DE102018002206A1

DE102018002206A1 - Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohrs

Info

Publication number: DE102018002206A1
Application number: DE102018002206.5A
Authority: DE
Inventors: Ralph Funck; Hans Peter Fuchs
Original assignee: Individual
Current assignee: Albany Engineered Composites Inc
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-19

Abstract

Bekannte Verfahren zur Herstellung von Spaltrohren auf Faserverbundwerkstoffen für nasslaufenden Elektromotoren führen zu schlechter Maßhaltigkeit und großen Toleranzen der Spaltrohre, zum Kriechen oder zu großen Wanddicken der Spaltrohre, führen zu hohen Fertigungskosten oder führen dazu, dass die Spaltrohre den Anforderungen an Dichtigkeit und Festigkeit nicht standhalten. Das neue Verfahren soll diese Nachteile verhindern.
Durch Herstellung einer Innenschicht im Spritzgussverfahren und anschießendem Aufbringen einer faserverstärkten Trägerschicht mit Reaktionsharz im Direktverfahren sowie Aushärten der Trägerschicht auf der Innenschicht werden die im Vorangegangenen beschriebenen Nachteile vermeiden.
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung sehr dünnwandiger, hoch präziser, maßhaltiger und sehr kostengünstiger Spaltrohre aus Faserverbundwerkstoff.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spaltrohr in nasslaufenden Elektromotoren.
Der Spaltrohrmotor, auch Nassläufer genannt, findet beispielsweise als Nassläufer in Pumpenaggregaten Anwendung, deren rotierende Teile sich einschließlich des Rotors beziehungsweise Läufers des antreibenden Elektromotors in dem flüssigen Fördermedium drehen. Voraussetzung dafür ist ein trennendes Rohr im Spalt zwischen Rotor und Stator, im folgenden Spaltrohr genannt. Solche Antriebe benötigen keinerlei Wellendichtung und werden auch als wellenlose Antriebe bezeichnet. Nassläufer oder Spaltrohrmotoren werden beispielsweise nach dem Prinzip des Asynchronmotors, auch Spaltpolmotor oder des Synchronmotors hergestellt. Eingesetzt werden diese Antriebe zum Beispiel in Pumpen der Gebäudetechnik für Trinkwasser und Umwälzpumpen in Heizungssystemen, als Laugenpumpe (Waschmaschine, Geschirrspüler), aber auch als Förderpumpen. Der große Vorteil der fehlenden Dichtung beziehungsweise der hermetischen Trennung zum Fördermedium führt auch zu Anwendungen als Pumpe für Chemikalien und Lebensmittel.
Häufig dichtet ein metallisches Spaltrohr im Spaltrohrmotor den Stator gegenüber dem vom Fördermedium umspülten Rotor ab. Nachteilig ist jedoch der verglichen mit anderen Pumpensystemen deutlich geringerer Wirkungsgrad. Bedingt durch das metallische Spaltrohr werden der Radialspalt zwischen Stator und Rotor vergrößert sowie durch die Leitfähigkeit des metallischen Werkstoffs erhebliche Induktionsverluste hervorgerufen. Aufgrund ihrer sehr guten Isolationswirkung bei zugleich sehr hohen mechanischen Eigenschaften stellen Spaltrohre aus Faserkunststoffverbund (FKV), auch Composite, Faserverbundkunststoff oder Faserverbundwerkstoff genannt, eine hervorragende Alternative als Spaltrohrmaterial dar und können den Wirkungsgrad gegenüber metallischen Spaltrohren erheblich verbessern.
Das Spaltrohr ist ein zentrales Bauteil und muss hohe Anforderungen erfüllen. Das Spaltrohr ist insbesondere gleichzeitig hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt, unterliegt Druck- und Temperaturschwankungen und muss zugleich eine hohe Medienbeständigkeit aufweisen und muss je nach Anwendung auch trinkwasserzugelassen sein. Ausfälle oder Undichtigkeiten im Betrieb können zu Folgen mit unkalkulierbarem Ausmaß führen.
