DE112005000912T5

DE112005000912T5 - Beschichtete Pumpen-Baugruppe

Info

Publication number: DE112005000912T5
Application number: DE112005000912T
Authority: DE
Inventors: John S. Vondenstein; William T. Thurmon
Original assignee: Thomas Industries Inc
Current assignee: Thomas Industries Inc
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2008-07-03
Also published as: US20070224065A1; WO2005105325A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Gasfluidkraftvorrichtung
a) mit einem Gehäuse,
b) das eine Kammer definiert und
c) mindestens ein sich bewegendes Element enthält,
d) das sich relativ zu der Kammer bewegt und dadurch die Dichte des Gases in der Kammer verändert,
e) wobei das sich bewegende Element eine eng laufenden Passung mit der Kammer aufweist,
f) dadurch gekennzeichnet, dass nach der Montage der Fluidkraftvorrichtung die Vorrichtung angetrieben wird,
g) um das Element relativ zur Kammer zu bewegen, und,
h) während die Vorrichtung so angetrieben wird, ein Beschichtungsmaterial zur Beschichtung des Elements und der Kammer in die Kammer eingegeben wird,
i) und das Beschichtungsmaterial zumindest teilweise aushärtet während die Vorrichtung angetrieben wird,
j) um die Beschichtung an die Oberflächen des Elements und der Kammer anzuheften und die Abstände zwischen dem Element und der Kammer zu verringern.

Description

Fluidkraftvorrichtungen sind oftmals auf eng laufende Passungen angewiesen, um Leckageverluste auf ein Minimum zu beschränken und dadurch möglichst effizient zu sein. Beispielsweise besteht ein kleines Roots-Gebläse aus zwei oder mehr Drehflügeln, die in einer Pumpenkammer entgegengesetzt zueinander rotieren, um Luft zu bewegen. Die internen Teile des kleinen Roots-Gebläses kommen niemals miteinander in Kontakt, produzieren daher keine Reibung und benötigen keine Schmierung. Das Ergebnis ist eine kalt laufende, hoch effiziente Pumpe, sofern die Abstände auf ein Minimum beschränkt werden können. Je enger die Zwischenräume, desto höher das Effizienzniveau, das die Pumpe erreichen kann, insbesondere beim Pumpen von Gasen, die eine sehr niedrige Viskosität und daher einen sehr niedrigen Leckagewiderstand aufweisen.
Die Herausforderung bei der Herstellung eines kleinen Roots-Gebläses ist es, die Teile maschinell so genau zu bearbeiten, dass der maximale Luftdurchsatz erzeugt, und damit die maximale, oder zumindest eine angemessene Effizienz erreicht wird. Da es in der Pumpe keine kontaktierenden Oberflächen gibt, hat Luft die Möglichkeit, durch die Räume zwischen den Teilen, die sich im Betrieb relativ zueinander bewegen, zu entweichen. Der Spalt zwischen den beiden Drehflügel bzw. zwischen den Pumpenwänden und den Drehflügeln muss auf ein Minimum beschränkt bleiben, andernfalls strömt die gepumpte Luft bzw. das gepumpte das Gas einfach an ihnen vorbei. Die erforderlichen Präzisionsniveaus der Teile macht es unmöglich, sie zu angemessenen Kosten maschinell zu bearbeiten, insbesondere wenn die Teile klein sind, da das gepumpte Gasvolumen entsprechend klein ist, was die Verringerung der Leckageverluste entscheidend macht.
Ein typischer Prozess zur Fertigung von Roots-Gebläsen macht es erforderlich, dass Teile in aufeinander abgestimmten Sets hergestellt werden, d. h. die Teile für die Pumpe werden speziell zur Montage miteinander für die jeweilige Einheit hergestellt. Bei einer solchen Fertigungstechnik ist es schwierig, Teile in Massenproduktion herzustellen, und es sind sehr hohe Kosten mit dem Prozess verbunden.
Die Erfindung stellt ein Verfahren sowie eine gemäß dem Verfahren hergestellte Fluidkraftvorrichtung bereit, bei dem nach Montage der Fluidkraftvorrichtung die Vorrichtung angetrieben wird, um ihr Element relativ zu ihrer Kammer zu bewegen, und während die Vorrichtung so angetrieben wird, ein Beschichtungsmaterial in die Kammer eingeführt wird, um Oberflächen des Elements und der Kammer zu beschichten. Das Beschichtungsmaterial wird während des Antriebs der Vorrichtung zumindest teilweise ausgehärtet, um die Beschichtung an Oberflächen des Elements und der Kammer anzuheften und die Abstände zwischen dem Element und der Kammer zu reduzieren. So werden die hohen Kosten von Präzisionsteilen und eines Montageverfahrens mit in einem Set aufeinander abgestimmten Teilen vermieden, und der Leckagepfad wird auf ein Minimum reduziert.
