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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein Konzept zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts zwischen einer Oberfläche eines ersten Bauteils und einer Oberfläche eines sich relativ zu dem ersten Bauteil translatorisch bewegenden zweiten Bauteils.
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Derartige sich dynamisch verändernde Spalte können beispielsweise bei Relativbewegungen auftreten, wie sie z. B. bei Linearmotoren oder Linearführungen vorkommen. Als Linearführung versteht man im Allgemeinen eine Anordnung, die eine möglichst reibungsfreie Translation einer oder mehrerer beweglicher Baugruppen einer Maschine ermöglicht und dabei gleichzeitig eine Einhaltung der Bewegungsrichtung in Form einer linearen Bahn garantiert. Man kann Linearführungen nach ihrer Lagerung in Gleitführungen und Wälzführungen unterteilen. Wälzführungen beruhen auf dem Prinzip der Umwälzung von Wälzkörpern zwischen zwei bewegten Führungselementen. Als Wälzkörper dienen, wie beim Wälzlager, beispielsweise Kugeln, Rollen, Nadeln oder andere Wälzkörper. Zu den Wälzführungen gehören u. a. Profilschienenführungen oder auch Linearführungen. Hierbei sind Linearführungen nicht auf ausschließlich lineare Bewegungen beschränkt. Sie ermöglichen vielmehr eine translatorische Bewegung im Vergleich zu rotatorischen Bewegungen, die durch entsprechende Rotationswälzlager geführt werden. Gerade im Bereich der Linearlager werden die Begriffe „linear” und „translatorisch” daher häufig synonym verwendet.
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Mit Hilfe von Linearführungen lassen sich präzise Translationsbewegungen in vielfältigen Anwendungssituationen realisieren. Eine Linearführung weist im Allgemeinen eine Führungsschiene und einen Linear- bzw. Führungswagen auf, der linear beweglich auf der Führungsschiene angeordnet ist. Insbesondere in Anwendungssituationen, bei denen die Amplitude der Linearbewegung in der Größenordnung der Außenabmessungen des Führungswagens parallel zur Bewegungsrichtung liegt oder diese sogar übersteigt werden häufig sogenannte Kugelumlaufführungen eingesetzt. Eine Kugelumlaufführung zeichnet sich dadurch aus, dass der Führungswagen mittels Kugeln relativ zur Führungsschiene beweglich gelagert ist und dass die Kugeln auf einer in sich geschlossenen, also quasi endlosen Bahn umlaufen. Eine Kugelumlaufführung ermöglicht somit eine beliebige lineare Beweglichkeit des Linearwagens, die nur durch die Abmessungen der Führungsschiene und ggf. durch eine Einbauumgebung begrenzt wird
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Bei den sogenannten Profilschienenführungen umgreift der Führungswagen, der auch als Laufwagen bezeichnet wird, mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt eine profilierte Führungs- bzw. Profilschiene. Der Führungswagen ist dabei auf der Führungsschiene wälzgelagert. In anderen Worten ausgedrückt bildet der Führungswagen einen äußeren Führungsteil der Linearführung und die Führungsschiene einen inneren Führungsteil der Linearführung, wobei sich inneres und äußeres Führungsteil gegenseitig über Wälzkörper abstützen.
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Bei Linearführungen besteht u. a. der Bedarf, einen Zwischenraum zwischen äußerem Führungsteil und innerem Führungsteil nach außen hin abzudichten, zum einen, um beispielsweise einen Schmiermittelaustrag zu vermeiden, und zum anderen, um zu verhindern, dass Fremdstoffe von außen die Gleit- oder Wälzlagerung beeinträchtigen. Jedoch sind sich dynamisch verändernde Spalte, wie z. B. bei Linearführungen und Linearmotoren, mindestens jedoch zwischen zwei Bauteilen, die sich relativ zueinander bewegen, relativ schwer abzudichten. Aufgrund einer sich durch die Relativbewegung möglicherweise verändernden Geometrie des Spaltes müssen aufwändige Vorrichtungen eingesetzt werden, um zu verhindern, dass Partikel, Flüssigkeiten oder sonstige Substanzen in den Spalt eindringen und die den Spalt bildenden Bauteile in negativer Form beeinflussen. Diese negative Beeinflussung hat meist eine reduzierte Funktionsfähigkeit des gesamten technischen Systems zur Folge.
