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Die
Erfindung betrifft ein Gleitlager, in dem ein bewegtes Bauteil an
einem stationären Bauteil gelagert ist.
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Bei
der Lagerung sich schnell bewegender Bauteile wie bspw. Wellen oder
Achsen in sog. Gleitlagern werden in der Regel Schmiermittel wie
bspw. bestimmte Öle, Fette oder Flüssigmetalle
verwendet. Unter dem Begriff Gleitlager werden im Folgenden allgemein
sowohl rotatorische als auch translatorische Lager verstanden. Rotatorische
Lager sind bspw. Lager, in denen ein rotierendes Bauteil gegenüber
einem stationären Bauteil gelagert ist. Beispiele hierfür
sind das Lager in einer Röntgenvorrichtung, in dem die
Welle der Drehanode gelagert ist, oder die ein Kompressorrad und
ein Abgasturbinenrad eines Turboladers verbindende Welle. Translatorische
Lager sind Lager, in denen ein Bauteil wie etwa ein Schlitten bspw.
linear geführt werden kann, wie etwa ein Lineargleitlager
oder eine Gleitbuchse.
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Das
Schmiermittel befindet sich in einem Lagerspalt zwischen dem bewegten
Bauteil und einem stationären Bauteil, so dass sich das
bewegte Bauteil bei minimalen Reibungsverlusten gegenüber
dem stationären Bauteil bewegen kann.
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Die
Schmiermittel weisen bekanntermaßen den Nachteil auf, dass
ab einer bestimmten Relativgeschwindigkeit des Bauteils, bspw. ab
einer bestimmten Drehfrequenz einer Welle im Lager, Kavitation auftritt.
Dies wirkt sich nachteilig darin aus, dass zum Einen der Wirkungsgrad
des Lagers herabgesetzt wird und dass zum Anderen die Bauteile ggf. beschädigt
werden können. Wirkt der Schmierstoff darüber
hinaus auch kühlend, so ist beim Auftreten von Kavitation
auch davon auszugehen, dass die Kühlwirkung reduziert wird.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung
der Lagerung eines bewegten Bauteils an einem stationären
Bauteil zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen
angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung macht sich eine besondere Eigenschaft ionischer Flüssigkeiten
zu Nutze: Ionische Flüssigkeiten weisen neben anderen speziellen Merkmalen
einen äußerst geringen Dampfdruck auf, weswegen
sie auch bei erhöhter Temperatur und reduziertem Druck
keinerlei Tendenz zur Verdampfung zeigen.
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Aufgrund
dieser Eigenschaft tritt bspw. in einem Gleitlager, das erfindungsgemäß als
Schmiermittel eine ionische Flüssigkeit aufweist, aufgrund des
nahezu verschwindenden Dampfdruckes keine Kavitation auf. Das Gleitlager
kann daher mit vergleichsweise hohen Drehzahlen bzw. hohen Relativgeschwindigkeiten
zwischen bewegten und stationären Bauteilen des Lagers
betrieben werden.
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Das
Gleitlager mit der erfindungsgemäßen Schmierung
mit Hilfe einer ionischen Flüssigkeit kann bspw. in einer
Drehanoden-Röntgenvorrichtung zur Lagerung der Welle oder
des Rotors der Drehanode eingesetzt werden. Die Funktionsweise einer Röntgenvorrichtung
ist bspw. in der
EP
1 225 793 A2 offenbart und wird hier als bekannt vorausgesetzt.
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Aufgrund
der hohen Drehgeschwindigkeiten der Drehanode in einer Drehanoden-Röntgenröhre kann
in gängigen Schmiermitteln Kavitation auftreten. Dies kann
dazu führen, dass der Wirkungsgrad aufgrund der mit der
Kavitation eintretenden schlechteren Lagerung sinkt und dass das
Lager selbst mit der Zeit beschädigt wird. Die erfindungsgemäße
Verwendung der ionischen Flüssigkeit als Schmiermittel an
Stelle der üblicherweise verwendeten Öle, Fette oder
Flüssigmetalle resultiert vorteilhafterweise in der Vermeidung
der Kavitationseffekte.
