DE3542337C2 - - Google Patents
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Description
Aus der US-PS 42 77 707 ist eine magnetische Antriebsvorrichtung
für Rotationsmaschinen bekannt,
bei der der Spalttopf eine zylindrische
Trennwand aufweist, die ein Rotorteil umgibt und
durch die hindurch das Antriebselement und das
angetriebene Element einer Permanentmagnetkupplung
magnetisch verbunden sind. Als möglicher
Werkstoff für den Spalttopf kommt ein geeigneter
keramischer Werkstoff in Frage.
Bei der Auswahl von Werkstoffen für Spalttöpfe
ist zu beachten, daß durch den Spalttopf hindurch
eine magnetische Antriebskraft auf das angetriebene
Element der Kupplung übertragen werden muß;
bei der Auswahl geeigneter keramischer Werkstoffe
bieten sich demgemäß auf den ersten Blick keramische
Werkstoffe mit vergleichsweise hohem spezifischem
Widerstand an, beispielsweise Siliziumnitrid oder
Siliziumkarbid.
Um die für Spalttöpfe erforderlichen mechanischen
Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit und
des Elastizitätsmoduls zu erfüllen, sind bei Verwendung
von Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid bei
hohen Pumpendrücken
vergleichsweise große Wanddicken erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
gattungsgemäße magnetische Antriebsvorrichtung
für Rotationsmaschinen derart weiterzubilden,
daß sie bei kompakterer Bauweise auch für den
Betrieb mit hohen Pumpendrücken geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
Durch die Gestaltung des Spalttopfs mit Hilfe
eines im Vergleich zu anderen keramischen Werkstoffen
einen niedrigen spezifischen Widerstand
aufweisenden keramischen Werkstoffs, der jedoch
hervorragende Festigkeitseigenschaften aufweist,
wenn er die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Beimengungen enthält, ist
es möglich, die Trennwanddicke erheblich herabzusetzen
bzw. bei gleicher Trennwanddicke mit erheblich
höheren Pumpendrücken zu arbeiten. Der
vergleichsweise niedrigere spezifische Widerstand
wird durch die Herabsetzung der Trennwanddicke mehr
als ausgeglichen.
Die DE-Z Fachberichte Hüttenpraxis Metallweiterverarbeitung,
Band 22, Nr. 5, 1984, S. 450-457, bschreibt
den Einsatz von Zirkondioxid-Werkstoffen bei der
Stahlerzeugung. Hierbei ist neben den Festigkeitseigenschaften
und der Korrosionsbeständigkeit insbesondere
die Temperaturwechselbeständigkeit von
wesentlicher Bedeutung für die Auswahl der dem Zirkondioxid
zugegebenen Beimengungen.
Die DE 33 45 659 A1 und die DE 33 41 524 A1 offenbaren
jeweils zum Einsatz in Brenn- bzw. Wärmekraftmaschinen
konzipierte Zirkondioxid-Werkstoffe; im Falle der
DE 33 45 659 A1 hat der Zirkondioxid-Werkstoff einen
Y203-Gehalt von 0,5-5 Molprozent und einen Alkalimetalloxidgehalt
von 5-12 Molprozent, der außerhalb
des im Patentanspruch 1 in Gewichtsprozent für Aluminiumoxid,
Siliziumdioxid und Alkalimetalloxid angegebenen
Bereichs liegt. Im Falle der DE 33 41 524 A1 hat
der Zirkonwerkstoff einen Y203-Gehalt von 2-4 Gewichtsprozent,
was außerhalb des im Patentanspruch 1
in Molprozent angegebenen Bereichs liegt. Die dort
weiterhin angegebenen Additive kommen als Verunreinigungen
nur in sehr kleinen Mengen vor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt und anhand der Zeichnungen näher
erläutert.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine magnetisch angetriebene
Kreiselpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des
Spalttopfs aus Fig. 1, das den Rotor aufnimmt;
und
Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Hauptteil eines magnetisch
angetriebenen Rührapparats gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, weist eine Pumpe im wesentlichen
eine Hauptwelle 1, ein mittels Kugellagern 5
auf der Hauptwelle 1 drehbar gelagertes Flügelrad 2,
einen einstückig mit dem Flügelrad 2 ausgebildeten Rotor
3, ein diese Teile aufnehmendes Pumpengehäuse 4, einen am
Rotor 3 befestigten, angetriebenen Flügelradmagneten
6, einen Antriebsmagneten 8, der konzentrisch dem angetriebenen
Flügelradmagneten 6 gegenüberliegt und vom
Magnethalter 7 getragen wird, eine Antriebswelle 9
zum Antrieb des Magnethalters 7 sowie einen Antriebsmotor
10 auf.
