1. Modello di fluido magnetico a: campo magnetico assente b: campo magnetico applicato 1: fluido vettore; 2: particella magnetica; 3: tensioattivo.

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1 Wlodzimierz Ochonski I ferrofluidi e le loro applicazioni 1. Modello di fluido magnetico a: campo magnetico assente b: campo magnetico applicato 1: fluido vettore; 2: particella magnetica; 3: tensioattivo. Nella sua forma più semplice, una guarnizione a fluido magnetico consiste in due estremità polari separate da un magnete permanente a polarizzazione assiale e nel fluido magnetico. Il gioco tra i poli e l albero rotante è riempito da una pellicola di ferrofluido, costretta in posizione da un campo magnetico che obbliga il ferrofluido a restare fisso, chiudendo in tal modo il gioco e formando una tenuta stagna, senza fughe. Sono state studiate tenute a ferrofluido per sistemi sotto vuoto spinto (fino a 10-8 mbar) e per sistemi a gas o liquidi sotto basse pressioni differenziali (fino a 1,0 MPa). Con l attuale tecnologia si sono realizzate configurazioni con alberi rotanti a velocità superiori a giri/min. Il fluido magnetico deve essere compatibile con il gas o liquido di processo per evitare contaminazioni. La stabilità e la durata delle tenute a fluido magnetico sono state verificate facendo tenuta ad altri liquidi. Ne risulta che il deterioramento del fluido magnetico dipende dalla natura e dalla combinazione dei fluidi magnetici e non-magnetici oltre che dalla velocità di rotazione dell albero, dalla temperatura della guarnizione e dal gradiente del campo magnetico. Le tenute a fluidi magnetici sono usate per lo più in ambiente sterile: per esempio, nell industria dei semiconduttori, in robotica (per giunti rotanti), nell industria dei calcolatori (per i motori di azionamento dei dischi rigidi), oltre che per fluidi industriali, come tenute sull albero di pompe e miscelatori rotativi, per applicazioni ibride di tenute a fluidi magnetici e di tipo tradizionale. Caratteristiche dei fluidi magnetici I fluidi magnetici sono sospensioni colloidali stabili di particelle magnetiche, per esempio di magnetite Fe 3 O 4, del diametro di 10 nm circa. I fluidi magnetici o ferrofluidi sono materiali nuovi, tecnologicamente all avanguardia, la cui applicazione industriale più importante sono le guarnizioni di tenuta. Queste guarnizioni realizzano una tenuta ermetica creando una barriera di ferrofluido tra albero rotante e supporto fisso. 21

2 Le particelle sono disperse in diversi veicoli liquidi: acqua, idrocarburi, fluorocarburi, esteri, diesteri, eteri polifenilici; la dispersione è stabilizzata con tensioattivi (acido oleico, polimeri). Si aggiunge tensioattivo per evitare l agglomerazione e sedimentazione delle particelle magnetiche anche con forti gradienti del campo magnetico. Il tensioattivo deve essere adatto al tipo di veicolo e vincere le forze di attrazione - magnetiche o di Van der Waals - agenti sulle particelle. La figura 1 illustra schematicamente i 3. Configurazioni di base delle guarnizioni a fluido magnetico per alberi a e d: con sporgenze realizzate sulle espansioni polari; b e e: con sporgenze realizzate sull albero; c e f: con sporgenze sulla bussola fissata all albero; 1: magnete permanente; 2: espansione polare; 3: sporgenza; 4: fluido magnetico; 5: O-ring; 6: albero; 7: bussola magneticamente permeabile; 8: canale di raffreddamento. componenti del fluido magnetico, che contiene tipicamente 5% in volume di solidi magnetici, 10% di tensioattivo e 85% di veicolo liquido. Quest ultimo viene in genere scelto in base alle esigenze di impiego. In assenza del campo magnetico, i momenti magnetici delle particelle sono distribuiti casualmente ed il fluido non è magnetizzato. Appena si applica il campo magnetico, i momenti magnetici delle particelle si orientano quasi