DE3439081A1

DE3439081A1 - Ferrofluiddichtung

Info

Publication number: DE3439081A1
Application number: DE19843439081
Authority: DE
Inventors: Dudley D. Lake Hill N.Y. Fuller; Philip Holliston Mass. Stahl; Donald F. Schenectady N.Y. Wilcock
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1983-10-27
Filing date: 1984-10-25
Publication date: 1985-06-13
Also published as: FR2554189A1; GB8427113D0; FR2554189B3; JPS60192116A; CA1247180A; GB2149027A; GB2149027B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es sind bereits einstufige,, zweistufige oder mehrstufige Ferrofluiddichtungen bekannt, die einen oder mehrere Ferrofluidringe um eine Welle bilden, um diese abzudichten. Ferrofluiddichtungen werden für langsam laufende Wellen verwendet und sind insbesondere als Schmiermittelfilme für die Lagerung geeignet, um zu verhindern, daß das Lagerschmiermittel in Bereiche gelangt, die von Verunreinigungen frei sein müssen. Während solche Ferrofluiddichtungen typischerweise Gasdrücke von etwa 0,2 bis 0,35 bar je Ferrofluidstufe aushalten können, sind sie in der Regel nicht in der Lage, Flüssigkeitsdrücken standzuhalten. Magnetfluiddrücken oder beispielsweise selbst geringen Flüssigkeitsdrücken halten sie bei drehender Welle schwer stand. Solche Flüssigkeitsdrücke liegen beispielsweise dann vor, wenn ein Schmiermittelreservoir zur Wiederauffüllung des Lagerfluids angeschlossen ist oder wenn ein Reservoir mit einer Zirkulationsströmung durch einen Kühler wieder aufgefüllt wird, um die gewünschte Lagertemperatur bei drehender Welle aufrechtzuerhalten.

Bei laufender Welle neigt das Ferrofluid, welches das Schmiermittel enthält und den Schmiermittelfilm zur Verfügung stellt, dazu, in Längsrichtung nach außen zu wandern, weil sich die Temperatur im Betrieb erhöht und das Ferrofluid sich ausdehnt. Die Erwärmung erfolgt aufgrund der im Ferrofluid auftretenden Scherkräfte und aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der Lagerbauteile.

Die US-PS 3 439 961 beschreibt ein hydrodynamisches

Bifluidlager mit Spülnuten, durch welche das Lagerfluid nach innen zur axialen Mittel des Lagerraums geleitet werden soll, damit eine Leckage von Lagerfluid unter Belastung oder bei drehender Welle reduziert wird. Als Lagerschmiermittel wird ein ferromagnetisches Fluid verwendet, welches magnetisiert wurde und nicht nur durch das Magnetfeld, sondern auch durch ein schlecht netzendes PTFE Material an jedem Ende des Lagerhohlraums gehalten wird. Ferner beschreibt die US-PS 3 891 282 eine Vorrich- -JO tung, bei der Spiralkahäle verwendet werden, welche ein Schmiermittel in den Lagerspait leiten und bei dem eine Magnetdichtung das Lager abdichtet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kombinierte Ferrofluid-.j5 dichtungs- und Lagervorrichtung zu schaffen, die entweder als Radiallager oder als Drucklager oder als Kombination davon verwendbar ist und die einen einfacheren Aufbau als beim Stand der Technik hat und außerdem das verwendete Ferrofluidschmiermittel im Lagerhohlraum 2Q insbesondere bei laufender Welle hält.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs Ii

-j Die Erfindung betrifft somit eine Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung und ein Verfahren zum Halten eines Ferrofluids in einer Fluidfilm-Lagervorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine zusammengesetzte Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung, bei der ein Ferrofluid-

2Q schmiermittel durch eine magnetische Ferrofluiddichtung in einem Fluidfilm-Radial-oder Axial-Lagerhohlraum gehalten wird, welcher das Austreten des Ferrofluidschmiermittels unter, dynamischen Bedingungen verhindert.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine zusammengesetzte,

kompakte, einfache Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung aus, bei der die Verwendung eines Magnetfelds zur Bildung einer Ferrofluiddichtung an jedem Ende des Lagerhohlraums oder eines Fluidfilm-Lagerhohlraums oder Spalts dazu dient, die Längsbewegung oder das Austreten des Ferrofluids aus dem dünnen Fluidfilm-Lagerhohlraum unter dynamischen Bedingungen zu verhindern und wobei die Dichtung, die an jedem Ende des Lagerhohlraums vorgesehen ist, das Einfangen von Gasen oder Luft durch das -|0 Lager- Ferrofluid verhindert. Unter dynamischen Arbeitsbedingungen bewegt sich der dünne Film des Ferrofluids oder des Ferrofluidschmiermittels in Längsrichtung nach außen entlang der Welle, weil ein Druck in dem dünne/n Ferrofluid-Lagerfilm erzeugt wird. Diese Bewegung erfolgt auch aufgrund der Wärme, welche von den Scherkräften erzeugt wird, die aus der Relativbewegung der Lagerfläche und der sich drehenden Wellenoberfläche resultieren. Das Ferrofluid wirkt im übrigen sowohl als Ferrofluid, als auch als Schmiermittel.