Spaltrohre aus Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen sind bekannt und werden heute beispielsweise durch Aufpressen vorgefertigter Faserverbundhülsen auf Kunststoffhülsen hergestellt. Nachteilig hierbei sind unter anderem die hohen Anforderungen an die Fertigungstoleranzen des Außendurchmessers der Kunststoffhülse und des Innendurchmessers der vorgefertigten Hülse aus Faserverbundwerkstoff. Zudem ist der Fertigungsschritt der Herstellung vorgefertigter Hülsen mit hohen Materialverslust durch das Konfektionieren der Hülsen und mit erheblichem Aufwand zum Fügen der beiden Bauteile verbunden.
Aus DE 10 2016 010 590 A1 ist ein Spaltrohr aus Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem eine Lage aus dünnwandigem Schrumpfschlauch von Faserverbundwerkstoff mit duromerer Matrix umgeben ist. Aus EP 2 293 417 A1 sind Spaltrohre bekannt, deren innere Lage aus thermoplastischem Material besteht, welche zumindest teilweise mit einer Stützlage aus thermoplastischem Band auf der Außenseite umgeben ist. Allerdings sind die Stützlagen aus thermoplastischem Band teuer und lassen sich nur sehr aufwändig aufbringen und führen bei dünnwandiger Ausführung der inneren Lage aus thermoplastischem Material zu erheblichem Verzug der inneren Lage. Zudem lassen sich die Stützlagen aus thermoplastischem Band nur mit unerwünscht großen Bandwanddicken aufbringen, wodurch sich eine unerwünscht große Gesamtwanddicke des Spaltrohres ergibt. Zudem kriecht die Stützlage aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere unter hohem Druck und hoher Temperatur, durch Einsatz der thermoplastischen Matrix in der Trägerschicht.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Spaltrohren auf Faserverbundwerkstoffen für nasslaufenden Elektromotoren führen zu schlechter Maßhaltigkeit und großen Toleranzen der Spaltrohre, zum Verzug durch freiwerdende Eigenspannungen, zum Kriechen oder zu großen Wanddicken der Spaltrohre, führen zu hohen Fertigungskosten oder führen dazu, dass die Spaltrohre den Anforderungen an Dichtigkeit und Festigkeit nicht standhalten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde Spaltrohre in nasslaufenden Elektromotoren derart weiter zu entwickeln, dass die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Nachteile vermieden werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spaltrohr sowie ein Verfahren zur Herstellung des Spaltrohrs zu entwickeln, welches Wirbelstromverluste im Spaltrohrmotor vermeidet und zudem sehr wirtschaftliche, gut automatisierbare, verzugsfreie, besonders dünnwandig sowie präzise und in Serie reproduzierbar fertigbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben, vorteilhafte Verwendungen ergeben sich aus dem Anspruch 8.
Die systematische Untersuchung und Bewertung bekannter Bauarten und Verfahren zur Herstellung von Spaltrohren aus Faserverbundwerkstoffen hat ergeben, diese die technischen Anforderungen beispielsweise an die Festigkeit oder Dimensionstoleranzen nicht erfüllen oder zu hohen Fertigungskosten führen.
Für den Fachmann nicht naheliegend ist, dass die Einzelfertigung von Spaltrohren aus Faserverbundwerkstoff durch unmittelbarer Verstärkung einer thermoplastischen Kunststoffhülse als Innenschicht mit einem kontinuierlich faserverstärktem duroplastischen Werkstoff als Trägerschicht und durch anschließende Aushärtung des Reaktionsharzes auf der thermoplastischen Kunststoffhülse besonders vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren zur Herstellung von Spaltrohren ist.
Das Spaltrohr besteht somit aus einem Hybridwerkstoffverbund, einer Kombination aus thermoplastischem und duroplastischem Kunststoff in Verbindung mit Faserverstärkung.
Ein auf die im Vorangegangenen und im Folgenden näher beschriebene Weise hergestelltes Spaltrohr lässt sich erstaunlicherweise mit hoher Präzision und hoher Wiederholgenauigkeit, mit minimalem Materialverlust und sehr geringen Gesamtwanddicken und zudem sehr wirtschaftlich und effizient sowie hoch automatisierbar herstellen.
