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Die Erfindung betrifft ein Rheometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Messung rheologischer Größen in einem Rheometer beruht auf der genauen Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der Schubspannung und der Verformung des zu untersuchenden Stoffes. Eine der beiden Größen wird vorgegeben, während die andere mittels einer Messeinrichtung gemessen wird. Um aus diesen Größen die genauen Stoffeigenschaften ableiten zu können, müssen die mechanischen Reibungsverluste der Messeinrichtung so gering wie möglich gehalten werden. Dies wird bei einem Rheometer, wie es beispielsweise in der
US 6,167,752 oder der
DE 44 36 156 C1 beschrieben ist, dadurch erreicht, dass eine Welle eines Rotors der Messeinrichtung mittels Luftlagern in radialer und axialer Richtung abgestützt ist. Das Luftlager wird in einem Lagerkörper gebildet, der eine Ausnehmung aufweist, die eine axiale Durchgangsbohrung und eine sich im wesentlichen koaxial dazu erstreckende zylindrische Kammer umfasst. In die axiale Durchgangsbohrung ist die Welle mit Spiel eingesetzt, die eine sich senkrecht zu ihrer Axialrichtung erstreckende Ringscheibe trägt, die mit Spiel in der zylindrischen Kammer sitzt.
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Der Lagerkörper ist mit einem Netz sehr feiner Luftkanäle durchzogen, die auf der der Welle zugewandten Oberfläche der Durchgangsbohrung sowie der zylindrischen Kammer münden und mit einer Luftzuführung verbunden sind. Die von der Luftzuführung zugeführte Druckluft durchströmt die Luftkanäle und tritt an deren Mündungsöffnungen aus, wodurch im Bereich der Durchgangsbohrung ein die Welle umgebendes und radial zentrierendes Luftpolster und im Bereich der zylindrischen Kammer ein weiteres, die Scheibe und somit die Welle axial stützendes Luftpolster gebildet ist.
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Um ein über die Lagerfläche möglichst gleichmäßig wirkendes Luftpolster zu erhalten, müssen eine Vielzahl von sehr feinen Luftaustrittsöffnungen mit geringem gegenseitigem Abstand ausgebildet und mit den feinen Luftkanälen verbunden werden. Um die dafür notwendige Präzision zu erreichen, werden beispielsweise Laserschneidverfahren angewandt, wodurch jedoch die Herstellung des Lagerkörpers sehr aufwendig und teuer ist. Dabei ist darüber hinaus die Gefahr gegeben, dass es aufgrund der Einwirkung des Laserstrahls zu thermisch bedingten Ausschmelzungen oder Graten kommt, wodurch eine gleichförmige Luftführung gestört ist. Zusätzlich hat es sich gezeigt, dass die Tragfähigkeit, d. h. die aufnehmbaren Lagerkräfte bekannter Luftlager beschränkt sind, so dass die Luftlagertechnik an ihre Grenzen zu stoßen scheint.
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Die
WO 96/16323 A1 zeigt ein Rheometer, bei dem die Welle über eine Schlitzdichtung gelagert ist, die einen porösen hülsenförmigen Lagerkörper bildet. Der Lagerkörper sitzt in einer Kammer eines Lagergehäuses und kann über eine Zuführleitung auf der Außenseite mit Druckluft beaufschlagt werden, so dass für die Welle ein radiales Luftlager gebildet ist.
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Das zuvor Gesagte gilt grundsätzlich auch für das Rheometer, wie es in der
WO 94/08222 A1 gezeigt ist und bei dem die Welle ebenfalls über einen luftdurchlässigen hülsenförmigen Lagerkörper abgestützt ist.
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Nachteilig bei diesen Ausgestaltungen ist insbesondere, dass die außenseitig des hülsenförmigen Lagerkörpers anstehende Luft mit hohem Druck zugeführt werden muss, da die Luft den hülsenförmigen Lagerkörper durchdringen und die Welle lagern muss. Aufgrund der zentralen Luftzuführung ist das Problem gegeben, dass sich der luftdurchlässige hülsenförmige Lagerkörper im Bereich der Drucklufteinleitung um ein geringes Maß durchbiegt, was zu einer ungenauen Lagerung der welle führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rheometer der genannten Art zu schaffen, mit dem eine genaue Lagerung der Welle unter Vermeidung einer Verformung des Lagerkörpers gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rheometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist ebenfalls vorgesehen, dass die Wandung der Ausnehmung im Lagerabschnitt als bohrlochfreies Kontinuum ausgebildet ist und aus einem luftdurchlässigen Material besteht, wobei die Lagerluft auf der der Welle abgewandten Seite der Wandung ansteht und die Wandung durchdringt.