ι 20

Bei der Erfindung wird das Ferrofluid in dem Fluidfilm- j Lagerhohlraum gehalten, indem eine oder mehrere Ferrofluid-Magnetdichtungen an jedem Ende des Lagerhohlraums ! vorgesehen werden, um das Ferrofluid in dem Lagerhohlraum einzuschließen und die in Längsrichtung erfolgende Auswärtsbewegung des Ferrofluids aus dem Lagerhohlraum zu verhindern. Ein oder mehrere Ferrofluid-O-Ringdichtungen sind an jedem Ende des Lagerhohlraums vorgesehen, wobei die O-Ringdichtungen eine Abschluß- oder Druck-

3Q dichtung bilden und durch konzentrierte Magnetkraftlinien um die Welle gehalten werden. Die erfindungsgemäße, kompakte, integrale Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung verhindert die beim Stand der Technik wie beispielsweise bei der US-PS 3 439 961 avftretenden Schwierigkeiten, ; wobei das Ferrofluid in dem gesamten Lagerhohlraum einer

Magnetkraft unterworfen ist. Im allgemeinen neigt ein Ferrofluid in einem konzentrierten Magnetfeld dazu, seine Viskosität zu erhöhen und seine Eigenschaften wesentlich zu verändern, was den ordentlichen Betrieb des ^ Ferrofluids als Fluidfilm-Lagerfluid beeinflussen kann, zumindest dadurch, daß die Scherkräfte vergrößert werden und daß eine Zunahme in der Ausdehnung des verwendeten Ferrofluids erfolgt. Durch die Verwendung von einem oder mehreren Ferrofluid-Dichtungs-O-Ringen an jedem ^0 Ende des Hohlraums und beim Fehlen eines Magnetfelds durch den Fluidfilm-Lagerhohlraum wird das Ferrofluid in seiner Lage gehalten, ohne daß die Viskosität und die Eigenschaften des Lager-Ferrofluids beeinflußt werden.

"15 Die Erfindung ist somit in ihrer einfachsten Form eine zweistufige Ferrofluid-O-Ringdichtung mit einem zwischen zwei Polstücken liegenden Lagerelement, welches einen Lagerhohlraum direkt benachbart und zusammenhängend mit den an jedem Ende des Lagerhohlraums vorhandenen Ferrofluid-O-Ringdichtungen bildet.

Die zusammengesetzte Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung nach der Erfindung weist eine sich drehende, von Magnetlinien durchsetzbare Welle auf, die in eine Radial- oder Radial-Drucklager-Dichtungsvorrichtung eingesetzt wird. Ein ringförmiger Permanentmagnet umgibt die Welle und besitzt Enden von entgegengesetzter Polarität. Die Vorrichtung weist erste und zweite Polstücke auf, wobei ein Ende jedes Polstücks die magnetischen Kraftlinien von dem ringförmigen Permanentmagneten aufnimmt. Die jeweils anderen Enden der Polstücke erstrecken sich bis nahe zur Oberfläche der Welle und bilden mit dieser einen oder mehrere Radialspalte. In einfachster Form hat der Radialspalt eine einstufige oder zweistufige Ferrofluiddichtung, wobei jeweils ein Radialspalt an

einem Ende des Lagerhohlraums angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen, insbesondere bei höheren Druckdichtungen können das eine, das andere oder beide Enden der Polstücke mit Vertiefungen oder messerartigen Rillen versehen sein oder die Welle kann unter den Polstücken Vertiefungen oder messerförmigen Kanten aufweisen, um eine Anzahl von Radialspalten unter jedem Ende der Polstücke zu bilden, zwischen denen jeweils Lufträume angeordnet sind.

Ein Ferrofluid wird in die Radialspalte eingebracht, um eine oder mehrere Ferrofluid-O-Ringdichtungen zu bilden, die sich um die Oberfläche der magnetisierbaren Welle erstrecken. Ein unmagnetisches Lagerelement, typischerweise ein zylindrisches Element, ist zwischen die ersten und zweiten Polstücke eingebracht und erstreckt sich bis nahe zur Wellenoberfläche, ohne diese zu berühren und hat typischerweise einen geringeren Abstand als die Enden der Polstücke zur Wellenoberfläche haben, beispielsweise einen Abstand von 0,002 bis 0,02 mm, wobei die Höhe der Radialspalte unter den Polstücken typischerweise im Bereich von 0,05 bis 0,2 mm liegt. Die Innenfläche des Lagerelements bildet im allgemeinen einen dünnen, rohrförmigen, fluidfilmaufnehmenden Lagerhohlraum oder Spalt mit der Oberfläche der magnetisierbaren Welle. Ein Ferrofluid wird in den Lagerhohlraum eingebracht, welches das gleiche oder ein anderes Ferrofluid als das in den Radialspalten unter den jeweiligen Polstücken verwendete Ferrofluid sein kann. Das Ferrofluid soll sich typischerweise kontinuierlich durch den radialen Lagerhohlraum und in die Radialspalte der Dichtung erstrecken, welche an jedem Ende des Lagerhohlraums vorgesehen sind, ohne daß dazwischen Luft- oder Gasräume bestehen, so daß keine Luft oder kein Gas bei sich drehender Welle von dem Ferrofluid mitgerissen werden kann.

