DE19744289A1

DE19744289A1 - Verbundsperrbüchse für eine Magnetkupplung

Info

Publication number: DE19744289A1
Application number: DE19744289A
Authority: DE
Inventors: Margaret D Cramer
Original assignee: IMO Industries Inc
Current assignee: IMO Industries Inc
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1998-05-07
Also published as: US6039827A; US5763973A; GB2320979A; GB9718800D0

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf durch eine Magnetkupplung an getriebene Pumpen und insbesondere auf Sperrbüchsen gerichtet, die jede Leckage zwischen dem an der Pumpe befestigten inneren Magneten und dem äußeren, an dem Pumpenantrieb oder Motor befe stigten Magneten verhindern, und speziell auf eine dichtungslo se nichtmetallische Verbundsperrbüchse zur Verwendung bei Ma gnetantriebspumpen.

Pumpen mit Magnetkupplungen werden typischerweise bei der Ver arbeitung von Fluids wie z. B. Heizölen, Schmierölen, Asphalt, Rohöl, Chemiefaseradditiven und -schmelzen, pflanzlichen und tierischen Ölen, Hydraulikfluids, Schneidölen, Kühlstoffen, Dü sentreibstoff, Melasse und Sirup, Verbundtreibstoffe, feuerbe ständige Hydraulikfluids und kompatible Chemikalien, und sie umfassen, wenn auch nicht ausschließlich, Axialverdränger Schraubenspindelpumpen mit Mehrfachrotoren. Axialverdränger- Schraubenspindelpumpen mit Mehrfachrotoren weisen präzisionsge schliffene Spindeln auf, die in ein dicht passendes Gehäuse eingreifen, um ruhig und wirksam eine nichtpulsierende Strömung abzugeben. Die gegenüberliegenden Mitläuferrotoren wirken als Drehdichtungen, die das Fluid in eine Abfolge von Verschlüssen oder Stufen eingrenzen. Die Mitläuferrotoren sind in Rollkon takt mit dem zentralen Leistungsrotor und können in ihren je weiligen Gehäusebohrungen frei auf einem hydrodynamischen Öl film schweben. Es gibt keine radiale Biegelasten. Axiale Hy draulikkräfte auf dem Rotorsatz werden ausgeglichen, weshalb kein Drucklager erforderlich ist.

Bekanntlich ergeben sich aus dem Antrieb von Drehspindelpumpen mit Magnetkupplungsbauteilen Vorteile, die in anderen dich tungslosen Pumpenprodukten nicht zu finden sind. Dichtungslose Magnetkupplungspumpen weisen einen Synchronantrieb (Motor geschwindigkeit = Antriebsgeschwindigkeit) mit Seltenerd- Permanentmagneten an der inneren und der äußeren Kupplungshälf te auf. Die magnetische Anziehung verriegelt den Antriebsrotor fest mit der Motorantriebswelle, woraus sich bei jeder Ge schwindigkeit eine gleichbleibende Drehmomentübertragung er gibt.

Rotoren mit axialem Strömungspfad und niedriger Trägheit, die Schraubenspindelpumpen eigen sind, ermöglichen allgemein einen Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten als bei anderen Typen von Rotationspumpen. Wegen dieser Fähigkeit nutzen Schraubenspin delpumpen die vollen Pferdestärken der Drehmomenteigenschaften von Magnetkupplungsantrieben aus.

Während des Pumpenbetriebs induziert der von der Drehkupplung erzeugte, sich ändernde magnetische Fluß Spannungen innerhalb des Sperrbüchsenmaterials. Bei einem elektrisch leitfähigen Sperrbüchsenmaterial erzeugen die induzierten Spannungen einge grenzte Wirbelströme. Die Leistung in Form von i²R = V²/R, wor in R der Widerstand ist, erscheint als Wärme an der Oberfläche des zylindrischen Abschnitts des leitfähigen Büchsenmaterials. Die Menge der erzeugten Wärme wird mit dem Quadrat der Ge schwindigkeit verstärkt, wenn die Drehzahl (Flußänderungsrate) erhöht wird, wodurch die maximale Betriebsgeschwindigkeit der Pumpe begrenzt wird.

Bekanntlich wirkt sich übermäßige Wärme auf die Bauelemente der magnetischen Kupplung aus. Wird Wärme durch Konvektion in den Kupplungsbereich gebracht, dann wird die magnetische Feldstärke proportional zu der steigenden Temperatur der Permanentmagnete reduziert. Bekanntlich zerstören Temperaturen über etwa 150°C dauerhaft Neodym-Eisen-Bor-Magnete und Temperaturen über 250°C Samarium-Kobalt-Magnete.

Ebenso ist bekannt, daß eine Magnetkupplung, die Überschußwärme erzeugt, nicht so wirksam wie eine mechanische Standardkupplung ist. Eine gegebene Energiemenge wird bei einer bestimmten Be triebsdrehzahl zum Betrieb der Pumpe geliefert, und diese Ener gie wird von dem Motor dann in Arbeit umgewandelt. Bei einer Magnetkupplung, die ein leitfähiges Sperrbüchsenmaterial ver wendet, führt die an die Überschußwärme verlorene Energie dazu, daß bei einer gegebenen Eingangsenergiemenge weniger Arbeit ge leistet wird.

