DE3145460C2

DE3145460C2 - Ferrofluiddichtung

Info

Publication number: DE3145460C2
Application number: DE3145460A
Authority: DE
Inventors: Kuldip Merrimack N.H. Raj
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1980-11-19
Filing date: 1981-11-16
Publication date: 1986-01-09
Also published as: DE3145460A1; GB2087988A; GB2087988B; US4357022A; FR2494381B1; CA1161877A; FR2494381A1

Abstract

Eine Ferrofluiddichtung von verlängerter Lebensdauer dient zur Abdichtung von sich drehenden Wellen (26) und ist besonders als Abschlußdichtung für Computer-Plattenantriebsspindeln geeignet. Die Dichtung (10) weist einen ringförmigen Permanentmagneten (14), erste und zweite Polstücke (16, 18) von unterschiedlicher Breite und zwei Ringspalte (20) an der Welle (26) auf. Ferrofluid (24) füllt die Ringspalte (20) und verdunstet zunächst unter dem schmaleren Polstück (16), worauf eine einstufige Ferrofluiddichtung unter dem breiteren Polstück (18) verbleibt.

Description

dadurch gekennzeichnet,

c) daß ein Ferrofluid in den Spalten (20) gehalten wird, um wenigstens zwei magnetische O-Ring Dichtungen um die Welle (26) zu bilden, und daß

d) die ere~n und zweiten Polstücke (16, 18) so geformt sind, daß das F?Tofluid bei Drehung der Welle (26) im ersten Spalt (20) schneller verdunstet und im zweiten Spalt (20) verbleibt

2. FerroP.uiddichtur.g nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Polstück (16) in axialer Richtung der Welle (26) schmaler als das zweite Polstück (18) ist.

3. Ferrofluiddichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Polstück (16) etwa 03 bis 1,0 mm breit ist.

4. Ferrofluiddichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Polstück (18) etwa 13 bis 2,0 mm breit ist.

5. Ferrofluiddichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine unmagnetische, wärmeleitende Platte (30), die an dem zweiten Polstück (18) wärmeübertragend anliegt und zur Temperatursenkung für das Ferrofluid im Spalt (20) des zweiten Polstücks (18) dient.

6. Ferrofluiddichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die wärmeleitfähige Platte (30) bis nahe zu dem ersten Ende des zweiten Polstücks (18) erstreckt.

Die Erfindung betrifft eine Ferrofluiddichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine ähnliche Dichtung ist aus der Zeitschrift KONSTRUKTION 15, (1963) Heft 2, Seite 65, in Form einer Magnetpulverdichtung bekannt, bei der das Magnetpulver nur in einem der von den Polstücken gebildeten Spalte untergebracht ist. Die Polstücke haben unterschiedliche axiale Breite, um eine Magnetflußkonzentration unter demjenigen Polstück zu erreichen, welches

das Magnetpulver bevorzugt festhalten soll.

Eine ähnliche Dichtung ist in der AT-PS 2 77 686 beschrieben, bei der durch unterschiedlich breite Polstükke ein divergierendes Magnetfeld erzeugt wird, um die Ansammlung von Staubteilchen an dem schmaleren Polstück zu erreichen.

Die Zeitschrift MACHINE DESIGN vom 28. März 1968 zeigt auf den Seiten 145 bis 150 Ferrofiuiddichtungen für Wellen mit einem Magneten, an dessen Enden Polstücke angebracht sind. Jedes der Polstücke weist eine Schneide auf, die einen einzigen Ferrofluidring hält Wenn das Ferrofluid aufgrund von Wärmeentwicklung verdunstet, dann ist der Spalt zwischen Polstück und Welle frei und die Dichtung damit unwirksam.

Aus der DE-OS 26 28 831 sind verschiedene mehrstufige Ferrofluiddichtungen bekannt Die einzelnen Ferrofluidringe sind durch geeignete Formgebung der Magnetpole im Abstand zueinander gehalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ferrofluiddichtung

