DE102015010875B9 - Rheometer mit Gaslager - Google Patents

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Abstract

Ein Rheometer weist eine Welle auf, die in einem Gaslager drehbar gelagert ist. Das Gaslager weist einen an der Welle angebrachten 1. Lagerkörper (Rotor) und einen 2. Lagerkörper (Stator) auf, der den 1. Lagerkörper (Rotor) mit Abstand unter Bildung eines Lagerspalts umgibt. Der 2. Lagerkörper (Stator) besteht zumindest abschnittsweise aus einem gasdurchlässigen Material und ist derart von einem Gas durchströmt, dass im Lagerspalt ein Gaspolster gebildet ist, durch das der 1. Lagekörper (Rotor) und die Welle berührungslos gelagert sind. Dabei ist vorgesehen, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) zumindest in seinen dem 2. Lagerkörper (Stator) zugewandten Bereichen ebenfalls aus einem gasdurchlässigen Material besteht, in das das Gas eindringt und infolge des Staudrucks bzw. Rückstaus des Gases seine oberflächennahe Gasschicht vorzugsweise stehende Gasschicht bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Rheometer mit einer Welle, die in einem Gaslager drehbar gelagert ist, wobei das Gaslager einen an der Welle angebrachten 1. Lagerkörper (Rotor) und einen 2. Lagerkörper (Stator) aufweist, der den 1. Lagerkörper (Rotor) mit Abstand unter Bildung eines Lagerspaltes umgibt, wobei der 2. Lagerkörper (Stator) zumindest abschnittsweise aus einem gasdurchlässigem Material besteht und derart von einem Gas durchströmt ist, dass im Lagerspalt ein Gaspolster gebildet ist, durch das der 1. Lagerkörper (Rotor) und die Welle berührungslos gelagert sind.
  • Ein entsprechendes Gaslager, das auch als aerostastisches Lager oder Luftlager bekannt ist, wird bei Rheometern gerne angewendet, da es eine zuverlässige Durchführung von Mikrostrukturanalysen bei sehr kleinen Drehmomenten und Deformationen ermöglicht.
  • Die aerostastischen Lager gehören zu der Gruppe der gas- bzw. luftgeschmierten Lager. Das Medium Gas oder Luft wird von außen durch den Stator in den Lagerspalt gedrückt, so dass sich im Lagerspalt ein Gaspolster ausbildet. Das Gaspolster und die daraus resultierenden Gasdrücke und Strömungen sorgen dafür, dass die beiden Lagerkörper ”Stator” und ”Rotor” durch einen Gas- oder Luftstrom getrennt sind. Auf diese Weise können nahezu reibungsfreie Bewegungen realisiert werden.
  • Aus der DE 102 47 783 B4 ist ein Rheometer mit einem Gaslager der genannten Art bekannt, bei dem der Stator mit mehreren Bohrungen ausgestattet ist, die dazu dienen, die Luft innerhalb des Stators zu verteilen, um einen gleichmäßigen Luftauslas aus dem Stator an den Lagerspalt zu erreichen. Der Stator besteht dabei aus einem luftdurchlässigen Material, so dass eine sehr große Anzahl von kleinsten Düsen gebildet ist, die in den Lagerspalt münden.
  • Für den an der Welle angebrachten Rotor, der gemäß der DE 102 47 783 B4 als sich radial zur Welle erstreckende Scheibe ausgebildet ist, werden üblicherweise metallene, gasundurchlässige Werkstoffe verwendet, wobei die konstruktive Forderung besteht, den Rotor mit einer möglichst optimalen Ebenheit, d. h. möglichst ohne jegliche Rauigkeit auszubilden, da jede unebene oder raue Stelle an der Oberfläche im Zusammenwirken mit der im Lagerspalt strömenden Luft zu einem Störmoment führt, wodurch die Bewegung des Rotors und damit der Welle und somit auch die Messgenauigkeit des Rheometers nachteilig beeinflusst wird.
  • Zur Vermeidung von Störmomenten oder Anhaft-Effekten dürften die den Lagerspalt begrenzenden Oberflächen des Rotors keinerlei Beschädigungen, Kratzer oder geomerische Abweichungen aufweisen. Um dies zu erreichen, ist ein sehr hoher Bearbeitungsaufwand unter Verwendung sehr präzise arbeitender Bearbeitungsmaschinen notwendig, wodurch die Herstellung des Stators sehr kostenintensiv ist.
