DE19744289A1 - Verbundsperrbüchse für eine Magnetkupplung - Google Patents
Verbundsperrbüchse für eine MagnetkupplungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung ist auf durch eine Magnetkupplung an
getriebene Pumpen und insbesondere auf Sperrbüchsen gerichtet,
die jede Leckage zwischen dem an der Pumpe befestigten inneren
Magneten und dem äußeren, an dem Pumpenantrieb oder Motor befe
stigten Magneten verhindern, und speziell auf eine dichtungslo
se nichtmetallische Verbundsperrbüchse zur Verwendung bei Ma
gnetantriebspumpen.
Pumpen mit Magnetkupplungen werden typischerweise bei der Ver
arbeitung von Fluids wie z. B. Heizölen, Schmierölen, Asphalt,
Rohöl, Chemiefaseradditiven und -schmelzen, pflanzlichen und
tierischen Ölen, Hydraulikfluids, Schneidölen, Kühlstoffen, Dü
sentreibstoff, Melasse und Sirup, Verbundtreibstoffe, feuerbe
ständige Hydraulikfluids und kompatible Chemikalien, und sie
umfassen, wenn auch nicht ausschließlich, Axialverdränger
Schraubenspindelpumpen mit Mehrfachrotoren. Axialverdränger-
Schraubenspindelpumpen mit Mehrfachrotoren weisen präzisionsge
schliffene Spindeln auf, die in ein dicht passendes Gehäuse
eingreifen, um ruhig und wirksam eine nichtpulsierende Strömung
abzugeben. Die gegenüberliegenden Mitläuferrotoren wirken als
Drehdichtungen, die das Fluid in eine Abfolge von Verschlüssen
oder Stufen eingrenzen. Die Mitläuferrotoren sind in Rollkon
takt mit dem zentralen Leistungsrotor und können in ihren je
weiligen Gehäusebohrungen frei auf einem hydrodynamischen Öl
film schweben. Es gibt keine radiale Biegelasten. Axiale Hy
draulikkräfte auf dem Rotorsatz werden ausgeglichen, weshalb
kein Drucklager erforderlich ist.
Bekanntlich ergeben sich aus dem Antrieb von Drehspindelpumpen
mit Magnetkupplungsbauteilen Vorteile, die in anderen dich
tungslosen Pumpenprodukten nicht zu finden sind. Dichtungslose
Magnetkupplungspumpen weisen einen Synchronantrieb (Motor
geschwindigkeit = Antriebsgeschwindigkeit) mit Seltenerd-
Permanentmagneten an der inneren und der äußeren Kupplungshälf
te auf. Die magnetische Anziehung verriegelt den Antriebsrotor
fest mit der Motorantriebswelle, woraus sich bei jeder Ge
schwindigkeit eine gleichbleibende Drehmomentübertragung er
gibt.
Rotoren mit axialem Strömungspfad und niedriger Trägheit, die
Schraubenspindelpumpen eigen sind, ermöglichen allgemein einen
Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten als bei anderen Typen von
Rotationspumpen. Wegen dieser Fähigkeit nutzen Schraubenspin
delpumpen die vollen Pferdestärken der Drehmomenteigenschaften
von Magnetkupplungsantrieben aus.
Während des Pumpenbetriebs induziert der von der Drehkupplung
erzeugte, sich ändernde magnetische Fluß Spannungen innerhalb
des Sperrbüchsenmaterials. Bei einem elektrisch leitfähigen
Sperrbüchsenmaterial erzeugen die induzierten Spannungen einge
grenzte Wirbelströme. Die Leistung in Form von i2R = V2/R, wor
in R der Widerstand ist, erscheint als Wärme an der Oberfläche
des zylindrischen Abschnitts des leitfähigen Büchsenmaterials.
Die Menge der erzeugten Wärme wird mit dem Quadrat der Ge
schwindigkeit verstärkt, wenn die Drehzahl (Flußänderungsrate)
erhöht wird, wodurch die maximale Betriebsgeschwindigkeit der
Pumpe begrenzt wird.
Bekanntlich wirkt sich übermäßige Wärme auf die Bauelemente der
magnetischen Kupplung aus. Wird Wärme durch Konvektion in den
Kupplungsbereich gebracht, dann wird die magnetische Feldstärke
proportional zu der steigenden Temperatur der Permanentmagnete
reduziert. Bekanntlich zerstören Temperaturen über etwa 150°C
dauerhaft Neodym-Eisen-Bor-Magnete und Temperaturen über 250°C
Samarium-Kobalt-Magnete.
Ebenso ist bekannt, daß eine Magnetkupplung, die Überschußwärme
erzeugt, nicht so wirksam wie eine mechanische Standardkupplung
ist. Eine gegebene Energiemenge wird bei einer bestimmten Be
triebsdrehzahl zum Betrieb der Pumpe geliefert, und diese Ener
gie wird von dem Motor dann in Arbeit umgewandelt. Bei einer
Magnetkupplung, die ein leitfähiges Sperrbüchsenmaterial ver
wendet, führt die an die Überschußwärme verlorene Energie dazu,
daß bei einer gegebenen Eingangsenergiemenge weniger Arbeit ge
leistet wird.
Weiter ist bekannt, daß die in der Kupplung erzeugte Wärme in
das gepumpte Fluid oder das Pumpgut übertragen wird. Als Ergeb
nis kann diese Viskosität des Pumpguts dadurch verändert wer
den. Bekanntlich führt eine Viskositätsänderung im Pumpgut zu
Problemen im Pumpsystem oder beeinträchtigt den Nutzen des
Pumpvorgangs. Es ist bekannt, daß die durch die Wirbelströme
erzeugte Überschußwärme das Pumpgut oder die Pumpgutzusätze
verbrüht, zündet oder anders ruiniert.
