DE2034213C3

DE2034213C3 - Magnetdichtung zur Abdichtung von Dichtungsspalten

Info

Publication number: DE2034213C3
Application number: DE19702034213
Authority: DE
Inventors: Ronald E. Lexington Mass. Rosensweig
Original assignee: FERROFLUIDICS CORP BURLINGTON MASS US
Current assignee: FERROFLUIDICS CORP BURLINGTON MASS US
Priority date: 1969-10-10
Filing date: 1970-07-10
Publication date: 1985-04-25
Also published as: GB1312698A; FR2065847A5; DE2034213A1; DE2034213B2; JPS519853B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetdichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Magnetdichtung ist aus der GB-PS 7 83 881 bekannt, die in einer Ausführung ein Polstück mit zwei Schneiden zeigt (F i g. 2c). Die beiden Schneiden umgreifen in geringem Abstand einen auf der abzudichtenden Welle montierten Bund und bilden dadurch einen im wesentlichen U-förmigen Dichtungsspalt, der zur Gänze mit Dichtungsfluid gefüllt ist Dies ergibt je Polstück eine einzige Dichtungsstufe, die aufgrund der U-förmigen Gestaltung des Dichtungsspaltes auch den bei schnellaufenden Wellen auftretenden Zentrifugalkräften standhalten konnte, wenn die Magnetkräfte nicht ausreichten, das Dichtungsfluid im Dichtungsspalt zu halten.

Eine weitere Magnetdichtung ist aus der JP-PS 39 13 420 (Figur 6) bekannt, bei der eine magnetisierbare Flüssigkeit in einen zwischen zwei Polstücken vorgesehenen Ringraum gezogen wird. Die magnetisierbare Flüssigkeit füllt dabei den gesamten Ringraum aus. Ein Nachteil der bekannten Magnetdichtung liegt in ihrer einstufigen Ausbildung, wodurch nur eine verhältnismäßig geringe Druckdifferenz abgedichtet werden kann.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, in einfacherer Weise eine Magnetdichtung zu schaffen, die größeren Druckunterschieden als beim Stand der Technik standzuhalten vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Magnetdichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs. Dadurch werden in einfacher Weise mehrere Dichtungsstufen gebildet, bei denen die Flüssigkeitsmenge in den Spalten durch einen Gegendruck stabilisiert wird. Eine derartige mehrstufige Magnetdichtung läßt somit die Möglichkeit zum Aufbau von Zwischendrucken zu, die praktisch »Stützpolster« zur Abstützung der Flüssigkeitsringe bilden. Die dazu erforderlichen Freiräume zwischen den Flüssigkeitsringen können sehr klein sein.

Aus der US-PS 35 01 089 ist ferner eine Labyrinthdichtung mit Schneiden bekannt, welche die Drosselspalte mit dazwischenliegenden Freiräumen aufweist Durch die Drosselspalte hindurchtretender Dampf soll sich in den Freiräumen entspannen, so daß die Freiräume zwischen den Flüssigkeitsringen ein entsprechend großes Volumen haben müssen. Die bekannte

Magnetisierung macht sich daher anders als die Erfindung das Prinzip eines stufenförmig erfolgenden D nickabbaus zunutze. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren

is näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine mehrstufige Magnetdichtung,

F i g. 2 eine andere Ausführung der Magnetdichtung gemäß F ig. 1,

F i g. 3 und 4 Schnitte durch wehere Ausführungsformen der Erfindung und

Fig.5 ein Einbaubeispiel einer mehrstufigen Magnetdichtung.

In F i g. 1 ist eine Vielzahl von Polstücken 58

dargestellt, die jeweils an einer Seite eines Magneten 60 an einem äußeren Ring S2 befestigt sind. Die Schneiden dieser Polstücke befinden sich im Abstand von der Außenfläche der Buchse 20, so daß in der vorstehend beschriebenen Weise Spalte gebildet werden. Dabei können die Schneiden auch aus einem einzigen Stück hergestellt sein. In jedem Spalt zwischen den Polstücken und der Buchse 20 befindet sich magnetische Flüssigkeit Bei einer derartigen Anordnung addieren sich im wesentlichen die Wirkungen der einzelnen Dichtungen aus magnetischer Flüssigkeit über die gesamte Dichtungseinheit, so daß diese eine wesentlich größere Druckdifferenz aufnehmen kann.

Bei dem in Fi g. 2 gezeigten Ausfühurrgsbeispiel sind die Schneiden 66 Teile der Buchse 68 und im Abstand von den Polstücken 70 angeordnet, so daß zwischen ihnen die vorstehend beschriebenen Spalte gebildet werden.