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Bekannte Lösungen für dieses Problem sind beispielsweise schleifende Dichtungen, Abdeckungen oder der Einsatz von Sperrluft, um den Eintrag der Substanzen zu verhindern. Nachteile von schleifenden Dichtungen sind beispielsweise Reibung und damit Energieverlust und/oder Wärmeeinbringung. Des Weiteren führen schleifende Dichtungen zum Verschleiß mindestens eines Funktionsteils, wie z. B. einer Gleitfläche der Führung oder der Dichtung selbst. Zudem sind derartige Dichtungen sehr wartungsintensiv.
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Darüber hinaus kann z. B. durch Sperrluft die Effizienz von Dichtungen erhöht werden. Solche Dichtungen werden beispielsweise verwendet, um eine Isolierung möglichst verlustfrei, d. h. insbesondere ohne Reibung, zu realisieren. Die Sperrluft unterstützt dies, indem sie einen gerichteten Massestrom erzeugt, der von dem primär zu isolierenden Raum weg weist, d. h. beispielsweise von einem Lagerspalt im Inneren eines Lagers weg zu einer Lagerumgebung. Hierdurch können allerdings hohe Strömungsverluste und ein hoher Ressourceneinsatz entstehen, die die Effizienz einer Isoliervorrichtung erheblich mindern können. Zudem bedeuten herkömmliche Verfahren zumeist einen sehr hohen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand.
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Aufgrund der oben angeführten Nachteile des Stands der Technik, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Dichtungskonzept insbesondere für Linearführungen vorzuschlagen.
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Es sind seit kurzer Zeit Dichtungskonzepte insbesondere für ringförmige, d. h. rotatorisch umlaufende Wälzläger mit unveränderlichen Lagergeometrien bekannt, bei welchen sich zwischen Hochspannungselektroden unter bestimmten Bedingungen Plasmaschläuche ausbilden können, so dass dadurch quasi eine Blasrichtung bzw. ein Ionenwind zwischen den Hochspannungselektroden entsteht, die wie eine Barriere für in Richtung zu dem Wälzlger vordringende Partikel wirken kann. Bei diesem Dichtungskonzept sind die beiden Hochspannungselektroden allerdings in Richtung einer Rotationsachse des Wälzlagers, d. h. axial, derart zueinander versetzt angeordnet, sodass von außen her gesehen eine Gegenelektrode in einem vordefinierten, konstanten axialen Abstand vor einer Aufladungselektrode (Korona-Aufladungselektrode) angeordnet ist. Dadurch weist eine sogenannte Influenzierungs- oder Barrierezone schräg von dem abzudichtenden Wälzlager nach außen weg.
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Es ist eine überraschende Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass ein Dichtungskonzept, welches mittels eines elektrischen Feldes ein Barriere- bzw. Dichtwirkung erzielt, auch zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts zwischen einer Oberfläche eines ersten Bauteils und einer Oberfläche eines sich relativ zu dem ersten Bauteil translatorisch in eine Bewegungsrichtung bewegenden zweiten Bauteils eingesetzt werden kann, obwohl durch die relative translatorische Bewegung der beiden Bauteile zueinander gerade keine in Bewegungsrichtung konstant versetzte Anordnung einer (Aufladungs-)Elektrode und einer Gegenelektrode möglich ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts zwischen einer Oberfläche eines ersten Bauteils und einer Oberfläche eines sich relativ zu dem ersten Bauteil translatorisch in eine Bewegungsrichtung bewegenden zweiten Bauteils. An der Oberfläche des ersten Bauteils ist dabei eine an einen Pol einer (Hoch-)Spannungsquelle anschließbare Elektrode (Aufladungselektrode) angeordnet. An der Oberfläche des zweiten Bauteils befindet sich eine Gegenelektrode, welche sich flächig entlang der Oberfläche des zweiten Bauteils erstreckt. Die Aufladungselektrode und die Gegenelektrode können derart relativ zueinander translatorisch in die Bewegungsrichtung bewegt werden, dass ein sich zwischen der Aufladungselektrode und der Gegenelektrode ausbildendes und mitbewegtes elektrisches Feld auf polarisier- bzw. ionisierbare Partikel, die in Richtung des abzudichtenden Spalts vordringen, derart wirkt, dass diese von dem abzudichtenden Spalt abgehalten werden.
