DE3304623C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Dichtungs- und Lageranordnung,
mit einem zylindrischen Magnetkörper, der einer drehbaren
Welle in koaxialer Anordnung zugeordnet ist und die drehbare
Welle radial und/oder axial lagert, und mit einem
Ferrofluid, das in einem Spalt zwischen einander gegenüberliegenden
Oberflächen des Magnetkörpers und der
drehbaren Welle gehalten ist.
Eine derartige Dichtungs- und Lageranordnung ist aus
der US-PS 37 46 407 bekannt, wobei dort im wesentlichen
die Eigenschaften des Ferrofluids erläutert sind,
die für ein solches Lager zweckmäßig sind. Es werden z. B.
bestimmte Ausgangsmaterialien, wie z. B. Wasser, Kerosin,
Petroleum und Silikonöl für die Ferrofluide genannt, während
weitere Einzelheiten sich auf die Teilchengröße der
magnetischen Teilchen in dem flüssigen Träger beziehen.
Als Größenordnung wird dabei ein Wert von 100 Angström
angegeben, damit bei thermischer Bewegung durch Stöße der
Flüssigkeitsmoleküle verhindert werden kann, daß sich die
Teilchen absetzen, wenn sie unter der Wirkung der Schwerkraft
oder starker magnetischer Felder stehen.
Für das Ferrofluid wird als flüssige Trägerbasis ein
dielektrisches Wärmeübertragungsfluid angegeben, welches
hinsichtlich der Dichte, der Viskosität, des Dampfdruckes
sowie der Sättigungsmagnetisierung bestimmte Eigenschaften
aufweisen soll. Weiterhin finden sich Ausführungen hinsichtlich
verschiedener Lagertypen. Bezüglich des Magnetkörpers
selbst, der mit dem Ferrofluid in der Lageranordnung
zusammenwirken soll, ist aber lediglich der Hinweis ersichtlich,
daß es sich dabei um einen Elektromagneten oder
einen Permanentmagneten handeln kann, während die Problematik
des Aufbaus eines derartigen Magnetkörpers dort nicht angesprochen
ist.
Zum besseren Verständnis wird das Prinzip einer herkömmlichen
Dichtungs- und Lageranordnung unter Verwendung von Ferrofluid
unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. Das Bezugszeichen 1
bezeichnet eine drehbare Welle, während das Bezugszeichen 2
eine Zylindermagneten bezeichnet, der die drehbare Welle 1
konzentrisch umgibt. Der Zylindermagnet 2 ist an seinen
beiden Enden 2 a und 2 b mit Flanschen versehen, die
Öffnungen 3 und 4 besitzen, um die drehbare Welle 1 hindurchtreten
zu lassen. Die Bezugszeichen 5 und 6 bezeichnen
Spalten zur Abdichtung, die zwischen den Oberflächen der
Öffnungen 3 und 4 sowie der Oberfläche der drehbaren Welle 1
ausgebildet sind.
Das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Ferrofluid, das ins
Innere des Zylindermagneten 2 eingefüllt und auf der
gesamten Oberfläche der drehbaren Welle 1 zurückgehalten
wird, und zwar durch die Anziehung des magnetischen Flusses,
der innerhalb der Spalten 5 und 6 konzentrisch ausgebildet
wird. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Gehäuse. Die beiden
Enden 2 a und 2 b sind als Polstücke ausgebildet und bestehen
aus ferromagnetischem weichem Stahl zur Anziehung des
magnetischen Flusses. Außerdem ist ein Zylinderteil 9, das
Nuten zur Erzeugung des dynamischen Druckes des Ferrofluids
7 besitzt, an der Oberfläche der drehbaren Welle 1 befestigt.
Um die drehbare Welle 1 zu zentrieren, dadurch daß in
wirksamer Weise ein durch die Rotation der Welle 1 hervorgerufener
dynamischer Druck ausgeübt wird, und um irgendwelche
Beschädigungen der Welle 1 in Berührung mit dem
Zylindermagneten 2 zu verhindern und eine wirksame magnetische
Abdichtung zu unterstützen, ist es außerdem erforderlich,
ein zylindrisches Mittelteil 10 zu befestigen, das aus einem
nicht-ferromagnetischen Material im Inneren des Zylindermagneten
2 besteht. Der Aufbau einer solchen herkömmlichen
Dichtungs- und Lageranordnung wird nachstehend unter Bezugnahme
auf Fig. 2 erläutert, in der ein Druck-Radial-Lager
dargestellt ist.
Das Gehäuse 8 lagert den Magneten 2 und die Polstücke 2 a und
2 b mit Haltemuttern 8 a und 8 b. Das Zylinderteil 9, das an
der Oberfläche der Welle 1 befestigt und zusammen mit diesem
drehbar ist, ist an seiner Oberfläche mit Fischgrätennuten 9 a
versehen, um den dynamischen Druck des Ferrofluids 7 zu
erzeugen. Zwischen dem zylindrischen, nicht-magnetischen
Mittelteil 10, das an der Innenseite des Magneten 2 befestigt
ist, und der Oberfläche des Zylinderteiles 9 ist ein kleiner
Spalt ausgebildet. Die Bezugszeichen 11 a und 11 b bezeichnen
flanschartige Drucklager, die am Zylinderteil 9 der Welle 1
befestigt sind. In gleicher Weise ist ein kleiner Spalt
zwischen den Polstücken 2 a und 2 b und dem Inneren des
Magneten 2 sowie den seitlichen Oberflächen des Mittelteiles
10 ausgebildet.
Wenn die drehbare Welle 1 und das daran befestigte Zylinderteil
9 sich zusammen in der durch den Pfeil angedeuteten
Richtung drehen, so wird das Ferrofluid 7 als Schmiermittel
auf einen Mittelebenenbereich 9 b des Zylinderteiles 9
gereichtet, und zwar aufgrund der Funktion der Fischgrätennuten
9 a zur Erzeugung des dynamischen Druckes; dieser Druck
wird in diesem Bereich 9 b vergrößert, jedoch in der Nähe
der Spalten 5 und 6 verhindert. Dementsprechend wird in
der Zusammenwirkung mit der Anziehung des konzentrierten
magnetischen Flusses in den Spalten 5 und 6 ein Leckabfluß
des Ferrofluids 7 nach außen verhindert.
Ein anderes Beispiel einer solchen Dichtungs- und Lageranordnung
unter Verwendung von Ferrofluid 7 ist in Fig. 3
dargestellt, wobei die Nuten zur Erzeugung eines dynamischen
Druckes auf der Oberfläche der drehbaren Welle 1 selbst
eingearbeitet sind. Diese Anordnung hat im wesentlichen
den gleichen Aufbau wie die Anordnung gemäß Fig. 2, jedoch
sind die Drucklager 11 a und 11 b weggelassen.
Ausgehend von einer Dichtungs- und Lageranordnung der
eingange genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine derartige Anordnung dahingehend zu verbessern,
daß eine integrale Anordnung zur Verfügung steht, die
einen einfachen Aufbau und kleine Abmessungen besitzt, so
daß eine Massenproduktion mit vergleichsweise geringen
Herstellungskosten möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Anordnung
der im Oberbegriff genannten Art so auszubilden, daß der
zylindrische Magnetkörper in seiner auf der drehbaren Welle
gleitenden Oberfläche mit Nuten zur Erzeugung eines dynamischen
Druckes im Ferrofluid versehen ist und aus einer Mischung aus einer
magnetischen Substanz und einem Kunstharz besteht, wobei
der zylindrische Magnetkörper ein Magnetpulver, 10 bis 60 Gew.-%
Verstärkungsfasern, wie z. B. Kohlefasern oder
Glasfasern, und einen Füllstoff, wie z. B. Polytetrafluorethylen
oder Graphit, enthält, und wobei die Gesamtmenge
an Magnetpulver, Verstärkungsfasern und Füllstoff nicht mehr
als 95 Gew.-% ausmacht.
Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung ist vorgesehen, daß der zylindrische Magnetkörper
10 bis 70 Gew.-% Magnetpulver enthält, so daß er insbesondere
bei Radiallagern einsetzbar ist.
Bei einer anderen speziellen Ausführungsform gemäß der
Erfindung ist vorgesehen, daß der zylindrische Magnetkörper
70 bis 95 Gew.-% Magnetpulver enthält, so daß er insbesondere
für Dichtungszwecke verwendbar ist.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen,
daß der Magnetkörper ein Paar von miteinander verbundenen
Magneten aufweist und beide Magneten jedes Paares
mit Nuten zur Erzeugung von dynamischem Druck im Ferrofluid
versehen sind, wobei jeder Magnet Nuten mit spiralförmigem
Profil besitzt, die in entgegengesetzten Richtungen verlaufen.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erweist es sich als
zweckmäßig, wenn Reservenuten zur Aufnahme von einer Reserve
an Ferrofluid in der Nähe der normalen Nuten zur Erzeugung
des dynamischen Druckes im Ferrofluid ausgebildet sind.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen,
daß der Magnetkörper als Magnetplatte ausgebildet ist
und einer Druck- oder Axiallagerplatte gegenüberliegt.
