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Diese Erfindung betrifft eine Abdichtungsvorrichtung
mit einem magnetischen Fluid, zum Abdichten relativ bewegbarer Oberflächen von
rotierenden Wellen, Hülsen
und dergleichen, um eine Druckdifferenz über Abdichtungen aufrechtzuerhalten
oder ein Auslaufen eines Schmiermittels oder von Teilchen entlang
der Oberflächen
zu verhindern.
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Bei sich relativ bewegenden Oberflächen, die
geschmiert sein können,
ist es manchmal notwendig, Abdichtungen dazwischen zu setzen, um
ein Auslaufen eines Schmiermittels oder von Teilchen oder Gas zu
verhindern, oder um einen Druckdifferenz über die Abdichtungen aufrecht
zu erhalten, wo eine der Oberflächen,
wie eine rotierende Welle, aus einer Umgebung mit einem ersten Druck
in eine zweite Umgebung mit einem anderen Druck geht.
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Es wurde vorgeschlagen, dass ein
magnetisches Fluid als dynamische Abdichtung in der Lücke zwischen
relativ bewegbaren Oberflächen
eingesetzt wird. Das magnetische Fluid umfasst (1) ein Trägerfluid
wie Wasser, einen Kohlenwasserstoff oder einen Fluorkohlenstoff,
(2) einen oberflächenaktiven
Stoff, wie eine Fettsäure,
und (3) ferromagnetische Teilchen wie Eisenoxid oder Ferrit, die
im Träger
dispergiert sind. Das Fluid wird in der Lücke durch einen magnetischen
Fluss festgehalten, der von einem oder mehreren Permanentmagneten
erzeugt wird, die durch Polschuhe getrennt sind. Da sich bei einer solchen
Abdichtung mit einem magnetischen Fluid, wo die relativ bewegbaren
Oberflächen
einander nicht direkt berühren,
sind sie kaum einem Verschleiß unterworfen,
wodurch die Lebensdauer der Abdichtung im Vergleich zu jenen von
mechanischen Abdichtungen bemerkenswert ausgedehnt ist. Außerdem stellt
sie eine positive Abdichtung bereit. Daher wird die Abdichtung mit
einem magnetischen Fluid oft bei einer Einrichtung eingesetzt, die
in einer Hochvakuumumgebung, wie einem Röntgenröhrengerät, verwendet werden.
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Abdichtungsvorrichtungen mit einem
magnetischen Fluid dieses Typs sind in US-Patent 4,605,233 offenbart,
das in seiner Gesamtheit hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Einige der Hauptnachteile des Standes
der Technik sind:
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- 1. Die Notwendigkeit einer statischen O-Ring-Abdichtung
zwischen dem Gehäuse
und der dynamisch rotierenden Abdichtung, die von den Magneten und dem
Fluid bereitgestellt wird. Gummi- oder andere organische O-Ringe
sind bei Ultrahochvakuumanwendungen anfällig für Ausgasen. Eine typische Lösung dieses
Problems ist die Verwendung von Metall-O-Ringen; aber diese sind
schwierig zu montieren.
- 2. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, nimmt das Ausgasen
von Materialien, die in den Abdichtungen verwendet werden, zu und
die statischen Abdichtungsmaterialien können verschlechtert oder sogar abgebaut
werden. Eine typische Lösung
dieses Problems ist, die Abdichtung mit Wasser zu kühlen, was das
Bereitstellen von Kühlkanälen im Polschuh
einschließt.
Dies erhöht
die Größe und die
Kosten der Abdichtung sowie die Komplexität.
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Eine Abdichtungsvorrichtung mit einem
magnetischen Fluid gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist zum Beispiel in US-A-4 995 622
offenbart.
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Die vorliegende Erfindung ist wie
in den Ansprüchen
beansprucht.
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Erfindungsgemäß wird eine Abdichtungsvorrichtung
mit einem magnetischen Fluid bereitgestellt, die eine Kombination
aus Materialien und mechanischen Merkmalen verwendet, die die Wärmeleitung aus
dem System (heiße
Wand und heiße
Arbeitslast) zum temperaturempfindlichen Bereich (Magnetisches Fluid
und Bereich der magnetischen Abdichtung) der Vorrichtung minimieren.
