DE60016796T2

DE60016796T2 - Verfahren zur herstellung von kunststoff-rotoren

Info

Publication number: DE60016796T2
Application number: DE60016796T
Authority: DE
Inventors: Mats SUNDSTRÖM; Karlis Timuska
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: WO2001028746A1; EP1237695B1; JP4636764B2; SE9903772D0; KR20020039680A; DE60016796D1; US6849220B1; JP2003512197A; KR100697782B1; WO2001028747A1; EP1237695A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Polymer-Rotors für eine Schraubenmaschine, wie einen Schraubenverdichter oder Schraubenentspanner, die eine Welle aus Metall aufweist, auf der ein polymerer Körper mit voneinander durch zwischenliegende Nuten getrennten wendelförmigen Vorsprüngen verankert ist.
Rotoren für Schraubenmaschine besitzen eine Welle aus Metall, auf der ein Rotorkörper befestigt ist. Dieser Rotorkörper hat wendelförmige Vorsprünge, die gegenseitig durch Nuten voneinander getrennt sind. Rotoren aus Metall sind üblicherweise aus einem Stück hergestellt, wohingegen Rotoren aus Polymer eine Welle aus Metall aufweisen, an der ein Rotorkörper aus Polymer befestigt ist. Der Rotorkörper hat mindestens zwei Vorsprünge, normalerweise 4–7 Vorsprünge. Eine wendelförmige Rotormaschine besitzt normalerweise zwei gegenseitige, miteinander wirksame Rotoren, von welchen ein Rotor ein männlicher Rotor mit typischerweise relativ stärkeren Vorsprüngen und der andere Rotor ein weiblicher Rotor mit normalerweise relativ schwächeren Vorsprüngen ist. Der Rotorkörper, der die Welle aus Metall umgibt, ist ein zusammenhängender Körper, in welchem die Nuten, die die Vorsprünge trennen, nur eine geringe Materialstärke haben, insbesondere bei einem weiblichen Rotor.
Die DE-A1-39 03 067 lehrt die Herstellung eines Rotors für Schraubenmaschinen. Gemäß dieser Veröffentlichung wird eine Welle aus Metall vertikal in einer oben offenen Matrize plaziert, wonach ein flüssiges Polymer entweder an die Außensei te der Welle oder durch einen Kanal in der Mitte der Welle, in welcher sich Kanäle radial zum Wellenumfang von dem unteren Ende des Kanals erstrecken, eingebracht wird. Diese Kanäle münden an dem unteren Ende des mit dem flüssigen Polymermaterial zu füllenden Hohlraums in die Matrize. In der Veröffentlichung wird festgehalten, daß diese letztere Alternative beim Gießen weiblicher Rotoren zu bevorzugen ist, d. h. weiblicher Rotorkörper, von kleiner Stärke in den Nuten zwischen den Vorsprüngen des Rotors. Diese sich radial erstreckenden Kanäle münden in den unteren Bereich des Hohlraums, der den kleinsten äußeren Durchmesser hat.
Wenn das Polymer durch den zentralen Kanal in der Welle aus Metall gemäß dieser Veröffentlichung eingebracht wird, ist es erforderlich, daß in der gesamten Zeit, die benötigt wird, um die Form vollständig zu füllen, das Polymer in dem unteren Ende der Form flüssig bleibt. Solange dies nicht erreicht ist, können keine Konditionen angewendet werden, welche bewirken, daß das Polymer in dem unteren Bereich der Form in einen festen Zustand übergeht.
Es läßt sich feststellen, daß in dieser Weise hergestellte Rotoren in der Mitte des Rotors einen kleineren Durchmesser als an ihren Enden aufweisen. Die Kontraktion oder das Schrumpfen, das diese Sanduhrform zur Folge hat, kann durch die Verfestigung des Polymers bei einer niedrigeren Temperatur an den Enden des Rotors als in dessen Mitte bedingt sein. Die höhere Temperatur in der Mitte des Rotors hat eine stärkere Schrumpfung zur Folge.