Magnetantriebspumpen nach dem Stand der Technik, die Sperrbüch
sen aus leitfähigem Material verwenden, sind derart ausgelegt,
daß sie eine rasche Erwärmung verhindern, indem eine Pumpströ
mung zum kontinuierlichen Spülen der Sperr- und inneren Magne
tanordnungsbereiche abgeleitet wird. Typischerweise werden für
Magnetantriebspumpen niedrigere Drehzahlen und Viskositäten als
für mechanisch gekoppelte Pumpen spezifiziert. Es wurde zur üb
lichen Praxis, den Antriebsmotor der Magnetantriebspumpe über
groß auszulegen, um PS-Verluste zu kompensieren. Allerdings
vermindert jede dieser Maßnahmen die Pumpwirksamkeit, erhöht
die Herstellungskosten und damit die Kosten für die Magnetan
triebspumpen für die Endverbraucher.
Die durch Wirbelströme erzeugte Wärme wurde reduziert, indem
Sperrbüchsen aus einem nichtmagnetischen Stahl mit hohem spezi
fischen elektrischen Volumenwiderstand hergestellt wurden. Al
lerdings werden in den Magnetkupplungen mit solchen Sperrbüch
sen immer noch hohe Wärmepegel erzeugt. Eine gewisse weitere
Wärmereduzierung wurde bei der nichtmagnetischen Sperrbüchse
erreicht, indem die Büchse in Profilen und Laminierungen herge
stellt wurde, wie dies bei der Kupplungskonstruktion gezeigt
ist, die in der US-Patentschrift Nr. 4,896,064 beschrieben ist.
Die dort beschriebenen Büchsen erforderten die Verwendung von
Dichtungs- und Verbindungsklebern, um einen leckagesicheren Be
trieb und eine elektrische Isolierung zwischen den Laminierun
gen zu erreichen. Die Anwesenheit von Dichtungen und Verbin
dungsklebematerialien begrenzt die chemische Kompatibilität der
Sperrbüchse mit gepumpten Fluids, da die Dichtungen und das
Einfassungsmaterial das Pumpgut kontaminieren können.
Da jede Verbindungsstelle in der Sperrbüchse des Patents
4,896,064 einen potentiellen Leckagepfad darstellt, wäre sie in
Pumpumgebungen mit hohem Druck und/oder hoher Temperatur nicht
annehmbar. Eine Magnetkupplung, die den in dem Patent '064 be
schriebenen Büchsentyp verwendet, muß auch derart ausgelegt
sein, daß sie die durch die Laminierungen, die Dichtungen und
die Klebeverbindungen verursachte hohe Wanddicke unterbringt.
Bekanntlich vergrößern dicke Büchsenwände den Spalt zwischen
der inneren und der äußeren Magnetanordnung. Diese Spaltvergrö
ßerung reduziert die Kupplungswirksamkeit dramatisch und erfor
dert demnach stärkere innere und äußere Magneten, um die glei
che Drehmomentfähigkeit wie eine Magnetkupplung mit kleineren
Spalten zwischen der inneren und der äußeren Magnetanordnung zu
erzeugen. Demnach wird die in dem '064-Patent beschriebene
Sperrbüchse aufgrund der Material-, Anordnungs- und Systeman
forderungen unter Kostengesichtspunkten unannehmbar.
Die Wärmeerzeugung aufgrund von Wirbelströmen kann zwar derzeit
durch Verwendung von nichtmetallischen Sperrbüchsen ausgeschal
tet werden, die metallischen Sperrbüchsen aus dem Stand der
Technik besitzen aber gegenüber den Polymer- und Keramiksperr
büchsen aus dem Stand der Technik Vorteile bezüglich der Fe
stigkeit und der Kosten. Polymerbüchsen sind typischerweise nur
vier Niederdruckanwendungen geeignet, und sie besitzen keine
Dimensionsstabilität bei Pumptemperaturschwankungen. Die der
zeit bekannten Keramiksperrbüchsen müssen zunächst mit einer
relativ dicken Wand geformt und dann am Innendurchmesser bear
beitet werden, um die gewünschten Abmessungen und Toleranzen zu
erreichen. Wegen dieser Nachformbearbeitung während der Her
stellung werden diese Keramikbüchsen unter dem Kostengesichts
punkt unannehmbar. Außerdem vergrößern die dicken Wände den
Luftspalt zwischen den Magneten, woraus sich geringere Pumplei
stungen ergeben.
Ein zusätzliches Problem liegt bei der herkömmlichen Magnet
kupplung darin, daß sich die Erfassung der Temperatur in der
Magnetkupplung als schwierig erwies. Magnetkupplungstemperatu
ren werden typischerweise mittels einer Temperatursonde erfaßt,
die direkt durch die Pumpenklammer in den Bereich der Sperr
büchse nahe dem Flansch angeordnet wird. Die Temperaturen in
diesem Bereich sind nicht so hoch wie Temperaturen nahe dem ge
schlossenen Ende der Sperrbüchse. Eine in diesem Bereich ange
ordnete Sonde war typischerweise nicht in der Lage, Temperatur
schwankungen innerhalb der Magnetkupplung zu erfassen, die zu
einem Ausfall der Magnetkupplung führen könnten. Das Ergebnis
einer solchen herkömmlichen Sondenanordnung war eine Überwa
chungseinrichtung für die Kupplungstemperatur, die die Magnet
kupplungstemperatur nahe dem geschlossenen Ende der Sperrbüchse
nicht genau erfaßt. Eine genauere Erfassung der Magnetkupp
lungstemperatur in der Nähe der Büchsen läßt sich erreichen,
indem die Temperaturerfassungseinrichtung näher an dem ge
schlossenen Ende der Sperrbüchse angeordnet wird. In dem Be
reich nahe dem geschlossenen Ende muß die Verdrahtung für die
Vorrichtung längs der Außenseite der Sperrbüchse und durch den
Flansch am offenen Ende der Sperrbüchse angebracht werden. Da
dieser Drahtpfad empfindlich gegen Beschädigungen während der
Handhabung und des Betriebs ist, galt dies nicht als praktikab
le Konstruktion.