Ein nachträgliches Verformen oder Kriechen des Spaltrohres, insbesondere unter hohem Druck und hoher Temperatur, ist, insbesondere durch Einsatz der duromeren Matrix in der Trägerschicht sowie der stoffschlüssigen Trennung zwischen Trägerschicht und Innenschicht, minimiert.
Durch Herstellung einer Innenschicht im Spritzgussverfahren und anschießendem Aufbringen einer faserverstärkten Trägerschicht mit Reaktionsharz im Direktverfahren sowie Aushärten der Trägerschicht auf der Innenschicht werden die im Vorangegangenen beschriebenen Nachteile vermeiden.
Die erfindungsgemäße Herstellung des Spaltrohrs für einen nasslaufenden Elektromotor erfolgt in mehreren, aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten. In einem ersten Schritt wird eine Innenschicht im Spritzgussverfahren, auch als Spritzgießen bekannt, hergestellt. In einem darauf folgenden Schritt wird Verstärkungsfaser zur Ablage angesetzt und in einem darauf folgenden Schritt wird auf die Innenschicht eine Trägerschicht im Direktverfahren, also unmittelbar, nass aufgebracht.
Das unmittelbare Aufbringen der Trägerschicht erfolgt vorzugsweise im Faserwickelverfahren oder im Tapelegeverfahren.
Die Ablage von kontinuierlichen textilen Verstärkungshalbzeugen im Faserwickelverfahren oder im Tapelegeverfahren erfolgt mit vorgegebener Geschwindigkeit und in einem vordefinierten Muster. Dabei sind die Verstärkungshalbzeuge, zum Beispiel in Form von Rovings, mit duromerem Harz, sogenanntes Reaktionsharz, nass imprägniert.
Die Ablage von duroplastischem Kunststoff erfolgt erfindungsgemäß unmittelbar auf die thermoplastische Hülse in flüssigem oder nicht vollständig ausgehärtetem Zustand, somit in viskoser Form, zusammen mit der Ablage der Verstärkungsfasern. Sowohl niedrig viskose, als auch mittel und hochviskose duromere Kunststoffe sind geeignet.
Die Viskosität des duromerem Reaktionsharz beträgt während der Ablage auf die Innenschicht zwischen 0,5 und 10¹⁵ mPa*s (Millipascalesekunde), vorzugsweise 1 bis 10³ mPa*s.
Erfindungsgemäß kann auch die Ablage eines duromeren Prepreg erfolgen. Prepreg ist die englische Kurzform für pre-impregnated fibres und beschreibt ein mit duromerem Reaktionsharz vorimprägniertes textiles Faser-Matrix-Halbzeug.
Nach dem, wie im Vorangegangenen näher beschriebenen, Aufbringen der Trägerschicht aus Reaktionsharz mit Faserverstärkung auf die thermoplastische Innenschicht wird die Verstärkungsfaser am Ende der Ablage durchtrennt und in einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das Aushärten der Trägerschicht auf der Innenschicht. Das Aushärten erfolgt vorzugsweise durch Infrarotstrahlung oder Warmluft.
Dass die Trägerschicht nicht stoffschlüssig mit der Innenschicht verbunden ist, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Durch die stoffschlüssige Trennung zwischen Berührungsflächen der Trägerschicht und der Innenschicht entstehen weniger Spannungen im hybriden Werkstoffverbund zwischen der Innenschicht und Trägerschicht wodurch der Verzug oder nachträgliches Verformen des Spaltrohres minimiert wird.
Bei dem Aufbringen der Trägerschicht im Faserwickelverfahren oder im Tapelegeverfahren werden Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern oder Basaltfasern in einem Winkel von 45° bis 89,9° zur Längsachse des Spaltrohrs kreuzweise auf der Innenschicht angeordnet.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht die Herstellung sehr dünnwandiger, hoch präziser, maßhaltiger und sehr kostengünstiger Spaltrohre aus Faserverbundwerkstoff.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Dazu zeigt