Ausführungsformen
können
Mittel aufnehmen, um einen isothermen Betriebszustand im temperaturempfindlichen
Bereich aufzubauen, und um wirkungsvoll Wärme aus dem isothermen Bereich
an die Umgebungsatmosphäre zu
verlieren. Dies beseitigt bei vielen Anwendungen die Notwendigkeit
einer Wasserkühlung
und gestattet auch, die Betriebstemperatur des magnetischen Fluids
einfach zu überwachen,
da es sehr wenig Temperaturunterschied zwischen dem Fluidbereich
und dem äußeren Gehäuse der
Abdichtung gibt.
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Die Abdichtung enthält eine
neuartige magnetische Gestaltung, die (a) keine statischen Vakuumabdichtungen
zwischen dem Gehäuse
und den magnetischen Schaltungselementen erfordert, (b) das Ausgasen
aus O-Ringen, Magneten
oder anderen Dichtungsmaterialien beseitigt, (c) die Menge an magnetischem
Fluid, das dem Vakuumsystem ausgesetzt ist, minimiert und (d) mehrere
magnetische Fallen bereitstellt, um das Eindringen von magnetischem
Fluid aus dem Abdichtungsbereich in die Niederdruckseite zu verhindern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird eine Abdichtungsvorrichtung mit einem magnetischen
Fluid bereitgestellt, die ein Gehäuse umfasst, das zwischen der
Niederdruckumgebung und der Hochdruckumgebung angeordnet ist. Eine
sich axial erstreckende, drehbare Welle ist im Gehäuse angebracht
und eine Abdichtung mit einem magnetischen Fluid umschließt die Welle.
Die Fluidabdichtung besteht aus einem Polschuh und Magneten, die
die Welle radial umgeben, wobei sie eine Lücke dazwischen lassen, die
mit magnetischem Fluid gefüllt
ist. Des weiteren ist neben der Seite des Gehäuses, die der Niederdruckumgebung
am nächsten liegt,
ein Flansch bereitgestellt. Der Flansch wird verwendet, um die Vorrichtung
an einer Einrichtung anzubringen, die der Niederdruckumgebung ausgesetzt ist.
Zwischen dem Flansch und der Abdichtung mit einem magnetischen Fluid
ist ein Wärmewiderstand bereitgestellt,
um die Fluidabdichtung thermisch von der Niederdruckumgebung zu
isolieren. Außerdem befindet
sich das Gehäuse
mit dem Polschuh in thermischem Kontakt, um eine Kühlsenke
für den
Wärmeaustausch
vom Polschuh zur Umgebungsatmosphäre zu bilden. Auch ein dünner, röhrenförmiger Wandabschnitt
des Polschuhs erstreckt sich vom Gehäuse zum Flansch, um den oben
genannten Wärmewiderstand
zwischen dem Flansch und der Abdichtung mit einem magnetischen Fluid
zu bilden, um den Polschuh thermisch von der Niederdruckumgebung
zu isolieren. Der Polschuh weist ebenfalls einen radial zwischen
der Welle und den Magneten angeordneten dünnen Wandabschnitt auf, der
ausreichend stark ist, um die Druckdifferenz zwischen der Niederdruckatmosphäre und der
Hochdruckatmosphäre
auszuhalten, aber ausreichend dünn,
um durch die Magnete magnetisch gesättigt zu werden, wodurch eine
bessere magnetische Abdichtung zwischen der Welle und den Magneten
bereitgestellt wird.
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Die Art, Zweckmäßigkeit und weitere Merkmale
der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Bezug
auf eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Längs-Teilschnitt
einer Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß dieser
Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte, ausführliche Schnittansicht
des Abschnitts der magnetischen Dichtung der Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Unter Bezugnahme zuerst auf 1 ist eine magnetische Abdichtungsvorrichtung 10 gemäß dieser
Erfindung in einem im Allgemeinen zylindrischen Gehäuse untergebracht,
das ein Aluminiumgehäuse 12 und
eine Aluminiumendkappe 34 umfasst. Eine drehbare Welle 16 ist
durch eine zentrale Öffnung
in der Endkappe 34 hindurch eingefügt. Das linke Ende der Welle 16 erstreckt
sich durch eine Öffnung
im Flansch 20, der dafür
ausgelegt ist, die Vorrichtung 10 in einer Vakuumumgebung
bei erhöhten
Temperaturen anzubringen. Ihr rechtes Ende, wie in 1 gesehen, ist dafür ausgelegt, in einer normalen
atmosphärischen
Umgebung bei Umgebungstemperaturen angeordnet zu sein. Es ist zu
bemerken, dass nur die obere Hälfte
in 1 im einzelnen gezeigt
ist, da die Vorrichtung radial symmetrisch ist. Ein einzelnes Kreuzrollenlager 32,
das durch eine Aluminiumlagermutter 36 befestigt ist, hält die Welle 16 drehbar
und stellt einen großen
Widerstand gegen Kraftmomente bereit, die zu einer Schrägstellung
der Welle 16 führen
würden.
