DE19712324C2

DE19712324C2 - Umwälzpumpe oder Rührwerk für erwärmte chemische Lösungen

Info

Publication number: DE19712324C2
Application number: DE19712324A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Renner
Original assignee: RENNER GmbH
Current assignee: RENNER GmbH
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: DE59806230D1; EP0867620A1; DE19712324A1; EP0867620B1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Umwälzpumpe oder einem Rührwerk für erwärmte chemische Lösungen, insbesondere zur Verwendung in Anlagen für die chemische oder elektrochemische (galvanische) Metallabscheidung mit den im Oberbegriff des An spruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 21 36 301 bekannt. Eine solche bekannte Umwälzpumpe hat eine senkrecht verlaufende Wei le, welche dazu bestimmt ist, in die chemische Lösung einzutauchen. Die Welle wird durch einen an ihrem oberen Ende angeordneten Elektromotor angetrieben und ist an ihrem unteren Ende mit einem Flügelrad versehen. Der Motor befindet sich in einem Ge häuse, an dessen Unterseite die Welle austritt. An der Unterseite des Gehäuses ist ein stillstehendes Fußteil vorgesehen, durch welches die Welle hindurchtritt. Mit diesem Fußteil kann die Umwälzpumpe auf einem Behälter angebracht werden, in welchem sich die erwärmte chemische Lösung befindet. Zu diesem Zweck führt ein senkrechtes Tauchrohr in den Behälter hinein und taucht in die chemische Lösung ein. Das Tauch rohr hat am oberen Ende einen seiner Montage dienenden Flansch. Mit diesem Flansch ist die Umwälzpumpe verschraubt, wobei das Fußteil auf dem Flansch ruht. Die vom Mo tor ausgehende Welle erstreckt sich auf diese Weise in das Tauchrohr hinein.

Für die chemische oder elektrochemische Metallabscheidung werden unterschiedliche, saure oder alkalische, wässrige Lösungen als Behandlungsbäder eingesetzt. Die Bäder werden zumeist bei einer oberhalb der Raumtemperatur liegenden Temperatur betrie ben. Das hat zur Folge, daß aus den Bädern aggressive und teilweise gesundheits schädliche Dämpfe aufsteigen. Um sie zurückzuhalten, haben die Behälter, in denen sich die Bäder befinden, üblicherweise einen Deckel. An den Stellen, an welchen sich eine Umwälzpumpe oder ein Rührwerk befindet, ist der Deckel unterbrochen. Damit an diesen Stellen dennoch die aufsteigenden Dämpfe zurückgehalten werden, müssen die Umwälzpumpen und Rührwerke abgedichtet werden. Bei unzureichender Abdichtung gelangen die Dämpfe nicht nur in die Werkshalle, sondern können auch in den Motor der Umwälzpumpe eindringen und diesen schädigen, sei es durch saure oder alkalische Bestandteile im Dampf, die zur Korrosion führen, oder sei es durch die Ablagerung von Inhaltsstoffen der Lösungen, indem die aufsteigenden Dämpfe, die solche Inhaltstoffe mit sich führen, zunächst an kälteren Teilen der Umwälzpumpe bzw. ihres Motors kon densieren und aus dem Kondensat in der Folge Inhaltsstoffe, vorwiegend Metallsalze, auskristallisieren. Das passiert nicht nur während des Betriebs der Umwälzpumpe, son dern auch in Betriebspausen, weil die Bäder üblicherweise rund um die Uhr beheizt werden.