Bei einer bevorzugten Form handelt es sich bei dem Beschichtungsmaterial um ein Material, das zu einer festen, schmierigen Oberfläche aushärtet, z. B. ein Material, das ein Schmiermittel in einem flüssigen Binder enthält, der fest aushärtet. Vorzugsweise wird die Vorrichtung bei Hinzugeben des Beschichtungsmaterials in die Kammer mit einer relativ niedrigeren Drehzahl betrieben, und anschließend, nachdem das Material ausreichend ausgehärtet ist, um das Fließen einzuschränken, mit einer vergleichsweise höheren Drehzahl betrieben.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Fluidkraftvorrichtung ein Roots-Gebläse, das Element ist ein Drehflügel, die Vorrichtung hat einen zweiten Drehflügel, der mit dem Element zusammenläuft, und die Oberflächen sowohl der Drehflügel als auch der Kammer sind mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet. Eine solche Vorrichtung ist besonders geeignet für die Erfindung, da in der Vorrichtung wenig oder kein Gleiten erfolgt, sondern diese zum Betrieb auf eng laufende Passungen angewiesen ist, d. h. mit einem kleinen Spalt, so dass kein gleitender Kontakt besteht.
Die vorgenannten sowie weitere Ziele und Vorteile der Erfindung erscheinen in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer die Erfindung inkorporierenden Roots-Gebläsepumpe.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Pumpe gemäß 1; und
3 ist eine fragmentarische, vergrößerte und übertriebene Querschnittsansicht, welche die Beschichtungsschichten auf einen Drehflügel und der Verdichtungskammer der Pumpe gemäß 1 und 2 veranschaulicht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform trägt die Erfindung eine Beschichtung auf ein montiertes Roots-Gebläse auf. Dies erfolgt durch Einführen einer Menge der Beschichtung in die Einlassöffnung des Roots-Gebläses bei laufendem Roots-Gebläse. Die Beschichtung füllt die Zwischenräume aus und härtet bei laufendem Roots-Gebläse zumindest teilweise aus, und etwaige überschüssige Beschichtung wird ausgestoßen, wobei die Teile des Roots-Gebläses sehr eng laufenden Passungen erhalten, um die Effizienz des Roots-Gebläses zu verbessern.
Es wird davon ausgegangen, dass von vielen verschiedenen Beschichtungen jede beliebige gemäß der Erfindung aufgetragen werden könnte. Jede Beschichtung, die an den Teilen anhaftet und mit deren Material kompatibel ist, die eine gegenüber den gepumpten Fluide resistenten Oberfläche behält, und die bei Temperatur- oder Druckänderungen nicht übermäßig expandiert oder kontrahiert, kann verwendet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat sich ein in einem flüssigen, fest aushärtenden Binder suspendiertes Schmiermittel als akzeptabel erwiesen. Ein solches Material ist Slip Plate No. 1, das bei Acrotech Industries d. b. a. Superior Graphite Co. (www.sliplate.com), Lake an the Hills, Illinois kommerziell erhältlich ist. Das Material ist zu 74% Graphit, verbindet sich mit Metall und den meisten Kunststoffflächen und härtet zu einer festen, schmierigen Fläche aus. Sind größere Zwischenräume auszufüllen, so wird eine dickere Konsistenz bevorzugt, so dass die Zwischenräume mit möglichst wenigen Auftragungen der Beschichtung gefüllt werden können, vorzugsweise mit nur einer Schicht. Ist die Konsistenz der Beschichtung dünner oder sind die zu füllenden Zwischenräume größer, so kann jedoch auch mehr als eine Auftragung vorgenommen werden, wobei die Beschichtungslagen vor Auftra gen der jeweils nächsten Schicht ausgehärtet oder teilweise ausgehärtet sind. Die heftfreie Trocknungszeit von Slip Plate No. 1 liegt bei 60 bis 90 Minuten, jedoch hat es sich gezeigt, dass diese Zeit stark verkürzt wird, wenn die Auftragung bei laufender Roots-Gebläsepumpe erfolgt. Bei laufender Pumpe wird Luft durch die Kammer über das flüssige Schmiermittel gedrückt, was die Trocknungszeit beschleunigt. Das Ergebnis ist ein kleines Roots-Gebläse mit beschichteten Teilen, welche die Zwischenräume zwischen Teilen innerhalb einer Aushärtungszeit von 15 Minuten (bei nur einer Auftragung der Beschichtung) verringern. Andere flüssige Beschichtungsmaterialien können ebenfalls verwendet werden.