Die beschriebene, zusammengesetzte Ferrofluid-Dichtungs-

Lagervorrichtung ist kompakt, einfach, wirtschaftlich herstellbar und kann die Längsbewegung oder nach außen erfolgende Ausdehnung des Ferrofluids aus dem filmaufnehmenden Hohlraum wirksam verhindern und beeinflußt die Lagereigenschaften des Ferrofluids in dem Lagerhohlraum nicht.

Das erfindungsgemäß verwendete Ferrofluid kann irgendein Ferrofluid sein, ist jedoch zweckmäßigerweise ein sehr schwer flüchtiges Ferrofluid, welches außerdem Lagerfilm- und/oder Schmiereigenschaften hat. Das verwendete Ferrofluid ist im allgemeinen gleich für die Radialspalte und für den Fluidfilm-Lagerhohlraum. Es ist ein sehr schwer flüchtiges, synthetisches Kohlenwasserstoff- oder Ester-Trägerfluid mit darin verteilten, kolloidalen Magnetteilchen, das im allgemeinen ein synthetischer Kohlenwasserstoff mit einer sehr schmalen Siedepunktsverteilung ist, um die Anwesenheit von stark flüchtigen Stoffen auszuschalten. Die Viskosität des Ferrofluids kann schwanken, und zwar in Abhängigkeit von den gewünschten Fluidfilm-Lagereigenschaften, reicht jedoch typischerweise von etwa 50 cPs bis 500 mPa.s bei 25°C und hat bei der Verwendung für eine O-Ringdichtung eine magnetische Sättigung im Bereich von etwa 100 bis 500 Gauß.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat es sich zweckmäßig erwiesen, die Form der Außenränder der jeweils anderen Enden jedes Polstücks zu verändern, um einen veränderlichen Magnetfeldgradienten zu erzielen, der sich in Richtung der Außenränder jedes der Polstücke erstreckt. Dies wird beispielsweise durch Abphasen, Konturieren ödere Abschrägen der Ränder der Polstücke erreicht. Die Veränderung des Außenrandes schafft einen zusätzlichen Raum für die nach außen erfolgende Längsausdehnung des Ferrofluids aus der O-Ringdichtung, ohne daß ein Ferro-

fluidverlust auftritt. Die Veränderung der Außenränder der Polstücke bewirkt eine axiale Veränderung des Magnetfeldgradienten unter den Enden jedes der Polstücke derart, daß bei axialer Ausdehnung des Ferrofluids ein zusätzliches Volumen unter jedem der Polstücke geschaffen ist, welches das Ferrofluid hält. Somit schafft die Ferrofluid-Dichtungs-Lagerungsvorrichtung einen sehr geringen oder keinen magnetischen Fluß in dem Lagerhohlraum und einen im allgemeinen gleichmäßigen Fluß unter -10 dem Innenteil der Polstücke und wahlweise einen veränderlichen, abnehmenden Magnetfluß unter den Außenrändern dieser Polstücke.

In einer anderen Ausführungsform der Ferrofluid-Dichtungs- -| 5 Lagerungsvorrichtung nach der Erfindung ist ein Ferrof luidreservoir an einer oder typischerweise an beiden Seiten des Lagerelements und an den Polstücken vorgesehen, so daß überschüssiges Ferrofluid in dem Ferrofluidreservoir als ein Reserve-Ferrofluidschmiermittel wirkt und sich mit dem Ferrofluid in dem Ferrofluidfilm-Lagerhohlraum vermischt, um zusätzlich bei der Kühlung des Ferrofluidschmiermittels zu helfen und die Veränderung im Lagerspalt zu begrenzen, die aufgrund von unterschiedlicher thermischer Verformung der Bauteile der Vorrichtung auftreten könnten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist somit ein Ferrofluidreservoir an jeder Seite des Lagerelements vorgesehen, um Überschuß-Ferrofluid aufzunehmen. Dieses Ferrofluidreservoir ist vollständig mit Ferrofluid gefüllt, um die Mitführung von Gasen, beispiels-3Q weise Luft, im Ferrofluid der Lagervorrichtung auszuschließen. Im allgemeinen sind Ferrofluidreservoirräume ringförmige, scheibenartige Räume von definierter Höhe, die sich um die Welle erstrecken und im allgemeinen an jedem Ende des Lagerelements und zwischen dem Lagerteelement und der von den Polstücken geschaffenen Ferrofluid-O-Ringdichtung angeordnet sind.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht eine dünne Schicht von unmagnetischem Lagermaterial auf dem jeweils einen Ende der Polstücke vor. Die Dicke des unmagnetischen Lagermaterials reicht nicht aus, um den Magnetfluß durch die Enden der Polstücke wesentlich zu beeinflussen; d.h. die Polstücke halten weiterhin einen Ferrofluid-O-Ring fest. Das Lagermaterial, das beispielsweise 0,002 bis 0,02 mm dick ist, erstreckt sich in gleicher oder etwas größerer Lagerdicke als

^q das Lagerelement. Die Erfindung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn ein Unterschied zwischen den Enden der Polstücke und den Lagerelementen besteht, wobei die Lagerelemente den geringsten Abstand zur Welle haben. Wenn die Möglichkeit besteht, daß die Welle oder das

,κ Lager bei der Bewegung die Polstücke berührt, dann ist es zweckmäßig, ein dünnes Lagermaterial auf die Enden der Polstücke aufzubringen und die Polstücke etwas weiter im Abstand vor der Welle als die Lagerfläche enden zu lassen, als dies für den Fluidfilmspalt im Fluidfilm-Lager-