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Im Gehäuse sind wenigstens ein Paar
Permanentmagnete 24 und 26, die durch einen ringförmigen Polschuh 30 getrennt
sind, ein axialer Richtung abwechselnd in Reine angeordnet.
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Der Polschuh 30 besteht
aus magnetischem, rostfreiem Stahl. An seinem Außendurchmesser beinhaltet der
Polschuh zwei Nuten, die tief genug sind, um die Magneten 24 und 26 vollständig zu
enthalten, wobei der magnetische Fluss von den Magneten wirksam
eingefangen wird. Ein unitärer
Polschuh mit segmentierten oder knopfförmigen Magneten 24 und 26,
die in die Nuten eingefügt
sind, ist der bevorzugte Aufbau, aber es ist auch möglich, einen
zusammengesetzten Polschuh (zentrale Röhre mit darauf geschobenen äußeren Ringen)
und vollständige
Ringmagnete zu verwenden. Der unitäre Aufbau ist bevorzugt, weil
die Herstellungskosten geringer sind, da (a) nur ein einziges maschinell
bearbeitetes Teil erforderlich ist und (2) ein einzelnes standardisiertes
Magnetbauteil (Knopf oder Segment) in vielen verschiedenen magnetischen
Anordnungen verwendet werden kann.
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Der Polschuh 30 beinhaltet
einen ersten zylindrischen Hohlraum 30A ("Abdichtungshohlraum") mit einem Durchmesser,
der etwas größer als
der Außendurchmesser
der Welle 16 ist, und einen zweiten Hohlraum ("Lagermontagehohlraum") 30B. Diese Hohlräume sind
koaxial, wodurch die Gesamtausrichtung der Welle 16, des
Lagerbereichs 30B und des Abdichtungsbereichs 30A aufgebaut
wird.
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Die Magnete 24 und 26 sind
so angeordnet, dass die Polarität
der Magnete auf entgegengesetzten Seiten des Polschuhs 30 in
Bezug auf den Polschuhs symmetrisch ist, d. h. die Polarität der entgegengesetzten
Oberflächen
der beiden benachbarten Magneten die gleiche wie die jeweils andere
ist.
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Einige der neuartigen Merkmale der
Ausführungsform
von 1 schließen unter
anderem die folgenden ein:
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- 1. Minimieren der Wärmeleitung
zwischen dem Flansch 20 am Niederdruckende zum magnetischen Abdichtungsabschnitt 14 hin.
Zu diesem Zweck ist der Polschuh 30 mit einer dünnwandigen,
röhrenförmigen Verlängerung 30C ausgestattet,
die die Welle 16 koaxial in einem Abschnitt 16B der
Welle 16 umgibt, der sich vom Polschuh 30 bis
zum Montageflansch 20 erstreckt.
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Magnetischer, rostfreier Stahl ist
das bevorzugte Material für
die Außenwand 11 des
Wellenabschnitts 16B, weil er die Kombination erwünschter
Eigenschaften, nämlich
Sauberkeit und Vakuumkompatibilität, ferromagnetische Permeabilität und relativ geringe
Wärmeleitfähigkeit
bereitstellt.
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In einer röhrenförmigen Längsöffnung, die in diesem Bereich 16B der
Welle bereitgestellt ist, kann eine Wärmeisolierung bereitgestellt
sein. Auf diese Weise werden zwei Wärmewiderstände zwischen der normalerweise
heißen
Flansch 20 und dem heißen Wellenende 16C,
das der Niederdruck- oder Vakuumumgebung ausgesetzt ist, und dem
magnetischen Abdichtungsabschnitt 14, gebildet, um einen
Wärmestrom
in diese Richtung zu minimieren.