Bezugnehmend auf 1 und 2 besteht ein kleines Roots-Gebläse 10 aus mehreren Komponenten. Es sind dies das Pumpengehäuse 12, die Ü-bergangsplatte 14, das Getriebegehäuse 16, zwei rotierende Drehflügel 18, zwei Wellen 20, zwei Zahnräder 22, zwei Schlauchtüllen 24, vier Lager 26, ein Motor 28, Schrauben 30 und 32 für Halterungen, und Passstifte 34. Das Pumpengehäuse 12, die Ubergangsplatte 14, das Getriebegehäuse 16 und die Schlauchtüllen 24 sind alle aus anodisiertem Aluminium. Die beiden Drehflügel 18 sind ebenfalls aus Aluminium, sind jedoch etwas sandgestrahlt um eine raue Oberfläche zu erzielen, an der die Beschichtung anhaften kann. Die beiden Zahnräder und Wellen sind aus Edelstahl und die Lager sind verchromt, da diese Teile nicht mit der Beschichtung beschichtet werden. Der verwendete Motor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor.
Das kleine Roots-Gebläse 10 wird vor der Beschichtung zunächst zusammengebaut. Die Teile sollten sauber und frei von Öl und Fremdkörpern sein, die die Haftfähigkeit der Beschichtung auf den Drehflügeln und Ver dichtungskammerflächen beeinträchtigen könnten. Zwei der Lager 26 sind in einem Rücksprung (nicht dargestellt) der Ubergangsplatte 14 aufgenommen, wo sie mit einem Klebemittel (z. B. Kleber Loctite^TM) gehalten werden, und die Passstifte 34 werden in das Getriebegehäuse 16 oder die Übergangsplatte 14 gedrückt. Die beiden Zahnräder 22 werden auf die Dförmigen Enden der Wellen 20 gedrückt. Beide Wellen 20 werden in die Innenbohrung der Lager 26 in der Ubergangsplatte 14 gedrückt, wobei die Zahnräder 22 ineinander greifen. Die beiden Drehflügel 18 werden in eine Befestigungsvorrichtung platziert, die sie 90 Grad zu einander orientiert, und sie werden gleichzeitig auf die sich aus der Platte 14 erstreckenden Wellen 20 gedrückt. Die beiden Lager 26 werden sodann auf die Enden der Wellen 20 auf der Drehflügelseite (rechte Seite in 2) gedrückt. Die Schlauchtüllen 24 werden mit einem Klebemittel (z. B. Kleber Loctite^TM) an den Ein- und Auslassöffnungen im Pumpengehäuse 12 befestigt und das Pumpengehäuse wird zur Herstellung der Pumpenbaugruppe auf die aus Übergangsplatte 14 und Drehflügel 18 bestehende Baugruppe gesetzt. Das Getriebegehäuse 16 wird mit Schrauben 30 am Motor 28 befestigt, die Zahnräder werden geschmiert und die Pumpenbaugruppe wird mit den Schrauben 32 an der aus Motor 28 und Getriebegehäuse 16 bestehenden Baugruppe befestigt.
Nach Montage der Pumpe wird die Beschichtung aufgetragen. Die Einheit sollte dabei mit einer Drehflügel-Drehzahl von 1500 bis 2000 U/min laufen. Höhere oder geringere Drehzahlen können verwendet werden. Ziel ist es, eine Beschichtung aller Oberflächen der Drehflügel und des Pumpenhohlraums herzustellen, ohne durch die Zentrifugalkraft oder einem zu hohen Durchsatz durch die Pumpe die Beschichtung übermäßig herunterzuschleudern. Eine vorgegebene Beschichtungsmenge wird durch die Ein lassöffnung in die Pumpe gegeben. Dies kann durch Injektion mit einer Spritze, einen Augentropfenbehälter, einer Messpumpe oder ähnlicher Gerätschaft oder durch Eingießen erfolgen, wobei die Pumpe so orientiert ist, dass die Einlassöffnung (von den beiden Schlauchtüllen 24 der Eingang) nach oben zeigt, um zu vermeiden, dass die Beschichtung aus der Pumpe herausläuft). Ist die Austrittsöffnung nicht ebenfalls nach oben gerichtet, so muss sie ggf. orientiert werden, um zu verhindern, dass die Beschichtung aus der Verdichtungskammer herausläuft. Bei einigen Anwendungen es kann darüber hinaus vorteilhaft sein, die Orientierung der Pumpe, nachdem die Beschichtung hinzugegeben wurde, und diese läuft, zu verändern, um so die Schwerkraft dazu zu nutzen, die Oberflächen der Verdichtungskammer