P₀ hohlraum gilt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das in der Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung verwendete Ferrofluidreservoir allein verwendet oder durch ein externes Ferrofluidreservoir ergänzt werden, bei dem das Ferrofluid dann aus einer Zuführnut in den Lagerhohlraum eingeleitet und aus diesem bei laufender Welle abgeleitet werden kann, was insbesondere für große Lagervorrichtungen zweckmäßig ist, für die eine externe Lagerschmiermittelzirkulation bekannt und üblich ist,· um einen frischen Schmierfilm jedem Lagerhohlraum zuzuführen. Auch wird dabei die Temperatur des Ferrofluid-Schmiermittels durch externe Kühlung des aus dem Lagerhohlraum abgezogenen Ferrofluidschmiermittels und durch die Zufuhr von kühlem Schmiermittel zum Lagerhohlraum

während des Betriebs abgesenkt. Die Verwendung eines externen Wärmeaustausch-Ferrofluidreservoirs kann allein oder in Verbindung mit dem Ferrofluidreservoir der zusammengesetzten Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung dazu dienen, eine übermäßige Ausdehnung des Ferrofluids durch Erwärmung in Verbindung mit den Ferrofluid-O-Ringen an jedem Ende des Lageerhohlraums zu verhindern.

Die erfindungsgemäße Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung kann ferner Nuten entweder in der Lageroberfläche oder in der Wellenoberfläche, in der Nähe der Lageroberfläche oder in beiden Flächen aufweisen, um das Ferrofluid nach innen von den Ferrofluid-O-Ringdichtungen an jedem Ende der Lagervorrichtung nach innen zum Lagerhohlraum zu leiten. Dadurch wird das Ferrofluid in dem Lagerhohlraum wie von einer Schraube gehalten und bei einer Drehung der Welle allmählich nach innen bewegt. In einem derartigen Ausführungsbeispiel sind zumindest zwei Nuten vorgesehen, die sich zusammen mindestens 180° um die Welle erstrecken oder es können mehrere beabstandete, überlappte und geneigte Nuten vorgesehen sein. Die Nuten müssen nicht verbunden sein und können sich in Umfangsrichtung im allgemeinen in einem Winkel zur Mittellinie der Welle in der Lagervorrichtung erstrecken, der typischerweise wenige Grade bis etwa 10° oder mehr beträgt, um eine Pumpwirkung nach innen zu erzielen. Wenn die Nuten unter 0° oder unter 90° angeordnet sind, dann tritt natürlich keine Pumpwirkung auf. Die Nuten sollen im allgemeinen flach und verhältnismäßig breit sein, beispielsweise 0,0025 bis 0,025 mm oder weniger tief und 0,05 bis 0,2 mm breit. Beispielsweise können die Nuten in der Fläche des Lagerelements vorgesehen sein und zwar können beispielsweise 10 Nuten vorhanden sein, die sich jeweils um etwas mehr als 36 erstrecken, um einen Umfangskreis um die Welle zu ergeben. Dabei sind

die Nuten voneinander beabstandet und 1° bis 10° geneigt, so daß das Ferrofluid in Richtung zur Mitte des Lagerhohlraums gedrückt wird.

Die Nuten sollten an jedem Ende des Lagerelements und an der Ferrofluid-O-Ringdichtung angeordnet sein. Die Verwendung von Nuten zum Pumpen des Ferrofluids in den Lagerhohlraum kann zusätzlich zu einer externen Fluidzirkulation herangezogen werden, die beispielsweise durch Pumpen des Ferrofluids erreicht wird, indem ein Druckdamm vorgesehen wird, der eine Auslaßöffnung oder eine Bohrung vor dem Damm aufweist. Es kann auch eine Anordnung mit mehreren Dämmen oder mehreren Stufen sowie eine Fischgrätenanordnung vorgesehen sein, um die Pumpwirkung zu erreichen. Typischerweise wird das Ferrofluid zu dem Lager über einen Rückströmkanal geleitet, der an die Umfangsnuten im Lager angeschlossen ist. Die Lager-Zuführnuten sind an die Umfangsnuten angeschlossen und die Umfangsnuten dienen dazu, das unter niederem Umgebungsdruck stehende Ferrofluid zu dem ringförmigen Film unter den Ferrofluiddichtungen an jedem Ende zu halten. Die Lagerkonstruktion kann unterschiedlich sein, beispielsweise zylindrisch, mit mehrfachen Nuten, mit mehrfachen Keulen, mit einem Druckdamm, mit mehreren Stufen, mit mehreren Halterungen, mit Fischgrätenaufbau, porös o.a.

