DE3904589A1 - Dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche Dichtung ist bekannt aus Rosensweig, R.E: Magnetic-Fluid Seals, Machine Design 28.3.1968, Seiten 145 bis 150. Der Ringmagnet und die Gewindegänge des Gewinde­ abschnittes sind dabei auf die beiden relativ verdrehbaren Maschinenteile aufgeteilt und ebenfalls verdrehbar. Ihre Zylinderflächen haben außerdem voneinander abweichende Durchmesser und sind durch eine Lücke axial getrennt. Hierdurch wird sowohl bei umlaufender als auch bei still­ stehender Welle eine gute Abdichtung erzielt. Die Gebrauchs­ dauer ist indessen wenig befriedigend und es wird insbe­ sondere ein vorzeitiger Verlust der ferrofluidischen Flüssigkeit bemängelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Dichtung derart weiterzuentwickeln, daß sich eine wesentlich verlängerte Gebrauchsdauer ergibt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Dichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche bezug.

Bei der erfindungsgemäßen Dichtung sind der Ringmagnet und der Gewindeabschnitt einander und dem selben Maschinenteil unverdrehbar zugeordnet, wobei die zugehörigen Zylinder­ flächen im wesentlichen den selben Durchmesser haben und einander unter Vermeidung einer Lücke axial ergänzen. Es resultiert die folgende Funktion:

Bei Wellenstillstand kann das abzudichtende Medium, zumeist handelt es sich hierbei um ein Schmieröl, in die Gewinde­ rillen eindringen und in einen unmittelbaren Berührungs­ kontakt zu dem Ferrofluid gelangen. Beide Substanzen sind indessen ineinander unlöslich, wodurch eine gegenseitige Durchmischung ausgeschlossen ist. Das im Magnetfeld ge­ haltene Ferrofluid übernimmt beim Stillstand die statische Abdichtfunktion.

Der Dichtspalt ist bei der erfindungsgemäßen Dichtung im Bereich der Übergangszone zwischen dem Ringmagneten und dem Gewindeabschnitt sowohl innen- als auch außenseitig durch Zylinderflächen begrenzt, wodurch auf die einander be­ rührenden Bestandteile der ferrofluidischen Flüssigkeit und des Schmieröls bei beginnender Drehbewegung übereinstimmende Schlepp- und Beschleunigungskräfte ausgeübt werden. Auch während des Wellenan- oder Auslaufes ist dadurch eine gegenseitige Durchmischung weitestgehend ausgeschlossen.

Bei schnelldrehender Welle tritt parallel zur ansteigenden Drehzahl zunehmend die in Richtung des abgedichtenden Raumes weisende Förderwirkung der Gewinderillen des Gewindeab­ schnittes in Erscheinung. Sie hat schließlich eine weit­ gehende Entleerung der Gewinderillen von abzudichtendem Medium zur Folge.

Im Bereich der Zylinderflächen zwischen dem Ringmagneten und dem relativ verdrehbaren Maschinenteil sind keinerlei Gewinderillen vorhanden. Sie vermögen auf das von ihnen eingeschlossene Ferrofluid keine Förderwirkung in axialer Richtung auszuüben. Ein Verlust des Ferrofluids ist dadurch auch beim Erreichen höchster Wellendrehzahl weitestgehend ausgeschlossen.

Durch die Förderwirkung der Gewinderillen des Gewindeab­ schnittes bedingt kann sich jedoch bei sehr hohen Drehzahlen im Bereich des Ferrofluids eine gewisse Sogwirkung in Richtung des abgedichtenden Raumes ergeben. Dieser vermag das Ferrofluid bis zum Erreichen eines relativ hohen Vakuums ohne nennenswerte Lageveränderung standzuhalten, bis eine impulsartig kurzes Abheben des Ferrofluids von der relativ verdrehbaren, gegenüberliegenden Zylinderfläche erfolgt, was einen Druckausgleich bewirkt. Unmittelbar anschließend wird der durchgehende Berührungskontakt zwischen dem Ferrofluid und der gegenüberliegenden Zylinderfläche wieder herge­ stellt. Der abzudichtende Raum ist damit wiederum hermetisch abgeschlossen, Fremdstoffe vermögen in ihn nicht mehr einzudringen.