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Dabei wird von der Grundüberlegung ausgegangen, die durch Bearbeitung des Lagerblocks ausgebildeten Luftkanäle nicht in der Wandung der Ausnehmung münden zu lassen, sondern die Luft nur soweit an die Wandung der Ausnehmung von der Außenseite heranzuführen, dass sie auf der der Welle abgewandten Seite der Wandung ansteht. Die Ausbildung des die Welle in axialer und/oder radialer Richtung stützenden Luftpolsters wird dadurch erreicht, dass zumindest die Wandung der Ausnehmung aus einem luftdurchlässigen Material gebildet ist, wobei es sich vorzugsweise um gesinterten Kohlenstoff, sogenanntes Kunstgraphit oder luftdurchlässige Keramik oder porösen Kunststoff und insbesondere Schaumstoff handeln kann. Die Lagerluft durchdringt die Wandung an einer Vielzahl von Poren oder Mikrokanälen, wodurch ein gleichmäßiger Aufbau des Luftpolsters erreicht ist. Dadurch ergibt sich eine hohe Lagerstabilität für die Welle sowohl in horizontaler, d. h. radialer Richtung als auch in vertikaler, d. h. axialer Richtung. Gleichzeitig ist die zur Ausbildung des Luftlagers notwendige Bearbeitung in einfacher Weise auszuführen, da mittels nicht exakt zu dimensionierender Luftkanäle die Lagerluft lediglich bis an die Außenseite der Wandung herangeführt werden muss. Auf die Ausbildung sehr feiner, die Wandung durchdringender Bohrungen kann verzichtet werden. Auf diese Weise sind auch die oben genannten Gefahren bezüglich der Entstehung von thermisch bedingten Ausschmelzungen oder Graten zuverlässig vermieden.
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Dabei ist für die Lagerung der Welle in ihrer radialen Richtung vorgesehen, dass die Ausnehmung eine Durchgangsbohrung umfasst, die die Welle mit Spiel eingesetzt und in der sie mittels eines radial äußeren Luftpolsters in radialer Richtung abgestützt ist.
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Die axiale Abstützung der Welle mittels eines Luftlagers lässt sich gemäß der Erfindung dadurch erreichen, dass die Ausnehmung eine zylindrische Kammer umfasst, in der eine auf der Welle sitzende, sich im wesentlichen senkrecht zu deren Axialrichtung erstreckende Scheibe mit Spiel angeordnet ist. Die Scheibe und somit die Welle wird mittels eines axialen Luftpolsters, das auf beiden Seiten der Scheibe ausgebildet ist, in beide axiale Richtungen abgestützt.
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Die Zuführung der unter Druck stehenden Lagerluft bis zu der der Welle abgewandten Seite der Wandung der Ausnehmung erfolgt durch mehrere Luftkanäle, die in dem Lagerblock ausgebildet sind und vorzugsweise miteinander in Verbindung stehen. In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auf der der Welle bzw. der Scheibe abgewandten Seite der Wandung der Ausnehmung mehrere in Axialrichtung der Welle beabstandete Ringkanäle ausgebildet sind, die die Lagerluft über den Umfang der Welle verteilen und somit einen gleichmäßigen Durchtritt bzw. Austritt der Lagerluft auf der der Welle zugewandten Seite der Wandung gewährleisten. Die Ringkanäle stehen in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung über mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Axialkanäle in Verbindung und sind vorzugsweise an eine einzelne gemeinsame Druckluftquelle bzw. Luftzuführung angeschlossen. Dabei können in der Luftzuführung ein oder mehrere Steuerventile angeordnet sein, um einen bereichsweise unterschiedlichen Luftlagerdruck zu erzeugen, d. h. innerhalb des Luftlagers unterschiedliche Lagersteifigkeiten vorzusehen.
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Die Luftzuführung für das in der zylindrischen Kammer gebildete Luftlager, das die Scheibe und somit die Welle in deren axialer Richtung abstützt, umfasst vorzugsweise ebenfalls Ringkanäle, von denen einer auf jeder axialen Seite der zylindrischen Kammer in geringer Entfernung zu deren Wandung ausgebildet ist, so dass die Luft aus den Ringkanälen durch die Wandung hindurch in axialer Richtung von entgegengesetzten Seiten in die zylindrische Kammer eindringen kann, wobei die beiden Luftströmungen die Scheibe und somit die Welle zwischen sich lagern.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 einen Vertikalschnitt durch ein Lager einer Welle eines Rheometers und
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2 eine Teildarstellung des Schnittes II-II in 1.
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In den 1 und 2 ist eine Lagervorrichtung 10 einer Welle 11 eines nicht näher dargestellten Rotors eines Rheometers gezeigt. Die Welle 11 erstreckt sich im wesentlichen vertikal und trägt eine sich senkrecht zu ihrer axialen Richtung erstreckende Scheibe 12, die die Welle 11 kreisringartig umgibt.