Die Aufgabe besteht darin, ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das die mit dem bekannten Verfahren ver bundenen Nachteile behebt und dadurch Rotoren zu erlangen, die keinen taillierten Mittelteil in einer axialen Richtung haben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein polymerer Rotor für eine Schraubenmaschine, der eine Welle aus Metall und mindestens zwei wendelförmige, voneinander durch zwischenliegende Nuten getrennte Vorsprünge aufweist, hergestellt durch Versehen der Welle mit einem sich axial erstreckenden Blindkanal, Verbinden des sich axial erstreckenden Blindkanals mit der Mantelfläche der Welle mittels mindestens eines sich radial erstreckenden Kanals, Einfügen der Welle aus Metall in eine Form, die zwei mit Abstand voneinander angeordnete Stirnwandungen umfaßt, die einander gegenüberliegende zentrale Öffnungen enthalten, welche die Rotorwelle aufnehmen und welche die Welle aus Metall wenigstens im wesentlichen abdichtend umgeben, Aufheizen der Form und der Welle aus Metall auf die Erhärtetemperatur des Polymers, Eingeben von polymerbildenden Materialien in die Form, Halten der Form und der Welle aus Metall auf der genannten Erhärtetemperatur, bis das Polymer erhärtet ist, und dann Entfernen der Welle aus Metall mit dem Rotor aus der Form. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der sich vom Blindkanal nach außen erstreckende radiale Kanal in einer Weise angeordnet wird, daß sich dieser Kanal im wesentlichen in der Mitte der Form befindet, wenn die Welle darin eingeführt wird, und dadurch, daß das Polymer in den sich axial erstreckenden Blindkanal mit einem Überdruck von mindestens 1 bar eingepreßt wird.
Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens werden aus den abhängigen Ansprüchen ersichtlich. Das Polymer-Material, Trennmittel und Füllmaterial können jene in der deutschen Referenz beschriebenen oder andere dem Fachmann bekannte Materialien sein.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzt die Welle aus Metall wendelförmige Ausnehmungen oder Nuten, die mit polymerem Material gefüllt sind und die einen versenkten Bereich des außen liegenden Vorsprungs ausbilden. Die Ausnehmungen oder Nuten haben vorzugsweise einen paralleltrapezförmigen Querschnitt, mit der kürzeren der parallelen Seiten am nächsten zur Wellenaußenseite angeordnet und sich senkrecht zum Wellenradius erstreckend. Die Ecken an dem Übergang der nichtparallelen Seiten zu der Wellenaußenseite sind gerundet, um die Bruchneigung des polymeren Materials zu reduzieren.
Die wendelförmigen Nuten können sich über die volle Länge des Vorsprungs oder nur über einen Teil davon erstrecken. In ähnlicher Weise können die wendelförmigen Nuten zwei oder mehr Längs-Teilnuten sein, die entlang der gleichen wendelförmigen Linie angeordnet sind. In diesem letzteren Fall führt vorzugsweise ein nach außen gerichteter Kanal in jede Teil-Nut.
Erfindungsgemäß umfaßt der Begriff Metallegierungen zum Beispiel Stahl und Messing, wobei Stahl besonders bevorzugt wird. Das Polymer-Material kann Polyurethan sein, das anorganischen Füllstoff enthält, zum Beispiel Fasern, die Silikat enthalten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Form und zeigt eine Welle aus Metall, die in die Form eingefügt ist;
2 eine Schnittansicht der Welle aus Metall, entlang der Linie II-II in 1;
3 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines bekannten Rotorendprofils, entlang der Linie III-III in 1;
4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Rotorendprofils, entlang der Linie III-III in 1; und
5 einen schematischen Vertikalschnitt eines statischen Mischers.
