NO337047B1 - Oscillerende anordning med tetning smurt av ferrofluid - Google Patents

Description

Oscillerende anordning med ferrofluid-smurt tetning

Foreliggende oppfinnelse vedrører en oscillerende anordning, og mer spesielt til en tetningsstruktur for en oscillerende anordning som angitt i ingressen til krav 1.

Bakgrunn

Ferrofluider- er stabile suspensjoner med dispergerte enkelt-domene magnetiske nanopartikler med en størrelse på omtrent 10 nm i diameter. Bruk av ferrofluider som tetningsmidler og/ eller smøremidler har vært kjent i mange år, idet de fleste av disse er knyttet til roterende motorer og vakuumpakninger.

Bruk av ferrofluider som smøremidler i motorer hvor magneter blir benyttet for å hindre ferrofluid fra å unnslippe området av interesse, jfr. US patentsøknad 2008/011 6757 som viser en rotasjons motor.

Utfordringen med å opprettholde smøremiddel i stillingen er spesielt fremhevet for frem og tilbakegående motorer, siden frem og tilbake bevegelse av stempler kontinuerlig forsøker å drive ut oljen i begge retninger ved treghetskrefter, bort fra området av interesse. Frem og tilbakegående maskiner er mye brukt i industri så vel som i husholdningsapparater i en rekke størrelser og konfigurasjoner. Typiske eksempler på slike maskiner er interne forbrenningsmotorer, kompressorer som brukes i air condition-anlegg og lagre som brukes i tunge maskiner.

En vanlig utfordring som har vist seg vanskelig å finne en tilfredsstillende løsning på, er å sørge for tilstrekkelig smøring til den oscillerende aksel uten å miste smøremiddel til omgivelsene. Slikt tap av smøremiddel er et miljøproblem, det kan representere en helserisiko og det kan føre til motorhavari hvis nødvendig etterfylling blir glemt.

Vanlige løsninger på dette tekniske område vanligvis er avhengig av bruk av stempelringer for tetning av det trykksatte kammer og tilsette smøremidler (fett, olje) for smøring. En typisk struktur kan bli funnet i Engineer^s Haandbook of Piston Rings, Seal Rings, Mechanical Shaft Seals, The Division, 1975.

US patent nr. 4 309 040 gjelder tetningsanordninger for å hindre utslipp av et ferrofluid fra en flertrinns roterende pakning med ferrofluid om en aksel ved aksial bevegelse av akselen.

US patent nr. 4 502 700 vedrører en lineær tetningsanordning med ferrofluid for å tilveiebringe en hermetisk tetning om en aksel som inngår i en lineær bevegelse.

En tetningsanordning med ferrofluid omfattende holde- og posisjoneringsanordningfor magnetisk fluid, for å lagre eller beholde et magnetisk fluid i et tettende arrangement, hvor indre og ytre elementer blir innbyrdes rotert, er beskrevet i US patent nr.5 152 539.

US patent nr. 5 797 311 angår en stempel- / foringsanordning for en -forbrenningsmotor med oscillerende stempel som omfatter en sylinderforing og et stempel med et stempelskjørt som er aksialt bevegelig opplagret i sylinderen. Enten stempelskjørtet eller en del av sylinderforingen har en åpen pore overflatestruktur til å holde smøring "på livstid", idet smøringen eventuelt kan være et ferrofluid som holdes fanget ved hjelp av permanente magneter.

US patent nr. 5 828 795 angår en tetningsanordning til bruk i en motor, omfattende en tetningsanordning med magnetisk fluid og en oppsamlingsanordning. Tetningsanordningen tetter lageret med et magnetisk fluid for å hindre partikler og fluider fra å unnslippe lageret mens oppsamlings-anordningen samler partikler og væsker som måtte unnslippe tetningsanordningen.

US patentsøknad nr. 2009/0277733 omhandler en stempel-sylinder enhet omfattende et stempel som beveges frem og tilbake i en sylinder mens en ringformet magnet omslutter sylinderen. Magnetfeltet som magneten setter opp påvirker ferrofluidet som befinner seg mellom stempelet og sylinderen. Ved enden av stempelet befinner det seg en elastisk tetning i form av en o-ring som tetter mellom stempel og sylinder.