Demnach besteht ein Bedarf an einer Magnetkupplungspumpe, die
die oben aufgelisteten Mängel überwindet. Eine solche Pumpe
sollte genauer eine Magnetkupplung umfassen, die deutlich weni
ger Wärme aus Wirbelströmen erzeugt; sie sollte deutlich den
Energieverlust an die Überschußwärme reduzieren, wodurch die
zum Leisten der Arbeit verfügbare Energiemenge verbessert wird;
sie sollte die Wärmemenge reduzieren, die durch Konvektion in
das Pumpgut übertragen wird; sie sollte die Pumpen vom Magnet
kupplungstyp gegenüber Pumpen des Typs mit mechanischem Antrieb
wettbewerbsfähiger machen, wodurch die Notwendigkeit reduziert
oder sogar aufgehoben ist, die Magnetantriebspumpenmotoren zu
überdimensionieren, um PS-Verluste aufgrund übermäßiger Wärme
verluste zu kompensieren; sie sollte die Herstellungskosten für
die Magnetkupplung vermindern; sie sollte Dichtungs- und Ver
bindungskleber und verwandtes Material reduzieren oder sogar
ganz beseitigen, wodurch das Pumpgut abgebaut und verschmutzt
werden kann; sie sollte einen so kleinen Spalt wie möglich zwi
schen der inneren und der äußeren Magnetanordnung aufrechter
halten, so daß kleinere innere und äußere Magnete die gleiche
Drehmomentfähigkeit erzeugen, wie sie durch die Magnetkupplung
mit herkömmlichen Büchsen erzeugt wurde; sie sollte für verbes
serte dichtungslose Operationen sowie dafür sorgen, daß eine
Temperatursonde an verschiedenen Positionen innerhalb einer
Magnetkupplung angeordnet wird, um die Temperatur der Magnet
kupplung nahe dem geschlossenen Ende genauer zu fühlen oder zu
erfassen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die in der
Sperrbüchse aufgrund der Erzeugung von Wirbelströmen entwickel
te Überschußwärme wenigstens zu minimieren, wenn auch nicht
aufzuheben. Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Er
findung erreicht diese Aufgabe dadurch, daß die typische Me
tallsperrbüchse durch eine neue Verbundsperrbüchse ersetzt ist
die fast keine Wirbelströme erzeugt. Die Verbundsperrbüchse der
vorliegenden Anwendung kann in das gleich konstruierte Gehäuse
wie bei der Metallbüchse mit vergleichbarer Wanddicke wie die
ursprünglichen Metallbüchsen nachträglich eingebaut werden. Die
Verbundsperrbüchse der vorliegenden Anmeldung liefert Festig
keit, Verformungsbeständigkeit, Korrosionsfestigkeit und Ko
stenwirksamkeit im Vergleich zu den Metallsperrbüchsen aus dem
Stand der Technik. Die Verbundsperrbüchse der vorliegenden An
meldung umfaßt auch eine genaue Temperaturerfassungseinrich
tung.
Bei einer Ausführungsform umfaßt die Verbundmagnetsperrbüchse
der vorliegenden Erfindung eine Büchse mit einem offenen Ende
und einem geschlossenen Ende, wobei die Büchse folgendes auf
weist: einen Polschuh am geschlossenen Ende; sowie einen Zylin
der mit offenem Ende der mit dem Polschuh wirksam verbunden
ist, wobei der Zylinder eine harzummantelte Faser umfaßt und
die harzummantelte Faser den Polschuh überdeckt, um ein ge
schlossenes Ende zu bilden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetsperrbüchse nach der
vorliegenden Erfindung umfaßt folgende Schritte: wenigstens ein
Dorn wird vorgesehen; wenigstens ein Polschuh wird vorgesehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an dem wenigstens einen Dorn
befestigt; eine Wickelmaschine mit einer Achse wird vorgesehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an der Wickelmaschine befe
stigt; eine mit einem Harz ummantelte Faser wird vorgesehen;
die harzummantelte Faser wird über den wenigstens einen Dorn
und um den wenigstens einen Polschuh gewoben, um das geschlos
sene Ende der Büchse zu bilden; die Büchse wird an dem wenig
stens einen Dorn warmausgehärtet; und die wenigstens eine Büch
se wird von dem wenigstens einen Dorn abgenommen, so daß die
Büchse etwa die Innenabmessungen aufweist, die etwa den Außen
abmessungen des wenigstens einen Dorns entsprechen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung erge
ben sich aus der folgenden Beschreibung, den beigefügten Zeich
nungen und den beigefügten Ansprüchen.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer repräsentativen dich
tungslosen Schraubenspindelpumpe mit Magnetkupplung ähnlich den
Pumpen, die bei der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eine repräsentativen Ma
gnetkupplung der Pumpe von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Dorns, der zum Wickeln
der Verbundbüchse verwendet wird;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht der bearbeiteten Büchse vor
dem Anbringen des Flansches;
Fig. 5 ist eine halbschematische Schnittansicht der Erfas
sungseinrichtung für die Kupplungstemperatur, die in der Sperr
büchsenwand enthalten ist;
Fig. 6 ist eine halbschematische Schnittansicht einer Er
fassungseinrichtung für die Kupplungstemperatur, die an die Au
ßenseite der Sperrbüchse geklebt ist;
Fig. 7 ist ein Graph mit Testergebnissen zum Vergleich der
Hastelloy-Büchse aus dem Stand der Technik und der neuen Ver
bundbüchse bezüglich der gemessenen Temperatur versus der ge
messenen Drehzahl (RPM) unter ähnlichen Bedingungen; und
Fig. 8 ist ein Graph mit Testergebnissen zum Vergleich der
Hastelloy-Büchse aus dem Stand der Technik und der neuen Ver
bundbüchse bezüglich des gemessenen Drehmoments versus der ge
messenen Drehzahl (RPM) unter ähnlichen Bedingungen.
In Fig. 1 ist eine repräsentative dichtungslose Schraubenspin
delpumpe mit Magnetkupplung veranschaulicht, bei der die Ver
bundsperrbüchse der vorliegenden Erfindung verwendet werden
kann. Es versteht sich, daß die dichtungslose Schraubenspindel
pumpe nur eine Pumpe ist, die möglicherweise von der vorliegen
den Erfindung profitieren könnte, und daß viele andere Pumpen
ebenfalls mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden könn
ten, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Die dichtungslose
Schraubenspindelpumpe 10 umfaßt einen Spindelabschnitt 12, eine
Magnetantriebskupplung 14 und einen (nicht gezeigten) Antriebs
motor.