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- 2. Maximieren der Fähigkeit
der Vorrichtung, Wärme aus
dem Gehäuse 12 und 34 und
dem Atmosphärenende
der Welle 16 mit der Umgebungsatmosphäre auszutauschen (Wärmeabgabe
(heat sinking) an die Umgebung).
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Die Hauptwärmesenken sind das Aluminiumgehäuse 12 und
die Endkappe 34. Diese stellen eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch durch Leitung
an die Umgebungsatmosphäre
bereit. Ein sekundäre
Wärmesenke
wird durch die Verwendung eines Wellenabschnitts 16A aus
Kohlenstoffstahl am Atmosphärenende
bereitgestellt. Obwohl Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann es normalerweise
nicht als Wellenmaterial verwendet werden, weil es zu weich und
zu schwach ist. Kohlenstoffstahl ist gegenüber rostfreiem Stahl bevorzugt,
da er die dreifache Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Auch die Aluminiumlagermutter 36 besitzt eine große Oberfläche, wodurch
der Wärmetransport
von der Welle aus Kohlenstoffstahl. in des Innere der Aluminiumendkappenwärmesenke
maximiert wird.
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- 3. Bereitstellen von Wegen mit hoher, Wärmeleitfähigkeit (Wärmesenken), um zu ermöglichen,
dass jegliche Wärme,
die fähig
ist, durch den thermischen Widerstand hindurch zu gehen, den wärmeempfindlichen
magnetischen Abdichtungsabschnitt umgeht.
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Es sind zwei thermische Shunts bereitgestellt.
Zuerst umhüllt
das Aluminiumgehäuse 12 das linke
Ende des Abschnitts mit großen
Durchmesser des magnetischen Abdichtungsabschnitts. Wärme, die
aus dem dünnwandigen
Abschnitt 30C des Polschuhs strömt, muss durch einen Übergangsbereich 17 radial
nach außen
strömen,
bevor sie wieder axial zum magnetischen Abdichtungsabschnitt hin
strömen
kann. Der Umhüllungsabschnitt
des Aluminiumgehäuses 12 stellt
einen thermischen Shunt von diesem Übergangsbereich 17 zur
Hauptwärmesenke bereit.
Zweitens ist die Welle im Bereich 16D mit einem Aluminiumkern 38 versehen,
der als thermischer Shunt vom dünnwandigen
Bereich 16B der Welle zur sekundären Wärmesenke 16A wirkt.
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Diese Kombination aus Wärmewiderständen, Shunts
und Wärmesenken
führt zu
einem System, in dem (a) der Wärmetransport
vom Flansch 20 und der Welle 16 zur Abdichtung 14 und
zum Lagerbereich 32 minimiert wird, und (b) Temperaturgradienten
in der Abdichtung und im Lagerbereich ebenfalls minimiert werden.
Um diese Erwartungen zu bestätigen,
wurden Temperaturmessungen an einer Zahl von Punkten in der Testeinheit
vorgenommen, die gemäß dieser
Ausführungsform
gebaut war. Während
der Flansch und die Welle auf 165°C
und die Umgebungstemperatur auf 30°C gehalten wurden, wurden an
fünf verschiedenen
Stellen im Abdichtungs- und Lagerbereich Temperaturen im Bereich
von 45°C
bis 50°C
beobachtet. 40°C
wurden am Atmosphärenende
der Welle beobachtet.
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Ein weiteres neuartiges Merkmal dieser
Ausführungsform
schließt
die Verwendung eines Kreuzrollenlagers ein. Ein Anordnen des Lagers 32 auf
der Atmosphärenseite
der Abdichtung erfordert, dass das Lager eine hohe Steifigkeit besitzt;
es darf der Welle 16 nicht gestatten, sich unter radialer
Belastung sehr stark schräg
zu stellen, weil sich der Abschnitt der Welle im Abdichtungsbereich
beträchtlich aus
der Mitte bewegen kann, wodurch die dynamische Abdichtung geschwächt wird.
