DE19502243A1

DE19502243A1 - Mehrstufige Magnetfluid-Dichtung

Info

Publication number: DE19502243A1
Application number: DE1995102243
Authority: DE
Inventors: Naoki Hori
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 1995-08-03
Also published as: JPH07217747A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfluid-Dichtung für das Bilden einer hermetischen Abdichtung zwischen rela tiv zueinander bewegbaren Teilen. Insbesondere ist die Er findung auf Verbesserungen einer Magnetfluid-Dichtung in mehrstufiger Ausführung gerichtet, die dazu geeignet ist, einer hohen Druckdifferenz zu widerstehen.

Magnetfluid-Dichtungen wurden weit verbreitet als hermeti sche Dichtungen zwischen relativ zueinander bewegbaren Tei len eingesetzt. Eines dieser Teile kann typischerweise eine bewegbare Achse sein, während das andere ein zugehöriges ortsfestes Gehäuse ist.

In Fällen, bei denen eine hohe Druckdifferenz auftritt, wurden gewöhnlich Magnetfluid-Dichtungen in mehrstufiger Ausführung verwendet, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 620 584 von Rosensweig und der JP-OS 1-220 777 beschrieben sind. Eine mehrstufige Magnetfluid-Dichtung enthält typi scherweise ein axialmagnetisiertes Ringsegment eines Perma nentmagneten, das zwischen ein Paar von gegenüberliegenden ringförmigen Magnetpolschuhen eingefügt ist, die die Achse mit einem kleinen radialen Zwischenabstand umgeben. Typi scherweise ist die Achse mit einer Reihe von Umfangsnuten versehen, die voneinander beabstandet sind, um eine Reihe von gesonderten Ringvorsprüngen zu bilden, von denen jeder mit der Innenfläche der Polschuhe zum Bilden eines Ring spaltes zusammenwirkt, über den hinweg von dem Permanentma gneten ein Magnetfeld errichtet wird. Jeder dieser Spalte ist durch ein darin durch die Wirkung des Magnetfeldes ge haltenes magnetisches Fluid abgedichtet, so daß eine Reihe von gesonderten ringförmigen Zwischenräumen gebildet ist.

In einer Magnetfluid-Dichtung in mehrstufiger Ausführung ist gemäß der Beschreibung in der vorstehend genannten JP-OS 1-220 777 die an der Dichtung wirkende Druckdifferenz durch eine Vielzahl von Zwischenräumen unterteilt und über die Vielzahl der Zwischenräume verteilt, so daß jede Stufe nur einem Bruchteil der Druckdifferenz ausgesetzt ist. Dem zufolge ist die mehrstufige Magnetfluid-Dichtung als ganze dazu geeignet, einer hohen Druckdifferenz zu widerstehen.

Gemäß der Beschreibung in der vorstehend genannten JP-OS 1-220 777 sind die Bemessungsparameter der herkömmlichen mehrstufigen Magnetfluid-Dichtungen so gewählt, daß die axiale Dicke der Ringvorsprünge 0,25 mm beträgt, während die radiale Höhe der Ringvorsprünge 0,5 mm ist und die axiale Länge der Zwischenräume 0,75 mm beträgt.

Mehrstufige Magnetfluid-Dichtungen werden typischerweise bei der Halbleiterherstellung verwendet. Beispielsweise werden Halbleiterplättchen in eine Vakuumkammer mit einem Hochvakuum in der Größenordnung von 133×10^-6 bis 133×10^-8 Pa eingelegt und den verschiedenen Prozessen zum Herstellen von integrierten Schaltungen unterzogen wie einer Plasmaätzung, einer chemischen oder physikalischen Bedampfung, einer Kathodenzerstäubung, einer Ionenimplanta tion usw. In anderen Fällen wird in einer Hochvakuumkammer die Kristallzüchtung eines Einkristall-Halbleiters ausge führt. Bei diesen Anwendungsfällen wird eine mehrstufige Magnetfluid-Dichtung zum Abdichten einer Achse verwendet, die sich zum Bewegen oder Ausrichten der Werkstücke in der Vakuumkammer aus der Umgebungsatmosphäre in die Hochvakuum kammer hinein erstreckt.

Das den herkömmlichen mehrstufigen Magnetfluiddichtungen anhaftende Problem besteht darin, daß dann, wenn die Achse gedreht wird, das in irgendeinem der Dichtungsspalte gehal tene magnetische Fluid unvermeidbar unter der Einwirkung der zwischen den beiden benachbarten Zwischenräume beste henden Teildruckdifferenz von Zeit zu Zeit durchbrochen wird. Ein derartiges Durchbrechen des magnetischen Fluids ist in der Technik als Bersten bekannt. Einer der Gründe hierfür besteht darin, daß infolge der Vibration der Achse, die irgendeine Exzentrizität derselben ergeben könnte, der radiale Abstand des Dichtungsspaltes schwankt, wodurch die Druckwiderstandsfähigkeit einer bestimmten Stufe gelegent lich verringert ist und durch die Teildruckdifferenz über wunden wird.