Es wurde gefunden, daß auch während der vorstehend be­ schriebenen, zeitlich äußerst kurzen Öffnungsbewegung des Ferrofluids Fremdstoffe in dem Bereich des abzudichtenden Raumes so gut wie gar nicht eindringen. Dieser Effekt dürfte darauf zurückzuführen sein, daß die Öffnungsbewegung des Ferrofluids neben ihrer äußerst kurzen Zeitdauer im allge­ meinen nur einen sehr kleinen Segmentausschnitt des an­ sonsten ringförmig ausgebildeten Ferrofluids erfaßt und sich auf ein Abheben des Ferrofluids von der dem Ringmagneten gegenüberliegenden Oberfläche beschränkt. Insbesondere bei Ausführungen, bei denen diese Oberfläche einen kleineren Durchmesser hat als die Zylinderfläche des Ringmagneten kann die Dichtung kann daher als bisher unerreicht zuverlässig angesehen werden. Sie verhindert in gleicher Weise auch das unerwünschte Austreten abzudichtenden Mediums oder von Dämpfen desselben in die Umgebung. Eine Verwendung im Bereich elektronischer Anlagen oder im Bereich der Medizin­ technik ist dadurch problemlos möglich.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung besteht darin, daß diese durch den Wegfall aufeinander gleitender Flächen völlig frei von Verschleiß- und Reibungs­ verlusten langfristig ein gleich gutes Abdichtungsergebnis gewährleistet. Auch Kontrollen hinsichtlich der noch verfüg­ baren Abdichtungskapazität können sich daher erübrigen.

Die Gewindegänge des Gewindeabschnittes können in einem axialen Abstand von dem Ringmagneten enden, wenn die den Gewindeabschnitt in Richtung des relativ verdrehbaren Maschinenteils begrenzende Zylinderfläche axial bis zu dem Ringmagneten verlängert ist. Die Gefahr einer gegenseitigen Durchmischung des Ferrofluids und des abzudichtenden Mediums ist hierdurch weiter vermindert.

Der Abstand zwischen den Zylinderflächen des Ringmagneten und des Gewindeabschnittes kasnn auch durch einen Zylinder­ abschnitt überbrückt sein, wenn der Zylinderabschnitt in Richtung des relativ verdrehbaren Maschinenteils durch eine Zylinderfläche begrenzt ist, die im wesentlichen den selben Durchmesser aufweist wie die Zylinderflächen des Gewindeab­ schnittes und des Ringmagneten.Hierdurch wird ebenfalls ein unstetiger Übergang oder die Entstehung einer Lücke ver­ mieden und damit die Gefahr einer gegenseitigen Durch­ mischung des Ferrofluids und des abzudichtenden Mediums. Die Ausführung empfiehlt sich für Anwendungsfälle, in denen eine Anpassung an besondere Erfordernisse des Anwendungsfalles erforderlich ist, beispielsweise an besondere Viskositäten, Temperaturen und/oder Drehzahlen.

Durch die erfindungsgemäß beidseitige Begrenzung des Dicht­ spaltes durch sich achsparallel erstreckende und in einander übergehende Zylinderflächen im Bereich des Ringmagneten und im Bereich des Gewindeabschnittes wird die Entstehung turbulenter Strömungen in der Übergangszone vermieden und damit zugleich deren Einwirkung auf das Ferrofluid und das abzudichtende Medium. Hinsichtlich der Vermeidung eines unerwünschten Volumenverlustes, insbesondere des Ferro­ fluids, ist das von großem Vorteil. Die radiale Spaltweite im Bereich der Zylinderflächen liegt im allgemeinen zwischen 0,02 und 0,2 mm.