Um dem geschilderten Problem zu begegnen ist es aus der DE-OS 21 36 301 bekannt, eine Sperre für aufsteigende Dämpfe durch eine ihnen entgegengerichtete Luftströmung zu bilden. Zu diesem Zweck ist auf der Pumpenwelle ein Ventilatorrad angebracht, wel ches beim Pumpen mitläuft, durch einen höher gelegenen Lufteinlaß Frischluft ansaugt und diese, mit chemischen Dämpfen angereichert, durch einen tiefer gelegenen Auslaß wieder ausstößt. Nachteilig dabei ist, daß diese Sperre nur wirksam ist, solange die che mische Lösung umgewälzt wird. Beim Stillstand der Pumpe können die aus der chemi schen Lösung aufsteigenden Dämpfe deshalb doch in den Motor hochsteigen. Ein wei terer Nachteil besteht darin, daß die Dämpfe, die durch den Ventilator daran gehindert werden, in den Motor einzudringen, an anderer Stelle aus dem Behälter, in welchem sich die chemische Lösung befindet, ausgestoßen werden müssen, so daß es zu einer Belastung der Raumluft mit den chemischen Dämpfen kommt, was höchst unerwünscht ist. Ferner ist es bekannt, in einem Ringraum zwischen der Welle und dem Fußteil an der Unterseite des Motorgehäuses eine elastomere Dichtung vorzusehen, welche den Durchgang zwischen Welle und Fußteil lückenlos verschließt. Leider unterliegt diese Dichtung einem erheblichen Verschleiß, weil sich auch im Bereich der Dichtung Metall salze ablagern, an welchen die Dichtung reibt. Die Reibung führt bald zu Undichtigkei ten, wobei der Verschleiß noch dadurch beschleunigt wird, daß eine erhebliche Reibungswärme erzeugt wird, die sowohl in die aus Kunststoff bestehende Dichtung als auch in die aus Kunststoff bestehende Welle eingeleitet wird und dazu führen kann, daß deren Temperaturbeständigkeit überschritten wird.

Bekannte Umwälzpumpen, die in chemischen oder elektrochemischen Beschich tungsanlagen eingesetzt sind, müssen deshalb nach ungefähr 1000 Stunden ausgebaut und gewartet werden, wobei im allgemeinen nicht nur die Ablagerun gen zu entfernen und die Dichtungen zu erneuern sind, sondern häufig noch wei tere Teile der Umwälzpumpe oder die Umwälzpumpe komplett auszutauschen sind, weil sie durch hochgestiegene aggressive Dämpfe und Ablagerungen be schädigt sind.

Chemische und elektrochemische Anlagen für die Beschichtungstechnik, z. B. für die Herstellung von Schaltungsträgerplatten, werden aus Kostengründen häufig rund um die Uhr im 3-Schichtbetrieb betrieben. Stillstandszeiten der Anlage infol ge von Wartungsarbeiten sind deshalb ein wesentlicher Kostenfaktor. Der vorlie genden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie die Wartungsintervalle von Umwälzpumpen und Rührwerken der eingangs genannten Art verlängert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Umwälzpumpen und Rührwerke mit den im An spruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Während im Stand der Technik die Sperrwirkung dadurch erzielt wird, daß ein geschlossener Dichtspalt vorliegt, d. h. ein Dichtspalt mit verschwindender Spalt breite schlägt die vorliegende Erfindung einen entgegengesetzten Weg ein, in dem sie eine Sperre vorsieht, in welcher ein durch sich nicht berührende Oberflä chen begrenzter, durchgehender Ringspalt gebildet ist. In diesen Ringspalt mit endlicher Spaltbreite können aufsteigende Dämpfe eindringen. Die den Ringspalt begrenzenden Oberflächen bieten den Dämpfen jedoch die Gelegenheit, an den kälteren Oberflächen des Ringspaltes zu kondensieren. Die Länge des Ringspal tes (darunter wird der Weg verstanden, den aufsteigende Dämpfe zurücklegen müssen, um von der einen, der chemischen Lösung zugewandten Seite, auf die andere, der chemischen Lösung abgewandten Seite der Dichtung zu gelangen) und die Spaltbreite des Ringspaltes sollen so aufeinander abgestimmt werden, daß praktisch alle Dämpfe, die in den Ringspalt eindringen, in diesem kondensie ren können. Zu diesem Zweck hat der Ringspalt auf dem überwiegenden Teil sei ner Länge vorzugsweise eine zwischen 0,5 mm und 1,5 mm betragende Spalt breite und wird die Länge des Ringspalts mindestens zu 4 cm, noch besser min destens zu 6 cm gewählt; besonders bewährt haben sich Ringspalte mit einer Länge von 6 bis 10 cm.

