DE69322236T2

DE69322236T2 - Zentrierring für Ferrofluid-Abdichtung

Info

Publication number: DE69322236T2
Application number: DE69322236T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Black; Larry A. Hufford; Paul E. Mcmahan; David T. Mooney; William B. Mraz; Robert C. Watkins
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1993-10-06
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2013-10-07
Also published as: US5593164A; AU4863093A; EP0596269A1; TW268996B; CA2107269A1; EP0596269B1; JPH06193742A; DE69322236D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ferrofluid-Dichtungen und insbesondere auf einen Mechanismus zum Zentrieren solcher Dichtungen um einen Schaft herum, wenn die Dichtungen an Ort und Stelle an einer Nutzvorrichtung befestigt sind. Ferrofluid-Dichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus der US-A-4 506 895 oder US-A-5 018 751 bekannt.

Hintergrund der Erfindung

Ferrofluid-Dichtungen werden weitgehend verwendet, um eine hermetische Abdichtung für Gas und ändere Verunreinigungen bei Anwendungen bereitzustellen, bei welchen ein rotierender Schaft abgedichtet werden muß. Ferrofluid-Dichtungen wurden bei Computer-Magnetplatten-Speichereinheiten als eine Barriere zwischen dem Motorbereich und dem Plattenbereich verwendet, um zu verhindern, daß Verunreinigungen in den Plattenbereich dringen, für Roboterbetätigungsvorrichtungen zur Verwendung bei der Bearbeitung von Halbleiter-Wafern in ultrareinem Vakuum, um rotierende Anoden in Hochvakuum-Umgebungen abzudichten und für Pumpen in Raffinieren und chemischen Anlagen.
Ferrofluid-Dichtungen können verwendet werden, um jegliche Komponenten abzudichten, welche in stationärem oder rotierendem Bezug zu einer anderen Komponente stehen. Solche Dichtungen werden normalerweise so installiert, daß sie um rotierende Schäfte stationär bleiben, können jedoch so installiert werden, daß sie einen stationären Schaft abdichten, um welchen sich eine Nabe oder Lagerbüchse dreht. Die Dichtungen funktionieren allgemein durch Verwendung eines Ferrofluids in einem Spalt zwischen einem rotierenden Schaft und stationären Dichtungsflächen, und beinhalten einen ringförmigen Magnet zur Bereitstellung eines gewünschten Magnetflusswegs, welcher das Ferrofluid in einem abgedichteten Flüssigkeits-O-Ring in dem Spalt hält und konzentriert. Ferrofluid-Dichtungen beinhalten normalerweise einen permanenten ringförmigen Ringmagnet, welcher axial polarisiert ist, und ein Paar magnetisch durchlässige kreisförmige Polschuhe, welche den Magnet sandwichartig umgeben, so daß innere Umfangsränder der Polschuhe sich in Richtung der Außenfläche des Schaftes erstrecken und einen dichten kontaktlosen Spalt mit diesem bilden.
Ferrofluid-Dichtungen wurden so konstruiert und angeordnet, daß sie für eine Vielzahl von verschiedenen erforderlichen Abdichtungen verwendet werden können. Eine einstufige Ferrofluid-Dichtung kann erzeugt werden, indem ein einziger ringförmiger Polschuh nahe einem magnetisch durchlässigen Schaft angeordnet wird und diesen umgibt und in magnetischer Verbindung mit einem einzigen Magneten steht. Ferrofluid wird in dem Polschuh/Schaftspalt durch das durch den Magnet erzeugte Magnetfeld gehalten, wobei das Feld einer Magnetkreis folgt, welcher den Magnet, Polschuh, Spalt und Schaft enthält. Bei einer einstufigen Dichtung kann vorteilhafterweise ein zweiter ringförmiger Polschuh ebenfalls in direkter Nähe zu dem Schaft und in magnetischer Verbindung mit dem anderen Pol des Magneten verwendet werden. Der Spalt zwischen diesem zweiten Polschuh und dem Schaft enthält generell kein Ferrofluid, verstärkt jedoch den Magnetfluß quer über den Spalt, in welchem Ferrofluid in der einstufigen Dichtung gehalten ist, wodurch die Druckkapazität der Dichtung verstärkt wird.
Alternativ dazu kann der Spalt zwischen dem zweiten Polschuh und dem Schaft Ferrofluid enthalten, wodurch eine zweistufige Dichtung erzeugt wird. Das US-Patent Nr. 5,018,751, erteilt am 28.05.1991, und US-Patent Nr. 4,506,895, erteilt am 26.03.1985 und auf denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung übertragen, beschreiben die obengenannten zweistufigen Ferrofluid-Dichtungen.
Außerdem kann eine Ferrofluid-Dichtung eine beliebige Anzahl an Stufen beinhalten, d. h. die Dichtung kann eine Mehrzahl von einzelnen Polschuhen enthalten, oder ein Polschuh (oder Polschuhe) kann eine Mehrzahl von Kanten und Nuten aufweisen, wobei jede Kante nahe dem Schaft ist und einen Ringspalt zwischen dem Polschuh und dem Schaft begrenzt. Ferrofluid ist in mehreren oder allen dieser Spalte gehalten, um eine mehrstufige Ferrofluid-Dichtung zu bilden.
In bezug auf Polschuhe für Ferrofluid-Dichtungen und in bezug auf das Verhältnis zwischen Polschuh(en), Schaft-Stützlager und anderen Komponenten eines Ferrofluid- Dichtungssystems existieren eine Anzahl an Ausführungsformen mit einer Vielzahl von Anordnungen und Ausbildungen. Z. B. können Kanten und Nuten in einem Schaft und nicht in einem Polschuh oder Polschuhen gebildet sein, um eine einstufige oder mehrstufige Ferrofluid-Dichtung zu bilden. Ein Polschuh (oder eine oder mehr der verschiedenen Kanten in einem Polschuh) können verjüngt sein oder eine bestimmte Breite oder einen konzentrischen Radius haben, welcher sich von dem der anderen Kanten oder Polschuhe unterscheidet. Geometrische Abweichungen wie diese ermöglichen das Anpassen bestimmter Eigenschaften einer gesamten Ferrofluid-Dichtungsanordnung, wie beispielsweise die Lebensdauer eines bestimmten Spalts in bezug auf das Zurückhalten von Ferrofluid, vorteilhafte Wärmedissipation, das Verhindern, daß Ferrofluid bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten des Schafts oder der Nabe oder Lagerbüchse verspritzt wird, se lektives Zurückhalten von Ferrofluid in einem oder mehr Ringspalt(en) und anderen Eigenschaften.
Für eine richtige Funktion einer Ferrofluid-Dichtung ist es wichtig, den Polschuh oder die Polschuhe akkurat konzentrisch zu dem Schaft anzubringen. Durch nicht akkurates Zentrieren des Polschuhes/der Polschuhe um den Schaft wird die Breite des resultierenden Ringspalts zwischen dem Polschuh/den Polschuhen und dem Schaft uneinheitlich. Generell ist das Zentrieren am kritischsten für den Polschuh oder die Polschuhe, welcher am nächsten zu einem Schaft angeordnet ist/sind. Andere Komponenten jedoch, welche eine Ferrofluid-Dichtung bilden, können ebenfalls nahe dem Schaft angeordnet sein. Z. B. kann ein ringförmiger Magnet von Polschuhen sandwichartig umgeben sein, wobei der Magnet und die Polschuhe alle identische Innenradien haben. Es ist klar, daß das Zentrieren jeglicher Komponente einer Ferrofluid-Dichtungsanordnung, die nahe dem Schaft angeordnet ist (insbesondere diejenige Komponente, die am nächsten zu diesem angeordnet ist), kritisch ist. Im folgenden bezieht sich "Dichtung" auf Komponenten einer Ferrofluid-Dichtung, welche nahe dem Schaft angeordnet sind und für welche das Zentrieren kritisch ist.