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In
einer alternativen Anwendung wird die Welle eines Turboladers, insbesondere
eines Abgasturboladers, in einem Gleitlager mit ionischer Flüssigkeit
gelagert. Der Abgasturbolader weist eine Antriebs- und eine Abtriebsseite
auf, wobei die Antriebsseite eine Turbine mit einem Turbinenrad
umfasst, das mit dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs
in Rotation versetzt wird. Die Abtriebsseite weist einen Kompressor
mit einem Kompressorrad auf, das die für den Verbrennungsmotor angesaugte
Luft komprimiert, um den Verbrennungsmotor mit einer größeren
Luftmenge zu versorgen und so letztlich die Motorleistung zu erhöhen.
Das Turbinenrad ist über eine Welle mit dem Kompressorrad
verbunden. Derartige Turbolader für Verbrennungsmotoren
sind bspw. aus der
DE
100 47 405 A1 bekannt.
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Die
Welle ist in einem Gleitlager gelagert, welches erfindungsgemäß eine
ionische Flüssigkeit als Schmiermittel aufweist. Da Turbolader
in der Regel mit Drehzahlen in einer Größenordnung
von 100.000 Umdrehungen/Minute und mehr betrieben werden, werden
die Gleitlager stark beansprucht. Bei Abgasturboladern kommen daher
zur Lagerung der Welle hydrodynamische Gleitlager zum Einsatz. Diese
verwenden einen Schmierfilm aus Öl oder Fett zwischen der
Welle und der Lagerschale. Das Entstehen von Kavitation ist jedoch
nicht ausgeschlossen.
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Da
sich bei der Bewegung eines Bauteils in einem Gleitlager relativ
zu einem weiteren Bauteil das Schmiermittel, im vorliegenden Fall
die ionische Flüssigkeit, aufheizt, zirkuliert die ionische
Flüssigkeit in einer vorteilhaften Ausgestaltung in einem Kreislauf,
der insbesondere das Gleitlager und einen Wärmetauscher
sowie die benötigten Leitungen zur Beförderung
der ionischen Flüssigkeit umfasst. Um die Zirkulation anzutreiben
wird eine Pumpe verwendet. Die ionische Flüssigkeit gibt
im Wärmetauscher die im Gleitlager aufgenommene Wärme
ab.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie
anhand der Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
Drehanoden-Röntgenröhre mit Gleitlagerung;
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2 einen
Turbolader mit Gleitlagerung;
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3 ein
Gleitlager mit Kühlmittelkreislauf.
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Die 1 zeigt
die Prinzipskizze einer Drehanoden-Röntgenvorrichtung 100,
bei der die Drehanode 130 mit Hilfe eines Gleitlagers 150 gelagert
ist, in dem sich als Schmiermittel erfindungsgemäß eine
ionische Flüssigkeit befindet.
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Die
Röntgenvorrichtung 100 umfasst in einem Vakuumbehälter 110,
der in einem mit einer Kühlflüssigkeit gefüllten
Gehäuse 160 untergebracht ist, eine Kathode 120,
welche Elektronen emittiert. Die Elektronen werden durch eine Hochspannung
zu einer rotierenden Drehanode 130 beschleunigt und treffen
auf ein mit der Drehanode 130 rotierendes Target 131.
Die Elektronen dringen in das Target 131 ein, werden dort
abgebremst und erzeugen dabei u. a. Röntgenstrahlung, die
schließlich durch Fenster 111, 161 abgestrahlt
wird. Typischerweise wird hierbei ein großer Teil der aufgewendeten
Energie in Wärme umgewandelt, während nur ein
geringer Teil in die nutzbare Röntgenstrahlung übergeht.