  • Es ist versucht worden, den Rotor zur Verbesserung der Oberflächengüte nach seiner mechanischen Oberflächenbearbeitung mit einer zusätzlichen Oberflächenbeschichtung zu versehen. Der zusätzliche Beschichtungsprozess führt zu höheren Fertigungskosten und es besteht die Gefahr, dass es bei einer fehlerhaften Beschichtung zu geometrischen Abweichungen und Oberflächenfehlern an dem Rotor kommt, so dass dieser unbrauchbar wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rheometer mit einem Gaslager der genannten Art zu schaffen, das sich in einfacher Weise herstellen lässt und das eine präzise Gasströmung im Lagerspalt sicherstellt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rheometer mit einem Gaslager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass auch der 1. Lagerkörper (Rotor) zumindest in seinem dem 2. Lagerkörper (Stator) zugewandten Bereichen aus einem gasdurchlässigem Material besteht, in das das Gas eindringt und infolge des Staudrucks bzw. Rückstaus des Gases eine oberflächennahe Gasschicht vorzugsweise stehende Gasschicht bildet. Insbesondere ist vorgesehen, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) vollständig und zumindest annährend vollständig aus dem gasdurchlässigen Material besteht, bei dem es sich beispielsweise um ein Sintermaterial, insbesondere gesinterten Kohlenstoff, oder um ein Graphitmaterial, insbesondere Kunstgraphit, oder um Keramik handeln kann.
  • Der 1. Lagerkörper (Rotor) besitzt somit zumindest in der den Lagerspalt begrenzenden Oberfläche eine Offenporigkeit, wobei die durch den 2. Lagerkörper (Stator) zugeführte Luft in die offenen Poren des 1. Lagerkörpers (Rotors) eindringt. Dabei bildet sich an der Oberfläche des 1. Lagerkörpers (Rotors) infolge des Staudrucks bzw. infolge des Rückstaus des Gases eine oberflächennahe, stehende Gasschicht, so dass das nachströmende Gas nicht mehr in den 1. Lagerkörper (Rotor) eindringen kann und an dieser Gasschicht längs des Lagerspaltes abgelenkt wird. Aufgrund der Ausbildung der Gasschicht erfährt der 1. Lagerkörper (Rotor) keine direkte Gasanströmung und der bei Drehung der Welle und des 1. Lagerkörpers (Rotor) auftretende Luftwiderstand ist wesentlich kleiner als bei herkömmlichen Rotoren aus einem metallischen Material.
  • Der 2. Lagerkörper (Stator) besteht ebenfalls aus porösem Material und verfügt somit über eine Vielzahl von sehr kleinen Düsen, die nebeneinander angeordnet sind. Durch diese Düsen strömt Gas aufgrund des angelegten Gasdruckes permanent und vollflächig über den Umfang verteilt in den Lagerspalt ein. Dieses einströmende Gas baut an der Wandung des 2. Lagerkörpers (Stator) ein strömendes Gaspolster auf, wodurch der sich im Lagerspalt einstellende Gasstrom die Oberfläche des 2. Lagerkörpers (Stator) nicht berühren kann, da der Gasdruck an der Oberfläche des 2. Lagerkörpers (Stator) höher ist als der Druck im Gasstrom.
  • Da der 1. Lagerkörper (Rotor) auf der gegenüberliegenden Seite ebenfalls aus porösem Material besteht und über eine Vielzahl von kleinen Düsen verfügt, die aber durch die geschlossene Anordnung nicht vollständig durchströmt werden können, wird anfänglich das vom 2. Lagerkörper (Stator) ausströmende Gas die Düsen des 1. Lagerkörpers (Rotor) auffüllen, wobei sich bei Zurückströmen des Gases der genannte Staudruck einstellt, so dass das nachströmende Gas nicht mehr in die poröse Strucktur des 1. Lagerkörpers (Rotor) eindringen kann und aufgrund des Staudrucks längs des Lagerspalts abgelenkt wird.
  • Vorzugsweise wird für den 1. Lagerkörper (Rotor) sowie den 2. Lagerkörper (Stator) das gleiche gasdurchlässige Material verwendet. Zumindest hinsichtlich des thermischen Ausdehnungsverhaltens sollten diese beiden Materialien entweder gleich sein oder die Wärmeausdehnungskoefizienten der verwendeten Materialien sollten um maximal ±15% voneinander abweichen.
