DE3438139A1

DE3438139A1 - Ferrofluid-dichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3438139A1
Application number: DE19843438139
Authority: DE
Inventors: Kuldip Merrimack N.H. Raj
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1984-01-27
Filing date: 1984-10-18
Publication date: 1985-08-01
Also published as: US4478424A; FR2558918A1; JPS60159475A; GB8423992D0; GB2153453A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Ferrofluid-Dichtungsvorrichtungen und Ferrofluid-Dichtungsverfahren sind weit verbreitet, und zwar als Abschlußdichtungen und Druckdichtungen für Wellen.

-iQ Eine Abschluß-Ferrofluiddichtung weist üblicherweise einen ringförmigen Permanentmagneten und zwei getrennte Polstücke auf/ wobei sich ein Ende jedes Polstücks bis in die Nähe der Welle erstreckt und dazwischen einen Radialspalt bildet/ in welchem ein ferrofluidi-

..,- scher O-Ring von den magnetischen Feldlinien auf der Wellenoberfläche gehalten wird. Eine solche Ferrofluiddichtung weist im allgemeinen einen geschlossenen, ringförmigen Hohlraum zwischen den Polstücken auf. Für eine druckfeste Ferrofluiddichtung wird im allgemeinen eine mehrstufige Ferrofluiddichtung eingesetzt, bei der mehrere Radialspalte entweder an den Enden der Polstücke oder auf der Welle gegenüber von den Enden der Polstücke gebildet sind, wie dies in der US-PS 3 620 584 beschrieben ist.

Es sind aber auch bereits zweistufige Ferrofluiddichtungen bekannt, bei derer die Polstücke unterschiedliche Dicken haben oder bei denen der Radialspalt zwischen jedem Ende der Polstücke anders ist, um eine Ferrofluid-

OQ dichtung von größerer Lebensdauer zu ergeben. Dies ist in der US-PS 4 357 021 beschrieben. Diese bekannte Ferrofluiddichtung besitzt Polstücke, von denen eines einen veränderlichen Radialspalt aufweist, der durch ein abgeschrägtes Ende gebildet ist, so daß im Betrieb

oc das Ferrofluid unter dem dünneren Polstück zunächst

verdampft und einen Luftspalt in dem zwischen den Polstücken gebildeten Luftraum ergibt, während das Ferrofluid an dem breiteren, schrägen Spalt verbleibt und für die verlängerte Lebensdauer der Abschlußdichtung sorgt.

Es sind ferner bereits Ferrofluiddichtungen von größerer Lebensdauer bekannt, welche als Abschlußdichtungen insbesondere für Computer-Plattenantriebsspindeln verwendet werden, bei denen ein ringförmiger Permanentmagnet und zwei Polstücke die Welle oder Spindel umgeben. Die Polstücke haben im allgemeinen L-Form, um eine einzelne Ferrofluid-O-Ringdichtung um die Welle zu bilden, wie dies in der US-PS 4 357 024 beschrieben

-| 5 ist. Dabei haben die L-förmigen Polstücke gleiche oder unterschiedlichen Dicken und bilden einen gleichförmigen Radialspalt in Bezug auf die Obferfläche der Welle, während sich die Fortsätze der Polstücke einander zuwenden, um einen Zwischenstufenspalt zu ergeben, welcher das Ferrofluid zusätzlich zu den Radialspalten festhält, um damit eine einstufige Ferrofluid-O-Ringdichtung um die Welle zu bilden. Die Radialspalte unter den Enden der L-förmigen Polstücke sind gleich groß, während der Zwischenstufenspalt unterschiedlieh sein kann, um die gewünschte, im Schnitt allgemein T-förmige Ferrofluiddichtung zu ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ferrofluid-Abschlußdichtung oder eine Ferrofluid-Druckdichtung zu schaffen, welche ein erstes und zweites Gebiet durch einen Ferrofluid-O-Ring abdichtet und bei der Gasdruckveränderungen in dem jeweiligen Gebiet in bezug auf das andere Gebiet oder auf ein drittes Gebiet ausgleichbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen bei einer Vorrichtung

der eingangs genannten Art die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 10.

