CH622596A5

CH622596A5 - Sealing device on components between which there occurs a rectilinear relative motion

Info

Publication number: CH622596A5
Application number: CH650177A
Authority: CH
Inventors: Friedrich Dr Dr Laussermair; Bruno Dr Rer Nat Stemmler
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1976-06-26
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1981-04-15
Also published as: FR2356066A1; SE7707257L; DE2628831A1; FR2356066B1; NL7705853A; ATA358277A; GB1575145A; AT357836B; JPS531750A; IT1082068B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsvorrichtung an Bauteilen, zwischen denen eine geradlinige Relativbewegung stattfindet.

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Diverse Technologien befassen sich mit der Problematik zur Abdichtung von Räumen, die entweder unterschiedliche Medien enthalten und/oder verschiedenen Drücken ausgesetzt sind. In dieser Hinsicht sind die Fälle besonders 5 problematisch, in denen sich bewegende Bauelemente Teile der Trennzonen bilden.

Für untergeordnete Zwecke erfolgt die klassische Lösung derartiger Probleme durch Stopfbüchsen mit verschiedenen Packungen oder Labyrinthe (mit Drosselspalten). Für höhere 10 Anforderungen und hermetische Abdichtungen werden Membranen, Bälge, Stopfbüchsen mit selbstdichtenden Packungen, spezielle Stopfbüchsen mit Sperrgas oder stopfbüchsenartigen Abdichtungen eingesetzt. Die Membranen werden an die an der Relativbewegung beteiligten Bauteile befestigt und ent-15 sprechend dem Bewegungshub dimensioniert. Somit ist in vielen Fällen, wie z. B. bei Kolbenstangen eines Stirling-motors die Membran U-förmig gestaltet (Rollsocken, Stulpdichtung). Im Betrieb der arbeitenden Bauteile ist die Membran in einer ständigen Biege- bzw. Abrollbewegung und 20 somit hohen Belastungen ausgesetzt, welche die Lebendauer der Dichtung stark beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die für hohe Dichtungsansprüche geeignet eine von der Be-25 wegungsfrequenz unabhängige Lebensdauer aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine als Dichtungsmedium dienende magnetische Flüssigkeit, die in einem Magnetfeld zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen festgehalten ist und einen Magnet, 30 der in einem der Bauteile eingesetzt ist und zur Erzeugung des genannten Magnetfeldes dient.

An der abzudichtenden Stelle wird ein Magnetfeld erzeugt, das sich über den Spalt zwischen den Bauteilen bzw. innerhalb eines Bauteiles erstreckt. In diesem Feld sammelt 35 sich die magnetische Flüssigkeit, die zur Abdichtung der angrenzenden Räume nach Massgabe der Feldstärke dort festgehalten wird.

Im Bereich rotierender Wellen ist zwar die magnetische Flüssigkeit als Dichtung bereits zum Einsatz gekommen. 40 Zu diesem Zweck hat die Welle im Dichtungsbereich ein sägezahnartiges Profil, an dessen Spitzen sich die Magnetflüssigkeit im radialen Magnetfeld sammelt und den Spalt überdeckt. Das radiale, den Spalt durchdringende Magnetfeld wird durch einen um die Riefen gestellfest angeordneten 45 Permanentmagneten erzeugt.

Dagegen hat bei Anordnungen mit sich axial bewegenden Bauteilen, beispielsweise Kolben von Verbrennungsmaschinen, die Magnetflüssigkeit jedoch lediglich als Schmiermittel eine Anwendung gefunden. Gegen deren Einsatz die Dich-50 tungszwecke auf diesem Gebiet spielen Faktoren, wie die durch Hin- und Herbewegung hervorgerufenen Axialkräfte auf die Flüssigkeit sowie Wirbelstromverluste, eine Rolle, die derartige Dichtungen als eine im Verhältnis zu den Belangen doch recht unrentable Lösung erscheinen lässt. Diese 5S Problematik wird jedoch durch die Erfindung überwunden.

Je nach der Ausführungsform kann der Magnetfluss beide oder auch nur ein Bauteil an deren Grenzfläche durch-fliessen.

Als Felderreger kann entweder ein Dauermagnet oder 60 ein Elektromagnet vorgesehen sein.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung verläuft der magnetische Fluss überwiegend durch ein Bauteil. Hierbei kann durch entsprechende Bemessung der Geometrie erreicht werden, dass das Magnetfeld sich über die Breite 65 des Spaltes ausdehnt, jedoch ohne in das gegenüberliegende Bauteil eindringen zu müssen. Hierdurch ist es möglich, eine Dichtung mittels magnetischer Flüssigkeit auch in Anlagen einzusetzen, in den mindestens ein Bauteil aus einem Kunst

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stoff oder im allgemeinen aus nicht ferromagnetischem Material besteht.

