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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohres oder Spaltrohrtopfes für eine Nassläuferpumpe, wobei das Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf aus einer mediendichten Innenschicht und einen die Innenschicht umgebenden Faserverbundwerkstoff gebildet ist.
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Der Einsatz von kohlestofffaserverstärkten Kunststoffspaltrohren („CFK-Rohre“) bei Nassläuferpumpen ist bekannt. Der Aufbau bekannter CFK-Spaltrohre basiert auf zwei Einzelkomponenten, einem abdichtenden Kunststoffliner und einem Druck und Form stabilisierenden Kohlestofffaserwickelteil, das den Kunststoffliner umgibt. Bei der Fertigung können beide Teile entweder separat hergestellt und anschliessend ineinandergeschoben werden oder alternativ kann der bereitgestellte Kunststoffliner direkt durch das kohlestofffaserverstärkte Kunststoffmaterial umwickelt werden.
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Ein genereller Nachteil derartiger CFK-Rohre ist der hohe Fertigungspreis. Ferner wird beim Ineinanderschieben der Einzelkomponenten während des Fertigungsverfahrens bekannter CFK-Rohre eine Mindestwandstärke der beiden vorgefertigten Komponenten vorausgesetzt, um den während des Ineinanderschiebens auftretenden axialen Montagekräften standhalten zu können. Dies führt jedoch zu einer unerwünschten Zunahme der Gesamtwandstärke des resultierenden CFK-Rohres und damit einhergehenden Vergrößerung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator des Pumpenantriebes. Diese Vergrößerung wirkt sich nachteilig auf den erzielbaren Wirkungsgrad des Antriebs aus. Zuletzt existiert für das genannte Fertigungsverfahren eine zweiteilige Toleranzkette, deren Glieder sehr eng gewählt sein müssen, um das geforderte Schließmaß für die Dichtung zu gewährleisten.
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Es ist daher wünschenswert, ein derartiges Spaltrohr bzw. einen Spaltrohrtopf und das entsprechende Herstellungsverfahren zu optimieren, um die oben beschriebenen Nachteile überwinden zu können.
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Gelöst wird dies durch ein neuartiges Fertigungsverfahren für Spaltrohre bzw. Spaltrohrtöpfe, die durch eine mediendichte Innenschicht und einen die Innenschicht umgebenden Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zunächst ein vorgefertigtes Rohr aus einem Faserverbundwerkstoff bereitzustellen. Dieses vorgefertigte Rohr wird im Nachgang per Spritzgussverfahren mit einem Kunststoffmaterial hinterspritzt, und zwar im Bereich seines Innendurchmessers, um die gewünschte mediendichte Innenbeschichtung auszubilden.
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Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass bei der Montage bzw. Herstellung der aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigten Spaltrohre bzw. Spaltrohrtöpfe keine axialen Montagekräfte mehr auftreten. Dadurch lässt sich die Wandstärke des vorgefertigten Rohres als auch der aufgetragenen Innenschicht reduzieren. In Summe ergibt sich dadurch eine verringerte Gesamtwandstärke des Spaltrohres bzw. des Spaltrohrtopfes, so dass mittels der erfindungsgemäßen Spaltrohre bzw. Spaltrohrtöpfe nicht nur die Verschleißbeständigkeit erhöht, sondern auch der Wirkungsgrad des Pumpenantriebs optimiert werden kann.
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Darüber hinaus ist das vorgeschlagene Herstellungsverfahren kostengünstiger, da der im Stand der Technik erforderliche Montageschritt des Ineinanderschiebens ersatzlos entfällt.
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Als Faserverbundwerkstoff kann ein mittels Kohlestofffasern und/oder Glasfasern verstärkter Verbundwerkstoff verwendet werden. Die Kohlestofffasern und/oder Glasfasern können vorzugsweise in eine Kunststoffmatrix eingebettet sein. Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur allgemein von einem Faserverbundwerkstoff bzw. faserverstärktem Verbundwerkstoff gesprochen, die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch unabhängig davon, ob ein kohlestofffaserverstärkter oder glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff eingesetzt wird.
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Gemäß vorteilhafter Ausführung des Verfahrens kommt es beim Hinterspritzen des vorgefertigten Rohres zu einer thermischen Erwärmung zumindest der Innenwand des vorgefertigten Rohres, wodurch das verwendete Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes aufschmilzt. Beim Abkühlen des hinterspritzten Rohres kommt es dadurch zu einem Form- bzw. Stoffschluss zwischen dem faserverstärkten Verbundstoff, insbesondere dem verwendeten Matrixmaterial, und dem per Spritzguss aufgebrachten Kunststoffmaterial. Insgesamt wird dadurch ein besonders formstabiles und druckstabiles Spaltrohr bzw. Spaltrohrtopf erzeugt.