Blant ytterligere anordninger som omfatter stempler og ferrofluid nevnes US patent nr. 4 502700 og US patent nr. 7 129 609.

Formål

Det er således et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et forbedret system for smøring av frem og tilbakegående maskiner, ved hvilket tap av smøremiddel blir eliminert eller redusert.

Det er videre et formål å oppnå dette ved hjelp av enkle og kompakte midler, og unngå eksterne resirkuleringssløyfer for smøremidler.

Foreliggende oppfinnelse

Formålene angitt ovenfor oppfylles ved hjelp av en oscillerende anordning i henhold til den foreliggende oppfinnelse, som definert i krav 1.

Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.

Det nye smøresystem som foreslås i foreliggende oppfinnelse kan brukes i driftsmessige betingelser med høy hastighet og høyt tetningstrykk, og bruk av ferrofluider- som smøremidler kan vesentlig forbedre levetiden for O-ringen.

Funksjonen til den oscillerende anordning i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er ikke avhengig av orienteringen. Den virker med en vertikal så vel som horisontal retning av stempelet, og med hvilken som helst orientering derimellom.

Detaljert om den foreliggende oppfinnelse

Nedenfor er oppfinnelsen beskrevet i nærmere detalj ved hjelp av eksemplifiserende, ikke-begrensende utførelsesformer Figur 1 er et sideriss av en anordning som omfatter et oscillerende stempel i en sylinder i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Figur 2 er et endesnittriss av anordningen ifølge figur 1.

Figurene 3A-3C ersidesnittriss av en anordning i henhold til den foreliggende oppfinnelse, som illustrerer forskjellige stillinger og retninger av bevegelse av stempelet.

Figur 4 er et sidesnittriss som viser en noe modifisert versjon av stempelet.

Med henvisning til figur 1, er et stempel 11 festet til en aksel 12, anordnet til å bevege seg frem og tilbake inne i en sylinder 13. En ringformet magnet 14 er anordnet periferisk rundt sylinderen i nær forbindelse med den ytre overflate av sylinderveggen 15. Stempelet 11 oppviser et hovedsakelig konvekst midtparti lia med et sirkulært tverrsnitt har en omkretsgående utsparing 17 der hvor den midtre del lia er tykkest, innrettet til å motta en tettende O-ring 18 som er innrettet til å gli mot den indre overflaten til sylinderveggen 15. Stempelet (11) er typisk symmetrisk om et plan definert av utsparingen (17).

I området radialt utenfor den konvekse delen av stempelet 13, er det et åpent, ringformet hulrom 19 mellom stempelet 11 og innerflaten av sylinderveggen 15.1 dette ringformede hulrom vil typisk en mengde av smøremiddel 20 bli påført før stempelet 11 blir gitt den tilsiktede oscillerende bevegelse. Smøremidlet som anvendes er et ferrofluid som har iboende egenskaper som innebærer at fluidet har en tendens til å bevege seg mot den veggflate som grenser til den ringformede magnet. I figur 1 er det smørende ferrofluid 20 vist som dannende en pute mellom sylinderveggen 15 og O-ringen 18. Dimensjonen er ute av proporsjon, men illustrerer det faktum at de magnetiske krefter fra den ringformede magnet 14 vil tiltrekke seg ferrofluid til den indre overflate av sylinderveggen og sterkest til partiet av sylinderveggen nær den ringformede magnet. Små dråper av ferrofluid kan imidlertid til enhver tid befinne seg i andre posisjoner i det ringformede hulrommet 19. Den ringformede magnet 14 er fortrinnsvis en permanentmagnet.

For å hindre fluid fra å unnslippe fra hulrommet 19, er tomrommet terminert ved begge ender av stempelet ved hjelp av radiale utvidelser 11b hhv. lic av stemplet. Overgangene mellom den konvekse midtre del lia av stempelet og dets radialt utvidede endepartier 11b og lic, i et plan gjennom den langsgående aksen av stempelet (11), oppviser typisk spisse vinkler, dvs. vinkler på mindre enn 90 grader, noe som praktisk fanger ferrofluid som glir på overflaten av stempelet i en retning bort fra O-ringen. Mens endepartiene 11b, lic av stemplet er vist som enkle plate formede deler, er andre konfigurasjoner også omfattet.

