DE3822198A1 - Magnetische dichtungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Dichtungsvorrich­ tung mit einem Dichtring aus einem permanent magnetisier­ ten Kunststoffkörper, der eine drehbar gelagerte Welle umschließt und auf seiner der Welle zugewandten Seite mit einer ringförmigen Aussparung versehen ist, wobei die seitlich dieser Aussparung gelegenen Bereiche des Dicht­ rings als Polringe wirken und mit der Oberfläche der Welle je einen Spalt bilden, der mit Ferrofluid gefüllt ist.

Derartige magnetische Dichtungsvorrichtungen sind bei­ spielsweise aus der DE-PS 36 44 697 und der DE-PS 37 13 567 bekannt. Die ringförmige Dichtungsvorrichtung ist mit ihrer äußeren Umfangsfläche in ein Gehäuse ein­ gepreßt. Durch den sich ausbildenden geschlossenen mag­ netischen Kraftfluß wird das Ferrofluid im Luftspalt unter den beiden Polringen gehalten. Hierdurch ist eine gasdichte Abdichtung zwischen der linken und rechten Seite der Dichtungsvorrichtung gewährleistet. Bei den bekannten magnetischen Dichtungsvorrichtungen sind die aus einem dauermagnetischen Kunststoffblock herausge­ arbeiteten Polringe durch eine ringförmige Aussparung in Form eines rechteckigen Einschnitts voneinander ge­ trennt. Die bekannten Vorrichtungen haben folgende Nach­ teile:

Durch den rechteckigen Einschnitt sind die beiden Polringe anfällig gegen ein Ausbrechen, und zwar hauptsächlich dann, wenn die Dichtungsvorrichtung in das Gehäuse eingepreßt wird. Der ringförmige Kunststoffkörper ist in axialer Richtung durchmagnetisiert, d.h. auf der linken Planseite der Dichtung befindet sich z.B. der magnetische Nordpol und auf der rechten Planseite der magnetische Südpol. Aufgrund dieser axialen Magnetisierung läßt sich nur eine begrenzte Dichtwirkung im Bereich des Ferrofluids erzielen, da dort die Dichte des magnetischen Kraftflusses verhält­ nismäßig klein ist. Wegen der axial gerichteten Magneti­ sierung muß die bekannte Dichtungsvorrichtung in ein Ge­ häuse aus nichtmagnetischem Werkstoff eingepreßt werden, damit im Bereich des Preßsitzes kein magnetischer Kurz­ schluß entsteht, der den nutzbaren magnetischen Kraftfluß an den beiden Polringen schwächen würde. Durch den recht­ eckigen Einschnitt zwischen den beiden Polringen werden die magnetischen Kraftlinien an den beiden Ecken des Ein­ schnitts sehr stark umgelenkt, was Verluste im Magnet­ fluß und eine geringere Abdichtwirkung zur Folge hat. Um auch an ihrer radial außengelegenen Umfangsfläche der Dichtung, also dort, wo sie in das Gehäuse eingepreßt ist, eine zuverlässige Abdichtung ("statische Abdichtung") zu erzielen, erhält die bekannte Dichtungsvorrichtung einen größeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Gehäuses. Beim Einpressen in das Gehäuse wird somit durch die elastische Vorspannung des die Dichtung bildenden Kunststoffkörpers statisch abgedichtet. Dies wiederum hat zur Folge, daß, bedingt durch die benötigte Vor­ spannung, beim Einschieben der Dichtungsvorrichtung in das Gehäuse sehr hohe Einpreßkräfte aufgebracht werden müssen. Dabei können sich außerdem leicht Riefen im Ge­ häuse oder in der äußeren Umfangsfläche oder sogar Defor­ mationen der ganzen Magnetdichtung ausbilden, was eben­ falls zu einer mangelhaften Dichtwirkung führen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mängeln abzuhelfen und eine gattungsgemäße Dichtung so zu ver­ bessern, daß bei Gewährleistung einer einfachen Herstellung und Magnetisierung der Dichtung sowie eines leichten Ein- und Ausbaus derselben die Dichtwirkung erheblich ge­ steigert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Aussparung zwischen den beiden Polringen im Querschnitt radial nach auswärts verjüngt, und daß der Kunststoffkörper im Bereich der Polringe bogenförmig magnetisiert ist.