für schnellaufende Wellen oder Spindeln zu schaffen, die bei geringer Baulänge und erhöhter Umgebungstemperatur von mehr als 50⁰C eine größere Lebensdauer als bekannte Ferrofluiddichtungen hat Zur Lösung dieser Aufgabe dienen bei einer Dichtung der eingangs genannten Art die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei bekannte Ferrofluid-Abschlußdichtungen sind zwei konstruktive Grundüberlegungen anzustellen, und zwar eine magnetische, die den Dichtungsdruck bestimmt und eine die Wärmeerzeugung betreffende Überlegung, die für die Lebensdauer verantwortlich ist Im allgemeinen liegt die Druckaufnahmefähigkeit von derzeitigen Ferrofluid-Abschlußdichtungen zwischen etwa 76 und 152 cm Wassersäule, die sich gleichmäßig auf die beiden Polstücke verteilen. Die Druckanforderung für übliche Plattenantriebe beträgt jedoch lediglich etwa 12 cm Wassersäule, ~iz Dichtungen ha ben somit eine beträchtliche Drucksicherheit Tatsäch lich reicht eine einzige Ferrofluid-O-Ringdichtung mehr als hinreichend aus, um dem gewünschter. Druck standzuhalten. Es sind jedoch üblicherweise zwei Polstücke vorhanden, um einen geschlossenen Magnetfluß zu er iialten.

Es ist bekannt, daß über der Ferrofluid-O-Ringdichtung eine Temperaturgradient als Folge der Wärme auftritt, die durch die zähflüssige Abscherung des Ferrofluids zwischen der rotierenden Spindelwelle und dem inneren Durchmesser der feststehenden Polstücke entsteht Ein Teil dieser Wärme wird durch die Polstücke und die Spindelwelle abgeführt. Die Ferrofluid-Arbeitstemperatur hängt somit von den Wärmeabführeigenschaften der Dichtungsstoffe und der Konstruktion ab, die ihrerseits die Verdampfungsgeschwindigkeit des Ferrofluids und damit die Lebensdauer der Dichtung bestimmt. Die Arbeitstemperatur des Fluids ist höher, wenn das Ferrofluid beide Spaltbereiche füllt und wenn nicht nur eine Stufe mit Ferrofluid versehen ist, während die andere Stufe unter sich einen Luftspalt aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß jeder mit Ferrofluid gefüllte Spaltbereich eine unabhängige Wärmequelle darstellt, welche die Temperatur der Dichtungskonstruktion auf einen höheren Wert anhebt, als wenn Ie- diglich eine Stufe mit dem Ferrofluid versehen wäre.

Im Gegensatz zum Dichtungsdruck, der sich also für zwei Stufen gegenüber nur einer verdoppelt, vergrößert sich die Lebensdauer der Dichtung, wenn nur ein Spalt,

und nicht beide oder eine Anzahl von Spalten mit Ferrofluid gefüllt ist. Eine ideale Lösung bestünde darin, daß lediglich ein Polstück in Ferrofluid tauchen würde. Das zweite Polstück, das dann einen Luftspalt bilden würde, würde nur zur Vervollständigung des Magnetflußkreises verwendet werden. Der Luftspalt würde außerdem die Bewegung von Luft aus dem Raum zwischen den Polstücken zulassen. Derzeitige Dichtungsmontageverfahren verhindern jedoch dieses Ziel, da das Ferrofluid in den Magnetbereich eingespritzt wird, was dazu führt, daß eine Ferrofluidwanderung in beide Spaltbereiche erfolgt, wenn die Spindelwelle eingesetzt wird.

Es hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer einer Ferrofluid-Rotationsdichtung durch die Verwendung größeren Polstücken, als dies normalerweise der Fail ist, vorzugsweise durch ungleiche Polstückbreiten verlängert werden kann. Derzeit sind Ferrofluid-Abschlußdichtungen üblich, die als ein- oder mehrstufige Dichtungen Polstücke mit identischer Breite von beispielsweise 762 bis 1143 μπι aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß dickere Polstücke eine längere Lebensdauer der Dichtung ergeben, da sich mehr Ferrofluid in dem gebildet«.*! Spalt befindet, das langsamer verdunstet Außerdem leiten größere Querschnittsflächen die Wärme aus dem Ferrofluid leichter ab. Optimale Polstückdicken von 1,27 mm bis 2,03 mm oder mehr verlängern die Dichtungslebensdauer bis zu 90%.

