DE3501937A1

DE3501937A1 - Mehrstufige ferrofluiddichtung mit einem polstueck

Info

Publication number: DE3501937A1
Application number: DE19853501937
Authority: DE
Inventors: Hanumaiah L. Nashua N.H. Gowda; Kuldip Merrimack N.H. Raj
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1984-01-27
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1985-08-08
Also published as: FR2558919A1; US4526380A; GB2153455B; GB2153455A; GB8501760D0; FR2558919B1; JPS60175870A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Ferrofluiddichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Ferrofluiddxchtungen sind zum Abdichten von Wellenstücken in Form von Abschlußdichtungen oder als Druckdichtungen bekannt. Sie dichten unterschiedliche Umgebungen ab, die entweder gleichen oder unterschiedlichen Druck haben.

Aus der US-PS 4 407 508 ist eine einstufige Ferrofluid-Abschlußdichtung mit einem einzigen Polstück bekannt, bei der ein einzelnes Polstück und ein einzelner ringförmiger Permanentmagnet eine einstufige Abschlußdichtung bilden, deren magnetische Kraftlinien durch einen Luftspalt zwischen einem Ende des Permanentmagneten und des abzudichtenden Wellenstücks verlaufen. Eine mehrstufige Ferrof luiddichtung mit Druckhaltefähigkeit ist beispielsweise in der US-PS 3 620 584 beschrieben, die einen ringförmigen Permanentmagneten und eine Anzahl von getrennten Ferrofluid-O-Ring-Dichtungen aufweist, die sich um die Oberfläche des abzudichtenden Wellenstücks erstrecken, wobei jede Dichtung eine eigene, bestimmte Druckhaltefähigkeit besitzt. Es werden dabei zwei Polstücke an jeder Seite des ringförmigen Permanentmagneten verwendet. Ferner wurden bereits magnetische Lager, beispielsweise Kugellager, verwendet, um eine Welle zu lagern und um deren geringe Rollreibung auszunutzen, wobei ferrofluidische Schmiermittel zwischen dem Innenring und dem Außenring des Lagers gehalten wurden, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 977 739 beschrieben ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung mit Druckhaltefähigkeit zu schaffen, die kompakter als bekannte mehrstufige Ferrofluiddichtungen ist und die wirtschaftlicher hergestellt werden kann, wobei die erforderliche Magnetenergie geringer ist und dennoch die gleiche Druckhaltefähigkeit wie bei der bekannten Ferrofluiddichtung erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Dadurch wird eine mehrstufige Ferrofluiddichtung mit einem einzigen Polstück geschaffen, die kompakt und wirtschaftlich herstellbar ist und die Lager aufweist, durch welche sich die magnetischen Kraftlinien erstrecken.

Die erfindungsgemäße mehrstufige Ferrofluiddichtung mit einem einzigen Polstück ist kompakter als bekannte mehrstufige Ferrofluiddichtungen, da ihre axiale Baulänge geringer als bei bekannten Ferrofluiddichtungen ist. Außerdem hat die erfindungsgemäße Ferrofluiddichtung lediglich den halben Leistungsbedarf wie bekannte Ferrofluiddichtungen, weil durch die benachbarten, magnetisch durchlässigen Lager an einer oder an beiden Seiten der Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung die Druckhaltefähigkeit des einen Polstücks der mehrstufigen Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung gleich oder im wesentlichen gleich zu der Druckhaltefähigkeit von einem Polstück der bekannten Ferrofluiddichtung ist. Diese Druckhaltefähigkeit reicht für zahlreiche Anwendungsfälle leicht aus, bei denen eine Druckdifferenz zwischen der einen und der anderen Seite der Ferrofluiddichtung vorliegt, wie dies beispielsweise in Anwendungsfällen ist, bei denen ein Bereich atmosphärischen Druck und der andere Bereich Unterdruck hat. Die Verwendung lediglich eines Polstücks verringert nicht nur die axiale Baulänge der Dichtung,

sondern reduziert auch die Kosten der Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung. Die Gesamtkosten der Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung werden auch dadurch reduziert, daß der Magnetfluß sich durch einen oder zwei Lager fortsetzt, die an der Ferrofluid-Dichtungsvorrichtungen anliegen, wodurch es möglich ist, das zweite Polstück wegzulassen, das üblicherweise bei mehrstufigen Ferrofluid-Druckdichtungen erforderlich ist.