Det henvises nå til figur 2. Den ringformede magnet 14 omgir sylinderen 15. Den nedre overflate av den omkretsgående utsparing 17 er angitt som 17', mens den stiplede linjen 11' angir den ytre overflate av midtpartiet lia, dvs. den delen som er nær til den omkretsgående utsparingen 17.

Det henvises nå til figur 3A som viser stempelet 11 i en situasjon hvor stempelet beveger seg mot høyre. Som en fagmann på området lett vil forstå, virker de magnetiske krefter som påvirker det ferrofluid fra ringformede magnet 14, sterkest på ferrofluid nær veggen inntil den ringformede magnet. Det er også klart at når stempelet akselererer fra venstre mot høyre, vil treghetskrefter forårsake ferrofluid i tomrommet 19 på høyre side av O-ringen 18 til å bevege seg mot O-ringen som indikert ved de små pilene, særlig i tidlig stadium av stempelbevegelsen, kjennetegnet ved en akselerasjon av stemplet 11 fra venstre mot høyre. Den magnetiske kraft sørger for at en film av ferrofluid 20 er posisjonert mellom O-ringen 18 og sylinderveggen 15. Mens den magnetiske kraft virker på de små dråper av ferrofluid, så vel som på film av ferrofluid til stede på overflaten av stempelet og O-ringen, og sterkest nær den ringformede magnet, bidrar også treghetskrefter positivt å bevege ferrofluid i retning av O-ringen.

I det tidlige stadium av bevegelse av stemplet fra venstre mot høyre, vil treghetskrefter som påvirker med ferrofluid som hviler på den ytre overflate av den del av det konvekse stempelet lia plassert på høyre side av O-ringen, effektivt adderes til effekten av den ringformede magnet i den forstand at denne film av ferrofluid vil strømme mot O-ringen 18 og bygge opp en tykkere film foran O-ringen.

Mens et tynt lag av ferrofluid vil forbli mer eller mindre stasjonært på sylinderveggen, vil et hvilket som helst overskudd av ferrofluid bli tvunget av O-ringen 18 i retning av stempelbevegelsen.

I figur 3b har stempelet 11 beveget seg ytterligere til høyre side av sylinderen 13 og er i ferd med å bremse og til slutt stoppe for å returnere mot venstre. Her har ferrofluid 20 på høyre side av 0-ringen 18 ikke noe positivt bidrag fra stempelbevegelsen som nå er i r en fase av retardasjon. I tillegg blir den magnetiske kraft som virker på ferrofluidet svakere når den høyre delen av stempelet 11 beveger seg bort fra den ringformede magnet 14. Derfor, som vist, blir deler av ferrofluidet på høyre side av O-ringen 18 spredt og delvis separert i små dråper - mens andre mengder forblir som en film på stempelet og som en film på sylinderveggen.

I venstre del av det ringformede hulrommet 19, det vil si delen på venstre side av O-ringen 18, er situasjonen forskjellig fra situasjonen på høyre side, fortsatt med henvisning til figur 2b. I fasen av retardasjon av stemplet 11 mot dets vendepunkt lengst til høyre, vil ferrofluidet til venstre for O-ringen 18 være påvirket av treghetskrefter til å bevege seg mot O-ringen. De magnetiske krefter fra den ringformede magnet vil også virke sterkere på ferrofluidet i den venstre del av tomrommet 19 i forhold til den høyre delen av hulrommet 19 når stempelet 11 er nær sitt vendepunkt lengst til høyre. Således, mens ferrofluidet på høyre side av O-ringen i denne fasen beveger seg bort fra 0-ringen, blir ferrofluidet på venstre side av O-ringen sterkt tiltrukket til sylinderveggen 15 ved hjelp av den magnetiske kraft fra den ringformede magnet inntil til denne del av det ringformede hulrommet 19, og strømmer til en viss grad i retning av O-ringen på grunn av treghetskrefter fra retardasjonen, noe som er praktisk for smøring av O-ringen 18 under returslaget av stempelet 11, dvs. dets bevegelse fra vendepunktet lengst til høyre vendepunkt mot vendepunktet lengst til venstre.