Bei Anordnungen mit radialem bzw. annähernd radialem Magnetfeld, kann zur Bildung eines Magnetflusses das dem Magnet gegenüberliegende Bauteil nur stellenweise aus ferro- s magnetischem Material bestehen, wobei die ferromagneti-schen Teile in Form einer aufgebrachten Schicht sein können.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, können für die magnetische Flüssigkeit eine eventuell gekühlte Bevorratung und Mittel zur Bildung eines Strömungs- io kreislaufes vorgesehen sein. Hierdurch wird ein stationärer Dichtungszustand erreicht und ein unvorhersehbarer Ausfall der Dichtung (durch Verschleiss oder übermässiger Erwärmung der Flüssigkeit) verhindert. Bekanntlich nimmt die ferromagnetische Suszeptibilität mit steigender Tempe- 15 ratur ab. Die von der eventuell gekühlten Bevorratung kommende kalte Magnetflüssigkeit wird am Dichtungsort in das magnetische Feld hineingesaugt, während eine äquivalente Menge erwärmter Magnetflüssigkeit hieraus verdrängt wird und in den Rücklaufzweig gelangt. Hierdurch wird bereits 20 ohne zusätzliche Fördereinrichtung ein Zwangsumstrom erreicht, der als Kühl- und Regenerierkreislauf aufzufassen ist.

Die Kühlung der Magnetflüssigkeit kann aber auch durch Kühlung eines oder aller Bauteile oder des Flüssigkeits- 25 Kreislaufes erfolgen.

Hohe Anforderungen der Dichtungen werden nicht nur dann gestellt, wenn in etwa hohe Bewegungsfrequenzen auftreten, sondern insbesondere auch bei grösseren Druckunterschieden. Hierbei kann die magnetische Flüssigkeit mengen- 3Q mässig auf mindestens zwei voneinander getrennte Dichtungsbereiche aufgeteilt sein, und es kann eine Druckvorrichtung vorhanden sein, die dazu dient, zwischen diesen Dichtungsbereichen einen pneumatischen oder hydraulichen Stützdruck zu erzeugen, um die Dichtwirkung der Vorrichtung 35 zu fördern. Auch kann die Druckvorrichtung den Stützdrutk nur bei Druckspitzen erzeugen. Zweckmässig sind die Dichtungsbereiche, zwischen denen) der Stützdruck wirksam ist, in Bewegungsrichtung der Relativbewegung der Bauteile betrachtet hintereinander angeordnet. 40

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet den Einsatz ferromagnetischer Flüssigkeit (en) in einer Bauteilkonstruktion aus einer bzw. mehrerer konzentrisch angeordneter Tauchglocken (Tauchglockenilabyrinth).

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin-dung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1—5 eine schematische Darstellung von Dichtungsstellen für sich axial bewegende Bauteile, wobei

Fig. 1 eine Dichtungsstelle mit einem Permanentmagneten, Fig. 2 und 3 eine Dichtungssltelle mit einem bzw. zwei Elektromagneten,

Fig. 4 eine Dichtungsstelle mit durch Isolierstücke getrennte Ringmagneten und

Fig. 5 eine Dichtungsstelle mit einer Tauchglocke zeigt. In der Zeichnung sind lediglich die Dichtungsstellen von beispielsweise Kolbenstangen von Arbeitsmaschinen darge- 55 stellt. In Fig. 1 ist eine Stange 10 von einem Gehäuse 11 unter Beibehaltung eines Spaltes 12 umgeben. Der untere Spaltraum 13 ist vom oberen Spaltraum 14 mittels einer erfindunigsgemässen Dichtung getrennt. Die Dichtung besteht aus einem im Gehäuse 11 verankerten ringförmigen Per- 60 manentmagneten 16, der in Zusammenwirkung mit einem ferromagnetischen, in der Stange eingelassenen Ring 17 ein Magnetfeld erzeugt, deren Feldlinien den Spalt 12 im wesentlichen radial überqueren. Als Dichtungsmedium dient eine Magnetflüssigkeit 18, die sich im Ringfeld höchster Feldstärke konzentriert und dort festgehalten wird.

Die magnetische Flüssigkeit 18 besteht aus einer ferromagnetische Partikel enthaltenden Trägerflüssigkeit. Durch entsprechende Behandlung dieser Partikel wird das Ausflok-ken derselben bei der Einwirkung eines Kraftfeldes verhindert, so dass sich die Magnetflüssigkeit unter allen Bedingungen als homogenes Medium verhält. Eine solche Flüssigkeit lässt sich unter Verwendung verschiedenartiger Trägerflüssigkeiten herstellen und an die Anforderungen des Einzelfalles, die beispielsweise durch mit der Dichtung in Berührung kommende Strömungsmedien bestimmt sein können, anpassen.