  • In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Sintermaterial insbesondere für den 1. Lagerkörper (Rotor) ein isostatisch gepresster Graphit mit spanbrechenden und selbst-schmierenden Eigenschaften verwendet wird. Durch diese beiden Werkstoffeigenschaften ist eine wirtschaftliche Umsetzung durch verschiedene Fertigungsverfahren (Ultra-Präzisionsdrehbearbeitung, Läppen oder Kalibrieren) möglich. Die spanbrechende Eigenschaft wird über die offene Porosität (8 Vol.% bis 16 Vol.%) und die mittlere Korngröße im Bereich von 2 μm bis 12 μm definiert.
  • In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die in einer radialen Ebene gemessene Querschnittsfläche des Lagerspalts in dessen axialen Endbereichen gleich der entsprechenden Querschnittsfläche in seinem axialen Mittelbereich ist. Dabei ist der Lagerspalt insbesondere geometrisch so dimensioniert, dass der Gasdurchfluss in den axialen Endbereichen des Lagerspaltes gleich dem Gasdurchfluss im axialen Mittelbereich ist. Vorzugsweise ist auch die Strömungsgeschwindigkeit in den Austrittsquerschnitten des Lagerspalts bzw. in dessen axialen Endbereichen gleich.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle zumindest abschnittsweise als Hohlwelle mit einem Axialkanal ausgebildet ist und dass der Axialkanal über zumindest einen den 1. Lagerkörper (Rotor) durchdringenden Verbindungskanal mit dem Lagerspalt verbunden ist.
  • Erfindungsgemäß bezieht sich der Begriff ”axial” immer auf die Längsachse der üblicherweise vertikal ausgerichteten Welle des Rheometers. Dementsprechend bezeichnet der Begriff ”radial” eine senkrecht zur Längsachse der Welle verlaufende Richtung.
  • Durch den Verbindungskanal kann eine vorbestimmte Gasmenge in definierter Weise in den Axialkanal der Welle einströmen und strömt dann längs des Axialkanals aus der Welle heraus. Auf diese Weise ist eine Abführung des Abgases vorzugsweise aus einem mittleren Bereich des Lagerspaltes möglich.
  • Eine gute Einstellbarkeit der Lagereigenschaften des Gaslagers lässt sich erreichen, wenn in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, dass in dem Axialkanal und/oder in Strömungsrichtung hinter diesem zumindest eine einstellbare Drossel angeordnet ist. Mittels der Drossel können die Strömungsverhältnisse im Lagerspalt im Hinblick auf eine Leichtgängigkeit, kleinstmögliche Losbrechmomente, hinsichtlich der Steifigkeit, der Tragfähigkeit und der Dämpfung eingestellt und variiert werden.
  • Gleichzeitig kann das Abgas zur Abführung von Wärme aus dem Lagerspalt sowie zur Kühlung des abseits vom Gaslager angeordneten Antriebs der Welle verwendet werden, so dass ungenauen Laufeigenschaften des Gaslagers infolge einer übermäßigen Erwärmung entgegengewirkt ist.
  • Zusätzlich zu der Porosität des Materials kann vorgesehen sein, dass in dem 2. Lagerkörper (Stator) zumindest ein Zuführkanal und insbesondere mehrere Zuführungskanäle ausgebildet sind, durch die das zugeführte Gas innerhalb des 2. Lagerkörpers (Stator) möglichst gleichmäßig und insbesondere über den Umfang verteilbar ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der oder die Zuführungskanäle zumindest zwei voneinander strömungstechnisch unabhängige Zuführungskanalzweige umfassen, die jeweils eine eigene Gaszuführung aufweisen. Insbesondere können die jedem der Zuführungskanalzweige zugeführte Gasmenge und der entsprechende Gasdruck unabhängig voneinander eingestellt werden. Auf diese Weise lassen sich die Strömungsverhältnisse in dem dem einen Zuführungskanalzweig zugeordneten Abschnitt des 2. Lagerkörpers (Stator) gegenüber dem dem anderen Zuführungskanalzweig zugeordneten Abschnitt des 2. Lagerkörpers (Stator) variieren und angepassen. Auf diese Weise lassen sich Imhomogenitäten des Materials und Fertigungstoleranzen im porösen 2. Lagerkörper (Stator) sowie bereichsweise abweichende Strömungsverhältnisse im 2. Lagerkörper (Stator) ausgleichen.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Zuführungskanalzweige in Axialrichtung des 2. Lagerkörpers (Stator) voneinander beabstandet sind. Dies führt zu dem weiteren Vorteil, dass durch unterschiedliche Ansteuerungen der beiden Zuführungskanalzweige (unterschiedliche Gasmenge und/oder unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit) eine axiale Einstellung des 1. Lagerkörpers (Rotor) und somit der Welle relativ zum 2. Lagerkörper (Stator) erreicht werden kann.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann auch eine Regelung vorgesehen sein, die die axiale Position der Welle und damit des 1. Lagerkörpers (Rotor) mittels eines Sensors erfasst und durch Ansteuerung der Zuführungskanalzweige die Welle selbsttätig in einer vorbestimmten axialen Position hält.