Die sich insgesamt ergebende Spaltlänge im Bereich der Zylinderflächen liegt bei gebräuchlichen Dimensionierungen der Dichtung zwischen 0,5 und 5,7 mm. Sie läßt sich allge­ mein nach der folgenden Formel berechnen:

worin D den Gehäuse- und d den Wellendurchmesser im Bereich der Zylinderflächen beschreiben.

Das durch die Gewinderillen gebildete Fördergewinde soll so ausgelegt sein, daß der sich bei drehender Welle ergebende Unterdruck die Druckhaltefähigkeit der Ferrofluiddichtung nicht mehr als 0,05 bar überschreitet. Die sich während der Öffnungsbewegung des Ferrofluids in seinem Bereich ergebende Luftströmung ist dementsprechend von sehr geringer Ge­ schwindigkeit, was es ausschließt, daß Ferrofluidtröpfchen durch die Luftströmung aus dem aus Ferrofluid bestehenden Flüssigkeitsring herausgerissen und in den abgedichtenden Raum gefördert werden und verloren gehen. Die Einhaltung des genannten Merkmales hat somit eine gewisse Bedeutung für die Funktionsdauer der erfindungsgemäßen Dichtung.

Der Ringmagnet kann durch wenigstens einen kreisringförmigen Polschuh in Richtung des relativ verdrehbaren Maschinen­ teiles verlängert sein, wobei die zugehörige Zylinderfläche einen Bestandteil des Polschuhs bildet. Die gegenseitige Anpassung der Dimensionen der einander im Dichtspalt gegen­ überliegenden Zylinderflächen wird hierdurch vereinfacht.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Anlage beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Diese gibt die einzelnen Varianten in halbge­ schnittener Darstellung wieder. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Eine Wellendichtung der erfindungsgemäßen Art, bei der der Ringmagnet und die Gewinderillen die zylindrisch ausgebildete Welle außenseitig umschließen.

Fig. 2 Eine Kassettendichtung zur Verwendung im Ringspalt zwischen einer umlaufenden Welle und dem zugehörigen Gehäuse, bei der die relativ verdrehbaren Oberflächen aus integrierten Teilen der Kassettendichtung bestehen.

Fig. 3 Eine Ausführung ähnlich derjenigen Fig. 2, bei der wesentliche Teile der Kassettendichtung aus Kunststoff erzeugt sind.

Fig. 4 Zwei Dichtungen ähnlich der Ausführung nach Fig. 1 in einer gegenseitigen, spiegelbildlichen Zuordnung.

Fig. 5 Zwei weitere Dichtungen ähnlich der Ausführung nach Fig. 1, die einander spiegelbildlich zugeordnet sind und in bezug auf die beiderseitige Abdichtung eines Kugellagers zur Anwendung gelangen.

Die in Fig. 1 gezeigte Dichtung dient der Abdichtung des Spaltes zwischen einer Gehäusewandung 1 und der diese in einem radialen Abstand durchdringenden Welle 2. Sie besteht im wesentlichen aus einem Einsatzstück 7, welches innen­ seitig mit einer Zylinderfläche 13 und darin eingearbeiteten Gewindegängen versehen ist und den Gewindeabschnitt bildet. Auch bei den übrigen Ausführungen sind die Gewindeabschnitte an separat erzeugten Einsatzstücken 7 vorgesehen, was indessen keine zwingende Bedingung der vorliegende Erfindung ist.

Das Einsatzstück 7 ist durch O-Ringe 8 gegenüber der Gehäuse­ wandung 1 und gegenüber dem Polschuh 9 abgedichtet, der innenseitig von einer Zylinderfläche 14 begrenzt ist. Der Durchmesser dieser Zylinderfläche 14 ist ebenso groß wie derjenige der Zylinderfläche 13 des Einsatzstückes 7. Der Polschuh 9 besteht bei einer kreisringförmigen Gestalt aus einem magnetisierbaren Werkstoff. Er liegt einerseits unmittelbar und unter Vermeidung einer Lücke an der Stirn­ fläche des Ringmagneten 5 an und andererseits an der Stirn­ fläche des Einsatzstückes 7.