Lager mit großem radialem
und axialem Spiel (z. B. radiale Kugellager) müssen zugunsten vorbelasteter
Lager (z. B. Schrägduplexlagern)
vermieden werden. Um eine hohe Steifigkeit in herkömmlichen,
vorbelasteten Lagersätzen
zu erreichen, ist es jedoch notwendig, die Lager mittels Abstandhaltern
mit passender Länge axial
zu verteilen. Dies erhöht
die Gesamtlänge
der Durchführung,
die im gesamten Vakuumsystem mehr Raum einnimmt. Das in diesem Aufbau
bevorzugte Lager ist ein Kreuzkugellager des von THK Corporation,
Tokio, Japan hergestellten Typs, der eine sehr hohe Steifigkeit
auf einem äußerst kurzen
axialen Raum bietet. Weil das Lager im Bereich mit niedrigeren Temperaturgradienten
enthalten ist, steigt die Lagertemperatur nicht über sichere Grenzen hinaus
an. Dieselben thermischen Verbesserungen, die den Fluidabdichtungsbereich
schützen,
schützen
auch das Lager und seine Schmiermittel.
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Noch ein weiteres neuartiges Merkmal
der bevorzugten Ausführungsform
wird nun in Verbindung mit 2 beschrieben.
Dieses Merkmal bezieht sich auf die magnetische Abdichtung, die
tatsächliche
Lecks und die Möglichkeit,
dass Magnete und weitere statische Abdichtungsmaterialien dem Vakuum
ausgesetzt werden, beseitigt. Die zentrale Idee ist, dass der Polschuh 30 und
die Wand 30A der Vakuumumhüllung vereinigt sind, d. h.
sie sind beide aus demselben Stück
magnetischen, rostfreien Stahls ausgebildet und stellen beide Funktionen
bereit.
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In 2 sind
die "dünnwandigen
Abschnitte 42 des Polschuhs" die Bereiche, die am kritischsten für das Verständnis sind,
wie diese Idee funktioniert. Wenn ein unitärer Polschuhaufbau verwendet
wird, sind diese Abschnitte als ein integraler Teil des Polschuhs
ausgebildet. Die die Magnete haltenden Nuten 44 werden
bis zu einer Tiefe bearbeitet, die eine Wanddicke von 0,4 mm vom
Boden der Magnetnut bis zum Inneren des Abdichtungshohlraums zurücklässt. Die
Nutenbreite (Länge
des dünnwandigen
Abschnitts) ist entsprechend den benutzten Magneten festgesetzt,
z. B. 2,1 bis 2,2 mm für
2,0 mm-Magneten.
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Wenn ein zusammengesetzter Aufbau
verwendet wird, ist ein langer, röhrenförmiger Abschnitt mit einer
Wanddicke von 0,4 mm erforderlich, und es würden magnetische, rostfreie
Ringe über
diese Röhre
geschoben, um den Polschuh zu vervollständigen.
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Diese dünnen Wände 42 sind stark
genug, um die Druckdifferenz über
die Vorrichtung, d. h. zwischen Atmosphäre und Vakuum, auszuhalten,
während
sie dünn
genug sind, um von den zwei Ringmagneten 24 und 26 magnetisch
gesättigt
zu werden. Wenn eine sehr hohe Sättigung
der Wände 42 erreicht
wird, dann reicht die verbleibende magnetische Energie aus, um ausreichend
hohe Flussniveaus zu erzeugen, um die Lücken 50 abzudichten.
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Im Stand der Technik waren solche
Wände nicht
vorhanden, die so sicherstellen, dass magnetische Shunts das Feld
in der ringförmigen
Lücke zwischen
Polschuh und Welle nicht schwächen
würden. Stattdessen
wurde die maximale magnetische Energie für die Abdichtungslücken durch
Beseitigen jeglicher magnetischer Shunts verfügbar gemacht. Dies erfordert
jedoch, dass O-Ringe, Epoxys oder andere statische Abdichtungsmittel
bereitgestellt werden, um das Eintreten von atmosphärischen
Gasen um den Magnetstrukturbereich herum und durch in hindurch und
in das Vakuumsystem zu verhindern. Die Verwendung von dünnen Shuntwänden in
dieser Ausführung
beseitigt die Notwendigkeit für
alle statischen Abdichtungsmittel, zusammen mit den tatsächlichen
Lecks, die natürlich
solche Anordnungen begleiten. Es vergrößert jedoch auch die Möglichkeit, dass
die magnetische Energie in den Abdichtungslücken 50 bis zu dem
Punkt verringert würde
(wegen des Umgehungseffekts), an dem die Abdichtung nicht mehr funktionieren
würde.
