DE3222293A1 - Magnetfluessigkeit-dichtungsvorrichtung - Google Patents

Description

MAGNETFLÜSSIGKEIT-DICHTUNGSVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Magnetflüssigkeit-Dichtungsvorrichtung zum Abdichten von relativ zueinander bewegbaren Oberflächen, wie rotierenden Wellen, Buchsen und dergleichen, um eine Druckdifferenz über den Dichtungen aufrechtzuerhalten oder das Herauslecken einer Schmierflüssigkeit entlang der Oberflächen zu verhindern.

Bei relativ zueinander bewegbaren Flächen, die geschmiert sein können, ist es manchmal erforderlich, Dichtungen einzusetzen, um ein Herauslecken des Schmiermittels oder eines Gases zu verhindern oder um eine Druckdifferenz über den Dichtungen aufrechtzuerhalten, wobei eine der Flächen, wie z.B. eine rotierende Welle, von einer Umgebung bei einem ersten Druck in eine zweite Umgebung mit einem anderen Druck führt.

Für solche Dichtungen ist bereits vorgeschlagen worden, daß eine magnetische Flüssigkeit in dem Spalt zwischen den relativ zueinander bewegbaren Flächen verwendet wird. Die magnetische Flüssigkeit enthält eine Trägerflüssigkeit, wie Wasser, ein Kohlenwasserstoff, ein Fluorkohlenstoff oder eine Fettsäure, und Magnetteilchen, wie in den Träger eingemischtes Ferrit, und es wird diese Magnetflüssigkeit in dem Spalt durch einen magnetischen Fluß gehalten, der durch einen oder mehrere Permanentmagneten erzeugt wird. In einer sicher. Magnetflüssigkeit-Dichtung sind sie kaum einer Abnutzung ausgesetzt, weil die relativ zueinander bewegbaren Flächen einander nicht direkt berühren, wobei die Lebensdauer der Dichtung im Vergleich mit mechanischen Dichtungen beträchtlich erhöht ist. Zusätzlich bewirkt die Magnetflüssigkeit eine positive Dichtung. Infolgedessen wird die Magnetflüssigkeit oft für Geräte verwendet, die in der Umgebung eines Hochvakuums verwendet werden, wie z.B. ein Röntgengerät.

Magnetflüssigkeit-Dichtungsvorrichtungen dieser Art sind in der GB-PS 783 881 und in der US-PS 3 620 584 offenbart. In

Fig. 5 der GB-PS 783 881 ist eine Welle aus magnetischem Material drehbar in ein Gehäuse eingepaßt. Mehrere ringförmige Permanentmagneten sind an der Innenfläche des Gehäuses in Reihe in Längsrichtung des Gehäuses befestigt, wobei ringförmige Polstücke vorgesehen sind, von denen jedes zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten gehalten ist. Zwischen jedem der Innenumfänge der Polstücke und der Außenfläche der Polwelle sind Dichtungsspalte gebildet, in denen die Magnetflüssigkeit zurückgehalten oder eingefangen ist. Die beiden benachbarten Permanentmagneten auf gegenüberliegenden Seiten jedes Polstückes sind so angeordnet, daß ihre. Polaritäten symmetrisch in bezug auf das Polstück sind, d.h._r die Permanentmagneten sind in der Folge "N.S-Polstück-S.N-Polstück-N.S" angeordnet. Diese Anordnung der Permanentmagnete ist die gleiche wie diejenige nach der später beschriebenen vorliegenden Erfindung. Zusätzlich ist jede der Innenumfänge der Polstücke abgeschrägt, so daß sich ein ringförmiger ansteigender Teil in seinem in axialer Richtung der Polstücke liegenden Mittelteil ergibt, wodurch die gewünschte Konzentration des Magnetfeldes erreicht wird. Der von einem der Magnete erzeugte Magnetfluß fließt durch eines der Polstücke über einen der Spalte und durch die Welle und zurück durch einen anderen Spalt und das Polstück zum Magneten, wodurch der Magnetflußkreis geschlossen wird.

Die beiden magnetischen Flüsse, die von zwei benachbarten Permanentmagenten in jedem Polstück erzeugt werden, fließei über jeden Spalt durch den ansteigenden Teil des Polstückes in gleicher Richtung, und infolgedessen stoßen die beiden Magnetflüsse einander ab und laufen auseinander und bewirken ein verhältnismäßig breites Magnetfeld zum Halten der Magnetflüssigkeit im Spalt. Um ferner eine magnetische Sättigung der Polstücke zu verhindern, ist die Dicke jedes Polstückes begrenzt, und eine sehr dünne Platte kann nicht als Polstück verwendet werden.