Die erfindungsgemäße Ferrofluiddichtung weist im wesentlichen Bereiche von unterschiedlicher Feldliniendichte auf, so daß Fluid zwischen unterschiedlichen Gebieten bei Druckveränderungen in den Gebieten verlagerbar ist.

Die erfindungsgemäße Ferrofluiddichtung und das Verfahren können zumindest drei unterschiedliche Gebiete voneinander trennen und die Ferrofluiddichtung sowie die darin vorgesehene Ferrofluidstufe können als mehrfaches, druckempflindliches, Zweiwege- oder Mehrwege-Ferrofluidventil wirken. Es hat sich gezeigt, daß durch Veränderung der Radialspalte und des Zwischenstufenspalts und damit der magnetischen Feldliniendichte in einer einstufigen Ferrofluid-O-Ringdichtung die Größe der verschiedenen Spalte die Differentialdrücke und die Richtung der Gasströmung zwischen den durch die Ferrofluiddichtung getrennten Gebiete steuern können, so daß ein einziger Ferrofluid-O-Ring zumindest drei Dichtungen unterschiedlichen Drucktyps bilden kann. Die erfindungsgemäße Ferrofluiddichtung kann als ferrofluidische Abschlußdichtung mit einstufigem Ferrofluidring gebildet werden, welche drei oder mehrere unterschiedliche Gebiete von unterschiedlichen Magnetliniendichten aufweist, so daß unterschiedliche Druckdichtungen entstehen, oder sie kann als ferrofluidische Druckdichtung konzipiert sein, bei der eine Anzahl von Ferrofluiddichtungen mit einem oder mehreren Fluidringen vorgesehen sein kann, von denen jeder drei oder mehrere unterschiedliche Magnetflußgebiete aufweist, um als mehrfaches Ferrofluidventil beim Einsatz zur Trennung unterschiedlicher Gebiete zu wirken.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Ferrofluiddichtung mit einem Magneten, der eine abzudichtende Welle umgibt und Polstücke von entgegengesetzter Polarität besitzt; mit ersten und zweiten Polstücken, die jeweils radial innere und äußere Abschnitte aufweisen, wobei die äußeren Abschnitte der Polstücke den Magnetfluß zu gegenüberliegenden Enden des Magneten herstellen, während sich die inneren Abschnitte der Polstücke zur Welle erstrecken, diese jedoch nicht berühren und dabei erste und zweite Radialspalte bilden, wobei die ersten und zweiten Polstücke Fortsätze aufweisen, die gegeneinander gerichtet sind, um dazwischen einen Zwischenstufenspalt und einen dazwischen liegenden ringförmigen Hohlraum zu bilden; mit in den ersten und zweiten Radialspalten und in dem Zwischenstufenspalt durch die magnetischen Kraftlinien gehaltenem Ferrofluid zur Bildung einer O-Ring-Ferrofluiddichtung um die Oberfläche der Welle, welche ein erstes Gebiet an einer Seite von einem zweiten Gebiet an der anderen Seite der Ferrofluiddichtung trennt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die ersten Radialspalte unterschiedliche Abmessungen haben; daß der Zwischenspalt eine sich mindestens von einem der Radialspalte unterscheidende Abmessungen hat; und daß sich ein Kanal von dem ringförmigen Hohlraum zu einem dritten Gebiet erstreckt, wobei die einstufige Ferrofluiddichtung drei oder mehr Bereiche von unterschiedlicher Feldliniendichte aufweist, so daß die Ferrofluiddichtung aufgrund des Drucks in jedem der Gebiete als Zwei-Wege-Ferrofluidventil wirkt, welches die Gasströmung zwischen den Gebieten steuert.