1: die perspektivische Darstellung eines Spaltrohrs (1). Die Darstellung zeigt das Spaltrohr (1) bestehend aus Innenschicht (2) und Trägerschicht (3).
2: die schematische Darstellung des Winkels (5) zwischen der Ausrichtung der Verstärkungsfasern und der Längsachse des Spaltrohrs (1).

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 das Verfahren zur Herstellung des Spaltrohrs (1) beschrieben. Die erfindungsgemäße Herstellung des Spaltrohrs (1) erfolgt in mehreren, aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten. In einem ersten Schritt (a) wird eine Innenschicht (2) im Spritzgussverfahren hergestellt. In einem darauf folgenden Schritt (b) wird Verstärkungsfaser (4) zur Ablage angesetzt und in einem darauf folgenden Schritt (c) wird auf die Innenschicht (2) eine Trägerschicht (3) im Direktverfahren, also unmittelbar, aufgebracht. In einem darauf folgenden Schritt (d) wird die Verstärkungsfaser (4) am Ende der Ablage durchtrennt und in einem darauf folgenden Schritt (e) erfolgt das Aushärten der Trägerschicht (3) auf der Innenschicht (2).
Bezugszeichenliste

(1): Spaltrohr
(2): Innenschicht
(3): Trägerschicht
(4): Verstärkungsfaser
(5): Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016010590 A1 [0006]
EP 2293417 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen des Spaltrohrs (1) für einen nasslaufenden Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass im Spritzgussverfahren zuerst eine thermoplastische Innenschicht (2) hergestellt wird und diese zumindest teilweise von einer Trägerschicht (3) aus duromerem Kunststoff mit Faserverstärkung umgeben ist wobei die Trägerschicht (3) unmittelbar auf der Innenschicht (2) durch Aufbringen von Reaktionsharz in viskoser Form und durch Aufbringen von Verstärkungsfaser erzeugt wird.
Verfahren zum Herstellen des Spaltrohrs (1) für einen nasslaufenden Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Spritzgießen einer Innenschicht (2), (b) Ansetzen von Verstärkungsfasern (4) am Anfang der Ablage, (c) aufbringen der Trägerschicht (3) auf der Innenschicht (2) durch Aufbringen von Reaktionsharz in viskoser Form und durch Aufbringen von Faserverstärkung (d) durchtrennen von Verstärkungsfasern (4) am Ende der Ablage (e) Aushärten der Trägerschicht (3) auf der Innenschicht (2)
Verfahren zum Herstellen des Spaltrohrs (1) für einen nasslaufenden Elektromotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht im Faserwickelverfahren oder im Tapelegeverfahren erzeugt wird.
Verfahren zum Herstellen des Spaltrohrs (1) für einen nasslaufenden Elektromotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trägerschicht Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern oder Basaltfasern in einem Winkel (5) von 45° bis 89,9° zur Längsachse des Spaltrohrs (1) kreuzweise angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen des Spaltrohrs (1) für einen nasslaufenden Elektromotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des duromeren Reaktionsharzes während der Ablage auf die Innenschicht zwischen 0,5 und 10¹⁵ mPa*s, vorzugsweise 1 bis 10⁴ mPa*s beträgt.
Verfahren zum Herstellen des Spaltrohrs (1) für einen nasslaufenden Elektromotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der thermoplastischen Innenschicht (2) durch Additive oder Füllstoffe modifiziert ist.
Verfahren zum Herstellen des Spaltrohrs (1) für einen nasslaufenden Elektromotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (3) nicht stoffschlüssige mit der Innenschicht (2) verbunden ist.
Spaltrohr, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche für einen nasslaufenden Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr in dem nasslaufenden Elektromotor einer Nassläuferpumpe eingesetzt ist.