Durch die sich radial nach auswärts verjüngende Quer­ schnittsform der Aussparung werden die beiden Polringe selbst stabiler und unempfindlicher gegenüber der Gefahr eines Ausbrechens. Die bogenförmig verlaufenden Kraft­ linien ergeben einen starken magnetischen Fluß, durch den die Abdichtwirkung im Bereich des Ferrofluids erhöht ist.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeich­ nung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine magnetische Wellen­ dichtung im Axialschnitt;

Fig. 2 schematisch eine Anordnung zur Erzeugung eines bogenförmig verlaufenden Magnet­ flusses in der Wellendichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 bis 6 schematisch die Formgebung der äußeren Umfangsfläche der Wellendichtung nach Fig. 1;

Fig. 7 bis 10 schematisch Maßnahmen zur Verbesserung der statischen Abdichtung an der äuße­ ren Umfangsfläche der Dichtung nach Fig. 1;

Fig. 11 und 12 weitere Ausgestaltungen magnetischer Wellendichtungen und

Fig. 13 einen Wellendichtring mit Abstandsbund.

Die Fig. 1 zeigt die Grundausführung einer bevorzugten Ausführungsform einer magnetischen Dichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Die Dichtungsvorrichtung umfaßt einen Dichtring 1 aus einem magnetisierbaren Kunststoffkörper, an dem beidseits einer ringförmigen Aussparung 2 zwei Pol­ ringe ausgebildet sind. Die magnetischen Kraftlinien 4 verlaufen in den Polringen 3 und in einer von den Polringen 3 umschlossenen, drehend gelagerten Welle 5 bogenförmig, wobei die Kraftlinien im Dichtring 1 insbesondere im wesentlichen der Kontur der Aussparung 2 folgen. Der Kunststoffkörper des Dichtringes 1 ist in ein äußeres Ge­ häuse 6 abgedichtet eingepreßt. Die radial innengelegenen, zylindrischen Flächen der Polschuhe 3 bilden zusammen mit der Oberfläche der Welle 5 einen (Luft-)Spalt, in dem in bekannter Weise ein Ferrofluid 7, also eine Flüssigkeit mit einem Gehalt an magnetisierbaren Teilchen, einge­ bracht ist. Das Ferrofluid 7 wird im Spalt von den bogen­ förmig verlaufenden magnetischen Kraftlinien 4 gehalten und dichtet zwischen den Polringen 3 und der Welle 5 gasdicht ab.

Wie dargestellt, ist die Aussparung 2 zwischen den beiden Polringen 3 im Bereich ihres Grundes bogenförmig gestaltet. Hierdurch steht den magnetischen Kraftlinien 4 dort - im Gegensatz zu einer rechtwinklig ausgebildeten Aussparung - mehr magnetisierbares Material zur Verfügung, so daß sie dort gleichmäßiger und dichter verlaufen können und ins­ gesamt zu einem stärkeren Kraftfluß im Bereich des Luft­ spaltes zwischen den Polringen 3 und der Welle 5 führen. Da das Ferrofluid durch einen stärkeren magnetischen Kraft­ fluß eine stabilere Halterung im Luftspalt erfährt, ist insgesamt durch die beschriebene Ausbildung des Dichtrings seine Abdichtwirkung erheblich gesteigert.