Die mehrstufige Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung mit einem Polstück weist ein magnetisch permeables Wellenstück auf, das abzudichten ist, besitzt ein unmagnetisches Gehäuse, durch welches sich das Wellenstück erstreckt und ist ferner mit einem ringförmigen Permanentmagneten in dem Gehäuse versehen, der axial polarisiert ist, ein Ende und ein anderes Ende aufweist und das zu dichtende Wellenstück umgibt. Die Dichtungsvorrichtung verwendet ein einziges Polstück, welches ein Ende und ein anderes Ende aufweist, wobei das eine Ende des Polstücks in Magnetflußbeziehung mit einem Ende des Permanentmagneten steht und typischerweise an dem einen Ende des Permanentmagneten unmittelbar anliegt und das Wellenstück umgibt, während das andere Ende des Polstücks sich bis nahe an die Oberfläche des Wellenstücks erstreckt, diese jedoch nicht berührt. Eine Anzahl von getrennten, voneinander beabstandeten Radialspalten ist zwischen dem anderen Ende des Polstücks und der Oberfläche des Wellenstücks gebildet, und zwar entweder durch eine Reihe von Schneiden oder Zahnungen am Ende des Polstücks oder an der gegenüberliegenden Fläche des Wellenelements oder an beiden Flächen.

Ein Ferofluid, beispielsweise ein schwerflüchtiges Kohlenwasserstoff- oder Ester-Ferrofluid, das beispielsweise eine Viskosität von 100 bis 2000 cPs und eine Feldstärke von 100 bis 1000 Gauss hat, beispielsweise 200 bsi 500 Gauss, wird in der Vielzahl der Radialspalte gehalten, durch die sich

die magnetischen Kraftlinien von dem ringförmigen Permanentmagneten erstrecken. Das in den voneinander beabstandeten Spalten gehaltene Ferrofluid bildet eine Anzahl von getrennten O-Ringen um die Oberfläche des Wellenstücks. Die Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung verwendet lediglich ein einziges Polstück in Kombination mit dem ringförmigen Permanentmagneten. Die Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung weist ferner magnetisch permeable Lager an einer oder an beiden Seiten des Permanentmagneten und innerhalb des

-IO unmagnetischen Gehäuses auf, um ein Mittel zur Vervollständigung des magnetischen Kraftlinienkreises zu schaffen. Typischerweise werden magnetisch durchlässige Lager an einer oder an beiden Seiten verwendet, um die Welle zu lagern und das Lager liegt an einem Ende des axial polarisierten Permanentmagneten an, so daß ein üblicherweise erforderliches zweites Polstück zur Leitung der magnetischen Kraftlinien für eine mehrstufige Ferrofluiddichtung weggelassen werden kann.

D^as magnetisch permeable Lager weist einen Innenring und exen Außenring sowie dazwischenliegende Wälzkörper, beispielsweise Kugeln auf, die in einem Käfig gehalten werden und wobei der Innenring und der Außenring zur Drehung in bezug aufeinander gehalten sind. Typischerweise ist der Innenring auf der Außenfläche des Wellenstücks befestigt. Das Lager sollte hinreichend magnetisch permeabel sein, damit sich durch die magnetischen Kraftlinien hindurch erstrecken können, obgleich nicht alle Teile des Magnetsystems magnetisch permeabel sein müssen; es sollten jedoch so viele Teile sein, wie die Kugeln oder der Innenring oder der Außenring, die typischerweise aus Metall hergestellt sind, so daß das Kugellager einen magnetischen Kraftlinienpfad einrichtet. Im allgemeinen sind Kugellager auf jeder Seite der Ferrofluiddichtung abstützend eingesetzt, so daß die magnetischen Kraftlinien je nach Wunsch durch eines