  • Die Einstellung der gewünschten Gasmenge sowie der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Zuführungskanalzweige kann über entsprechende Steuerventile oder Drosseln stromauf der Zuführungskanalzweige erreicht werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass in zumindest einem der Zuführkanalzweige und vorzugsweise allen Zuführungskanalzweigen eine entsprechende Drossel angeordnet ist.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) auf seiner dem Lagerspalt zugewandten Oberfläche zumindest eine umlaufende Nut aufweist. Durch die in die Oberfläche des 1. Lagerkörpers (Rotor) eingebrachte Nut im Zusammenwirken mit der Gasableitung durch den Verbindungskanal können die Form und das Ausmaß der sich infolge des Staudrucks ausbildenden Gasschicht beeinflusst werden und damit eine Erhöhung der Steifigkeit und der Kippstabilität des Lagers erreicht werden.
  • Grundsätzlich sind verschiedene geometrische Formen zur Bildung des 1. Lagerkörpers (Rotor) möglich. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) zumindest ein sphärisches Körperteil in Form einer Kugelschicht oder in kugelschichtähnlicher Form aufweist. Insbesondere besteht der 1. Lagerkörper (Rotor) aus zwei sphärischen Körperteilen in Form einer Kugelschicht oder in kugelschichtähnlicher Form, die in Axialrichtung so hintereinander angeordnet sind, dass sie mit ihren kleineren ebenen Oberflächen einander zugewandt sind oder aneinander liegen. Dabei können die Körperteile entweder direkt aufeinander angeordnet sein, es ist jedoch auch möglich, zwischen den beiden Körperteilen zumindest ein Distanzstück anzuordnen.
  • Alternativ kann der 1. Lagerkörper (Rotor) zumindest ein Körperteil in Form eines geraden Kreiskegelstumpfes aufweisen. Vorzugsweise besitzt der 1. Lagerkörper (Rotor) zwei Körperteile in Form eines geraden Kegelstumpfes, die in Axialrichtung so hintereinander angeordnet sind, dass sie mit ihren kleineren ebenen Oberflächen einander zugewandt sind oder aneinander liegen. Dabei können die Körperteile entweder direkt aufeinander angeordnet sein, es ist jedoch auch möglich, zwischen den beiden Körperteilen zumindest ein Distanzstück anzuordnen.
  • In den genannten Ausführungen besitzt der 1. Lagerkörper (Rotor) somit entweder die Form von Doppel-Kugelhalbschalen oder Doppel-Kugelteilschalen bzw. die Form eines Doppelkegels bzw. Doppelkegelstumpfes.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) zumindest ein Körperteil in Form einer rohrförmigen porösen Hülse besitzt, die die Welle umgibt.
  • Der 1. Lagerkörper (Rotor) kann auch aus einer Kombination der genannten Geometrien gebildet sein, so dass er zumindest ein sphärisches Körperteil und/oder zumindest ein Körperteil in Form eines geraden Kreiskegelstumpfes und/oder zumindest ein Körperteil in Form einer rohrförmigen, vorzugsweise kreiszylindrischen Hülse umfasst.
