DE3542337C2 - - Google Patents

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.

Beispiel 1

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.

Tabelle 1

Beispiel 2

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.

Tabelle 2(a)

Tabelle 2(b)

Tabelle 3

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.