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Wellenspaltdichtung Zusatz zum Patent 1069 968 Es sind Wellenspaltdichtungen
bekannt, bei denen zur Verhinderung eines Gasübertritts zwischen beiderseits einer
Wandvorhandenen Gasatmosphären während der Drehung einer diese Wand durchquerenden,
in gegebener unveränderlicher Richtung umlaufenden Welle eine feststehende, vollständig
dicht mit der Wand vereinigte, die Welle mit sehr geringem Spiel umschließende-
Muffe an der Stelle ihrer mittleren Querschnittsebene eine ringförmige Kammer aufweist
und von dieser zwei gegensinnig schraubenlinige, an der Innenfläche der Muffe oder
der Außenfläche der Welle mit rechteckigem Querschnitt und in vielfachen Windungen
ausgebildete Nuten ausgehen und an dem einen bzw. dem anderen Ende der Muffe in
die dort vorhandene Gasatmosphäre ausmünden, wobei die Welle so umläuft, daß eine
Förderung von der ringförmigen Kammer nach außen erfolgt.
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Gemäß dem Hauptpatent wird eine Wellenspaltdichtung dieser Art dadurch
verbessert, daß die ringförmige Kammer vollständig geschlossen ist und die beiden
schraubenlinigen Nuten in ihrer Tiefe von der Ringkammer nach den Enden der Muffe
hin abnehmen und einen für die Erzeugung eines hohen Vakuums in der Ringkammer durch
die Drehung der Welle bemessenen Gang aufweisen, wodurch eine restlose Verhinderung
eines Gasübertritts zwischen den beiden durch die Wand geschiedenen Gasatmosphären
während des Wellenumlaufes ohne jede Möglichkeit einer Vermischung oder Berührung
der beiden Gase gewährleistet ist.
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Diese vorteilhafte Ausführung einer Wellenspaltdichtung der eingangs
gekennzeichneten Gattung wird nach der Erfindung dadurch ohne Beeinträchtigung des
mit ihr erreichbaren, unbedingt zuverlässigen und vollkommenen gegenseitigen Gasatmosphärenabschlusses
baulich vereinfacht, daß zwischen den inneren, diametral einander gegenüberliegenden
Enden der beiden gegenläufigen Schraubengangnuten ein glatter urigenuteter Teil
angeordnet ist, wobei in diesem Bereich zwischen Welle und Gehäuse ein als Dichtung
wirkender Spalt verbleibt.
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Es sind zwar eine Welle umschließende Labyrinthdichtungsringe mit
gegensinnig verlaufenden Schraubengangnuten ohne eine zwischen diesen befindliche
Ringnut bekannt, jedoch stoßen hierbei die Schraubengangnuten unmittelbar aufeinander,
und es ist keine urigenutete mittlere Zone vorhanden, die als Spaltdichtung zu arbeiten
vermag; im übrigen liegt dieser bekannten Anordnung das Problem zugrunde, den Austritt
von Öl aus dem Lagergehäuse für beide Umlaufrichtungen der Welle zu verhindern.
Ferner ist auch eine Vakuumpumpe bekannt, deren die Welle umschließender Teil gegensinnig
verlaufende Schraubengangnuten aufweist. .3m mittleren Teil dieser Anordnung befindet
sich jedoch keine Ringnut, auch lassen die zur Mitte zulaufenden Schraubengangnuten
einen glatten, die Welle engumschließenden Teil frei. Da aber die Schraubengangnuten
in die Einströmöffnung ausmünden; kgnn der glatte, urgenutete Teil die Welle nur
auf .etwa der Hälfte ihres Umfanges umschließen. Damit kann aber die mit dem Gegenstand
vorliegende Erfindung beabsichtigte Wirkung nicht erzielt werden.
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Zweckmäßig kann der glatte urigenutete Teil der Muffeninnen- oder
der von dieser umgebenden Wellenaußenfläche durch zwei ringförmige Rillen umrahmt
sein, von denen aus die eine bzw. die andere auf der gleichen Seiite°des urigenuteten
Teils gelegene Schraubengangnut ihren Anfang nimmt. Durch diese Anordnung zweier
ringförmiger Rillen beiderseits des urigenuteten Teils wird die Bearbeitung des
ungenuteten Teils und insbesondere die genaue Festlegung der Länge-dies es urigenuteten
Teils außerordentlich erleichtert.