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Als geeignete Kunststoffmatrix ist ein Thermoplast denkbar, beispielsweise ein Polyphenylensulfid (PPS). Idealerweise sind das verwendete Kunststoffmaterial der Matrix des Verbundwerkstoffes und der verwendete Kunststoff für die mediendichte Innenbeschichtung identisch oder weisen zumindest sehr ähnliche Stoffeigenschaften auf. Insbesondere zeichnen sich beide Materialien durch nahezu identische oder zumindest sehr ähnliche Schmelzpunkte aus, sodass beim Aufbringen des Kunststoffmaterials für die Innenschicht und der dazu notwendigen Temperatur innerhalb der Spritzgussmaschine auch ein Aufschmelzen des Matrixwerkstoffes sichergestellt ist. Unter sehr ähnlichen Schmelzpunkten sind Schmelzpunkte zu verstehen, die voneinander um nicht mehr als 5% abweichen. Ebenfalls haben sich Materialien bewährt, deren Schmelzpunkte um nicht mehr als 10% voneinander abweichen. Weiterhin bevorzugt sind Materialien, die aufeinander abgestimmte Verarbeitungsschwindungen aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass beim Verarbeiten des Kunststoffmaterials für die Innenschicht keine schädlichen Spannungen im hinterspritzen Rohr entstehen. Unter aufeinander abgestimmten Verarbeitungsschwindungen sind Verarbeitungsschwindungen zu verstehen, bei denen die Verarbeitungsschwindung des Matrixmaterials des Verbundwerkstoffes größer oder gleich der Verarbeitungsschwindung des Kunststoffmaterials für die Innenschicht ist.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die mediendichte Innenschicht aus einem Polyphenylensulfid (PPS) besteht. Idealerweise bestehen sowohl Matrixmaterial als auch Innenschicht aus einem PPS.
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Für die Vorfertigung des aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff gefertigten Rohres wird vorgeschlagen, einen bandartigen Faserverbundstoff auf einen zylindrischen Formkörper aufzuwickeln. Der bandartige Verbundwerkstoff kann ein- oder mehrlagig auf den Formkörper aufgewickelt werden. Bei einer mehrlagigen Wicklung kann durch wiederkehrende thermische Erwärmung des Matrixmaterials ein formstabiles vorgefertigtes Rohr kostengünstig produziert werden. Insbesondere lassen sich hierdurch unterschiedliche Rohrgrößen flexibel vorfertigen und damit auf den gewünschten Pumpen- und Antriebstyp anpassen.
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Besonders geeignet ist ein lasergestütztes, thermoplastisches Wickeln des Rohres. Hierbei wird ein Tape des Faserverbundwerkstoffes auf den Formkörper (Kern) unter gleichzeitigem Andrücken mittels einer Andrückrolle aufgewickelt. Eine thermische Erwärmung des Verbundwerkstoffes wird per Laserlicht bewirkt, das insbesondere zwischen Andrückrolle und Formkörper auf den Verbwundwerkstoff auftrifft.
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Für den Prozess des Hinterspritzens ist vorgesehen, das vorgefertigte Rohr in eine passende Spritzgussmaschine, insbesondere eine Präzisionsspritzgussmaschine einzulegen. Hierfür wird das vorgefertigte Rohr bündig an einer Außenwand der Spritzgussform angelegt, sodass beim Hinterspritzen lediglich der Innenradius mit dem gewünschten Kunststoffmaterial ausgespritzt und der Wickelkörper gegen den auftretenden Spritzdruck gestützt wird. Als Spritzgusswerkzeug kommen vorzugsweise zwei trennbare Schieber zum Einsatz, die sich an den Aussenumfang des vorgefertigten Rohres anlegen und das Rohr umfänglich umschliessen. Ein Werkzeugkern wird in den Innendurchmesser des vorgefertigten Rohres eingebracht, wobei der resultierende Spalt zwischen Werkzeugkern und Innenradius des vorgefertigten Rohres Platz für das Einspritzen des Linermaterials bietet.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Nassläuferpumpe mit einem Spaltrohr oder einem Spaltrohrtopf. Erfindungsgemäß ist ein solches Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf aus einem faserverstärkten, insbesondere kohlestofffaser- oder glasfaserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt. Der Verbundwerkstoff ist dabei erfindungsgemäß stoffschlüssig mit einer mediendichten Innenschicht verbunden. Anders als bei herkömmlichen CFK-Rohren für Nassläuferpumpen ist nicht nur ein Formschluss zwischen Kunststoffliner und Verbundwerkstoff vorgesehen, sondern das Rohr zeichnet sich auch durch einen Stoffschluss zwischen den beiden Einzelkomponenten aus. Das resultierende Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf ist nicht nur formstabiler, sondern weist auch eine reduzierte Wandstärke auf.