  • Die Oberflächenbereiche des 1. Lagerkörpers (Rotor), die außerhalb des Lagerspaltes liegen, d. h. beispielsweise die in Axialrichtung weisenden Oberflächenbereiche, sind nicht von dem durch den 2. Lagerkörper (Stator) zugeführten Gas angeströmt. Um zu verhindern, dass eine übermäßige Gasmenge an den außerhalb des Lagerspaltes liegenden Oberflächenbereichen des 1. Lagerkörpers (Rotor) aus diesem austritt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass diese Oberflächenbereiche zumindest teilweise oder vollständig mit einer Abdeckung versehen sind. Die Abdeckung kann gasundurchlässig sein oder auch eine vorbestimme Gasdurchlässigkeit aufweisen. Mit Hilfe der Abdeckungen lässt sich erreichen, dass das an den den Lagerspalt begrenzenden Oberflächen in den 1. Lagerkörper (Rotor) eintretende Gas innerhalb des 1. Lagerkörpers (Rotor) gestaut wird und nicht in undefinierter Weise abströmt, so dass eine genau definierte Gasschicht an der Oberfläche des 1. Lagerkörpers (Rotor) im Bereich des Lagerspaltes aufgebaut werden kann.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gaslager einer Welle eines Rheometers,
  • 2 die sich einstellende Gasströmung und die oberflächennahe Gasschicht in vergrößerter Darstellung,
  • 3 eine 1. Abwandlung der Ausgestaltung gemäß 1
  • 4 eine 2. Abwandlung der Ausgestaltung gemäß 1,
  • 5 eine 1. Weiterbildung der Ausgestaltung gemäß 4,
  • 6 eine 2. Weiterbildung der Ausgestaltung gemäß 4,
  • 7 eine 3. Weiterbildung der Ausgestaltung gemäß 4,
  • 8 den Lagerspalt in vergrößerter Darstellung und
  • 9 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gaslager einer Welle eines Rheometers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch ein Gaslager 10 einer im wesentlichen vertikal ausgerichteten Welle 11 eine Rheometers. Die Welle ist drehangetrieben, wie es durch den Doppelpfeil A in 1 angedeutet ist. Auf der Welle sitzt ein 1. Lagerkörper (Rotor) 12, der fest mit der Welle 11 verbunden ist und zwei sphärische Körperteile 21, 22 in Form jeweils einer Kugelschicht aufweist, wobei die Körperteile 21, 22 in Axialrichtung der Welle 11 so hintereinander angeordnet sind, dass sie mit ihren kleineren ebenen Oberflächen aneinander liegen.
  • Die Welle 11 ist als Hohlwelle ausgestaltet und besitzt einen in Längsrichtung der Welle 11 verlaufenden Axialkanal 15, der über eine in der Wandung der Welle 11 ausgebildete Radialbohrung 17 mit einem sich im wesentlichen radial zur Welle 11 erstreckenden Verbindungskanal 16 verbunden ist. Der Verbindungskanal 16 erstreckt sich linear im Bereich der Kontaktfläche zwischen den beiden sphärischen Körperteilen 21, 22.
  • Die Welle 11 besteht vorzugsweise aus einem metallischen Material und der 1. Lagerkörper 12 (Rotor) besteht aus einem gasdurchlässigen Material, insbesondere einem Sintermaterial, einem Graphitmaterial oder Keramik.
  • Der 1. Lagerkörper (Rotor) 12 ist mit Abstand von einem, 2. Lagerkörper (Stator) 13 umgeben, wobei zwischen der Außenoberfläche des 1. Lagerkörpers (Rotor) 12 und der Innenoberfläche des 2. Lagerkörpers (Stator) 13 ein Lagerspalt 18 gebildet ist.
  • Auch der 2. Lagerkörper (Stator) 13 besteht aus einem gasdurchlässigen Material der genannten Art. Zusätzlich sind im Inneren des 2. Lagerkörpers (Stator) 13 Zuführungskanäle 14 ausgebildet, die mit einer Einlassöffnung 26 strömungstechnisch in Verbindung stehen. Durch die Einlassöffnung 26 wird ein Gas (Pfeil G) in die Zuführungskanäle 14 eingeleitet und verteilt sich in diesen über den gesamten Umfang des 2. Lagerkörpers (Stator) 13. Aufgrund des anstehenden Gasdruckes und der Gasdurchlässigkeit bzw. Porosität des 2. Lagerkörpers (Stator) 13 tritt das zugeführte Gas an der dem 1. Lagerkörper (Rotor) 12 zugewandten Oberfläche des 2. Lagekörpers (Stator) 13 an einer Vielzahl von kleinen Düsen gleichmäßig über den Umfang verteilt aus, wie es in 2 durch die Pfeile B dargestellt ist. Die aus dem 2. Lagerteil (Stator) 13 austretende Luft tritt auf der gegenüberliegenden Seite des Lagerspalts 18 in die poröse Oberfläche des 1. Lagerteils (Rotor) 12 ein. Dabei bildet sich jedoch ein Rückstau des Gases, so dass sich über die gesamte den Lagerspalt 18 begrenzende Oberfläche des 1. Lagerkörpers (Rotor) 12 eine stehende Gasschicht S bildet, die in 2 angedeutet ist.