Der Ferrofluidfilm unter dem Ferrofluid-Dichtungsabschnitt kann auch Spiralnuten über einen Teil der axialen Abschnitte aufweisen, um das Ferrofluid nach innen zum Lagerabschnitt zu pumpen und um die Dichtungswirkung der Ferrofluiddichtung zu unterstützen. Die Zirkulation des Ferrofluids im Lagerhohlraum gestattet die Isolierung des Hochdruckbereichs unter dem Lager und verhindert Hochdruck unter der Ferrofluid-O-Ringdichtung an jedem Ende des Lagerhohlraums. Dadurch wird eine übermäßige Ausdehnung des Ferrofluids an jedem Ende des Lagers verhindert. Die

erfindungsgemäße Ferrofluid-Dichtungs- Lagervorrichtung gestattet die Verwendung jeder Art und Form von Fluidfilm-Lageranordnung, sofern sie eine Ferrofluid-O-Dichtungsvorrichtung aufweist. Aus Grünen der Übersichtlichkeit wird jedoch lediglich eine zylindrische Fluidfilm-Lagervorrichtung erläutert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel;

Figur 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel; und
Figur 3 einen Schnitt durch ein kombiniertes Radial-

Druck-Lager.
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Figur 1 zeigt einen Schnitt durch die obere Hälfte einer Ferrofluiddichtung 10, die einen ringförmigen Permanentmagneten 12 und Polstücke 14 sowie 16 aufweist, die sich in Richtung auf eine Welle 20 erstrecken und mit dieser einen Radialspalt von etwa 0,05 bis 0,075 mm bilden. Dieser Radialspalt liegt unter den Polstücken 14 bzw. 16. Der Raum unter dem Permanentmagneten 12 wird von einem unmagnetischen Lagermaterial, beispielsweise von Bronze, ausgefüllt, dessen Innenfläche sich bis nahe an die Oberfläche der Welle 20 erstreckt, um einen Fluidfilm-Aufnahmeraum zu bilden. Die Oberfläche weist flache Umfangsnuten 30 auf, die gegenüber der Mittellinie der Welle 20 um einige Grade versetzt sind. Der Fluidfilm- Aufnahmeraum hat typischerweise einen Abstand von 0,0025 bis 0,02 mm. Die Enden der Polstücke und 16 sind mit einer dünnen Beschichtung von Lagermaterial 28 versehen, welches so angeordnet ist, daß die Enden der Polstücke 14, 16 jeweils mit der Oberfläche des Lagerelements 18 fluchten und damit eine Lagerfläche ergeben, die sich über die gesamte Ferrofluiddichtung

erstreckt. Ein Ferrofluid, das als ferrofluidisches Schmiermittel 26 wirkt, ist in den Lagerraum und in den Raum unter dem Radialspalt jedes Polstücks 14, 16 eingebracht, um einen zusammenhängenden Ferrofluidring zu ergeben. Dabei ergeben sich Ferrofluid-0-Ringdichtungen 22 und 24 gemäß den über die Welle 20 verlaufenden gestrichelten Linien, wobei das Ferrofluid unter den Radialspalten der Polstücke 14 und 16 durch die magnetischen Kraftlinien gehalten wird. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen durch den Permanentmagneten 12, durch die Polstücke 14 und 16, durch das Ferrofluid 26 unter jedem Ende der Polstücke 14 und 16 und durch die für Magnetlinien durchlässige Welle 20.

Im Betrieb halten die magnetischen Kraftlinien der Polstücke 14 und 16 das Ferrofluid zwischen den O-Ringdichtungen 22 und 24 als Ferrofluid-Schmierfilm, der sich über die Länge des Lagerelements 18 erstreckt. Die flachen Umfangsnuten 30 in der Oberfläche des Lagerelements 18, die durch Nuten in Form eines Einlasses und eines Auslasses an ein extern gekühltes Ferrofluidreservat angeschlossen sein können, sind geringfügig gegenüber der Mittelinie der Welle 20 versetzt und in der Nähe der Polstücke 12, 14 angeordnet, damit das Ferrofluid zur Innenseite der O-Ringdichtungen 22 und 24 und nach innen zur Mitte des Lagerelements 18 fließt. Die Enden der Polstücke 12, 14 sind mit Bronze, einem unmagnetischen Lagermetall überzogen, welches die Polstücke 12, 14 mit der Oberfläche des Lagerelements 18 fluchten läßt, um die Lagerfläche zu verlängern. Ein Verkanten der Ferrofluiddichtung 10 gegenüber der Welle 20 bewirkt somit keine Beschädigungen, während die geringe Dicke des unmagnetischen Materials die magnetischen Kraftlinien nicht wesentlich beeinflußt, so daß die Ferrofluid-O-Ringdichtungen 22 und 24 unter den Polstücken 14, 16 gehalten

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werden, eine axiale Ausdehnung des Ferrofluids unter dynamischen Bedingungen verhindert und ferner das Einfangen von Luft oder Gasen im Ferrofluid unter dem Lagerelement 18 vermieden wird.

Figur 2 ist ein Halbschnitt durch eine Ferrofluiddichtung 50, bei der ein Ferrofluidreservoir vorgesehen ist. Die Ferrofluiddichtung 50 weist ein unmagnetisches Gehäuse 52 auf, welches einen axial polarisierten, ringförmigen Permanentmagneten 54 aufweist, der eine Welle 70 umgibt.

