DE4316170C1 - Drossel für Gasführungen und Gaslager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drossel für Gasführungen und Gaslager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Gaslager besteht aus 1. der Gasversorgung, 2. der Drossel oder Düse, 3. der Kammer und 4. dem Lagerspalt zwischen zwei Lagerteilen (Drescher, H.: Gasgeschmierte Lager. Schmierungstechnik (1961) Nr. 6 S. 315ff).

Gefiltertes druckgeregeltes Gas aus einer Leitung oder einem Behälter (Parameter Versorgungsdruck) wird zu einer Düse geleitet. Die Düse dient der Dämpfung und zur Stabilisierung (Parameter Strömungswiderstand). Von der Düse strömt das Gas in eine Kammer ein. Die Kammer dient der Homogenisierung und der gleichmäßigen Verteilung des Gases für den Lagerspalt, der wesentlich die Tragfähigkeit des Lagers bestimmt. Wesentliche Parameter der Kammer sind Kammerdruck, Kammervolumen und die Gestaltung der Grenzfläche des Kammervolumens zum Lagerspalt.

Der Lagerspalt ist der Abstand zwischen den Oberflächen der Lagerteile, die den Strömungsbereich zwischen der Kammer und dem Bereich des äußeren Gasdruckes einhüllen. Das Gas im Lagerspalt überträgt die Tragkräfte (Parameter: Spalthöhe, Lagerfläche, Grenzfläche zwischen Lagerspalt und dem Bereich des äußeren Gasdruckes).

Neben diesem typischen Modell gibt es andere funktionelle Lösungen: Es sind Gaslager bekannt, bei denen die Drossel weggelassen ist, und der Gasdruck direkt auf den Lagerspalt einwirkt. Mindestens ein Lagerteil ist in einem anderen Fall vollständig aus porösem Material gefertigt und realisiert die Funktionen von Drossel und Kammer und bildet im Zusammenwirken mit einem Gegenteil einen Lagerspalt (DE 34 39 648 A1).

Es sind auch Gaslager mit eingebauten, aus porösem Material bestehenden Drosseln be­ kannt, die in Form von Ringen oder Platten ausgebildet sind (US 2683 636, JP 3- 260416A, JP 4-266615A, DD 2 68 746A1).

Ferner ist ein Gaslager bekannt, bei dem das gasführende Lagerteil aus einem massiven zylindrischen Teil mit eingearbeiteten Gaszuführungskanälen und einer an der Bodenseite des zylindrischen Teils befestigten porösen kreisscheibenförmigen Platte besteht, wobei die Platte an der Bodenseite des zylindrischen Teils eingearbeitete konzentrisch angeord­ nete Rillen bedeckt, über die das Gas in die Platte einströmt, während es lagerspaltseitig über die gesamte Plattenfläche austritt (US 3744858).

Zur gasstatischen Lagerung von Wellen ist es bekannt, hierfür Lagerschalen aus einem porösen Material zu verwenden, wobei die Oberflächenschicht auf der Innenseite der La­ gerschale stärker verdichtet ist als die übrige Schicht der Lagerschale und die verdichtete Schicht die Drosselfunktion übernimmt (DE 32 30 232 A1).

Zur gasstatischen Lagerung von Wellen ist es auch bekannt, den Lagerkörper durch radial und längs eingebaute Wände in einzelne Kammern aufzuteilen, wobei diese mit einem po­ rösen Füllgut ausgefüllt sind, z. B. mit Kugeln, die durch Verkleben zu einem kompakten Körper verbunden sind (DE-OS 14 25 043).

Es ist auch ein Gaslager mit einem Lagerkörper bekannt, bei dem sowohl einspeisungs­ seitig als auch lagerspaltseitig eine Vielzahl von Drosselstellen vorgesehen sind, die als Bohrungen bzw. als Düsen in eine gasundurchlässige Deck- bzw. Bodenplatte eingebracht sind, wobei der Raum zwischen der Deck- und der Bodenplatte mit einem porösen Werk­ stoff ausgefüllt ist. Bei einer Ausführungsform sind dabei Deck- und Bodenplatte wegge­ lassen und dafür die sich gegenüberliegenden Oberflächenschichten des porösen Körpers gezielt verdichtet ( DE 31 10 712 A1).

Aus JP 4-262119 A ist es schließlich bekannt, durch spanende Bearbeitung der Oberflä­ che des aus einem spröden porösen Material bestehenden Lagerkörpers dessen Gasdurchlässigkeit an der Oberfläche gezielt zu beeinflussen.

Die Vielzahl der Lösungen entsteht aus den konkreten technischen Forderungen, die teilweise im Widerspruch stehen:

• - hohe Tragfähigkeit
• - hohe Steifigkeit
• - Schwingungsresistenz
• - geringer Gasverbrauch.