Die gezeigte Schraubenspindelpumpe ist den Pumpen ähnlich, die
im Handel von der IMO Pump Division, P.O. Box 5020, North Caro
lina 2811-5020 als Modelle 3D, 6D, 12D und 324 erhältlich sind,
aber nicht darauf beschränkt. Die Schraubenspindelpumpe 10
weist einen Flansch 16 zum Anschluß an die Magnetantriebskupp
lung 14, ein Gehäuse 18 mit einem Einlaß 20 und einem Auslaß 22
sowie einen Schraubenspindelmechanismus 24 auf, der innerhalb
des Gehäuses 18 wirksam positioniert ist. Der Schraubenspindel
mechanismus 24 weist eine präzisionsgeschliffene und gehärtete
Leistungsspindel 26 sowie zwei präzisionsgeschliffene, gehärtete
Mitläuferrotoren 28, 30 auf. Ein Positionierungssperrlager 32
in Fluid ist in der Nähe des Flansches 16 positioniert. Das Po
sitionierungssperrlager könnte alternativ auch ein lagerfreies
Lager vom hydrostatischen Typ sein.
Die Schraubenspindelpumpe 10 arbeitet nach einem wohlbekannten
Verfahren, um Fluid von dem Einlaß 20 zu dem Auslaß 22 zu bewe
gen. Wie gezeigt, ist eine Druckplatte 34 wirksam mit dem Ein
laßabdeckrotor oder Ansätzen des Rotorgehäuses verbunden. Aus
gleichsschalen 38, 40 sind wirksam über dem Einlaßende der bei
den Mitläuferrotoren 28, 30 und der Druckplatte 34 angeordnet.
Ein austauschbares Rotorgehäuse 42 ist zwischen dem äußeren Ge
häuse 44 und den Rotorelementen 28, 30 der Schraubenspindelpum
pe 24 positioniert. Zwischen dem Lager 32 und dem Auslaß 22 ist
um den Leistungsrotor ein Ausgleichskolben 46 positioniert. Ei
ne Kühlströmungsrückleitung 48 zum Rückführen von Fluid, das
zum Kühlen der Magnetantriebskupplung verwendet wird, ist zwi
schen dem Flansch und dem drehbaren Einlaß 20 positioniert. Bei
Antriebskupplungen dieses Typs werden die Magnetkupplungstempe
raturen typischerweise mittels einer Temperatursonde 70 erfaßt,
die direkt durch die Pumpenklammer 72 in den Bereich der Sperr
büchse nahe dem Flansch 74 angeordnet wird (vgl. Fig. 2).
In Fig. 2 ist gezeigt, daß die Magnetkupplung 14 mit den drei
Hauptkomponenten, der inneren Magnetanordnung 50, der Sperr
büchse 52 und der äußeren Magnetanordnung 54 wirksam mit der
Pumpe verbunden ist. Die innere Magnetanordnung 50 weist Perma
nentmagneten 56, bevorzugt Magneten aus Neodym-Eisen-Bor oder
Samarium-Kobalt auf, die an dem Außendurchmesser einer Stahlna
be 58 befestigt sind, die mit einem Wellenelement 60 wirksam
verbunden ist. Die Magnete 56 und die Nabe 58 sind mit einem
(nicht gezeigten) nichtmagnetischen Stahlmantel überdeckt. Die
innere Magnetanordnung 50 ist mittels eines Keils oder einer
anderen (nicht gezeigten) mechanischen Verriegelungseinrichtung
mit der Pumpenantriebswelle 62 verbunden. Die Sperrbüchse 52
war bei bekannten Kupplungen aus dem Stand der Technik eine
dünne Schale, typischerweise aus Metall, die mit der Pumpe der
art verschraubt ist, daß das Pumpgut innerhalb der Büchse 52
und um die innere Magnetanordnung 50 gefangen ist. Indem das
Pumpgut vollständig umgeben wurde, wurde die Sperrbüchse 52 ei
ne leckagesichere Pumpendichtung.
Die äußere Magnetanordnung 54 besteht aus Permantmagneten 64,
bevorzugt Neodym-Eisen-Bor- oder Samarium-Kobalt-Magneten, die
am Innendurchmesser einer rohrförmigen Stahlnabe 66 angebracht
sind. Die äußere Magnetanordnungsnabe ist an der Motorantriebs
welle 68 angebracht. Der Sperrbüchsenabschnitt 52 der Pumpenan
ordnung paßt in den Innendurchmesser der äußeren Magnetanord
nung 54. Die Kupplungselemente sind an der Pumpenanordnung der
art positioniert, daß die inneren Magneten 56 der Anordnung 50
und die äußeren Magneten 64 der Anordnung 54 zur maximalen ma
gnetischen Anziehung angeordnet sind. Bewirkt also der (nicht
gezeigte) Motor über die Welle 68 die Drehung der äußeren Mag
neten 64, dann drehen sich die inneren Magneten 56 und die an
gebrachte Pumpenwelle 62 mit der gleichen Geschwindigkeit.
In Fig. 4 ist gezeigt, daß der Hauptkörper 80 der Sperrbüchse
82 der vorliegenden Erfindung aus einem Verbundmaterial be
steht, das Fasern wie z. B. Graphitfasern, Kevlar, Glasfasern
usw. umfaßt, die mit einem warmaushärtenden Harz ummantelt
sind. Eine zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung an
nehmbare Faser ist als T1000GB bekannt, die von Toray Indu
stries Inc., Kirkland, WA 98033 erhältlich ist. Ein mehrfunk
tionales, warmaushärtendes Harz, das zur Verwendung bei der
vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist bei IMO Pump of Mon
roe, NC 28111 unter der Teilenummer PP500DDK erhältlich. Die
mit dem Harz ummantelte Faser wird normalerweise um einen Dorn
84 gewickelt (vgl. Fig. 3), der bevorzugt aus Kohlenstoffstahl
besteht, und in einem herkömmlichen Verfahren bearbeitet, wobei
ein computergesteuertes Fadenwickelverfahren verwendet wird
(das nicht gezeigt ist). Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird bevorzugt eine faserlose Dichtungsmasse zur Ummantelung
des Dorns 84 vor dem Wickeln der Faser verwendet, die ebenfalls
bei IMO Pump of Monroe, NC unter der Teilenummer PP500DDL er
hältlich ist. Die Dichtungsmasse ist typischerweise dick genug,
damit die Büchse 80 leicht von dem Dorn 84 abgezogen werden
kann. Die bevorzugte Dicke der Dichtmasse liegt derzeit bei et
wa 0,010 Inch.