Weiter ist bekannt, daß die in der Kupplung erzeugte Wärme in das gepumpte Fluid oder das Pumpgut übertragen wird. Als Ergeb nis kann diese Viskosität des Pumpguts dadurch verändert wer den. Bekanntlich führt eine Viskositätsänderung im Pumpgut zu Problemen im Pumpsystem oder beeinträchtigt den Nutzen des Pumpvorgangs. Es ist bekannt, daß die durch die Wirbelströme erzeugte Überschußwärme das Pumpgut oder die Pumpgutzusätze verbrüht, zündet oder anders ruiniert.

Magnetantriebspumpen nach dem Stand der Technik, die Sperrbüch sen aus leitfähigem Material verwenden, sind derart ausgelegt, daß sie eine rasche Erwärmung verhindern, indem eine Pumpströ mung zum kontinuierlichen Spülen der Sperr- und inneren Magne tanordnungsbereiche abgeleitet wird. Typischerweise werden für Magnetantriebspumpen niedrigere Drehzahlen und Viskositäten als für mechanisch gekoppelte Pumpen spezifiziert. Es wurde zur üb lichen Praxis, den Antriebsmotor der Magnetantriebspumpe über groß auszulegen, um PS-Verluste zu kompensieren. Allerdings vermindert jede dieser Maßnahmen die Pumpwirksamkeit, erhöht die Herstellungskosten und damit die Kosten für die Magnetan triebspumpen für die Endverbraucher.

Die durch Wirbelströme erzeugte Wärme wurde reduziert, indem Sperrbüchsen aus einem nichtmagnetischen Stahl mit hohem spezi fischen elektrischen Volumenwiderstand hergestellt wurden. Al lerdings werden in den Magnetkupplungen mit solchen Sperrbüch sen immer noch hohe Wärmepegel erzeugt. Eine gewisse weitere Wärmereduzierung wurde bei der nichtmagnetischen Sperrbüchse erreicht, indem die Büchse in Profilen und Laminierungen herge stellt wurde, wie dies bei der Kupplungskonstruktion gezeigt ist, die in der US-Patentschrift Nr. 4,896,064 beschrieben ist.

Die dort beschriebenen Büchsen erforderten die Verwendung von Dichtungs- und Verbindungsklebern, um einen leckagesicheren Be trieb und eine elektrische Isolierung zwischen den Laminierun gen zu erreichen. Die Anwesenheit von Dichtungen und Verbin dungsklebematerialien begrenzt die chemische Kompatibilität der Sperrbüchse mit gepumpten Fluids, da die Dichtungen und das Einfassungsmaterial das Pumpgut kontaminieren können.

Da jede Verbindungsstelle in der Sperrbüchse des Patents 4,896,064 einen potentiellen Leckagepfad darstellt, wäre sie in Pumpumgebungen mit hohem Druck und/oder hoher Temperatur nicht annehmbar. Eine Magnetkupplung, die den in dem Patent '064 be schriebenen Büchsentyp verwendet, muß auch derart ausgelegt sein, daß sie die durch die Laminierungen, die Dichtungen und die Klebeverbindungen verursachte hohe Wanddicke unterbringt.

Bekanntlich vergrößern dicke Büchsenwände den Spalt zwischen der inneren und der äußeren Magnetanordnung. Diese Spaltvergrö ßerung reduziert die Kupplungswirksamkeit dramatisch und erfor dert demnach stärkere innere und äußere Magneten, um die glei che Drehmomentfähigkeit wie eine Magnetkupplung mit kleineren Spalten zwischen der inneren und der äußeren Magnetanordnung zu erzeugen. Demnach wird die in dem '064-Patent beschriebene Sperrbüchse aufgrund der Material-, Anordnungs- und Systeman forderungen unter Kostengesichtspunkten unannehmbar.

Die Wärmeerzeugung aufgrund von Wirbelströmen kann zwar derzeit durch Verwendung von nichtmetallischen Sperrbüchsen ausgeschal tet werden, die metallischen Sperrbüchsen aus dem Stand der Technik besitzen aber gegenüber den Polymer- und Keramiksperr büchsen aus dem Stand der Technik Vorteile bezüglich der Fe stigkeit und der Kosten. Polymerbüchsen sind typischerweise nur vier Niederdruckanwendungen geeignet, und sie besitzen keine Dimensionsstabilität bei Pumptemperaturschwankungen. Die der zeit bekannten Keramiksperrbüchsen müssen zunächst mit einer relativ dicken Wand geformt und dann am Innendurchmesser bear beitet werden, um die gewünschten Abmessungen und Toleranzen zu erreichen. Wegen dieser Nachformbearbeitung während der Her stellung werden diese Keramikbüchsen unter dem Kostengesichts punkt unannehmbar. Außerdem vergrößern die dicken Wände den Luftspalt zwischen den Magneten, woraus sich geringere Pumplei stungen ergeben.