Wenn eine Dichtung nicht konzentrisch zu dem Schaft angeordnet ist, folgt das Magnetfeld keinem symmetrischen Weg um den Schaft, ein Magnetfluß wird vielmehr an dem schmalsten Abschnitt des Spalts verstärkt und an dem breitesten Abschnitt abgeschwächt. Diese ungleiche Verteilung kann auch verhindern, daß das Fluid während des Betriebs gleichmäßig fließt und kann entweder bewirken, daß ein solches Fluid sich erwärmt und verdunstet oder aus dem Spaltbereich herausspritzt. Wenn somit der Schaft stationär ist oder sich langsam in bezug zu dem Gehäuse dreht, kann das Ferrofluid nicht gleichmäßig in dem ringförmigen Spalt verteilt werden, sondern wird zu dem schmalsten Abschnitt des Spalts gezogen, wodurch der breiteste Abschnitt nicht ausreichend Fluid erhält, um eine angemessene Abdichtungskraft beizubehalten. Eine solche unzureichende Abdichtungskraft kann dazu führen, daß die Dichtung bei einem niedrigeren Schwellenwert der Differenz über der Dichtung, was unter dem Normalwert liegt, "birst" ("durchbricht"), als normalerweise der Fall wäre. Das US-Patent Nr. 4,407,518, erteilt am 4.10.1983 für denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung, zeigt graphisch das Bersten oder den Durchbruch einer Ferrofluid-Dichtung.
Die Natur von Ferrofluid-Dichtungen ist dergestalt, daß sie sich in gewissem Maße nach einem solchen Bersten "selbst heilen". Das heißt, daß Ferrofluid, welches von der Dichtung während dem Bersten ausgeworfen wird und nicht über einen bestimmten Abstand von der Dichtung hinaus in Reichweite des Magnetfeldes der Dichtung verschoben wird, zurück in den aktiven Dichtungsbereich gezogen werden kann. Jedoch erfolgt generell bei jedem Bersten ein Nettoverlust von Ferrofluid aus der Dichtung, wodurch durch wiederholtes Auftreten eines Überdruckes auf die Dichtung die Dichtungs-Druckkapazität reduziert werden kann.
Außerdem wohnt jedem rotierenden Schaft eine dynamische Exzentrizität inne, weshalb der Anteil der Exzentrizität des Schaftes aufgrund inakkurat zentrierter Ferrofluid-Dichtungen minimiert werden muß. Ein mit sehr hoher Geschwindigkeit rotierender Schaft oder ein Schaft, welcher relativ ungleichmäßig durch Lager gestützt ist (z. B., um einen langen Überhang des Schaftes zu ermöglichen) können eine exzessive dynamische Exzentrizität beinhalten. Auch ein Schaft, welcher von abgenutzten Lagern gestützt ist, kann ein nicht akzeptables Maß an dynamischer Exzentrizität aufweisen. Durch eine solche dynamische Exzentrizität können unter anderem zwei beachtliche Probleme entstehen. Zuerst kann der Schaft in Kontakt mit einem Abschnitt der Dichtung kommen und die Dichtung auslenken oder einen magnetischen Kurzschluß bewirken, wodurch ihre Funktion negativ beeinflußt wird. Der Schaft kann auch durch einen solchen Kontakt mit der Dichtung beschädigt werden. Wenn zweitens der Schaft während der Rotation am stärksten exzentrisch verschoben wird, bildet der resultierende ungleichmäßige ringförmige Spalt eine Ferrofluid-Dichtung, welche an dem breitesten Abschnitt des Spalts geschwächt ist. Somit kann, wie oben beschrieben, ein Bersten an dem geschwächten Abschnitt der Dichtung erfolgen. Deshalb ist es wichtig für den Betrieb von Ferrofluid-Dichtungen und wünschenswert zur Vermeidung einer Beschädigung des Schafts, daß die Dichtungen akkurat um die Schäfte zentriert sind.
Normalerweise wird ein akkurates Zentrieren einer Dichtung um einen Schaft durch akkurates Steuern (fluchtend anordnen) der Schaft-Stützlager und der Dichtung in einem gemeinsamen Gehäuse bewirkt. Die Genauigkeit dieses Verfahrens hängt von der Genauigkeit des in dem Gehäuse zentrierten Schafts und der Genauigkeit der Oberfläche, an welcher die Dichtung geführt ist, ab. Die Konstruktion einer Schaft/Dichtungsanordnung in einer solchen Weise wird vorzugsweise an einer Stelle ausgeführt, um eine Gesamtgenauigkeit sicherzustellen.
In einigen Fällen jedoch kann die Dichtung nicht in dem Gehäuse, in welchem der Schaft akkurat angeordnet ist, enthalten sein oder an diesem geführt sein, die Dichtung mag nicht nahe eines Lagers in genauem Verhältnis mit dem Schaft befestigbar sein, das Gehäuse, an welchem die Dichtung befestigt werden soll, mag nicht mit einer Aussparung zur Aufnahme der Dichtung versehen sein, es mag unbequem oder unmöglich sein, zu überprüfen, ob eine existierende Aussparung mit dem Schaft konzentrisch ist, oder das Ende des Schaftes mag nicht für ein Aufschieben der Dichtung über den Schaft zugänglich sein. Es ist nicht ungewöhnlich, daß eine dieser Situationen zutrifft, wenn eine Ferrofluid-Dichtung an eine existierende Vorrichtung angebracht wird, die eine zusätzliche Abdichtungskapazität erfordert, wenn Komponenten in einer Vorrichtung, in welcher Ferrofluid-Dichtungen verwendet werden, repariert oder ersetzt werden, beim Ersetzen von Ferrofluid-Dichtungen, oder wenn andere Aktivitäten im "Feld" oder "Gelände" ausgeführt werden, d. h. weit weg von Präzisionsbearbeitung und Montageausrüstungen. Es folgt ein wichtiges Beispiel. Es ist zunehmend wichtig bei Ölraffineriepumpen, flüchtige Dämpfe zu binden, welche als Folge eines Lecks von flüchtigen Flüssigkeiten austreten können. Der Betrieb einer Raffineriepumpe beinhaltet normalerweise einen von einem Motor angetriebenen Schaft, welcher durch Präzisionslager in einem ersten Gehäuse gestützt ist, wobei der Schaft durch einen Raum, welcher als ein Wartungs-Zugarig dient, und durch eine mechanische Oberflächendichtung in ein zweites Gehäuse oder einen Pumpenbereich geführt ist, in welchem ein Flügelrad von dem Schaft angetrieben ist, um Flüssigkeit, wie beispielsweise Benzin, zu fördern. Die mechanische Oberflächendichtung ist kein Lager und stützt den Schaft in keiner Weise in bezug auf Positionsgenauigkeit. Das Schmieren der mechanischen Oberflächendichtung basiert auf einem minimalen Lecken über den Dichtungsflächen. Bekannte Dichtungen mit geringer Emission werden tatsächlich eher mit Dampf an den Oberflächen und nicht mit einer Flüssigkeit betrieben. Somit wird ein flüchtiger Dampf langsam aber kontinuierlich in den Zugangsbereich und dann in die Atmosphäre freigegeben. Es ist vorteilhaft, einen Abschnitt des Zugangsbereichs, welcher die mechanische Oberflächendichtung direkt umgibt, abzudichten, so daß Dämpfe aus dem flüchtigen Dampf festgehalten werden, und Ferrofluid-Dichtungen sind für diesen Zweck ideal. Es gibt jedoch keine geeignete Einrichtung zum akkuraten Befestigen einer Ferrofluid-Dichtung an einer mechanischen Oberflächendichtungsumrandung und mechanische Oberflächendichtungen erfordern eine relativ häufige Wartung, wodurch das Entfernen und Ersetzen von Ferrofluid-Dichtungen insbesondere bei dieser Anwendung wichtig ist. Es ist tatsächlich erwünscht, Ferrofluid-Dichtungen dieser Art in existierenden Raffineriepumpstationen und in vielen anderen existierenden Quellen von giftigen Dämpfen, wie chemische Anlagen, anzubringen, wodurch Techniken, die bei der Arbeit im "Feld" anwendbar sind, besonders erwünscht sind.