Bevorzugterweise sollte das Flügelrad 2 mit dem Rotor
3 einstückig aus einem keramischen Material ausgebildet
werden. Als keramisches Material kann üblicherweise
Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Mullit, Siliziumkarbid,
Siliziumnitrit oder ähnliches mit außerordentlicher
Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Festigkeit
Verwendung finden.
Das Pumpengehäuse 4 wird im wesentlichen dadurch gebildet,
daß ein vorderes Gehäuse 11 mit einem Spalttopf
12 verbunden wird. Das vordere Gehäuse 11 ist
mit einem Einlaß 13 und einem Auslaß 14 versehen und
nimmt das Flügelrad 2 auf. Der Spalttopf 12 umfaßt
den Rotor 3.
Das vordere Gehäuse 11 erfordert nicht unbedingt eine
so hohe Festigkeit wie der Rotor 3 und der Spalttopf
12,
so daß korrosionsbeständige Materialien, z.
B. kunststoffbeschichtete Metalle und Keramiken, die
säurebeständige Aluminiumoxidkeramik oder ähnliches,
zu seiner Herstellung verwendet werden können.
Außerhalb des Spalttopfs 12 ist der Antriebsmagnet
8 konzentrisch zum angetriebenen Flügelradmagneten
6 angeordnet und am Magnethalter 7 befestigt.
Der angetriebene Flügelradmagnet 6 und der Antriebsmagnet
8 bestehen aus einem Metall oder einem Metalloxid
und weisen somit eine große Koerzitivkraft und
eine große Restflußdichte auf.
Der in einem Magnetgehäuse 15 sitzende Magnethalter 7 ist
an der Antriebswelle 9 des Antriebsmotors 10 befestigt
und wird durch sie angetrieben.
Das Pumpengehäuse 4, das Magnetgehäuse 15 und der Antriebsmotor
10 sind auf ein Untergestell 16 aufgesetzt.
Des weiteren sind eine Magnetkappe 17, eine Schraube
18, eine Kühlwasserdrainage 19, ein hinterer Flügel
20, der an der Rückseite des Flügelrads 2 ausgebildet
ist, und ein Spalt 21 am hinteren Flügel 20 vorgesehen.
Im folgenden wird der Spalttopf 12
unter Bezugnahme auf Fig.
2 näher erläutert.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist der Spalttopf
12 einen Flanschabschnitt 12A, eine zylindrische
Seiten- oder Trennwand 12B und einen Bodenabschnitt
12C auf.
Der Flanschabschnitt 12A ist an einem Ende der Seitenwand
12B ausgebildet und dient dazu, den Spalttopf
12 mit dem vorderen Gehäuse 11 zu verbinden, wodurch sich
eine Kammer bildet, in der das Flügelrad 2 oder der Rotor 3
aufgenommen werden.
Das andere Ende der Seitenwand 12B ist durch den Bodenabschnitt
12C verschlossen, in dessen mittlerem Bereich
eine Ausnehmung 12D ausgebildet ist, um die Hauptwelle 1
zu lagern. Die Seitenwand 12B dient
zur Trennung des angetriebenen Flügelradmagneten 6
vom Antriebsmagneten 8, der mit vorgenanntem magnetisch
verbunden ist.
Der Spalttopf 12 ist
einstückig aus einem keramischen
Material gebildet.
Die bevorzugte Dicke (t₁) der Seiten- oder Trennwand
12B liegt aus den nachfolgend ausgeführten Gründen
im Bereich von 1,5 bis 8 mm.
Wenn die Dicke der Seitenwand 12B weniger als 1,5 mm
betragen würde, könnte sie den Kräften
infolge des Antriebsdrehmomentes nicht widerstehen.