istantaneamente lungo le linee di campo. La magnetizzazione del fluido magnetico reagisce immediatamente alle variazioni del campo magnetico; appena il campo magnetico viene tolto, i momenti diventano rapidamente casuali. In un campo a gradiente, tutto il fluido si comporta come un liquido magnetico omogeneo che si sposta verso l area di massimo flusso. Ciò vuol dire che tali fluidi magnetici possono esser posizionati e controllati con precisione da un campo magnetico esterno. Le forze che tengono il fluido magnetico in posizione sono proporzionali al gradiente del campo esterno ed al valore di magnetizzazione del campo. In altre parole, la forza di ritenzione del fluido può essere regolata a- gendo sulla magnetizzazione del fluido stesso o sul campo magnetico nell area. I fluidi magnetici sono studiati come componenti di un dispositivo e debbono quindi raggiungere le prestazioni previste per questo. Il fluido viene pertanto scelto in base a molti fattori: ambiente, condizioni di esercizio, ecc. Esistono diverse combinazioni di magnetizzazione a saturazione e viscosità, che forniscono ferrofluidi adatti per qualsiasi applicazione. I ferrofluidi vengono prodotti con magnetizzazione a saturazione compresa tra 100 e 500 gauss (10-50 mt) e viscosità compresa tra 1000 e 7500 cp (mpa) [1]. Strutture di base e principi di funzionamento La figura 2 illustra lo schema e il principio di funzionamento di una semplice guarnizione a fluido magnetico per alberi rotanti. La guarnizione si compone di un magnete permanente ad anello a polarizzazione assiale, in contatto con le due espansioni polari, del fluido magnetico e dell albero magneticamente permeabile su cui far tenuta. Il flusso magnetico può essere generato da un unico magnete permanente anulare o da più magneti disposti su un supporto amagneti- 2. Schema e principio di funzionamento delle guarnizioni a fluido magnetico per alberi. 22

3 co. Il fluido magnetico si concentra nei traferri radiali tra le espansioni polari e l albero. Tutti questi elementi formano un circuito magnetico chiuso; la forza magnetica trattiene nei traferri radiali il fluido che assume la forma di un anello di tenuta liquido. Quando l albero è in moto, il fluido magnetico aderisce all espansione polare ed all albero; l anello liquido è sollecitato a rescissione ma resta al suo posto formando così u- na tenuta dinamica. Se la pressione differenziale supera un valore detto pressione di scoppio, il liquido si stacca dal traferro e la tenuta cede. Nella pratica si usano tenute a fluido magnetico a più stadi (figura 3). In questo caso, la struttura focalizzante consiste nei risalti dentati 3 e nelle aree interposte e si forma sulle espansioni polari (figura 3, a, d) o sull albero (figura 3, b, e), generando così un forte campo magnetico in tali zone. Se l albero è di materiale impermeabile magneticamente, deve essere munito di un fodero 7 di materiale magnetico (figura 3, c, f) per chiudere il circuito magnetico. Inoltre, se la sede della guarnizione è di materiale magnetico, un manicotto amagnetico va inserito tra sede e guarnizione per evitare corti circuiti magnetici. Come sorgente magnetica si usano normalmente magneti permanenti in Alnico o, per applicazioni speciali, in terre rare (per esempio, in samario-cobalto o in neodimio-ferro-boro). Il tipico traferro radiale tra espansioni polari ed albero vale 0,05-0,125 mm, aumentabile fno a 0,25 mm per alberi eccentrici. La combinazione di risalti e fluido magnetico forma uno stadio della tenuta. Ogni stadio può resistere ad un differenziale di pressione proporzionale alla forza del campo magnetico sotto il risalto ed al valore di saturazione di magnetizzazione del fluido. Uno stadio può in genere resistere ad un differenziale di kpa. La pressione cui la tenuta può resistere è circa e- guale alla somma delle resistenze a pressione dei singoli stadi. La stabilità delle tenute a fluido magnetico dipende dalla velocità di evaporazione del liquido vettore. Se la temperatura di esercizio supera 80 C, come nel caso di velocità periferiche superiori a 10 m/s, può essere necessario raffreddare la tenuta per evitare l eccessiva evaporazione del vettore ed il degrado del fluido magnetico dovuto al calore sviluppato dalla sollecitazione di taglio viscoso. Le tenute a fluido magnetico sono anche utilizzabili per movimenti alternativi a bassa velocità (fino a 1m/s). 