DE3145426A1

DE3145426A1 - Einstufige ferrofluiddichtung

Info

Publication number: DE3145426A1
Application number: DE19813145426
Authority: DE
Inventors: Kuldip 03054 Merrimack N.H. Raj
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1980-11-19
Filing date: 1981-11-16
Publication date: 1982-07-01
Also published as: DE3145426C2; US4357024A; FR2494382A1; CA1158684A; JPS57146956A; GB2087989B; GB2087989A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine einstufige Ferrofluiddichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der US-PS 3 620 584 ist bereits eine sowohl einals auch mehrstufige Ferrofluiddichtung bekannt, die zur 0-ringförmigen Abdichtung von sich drehenden Wellen dient.

Ein- und mehrstufige Ferrofluiddichtungen werden als Abschlußdichtungen verwendet, um eine Umgebung einer Seite der Welle vor Verunreinigungen aus einer Umgebung

an der anderen Seite der Welle zu schützen. Ferrofluid-15

abschlußdichtungen sind insbesondere .für Computer-Plattenantriebsspindeln zweckmäßig, um zu verhindern, daß Verunreinigungen aus der Umgebung in den Bereich einer Speicherplatte gelangen.

Eine derzeit im Computerbau gebräuchliche Abschlußdichtung weist einen ringförmigen Permanentmagneten auf, der die Spindelwelle umgibt und zwischen zwei identischen Polstücken eingeschlossen ist, die am Außendurchmesser mit den beiden Polenden des Permanentmagne-

ten in Magnetflußberuhrung stehen. Der Innendurchmesser

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der Polstücke erstreckt sich bis nahe zur Oberfläche der Welle oder Spindel und bildet dort einen kleinen Spalt von etwa 50 bis 255 .um zwischen dem Innendurchmesser des Polstücks und der Wellenoberfläche. Ein Ferrofluid befindet sich beim Einsetzen der magne t. i :■· irr· baren Welle oder Spindel in diesem Spalt und wird in ihm gehalten, um eine oder mehrere flüssige O-Ringstufen zu bilden, die eine Ferrofluid-Abflußdichtung um die Welle ergeben.

Eine große Anzahl von magnetischen Stoffen läßt sich zur Bildung des Permanentmagneten verwenden, üblicherweise wird ein gesinterter oder gebundener Keramikstoff verwendet, der eine Längsdicke von etwa 2 bis 3,8 mm hat. Die Polstücke bestehen aus magnetisch permeablem Material, beispielsweise aus magnetischem rostfreiem Stahl (z.B. der Serie 400) und haben eine Dicke von etwa 635 .um bis 2035 .um. Eine übliche Abschlußdichtung wird auf die beschriebene Weise zusammengesetzt oder in einem unmagnetischen Gehäuse, beispielsweise aus Aluminium oder rostfreiem Stahl (der Serie 300) durch Verbinden oder Verschachteln montiert.

Die bekannte Abschlußdichtung wird dadurch gebildet, daß eine genaue optimale Menge von Ferrofluid in den

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Ringspalt zwischen dem Innendurchmesser und den Spindelwelle eingebracht wird. Das Ferrofluid weist typischer-.weise eine Trägerflüssigkeit von geringem Dampfdruck, beispielsweise Fluorkohlenstoff, Polyvinylether, Kohlenwasserstoff, Diesterflüssigkeit und ähnliche Flüssigkeiten mit niedrigem Dampfdruck auf, um einen sehr kleinen Massenverlust des die O-Ringdichtung bildenden Ferrofluids für eine lange Lebensdauer der Abschlußdichtung zu erreichen. Übliche Ferrofluid-Abschlußdichtungen haben beispielsweise eine Lebensdauer von mehreren Jahren bei mäßigen Temperaturbedingungen und bei den derzeit üblichen Computer-Plattenantriebsspindel-Drehzahlen von 3600 U/min und Wellendurchmesser von bis zu etwa 46 mm. Das verwendete Ferrofluid hatte eine Viskosität aus dem Bereich von 20 bis 500 cP während seine Sättigungsmagnetisierung 100 bis 400 Gauß betrug.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Lebensdauer von derartigen Ferrofluid-Abschlußdichtungen insbesondere bei höheren Umgebungstemperaturen von beispielsweise mehr als 50⁰C und bei Spindeldrehgeschwindigkeiten von mehr als 3600 U/min sowie für größere Wellendurchmesser oder für eine Kombination dieser Parameter zu verlängern..

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ferrofluiddichtung für sich drehende Wellen, die eine längere Lebensdauer aufweist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung einer derartigen Dichtung. Insbesondere be-

zieht sich die Erfindung auf eine Ferrofluidabschlußdichtung, die besonders zur Dichtung von Computer-Plattenantriebsspindeln über längere Zeiträume zweckmäßig ist.