Bei der Herstellung der miniaturisierten Drosseln zur Einstellung kleiner Gasströme werden Lochblenden, die eine beabsichtigte turbulente Strömung erzeugen, oder Kapillaren, die eine beabsichtigte laminare Strömung erzeugen, eingesetzt.

Bei Lochblenden werden konventionelle Bohrtechnologien oder Lasertechnologien verwendet, um in die vorzugsweise dünnen flächenhaften Materialien Bohrungen im Größenbereich von 5 Mikrometer bis 150 Mikrometer herzustellen.

Diese Technologien erlauben keine reproduzierbare Serienfertigung. Die Manipulation der kleinen Lochscheiben ist schwierig, die Gefahr der Beschädigung ist groß. Selbst bei bestmöglicher maßlicher Fertigung schwanken die Drosseleigenschaften häufig bis zu 100%. Eine nachträgliche Kalibrierung ist bei den erforderlichen kleinen Abmessungen nahezu ausgeschlossen.

Es ist nur mit großen Schwierigkeiten und Aufwand möglich, die geforderten runden Löcher herzustellen, um eine gewünschte Gasströmung zu erreichen. Praktisch werden Drosseln mit den erforderlich gleichen Eigenschaften, die für ein Gaslager bestimmt sind, aus einer Vielzahl von vorgefertigten Drosselbauelementen ausgesucht.

Insbesondere das Ziel, eine hohe Steifigkeit des Lagers bei einer niedrigen Tragfähigkeit des Lagers (geringe Arbeitslast) zu erreichen, erfordert miniaturisierte Lochblenden, die schwer herstellbar und manipulierbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drossel für Gasführungen und Gaslager zu schaffen, die miniaturisierbar, dabei sicher manipulierbar, in der Drosselwirkung abstimmbar und zuverlässig im Betrieb ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Drossel für Gasführungen und Gaslager arbeitet nach dem Prinzip Drosselung der Gasversorgung durch den drosselspezifischen Strömungswiderstand. Die Drossel ist aus einem dimensionierten porösen Material hergestellt. Die Gasströmungsverhältnisse werden durch die Größe und die Verteilung der Poren im Material erzeugt. Das dimensionierte poröse Material hat eine durch die Fertigung gegebene Form als Zylinder, Kegelstumpf, Kugel usw. Dabei ist das dimensionierte poröse Material vorzugsweise teilweise mit einer Hülse gasdicht so ummantelt, daß eine Gaseintrittsfläche und eine Gasaustrittsfläche offen bleiben. Die Größe und die Oberflächengestaltung der Gaseintrittsfläche und der Gasaustrittsfläche können vielfältig gestaltet und dimensioniert werden, um für die jeweilige Anwendung optimale Strömungsverhältnisse zu schaffen.

Auf die Hülse kann auch verzichtet werden, wenn durch den Einbau der Drossel in das Lager eine entsprechende Abdichtung der Flächen, beispielsweise durch Einkleben, geschaffen wird, so daß eine Gaseintrittsfläche und eine Gasaustrittsfläche entstehen.

Die im Vergleich zu den bekannten Drosseln große Gasaustrittsfläche erzeugt besonders günstige Strömungsverhältnisse im Lagerspalt.

Die durch den Herstellungsprozeß vorgegebene Form der Drossel ist durch Materialabtrag (z. B. Bohren, Fräsen, Schleifen) veränderbar. Dadurch ist der Gasdurchsatz fest einstellbar und es werden geometrische Verhältnisse geschaffen, die eine gewünschte Strömung realisieren. Der Strömungswiderstand von der Gaseintrittsfläche bis zur Gasaustrittsfläche wird durch Längen- und/oder Querschnittsänderung des porösen Materials kalibriert. Auch durch Aufsatz einer Blende auf die Gaseintrittsfläche und/oder die Gasaustrittsfläche kann der Gasdurchsatz eingestellt werden.

Der Gasdurchsatz ist durch ein den Strömungswiderstand oder den Strömungsquerschnitt des porösen Materials beeinflussendes makroskopisches Ventil variabel einstellbar. Das Ventil ist als drehbarer oder verschiebbarer Schieber ausgebildet, der vorzugsweise vor die Oberfläche der Gaseintrittsfläche bewegbar ist und die Größe des gasdurchströmten Querschnittes einstellt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Drossel sind kleinste Gasströme einstellbar. Es werden gleichmäßige und reproduzierbare Strömungsverhältnisse realisiert. Das poröse Material kann kristallin, amorph oder teilkristallin sein. Es können poröse Keramik, Glas, Kunststoff, Metall oder entsprechende Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, wodurch sich vielfältige Anpassungsmöglichkeiten an die speziellen Erfordernisse des Gaslagers ergeben.