Bei dieser speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung ist es zweckmäßig, wenn die Magnetplatten 90 bis
95 Gew.-% Magnetpulver enthält.
Mit der erfindungsgemäßen Dichtungs und Lageranordnung
wird das zugrundeliegende Problem in vorteilhafter Weise
gelöst, wobei eine ausgezeichnete Dichtungsfunktion und
Lagerfunktion erzielbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
in
Fig. 1, 2 und 3 Darstellungen im Schnitt von
herkömmlichen Dichtungs- und Lageranordnungen
unter Verwendung von
Ferrofluid;
Fig. 4 einen Schnitt einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtungs-
und Lageranordnung unter Verwendung von
Ferrofluid;
Fig. 5 einen Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 6 einen Schnitt eines dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 7 einen Schnitt eines vierten Ausführungsbeispiels
der Erfindung in einer speziellen Anwendung;
Fig. 8 einen Schnitt eines fünften Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 9 einen Schnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 10 einen Schnitt eines siebten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 11 und 12 vergrößerte Darstellungen von in Kunststoff
enthaltenen Magneten zur Verwendung
bei der erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 13 einen Schnitt eines achten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 14 einen Schnitt eines neunten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 15(a) einen Schnitt längs der Linie a-a in
Fig. 15(b);
Fig. 15(b) einen Schnitt eines zehnten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 16 einen Schnitt eines elften Ausführungsbeispiels
der Erfindung in einer anderen speziellen Anwendung;
Fig. 17 einen Schnitt eines zwölften Ausführungsbeispiels
der Erfindung in einer weiteren speziellen Anwendung;
Fig. 18 einen Schnitt einer herkömmlichen mechanischen
Dichtungsanordnung;
Fig. 19(a) einen Schnitt eines dreizehnten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 19(b) eine Draufsicht längs der Linie b-b in
Fig. 19(a);
Fig. 20(a) einen Schnitt eines vierzehnten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 20(b) eine Teildraufsicht längs der Linie b-b in
Fig. 20(a);
Fig. 21 ein Beispiel eines Dichtungsringes zur
Verwendung bei dem vierzehnten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 22 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dichtungsringes
ähnlich der Darstellung in
Fig. 21;
Fig. 23 einen Schnitt eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels
gemäß der Erfindung;
Fig. 24(a) eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
des Dichtungsringes, der in Fig. 19(a) verwendet
wird;
Fig. 24(b) einen Schnitt längs der Linie b-b in
Fig. 24(a);
Fig. 25(a) eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
eines Dichtungsringes, der bei der Anordnung
gemäß Fig. 19(a) verwendbar ist;
Fig. 25(b) einen Schnitt längs der Linie b-b in
Fig. 25(a);
Fig. 26 einen Schnitt einer herkömmlichen Dichtungsanordnung
unter Verwendung von Ferrofluid;
Fig. 27(a) einen Schnitt eines sechzehnten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 27(b) eine Draufsicht längs der Linie b-b in
Fig. 27(a);
Fig. 28 einen Schnitt eines siebzehnten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 29 einen Schnitt eines achtzehnten Ausführungsbeispiels
der Erfindung; und in
Fig. 30 einen Schnitt eines neunzehnten Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
Gemäß der Erfindung wird ein in Kunststoff oder Kunstharz
eingebauter Magnet für Lager- und Dichtungszwecke verwendet,
jedoch kann ein normaler Magnet selbstverständlich anstelle
eines derartigen in Kunststoff oder Kunstharz eingebauten
Magneten verwendet werden. Bevor bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert werden, wird zunächst die
Zusammensetzung eines in Kunststoff oder Kunstharz eingebauten
Magneten beschrieben.
Das synthetische Kunstharzmaterial, das für einen in Kunststoff
oder Kunstharz eingebauten Magneten verwendet wird,
kann aus einem Polyamidharz, Fluorharz, Polyethersulfonharz,
Polyphenylensulfidharz oder dgl. bestehen. Bei dem magnetischen
Material, das mit dem genannten synthetischen Kunstharzmaterial
gemischt wird, kann es sich um Bariumferritpulver;
Strontiumferritpulver, seltene Erden oder dgl.
handeln.
Das Mischungsverhältnis von synthetischem Kunstharz und
magnetischem Material ist unterschiedlich, wenn der Magnet
für Lagerzwecke und für Dichtungszwecke verwendet wird.
Wenn der Magnet als Lager verwendet wird, muß er einen
ausreichend großen magnetischen Fluß haben, um das Ferrofluid
in einem Spalt zwischen dem Magneten (Lager) und der
drehbarne Welle zu halten und jegliche Leckagen des Fluids
nach außen zu verhindern.
In diesem Falle kann die magnetische Kraft des Magneten
praktisch schwach sein. Somit beträgt die Menge des Magnetpulvers
in einem solchen Magneten ungefähr 10 bis 70 Gew.-%.
Insbesondere enthält der Magnet zur Erhöhung seiner Gleiteigenschaften
10 bis 60 Gew.-% Kohlefasern, Glasfasern oder
dgl. Wenn Graphit oder ähnliche Materialien, die hohe
Schmiereigenschaften besitzen, als Füllmittel verwendet
werden, wird die Menge an Magnetpulver selbstverständlich
geringer sein. In jedem Falle beträgt die Gesamtmenge an
Magnetpulver, Verstärkungsfasern und Füllmittel vorzugsweise
nicht mehr als 95 Gew.-%, wobei es innerhalb dieses
Bereiches möglich ist, in gewünschter Weise eine gewünschte
Magnetkraft und Gleiteigenschaften auszubilden.
Wenn der Magnet nur für Dichtungszwecke verwendet wird,
so ist eine stärkere Magnetkraft umso besser. In diesem
Falle beträgt das Mischungsverhältnis von Ferrit ungefähr
70 bis 95 Gew.-% wie bei einem normalen in Kunststoff oder
Kunstharz eingebauten Magneten.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens
zur Herstellung eines in Kunststoff oder Kunstharz eingebauten
Magneten von zylindrischer Bauart beschrieben, der
für die Dichtungs- und Lageranordnung gemäß der Erfindung
verwendbar ist. Zunächst einmal wird ein Kernzapfen mit
spiralförmigen oder wendelförmigen Nuten zur Erzeugung des
dynamischen Druckes des Ferrofluids in eine Mittelachse
eines zylindrischen Hohlraumes eingesetzt. In einer Formeinrichtung
mit einem solchen Aufbau wird das geschmolzene
synthetische Kunstharz, in welchem eine bevorzugte Menge
an Magnetpulver enthalten ist, in den zylindrischen Hohlraum
injiziert. Danach wird der Kernzapfen auf dem Hohlraum
während der Rotation entfernt, so daß eine große Anzahl von
Buchsen oder Hülsen, die jeweils die spiralförmigen oder
wendelförmigen Nuten besitzen, in Massenproduktion
hergestellt werden kann.
Anschließend wird jede Buchse oder Hülse in einen Dorn eingesetzt,
dessen Durchmesser etwas größer ist als der der
Buchse oder Hülse, und darin beheizt. Die Innenoberfläche
der jeweiligen Buchse oder Hülse wird kontrahiert oder
verformt und schließlich als fertiges Produkt fertiggestellt.
Anschließend werden zwei Buchsen oder Hülsen, die
jeweils Nuten in einer umgekehrten Richtung besitzen, miteinander
verbunden, so daß ein Paar von Buchsen oder Hülsen
als Magnetlager hergestellt wird, welche Fischgrätennuten
zur Erzeugung des dynamischen Druckes des Ferrofluids
besitzen. Als nächstes wird das Magnetlager in axialer
Richtung mit einer Magnetisiereinrichtung magnetisiert. Ein
Magnetlager mit einem großen Durchmesser kann in radialer
Richtung magnetisiert werden.
Das Profil der Fischgrätennuten kann symmetrisch bezüglich
der Verbindungslinie der beiden Teile des Magnetlagers
ausgebildet werden. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit,
einen Verwindungswinkel oder Drallwinkel der Fischgrätennuten
relativ zur Verbindungslinie bei einem der Bauteile
vorzusehen.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß
der Erfindung im einzelnen anhand der verschiedenen Figuren
und Zeichnungen erläutert. Dabei werden gleiche Bauteile bzw.
der gleiche Aufbau wie bei den oben beschriebenen Beispielen
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 4 zeigt ein fundamentales Beispiel gemäß der Erfindung,
wobei eine Radiallageranordnung dargestellt ist. Das Bezugszeichen
12 bezeichnet einen zylindrischen Magneten, der
die drehbare Welle 1 konzentrisch umgibt oder umschließt.
Der zylindrische Magnet 12 bildet ein Magnetlager, das die
Funktion eines Lagers besitzt. Wie oben beschrieben, besteht
er aus einem Paar von Buchsen oder Hülsen, d. h. zwei
Magneten stoßen aneinander. Der zylindrische Magnet 12 ist
ein in Kunststoff oder Kunstharz eingebauter Magnet, d. h.
ein in Polyphenylensulfidharz eingebauter Magnet, der z. B.
20 bis 50 Gew.-% Ferrit bzw. Magnetit (Ferroferrit), 15
bis 30 Gew.-% Kohlenfasern und 10 Gew.-% Polytetrafluorethylen
enthält. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet Fischgrätennuten
zur Erzeugung des dynamischen Druckes des
Ferrofluids, wobei die Fischgrätennuten auf der Innenoberfläche
12 a des zylindrischen Magneten 12 eingeprägt
oder eingraviert sind. Das Symbol C bezeichnet einen
kleinen Spalt von normalerweise 10 µm, der zwischen der
Innenoberfläche 12 a und einer Oberfläche 1 a der drehbaren
Welle 1 ausgebildet ist. Somit kann die gesamte Innenoberfläche
12 a des zylindrischen Magneten 12 direkt mit
der Oberfläche 1 a der drehbaren Welle 1 in Berührung
stehen, ohne Polstücke zu verwenden.
Das Bezugszeichen 14 bezeichnet ein Ferrofluid, das in
den Spalt C eingefüllt ist, und das Bezugszeichen 15
bezeichnet eine Passage oder einen Durchgang zum Injizieren
des Ferrofluids 14 in den Hohlraum. Die Passage 15 ist
integral in einer der Seiten des zylindrischen Magneten 12
ausgebildet. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine zweite
Passage oder einen zweiten Durchgang, der ebenfalls integral
oder einstückig an einer Kontaktfläche der beiden
Magneten 12 ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet
ein Dichtungsmittel zum Abdichten einer Öffnung der
Passage 15. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet ein Gehäuse,
um das Paar von Magneten 12 fest einzupassen oder zu haltern.