Bei bekannten Ferrofluid-Abschlußdichtungen sind zwei konstruktive Grundüberlegungen anzustellen, und zwar eine magnetische, die den Dichtungsdruck bestimmt und eine die Wärmeerzeugung betreffende Überlegung, die für

die Lebensdauer verantwortlich ist.
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Im allgemeinen liegt die Druckaufnahmefähigkeit von derzeitigen Ferrofluid-Abschlußdichtungen zwischen etwa 76 und 152 cm Wassersäule, die sich gleichmäßig auf die beiden Polstücke verteilen. Die Druckanforderung für

übliche Plattenantriebe beträgt jedoch lediglich etwa 12 cm Wassersäule, die Dichtungen haben somit eine beträchtliche Drucksicherheit. Tatsächlich reicht eine einzige Ferrofluid-O-Ringdichtung mehr als hinreichend aus, um dem gewünschten Druck standzuhalten. Es sich

sind jedoch üblicherweise zwei Polstücke vorhanden, um einen geschlossenen Magnetfluß zu erhalten.

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Es ist bekannt, daß über der Ferrofluid-O-Ringdichtung ein Temperaturgradient als Folge der Wärme auftritt, die durch die zähflüssige Abscherung des Ferrofluids" zwischen der rotierenden Spindelwelle und dem inneren Durchmesser der feststehenden Polstücke entsteht. Ein Teil dieser Wärme wird durch die Polstücke und die Spindelwelle abgeführt. Die Ferrofluid-Arbeitstemperatur hängt somit von den Wärmeabführeigenschaften der Dichtungsstoffe und der Konstruktion ab, die ihrerseits die Verdampfungsgeschwindigkeit des Ferrofluids und damit die Lebensdauer der Dichtung bestimmt. Die Arbeitstemperatur des Fluids ist höher, wenn das Ferrofluid beide Spaltbereiche füllt und wenn nicht nur eine Stufe mit Ferrofluid versehen ist, während die andere Stufe unter sich einen Luftspalt aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß jeder mit Ferrofluid gefüllte Spaltbereich eine unabhängige Wärmequelle darstellt, welche die Temperatur der Dichtungskonstruktion auf einen höheren Wert anhebt, als wenn lediglich eine Stufe mit dem

Ferrofluid versehen wäre.

Im Gegensatz zum Dichtungsdruck, der sich also für zwei Stufen gegenüber nur einer verdoppelt, vergrößert sich die Lebensdauer der Dichtung, wenn nur ein Spalt, und nicht beide oder eine Anzahl von Spalten mit Ferrofluid

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gefüllt ist. Eine ideale Lösung bestünde darin, daß lediglich ein Polstück in Ferrofluid tauchen würde. Das zweite Polstück, das dann einen Luftspalt bilden würde, würde nur zur Vervollständigung des Magnetflußkreises verwendet werden. Der Luftspalt würde außerdem die Bewegung von Luft aus dem Raum zwischen den Polstücken zulassen. Derzeitige Dichtungsmontageverfahren verhindern jedoch dieses Ziel, da das Ferrofluid in den Magnetbereich eingespritzt wird, was dazu führt, daß -|q eine Ferrofluidwanderung in beide Spal there i ehr er- - folgt., wenn die Spindelwelle eingesetzt wird.

Es hat sich gezeigt, daß die Dichtungslebensdauer einer Ferrofluidrotationsdichtung durch Verwendung einer ein-

-|5 stufigen Ferrofluiddichtung verlängerbar ist. Gemäß Erfindung ist eine einstufige Dichtung mit zwei Polstücken so gebaut und angeordnet, daß ein gemeinsamer FerrofIuidspalt unter dem Innendurchmesser der Polstücke eine einzige Ferrofluid-O-Ringdichtung um die Oberfläche der abzudichtenden Welle bildet. Die einstufige Dichtung hat eine längere Lebensdauer als bekannte Dichtungen mit einem Spalt unter jedem Polstück.

Die erfindungsgemäße, einstufige Dichtung weist zwei identisch breite Polstücke mit L-förmigem Querschnitt