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Durch Ausführungsbeispiele kann eine nicht schleifende, nicht Sperrluft nutzende Dichtungsvorrichtung realisiert werden, die einen Eintrag von Substanzen in den abzudichtenden Spalt mittels einer Barrierewirkung eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden verhindern kann. Durch geeignete Wahl der Aufladungselektrode kann der Effekt der sogenannten Korona-Aufladung genutzt werden. Bei einer Ionisation mittels Korona-Auf- bzw. Entladung erzeugen mit Hochspannung versorgte leitfähige Elektrodenspitzen durch Korona-Entladung und Feldionisation in ihrer unmittelbaren Umgebung Ionen, z. B. Luftionen, die dann entlang der Feldlinien zur Gegenelektrode hin beschleunigt werden und einen Ionenwind zwischen Aufladungselektrode und Gegenelektrode erzeugen. Dieser Ionenwind stellt eine Barriere für sich auf den Spalt zubewegende Partikel dar. Eine durch die Vorrichtung erzielte Dichtwirkung hat bei diesem elektrostatischen Konzept ihren Ursprung also in der elektrostatischen Abstoßung zwischen gleichsinnigen Ladungen. Polarisierbare bzw. ionisierbare Partikel werden also in dem elektrischen Feld zwischen Aufladungs- und Gegenelektrode zunächst elektrisch aufgeladen und eine Kombination aus Anziehungskraft zum Gegenpol (entlang der Feldlinien) und innere Abstoßung durch gleichartige Ladungsansammlung bewirkt den erwünschten Dichtungseffekt gegenüber von außen eindringenden Partikeln.
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Es kann insbesondere vorteilhaft sein, die Aufladungselektrode und/oder die Gegenelektrode derart auszubilden, so dass zwischen der Aufladungselektrode und der Gegenelektrode ein inhomogenes elektrisches Feld erzeugt wird, dessen Feldstärke zur Aufladungselektrode hin zunimmt. Dazu könnte die Aufladungselektrode beispielsweise als Stabelektrode bzw. als eine spitz zulaufende Elektrode ausgebildet sein, wohingegen die Gegenelektrode zweidimensional, d. h. flächig ausgebildet ist. Eine spitze Aufladungselektrode hat vor allem den Vorteil, dass an der Spitze der Aufladungselektrode eine zur Luftionisierung notwendige Durchbruchfeldstärke überschritten werden kann, sodass es in deren Umgebung zur Korona-Aufladung von Luftmolekülen kommen, welche dann wiederum (als Ionenwind) ihre Ladung an vom Spalt abzuhaltende Partikel abgeben können.
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Um den Spalt, beispielsweise zwischen Führungsschiene und Führungswagen einer linearer Führung, effektiv abzudichten, sind die Aufladungselektrode und die Gegenelektrode vorzugsweise an gegenüberliegenden und den Spalt begrenzenden Flächen des ersten und des zweiten Bauteils (z. B. Führungsschiene, Führungswagen) ausgebildet. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen könnte das zweite Bauteil, z. B. Führungsschiene oder Führungswagen, zumindest an seiner Oberfläche, die eine Begrenzung des abzudichtenden Spaltes bildet, wenigstens teilweise als flächige Gegenelektrode ausgebildet sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das zweite Bauteil auch komplett als Gegenelektrode ausgebildet sein. Im Allgemeinen kann die Gegenelektrode über einen Masseanschluss verfügen, d. h. sie kann geerdet ausgebildet sein.
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Insbesondere bei Linearführungen weist ein sich dynamisch verändernder Spalt zwischen Führungsschiene und Führungswagen oft Dimensionen auf, für die das Vorsehen einer einzelnen Stabelektrode als Aufladungselektrode nicht ausreichend ist, um den gesamten Spalt abzudichten. Dafür können Ausführungsbeispiele einen zu der flächig ausgebildeten Gegenelektrode gegenüberliegend und parallel zu der Gegenelektrode angeordneten Elektroden-Array aufweisen, der sich vorzugsweise senkrecht zu der Bewegungsrichtung erstreckt und der ausgebildet ist, um den Spalt zwischen der Oberfläche des ersten Bauteils und der Oberfläche des zweiten Bauteils vermittels des mit dem Elektrodenarray erzeugten elektrischen Felds flächig abzudichten. Dabei können als einzelne Elektroden des Arrays wiederum Stabelektroden, d. h. Elektroden mit Spitzen, vorgesehen sein. Diese können sich beispielsweise entlang einer Linie, d. h. eindimensional, oder auch auf einer Fläche, d. h. zweidimensional, auf der Oberfläche des ersten Bauteils verteilen. Anstelle eines eindimensionalen Elektroden-Arrays könnte aber auch eine an dem ersten Bauteil vorgesehene (dünne) Elektrodenlippe vorgesehen sein, um erstens ein möglichst inhomogenes elektrisches Feld zu erzeugen und zweitens eine Korona-Aufladung von sie umgebenden Luftmolekülen zu bewirken.