Sobald das magnetische Fluid in irgendeiner der Dichtungs spalten durchbrochen ist, kann eine Gasmenge (Luftmenge) aus dem stromauf gelegenen Zwischenraum zu dem stromab ge legenen Raum hindurchtreten, was in dem nachfolgenden Zwi schenraum einen Druckanstieg ergibt. Dies wurde aufeinan derfolgend in den nachfolgenden Stufen das Auftreten eines Durchbruchs auslösen. Das Austreten von Gas durch die End stufe hindurch wurde das Ausstoßen einer geringen Gasmenge in die Hochvakuumkammer ergeben, wodurch eine Verschmutzung der Vakuumkammer verursacht wäre. Eine Verschmutzung des Vakuums ist strengstens verboten, da nur einige wenige Moleküle von Verunreinigungsgas die integrierten Schaltun gen oder die Einkristalle von Halbleitern mit hohem Rein heitsgrad verschlechtern oder stark beschädigen würden.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte mehrstufige Magnetfluiddichtung zu schaffen, die einen hohen Grad an Druckwiderstandsfähigkeit hat und die dazu geeignet ist, das Auftreten von Durchbrüchen auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

Ferner soll mit der Erfindung eine verbesserte mehrstufige Magnetfluid-Dichtung geschaffen werden, die dazu geeignet ist, in dem Fall, daß unvermeidbar ein Durchbruch auftritt, das Ausmaß des Austretens von Verunreinigungsgas auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Bei den meisten Anwendungsfällen der Magnetfluid-Dichtungen ist es erwünscht, die Gesamtab messungen eines Systems so kompakt wie möglich zu halten, in welches die Magnetfluid-Dichtungen eingebaut sind. Dies gilt insbesondere bei einem System zur Halbleiterherstel lung, bei dem eine Vakuumkammer mit verschiedenerlei Pro zeßvorrichtungen verbunden ist. Demzufolge soll mit der Er findung eine mehrstufige Magnetfluid-Dichtung geschaffen werden, die kompakt bemessen ist und einen geringen Drehmo mentverlust ergibt.

Mit der Erfindung wird eine verbesserte Magnetfluid-Dich tung in mehrstufiger Ausführung geschaffen. Die erfindungs gemäßen Merkmale bestehen darin, daß die Magnetfluid-Dich tung zum Erfüllen von mindestens einer der folgenden Bedin gungen bemessen und dimensioniert ist:
Die axiale Dicke von Ringvorsprüngen beträgt 0,13 bis 0,24 mm, vorzugsweise 0,13 bis 0,23 mm und am besten 0,14 bis 0,22 mm,
die radiale Höhe der Ringvorsprünge beträgt 0,28 bis 0,47 mm, vorzugsweise 0,30 bis 0,45 mm und
die axiale Länge der Zwischenabstände beträgt 0,38 bis 0,69 mm, vorzugsweise 0,45 bis 0,65 mm.

Mit den vorstehend genannten Bemessungsparametern wird die Magnetflußdichte in den Dichtungsspalten maximal, so daß das magnetische Fluid in den Dichtungsspalten stark festge halten wird. Demgemäß wird ein hoher Grad an Druckwider standsfähigkeit erzielt. Da das Volumen der Zwischenab stände im Vergleich zu dem herkömmlichen Aufbau verringert wird, wird im Falle eines Durchbruches die Menge an austre tendem Gas beträchtlich verringert.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich er läutert.

Fig. 1 ist eine teilweise weggeschnitten dargestellte Quer schnittsansicht der erfindungsgemäßen mehrstufigen Magnet fluid-Dichtung.

Fig. 2 ist eine Teilquerschnittsansicht eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Magnetfluid-Dichtung in stark vergröß ertem Maßstab.

Fig. 3A ist eine Teilquerschnittsansicht eines Teils der in Fig. 2 dargestellten Magnetfluid-Dichtung in einem weiter vergrößerten Maßstab.

Fig. 3B ist eine graphische Darstellung, die Abweichungen der Stärke des Magnetfelds zeigt, die in Schnitten A-A und B-B in Fig. 3A entstehen, wobei die Ordinate die Magnet feldstärke darstellt.

Fig. 4A bis 4C sind graphische Darstellungen, die Änderun gen des Grades der Druckwiderstandsfähigkeit bei einer je weiligen Änderung einer axialen Dicke L_t und einer radialen Höhe L_h von Ringvorsprüngen bzw. einer axialen Länge L_s von Zwischenräumen veranschaulichen.

In Fig. 1 ist eine mehrstufige Magnetfluid-Dichtung als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei dem dar gestellten Ausführungsbeispiel ist die allgemein mit 10 be zeichnete Magnetfluid-Dichtung eine in eine Bohrung einge setzte Dichtung, die zwischen eine Drehachse 12 und ein ortsfestes Gehäuse 14 eingebaut ist, wobei jedoch ersicht lich ist, daß die Erfindung gleichermaßen bei einer Magnet fluid-Dichtung anwendbar ist, die an einer Achse angebracht ist und die zwischen eine feststehende Achse und ein beweg tes Gehäuse eingebaut ist. Typischerweise wird die Magnet fluid-Dichtung 10 als hermetische Dichtung zwischen einem Hochvakuum 16 wie einer Vakuumkammer und einer Umgebungsat mosphäre 18 eingesetzt.