oder beide magnetisch permeable Lager verläuft, oder die magnetischen Kraftlinien können durch ein einziges Lager geleitet sein, das an einem Ende des ringförmigen Permanentmagneten anliegt. Falls ein weiteres Lager an der gegenüberliegenden Seite verwendet wird, wird im allgemeinen ein unmagnetisches Distanzstück, beispielsweise eine Aluminiumscheibe verwendet, um eine magnetische Isolierung zwischen dem einen Polstück und dem anderen Lager herzustellen, sofern das andere Lager nicht unmagnetisch ist. Das andere Lager kann natürlich magnetisch permeabel oder nicht permeabel sein. Das magnetisch permeable Lager wird im allgemeinen am Außenrand des ringförmigen, axial polarisierten Magneten anliegend eingesetzt, wobei ein kleiner ringförmiger Luftspalt die Oberfläche des Wellenstücks

-15 radial umgibt, um einen Kontakt zwischen dem ringförmigen Permanentmagneten und dem magnetisch permeablen Kugellager am Außenrand des Permanentmagneten zu schaffen.

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

Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine bekannte mehrstufige Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung;

Figur 2 einen schematischen Halbschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Figur 3 einen schematischen Halbschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine bekannte Vakuum-Ferrofluid-Dichtung, welche eine magnetisch permeable Welle 12, ein unmagnetisches Gehäuse 14 und zwei Kugellager 16 und 18 zum Stützen der Welle 12 aufweist, wobei der Innenring auf der Außenfläche der Welle 12 befestigt ist. Ein ringförmiger,

axial polarisierter Permanentmagnet 24 ist vorgesehen und an jeder Seite liegen ein erstes und ein zweites Polstück 20. Das eine Ende des Polstücks 20 bildet eine Anzahl von Radialspalten mit der Oberfläche der Welle 12, um eine Anzahl von getrennten Ferrofluid-O-Ring-Dichtungen 28 und 30 um die Oberfläche der Welle 12 zu bilden. Die Kugellager 16 und 18 sind typischerweise für magnetische Kraftlinien durchlässig und daher ist ein unmagnetisches Distanzstück 26 vorgesehen, um die Kugellager 16 und 18 von der mehrstufigen Perrofluiddichtung mit den zwei Polstücken zu trennen. Bei der bekannten Ferrofluiddichtung 10 verlaufen die magnetischen Kraftlinien durch die Welle 12, durch die Polstücke 20, durch den Permanentmagneten 24 und durch das Ferrofluid in den mehreren Radialspalten, wie dies in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist. Aufgrund der hohen Konzentration der magnetischen Kraftlinien in den Radialspalten zwischen den Polstücken 20 und der Welle 12 wird Ferrofluid in getrennten Stufen gehalten, wobei die Anzahl der Stufen von der gewünschten Druckhaltefähigkeit der mehrstufigen Dichtung abhängt. Diese Ferrofluid-O-Ringe 28 und 30 bilden eine hermetische Sperre, beispielsweise zwischen einem Vakuum an einer Seite der Ferrofluiddichtung und der Atmosphäre an der anderen Seite. Die Druckhaltefähigkeit der Ferrof luiddichtung 10 ist eine Funktion der magnetischen Kraftliniendichte in den Radialspalten, der Anzahl der verwendeten Stufen und der Sättigungsmagnetisierung des Ferrofluids. Eine scheibenartige O-Ring-Dichtung 22 dient als statische Dichtung zwischen dem Gehäuse 14 und den Polstücken 20.