  • Das weitere Gas, das aus dem 2. Lagerkörper (Stator 13) austritt, kann die Gasschicht S nicht durchdringen und strömt dann längs des Lagespaltes 18 entweder gemäß 2 nach oben zum axialen Auslass des Lagerspaltes 18 oder zum Übergangsbereich zwischen den beiden sphärischen Körperteilen gemäß 2 nach unten und tritt dann in den Verbindungskanal 16 ein, strömt durch die Radialbohrung 17 in den Axialkanal 15 der Welle 11 und wird durch diesen abgeführt.
  • 3 zeigt eine 1. Abwandlung der Ausgestaltung gemäß 1. Das in 3 gezeigte Gaslager 10 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Gaslager lediglich dadurch, dass der 1. Lagerkörper (Rotor 12) nunmehr aus zwei Körperteilen in Form jeweils eines geraden Kreiskegelstumpfes zusammengesetzt ist, wobei die Kreiskegelstümpfe in Axialrichtung der Welle 11 so hintereinander angeordnet sind, dass sie mit ihren kleineren ebenen Oberflächen aneinander liegen. Auf diese Weise besitzt der Lagerspalt 18 statt eines bidirektional gekrümmten Verlaufes nunmehr zwei geradlinige Abschnitte, die im Bereich der Kontaktfläche der beiden Kreiskegelstümpfe 23, 24 ineinander übergehen.
  • 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausgestaltung des Gaslagers 10 gemäß 1 und unterscheidet sich von dieser dadurch, dass die Zuführkanäle 14 innerhalb des 2. Lagerkörpers (Stator 13) nunmehr in zwei strömungstechnisch vollständig unabhängig voneinander ausgebildete Zuführungskanalzweige 14a und 14b unterteilt sind, die in Axialrichtung des 2. Lagerkörpers (Stator 13) voneinander beabstandet sind und jeweils eine Einlassöffnung 26a, 26b für einen Gasstrom G1 bzw. G2 aufweisen. Stromauf der Einlassöffnungen 26a, 26b ist jeweils eine Drossel 27a, 27b in der entsprechenden Gasleitung angeordnet. Somit können den Zuführungskanalzweigen 14a und 14b unterschiedliche Gasmengen mit unterschiedlichem Gasdruck und unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zugeführt werden. Dies führt dazu, dass in axial beabstandeten Oberflächenbereichen des Lagerspalts 18 Gas unter unterschiedlichen Bedingungen austritt, was zu einer gewünschten axialen Verstellung des 1. Lagerkörpers (Rotor 12) und damit der Welle 11 führen kann.
  • 5 zeigt eine Weiterbildung der Ausgestaltung des Gaslagers 10 gemäß 4 und unterscheidet sich von dieser dadurch, dass die Welle 11 an ihrem gemäß 5 unteren Ende verschlossen ist und somit das durch den Verbindungskanal 16 und die Radialbohrung 17 in den Axialkanal 15 der Welle 11 eintretende Gas nur gemäß 5 in axialer Richtung nach oben aus der Welle austreten kann. Im oberen Bereich der Welle 11 oder stromab der Welle 11 ist in der Gasleitung eine Drossel 19 angeordnet, die dazu dient, die Strömungs- und Druckverhältnisse im Axialkanal 15 und somit auch im Lagerspalt 18 einzustellen und zu verändern.
  • 6 zeigt eine 2. Weiterbildung der Ausgestaltung des Gaslagers 10 gemäß 4 und unterscheidet sich von diesen im wesentlichen dadurch, dass die außerhalb des Lagespalts 18 liegenden, in Axialrichtung weisenden Oberflächen des 1. Lagerkörpers (Rotor) 12 mittels einer Abdeckung 20 vorzugsweise gasdicht überdeckt und verschlossen sind. Die Abdeckung 20, bei der es sich entweder um ein Deckelteil oder auch um ein Überzug handeln kann, kann alternativ auch gasdurchlässig sein, wobei die Gasdurchlässigkeit des Materials der Abdeckung 20 jedoch geringer als die Gasdurchlässigkeit des Materials des 1. Lagerkörpers (Rotor) 12 ist.