Ein bekannter Lösungsweg zum Zentrieren einer Dichtung um einen Schaft bei solchen wie oben beschriebenen Anwendungen beinhaltet das Schieben der Dichtung über den Schaft zum Gehäuse hinunter, danach Schieben einer verjüngten rohrförmigen Hülse über den Schaft hinunter, wobei das verjüngte Ende vorangeht und die Hülse zwischen die Dichtung und den Schaft gezwängt wird. Die verjüngte Hülse wird konzentrisch zwischen der Dichtung und dem Schaft festgekeilt, wodurch die Dichtung um den Schaft herum zentriert wird. Die Dichtung kann dann permanent an dem Stator der Ausrüstung befestigt werden. Schließlich wird die rohrförmige Hülse entfernt.
Ein weiterer bekannter Lösungsweg beinhaltet das Wickeln eines dünnen Metall- Beilagenblechs um den Schaft herum, bevor die Dichtung über den Schaft gestreift wird. Das Beilagenblech liegt konzentrisch und gleichmäßig um den Schaft, um die Dichtung zu zentrieren, welche über das Beilagenblech gestreift wird. Nachdem die Dichtung an die existierende Ausrüstung befestigt wurde, wird das Beilagenblech entfernt.
Diese bekannten Lösungswege zum Zentrieren von Ferrofluid-Dichtungen haben innewohnende Nachteile und Probleme. Nicht einfach zu realisieren sind insbesondere die Lösungswege, bei welchen eine rohrförmige Hülse und ein Beilagenblech verwendet wird.
Somit erfordert das Zentrieren der Dichtung ein schwieriges und beschwerliches Verfahren. Außerdem sind diese Zentriermethoden nicht kompatibel mit vorgefertigten Patronendichtungs-Konstruktionen.
Außerdem gibt es momentan kein Verfahren, um Ferrofluid, welches aus einer Ferrofluid-Dichtung aufgrund eines Berstens der Dichtung durch Überdruck austritt, nahe der Dichtung zu halten, so daß das ausgetretene Ferrofluid durch das Magnetfeld zurück in den aktiven Dichtungsbereich gezogen wird.
Die Referenz SU-A-773 351 macht eine Magnetfluid-Dichtung mit Lagerstücken bekannt, welche in der Nähe des den Schaft umgebenden Magnetfluids angeordnet sind. Dadurch kann das Magnetfluid sowohl als Dichtungsmittel als auch als Lagerschmiermittel wirken. Es gibt jedoch keine Einrichtung, durch welche der Schaft zentriert werden kann, um den Dichtungsspalt zwischen dem Schaft und dem Lager (oder zwischen dem Schaft und dem Rest der Dichtung) gleichmäßig zu machen. SU-A-773 352 macht eine Magnetfluid-Dichtung bekannt, welche polare Einsätze, die den Schaft umgeben, verwendet. Das Dichtungsfluid ist in einem schmalen Spalt zwischen den polaren Einsätzen und dem Schaft gehalten. Dieser schmale Spalt soll laminare Flußbedingungen zulassen, welche dazu beitragen, daß ein Mischen des Magnetfluids mit einem abzudichtenden Fluid verhindert wird. Es wird jedoch keine Einrichtung zum Zentrieren des Schafts in bezug zu den polaren Einsätzen erörtert.
Demgemäß besteht eine generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen selbst-aktivierenden Mechanismus zum Zentrieren einer Ferrofluid-Dichtung um einen Schaft herum bereitzustellen, welcher Mechanismus bequem und schnell anwendbar ist, um einen Mechanismus zum Zentrieren einer Ferrofluid-Dichtung bereitzustellen, welche Dichtung nachträglich um einen Schaft angeordnet wird, wobei keines von dessen Enden zugänglich ist, um einen Mechanismus zum Zentrieren einer Ferrofluid-Dichtung bereitzustellen, wobei der Mechanismus permanent an Ort und Stelle in der Dichtung gelassen werden kann, nachdem die Dichtung installiert wurde, um einen Mechanismus zum Zentrieren einer Ferrofluid-Dichtung bereitzustellen, wobei der Mechanismus nach Installation der Dichtung einfach entfernt werden kann, und um eine Einrichtung und einen Mechanismus zum Halten von Ferrofluid, welches aus der Dichtung durch Bersten aufgrund eines Überdrucks austritt, nahe der Dichtung bereitzustellen, so daß ein im wesentlichen großer Teil des ausgetretenen Ferrofluids in Reichweite des Magnetfeldes der Dichtung gehalten wird, so daß es in den aktiven Dichtungsbereich zurückgezogen werden kann, derart daß während des Berstens ein minimaler Nettoverlust von Ferrofluid stattfindet, wodurch die Reduktion der Druckkapazität der Dichtung aufgrund eines solchen Berstens minimiert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obengenannten Probleme und Nachteile werden gelöst, indem ein Zentrierring bereitgestellt wird, welcher an einer Dichtung in einem festen Verhältnis zu einem Magnet und Polschuhmodul befestigt werden kann. Der Zentrierring ist mit dem Schaft in Eingriff, wenn die Dichtung installiert wird, um die Dichtung um den Schaft herum zu zentrieren. Der Zentrierring beinhaltet einen inneren Rand, weicher sich über die Polschuhe hinaus erstreckt und den Schaft direkt berührt. Der Zentrierring kann so ausgebildet sein, daß er von der Dichtung entfernt werden kann, nachdem die Dichtung um den Schaft herum installiert ist, oder der Zentrierring kann während der Funktion der Dichtung an Ort und Stelle verbleiben, wobei der innere Rand der Dichtung so konstruiert ist, daß er aufgrund des Kontakts mit dem rotierenden Schaft sich langsam abreibt oder ohne Schaden anzurichten abbricht. Der Zentrierring, welcher so konstruiert ist, daß er während des Betriebs an Ort und Stelle verbleibt, kann die weitere Funktion haben, daß er Ferrofluid, welches von der Dichtung während des "Berstens" austritt, nahe der Dichtung hält, damit dieses durch den Magnetkreis zurück in die Dichtung gezogen werden kann, wodurch die Lebensdauer der Dichtung verlängert wird.
Andere Vorteile, neue Merkmale und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung gemäß dem Stand der Technik während des Betriebs um einen rotierenden Schaft;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines inneren Rands eines Polschuhes, welcher konzentrisch und nicht konzentrisch zu einem Schaft angeordnet ist;
Fig. 3 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung, welche den Zentrierring gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Zentrierrings gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gesehen in Richtung der Pfeile A der Fig. 3;
Fig. 5 eine Seitenansicht eines Zentrierrings gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, betrachtet in Richtung der Pfeile A der Fig. 3;
Fig. 6 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung, welche nur die obere Hälfte davon zeigt, gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine Seitenansicht eines Zentrierrings der alternativen Ausführungsform der Fig. 8;
Fig. 10 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung, welche nur die obere Hälfte von dieser zeigt, gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung, welche nur die obere Hälfte von dieser zeigt, gemäß einer noch weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine Ansicht im Querschnitt einer Ferrofluid-Dichtung, welche einen Zentrierring mit einem abriebfähigen inneren Rand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 13 eine Seitenansicht eines Zentrierrings gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gesehen in Richtung des Pfeils A von Fig. 3.