Um hohen Dichtungsanforderungen Rechnung zu tragen und höheren Druckdifferenzen zwischen den Spalträumen 13 und 14 standzuhalten, sind die Polflächen mit spitz zulaufenden Ringen 20 ausgestattet, und somit das Magnetfeld in mehrere mehr oder weniger getrennte Ringfelder aufgeteilt. Auch kann die Dichtung ferner mittels eines von einer Druckvorrichtung 21 erzeugten Stützdrucks unterstützt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Elektromagnet, wie in Fig. 2 gezeigt ist, mit gegeneinander zulaufenden Polen 23 bzw. 24 ausgestattet derart, dass die Feldlinien in etwa in Längsrichtung der Stangenachse verlaufen. Der Magnet 22 ist so angeordnet, dass unter Berücksichtigung der Feldstärke sowie der Feldsteuerung der Spalt 12 im Dichtungsbereich ausreichend vom Magnetfeld durchflutet wird, so dass die angezogene Magnetflüssigkeit die Spaltbreite ausfüllen kann. Ein derartig gestalteter Magnet 22 lässt sich gleichzeitig als Träger einer Bevorratung 25 für die Magnetflüssigkeit ausnützen. Im allgemeinen werden getrennte Bevorratungen angebracht sein, die über einen Zufuhr- und Abfuhr-Kanal mit dem Magnetfeld verbunden sind. Bei hohen Anforderungen können auch mehrere Magnete dieser Art entlang der Stangenachse angebracht werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Eine Reihenanordnung von Magneten lässt sich auch in einer einfachen Weise durch Ringmagnete 30, Fig. 4, herstellen, die getrennt durch Isolierstücke 31 aneinandergereiht sind, wobei die Polung von Magnetring zu Magnetring sich abwechselt.

In der Ausgestaltung gemäss Fig. 5 ist die Stange 10 mit einer Tauchglocke 35 verbunden, die zwei Tauchzylinder 36 und 37 aufweist. Die Tauchzylinder 36 und 37 ragen in im Gehäuse 11 eingearbeitete Ringnuten 38 bzw. 39 hinein. Das Magnetfeld erstreckt sich in den beiden Ringnuten 38 und 39 zwischen Pole, die an den Enden der Tauchzylinder 36 und 37 angeordnet sind, und Gegenpole, die entweder axial oder radial den Polen gegenüberliegend sich am Gehäuse 11 befinden. Die Dichtung enthält eine ausreichende Menge von Magnetflüssigkeit, so dass beim Herausheben der Tauchzylinder aus den Ringnuten bei der einen Hubbewegung der Stange 10 die dabei mitgezogene Magnetflüssigkeit als eine dichtende, geschlossene Ringfläche verbleibt.

Konzentriert sich der Magnetfluss hauptsächlich im Spalt und durchströmt er nur eine dünne Grenzfläche der angrenzenden Bauteile, wobei die magnetischen Pole als dem Bauteil zugehörig betrachtet werden, ist eine maximale Nutzung der magnetischen Feldenergie gewährleistet, die die Herstellung einer zuverlässigen Dichtung mittels magnetischer Flüssigkeit erlaubt.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

622 596 PATENTANSPRÜCHE

1. Dichtungsvorrichtung an Bauteilen, zwischen denen eine geradlinge Relativbewegung stattfindet, gekennzeichnet durch eine als Dichtungsmedium dienende magnetische Flüssigkeit (18), die in einem Magnetfeld zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen (10,11) festgehalten ist, und einen Magnet, der in einem der Bauteile (10,11) eingesetzt ist und zur Erzeugung des genannten Magnetfeldes dient.

2. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Magnetfeldes durch Grenzflächen (17) eines oder mehrerer Bauteile fliesst.

3. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Magnetfeldes ein Elektromagnet vorgesehen ist.

4. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Magnetfeldes ein Permanentmagnet (16, 22) vorgesehen ist.

5. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss überwiegend durch ein Bauteil verläuft.

6. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des magnetischen Flusses ein zweites Bauteil zumindest stellenweise aus ferromagneti-schem Material besteht.

7. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil an der dem Magneten gegenüberliegenden Stelle eine Beschichtung (17) aus ferro-magnetischem Material aufweist.

8. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine siliziumhaltige Legierung als ferromagne-tisches Material.

9. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Einsatz von Ferriten als ferromagnetisches Material.

10. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die magnetische Flüssigkeit eine Bevorratung (25) und Mittel zur Bildung eines Strömungskreislaufes vorgesehen sind.

11. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauteile und/

oder die Mittel zur Bildung des Strömungskreislaufes und die Bevorratung gekühlt sind.

12. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Flüssigkeit mengenmäs-sig auf mindestens zwei voneinander getrennte Dichtungsbereiche aufgeteilt ist, und dass eine Druckvorrichtung (21) vorhanden ist, die dazu dient, zwischen diesen Dichtungsbereichen einen pneumatischen oder hydraulischen Stützdruck zu erzeugen, um die Dichtwirkung der Vorrichtung zu fördern.

13. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckvorrichtung (21) den Stützdruck nur bei Druckspitzen erzeugt.

14. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsbereiche, zwischen denen der Stützdruck wirksam ist, in Bewegungsrichtung der Relativbewegung der Bauteile betrachtet hintereinander angeordnet sind.

15. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Tauchglocke (35) oder ein Tauchglockenlabyrinth aufweist (Fig. 5).