Es stellte sich jedoch im Gegenteil heraus, dass, wenn sehr hochenergetische
Ringmagnete verwendet werden (z. B. SmCo oder NdBFe), dann die Gesamtmenge
an magnetischer Energie im System das weit übersteigt, was erforderlich
ist, um ein starkes Feld in den Abdichtungslücken zu erzeugen, und etwas
Energieverlust in einem magnetischen Shunt toleriert werden kann.
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Es wurde eine Computersimulation
des Magnetsystems verwendet, um eine Kombination von Gestaltungsparametern
zu finden, die gestatten würde,
dass eine Shuntwand verwendet würde,
während immer
noch hohe Magnetfelder in den Abdichtungslücken bereitgestellt werden.
Es wurde ein Bereich von Gestaltungsparametern gefunden, über den
es möglich
war, bequem große
Magnetfelder (5 bis 8 Kilogauß)
in den Abdichtungslücken
zu erreichen, während
immer noch die Wanddicke des Shunts groß genug gehalten wurde, um
die erforderliche Stärke
und Vakuumintegrität
bereitzustellen. Genauer sind die folgenden Parameter und Bereiche
bevorzugt:
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- 1) Die verwendeten Magneten 24 und 26 waren
Magnete aus seltenen Erden (z. B. SmCo oder NdHFe) mit einem Energieprodukt
von 18 MGO oder mehr, die in Form von Knöpfen mit einem Durchmesser
von 9,0 mm × 2,0
mm Dicke ausgebildet sind.
- 2. Das empfohlene Polschuhmaterial ist magnetischer, rostfreier
Stahl, z. B. 17-4PH, oder jeder rostfreie Stahl der 400-Serie.
- 3. Die Zahl der Wellennuten 44 sollte mindestens 4 und
vorzugsweise 8 bis 15 betragen. Nutentiefen von 0,5 mm und -breiten
von 0,5 mm mit einem Abstand von 0,5 mm zwischen den Nuten sind
bevorzugt. Die Nutentiefe sollte wenigstens das Vierfache der radialen
Lücke zwischen
Welle und Polschuh betragen.
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In einem besonderen Fall konnte zum
Beispiel eine Magnetfeldstärke
von 5 bis 8 Kilogauß in den
Abdichtungslücken 44 mit
etwa 16 Kilogauß in der
Shuntwand erreicht werden, die dick genug war, um mechanisch stark
und stabil zu sein, d. h. etwa 0,4 mm dick und 2,1 mm lang.
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Im Prinzip könnte das Konzept der Shuntwand
unter Verwendung eines einzelnen Ringmagneten implementiert werden,
aber es können
viel bessere Ergebnisse erreicht werden, indem zwei Ringmagnete 24 und 26 mit
entgegengesetzten magnetischen Polaritäten verwendet werden, wie durch die
großen
Pfeile in 2 gezeigt.
Diese Konfiguration mit entgegengesetzten Feldern stellt sehr hohe Lückenfelder
im "primären Abdichtungsbereich" zwischen den Magneten
und etwas verringerten Felder im "sekundären Abdichtungsbereich 46'' und im "Fluidfallenbereich 48'' bereit. Die Konfiguration mit
entgegengesetzten Feldern minimiert auch Magnetfelder außerhalb
der Vorrichtung 10 und stellt einen maximalen Widerstand
gegen eine Schwächung
der Abdichtungslückenfelder
durch extern auferlegte Magnetfelder bereit. Es kann eine größere Anzahl
von Ringmagneten verwendet werden, aber zwei ist eine ausreichende
Anzahl, wenn die Energie in jedem hoch genug ist.
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Wenn die Vorrichtung montiert ist
und die Endkappe 34 mit dem Gehäuse 12 durch ein Epoxy oder
einen anderen Kleber, der an der Grenzfläche 19 aufgetragen
wurde, verbunden ist, wird eine abgemessene Menge Fluid (nicht gezeigt)
(ausreichend, um eine begrenzte Anzahl von Abdichtungslücken 50 zu
füllen)
auf der Welle im "sekundären Abdichtungsbereich" 46 angeordnet,
und wird die Welle in den Polschuh eingefügt. Wenn der mit Fluid benetzte
Abschnitt in den Polschuh eintritt, breitet sich das Fluid gleichmäßig um die
Welle 16 herum aus, wobei es die Lücken füllt und isolierte Blasen eingeschlossener
Luft in den Abdichtungslücken
oder Nuten 50 der Welle bildet. Es wird eine Druckdifferenz über die
Anordnung angelegt (Vakuumpumpe am mit Flansch versehenen Ende)
und etwas Fluid weiter in den "primären Abdichtungsbereich" 28 gezogen.