Ein zusätzliches Problem liegt bei der herkömmlichen Magnet kupplung darin, daß sich die Erfassung der Temperatur in der Magnetkupplung als schwierig erwies. Magnetkupplungstemperatu ren werden typischerweise mittels einer Temperatursonde erfaßt, die direkt durch die Pumpenklammer in den Bereich der Sperr büchse nahe dem Flansch angeordnet wird. Die Temperaturen in diesem Bereich sind nicht so hoch wie Temperaturen nahe dem ge schlossenen Ende der Sperrbüchse. Eine in diesem Bereich ange ordnete Sonde war typischerweise nicht in der Lage, Temperatur schwankungen innerhalb der Magnetkupplung zu erfassen, die zu einem Ausfall der Magnetkupplung führen könnten. Das Ergebnis einer solchen herkömmlichen Sondenanordnung war eine Überwa chungseinrichtung für die Kupplungstemperatur, die die Magnet kupplungstemperatur nahe dem geschlossenen Ende der Sperrbüchse nicht genau erfaßt. Eine genauere Erfassung der Magnetkupp lungstemperatur in der Nähe der Büchsen läßt sich erreichen, indem die Temperaturerfassungseinrichtung näher an dem ge schlossenen Ende der Sperrbüchse angeordnet wird. In dem Be reich nahe dem geschlossenen Ende muß die Verdrahtung für die Vorrichtung längs der Außenseite der Sperrbüchse und durch den Flansch am offenen Ende der Sperrbüchse angebracht werden. Da dieser Drahtpfad empfindlich gegen Beschädigungen während der Handhabung und des Betriebs ist, galt dies nicht als praktikab le Konstruktion.

Demnach besteht ein Bedarf an einer Magnetkupplungspumpe, die die oben aufgelisteten Mängel überwindet. Eine solche Pumpe sollte genauer eine Magnetkupplung umfassen, die deutlich weni ger Wärme aus Wirbelströmen erzeugt; sie sollte deutlich den Energieverlust an die Überschußwärme reduzieren, wodurch die zum Leisten der Arbeit verfügbare Energiemenge verbessert wird; sie sollte die Wärmemenge reduzieren, die durch Konvektion in das Pumpgut übertragen wird; sie sollte die Pumpen vom Magnet kupplungstyp gegenüber Pumpen des Typs mit mechanischem Antrieb wettbewerbsfähiger machen, wodurch die Notwendigkeit reduziert oder sogar aufgehoben ist, die Magnetantriebspumpenmotoren zu überdimensionieren, um PS-Verluste aufgrund übermäßiger Wärme verluste zu kompensieren; sie sollte die Herstellungskosten für die Magnetkupplung vermindern; sie sollte Dichtungs- und Ver bindungskleber und verwandtes Material reduzieren oder sogar ganz beseitigen, wodurch das Pumpgut abgebaut und verschmutzt werden kann; sie sollte einen so kleinen Spalt wie möglich zwi schen der inneren und der äußeren Magnetanordnung aufrechter halten, so daß kleinere innere und äußere Magnete die gleiche Drehmomentfähigkeit erzeugen, wie sie durch die Magnetkupplung mit herkömmlichen Büchsen erzeugt wurde; sie sollte für verbes serte dichtungslose Operationen sowie dafür sorgen, daß eine Temperatursonde an verschiedenen Positionen innerhalb einer Magnetkupplung angeordnet wird, um die Temperatur der Magnet kupplung nahe dem geschlossenen Ende genauer zu fühlen oder zu erfassen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die in der Sperrbüchse aufgrund der Erzeugung von Wirbelströmen entwickel te Überschußwärme wenigstens zu minimieren, wenn auch nicht aufzuheben. Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Er findung erreicht diese Aufgabe dadurch, daß die typische Me tallsperrbüchse durch eine neue Verbundsperrbüchse ersetzt ist die fast keine Wirbelströme erzeugt. Die Verbundsperrbüchse der vorliegenden Anwendung kann in das gleich konstruierte Gehäuse wie bei der Metallbüchse mit vergleichbarer Wanddicke wie die ursprünglichen Metallbüchsen nachträglich eingebaut werden. Die Verbundsperrbüchse der vorliegenden Anmeldung liefert Festig keit, Verformungsbeständigkeit, Korrosionsfestigkeit und Ko stenwirksamkeit im Vergleich zu den Metallsperrbüchsen aus dem Stand der Technik. Die Verbundsperrbüchse der vorliegenden An meldung umfaßt auch eine genaue Temperaturerfassungseinrich tung.

Bei einer Ausführungsform umfaßt die Verbundmagnetsperrbüchse der vorliegenden Erfindung eine Büchse mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende, wobei die Büchse folgendes auf weist: einen Polschuh am geschlossenen Ende; sowie einen Zylin der mit offenem Ende der mit dem Polschuh wirksam verbunden ist, wobei der Zylinder eine harzummantelte Faser umfaßt und die harzummantelte Faser den Polschuh überdeckt, um ein ge schlossenes Ende zu bilden.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetsperrbüchse nach der vorliegenden Erfindung umfaßt folgende Schritte: wenigstens ein Dorn wird vorgesehen; wenigstens ein Polschuh wird vorgesehen; der wenigstens eine Polschuh wird an dem wenigstens einen Dorn befestigt; eine Wickelmaschine mit einer Achse wird vorgesehen; der wenigstens eine Polschuh wird an der Wickelmaschine befe stigt; eine mit einem Harz ummantelte Faser wird vorgesehen; die harzummantelte Faser wird über den wenigstens einen Dorn und um den wenigstens einen Polschuh gewoben, um das geschlos sene Ende der Büchse zu bilden; die Büchse wird an dem wenig stens einen Dorn warmausgehärtet; und die wenigstens eine Büch se wird von dem wenigstens einen Dorn abgenommen, so daß die Büchse etwa die Innenabmessungen aufweist, die etwa den Außen abmessungen des wenigstens einen Dorns entsprechen.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung erge ben sich aus der folgenden Beschreibung, den beigefügten Zeich nungen und den beigefügten Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer repräsentativen dich tungslosen Schraubenspindelpumpe mit Magnetkupplung ähnlich den Pumpen, die bei der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eine repräsentativen Ma gnetkupplung der Pumpe von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Dorns, der zum Wickeln der Verbundbüchse verwendet wird;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht der bearbeiteten Büchse vor dem Anbringen des Flansches;