Das Gehäuse 18 kann aus einer nicht-magnetischen Cu-
oder Al-Legierung, einem Kunststoffmaterial oder einer weichen
Stahlplatte bestehen. Das Kunststoffmaterial kann ein
zusammengesetztes Kunststoffmaterial sein. Das Gehäuse 18
kann durch Kleben, Passung oder ein integrales Einsatzformteil
eingebaut werden. Außerdem kann das Paar von
Magneten 12 direkt auf einr Lagerhalterung 19 montiert
werden. Es ist nicht immer erforderlich, das Gehäuse 18
an dem Paar von Magneten 12 anzubringen.
Die Funktion der Dichtungs- und Lageranordnung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel wird nachstehend näher erläutert.
Nachdem der zylindrische Magnet 12 um die drehbare Welle
1 herum angeordnet worden ist, wird das Ferrofluid aus der
Passage oder dem Durchgang 15 in den Spalt C mittels eines
Mikrospenders oder dgl. injiziert. Die Öffnung der Passage
15 wird mit dem Dichtungsmittel 17 abgedichtet. Der Spalt
C zwischen der Oberfläche 1 a der drehbaren Welle und der
Innenoberfläche 12 a des Magneten 12 ist so schmal, daß das
Ferrofluid 14 darin vollständig durch die Magnetkraft des
Magneten 12 angezogen werden kann. Insbesondere wird, da
der Magnetfluß mit höchster Dichte an den beiden Kanten
20 und 21 des ein Lager bildenden Magneten 12 gebildet
wird, irgendein Leckverlust des Ferrofluids aus dem Magneten
12 vollständig verhindert. Wenn die drehbare Welle 1
rotiert, wird ein radialer Druck des Ferrofluids 14 erzeugt,
und zwar durch die Pumpfunktion der Fischgrätennuten 13
zur Erzeugung des dynamischen Druckes. Sein radialer Druck
hat den höchsten Wert im Zentrum des Paares von Magneten
12, d. h. in einem Verbindungsbereich von ihnen, während er
in Richtung der beiden Enden abnimmt. Somit wird in Zusammenarbeit
mit der Anziehung der magnetischen Kraft während
der Rotation der drehbaren Welle 1 jeglicher Leckverlust
des Ferrofluids 14 nach außen vollständig unmöglich
gemacht. Aufgrund der Erzeugung der dynamischen Kraft wird
die drehbare Welle 1 im Zentrum des Magneten 12 gelagert
und gehalten, wobei eine gute Balance aufrechterhalten
wird, so daß eine Schmiermittelmembran des Ferrofluids in
ausreichendem Maße gebildet wird. Somit sind die Rotationsgenauigkeit
der drehbarne Welle 1 sehr hoch, der Drehmomentverlust
sehr niedrig und das Laufaufnahmevermögen
sehr hoch.
Die Innenoberfläche 12 a des Magneten 12 wird während der
Rotation der drehbaren Welle 1 kaum abgenutzt oder verschlissen,
so daß ihre Lebensdaur länger wird. Wenn die
Geschwindigkeit der drehbaren Welle 1 durch einen Anhaltevorgang
allmählich verringert wird, nimmt auch der dynamische
Druck des Ferrofluids ab, und die drehbare Welle 1
sitzt bald auf der Innenoberfläche 12 a aufgrund ihres
Eigengewichtes. Auch wenn die Oberfläche 1 a der drehbaren
Welle 1 mit der Innenoberfläche 12 a in Berührung steht,
so besteht der Magnet 12 aus einem in Kunststoff eingebauten
Material, so daß irgendwelche Beschädigungen der
Oberfläche 1 a verhindert werden. In gleicher Weise werden
irgendwelche Unzulänglichkeiten beseitigt, wenn die drehbare
Welle 1 rotiert. Dementsprechend ist der Magnet 12
in ausreichendem Maße in der Lage, wiederholte Start-
und Stopp-Vorgänge auszuhalten.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei weitere
Nuten zur Aufnahme von Ferrofluid in der Nähe der beiden
Enden der Innenoberfläche 12 a des Paares von Magneten 12
ausgebildet sind, um irgendwelche Mängel an Ferrofluid
als Schmiermittel zu beseitigen und die Dichtungswirkung
des Ferrofluids zu vergrößern, und zwar durch Erhöhung
der magnetischen Flußdichte an den beiden Enden 23 und 24
des Magneten 12. Außerdem sind zusätzliche Nuten 25
ausgebildet, um Ferrofluid 14 als Reserve in der Mitte der
Innenoberfläche 12 a aufzunehmen, so daß es vorher in den
Nuten 25 aufgenommen wird, bevor der Magnet auf die drehbare
Welle 1 aufgesetzt wird.
Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem
beide Ecken an den Enden des Magneten 12 abgeschrägt sind
so daß Schrägteile 26 und 27 gebildet werden und Kanten 28
und 29 entstehen. Aufgrund der Ausbildung der Kanten 28
und 29 wird die Dichte des Magnetflusses an den beiden
Enden des Magneten 12 weiter vergrößert und somit der
Dichtungseffekt des Ferrofluids gesteigert. Im übrigen
sind Aufbau und Funktion dieses Ausführungsbeispiels die
gleichen wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5.
Fig. 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, wobei die
drehbare Welle 1 an einen Präzisionsmotor eines Peripheriegerätes
eines Computers angeschlossen ist. Das Bezugszeichen
30 bezeichnet einen Gleichstromantriebsmotor zum
Antreiben eines Polygonspiegels, z. B. eines Laserstrahlschreibers.
Das Bezugszeichen 31 bezeichnet einen Permanentmagneten-
Rotor, und das Bezugszeichen 32 bezeichnet
eine gegenüberliegende Statorspule. Das Bezugszeichen 33
bezeichnet ein Radiallager, das dem in Kunststoff eingebauten
zylindrischen Magneten 12 entspricht und das am
unteren Teil der drehbaren Welle 1 angeordnet ist. Das
Bezugszeichen 34 bezeichnet ein Axiallager. Das Bezugszeichen
35 bezeichnet einen Polygonspiegel, der an der
Oberseite der drehbaren Welle montiert ist. Das Bezugszeichen
36 bezeichnet ein Radiallager, das am oberen Teil
eines Gehäuses des Antriebsmotors 30 angeordnet ist. Das
Radiallager 36 hat einen in Kunststoff eingebauten oder
eingebetteten zylindrischen Magneten 12, der die drehbare
Welle 1 konzentrisch umgibt oder einschließt, und der
Magnet 12 ist an seiner Innenoberfläche mit Fischgrätennuten
13 zur Erzeugung des dynamischen Druckes des Ferrofluids
versehen. Das Ferrofluid 14 ist zwischen den Magneten
12 und die drehbare Welle 1 eingefüllt.
In herkömmlicher Weise hat man Kugellager oder ein in Öl
angeordnetes Lager verwendet, wobei der Nachteil besteht,
daß der Polygonspiegel 35 seine Funktion verlieren kann,
und zwar wegen Spritzern des Schmieröles oder -fettes,
die durch die Zentrifugalkraft der rotierenden Welle 1
hervorgerufen werden. Aus diesem Grunde ist eine Rotation
der drehbaren Welle mit hoher Geschwindigkeit unmöglich.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß auch dann, wenn
die drehbare Welle 1 mit niedriger Geschwindigkeit rotiert,
die Lebensdauer der herkömmlichen Lageranordnung kurz ist.
Zur Vermeidung derartiger Nachteile wird gemäß der Erfindung
ein magnetisches Radiallager mit Nuten zur Erzeugung
des dynamischen Druckes angegeben, so daß evtl.
Spritzer des Fluids als Schmiermittels, die sonst durch
die Rotation der drehbaren Welle hervorgerufen werden
könnten, vollständig beseitigt werden. Außerdem wird verhindert,
daß irgendwelcher Staub, der aus dem Inneren
der Spindelanordnung stammen kann, aus der magnetischen
Radiallageranordnung herausspritzt, und zwar wegen des
Dichtungseffektes des Ferrofluids.
Fig. 8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem
ein Zylindermagnet 37, der die drehbare Welle 1 zylindrisch
umgibt, auf seiner Innenoberfläche mit einer dünnen
Kunststoffbeschichtung 39 versehen ist, die Fischgrätennuten
38 zur Erzeugung des dynamischen Druckes besitzt.
Außerdem liegen zwei Endflächen 40 des Magneten 37 der
Oberfläche 1 a der drehbaren Welle 1 direkt gegenüber,
so daß ein schmaler Spalt zwischen der Oberfläche 1 a der
drehbaren Welle und den Endflächen 40 gebildet wird.
Das in den Spalt eingefüllte Ferrofluid 14 wird durch den
Magnetfluß des Magneten 37 angezogen. Ein Gehäuse 41 kann
ebenso wie beim ersten Beispiel aus Stahl, Kunststoff oder
dgl. bestehen. Der Magnetfluß wird ein einfacher Weise auf
die nackten Endflächen 40 des Magneten 37 konzentriert,
so daß das Ferrofluid 14 in dem Spalt sicher und fest gehalten
wird. Da außerdem die Kunststoffbeschichtung 39
gute Gleiteigenschaften und Abriebfestigkeit besitzt,
wird verhindert, daß der Zylindermagnet 37 als Lager
einen Verschleiß aufgrund der Start- und Stopp-Vorgänge
der drehbaren Welle 1 erleidet. Das bedeutet, es wird verhindert,
daß die Innenoberfläche des Magneten 37 in direkten
Kontakt mit der drehbaren Welle 1 kommt, wobei der
Magnet 37 ein billiges oder preiswertes synthetisches
Harz oder Kunstharz enthalten kann, ohne daß irgendwelche
Gleiteigenschaften oder Abriebfestigkeiten berücksichtigt
werden müssen. Selbstverständlich stehen beliebige Arten
von Magneten zur Verfügung.