und der Drehflügel gleichmäßiger zu beschichten, obgleich sich dies bei der bevorzugten Ausführungsform als nicht erforderlich herausgestellt hat. Die zu verwendende Beschichtungsmenge sollte nur die Menge sein, die ausreicht, um die Oberflächen zu beschichten und die Zwischenräume zu füllen, da ein Überschuss zu Verschwendung führt. Für ein kleines Roots-Gebläse (mit Außenabmessungen der Verdichtungskammer von ca. 2'' × 2'' × 6'', einem Durchsatz von 1,7 cfm bei offener Strömung bei 3250 U/min; 1,0 cfm bei 1,5'' Hg bei 3250 U/min) wird eine Beschichtungsmenge von ca. 3 ml benötigt, für jede andere Pumpe kann die benötigte Menge jedoch leicht mittels Trial-and-Error-Verfahren ermittelt werden. Wird zu wenig Beschichtung verwendet, so steht nicht genug Beschichtung zur Verfügung, um alle Zwischenräume zu füllen, weshalb dann ggf. eine zweite Beschichtung erforderlich ist. Wird zuviel Beschichtung verwendet, so wird der Überschuss beim Hochfahren der Pumpe (s. u.) zum Entfernen des Überschusses herausgeblasen, und dieser Überschuss wird vergeudet.
Nachdem die Beschichtung hinzugegeben worden ist, wird die Einheit ca.
fünf Minuten bei dieser Drehzahl betrieben, damit sich die Beschichtung möglichst gleichmäßig im gesamten Pumpengehäuse und auf die Drehflügel verteilt. Die Einheit wird dann auf 3000 U/min hochgefahren und weitere 5 bis 10 Minuten betrieben, um überschüssige Beschichtung herauszublasen und das Aushärten der Beschichtung zu unterstützen.
Wenn die Beschichtung ausgehärtet ist oder zumindest teilweise soweit ausgehärtet ist, dass sie nicht mehr im Pumpengehäuse fließt, wird die Einheit überprüft um zu verifizieren dass sie den erforderlichen Durchsatz unter Last erreicht. Erreicht die Einheit den erforderlichen Durchsatzpunkt nicht, so wird eine weite Auftragung der Beschichtung wie vorstehend beschrieben vorgenommen um die verbleibenden Lufthohlräume auszufüllen, und sodann wird die Einheit erneut auf den Durchsatz hin überprüft.
Typischerweise werden alle externen Oberflächen der Drehflügel 18 und alle internen Oberflächen der von dem Pumpengehäuse 12 und der Übergangsplatte 14 definierten Verdichtungskammer beschichtet, und die Beschichtungsstärke ist ggf. nicht perfekt gleichmäßig. Wenn z. B. die Drehflügelbeschichtung an einer bestimmten Stelle eine vergleichsweise höhere Stärke aufweist, so weist der Teilbereich der Beschichtung auf dem anderen Flügel oder auf der Kammer, der genau dieser Stelle gegenüberliegt, ggf. eine geringere Stärke auf. In jedem Fall wird der Zwischenraum von den Beschichtungen auf den beiden zueinander passenden Teilen ausgefüllt, so dass sich die Oberfläche der Beschichtung auf einem Teil generell an die Oberfläche der Beschichtung auf dem anderen Teil anpasst, und damit zusammenpasst. Dies ist in 3 dargestellt, die einen Teilbereich des Übergangs zwischen der Drehflügelbeschichtung 18A und der Beschichtung 36A der Kammer 36 zeigt, die durch das Gehäuse 12 und die Übergangsplatte 14 definiert ist. Die Beschichtung schafft es normalerweise nicht in die Wellenlöcher in der Ubergangsplatte 14 oder in die Lager 26 hinein, die vorzugsweise als abgedichtete Lager ausgeführt sind. Etwaige Beschichtung auf den Schlauchtüllen 24 kann vor dem Aushärten entfernt werden, um die ästhetische Erscheinung der Pumpe zu verbessern.
Das Ergebnis dieses Montageprozesses ist ein dank der enger laufenden Zwischenräume im Pumpengehäuse viel effizienteres, kleines Roots-Gebläse. Dieser Prozess vermeidet einen Großteil der Kosten, die entstehen, wenn Teile auf nahezu unmögliche Bearbeitungstoleranzen maschinell bearbeitet werden müssen, und er umgeht das aufeinander Abstimmen von Teilen und eine Individualmontage.