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Um ein dazu ausreichend starkes elektrisches Feld zu erzeugen, kann die Aufladungselektrode bei Ausführungsbeispielen mit einer Hochspannungsquelle gekoppelt sein, die ausgebildet ist, um eine Gleichspannung in einem Bereich von beispielsweise 1 kV bis 100 kV, vorzugsweise in einem Bereich von 3 kV bis 12 kV, zu erzeugen. Des Weiteren kann die Hochspannungsquelle gemäß manchen Ausführungsbeispielen abhängig von einer Amplitude der translatorischen Bewegung bzw. abhängig von einem Abstand der beiden auf den Oberflächen angeordneten Elektroden entlang der Bewegungsrichtung geregelt werden, um eine von dem Abstand abhängige Spannung bereitzustellen. Dies kann insbesondere dazu dienen, auch während der Bewegung stets ein nahezu gleichbleibend starkes E-Feld zwischen den beiden Elektroden sicherzustellen. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nicht eine gesamte Oberfläche des zweiten Bauteils als Gegenelektrode dient, sondern nur ein (kleiner) Teil davon.
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Insbesondere betreffend gleit- und/oder walzgelagerte Linearführungen umfassen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch eine Linearführung mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. D. h., an dem Führungswagen der Linearführung könnte beispielsweise wenigstens eine Aufladungselektrode angeordnet sein, wohingegen die Führungsschiene zumindest teilweise als Gegenelektrode zu der Aufladungselektrode am Führungswagen wirkt. Hier könnte eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise eingesetzt werden, um einen stirnseitigen U-förmigen-Spalt zwischen Führungsschiene und Führungswagen abzudichten.
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Nicht zuletzt umfassen Ausführungsbeispiele auch ein Verfahren zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts zwischen einer Oberfläche eines ersten Bauteils und einer Oberfläche eines sich relativ dazu translatorisch in eine Bewegungsrichtung bewegenden zweiten Bauteils mit einem Schritt des Anordnens, an der Oberfläche des ersten Bauteils, einer an einen Pol einer Hochspannungsquelle anschließbaren Elektrode, einem Schritt des Anordnens, an der Oberfläche des zweiten Bauteils, einer sich flächig entlang der Bewegungsrichtung erstreckenden Gegenelektrode, so dass die Elektrode und die Gegenelektrode derart relativ zueinander translatorisch in die Bewegungsrichtung bewegt werden können, dass ein sich zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode ausgebildetes und mitbewegtes elektrisches Feld auf polarisierbare und/oder ionisierbare Partikel, die in Richtung des abzudichtenden Spalts vordringen, derart wirkt, dass diese von dem abzudichtenden Spalt abgehalten werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische perspektive Ansicht einer Vorrichtung zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische perspektive Ansicht einer Aufladungselektrodenlippe gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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5 eine Prinzipskizze einer Linearführung mit einer Vorrichtung zum Abdichten eines sich dynamisch verändernden Spalts zwischen Führungsschiene und Führungswagen.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Vorrichtung 10 zum Abdichten eines sich beispielsweise aufgrund von Oberflächenrauhigkeiten und/oder -strukturen dynamisch verändernden Spalts 11 zwischen einer Oberfläche eines ersten Bauteils 12 und einer Oberfläche eines sich relativ zu dem ersten Bauteil translatorisch in eine Bewegungsrichtung 13 bewegenden zweiten Bauteils 14. Gemäß dem in 1 eingezeichneten kartesischen Koordinatensystem entspricht die Relativbewegungsrichtung 13 beispielhaft der x-Richtung. Der Spalt 11 erstreckt sich senkrecht dazu exemplarisch in z-Richtung entsprechend seiner Höhe h11.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine an der Oberfläche des ersten Bauteils 12 angeordnete und an einen Pol einer Hochspannungsquelle 15 anschließbare Elektrode 16. An der Oberfläche des zweiten Bauteils 14 ist eine sich flächig auch entlang der Bewegungsrichtung 13 (x-Richtung) erstreckende Gegenelektrode 17 angeordnet. Die Elektrode 16, welche bevorzugt als Aufladungselektrode für die Elektrode unmittelbar umgebende Partikel (z. B. Luftmoleküle) ausgebildet sein kann, und die Gegenelektrode 17 können derart relativ zueinander translatorisch entlang der Bewegungsrichtung 13 bewegt werden, dass ein zwischen den Elektroden 16 und 17 ausgebildetes und mitbewegtes elektrisches Feld 18 (E-Feld) auf polarisierbare und/oder ionisierbare Partikel 19, die in Richtung des abzudichtenden Spalts 11 vordringen, derart wirkt, dass diese unmittelbar oder mittelbar durch das E-Feld von dem abzudichtenden Spalt 11 abgehalten werden.