In dem erfindungsgemäß vorgesehenen Ringspalt können sich nun verstärkt Ab lagerungen bilden, indem Salze aus dem Kondensat auskristallisieren. Der Nach teil, den die Ablagerungen im Stand der Technik haben, wird erfindungsgemäß in einen Vorteil umgemünzt, indem sie allmählich zu einer Verengung des Ringspal tes und damit zu einer Verbesserung seiner Sperrwirkung führen. Dazu ist es von Bedeutung, daß die Ablagerungen im Ringspalt zerrieben und verdichtet werden. Um das zu ermöglichen, sind die den Ringspalt begrenzenden Oberflächen kera mische Oberflächen, insbesondere aus Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid beste hend. Diese keramischen Oberflächen haben den Vorteil, unter der mahlenden Wirkung der Ablagerungen praktisch nicht zu verschleißen. Darüberhinaus zeich nen sie sich durch eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe ther mische Ausdehnung aus. Die geringe Wärmeleitfähigkeit hat den Vorteil, die Übertragung der beim Mahlen der Ablagerungen erzeugten Reibungswärme auf angrenzende Kunststoffteile zu verhindern, so daß deren Temperaturbeständig keit nicht überschritten wird. Das ist deshalb von Bedeutung, weil der Einsatz von Kunststoffteilen in der Nachbarschaft der keramischen Dichtung unumgänglich ist, denn metallische Werkstoffe sind in chemischen und elektrochemischen Bä dern für die Metallabscheidung im allgemeinen verboten, weil sie Metallionen an die Bäder abgeben und sie dadurch unbrauchbar machen können. Die geringe Wärmedehnung der keramischen Oberflächen hat den Vorteil, daß die Reibungs wärme im Ringspalt nicht zu Paßproblemen führt; ein Festfressen der den Rings palt begrenzenden Oberflächen ist nicht zu befürchten.

Um das Kondensieren der Dämpfe im Ringspalt zu begünstigen, weist er Strömungshindernisse (Schikanen) auf. Besonders günstig ist es, wenn der Ringspalt über seine Länge mäanderförmig verläuft. Durch die wieder holte Umlenkung der Strömung im Ringspalt wird die Verweildauer der Dämpfe im Ringspalt und die Wahrscheinlichkeit, daß sie mit einer der keramischen Oberflächen in Berührung kommen erhöht, zumal zwischen der Eintrittsseite und der Austrittseile des Ringspaltes praktisch keine Druckdifferenz besteht, die die Strömung im Ringspalt antreiben könnte.

Solange sich im Ringspalt noch keine Salze abgelagert haben, haben es die Dämpfe leichter, tief in den Ringspalt einzudringen. Um ihnen das Überwinden des Ringspaltes dennoch zu erschweren, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Er findung im Ringspalt eine Dichtpaste vorgesehen. Bei der Auswahl der Dichtpa ste soll darauf geachtet werden, daß sie hinsichtlich der durch Dampfkondensati on und Reibungswärme im Ringspalt entstehenden Temperatur hinreichend tem peraturbeständig ist und hinreichend zähflüssig bleibt. Ferner ist darauf zu ach ten, daß die Paste sich mit der chemischen Lesung verträgt und zu diesem Zweck gegenüber dem Angriff der Lösung hinreichend beständig ist. Als Haupt bestandteil für die Dichtpaste eignet sich feines Polytetrafluoräthylenpulver, ins besondere eine Mischung aus einem solchen PTFE-Pulver und einem Silikon, die bis ca. 300°C verwendbar ist. Damit sich die Dichtpaste im Ringspalt über länge re Zeit hält, sollte sich der Ringspalt nicht ausschließlich von unten nach oben er strecken, sondern eine oder mehrere nach oben offene Ringnuten aufweisen, in welchen sich die Dichtpaste sammeln kann. Im einfachsten Fall konnte der Ring nut in der unteren keramischen Oberfläche ein ebener Bereich der oberen kera mischen Oberfläche im geringen Abstand gegenüberliegen. Günstiger ist es jedoch, wenn die obere keramische Oberfläche mit einem ringförmigen, nach un ten vorspringenden Kragen in die Ringnut der unteren keramischen Oberfläche eintaucht, was durch einen mäanderförmigen Verlauf des Ringspaltes leicht er reichbar ist. In diesem Fall müßte aufsteigender Dampf zunächst die Dichtpaste durchwandern, um den Ringspalt durchwandern zu können, was praktisch un möglich ist. Die Dichtpaste reichert sich im Laufe der Zeit mit Ablagerungen an. Obwohl durch den Betrieb der Pumpe bzw. des Rührwerks ein Teil der Paste aus dem Ringspalt ausgetragen werden kann, geht die Sperrwirkung nicht verloren, weil gleichzeitig die Ablagerungen zunehmen, welche den Ringspalt verengen und die Kondensationsfläche vergrößern.

