneter Polschuhe (73) auf den Ringspalt (77) konzentriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch in Achsrichtung magnetisierte Permanentmagnete (70), die an der Hochdruckseite in einem Träger- oder Verschlussring (60) aus nicht magnetischem Werkstoff ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch zumindest zwei konzentrische Magnetdichtungen (70, 70_a ), deren Querschnitte durch wenigstens einen achsparallelen Distanzring (79) getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verschlussring (60) ein Faltenbalg (68) anliegt, der anderseits an dem Druck tragenden Element anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltenbalg (68) aus metallischem Werkstoff besteht sowie an seiner radialen Außenseite bevorzugt von einem Haltering (56) umgeben ist, und/oder sich gegen einen an die Gehäusebuchse (26) festliegenden Frontring (54) abstützt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussring (60) zumindest eine Dichtscheibe (80) als Teil eines wenigstens zwei Dichtscheiben (80, 80_a ) mit Zentraldurchbruch (82) umfassenden mechanischen Dichtungssystems enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (80, 80_a ) aus Siliziumkarbid geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheiben (80, 80_a ) mit Kontaktflächen (84) aufeinander liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Dichtscheibe (80_a ) in der Kontaktfläche (84) vom Scheibenrand (81) zum Scheibenzentrum gekrümmt verlaufende spiralartige Rillen bzw. Vertiefungen (86) geringer Tiefe (c) aufweist, die in Abstand zum Zentraldurchbruch (82) enden und von der Kontaktfläche der anderen Dichtscheibe (80) übergriffen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine die Welle (10) umgebende Wellenhülse (12) und eine dazu koaxiale Gehäusebuchse (26) jeweils aus einem nicht magnetischen Werkstoff bestehen sowie zwischen diesen zumindest zwei der die Welle umfangenden magnetofluidischen Dichtungselemente (70, 70_a ) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenhülse (12) gegen die Welle (12) und die Gehäusebuchse (26) gegen das Gehäuse durch O-Ringe (20) statisch abgedichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraft übertragende Organ bzw. die Wellenhülse (12) und das Druck isolierende Element bzw. die Gehäusebuchse (26) durch radial zur Längsachse (M₁) der Wellenhülse angeordnete Wälzlager (52) konzentrisch drehbar in definiertem axialem Abstand gehalten sind, insbesondere durch ein Doppelschrägkugellager.
Vorrichtung nach Anspruch 27 und 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (52) an einem Außenring (16) der Wellenhülse (12) anliegt, dem anderseits eine der Dichtscheiben (80a) aus Siliziumkarbid zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtscheibe (80_a ) in einem sich von dem Außenring (16) weg axial stufenweise erweiternden Abschnitt (51) des Ringraums (50) lagert, dem der Verschlussring (60) mit der anderen Dichtscheibe (80) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 30, gekennzeichnet durch eine Welle (10) aus ferromagnetischem Werkstoff.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenfläche der Dichtscheibe (80) und dem benachbarten Verschlussring (60) ein Radialspalt (17) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass an den Radialspalt (17) einerseits ein axialer Ringspalt (77) zwischen der Welle (10) und den Dichtelementen (70) anschließt sowie anderseits ein axialer Ringspalt (13), der die benach barte Dichtscheibe (80) untergreift.
Vorrichtung nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass am radial äußeren Ende des Radialspaltes (17) eine Anschlagfläche (69) vorgesehen ist, an welche ein äußerer Ringspalt (21) angrenzt, der achsparallel verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (80) durch wenigstens einen achsparallelen Mitnehmerstift (67) an die Mittelwand (63) des Verschlussrings (60) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einem Fluid beaufschlagten Seite eine teilweise mit einem Gas (G) gefüllte sowie mit einem Dichtspalt (92) versehene Kammer (90) vorgelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise mit einem Gas (G) gefüllte sowie mit einem Dichtspalt (92) versehene Kammer (90) dem magnetofluidischen Dichtungselement (70) am Träger- oder Verschlussring (60) vorgelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (q₃) des Dichtspaltes (92) größer ist als die Breite (q₂) des Dichtelements (70) des Dichtspaltes (77) am Träger- oder Verschlussring (60) zur Welle (10) hin.
Vorrichtung nach Anspruch 43, gekennzeichnet durch ein Verhältnis zwischen der Breite (q₂) des Dichtspaltes (77), der Breite (q₃) des Dichtspaltes (92) der Kammer (90) sowie dem inneren Außendurchmesser (f₂) der Kammer (90) bzw. der äußeren Kammerwand (94) von 1 zu 1,2 zu 1,5.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (90) einen konstanten Außendurchmesser aufweist sowie einen Innendurchmesser, der sich mit zunehmendem axialen Abstand vom Dichtelement (70) vergrößert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammer (90) ein Hilfsanschluss für Inertgas zugeordnet ist.
Verfahren zum Führen zumindest zweier Strömungsmittel unterschiedlichen Druckes mit einer Welle als kraftübertragendem Organ sowie einem druckisolierenden Element wie einem die Welle umgebenden Gehäuse, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem kraftübertragenden Organ (10) und dem druckisolierenden Element in durch jeweils ein Dichtungselement (70, 70_a ) begrenzten Räumen (90, 90_a ; 98) Fluide (A, B) unterschiedlichen Druckes und zwischen diesen in einem Raum (96) eine Hilfsflüssigkeit (H) gehalten werden, wobei in letzterer zwei Druckbereiche hergestellt werden sowie der Teilbereich für den höheren Druck der Hilfsflüssigkeit (H) dem Raum (90_a ) für das Fluid (A) höheren Druckes zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (96) für die Hilfsflüssigkeit (H) beidseits zu den Räumen (90, 90_a ; 98) für die Fluide (A, B) durch magnetofluidische Dichtungselemente (70, 70_a ) hermetisch abgedichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (96) für die Hilfsflüssigkeit (H) vor dieser mit einem Vakuum beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass dem Raum (90, 90_a ) höheren Drucks ein Fördermedium sowie dem Raum (98) niederen Drucks Umgebungsluft zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugbare Druckdifferenz zumindest dem maximal auftretenden Differenzdruck zwischen den Fluiden (A, B) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der die Druckdifferenz erzeugenden Mittel geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückströmung aus dem Teilraum (96_a ) höheren Drucks der Hilfsflüssigkeit (H) zum Teilraum (96_b ) niederen Drucks geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz innerhalb der Hilfsflüssigkeit (H) durch Relativbewegung geometrischer Elemente erzeugt wird, die der Welle (10) einerseits und dem druckisolierenden Element anderseits zugeordnet sind und eine Fördereinrichtung (100) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass durch Dichtscheiben (80, 80_a ), die zwischen sich spiralartige Rillen bzw. Vertiefungen (86) begrenzen, eine Förderwirkung für die Hilfsflüssigkeit (H) aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderwirkung der Dichtscheiben (80, 80_a ) durch Erhöhung der Kraft (P) bzw. des Druckes, mit der/dem die Dichtscheiben gegeneinander gepresst werden sowie der Verringerung des Abstandes der Dichtscheiben zueinander erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dem Dichtungselement (70) vorgelagerten sowie ein Gas enthaltenden Kammer (90) das Gasvolumen im Betrieb im Bereich des Dichtspaltes (77) zwischen Dichtungselement und Welle (10) konzentrisch um diese gesammelt sowie durch den Betriebsdruck zusammengedrückt wird.