Auch andere geometrische Querschnittsformen der Aus­ sparung 2 sind möglich. Statt einen Halbkreisbogen zu bilden, könnten die beiden Schenkel der Polringe auch radial nach außen spitz aufeinander zulaufen, wobei die Spitze auch abgerundet sein könnte. Wegen der bogen­ förmig verlaufenden magnetischen Kraftlinien 4 kommt es bei der Querschnittsgestaltung der Aussparung 2 lediglich darauf an, daß diese sich radial nach auswärts verjüngt, um so genügend Raum für die Kraftlinien 4 bereitzustellen.

An der radial außen gelegenen Umfangsfläche des Dichtrings 1 ist zur Herabsetzung des erforderlichen Kraftaufwandes beim Einpressen des Ringes 1 in das Gehäuse 6 sowie zur Erhöhung der statischen Dichtheit eine Dichtprofilierung 10 in Gestalt einer ringsum laufenden Nut ausgebildet. Zwei an den jeweiligen Außenrändern des Dichtrings 1 vor­ gesehene Fasen 8 erleichtern vor und während des Ein­ pressens die genaue Zentrierung des Ringes 1. Im Bereich 9 des Dichtrings 1 liegt keine Magnetisierung des den Ring bildenden Kunststoffkörpers vor. Somit ist auch ein Einbau des Ringes 1 in magnetisch leitende Gehäuse 6 möglich.

Die Fig. 2 zeigt schematisch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines bogenförmigen magnetischen Kraftlinienverlaufs im Dichtring 1 durch Gegeninduktions­ magnetisierung.

Auf ein Unterteil 23 aus nichtmagnetisierbarem Kunst­ stoff wird ein Ring 22 oder auch eine Scheibe aus einem elektrisch leitenden Werkstoff (Metall) aufgesteckt bzw. aufgeklebt. Der Ring 22 oder die Scheibe könnten auch als Dauermagnete vorliegen. Der (noch nicht magnetisierte) Dichtungsring 1 wird im Unterteil 23 zentriert und durch ein Oberteil 24 gehalten, z.B. eingespannt. Die gesamte, aus Unter- und Oberteil 23, 24 bestehende Haltevorrich­ tung befindet sich im Innern einer Magnetisierungsspule 25, deren Achse parallel zur Pfeilrichtung F verläuft.

Durch eine Kondensatorentladung wird in der Spule 25 ein kräftiges, axial in Richtung des Pfeiles F ver­ laufendes magnetisches Feld erzeugt. Durch die dabei im Werkstoff des Ringes 22 oder der Scheibe entstehen­ den Wirbelströme bzw. durch die entgegengesetzte Polung des als Dauermagnet ausgebildeten Ringes 22 oder der Scheibe wird ein zum axial gerichteten Feld der Magnetisierungs­ spule 25 entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, welches das axial verlaufende Feld bogenförmig ablenkt und hier­ durch den Dichtring 1 entsprechend magnetisiert. Dabei werden die Feldlinien 26, wie in der linken Hälfte von Fig. 2 angedeutet, im Bereich des Dichtrings in der dargestellten Weise bogenförmig ausgebildet, so daß sie später in der Anordnung nach Fig. 1 im wesentlichen senk­ recht zu den einander gegenüberliegenden Flächen der Pol­ ringe 3 und der Welle 5 verlaufen.

Mit Hilfe des gleichen Verfahrens und einer entsprechend angepaßten Vorrichtung können auch mehrere Dichtringe 1 gleichzeitig bogenförmig magnetisiert werden.

Die Fig. 3 zeigt noch einmal die Profilierung 10 der äußeren Umfangsfläche des Dichtrings 1 in Gestalt der ringsum verlaufenden Nut 10. Die Fig. 4 bis 6 zeigen andere Ausgestaltungen dieser Dichtprofilierung in Ge­ stalt mehrerer, nebeneinander verlaufender Nuten, mehrerer wellenförmiger Einbuchtungen bzw. in Gestalt eines kammartigen Profils.