Die Achse 12 wird auf herkömmliche Weise mittels nicht dar gestellter Radiallager und/oder Axiallager zu einer Drehbe wegung in bezug auf das Gehäuse 14 gelagert. Die Achse be steht aus einem magnetisch permeablen Material, vorzugs weise aus einer korrosionsbeständigen ferromagnetischen Le gierung mit hoher magnetischer Sättigung, wie martensiti schem rostfreien Stahl, ferritischem rostfreien Stahl und ausscheidungsgehärtetem rostfreien Stahl.

Die Magnetfluid-Dichtung 10 ist im Aufbau im wesentlichen mit den herkömmlichen Dichtungen mit der Ausnahme der nach folgend beschriebenen Bemessungsparameter identisch. Daher enthält die Magnetfluid-Dichtung 10 eine Magnetflußquelle wie ein axial polarisiertes Ringsegment eines Permanentma gneten 20. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Permanentmagnetsegment 20 fest in einer Bohrung 22 des Gehäuses 14 angebracht. Vorzugsweise besteht der Permanent magnet 20 aus einem gesinterten Segment einer magnetischen Intermetallverbindung aus Seltenerdenmetallen wie SmCo₅, Sm₂Co₁₇, Nd₂Fe₁₄B, Nd₂Fe₁₄C, SmTiFe₁₁, Sm₂Fe₁₇N_2,5, Sm₂Fe₁₇C_2,2 und NdTiFe₁₁N_0,8 oder kann aus einem Verbund- Permanentmagnetseg ment bestehen, in welchem Teilchen einer solchen magneti schen intermetallischen Verbindung aus Seltenerdenmetallen durch ein Bindemittel wie Kunststoff, Kautschuk oder der gleichen fest miteinander verbunden sind.

Die Magnetfluid-Dichtung 10 enthält ferner ein Paar von ma gnetisch permeablen Ringpolschuhen 24 und 26, die im Preß sitz fest mit der Bohrung 22 in hermetischer Abdichtung zu dem Gehäuse 14 beiderseits des Permanentmagneten 20 einge setzt sind. Gleichermaßen wie die Achse bestehen die Pol schuhe 24 und 26 vorzugsweise aus einer korrosionsbeständi gen ferromagnetischen Legierung mit einer hohen magneti schen Sättigung.

Wie es am besten in Fig. 2 in einem stark vergrößerten Maßstab dargestellt ist, ist eine Innenfläche 28 der Pol schuhe 24 und 26 radial von einer Außenfläche 30 der Achse 12 beabstandet, um einen kleinen radialen Spielraum L_g zwi schen diesen zu bilden, so daß die Achse 12 ohne Störung durch die Polschuhe drehbar ist. Die Achse 12 ist an ihrer Außenfläche mit zwei Reihen von Umfangsnuten 32 versehen, die voneinander axial beabstandet sind, um eine Reihe von einzelnen Ringvorsprüngen 34 zu belassen. Bei dem darge stellten Ausführungsbeispiel sind für jeden Teil der Achse 12, der der Innenfläche des jeweiligen Polschuhes 24 und 26 gegenübersteht, zehn derartige Vorsprünge 34 vorgesehen. Jede der Vorsprünge 34 wirkt mit der Innenfläche 28 des Polschuhes zum Bilden eines ringförmigen Dichtungsspaltes 36 zusammen. Bei dieser Anordnung entsteht ein Magnetfluß weg über die Dichtungsspalte 36, um ein radial gerichtetes Magnetfeld zu errichten. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 1 nur einer dieser Wege durch eine gestrichelte Linie 38 dargestellt.

Durch die Wirkung des Magnetfeldes wird in jedem der Dich tungsspalte 36 eine Menge an magnetischem Fluid 40 festge halten, so daß zwischen der Achse und den jeweiligen Pol schuhen eine Reihe von einzelnen ringförmigen Zwischenräu men 42 gebildet wird, wie es am besten in Fig. 2 darge stellt ist. In Fig. 2 ist schematisch der Querschnittsumriß des magnetischen Fluids 40 unter der Annahme eines Zustan des dargestellt, bei dem zwischen den benachbarten Zwi schenräumen 42 keine Druckdifferenz besteht. Ein bevorzug tes Beispiel für das magnetische Fluid ist in den US-PS 4 956 113, 4 976 883 und 5 240 628 beschrieben. Bei dem dar gestellten Ausführungsbeispiel sind für jeden der Polschuhe 24 und 26 neun derartige Zwischenräume 42 ausgebildet, wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist. Jeder Zwischenraum 42 bildet zusammen mit dem magnetisch in den benachbarten beiden Dichtungsspalten 36 festgehaltenen magnetischen Fluid 40 eine einzelne Stufe der mehrstufigen Magnetfluid-Dichtung 10.