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Die Welle 11 ist zusammen mit der Scheibe 12 in einem Lagerblock 13 sowohl in ihrer axialen als auch ihrer radialen Richtung luftgelagert. Der Lagerblock 13 umfasst ein napfartiges Gehäuse 14, in das ein erstes Lagerteil 15 und ein axial daran angrenzendes zweites Lagerteil 18 eingesetzt sind, die den Innenraum des Gehäuses 14 im wesentlichen vollständig ausfüllen, wobei das Gehäuse 14 an seiner offenen Seite mittels eines Deckels 26 abgedeckt ist. Durch das Gehäuse 14, das erste Lagerteil 15, das zweite Lagerteil 18 und den Deckel 26 erstreckt sich eine zentrische Durchgangsbohrung 19, in die die Welle 11 unter radialem Spiel eingesetzt ist. Im Übergangsbereich zwischen dem ersten Lagerteil 15 und dem zweiten Lagerteil 18 ist eine zentrische kreiszylindrische Kammer 21 ausgebildet, in der die Scheibe 12 der Welle 11 mit axialem Spiel sitzt. Die Durchgangsbohrung 19 und die zylindrische Kammer 21 bilden zusammen eine Ausnehmung, die von einer geschlossenen, kontinuierlichen bohrlochfreien Wandung 25 begrenzt ist.
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In dem Gehäuse 14 ist eine seitliche, als Luftzuführung 14a dienende Bohrung ausgebildet, der von einer nicht dargestellten Druckluftquelle Luft zugeführt werden kann, wie es durch den Pfeil DL angedeutet ist. Im Bereich der Luftzuführung 14a ist im ersten Lagerteil 15 sowie im zweiten Lagerteil 18 eine sich über die Höhe erstreckende Luftverteilungskammer 16 ausgebildet, von der mehrere Luftkanäle 17 abzweigen, die sich im wesentlichen horizontal in Richtung der Welle 11 erstrecken und in axialer Richtung der Welle 11 voneinander beabstandet sind. Die Luftkanäle 17 enden jeweils auf der der Welle 11 abgewandten Seite der Wandung 25 der Ausnehmung. An diesem inneren Ende schließt an jeden horizontalen Luftkanal 17 ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Ringkanal 20 an, der die Welle 11 auf der der Welle 11 abgewandten Seite der Wandung 25 vollständig umläuft. Die übereinander angeordneten Ringkanäle 20 sind über Axialkanäle 22, die über den Umfang der Welle 11 verteilt sich parallel zur Welle 11 erstrecken, miteinander verbunden.
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Im Bereich der zylindrischen Kammer 21 ist auf beiden axialen Seiten der Kammer 21 jeweils ein horizontaler Luftkanal 17 ausgebildet, der in einen zugeordneten Ringkanal 20 mündet. Auf diese Weise liegt auf beiden axialen Seiten der zylindrischen Kammer 21 auf der der Scheibe 12 abgewandten Seite der Wandung 25 die Lagerluft an. Von der zylindrischen Kammer 21 führt des Weiteren ein von Bohrungen 23 und 24 gebildeter Abluftkanal durch das zweite Lagerteil 18 und den Deckel 26 hindurch zur Außenseite des Gehäuses 14, so dass die Abluft aus der Lagervorrichtung austreten kann, wie es durch den Pfeil AL angedeutet ist.
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Das erste Lagerteil 15 und das zweite Lagerteil 18 bestehen aus einem luftdurchlässigen Material und insbesondere aus einem gesinterten Kohlenstoff. Die durch die Luftzuführung 14a in das Gehäuse 14 eingeleitete Druckluft wird über die Luftverteilungskammer 16 auf die verschiedenen horizontalen Luftkanäle 17 verteilt und steht dann in den daran anschließenden Ringkanälen 20 an, wobei über die Axialkanäle 22 ein Luft- und Druckausgleich zwischen den Ringkanälen 20 stattfindet. Aufgrund der Luftdurchlässigkeit des Materials der Lagerteile 15 und 18 kann die Luft die Wandung 25 durchdringen, so dass einerseits in der Axialbohrung 19 um die Welle 11 herum ein Luftpolster gebildet ist, das die Welle 11 in der Durchgangsbohrung 19 zentriert und lagert, und das Luftpolster andererseits auch in vertikaler Richtung, d. h. in Axialrichtung der Welle 11 von entgegengesetzten Seiten in die zylindrische Kammer 21 eintritt und somit die Scheibe 12 zwischen sich lagert und damit für eine Lagerung der Welle 11 in axialer Richtung sorgt. Die Porosität des Materials der Lagerteile 15 und 18 sorgt dabei für homogene Strömungsverhältnisse innerhalb des die Welle 11 bzw. die Scheibe 12 lagernden Luftpolsters, ohne dass die Wandung 25 der Ausnehmung, die von der Durchgangsbohrung 18 und der zylindrischen Kammer 21 gebildet ist, angebohrt oder in sonstiger Weise durch nachträgliche Bearbeitung perforiert werden muss.