Obwohl die Magnetdichtung vorstehend im wesentlichen an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, bei denen sich eine WeSIe zusammen mit der Buchse bewegte, während das äußere Ringelement der Dichtung zusammen mit einem Gehäuse stillstand, ist es klar, daß sich auch das äußere Ringelement mit gleicher, größerer oder geringerer Geschwindigkeit als die Buchse, und zwar in der gleichen oder in entgegengesetzter Richtung bewegen kann. Ferner kann das innere Ringelement eine Einheit mit der Welle bilden.

Als Material für Permanentmagneten kann irgendeine Art von geeignetem Material verwendet werden, wie beispielsweise Aluminium, Nickel, Cobalt, Verbindungen wie Alnico V und VIII, Cobalt-Samarium-Materialien, mit Gummi verklebte Magnete, Keramik sowie andere Eisen enthaltende Materialien, wie etwa Magnetite und Ferrite.

Die Schneiden der Polstücke 58 sind im geringen Abstand von der Buchse 20 angeordnet und bilden mit dieser die Spalte. Es ist jedoch auch möglich, die Polstücke beidseitig oder einseitig abzuschrägen, nach innen V-förmig auszubilden usw., und die Buchse kann eine Schneide aufweisen, die gegenüber einem flachen oder schneidenförmigen Polstück angeordnet ist.

Der Magnetfluß führt durch die Spalte und über die Buchse. Durch den Magnetfluß wird magnetische

Flüssigkeit in den Spalten festgehalten. Der Magnetfluß führt durch die Potstücke, die magnetische Flüssigkeit im Spalt, die Buchse und zurück zu den Polstücken.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der äußere Ring 62 am Gehäuse befestigt. Die Buchse 20, die magneti- > sierbar ist, ist auf der Welle befestigt und rotiert mit dieser.

Die Polstücke, darch die der Magnetfluß geführt wird, bestehen aus magnetisierbarem Material, das im allgemeinen leicht magnetisch oder sehr empfindlich für ·■<> Magnetismus ist, dh, das eine hohe magnetische Sättigung bei geringer Koerzitivkraft hat Derartige eisenhaltige Stoffe sind beispielsweise Eisen wie Schmiedeeisen, Gußeisen usw, aber auch Eisenlegierungen, wie beispielsweise rostfreier StahL > ->

Die Linie R-R zeigt die Rotationsfläche, und man erkennt deutlich, daß die magnetische Flüssigkeit eine vollständig druckdichte Dichtung bildet, die entweder stationär ist oder rotiert Bei Drehung der Welle bleibt die Dichtung druckdicht, da die magnetische Flüssigkeit iv dauernd in den Spalten festgehalten wird. Demgemäß liegt immer eine Dichtung zwischen den verschiedenen Räumen zu beiden Seiten der magnetischen Dichtung, unabhängig davon, ob die Welle rotiert oder stillsteht Es wird also der Verlust von Flüssigkeit auf der Welle 2Ί infolge Abstreifens als auch das Verschmutzen der Welle durch magnetische Flüssigkeit vermieden. Ferner braucht die Welle nicht magnetisch zu sein, um als Pfad für das Magnetfeld zu dienen, das die magnetische Flüssigkeit im Spalt festhält ' jo

In der Dichtung kann jede Art von magnetischer Flüssigkeit verwendet werden. Dies können beispielsweise magnetische Flüssigkeiten sein, die eine Trägerflüssigkeit, wie etwa Wasser, Kohlenwasserstoffe, Fluorkohlenstoffe usw, ein oberflächenaktives Mittel wie Fettsäuren, beispielsweise eine monoungesättigte Fettsäure wie ölsäure, und magnetartige Teilchen enthalten, beispielsweise eisenhaltige Stoffe wie Ferrit, Chromdioxid, Magnetit usw. Bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 1 und 2 ist die Innenfläche des inneren Ringelementes mindestens teilweise durch die Verwendung von statischen Dichtungen, beispielsweise Dichtungsringen, auf der Welle befestigt Das innere Ringelement kann jedoch auch auf andere Weise befestigt werden. So kann die Dichtung zwischen Welle und innerem Ringelement beispielsweise durch einen unmittelbaren flüssigkeitsdichten Sitz, wie etwa einen Preßsitz, erreicht werden. Ferner können hier auch andere Stoffe angeordnet werden, wie ettva Leimverbindungen oder Dichtungsmaterial. ·