Mit Hilfe der erfindungsgeinäßen Drossel können in einem Gaslager oder in einer Gasführung gleichmäßige und reproduzierbare Strömungsverhältnisse hergestellt werden. Die Gaslager oder Gasführungen weisen auch bei einer geringen Tragfähigkeit eine hohe Steifigkeit auf. Gaslager, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Drosseln aufgebaut sind, besitzen eine größere Schwingungsresistenz.

Die Erfindung wird anhand von Beispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Gaslager mit eingebauter Drossel;

Fig. 2 Bauformen der Drossel;

Fig. 3 Drossel mit Blende;

Fig. 4 Drossel mit Schieber.

In Fig. 1 ist eine zylinderförmige Drossel dargestellt. Innerhalb der Hülse 1 ist das poröse Material 2 dauerhaft fixiert eingebracht. Die Fixierung der Hülse 1 mit dem porösen Material 2 wird durch Sintern, Einkleben, Einpressen oder Schrumpfen vorgenommen, wobei das poröse Material 2 nach dessen Befestigung in seiner Struktur eine Gasdurchlässigkeit im gewünschten Umfang von einer Gaseintrittsfläche 3 zur Gasaustrittsfläche 4 aufweisen muß.

Die Gasaustrittsfläche 4 der Düse ist dem Lagerspalt 13 zugewandt. Die Gaseintrittsfläche 3 schließt an einen Anschluß der Gasversorgungsleitung 7 an. Die Gasaustrittsfläche 4 ist entsprechend Fig. 1 so ausgeführt, daß die zum Betreiben des aerostatischen Lagers vorzugsweise erforderliche Vorkammer 5 direkt in das poröse Material 2 eingebracht ist. Die Form der Vorkammer 5 kann schlitzförmig, zylindrisch, kalottenförmig oder nach anderen geometrisch bestimmten Formen ausgeführt sein.

In der Gaseintrittsfläche 3 ist eine Grundbohrung 6 vorhanden. Diese Grundbohrung dient dem Zweck der kostengünstigen und exakten Abstimmung der Drossel bezüglich ihrer Gasdurchlässigkeit.

Es ist in der Praxis davon auszugehen, daß das poröse Material in seiner Drosselwirkung gegenüber dem Gas gewissen Schwankungen von Fall zu Fall, von Charge zu Charge unterliegt. Dadurch ist eine gleichmäßige Wirkung der Vielzahl der Drosselelemente im gesamten Lager kaum möglich. Erst die Abstimmbarkeit der Gasdurchlässigkeit der erfindungsgemäßen Drossel mittels der Grundbohrung 6 ermöglicht eine Kalibrierung in einer Genauigkeit von wenigen Prozent im Vergleich der Drosselelemente untereinander.

Diese Kalibrierung wird auch mit anderen Mitteln erreicht: Beispielsweise wird die Hülse 1 mit dem darin befindlichen porösen Material 2 insgesamt auf Länge abgestimmt.

Im gasführenden Lagerteil 10 eines Gaslagers sind die erfindungsgemäßen Drosseln 11 montiert. Die Drossel 11 ist im gasführenden Lagerteil 10 an ihrer Hülse 1 abgedichtet befestigt, beispielsweise durch Einkleben, Bördeln oder mit Hilfe von Dichtringen.

Das Material der gesamten Drossel 11 kann optimal dem Material der Lagerteile 10 und 12 angeglichen werden. Diese Anpassung ist insbesondere bezüglich der Temperaturausdehnungskoeffizienten sinnvoll. So ist es möglich, bei einem Keramiklager die Hülse 1 und das poröse Material 2 ebenfalls aus Keramik oder bei einem Glaslager diese Bauteile aus Glas herzustellen.

Die erfindungsgemäße Drossel ist gegenüber bekannten Lösungen rationeller fertigbar, besser handhabbar und ohne Schwierigkeiten in die Lagerteile einbaubar. Es können Drosseln hergestellt werden, deren die Gasströmung kennzeichnende Kennziffern (Strömungsquerschnitt, Gasströmungsmenge, Druckabbau) mit Drosseln in Form von Lochblenden nicht erreichbar sind.

Es wird eine Verbesserung der Eigenschaften der traditionellen Gaslager und Gasführungen erreicht.

Das mit den erfindungsgemäßen Drosseln ausgerüstete Gaslager realisiert als Konstruktionsziel eine hohe Steifigkeit bei einer geringen Tragfähigkeit (geringe Arbeitslast) des Lagers.

In Fig. 2 sind verschiedene geometrische Formen der Drossel dargestellt. Fig. 2a zeigt eine zylindrische Bauform. Fig. 2b zeigt eine kegelstumpfförmige Bauform. In Fig. 2c und 2d sind kugelförmige Drosselelemente dargestellt. Die Auswahl der Form wird durch konstruktive und fertigungstechnische Zwecke beeinflußt.

