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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Magnetflüssigkeitsdichtungen bekannt, welche eingesetzt werden, um Wellen abzudichten, beispielsweise die
DE 10 2006 051 992 B3 .
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Magnetflüssigkeitsdichtungen benötigen sehr geringe Mindestspalthöhen, um eine ausreichende Funktionssicherheit zu gewährleisten. Dies erfordert geringe Toleranzen oder andere Lösungen wie beispielsweise magnetisierte Gummi-elastische Werkstoffe für zumindest einen der Magnetpole der Magnetflüssigkeitsdichtung. Solche Konstruktionen sind jedoch kompliziert und teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Dichtungsvorrichtung anzugeben, welche die Probleme des Standes der Technik löst oder zumindest lindert. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Dichtungsvorrichtung anzugeben, welche eine zuverlässige Abdichtung mit einer Dichtflüssigkeit gewährleistet oder Leckagen der Dichtflüssigkeit vermeidet oder minimiert.
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Die Aufgabe wird mit einer Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Typische Dichtungsvorrichtungen der Erfindung eignen sich besonders zum Abdichten gegenüber einer Flüssigkeit oder gegenüber Staub. Insbesondere sind typische Dichtungsvorrichtungen für Anlagen der Lebensmittelindustrie oder zum Einsatz im Reinraum geeignet. Besondere Vorteile ergeben sich bei Abdichtung gegenüber einem Raum, in welchem Lebensmittel verarbeitet werden. Bei Abdichtungen gegenüber einer Flüssigkeit, welche in einem inneren ersten Raum angeordnet ist, bietet eine Dichtung mit magnetorheologischer Flüssigkeit den Vorteil, dass sie zuverlässig auch bei vergleichsweise großen Spalthöhen eine Abdichtung ermöglicht. Ein Vorteil von typischen Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, dass ein besonders geringer Verschließ auftritt oder kein Verschleiß. Der Verlust an Dichtungsflüssigkeit kann durch die Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit als Dichtungsflüssigkeit reduziert werden, da der magnetorheologische Effekt bewirkt, dass die Flüssigkeit besser im Magnetfeld gebunden wird, auch besser als beispielsweise ferromagnetische Flüssigkeiten. Mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit als Dichtungsflüssigkeit lassen sich typischerweise auch Dichtungen schaffen, welche für eine Abdichtung zwischen einer ersten und einer zweiten Flüssigkeit, beispielsweise zwischen einem Schmiermittel und einer Reinigungsflüssigkeit oder zwischen Wasser und einem Lack geeignet sind. Einsatzgebiete sind auch so genannte Wash-Down-Getriebe, welche problemlos mit Reinigungsflüssigkeiten abgewaschen werden können.
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Magnetorheologische Flüssigkeiten weisen allgemein eine Trägerflüssigkeit, Eisenpartikel und gegebenenfalls Zusatzstoffe auf. Die Eisenpartikel im Zusammenspiel mit den Zusatzstoffen erzeugen im Zusammenspiel mit der Trägerflüssigkeit die magnetorheologischen Eigenschaften. Magnetorheologische Flüssigkeiten von Ausführungsformen weisen üblicherweise magnetisierbare oder magnetische Anteile in Partikelform auf. Typische Materialien sind Eisen, Eisenlegierungen, Magnetit oder Kobalt oder Kobaltlegierungen. Typische Durchmesser der Teilchen sind größer als 0,5 µm oder größer als 1µm. Die größeren Partikel im Vergleich zu Partikeln ferromagnetischer Flüssigkeiten bewirken eine höhere Versteifung im Magnetfeld, so dass die Dichtung höheren Drücken oder Schubspannungen Stand hält.