Falls die
Hauptwelle 1, die den Rotor 3 trägt, am Bodenabschnitt
12C des Spalttopfs 12 gelagert ist, förderte
eine Radiallast, die durch das Gewicht und die Drehung
des Rotors 3 hervorgerufen wird, die Biegung oder den
Bruch der Seitenwand 12B. Des weiteren könnte eine dünne
Seitenwand 12B bei der Herstellung infolge des Druckes
beim Schleifen leicht brechen; man könnte ihr wegen
möglicher Derformationen keine Zurichtungsgenauigkeit geben
und sie könnte bei einem
Stoß während des Zusammenbaus brechen. Während
des Betriebs könnte sie durch das Aufschlagen der Flüssigkeit
oder durch eine Schwingung,
die den Kontakt mit dem Rotor 3 oder dem Antriebsmagneten
8 bewirkt, brechen.
Andererseits ist es nicht wünschenswert, daß die Dicke
8 mm übersteigt.
Es wäre dann erforderlich, die Magnete 6, 8
entsprechend dem Anwachsen der Dicke zu vergrößern, damit
ein Wert des übertragenden Drehmomentes gehalten wird,
so daß die Abmessungen der Trennwand 12B insgesamt
entsprechend anwachsen.
Wenn die Trennwand 12B zu dick ausgeführt wird,
wächst der Abstand zwischen den
Magneten 6, 8
an, so daß sich das über die magnetische Kupplungsvorrichtung
übertragene Drehmoment verringert und die
speziellen Anforderungen an eine Rotationsmaschine
nicht erfüllt werden können. Wegen des Anwachsens der
Dicke kann nicht nur keine kompakte Ausführung
erreicht werden, vielmehr sind gewisse
Maßnahmen nötig, um den Gewichtszuwachs aufzufangen.
Insbesondere bei Verwendung von Zirkondioxid für die
Trennwand 12B ergeben sich infolge des hohen spezifischen Gewichtes
von Zirkondioxidkeramik im Vergleich zu anderen Keramiken
Schwierigkeiten. Des weiteren treten Nachteile,
wie z. B. ein verringerter Wärmestoßwiderstand
auf.
Keramische Materialien für die Seitenwand 12B sollen
einen spezifischen Widerstand von mindestens 10³ Ωcm
aufweisen.
Unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Festigkeit
und des spezifischen Widerstandes wird als keramisches
Material teilweise stabilisiertes Zirkondioxid bevorzugt.
Als Zirkondioxidkeramik wird die bevorzugt, die
mit 2,3 bis
3,5 Molprozent Y₂O₃ teilweise stabilisiert ist. Dieser Wertebereich ergibt sich, der 2 bis
4 Molprozent Y₂O₃ den spezifischen Widerstandswert
maximieren, 2 bis 3,5 Molprozent die Biegefestigkeit
maximieren und 2 bis 3 Molprozent die Bruchfestigkeit
bzw. die Wärmestoßwiderstandstemperatur maximieren,
während 2,3 bis 4,0 Molprozent Y₂O₃ die Verschlechterung
der Biegefestigkeit infolge Alterung minimieren.
Zirkondioxidkermaik, die als Hauptbestandteil Zirkondioxid
oder teilweise stabilisiertes Zirkondioxid aufweist,
sollte als Sinterungshilfe 1,5 Gew.-% (bezogen
auf das Gewicht des Hauptbestandteils) Aluminiumoxid
(Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) und eines Alkalimetalloxids
enthalten. Dies liegt darin begründet, daß im
Verlauf der Herstellung von Zirkondioxidkeramik die
Sinterungshilfen nicht nur die Formfestigkeit und die
Verformbarkeit verbessern und die Sinterungstemperatur
senken, sondern ebenso den spezifischen Widerstand
erhöhen können. Liegt der Gehalt unter 1%, erhöht
sich der spezifische Widerstand nicht ausreichend,
während bei einem Gehal über 5% die Biegefestigkeit
erkennbar absinkt.
Solche Sinterungshilfen beeinträchtigen generell den
Wärmestoßwiderstand bei hohen Temperaturen infolge
einer außerordentlichen thermischen Ausdehnung in Verbindung
mit einer Kristallumlagerung bei hohen Temperaturen
der stabilisierten Zirkondioxidkermaik.
Bei Spalttöpfen treten solche Probleme nicht auf,
da die Temperatur der fluiden Stoffe, mit denen in
der chemischen Industrie umgegangen wird, üblicherweise
nicht über 200°C liegt.