Obwohl dL· magnetische Flüssigkeitsdichtung in dem Ausführungsbeispiel zur Abdichtung eines Vakuums gegenüber atmosphärischem Druck beschrieben wurde, ist es klar, daß eine derartige Dichtungseinheit als Dichtung zwischen unterschiedlichen Räumen verwendet werden kann, beispielsweise zur Abdichtung von Flüssigkeit gegenüber Gas oder von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskositäten und/oder Zusammensetzungen sowie zur Verhinderung des Abfließens von Schmiermitteln. So kann die beschriebene Flüssigkeits- bo dichtung beispielsweise dazu benutzt werden, um das Eintreten von Wasser in den Motor einer Entwässerungspumpe zu verhindern, wenn sowohl die Pumpe als auch ein Teil des Motors in Wasser eingetaucht sind und das steigende Wasser eine verformbare Membran am Boden des Motors berührt. Oer Motor wird dann mittels eines federbelasteten Schalters angelassen und die Pumpe läuft an. Die Dichtung kann benutzt werden, um das Eindringen von Wasser in das Motorgehäuse an derjenigen Stelle zu verhindern, an der die Welle vom Motor zur Pumpe durch die Membran hindurchtritt Die beschriebene Flüssigkeitsdichtung kann auch dort verwendet werden, wo in der Atmosphäre Teilchen vorhanden sind, die die magnetische Flüssigkeit verunreinigen könnten.

Die Flüssigkeitsdichtung kann auch verwendet werden, um unterschiedliche, auf gleichem Druck befindliche Gase voneinander getrennt zu halten oder um das Abfließen von Kühlgas und Schmiermittel aus einem Kurbelgehäuse zu verhindern, beispielsweise an Antriebswellen in Klimaanlagen. Ferner kann die Flüssigkeitsdichtung zum hermetischen Abdichten von Dämpfen und Flüssigkeiten innerhalb einer Dampfmaschine benutzt werden, so daß ihr Austreten in die Atmosphäre oder umgekehrt das Eintreten des Sauerstoffes der Atmosphäre in die Dampfmaschine verhindert wird.

!n Fig.3 ist ein weiteres Ausführangsbeispie! 72 dargestellt bei dem eine zentrisch angeordnete Welle 74 vier Bereiche mit Schneiden 76, 78, 80 und 82 aufweist, die als Teil der Welle 74 dargestellt sind, jedoch auch aus getrennten Ringelementen aus magnetischem Material bestehen können, welche durch Preßsitz oder auf andere Weise auf der Welle befestigt sind. Zur direkten Kopplung sind an den Enden der Welle Keilnuten 84 und 86 vorgesehen. Im Abstand von den Schneiden sind Polstücke 88, 90, 92 und 94 angeordnet so daß zwischen diesen Polstücken und den entsprechenden Schneidenbereichen Spalte gebildet werden, in denen magnetische Flüssigkeit (nicht gezeigt) gehalten wird. Zwischen inneren, auf der Welle 74 befestigten Lagerringen 100 und 102 und äußeren, am äußeren Element 108 befestigten äußeren Lagerringen 104 und 106 befinden sich Lagerkugeln 96 und 98. An einem Ende der Einheit ist ein Gewindeansatz 110 mit Schlüsselflächen 112 vorgesehen.

Fig.4 zeigt ein gegenüber Fig.3 abgewandeltes AusfChrungsbeispiel, bei dem die Lagerkugeln 98, die inneren und äußeren Lagerringe 102,106, die Polstücke 92,94, der Magnet 90 und die Schneiden 80 und 82 aus Fig.3 fehlen und dieser gesamte Teil durch ein Traglager 114 ersetzt ist. Zwischen der inneren Räche dieses Traglagers und der Außenfläche der Welle befindet sich ein trockenes Schmiermittel, beispielsweise ein Kunststoffschmiermittel wie Polyimid. Fig.5 zeigt im Prinzip den Einbau eines magnetischen Flüssigkeitslagers in einem Behälter.

Die Magnetdichtung kann in der Verwendung eines Polstückes gegenüber einer Fläche bestehen, wobei das Polstück oder die Fläche eine Vielzahl. von schiieidenirörrnigen Kanten aufweist, die eine Vielzahl von Spalte für die Aufnahme von magnetischer Flüssigkeit bilden, wie dies in den FJ g. 1 bii 4 dargestellt ist. Dieser Vielzahl von Spalte, also Dichtungsspalte, beispielsweise schneidenförmigen Kanten, wird ein Magnetfeld zugefüh"i, das von einem einzigen Permanentmagneten erzeugt wird. Wie in den Fig.2 bis 4 dargestellt ist, ist auf der Welle oder der Wellenbuchse eine Vielzahl von Schneiden vorgesehen, während gemäß Fig. 1 die Schneiden in den die Welle oder die Buchse umschließenden Polstücken vorgesehen sind.