Da somit die magnetische Flußdichte in dem Spalt zwischen den inneren Umfangen der Polstücke und den Umfangsflachen der rotierenden Welle nicht sehr hoch ist, ist die Haltekraft für

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das Halten der MagnetfXüssigkeit, die durch den jeden Spalt durchsetzenden Magnetfluß erzeugt wird, nicht sehr groß. Um die Haltekraft zu vergrößern, ist es erforderlich, einen oder mehrere Magnete mit starkem Magnetfeld zu verwenden oder enge Spalte von beispielsweise weniger als 20 μ zu verwenden. Infolgedessen ist es schwierig, die Dichtungsvorrichtung zusammenzusetzen, so daß enge Spalte zwischen der rotierenden Welle und den Polstücken aufrechterhalten werden. Wenn außerdem die Anzahl der Permanentmagnete erhöht wird, um die Zahl der Barrieren zum Halten der Magnetflüssigkeit zu erhöhen, wird die Dichtungsvorrichtung groß und sperrig.

In der US-PS 3 620 584 ist eine Magnetflüssigkeit-Dichtungseinheit zwischen zwei Kugellagern angeordnet, wie es in Fig. 5 der zugehörigen Zeichnung gezeigt ist. Die Flüssigkeit-Dichtungseinheit enthält einen ringförmigen Permanentmagneten und zwei Polstücke an gegenüberliegenden Seiten des Magneten. Der Innenumfang jedes Polstückes ist konkav in Form eines Dreieckes in radialem Schnitt des ringförmigen Polstückes, so daß zwei Messerkanten an gegenüberliegenden Enden seines Innenumfanges in axialer Richtung der Dichtungseinheit gebildet wurden. Magnetflüssigkeit wird in jedem Spalt zwischen dem konkaven Umfang und einer rotierenden Buchse gehalten. In dieser Dichtungseinheit ist keine spezielle Vorrichtung zum Konzentrieren des den Spalt durchsetzenden Magnetflusses vorgesehen, weshalb die Dichte des magnetischen Flusses im Spalt nicht sehr hoch ist. Diese Art Dichtungseinheit kann nicht eine vollständige Dichtung bewirken, um eine große Druckdifferenz zwischen zwei benachbarten Umgebungen aufrechtzuerhalten.

Um wirksame Druckdifferenz zu erhöhen, können mehrere Polstücke an gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten angeordnet werden, wobei jedes Polstück eine Messerkante aufweist, die einen Dichtungsspalt bildet, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. In dieser Ausführung sind mehrere Dichtungsbarrieren für Magnetflüssigkeit in axialer Richtung der Buchse getrennt gebildet.

Fig. 7 der gleichen Patentschrift offenbart eine rotierende Buchse mit mehreren Messerkanten zur Bildung mehrerer Dichtungsbarrieren für den gleichen Zweck wie die Dichtungsvorrichtung

nach Fig. 6.

In diesen bekannten Beispielen ist der Magnetfluß an den Messerkanten der Polstücke oder der Buchse mittelmäßig konzentriert. Jedoch ist der Grad der Konzentration nicht hoch genug für Dichtungsvorrichtungen zur Aufrechterhaltung einer großen Druckdifferenz trotz nur einer kleinen Anzahl von Dichtungsbarrieren.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Magnetflüssigkeit-Dichtungsvorrichtung, in welcher ein örtlich starkes Magnetfeld durch abstoßende Kräfte zwischen zwei verschiedenen Flüssen erzeugt wird, die durch das gleiche Polstück verlaufen, wodurch die Kraft für das Halten der Magnetflüssigkeit vergrössert wird und wodurch eine hohe Druckdifferenz mit nur einer geringen Anzahl von Dichtungsbarrieren aufrechterhalten werden kann.

Durch die Erfindung wird auch eine Magnetflüssigkeit-Dichtungsvorrichtung geschaffen, die in der Lage ist, die Magnetflüssigkeit trotz weiter Spalte zwischen mehreren Polstücken und einer rotierenden Welle stetig zu halten, um so den Zusammenbau der Vorrichtung zu erleichtern.

Nach der Erfindung ist eine Magnetflüssigkeits-Dichtungsvorrichtung zum Abdichten von relativ zueinander bewegbaren Elementen mit einem Gehäuse, mit einer relativ zum Gehäuse drehbaren Welle aus magnetischem Material, mit mehreren Permanentmagneten, von denen jeder ein zentrisches Loch besitzt, das von der Welle durchsetzt wird, wobei die Permanentmagneten koaxial zueinander in Reihe so angeordnet sind, daß die Polarität einander gegenüberliegender Flächen zweier Magnete gleich ist, und mit wenigstens einem Polstück und einem von der Welle durchsetzten zentralen Loch, das im wesentlichen zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten angeordnet ist, zu schaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Polstück an seinem das zentrale Loch bildenden Innenumfang eine konkave Nut besitzt, welche an ihren Flanken oder den in axialer Richtung der Welle gegenüberliegenden Enden des Innenumfanges Messerkanten bildet,