Die Abmessungen des ersten und zweiten Radialspalts und des Zwischenstufenspalts sind unterschiedlich. Es hat sich gezeigt, daß die Größe der einzelnen Abmcs-

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sungen der Radialspalte die Differentialdrücke zwischen den jeweiligen Gebieten steuern, welche von dem Ferrofluid-Ring getrennt sind und daß durch Steuerung der Radialspalte und der magnetischen Flußdichten in der ^ einstufigen Ferrofluid-O-Ringdichtung die Richtung der Gasströmung zwischen den Gebieten gesteuert werden kann, so daß die Ferrofluiddichtung tatsächlich als Zwei- oder Mehrwegenventil arbeitet. Die ersten und zweiten Radialspalte und der Zwischenstufenspalt sind

"10 in ihren Abmessungen in bestimmter Weise ausgelegt, wobei einer der Radialspalte andere Abmessungen als der andere hat. Die Radialspalte und der Zwischenstufenspalt haben in Abhängigkeit von der konstruktiven Auslegung der Ferrofluiddichtung unterschiedliche

Ί5 Abmessungen, die Spalte liegen jedoch zwischen 0,013 mm und 0,51 mm oder mehr und haben typischerweise 0,025 bis 0,3 mm; beispielsweise 0,025 bis 0,15 mm. Die Größe der Radialspalte steuert den Druck der Ferrofluiddichtung zwischen den jeweiligen Gebieten auf einer Seite des ferrofluidischen O-Rings und dessen anderer Seite und dem Gebiet in dem Hohlraum zwischen den jeweiligen Polstücken. Die Auswahl der Abmessungen der Radialspalte steuert somit die Dichten der magnetischen Feldlinien und die in jedem der drei Gebiete aufbringbaren Drücke. Gas in einem Gebiet kann in das andere Gebiet je nach den Konstruktionsparametern der Ferrofluiddichtung gelangen, während in ähnlicher Weise Gas von den durch den ferrofluidischen O-Ring getrennten Gebieten zu einem weiteren Gebiet gelangen kann. Es ist auch möglich, daß das Gas aus einem Gebiet gleichzeitig mit den beiden anderen Gebieten in Strömungsverbindung gelangen kann.

Eis läßt sich eine mehrstufige Ferrof luiddichtung mit Druckhaltefähigkeit erzielen, indem mehrere Ferrofluid-

dichtungen zusammengeschaltet und die Konstruktionsparameter der Radialspalte und des Zwischenstufenspalts verändert werden, um eine Folge von ferrofluidischen Mehrwegeventilen zu bilden, welche die einzelnen, durch das Ferrofluid getrennten Gebiete trennen. Die Geometrie der Polstücke kann unterschiedlich sein, und ebenso kann dies ihre Größe und die Art des magnetischen Materials. Auch kann das Ferrofluid die unterschiedlichen Drücke und die mehrstufige Ferrofluiddichtung sowie die Strömungsrichtung des Gases von einem Gebiet zum anderen bestimmen. Die FerrofIuiddichtung kann entweder eine Abschlußdichtung oder eine Druckdichtung sein, welche erste und zweite Gebiete voneinander trennt und welche es auch zulassen kann, daß die ersten und zweiten Gebiete miteinander in Strömungsverbindung gelangen. Es können auch ein oder mehrere Hohlräume zwischen den jeweiligen Polstücken der Ferrofluiddichtung vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Ferrofluxddichtung ist insbesondere für pneumatische Steuerungen, Roboter und in der chemischen Industrie zur Trennung, Mischung und Übertragung von Gasen zwischen unterschiedlichen Gebieten geeignet.

Die Ferrofluiddichtung kann unterschiedliche Gebiete bei gleichen oder unterschiedlichen Drücken voneinander trennen, beispielsweise Atmosphärendruck von subatmosphärischem Druck oder überatmosphärischen Druck gegenüber atmosphärischem Druck. Sie kann auch reaktionsfreudige, kontaminierende oder korrosive Gase von einer oder von zwei Seiten der Dichtung abhalten. Die erfindungsgemäße Ferrofluiddichtung verhindert eine Kontaminierung eines Gebiets im Falle des Aufbrechens der ferrofluidischen Abschlußdichtung, indem sie die Gase in den Hohlraum zwischen den Polstücken leitet, aus welchem sie durch den Kanal abführbnr sind. Dadurch wirkt dip Dichtunq als Sicherheitsvent il.