1 zeigt eine Form 1, in welche eine Welle aus Metall, vorzugsweise eine Stahlwelle 2, eingefügt ist. Die Wandung 3 der Form 1 hat eine zylindrische äußere Oberfläche und innenseitig die äußere Kontur eines wendelförmigen Rotors, welcher in dem dargestellten Fall fünf Vorsprünge und eine entsprechende Zahl von zwischenliegenden Nuten besitzt, wie in 3 gezeigt. Die Form 1 besitzt eine obere kreisförmige Stirnwandung 4 und eine untere kreisförmige Stirnwandung 5. Jede der Stirnwandungen 4, 5 ist mit einer jeweiligen zentralen, die Welle aufnehmenden Öffnung 6 und 7 versehen. Die Öffnun gen 6, 7 umgeben die Rotorwelle 2 so, daß sie gegen diese Welle wenigstens im wesentlichen abdichten. Die Form 1 hat in dem oberen Bereich der Wandung 3 eine Entlüfung 8 für jeden Rotorvorsprung 9, ersichtlich aus 3. Diese Entlüftung 8 können auch als Nuten in der oberen Stirnwandung 4 angeordnet sein.
Die Rotorwelle 2 hat an ihrem unteren Ende einen mittigen, sich axial erstreckenden Blindkanal 10, der sich über mehr als die Hälfte in die Welle 2 hinein erstreckt. Wie in 1 ersichtlich, sind diejenigen Endbereiche der Welle 2, die außerhalb der Stirnwandungen 4, 5 angeordnet sind, von gleicher Länge. Wenn die Welle 2 asymmetrisch in der Form 1 plaziert wird, erstreckt sich die Länge des axialen Blindkanals 10 über die Mitte der Form 1 hinaus, welche die Welle umgibt.
Mindestens ein radialer Kanal 11 erstreckt sich vom Blindkanal 10 zum Umfang der Welle 2. Die Zahl der radialen Kanäle 11, die sich von dem axialen Blindkanal 10 zum Umfang der Welle erstrecken, wird vorzugsweise der Zahl der Vorsprünge 9 entsprechen, mit denen der Rotor ausgestattet ist. Diese radialen Kanäle 11 sind vorzugsweise in der axialen Richtung der Welle gegeneinander versetzt, um eine Schwächung der Welle im Bereich der besagten Kanäle 11 zu reduzieren oder minimieren.
2 zeigt die Welle 2 und einen solchen radialen Kanal 11 und zwei weitere Kanäle 11' und 11", die mit gestrichelten Linien dargestellt sind, wobei diese weiteren Kanäle unterhalb der Schnittfläche angeordnet sind. Obwohl nicht dargestellt, besitzt die Welle weitere zwei radiale Kanäle 11 oberhalb der Schnittfläche.
3 stellt einen Schnitt eines Endes eines männlichen Rotors 12 dar, der fünf Vorsprünge 9 hat. Diese Vorsprünge 9 sind voneinander durch Nuten 13 getrennt. Aus dieser Figur wird ersichtlich, daß die Form fünf Entlüftungen 8 in ihrem oberen Bereich hat.
4 ist ein Schnitt eines Endes eines weiblichen Rotors 14, der sechs Vorsprünge 15 und sechs dazwischenliegende Nuten 16 hat und der in eine Form 17 eingefügt ist. Der Rotor ist erfindungsgemäß gestaltet. Der Rotorkörper 14 ist auf einer Stahlwelle 19 angeordnet und hat die Form von sechs einzelnen und voneinander getrennten Vorsprüngen 15. Aus der Figur wird ersichtlich, daß die unteren Teile der Nuten 16 zwischen den Vorsprüngen 15 durch die Stahlwelle 19 ausgebildet sind. Die Vorsprünge 15 sind folglich nicht gegenseitig durch Polymermaterial verbunden, wie im Falle der Vorsprünge 9 auf dem männlichen Rotor, der in 3 gezeigt ist. Die Form umfaßt sechs Entlüftungen 18. Es ist nicht vorgesehen, daß die Rotoren, die gemäß 3 und 4 hergestellt sind, miteinander agieren.