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auf. Der Innendurchmesser der Polstücke liegt in geringem Abstand zur Oberfläche der Welle, berührt sie jedoch nicht, sondern bildet mit dieser einen Spalt von typischerweise 50 bis 150 .um oder mehr, beispielsweise 305 bis 610 .um oder mehr, wie dies in der parallelen Patentanmeldung des gleichen Anmelders beschrieben ist. De"r Radialspalt zwischen dem Innendurchmesser der Polstücke und der Wellenoberfläche läßt sich in gewünschter Weise verändern, soll jedoch hinreichend klein bleiben, um den Magnetfluß im Spalt zwischen dom Innendurchmesser der Polstücke und der Wellenoberfläche zu konzentrieren, wobei der Radialspalt etwa 50 bis 250 ,um, beispielsweise 150 bis 200 .um groß ist. Die Form der L-förmigen Polstücke ergibt einen Magnetfluß im PoI-stück-Zwischenstufenbereich, um eine einstufige Ferrofluiddichtung zu ergeben. Das in die Dichtung injizierte Ferrofluid konzentriert sich in diesem Zwischenstufenspalt und "wird vor dem Einsetzen der magnetisch permeablen Welle in dem Spalt gehalten. Wenn die Welle in die Ferrofluiddichtung eingesetzt wird, verändert sich der magnetische Flußweg und ein großer Teil des magnetischen Flusses wird in den Radialspaltbereich unter den Enden der Polstücke geleitet, da sich ein Pfad von geringerem magnetischen Widerstand für den Magnet-

fluß bildet. Das Ferrofluid bildet dann bei Drehung der

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Welle eine einzelne Ferrofluid-O-Ringdichtung auf der

Wellenoberfläche. Die O-Ringdichtung wird von dem

Ferrofluid zwischen dem Zwischenstufenbereich und den Polstücken sowie der Welle gebildet.

Die einstufige Dichtung gestattet eine längere Dichtungslebensdauer, da Wärme nur von einem Ferrofluid-O-Ring erzeugt, jedoch von zwei Polstücken für eine optimale Dichtungslebensdauer abgeführt wird. Es hat ..Q sich überraschend gezeigt, daß eine einstufige Dichtung eine Dichtungslebensdauer besitzt, die drei bis viermal langer als übliche zweistufige Dichtungen, mit dem gleichen radialen Spalt ist. Zwei völlig verschiedene Dichtungsfehler wurden in Verbindung mit der einstufigen Dichtung beobachtet. Man nimmt an, daß diese Fehlerzustände auf das Aufbrechen der ursprünglichen, einstufigen Ferrofluiddichtung in zwei getrennte O-Ringdichtungen unter dem einen Ende jedes Polstückes erfolgt, wenn das Volumen des Ferrofluids der einstufigen Dichtung durch Verdampfung reduziert worden ist. Darauf folgt eine schnelle Verdampfung der zwei kleineren 0-Ringdichtungen, was zu einem vollständigen Versagen der Dichtung führt.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es ist jedoch klar, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen ebenfalls unter den Schutzbereich fallen.
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In der beiliegenden Zeichnung ist ein Äusführungsbeispiel im Schnitte dargestellt.

Die Zeichnung zeigt eine einstufige Ferrofluid-Abschlußdichtung 10 mit verlängerter Lebensdauer, die einen Magnetring 14 mit Magnetpolen an jeder Seite aufweist. Der Magnet liegt in einem unmagnetischen Gehäuse 12, beispielsweise aus Aluminium oder rostfreiem Stahl und besitzt magnetisch permeable Polstücke 16 und 18, die an jeder Seite des Magneten 14 anliegen und zwischen sich einen kleinen Hohlraum 22 bilden. Der Magnet 14 und die Polstücke 16 und 18 sind im Gehäuse 12 um eine magnetisch permeable Welle 26 angeordnet, beispielsweise eine Computer-Plattenantriebsspindel. Die PoI-stücke 16 und 18, die die gleiche Breite haben, beispielsweise 635 bis 1016 ,um, jedoch 1016 bis 1778 .um an dem einen Ende, sind im Querschnitt im wesentlichen L-förmig, um an dem einen Ende jedes Polstücks einen definierten Radialspalt 20 von etwa 50 bis 255 ,um zwischen dem einen Ende des Polstücks und der Ober-

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fläche der Welle 26 zu bilden, während nach innen gerichtete Polstückfortsätze 28 und 30 einen Zwischenstufenspalt 34 zwischen dem Innendurchmesser bilden, der etwa 255 bis 635 .um vorzugsweise 380 bis 510 .um breit ist.

Wie in der Zeichnung erkennbar, wird ein lorrufluid '.'A, beispielsweise ein Diesterferrofluid von 50 bis 500 cP Viskosität und einer magnetischen Sättigung von

-JO 100 bis 450 Gauß in dem Zwischenstufenbereich 34 und im Radialspalt 20 unter dem jeweils einen Ende der beiden Roistücke 16 und 18 durch den Magnetfluß gehalten, um eine einzelne O-ringförmige Ferrofluiddichtung 32 zu bilden, die in parallelen, gestrichelten Linien darge-

-15 stellt ist und die Wellenoberfläche bei Drehung der Welle umgibt. Die einstufige Dichtung 10 hat eine gegenüber dem Stand der Technik verlängerte Lebensdauer.