Die Welle 70 ist magnetisch durchlässig und weist magnetisierbare Polstücke 58 und 56 auf, deren Enden im allgemeinen parallel mit der Oberfläche der Welle 70 verlaufen und sich bis nahe an die Oberfläche der Welle 70 er-

-| 5 strecken. Dabei bilden sie Radialspalte 74 und 76 von beispielsweise 0,05 mm. In dem Gehäuse und zwischen den Polstücken 56 und 58 befindet sich ein im allgemeinen zylindrisches, unmagnetisches, beispielsweise aus Bronze bestehendes Lagerelement 60, dessen Oberfläche einen geringen Abstand zur Welle 70 hat, um einen Fluidfilm-Aufnahmeraum 72 zu bilden. An jeder Seite des Lagerelements 60 sind von den Polstücken 56 und 58 Ferrofluidreservoire 82 und 84 gebildet, in denen überschüssiges Ferrofluid 86 aufgenommen ist, welches einen Ferrofluid-O-Ring am Ende der Polstücke 56 und 58 bildet. Die durch gestrichelte Linien 88 und 90 verdeutlichten O-Ringe erstrecken sich um die Oberfläche der Welle 70. Wie dargestellt, erstreckt sich das Lagerelement 60 bis nahe an die Oberfläche der Welle 70, und zwar näher als die Enden der Polstücke 56 und 58. Ferner sind die Außenränder der Polstücke 56 und 58 abgephast, um Flächen 78 und 80 zu ergeben, die ein zusätzliches Volumen unter den Enden der Polstücke 56, 58 und einen variablen Feldliniengradienten an den Enden jedes der Polstücke 56 bzw. 58 schaffen.

Im Betrieb verlaufen die magnetischen Kraftlinien durch den Permanentmagneten 54, durch die Polstücke 56 und 58 und durch deren Enden, und zwar sowohl durch deren ebene Enden 74 und 76 und durch die abgephasten Enden 78 und 80, um das Ferrofluid 86 als O-Ringdichtungen 88 und 90 an jedem Ende der Ferrofluiddichtung 50 zu halten. Das Ferrofluid 86 ist in expandiertem Zustand dargestellt, wird jedoch durch den veränderlichen magnetischen Fluß innerhalb der abgephasten Enden 78 und 80 der Polstücke 56 und 58 gehalten. Die abgephasten Enden 78 und 80 gestatten eine Ausdehnung des Ferrofluids nach außen, ohne daß dabei ein Ferrofluidverlust durch Erwärmen des Ferrofluids aufgrund von Scherkräften und durch die Expansion der Komponenten der Ferrofluiddichtung 50 infolge unterschiedlicher thermischer Expansion der verschiedenen Materialien auftritt.

Im Betrieb zirkuliert bei einer Drehung der Welle 7 0 das Ferrofluid 86 im schmalen Ferrofluid-Aufnahmeraum 72 und gelangt in Räume 84 und 86, die an jedem Ende des Aufnahmeraums 72 vorgesehen sind, wobei sie neues ferrofluidisches Schmiermittel aus den Räumen 84 und 86 in den Ferrofluidfilm-Aufnahmeraum 72 einbringen können. Dies verhindert eine Temperaturerhöhung des Ferrofluids 82. Das Ferrofluid 82 füllt die Ferrofluiddichtung 50 und beide Räume 84 und 86 vollständig aus, damit keine Luft in dem Ferrofluid 82 mitgeführt werden kann, welche die ferrofluidischen Eigenschaften verändert und die Lagereigenschaften des Fluidfilm-Aufnahmeraums 72 beeinflussen könnte. Gemäß der Zeichnung wird das Ferrofluid 82 durch benachbarte Ferrofluid-Räume 84 und 82 und durch die abgephasten Enden 78 und 80 in der Ferrofluiddichtung 50 gehalten, wobei der Ferrofluidüberschuß in den Räumen 84 und 86 als Reserve-Schmiermittel wirkt und wobei sich überschüssiges Ferrofluid mit

dem Ferrofluid im Hochdruckteil des Lagers innerhalb des Fluidfilm-Aufnahmeraums 72 vermischt, so daß das Abkühlen des Ferrofluids unterstützt und eine Veränderung des Lagerspalts begrenzt wird. In einer Ausführung kann das Lagerelement 60 Nuten sowie Einlasse und Auslässe aufweisen, um das Ferrofluid aus dem Ferrofluidreservoir abzuziehen und es extern zu kühlen, damit es anschließend wieder in die Reservoire zurückgeleitet werden kann. Das Lagerelement 60 kann in einer anderen Ausführung Spülnuten an der Außenfläche des Lagers im Lagerelement aufweisen, um beispielsweise das ferofluidische Schmiermittel nach innen zu drücken.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein kombiniertes Ferrofluid-Radial-Druck-Lager 100, welches eine Welle 102 aus magnetisierbarem Stahl aufweist. Auf der Welle 102 ist ein gehärteter Stahlkragen 106 befestigt, der in einem äußeren Bronzegehäuse 104 untergebracht ist. Die äußere Radialfläche des Kragens 106 und die innere Radialfläche des Gehäuses 104 sind beispielsweise 0,0025 bis 0,025 mm beabstandet und bilden gegenüberliegende, radiale Lagerflächen 128. An jedem Ende des Kragens 106 sind untere und obere Kragen 108 vorgesehen, welche Drucklager bilden. Die Oberseite des unteren Kragens 108 und die Unterseite des oberen Kragens 110 sind von den jeweiligen unteren und oberen Enden des Kragens 106 zur Bildung von Drucklagerflächen 124' beabstandet. Der Kragen 106 weist ferner einen radialen Hohlraum 112 für die Aufnahme eines Ferrofluid-Schmiermittels auf.