Detaillierte Beschreibung

In bezug auf Fig. 1 ist eine bekannte zweistufige Ferrofluid-Dichtungsstruktur gezeigt, mit einem Dichtungsmodul 11, welches aus einem ringförmigen Magnet 18 und axial befestigten Polschuhen 14 und 16 besteht. Die Dichtung ist in der Aussparung 29 in einem Gehäuse 28 angeordnet, welches einen magnetisch durchlässigen Schaft 12 axial umgibt. Es ist klar, daß bei dieser und anderen Ausführungsformen der Schaft 12 massiv oder hohl und in bezug auf das Gehäuse 28 stationär oder beweglich sein kann. Somit kann der Schaft 12 in dem stationären Gehäuse 28 rotieren oder das Gehäuse 28 kann um den stationären Schaft 12 rotieren. Das Gehäuse 28 kann Teil des Rahmens oder Stators einer stationären Vorrichtung, wie ein Motor oder eine Pumpe sein, welche ein Lager (nicht gezeigt) zum Zentrieren des Schafts aufweisen. Das Dichtungsmodul ist in der Aussparung 29 abgedichtet, vorzugsweise durch statische elastomerische Dichtungen oder "O-Ringe" 25 und 27, welche an den Außenrändern der zwei Polschuhe 14 bzw. 16 angeordnet sind. O-Ringe 25 und 27 greifen in die Innenwand der Aussparung 29 luftundurchlässig ein. Wenn die Dichtung 11 um den Schaft 12 herum angeordnet wird, werden die Polschuhe 14 und 16 vorzugsweise so angeordnet, daß ein kleiner Zwischenraum oder Spalt (22 bzw. 24) (normalerweise im Bereich von 0,001 bis 0,004 inch) radial zwischen dem Innenrand der Polschuhe und der Außenfläche des Schaftes existiert. Wenn das Dichtungsmodul in der Aussparung 29 des Gehäuses angeordnet und an diesem befestigt wird, wird die Dichtung idealerweise automatisch um den Schaft zentriert und von dem Gehäuse gestützt. Der Schaft kann rotationsmäßig von einem Motor oder einer anderen Einrichtung (nicht gezeigt) angetrieben werden.
Der Schaft 12 und die Polschuhe 14 und 16 bestehen aus einem magnetisch durchlässigen Material, so daß das von dem Magnet 18 erzeugte Magnetfeld dem Flußweg F folgt, was in Fig. 1 gezeigt ist. Der Flußweg F erstreckt sich über die Spalte 22 und 24 zwischen den Innenrändern der Polschuhe 14 und 16 und dem Schaft 12 und hält Ferrofluid 20 in den Spalten 22 und 24, wodurch eine Flüssigkeits-O-Ring-Dichtung um den Schaft 12 herum gebildet wird.
Wie oben erwähnt, ist es für die Funktion der Ferrofluid-Dichtung für die Polschuhe 14 und 16 wichtig, daß sie relativ akkurat um den Schaft 12 zentriert sind, so daß die Spalte 22 und 24 radial relativ gleichmäßig sind. Der Zentrierring der vorliegenden Erfindung bietet ein automatisches Zentrieren der Dichtung, wenn bei Anwendungen eine Dichtung um einen Schaft angeordnet wird, wenn entweder die Vorrichtung keine Teile hat, die so angeordnet sind, daß sie die Dichtung aufnehmen und automatisch zentrieren (wie bei der bekannten Ausführungsform der Fig. 1) oder der Schaft nachträglich mit der Dichtung versehen werden muß, da ein Ende des Schaftes nicht zugänglich ist.
In bezug nun auf Fig. 2(a) ist eine Seitenansicht einer Innenfläche 110 eines Polschuhes, welcher akkurat um einen Schaft 111 zentriert ist, gezeigt. X stellt den Zwischenraum zwischen dem Schaft 111 und der Innenfläche 110 des Polschuhes dar, d. h., die Breite des ringförmigen Spalts, in welchem Ferrofluid gehalten ist, um eine Ferrofluid- Dichtung (nicht maßstabsgetreu) herzustellen. Fig. 2(b) zeigt die Innenfläche eines Polschuhes 110, welcher nicht konzentrisch um den Schaft 111 angeordnet ist. Y stellt den schmalsten Abschnitt des ringförmigen Spalts dar und Z den breitesten Abschnitt. Wenn diese nicht zentrierte Anordnung existiert, wird Magnetfluß bei Y in größerem Maße zentriert als bei Z. Dadurch kann die Verteilung des Ferrofluids in dem ringförmigen Spalt ungleich werden, wobei mehr Ferrofluid in den Spalt bei Y gezogen wird und in dem Spalt bei Z weniger verbleibt, insbesondere, wenn der Schaft und der Polschuh/die Polschuhe zueinander stationär sind. Somit ist es möglich, daß die Druckkapazität der resultierenden Ferrofluid-Dichtung bei Z nicht ausreicht. Wenn generell Y größer als V2 · ist, d. h., wenn der ringförmige Spalt an seinem schmalsten Punkt breiter ist als die Hälfte der Breite des Spalts, wenn der Schaft perfekt in dem Polschuh zentriert ist (mit 50% Gleichförmigkeit), funktioniert die resultierende Ferrofluid-Dichtung in angemessener Weise. Wenn Y kleiner oder gleich ½ X ist, können Probleme auftreten.
Wenn der Schaft relativ zu dem Polschuh rotiert, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit und/oder in einer Situation, in welcher ein bedeutender Schaftüberhang existiert, kann die Situation durch in einem rotierenden Schaft inhärente Schwingungen kompliziert sein. Fig. 2c) zeigt den Polschuh 110, der leicht unkonzentrisch um den Schaft 111 befestigt ist, wenn der Schaft stationär (durchgezogene Linie) ist und wenn der Schaft während der Rotation (gestrichelte Linie) schwingt. Es ist zu beachten, daß eine Schwin gung des Schafts nur in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Schaftes zur Darstellung gezeigt ist. Wenn der Schaft 111 stationär ist, kann der ringförmige Spalt R an seinem schmalsten Abschnitt breit genug für eine angemessene Abdichtung sein. Wenn jedoch der Schaft 111 rotiert (und schwingt), kann der Spalt an seinem schmalsten Punkt (Q) schmal genug sein, um eine instabile Dichtung zu erzeugen.
In bezug auf Fig. 3 ist nun ein Ferrofluid-Dichtungsmodul 10 gezeigt, mit einem ringförmigen Magnet 18, ringförmigen Polschuhen 14 und 16 und einem Gehäuse 100. An dem Modul 10 und/oder Gehäuse 100 ist der Zentrierring 26 der vorliegenden Erfindung befestigt, welcher das Zentrieren der Dichtung um den Schaft bewerkstelligt. Der Ring 26 ist ein ringförmiger Ring mit einem Außenrand 33, welcher festsitzend in das Gehäuse 100 paßt, und einem Innenabschnitt 29 mit einem Innenrand 31, welcher mit dem Schaft in Eingriff ist, wenn das Dichtungsmodul 10 um den Schaft installiert wird. Zur Darstellung liegt der Zentrierring 26 sowohl an dem Gehäuse 100 als auch an dem Polstück 14 an. Es ist jedoch klar, daß der Zentrierring 26 auch nur an dem Gehäuse 100, nur an dem Polschuh 14 oder an sowohl dem Gehäuse 100 als auch dem Polschuh, wie gezeigt, befestigt sein kann. Wenn der Rand 31 mit dem Schaft 12 in Eingriff ist, ist die Dichtung so angeordnet, daß ein gewünschter Spalt G sich zwischen den Innenrändern 35 der Polschuhe 14 und 16 und der Außenfläche 37 des Schaftes bildet. Es ist bei dieser und anderen Ausführungsformen klar, daß es erwünscht sein kann, einen Spalt G zwischen dem Schaft und nur einem Polschuh, mehr als einem Polschuh, einer oder mehr Kanten bei einem