In Fig. 7 ist die äußere Umfangsfläche des Dichtrings 1 mit einer Beschichtung 41 aus einem Elastomer mit wellen­ förmiger Oberflächengestaltung beschichtet, um die statische Abdichtwirkung des Ringes 1 im Gehäuse 6 zu verbessern. In Fig. 8 ist das Elastomer 41 in einer ent­ sprechenden Nut an der äußeren Umfangsfläche des Dichtrings 1 angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist in eine äußere Nut des Dichtrings 1 ein O-Ring 42 aus elastomerem Material zum Zwecke einer verbesserten Abdichtung eingelegt. Die Beschichtung mit dem Elastomer 41 (Fig. 7 und 8) kann durch Auf­ vulkanisieren oder durch Aufkleben mit dem Dichtungs­ ring 1 fest verbunden sein.

In Fig. 10 ist die äußere Umfangsfläche des Dichtrings 1, die beispielsweise noch ziemlich rauh sein kann, mit einem nicht ausgasenden Fett oder einem Dichtlack 51, z.B. auf Polyurethanbasis beschichtet. Auch hierdurch ist eine bessere statische Abdichtung gewährleistet, da der Dichtlack 51 beim Einpressen des Dichtrings 1 in das Gehäuse 6 in Oberflächenrauhigkeiten des Gehäuses ein­ dringen kann.

Bei der Ausführungsform eines Dichtringes 1 gemäß Fig. 11 ist auf die beiden Stirnseiten des Ringes jeweils eine Schutzschicht 61, z.B. aus einem Polyurethanlack aufgebracht. Hierdurch werden etwa vorhandene, lose Schmutz-oder Magnetteilchen an diesen Stirnseiten fest­ gehalten und überdeckt, so daß sie sich nicht ablösen und in abzudichtende Bereiche gelangen können. Grund­ sätzlich genügt es, lediglich eine Stirnseite des Ringes 1 mit der Schutzschicht 61 zu überziehen, nämlich diejenige im abzudichtenden Bereich gelegene Seite. In Fig. 11 könnten die links bzw. rechts gelegenen Schutzschichten 61 auch unterschiedlich farblich aus­ gebildet werden, um hierdurch die Polarität (Nord- bzw. Südpol) des Dichtungsringes 1 zu kennzeichnen. Die Aus­ führungsform gemäß Fig. 12 unterscheidet sich von der­ jenigen nach Fig. 11 lediglich dadurch, daß die Schutz­ schicht 61 allseitig auf den Dichtungsring 1 aufgebracht ist. Die Aufbringung der Schutzschicht 61 kann beispiels­ weise durch Bedrucken, Tauchen, Spritzen oder elektro­ statische Beschichtung erfolgen.

Die Fig. 11 zeigt eine im Querschnitt radial nach außen spitz zulaufende Aussparung 2. In Fig. 12 ist die Spitze der Aussparung 2 abgerundet.

Bei der Ausführungsform einer Wellendichtung nach Fig. 13 ist in eine entsprechende Aussparung des Gehäuses 6 zunächst ein üblicher Kugellagerring 71 eingefügt. An­ schließend wird ein Dichtring 1 der beschriebenen Art eingepreßt. In Abweichung von den bisher beschriebenen Ausführungsformen hat der Dichtring nach Fig. 13 auf seiner dem Kugellagerring 71 zugewandten Seite einen vorstehenden, ringförmigen Abstandsbund 72, mit dem er am Kugellagerring 71 anliegt. Hierdurch ist die Position des Dichtringes 1 im Gehäuse 6 und der Abstand zwischen Kugellagerring 71 und Dichtungsring 1 festgelegt.