Fig. 5 ist eine halbschematische Schnittansicht der Erfas sungseinrichtung für die Kupplungstemperatur, die in der Sperr büchsenwand enthalten ist;

Fig. 6 ist eine halbschematische Schnittansicht einer Er fassungseinrichtung für die Kupplungstemperatur, die an die Au ßenseite der Sperrbüchse geklebt ist;

Fig. 7 ist ein Graph mit Testergebnissen zum Vergleich der Hastelloy-Büchse aus dem Stand der Technik und der neuen Ver bundbüchse bezüglich der gemessenen Temperatur versus der ge messenen Drehzahl (RPM) unter ähnlichen Bedingungen; und

Fig. 8 ist ein Graph mit Testergebnissen zum Vergleich der Hastelloy-Büchse aus dem Stand der Technik und der neuen Ver bundbüchse bezüglich des gemessenen Drehmoments versus der ge messenen Drehzahl (RPM) unter ähnlichen Bedingungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine repräsentative dichtungslose Schraubenspin delpumpe mit Magnetkupplung veranschaulicht, bei der die Ver bundsperrbüchse der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Es versteht sich, daß die dichtungslose Schraubenspindel pumpe nur eine Pumpe ist, die möglicherweise von der vorliegen den Erfindung profitieren könnte, und daß viele andere Pumpen ebenfalls mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden könn ten, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Die dichtungslose Schraubenspindelpumpe 10 umfaßt einen Spindelabschnitt 12, eine Magnetantriebskupplung 14 und einen (nicht gezeigten) Antriebs motor.

Die gezeigte Schraubenspindelpumpe ist den Pumpen ähnlich, die im Handel von der IMO Pump Division, P.O. Box 5020, North Caro lina 2811-5020 als Modelle 3D, 6D, 12D und 324 erhältlich sind, aber nicht darauf beschränkt. Die Schraubenspindelpumpe 10 weist einen Flansch 16 zum Anschluß an die Magnetantriebskupp lung 14, ein Gehäuse 18 mit einem Einlaß 20 und einem Auslaß 22 sowie einen Schraubenspindelmechanismus 24 auf, der innerhalb des Gehäuses 18 wirksam positioniert ist. Der Schraubenspindel mechanismus 24 weist eine präzisionsgeschliffene und gehärtete Leistungsspindel 26 sowie zwei präzisionsgeschliffene, gehärtete Mitläuferrotoren 28, 30 auf. Ein Positionierungssperrlager 32 in Fluid ist in der Nähe des Flansches 16 positioniert. Das Po sitionierungssperrlager könnte alternativ auch ein lagerfreies Lager vom hydrostatischen Typ sein.

Die Schraubenspindelpumpe 10 arbeitet nach einem wohlbekannten Verfahren, um Fluid von dem Einlaß 20 zu dem Auslaß 22 zu bewe gen. Wie gezeigt, ist eine Druckplatte 34 wirksam mit dem Ein laßabdeckrotor oder Ansätzen des Rotorgehäuses verbunden. Aus gleichsschalen 38, 40 sind wirksam über dem Einlaßende der bei den Mitläuferrotoren 28, 30 und der Druckplatte 34 angeordnet. Ein austauschbares Rotorgehäuse 42 ist zwischen dem äußeren Ge häuse 44 und den Rotorelementen 28, 30 der Schraubenspindelpum pe 24 positioniert. Zwischen dem Lager 32 und dem Auslaß 22 ist um den Leistungsrotor ein Ausgleichskolben 46 positioniert. Ei ne Kühlströmungsrückleitung 48 zum Rückführen von Fluid, das zum Kühlen der Magnetantriebskupplung verwendet wird, ist zwi schen dem Flansch und dem drehbaren Einlaß 20 positioniert. Bei Antriebskupplungen dieses Typs werden die Magnetkupplungstempe raturen typischerweise mittels einer Temperatursonde 70 erfaßt, die direkt durch die Pumpenklammer 72 in den Bereich der Sperr büchse nahe dem Flansch 74 angeordnet wird (vgl. Fig. 2).