Da man herausgefunden hat, daß die Faserorientierung und die
Faserdichte direkt die mechanischen Eigenschaften des fertigen
Verbundmaterials beeinflussen, sind die Faserwinkel und die Fa
serdichte so berechnet, daß sie Richtungsbelastungen wie z. B.
Schraub- und Reifbelastungen sowie Zugbelastungen und Durchbie
gung widerstehen können, damit in den Wänden der Verbundsperr
büchsen eine hohe Formbeständigkeit erzeugt wird. Die Formbe
ständigkeit ist erforderlich, um zu verhindern, daß die unter
Druck stehenden Büchsenwände 86 mit den sich drehenden Magneten
in Kontakt gelangen, die dann bei normalen Betriebsgeschwindig
keiten beschädigt werden könnten. Diese Büchsenwände 86 sind
bevorzugt etwa 0,098 bis 0,108 Inch dick.
Da die Faser und das Harz nichtmetallisch sind, ist die Erzeu
gung von Wirbelströmen in der Verbundbüchse 82 der vorliegenden
Erfindung während des Betriebs der Magnetkupplung zu vernach
lässigen. Die Wirbelströme wurden zwar nicht direkt, aber indi
rekt unter Laborbedingungen gemessen. Im Labortest wurde die
Temperatur des bei Betrieb aus der Büchse austretenden Fluids
mit dem in die Büchse eintretenden Fluid verglichen, um einen
"Temperaturanstieg" zu bestimmen. Diese Tests wurden unter Ver
wendung der neuen Verbundbüchsen und der Hastelloy-Büchse
durchgeführt (vgl. Fig. 7 und 8).
Die Ergebnisse dieser Tests bestätigten, daß beim Betrieb von
Pumpen, die die Verbundbüchse der vorliegenden Erfindung ver
wenden, merklich weniger Wärme erzeugt wurde als mit den Ha
stelloy-Büchsen aus dem Stand der Technik, was in Fig. 7 deut
lich gezeigt ist. Die Tests bestätigten weiter, daß bei jeder
gegebenen Geschwindigkeit weniger Leistung erforderlich war, um
die Kupplung mit der Verbundbüchse anzutreiben, als zum Antrieb
der Kupplung mit der Hastelloy-Büchse. Die Reduzierung der Lei
stungsanforderungen der Verbundbüchse gegenüber der Hastelloy-
Büchse war ein direktes Ergebnis der reduzierten Wirbelstrom
verluste. Unabhängig von der verwendeten Büchse würde die Tem
peratur der Pumpensystemflüssigkeit aufgrund des Fluidtempera
turanstiegs um die Spannvorrichtungslager und der viskosen
Scherung des Fluids beim Durchströmen der Spannvorrichtung an
steigen. Allerdings deutet der unterschied bei der an der Ha
stelloy-Büchse gemessenen Temperatur gegenüber der an der Ver
bundbüchse gemessenen Temperatur an, daß wegen des Hastelloy-
Materials eine merkliche Menge zusätzlicher Leistung in Form
von Wärme verlorenging.
Fig. 8 zeigt, daß eine Kupplung, die eine Verbundbüchse nach
der vorliegenden Erfindung verwendete, unter den gleichen Be
triebsbedingungen deutlich weniger Drehmoment zum Betrieb benö
tigte als eine Kupplung, die eine Hastelloy-Büchse verwendete.
Der korrosionsbeständige Verbundmaterial aus gewickelten Fäden
oder Fasern ist unter anderem ein wichtiges Merkmal des Erfolgs
der vorliegenden Erfindung. Derzeit sind Graphitfasern bevor
zugt, da sie außer der bekannten Eigenschaft der Korrosionsbe
ständigkeit außergewöhnliche Eigenschaften bezüglich der Fe
stigkeit, Steifigkeit und Bruchdehnung aufweisen, die bei der
vorliegenden Erfindung wünschenswert sind.
Am geschlossenen Ende 86 der Büchse 82 sind die Fasern und Har
ze zu einer in etwa halbkugelartigen Form gewickelt, die an ei
nem Polschuh 88 endet, der bevorzugt aus rostfreiem Stahl be
steht, und eine leckagedichte Versiegelung bildet. Die speziel
le Auslegung eines repräsentativen Polschuhs 88 ist in Fig. 3
und 4 gezeigt. Der Polschuh 88 weist einen Vorsprung 90 zur
Verbindung des Polschuhs 88 mit einer (nicht gezeigten) Wickel
maschine auf. Der in Fig. 4 gezeigte Vorsprung 90 wird von dem
Hauptkörper 92 getrennt, nachdem die Wicklung der harzummantel
ten Faser abgeschlossen ist. Der Polschuh weist auch herkömmli
che Mittel 94 wie z. B. Gewindebohrungen auf, um den Polschuh 88
mit dem Dorn 84 zu verbinden, was in Fig. 3 gezeigt ist. Es
versteht sich, daß die Struktur des Polschuhs 88 genau geformt
sein muß, um die genaue Ausrichtung vorzusehen, die zur Gewähr
leistung der richtigen Positionierung der harzummantelten Faser
an dem Dorn 84 und über dem Polschuh 88 erforderlich ist.