Das bei der Ferrofluiddichtung verwendete Ferrofluid kann unterschiedliche Zusammensetzung haben; typischerweise ist es ein wenig-flüchtiger Kohlenwasserstoff oder ein Ester einer anderen Ferrofluid-Zusammensetzung, die eine Viskosität von 100 bis 2 000 cPs, beispielsweise 200 bis 600 cPs hat und die zum Abdichten von Wellen von etwa 50 mm dient. Die Umdrehungsgeschwindigkeit solcher Wellen liegt bei 5 000 U/Min und das Ferrofluid hat eine magnetische Feldstärke von 200 bis 1 000 Gauß, vorzugsweise 300 bis 600 Gauß. Die erfindungsgemäße Ferrofuiddichtung kann eine Anzahl von Permanentmagnetstoffen einsetzen, entweder als geformte Kunststoffe oder Elastormere wie Piastiform oder einen Sammarium-Kobaldmagneten oder einen anderen Permanentmagneten. Es kann auch ein Elektromagnet als Quelle für den Magnetfluß verwendet werden. Im Falle eines Elektromagneten kann der Strom durch den Magneten verändert werden, um dadurch die Druckhaltefähigkeit der Ferrofluiddichtung und der verschiedenen Stufen in gewünschter Weise zu verändern.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abdichten einer Welle und zur Schaffung einer Ferrofluiddichtung sowie eines mehrfachen Ferrofluidventils, bei dem eine einzelne Dichtung von Ferrofluid um die Oberfläche einer Welle gebildet wird, welche ein erstes Gebiet an einer Seite von einem zweiten Gebiet an der anderen Seite der Ferrofluiddichtung trennt und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß um die Ferrofluiddichtung ein ringförmiger Hohlraum gebildet wird, der einen Kanal aufweist, welcher sich zu einem dritten Gebiet erstreckt, und daß Bereiche von mindestens drei unterschiedlichen Feldliniendichten in der einzelnen Ferrofluiddichtung vorgesehen werden, so daß die Ferrofluiddichtung sich zu jeweiligen Gebieten je

nach dem Entwurfsdruck der Ferrofluiddichtung öffnet bzw. schließt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figuren la, Ib eine bekannte Ferrofluiddichtung; Figur 2 einen schematischen Schnitt durch eine

erfindungsgemäße Ferrofluiddichtung; Figuren 3a, 3b vergrößerte Teilschnitte durch die Ferrofluiddichtung gemäß Figur 2 im

Betriebszustand als Ferrofluidventil; und Figur 4 einen schematischen Schnitt durch eine

mehrstufige Ferrofluiddichtung.

Figur la zeigt eine bekannte Ferrofluiddichtung mit einem Polstück, welches unter einem Ende Ferrofluid hält, während die magnetischen Feldlinien von dem Ende des Polstücks in die darunter liegende Welle laufen. Der Ferrofluidring hat eine domartige Form und kann einem Druck von etwa 0,21 bis 0,34 bar standhalten. In Figur la ist der Druck an jeder Seite des Polstücks gleich groß oder im wesentlichen gleich groß; d.h. er überschreitet nicht den Durchbruchsdruck für die Ferrofluiddichtung. Figur Ib zeigt hingegen den Durchbruch durch eine Ferrofluid-Abschlußdichtung nach Figur la, und zwar wenn der Druck an der linken Seite des Polstücks den Druck der Ferrofluid-Abschlußdichtung überschreitet, so daß die normale Form des Ferrofluidringes unter dem einen Ende des Polstücks verändert wird. Dabei bildet sich ein kleiner Spalt zwischen dem Ferrofuid und der Wellenoberfläche, durch den das Hochdruckgas, beispielsweise Luft, von der linken Seit des Polstücks nach rechts abgeblasen werden kann, bis der Druck an der linken Seite unter dem kritischen Wert für die Abschlußdichtung liegt. Die