Wie aus 4 ersichtlich, besitzt die Welle 19 Ausnehmungen 20, die in ihrem Querschnitt trapezförmig sind, wobei die längeren der sich gegenüberliegenden parallelen Flächen dem Mittelpunkt der Welle 19 zugewandt sind. Die nicht parallelen Flächen haben gerundete Ecken an dem Wellenumfang. Diese trapezförmigen Ausnehmungen 20 erstrecken sich in der gleichen wendelförmigen Form, wie der außerhalb liegende Vorsprung 15. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung führt jeder radiale Kanal 11 (2) in eine solche Ausnehmung 20. Die Ausnehmungen 20 erstrecken sich von dem radialen Kanal 11 aus über eine längere oder kürzere Distanz. Im Fall der in 4 gezeigten Ausführung hat die Ausnehmung 20 die gleiche Länge wie der Vorsprung 15. Diese Ausnehmungen 20 wirken sich auf die Befestigung des Polymers an der Welle 19 aus. Die gerundeten Ecken an dem Umfang der Welle 19 reduzieren das Risiko der Rißbildung und verlängern die Lebensdauer des Rotors.
5 ist eine schematische vertikale Schnittansicht eines statischen Mischers 30 zur Benutzung beim Formen erfindungsgemäßer Polymerrotoren. Der Mischer 30 weist einen ersten Kanal 31 auf, der zwei Einlaßöffnungen 33, 34 an den jeweiligen Enden davon hat. Eine dritte Öffnung 35, die eine Verbindung mit einem Ende des zweiten Kanals 32 herstellt, ist in der Kanalwand zwischen den besagten Öffnungen 33, 34 vorgesehen. Dieser zweite Kanal besitzt eine Anzahl Mischelemente 36, welche wendelförmig ausgebildet sein können. Zur Vermeidung, daß Material den zweiten Kanal 32 ohne Vermischen axial passiert, sind die Elemente 36 angeordnet. Solche statischen Mischer sind bekannt.
Erfindungsgemäß wird ein flüssiges oder festes Polymermaterial, z. B. Polyurethan, das vorzugsweise Füllstoff enthält, in den sich axial erstreckenden zentralen Blindkanal 10 bei einer Temperatur von ungefähr 30°C und einem Überdruck von mindestens ungefähr 1 bar und maximal ungefähr 15 bar eingegeben. Der bevorzugte Druck liegt ungefähr in der Mitte dieses Druckbereichs. Die Form 1 und die Welle 2 sind auf eine Temperatur von ungefähr 90°C aufgeheizt worden. Ein Trennmittel kann auf die innere Oberfläche der Form 1 vor dem Eingeben des Polymermaterials aufgetragen worden sein. Der Mantel 3 der Form wird ebenso elektrisch aufgeheizt, um eine Temperatur von ungefähr 90°C aufrechtzuerhalten, was in üblicher Form ausgeführt wird. Die Welle 2 und die Stirnwandungen 4, 5 der Form haben eine hohe thermische Speicherfähigkeit und sind daher nicht beheizt. Das Polymermaterial, das durch den sich axial erstreckenden Blindkanal 10 eingegeben wird, verläßt diesen Blindkanal durch die radial angeordneten Kanäle 11.