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Prinzipiell kann eine Dichtwirkung auch mit nahezu beliebigen Formgebungen der Elektroden 16 und 17 erreicht werden, wenn nur die dazwischen angelegte Spannung hinreichend groß gewählt wird. Jedoch können die Elektroden auch vorteilhaft gewählt werden, um den erwünschten Dichteffekt auch möglichst effizient, beispielsweise mit wenig elektrischer Leistung, zu erzielen. Die Elektrode 16 und/oder die Gegenelektrode 17 können dazu gemäß Ausführungsbeispielen zunächst ausgebildet sein, um zwischen der Aufladungselektrode 16 und der Gegenelektrode 17 ein elektrisches Feld 18 zu erzeugen, so dass auch lediglich polarisierbare Teilchen in diesem Feld 18 hin zur Gegenelektrode 17 abgelenkt werden können. Dazu kann die Elektrode 16 als Stabelektrode bzw. als in Richtung zu ihrem dem zweiten Bauteil 14 zugewandten Ende spitz zulaufende Elektrode ausgebildet sein. Die Gegenelektrode 17 ist hingegen vorzugsweise flächig, d. h. zweidimensional, ausgebildet und kann bevorzugt geerdet werden.
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Um den Spalt 11 effektiv durch die Dichtungsvorrichtung 10 abzudichten, sind die Elektrode 16 und die Gegenelektrode 17 bevorzugt an gegenüberliegenden und den Spalt 11 begrenzenden Oberflächen des ersten und des zweiten Bauteils 12, 14 angeordnet. Dabei können sie stets unmittelbar gegenüberliegend angeordnet sein, d. h. in Bewegungsrichtung gesehen auf gleicher Höhe, oder aber auch stets entlang der Bewegungsrichtung versetzt, wie es im Nachfolgenden noch näher beschrieben wird.
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Obwohl mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung prinzipiell auch eine Dichtwirkung durch eine direkte Feldionisation ionisierbarer und vom Spalt 11 abzuhaltender Partikel 19 mittels ausreichend starker E-Felder zwischen den Elektroden 16 und 17 erzielt werden könnte, wird auf derartige Ausführungsbeispiele im Folgenden nicht weiter eingegangen. Vielmehr werden Ausführungsbeispiele betrachtet, bei denen sämtliche Komponenten der Vorrichtung 10 derart dimensioniert sind, dass es in einer unmittelbaren Umgebung 21 um die Aufladungselektrode 16 herum, zu einer Korona-Auf- bzw. Entladung eines die Aufladungselektrode 16 umgebenden Mediums, wie z. B. Luft, kommt.
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Als Korona-Aufladungselektroden 16 eignen sich insbesondere Stabelektroden bzw. spitz zulaufende, d. h. dünne Elektroden, so dass an einer Spitze der Aufladungselektrode 16 eine zur Luftionisierung notwendige Durchbruchfeldstärke überschritten werden kann und es zur Korona-Aufladung von die Elektrode 16 umgebenden Luftmolekülen kommt, welche dann wiederum ihre Ladung an die vom Spalt abzuhaltenden Partikel 19 abgeben können. Durch die Korona-Aufladung kann es zwischen den Elektroden 16 und 17 also unter bestimmten Bedingungen zu einer Art Blasrichtung bzw. zu einem zwischen den Elektroden 16 und 17 entlang der Feldlinien des E-Feldes 18 entstehenden Ionenwind von ionisierten Luftmolekülen kommen, was für die unerwünschten Partikel 19 eine Art eine Barrierewirkung hat. Entweder werden elektrische Ladungen von den ionisierten Luftmolekülen auf die abzuhaltenden Partikel 19 übertragen, welche dann zunächst zur Gegenelektrode 17 und dann vom Spalt 11 weg beschleunigt werden, oder es findet ein elastischer Stoß zwischen den ionisierten Luftmolekülen und den abzuhaltende Partikeln 19 statt, sodass die Partikel vom Spalt 11 weg beschleunigt werden. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass das E-Feld 18 sozusagen einen berührungslosen Dichtungsbereich für den Spalt 11 bildet.
