DE102007057976A1

DE102007057976A1 - Fluiddynamisches Lager

Info

Publication number: DE102007057976A1
Application number: DE200710057976
Authority: DE
Inventors: Takao Anzai
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager mit einem feststehenden Lagerbauteil und einem relativ zu diesem um eine gemeinsame Rotationsachse drehbaren Lagerbauteil, wobei die Lagerbauteile durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt mindestens ein offenes Ende aufweist, an das sich ein Luftspalt anschließt, der mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist. Erfindungsgemäß ist unabhängig vom Lagerspalt ein mit Lagerfluid teilweise gefülltes Reservoir vorgesehen, das über eine Öffnung mit einem Abschnitt des Luftspalts verbunden ist, wobei die Öffnung derart dimensioniert ist, dass sich im Reservoir verdunstendes Lagerfluid im Luftspalt anreichert und eine bestimmte Dampfdichte an Lagerfluid im Luftspalt erzeugt und so ein Entweichen von Fluiddampf aus dem Lagerspalt reduziert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, mit einem feststehenden Lagerbauteil und einem relativ zu diesem um eine gemeinsame Rotationsachse drehbaren Lagerbauteil, wobei die Lagerbauteile durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Der Lagerspalt weist mindestens ein offenes Ende auf, an das sich ein Luftspalt anschließt, der mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist.
Stand der Technik
Ein fluiddynamisches Lager, wie es die Erfindung beschreibt, wird beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet, wie er zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet werden kann. In bekannter Weise muss der Lagerspalt abgedichtet werden, um ein Austreten von Lagerfluid aus dem Lager zu vermeiden. Als Dichtung werden oftmals sogenannte Kapillardichtungen eingesetzt, welche das Lagerfluid mit Hilfe des Kapillareffekts im Lagerspalt zurückhalten. Diese Kapillardichtungen sind über einen Luftspalt mit der Außenatmosphäre verbunden. Im Betrieb des Motors verdunstet nun etwas von dem Lagerfluid, bis im Luftspalt ein gewisser Sättigungswert erreicht ist. Durch die Bewegung der Lagerkomponenten relativ zueinander entsteht in dem horizontalen Part des Luftspalts ein Vertex, also eine Wirbelströmung, welche von dem Kapillarspalt an der drehenden Lagerkomponente entlang läuft und über die stehende Lagerkomponente wieder zurück zur Kapillardichtung. Dadurch ist in dem Bereich des Luftspalts mit einer nahezu homogenen Sättigung zu rechnen. Das verdunstete Lagerfluid kann im ungünstigsten Fall zu Teilen sogar aus dem horizontalen durch den vertikalen Bereich des Luftspalts in die Umgebung gelangen und sich dort kondensierend absetzen, was die Lebensdauer eines betreffenden Motors limitiert. Das verdunstete Lagerfluid reduziert die Menge des vorhandenen Lagerfluids in der Kapillardichtung. Da im kalten Zustand das Lagerfluid die Kapillardichtung zu einem geringeren Niveau füllt als im warmen und ausgedehnten Zustand, kann eine Reduzierung der Fluidmenge dazu führen, dass im kalten Zustand sich das Lagerfluid komplett in den Lagerspalt zieht, sogar soweit, dass Luft mit in den Lagerspalt gelangt, wobei dann die Gefahr eines Lagerschadens besteht.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager dahingehend zu verbessern, dass die Verdunstungsrate von Lagerfluid aus dem Lagerspalt reduziert wird, und damit die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des Lagers erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lager mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager zeichnet sich dadurch aus, dass unabhängig vom Lagerspalt ein mit Lagerfluid teilweise gefülltes Reservoir vorgesehen ist, das über eine Öffnung mit dem Kapillaraustritt des Lagerspalts verbunden ist. Das mit Lagerfluid gefüllte Reservoir trägt dazu bei, dass der Sättigungswert einer Fluiddampfkonzentration im horizontalen Bereich des Luftspalts nicht ausschließlich von der Kapillardichtung gespeist wird, stattdessen verdunstet Lagerfluid auch aus dem Reservoir. Dadurch verdampft eine geringere Menge Lagerfluid aus der Kapillardichtung, weswegen das Fluidniveau in der Kapillardichtung nicht so stark absinken kann.
Die Öffnung, die das Reservoir mit dem Luftspalt verbindet, muss in ihrem Querschnitt so dimensioniert sein, dass aus dem Reservoir eine bestimmte Menge von Lagerfluid verdunstet und in den Luftspalt übertritt, die ausreicht, um die Verdunstung aus dem Lagerspalt zu reduzieren. Ist die Öffnung zu klein, wird die Dampfdichte nicht ausreichen und es kommt immer noch, wenn auch zu einer reduzierten Verdampfung von Lagerfluid aus dem Lagerspalt. Ist die Öffnung zu groß, so wird zwar die Verdunstung von Lagerfluid aus dem Lagerspalt entsprechend stark reduziert, jedoch kann das Lagerfluid aus dem Reservoir herauslaufen. Daher ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung die Öffnung des Reservoirs als Kapillardichtung ausgestaltet. Es ist ebenfalls denkbar, ein schwammartiges oder poröses Material zum Binden des Lagerfluids im Reservoir zu verwenden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Reservoir in einem feststehenden Lagerbauteil, beispielsweise einer Lagerbuchse, angeordnet und über mindestens einen Kanal mit definierter Öffnung mit dem horizontalen Bereich des Luftspalts verbunden.
Das Reservoir kann jedoch auch durch eine Abdeckung vom Luftspalt getrennt sein, wobei die Abdeckung mindestens eine definierte Öffnung aufweist.
Der Luftspalt ist vorzugsweise als Dichtspalt ausgebildet, wobei der Lagerspalt vorzugsweise durch eine Kapillardichtung gegenüber dem Luftspalt abgedichtet sein kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
1a zeigt schematisch eine Draufsicht der Abdeckplatte des Reservoirs.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch eine schematische Zeichnung eines Teils eines erfindungsgemäßen Lagers. Das Lager umfasst beispielsweise ein feststehendes Lagerbauteil in Form einer Lagerbuchse 10, die eine zentrische Lagerbohrung aufweist, in weicher eine Welle 12 drehbar gelagert ist. Die Lagerbuchse 10 und die Welle 12 sind durch einen Lagerspalt 16 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid 24 gefüllt ist. Der Lagerspalt 16 ist beispielsweise einige Mikrometer breit. Ein freies Ende der Welle 12 trägt ein Rotorbauteil in Form einer Nabe 14, welche im Beispiel etwa topfförmig ausgebildet ist und die Lagerbuchse 10 teilweise umgibt. Zwischen der Stirnseite sowie dem Außenumfang der Lagerbuchse 10 und den gegenüberliegenden Oberflächen der Nabe 14 verbleibt ein horizontaler Bereich des Luftspalts 20a, der sich direkt an den Lagerspalt 16 bzw. an eine den Lagerspalt anschließende Kapillardichtung 18 anschließt und ein vertikaler Bereich des Luftspalts 20b.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise in der Lagerbuchse 10 ein vom Lagerspalt 16 und der Kapillardichtung 18 unabhängiges Reservoir 22 angeordnet, das anteilig mit Lagerfluid 24 gefüllt ist. Dieses Reservoir 22 ist beispielsweise ringförmig und konzentrisch zur Welle 12 ausgebildet.
Das Reservoir 22 ist durch eine insbesondere in 1a dargestellte Abdeckung 26 gegenüber dem Luftspalt 20a abgedeckt. Die Abdeckung 26 besitzt eine oder mehrere Öffnungen 28, die einen Gasaustausch zwischen dem Reservoir 22 und dem Luftspalt 20 zulassen. Erfindungsgemäß soll nun ein Abdampfen von Lagerfluid 24 aus dem Lagerspalt 16 bzw. der Kapillardichtung 18 reduziert werden.
Unter normalen Umständen verdunstet Lagerfluid aus der Kapillardichtung 18 und sammelt sich als Fluiddampf in dem horizontalen Luftspalt 20a an. Durch den hier nur schematisch dargestellten Vertex 30 verteilt sich der Fluiddampf in dem gesamten Bereich des horizontalen Luftspalts 20a. Durch die deutlich geringere Spaltbreite des vertikalen Luftspalts 20b findet nur ein sehr geringer Austausch des Fluiddampfs mit der Umgebung statt. Das Fluid verdunstet aus dem Lagerspalt 16, bzw. der Kapillardichtung 18, bis die Luft in dem horizontalen Luftspalt 20a mit Fluiddampf gesättigt ist. Dadurch ändert sich der Füllstand des Lagerfluids 24 in der Kapillardichtung 18.
In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kommt es zusätzlich zur Verdunstung aus der Kapillardichtung 18 zu einer Verdunstung aus dem Reservoir 22. Um die Luft in dem horizontalen Lagerspalt 20a zu sättigen, sinkt daher der Füllstand 40 des Lagerfluids 24 in der Kapillardichtung 18 in geringerem Maße ab. Die Verdunstung des Fluids 24 aus der Kapillardichtung 18 ist reduziert.