In Fig. 2 ist gezeigt, daß die Magnetkupplung 14 mit den drei Hauptkomponenten, der inneren Magnetanordnung 50, der Sperr büchse 52 und der äußeren Magnetanordnung 54 wirksam mit der Pumpe verbunden ist. Die innere Magnetanordnung 50 weist Perma nentmagneten 56, bevorzugt Magneten aus Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt auf, die an dem Außendurchmesser einer Stahlna be 58 befestigt sind, die mit einem Wellenelement 60 wirksam verbunden ist. Die Magnete 56 und die Nabe 58 sind mit einem (nicht gezeigten) nichtmagnetischen Stahlmantel überdeckt. Die innere Magnetanordnung 50 ist mittels eines Keils oder einer anderen (nicht gezeigten) mechanischen Verriegelungseinrichtung mit der Pumpenantriebswelle 62 verbunden. Die Sperrbüchse 52 war bei bekannten Kupplungen aus dem Stand der Technik eine dünne Schale, typischerweise aus Metall, die mit der Pumpe der art verschraubt ist, daß das Pumpgut innerhalb der Büchse 52 und um die innere Magnetanordnung 50 gefangen ist. Indem das Pumpgut vollständig umgeben wurde, wurde die Sperrbüchse 52 ei ne leckagesichere Pumpendichtung.

Die äußere Magnetanordnung 54 besteht aus Permantmagneten 64, bevorzugt Neodym-Eisen-Bor- oder Samarium-Kobalt-Magneten, die am Innendurchmesser einer rohrförmigen Stahlnabe 66 angebracht sind. Die äußere Magnetanordnungsnabe ist an der Motorantriebs welle 68 angebracht. Der Sperrbüchsenabschnitt 52 der Pumpenan ordnung paßt in den Innendurchmesser der äußeren Magnetanord nung 54. Die Kupplungselemente sind an der Pumpenanordnung der art positioniert, daß die inneren Magneten 56 der Anordnung 50 und die äußeren Magneten 64 der Anordnung 54 zur maximalen ma gnetischen Anziehung angeordnet sind. Bewirkt also der (nicht gezeigte) Motor über die Welle 68 die Drehung der äußeren Mag neten 64, dann drehen sich die inneren Magneten 56 und die an gebrachte Pumpenwelle 62 mit der gleichen Geschwindigkeit.

In Fig. 4 ist gezeigt, daß der Hauptkörper 80 der Sperrbüchse 82 der vorliegenden Erfindung aus einem Verbundmaterial be steht, das Fasern wie z. B. Graphitfasern, Kevlar, Glasfasern usw. umfaßt, die mit einem warmaushärtenden Harz ummantelt sind. Eine zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung an nehmbare Faser ist als T1000GB bekannt, die von Toray Indu stries Inc., Kirkland, WA 98033 erhältlich ist. Ein mehrfunk tionales, warmaushärtendes Harz, das zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist bei IMO Pump of Mon roe, NC 28111 unter der Teilenummer PP500DDK erhältlich. Die mit dem Harz ummantelte Faser wird normalerweise um einen Dorn 84 gewickelt (vgl. Fig. 3), der bevorzugt aus Kohlenstoffstahl besteht, und in einem herkömmlichen Verfahren bearbeitet, wobei ein computergesteuertes Fadenwickelverfahren verwendet wird (das nicht gezeigt ist). Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird bevorzugt eine faserlose Dichtungsmasse zur Ummantelung des Dorns 84 vor dem Wickeln der Faser verwendet, die ebenfalls bei IMO Pump of Monroe, NC unter der Teilenummer PP500DDL er hältlich ist. Die Dichtungsmasse ist typischerweise dick genug, damit die Büchse 80 leicht von dem Dorn 84 abgezogen werden kann. Die bevorzugte Dicke der Dichtmasse liegt derzeit bei et wa 0,010 Inch.

Da man herausgefunden hat, daß die Faserorientierung und die Faserdichte direkt die mechanischen Eigenschaften des fertigen Verbundmaterials beeinflussen, sind die Faserwinkel und die Fa serdichte so berechnet, daß sie Richtungsbelastungen wie z. B. Schraub- und Reifbelastungen sowie Zugbelastungen und Durchbie gung widerstehen können, damit in den Wänden der Verbundsperr büchsen eine hohe Formbeständigkeit erzeugt wird. Die Formbe ständigkeit ist erforderlich, um zu verhindern, daß die unter Druck stehenden Büchsenwände 86 mit den sich drehenden Magneten in Kontakt gelangen, die dann bei normalen Betriebsgeschwindig keiten beschädigt werden könnten. Diese Büchsenwände 86 sind bevorzugt etwa 0,098 bis 0,108 Inch dick.

Da die Faser und das Harz nichtmetallisch sind, ist die Erzeu gung von Wirbelströmen in der Verbundbüchse 82 der vorliegenden Erfindung während des Betriebs der Magnetkupplung zu vernach lässigen. Die Wirbelströme wurden zwar nicht direkt, aber indi rekt unter Laborbedingungen gemessen. Im Labortest wurde die Temperatur des bei Betrieb aus der Büchse austretenden Fluids mit dem in die Büchse eintretenden Fluid verglichen, um einen "Temperaturanstieg" zu bestimmen. Diese Tests wurden unter Ver wendung der neuen Verbundbüchsen und der Hastelloy-Büchse durchgeführt (vgl. Fig. 7 und 8).