Ferrofluiddichtung gemäß den Figuren la und Ib kann somit als Forrof 1 uidventil bezeichnet werden, welches bei einem bestimmten D i f torenzdruck öffnet, und sozusagen ein Einwegeventil ist.
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Figur 2 zeigt eine Zweiwege-Ferrofluiddichtung, welche als Zweiwege-Ferrofluidventil wirkt. Die Ferrofluiddichtung 10 weist zwei L-förmige Polstücke 12 und 14 von Ringform und einen ringförmigen Permanentmagneten 16 auf. Die Polstücke 12 und 14 und der Magnet 16 befinden sich in einem unmagnetischen Gehäuse 18. Die Polstücke 12 und 14 bilden zwischen sich einen Lufthohlraum und das Gehäuse 18 sowie der Permanentmagnet 16 sind mit einer kleinen Bohrung oder einem

-) 5 Kanal 24 versehen, der in radialer Richtung durch den Magneten 16 und das Gehäuse 18 in den Hohlraum gebohrt ist. Eine magnetisierbare Welle 20 befindet sich in der Nähe der radial innen liegenden Umfangsflächen der Polstücke 12 und 14 und ein Ferrofluid 22 ist an den inneren Umfangsflachen der Polstücke 12 und 14 und in einem Zwischenstufengebiet zwischen den axialen Erstreckungen oder Fortsätze der Polstücke 12 und 14 gefangen. Die Ferrofluiddichtung ist in Figur 2 im Axialschnitt, als die Welle 20 umgebende Dichtung dargestellt. Die Ferrofluiddichtung 10 wird als Abschlußdichtung eingesetzt, wobei einstufiges Ferrofluid 22 als ferrofluidischer O-Ring um die Welle gelegt und durch die magnetischen Feldlinien vom Permanentmagneten 16 gehalten wird. Dabei verlaufen die magnetischen Feldlinien durch die Radialspalte R-, und R_?

sowie durch einen Zwischenstufenspalt R.,. Die Ferrof luiddichtung 10 trennt ein erstes Gebiet mit einem Druck P, von einem zweiten Gebiet mit einem Druck P , während der Luftraum zwischen den Polstücken 12 und 14 über den Kanal 24 an ein drittes Gebiet mit einem Druck

P₃ angeschlossen ist. Die Drücke P,, P- und P₃ können gleich oder unterschiedlich sein und im Betrieb kann die Ferrofluiddichtung somit Gebiete von gleichen oder unterschiedlichen Gasdrücken trennen.

Die dargestellte Ferrofluiddichtung 10 wirkt als Zweiwege-Ferrofluidventil, wobei die Radialspalte R, und R_ sowie der Zwischenstufenspalt R₃ die Drücke P,, P₂ und P₃ steuern, die in den drei getrennten Gebieten vorhanden sein können. Beispielsweise kann Gas, z.B. Luft, im Gebiet R, einen Druck P, haben und mit dem Gebiet R- oder R₃ je nach den Entwurfsparametern der Dichtung in Strömungsverbindung gelangen oder es können in ähnlicher Weise Drücke von den Gebieten R- oder