mehrstufigen Polschuh, dem ringförmigen Magneten oder einer beliebigen Kombination der obigen zu erzeugen. Es ist auch klar, daß bei dieser und folgenden Ausführungsformen der Zentrierring, wie in Fig. 3 gezeigt, nicht mit dem Schaft an einem Innenrand 31 durch einen vollständigen Ring eingreifen muß. D. h., der Ring 26 kann eine Reihe von einzelnen Innenabschnitten 29 aufweisen, die sich nach innen erstrecken, um mit dem Umfang des Schaftes mit ausreichender Häufigkeit in Einzugriff zu kommen, um die Zentrierfunktion auszuführen. Nach dem Zentrieren kann das Gehäuse 100 an dem Gehäuse 28 einer weiteren Vorrichtung befestigt werden. Der ringförmige Zentrierring 26 ist eine Präzisionskomponente, welche auf Präzisionstoleranzen gefertigt werden kann, so daß ein beliebiger gewünschter Spalt G, einschließlich einem innerhalb von ein paar tausendstel eines Inches, erzielt werden kann. Verschiedene Ausführungsformen des Zentrierrings 26 werden hier in Betracht gezogen, was im folgenden beschrieben wird.
Eine Ausführungsform des Zentrierrings, wie der in Fig. 3 gezeigte, ist dazu vorgesehen, daß er von der Dichtung nach Durchführen der Zentrierfunktion und Montieren des Gehäuses 100 an einem Gehäuse 28 einer anderen Vorrichtung entfernt wird. In der Darstellung wäre ein solcher Zentrierring relativ starr und könnte aus Aluminium, Messing, Stahl oder anderen ziemlich starren nicht magnetisch permeablen Materialien zusammengesetzt sein. Der Zentrierring 26 kann lösbar an dem Dichtungsmodul 10 und/oder Dichtungsgehäuse 100 mittels einer Schnappverbindung, einer Nutbefestigung oder einer anderen im folgenden erörterten nicht permanenten Einrichtung befestigt werden. Der Zentrierring 26 der Fig. 3 hat einen L-förmigen Querschnitt, so daß er starr und fest in dem Gehäuse ist, jedoch seine Länge und der Innenrand des Innenabschnitts 29 genau definiert sind. Es ist jedoch zu beachten, daß der Zentrierring 26 eine andere Querschnittsform haben kann und trotzdem noch entsprechend der Erfindung funktionieren kann.
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Zentrierrings 26 gesehen in Richtung A von Fig. 3. Diese Ausführungsform ist dort geeignet, wo die Dichtung über ein Ende des Schafts geschoben werden kann (d. h., wo ein Ende des Schafts zugänglich ist). Wie gezeigt ist, beinhaltet der Zentrierring 26 ein Innenloch 30, durch welches der Schaft 12 verlaufen kann. Der Innenrand 31 des Zentrierrings definiert einen Radius r1. Fig. 4 zeigt mit gestrichelter Linie einen Kreis, welcher durch die Innenränder 35 der Polschuhe 14 und 16 begrenzt ist. Der Kreis 35 hat einen Radius r2. Diese Kreise 35 und 31 sind konzentrisch und der Radius r2 ist größer als der Radius r1. Dadurch wird ein Spalt G, welcher ungefähr gleich der Differenz zwischen r2 und r1 ist, erzeugt. Außerdem sind die Kreise 35 und 31 konzentrisch zu einem Kreis (nicht gezeigt), welcher durch einen Querschnitt der Außenfläche 37 des Schaftes begrenzt ist.
Fig. 5 zeigt nun eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Zentrierrings 32, gesehen in Richtung A von Fig. 3. Bei dieser Ausführungsform ist der Zentrierring 32 ein geteilter Zentrierring mit zwei im wesentlichen gleichen Stücken 34 und 36 und kann dazwischen einen kleinen Spalt 38 aufweisen. Dadurch, daß der Zentrierring 32 in zwei Hälften entlang eines Durchmessers gespalten ist, ist er nach dem Zentrieren leicht zu entfernen. Diese alternative Ausführungsform eines geteilten Ringes ist nützlich, wenn ein massiver Zentrierring, wie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, nicht von dem Schaft entfernt werden kann, da nur ein kleiner Freiraum zur Verfügung steht. Es ist zu beachten, daß gemäß dieser Ausführungsform die zwei Stücke 34 und 36 einfach über dem Schaft in einer gehäuseartigen Klemmanordnung zusammenklemmen würden. Es ist klar, daß die Anzahl der Stücke, in welche der Ring unterteilt ist, um ein Entfernen zu erleichtern, variiert werden kann, um für die Anwendung geeignet zu sein, daß die Stücke einander nicht berühren müssen und daß die Stücke ungefähr symmetrisch um die Innenfläche der Dichtung oder auf eine beliebige Weise angeordnet sein können, welche ein akkurates Zentrieren erleichtert.
Der Zentrierring kann an das Dichtungsmodul und/oder Gehäuse durch ein geeignet vorgesehenes Merkmal des Dichtungsmoduls 10 und/oder Dichtungsgehäuses 100 selbst befestigt werden. Wie z. B. in Fig. 3 gezeigt ist, kann das Gehäuse mit einer Schulter versehen sein, so daß der Zentrierring in diese Schulter hinein paßt und dadurch dort festgehalten werden kann. Wie gezeigt ist, paßt die Außenkante 33 des Zentrierrings dicht an die Schulter 98 des Gehäuses 100. Alternativ dazu, wie Fig. 6 zeigt, kann einer der Polschuhe mit einer ähnlichen Schulter versehen werden, in welche der Zentrierring paßt.
Wie gezeigt ist, paßt der Außenrand 51 des Zentrierrings 26 eng an die Schulter 42 des Polschuhs 40.
Dort, wo Elemente des Dichtungsmoduls und Zentrierrings Berührungsflächen haben, sind diese Elemente auf Präzisionstoleranzen gefertigt, um einen gewünschten einheitlichen Spalt G zu erhalten. Aufgrund inhärenter Ungenauigkeiten bei dem Herstellungsprozeß ist jedoch eine vollständige Einheitlichkeit des Spalts nicht erzielbar. Wie oben in bezug auf Fig. 2 bemerkt ist, wird zumindest eine 50%-ige Gleichförmigkeit angestrebt und kann mit dem Zentrierring der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Die Gleichförmigkeit des Spalts nimmt mit der Abnahme der Anzahl der Berührungsflächen zu. Somit besteht ein Vorteil der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform darin, daß die Polschuhe und der Zentrierring alle in bezug zueinander präzise zentriert sind aufgrund ihrer gemeinsamen Führung an dem Gehäuse 100 (angenommen, daß die Oberfläche 33 des Gehäuses 100 präzise gefertigt ist). Bei dieser Ausführungsform muß das Gehäuse 100 konzentrisch um den Schaft 12 sein; eine jegliche mangelnde Konzentrizität bei dem Gehäuse 100 wird auf die Polschuhe und den Zentrierring übertragen. Ein Vorteil der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform besteht darin, daß, wenn der Zentrierring 26 direkt an dem Polschuh 40 geführt ist (nur eine Schnittstelle/Berührungsfläche existiert), besser sichergestellt ist, daß der Polschuh 40 mit dem Schaft 12 konzentrisch ist. Die Konzentrizität des Polschuhs 16 hängt von seiner Ausrichtung mit dem Polschuh 40 gemäß dieser Ausführungsform ab. Wo jedoch eine einstufige Dichtung erwünscht ist, d. h., wo der Polschuh 40 Ferrofluid zurückhält und der Polschuh 16 als Magnetflußverstärker wirkt (und generell nicht so nahe dem Schaft wie der Polschuh 40 angeordnet ist), kann diese Ausführungsform höchst vorteilhaft sein.