Es wurde ermittelt, dass nur einige wenige (z. B. vier) Stufen erforderlich
sind, um die volle Druckdifferenz (1 Atmosphäre) auszuhalten, vorausgesetzt
die Magnetfeldstärke
ist im "primären Abdichtungsbereich" hoch genug. Die
Abdichtungslücken 44 im "sekundären Abdichtungsbereich" stellen auch einen
gewissen Grad an Abdichtung bereit, obwohl diese Stufen schwächer sein
werden als im "primären Abdichtungsbereich", weil die Feldstärke in diesen
Lücken
geringer ist.
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Einige Lücken auf der linken Seite des "primären Abdichtungsbereichs" werden im normalem Betrieb
vielleicht nie mit Fluid gefüllt.
Am ganz linken Ende des magnetischen Abdichtungsabschnitts bleibt
der "Fluidfallenbereich" bei normalem Betrieb ebenfalls
trocken. Unter bestimmten Bedingungen, wie häufigem, wiederholtem und schnellem
zyklischen Durchlaufen des Vakuumsystemdrucks von Atmosphärendruck
zu Vakuum und wieder zurück,
ist es möglich,
das kleine Mengen Fluid aus den Abdichtungslücken in die trockenen Lücken transportiert werden.
In solchen Fällen
dienen alle ursprünglich trockenen
Lücken
als Fallen, um jegliche winzigen Mengen Fluid in der Abdichtung
zu halten, wodurch eine Migration von Fluid aus der Abdichtung in
die Vakuumkammer verhindert wird.
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Rostfreier Stahl ist gewöhnlich wegen
der Sauberkeit und Vakuumkompatibilität als das Material für den Polschuh 30 und
das Vakuumende der Welle bevorzugt. Weil diese Teile auch ferromagnetisch
sein müssen,
damit die Vorrichtung funktioniert, sind nur bestimmte rostfreie
Stahllegierungen verwendbar. Das bevorzugte Material ist die 17-4PH-Legierung, auch bekannt
als Legierung 630. Rostfreie Stahllegierungen der sogenannten 400-Serie
können ebenfalls
verwendet werden und können
in manchen Fällen
bevorzugt sein, wie wenn eine sehr hohe Härte bei der Welle gewünscht wird.
Andere magnetische Legierungen als rostfreier Stahl könnten verwendet
werden, sind aber normalerweise wegen ihrer Inkompatibilität mit der
Hochvakuumumgebung oder anderen Prozessumgebungen (z. B. korrodierenden
Gasen) nicht erwünscht.
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Das Atmosphärenende der Welle kann aus jedem
Material bestehen, das genug Stärke
für die geplante
Anwendung aufweist, und das eine beträchtlich höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt, als das Vakuumende
der Welle.
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Das Gehäuse 12 und die Endkappe 34 können aus
jedem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, verglichen
mit rostfreiem Stahl, bestehen. Zum Beispiel könnten Kupfer oder Silber verwendet
werden, aber diese sind verglichen mit Aluminium sehr teuer.
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Während
ein Flansch als das bevorzugte Mittel zur Anbringung der Vorrichtung
an einer Halterung dargestellt ist, kann an Stelle dessen jeder
wohlbekannte Mechanismus oder Verfahren, wie Schweißen oder
Schrauben, verwendet werden. Es ist auch zu bemerken, dass die Abdichtungslücken 44 alternativ
im Polschuh anstatt in der Welle 16 für Kunden bereitgestellt sein
können,
die eine glatte Standardwelle bevorzugen.
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Nachdem somit einige besondere Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurden, werden Fachleuten auf dem Gebiet
ohne weiteres verschiedene Veränderungen,
Modifikationen und Verbesserungen einfallen. Solche Veränderungen, Modifikationen
und Verbesserungen, wie sie durch diese Offenbarung offensichtlich
gemacht werden, sollen Teil dieser Beschreibung sein, obwohl sie
hierin nicht ausdrücklich
erwähnt
sind, und sollen im Umfang der Erfindung enthalten sein, die wie
mit den Ansprüchen
beansprucht ist. Folglich dient die vorhergehende Beschreibung nur
als Beispiel und ist nicht einschränkend.