Figur 2 zeigt einen schematischen Halbschnitt durch eine erfindungsgemäße Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung 40, welche eine mehrstufige Ferrofluiddichtung mit nur einem Polstück 50 zeigt, die wirtschaftlich herstellbar ist und die als Vakuum-Rotationsdichtung von verringerter axialer

Baulänge und geringen Kosten herstellbsr ist. Die Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung 40 weist ein Wellenstück 42 auf, das aus einem magnetisch permeablen Material besteht, welches in einem unmagnetischen Gehäuse 44 in zwei Lagern 46 und 48 gelagert ist, die typischerweise Kugellager sind. Diese sind magnetisch durchlässig, und zwar besteht das Kugellager 48 beispielsweise aus einem metallischen Innenring, einem metallischen Außenring sowie aus metallischen Kugeln und Käfigen. Die Vorrichtung 40 weist ein einzelnes ringförmiges Polstück 50 auf, das in dem Gehäuse 44 durch O-Ring-Dichtungen 52 abgedichtet ist. Ein ringförmiges Distanzstück 54 aus unmagnetischem Material, beispielsweise aus Aluminium, dient dazu, um das Kugellager 48 von dem einen Polstück 50 zu isolieren, während das Kugellager 46 ein magnetisch permeables Material darstellt. Ein ringförmiger Permanentmagnet 56 umgibt das Wellenstück 42 und das einzelne Polstück 50 liegt direkt an einem Ende des axial polarisierten Permanentmagneten 56 an. Eine Anzahl von Radialspalten ist unter dem einen Ende des Polstücks 50 zwischen dem einen Ende des Polstücks 50 und der Oberfläche des Wellenstücks 42 in der dargestellten Weise gebildet. In diesem Fall sind die Ränder auf dem Wellenstück 42 vorgesehen, um eine Anzahl von getrennten, voneinander beabstandeten Ferrofluid-O-Ring-Dichtungen 58 zu bilden, welche die Druckhaltefahigkeit der Vorrichtung 40 bestimmen. Ein sich radial erstreckender Luftspalt 60 liegt zwischen dem ringförmigen Permanentmageten 56 und dem magnetisch durchlässigen Kugellager 48, welches am Außenrand des ringförmigen Permanentmagneten 56 unmittelbar anliegt.

Wie dargestellt, fordert das Ferrofluid-Dichtungssystem von Figur 2 lediglich ein einziges Polstück 50 und der magnetische Kraftlinienkreis, der in der Zeichnung durch ge-

strichelte Linien dargestellt ist, wird durch das Wellenstück 42, durch das Polstück 50, durch den Permanentmagneten 56, durch das magnetisch durchlässige Kugellager 48 und durch das Ferrofluid 58 in den Radialspalten geschlossen. Aufgrund der Magnetlinienkonzentration in den mehfachen Stufen werden die Ferrofluid-O-Ringe in den Radialspalten gebildet und wirken als mehrstufige Rotationsdichtung. Die Gesamtkosten der dargestellten Ferrofluiddichtung sind geringer als bei der bekannten Dichtung nach Figur 1, weil der Magnetlinienkreis durch eines der Lager verläuft, was ein zweites Polstück überflüssig macht. Die Größe der Dichtung in axialer Länge ist geringer als die der bekannten Dichtung, wobei der zusätzliche Vorteil besteht, daß der Leistungsverbrauch der Ferrofluiddichtung halb so groß wie der einer bekannten Dichtung ist. Das Schließen des Magnetlinienkreises durch das Lager 46 an einer Seite der Ferrofluiddichtung schafft eine Druckhaltefähigkeit für die Ferrofluiddichtung, die im allgemeinen äquivalent zur Druckhaltefähigkeit eines Polstücks der bekannten Dichtung ist. Beispielsweise ist die Druckhaltefähigkeit der in Figur 1 dargestellten Dichtung mit fünf Stufen etwa 1 bis 2,5 bar, was für die meisten Vakuumdichtungen völlig ausreichend ist.