Fig. 7 zeigt eine alternative Einrichtung zum Befestigen des Zentrierrings an dem Polschuh 14. Wie gezeigt ist, ist der Zentrierring 26 an dem Modul durch eine Gewindebefestigung 42 befestigt. Die Gewindebefestigung 42 ist durch einen Schlitz 27 des Zentrierrings 26 und in den Polschuh 14 geführt. Der Schlitz 27 kann breiter als der Körper 43 der Gewindebefestigung 42 (gezeigt in Fig. 7) sein, so daß die Position des Zentrierrings 26 relativ zu dem Dichtungsmodul verstellt werden kann. Ein Verstellen der Position des Zentrierrings kann jegliche Positionsfehler oder Ungenauigkeiten der Dichtungsmodul-Elemente kompensieren.
Fig. 8-11 zeigen alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei welchen der Zentrierring an dem Dichtungsmodul durch geeignet ausgebildete Verbindungsmerkmale des Dichtungsgehäuses und des Zentrierrings selbst befestigt ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 8 ist ein schnurartiger Zentrierring 56 in einer Aussparung 58 eines sich nach innen erstreckenden Abschnitts 60 des Gehäuses 62 angeordnet. Die Aussparung 58 nimmt den Zentrierring 56 auf und hält diesen, welcher nach Ausführen der Zentrierfunktion von dem Dichtungsmodul entfernt wird.
Fig. 9 ist eine Seitenansicht des Zentrierrings 56 von Fig. 8. Wie gezeigt ist, hat der Zentrierring 56 eine schnurartige Form und wenn die Dichtung um den Schaft herum installiert ist, wird der schnurartige Zentrierring 56 um den Schaft 12 herum gewickelt. Der Zentrierring 56 hat einen Griff 68 an einem seiner Enden, welcher außerhalb des Dichtungsmoduls (nicht gezeigt) angeordnet ist. Das gegenüberliegende Ende 64 liegt an dem Zentrierring an einem Punkt 69 an, so daß der Zentrierring den Schaft 12 vollständig umgibt (obwohl ein Zentrieren in geeigneter Weise erzielt werden kann, wenn der Ring 56 den Schaft 12 nicht vollständig umgibt, d. h., wenn das Ende 64 nicht an dem Ring an Punkt 69 anliegt). Diese "Reißleinen"- Anordnung des Zentrierrings ermöglicht, daß der Zentrierring einfach von dem Dichtungsmodul entfernt werden kann, nachdem die Zentrierfunktion ausgeführt wurde, indem an dem Griff 68 gezogen wird.
Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform beinhaltet der Zentrierring 74 zwei Lippen 76 und 78, welche eine Aussparung 77 definieren. Die Aussparung 77 nimmt einen sich nach innen erstreckenden Abschnitt 72 des Gehäuses 70 auf und hält diesen. Der Zentrierring wird dadurch an dem Dichtungsmodul befestigt. Ein Zwischenraum 82 ist zwischen dem sich nach innen erstreckenden Abschnitt 72 des Gehäuses 70 und einem sich nach außen erstreckenden Abschnitt 80 des Zentrierrings 74 vorgesehen. Der Zwischenraum ist vorgesehen, damit ein Werkzeug hineingetrieben werden kann, wie z. B. die Spitze eines Schraubendrehers (nicht gezeigt) und um den Zentrierring aus seiner gehaltenen Position mit dem Werkzeug zu lösen, nachdem die Zentrierfunktion ausgeführt wurde. Es ist klar, daß der Querschnitt des Zentrierrings 74 nicht an allen Abschnitten mit dem in Fig. 10 gezeigten übereinstimmen muß. Beispielsweise müssen die Lippen 76 und 78 nicht an allen Abschnitten des Zentrierrings vorgesehen sein, sondern müssen nur in ausreichender Häufigkeit um den Ring herum existieren, so daß der Ring 74 an dem Dichtungsmodul zum Zentrieren befestigt werden kann. Es kann tatsächlich vorteilhaft sein, wenn die Lippe 76 nur an ausgewählten Abschnitten des Rings 74 vorgesehen ist, so daß ein Entfernen des Zentrierrings nach Verwendung nicht unnötig schwierig ist. In ähnlicher Weise muß der Abschnitt 80 des Rings 74 nicht über den ganzen Ring hinweg vorgesehen sein, sondern kann vorzugsweise mit einer solchen Häufigkeit vorgesehen sein, daß ein Entfernen des Rings vereinfacht wird.
Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher ein sich nach innen erstreckender Abschnitt 86 eines Gehäuses 84 mit einer Lippe 88 versehen ist, welche in einer Aussparung 93 des Zentrierrings 92 aufgenommen ist und an der Lippe 94 des Zentrierrings 92 anliegt. Der Zentrierring 92 wird dadurch an dem Dichtungsmodul befestigt. Nach dem Zentrieren kann der Zentrierring 92 von dem Dichtungsmodul durch Einführen eines Werkzeugs in einen Zwischenraum 90 und Lösen des Zentrierrings (wie oben beschrieben) entfernt werden. Die Lippe 88 des Gehäuses 84 kann so ausgebildet sein, daß sie abbricht und an dem Zentrierring während des Lösens des Zentrierrings verbleibt. Wie oben in bezug auf Fig. 10 bemerkt, muß der Querschnitt des Zentrierrings 92 nicht über den ganzen Ring hinweg wie in Fig. 11 gezeigt sein. Eine Reihe von separaten Vorsprüngen von einem Querschnitt ähnlich zu dem in Fig. 11 für 92 gezeigten, kann in Reihe um den Schaft herum angeordnet sein und mit dem Abschnitt 86 an einzelnen Stellen verbunden sein, wodurch der Platz eines integralen Zentrierrings eingenommen wird. Andere Ausführungsformen für das Anbringen des Ringes 92 an dem Abschnitt 86 können ebenfalls erdacht werden. Z. B. kann ein Vorsprung von dem Ring 92 oder ein separater Abschnitt davon und nicht die in Fig. 11 gezeigte Aussparung 93 und Lippe 94 in eine Aussparung an verschiedenen Stellen entlang einem sich nach innen erstreckenden Abschnitt 86 zusammen mit äquivalenten Ausführungsformen "schnappen".
Die oben beschriebenen Zentrierringanordnungen sind so ausgebildet, daß sie entfernt werden, nachdem die Ferrofluid-Dichtung zentriert und befestigt wurde. Bei Nicht- Entfernen würde ein solcher Zentrierring an dem rotierenden Schaft reiben und potentiell einen Widerstand und Wärme erzeugen und möglicherweise den Schaft beschädigen. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung würde ein nicht entfernbarer Zentrierring identisch zu den oben beschriebenen Zentrierringen funktionieren, während er den zusätzlichen Vorteil bietet, daß er während des Betriebs nicht entfernt werden müßte. Nicht entfernbare Zentrierringe könnten aus einem geeigneten Material gefertigt werden, so daß die Wirkung des rotierenden Schafts bewirken würde, daß der Innenrand des Zentrierrings entweder schnell abgerieben würde oder abgebrochen würde. Auf diese Weise würde ein schädlicher Kontakt mit dem Schaft nach Beenden des Zentrierens eliminiert.