Die Ergebnisse dieser Tests bestätigten, daß beim Betrieb von Pumpen, die die Verbundbüchse der vorliegenden Erfindung ver wenden, merklich weniger Wärme erzeugt wurde als mit den Ha stelloy-Büchsen aus dem Stand der Technik, was in Fig. 7 deut lich gezeigt ist. Die Tests bestätigten weiter, daß bei jeder gegebenen Geschwindigkeit weniger Leistung erforderlich war, um die Kupplung mit der Verbundbüchse anzutreiben, als zum Antrieb der Kupplung mit der Hastelloy-Büchse. Die Reduzierung der Lei stungsanforderungen der Verbundbüchse gegenüber der Hastelloy- Büchse war ein direktes Ergebnis der reduzierten Wirbelstrom verluste. Unabhängig von der verwendeten Büchse würde die Tem peratur der Pumpensystemflüssigkeit aufgrund des Fluidtempera turanstiegs um die Spannvorrichtungslager und der viskosen Scherung des Fluids beim Durchströmen der Spannvorrichtung an steigen. Allerdings deutet der unterschied bei der an der Ha stelloy-Büchse gemessenen Temperatur gegenüber der an der Ver bundbüchse gemessenen Temperatur an, daß wegen des Hastelloy- Materials eine merkliche Menge zusätzlicher Leistung in Form von Wärme verlorenging.

Fig. 8 zeigt, daß eine Kupplung, die eine Verbundbüchse nach der vorliegenden Erfindung verwendete, unter den gleichen Be triebsbedingungen deutlich weniger Drehmoment zum Betrieb benö tigte als eine Kupplung, die eine Hastelloy-Büchse verwendete.

Der korrosionsbeständige Verbundmaterial aus gewickelten Fäden oder Fasern ist unter anderem ein wichtiges Merkmal des Erfolgs der vorliegenden Erfindung. Derzeit sind Graphitfasern bevor zugt, da sie außer der bekannten Eigenschaft der Korrosionsbe ständigkeit außergewöhnliche Eigenschaften bezüglich der Fe stigkeit, Steifigkeit und Bruchdehnung aufweisen, die bei der vorliegenden Erfindung wünschenswert sind.

Am geschlossenen Ende 86 der Büchse 82 sind die Fasern und Har ze zu einer in etwa halbkugelartigen Form gewickelt, die an ei nem Polschuh 88 endet, der bevorzugt aus rostfreiem Stahl be steht, und eine leckagedichte Versiegelung bildet. Die speziel le Auslegung eines repräsentativen Polschuhs 88 ist in Fig. 3 und 4 gezeigt. Der Polschuh 88 weist einen Vorsprung 90 zur Verbindung des Polschuhs 88 mit einer (nicht gezeigten) Wickel maschine auf. Der in Fig. 4 gezeigte Vorsprung 90 wird von dem Hauptkörper 92 getrennt, nachdem die Wicklung der harzummantel ten Faser abgeschlossen ist. Der Polschuh weist auch herkömmli che Mittel 94 wie z. B. Gewindebohrungen auf, um den Polschuh 88 mit dem Dorn 84 zu verbinden, was in Fig. 3 gezeigt ist. Es versteht sich, daß die Struktur des Polschuhs 88 genau geformt sein muß, um die genaue Ausrichtung vorzusehen, die zur Gewähr leistung der richtigen Positionierung der harzummantelten Faser an dem Dorn 84 und über dem Polschuh 88 erforderlich ist.

Nach dem Trennen der Büchse 82 von dem Dorn 84 wird das offene Ende 96 der Büchse 82 unter Verwendung einer herkömmlichen (nicht gezeigten) Klebespannvorrichtung mit einem herkömmlichen Flansch 95, bevorzugt aus rostfreiem Stahl, zur Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Pumpe verklebt. Die Klebespannvorrich tung richtet die Büchse 82 aus und positioniert den Flansch 85 daran, was in Fig. 4 strichpunktiert gezeigt ist. Man hat her ausgefunden, daß ein hochfester, chemisch beständiger, handels üblicher zweiteiliger Epoxidkleber wie beispielsweise Hysol 934 von Dexter Hysol Engineering Adhesives, Seabrook, NH 03874 zur Verbindung des Flansches 95 mit der Büchse 82 wirksam ist. Ein in dem Flansch 95 positionierter, herkömmlicher O-Ring 100 ver siegelt das Pumpgut (das Fluid) innerhalb der Büchse 82, um zu verhindern, daß es zu der äußeren Magnetanordnung 54 und dem (nicht gezeigten) Motor austritt.

Wirbelströme werden induziert, wenn magnetische Flußlinien ein leitfähiges Material durchqueren; demnach entwickeln sich keine Wirbelströme in dem Flansch 95 und/oder dem Polschuh 88, da die gesamte Länge der Magnetanordnungen 50, 54 zwischen dem Pol schuh 88 und dem Flansch 95 angeordnet ist. Deshalb kommen we der der Polschuh 88 noch der Flansch 95 mit irgendwelchen ma gnetischen Flußlinien in Kontakt. Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Widerstandstemperatur detektor (RTD) in Form eines Bandes. Dieser Detektor kann zur genauen Erfassung der Kupplungstemperatur verwendet werden. Der Widerstandstemperaturdetektor 102 kann an die Außenseite der Sperrbüchse 82 geklebt sein, so daß eine Überwachungseinrich tung für die Pumpenkupplungstemperatur vorgesehen wird (Fig. 6). Der Detektor 102 ist dünn genug, damit er nicht durch den Magnetkupplungsbetrieb beschädigt wird oder diesen stört. Der Detektor 102 kann auch während des Fadenwickelns in das Ver bundmaterial eingebettet werden, so daß er von dem Verbundmate rial ganz überdeckt und geschützt ist. Der vorliegende Wider standstemperaturdetektor weist bevorzugt ein Band auf, das etwa 0,1 Inch breit, etwa 6,5 Inch lang und papierdünn ist. Das Band weist bevorzugt einen in Kapton verkapselten Platindraht auf und umfaßt Kupferansätze. Ein Beispiel eines annehmbaren Wider standstemperaturdetektorbandes wurde von MINCO Products Inc., Minneapolis, MN 55432 erhalten. Das Band wurde erfolgreich mit der Außenseite der Büchse verklebt, wobei ein handelsübliches zweiteiliges Epoxid wie beispielsweise Devcon 5 verwendet wur de, das bei der Devcon Corporation, Wood Dale IL 60191 erhält lich ist.