Insbesondere hat sich eine Abschlußdichtung mit ungleichmäßig breiten Polstücken als besonders zweckmäßig für die Verlängerung der Dichtungslebensdauer erwiesen. Die bekannte zweistufige Ferrofluid-Abschlußdichtung mit zwei Polstücken weist den Nachteil auf, daß die Dichtungslebensdauer praktisch genauso groß wie für eine einzige Stufe ist Da außerdem durch das Ferrofluid unter der zweiten Stufe zwei Wärmequellen vorliegen, ist die Lebensdauer jeder einzelnen Stufe schlechter, als wenn in der zweiten Stufe kein Ferrofluid vorhanden wäre, wenn sich dort also ein Luftspalt befinden würde.

Die Montage von solchen Dichtungen gestattet jedoch nicht nur die Schaffung einer Ferrofluidstufe. Es hat sich gezeigt, daß man die Fluidwanderung zu einer Stufe verhindern könnte, während man gleichzeitig das Fluid an der anderen hält. Für eine Dichtung mit zwei ungleichen Polstücken versagt das schmalere Polstück eher, so daß das dickere Polstück allein ais einstufige Dichtung für den Rest der Abdichtzeit arbeiten kann. Eine Magnetdichtung mit dem dickeren Polstück reicht aber immer noch hinreichend aus, um den Dichtungsdruckanforderungen standzuhalten.

Bei der Bildung einer Dichtung, beispielsweise für Computerbauteile, wird das Ferrofluid in den Magnetbereich der ungleichen Polstückdichtung vor dem Einbau in den Computer-Plattenantrieb injiziert Beim Einsetzen der Spindelwelle wird das Fluid auseinandergezogen und gleichmäßig zwischen den zwei Stufen verteilt, und zwar im allgemeinen im Verhältnis der Breiten der Spalte unter jedem Ende der Polstücke. Versuche mit Wellendurchmessern bis zu 46 mm und Umdrehungsgeschwindigkeiten von 3600 U/min zeigten in Verbindung mit einem 152 μπι Spalt, daß die Ferrofluidtemperatur für das dünnere Polstück höher anstieg als für das dickere Polstück. Der Unterschied ist umso größer, je höher die Fluidviskosität des Ferrofluids ist. Die Breite des dünneren Polstücks ist üblicherweise 635 μηι, 6ΰ beispielsweise 508 bis 1060 μΐη und wird im wesentlichen durch mechanische Festigkeitsüberlegungen bestimmt. Das dickere Polstück soll eine Mindestdicke von 1270 μπι haben. Die Lebensdauer der Dichtung die durch das Versagen der Dichtung am dickeren Polstück gemessen wird, ist etwa 25% bis 100% größer als für bekannte Dichtungen. Bei der Dichtung mit ungleichen Polstücken hält die Ferrofluid-O-Ringdichtung unter dem dickeren Polstück fünf mal länger als am dünneren Polstück, wodurch die Dichtungslebensdauer über die Lebensdauer von Ferrofluiddichtungen mit schmalen oder üblichen Polstücken verlängert wird.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert Es ist klar, daß für den Fachmann zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der Erfindung in Kenntnis dieser Beschreibung vornehmbar sind, die jedoch alle unter den Schutzbereich dieser Erfindung fallen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipskizze einer Ferrofluid-Abschlußdichtung im Querschnitt, und zwar zu Beginn des Betriebes; und

F i g. 2 eine AbschluOdichtung gemäß F i g. 1 nach dem Verdunsten des Ferrofluids unter einem Polstück.

F i g. 1 zeigt eine Ferrofluiddichtung 10 mit längerer Lebensdauer, die einen Permanentmagnetring 14 in einem unmagnetischen Gehäuse 12, beispielsweise aus Aluminium oder aus unmagnetischem rostfreien Stahl aufweist Polstücke 16 und 18 sind an den beiden Seiten des Magneten 14 und an die entgegengesetzten Pole angelegt, um dazwischen einen verscnlossenen Ringraum 22 zu bilden. Der Magnet 14 und die Polstücke 16 und 18 im Gehäuse 12 umgeben eine magnetisch permeable Welle 26, beispielsweise eine Computer-Plattenantriebsspindel. Mit einem Ende erstrecken sich die Polstücke 16 und 18 nahe zur Oberfläche der Welle 26, um einen ersten und zweiten Spalt 20 von bestimmter Breite zu bilden, der typischervveise 50 bis 150 μπι oder größer, vorzugsweise 305 bis 762 μπι gemäß der parallelen Patentanmeldung ist Das Ferrofluid 24, beispielsweise ein Diesterferrofluid von 50 bis 500 cP Viskosität und einer magnetischen Sättigung von 100 bis 450 Gauß, ist in dei> Spalten 20 an den Enden jedes Polstücks 16,18 gehalten, um zwei O-Ringdichtungen 30 und 32 auf der Oberfläche der Welle 26 bei deren Drehung im bilden. Diese Dichtungen sind in parallelen gestrichelten Linien angedeutet. Ein geschlossener Magnetflußweg ist durch gestrichelte Linien 34 angedeutet Das Gehäuse 12 hat in einer Ausführung einen Fortsatz in Form einer ebenen, wärmeleitfähigen, unmagnetischen Platte, beispielsweise 127 bis 508 μΐη aus Aluminium an der Außenlänge, die sich zu dem einen Ende des Polstücks 18 erstreckt und zur Ableitung von Wärme von dem Ferrofluid 24 im Ringspalt 20 unter dem Polstück 18 abzuleiten, wi; dies in der parallelen Patentanmeldung beschrieben ist.