Ein nicht entfernbarer Zentrierring ist in Fig. 12 gezeigt. Der Zentrierring 26 ist aus einem abreibbaren Material 45 gefertigt, oder sein Innenrand 31 ist mit einem solchen Material beschichtet. Alternativ dazu kann der Innenrand 31 auch ein separates Teil sein, welches aus einem abreibbaren Material besteht, welches an dem Zentrierring oder Gehäuse befestigt ist. Dieses Material 45 hat eine relativ hohe Festigkeit, um ein akkurates Zentrieren zu ermöglichen, jedoch eine geringe Härte im Vergleich zu dem Schaftmaterial, um eine Beschädigung des Schaftes zu verhindern, und eine bekannte Abriebrate, so daß sein Abrieb gleichmäßig ist. Es wurden viele solche Materialien für ähnliche Abnutzungs-Anwendungen entwickelt, wie beispielsweise mechanische Dichtungen, Lager, Bremsklötze und Kettenführungen. Beispiele von geeigneten Materialien für eine solche Verwendung beinhalten mit Kohlenstoff gefüllte Teflonmaterialien (CFT), Polyimid, Polyacetal, Polybenzimidazol (PBI), Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK) und Polyethylen von ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE). Diese und andere "konstruierte Kunststoffe" können in einem reinen Zustand oder in Verbindung mit Füllmaterialien und/oder Versteifungsmaterialien wie Glas, Talk, Graphit und Molybdändisulfid verwendet werden, um ihre mechanischen und Abrieb-Eigenschaften an eine bestimmte Anwendung anzupassen.
Als Alternative zur Herstellung des Zentrierrings aus einem abreibbaren Material oder Beschichten seines Innenrandes mit demselben könnte der Zentrierring einen In nenrand aufweisen, welcher wegbricht, wenn er in Kontakt mit einem schnell rotierenden Schaft kommt. Ein solcher Zentrierring ist in Fig. 13 gezeigt. Wie gezeigt ist, hat der Zentrierring 44 einen Innenumfang 52, welcher eine Mehrzahl von radialen Schnitten 45 aufweist. Die Schnitte 45 definieren eine Mehrzahl von Fingern 46, wobei jeder Finger einen Innenrand 54 an dem Innenumfang 52 zum Eingriff mit dem rotierenden Schaft hat. Der resultierende unterbrochene Innenumfang 52 des Zentrierrings 44 reicht immer noch für die Zentrierfunktion aus. Die radialen Finger 46 können nach der Zentrierfunktion abbrechen, wenn sie in Kontakt mit einem rotierenden Schaft gelangen. Die Finger können insbesondere so ausgebildet und geformt sein, daß sie an vorbestimmten Stellen Sollbruchstellen bilden, welche Punkte bewirken, daß die Finger auf vorbestimmte Weise abbrechen und in eine vorbestimmte Richtung fallen (damit sie nicht mit Maschinenteilen oder den Augen einer Person in Kontakt kommen).
Ein solcher nicht entfernbarer Zentrierring kann bei bestimmten Anwendungen, welche ein Unter-Druck-Setzen der Ferrofluid-Dichtung beinhalten, eine zusätzliche Funktion erfüllen. Insbesondere, wenn eine Ferrofluid-Dichtung unter Überdruck gesetzt wird, kurzzeitig oder anders, kann etwas des in den Dichtungsspalten gefangenen Ferrofluids aus den Spalten heraus gelangen. Das heißt, die Dichtungen "bersten", wie oben beschrieben wurde. Ein solcher Verlust von Ferrofluid hat normalerweise zur Folge, daß die Dichtung eine verringerte Druckkapazität hat. Wenn eine Anzahl an Überdruckzyklen erfahren wurde, kann die Dichtung ihre gesamte Wirkung als Dichtung aufgrund des Verlusts einer wesentlichen Ferrofluidmenge verlieren. Wenn jedoch das aus den Dichtungsspalten während eines Überdrucks heraus verlagerte Ferrofluid nahe den Dichtungsspalten gehalten wird, kann es durch die Kraft der Magnetanziehung zurück in die Dichtung gezogen werden. Deshalb kann eine Einrichtung zum physikalischen Halten oder Bewahren von verlagertem Ferrofluid nahe der Dichtungsspalte während eines Überdrucks die Kapazität der Dichtung, sich nach einem Überdruck zu erholen, verstärken, wodurch es möglich wird, daß die Dichtung wiederholt einem Überdruck ausgesetzt wird, ohne daß sie versagt. Ein nicht entfernbarer Zentrierring des Abriebtyps kann als die effektivste Einrichtung zum Zurückhalten von Ferrofluid dienen, indem er als eine physikalische Barriere wirkt, um verlagertes Ferrofluid nahe den Dichtungsspalten während des Unter- Druck-Setzens zu halten.
Alternativ dazu kann eine Vorrichtung zum Zurückhalten von Ferrofluid, welche speziell zum Ausführen dieser Zurückhaltefunktion ausgebildet ist, verwendet werden, welche z. B. einen Materialblock mit einem Innenumfang nahe des Umfangs des Schafts, und eine Einrichtung zum Montieren der Zurückhaltevorrichtung nahe dem Polschuh aufweist, so daß Ferrofluid, welches aus der Dichtung während des Berstens austritt, an einer Stelle nahe des Polschuhs gehalten wird, so daß das ausgetretene Ferrofluid zurück in den aktiven Abschnitt der Dichtung durch das Magnetfeld gezogen wird.
Der Zentrierring der vorliegenden Erfindung ist sehr nützlich beim Ausführen der Zentrierfunktion. Er ermöglicht, daß zwischen einer Innenfläche eines Polschuhs, Polschuhen, Magnet oder Magneten oder anderen Komponenten einer Ferrofluid- Dichtungsvorrichtung und einer Außenfläche eines Schafts ein kleiner im wesentlichen im Umfang gleichmäßiger Spalt erzeugt wird.
Eine Ferrofluid-Dichtung mit einem Zentrierring gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders nützlich, wenn die Dichtung in bereits existierenden Ausrüstungen installiert werden soll. Dies ist insbesondere der Fall, wenn eine Ferrofluid-Dichtung einer Vorrichtung hinzugefügt wird, welche ursprünglich nicht für eine solche Ferrofluid-Dichtung vorgesehen war. Ein Beispiel hierfür beinhaltet eine Zentrifugalpumpe, welche ursprünglich nicht für eine solche Dichtung vorgesehen war, danach jedoch mit einer Ferrofluid- Dichtung versehen wird, um ein Lecken zu eliminieren. Ein weiteres häufiges Szenarium stellt sich, wenn eine Ferrofluid-Dichtung installiert wird, um eine existierende Dichtung zu ersetzen (um die hermetische Abdichtung zu verbessern) oder in Reihe mit einer anderen Dichtung installiert wird, welche leicht leckt. Ein Beispiel für diese letztgenannte Doppeldichtung beinhaltet ein Roboter-Betätigungsorgan, welches zur Verwendung bei der Verarbeitung von Halbleiter-Wafern in ultrareinem Vakuum ausgebildet ist. Bei einer solchen bereits existierenden Ausrüstung kann eine Ferrofluid-Dichtung, welche einen Zentrierring der vorliegenden Erfindung beinhaltet, an einem rotierenden Schaft montiert und automatisch zentriert werden. Der Zentrierring der vorliegenden Erfindung bietet zusätzlich eine einfache Installation.
Dem Fachmann ist klar, daß alle hier genannten Parameter beispielhaft sind und tatsächliche Parameter von der speziellen Anwendung abhängen, für welche die Dichtung verwendet wird. Es ist deshalb selbstverständlich, daß die vorgenannten Ausführungsformen nur beispielhaft gegeben sind und daß die Erfindung auf andere Weise als speziell hier beschrieben im Rahmen der beiliegenden Ansprüche angewandt werden kann.