10: Lagerbuchse
12: Welle
14: Nabe
16: Lagerspalt
18: Kapillardichtung
20a: Luftspalt, horizontaler Bereich
20b: Luftspalt, vertikaler Bereich
22: Reservoir
24: Lagerfluid
26: Abdeckung
28: Öffnung
30: Vertex
40: Füllstand

Claims

Fluiddynamisches Lager mit einem feststehenden Lagerbauteil (10) und einem relativ zu diesem um eine gemeinsame Rotationsachse drehbaren Lagerbauteil (12; 14), wobei die Lagerbauteile durch einen mit einem Lagerfluid (24) gefüllten Lagerspalt (16) voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt (16) mindestens ein offenes Ende aufweist an das sich ein Luftspalt (20a & 20b) anschließt, der mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig vom Lagerspalt (16) ein teilweise mit Lagerfluid (24) gefülltes Reservoir (22) vorgesehen ist, das über eine Öffnung (28) mit einem Abschnitt des Luftspalts (20a) verbunden ist, wobei die Öffnung (28) derart dimensioniert ist, dass sich im Reservoir (22) verdunstendes Lagerfluid (24) im Luftspalt (20a & 20b) anreichert und eine bestimmte Dampfdichte an Lagerfluid im Luftspalt erzeugt, und so ein Entweichen von Fluiddampf aus dem Lagerspalt (16) reduziert.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (22) im feststehenden Lagerbauteil (10) angeordnet und durch eine Abdeckung (26) mit mindestens einer definierten Öffnung (28) zum Luftspalt abgedeckt ist.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (28) des Reservoirs (22) in Gestalt einer Kapillardichtung konisch ausgeformt ist.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (22) zur Aufnahme des Lagerfluids ein schwammartiges oder poröses Material aufweist.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (22) im feststehenden Lagerbauteil (10) angeordnet und über mindestens einen Kanal mit definierter Öffnung (28) mit dem Luftspalt (20a) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (20a & 20b) einen Dichtspalt ausbildet.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (16) in einer Kapillardichtung (18) endet.