Es wurden Vergleichsversuche mit einer bekannten, zweistufigen Abschlußdichtung mit identischen, rechteckigen Polstücken von 1016 ,um Breite und einer einstufigen, erfindungsgemäßen Abschlußdichtung mit Polstücken der gleichen Breite, jedoch L-Form und 1524 .um an dem einen Ende durchgeführt. Die Versuche erfolgten mit einem Ferrofluid auf Diesterbasis mit einer Viskosität

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von 50 cP und einer Sättigungsmagnetisierung von 200

Gauß bei -einem 150 .um Radialspalt und einem 500 .
Zwischenstufenspalt bei 100 C, einer Computer-Plattenantriebsspindel mit einem Durchmesser von 45,72 mm und einer Drehzahl von 3600 U/min. Die Versuche ergaben einen Ausfall der bekannten Dichtung bei 180 Betriebsstunden, während die erfindungsgemäße, einstufige Dichtung nicht vor 760 Betriebsstunden ausfiel. Dies zeigt ganz deutlich, die überraschende Überlegenheit der erfindungsgemäßen einstufigen Dichtung.

hu/do

Claims

f1J Einstufige Ferrofluiddichtung mit langer Dichtungslebehsdauer zum Abdichten von rotierenden Bauteilen, gekennzeichnet durch:

a) einen ringförmigen Permanentmagneten (14), der über eine abzudichtende Welle (26) schiebbar ist und Pole von entgegengesetzter Polarität an seinen beiden ebenen Stirnflächen aufweist; und

b) erste und zweite magnetisierbare Polstücke (16,18) die in Magnetflußverbindung mit den beiden Stirnflächen des Permanentmagneten (14) stehen und wobei jedes Polstück (16 bzw. 18) einen an die abzudichtende Welle (26) angepaßten Innen- und Außendurchmesser hat, wobei der Innendurchmesser jedes Polstücks (16 bzw. 18) sich

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bis nahe an die Oberfläche der Welle (26) erstreckt und mit dieser einen Radialspalt (20) bildet, wobei fernen jedes Polstück (16,18) eine L-förmige Quenschnittsform mit einem an einem Ende vorstehenden Polstückfontsatz (28,30) aufweist, · die gegeneinander genichtet sind und einen Spalt zur Bildung eines Zwischenstufenbereichs (34)lassen,

wodurch ein Ferrofluid in dem Radialspalt (20) sowie in dem Zwischenstufenbereich (34) gehalten wird, um eine einzige, magnetische O-Ringdichtung um die Welle (26) mit langer Dichtungslebensdauer zu ergeben.
2. Dichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Radialspalts zwischen etwa 50 und .um liegt.
3. Dichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Radialspalts (20) zwischen etwa und 610 ,um liegt.
4. Dichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Zwischenstufenbereichs (34) zwischen etwa 255 und 765 .um liegt.

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5. Dichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (16,18) an dem einen Ende gleich breit sind.
6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abgedichtete Welle (26) eine Computer-Plattenantriebsspindelwelle ist.
7. Verfahren zum Verlängern der Dichtungslebensdauer einer Ferrofluiddichtung für sich drehende Wellen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die sich drehende Welle mit einem ringförmigen Permanentmagneten umgeben wird, der an den beiden Stirnflächen Pole von entgegengesetzter Polarität aufweist;

b) daß die sich drehende Welle mit ersten und zweiten magnetisierbaren Polstücken derart umgeben wird, daß diese in Magnetflußbeziehung mit den Stirnflächen des Permanentmagneten bestehen und wobei jedes der Polstücke ein erstes und ein zweites Ende aufweist;

c) daß der Innendurchmesser jedes Polstücks nahe an die Oberfläche der sich drehenden Welle gebracht wird, um erste und zweite Spalte dazwischen zu bilden; und

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d) daß in der ersten und zweiten Spalten ein Ferrofluid gehalten wird, um mindestens zwei flüssige O-Ringdichtungen auf der Oberfläche der sich drehenden Welle zu bilden, um deren Abdichtung zu bewirken, eine einzige Ferrofluid O-Ringdichtung durch Vorsehen von Fortsätzen von dem einen Ende jedes Pols.tücks gebildet wird, wobei die Fortsätze sich gegeneinander richten und einen kleinen Zwischenstufenbereich dazwischen belassen, in dem das Ferrofluid als einzelner O-Ring zur Bildung einer Dichtung von langer Dichtungslebensdauer gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferrofluid eine Viskosität von etwa 50 cP bis etwa 500 cP und eine magnetische Sättigung von etwa 100 bis 450 Gauß besitzt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als sich drehende Welle eine Computer-Plattenantriebsspindelwelle verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenstufenbereich zwischen etwa 255 bis etwa 765 .um groß ist.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Polstücke von gleicher Breite verwendet werden.