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Bei typischen Ausführungsformen ist die magnetorheologische Flüssigkeit nicht mit einer abzudichtenden oder zu trennenden Flüssigkeit mischbar. Beispiele hierfür sind Kombinationen von Flüssigkeiten, welche einerseits eine Polarität und andererseits keine oder lediglich eine geringe Polarität aufweisen. Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die abzudichtende Flüssigkeit oder die zu trennende Flüssigkeit mischbar mit der Trägerflüssigkeit der magnetorheologischen Flüssigkeit. Ist die abzudichtende Flüssigkeit ungleich der Trägerflüssigkeit oder gleich einer der Trägerflüssigkeiten der magnetorheologischen Flüssigkeit, bietet sich der Vorteil, dass eine Verunreinigung der magnetorheologischen Flüssigkeit durch die abzudichtende Flüssigkeit nicht stattfinden kann. Die abzudichtende oder zu trennende Flüssigkeit kann beispielsweise ein Schmiermittel oder auch eine Umgebungsflüssigkeit sein. Eine bewusste Mischbarkeit oder eine Identität von Trägerflüssigkeit und abzudichtender Flüssigkeit ist insbesondere bei einer Abdichtung gegenüber Schmiermittel von Interesse.
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Vorzugsweise ist die Dichtung eine rotatorische Dichtung. Dabei wird unter dem Ausdruck „rotatorische Dichtung“ vorzugsweise verstanden, dass das Maschinenelement relativ zu der magnetorheologischen Flüssigkeit oder anderen Teilen der Dichtungsvorrichtung, wie beispielsweise einem Dichtelement, eine Bewegung mit einem rotatorischen Anteil ausführen kann. Hinzukommen kann bei Ausführungsformen ein translatorischer Anteil. Bei Ausführungsformen der Erfindung ist der Rotationsfreiheitsgrad um die Längsachse des Maschinenelements gesperrt. Dabei ist es möglich, dass sich eine im Betrieb verfestigte magnetorheologische Flüssigkeit oder auch Dichtelemente gegenüber dem Maschinenelement verdrehen. Ein Beispiel für eine solche Ausführung ist eine Gewindeschubstange, welche lediglich eine Schubbewegung ausführt. Weitere Beispiele für Maschinenelemente von Ausführungsformen sind Wellen oder Spindeln.
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Vorzugsweise ist das Maschinenelement im Dichtungsbereich ferromagnetisch. Dies bietet den Vorteil, dass ein Magnetfeld durch das Maschinenelement geschlossen wird. Das Maschinenelement umfasst oder besteht zumindest im Wesentlichen aus Eisen, einer Eisenlegierung, einem Werkzeugstahl, einem Edelstahl oder einem anderen ferromagnetischen Werkstoff.
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Vorzugsweise umfasst die Dichtungsvorrichtung einen Magneten zur Erzeugung eines die magnetorheologische Flüssigkeit der Dichtung durchsetzenden Magnetfeldes. Der Magnet umfasst vorzugsweise eine elektrische Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes. Elektrisch betriebene Magnete bieten den Vorteil, dass die Feldstärke verändert werden kann, beispielsweise um Befüllvorgänge zu ermöglichen. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, welche sich durch den Einsatz von elektrischen Spulen für den Magneten ergibt, ist, die Feldstärke in Abhängigkeit einer Spalthöhe oder einer Drehzahl des Maschinenelements oder einer relativen Drehzahl des Maschinenelements zu einem Dichtelement einzustellen.