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Die Hochspannungsquelle 15 kann also gemäß Ausführungsbeispielen ausgebildet sein, um an der Aufladungselektrode 16 ein hinreichend großes E-Feld zu erzeugen, sodass es zur Korona-Aufladung von Molekülen eines die Aufladungselektrode 16 umgebenden Mediums kommen kann und dass daraufhin ein genügend starker Ionenwind zwischen den Elektroden entsteht. Die Hochspannungsquelle 15 kann dazu beispielsweise ausgebildet sein, um – je nach Umgebung und Spaltstärke h11 – Hochspannungen in einem Bereich von 1 kV bis 100 kV, insbesondere aber in einem Bereich von 3 kV bis 12 kV zu erzeugen.
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Bei einer in Bewegungsrichtung 13 relativ eng begrenzten Amplitude der linearen bzw. translatorischen Bewegung der beiden Bauteile 12 und 14 relativ zueinander, kann die Gegenelektrode 17 vorzugsweise einen in Bewegungsrichtung (x-Richtung) begrenzten Bereich auf der Oberfläche des zweiten Bauteils 14 einnehmen (siehe 1), wie es im Nachfolgenden noch erläutert wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen könnte die Oberfläche des zweiten Bauteils 14 aber auch insgesamt als Gegenelektrode 17 verwendet bzw. von dieser bedeckt werden. Je nach Beschaffenheit des zweiten Bauteils 14 könnte dieses auch insgesamt, d. h. im Ganzen, als Gegenelektrode 17 eingesetzt werden, so, wie es beispielhaft in 2 angedeutet ist. Dies bietet sich insbesondere bei Bauteilen aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Metall, an. In anderen Worten ausgedrückt kann das zweite Bauteil 14 zumindest an seiner Oberfläche, die eine Begrenzung des abzudichtenden Spaltes 11 bildet, als Gegenelektrode 17 ausgebildet sein.
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Insbesondere bei Anwendungen, bei denen die translatorische Bewegung der beiden Bauteile 12 und 14 relativ zueinander relativ eng begrenzt ist, kann eine in x-Richtung begrenzte Anordnung bzw. Ausdehnung der Gegenelektrode 17 auf der Oberfläche des zweiten Bauteils 14 von Vorteil sein. In einem derartigen Fall könnte die Gegenelektrode 17 derart auf der Oberfläche des zweiten Bauteils 14 platziert sein, sodass die beiden Elektroden 16 und 17 während der Bewegung in jeder möglichen Relativstellung der Bauteile 12, 14 zueinander in x-Richtung zueinander versetzt angeordnet sind. D. h., sie können in Richtung von außen hin zum abzudichtenden Raum 11 derart zueinander versetzt angeordnet sein, dass der durch das elektrische Feld 18 gebildete berührungslose Dichtungsbereich zu besagter x-Richtung stets eine Schrägstellung aufweist, so dass der Ionenwind (von Aufladungselektrode 16 zur Gegenelektrode 17) stets von dem Spalt 11 weg bläst. D. h., bei manchen Ausführungsbeispielen ist von außen her gesehen die Gegenelektrode 17 insbesondere derart vor der Aufladungselektrode 16 angeordnet, dass es bei der (in x-Richtung begrenzten) translatorischen Relativbewegung niemals zu im Wesentlichen senkrecht von der Aufladungselektrode 16 nach „unten” zu der Gegenelektrode 17 verlaufenden E-Feldlinien kommen kann. Stattdessen ist in x-Richtung die Gegenelektrode 17 von außen her gesehen bei jeder erdenklichen Relativstellung der beiden Bauteile 12 und 14 zueinander vor der Aufladungselektrode 16 angeordnet, so dass sich ein schräg geneigter berührungsloser Dichtungsbereich 18 (durch den Ionenwind) zwischen der Aufladungselektrode 16 und der Gegenelektrode 17 ergibt. Dies bewirkt, dass von außen her in Richtung des Spaltes 11 vordringende flüssige und/oder feste Partikel 19 in dem berührungslosen Dichtungsbereich 18 erfasst werden und daraufhin massiv schräg in Richtung Gegenelektrode 17 beschleunigt werden. Nach einem Auftreffen der abzuhaltenden Partikel 19 auf der Gegenelektrode 17 werden diese dort entladen und entweder von einem sich bildenden Flüssigkeitsfilm (im Falle flüssiger Partikel) durch Adhäsion gehalten und gegen die Beschleunigungsrichtung abgeführt oder durch die Wirkung des Impulses (im Falle einer vollständigen trockenen Umgebung) herausgeschleudert, wie dies in 1 für ein im Spalt 11 unerwünschtes Partikel 19 mit Pfeilen angedeutet ist.