Nach dem Trennen der Büchse 82 von dem Dorn 84 wird das offene
Ende 96 der Büchse 82 unter Verwendung einer herkömmlichen
(nicht gezeigten) Klebespannvorrichtung mit einem herkömmlichen
Flansch 95, bevorzugt aus rostfreiem Stahl, zur Verbindung mit
einer (nicht gezeigten) Pumpe verklebt. Die Klebespannvorrich
tung richtet die Büchse 82 aus und positioniert den Flansch 85
daran, was in Fig. 4 strichpunktiert gezeigt ist. Man hat her
ausgefunden, daß ein hochfester, chemisch beständiger, handels
üblicher zweiteiliger Epoxidkleber wie beispielsweise Hysol 934
von Dexter Hysol Engineering Adhesives, Seabrook, NH 03874 zur
Verbindung des Flansches 95 mit der Büchse 82 wirksam ist. Ein
in dem Flansch 95 positionierter, herkömmlicher O-Ring 100 ver
siegelt das Pumpgut (das Fluid) innerhalb der Büchse 82, um zu
verhindern, daß es zu der äußeren Magnetanordnung 54 und dem
(nicht gezeigten) Motor austritt.
Wirbelströme werden induziert, wenn magnetische Flußlinien ein
leitfähiges Material durchqueren; demnach entwickeln sich keine
Wirbelströme in dem Flansch 95 und/oder dem Polschuh 88, da die
gesamte Länge der Magnetanordnungen 50, 54 zwischen dem Pol
schuh 88 und dem Flansch 95 angeordnet ist. Deshalb kommen we
der der Polschuh 88 noch der Flansch 95 mit irgendwelchen ma
gnetischen Flußlinien in Kontakt. Ein weiterer Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Widerstandstemperatur
detektor (RTD) in Form eines Bandes. Dieser Detektor kann zur
genauen Erfassung der Kupplungstemperatur verwendet werden. Der
Widerstandstemperaturdetektor 102 kann an die Außenseite der
Sperrbüchse 82 geklebt sein, so daß eine Überwachungseinrich
tung für die Pumpenkupplungstemperatur vorgesehen wird (Fig.
6). Der Detektor 102 ist dünn genug, damit er nicht durch den
Magnetkupplungsbetrieb beschädigt wird oder diesen stört. Der
Detektor 102 kann auch während des Fadenwickelns in das Ver
bundmaterial eingebettet werden, so daß er von dem Verbundmate
rial ganz überdeckt und geschützt ist. Der vorliegende Wider
standstemperaturdetektor weist bevorzugt ein Band auf, das etwa
0,1 Inch breit, etwa 6,5 Inch lang und papierdünn ist. Das Band
weist bevorzugt einen in Kapton verkapselten Platindraht auf
und umfaßt Kupferansätze. Ein Beispiel eines annehmbaren Wider
standstemperaturdetektorbandes wurde von MINCO Products Inc.,
Minneapolis, MN 55432 erhalten. Das Band wurde erfolgreich mit
der Außenseite der Büchse verklebt, wobei ein handelsübliches
zweiteiliges Epoxid wie beispielsweise Devcon 5 verwendet wur
de, das bei der Devcon Corporation, Wood Dale IL 60191 erhält
lich ist.
Es versteht sich, daß das Widerstandstemperaturdetektorband
dünn genug sein sollte, damit zwischen dem Außendurchmesser der
Büchse mit dem Band und dem Innendurchmesser genügend Freiraum
aufrechterhalten wird, wenn das Band an der Außenfläche der
Büchse angeordnet ist. Man fand heraus, daß ein an der Außen
fläche der Büchse angeordnetes Widerstandstemperaturdetektor
band wirksam arbeitet, solange der Spalt zwischen dem Außen
durchmesser der Büchse und dem Innendurchmesser der äußeren Ma
gneten ausreichend ist, um einen Kontakt zwischen den äußeren
Magneten und der Außenfläche der Büchse zu verhindern.
Wird der Widerstandstemperaturdetektor während des Aufwickelns
der Fasern auf den Dorn innerhalb des Verbundmaterials angeord
net, dann wird das Widerstandstemperaturdetektorband zu einem
Zeitpunkt angeordnet, wo der Wickelvorgang angehalten wurde.
Nach dem Anordnen des Widerstandstemperaturdetektors auf der
Faser wird das Aufwickeln weiterer Fasern über dem Widerstands
temperaturdetektor weitergeführt, bis das Verbundmaterial auf
die erforderliche Dicke gewickelt ist.
In jedem Fall liegt der Erfassungsbereich des Detektors 102 in
nerhalb eines Drittels des zylindrischen Abschnitts der Büchse
in nächster Nähe an dem geschlossenen Ende 104 der Sperrbüchse
82. Der elektrische Anschluß an diesen Detektor ist an der Au
ßenseite der Büchse nahe dem Flansch aus rostfreiem Stahl zu
gänglich. Herkömmliche (nicht gezeigte) Temperaturanzeiger au
ßerhalb der Pumpe sind mit dem Detektor 102 durch Drähte 106
verbunden, die durch den Flansch aus rostfreiem Stahl und die
Kupplungsklammer der Pumpe verlaufen.
Während der Entwicklung des Herstellungsverfahrens für die
Büchse 82 der vorliegenden Erfindung bestand die Werkzeugausrü
stung für den Prototyp anfänglich aus einem Dorn 84, auf dem
zwei Büchsen gleichzeitig aufgenommen werden können. Die Pol
schuhe 88 aus rostfreiem Stahl wurden an einem Stahldorn 84 so
wie an der Wickelmaschinenachse angebracht.
Während der Herstellung wird der Dorn 84 vorliegend bevorzugt
zunächst mit einer Dichtmasse beschichtet, hier bevorzugt mit
der IMO-Teilenummer PP500DDL, um an dem Dorn 84 eine faserlose
Schicht zu bilden. Diese Schicht 108 sollte dick genug sein,
damit die fertige Büchse 82 am Ende des Vorgangs leicht von dem
Dorn 84 entfernt werden kann. Die ausgehärtete Dichtmassen
schicht 108 liefert außerdem eine zusätzliche Widerstands
schicht, um zu verhindern, daß das gepumpte Fluid eine freilie
gende Faser innerhalb des Verbundmaterials "reizt". Ein reprä
sentiver Dorn 84 ist in Fig. 3 gezeigt. Der Dorn 84 wird dann
um seine Achse gedreht. Unter Verwendung eines CNC-Programms
wird eine (nicht gezeigte) Wickelmaschine benutzt, um eine Fa
ser wie z. B. die Graphitfaser Toray T1000GB, die z. B. mit einem
Harz wie dem Harz arcRF-1 ummantelt ist, in einem dichten,
hochfesten Muster auf den Dorn zu weben. Die Faser und die
Harzwicklungen überdeckten die Polschuhe, um das geschlossene
Ende 104 der beiden Büchsen zu bilden. Eine zusätzliche Dicke
der harzummantelten Faser wurde in den Mittelabschnitt 106 des
Doppeldorns 107 gewoben, um einen Bereich für die Flanschver
bindung mit dem offenen Ende 96 der Büchse 82 vorzusehen.