-] 5 R.- zu den übrigen Gebieten geleitet werden. Falls gewünscht, kann der Kanal 24 an Atmosphäre, an einen unteratmosphärischen Druck, an eine Druckpumpe oder an ein anderes Gebiet angeschlossen sein. Im allgemeinen bläst der Kanal 24 lediglich an die Atmosphäre ab, ^so daß die Ferrofluiddichtung 10 als Zweiwege-Ferrofluidventil arbeitet, welches einen zusätzlichen Schutz vor einem Dichtungsdurchbruch und einer Kontaminierung des Gebiets P, oder P- darstellt. Falls der Druck an einer Seite, beispielsweise an der linken Seite des Ventils vorübergehend den Konstruktionsgasdruck überschreitet, dann wird das Gas unter dem Gebiet R, zu dem Luftraum geleitet und durch den Kanal 24 an die Atmosphäre abgeblasen, worauf nach dem Druckabbau der Ferrofluidring wieder in seine normale Position 3Q gemäß Figur 2 zurückfließt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Radialspalt R_? größer als der Radialspalt R₁ dargestellt, während der Radialspalt R-. größer als beide Radialspalte R, und R_? ist. Auf diese Weise wird jeder Überdruck aus
das Gebiet R₃ abgeblasen

wird jeder Überdruck aus den Gebieten R, oder R- in

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Radialspalt R, 0,05 mm, der Radialspalt R~ 0,13 mm und der Radialspalt R₃ 0,2 mm, während der Druck P, 0,2 bis 0,28 bar, der Druck P„ 0,14 bis 0,2 bar und der Druck P₃ 0,07 bis 0,14 bar beträgt. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Radialspalt R-, 0,025 mm, der Radialspalt R~ 0,051 mm und der Zwischenstufenspalt R₃ 0,13 mm, während die Drücke P, 0,4 bar, P„ 0,21 bis 0,28 bar und P₃ 0,28 bar sind. Die Radialspalte R-,

-10 ^un<3 R₂ sollten nicht gleich sein, sondern sich voneinander unterscheiden, um ein Zweiwegeventil zu schaffen, während der Zwischenstufenspalt R₃ auch gleich groß wie R, oder R₂ sein kann; er kann jedoch auch davon verschieden sein. Allgemeiner gesprochen reichen die

-j 5 Abmessungen der ersten und zweiten Radialspalte E, und R„ sowie des Zwischenstufenspalts R^ von etwa 0,013 mm bis 0,3 mm.

Die Figuren 3a und 3b sind vergrößerte, schematische Teildarstellungen der Funktionsweise der Ferrofluiddichtung 10 von Figur 2, wobei Figur 3a) den Zustand zeigt, wenn der Druck P„ im Gebiet R₂ den Druck P₃ in dem Luftraum überschreitet, jedoch geringer als der Druck P, im Gebiet R₁ ist, so daß sich die Form des Ferrofluidrings verändert und Gas mit dem Druck P„ vom

Gebiet R₂ in den Luftraum strömen und durch den Kanal 24 an das Gebiet R₃ abgelassen werden kann. Es kann natürlich auch der umgekehrte Gasstrom erfolgen, also wenn das Ventil so ausgelegt wird, daß das Gas vom 3Q Gebiet R-, zum Gebiet R„ oder R₃ strömt.

Figur 3b zeigt eine noch weiter vergrößerte, schematische Toildarstellung, bei der die Ferrofluiddichtung 10 als Zweiwegonventil arbeitet und bei der eine Gasströ-,,_t lnung zwischen den Gebieten R, und R~ zugelassen wird,

jedoch keine Gasströmung in das Gebiet R-. erfolgen darf, was dadurch erreicht wix'd, daß der Zwischenstufenspalt R-, kleiner als die Radialspalte R-, und R- gemacht

wird.
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Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer mehrstufigen Ferrofluiddichtung 30 mit einet Mehrzahl von Polstücken 32, 34 und 36, zwischen denen Permanentmagnete 38 und 40 liegen. Alle sind in einem unmagne-

"Ό tischem Gehäuse 42 eingeschlossen und umgeben eine Welle 50. Ferrofluidringe 44, 46 und 48 werden als getrennte, beabstandete O-Ringe an den Enden der Polstücke 32, 34, 36 gehalten und Kanäle 52 und 54 erstrecken sich in die Lufträume, welche zwischen jeweils