4. Albero verticale passante con guarnizione a fluido magnetico a più stadi a e b: varianti; a: 1: albero; 2: coperchio; 3: scatola della guarnizione; 4: magnete permanente; 5: espansione polare; 6: fluido magnetico; 7: liquido in tenuta; 8: flangia; 9: schermo; 10: intercapedine con gas (aria). b: 1: albero; 2: carcassa della guarnizione; 3: magnete permanente; 4: espansione polare; 5: fluido magnetico; 6: schermo; 7: liquido in tenuta; 8: intercapedine con gas (aria). 5.Tenuta a fluido magnetico a più segmenti con tenuta a labirinto per agitatori ad albero verticale 1: albero; 2: custodia; 3, 4: elementi della tenuta a labirinto assiale; 5: fluido barriera; 6: coperchio; 7, 8: espansioni polari; 9: bussola flangiata; 10: magnete permanente; 11: fluido magnetico; 12,13,14: O-ring. 6. Guarnizione combinata per alberi, composta da girante e tenuta a fluido magnetico a più stadi. 1: albero; 2: custodia; 3: nucleo magnetico; 4, 5: magneti permanenti; 6: anello amagnetico; 7, 8: espansioni polari; 9: fluido magnetico; 10: girante; 11: valvola di non ritorno; 12: canale assiale; 13: canale radiale; 14: liquido in tenuta. Applicazioni delle guarnizioni a ferrofluido La figura 4 mostra il caso di alberi verticali passanti con guarnizioni a ferrofluido a più stadi, per es. per alberi di miscelatori. Nello schema di figura 4a, il fluido magnetico si trova nella scatola 3, fissata al coperchio 2 e disposta sopra il liquido a cui far tenuta 7. Nella cavità del coperchio 2, tra la superficie di tale liquido ed il fluido magnetico si forma l intercapedine di gas (aria) 10, che contrasta direttamente l interazione tra liquido e fluido magnetico trattenuto nei traferri tra le espansioni polari 5 e l albero 1, evitando così il deterioramento del fluido magnetico. Secondo lo schema di figura 4b, il fluido magnetico è nella scatola 2, fissata al rivestimento e situata sotto il liquido 7. Sull albero 1 è fissato lo schermo 6, sopra la tenuta a fluido magnetico; tra lo schermo 6 e la scatola 2 s forma l intercapedine d aria 8 23

4 7. Guarnizioni ibride a fluido magnetico per alberi a: posizione del fluido magnetico con albero fermo o rotante a bassa velocità; b: posizione del fluido magnetico ad albero rotante ad alta velocità; 1: albero; 2: bussola; 3, 4: elementi della custodia; 5: magnete permanente; 6, 7: espansioni polari; 8: fluido magnetico; 9: flangia; 10: fluido magnetico barriera; 11: intercapedine a fluido. 8. Premistoppa con tenute a fluido magnetico a due stadi incorporate a: con magneti a polarizzazione assiale; b: con magneti a polarizzazione radiale; 1: albero; 2: custodia; 3: anello del premistoppa; 4: premistoppa; 5: espansione polare; 6: magnete permanente; 7: fluido magnetico. 