Es versteht sich, daß das Widerstandstemperaturdetektorband dünn genug sein sollte, damit zwischen dem Außendurchmesser der Büchse mit dem Band und dem Innendurchmesser genügend Freiraum aufrechterhalten wird, wenn das Band an der Außenfläche der Büchse angeordnet ist. Man fand heraus, daß ein an der Außen fläche der Büchse angeordnetes Widerstandstemperaturdetektor band wirksam arbeitet, solange der Spalt zwischen dem Außen durchmesser der Büchse und dem Innendurchmesser der äußeren Ma gneten ausreichend ist, um einen Kontakt zwischen den äußeren Magneten und der Außenfläche der Büchse zu verhindern.

Wird der Widerstandstemperaturdetektor während des Aufwickelns der Fasern auf den Dorn innerhalb des Verbundmaterials angeord net, dann wird das Widerstandstemperaturdetektorband zu einem Zeitpunkt angeordnet, wo der Wickelvorgang angehalten wurde. Nach dem Anordnen des Widerstandstemperaturdetektors auf der Faser wird das Aufwickeln weiterer Fasern über dem Widerstands temperaturdetektor weitergeführt, bis das Verbundmaterial auf die erforderliche Dicke gewickelt ist.

In jedem Fall liegt der Erfassungsbereich des Detektors 102 in nerhalb eines Drittels des zylindrischen Abschnitts der Büchse in nächster Nähe an dem geschlossenen Ende 104 der Sperrbüchse 82. Der elektrische Anschluß an diesen Detektor ist an der Au ßenseite der Büchse nahe dem Flansch aus rostfreiem Stahl zu gänglich. Herkömmliche (nicht gezeigte) Temperaturanzeiger au ßerhalb der Pumpe sind mit dem Detektor 102 durch Drähte 106 verbunden, die durch den Flansch aus rostfreiem Stahl und die Kupplungsklammer der Pumpe verlaufen.

Herstellungsverfahren

Während der Entwicklung des Herstellungsverfahrens für die Büchse 82 der vorliegenden Erfindung bestand die Werkzeugausrü stung für den Prototyp anfänglich aus einem Dorn 84, auf dem zwei Büchsen gleichzeitig aufgenommen werden können. Die Pol schuhe 88 aus rostfreiem Stahl wurden an einem Stahldorn 84 so wie an der Wickelmaschinenachse angebracht.

Während der Herstellung wird der Dorn 84 vorliegend bevorzugt zunächst mit einer Dichtmasse beschichtet, hier bevorzugt mit der IMO-Teilenummer PP500DDL, um an dem Dorn 84 eine faserlose Schicht zu bilden. Diese Schicht 108 sollte dick genug sein, damit die fertige Büchse 82 am Ende des Vorgangs leicht von dem Dorn 84 entfernt werden kann. Die ausgehärtete Dichtmassen schicht 108 liefert außerdem eine zusätzliche Widerstands schicht, um zu verhindern, daß das gepumpte Fluid eine freilie gende Faser innerhalb des Verbundmaterials "reizt". Ein reprä sentiver Dorn 84 ist in Fig. 3 gezeigt. Der Dorn 84 wird dann um seine Achse gedreht. Unter Verwendung eines CNC-Programms wird eine (nicht gezeigte) Wickelmaschine benutzt, um eine Fa ser wie z. B. die Graphitfaser Toray T1000GB, die z. B. mit einem Harz wie dem Harz arcRF-1 ummantelt ist, in einem dichten, hochfesten Muster auf den Dorn zu weben. Die Faser und die Harzwicklungen überdeckten die Polschuhe, um das geschlossene Ende 104 der beiden Büchsen zu bilden. Eine zusätzliche Dicke der harzummantelten Faser wurde in den Mittelabschnitt 106 des Doppeldorns 107 gewoben, um einen Bereich für die Flanschver bindung mit dem offenen Ende 96 der Büchse 82 vorzusehen.