Claims

1. Ferrofluid-Dichtung (10) zum Bilden einer Abdichtung zwischen einem Gehäuse (28) und dem Umfang (37) eines Schafts (12), wobei die Ferrofluid-Dichtung einen Magnet (18), einen Polschuh (14), welcher den Schaft (12) umgibt und sich in Richtung auf den Umfang (37) des Schafts zu erstreckt, um einen Spalt (G) zwischen dem Polschuh (14) und dem Schaftumfang (37) zu bilden, Ferrofluid (20), welches den Spalt (G) füllt, und einen Mechanismus (100) zum Befestigen des Polschuhs (14) an dem Gehäuse (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (10) einen Zentrierring (26) mit einem Innenumfang (31), welcher in Kontakt mit dem Schaftumfang (37) steht, um den Schaft im wesentlichen in dem Polschuh zu zentrieren, und einen Befestigungsmechanismus (100) zum Befestigen des Zentrierrings (26) an dem Polschuh (14) aufweist, so daß, wenn der Zentrierring (26) an dem Polschuh (14) befestigt ist, der Spalt (G) um den Schaft (12) herum im wesentlichen gleichförmig ist und der Polschuh (14) an dem Gehäuse (28) befestigt werden kann, wobei der Zentrierring oder zumindest der Teil von diesem, welcher in Kontakt mit dem Schaft ist, so strukturiert ist, daß er nach dem Zentrieren des Schaftes von diesem getrennt werden kann.

2. Ferrofluid-Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang (31) des Zentrierrings kreisförmig und der Schaftumfang (37) kreisförmig und konzentrisch mit dem Innenumfang (31) des Zentrierrings ist.

3. Ferrofluid-Dichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang (31) des Zentrierrings aus abriebfähigem Material (45) besteht.

4. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang (31) des Zentrierrings aus einer Mehrzahl von Fingern (46) besteht, welche sich in Richtung auf den Schaftumfang (37) zu erstrecken und eine solche Form und Anordnung haben, daß die Finger (46) von dem Körper (44) des Zentrierrings abbrechen, wenn sich der Schaftumfang (37) bewegt.

5. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (26) permanent an dem Polschuh (14) befestigt ist.

6. Ferrofluid-Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (26) lösbar an dem Polschuh (14) befestigt ist.

7. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsmechanismus (100) eine Vorrichtung (42) zum Einstellen der Position des Zentrierrings (26) relativ zu dem Polschuh (14) aufweist.

8. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsmechanismus (100) ein Befestigungsmittel (42) mit Gewinde aufweist, welches durch den Zentrierring (26) hindurchgeht und in den Polschuh (14) eingedreht werden kann.

9. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh (40) eine Schulter (42) aufweist, die eine Aussparung (51) definiert, welche den Zentrierring (26) aufnimmt.

10. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsmechanismus (100) eine Aussparung (33) aufweist, welche den Zentrierring (26) aufnimmt.

11. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (32) aus zwei Teilen (34, 36) besteht, welche um den Schaftumfang (37) herum angeordnet werden können und zusammen den Zentrierring (32) bilden.

12. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang (31) des Zentrierrings genutet (58) ist und der Zentrierring (62) eine Schnur (56), welche in die Nut (58) paßt und mit dem Schaftumfang (37) in Kontakt ist, und einen Griff (68) aufweist, welcher mit der Schnur (56) verbunden ist, um die Schnur (56) zu entfernen, nachdem der Polschuh (14) an dem Gehäuse (28) befestigt ist.

13. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (70) eine Schulter (72) aufweist, die sich radial nach innen erstreckt und der Zentrierring (74) eine Aussparung aufweist, welche die Schulter (72) aufnimmt.

14. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsmechanismus (84) eine Lippe (88) aufweist, welche sich axial entlang dem Schaftumfang (37) erstreckt, wobei der Zentrierring (92) eine Nut (93) aufweist, welche die Lippe (88) aufnimmt, und die Lippe (88) abbricht, wenn der Zentrierring (92) von dem Befestigungsmechanismus (84) entfernt wird.

15. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (26) an dem Polschuh (14) so befestigt ist, daß der größte Teil des Ferrofluids (20), welches von der Dichtung (10) weg gedrängt wird, zwischen dem Polschuh (14) und dem Zentrierring (26) gefangen wird.

16. Ferrofluid-Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung dergestalt ist, daß nach Installation der Dichtung kein Kontakt mehr zwischen dem Zentrierring und dem Schaft besteht.