Eine Abstimmung der Drosselwirkung ist weiterhin durch ein teilweises Verschließen der Gaseintrittsfläche 3 oder der Gasaustrittsfläche 4 in Form einer Blende 8 (Fig. 3), beispielsweise mit Hilfe von aufgetragenem Lack, Klebstoff, Klebband usw. mit geringem Aufwand möglich.

Entsprechend Fig. 4a wird ein teilweises und außerdem variables Verschließen der Gaseintrittsfläche 3 durch mechanische Verstellmittel in Form eines Schiebers 9 realisiert. Auf der Seite der Gaseintrittsfläche 3 ist der verstellbare Schieber 9 dargestellt, welcher vor die Gaseintrittsfläche 3 schiebbar oder drehbar ist. Die durchströmende Gasmenge kann somit bequem reguliert werden. Diese Möglichkeit der Regulierung der Gasströmung ist gegenüber allen bisher bekannten Anordnungen von Drosselelementen für Gaslager neu. Die Möglichkeit der Regulierung des Gasstromes resultiert aus der wesentlich vergrößerten Gaseintrittsfläche 3 gegenüber bekannten Anordnungen. Diese Fläche kann je nach Ausführung der Struktur des porösen Materials 2 beispielsweise im Durchmesser 1 bis 2 mm betragen. Das Verschließelement 9 kann auch zur vollständigen Abdichtung genutzt werden. Das ist von Vorteil, wenn die Gasaustrittsfläche 4 der Drossel 11 infolge der Relativverschiebung des Lagerteils 12 gegenüber dem gasführenden Lagerteil 10 (beispielsweise bei Geradführungen) frei zu liegen kommt.

Gemäß Fig. 4b ist der Schieber 9 im porösen Material 2 so angeordnet, daß durch Verschieben eine Änderung des durchströmten Querschnitts erreichbar ist. Eine Abstimmbarkeit der Gasströmung ist bei Drosseln aus Lochblenden so nicht möglich.

Bezugszeichenliste

1 Hülse
2 poröses Material
3 Gaseintrittsfläche
4 Gasaustrittsfläche
5 Vorkammer
6 Grundbohrung
7 Anschluß der Gasversorgungsleitung
8 Blende
9 Schieber
10 gasführendes Lagerteil
11 Drossel
12 Lagerteil
13 Lagerspalt

Claims (8)

1. Drossel für Gasführungen und Gaslager, die nach dem Prinzip Drosselung der Gasver­ sorgung durch den drosselspezifischen Strömungswiderstand arbeiten, wobei Dros­ seln in mindestens ein Lagerteil eingebaut sind und aus einem dimensionierten porö­ sen Material hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das dimensionierte poröse Material (2) einer jeden Drossel (11) bezüglich der Strömungsrichtung eine im wesentlichen rotationssymmetrische Raumform aufweist und mit einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Gasaustrittsfläche (4) versehen ist und daß eine Vielzahl derartiger Drosseln (11) in das Lagerteil (10) eingebaut sind, wobei die Gasaustrittsflächen (4) über eine Lagerfläche aus gasundurchlässigem Material des Lagerteils (10) verteilte Gasaustrittsöffnungen von einigen wenigen mm Durchmesser bilden.

2. Drossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dimensionierte poröse Material (2) in einer durch die Fertigung gegebenen Form als Zylinder, Kegelstumpf, Kugel usw. ausgeführt ist.

3. Drossel nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das dimensionierte poröse Material teilweise mit einer Hülse (1) gasdicht ummantelt ist, wobei eine Gaseintrittsfläche (3) und eine Gasaustrittsfläche (4) offen bleiben.

4. Drossel nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Dimensionierung gegebene Form der Drossel (11) durch Materialabtrag veränderbar und dadurch der Gasdurchsatz fest einstellbar ist.

5. Drossel nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand von der Gaseintrittsfläche (3) bis zur Gasaustrittsfläche (4) durch Längen- und/oder Querschnittsänderung des porösen Materials (2) kalibrierbar ist.

6. Drossel nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufsatz einer Blende (8) auf die Gaseintrittsfläche (3) und/oder die Gasaustrittsfläche (4) der Gasdurchsatz einstellbar ist.

7. Drossel nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdurchsatz durch ein den Strömungswiderstand oder Strömungsquerschnitt des porösen Materials (2) beeinflussendes makroskopisches Ventil (Schieber 9) variabel einstellbar ist.

8. Drossel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (2) kristallin, amorph oder teilkristallin, vorzugsweise Keramik, Glas oder Kunststoff ist.