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Typische Ausführungsformen umfassen einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines die magnetorheologische Flüssigkeit der Dichtung durchsetzenden Magnetfeldes. Eine Kombination von elektrisch betriebenem Magnet mit einem Permanentmagneten kann Vorteile bieten, beispielsweise um Stromeinsparungen zu erreichen und um dennoch ein variables Einstellen der Magnetfeldstärke zu ermöglichen. Vorzugsweise sind bei einer Kombination von elektrischen Magneten und Permanentmagneten diese derart angeordnet, dass der elektrische Magnet eingesetzt werden kann, um das Magnetfeld des Permanentmagneten zumindest im Wesentlichen aufzuheben oder zu verstärken. Dies ist beispielsweise mit einer Reihenanordnung der Magnete möglich. Die ausschließliche Verwendung von Permanentmagneten zur Erzeugung des Magnetfelds kann den Vorteil bieten, dass die Dichtung unabhängig von einer Stromversorgung vollständig leistungsfähig bleibt. So kann die Dichtungsfunktion auch während eines Transports ohne Energieversorgung gewährleistet werden. Bei Ausführungsformen mit einer Kombination von Permanentmagnet und elektrisch betriebenem Magnet ist der Permanentmagnet typischerweise ausreichend, um die Dichtung während eines Transportes zu erhalten oder die Dichtflüssigkeit in dem Dichtspalt zu halten.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Dichtungsvorrichtung ein das Maschinenelement zumindest teilweise umgreifendes magnetisierbares Dichtelement. Das magnetisierbare Dichtelement ist dazu vorgesehen und geeignet, die Feldlinien des magnetischen Feldes zu leiten. Bevorzugt wird, dass das Dichtelement das Maschinenelement vollständig umgreift, das heißt beispielsweise, dass das Dichtelement als Dichtungsring oder Dichtungsmanschette ausgeführt ist. Bei typischen Ausführungsformen ist die magnetorheologische Flüssigkeit zwischen dem Dichtelement und dem Maschinenelement angeordnet. Das Dichtelement kann aus einer Metalllegierung oder einem Kunststoff mit eingelagerten magnetisierbaren Teilchen bestehen. Hierzu wird beispielhaft auf die aus dem Stand der Technik zitierte Schrift
DE 10 2006 051 992 B3 verwiesen.
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Bei typischen Ausführungsformen ist ein zweites magnetisierbares Dichtelement vorgesehen, wobei die beiden Dichtelemente beidseitig des zumindest einen Magneten angeordnet sind. Bei weiteren Ausführungsformen sind auch mehr als zwei Dichtelemente oder Dichtringe möglich, beispielsweise vier Dichtelemente, um eine Abdichtung zu verbessern. Der Aufbau mit zumindest zwei Dichtelementen, welche in Längsrichtung beidseitig eines Magneten angeordnet sind, bietet den Vorteil, dass eine Struktur zum Leiten der Feldlinien des Magnetfeldes geschaffen wird.
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Vorzugsweise ist zumindest der erste Raum dazu vorgesehen, ein Schmiermittel aufzunehmen. Bei Ausführungsformen ist auch der zweite Raum mit einer Flüssigkeit gefüllt. Es ist möglich, dass in dem zweiten Raum Flüssigkeit anfällt, beispielsweise mit Schmutzfracht verunreinigte Umgebungsflüssigkeit. Bevorzugte Ausführungsformen weisen ein Reservoir für die magnetorheologische Flüssigkeit auf. Dies bietet den Vorteil, dass ein Verlust von magnetorheologischer Flüssigkeit während des Betriebs ausgeglichen werden kann.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist eine Vorabdichtung oder ein Abstreifer vorgesehen, welcher auf einer Seite der Dichtung angeordnet ist. Bei weiteren Ausführungsformen ist beidseitig der Dichtung eine Vorabdichtung oder ein Abstreifer angeordnet. Vorabdichtungen oder Abstreifer bieten den Vorteil, dass Schmiermittel oder Umgebungsmedien oder andere Stoffe, welche unter Umständen die magnetorheologische Flüssigkeit verunreinigen oder verdünnen können, zurückgehalten werden können. Dabei kann es bei Ausführungsformen auch in Kauf genommen werden, dass unter Umständen die Vorabdichtung oder der Abstreifer nicht ein vollständiges Zurückhalten, sondern lediglich ein teilweises Zurückhalten oder auch nur eine Druckverminderung gewährleisten. Bereits dies kann Vorteile für die Betriebsfestigkeit der Dichtungsvorrichtung bieten. Bei weiteren typischen Ausführungsformen ist die Dichtung mit der magnetorheologischen Flüssigkeit die einzige Dichtung. Typischerweise sind dann keine Abstreifer oder Vorabdichtungen vorhanden. Eine solche Dichtungsvorrichtung kann auch als abstreiferlos oder vorabdichtungslos bezeichnet werden.