Nach Abschluß des Wickelns der harzummantelten Graphitfasern
wurden die beiden an dem Doppeldorn 107 angebrachten Büchsen
warmausgehärtet und auf Zimmertemperatur abgekühlt, während sie
sich noch in der Wickelmaschine befanden. Die beiden auf dem
Doppeldorn 107 angebrachten Büchsen wurden dann von der Wickel
maschine entfernt, indem die Polschuhe an den Verbindungspunk
ten in Vorsprüngen 90 wie z. B. Gewindeverbindungen mit der
Wickelmaschinenachse gelöst wurden. Die beiden Büchsen wurden dann
von dem jeweiligen Dorn gelöst, indem zwei Umfangsschnitte in
dem Bereich des zusätzlichen, den Hohlraum 106 füllenden Epoxid
gemacht wurden, wo die Büchse die Epoxidbereiche jedes Dorns
kontaktierte. Nach dem Trennen der Büchsen wird die Mittel
stückverbindung 110 entfernt.
Beim Abnehmen von jedem Dorn wies die Außenseite der beiden
Büchsen die Beschaffenheit der Faserbindung auf. Die Innen
durchmesser der zylindrischen Abschnitte der beiden Büchsen
spiegelten die Abmessung und Oberflächenbeschaffenheit des Au
ßendurchmessers des Dorns wider. Die Dichtmasse lieferte als
integraler Bestandteil des Innendurchmessers ein glattes, fa
serloses Oberflächenfinish. Die Innenfläche 112 jedes Polschuhs
88 wurde dann mit der Dichtmasse überdeckt, um die innere fa
serlose Auskleidung oder Schicht 108 jeder Büchse zu vervoll
ständigen.
Als nächstes wurde der Bearbeitungsvorsprung oder Ansatz 90 des
Pohlschuhs von jeder Büchse abgegratet, um einen Vorsprung von
etwa einem sechzehntel Inch von dem geschlossenen Ende zu las
sen. Der Außendurchmesser des dickwandigen oder offenen Endes
96 der Büchse 82 wurde derart bearbeitet, daß ein mechanischer
Anschlag 114 zum Anbringen des Flansches 95 gebildet wurde.
Unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Spannvorrichtung zum
Aufrechterhalten der Ausrichtung und Konzentrizität ließ man
einen rostfreien Stahlflansch 95 von dem geschlossenen Ende 104
jeder Büchse zu dem bearbeiteten Anschlag 114 an dem dickwandi
gen offenen Ende 96 der Büchse 82 gleiten. Der Flansch 95 wurde
dann unter Verwendung eines hochfesten, korrosionsbeständigen
Epoxids an den Anschlag 114 geklebt, wie dies in Fig. 4 gezeigt
ist. Ein verfügbares Epoxid, das sich für diese Anwendung als
wirksam erwiesen hat, ist Hysol 934, das von Dexter Hysol Engi
neering Adhesives in Seabrook, NH 03874 erhältlich ist.
Die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Ver
bundbüchsen erreichten einen Berstdruck von wenigstens etwa
6000 psi und hielt Temperaturspitzen bis zu etwa 500°F und eine
kontinuierliche Betriebstemperatur von bis zu 400°F aus. Die
Verbundbüchsen der vorliegenden Erfindung erwiesen sich als
inert gegenüber Säuren, Laugen, chlorierten Lösungsmitteln MDI
(Methyldi-p-phenylenisocyanat) und TDI (Toluoldiisocyanat).
Damit sollte klar sein, daß die Pumpe mit der Büchse nach der
vorliegenden Erfindung die Ziele der Erfindung erreicht hat.
Genauer umfaßt die Pumpe eine Magnetkupplung, die deutlich we
niger Wärme aus Wirbelströmen als Pumpen aus dem Stand der
Technik erzeugt; sie hat den Energieverlust an die Überschuß
wärme deutlich reduziert, wodurch die zum Leisten der Arbeit
verfügbare Energiemenge verbessert wird; sie hat die Wärmemenge
reduziert, die durch Konvektion in das Pumpgut übertragen wird;
sie hat die Pumpen vom Magnetkupplungstyp gegenüber Pumpen des
Typs mit mechanischem Antrieb wettbewerbsfähiger gemacht, wo
durch die Notwendigkeit reduziert oder sogar aufgehoben ist,
die Magnetantriebspumpenmotoren zu überdimensionieren, um
PS-Verluste aufgrund übermäßiger Wärmeverluste zu kompensieren;
sie hat die Herstellungskosten für die Magnetkupplung gesenkt;
sie hat Dichtungs- und Verbindungskleber und verwandtes Materi
al reduziert oder sogar ganz beseitigt, das das Pumpgut abbauen
und verschmutzen kann; sie hat einen so kleinen Spalt wie mög
lich zwischen der inneren und der äußeren Magnetanordnung auf
rechterhalten; sie hat die Größe des inneren und des äußeren
Magneten reduziert, so daß kleinere innere und äußere Magnete
die gleiche Drehmomentfähigkeit erzeugen, wie sie durch die Ma
gnetkupplung mit herkömmlichen Büchsen erzeugt wurde; sie hat
für verbesserte dichtungslose Operationen sowie dafür gesorgt,
daß eine Temperatursonde an verschiedenen Positionen innerhalb
einer Magnetkupplungssperrbüchse angeordnet ist, um die Tempe
ratur der Magnetkupplung nahe dem geschlossenen Ende genauer zu
fühlen oder zu erfassen.