Gemäß Fig. 2 hat jeder der Ringvorsprünge 34 eine axiale Dicke L_t und eine radiale Höhe L_h, während die Zwischenräume 42 jeweils eine axiale Länge L_s haben.

Erfindungsgemäß wird im Gegensatz zu der bei der herkömmli chen mehrstufigen Magnetfluid-Dichtungen angewandten axia len Dicke L_t von 0,25 mm die axiale Dicke L_t der Ringvor sprünge 34 zu 0,13 bis 0,24 mm, vorzugsweise zu 0,13 bis 0,23 mm und am besten zu 0,14 bis 0,22 mm gewählt. Außerdem wird im Gegensatz zu der radialen Höhe L_h von 0,50 mm, die bei den herkömmlichen mehrstufigen Magnetfluid-Dichtungen verwendet wird, die radiale Höhe L_h der Ringvorsprünge 34 zu 0,28 bis 0,47 mm, vorzugsweise zu 0,30 bis 0,45 mm ge wählt. Weiterhin wird im Gegensatz zu der axialen Länge L_s von 0,75 mm, die bei den herkömmlichen mehrstufigen Magnet fluid-Dichtungen angewandt wird, die axiale Länge L_s der Zwischenräume 42 zu 0,38 bis 0,69 mm, vorzugsweise zu 0,45 bis 0,65 mm gewählt.

Der Mechanismus des Durchbruches sowie die Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf Fig. 3A und 3B be schrieben, von denen Fig. 3A schematisch in einem stark vergrößertem Maßstab die Lage des magnetischen Fluids 40 in dem Fall darstellt, daß es einer Vorspannungskraft infolge der Teildruckdifferenz zwischen irgendwelchen zwei aufein anderfolgenden Zwischenräumen 42 ausgesetzt ist, während Kurven A-A und B-B in Fig. 3B die Magnetfeldstärke darstel len, die entlang von Schnitten A-A und B-B in Fig. 3A ent steht.

Wie es aus gestrichelten Linien 44 ersichtlich ist, die den Magnetflußweg zwischen dem Polschuh 24 und dem Vorsprung 34 darstellen, ist entlang der Innenfläche 28 (des Schnittes A-A) des Polschuhes 24 die Magnetflußdichte an einem mitti gen Punkt 46 am größten, der in der Mitte der Fläche des Vorsprunges 34 liegt. Zu den beiden Seiten des mittleren Punktes 46 hin nimmt dann die Magnetflußdichte allmählich ab. Demzufolge ändert sich die Magnetfeldstärke entlang der Innenfläche 28 des Polschuhes gemäß der Darstellung durch die Kurve A-A in Fig. 3B. Andererseits hat die Magnetfluß dichte entlang des Schnittes B-B Höhepunkte an beiden seit lichen Rändern 48 und 50 des Vorsprungs 34, so daß sich die Magnetfeldstärke entlang der Außenfläche 30 gemäß der Dar stellung durch die Kurve B-B in Fig. 3B ändert.

Wenn zwischen irgendwelchen zwei nebeneinander liegenden Zwischenräumen 42 eine Teildruckdifferenz entsteht, wird gemäß der Darstellung in Fig. 3A die Masse des magnetischen Fluids 40 von der Hochdruckseite zu der Niederdruckseite hin versetzt. Bei einem Gleichgewichtszustand ist die Masse des magnetischen Fluids in der Gegenrichtung zu einer ma gnetischen Anziehungskraft versetzt, deren Stärke zu der Differenz zwischen der Magnetfeldstärke an einer Fläche 52 des magnetischen Fluids 40 an der Hochdruckseite und der Magnetfeldstärke an einer Fläche 54 desselben an der Nie derdruckseite proportional ist.

Die Druckwiderstandsfähigkeit des magnetischen Fluids 40 bei dem magnetischen Festhalten in dem Dichtungsspalt 36 unter der Einwirkung des Magnetfeldes ist durch die maxi male Differenz zwischen der Magnetfeldstärke an der Fläche 52 an der Hochdruckseite und der Magnetfeldstärke an der Fläche 54 an der Niederdruckseite bestimmt. Sobald die Teildruckdifferenz die Druckwiderstandsfähigkeit des magne tischen Fluids übersteigt, wird die Masse des magnetischen Fluids durchbrochen oder durchlöchert, was gemäß der Dar stellung in Fig. 3A das Hindurchtreten von Luftbläschen 56 durch die Masse des magnetischen Fluids von dem Zwischen raum an der Hochdruckseite zu dem Zwischenraum an der Nie derdruckseite zuläßt.