An den unteren und oberen Enden des kombinierten Radial-Drucklagers sind gemäß Figur 3 einstufige Ferrofluiddichtungen mit einem Polstück vorgesehen, wie sie in der US-Patentanmeldung Nr. 450 339 vom 16. Dezember 1982 beschrieben sind, auf die hiermit Bezug genommen wird. Die

Ferrofluiddichtungen weisen jeweils Permanentmagnete 116 und 118 sowie von magnetischen Kraftlinien durchsetzbare Polstücke 120 und 122 auf, die aus Stahl sind. Ein Ende jedes Polstücks 120, 122 erstreckt sich bis nahe an die Oberfläche der Welle 102, um obere und untere Radialspalte von beispielsweise 0,025 bis 0,075 mm zu bilden. Ferrofluid-Schmiermittel 114 in den Spalten ergibt obere und untere Dichtungen, welche das Ferrofluid zwischen solchen oberen und unteren Dichtungen einschließen. Die Außen-

-JO selten der oberen und unteren Polstücke 120 bzw. 122 sind in schrägem Winkel angephast, der in Figur 2 beispielsweise mit 45 angegeben ist, damit im Betrieb eine gewisse radiale Auswärtsbewegung des Ferrofluid-Schmiermittels 114 erfolgen und ein Magnetfeld unterschiedlicher Dichte unter

.j 5 den Polstücken 120, 122 entstehen kann.

Gemäß Figur 3 befindet sich das Ferrofluid-Schmiermittel 114 zwischen den Drucklagerflächen und den Radiallagerflächen sowie in dem radialen Hohlraum 112 zwischen den ^mit Polstücken versehenen Magneten und den oberen und unteren Kragen 108 und 110, um eine zusammenhängende Schicht von Ferrofluid-Schmiermittel 114 sowohl auf den Radiallagerflächen als auch auf den Drucklagerflächen zu ergeben. Das Ferrofluid-Radial-Druck-Lager 100 hat eine kurze Baulänge und es kann die Magnetdichtung mit nur einem Polstück am unteren Ende verwendet werden, da der hydrostatische Druck an der Dichtung des unteren Polstücks nicht groß ist, beispielsweise nur 5 bis 10 cm Wassersäule hat. Gegebenenfalls kann eine mehrstufige Ferrofluiddichtung als untere Ferrofluiddichtung mit oder ohne Druckanlegung verwendet werden, um bei übermäßigem hydrostatischen Druck das Ferrofluid zu halten. Gemäß Figur 3 sind die oberen und unteren Kragen 108 und 110 weiter von der Oberfläche der Welle 102 entfernt, um den Durchtritt des Ferrofluid-Schmiermittels zu gestat-

ten, ohne daß eine Radial-/Drucklagerflache gebildet wird, was aber geschehen kann. Die einstufige Ferrofluiddichtung, die sich um den Umfang der Welle 102 erstreckt, ist durch die gestrichelten Linien angedeutet, die sich von dem Radialspalt erstrecken und die das darin von dem Magnetfeld gehaltenen Ferrofluid-Schmiermittel bezeichnen.

Im Betrieb erstreckt sich das Ferrofluid-Schmiermittel zwischen der oberen und der unteren Ferrofluiddichtung, während das Ferrofluid-Schmiermittel im Hohlraum 112 eine Vermischung mit dem Radial- und Drucklagerfilm gestattet, um das Kühlen des Ferrofluid-Schmiermittels zu unterstützen, während die abgephasten oder gebrochenen Enden an jedem Ende der Polstücke 120 bzw. 122 mithelfen, das Ferrofluid-Schmiermittel in der Ferrofluiddichtung zu halten. Die in Figur 3 dargestellte Dichtung ist somit eine Ferrofluiddichtung mit kombinierten Radial- und Drucklagereigenschaften.

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Claims

Patentansprüche

mit einer magnetische Kraftlinien aufnehmenden Welle, gekennzeichnet durch:

a) ein Lagerelement, welches einen Dünnfilm-Radialoder Drucklager-Hohlraum aufweist, welcher die Welle umgibt;

b) ein erstes Ferrofluid-Dichtungselement mit. einem ringförmigen Permanentmagneten, der die Welle umgibt und mindestens ein Polstück aufweist, das die magnetischen Kraftlinien des Permanentmagneten aufnimmt und sich mit einem Ende bis nahe an die Oberfläche der Welle erstreckt und mit dieser einen Radialspalt bildet;

c) ein in dem Lagerhohlraum befindliches Ferrofluid, das als Schmiermittel und gleichzeitig als O-Ringdichtung um die Welle wirkt;

d) wobei die Ferrofluiddichtung die Welle und mindestens ein Ende des Radial-oder Drucklager-Hohlraums umgibt, um im Betrieb das Austreten von Ferrofluid aus dem Radial-oder Drucklager-Hohl raum zu verhindern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lager-Hohlraum ein Radiallagerraum um die Welle ist und daß die ersten und zweiten Ferrofluiddichtungen an den gegenüberliegenden Enden des Lagerhohlraums angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine Welle aufweist .
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche ein Lagerelement zwischen der ersten und zweiten Ferrofluiddichtung aufweist, wobei das Lagerelement eine innere Radialfläche besitzt, die einen Lagerhohlraum mit der Oberfläche der Welle bildet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

a) eine Welle;