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Bei der Vorrichtung 10 wird eine Dichtwirkung also basierend auf der elektrostatischen Abstoßung zwischen gleichsinnigen Ladungen erhalten. Polarisierbare bzw. ionisierbare Partikel 19 können in dem elektrischen Feld 18 zwischen Aufladungs- und Gegenelektrode 16, 17 zunächst elektrisch aufgeladen und durch eine Kombination aus Anziehungskraft zur Gegenelektrode 17 entlang der Feldlinien und einer inneren Abstoßung durch gleichartige Ladungsansammlung von einem Eindringen in den Spalt 11 abgehalten werden. Durch eine spitz ausgebildete Aufladungselektrode 16 kann an deren Spitze eine zur Luftionisierung notwendige Durchbruchfeldstärke überschritten werden, so dass es zur so genannten Korona-Aufladung von Luftmolekülen kommt, welche dann wiederum ihre Ladung an die vom Spalt abzuhaltende Partikel 19 abgeben können, die daraufhin hin zur Gegenelektrode 17 beschleunigt werden.
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Bei dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit in x-Richtung auch bei Bewegung stets versetzten Elektroden 16 und 17 kann die Hochspannungsquelle 15 auch abhängig von einer Amplitude der translatorischen Bewegung bzw. abhängig von einem sich ständig verändernden Abstand d der beiden Elektroden 16, 17 entlang der Bewegungsrichtung 13 geregelt werden, um eine von dem Abstand d abhängige Spannung bereitzustellen. Dies kann insbesondere dazu dienen, auch während der translatorischen (Hin-und-Her) Bewegung stets ein nahezu gleichbleibend starkes E-Feld und damit einen ständig nahezu gleichstarken Ionenwind zwischen den beiden Elektroden 16, 17 sicherzustellen.
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Insbesondere wenn sich der Spalt 11 auch signifikant in einer Richtung senkrecht zur x- und z-Richtung erstreckt, wie dies schematisch in 3 dargestellt ist, kann lediglich eine stabförmige bzw. spitze Aufladungselektrode 16 unter Umständen nicht ausreichend sein, um eine vollständige berührungslose Abdichtung des Spalts 11 zu gewährleisten. Um diesem Problem Herr zu werden, können in y-Richtung (senkrecht zur x- und/oder z-Richtung) mehrere Aufladungselektroden 16 nebeneinander in Form eines ein- oder zweidimensionalen Elektrodenarrays 36 angeordnet werden. Gemäß Ausführungsbeispielen kann also eine Mehrzahl von als Korona-Aufladungselektroden ausgebildeten Aufladungselektroden 16 vorgesehen sein, von denen jede mit einem als Spitze ausgebildeten Fortsatz ausgebildet ist, und die Aufladungselektroden 16 derart angeordnet sind, dass ihre auf die Partikel 19 wirkenden berührungslosen Dichtungsbereiche 18 den Spalt 11 in seiner gesamten Breite in y-Richtung möglichst vollständig abdecken. Es darf also zwischen den berührungslosen Dichtungsbereichen 18 der einzelnen Aufladungselektroden 16 möglichst kein Freiraum verbleiben. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 10 einen zu der flächig ausgebildeten Gegenelektrode 17 gegenüberliegend und parallel zu der Gegenelektrode 17 angeordneten Aufladungselektrodenarray 36 aufweisen, der sich senkrecht zu der Bewegungsrichtung (x-Richtung) erstreckt und der ausgebildet ist, um den Spalt 11 zwischen der Oberfläche des ersten Bauteils 12 und der Oberfläche des zweiten Bauteils 14 vermittels des mit dem Aufladungselektrodenarray 36 erzeugten elektrischen Felds flächig abzudichten.