Figur 3 zeigt einen schematischen Halbschnitt durch eine Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung 64, welche ein anderes Ausführungsbeispiel der Dichtungsvorrichtung von Figur 2 ist. Die Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung 64 weist hier zwei ringförmige, axial polarisierte Permanentmagnete 56 und 62 auf. Die Dichtungsvorrichtung 64 stellt eine billige, mehrstufige Vakuumdichtung mit einem einzigen Polstück und mit einer höheren Druckhaltefähigkeit als die Dichtung gemäß Figur 1 dar. Die Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung 64 ist ähnlich wie die Dichtungsvorrichtung gemäß Figur 2 aufgebaut, es sind jedoch zwei axial polarisierte Magnete

vorgesehen und der Magnetlinienkreis wird nicht durch eines der benachbarten, magnetisch permeablen Kugellager 48, sondern durch beide Lager 46 und 48 geschlossen. Diese Dichtung ergibt eine höhere Druckhaltefähigkeit aufgrund der höheren Flußdichte, die über die gesamte Länge des Radialspalts des Ferrofluids 58 zwischen dem einen Polstück 50 und dem Wellenstück 42 herrscht. Wie die Dichtungsvorrichtung 40 von Figur 2 hat diese Dichtungsvorrichtung 64 einen geringen Leistungsverbrauch und reduziert die tatsäch-

-10 liehe Baulänge der Dichtung durch die Verwendung nur eines Polstücks 50. Ferner führt der Magnetfluß in den Lagern 46 und 48 zweckmäßigerweise zu einer bestimmten Vorspannung, die hilft, jedes Aufbrechen der Dichtung zu verringern oder auszuschalten. Die Wirksamkeit des Magnetlinienkreises ist für das gleiche Volumen von Magnetmaterial hoch gegenüber der Dichtung gemäß Figur 2. Die Magnetlinien schließen sich gemäß den gestrichelten Linien in der Zeichnung. Die Verwendung von zwei ringförmigen Permanentmagneten 56 und 58, von denen jeder an einer Seite des einzigen Polstücks 50 anliegt, gestattet eine höhere Druckhaltefähigkeit, indem alle Stufen voll als Druckstufen einsetzbar sind und wobei durch volle Sättigung des Ferrofluids kein Druckgradient vorliegt, der bei der Dichtung gemäß Figur 2 vorhanden sein kann. Die Dichtung gemäß Figur 3 gewährleistet mit einem Permanentmagneten 56, 62 an jeder Seite zusammen mit den magnetisch durchlässigen Lagern 46 und 48 eine volle Druckhaltefähigkeit, die von 1 bis 3,5 bar, beispielsweise 1 bis 2,5 bar reichen kann.

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Claims

»■»,im* UEXKÜLL & STOLBERG PATENTANWÄLTE BESELERSTRASSE * D-2000 HAMBURG 52 EUROPEAN PATENT ATTORNEYS DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE DIPL.-ING. ARNULF HUBER DR- ALLARD von KAMEKE Ferrofluidics Corporation 40 Simon Street Nashua, New Hampshire 03061 V.St.A. (Prio. 27. Jan. 1984 US 574 358 21606/HU/wo) Januar 1985 Mehrstufige Ferrofluiddichtung mit einem Polstück Patentansprüche

1. Mehrstufige Ferrofluiddichtung mit einem Polstück mit einem magnetisch permeablen Wellenstück; - mit einem unmagnetisierbaren Gehäuse, durch welches sich das Wellenstück erstreckt?
durch einen ringförmigen Permanentmagneten mit im Gehäuse axial angeordneten Polen, der die Oberfläche des Wellenstücks umgibt und der ein Ende und ein anderes Ende aufweist?