^ 5 einem Paar von umgekehrt Y-förmigen Polstücken 32 und bzw. 34 und 36 angeordnet sind. Die Kanäle 52 und 54 bilden daher Durchgänge zu Gebieten R,, und R,, während das Ferrofluidventil ein Gebiet R, an der linken Seite mit einem Druck P, von einem Gebiet R„ mit einem Druck ρ an der rechten Seite trennt. Die mehrstufige Ferrofluiddichtung 30 ergibt sich dadurch, daß eine Anzahl einzelner Ferrofluiddichtungen gemäß Figur 2 zusammengestellt sind. Die Geometrie der Polstücke, die Größe der Radialspalte und die Wahl des Permanentmagnetmaterials können variieren, um die Druckhaltefähigkeit und die Gasströmungsrichtung in der gewünschten Weise festzulegen. Die dargestellte mehrstufige Ferrofluiddichtung 30 kann sechs getrennte Gebiete miteinander verbinden und es können noch mehr Gebiete untereinander verbunden werden, wenn noch mehrere einzelne Ferrofluiddichtungen hinzugefügt werden. Die Radialspalte R,-R₇ zwischen den Enden der Polstücke können ebenso wie die Zwischenstuf enspalte R,, R- unterschiedlich sein, um das Öffnen und Schließen des Ferrofluidventiln zwischen den jewciligen Gebieten zu beeinflussen und die Gasst rÖmunq in der

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gewünschten Weise zu leiten. Die mehrstufige Ferrofluiddichtung ist besonders geeignet als schnell arbeitendes Mehrfachventil, in dem unterschiedliche Drücke wie P-., P- etc. verwendet werden, um die Ferrofluiddichtung zu öffnen oder zu schließen und um die Gasströme zwischen den Gebieten R, und R~ oder in irgendwelche Zwischengebiete zu leiten, in dem die Drücke in den jeweiligen Hohlräumen verändert werden.

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- L e e r s e 11 ο

Claims

Patentansprüche

1. Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung mit einem Magneten (16), der eine abzudichtende Welle (20) umgibt und Polstücke von entgegengesetzter Polarität besitzt; mit ersten und zweiten Polstücken (12, 14), die jeweils radial innere und äußere Abschnitte aufweisen, wobei die äußeren Abschnitte der Polstücke den Magnetfluß zu gegenüberliegenden Enden des Magneten herstellen, während sich die inneren Abschnitte der Polstücke zur Welle erstrecken, diese jedoch nicht berühren und dabei erste und zweite Radialspalte (R,, R_?) bilden, wobei die ersten und zweiten Polstücke Fortsätze aufweisen, die gegeneinander gerichtet sind, um dazwischen einen Zwischenstufenspalt (R,) und einen dazwischenliegenden ringförmigen Hohlraum zu bilden; mit in den ersten und zweiten Radialspälten und in dem Zwischenstufenspalt durch die magnetischen Kraftlinien gehaltenem Ferrofluid (22) zur Bildung einer O-Ring-Ferrofluiddichtung um die Oberfläche der Welle, welche ein erstes Gebiet. (P,) an einer

Seite von einem zweiten Gebiet (P„) an der anderen Seite der Ferrofluiddichtung trennt; dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Radialspalte (R,, R ~) unterschiedliche Abmessungen haben; daß der Zwischenstufenspalt (R3) eine sich mindestens von einem der Radialspalte (R-., R~) unterscheidende Abmessung hat; und daß sich ein Kanal (24) von dem ringförmigen Hohlraum zu einem dritten Gebiet (P.,) erstreckt, wobei die einstufige Ferrofluiddichtung drei oder mehr Bereiche von unterschiedlicher Feldliniendichte aufweist, so daß die Ferrofluiddichtung aufgrund des Drucks in jedem der Gebiete als Zwei-Wege-Ferrofluidventil wirkt, welches die Gasströmung zwischen den Gebieten steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des ersten und zweiten Radialspalts (R-,, R₂) und des Zwischenstufenspalts (R₃) von 0,013 bis 0,3 mm reichen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste oder zweite Radialspalt (R, oder R„) eine Abmessung von 0,025 bis 0,076 mm und der Zwischenstufenspalt eine Abmessung von mehr als 0,025 bis 0,076 mm hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (16) ein ringförmiger Permanentmagnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (20) magnetisch permeabel ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Polstücke (12, 14) jeweils einen im allgemeinen L-förmigen Querschnitt haben.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferrofluid ein wenig-flüchtiger Kohlenwasserstoff oder Ester ist, der eine Viskosität von 100 bis 2 000 cPs und 100 bis 1 000 Gauß hat.