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Insbesondere ist das Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hergestellt, weshalb sich die Nassläuferpumpe durch dieselben Vorteile und Eigenschaften auszeichnet, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurden.
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Die Nassläuferpumpe kann eine Kreiselpumpe, bevorzugt eine Inline-Pumpe, besonders bevorzugt eine Heizungsumwälzpumpe sein.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figurendarstellungen erläutert. Es zeigen:
- 1a, 1b: eine Quer- und Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Spaltrohr bzw. den Spaltrohrtopf,
- 2: einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße, in einer Spritzgussmaschine eingespannte Spaltrohr bzw. Spaltrohrtopf
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Nachfolgend soll nochmals kurz auf die notwendigen Verfahrensschritte für die Herstellung des erfindungsgemäßen Spaltrohres bzw. Spaltrohrtopfes eingegangen werden. Das resultierende Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf ist in den 1a, 1b gezeigt. 1a zeigt einen Querschnitt durch das Spaltrohr. Verdeutlicht sind in der schematischen Darstellung die beiden Schichten 1, 2. Mit dem Bezugszeichen 1 ist das aus einem Faserverbundwerkstoff vorgefertigte Rohr bezeichnet, das Bezugszeichen 2 stellt die per Spritzguss eingebrachte Innenschicht 2, d.h. den Kunststoffliner dar.
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Für den Herstellungsprozess wird zunächst als Ausgangsmaterial ein vorgefertigtes CFK-Rohr 1 verwendet. Die Matrix des Verbundwerkstoffes des CFK-Rohres 1 basiert auf dem selben oder einem sehr ähnlichen Kunststoffmaterial, das bereits bei der Fertigung konventioneller Kunststoffliner verwendet wurde. Zum Beispiel kann hier Polyphenylensulfid (PPS) verwendet werden. Das vorgefertigte CFK-Rohr 1 hat eine Wandstärke von 0,4 mm oder weniger, vorzugsweise 0,3 mm oder weniger, idealerweise 0,2 mm oder weniger, da es keiner axialen Montagekraft standhalten muss.
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Für die Aufbringung des Kunststoffliners 2 wird das CFK-Rohr 1 in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt, in dem es an der Außenwand bündig anliegt. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Spaltrohres und des Spritzgusswerkzeuges. Ersichtlich sind hier ein linker Schieber 3 sowie ein rechter Schieber 4, die am Aussenumfang des CFK-Rohres 1 anliegen. Die aus den beiden Schiebern gebildete Werkzeugaussenwand ist mit der gestrichelten Linie 6 gekennzeichnet. Die beiden Schieber 3, 4 sind entlang der Trennebene 5 voneinander trennbar, indem sie in der durch die Pfeile gekennzeichneten Entformungsrichtung auseinander bewegt werden.
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In den Innendurchmesser des CFK-Rohres 1 wird ein Werkzeugkern 7 eingeschoben, dessen Aussendurchmesser gegenüber dem Innendurchmesser des CFK-Rohres reduziert ist, um Platz für die Einbringung des Kunststoffliners 2 bereitzustellen. Durch das Einspritzen des oben genannten Linermaterials (PPS) wird das eingelegte CFK-Rohr 1 folglich hinterspritzt und das Linermaterial 2 wird auf dem Innenradius des eingelegten Rohres 1 aufgetragen.
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Während des Spritzgussprozesses wird das Rohr hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch die Matrix des vorgefertigten Rohres 1 im Randbereich des Innendurchmessers aufschmilzt und beim Abkühlen einen Formschluss mit dem eingespritzten Material 2 bildet. Das Ergebnis ist ein einteiliges CFK-Spaltrohr 1, 2 mit stoffschlüssig eingebundenem CFK-Körper 1.
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Nach dem Hinterspritzen werden die Schieber 3, 4 in Entformungsrichtung verfahren und der Werkzeugkren 7 orthogonal zur Schnittebene gezogen bzw. das fertige Spaltrohr 1,2 vom Werkzeugkern 7 abgeschoben.