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Bei bevorzugten Verfahren von Ausführungsformen wird eine magnetorheologische Flüssigkeit zwischen einem Dichtelement und einem Maschinenelement angeordnet. Dabei kann bereits bei einem Befüllen der Dichtung mit der magnetorheologischen Flüssigkeit ein Magnetfeld angelegt werden, beispielsweise um ein sofortiges Wiederauslaufen der magnetorheologischen Flüssigkeit zu verhindern. Eine weitere Möglichkeit ist, zum Einfüllen Begrenzungselemente vorzusehen, welche die magnetorheologische Flüssigkeit in eine definierte Position bringen, wobei die Begrenzungselemente nach Anlegen des magnetischen Feldes entfernt werden können. Bei bevorzugten Verfahren von Ausführungsformen wird die Feldstärke des magnetischen Feldes in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der Dichtungsvorrichtung variiert. Beispielsweise ist es möglich, die Feldstärke in Abhängigkeit einer Drehzahl des Maschinenelements oder einer Temperatur, welche an einem Element der Dichtungsvorrichtung gemessen wird, zu variieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei die Zeichnungen zeigen:
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung;
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2 zeigt in einer geschnittenen schematischen Ansicht eine weitere Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung;
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3 zeigt in einer schematischen geschnittenen Ansicht eine weitere Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung; und
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4 zeigt eine typische Ausführungsform in einer geschnittenen schematischen Ansicht.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend werden typische Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei für gleiche oder ähnliche Teile teilweise gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Teilweise werden Einzelteile lediglich im Zusammenhang mit einer Figur erläutert; soweit diese Teile in weiteren Figuren dargestellt sind, werden sie nicht in jedem Fall noch einmal beschrieben. Grundsätzlich ist die Anmeldung nicht auf die verschiedenen Ausführungsformen beschränkt.
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In der 1 ist eine Dichtungsvorrichtung 10 gezeigt, welche der Abdichtung einer Durchführung eines Antriebs oder eines Getriebes dient. Eine Welle 12 ist von einem ersten Raum 14 zu einem zweiten Raum 16 geführt. In dem ersten Raum 14 ist im Betrieb des Getriebes eine Schmierflüssigkeit, beispielsweise ein Öl auf Lebensmittelbasis oder ein mineralisches oder ein synthetisches Schmieröl vorhanden. Die Dichtungsvorrichtung 10 dient dazu, ein Übertreten der Dichtungsflüssigkeit von dem ersten Raum 14 in den zweiten Raum 16 zu verhindern. Die Dichtungsvorrichtung 10 ist dabei in einem Gehäuse eingebaut, welches in der 1 nicht dargestellt ist.
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Zur Abdichtung verwendet die Dichtungsvorrichtung 10 eine magnetorheologische Flüssigkeit 20, welche durch die Dichtungsvorrichtung 10 gehalten wird. Die magnetorheologische Flüssigkeit 20 ist typischerweise nicht mischbar mit der Schmierflüssigkeit, welche in dem ersten Raum 14 vorhanden ist. Bei anderen Ausführungsformen ist die magnetorheologische Flüssigkeit mischbar mit der Schmierflüssigkeit.
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Typische Ausführungsformen von Dichtungsvorrichtungen dienen der Durchführung eines Maschinenelements, wobei beispielhafte Maschinenelemente Wellen oder Spindeln oder Gewindeschubstangen sein können.