Das Polstück 18 ha: eine größere Breite, beispielsweise 1270 bis 2032 μπι, als das Polstück 16, das beispielsweise 635 bis 1016 μπι breit ist, so daß die Fläche unter der O-Ringdichtung 32 unter dem Polstück 18 breiter ist und die Menge von Ferrofluid 24 im Volumen des Spalts 20 größer ist, obgleich die Spalte 20 unter den Polstükken 16 und 18 gleich sind. Die Dichtung hat eine verlängerte Lebensdauer und bei einem Versagen öffnet sich zunächst die Dichtung unter dem Polstück 16 und gibt den Raum 22 frei, wobei sich eine einstufige Dichtung mit dem Ferrofluid 24 unter dem Polstück 18 bildet, die eine lange Lebensdauer besitzt. Die wahlweise Verwendung des wärmeleitfähigen Fortsatzes 36 und die Verwendung einer größeren Spaltbreite verlängern außer-

dem die Lebensdauer der Dichtung.

F i g. 2 zeigt den Zustand der Dichtung 10 nach dem das Ferrofluid 24 im Spalt 20 unter dem Polstück 16 ausgefallen ist und die Dichtung durch diesen Ausfall zu einer einstufigen Dichtung geworden ist, wobei die Ferrofluiddichtung unter dem breiteren Polstück 18 für die verlängerte Lebensdauer sorgt

Es wurden Versuche mit einer bekannten Abschlußdichtung mit zwei Polstücken von gleicher Dicke vorgenommen, die beispielsweise 1016 μιπ dick waren. Die to Ergebnisse wurden mit einer erfindungsgemäßen Abschlußdichtung mit einem Polstück von 635 μπι und dem anderen Polstück von 1397 μηι Dicke verglichen. Die Versuche wurden mit einem Ferrofluid auf Kohlenwasserstoffbasis mit einer Viskosität von 5OcP und einer magnetischen Sättigung von 200 Gauß, einem 152,4 μπι breiten Spalt der Dichtung bei 100°C durchgeführt, wobei eine 45.72 mm Durchmesser Computer-Plattenantriebswelle mit 3600 U/min lief. Die Computer-Plattenantriebswelle mit 3600 U/min lief. Die bekannte Dich- tung fiel bei etwa 180 Arbeitsstunden aus, während die O-Ringdichtung unter dem dünneren Polstück bei 155 Arbeitsstunden, die ©-Ringdichtung unter dem breiteren 1397 um Polstück erst nach 265 Betriebsstunden ausfiel.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

30

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Claims

Patentansprüche:

1. Ferrofluiddichtung mit verlängerter Dichtungslebensdauer zum Abdichten von rotierenden Bauteilen, mit:

a) einem ringförmigen Permanentstreifen (14), der über eine abzudichtende Welle (26) schiebbar ist und Pole von entgegengesetzter Polarität an seinen beiden ebenen Stirnflächen aufweist; und mit

b) ersten und zweiten magnetisierbaren Polstükken (16,18), welche die Welle (26) umgeben und an beiden Enden des Permanentmagneten (14) derart liegen, daß sie einen Magnetfluß von den beiden Enden des Permanentmagneten (14) zur Oberfläche der Welle (26) einrichten und einen dazwischenliegenden Luftraum (22), bilden, wobei sieb das erste Ende jedes Polstücks (16,18) bis nahe an die Oberfläche (26) erstreckt und mit dieser jeweils mindestens einen Spalt (20) bildet,