Fig. 9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem die
Nuten 22 zur Aufnahme des Ferrofluids 14 in Reserve an
beiden Enden in den Umfang des als Lager ausgebildeten
Magneten 12 eingraviert oder eingearbeitet sind. Außerdem
ist der Magnet 12 an seinen beiden Seiten mit nichtmagnetischen
Polstücken 42 und 43 befestigt.
Da die Nuten 22 zur Aufnahme des Ferrofluids 14 in Reserve
an beiden Enden des Magneten 12 ausgebildet sind, ist die
magnetische Feldintensität in den Nuten 22 stark, so daß
das Ferrofluid 14 daran fest und sicher gehalten wird.
Außerdem werden, da die Polstücke 42 und 43 nicht-magnetisch
sind, irgendwelche Leckverluste des Ferrofluids 14
aus dem Magneten heraus vollständig verhindert. Selbstverständlich
können die Polstücke 42 und 43 auch aus einer
magnetischen Substanz bestehen, so daß die Magnetflußdichte
zwischen den Polstücken 42 und 43 und der drehbaren
Welle 1 groß wird, so daß der Dichtungseffekt noch weiter
gesteigert wird.
Fig. 10 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel, bei dem
ein magnetisches Gehäuse 18 am Außenumfang und an beiden
Kanten des Magneten 12 befestigt ist. Somit ist die
Magnetoberfläche zwischen dem Gehäuse 18 und der drehbaren
Welle 1 stärker als beim ersten Ausführungsbeispiel,
so daß der Dichtungseffekt noch weiter gesteigert wird.
Die Fig. 11 und 12 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der
Magnetanordnung der Magneten 12. Dabei wird bei der Anordnung
gemäß Fig. 11 der Magnet 12 parallel zu seiner
horizontalen Achse in mehrfacher Weise magnetisiert. Andererseits
wird bei der Anordnung gemäß Fig. 12 der ein
Lager bildende Magnet 12 in einer schrägen Richtung relativ
zu seiner horizontalen Achse in mehrfacher Weise
magnetisiert.
Im Falle eines Drucklagers, das nachstehend näher beschrieben
wird, kann seine Magnetisierung in der gleichen
mehrfachen Weise in einer Ebene des Drucklagers erfolgen.
Fig. 13 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel, bei dem
die Lageranordnung zur Abdichtung des Ferrofluids ausschließlich
zu Dichtungszwecken verwendet wird. In herkömmlicher
Weise existiert kein Zylindermagnet nur zu
Zwecken der Dichtung, welcher Nuten zur Erzeugung des
dynamischen Druckes besitzt. Das Bezugszeichen 44 bezeichnet
eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des
Ferrofluids. Das Bezugszeichen 45 bezeichnet ein Paar
von Magneten, deren Dicke T kleiner ist als die des
oben angegebenen Radiallagers. Der Spalt C zwischen dem
Paar von Magneten 45 und der drehbaren Welle wird größer
als der von letzterem. Außerdem sind die Fischgrätennuten
13 tief eingeprägt oder eingraviert, um auf diese Weise
den Drehmomentverlust oder die Wärmeerzeugung der drehbaren
Welle 1 aufgrund des Widerstands des Ferrofluids
14 zu verringern. Wahlweise kann eine Passage zum Einfüllen
des Ferrofluids 14 entfallen.
Außerdem ist mit dem Bezugszeichen 46 ein Lager zur Halterung
der drehbaren Welle mit dem Bezugszeichen 47
ein Sitz zur Aufnahme der Dichtungsanordnung 44
bezeichnet.
Während der Rotation der drehbaren Welle 1 wird der dynamische
Druck des Ferrofluids 14 hoch, so daß die Dichtungsanordnung
40 eine genügend große Luftdichtigkeit
haben muß, um dem Innendruck oder Außendruck der Rotationsanordnung
gewachsen zu sein. Insbesondere ist die
oben beschriebene Dichtungsanordnung geeignet zur Abdichtung
von Gas und Flüssigkeiten und besitzt eine ausgezeichnete
Abdichtungswirkung im Vergleich zu herkömmlichen
Öl-Dichtungsanordnungen. Während die Lebensdauer von
herkömmlichen Öl-Dichtungsanordnungen kurz ist, und zwar
wegen des Verschleißes einer Lippe aufgrund der ständigen
Rotation, wird bei derDichtungsanordung gemäß dem erifndungsgemäßen
Ausführungsbeispiel ein direkter Kontakt
mit der drehbaren Welle verhindert, so daß auch dann,
wenn sich die drehbare Welle kontinuierlich für eine lange
Zeitdauer dreht, die Lebensdauer dieser erfindungsgemäßen
Anordnung groß ist.
Fig. 14 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel, bei dem ein
nicht-magnetisches Kunststofflager mit der Dichtungsanordnung
zur Abdichtung von Ferrofluid kombiniert ist.
Das Bezugszeichen 48 bezeichnet eine Lagerhülse oder
Lagerbuchse geteilter Bauart, die als nicht-magnetisches
aus Kunststoff geformtes Teil ausgebildet ist. An ihrer
Innenoberfläche ist sie mit Fischgrätennuten 13 versehen.
Die Bezugszeichen 49 und 50 bezeichnen in Kunststoff eingebaute
Magneten, an deren Innnenoberfläche spiralförmige
bzw. wendelförmige Nuten 49 a und 50 a eingraviert oder
eingearbeitet sind. Die Magneten 49 und 50 haltern die
geteilte Lagerbuchse 48. Ein Gehäuse zur Halterung der
obigen Anordnung ist nicht dargestellt.
Wenn die drehbare Welle 1 rotiert, wird sie in geeigneter
Weise durch den dynamischen Druck des Ferrofluids zentriert,
der in einem Spalt C₁ zwischen der geteilten Lagerbuchse
48 und der drehbaren Welle 1 erzeugt wird.
Außerdem wird der Dichtungseffekt noch weiter durch die
Magnetkraft gesteigert, die zwischen den eine Dichtungs
anordnung bildenden Magneten 49 und 50 und der drehbaren
Welle 1 erzeugt wird. Wenn die drehbare Welle 1 anhält,
sitzt sie auf der Innenoberfläche der Lagerbuchse 48, die
einen schmaleren Spalt C₁ besitzt, so daß verhindert wird,
daß die eine Dichtungsanordnung bildenden Magneten 49 und
50 direkt mit der drehbaren Welle 1 in Kontakt kommen.
Dementsprechend wird, unabhängig von den wiederholten
Start- und Stopp-Vorgängen der drehbaren Welle 1, die
Lebensdauer der Dichtungsanordnung größer als die bei
einer Anordnung gemäß Fig. 9.
Fig. 15(a) und 15(b) zeigen ein zehntes Ausführungsbeispiel, bei dem
es sich um ein Axiallager mit einem in Kunststoff eingebauten
Magneten handelt. Das Bezugszeichen 52 bezeichnet
eine in Kunststoff eingebaute Magnetscheibe oder Magnetplatte,
die einer Fläche 51 a einer Drucklagerscheibe oder
Drucklagerplatte 51 gegenüberliegt, in welche die drehbare
Welle 1 eindringt. Das Ferrofluid 14 ist in einem
Spalt zwischen einer Fläche 52 a der Magnetplatte 52 und
einer Fläche 51 a der Drucklagerplatte 51 gehalten. Die
Magnetplatte 52 ist auf ihrer Innenoberfläche 52 a mit
Fischgrätennuten 53 zur Erzeugung des dynamischen Druckes
und Nuten 54 und 55 zur Aufnahme des Ferrofluids 14 in
Reserve ausgestattet.
Somit wird ein starker Magnetkreis zwischen der Magnetplatte
52, der Drucklagerplatte 51 und der magnetischen
drehbaren Welle 1 gebildet, so daß das Ferrofluid 14
sicher und fest gehalten und die Dichtungswirkung gesteigert
wird. Infolgedessen wird das Start-Drehmoment
der drehbaren Welle 1 groß. Wenn dementsprechend ein
Benutzer das Start-Drehmoment kleiner machen will, auch
wenn der Dichtungseffekt dabei verringert wird, so kann
die Drucklagerplatte 51 aus nicht-magnetischem Material
gemacht werden.
Wie sich aus Fig. 15(b) ergibt, ist die Magnetplatte 52
an der drehbaren Welle mittels eines Abschlußteiles oder
Anschlags 56 befestigt, der in die drehbare Welle 1 eindringt,
so daß die Magnetplatte 51 und die drehbare Welle
1 sich integral oder miteinander drehen. Die Drucklagerplatte
51 ist an einem Körper der Rotationsanordnung befestigt.
Außerdem ist es auch möglich, die drehbare Welle
1 an der Drucklagerplatte 51 zu befestigen und die Magnetplatte
52 von der drehbaren Welle 1 zu trennen.
Die Magnetplatte 52 besteht aus einer magnetischen Zusammensetzung,
die 10 bis 70 Gew.-% Magnetpulver, synthetisches
Harz, Verstärkungsfasern, Schmieröl und dgl. enthält
und durch Spritzgießen hergestellt sein kann, so daß
die Fischgrätennuten 53 und die Aufnahme-Nuten 54 und 55
integral oder einstückig in der Magnetplatte 52 ausgebildet
sein können. Auf diese Weise ist sie billig bzw.
preiswert, was für die Massenherstellung wünschenswert
ist.
Die Magnetplatte 52 ist in der Lage, das Ferrofluid 14
kräftig anzuziehen, wobei das Ferrofluid 14 sowohl Schmierfunktion
als auch Abdichtfunktion aufgrund der Magnetfeldintensität
der Magnetplatte 52 besitzt, so daß eine gute
Schmiermembran während der Rotation der drehbaren Welle 1
gebildet wird und ihr Drehmomentverlust gering ist. Wenn
die drehbare Welle 1 anhält, so wird das Ferrofluid 14 in
den Nuten 54 und 55 in Reserve gehalten, so daß irgendwelche
Leckverluste nach außen verhindert werden.