Figur 3c viser det neste trinn hvor stempelet har begynt å akselerere fra høyre mot venstre. Betingelsene for denne situasjonen er ganske lik den situasjon som er vist på figur 3B. Dette skyldes det faktum at posisjonen i forhold til den ringformede magnet er omtrent den samme, og retardasjon under bevegelse fra venstre til høyre, er blitt etterfulgt av en positiv akselerasjon fra

høyre mot venstre. En fagmann på området vil lett se at effekten av treghetskreftene er lik de som er beskrevet med henvisning til figur 3B i denne fasen, og forårsaker ferrofluid på den venstre side av stempeldelen lia til å strømme mot O-ringen 18 og bygge opp et tykkere lag av ferrofluid foran O-ringen, idet «foran» på dette tidspunkt er på venstre side av O-ringen 18.

Ettersom bevegelsen av stempelet 11 går forbi midtpunktet i sylinderen 13, blir situasjonen (ikke vist) et speilbilde av det beskrevet med henvisning til figur 3B. Akselerasjon mot venstre blir erstattet av retardasjon og den magnetiske kraft reduseres på venstre side og økes på den høyre side, mens treghetskrefter bringer fluid til høyre nærmere til O-ringen, mens den motsatte virkning finner sted på venstre side av O-ringen.

Det er å merke at det er en kombinasjons virkning av magnetiske krefter og treghetskrefter som virker sammen i anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse, mens den ytre overflate av den midtre del lia av stempelet 11 virker som et reservoar for ferrofluid. Mens den kritiske mengde av ferrofluid til enhver tid vil ha form av et meget tynt sjikt festet til den indre overflate av sylinderveggen, vil en reserve eller overskuddsmengde delvis holder seg til stempelkroppen, delvis blir spredt i det ringformede hulrommet 19.

Figur 4 viser en variant av stemplet vist i figur 1 og 3, idet forskjellen er overflatene 111b og 111C av endedeler 11b og lic henholdsvis av stemplet 11. Ved å utforme vegger 111b og 111C med en buet overflate, blir vinkelen mellom delene lia og 11b og vinkelen mellom delene lia og lic mindre (skarpere), og enda mer effektive i sin funksjon å fange det ferrofluid som beveger seg bort fra O-ringen 18.

Det er naturligvis innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse å anvende et stempel med plane sidevegger for endeparti 11b, som vist i figur 1 og buede vegger 111C for endeparti lic, som vist i figur 4, og omvendt.

Variasjoner av den spesifikke utforming vist på tegningene kan utføres innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse. For eksempel er det innenfor rammen at to eller flere O-ringer kan benyttes i stedet for én, idet de flere O-ringer er adskilt noe fra hverandre nær midten av stempelet 11, dvs. ved eller nær dets tykkeste tverrsnitt.

Claims (7)

1. Oscillerende anordning omfattende et oscillerende stempel (11) i en sylinder (13), innrettet til å benytte ferrofluid som et smøremiddel (20), omfattende minst én ringformet magnet (14) som omgir sylinderen (13), idet en midtre del (lia) av stempelet (11) oppviser en omkretsgående utsparing (17) innrettet til å motta en tettende O-ring (18) som strekker seg rundt omkretsen av stempelet (11),karakterisert vedat omkretsen av stemplet (11) er innsnevret til en mindre ytre diameter på begge sider av utsparingen (17), slik at det defineres ringformede hulrom (19) mellom stempelet (11) og den indre sylindervegg (15), idet nevnte ringformede hulrom (19) blir skarpt avsluttet av utvidede stempelendedeler (11b, lic) anordnet ved respektive ender av stempelet (11).

2 Oscillerende anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den midtre del (lia) av stempelet (11) er formet som et hovedsakelig konvekst rotasjonslegeme med et sirkulært tverrsnitt.

3. Oscillerende anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat vinklene mellom overflaten av den midtre del (lia) av stempelet (11) og overflatene av endedelene (11b, lic) i et plan gjennom lengdeaksen av stemplet (11), er spisse vinkler.

4. Oscillerende anordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat den ringformede magnet (14) er en permanentmagnet.

5. Oscillerende anordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat utsparingen (17) er anordnet i det tykkeste område av den midtre delen (lia) av stempelet (11).

6. Oscillerende anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat stempelet (11) er symmetrisk om et plan definert av utsparingen (17).

7. Oscillerende anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat funksjonen av den oscillerende enheten er uavhengig av dens orientering.