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Die Dichtungsvorrichtung der 1 umfasst ein erstes Dichtelement 30 und ein zweites Dichtelement 31. Die beiden Dichtelemente 30 und 31 sind ringförmig und bestehen zumindest im Wesentlichen aus magnetisierbarem Stahl oder einer magnetisierbaren Metalllegierung. Bei weiteren Ausführungsformen sind Dichtelemente vorgesehen, welche beispielsweise aus Kunststoff mit eingelagerten Metallpartikeln bestehen.
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Zwischen den beiden Dichtelementen 30 und 31 ist eine ringförmige Spule 34 angeordnet, mit welcher ein Magnetfeld erzeugt werden kann, welches die magnetorheologische Flüssigkeit 20 in den Dichtspalten zwischen den Dichtelementen 30 und 31 und der Welle 12 hält. Für einen besseren Magnetfluss ist außerdem zwischen den Dichtelementen 30 und 31 ein konzentrisch zu der Magnetspule 34 angeordneter, magnetisierbarer Ring 36 vorgesehen. Dieser liegt ebenso zwischen den beiden Dichtelementen 30 und 31, um die Ausbildung eines Magnetfeldes um die Spule und durch die Welle 12 zu ermöglichen.
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Bei einer Drehung der Welle 12 um ihre Längsachse 38 erfolgt eine Abdichtung durch die Dichtungsvorrichtung mit der magnetorheologischen Flüssigkeit 20. Geeignete magnetorheologische Flüssigkeiten weisen eine Trägerflüssigkeit, wie bspw. Mineralöl, synthetisches Öl, Glykole oder Polyalphaolephine und magnetisierbare Partikel auf, wobei zusätzlich Zusatzstoffe vorgesehen sein können.
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In der 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung 10 gezeigt, welche sich in einigen Einzelheiten von der Dichtungsvorrichtung der 1 unterscheidet. So sind bei der Ausführungsform der 2 an Stelle der bei der Ausführungsform der 1 verwendeten Dichtelemente mit zylinderförmiger Innenfläche Dichtelemente 40 und 41 vorgesehen, welche jeweils Dichtungsflächen 43 und 44 in Form eines Innengewindes aufweisen. Dies ermöglicht die Durchführung einer Spindel 46, welche sich im Betrieb um eine Längsachse 38 drehen kann. Bei der Ausführungsform der 2 ist die Spindel 46 um ihre Längsachse 38 drehbar und in Richtung der Längsachse 38 verschieblich gelagert. Wiederum erfolgt mit der Dichtungsvorrichtung 10 eine Abdichtung eines ersten Raumes 14 gegenüber einem zweiten Raum 16.
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In der 3 ist eine Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung 10 gezeigt, welche die Durchführung einer Spindel 46 zeigt, welche derart gelagert ist, dass sie lediglich längs entlang der Längsachse 38 beweglich ist. Der Rotationsfreiheitsgrad um die Längsachse 38 der Spindel 46 der Ausführungsform der 3 ist hingegen gesperrt. Eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels der 3 gegenüber der Ausführungsform der 2 ist, dass die Dichtelemente 40 und 41 zusammen mit der Magnetspule 34 um die Längsachse 38 drehbar innerhalb eines feststehenden Elements 50, beispielsweise eines Gehäuseteils oder eines Widerlagers, gelagert sind.
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Die Abdichtung zwischen dem feststehenden Element 50 und den Teilen, welche um die Längsachse 38 rotierbar sind, also beispielsweise gegenüber den Dichtelementen 40 und 41, erfolgt ebenfalls mit der magnetorheologischen Flüssigkeit 20. Bei typischen Ausführungsformen ist an dieser Stelle eine Dichtung mit magnetorheologischer Flüssigkeit angeordnet. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist dort eine andere Dichtung, beispielsweise eine Kunststoffdichtung vorgesehen.