Bei der axialen Dicke L_t der ringförmigen Vorsprünge 34, die erfindungsgemäß gleich 0,24 mm oder weniger beträgt, wird der durch den Permanentmagneten 20 hervorgerufene Ma gnetfluß wirkungsvoll in den Dichtungsspalten 36 derart konzentriert, daß im Vergleich zu der herkömmlichen Ausle gung die Magnetflußdichte an der Fläche 52 des magnetischen Fluids an der Hochdruckseite erhöht ist. Demzufolge wird eine höhere Druckwiderstandsfähigkeit erzielt. Falls jedoch die axiale Dicke L_t kleiner als 0,13 mm ist, wäre die ma gnetische Permeabilität der Ringvorsprünge 34 infolge der magnetischen Sättigung derselben verringert, so daß der Ma gnetfluß seitlich aus den Vorsprüngen heraus 34 in die Zwi schenräume austreten würde. Dies ist unerwünscht, da die aus dem Permanentmagneten 20 verfügbare begrenzte magneti sche Kraft nicht wirkungsvoll genutzt wird, weil der seit lich austretenden Magnetfluß hinsichtlich des magnetischen Anziehens des magnetischen Fluids nutzlos ist. Eine hohe Druckwiderstandsfähigkeit ist mit einer axialen Dicke L_t von 0,13 bis 0,24 mm, vorzugsweise von 0,13 bis 0,23 mm und am besten von 0,24 bis 0,22 mm erzielbar, wie es nachfol gend unter Bezugnahme auf Versuchsergebnisse beschrieben wird. Die Verringerung der axialen Dicke L_t ist auch da durch vorteilhaft, daß die Magnetfluid-Dichtung 10 durch die Verringerung der axialen Länge der Polschuhe 24 und 26 kompakt gestaltet werden kann und daß durch die Verringe rung der Berührungsfläche des magnetischen Fluids der Drehmomentverlust verringert wird.

Durch die erfindungsgemäße Verringerung der radialen Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge 34 wird auf vorteilhafte Weise die magnetische Permeabilität der Vorsprünge 34 in radialer Richtung im Vergleich zu der herkömmlichen Anord nung erhöht. Dies wiederum erlaubt eine Erhöhung der Ma gnetflußdichte über die Dichtungsspalte 36, so daß sich eine höhere Druckwiderstandsfähigkeit ergibt. Falls jedoch die radiale Höhe L_h kleiner als 0,28 mm gewählt wird, würde der magnetische Widerstand der Ringnuten 32 in der radialen Richtung dem magnetischen Widerstand der Dichtungsspalte 36 in der radialen Richtung nahe kommen, was zur Folge hätte, daß der Magnetfluß von den Vorsprüngen 34 weg in die Zwi schenräume hinein austreten könnte. Infolge dessen wird eine hohe Druckwiderstandsfähigkeit mit der radialen Höhe L_h von 0,28 bis 0,47 mm, vorzugsweise von 0,30 bis 0,45 mm erzielt, wie es nachfolgend dargestellt ist. Die Verringe rung der radialen Höhe L_h ist auch hinsichtlich des Verrin gern des Volumens der Zwischenräume 42 wirkungsvoll, so daß im Falle eines Durchbruches, der in der Endstufe der Ma gnetfluid-Dichtung auftritt, die Menge an Gas auf ein Min destmaß herabgesetzt ist, die unbeabsichtigt in die Vakuum kammer 16 austritt.

Die erfindungsgemäße Verringerung der axialen Länge L_s der Zwischenräume 42 dient dazu, die magnetische Permeabilität der Achse 12 in der axialen Richtung zu erhöhen. Dies bün delt auf vorteilhafte Weise den Magnetfluß in den Dich tungsspalten 36, wodurch die Magnetkraft des Permanentma gneten 20 vollständig zum Erzielen einer hohen Druckwider standsfähigkeit genutzt wird. Falls jedoch die axiale Länge L_s der Zwischenräume 42 kleiner als 0,38 mm gemacht wird, dann würden die aufeinanderfolgenden ringförmigen Vor sprünge 34 einander magnetisch beeinflussen, wodurch der Magnetfluß von den ringförmigen Vorsprüngen 34 weg austre ten würde. Die bevorzugte axiale Länge L_s der Zwischenräume beträgt 0,38 bis 0,69 mm, am besten 0,45 bis 0,65 mm, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf die Versuchsergebnisse beschrieben wird. Die Verringerung der axialen Länge L_s der Zwischenräume 42 zwischen den Stufen ist auch dadurch vor teilhaft, daß die Magnetfluid-Dichtung 10 kompakt gestaltet werden kann und daß die aus tretende Gasmenge im Falle eines Durchbruches auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist.