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Speziell
in Röntgenvorrichtungen des Drehanoden-Typs rotiert die
Anode während des Betriebes je nach Durchmesser der Drehanode
mit bis zu 10.000 Umdrehungen/Minute. Hierdurch wird zum einen erreicht,
dass die im Auftreffpunkt des Elektronenstrahls der Kathode entstehende
Wärme in der Drehanode verteilt wird, wodurch sich die
Lebensdauer der Drehanode gegenüber einer feststehenden
Anode erhöht. Außerdem ist eine größere
Röntgenstrahlintensität als bei einer Röntgenvorrichtung mit
feststehender Anode erreichbar: Bei letzterer ist die maximal erreichbare
Strahlintensität dadurch bestimmt, dass bei einer bestimmten
Intensität des Elektronenstrahls der Kathode aufgrund der
Wärmeentwicklung ein Aufschmelzen des Anoden- bzw. Targetmaterials
auftreten kann. Bei der Drehanode dagegen verteilt sich die Wärme über
die Anode, so dass der Elektronenstrahl und mit diesem die resultierende
Röntgenstrahlung mit höherer Intensität
erzeugt werden kann.
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Zum
Antrieb der Drehanode 130 ist diese mit einem Rotor 141 eines
Antriebs 140 verbunden, der auf einer stationären
Welle 151 eines Gleitlagers 150 gelagert ist.
Ein Stator 142 des Antriebs 140 mit nicht im Detail
dargestellten Statorspulen erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, mit
dessen Hilfe der Rotor 142 und mit diesem die Drehanode 130 in
Rotation versetzt wird. Der Rotor 141 weist hierzu einen
oder mehrere nicht dargestellte Permanentmagnete auf.
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Zwischen
dem Rotor 141 und der Welle 151 befindet sich
ein Lagerspalt 152, der im Ausführungsbeispiel
die Form eines Hohlzylinders aufweist. In dem Lagerspalt 152 befindet
sich das Schmiermittel 153, das erfindungsgemäß eine
ionische Flüssigkeit ist, bspw. 1-Ethyl-3-Methylimidazolium
Ethylsulfat (EMIM EtOSO3) oder 1-Butyl-3-Methylimidazolium Methylsulfat
(BMIM MeOSO3).
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Die
Verwendung der ionischen Flüssigkeit 153 ermöglicht,
dass bei den typischerweise hohen Drehzahlen der Drehanode 130 keine
Kavitation in dem Gleitlager 150 auftritt.
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In
einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung kann
die Drehanode auch über eine Welle mit einem externen Antrieb,
bspw. mit einem Asynchronmotor, verbunden sein. Der Asynchronmotor bewirkt
die Rotation der Drehanode und die Welle ist hierzu in einem Gleitlager
gelagert, das erfindungsgemäß als Schmiermittel
eine ionische Flüssigkeit aufweist.
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Die 2 zeigt
einen Abgasturbolader 200 mit einem Gehäuse 250 umfassend
eine Turbine 210 und einen Kompressor 220. Die Turbine 210 weist
ein Turbinenrad 211 auf, das durch den Abgasstrom 212 eines
Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) in Rotation versetzt wird.
Das Turbinenrad 211 ist über eine Welle 230 mit
einem Kompressorrad 221 des Kompressors 220 verbunden.
Bei Rotation des Turbinenrades 211 wird das Kompressorrad 221 über
die Welle 230 in Rotation versetzt, so dass über
eine Luftzuleitung 222 ein Luftstrom 224 angesaugt
wird, der über eine Ableitung 223 zum Verbrennungsmotor gelangt.
Dem Verbrennungsmotor steht somit eine größere
Luftmenge zur Verfügung, so dass die Motorleistung erhöht
wird.
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Die
Welle 230 ist in einem Gleitlager 240 des Gehäuses 250 gelagert.
Das Gleitlager 240 umfasst ein Lagergehäuse 244,
das Teil des Gehäuses 250 des Turboladers 200 ist.
Zwischen einer Innenwand 241 des Gleitlagers 240 und
der Welle 230 befindet sich ein hohlzylindrischer Lagerspalt 242,
in dem sich erfindungsgemäß eine ionische Flüssigkeit
als Schmiermittel 243 befindet.
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In
den 1 und 2 wurden exemplarisch zwei erfindungsgemäße
Anwendungen der ionischen Flüssigkeit als Schmiermittel
in einem Gleitlager einer Röntgenvorrichtung und in einem
Gleitlager eines Abgasturboladers dargestellt. Die erfinderische Idee
ist jedoch nicht auf diese speziellen Anwendungen beschränkt,
sondern erstreckt sich allgemein auf Gleitlager, in denen zur Vermeidung
von Kavitation eine ionische Flüssigkeit als Schmiermittel
zwischen einen stationären Bauteil und einem bewegten Bauteil
eingesetzt wird.