Fig. 16 zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel, wobei ein
Drucklager 57 an den mit kleinen Abmessungen ausgestatteten
Antriebsmotor 30 in Fig. 7 angeschlossen ist. Das Bezugszeichen
58 bezeichnet eine Tragscheibe oder Tragplatte
aus magnetischem Material, so daß Leckverluste
der magnetischen Kraft der in Kunststoff eingebauten
Magnetplatte 52 verhindert und die Magnetkraft zur Anziehung
des Ferrofluids 14 verstärkt werden. Das Bezugszeichen
59 bezeichnet ein Schwungrad. Der Drehmomentverlust
dieses Drucklagers 57 ist viel kleiner als der eines
herkömmlichen Lagers. Somit ist das Drucklager 57 an einen
derartigen, mit kleinen Abmessungen ausgestatteten Antriebsmotor
30 mit kleinem Drehmoment angeschlossen.
Fig. 17 zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel, bei dem
das Drucklager 57 für eine Magnetplatte verwendet wird.
Das Bezugszeichen 60 bezeichnet einen äußeren Rotor, an
dessen Innenumfang ein Magnet 61 angebracht ist. Das Bezugszeichen
62 bezeichnet eine Spule, die an einem Stator
63 befestigt ist. Das Bezugszeichen 64 bezeichnet einen
Flansch, der an dem Stator 63 befestigt ist, und der
Flansch 64 ist von einem Träger oder einer Halterung 65
gehaltert. Das Bezugszeichen 66 bezeichnet eine Magnetplatte,
die am oberen Teil der drehbaren Welle 1 befestigt
ist. Der äußere Rotor 60, der mit der drehbaren Welle 1
verbunden ist, ist integral oder zusammen mit dieser drehbar.
Mit dem Bezugszeichen 67 ist Erde bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Ferrofluid durch
die Magnetkraft im Inneren des Drucklagers 57 stark angezogen.
Dementsprechend werden, im Gegensatz zu herkömmlichen
Drucklagern, jegliche Leckverluste nach außen vollständig
verhindert. Die Magnetplatte 66 ist somit frei
von irgendwlechen Beschädigungen oder Verunreinigungen,
die sonst durch Spritzer der Dichtungsflüssigkeit hervorgerufen
werden könnten, da keine Spritzer mit dem Ferrofluid
stattfinden. Somit wird ein Gleichstrommotor für
die Magnetplatte mit ausgezeichneten Eigenschaften
erhalten.
Unter Bezugnahme auf die obigen Beispiele sind bislang der
grundsätzliche Aufbau und die Wirkung der erfindungsgemäßen
Anordnung erläutert worden. Mit einer derartigen
Dichtungs- und Lageranordnung gemäß der Erfindung kann
das Ferrofluid unter Verwendung eines in Kunststoff eingebauten
Magnetkörpers oder einer derartigen Platte fest
und sicher gehalten werden. Somit kann die Dichtungs-
und Lageranordnung einen so einfachen Aufbau besitzen und
ist für Arbeitsverfahren und Massenherstellung geeignet.
Außerdem werden verschiedene Beispiele der Dichtungs- und
Lageranordnung unter Verwendung von Ferrofluid gemäß der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
näher erläutert. Zunächst einmal soll ein klarer Unterschied
zwischen der Erfindung und herkömmlichen Anordnungen
diskutiert werden.
Fig. 18 zeigt eine herkömmliche mechanische Dichtungsanordnung.
Das Bezugszeichen 68 bezeichnet eine mechanische
Dichtungsanordnung, die in ein Gehäuse 69 eingebaut
ist. Die drehbare Welle 1 einer rotierenden Vorrichtung,
z. B. einer Pumpe oder dgl. geht durch das Zentrum
der mechanischen Dichtungsanordnung hindurch. Mit dem
Bezugszeichen 70 ist ein Graphiteinsatz bezeichnet. Das
Bezugszeichen 71 bezeichnet einen Dichtungsring, der drehbar
und verschiebbar bzw. gleitend angeordnet ist, wobei
er gegen den Einsatz 70 drückt. Das Bezugszeichen 72 bezeichnet
eine Schulter oder einen Kragen, der an der drehbaren
Welle mit einer Schraube 73 befestigt ist. Das Bezugszeichen
74 bezeichnet einen Druckring, der an einem
Ende an einem Verbindungsstift 76 befestigt ist, der im
Weg einer Schulter oder eines Kragens 75 angebracht ist.
Das Bezugszeichen 77 bezeichnet eine Feder, um den Druckring
74 in Pfeilrichtung zu drücken. Das Bezugszeichen 78
bezeichnet einen Antriebsstift oder Antriebszapfen, der
mit dem Druckring 74 verbunden ist, so daß der Dichtungsring
71 stets gegen den Einsatz 70 angedrückt und integral
und zusammen mit der drehbaren Welle 1 drehbar ist. Die
Bezugszeichen 79 und 80 bezeichnen Dichtungspackungen zur
Abdichtung der drehbaren Welle 1 und des Einsatzes 70.
Bei einer derartigen herkömmlichen mechanischen Dichtungsanordnung
wird die drehbare Welle 1 über einen Verbindungskontakt
81 des Graphiteinsatzes 70 und einer gespiegelten
Oberfläche des Dichtungsringes 71 angetrieben,
wobei irgendein unter hohem Druck stehendes Fluid, das
sich mit hoher Geschwindigkeit innerhalb einer Pumpe
dreht, daran gehindert wird, ein Leck nach außen zu
bilden.
Da der Graphiteinsatz 70 mit dem Dichtungsring 71
bei einer Rotation hoher Geschwindigkeit in Berührung
steht, ergibt sich die Unzulänglichkeit, daß der aus relativ
weichem Graphit bestehende Einsatz 70 innerhalb einer
kurzen Zeitspanne einem Verschleiß unterliegt und seine
Lebensdauer begrenzt ist. Außerdem erfordert eine solche
mechanische Dichtungsanordnung eine hochwertige Arbeitstechnik
sowie große Herstellungskosten, wobei der Mechanismus
sehr kompliziert aufgebaut ist. Ferner wird, falls
bestimmte feste Teilchen in dem Fluid enthalten sind,
die Beschädigung der Dichtungsoberfläche groß, und häufig
treten Leckundichtigkeiten des Fluids auf.
Zur Überwindung dieser Nachteile von herkömmlichen Anordnungen
ist die erfindungsgemäße Dichtungs- und Lageranordnung
unter Verwendung von Ferrofluid entwickelt worden.
Genauer gesagt, ist bei der neuartigen Dichtungs- und
Lageranordnung eine Drucklagerplatte vorgesehen, um eine
Druckbewegung einer drehbaren Welle zu verhindern; eine
Magnetplatte ist der Drucklagerplatte gegenüberliegend
vorgesehen; entweder die Drucklagerplatte oder die Magnetplatte
kann an der drehbaren Welle befestigt sein; ein
Ferrofluid ist in einem Spalt festgehalten, der zwischen
den gegenüberliegenden Oberflächen der Drucklagerplatte
und der Magnetplatte ausgebildet ist; schließlich ist entweder
die Drucklagerplatte oder die Magnetplatte, deren
Oberflächen aufeinander gleiten, mit Nuten zur Erzeugung
eines dynamischen Druckes für das Ferrofluid ausgestattet.
Desweiteren ist eines dieser beiden Bauteile stets elastisch
gegen das andere angedrückt und mit einer entsprechenden
Federeinrichtung versehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 19 bis 25 erläutert.
Dabei werden bei diesen Ausführungsbeispielen
die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei der herkömmlichen
Anordnung gemäß Fig. 18, soweit entsprechende
Bauteile vorhanden sind.
Fig. 19(a) zeigt ein dreizehntes Ausführungsbeispiel,
wobei eine Dichtungsanordnung 82 dargestellt ist. Die
drehbare Welle 1 ist in einem Gehäuse 84 einer nicht
dargestellten Rotationsvorrichtung, wie z. B. einer Pumpe oder
dgl., angeordnet. Das Bezugszeichen 85 bezeichnet eine
Magnetscheibe oder Magnetplatte bzw. einen Dichtungsring,
der im Inneren des Gehäuses 84 mittels eines O-Ringes 86
befestigt ist und Mittel zur Erzeugung des dynamischen
Druckes des Ferrofluids besitzt. Das Bezugszeichen 87 bezeichnet
eine Drucklagerscheibe oder Drucklagerplatte bzw.
einen Dichtungsring in einer der Drucklagerplatte 85
gegenüberliegenden Anordnung. Das Bezugszeichen 88 bezeichnet
eine Schulter oder einen Kragen, der an der
drehbaren Welle mittels einer Schraube 89 befestigt ist.
Der Kragen 88 ist an einer unteren Stufe 90 mit einer Nut
91 zum Antreiben der Drucklagerplatte 87 versehen. Dabei
steht der Dichtungsring gleitend mit der Nut 91 in Eingriff.
Eine Vielzahl von O-Ringen 92 aus einem elastischen
Material sind zwischen der Drucklagerplatte 87 und
dem Kragen 88 angeordnet, um die Drucklagerplatte 87 in
Richtung des Pfeiles zu drücken. Mit dem Bezugszeichen 93
ist eine Dichtungspackung für die drehbare Welle 1
bezeichnet.