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wobei zwischen jeder Hesserkante und der Außenfläche der Welle ein Dichtungsspalt gebildet ist, in welchem magnetische Flüssigkeit eingefangen oder zurückgehalten wird, um so eine Barriere zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zu bilden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in einem Längsschnitt,

Fig.2A eine vergrößerte Teilansicht in Längsrichtung eines wesentlichen Teiles nach Fig. 1,

Fig.2B eine schematische Ansicht der Verteilung des Magnetflusses in jedem Teil der Anordnung nach Fig. 2A,

Fig.2C eine grafische Darstellung der Magnetflußdichten in den in Fig. 2B gezeigten Teilen,und

Fig. 3 eine grafische Darstellung von vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich mit einer bekannten Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine magnetische Dichtungsvorrichtung M nach der Erfindung. Diese besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 1 und einer magnetischen rotierenden Welle 2, die den Mittelteil des Gehäuses 1 in dessen Längsrichtung durchsetzt. Ein Ende der Welle 2 ist einer Vakuumumgebung ausgesetzt, während das andere Ende der Welle einer normalen atmosphärischen Umgebung ausgesetzt ist. Das Gehäuse 1 ist mit einem zylindrischen Endteil 1a versehen, das koaxial von einer Endfläche des Gehäuses 1 vorspringt. In diesem Endteil 1a sind zwei Kugellager 3 und 4 an mit Abstand voneinanderliegenden Stellen angeordnet, durch die die rotierende Welle 2 drehbar gehalten wird.

In dem Gehäuse 1 sind abwechselnd in Reihen in ihrer Achsrichtung mehrere ringförmige Permanentmagneten 5, 5, ... und 5 und mehrere ringförmige Polstücke 6, 7, ... und 8 angeordnet. Jeder Magnet und jedes Polstück haben zentrische Löcher bzw. 13, durch die die Welle 2 verläuft. Die Permanentmagneten 5 sind im allgemeinen so angeordnet, daß die Polarität zweier Permanentmagneten 5 und 5 auf gegenüberliegenden Seiten jedes Pol-

Stückes 7 symmetrisch zum Polstück 7 ist. Das heißt, die Polarität der gegenüberliegenden Flächen zweier benachbarter Magneten 5 und 5 ist jeweils die gleiche. Genauer gesagt ,es sind die Magneten 5 und die Polstücke 6, 7,8 aufeinanderfolgend in der Folge "N.S-Polstück-S.N-Polstück-N.S" angeordnet.

Die Polstücke 6 und 8, die an den beiden Enden des Gehäuses 1 angeordnet sind, haben Messerkanten 6a bzw. 8a an ihrem inneren Umfang. Die inneren Wandflächen der Stirnwände des Gehäuses 1 sind jeweils mit Dichtungsringen 9 und 10 versehen, die gegen die jeweiligen Außenflanken der Polstücke 6 und 8 anliegen.

Die Innenumfänge der Polstücke 6, 7 und 8 sind jeweils mit V-förmigen ringförmigen konkaven Nuten 9, 9 ... und 9 versehen, die jweils entsprechende Messerkanten 6a, 7a, 7b und 8a an den Flanken oder den Enden der Innenumfänge in axialer Richtung des Gehäuses 1 oder der Welle 2 bilden, wie es in Fig. 1 und 2A gezeigt ist. Dichtungsspalte g. , g„ ... g_1Q sind zwischen den Messerkanten 6a, 7a, 7b und 8a und der zylindrischen Fläche der Welle 2 gebildet, wobei in diesen Spalten magnetische Flüssigkeit 11, 11 ... und 11 eingefangen ist, um Dichtungsbarrieren zu bilden, um so die Druckdifferenz zwischen den oben genannten Umgebungen auf den beiden Seiten der rotierenden Welle 2 aufrechtzuerhalten .

Die Verteilung des durch die benachbarten Permanentmagneten 5 erzeugten Magnetflusses ist in Fig. 2B gezeigt. Das heißt, der Magnetfluß vom N-PoI eines ersten Permanentmagneten 5L auf der linken Seite in Fig. 2B verläuft durch die Messerkante 7a eines zweiten Polstückes 7c und über den Spalt g., um in den Oberflächenteil der Welle 2 zu fließen. Dann tritt der Magnetfluß aus der Welle 2 aus und verläuft über den Spalt g^ neben dem Spalt g und fließt in die Messerkante 7g eines ersten Polstückes TL. Andererseits fließt der Magnetfluß von dem N-PoI eines zweiten Permanentmagneten 5C im Zentrum, wie es in Fig. 2B gezeigt ist, durch die Messerkante 7b des zweiten Polstückes 7C und über den Spalt g,. und weiter in die Quelle 2 und anschließend über den Spalt g_g in die Messerkante 7a des dritten Polstückes 7R. Die beiden von den verschiedenen Magne-