Erste Untersuchungen haben gezeigt, daß die Wartungsintervalle auf 8000 bis 12000 Betriebsstunden, also ungefähr um den Faktor 10 verlängert werden kön nen. Bei den dann erfolgenden Wartungsarbeiten müssen die keramischen Ober flächen im allgemeinen nur von den Ablagerungen befreit, die den Ringspalt bil denden keramischen Körper aber nicht ausgetauscht werden, weil sie infolge ih rer Härte keinen nennenswerten Verschleiß zeigen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung darge stellt, welche einen Längsschnitt durch eine Pumpe oder ein Rührwerk zeigt.

In einem Gehäuse 1 ist auf Gummiringen 2 und 3 ein Elektromotor 4 schwin gungsdämpfend gelagert. Der Läufer 5 des Motors setzt sich nach unten hin in eine Welle 6 fort, welche an ihrem unteren, nicht dargestellten Ende bei Ausbil dung als Pumpe Flügel oder ein Turbinenrad, bei Ausbildung als Rührwerk Rühr arme tragen kann.

An der Unterseite des Gehäuses ist ein aus zwei übereinander angeordneten Formteilen 7 und 8 aus Kunststoff bestehendes Fußteil 9 vorgesehen, welches durch Schrauben 10 mit dem Flansch 11 eines Rohres 12 aus Kunststoff ver schraubt ist, welches die Welle 6 koaxial umgibt und Löcher 13 hat. Im oberen Formteil 7 ist die Welle 6 in einem Radialkugellager 14 gelagert und von einer elastomeren Dichtung 15 mit Dichtlippe 16 umgeben.

Zwischen der Welle 6 und dem unteren Formteil 8 des Fußteils 9 sind zwei be rührungslos ineinandergreifende, ringförmige keramische Formteile 17 und 18 vorgesehen. Das untere Formteil 17 sitzt dicht und drehfest auf der Weile 6 und hat zwei nach oben offene Ringnuten 19 und 20. Das andere, obere Formteil 18 ist dicht und ortsfest an der Unterseite des Fußteils 9 bzw. dessen unteren Form teils 8 angebracht und hat drei sich achsparallel nach unten erstreckende ringför mige Kragen 21, 22 und 23, von denen die beiden inneren Kragen 21 und 22 in die Ringnuten 19 bzw. 20 des unteren keramischen Formteils 17 eingreifen, wäh rend sich der äußere Kragen 23 längs der äußeren Umfangsfläche des unteren Formteils 17 erstreckt. Auf diese Weise wird ein mäanderförmiger Dichtspalt 24 gebildet, dessen Verlauf viermal um 180° umgekehrt ist, wobei der dem Motor ab gewandte Eintritt des Ringspaltes 24 radial außen und der dem Motor zugewand te Austritt des Ringspaltes 24 radial innen liegt, so daß die bei laufendem Motor wirkenden Zentrifugalkräfte dazu neigen, von unten her in den Ringspalt 24 ein tretende Dämpfe und in der Folge die im Ringspalt 24 kondensierende Lösung nach außen zu treiben, vom Motorraum weg zurück in den Behälter, in welchen das Rohr 12 eintaucht, auf dessen nicht dargestellten Deckel es mit dem Flansch 11 zu befestigen ist.