Die Dicke des Flanschabschnittes 12A (t₃) und des Bodenabschnittes
12C (t₂) des Spalttopfs 12 werden
vorzugsweise größer als die der Seitenwand 12B (t₁)
ausgeführt. Es wird besonders bevorzugt, daß die Dicke
des Flanschabschnittes 12A (t₃) bzw. des Bodenabschnittes
12C (t₂) mindestens das dreifache der Dicke der
Seitenwand 12B (t₁) aufweist. Um die Seitenwand 12B
so dünn wie möglich auszuführen und damit die speziellen
Forderungen an
magnetische Kupplungen zu erfüllen, ist
es notwendig, die Beanspruchung an der Grenze der Seitenwand
12B, die infolge der Biegung des Bodenabschnittes
12C und/oder des Flanschabschnittes 12A hervorgerufen
wird, bis auf das äußerste zu minimieren, so daß für
die Dicke des Flanschabschnittes 12A (t₃) bzw. des
Bodenabschnittes 12C (t₂) das dreifache der Dicke der
Seitenwand 12B (t₁) bevorzugt wird.
Derartige Spalttöpfe 12 können außer bei einer
mgnetisch angetriebenen Kreiselpumpe
auch bei anderen Rotationsmaschinen
angwendet werden.
In Fig. 3 ist z. B. ein Rührapparat für gasförmige oder flüssige Stoffe dargestellt.
Eine Hauptwelle 1 ist mit einem Rotor 3 und
einem Flügelrad 22 versehen.
Die Antriebskraft des Motors 10 wird mit
einer magnetischen Kupplung auf das Flügelrad 22 übertragen.
Eine magnetisch angetriebene Kreiselpumpe, wie sie
in Fig. 1 dargestellt ist, wurde hergestellt. Ein
Flügelrad, das einen Durchmesser von 150 mm aufweist
und mit fünf Flügeln versehen ist, und ein Rotor, der
130 mm lang ist und einen Außendurchmesser von 102
mm besitzt, wurden als einstückiger Körper aus
Aluminiumoxid ausgebildet. Ein angetriebener Flügelradmagnet,
ein 22 mm breiter Permanentmagnet mit einem mittleren Durchmesser von 81 mm wurde im Rotor konzentrisch
zur Hauptwelle eingebettet. Ein Antriebsmagnet, ein 25 mm breiter Permanentmagnet
mit einem mittleren Durchmesser von 132 mm
wurde an einem Magnethalter
konzentrisch zur Hauptwelle befestigt. Sowohl der angetriebene
Flügelradmagnet als auch der Antriebsmagnet
waren 55 bis 160 mm lang, wie in Tabelle 1 dargestellt
ist.
Für diese Permanentmagneten wurde ein Magnet aus seltenen
Erdmetallen mit einer Koerzitivkraft von 6500 Oe
(5174 A/cm) und einer Restflußdichte von 9,5 KG (0,95
T) verwendet.
Der Spalttopf 12 hat
einen 12 mm
dicken Flanschabschnitt, der einen Außendurchmesser
von 140 mm und einen Innendurchmesser von 108 mm aufweist,
und eine 110 mm lange Seitenwand,
die einen Innendurchmesser von 108 mm und eine Dicke
gemäß Tabelle 1 aufweist, und besteht aus einem
Material mit einem spezifischen Widerstand
gemäß Tabelle 2.
Als Antriebsmotor 10 wurde ein Dreiphasen-Drehstrommotor
mit einer Nenndrehzahl von 3500 UPM und einer Nennleistung
von 5,5 KW verwendet.
Bei den Pumpen wurde die Antriebskraft der Pumpenwelle,
die innere Druckfestigkeit, die Wärmestoßbruchtemperatur
des hinteren Gehäuses bzw. die Temperaturerhöhung
der verwendeten fluiden Stoffe gemessen.
Die Antriebskraft der Pumpenwelle wurde über das Produkt
des aufgenommenen Stromes, der Spannung und des
Wirkungsgrads des Motors bestimmt, wobei die Gesamtdruckhöhe
30 m und der Fluid-Liefergrad 0,2 m³/min
betrug.
Die innere Druckfestigkeit des Spalttopfes 12 wurde
bestimmt, indem dessen Bruchfestigkeit berechnet wurde,
wenn ein Druck auf das Innere des hinteren Gehäuses
mittels einer Ölpreßvorrichtung aufgebracht wird.
Die Wärmestoßbruchtemperatur entsprach der Differenz
zwischen 20°C und der Temperatur, auf die der Spalttopf 12
in einem Ofen aufgeheizt wurde, wenn es unmittelbar
nach Entnahme aus dem Ofen brach, wenn Wasser
mit einer Temperatur von 20°C und einem Durchfluß von
10 l/min hineingegossen wurde.