ten 5L und 5C in dem zweiten Polstück 7C erzeugten Magnetschlüsse haben die gleichen positiven Polaritäten, und infolgedessen stoßen sie einander ab, so daß sie in Richtung auf die Messerkanten 7a bzw. 7b getrennt werden und auf diese konzentriert werden. Die Konzentration der Magnetflüsse führt zu einer Erhöhung der Haltekraft zum Halten der Magnetflüssigkeit in den Spalten g₄ und g₅.

In dem dritten Polstück 7R stoßen der vom zweiten Permanentmagnet 5C erzeugte Magnetfluß und der vom dritten Permanentmagnet 5R erzeugte Magnetfluß einander ab, so daß diese Magnetflüsse getrennt werden und an den jeweiligen Messerkanten 7a und 7b des dritten Polstückes 7R konzentriert werden. Infolgedessen wird die Magnetflußdichte, die jeden Spalt durchsetzt, sehr hoch, wodurch die Haltekraft für die Magnetflüssigkeit beträchtlich erhöht wird, um so ein Vakuum auf einer Seite der Welle 2 vollständig aufrechtzuerhalten. Auch dann, wenn die Vorrichtung ausgebildet ist, daß die Spalte verhältnismäßig weit sind, z.B. 30 bis 50 μ, ist es möglich, eine verhältnismäßig große Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, wodurch die Anordnung der Welle 2 und der Polstücke 7 erleichtert wird. Auch wenn die Anzahl der verwendeten Permanentmagneten herabgesetzt wird, ist es möglich, eine verhältnismäßig große Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, weshalb brauchbare Vorrichtungen mit kleiner Abmessung hergestellt werden können.

Fig. 2C zeigt die Verteilung der Magnetflußdichte in jedem Teil der Vorrichtung. Aus Fig. 2C ist ersichtlich, daß die Dichte in den Stellen steil ansteigt, in denen die Spalte liegen, und daß die Polarität des über die Spalte g. und g₅ fließenden Magnetflusses zu derjenigen des über die Spalte g, und g₇ fliessenden Magnetflusses entgegengesetzt ist.

Die vorteilhafte Wirkung nach der Erfindung ergibt sich aus Fig. 3. In Fig. 3 stellt die Ordinate die Größe der Druckdifferenz dar, die jeweils durch die erfindungsgemäße und eine bekannte Vorrichtung aufrechterhalten wird, während die Abszisse die Anzahl der Permanentmagneten oder Magnetbarrieren darstellt. Die Wirksamkeit dieser Vorrichtungen ist allgemein proportional der Anzahl der Permanentmagneten. Die Fähigkeit, ei-

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ne Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Linie B dargestellt, während die entsprechende Fähigkeit einer bekannten Vorrichtung (GBPS 783 881) durch die Linie A dargestellt ist. Aus den Linien B und A ist zu ersehen, daß die Wirkung, gemessen in Form der Fähigkeit einer Druckdifferenz zu widerstehen und diese Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung über 1,5 mal so groß ist wie bei der bekannten Vorrichtung mit der gleichen Anzahl von Dichtungsbarrieren.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Ί. Magnetflüssigkeit-Dichtungsvorrichtung zum Abdichten von relativ zueinander bewegbaren Elementen mit einem Gehäuse, mit einer relativ zum Gehäuse drehbaren Welle aus magnetischem Material, mit mehreren Permanentmagneten, von denen jeder ein zentrisches Loch besitzt, das von der Welle durchsetzt wird, wobei die Permanentmagneten koaxial zueinander in Reihe so angeordnet sind, daß die Polarität einander gegenüberliegender Flächen zweier Magnete gleich ist, und mit wenigstens einem Polstück mit einem von der Welle durchsetzten zentralen Loch, das im wesentlichen zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Polstück (7) an seinem das zentrale Loch (13) bildenden Innenumfang eine konkave Nut (9) besitzt, welche an ihren Flanken oder den in axialer Richtung der Welle (2) gegenüberliegenden Enden des Innenumfangs Messerkanten (7a,7b) bildet, wobei zwischen jeder Messerkante (7a,7b) und der Außenfläche der Welle (2) ein Dichtungsspalt gebildet ist, in welchem magnetische Flüssigkeit (11) eingefangen oder zurückgehalten wird, um so eine Barriere zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zu bilden.
2. 2. Magnetflüssigkeit-Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang jedes Polstückes (7) eine V-förmige Nut (9) besitzt.