Aus dem Voranstehenden ergibt sich, daß ein wesentliches Merkmal der Erfindung im bogenförmigen Verlauf des Mag­ netflusses besteht, der zu einer verbesserten Halterung des Ferrofluids 7 im Luftspalt zwischen den Polringen 3 und der Welle 5 führt. Durch diesen bogenförmigen Magnet­ fluß werden die Elementarmagnete im Kunststoffkörper des Dichtungsringes 1 entsprechend ausgerichtet. Die bogen­ förmige Magnetisierung des Dichtringes 1 führt zu dem weiteren Effekt, daß der Ring auch in ein Gehäuse 6 aus magnetisch leitendem Material eingepreßt werden kann, weil durch die bogenförmige Magnetisierungsform im radial außen gelegenen Bereich 9 des Dichtringes 1 ein unmag­ netischer Bereich entsteht, mit dessen Hilfe magnetische Kurzschlüsse am Außenumfang des Ringes 1 vermieden werden können. Durch das Einarbeiten der beschriebenen Dicht­ profilierungen bzw. durch das Beschichten des Außenum­ fanges des Dichtringes 1 (Fig. 3 bis 10) können die Ein­ preßkräfte erniedrigt und/oder die statischen Abdicht­ eigenschaften der Dichtringe 1 verbessert werden. Eine Deformation des Dichtrings beim Einpressen oder eine Be­ schädigung der Aufnahmebohrung im Gehäuse 6 ist damit ausgeschlossen.

Claims (16)

1. Magnetische Dichtungsvorrichtung mit einem Dichtring aus einem permanent magnetisierten Kunststoffkörper, der eine drehbar gelagerte Welle umschließt und auf seiner der Welle zugewandten Seite mit einer ringförmigen Aus­ sparung versehen ist, wobei die seitlich dieser Aus­ sparung gelegenen Bereiche des Dichtrings als Polringe wirken und mit der Oberfläche der Welle je einen Spalt bilden, der mit Ferrofluid gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aussparung (2) zwischen den beiden Polringen (3) im Querschnitt radial nach auswärts verjüngt, und daß der Kunststoffkörper im Bereich der Polringe bogen­ förmig (4) magnetisiert ist.

2. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aussparung (2) im Querschnitt bogen­ förmig ist.

3. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aussparung (2) im Querschnitt in den Kunststoffkörper spitz zulaufend ausgebildet ist.

4. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die bogenförmige Magnetisierung (4) im radial außen gelegenen Bereich (9) des Dichtrings (1) ein nichtmagnetisierter Bereich vorhanden ist.

5. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erhöhung der statischen Dichtheit an der äußeren Umfangsfläche des Dichtrings (1) eine Dichtprofilierung (10) eingearbeitet ist.

6. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußere Umfangsfläche des Dichtrings (1) ganz oder teilweise mit einem Elastomer (41) be­ schichtet ist.

7. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Elastomer (41) aufgeklebt oder auf­ vulkanisiert ist.

8. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Abdichtung an der äußeren Umfangsfläche des Dichtrings (1) ein O-Ring (42) vorgesehen ist.

9. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußere Umfangsfläche des Dichtrings (1) mit einem Dichtlack (51) beschichtet ist.

10. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußere Umfangsfläche des Dichtrings (1) mit einem nicht ausgasenden Fett beschichtet ist.

11. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an beiden Rändern der äußeren Umfangs­ fläche des Dichtrings (1) eine Fase (8) ausgebildet ist.

12. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eine der Stirnseiten des Dicht­ rings (1) mit einer Schutzschicht (61) versehen ist.

13. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzschicht (61) den Dichtring (1) allseitig überdeckt.

14. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einer Stirnseite des Dichtrings (1) ein­ stückig ein Abstandsbund (72) angeordnet ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Dichtrings nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der bogen­ förmigen Magnetisierung des Kunststoffkörpers in einem axial ausgerichteten Magnetfeld ein Ring oder eine Scheibe aus elektrisch leitendem Werkstoff oder aus dauermagnetischem Material koaxial zum Kunststoff­ körper so angeordnet wird, daß der Ring oder die Scheibe das axial ausgerichtete Magnetfeld bogenförmig ablenkt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kunststoffkörper gleichzeitig bogenförmig magnetisiert werden.