Die Magnetplatte 85 kann als in Kunststoff eingebauter
Magnet ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Magnetplatte
aus einer Polyamidharzverbindung bestehen, die 80 Gew.-%
Bariumferritpulver enthält und mit einer Spritzgießmaschine
geformt bzw. hergestellt ist. Das Bezugszeichen
85 a bezeichnet Fischgrätennuten zur Erzeugung
des dynamischen Druckes des Ferrofluids 14, wobei die
Fischgrätennuten in die Innenoberfläche der Magnetplatte 85
eingearbeitet oder eingraviert sind. Außerdem ist die
Magnetplatte 85 mit Reserve-Nuten 85 b und 85 c zur Aufnahme
von Ferrofluid in Reserve versehen. Diese Nuten 81 a, 85 b
und 85 c können selbstverständlich integral und einstückig
zur Zeit des Spritzgießens hergestellt werden. Ein Muster
dieser Nuten ist in Fig. 19(b) dargestellt. Das Material
der Drucklagerplatte 87 kann entweder aus einem magnetischen
Material oder einem nicht-magnetischen Material
bestehen. Wenn beispielsweie eine magnetische Substanz,
wie z. B. weicher Stahl oder Flußstahl, für die Drucklagerplatte
87 verwendet wird, wird ein geeigneter Magnetkreis
zwischen diesen beiden Platten ausgebildet, so daß das
Ferrofluid zwischen ihnen eine starke Anziehung bewirkt.
Somit ist eine solche Anordnung für den Fall geeignet,
der eine hohe Dichtungswirkung erfordert. Wenn eine nichtmagnetische
Substanz für die Drucklagerplatte 87 verwendet
wird, so ist das Drehmoment der drehbaren Welle 1 zu
ihrem Startzeitpunkt klein. Somit wird eine solche Anordnung
für den Fall eines geringen Anfangsdrehmomentes geeignet
sein. Wenn z. B. korrosive Fluide abgedichtet werden,
wird vorzugsweise ein nicht-magnetischer rostfreier
Stahl verwendet, um die Anzieh-Korrosionseigenschaften zu
erhöhen.
Außerdem ist die Position oder der Ort der Magnetplatte 85
durch den der Drucklagerplatte 87 ersetzbar. Desweiteren
kann die Drucklagerplatte 87 aus magnetischem Material
bestehen, während die Magnetplatte 85 durch eine Platte aus
nicht-magnetischem Material ersetzt werden kann.
Der O-Ring, der elastisch gegen die Drucklagerplatte 87
anliegt, kann außerdem durch einen X-Ring oder einen D-Ring
mit anderem Profil ersetzt werden. Andererseits kann
auch eine Druckfeder verwendet werden, wobei es in diesem
Falle erforderlich ist, ein Dichtungsteil zwischen der
Drucklagerplatte 87 und der Oberfläche der drehbaren Welle
1 anzuordnen.
Die Funktion dieses Ausführungsbeispiels wird nachstehend
erläutert. Wenn die drehbare Welle 1 anhält, werden die
einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Platten
85 und 87 gegeneinander gedrückt, und zwar aufgrund der
Elastizität der Vielzahl von O-Ringen 92, so daß nur eine
dünne Membran aus Ferrofluid 14 zwischen ihnen gebildet
wird. Die Tiefe dieses Spaltes wird nicht größer als
einige wenige µm. Der Magnetfluß wird auf den Kantenbereich
der Fischgrätennuten 85 konzentriert. Außerdem ist
die Dichtungswirkung in der Lage, einen Druck von ungefähr
5 Atmosphärendrucken auszuhalten. Solange die drehbare
Welle 1 anhält, ist der größte Teil des Ferrofluids
14 in den Reservenuten 85 b und 85 c gespeichert, und irgendwelche
Leckundichtigkeiten nach außen werden verhindert.
Wenn die drehbare Welle 1 ihre Rotation beginnt, wird das
Ferrofluid 14 auf das Zentrum des Spaltes zwischen den
beiden Platten 85 und 87 konzentriert, und zwar aufgrund
der Pumpfunktion der Fischgrätennuten 85 a. Solange die
drehbare Welle mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit
von ungefähr 10 bis 20 U/min rotiert, wird eine Schmiermittelmembran
aus Ferrofluid 14 in ausreichendem Maße
gebildet, so daß die beiden Platten gegeneinander gedreht
werden und nicht in Kontakt stehen. Somit erfolgt kaum
ein Verschleiß oder Abrieb der beiden einander gegenüberliegenden
Oberflächen der beiden Platten 85 und 87.
Während des Normalbetriebs der drehbaren Welle 1 erreicht
der Druckwiderstand der Dichtung 5 bis 200 Atmosphärendrucke
in Relation zu dem Innendruck einer zentralen
Dichtungsoberfläche, und zwar aufgrund der Funktion der
Fischgrätennuten 85 a zur Erzeugung des dynamischen Druckes
des Ferrofluids 14. Dementsprechend kann die hier beschriebene
Anordnung einen ausreichenden Dichtungseffekt
erreichen, indem sie widerstandsfähig gegenüber den
verschiedensten Drucken ist.
Fig. 20 zeigt ein vierzehntes Ausführungsbeispiel, bei
dem eine Doppeldichtungsanordnung vorgesehen ist, und zwar
in Form von zwei einander gegenüberliegenden Dichtungsanordnungen,
so daß der Druckwiderstand der Dichtung noch
weiter gesteigert wird. In diesem Falle ist das Ferrofluid
vollständig in einem Raum 94 zwischen der Doppeldichtungsanordnung
und dem Gehäuse 84 eingefüllt und abgedichtet.
Da die Fischgrätennuten 85 a zur Erzeugung des
dynamischen Druckes in Form eines spiralförmigen Musters
gemäß Fig. 20(b) ausgebildet sind, kann das Ferrofluid
14 wegen ihrer Pumpwirkung auf den Raum 94 gerichtet
werden.
Fig. 21 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Magnetscheibe
oder Magnetplatte 85, auf deren Oberfläche eine Beschichtung
85 x aus Kunstharz ausgebildet ist. Das Material
der Magnetplatte 85 kann aus Stahl oder Kunststoff oder
einem Magneten oder einer nicht-magnetischen Substanz
bestehen. Die Beschichtung 85 x, die vorzugsweise aus
Kunststoff oder einem zusammengesetzten Kunststoffmaterial
mit hoher Verschleißfestigkeit besteht, wird durch
Einformen, Spritzgießen oder dgl. hergestellt. Dann werden
die Fischgrätennuten 85 a gleichzeitig hergestellt. Beispielsweise
kann die Magnetplatte 85 aus einem in Polyamidharz
eingebauten Magneten bestehen, der 80 Gew.-% Bariumferritpulver
enthält. Andererseits kann die Beschichtung
85x aus einem Polyphenylsulfidharz bestehen, das 20 Gew.-%
Kohlefasern enthält und dessen Dicke etwa 80 µm beträgt.
Als Resultat hat die Anmelderin festgestellt, daß ein
linearer Ausdehnungskoeffizient der Magnetplatte 85 nahezu
äquivalent dem der Beschäftigung 85 x ist. Die in der Beschichtung
85 x ausgebildeten Fischgrätennuten 85 a sind
sehr dünn, d. h. sie haben eine Dicke von einigen 10 µm
und besitzen eine ausreichende Fähigkeit, das Ferrofluid
darin zu halten. Dementsprechend können die Verschleißfestigkeits-
und Antikorrossionseigenschaften der Magnetplatte
85 weiter gesteigert werden.
Fig. 22 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Magnetplatte
85, deren Oberfläche als zickzackförmige, grobe
Oberfläche 95 a ausgebildet ist, so daß die Beschichtung
85 x an dieser fest anhaften kann.
Fig. 23 zeigt ein fünfzehntes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wobei der Nachteil einer herkömmlichen Anordnung,
z. B. gemäß Fig. 18, in Wegfall gebracht worden ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Oberfläche
des Dichtungsringes 71 und der Oberfläche des Einsatzes
70 der Dichtungsring 85 ausgebildet, auf dessen
Oberfläche auch Fischgrätennuten 85 a eingraviert oder
eingearbeitet sind, um den dynamischen Druck des Ferrofluids
zu erzeugen. Genauer gesagt, sind die Fischgrätennuten
85 a in einer Harzmembran des Dichtungsringes 85 aus
Polytetrafluorethylen durch Einformen ausgebildet. Somit
ist die Oberfläche des Einsatzes 70 von der des Dichtungsringes
71 unter Verwendung des Ferrofluids separiert.
Diese Dichtungsanordnung ist zum Abdichten einer drehbaren
Welle 1, eines Kompressors oder einer Pumpe mit
relativ großen Abmessungen geeignte.
Fig. 24(a) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Magnetplatte 85, um einen ausreichenden Druckwiderstand
der Dichtungsanordnung zu erzielen. Zur Erhöhung des
Druckwiderstandes im Anhaltezeitpunkt der drehbaren
Welle 1 ist nämlich zumindest ein kreisförmiger, abgeflachter
Dichtungsbereich 85 d ringförmig auf der Oberfläche
mit dem Fischgrätenmuster ausgebildet. In der
Anordnung gemäß Fig. 24(a) sind drei kreisförmige abgeflachte
Dichtungsbereiche 85 d vorgesehen. Obwohl die
Magnetplatte 85 in der Richtung ihrer Dicke magnetisiert
werden kann, wird bei der vorliegenden Ausführungsform
auf der ebenen Oberfläche in einer mehrfachen ringförmigen
Anordnung vorgenommen. Wenn unter diesen Umständen
die drehbare Welle 1 anhält, wird der Dichtungseffekt
auf der ebenen Oberfläche und gleichzeitig die Wirkung
der Abdichtung von irgendwelchen kleinen Spalten unter
Verwendung des Ferrofluids erhalten. Somit kann eine
doppelte Dichtungsfunktion in einem großen Bereich erzielt
werden. In Fig. 24(b) ist ein Schnitt durch die Anordnung
gemäß Fig. 24(a) dargestellt, wobei die Anordnung der
flachen Bereiche 85 d sowie die Magnetisierung der Anordnung
dargestellt sind.