  • 7 zeigt eine andere Weiterbildung der Ausgestaltung des Gaslagers 10 gemäß 4 und unterscheidet sich von dieser im wesentlichen dadurch, dass zusätzlich zu dem Verbindungskanal 16, der im Bereich der Kontaktfläche der beiden sphärischen Körperteile 21 und 22 verläuft, weitere radiale Verbindungskanäle 28 ausgebildet sind, die mit Abstand parallel zum Verbindungskanal 26 verlaufen und jeweils über eine Radialbohrung 29 mit dem in Inneren der Welle 11 ausgebildeten Axialkanal 15 in Verbindung stehen. Zusätzlich sind auf der äußeren, dem Lagerspalt 18 zugewandten Oberfläche des 1. Lagerkörpers (Rotor 12) vollständig umlaufende Nuten 25 ausgebildet, die der Gasführung dienen.
  • 8 zeigt den zwischen dem 1. Lagerkörper (Rotor) 12 und dem 2. Lagerkörper (Stator) 13 gebildeten Lagerspalt 18 in vergrößerter Darstellung. Daraus ist ersichtlich, dass sich die radiale Breite der Querschnitt des Lagerspalts 18 ausgehend von seinem axialen Mittelbereich, in dem der Verbindungskanal 16 abzweigt, zu seinen axialen Endbereichen, in denen die Gasströmung aus dem Lagerspalt 18 austritt, stetig verringert. Da sich gleichzeitig der Abstand von der Mittelachse, d. h. der Radius erhöht, ist die Verringerung in Umfangsrichtung gesehen ausgeglichen. Dabei ist der Lagerspalt 18 geometrisch so dimensioniert, dass der Gasdurchfluss an den axialen Austrittsquerschnitten und am Eintrittsquerschnitt in den Verbindungskanal 16 gleich ist. Durch diese Ausgestaltung wird eine hohe Kippstabilität und Tragfähigkeit erzielt.
  • 9 zeigt einen abgewandelten Aufbau des Gaslagers eines Rheometers. Hierbei ist die Welle 11 abschnittsweise von einem 1. Lagerkörper (Rotor) 12 umgeben und mit diesem verbunden, der aus einem gasdurchlässigen Material der genannten Art besteht und im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist. Er besitzt mehrere radiale Verbindungskanäle 16, die die Außenseite des 1. Lagerkörpers (Rotor) 12 mit dem inneren Axialkanal 15 der Welle 11 verbinden. Darüber hinaus sind mehrere in Axialrichtung der Welle 11 beabstandete umlaufende Nuten 25 auf der Außenoberfläche des 1. Lagerkörpers (Rotor) 12 vorgesehen.
  • Der außenliegende 2. Lagerkörper (Stator) 13 besitzt ein vorzugsweise metallisches Statorgehäuse 30 mit einer Gaseinlassöffnung 26 der genannten Art. Auf der der Welle 11 zugewandten Seite des Statorgehäuses 30 ist ein im wesentlichen zylindrischer Statoreinsatz 31 angeordnet, der den 1. Lagerkörper (Rotor) 12 unter Bildung eines Lagerspalts 18 umgibt und aus einem gasdurchlässigen Material besteht.
  • Auf der der Welle 11 abgewandten Seite des Statoreinsatzes 31 ist eine Statorkammer 32 gebildet, die über die Durchlassöffnung 26 mit Gas befüllt werden kann. Das in der Statorkammer 32 befindliche Gas wird durch den anstehenden Gasdruck über den gesamten Umfang des Lagerkörpers (Rotor) 12 verteilt und strömt durch den Statoreinsatz 31 und bildet so im Lagerspalt 18 die die Welle 11 lagernde Gasströmung.
  • Im Vorstehenden wurden verschiedene konstruktive Ausgestaltungen des Gaslagers eines Rheometers beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass es erfindungsgemäß möglich ist, jedes einzelne Merkmal jedes einzelnen Ausführungsbeispiels auch bei den anderen Ausführungsbeispielen anzuwenden, d. h. die einzelnen Merkmale frei zu kombinieren, solange der Grundgedanke der Erfindung verwirklicht ist. Eine Beschränkung auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele ist erfindungsgemäß nicht gegeben und nicht gewünscht.