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Alternativ zu dem anhand von 3 dargestellten Elektrodenarray 36 kann bei Ausführungsbeispielen auch eine zu der flächig ausgebildeten Gegenelektrode 17 (versetzt) gegenüberliegend angeordnete und in 4 beispielhaft skizzierte Aufladungselektrodenlippe 46 vorgesehen sein. Dabei erstreckt sich die Aufladungselektrodenlippe 46 im Wesentlichen eindimensional in y-Richtung, d. h., deren Abmessung in x-Richtung (Bewegungsrichtung) soll vernachlässigbar sein. Mit einer derartig dünn ausgebildeten Aufladungselektrodenlippe 46 kann flächig ebenfalls einen elektrisches Feld 18 erzeugt werden, mit dem an der Aufladungselektrodenlippe 46 die zur Luftionisierung notwendige Durchbruchfeldstärke überschritten werden kann, so dass es zur Korona-Aufladung von Luftmolekülen in ihrer unmittelbaren Umgebung kommt, welche dann wiederum ihre Ladung an die abzuhaltenden Partikel 19 abgeben können, um die Dichtwirkung zu erhalten.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können insbesondere vorteilhaft auch zur Abdichtung von gleit- und/oder wälzgelagerten Linearführungen eingesetzt werden. Dazu zeigt die 5 schematisch eine Frontansicht einer Linearführung 50 mit einem inneren Führungsteil 54 (Führungsschiene) und mit einem das innere Führungsteil 54 U-förmig umgreifenden äußeren Führungsteil 52 (Führungswagen). Zur Abdichtung eines U-förmigen Spaltes 51 zwischen der Führungs- bzw. Profilschiene 54 und dem diese U-förmig umschließenden Führungswagen 52 können auf gegenüberliegenden Seiten der Oberflächen der Führungsschiene 54 und des Führungswagens 52 Aufladungs- und Gegenelektroden angeordnet sein. Beispielhaft kann in dem anhand von 5 skizzierten Ausführungsbeispiel die innenliegende (metallische) Führungsschiene als geerdete Gegenelektrode verwendet werden. An einer Stirnseite des U-förmigen Führungswagens 52 können auf der Oberfläche der Führungsschiene 54 gegenüberliegenden Innenflächen des Führungswagens 52 Aufladungselektroden 56 angeordnet sein, um eine berührungslose U-förmige stirnseitige Abdichtung der Linearführung 50 zu erhalten.
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Mit dem im Vorausgehenden beschriebenen Abdichtungskonzept sind vorteilhaft auch besonders hohe Anforderungen an Abdichtungen, beispielsweise gegen Staub und Feuchtigkeit, insbesondere bei Linearführungen und/oder Linearmotoren, erfüllbar. Durch den Einsatz eines Ionenwindes zwischen einer Aufladungselektrode und der Gegenelektrode kann eine nicht schleifende, nicht Sperrluft nutzende berührungslose Dichtung für Linearführungen realisiert werden, die einen Eintrag schädlicher Substanzen in einen Spalt, beispielsweise zwischen Führungsschiene und Führungswagen, verhindern kann. Bei Ausführungsbeispielen ist dazu an einem sich bewegenden Bauteil mindestens eine, als Spitze ausgebildete Elektrode angeordnet. Das sich relativ zu dem bewegenden Bauteil in Ruhe befindliche Bauteil kann vollständig, mindestens aber an seiner Oberfläche, die einen Teil des Spaltes bildet, als Gegenelektrode ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zum Abdichten eines veränderbaren Spalts
- 11
- veränderbarer Spalt
- 12
- erstes Bauteil
- 13
- Bewegungsrichtung
- 14
- zweites Bauteil
- 15
- Hochspannungsquelle
- 16
- Aufladungselektrode
- 17
- Gegenelektrode
- 18
- E-Feld, berührungsloser Dichtbereich
- 19
- abzuhaltender Partikel
- 20
- Vorrichtung zum Abdichten eines veränderbaren Spalts
- 21
- Umgebung der Aufladungselektrode
- 36
- Elektrodenarray
- 46
- Elektrodenlippe
- 50
- Linearsystem
- 51
- U-förmiger Spalt
- 52
- Führungswagen
- 54
- Führungsschiene