b) einen Kragen mit einer äußeren Radialfläche und einem ersten und zweiten Ende, wobei der Kragen auf der Welle befestigt ist;

c) ein Gehäuse mit einer inneren Radialfläche, wobei die jeweilige äußere und innere Fläche des Gehäuses und der Welle einen dazwischen liegenden schmalen Radiallager-Hohlraum bilden;

d) erste und zweite Drucklagerelemente an dem einen oder anderen Ende des Kragens, um obere und untere Drucklagerräume zu bilden;

e) erste und zweite einstufige Ferrofluiddichtungen an dem einen und anderen Ende der Drucklagerelemente; und

f) ein Ferrofluid, das sich kontinuierlich durch die Radial-und Drucklager-Hohlräume und durch den Radialspalt unter jedem der Polstücke erstreckt, um eine Ferrofluid-O-Ringdichtung an jedem Ende der Welle zu bilden und dadurch das Ferrofluid im Betrieb in der Dichtung zu halten.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Ferrofluidreservoir,um das Ferrofluid darin zur Verwendung in dem Radial- oder Drucklager-Hohlraum zu halten.
7. Ferrofluiddichtung zur Verwendung mit einer von magnetischen Kraftlinien durchdringbaren Welle, gekennzeichnet durch:

a) einen ringförmigen Permanentmagneten, der so gestaltet ist, daß er die Welle umgibt;

b) erste und zweite Polstücke, wobei ein Ende jedes Polstücks die magnetischen Kraftlinien des einen und des anderen Endes des Permanentmagneten aufnimmt, wobei die anderen Enden der Polstücke axial voneinander beabstandet sind und sich nahe zur Oberfläche der Welle erstrecken, um darunter einen oder mehrere Radialspalte zu bilden;

c) ein unmagnetisches Lagerelement, das zwischen den ersten und zweiten Polstücken liegt und eine Fläche besitzt, die sich nahe zur Oberfläche der Welle erstreckt und mit dieser einen Fluidfilm-Lagerraum bildet, der sich zwischen den Radialspalten der Polstücke erstreckt; und

d) ein Ferrofluid, das den Lagerraum und die Radialspalte unter jedem der Polstücke ausfüllt, wobei das Ferrofluid in dem Lagerraum einen Ferrofluid-Lagerfilm um die Welle bildet und das Ferrofluid im Radialspalt unter jedem Polstück zumindest eine Ferrofluid-O-Ringdichtung an jedem Ende des Lagerraums einrichtet,

so daß die Ferrofluid-O-Ringdichtung an jedem Ende des Lagerraums die Axialbewegung des Ferrofluids von einer Ausdehnung aus der Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung und das Mitführen von Gasen im Ferrofluid der Vorrichtung verhindert
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialspalt etwa 0,05 bis 0,2 mm und der Spalt zwischen der Oberfläche des unmagnetischen Lagerelements und der Oberfläche der Welle etwa 0,0002 mm bis 0,02 mm groß ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Polstücke an der Außenseite des anderen Endes abgeschrägt sind, um eine nach außen gerichtete schräge Fläche zu bilden, damit ein Feldliniengradient über das andere Ende der Polstücke entsteht und dadurch das Ferrofluid gehalten wird, welches sich in Längsrichtung aus der Ferrofluid-Dichtungs-Lagervorrichtung ausdehnt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Ferrofluid-Hohlräume an der einen oder anderen Seite des Lagerelements vorgesehen sind und daß der Ferrofluid-Hohlraum mit Ferrofluid gefüllt und zwischen den Ferrofluid-O-Ringen und einem Ende des Lagerhohlraums angeordnet ist, so daß überschüssiges Ferrofluid in dem Ferrofluid-Hohlraum als Reserveferrofluid wirkt, das mit dem Ferrofluid in dem Lagerhohlraum während des Drehens der Welle gemischt wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Ferrofluidreservoir an jeder Seite des Lagerelements und an jedem Ferrofluid-Hohlraum, der im allgemeinen nahe dem Radialspalt an jedem der Polstücke liegt, wobei der Ferrofluid-Hohlraum ein ringförmiges Ferrofluidreservoir bildet, das mit Ferrofluid gefüllt ist, so daß überschüssiges Ferrofluid als ein Reserveferrofluid wirkt und sich mit dem Ferrofluid im Filmabschnitt des Lagerhohlraums mischt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement flache Spülnuten
in seiner Fläche aufweist, die gegenüber der Mittellinie der Welle winkelmäßig versetzt sind, um das
Ferrofluid nach innen in Richtung auf die Mitte

des Lagerelements zu leiten.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülnuten gegen jedes Ende des Lagers gerichtet sind und die Welle in Umfangsrichtung umgeben.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils anderen Enden der
Polstücke eine dünne Schicht von unmagnetischem
Lagermaterial aufweisen, wobei die dünne Schicht nicht so groß ist, daß sie die magnetischen Kraftlinien
durch diese anderen Enden der Polstücke wesentlich
behindert.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement ein zylindrisches Element ist, welches einen im allgemeinen rohrförmigen Lagerhohlraum für einen dünnen Film zusammen mit der
Wellenoberfläche bildet.
16. Ferrofluiddichtung mit einer für magnetische Kraftlinien durchlässigen Welle, die in der Ferrofluiddichtung nach Anspruch 7 steckt.