Das aus den radialen Kanälen 11 austretende Material fließt in der aufrecht stehenden Form 1 zuerst nach unten und steigt danach in der Aushöhlung der Form, bis die Form gefüllt ist. Da das eingegebene Material eine sehr viel niedrigere Temperatur als die Welle 2 und die Form 1 hat, wird das Material beim Eingeben Hitze aufnehmen, wobei es die Welle 2 und die nicht geheizten Stirnflächen kühlt. Da das Material zentral in der Form 1 eingegeben wird, wird das Material dort angeordnet, wo die niedrigste Temperatur zu Beginn des Verfestigungsprozesses vorherrscht. Die Tatsache, daß das Material unter einem relativ hohen Überdruck genau in der Mitte der Form 1 eingegeben wird, kompensiert eine Schrumpfung des Polymers, die normalerweise in der Mitte stattfindet, so daß der Rotor keinen kleineren Durchmesser in der Mittelzone als an seinen Enden hat.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein statischer Mischer 30 in dem zentralen Blindkanal 10 angeordnet. Die Länge des zweiten Kanals 32 des statischen Mischers ist so, daß dieser nur so weit wie die sich radial erstreckenden Kanäle reicht, die der Mündung des zentralen Blindkanals am nächsten liegen, wenn der Mischer eingefügt ist. Dies ermöglicht zwei durch eine jeweilige Öffnung 33, 34 des statischen Mischers 30 einzugebende und die Öffnung 35 in den zweiten Kanal 32 des Mischers passierende Komponenten, die zusammen nach der Aushärtung das Polymer ergeben. Die Komponenten werden in dem zweiten Kanal mit Hilfe der Mischelemente 36 gemischt, welche eine laterale Bewegung des Materials induzieren.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Rotors (12, 14) für eine Schraubenmaschine mit einer Welle (2, 19) aus Metall und wendelförmigen Vorsprüngen (9, 15), die voneinander durch zwischenliegende Nuten (13, 16) getrennt sind, welches folgende Schritte umfaßt: – Versehen der Welle (2, 19) mit einem sich axial erstreckenden Blindkanal (10); – Verbinden des Blindkanals (10) mit der Mantelfläche der Welle (2, 19) über wenigstens einen Kanal (11); – Einfügen der Rotorwelle (2, 19) in eine Form (1), die zwei mit Abstand voneinander angeordnete Stirnwandungen (4, 5) umfaßt, die entsprechende Öffungen (6 und 7) zur Aufnahme der Rotorwelle aufweisen, welche die Rotorwelle (2, 19) in einer wenigstens im wesentlichen abdichtenden Weise umgeben; – Aufheizen der Form (1) und der Welle (2, 19) auf die Erhärtetemperatur des Polymers; – Eingeben von polymerbildenden Materialien in die Form; – Halten der Mantelwandung (3) der Form (1) auf der Erhärtetemperatur bis das Polymer erhärtet ist und – Entfernen des Rotors aus der Form (1), gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Schritte: derartiges Anordnen des sich nach außen erstreckenden Kanals (11) an der Welle (2, 19), daß sich dieser Kanal im wesentlichen in der Mitte der Form (1) befindet, wenn die Welle (2, 19) in diese eingefügt wird, und Einpressen des Polymers in den sich axial erstreckenden Blindkanal (10) mit einem Überdruck von mindestens 1 bar.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (2, 19) mit einem sich radial erstreckenden Kanal (11) für jeden Vorsprung (9, 15) versehen wird, wobei die Kanäle (11) symmetrisch über den Umfang der Welle verteilt angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (11) gegeneinander in der axialen Richtung der Rotorwelle (2, 19) versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2, 19) so in der Form (1) positioniert wird, daß sich ein nach außen gerichteter Kanal (11) in jeden Vorsprung (9, 15) öffnet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (2, 19) mit wendelförmigen Ausnehmungen (20) versehen wird, die die gleiche wendelförmige Gestalt wie die Vorsprünge (9, 15) haben und von denen jede einen zugehörigen Kanal (11) schneidet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in dem sich axial erstreckenden Blindkanal (10) durchmischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein statischer Mischer (30) in dem zentralen Blindkanal (10) angeordnet wird, eine polymerbildende Komponente durch die Öffnung (33) des Mischers und eine weitere polymerbildende Komponente durch die andere Öffnung (34) zugeführt wird.