In dem Ringspalt zwischen dem Polschuh 9 der Oberfläche der aus Stahl bestehenden, abzudichtenden Welle 2 ist ein Ferrofluid angeordnet. Er wird in dieser Position durch das dort befindliche Magnetfeld fixiert. Die Gewinderillen 3 enden in einem axialen Abstand von dem Polschuh 6. Zur Funktion ist folgendes auszuführen.

Bei stillstehender Welle dringt abzudichtendes Medium, hierbei handelt es sich zumeist um Öl, aus dem abzu­ dichtenden Raum in die Gewinderillen 3 ein und gelangt bis in den unmittelbaren Bereich des in dem Spalt 6 befindlichen Ferrofluids.

Bei sich drehender Welle ergibt sich eine in Richtung des abzudichtenden Raumes 4 wirksame Schleppströmung an der Oberfläche der abzudichtenden Welle, welche eine allmähliche Entleerung der Gewinderillen 3 von abzudichtendem Medium zur Folge hat. Diese wirkt sich auf das Ferrofluid im Spalt 6 nicht aus, weil in diesem Bereich keinerlei Gewinderillen vorhanden sind und der Innendurchmesser des Polschuhs 9 mit demjenigen des Gewindeabschnittes 7 übereinstimmt.

Bei sehr großen Wellendrehzahlen kann es zum Aufbau eines gewissen Vakuums im Ringspalt zwischen dem Gewindeabschnitt 7 und der Oberfläche der abzudichtenden Welle kommen. Übersteigt dieses einen kritischen Wert, so kann sich ein kurzfristiges Aufklappen des im Spalt 6 befindlichen Ferro­ fluids im Bereich eines an die Welle 2 angrenzenden Segments ergeben und als Folge hiervon ein Ausgleich des zuvor vorhandenen Vakuums. Unmittelbar anschließend nimmt das Ferrofluid seine ursprüngliche, kreisringförmige Gestalt wieder an, die durch einen durchgehenden Berührungskontakt mit den einander gegenüberliegenden Zylinderflächen des Polschuhes und der Welle gekennzeichnet ist. Das Eindringen von Fremdstoffen ist dadurch ausgeschlossen.

In den Fig. 2 und 3 sind Kassettendichtungen mit einer im wesentlichen übereinstimmenden Wirkungsweise wiedergegeben. Die relativ verdrehbaren und gegeneinander abzudichtenden Maschinenteile bestehen in diesen Fällen aus intergrierten Bestandteilen der Kassettendichtungen, nämlich den Innen­ ringen 11 und den Außenringen 12. Diese sind unverlierbar aneinander festgelegt.

In beiden Fällen ist relativ unverdrehbar und flüssigkeits­ dicht auf den Innenringen 11 das Einsatzstück 7 festgelegt, welches außenseitig durch eine Zylinderfläche 13 begrenzt ist sowie durch eine in die Zylinderfläche eingreifende Gewinderille 3, die bei sich drehender Welle 2 eine in Richtung des abgedichteten Raumes 4 weisende Förderrichtung hat. Die Gewinderille endet in einem axialen Abstand von der Zylinderfläche der Polschuhe 9. Auf der von dem abge­ dichteten Raum 4 abgewandten Seite schließt sich an das Einsatzstück 7 und dessen Zylinderfläche jeweils eine Ferrofluiddichtungseinheit unmittelbar an, umfassend einen Ringmagneten 5 und einen an dessen beiderseitige Stirn­ flächen angepreßten Polschuh 9, die einen mit dem Einsatz­ stück übereinstimmenden Außendurchmesser haben und dem Außenring 12 in entsprechend dichter Weise angenähert sind. Der Außenring 12 besteht im Falle der Ausführung nach Fig. 2 aus Stahlblech, im Falle der Ausführung nach Fig. 3 aus Kunststoff, wobei im Bereich der axialen Überlappung mit den Polschuhen 9 und dem Ringmagneten 5 eine Ringeinlage 13 aus Stahlblech vorgesehen ist. Hierdurch werden die radialen Spalte zwiscen den Polschuhen 9 und den radial gegenüber­ liegenden Teilen der Außenringe 12 durch ein stabiles Magnetfeld überbrückt, das geeignet ist, die räumliche Lage des enthaltenen Ferrofluids zu stabilisieren. Die Innenringe 11 sind in beiden Fällen durch eine Schicht aus gummi­ elastischem Werkstoff unverdrehbar an der Oberfläche der abzudichteden Welle 2 festgelegt. Sie werden zugleich durch dieselbe Schicht gegenüber der Oberfläche abgedichtet.