8. Mehrstufige Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzahl zusammengefaßter Dichtungsvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, um eine Reihe von beabstandeten Ferrofluiddichtungen um die Oberfläche einer Welle (50) zu schaffen und damit eine mehrstufige Ferrofluiddichtung des Mehrfach-Ventiltyps zu ergeben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (32, 34, 36) einen Y-förmigen Querschnitt haben, der sich in Richtung auf die Welle (50) öffnet.

10. Verfahren zum Abdichten einer Welle und zur Schaffung einer Ferrofluiddichtung sowie eines mehrfachen Ferrofluidventils, bei dem eine einzelne Dichtung von Ferrofluid (22) um die Oberfläche einer Welle gebildet wird, welche ein erstes Gebiet (P₁) an einer Seite von einem zweiten Gebiet (P^) an der anderen Seite der Ferrofluiddichtung trennt, dadurch gekennzeichnet, daß um die Ferrofluiddichtung ein ringförmiger Hohlraum gebildet wird, der einen Kanal (24) aufweist, welcher sich zu einem dritten Gebiet (P.,) erstreckt, und daß Bereiche von minde-

stens drei unterschiedlichen Feldliniendichten in der einzelnen Ferrofluiddichtung vorgesehen werden, so daß die Ferrofluiddichtung sich zu jeweiligen Gebieten je nach dem Entwurfsdruck der Ferrofluiddichtung öffnet bzw. schließt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferrofluiddichtung zwischen den radial innenliegenden Bereichen eines Paares von L-förmigen Polstücken gebildet und der ringförmige Hohlraum zwischen den Polstücken eingerichtet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Dichten der magnetischen Feldlinien in der Ferrofluiddichtung dadurch gebildet werden, daß die Ferrofluiddichtung um die Oberfläche der Welle und zwischen den inneren Bereichen der zwei Polstücke gebildet wird und die Dichtung zwischen drei Spalten von unterschiedlichen Abmessungen gehalten wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz in der magnetischen Feldliniendichte derart beibehalten wird, daß bei einer Erhöhung des Gasdrucks in dem ersten oder zweiten Gebiet die Ferrofluiddichtung es erlaubt, daß Gas in den ringförmigen Hohlraum strömen kann.

14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz in der magnetischen Feldliniendichte derart beibehalten wird, daß bei einer Erhöhung des Gasdrucks in dem ersten und zweiten Gebiet Gas von dem ersten zum zweiten Gebiet und umgekehrt strömen kann.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von beabstandeten O-Ring-Ferrofluiddichtungen um die Oberfläche der Welle gebildet wird, um eine mehrstufige Ferrofluiddichtung und ein Ferrofluidventil zu bilden, damit die Gasströmung von dem ersten oder zweiten Gebiet zu irgendeinem dazwischen liegenden dritten Gebiet und zurück gesteuert werden kann.

16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung von ersten und zweiten Radialspalten und von einem Zwischenstufenspalt, welche unterschiedliche Abmessungen haben, die zwischen 0,025 bis 0,3 mm liegen, eine Differenz in den magnetischen Feldliniendichten beibehalten wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Gebiete auf einem unteratmosphärischen oder überatmosphärischen Druck und ein anderes auf atmosphärischem Druck gehalten wird, um eine Strömung zwischen den Gebieten durch Verlagerung der Ferrofluiddichtung bei übermäßigem Druck in einem Gebiet zuzulassen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Gebiet atmosphärischen Druck hat.