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In der Wirkungsweise unterscheidet sich die Vorrichtung nach der Erfindung
.von der Wellenspaltdichtung
nach dem Hauptpatent dadurch, daß
bei ihr das Hochvakuum, statt in einer mittleren ringförmigen Kammer erzeugt zu
werden, auf den beiden Seiten des mittleren Teiles der Muffeninnenfläche oder der
von dieser umschlossenen Wellenaußenfläche am inneren Ende der einen bzw. der anderen
schraubenlinigen Nut, d. h. an zwei voneinander unabhängigen, gleichzeitig wirksamen
Stellen zum Entstehen kommt. Infolgedessen werden nicht nur die Moleküle der beiderseits
der Vorrichtung befindlichen Gase nicht mehr in einem mittleren Ringraum zur Vereinigung
kommen können, sondern sie können sich überhaupt nur über einen großen Durchgangswiderstand
darbietenden Weg, d. h. über die nicht genutete mittlere Zone der Muffeninnen- oder
der Wellenaußenfläche vermischen. Diese Vermischung der Gase erweist sich aber als
vollständig vernachlässigbar, da einerseits der sie herbeiführenden gegenseitigen
Diffusion der Gase sich die starke Hemmwirkung des allein hierfür verfügbaren Übergangskanals
widersetzt und anderseits die Drücke zu beiden Seiten dieses Kanals außerordentlich
gering sind.
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Die Wellenspaltdichtung nach der Erfindung erreicht somit ohne die
nach Patent 1069 968 vorzusehende vollständig geschlossene mittlere Ringkammer
die vollständige und dauernde Vermeidung auch des kleinsten Gasübertrittes von der
einen zur anderen der zwei durch eine Wand mit Wellendurchgang zu trennenden Gasatmosphären.
Dabei weist sie in mechanischer Hinsicht den weiteren Vorteil gegenüber der Vorrichtung
nach dem Hauptpatent auf, so daß das Spiel zwischen der festen Muffe und dem von
dieser umschlossenen Teil der umlaufenden Welle erheblich ohne Verminderung der
Dichtungswirkung vergrößert werden kann, was die Herstellung und den Zusammenbau
von Muffe und Welle erleichtert.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Wellenspaltdichtung nach der Erfindung
in einem Achsschnitt beispielsweise in einer Ausführungsform, bei der es sich um
den hermetischen Abschluß des Körpers eines ein Gas mit niederem Druck, z. B. Uran-Hexafluorid,
in Umlauf setzenden drehbaren Verdichters von einer mit Stickstoff von niederem
Druck gefüllten Kammer handelt.
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Gemäß der Zeichnung durchsetzt die umlaufende lotrechte Welle
11 eines nicht näher dargestellten Verdichters eine glatte Bohrung 12 einer
Wand 13, welche eine auf ihrer einen in der Zeichnung unteren Seite vorhandene,
unter einem absoluten Druck von einigen Zentimetern Quecksilbersäule stehende Atmosphäre
von Uran-Hexafluorid UF6 und eine an ihrer anderen Seite unter einem Druck gleicher
Größe oder Größenordnung vorgesehene Atmosphäre von Stickstoff N voneinander trennt.
In der Bohrung 13 ist die Welle 11 durch ein Kugellager 14 abgestützt und
zentriert, das in einer gegenüber der Bohrung verbreiterten Aussparung 15
der Wand 13 sitzt, und in dem von der glatten Bohrung 12 umschlossenen
Teil 16 der Welle 11 sind zwei schraubenlinige Nuten 17 und 17a ausgespart,
und die Kopfflächen der sie begrenzenden Rippen liegen auf einem mit geringem Spiel
zur Bohrung 12 konzentrischen Zylinder.
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Die beiden nach Schraubenlinien von entgegengesetzter Steigung verlaufenden
Nuten 17 und 17a gehen von zwei beiderseits einer mittleren nicht genuteten Zone
19 des Wellenteiles 16 gelegenen Punkten 18 und 18a aus und erstrecken
sich von diesen bis nach den Enden der Bohrung 12 in einem der Drehung der
Welle 11 entgegengesetzten Windungssinn. Dabei nimmt die Tiefe der Nuten
17 und 17a von den Punkten 18 und 18 a aus mit fortschreitender
Schraubenlinie nach den beiden Enden der Bohrung 12 hin ab, und die Zahl
der Windungen der nach der Stickstoffatmosphäre hin auslaufenden Nut 17 ist größer
als die Zahl der Windungen der nach der Uran-Hexafluorid-Atmosphäre hinendenden
Nut 17a.