Die mehrstufige Magnetfluid-Dichtung wurde unter Änderung der Abmessungsparameter untersucht. Es wurden dreierlei Permanentmagente 20 verwendet, einschließlich eines Magne ten aus mit Kunststoff gebundenem Sm₂Co₁₇ mit einem maxima len magnetischen Energieprodukt von 76 kJ/m³, eines Magne ten aus gesintertem Sm₂Co₁₇ mit einem maximalen magnetischen Energieprodukt von 175 kJ/m³ und eines Magneten aus gesin tertem Nd₂Fe₁₄B mit einem maximalen magnetischen Energiepro dukt von 310 kJ/m³. Die Achse 12 sowie die Magnetpolschuhe 24 und 26 waren aus martensitischem rostfreien Stahl herge stellt. Der radiale Abstand L_g der Dichtungsspalten 36 wurde zu 0,02 mm, 0,06 mm oder 0,10 mm gewählt.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Versu che, bei denen die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vor sprünge 34 von 0,10 mm bis 0,30 mm geändert wurde, während die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge 34 und die axiale Länge L_s der Zwischenräume 42 jeweils zu 0,50 mm und 0,75 mm gewählt wurden, um mit den herkömmlichen Bemes sungsparametern vergleichen zu können, die in der vorange hend genannten JP-OS 1-220 777 offenbar sind. In der Ta belle 1 wurden das Verhältnis der Erhöhung der Druckwider standsfähigkeit, das Verhältnis der Verringerung der axia len Länge und das Verhältnis der Verringerung des Drehmo mentverlustes für alle untersuchten Magnetfluid-Dichtungen 10 in bezug auf die Druckwiderstandsfähigkeit, die axiale Länge bzw. den Drehmomentverlust berechnet, welche mit einer Magnetfluid-Dichtung mit der herkömmlichen axialen Dicke L_t von 0,25 mm erzielt werden können.

Tabelle 1

Wie aus den in Fig. 1 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist, ist dann, wenn erfindungsgemäß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vorsprünge 34 auf 0,13 bis 0,24 mm gewählt wurde, im Vergleich zu der herkömmlichen axialen Dicke L_t von 0,25 mm die Druckwiderstandsfähigkeit der Magnetfluid- Dichtung verbessert und die axiale Länge und der Drehmo mentverlust sind verringert.

Die erfindungsgemäße Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit wird leichter aus Fig. 4A ersichtlich, in der das in der Tabelle 1 angegebenen Verhältnis der Erhöhung der Druckwi derstandsfähigkeit aufgetragen ist, wobei die Kreispunkte das Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit darstellen, die bei dem radialen Abstand L_g von 0,02 mm er zielt wird, die Dreieckpunkte diejenige Erhöhung darstel len, die bei dem radialen Abstand L_g von 0,06 mm erzielt wird, und die Recheckpunkte diejenige Erhöhung darstellen, die bei dem radialen Abstand L_g von 0,10 mm erzielt wird. Aus der Fig. 4A ist ersichtlich, daß das Verhältnis der Steigerung der Druckwiderstandsfähigkeit einen maximalen bzw. Spitzenwert annimmt, wenn die axiale Dicke L_t 0,13 bis 0,24 mm, vorzugsweise 0,13 bis 0,23 mm und am günstigsten 0,14 bis 0,22 mm beträgt.

Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse einer ande ren Reihe von Versuchen, bei denen die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge 34 von 0,20 mm bis 0,60 mm verän dert wurde, während die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vorsprünge 34 und die axiale Länge L_s der Zwischenräume 42 jeweils gleich den herkömmlichen Werten von 0,25 mm bzw. 0,75 mm gewählt wurden. In der Tabelle 2 wurden jeweils das Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit und das Verhältnis der Verringerung der Gasaustrittsmenge je Durchbruch in bezug auf die Druckwiderstandsfähigkeit und die Gasaustrittsmenge berechnet, welche mit einer Magnet fluid-Dichtung mit der herkömmlichen radialen Höhe L_h von 0,50 mm erzielt werden können.

Tabelle 2

Wie aus den in Tabelle 2 dargestellten Ergebnissen ersicht lich ist, ist dann, wenn erfindungsgemäß die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge 34 zu 0,28 bis 0,47 mm ge wählt wird, im Vergleich zu der radialen Höhe L_h von 0,50 mm die Druckwiderstandsfähigkeit der Magnetfluid-Dichtung verbessert und die Gasaustrittsmenge je Durchbruch verrin gert.

Die Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit ist gleicherma ßen leicht aus Fig. 4B zu ersehen, in der das in Tabelle 2 angegebene Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfä higkeit auf gleiche Weise wie in Fig. 4A aufgetragen ist, wobei das Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfä higkeit, das bei dem radialen Abstand L_g von 0,02 mm erzielt wird, durch die Kreispunkte dargestellt ist, das Verhält nis, das bei dem radialen Abstand L_g von 0,06 mm erzielt wird, mit den Dreieckpunkten dargestellt ist und das Ver hältnis, das bei dem radialen Abstand L_g von 0,10 mm er zielt wird, mit den Recheckpunkten dargestellt ist. Aus Fig. 4B ist ersichtlich, daß das Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit einen Spitzenwert hat, wenn die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge 34 0,28 bis 0,47 mm, vorzugsweise 0,30 bis 0,45 mm beträgt.

Die nachstehende Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse einer wei teren Reihe von Versuchen, bei denen die axiale Länge L_s der Zwischenräume 42 von 0,30 mm bis 0,90 mm verändert wurde, während die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vor sprünge 34 und die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vor sprünge 34 jeweils gleich den herkömmlichen Werten von 0,25 mm und 0,50 mm gewählt wurden. In der Tabelle 3 wurden das Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit, das Verhältnis der Verringerung der axialen Länge und das Ver hältnis der Verringerung der Gasaustrittsmenge je Durch bruch jeweils unter bezug auf die Druckwiderstandsfähig keit, die axiale Länge und die Gasaustrittsmenge je Durch bruch berechnet, welche mit einer Magnetfluid-Dichtung mit der herkömmlichen axialen Länge L₈ von 0,75 mm erzielt wer den können.