In Fig. 4 ist eine Ausführung wiedergegeben, umfassend zwei Ausführungen ähnlich der in Fig. 1 gezeigten und in einer gegenseitigen, spiegelbildlichen Zuordnung. Die Ausführung ist besonders geeignet für Anwendungsfälle, in denen zwei Räume 4 in hermetischer Weise voneinander abzuschließen sind. Die Förderrichtung des im linken Teil gezeigten Einsatzstückes 7 muß folglich nach links gerichtet sein, diejenige des in der Darstellung rechts gezeichneten Ein­ satzstückes 7.1 nach rechts gerichtet. Die Gewinderillen 3 sind dementsprechend zu gestalten. Sie sind von der innen­ seitigen Zylinderfläche der Polschuhe 9 durch einen zylin­ drischen Abschnitt von identischem Innendurchmesser ge­ trennt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung ähnlich Fig. 4, die bei der Abdichtung eines Kugellagers zur Anwendung gelangt. Der abzudichtende Raum 4 besteht dabei aus den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Kugeln. Er ist mit Fett gefüllt, welches einen besonders leichten Lauf der Kugeln gewähr­ leisten soll. Die Förderrichtung der Gewinderillen 3 der beiden Einsatzstücke 7 muß folglich entgegen der Ausführung nach Fig. 4 nach innen weisen. Die Polschuhe 9 der Ring­ magneten 5 sind dementsprechend auf der Außenseite der Gesamtanordnung vorgesehen.

Claims (3)

1. Dichtung für den Spalt zwischen zwei relativ verdreh­ baren, einander umschließenden, zylindrischen Maschinen­ teilen, bei der wenigstens eine der beiden einander zugewandten Oberflächen mit wenigstens einem Gewinde­ abschnitt versehen ist, der eine in Richtung des abge­ dichteten Raumes weisende Förderwirkung hat und wobei dem Gewindeabschnitt auf der von dem abgedichteten Raum abgewandten Seite eine Vorschaltdichtung vorgelagert ist, die ist aus einem Ringmagneten besteht, der der relativ verdrehbaren Oberfläche bis auf einen engen Abstand angenähert ist, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt ein Ferrofluid angeordnet ist und wobei der Ringmagnet und der Gewindeabschnitt in Richtung des relativ verdrehbaren Maschinenteiles durch Zylinder­ flächen begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmagnet (5) und der Gewindeabschnitt (7) einander und dem selben Maschinenteil (1, 2) unverdrehbar zugeordnet sind und daß die Zylinderflächen (14, 13) im wesent­ lichen den selben Durchmesser haben und einander unter Vermeidung einer Lücke axial ergänzen.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderflächen (14, 13) einen axialen Abstand voneinander haben, daß der Abstand durch einen Zylinder­ abschnitt überbrückt ist und daß Zylinderabschnitt in Richtung des relativ verdrehbaren Maschinenteiles (2, 1) durch eine Zylinderfläche (16) begrenzt ist, die im wesentlichen den selben Durchmesser aufweist wie die Zylinderflächen (14, 13) des Gewindeabschnittes (3) und des Ringmagneten (5).

3. Dichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmagnet (5) durch wenigstens einen kreisring­ förmig ausgebildeten Polschuh (9) in Richtung des relativ verdrehbaren Maschinenteils (2, 1) verlängert ist und daß die zugehörige Zylinderfläche (14) einen Bestandteil des Polschuhes (9) bildet.