Es wird also die Anordnung der Spalte zu parallelen magnetischen Pfaden ermöglicht, so daß das Magnetfeld eines dünnen Magneten ausreicht, um allen Spalten ein magnetisches Feld zuzuführen. Bei einer dreißigstufigen Dichtung, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, ergibt sich

dadurch eine Längeneinsparung in der Größenordnung von 300 bis 400%, (gegenüber einer dreißigstufigen Anordnung gemäß der vorstehend genannten britischen Patentschrift). Außerdem wird die Anzahl der Magnete und Polstücke für eine derartige vielstufige Einheit verringert. Da keine getrennten Magnete und nicht so viele Polstücke erforderlich sind, wird die statische Abdichtung jedes einzelnen an der jeweiligen Fläche befestigten Elementes vermieden. Außerdem kann die magnetische Flüssigkeit einfach auf die Welle aufgestri· chen oder aufgebracht und die Welle in die gewünschte Lage geschoben werden. Befindet sie sich in dieser Lage, so bringt das magnetische Feld die Flüssigkeit in den jeweiligen Spalt, so daß in jedem Spalt eine ringförmige magnetische Flüssigkeitsdichtung erzeugt wird. Dieser mehrpolige Aufbau erfordert nur geringe Gasdurchtrittsöffnungen zur Erzeugung von Zwischen-

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Volumina vorhanden sind. Es ergibt sich somit ein geringerer Widerstand, und die Leistung zur Bewegung der einen Fläche gegenüber der anderen kann vermindert werden, da bei Zwischenstufen-Drücken eine weniger viskose Flüssigkeit benutzt werden kann, ohne daß Flüssigkdtsverluste durch Sprühen oder Atomisierung zu befürchten wäre. Die weniger viskose Flüssigkeit bewirkt andererseits eine Verminderung des Widerstandes und der Kraft bei jeder Rotationsgeschwindigkeit der Welle, da der Widerstand von den Viskositätsscherkräften abhängt. Dies ergibt auch eine niedrigere Betriebstemperatur.

Die beschriebene !Dichtung ist verhältnismäßig billig herzustellen, da alle Schneiden an einem Polstück in einem Arbeitsgang durch spanabhebende Verformung hergestellt werden können und sich die Toleranzen leicht kontrollieren küssen. Die maschinelle Herstellung J5 von Dichtungsnuten wird an vielen Stellen vermieden, und die spanabhebende Bearbeitung oder das Schleifen einer Anzahl von Flächen, wie dies bei getrennten Polstücken erforderlich ist, kann eingespart werden. Ferner wird die Lebensdauer der Dichtung vergrößert, da die kleinen Gasdurchlaßöffnungen der mehrstufigen Dichtung zyklisch vide Male unter Druck gesetzt und entlastet werden können, ohne daß Flüssigkeit aus den Spalten entfernt wird. Obwohl die Schneiden, wie beschrieben, nach innen oder außen V-förmig oder -»5 abgeschrägt sein können, ist es klar, daß die verwendeten Schneiden oder Anordnungen zur Erzeugung einer Vielzahl von Spalten unterschiedliche Formen haben können, solange sie nur den Magnetfluß im Bereich der Spalte konzentrieren, so daß diese Spalte alle im wesentlichen parallel zueinander liegen. Obwohl eine Vielzahl von im Abstand parallel zueinander angeordneten ringförmigen Spalten beschrieben wurde, sind auch andere Formen möglich. So können die schneidenförmigen Kanten beispielsweise die Form von zwei oder mehr einander überlappenden Schraubenflächen haben oder als andere dicht benachbarte Kurvenformen ausgebildet sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Magnetdichtung zur Abdichtung von Dichtungsspalten zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Bauteilen mittels einer im Dichtungsspalt magnetisch gehaltenen, magnetisierbaren Flüssigkeit mit einem an dem einen Bauteil befestigten Magneten, mit dessen Magnetpolen jeweils ein dem aus magnetisierbaren Material bestehenden anderen Bauteil zugewendetes, mit diesem den Dichtungsspalt bildendes Polstück verbunden ist, wobei im Bereich des Dichtungsspaltes mehrere Schneiden ausgebildet sind, welche in die magnetisierbare Flüssigkeit eintauchen und diese im Bereich ihrer Scheitel halten, dadurch gekennzeichnet, daß an dem magnetisierbaren anderen Bauteil (20; 68) und/ oder an den Polstücken (58; 70) jeweils im Bereich ihres Dichtua^sspaltes Schneiden mit den zwischen ihnen ausgebildeten Riiien derart ausgebildet sind, daß in dem Dichtungsspalt jeweils mehrere Dichtungsstufen aus an den Schneiden gehaltenen Flüssigkeitsringen und zwischen diesen ausgebildeten Gasringen gebildet sind.

2. Magnetdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (58) jeweils aus mehreren, die Schneiden ausbildenden Scheiben zusammengesetzt sind.