Die Temperaturerhöhung der verwendeten fluiden Stoffe
wurde durch den Temperaturunterschied zwischen der
Temperatur der Flüssigkeit nahe der inneren Oberfläche
des Flanschabschnittes des Spalttopfes 12 und der
Temperatur der Flüssigkeit nahe der inneren Oberfläche
des Bodenabschnittes des Spalttopfs bestimmt.
Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Aus Tabelle 1 ist deutlich zu entnehmen, daß
mit dem beschriebenen Spalttopf 12
ausgestattete Kreiselpumpen eine bessere Drehmomentübertragung
infolge einer geringeren Temperaturerhöhung
der verwendeten fluiden Stoffe aufweisen und
daß sie, verglichen mit herkömmlichen Ausführungen, über eine
bessere Festigkeit und einen höheren Wärmestoßwiderstand verfügen.
Es wurden Zirkondioxidkeramiken, die in ihrer Zusammensetzung
als Hauptbestandteile Zirkondioxid und Yttriumoxid
gemäß Tabelle 2 aufwiesen, in Verbindung mit Additiven,
deren Zusammensetzung Tabelle 3 zu entnehmen
ist, hergestellt. Als Vergleichsbeispiele wurden Aluminiumoxid,
Siliziumkarbidkeramik und Polytetrafluorethylen-
beschichteter Stahl hergestellt.
Es wurden aus den oben erwähnten Materialien verschiedene
Versuchskörper zur Messung hergestellt, die auf
ihre Biegefestigkeit, ihren spezifischen Widerstand,
ihre Bruchfestigkeit, ihre Wärmestoßwiderstandstemperatur
und ihre Alterungsbiegefestigkeit gemessen wurden.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle
3 zeigt die Zusammensetzungen.
Es ist zu erkennen, daß durch 2,3 bis 3,5 Molprozent
Y₂O₃ teilweise stabilisierte Zirkondioxidkeramik eine
verbesserte mechanische Festigkeit und einen zufriedenstellenden
spezifischen Widerstand aufweist und für
die Trennwand einer magnetischen Kupplungsvorrichtung
verwendbar ist.
Ferner wurde festgestellt, daß Zirkondioxidkeramik,
die 1 bis 5 Gew.-% (bezogen auf das Gewicht des Hauptbestandteils)
Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂)
und eines Alkalimetalloxides enthält, einen hohen spezifischen
Widerstand und eine zufriedenstellende mechanische
Festigkeit aufweist.
Claims (3)
1. Magnetische Antriebsvorrichtung für Rotationsmaschinen,
mit einem Rotor, einer Permanentmagnetkupplung
aus einem Antriebsmagneten und
einem Flügelradmagneten und einem Spalttopf,
der aus einem keramischen Werkstoff besteht
und mit seiner zylindrischen Trennwand, durch
die hindurch der Antriebsmagnet und der Flügelradmagnet
magnetisch gekoppelt sind, den Rotor umgibt,
dadurch gekennzeichnet, daß der keramische
Werkstoff als Hauptbetandteil Zirkondioxid
(ZrO₂) mit einem spezifischen Widerstand
von zumindest 1000 Ohm cm aufweist, daß das
Zirkondioxid (ZrO₂) teilweise mit 2,3-3,5
Molprozent Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiert
ist und daß der keramische Werkstoff, bezogen
auf das Zirkondioxid, 1-5 Gewichtsprozent
Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂)
und eines Alkalimetalloxids aufweist.
2. Magnetische Antriebsvorrichtung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Trennwand (12B) eine
Dicke (t₁) zwischen 1,5 mm und 8 mm aufweist.
3. Magnetische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Rotor (3) aufnehmende
Kammer aus dem Spalttopf (12) und einem vorderen
Gehäuse (11) gebildet ist, daß der Spalttopf (12)
die Trennwand (12B), einen das eine Ende der Trennwand
(12B) verschließenden Bodenabschnitt (12C) und einen am
anderen Ende der Trennwand (12B) ausgebildeten Flanschabschnitt
(12A) aufweist, mittels dem er mit dem
vorderen Gehäuse (11) verbunden ist, und daß sowohl der
Bodenabschnitt (12C) als auch der Flanschabschnitt
(12A) mindestens die dreifache Dicke der Trennwand
(12B) aufweisen.
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