9. Guarnizione a fluido magnetico a più stadi combinata con la guarnizione meccanica frontale primaria che impedisce al liquido 7 di venire in contatto diretto con il fluido magnetico evitandone così il deterioramento. La figura 5 è una tenuta a fluido magnetico a più segmenti combinata con u- na tenuta a labirinto per alberi di agitatori verticali. Essa si compone di tre magneti permanenti ad anello 10, delle espansioni polari esterne 7 ed interne 8, dei manicotti flangiati 9, degli anelli di tenuta 12 e 13 e del ferrofluido 11. I magneti 10 e le espansioni polari 7, 8 sono montati sulla cassa 2; i manicotti 9, sull albero rotante 1. Le flange dei manicotti 9 sono alloggiate negli spazi limitati dai fianchi delle espansioni polari 7, 8 e dai magneti 10. Circuiti magnetici chiusi sono formati dai magneti permanenti 10, dalle e- spansioni polari 7, 8, dalle flange dei manicotti 9 e dal ferrofluido 11. Quando la tenuta è in funzione, il ferrofluido 11 è magneticamente trattenuto nei piccoli traferri tra le sporgenze dentate delle espansioni polari 7, 8 ed i fianchi delle flange, assicurando così la tenuta ermetica. I- noltre, il fluido barriera che riempie i labirinti tra il membro 3, ruotante con l albero 1 ed il membro fisso 4 fornisce un ulteriore tenuta ai gas. La figura 6 è una tenuta composita, formata da una girante e da una tenuta a fluido magnetico a più stadi. Quest ultima è montata nella scatola 2 e la girante 10 è fissata all albero 1 dal lato del liquido cui far tenuta 14. La tenuta a fluido magnetico si compone dei magneti permanenti 4, 5 a polarizzazione radiale e dell anello amagnetico diviso 6, delle espansioni radiali 7, 8 e del fluido magnetico 9. I poli del magnete 4 sono disposti N-S rispetto all albero 1; quelli del magnete 5 sono S-N. Tra la girante 10 e la tenuta a fluido magnetico si trova una valvola di non ritorno 11, formata da un anello elastomerico fissato all albero 1. La valvola 11 è collegata al generatore di pressione dai canali 12 e 13. Lungo il resto dell albero la tenuta tra lato atmosferico (area A) e lato stagno al liquido (area B) è assicurata dal fluido magnetico. Quando l albero 1 ruota, la girante 10 sposta il liquido 14 dall area C alla B. Nell area C la pressione scende sotto il valore atmosferico, il che fa intervenire la valvola di non ritorno 11e collega l area C con il generatore di pressione. In tal modo, la tenuta evita la diretta interazione tra liquido cui far tenuta e fluido magnetico, che viene trattenuto nel traferro tra le espansioni polari 7 e 8. La figura 7 è una vista delle tenute magnetiche ibride per alberi, usate nei motori di pompe sommerse, e soprattutto per quelle installate in verticale. La guarnizione è una combinazione centrifuga e a fluido magnetico, con un denso fluido magnetico per far tenuta ad alte o basse velocità di rotazione. Le guarnizioni a fluido magnetico sono disposte assialmente lungo l albero, a monte e a valle della guarnizione centrifuga. A basse velocità di rotazione (la figura 7a), il fluido magnetico è trattenuto dalle guarnizioni magnetiche, che isolano i liquidi dall alloggiamento del motore ed evitano fughe del fluido magnetico dalla guarnizione centrifuga. Ad alta velocità (la figura 7b), parte del fluido magnetico denso è proiettata nella camera della guarnizione centrifuga dall elevata forza centrifuga e costituisce una tenuta efficace, resistente alla forte differenza di pressione tra fluidi interni al motore e fluidi esterni, che impedisce a questi ultimi di penetrare nel motore. La figura 8 rappresenta dei premistoppa con incorporate tenute a fluido magnetico a due stadi. Il premistoppa di figura 8a ha le tenute a fluido magnetico con magneti permanenti 5 a polarizzazione assiale, mentre quello di figura 8b ha magneti a polarizzazione radiale. Le tenute a fluido magnetico sono sistemate tra i due premistoppa 4 e provvedono a lubrificare questi ed a migliorarne l ermeticità. La figura 9 è una tenuta a fluido magnetico a più stadi combinata con una guarnizione frontale meccanica primaria. Con questa disposizione le emissioni di contaminanti volatili possono scendere fino a praticamente 0 ppm; essa rappresenta un alternativa semplice ed economica alle con- 24