Tabelle 3

Aus den in Fig. 3 dargestellten Ergebnissen ist ersicht lich, daß dann, wenn erfindungsgemäß im Gegensatz zu der herkömmlichen axialen Länge L_s von 0,75 mm die axiale Länge L_s der Zwischenräume 42 0,38 bis 0,69 mm beträgt, die Druckwiderstandsfähigkeit der Magnetfluid-Dichtung erhöht ist und die axiale Länge und die Gasaustrittsmenge je Durchbruch verringert sind.

Die sich aus der erfindungsgemäßen Optimierung der axialen Länge L_s ergebende Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit ist leicht aus Fig. 4C ersichtlich, in der das in der Ta belle 3 angegebene Verhältnis der Erhöhung der Druckwider standsfähigkeit aufgetragen ist, wobei das Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfähigkeit bei dem radialen Ab stand L_g von 0,02 mm durch Kreispunkte und bei dem radialen Abstand L_g von 0,06 mm durch Dreieckpunkte dargestellt ist. Aus Fig. 4C ist ersichtlich, daß das Verhältnis der Erhö hung der Druckwiderstandsfähigkeit einen Maximalwert hat, wenn die axiale Länge L_s der Zwischenräume 42 0,38 bis 0,69 mm, vorzugsweise 0,45 bis 0,65 mm beträgt.

Die nachstehende Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse einer ande ren Reihe von Versuchen, bei denen die Magnetfluid-Dichtung derart ausgelegt und dimensioniert wurde, daß mehr als zwei der Dimensionierungsbedingungen für die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vorsprünge 34, die radiale Höhe L_h der ring förmigen Vorsprünge 34 und der axialen Länge L_s der Zwi schenräume 42 gemäß der Erfindung erfüllt wurden.

Tabelle 4

Wie aus der Tabelle 4 ersichtlich ist, sind dann, wenn zwei der drei erfindungsgemäßen Dimensionierungsbedingungen er füllt sind, die Druckwiderstandsfähigkeit der Magnetfluid- Dichtung um mehr als 9% erhöht und die Gasaustrittsmenge um mehr als 26% verringert. Es ist ferner ersichtlich, daß dann, wenn alle drei Dimensionierungsbedingungen erfüllt sind, das Verhältnis der Erhöhung der Druckwiderstandsfä higkeit sogar 15% und das Verhältnis der Verringerung der sich durch einen Durchbruch ergebenden Gasaustrittsmenge höher als 45% ist.

Während die Erfindung in bezug auf ein bestimmtes Ausfüh rungsbeispiel hiervon beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht hieraufbeschränkt und es können verschiedenerlei Ab wandlungen und Änderungen ohne Abweichung von dem Grundge danken der Erfindung vorgenommen werden. Wie es für den Fachmann leicht ersichtlich ist, können beispielsweise der Permanentmagnet und die zugehörigen Polschuhe an der Achse befestigt sein, während die Dichtungsspalte zwischen der Bohrung des Gehäuses und der Außenfläche der Polschuhe ge bildet sind. Auf ähnliche Weise können die Nuten statt an der Achse an der Innenfläche der Polschuhe ausgebildet sein.

Es wird eine Magnetfluid-Dichtung in mehrstufiger Ausfüh rung mit einem hohen Grad an Druckwiderstandsfähigkeit be schrieben. Die Magnetfluid-Dichtung enthält eine Vielzahl von ringförmigen Dichtungsspalten, in denen durch die Wir kung eines von einem Magneten errichteten Magnetfeldes ein magnetisches Fluid gehalten ist. Die Magnetfluid-Dichtung wird derart bemessen und dimensioniert, daß mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:
Die axiale Dicke L_t von ringförmigen Vorsprüngen beträgt 0,13 bis 0,24 mm, vorzugsweise 0,13 bis 0,23 mm und am gün stigsten 0,14 bis 0,22 mm,
die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge beträgt 0,28 bis 0,47 mm, vorzugsweise 0,30 bis 0,45 mm und
die axiale Länge L_s von Zwischenräumen beträgt 0,38 bis 0,69 mm, vorzugsweise 0,45 bis 0,65 mm.

Claims

1. Mehrstufige Magnetfluid-Dichtung mit einer Vielzahl von zwischen relativ zueinander bewegbaren Teilen (12, 14) ge bildeten ringförmigen Dichtungsspalten (36), wobei jeder der Dichtungsspalte durch ein magnetisches Fluid (40) ge dichtet ist, das darin durch ein über den Spalt errichtetes Magnetfeld gehalten ist, und wobei die Dichtungsspalte von einander axial durch eine Vielzahl von ringförmigen Zwi schenräumen (42) beabstandet sind, die jeweils zwischen aufeinander folgenden ringförmigen Vorsprüngen (34) gebil det sind, die an einem der bewegbaren Teile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfluid-Dichtung (10) zum Erfüllen von mindestens einer der Bedingungen,
daß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vorsprünge (34) 0,13 bis 0,24 mm beträgt,
daß die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge (34) 0,28 bis 0,47 mm beträgt und
daß die axiale Länge L_s der Zwischenräume (42) 0,38 bis 0,69 mm beträgt,
ausgelegt und dimensioniert ist.