Die durch den mäanderförmigen Verlauf gefaltete Länge des Ringspaltes 24 be trägt vorzugsweise zwischen 4 und 10 cm, wohingegen die Breite des Ringspal tes überwiegend zwischen 0,5 und 1,5 mm liegt. Um die Sperrwirkung des Rings paltes 24 zu verbessern, ist in die Ringnuten 19 und 20 eine nicht dargestellte Paste eingefüllt, in welche die ringförmigen Vorsprünge 21 und 22 des oberen keramischen Formteils 18 eintauchen.

In einer oberhalb der keramischen Formteile 17, 18 im Fußteil 9 gebildeten Kam mer befindet sich eine scheibenförmige Abschirmung 25 aus Kunststoff, welche zwischen einer Lagerbuchse 26 und dem unteren keramischen Formteil 17 einge spannt ist und sich mit der Welle 6 dreht. Sollten doch einmal aus irgendwelchen Gründen, z. B. wegen Überschreitens der Wartungsintervalle, aufsteigende Dämpfe den Ringspalt 24 überwinden, treffen sie auf die Abschirmung 25, wer den längs dieser, unterstützt durch Fliehkraft, nach außen getrieben und durch Löcher 27, 28, welche am Umfang des Fußteils 9 verteilt sind, nach außen abge führt und so vom Motorraum ferngehalten.

Als keramische Werkstoffe eignen sich für die Formteile 17 und 18 insbesondere Aluminiumoxid und Siliziumkarbid; diese Formteile können als Drehteile herge stellt werden. Für die anderen Bauteile, die mit den aggressiven chemischen Lö sungen bzw. deren Dämpfen in Berührung kommen können, eignen sich che misch beständige thermoplastische Kunststoff, insbesondere Polypropylen.

Claims

1. Umwälzpumpe oder Rührwerk für erwärmte chemische Lösungen, insbeson dere zur Verwendung in Anlagen für die chemische oder elektrochemische (galvanische) Metallabscheidung

1. mit einer von oben nach unten verlaufenden Welle (6), welche dazu bestimmt ist, in die Lösung einzutauchen,
2. mit einem am oberen Ende der Welle (6) angeordneten, die Welle (6) antreibenden Motor (4),
3. mit einem den Motor (4) umgebenden Gehäuse (1), an dessen Unterseite die Welle (6) austritt,
4. mit einem an der Unterseite des Gehäuses (1) vorgesehenen stationären Fußteil (9), durch welches die Welle (6) hindurchtritt,
5. mit einem zwischen der Welle (6) und dem Fußteil (9) angeordneten Ringraum, und
6. mit einer die Welle (6) umgebenden, in dem Ringraum angeordneten, zwischen der Welle (6) und dem Fußteil (9) wirksamen Sperre für aus der chemischen Lösung aufsteigende Dämpfe,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre durch einen durch sich nicht be rührende keramische Oberflächen begrenzten Ringspalt (24) gebildet ist, in welchem die aufsteigenden Dämpfe kondensieren, und daß der Ringspalt (24) Strömungshindernisse aufweist.

2. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (24) auf dem überwiegenden Teil seiner Länge eine zwi schen 0,5 mm und 1,5 mm betragende lichte Weite hat.

3. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ringspalt (24) mindestens 4 cm lang ist.

4. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ringspalt (24) mindestens 6 cm lang ist.

5. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (24) 6 bis 10 cm lang ist.

6. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (24) im Querschnitt mäanderför mig verläuft.

7. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zu dem Ringspalt (24) eine nach oben offene Ringnut (19, 20) in einer der beiden keramischen Oberflächen gehört.

8. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ringnut (24) ein ringförmiger, nach unten vorspringender Kragen (21, 22) der anderen keramischen Oberfläche eintaucht.

9. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß sich in der Ringnut (24) eine Paste befindet.

10. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste ein PTFE-Pulver enthält.

11. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Paste ein Silikon enthält.

12. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die keramischen Oberflächen aus Aluminumoxid oder Siliziumkarbid bestehen.

13. Umwälzpumpe oder Rührwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Sperre durch zwei vollständig aus Keramik bestehende Ringe (17, 18) gebildet ist.