Fig. 25(a) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Magnetplatte 85, die einen weiter vergrößerten Druckwiderstand
bei der Abdichtung besitzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind zusätzlich zu den Fischgrätennuten 85 a
noch Nuten 85 e ausgebildet, um zu verhindern, daß die
abzudichtende Flüssigkeit nicht in die Fischgrätennuten
85 a zur Erzeugung des dynamischen Druckes eindringt. Die
zu diesem Zweck vorgesehenen Nuten 85 e sind entweder am
Außenumfang der Magnetplatte 25 oder an ihrem Innenumfang
vorgesehen.
In diesem Falle sollte die Richtung der Fischgrätennuten
85 a der Richtung der Nuten 85 e entgegengesetzt sein. Außerdem
sind die Nuten 85 e in einem kleinen Abstand von den
Reservenuten 85 b und 85 c angeordnet. Außerdem ist es wünschenswert,
ein kreisförmiges, abgeflachtes oder flaches
Teil 85 f vorzusehen. Wie oben beschrieben, ist gemäß einem
wesentlichen Aspekt der Erfindung zwischen der Magnetplatte
mit den Fischgrätennuten zur Erzeugung des dynamischen
Druckes und der ihr gegenüberliegenden Drucklagerplatte
das Ferrofluid eingefüllt, so daß sich die beiden Scheiben
oder Platten gegeneinander drehen, ohne dabei in Berührung
zu stehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen
die Dichtungsfunktion und die Lagerfunktion in wirksamer
Weise in Radial- und Axialrichtung ausgeübt wird, werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 27 bis 29
erläutert, wobei in diesem Zusammenhang zunächst einmal
eine Erläuterung einer herkömmlichen Anordnung gemäß Fig. 26
erfolgen soll.
Im allgemeinen werden zur Abdichtung einer drehbaren
Welle O-Ringe, Wilson-Ringe etc. verwendet, aber ihr
Nachteil besteht darin, daß eine Rotation der drehbaren
Welle mit hoher Geschwindigkeit schwierig wird, ohne
Schmieröl zuzuführen, und es können gewisse Leckundichtigkeiten
oder Spritzer des Schmieröls auftreten. Aus
diesem Grunde wird das Ferrofluid zur Abdichtung der
drehbaren Welle verwendet.
Von einem theoretischen Standpunkt aus gewährleistet
die Dichtungsanordnung unter Verwendung von Ferrofluid
eine Hochgeschwindigkeitsrotation der drehbaren Welle
und eine vollständige Abdichtung, ohne irgendein Schmieröl
zuzuführen, auch unter Hochvakuumbedingungen mit 10-18
Torr. Dementsprechend ist die Anordnung sehr geeignet
zur Abdichtung einer drehbaren Welle einer Vakuummaschine.
Fig. 26 zeigt einen Schritt durch eine herkömmliche
Dichtungs- und Lageranordnung unter Verwendung von
Ferrofluid. Das Bezugszeichen 95 bezeichnet einen Behälter,
z. B. einen Vakuumbehälter, in den die Dichtungs-
und Lageranordnung eingebaut ist. Das Bezeugszeichen
96 bezeichnet ein Gehäuse, das luftdicht auf dem Behälter
95 montiert ist, in welchem die drehbare Welle 1
mittels Kugellagern 97 und 98 drehbar ist. Das Bezugszeichen
107 bezeichnet eine Dichtungsanordnung unter Verwendung
von Ferrofluid, die in das Gehäuse 96 eingebaut
ist. Die Dichtungsanordnung 107 weist einen Magnetring 99,
einen nicht-magnetischen Ring 100, der mit ihm verbunden
ist und der drehbaren Welle 1 direkt gegenüberliegt, sowie
Polstücke 101 und 102 auf, die den Magnetring 99 und
den nicht-magnetischen Ring 100 tragen. Die Bezugszeichen
103 und 104 bezeichnen O-Ringe zur Abdichtung eines Spaltes
zwischen dem Gehäuse 96 und den Polstücken 101 und
102.
Eine große Anzahl von Vorsprüngen 105 a ist auf einer zylindrischen
Hülse oder Buchse 105 ausgebildet, die an einer
ersten Oberfläche 101 a und einer zweiten Oberfläche 102 a
der drehbaren Welle 1 befestigt ist. Das Ferrofluid 14 als
Dichtungsmittel ist in einen Spalt 106 zwischen der drehbaren
Welle 1 und der Dichtungsanordnung 107 eingeführt.
Dann wird es durch den zwischen den Polstücken 101 und 102
und der großen Anzahl von Vorsprüngen 105 ausgebildeten
Magnetfluß stark angezogen.
Der Druckwiderstand einer derartigen herkömmlichen Anordnung
ist jedoch pro Stufe der Vielzahl von Vorsprüngen
105 a sehr gering, d. h. er beträgt ungefähr 0,1 Atmosphärendruck.
Dementsprechend ist zur weiteren Erhöhung des
Druckwiderstandes eine mehrstufige Labyrinth-Dichtungsanordnung
erforderlich. Außerdem muß der Magnetring 99
stark und mit großen Abmessungen ausgebildet werden. Infolgedessen
wird der Aufbau der herkömmlichen Anordnung
kompliziert und ihre Herstellungskosten sehr hoch. Zur
Beseitigung dieser Nachteile von herkömmlichen Anordnungen
sind gemäß der Erfindung spezielle Maßnahmen vorgesehen.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt bei diesem Ausführungsbeispiel
weist die Dichtungs- und Lageranordnung unter
Verwendung von Ferrofluid folgende Bauteile auf: mindestens
einen radialen Dichtungsring, der aus einem Paar
von Magneten besteht, auf deren Innenoberfläche Fischgrätennuten
zur Erzeugung des dynamischen Druckes des
Ferrofluids ausgebildet sind; eine Drucklagerscheibe
oder Drucklagerplatte, die integral oder zusammen mit der
drehbaren Welle drehbar ist; und ein Paar von befestigten
Dichtungsringen aus Magneten, die im Abstand von der drehbaren
Welle angeordnet sind und den beiden Oberflächen der
Drucklagerplatte gegenüberliegen.
Das eine Bauteil von Drucklagerplatte und dem Paar von
befestigten Dichtungsringen besteht aus einem Magneten,
während das jeweilige andere Bauteil auf seiner Oberfläche
mit den Fischgrätennuten zur Erzeugung des dynamischen
Druckes des Ferrofluids versehen ist. Mit der
oben angegebenen Dichtungsanordnung wird somit eine vollständige
Dichtungswirkung realisiert.
Fig. 27(a) zeigt ein sechzehntes Ausführungsbeispiel gemäß
der Erfindung. Dabei bezeichnen das Bezugszeichen 108
einen radialen Dichtungsring und das Bezugszeichen 109
einen Druck- oder axialen Dichtungsring. Das Bezugszeichen
110 bezeichnet eine magnetische Dichtungseinrichtung,
die integral den radialen Dichtungsring 108, den axialen
Dichtungsring 109 und das Ferrofluid 14 enthält.
Der radiale Dichtungsring 108 besteht aus einem Paar von
in Kunststoff eingebauten Magneten, die die drehbare
Welle 1 konzentrisch umgeben; auf seiner Innenoberfläche
ist er mit Fischgrätennuten 111 zur Erzeugung des dynamischen
Druckes des Ferrofluids 14 versehen.
Der axiale Dichtungsring 109 weist eine Druck- oder Axiallagerplatte
112 und zwei Magneten 113 auf, die der Drucklagerplatte
112 gegenüberliegen und im Abstand von der
drehbaren Welle 1 angeordnet sind. Die beiden Magneten
113 sind am Gehäuse 96 befestigt. Jeder Magnet 113 ist
auf seiner Innenoberfläche, die der Drucklagerplatte 112
gegenüberliegt, mit Fischgrätennuten 113 a versehen, deren
Tiefe ungefähr 20 bis 30 µm beträgt. Am jeweiligen Innen-
und Außenumfang der Fischgrätennuten 113 a sind, wie in
Fig. 27(b) dargestellt, kreisförmige Nuten 113 b und 113 c
zur Aufnahme des Ferrofluids 14 in Reserve vorgesehen.
Der Magnet 113 wird in gleicher Weise wie oben beschrieben
hergestellt.
Die axiale Lagerplatte oder Drucklagerplatte 112 kann
durch eine Platte aus weichem Stahl als Magnetmaterial
ersetzt werden, so daß der gewünschte Magnetkreis erhalten
wird. Die Anziehung des Ferrofluids ist nämlich stark,
und der Druckwiderstand der Abdichtung wird vergrößert.
Wenn andererseits die Drucklagerplatte 112 durch ein
nicht-magnetisches Material, wie z. B. rostfreien Stahl,
ersetzt wird, wird das Start- oder Anfangsdrehmoment der
drehbaren Welle 1 klein. Dementsprechend ist das Material
der Drucklagerplatte 112 vom Betriebs- oder Benutzungszustand
abhängig. Weiterhin ist es möglich, die Fischgrätennuten
113 a und die Reserve-Nuten 113 b und 113 c
zumindest auf einer Oberfläche der Drucklagerplatte 112
einzuarbeiten oder einzugravieren. Weiterhin kann die
Drucklagerplatte 112 aus einem Magneten bestehen, während
der Magnet 113 durch ein nicht-magnetisches Bauteil ersetzt
werden kann. Schließlich kann das Profil der Nuten
113 a ein spiralförmiges Muster haben.