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Diese Wellenspaltdichtung kann beispielsweise bei gleichem, 40 mm
Hg betragendem Druck der Stickstoff- und Uran-Hexafluorid-Atmosphäre und bei einer
mit einer Drehzahl von 6000 je Minute umlaufenden Welle 11 praktisch, wie
folgt, ausgeführt sein: Spiel zwischen Wellenteil 16
und Bohrungswandung
12 ... 0,06 mm Länge des Wellenteils 16 ...... 300 mm Durchmesser
des Wellenteils 16 140 mm Gewindesteigung der schraubenlinigen Nuten 17 und
17a .... 15 mm Breite der Nuten 17 und 17a ... 7,5 mm Gesamtzahl der
Windungen der nach Stickstoffatmosphäre auslaufenden Nut 17 . . . . . . .
. . . . 10 mm 3 Windungen mit konstanter Tiefe von .................. 0,7 mm 4 Windungen
mit Zunahme der Tiefe von . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,7 bis 4 mm 3 Windungen
mit konstanter Tiefe von . . . . . . . . . . . . . . . 4 mm Gesamtzahl der Windungen
der nach Uran-Hexafluorid-Atmosphäre hin endenden Windun-, gen . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 8,5 mm 3 Windungen mit konstanter Tiefe von ..................
0,7 mm 3g/4 Windungen mit Zunahme der Tiefe von . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 0,7 bis 7 mm '1g/4 Windungen mit konstanter Tiefe von .................. 7 mm
Die Zahlenwerte dieser Parameter sind in jedem Einzelfall in Abhängigkeit von dem
in den zu trennenden Räumen herrschenden Druck, dem in der mittleren nicht genuteten
Zone 19 des Wellenteiles 16 zur Begrenzung der Dichtungsverluste auf den beabsichtigten
Wert notwendigen Druck, dem zwischen der Bohrung 12 der Wandung 13 und dem Wellenteil
16 angenommenen Spiel, dem Durchmesser des Wellenteiles 16, von der
Drehgeschwindigkeit der Welle 11 und der Natur der zu trennenden Gase zu berechnen.
Dabei müssen, wenn diese Faktoren sich ändern, die verschiedenen, nach ihnen zu
bestimmenden Parameter für die bauliche Ausführung der Wellenspaltdichtung nach
folgenden Gesichtspunkten Veränderungen erfahren: 1. Eine Steigerung des Druckes
in den zu trennenden Räumen erfordert für ein bestimmtes Spiel zwischen dem Teil
16 der Welle 11 und der Böhrung 12 der Wand 13 eine Vergrößerung der Zahl der eine
konstante Tiefe aufweisenden Windungen der schraubenlinigen Nuten 17 und 17 a an
den beiden
Enden des Wellenteiles 16 und damit dessen Verlängerung.
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2. Eine Verminderung des in der mittleren Zone 1.9 des Wellenteiles
16 notwendigen Druckes bedingt zwangläufig eine Vermehrung der Zahl der von dieser
Zone 19 ausgehenden Windungen konstanter Tiefe bei den zwei schraubenlinigen Nuten
17 und 17a.
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3. Eine Vergrößerung des Spieles zwischen dem Wellenteil 16 und der
Wandungsbohrung 12 verlangt, wenn der gleiche Druck in der Mitte und die gleichen
Gegendrücke an den beiden Enden des Wellenteiles 16 herrschen sollen, eine Vermehrung
der Gesamtzahl der Windungen der zwei schraubenlinigen Nuten 17 und 17 a und damit
eine Vergrößerung der Länge des Wellenteiles 16.
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4. Eine Steigerung der Drehgeschwindigkeit verbessert für ein bestimmtes
Spiel zwischen dem Wellenteil 16 und der Wandungsbohrung 12 und für einen gegebenen
Durchmesser des Wellenteiles 16 die Leistung der Pumpe, was eine Verringerung der
Zahl der Windungen und damit eine Verkürzung der Länge des Wellenteiles 16 ermöglicht.
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5. Hinsichtlich der Natur der zu trennenden Gase gilt, daß die mittlere
Zone 19 des Wellenteiles 16 am wirksamsten für die schweren Gase ist und für diese
die Zahl der von dieser Zone ausgehenden Windungen der schraubenlinigen Nuten 17
und 17a kleiner als bei einem leichten Gas sein kann, wobei aber diese Windungen
tiefer für das schwere Gas sein müssen.
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6. Die Gewindesteigung und die Breite der schraubenlinigen Nuten 17
und 17 a werden empirisch bestimmt und können als feste Parameter angesehen werden.
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7. Da bei dem Vorgang der Mitnahme von Molekülen durch eine bewegliche
Wand, deren lineare Geschwindigkeit zur Wirkung kommt, können die Umlaufgeschwindigkeit
der Welle 11 und der Durchmesser des genuteten Wellenteiles 16 nicht voneinander
unabhängig sein.