5 10. Guarnizione a fluido magnetico a più stadi per alberi rotanti e in moto lineare. 1: albero; 2: custodia; 3: bussola di fermo; 4: magnete permanente; 5: espansione polare; 6: fluido magnetico; 7: anello d tenuta in elastomero; 8: bussola flangiata; 9: supporto per moto lineare; 10: O-ring. figurazioni a guarnizioni multiple. La guarnizione frontale fa tenuta all alta pressione del liquido di processo, ma non è ermetica; pertanto, alquanto liquido e vapore sfuggono alla tenuta meccanica e si accumulano nello spazio tra le due tenute. Uno scarico sul premistoppa elimina il liquido, mentre il vapore è inviato ad un sistema esterno di ricupero. La figura 10 mostra una guarnizione a fluido magnetico per alberi con moto lineare e rotativo. L albero 1 è montato su supporti lineari 9, sistemati nelle bussole flangiate 8. La guarnizione a fluido magnetico si compone di un magnete permanente ad anello 4 a polarizzazione assiale, di due bussole di fermo 3, delle espansioni polari 5, degli anelli di tenuta in elastomero 7 e del fluido magnetico 6. Le espansioni polari 5, separate dagli anelli di tenuta 7, sono inserite nelle cavità delle bussole di fermo 3. Queste ultime e il magnete 4 disposto tra di esse sono fissati nella scatola 2. Un circuito magnetico chiuso si forma tra le bussole 2, il magnete 4, le espansioni polari 5, il fluido magnetico 6 e l albero 1. Il fluido 6 viene trattenuto magneticamente nei traferri radiali, tra i bordi delle espansioni polari 5 e l albero 1. Gli anelli elastomerici 7 impediscono la fuoriuscita del fluido 6 mentre l albero 1 si muove linearmente. In figura 11 si vede una guarnizione combinata per un pistone a doppio effetto in un cilindro idraulico, composta da due anelli di tenuta con sezione a U e di guarnizioni a fluido magnetico. L assieme consiste in due anelli di tenuta di sezione a U 4, anelli di supporto 5, due magneti permanenti 6, nei manicotti magneticamente impermeabili 9, fissati al pistone 3 e in due espansioni polari 7 sui due lati del pistone 3. Due circuiti magnetici chiusi sono formati dal pistone 3, dai magneti 6, dalle espansioni polari 7, dal fluido magnetico 8 e dalla carcassa 2. Il fluido 8 è magneticamente trattenuto nei traferri tra la dentatura del pistone 3 e le e- spansioni polari 7 e la superficie interna cilindrica della carcassa 2, ed assicura la lubrificazione del pistone e una miglior tenuta del cilindro. La figura 12 illustra degli esempi di applicazioni delle tenute a fluido magnetico per condizioni statiche. Le applicazioni in figura 12a e 12b prevedono un magnete permanente ad anello 3 a polarizzazione radiale, due espansioni polari Guarnizione combinata per pistoni di cilindri oleodinamici, composta di anelli di tenuta ad U e tenute a fluido magnetic o a più stadi. 1: stelo del pistone; 2: custodia; 3: pistone; 4: anello ad U ; 5: anello di contenimento; 6: magnete permanente; 7: espansione polare; 8: fluido magnetico; 9: bussola magneticamente impermeabile. 12. Esempi d i guarnizioni a fluido magnetico per tenute statiche a-b-c-d: varianti 1: flangia; 2: coperchio; 3: magnete permanente; 4: espansione polare; 5: fluido magnetico; 6: O- ring. ed il fluido magnetico 5. Nello schema di figura 12a, il magnete 3 e le espansioni polari 4 si trovano nella cavità della flangia 1; in quello di figura 12b, nella cavità del coperchio 2. Il fluido magnetico 5 è chiuso nei traferri tra i denti delle espansioni polari 5 e le superficie piane del coperchio 2 o della flangia 1, assicurando così la tenuta. Le applicazioni di figura 12c e 12d prevedono un magnete permanente ad anello a polarizzazione assiale, due espansioni polari ad a- nello 4 ed il fluido magnetico 5. Nello schema di figura 12c, la tenuta a fluido magnetico si trova nella cavità della flangia 1; in figura 12d, nella cavità del coperchio 2. In ambo i casi, il fluido magnetico 5 è racchiuso tra i denti delle e- spansioni polari 4 e la superficie cilindrica del coperchio 2 o della flangia 1. W. Ochonski - Università di Cracovia (Polonia). 25