Die Funktion der Dichtungs- und Lageranordnung gemäß der
Erfindung wird nachstehend näher erläutert: Während der
Zeit, wenn die drehbare Welle 1 anhält, wird das Ferrofluid
14 durch die Magnetkraft angezogen, so daß irgendwelche
Leckagen, Leckundichtigkeiten oder Spritzer dieses
Materials nach außen vollständig verhindert werden. Somit
wird die Dichtungswirkung unter Verwendung des Ferrofluids
14 in radialer und axialer Richtung erzielt. In diesem
Falle wird der Dichtungsspalt sehr klein, und die Magnetflußintensität
des Kantenbereiches der Fischgrätennuten
wird intensiviert. Somit wird der Druckwiderstand weiter
vergrößert. Wenn die drehbare Welle 1 startet, wird das
Ferrofluid 14 im Zentrum der Dichtungsoberfläche durch
die Pumpfunktion der Fischgrätennuten 111 und 113 a konzentriert.
Sobald die drehbare Welle 1 mit einer sehr
niedrigen Geschwindigkeit von 10 bis 20 U/min startet,
wird eine ausreichende Schmiermittelmembran aus Ferrofluid
14 ausgebildet. Der Druckwiderstand während des
Normalbetriebes der drehbaren Welle 1 erreicht 5 bis 200
Atmosphärendrucke aufgrund des Druckes im Zentrum der
Dichtungsoberfläche, was durch die Funktion der Fischgrätennuten
111 und 113 a hervorgerufen wird. Somit gewährleistet
die vorliegende Dichtungsanordnung eine vollständige
Dichtungswirkung, die in der Lage ist, einen
breiten Bereich von Drucken dicht auszuhalten, und zwar
einschließlich einer Hochvakuumdichtung, einer unter hohem
Druck stehenden Dichtung etc. Auch wenn die drehbare Welle
1 mit hoher Geschwindigkeit rotiert, wird dass Ferrofluid
vollständig durch die Magnetkraft angezogen, so daß jegliche
Leckagen nach außen vollständig verhindert werden.
Fig. 28 zeigt ein siebzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei die Kugellager 97 der Anordnung gemäß
Fig. 27 durch einen radialen Dichtunsring 108 ersetzt
sind. Sobald die drehbare Welle 1 rotiert, wird ein hoher
Druck des Ferrofluids aufgrund der Pumpfunktion der Fischgrätennuten
111 und 113 a erzeugt. Die drehbare Welle 1
bewegt sich bei ihrer Rotation in radialer und axialer
Richtung, ohne mit den beiden radialen Dichtungsringen
108 und dem axialen Dichtungsring 109 in Berührung zu
kommen. Außerdem üben die radialen Dichtungsringe 108 und
der axiale Dichtungsring 109 die Funktion von Lagern aus.
Somit ist ihr Verschleiß sehr klein und es entstehen weder
Spritzer des Ferrofluids noch starke Geräusche bei der
Rotation.
Fig. 29 zeigt ein achtzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei der radiale Dichtungsring 108 und der Druck-
oder axiale Dichtungsring 109 mit einem ringförmigen
Lager 114 aus Kunststoff oder zusammengesetztem Kunststoff
kombiniert sind. Das heißt, das Lager 114 besteht aus nichtmagnetischem
Material. Der radiale Dichtungsring 108 ist
in vier Ringe unterteilt und so angeordnet, daß er das
Plastik- oder Kunststofflager 114 trägt. Der Innendurchmesser
des Kunststoff-Lagers 114 ist etwas kleiner als
der der radialen Dichtungsringe 108. Wenn dementsprechend
die drehbare Welle 1 anhält, sitzt sie auf der Innenseite
114 a des Kunststoff-Lagers 114. Somit berührt die drehbare
Welle 1 die radialen Dichtungsringe 108 überhaupt
nicht. Auf diese Weise kann die Verschleißfestigkeit des
für die radialen Dichtungsringe 108 verwendeten Kunststoffmaterials
geringer sein als die des radialen Dichtungsringes
gemäß Fig. 28. Da außerdem die Oberfläche der
drehbaren Welle 1 frei von irgendwelcher Reibung ist, und
zwar durch ein im radialen Dichtungsring 108 enthaltenes
Magnetpulver, ist dadurch die Beschädigung der drehbaren
Welle 1 sehr gering. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels
ist für häufige Start- und Stopp-Vorgänge der
drehbaren Welle 1 geeignet.
Die Struktur bzw. der Aufbau des axialen Dichtungsringes
109 gemäß Fig. 29 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 27
und 28. Das bedeutet, der axiale Dichtungsring 112
steht mit einer Schulter oder einem Kragen 115 in Eingriff,
der an der drehbaren Welle 1 befestigt ist. Der
axiale Dichtungsring 112 ist stets elastisch gegen den
festen Dichtungsring 113 angepreßt, und zwar mittels
einer Vielzahl von O-Ringen 116. Das Ferrofluid 14 ist
vollständig in einen Raum 117 eingefüllt. Während der
Zeit, wo die drehbare Welle 1 anhält, ist der axiale
Dichtungsring 112 gegen den festen Dichtungsring 113
angedrückt, so daß die Anziehung durch die Magnetkraft des
Ferrofluids weiter vergrößert wird, und der Druckwiderstand
der Dichtung wird größer. Dabei wird nämlich ein
Spalt zwischen den beiden Ringen 112 und 113 vollständig
abgedichtet.
Fig. 30 zeigt ein neunzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei eine Dichtungsanordnung mit ausgezeichneter
Dichtungswirkung in axialer Richtung angegeben ist. Eine
Vielzahl von Kugellagern 120 ist zwischen der drehbaren
Welle 1 und einem Gehäuse 119 angeordnet. Die drehbare
Welle 1 ist in ihrem oberen Bereich an einer Hülse oder
Büchse 121 befestigt, die einen magnetischen Dichtungsring
123 mittels Zapfen oder Stiften 122 trägt. Der Dichtungsring
123 liegt einem Dichtungsgehäuse 124 gegenüber, das
in das Gehäuse 119 eingebaut ist. Das Dichtungsgehäuse
124 ist auf seiner Innenseite mit Polstücken 125, einem
ringförmigen Magneten 126 und einem Dichtungsring 127
aus einem nicht-magnetischen Material, wie z. B. Aluminium,
Kunststoff oder dgl., versehen. Die Polstücke 125 und
der nicht-magnetische Dichtungsring 127 sind am
Dichtungsgehäuse 124 befestigt. Das Ferrofluid ist fest und
sicher innerhalb des Dichtunsgehäuses 124 gehalten.
Eine Vielzahl von Nuten 128 zur Erzeugung des dynamischen
Druckes des Ferrofluids ist auf einer Oberfläche
des Dichtungsringes 127 ausgebildet, jedoch können diese
auch auf der einen Oberfläche des anderen Dichtungsringes
123 ausgebildet sein. Das Bezugszeichen 129 bezeichnet
einen O-Ring. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein
Magnetkreis in Richtung des Pfeiles gebildet, und ein
hoher Druck wird auf die Dichtungsoberfläche der Nuten
zur Erzeugung des dynamischen Druckes durch Anziehung
der beiden einander gegenüberliegenden Dichtungsringe
123 und 127 angelegt, so daß der gewünschte
Dichtungseffekt erreicht wird.
Wie oben angegeben, stellt die Dichtungsanordnung gemäß
den Beispielen nach Fig. 26 bis 30 eine Kombination aus
einem axialen Dichtungsring, einem radialen Dichtungsring
und einem Magneten dar und verwendet eine das Ferrofluid
bindende Magnetkraft sowie einen hohen dynamischen
Druck durch Rotation und Zentrifugalkräfte des Ferrofluids.
Dementsprechend wird ein sehr hoher Dichtungseffekt erzielt.
Weiterhin ist es möglich, eine kompakte Dichtungseinheit
zu schaffen, welche die Dichtungsfunktion in
radialer und axialer Richtung in zufriedenstellender
Weise realisieren kann.
Claims (7)
1. Dichtungs- und Lageranordnung, mit einem zylindrischen
Magnetkörper, der einer drehbaren Welle in koaxialer
Anordnung zugeordnet ist und die drehbare Welle radial
und/oder axial lagert,
und mit einem Ferrofluid, das in einem Spalt zwischen
einander gegenüberliegenden Oberflächen des Magnetkörpers
und der drehbaren Welle gehalten ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetkörper in seiner auf der drehbaren Welle gleitenden
Oberfläche mit Nuten zur Erzeugung eines dynamischen
Druckes im Ferrofluid versehen ist, und
aus einer Mischung aus einer
magnetischen Substanz und einem Kunstharz
besteht, wobei der zylindrische Magnetkörper ein Magnetpulver,
10 bis 60 Gew.-% Verstärkungsfasern, wie z. B.
Kohlefasern oder Glasfasern, und einen Füllstoff, wie
z. B. Polytetrafluorethylen oder Graphit enthält und
wobei die Gesamtmenge an Magnetpulver, Verstärkungsfasern
und Füllstoff nicht mehr als 95 Gew.-% ausmacht.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zylindrische Magnetkörper 10 bis 70 Gew.-% Magnetpulver
enthält, so daß er insbesondere bei Radiallagern einsetzbar
ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zylindrische Magnetkörper 70 bis 95 Gew.-% Magnetpulver
enthält, so daß er insbesondere für Dichtungszwecke
verwendbar ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetkörper ein Paar von miteinander verbundenen
Magneten aufweist und beide Magneten jedes Paares mit Nuten
zur Erzeugung von dynamischem Druck im Ferrofluid versehen
sind und wobei jeder Magnet Nuten mit spiralförmigem Pfrofil
besitzt, die in entgegengesetzten Richtungen verlaufen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß Reservenuten zur Aufnahme von einer Reserve an Ferrofluid
in der Nähe der normalen Nuten zur Erzeugung des dynamischen
Druckes im Ferrofluid ausgebildet sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetkörper als Magnetplatte ausgebildet ist und
einer Druck- oder Axiallagerplatte gegenüberliegt.
7. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetplatte 90 bis 95 Gew.-% Magnetpulver enthält.
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