Claims (18)

  1. Rheometer mit einer Welle (11), die in einem Gaslager (10) drehbar gelagert ist, wobei das Gaslager (10) einen an der Welle (11) angebrachten 1. Lagerkörper (Rotor) (12) und einen 2. Lagerkörper (Stator) (13) aufweist, der den 1. Lagerkörper (Rotor) (12) mit Abstand unter Bildung eines Lagerspalts (18) umgibt, wobei der 2. Lagerkörper (Stator) (13) zumindest abschnittsweise aus einem gasdurchlässigen Material besteht und derart von einem Gas durchströmt ist, dass im Lagerspalt (18) ein Gaspolster (P) gebildet ist, durch das der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) und die Welle (11) berührungslos gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) zumindest in seinen dem 2. Lagerkörper (Stator) (13) zugewandten Bereichen aus einem gasdurchlässigen Material besteht, in das das Gas eindringt und infolge des Staudrucks oder Rückstaus des Gases eine oberflächennahe Gasschicht (S) bildet.
  2. Rheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) vollständig oder zumindest annähernd vollständig aus dem gasdurchlässigen Material besteht.
  3. Rheometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdurchlässige Material ein Sintermaterial oder ein Graphitmaterial oder Keramik ist.
  4. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer radialen Ebene gemessene Querschnittsfläche des Lagerspalts (18) in dessen axialen Endbereichen gleich der entsprechenden Querschnittsfläche in seinem axialen Mittelbereich ist.
  5. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) zumindest abschnittsweise als Hohlwelle mit einem Axialkanal (15) ausgebildet ist und dass der Axialkanal (15) über zumindest einen den 1. Lagerkörper (Rotor) (12) durchdringenden Verbindungskanal (16) mit dem Lagerspalt (18) verbunden ist.
  6. Rheometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Axialkanal (15) und/oder in Strömungsrichtung hinter diesem zumindest eine einstellbare Drossel (19) angeordnet ist.
  7. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem 2. Lagerkörper (Stator) (13) zumindest ein Zuführungskanal (14) ausgebildet ist, durch den ein zugeführtes Gas (G) innerhalb des 2. Lagerkörpers (Stator) (13) über den Umfang verteilbar ist.
  8. Rheometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungskanal (14) zumindest zwei voneinander strömungstechnisch unabhängige Zuführungskanalzweige (14a, 14b) umfasst, die jeweils eine eigene Gaszuführung (G1, G2) aufweisen.
  9. Rheometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungskanalzweige (14a, 14b) in Axialrichtung des 2. Lagerkörpers (Stator) (13) voneinander beabstandet sind.
  10. Rheometer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Zuführungskanalzweige (14a, 14b) eine Drossel (27a, 27b) angeordnet ist.
  11. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) auf seiner dem Lagerspalt (18) zugewandten Oberfläche zumindest eine umlaufende Nut (25) aufweist.
  12. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) zumindest ein sphärisches Körperteil (21, 22) in Form einer Kugelschicht oder in kugelschichtähnlicher Form aufweist.
  13. Rheometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) zwei sphärische Körperteile (21, 22) in Form einer Kugelschicht oder in kugelschichtähnlicher Form aufweist, die in Axialrichtung so hintereinander angeordnet sind, dass sie mit ihren kleineren ebenen Oberflächen einander zugewandt sind oder aneinander liegen.
  14. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) zumindest ein Körperteil (23, 24) in Form eines geraden Kreiskegelstumpfes aufweist.
  15. Rheometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) zwei Körperteile (23, 24) in Form eines geraden Kreiskegelstumpfes aufweist, die in Axialrichtung so hintereinander angeordnet sind, dass sie mit ihren kleineren ebenen Oberflächen einander zugewandt sind oder aneinander liegen.
  16. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) zumindest ein Körperteil in Form einer rohrförmigen porösen Hülse besitzt, die die Welle (11) umgibt.
  17. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) zumindest ein sphärisches Körperteil (21, 22) und/oder zumindest ein Körperteil (23, 24) in Form eines geraden Kreiskegelstumpfes und/oder zumindest ein Körperteil in Form einer rohrförmigen Hülse umfasst.
  18. Rheometer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Lagerkörper (Rotor) (12) in seinen außerhalb des Lagerspalts (18) liegenden Oberflächenbereichen zumindest abschnittsweise mittels einer Abdeckung (20) überdeckt und/oder verschlossen ist.
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