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Da das Magnetfeld nunmehr über das feststehende Element 50 geschlossen werden soll, um auch die magnetorheologische Flüssigkeit dort an Ort und Stelle zu halten, kann auf die Anordnung des Rings (Bezugszeichen 36, 2) verzichtet werden oder es wird ein nicht magnetisierbarer Ring verwendet. Der Ring bietet den Vorteil, dass die Spule oder der Magnet fixiert werden können. Typische Ausführungsformen umfassen einen Ring, welcher innerhalb des Magneten zwischen den Dichtelementen angeordnet wird. Ein solcher Ring ist vorzugsweise nicht magnetisierbar. Er bietet den Vorteil, dass der Magnet oder die Welle geschützt werden können oder der Magnet fixiert werden kann. Weiterhin sind auch Kombinationen von Ringen innerhalb und außerhalb des Magneten für einen besseren Schutz oder eine bessere Fixierung bei Ausführungsformen vorgesehen. Weiterhin ist es auch möglich, das feststehende Element, beispielsweise ein Gehäuseteil oder ein Widerlager aus einem magnetisierbaren Material zu fertigen, um das magnetische Feld zu schließen.
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Für eine synchrone rotative Bewegung der Dichtelemente 40 und 41 bei einer Längsbewegung der Spindel 46 ist ein Antrieb vorgesehen. Der Antrieb umfasst einen Zahnkranz 52, welcher mit den Dichtelementen 40 und 41 verbunden ist und mit einem Zahnritzel 54 in Eingriff ist. Das Zahnritzel 54 wird im Betrieb derart angetrieben, dass eine synchronisierte Bewegung der Dichtelemente 40, 41 entsprechend der Bewegung der Spindel 46 erfolgt. Eine weitere Möglichkeit, welche bei Ausführungsformen verwendet wird, ist, dass das Dichtelement direkt über das Antriebselement mit rotiert wird.
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Typische Ausführungsformen umfassen bei Durchführung einer Schubstange oder einer Spindel, welche in Richtung ihrer Längsachse beweglich ist, einen Antrieb. Dies ermöglicht eine synchronisierte Bewegung der Dichtelemente bei einer Längsbewegung. Typische Ausführungsformen umfassen eine Spule als Magnet. Bei weiteren Ausführungsformen ist die Spule mit einem Permanentmagneten kombiniert. Eine solche Kombination ist beispielsweise auch bei der Ausführungsform der 1 bis 3 möglich, ebenso bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der 4. An der Stelle der Spule kann auch ausschließlich ein Permanentmagnet verwendet werden, um Energie zu sparen.
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In der 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung 10 gezeigt. Die Dichtungsvorrichtung 10 der 4 verfügt zusätzlich zu der Ausführungsform, welche in der 1 gezeigt ist, über eine Vorabdichtung 60, welche auf der Seite des ersten Raumes 14 dem Dichtelement 31 vorgelagert ist. Die Vorabdichtung 60 ist als Labyrinthdichtung ausgeführt. Bei weiteren Ausführungsformen ist es auch möglich, die Vorabdichtung als Abstreifer auszuführen. Eine solche Vorabdichtung bietet den Vorteil, dass die magnetorheologische Flüssigkeit 20 einer geringeren Gefahr einer Verschmutzung durch ein in dem Raum 14 vorhandenes Schmiermittel ausgesetzt ist.
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Die Erfindung wurde anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind nicht als einschränkend anzusehen, Vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Dichtungsvorrichtung
- 12
- Welle
- 14
- erster Raum
- 16
- zweiter Raum
- 20
- MRF
- 30, 40
- erstes Dichtelement
- 31, 41
- zweites Dichtelement
- 34
- Magnetspule
- 36
- Ring
- 38
- Längsachse
- 43, 44
- Dichtungsflächen mit Innengewinde
- 46
- Spindel
- 50
- feststehendes Element
- 52
- Zahnkranz
- 54
- Ritzel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006051992 B3 [0002, 0013]