An dieser speziellen Ausführungsform können Änderungen und Mo
difizierungen durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfin
dung abzuweichen, der nur durch den Umfang der beigefügten An
sprüche begrenzt werden soll.
Claims (16)
1. Magnetsperrbüchse mit einem offenen Ende und einem ge
schlossenen Ende, die folgendes aufweist:
einen Polschuh; und
einen Zylinder mit offenem Ende, der eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist und mit dem Polschuh wirksam verbun den ist, und der eine harzummantelte Faser umfaßt, wobei die harzummantelte Faser den Polschuh abdeckt, um das geschlossene Ende zu bilden.
einen Polschuh; und
einen Zylinder mit offenem Ende, der eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist und mit dem Polschuh wirksam verbun den ist, und der eine harzummantelte Faser umfaßt, wobei die harzummantelte Faser den Polschuh abdeckt, um das geschlossene Ende zu bilden.
2. Büchse nach Anspruch 1, bei welcher die Faser aus der
Gruppe von:
Graphitfasern, Kevlarfasern und Glasfasern ausgewählt ist.
Graphitfasern, Kevlarfasern und Glasfasern ausgewählt ist.
3. Büchse nach Anspruch 1, bei welcher das Harz ein multi
funktionales, warmaushärtendes Harz ist.
4. Büchse nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist:
einen dicken Bereich, der wirksam in der Nähe des offenen Endes des Zylinders distal von dem Polschuh positioniert ist, um einen Anschlag zu bilden.
einen dicken Bereich, der wirksam in der Nähe des offenen Endes des Zylinders distal von dem Polschuh positioniert ist, um einen Anschlag zu bilden.
5. Büchse nach Anspruch 4, die ferner folgendes aufweist:
einen Flansch, der wirksam zwischen dem offenen Ende und dem Polschuh positioniert ist, um die Büchse an einer Magnetan triebspumpe anzubringen.
einen Flansch, der wirksam zwischen dem offenen Ende und dem Polschuh positioniert ist, um die Büchse an einer Magnetan triebspumpe anzubringen.
6. Büchse nach Anspruch 5, bei welcher der Flansch in der Nä
he des Anschlags positioniert ist und dadurch an Position ge
halten wird.
7. Büchse nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist:
eine faserlose innere Schicht, um einen Kontakt zwischen dem Pumpgut und der Faser zu verhindern.
eine faserlose innere Schicht, um einen Kontakt zwischen dem Pumpgut und der Faser zu verhindern.
8. Büchse nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist:
einen Widerstandstemperaturdetektor, der derart wirksam positioniert ist, daß der Erfassungsbereich des Detektors in der Nähe des geschlossenen Endes der Büchse positioniert ist.
einen Widerstandstemperaturdetektor, der derart wirksam positioniert ist, daß der Erfassungsbereich des Detektors in der Nähe des geschlossenen Endes der Büchse positioniert ist.
9. Büchse nach Anspruch 8, bei welcher der Erfassungsbereich
des Detektors in dem Drittel des zylindrischen Abschnitts der
Büchse angeordnet ist, der dem geschlossenen Ende der Büchse am
nächsten liegt.
10. Büchse nach Anspruch 8, bei welchem der Erfassungsbereich
des Detektors an der Außenfläche der Büchse angeordnet ist.
11. Büchse nach Anspruch 8, bei welcher der Erfassungsbereich
des Detektors in die Faserschichten der Büchse eingebettet ist.
12. Verfahren zum Herstellen einer Magnetsperrbüchse, das fol
gende Schritte umfaßt:
wenigstens ein Dorn wird vorgesehen;
wenigstens ein Polschuh wird vorgesehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an dem wenigstens einen Dorn befestigt;
wenigstens eine Wickelmaschine mit einer Achse wird vorge sehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an der Wickelmaschine befestigt;
eine mit einem Harz ummantelte Faser wird vorgesehen;
die harzummantelte Faser wird über den wenigstens einen Dorn und um den wenigstens einen Polschuh gewickelt, um das ge schlossene Ende der Büchse zu bilden;
die Büchse wird an dem wenigstens einen Dorn warmausgehär tet; und
die wenigstens eine Büchse wird von dem wenigstens einen Dorn derart abgenommen, daß die Büchse in etwa die Innenabmes sungen der Außenabmessungen des wenigstens einen Dorns auf weist.
wenigstens ein Dorn wird vorgesehen;
wenigstens ein Polschuh wird vorgesehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an dem wenigstens einen Dorn befestigt;
wenigstens eine Wickelmaschine mit einer Achse wird vorge sehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an der Wickelmaschine befestigt;
eine mit einem Harz ummantelte Faser wird vorgesehen;
die harzummantelte Faser wird über den wenigstens einen Dorn und um den wenigstens einen Polschuh gewickelt, um das ge schlossene Ende der Büchse zu bilden;
die Büchse wird an dem wenigstens einen Dorn warmausgehär tet; und
die wenigstens eine Büchse wird von dem wenigstens einen Dorn derart abgenommen, daß die Büchse in etwa die Innenabmes sungen der Außenabmessungen des wenigstens einen Dorns auf weist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem während des Webe
schritts ein Widerstandstemperaturdetektor derart wirksam posi
tioniert wird, daß der Erfassungsbereich des Detektors nahe dem
geschlossenen Ende der Büchse positioniert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem nach dem Webe
schritt ein Widerstandstemperaturdetektor derart wirksam posi
tioniert wird, daß der Erfassungsbereich des Detektors nahe dem
geschlossenen Ende der Büchse positioniert ist.
15. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner die Beschichtung
des wenigstens einen Dorns mit einer Dichtungsmasse umfaßt.
16. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner folgendes aufweist:
während des Webeschritts wird eine zusätzliche Faser nahe dem offenen Ende der Büchse angeordnet, um einen Anschlag zu bilden.
während des Webeschritts wird eine zusätzliche Faser nahe dem offenen Ende der Büchse angeordnet, um einen Anschlag zu bilden.
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