Ein Prozess der Erfindung kann auf jede Art von Pumpe oder Fluidkraftvorrichtung angewendet werden, die auf eng laufende Passungen angewiesen ist, wie dies Roots-Gebläse bei der bevorzugten Ausführung tun. Ein Prozess der Erfindung kann auch zur Sanierung bzw. Aufarbeitung gebrauchter Fluidkraftvorrichtungen angewendet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist sehr detailliert beschrieben worden. Für den Fachmann sind viele Modifizierungen und Variationen der beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform offensichtlich. Daher sollte die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt werden.
Zusammenfassung
Ein Roots-Gebläse hat zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Teilen interne Zwischenräume, die verkleinert werden, indem ein Beschichtungsmaterial während des Betriebes in die Einlassöffnung gegeben wird. Das Beschichtungsmaterial härtet zu einer festen Oberfläche auf den sich bewegenden Teilen aus, und bildet sich einander entgegengesetzt bewegende Oberflächen, die sich miteinander verbinden, um Leckageverluste zu verringern.
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 Nicht-Patentliteratur

- www.sliplate.com [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Gasfluidkraftvorrichtung a) mit einem Gehäuse, b) das eine Kammer definiert und c) mindestens ein sich bewegendes Element enthält, d) das sich relativ zu der Kammer bewegt und dadurch die Dichte des Gases in der Kammer verändert, e) wobei das sich bewegende Element eine eng laufenden Passung mit der Kammer aufweist, f) dadurch gekennzeichnet, dass nach der Montage der Fluidkraftvorrichtung die Vorrichtung angetrieben wird, g) um das Element relativ zur Kammer zu bewegen, und, h) während die Vorrichtung so angetrieben wird, ein Beschichtungsmaterial zur Beschichtung des Elements und der Kammer in die Kammer eingegeben wird, i) und das Beschichtungsmaterial zumindest teilweise aushärtet während die Vorrichtung angetrieben wird, j) um die Beschichtung an die Oberflächen des Elements und der Kammer anzuheften und die Abstände zwischen dem Element und der Kammer zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial ein Material ist, das zu einer festen, schmierigen Oberfläche aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial ein Schmiermittel in einem flüssigen Binder enthält, der fest aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial durch eine Einlassöffnung der Kammer in die Kammer gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung, wenn das Material in die Kammer gegeben wird, mit einer vergleichsweise niedrigeren Drehzahl betrieben wird und danach mit einer vergleichsweise höheren Drehzahl betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung, nachdem das Beschichtungsmaterial in die Kammer gegeben wurde, eine Zeit lang mit der vergleichsweise niedrigeren Drehzahl betrieben wird, und in Anschluss daran mit der vergleichsweise höheren Drehzahl betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Pumpe ist, das Element ein pumpendes Element ist, und die Kammer eine Pumpenkammer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fluidkraftvorrichtung ein Roots-Gebläse ist, das Element ein Drehflügel ist, die Vorrichtung einen zweiten Drehflügel aufweist, der mit dem Element zusammenläuft, und Oberflächen sowohl der Drehflügel als auch der Kammer mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet werden.
Gasfluidkraftvorrichtung a) mit einem Gehäuse, b) das eine Kammer definiert und c) mindestens ein sich bewegendes Element enthält, d) das sich relativ zu der Kammer bewegt und dadurch die Dichte des Gases in der Kammer verändert, e) wobei das sich bewegende Element eine eng laufende Passung mit der Kammer aufweist, f) dadurch gekennzeichnet, dass das Element und die Kammer jeweils feste Beschichtungen auf zumindest Teilbereichen ihrer Oberflächen aufweisen, g) wobei diese festen Beschichtungen in flüssiger Form aufgetragen wurden durch Fließenlassen der Beschichtung in die Kammer und auf das Element beim Betrieb der Vorrichtung und h) zumindest teilweise Aushärtenlassen der auf dem Element und der Kammer aufgetragenen Beschichtung beim Betrieb der Vorrichtung, i) wobei die Beschichtung nach Aushärten entsprechende feste Oberflächen definiert, j) und zumindest ein Teilbereich der Oberfläche einer festen Beschichtung auf der Kammer in einer engen Passung zu einem Teilbereich der Oberfläche einer festen Beschichtung auf dem Element passt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Vorrichtung eine Pumpe ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Vorrichtung ein Roots-Gebläse ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die feste Oberfläche der Beschichtung schmierend ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Vorrichtung ein Roots-Gebläse mit zwei Drehflügeln ist, wobei jeder Drehflügel mit der Beschichtung beschichtet ist und zu dem anderen Drehflügel und zu der Kammer passt.