gekennzeichnet durch ein einziges Polstück (50), das ein Ende und ein anderes Ende besitzt und das in Magnetflußbeziehung mit dem einen Ende des Permanentmagneten (56) steht, während sich das andere Ende des Polstücks (50) nahe zur Oberflä

che des Wellenstücks (42) erstreckt, dieses jedoch nicht berührt und wobei das eine Ende des einen Polstücks (50) oder die Oberfläche des Wellenstücks (42) eine Vielzahl von getrennten Rändern bildet, die eine Anzahl von voneinander

beabstandeten, getrennten Radialspalten bildet; durch eine magnetisch permeable Lagereinrichtung, um das Wellenstück (42) zu lagern, wobei die Lagereinrichtung in der Nähe des anderen Endes

-|5 des Permanentmagneten (56) liegt und mit diesem

in Magnetflußbeziehung steht;

durch ein Ferrofluid, das in der Anzahl von Radialspalten durch die magnetischen Kraftlinien von dem Permanentmagneten (56) gehalten wird, um eine Anzahl von beabstandeten Ferrofluid-O-Ring-

Dichtungen (58) um die Oberfläche des Wellenstücks (42) zu bilden; und

durch einen Magnetkraftlinienkreis, der von dem Permanentmagneten (56) durch das eine Polstück (50), durch die Radialspalte, durch das Wellenstück (42)

und durch das benachbarte Lager verläuft, um eine mehrstufige Ferrofluid-Dichtungsvorrichtung mit nur einem Polstück zu bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager ein Kugellager (48) ist, welches einen Innenring und einen Außenring, eine Anzahl von Kugeln und einen Käfig aufweist, um die Kugeln zwischen dem Innenring und dem Außenring zu halten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein unmagnetisches Abstandsmittel am anderen Ende des einen Polstücks (50) und durch ein Lagermittel, welches an das unmagnetische Abstandsmittel angrenzt, um das Wellenstück (42) zu tragen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Luftspalt (60), der sich zwischen dem Permanentmagnet (56) und dem Lagermittel befindet und sich radial von der Oberfläche des Wellenstücks (42) nach außen erstreckt, wobei das Lager mit dem Radialumfang des Permanentmagneten (56) in Berührung steht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter ringförmiger Permanentmagnet (62) mit axialer Polanordnung in dem Gehäuse (44) angeordnet ist und ein Ende sowie ein anderes Ende aufweist und das Wellenstück (42) umgibt, wobei das eine Ende des zweiten Permanentmagneten (62) in Magnetlinienbeziehung mit dem anderen Ende des einen Polstücks (50) steht und welche ein zweites, für magnetische Kraftlinien durchlässiges Lager (46) zum Lagern des Wellenstücks (42) aufweist; daß das zweite Lager (46) in Magnetlinienbeziehung mit dem anderen Ende des zweiten Permanentmagneten (62) steht und daß sich die magnetischen Kraftlinien von dem einen Polstück (50) durch den ersten Permanentmagneten (56), durch das erste Lager (48) und durch das Wellenstück

(42) und durch zumindest etwas Ferrofluid in den Radialspalten erstrecken und die zweiten magnetischen Kraftlinien von dem einen Polstück (50) durch den zweiten Permanentmagneten (62), durch das zweite Lager (46), durch das Wellenstück (42) und durch zumindest etwas Ferrofluid in den Radialspalten verlaufen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lager (46) ein Kugellager mit einem Innenring, einem Außenring und einer Anzahl von Kugeln ist, die von einem Käfig zwischen dem Innenring und dem Außenring gehalten werden.

7. Vorrichtung nach Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch erste und zweite ringförmige Luftspalte (60), die sich zwischen den ersten und zweiten Permanentmagneten (56? 62) und dem ersten bzw. zweiten Lager (48; 46) erstrecken und dabei radial außerhalb der Oberfläche des Wellenstücks (42) liegen, wobei das erste und zweite Lager (48; 46) jeweils den radialen Außenrand des ersten und zweiten Permanentmagneten (56; 62) berührt.