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Die 3 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Gleitlager 300 mit
einem stationären Bauteil 310 und einem Bauteil 320,
das insbesondere gegenüber dem stationären Bauteil 310 in
Bewegung ist. In Lagerspalten 330 zwischen den Bauteilen 310, 320 befindet
sich erfindungsgemäß eine ionische Flüssigkeit 340 als
Schmiermittel. Das stationäre Bauteil 310 kann
bspw. wie in der 1 eine Welle sein, während
das bewegte Bauteil 320 wie in der 1 ein Rotor
sein kann, der um die Welle rotiert. Die 3 soll jedoch allgemein
ein Gleitlager 300 darstellen, ohne dessen Anwendungsgebiet
konkret festzulegen.
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Wenn
sich das Bauteil 320 relativ zum stationären Bauteil 310 bewegt,
wird sich mit der Zeit das Schmiermittel 340 aufheizen.
Mit steigender Temperatur wird jedoch grundsätzlich das
Auftreten von Kavitation immer wahrscheinlicher. Zudem kann es bei einem über
eine bestimmte Maximaltemperatur aufgeheizten Bauteil zu Beschädigungen
kommen und/oder der Wirkungsgrad des Gleitlagers 300 verschlechtert
sich. Es ist daher von Vorteil, den Schmierstoff 340 bzw.
die ionische Flüssigkeit zu kühlen.
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Hierzu
ist das Gleitlager 300 bzw. der Lagerspalt 330 in
einem Kreislauf 390 mit einem Wärmetauscher 360 verbunden.
Der Kreislauf 390 umfasst den Wärmetauscher 360,
eine Pumpe 370 sowie Leitungen 350 und 380.
Der Lagerspalt 330 ist über eine Leitung 350 mit
dem Wärmetauscher 360 verbunden. Die Pumpe 370 sorgt
für den Umlauf der ionischen Flüssigkeit 340 im
Kreislauf 390 und befördert sie über
die Leitung 350 zu dem Wärmetauscher 360,
wo die ionische Flüssigkeit 340 abgekühlt
wird. Über eine weitere Leitung 380 gelangt die
abgekühlte ionische Flüssigkeit 340 wieder
in den Lagerspalt 330 der Gleitlagers 300. Die
ionische Flüssigkeit 340 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel
vorteilhafterweise auch als Kühlmedium und kann ggf. über
entsprechende Leitungen (nicht dargestellt) auch zu anderen Bauteilen
der Maschine geleitet werden, um diese zu kühlen.
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Das
Ausführungsbeispiel der 3 könnte angewandt
auf die Röntgenvorrichtung der 1 in der
Weise erweitert werden, dass die Kühlflüssigkeit im
Gehäuse 160 der Röntgenvorrichtung ebenfalls als
ionische Flüssigkeit ausgebildet ist. Diese ionische Flüssigkeit
wird dann in einem Kreislauf über eine Pumpe zu einem Wärmetauscher
befördert, wo sie abgekühlt wird und von dem sie
wieder in das Gehäuse 160 gelangt. In einer weiteren
Ausgestaltung könnten dieser Kreislauf und der im Zusammenhang mit
der 3 beschriebene Kreislauf 390 miteinander
gekoppelt, bspw. in Reihe geschaltet sein, so dass die ionische
Flüssigkeit zunächst das Gleitlager durchläuft,
dann in das Gehäuse 160 gelangt und von dort zum
Wärmetauscher befördert wird. Alternativ können
die Kreisläufe auch parallel geschaltet oder aber vollkommen
unabhängig voneinander sein.
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Die
oben beschriebenen Anwendungen beschäftigen sich mit rotatorischen
Gleitlagern. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, auch
die Schmiermittel von translatorischen Gleitlagern durch ionische Flüssigkeiten
zu realisieren und so die Ausbildung von Kavitation zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1225793
A2 [0009]
- - DE 10047405 A1 [0011]