2. Magnetfluid-Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vor sprünge (34) 0,13 bis 0,23 mm beträgt.

3. Magnetfluid-Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vor sprünge (34) 0,14 bis 0,22 mm beträgt.

4. Magnetfluid-Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Höhen L_h der ring förmigen Vorsprünge (34) 0,30 bis 0,45 mm beträgt.

5. Magnetfluid-Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge L_s der Zwi schenräume (42) 0,45 bis 0,65 mm beträgt.

6. Mehrstufige Magnetfluid-Dichtung mit einer Vielzahl von zwischen realtiv zueinander bewegbaren Teilen (12, 14) ge bildeten ringförmigen Dichtungsspalten (36), wobei jeder der Dichtungsspalte durch ein magnetisches Fluid (40) gedichtet ist, das darin durch ein über den Spalt errichtetes Magnetfeld gehalten ist, und wobei die Dichtungsspalte voneinander axial durch eine Vielzahl von ringförmigen Zwischenräumen (42) beabstandet sind, die jeweils zwischen aufeinanderfolgenden ringförmigen Vor sprüngen (34) gebildet sind, die an einem der bewegbaren Teile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfluid-Dichtung (10) derart ausgelegt und dimensio niert ist, daß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vor sprünge (34) 0,13 bis 0,24 mm beträgt.

7. Magnetfluid-Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vor sprünge (34) 0,13 bis 0,23 mm beträgt.

8. Magnetfluid-Dichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vor sprünge (34) 0,14 bis 0,22 mm beträgt.

9. Mehrstufige Magnetfluid-Dichtung mit einer Vielzahl von zwischen relativ zueinander bewegbaren Teilen (12, 14) ge bildeten ringförmigen Dichtungsspalten (36), wobei jeder der Dichtungsspalte durch ein magnetisches Fluid (40) ge dichtet ist, das darin durch ein über den Spalt errichtetes Magnetfeld gehalten ist, und wobei die Dichtungsspalte von einander axial durch eine Vielzahl von ringförmigen Zwi schenräumen (42) beabstandet sind, die jeweils zwischen aufeinanderfolgenden ringförmigen Vorsprüngen (34) gebildet sind, die an einem der bewegbaren Teile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfluid-Dichtung (10) derart ausgelegt und dimensioniert ist, daß die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vorsprünge (34) 0,28 bis 0,47 mm beträgt.

10. Magnetfluid-Dichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vor sprünge 0,30 bis 0,45 mm beträgt.

11. Mehrstufige Magnetfluid-Dichtung mit einer Vielzahl von zwischen relativ zueinander bewegbaren Teilen (12, 14) ge bildeten ringförmigen Dichtungsspalten (36), wobei jeder der Dichtungsspalte durch ein magnetisches Fluid (40) ge dichtet ist, das darin durch ein über den Spalt errichtetes Magnetfeld gehalten ist, und wobei die Dichtungsspalte von einander axial durch eine Vielzahl von ringförmigen Zwi schenräumen (42) beabstandet sind, die jeweils zwischen aufeinanderfolgenden ringförmigen Vorsprüngen (34) gebildet sind, die an einem der bewegbaren Teile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfluid-Dichtung (10) derart ausgelegt und dimensioniert ist, daß die axiale Länge L_s der Zwischenräume (42) 0,38 bis 0,69 mm beträgt.

12. Magnetfluid-Dichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die axiale Länge L_s der Zwischenräume (42) 0,45 bis 0,65 mm beträgt.

13. Mehrstufige Magnetfluid-Dichtung mit einer Vielzahl von zwischen relativ zueinander bewegbaren Teilen (12, 14) ge bildeten ringförmigen Dichtungsspalten (36), wobei jeder der Dichtungsspalte durch ein magnetisches Fluid (40) ge dichtet ist, das darin durch ein über den Spalt errichtetes Magnetfeld gehalten ist, und wobei die Dichtungsspalte von einander axial durch eine Vielzahl von ringförmigen Zwi schenräumen (42) beabstandet sind, die jeweils zwischen aufeinanderfolgenden ringförmigen Vorsprüngen (34) gebildet sind, die an einem der bewegbaren Teile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfluid-Dichtung (10) derart ausgelegt und dimensioniert ist, daß die axiale Dicke L_t der ringförmigen Vorsprünge (34) 0, 14 bis 0,22 mm beträgt, daß die radiale Höhe L_h der ringförmigen Vor sprünge 0,30 bis 0,45 mm beträgt und daß die axiale Länge L_s der Zwischenräume (42) 0,45 bis 0,65 mm beträgt.