Nach Abschluß des Wickelns der harzummantelten Graphitfasern wurden die beiden an dem Doppeldorn 107 angebrachten Büchsen warmausgehärtet und auf Zimmertemperatur abgekühlt, während sie sich noch in der Wickelmaschine befanden. Die beiden auf dem Doppeldorn 107 angebrachten Büchsen wurden dann von der Wickel maschine entfernt, indem die Polschuhe an den Verbindungspunk ten in Vorsprüngen 90 wie z. B. Gewindeverbindungen mit der Wickelmaschinenachse gelöst wurden. Die beiden Büchsen wurden dann von dem jeweiligen Dorn gelöst, indem zwei Umfangsschnitte in dem Bereich des zusätzlichen, den Hohlraum 106 füllenden Epoxid gemacht wurden, wo die Büchse die Epoxidbereiche jedes Dorns kontaktierte. Nach dem Trennen der Büchsen wird die Mittel stückverbindung 110 entfernt.

Beim Abnehmen von jedem Dorn wies die Außenseite der beiden Büchsen die Beschaffenheit der Faserbindung auf. Die Innen durchmesser der zylindrischen Abschnitte der beiden Büchsen spiegelten die Abmessung und Oberflächenbeschaffenheit des Au ßendurchmessers des Dorns wider. Die Dichtmasse lieferte als integraler Bestandteil des Innendurchmessers ein glattes, fa serloses Oberflächenfinish. Die Innenfläche 112 jedes Polschuhs 88 wurde dann mit der Dichtmasse überdeckt, um die innere fa serlose Auskleidung oder Schicht 108 jeder Büchse zu vervoll ständigen.

Als nächstes wurde der Bearbeitungsvorsprung oder Ansatz 90 des Pohlschuhs von jeder Büchse abgegratet, um einen Vorsprung von etwa einem sechzehntel Inch von dem geschlossenen Ende zu las sen. Der Außendurchmesser des dickwandigen oder offenen Endes 96 der Büchse 82 wurde derart bearbeitet, daß ein mechanischer Anschlag 114 zum Anbringen des Flansches 95 gebildet wurde.

Unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Spannvorrichtung zum Aufrechterhalten der Ausrichtung und Konzentrizität ließ man einen rostfreien Stahlflansch 95 von dem geschlossenen Ende 104 jeder Büchse zu dem bearbeiteten Anschlag 114 an dem dickwandi gen offenen Ende 96 der Büchse 82 gleiten. Der Flansch 95 wurde dann unter Verwendung eines hochfesten, korrosionsbeständigen Epoxids an den Anschlag 114 geklebt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Ein verfügbares Epoxid, das sich für diese Anwendung als wirksam erwiesen hat, ist Hysol 934, das von Dexter Hysol Engi neering Adhesives in Seabrook, NH 03874 erhältlich ist.

Die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Ver bundbüchsen erreichten einen Berstdruck von wenigstens etwa 6000 psi und hielt Temperaturspitzen bis zu etwa 500°F und eine kontinuierliche Betriebstemperatur von bis zu 400°F aus. Die Verbundbüchsen der vorliegenden Erfindung erwiesen sich als inert gegenüber Säuren, Laugen, chlorierten Lösungsmitteln MDI (Methyldi-p-phenylenisocyanat) und TDI (Toluoldiisocyanat).

Damit sollte klar sein, daß die Pumpe mit der Büchse nach der vorliegenden Erfindung die Ziele der Erfindung erreicht hat. Genauer umfaßt die Pumpe eine Magnetkupplung, die deutlich we niger Wärme aus Wirbelströmen als Pumpen aus dem Stand der Technik erzeugt; sie hat den Energieverlust an die Überschuß wärme deutlich reduziert, wodurch die zum Leisten der Arbeit verfügbare Energiemenge verbessert wird; sie hat die Wärmemenge reduziert, die durch Konvektion in das Pumpgut übertragen wird; sie hat die Pumpen vom Magnetkupplungstyp gegenüber Pumpen des Typs mit mechanischem Antrieb wettbewerbsfähiger gemacht, wo durch die Notwendigkeit reduziert oder sogar aufgehoben ist, die Magnetantriebspumpenmotoren zu überdimensionieren, um PS-Verluste aufgrund übermäßiger Wärmeverluste zu kompensieren; sie hat die Herstellungskosten für die Magnetkupplung gesenkt; sie hat Dichtungs- und Verbindungskleber und verwandtes Materi al reduziert oder sogar ganz beseitigt, das das Pumpgut abbauen und verschmutzen kann; sie hat einen so kleinen Spalt wie mög lich zwischen der inneren und der äußeren Magnetanordnung auf rechterhalten; sie hat die Größe des inneren und des äußeren Magneten reduziert, so daß kleinere innere und äußere Magnete die gleiche Drehmomentfähigkeit erzeugen, wie sie durch die Ma gnetkupplung mit herkömmlichen Büchsen erzeugt wurde; sie hat für verbesserte dichtungslose Operationen sowie dafür gesorgt, daß eine Temperatursonde an verschiedenen Positionen innerhalb einer Magnetkupplungssperrbüchse angeordnet ist, um die Tempe ratur der Magnetkupplung nahe dem geschlossenen Ende genauer zu fühlen oder zu erfassen.

An dieser speziellen Ausführungsform können Änderungen und Mo difizierungen durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfin dung abzuweichen, der nur durch den Umfang der beigefügten An sprüche begrenzt werden soll.

Claims

1. Magnetsperrbüchse mit einem offenen Ende und einem ge schlossenen Ende, die folgendes aufweist:
einen Polschuh; und
einen Zylinder mit offenem Ende, der eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist und mit dem Polschuh wirksam verbun den ist, und der eine harzummantelte Faser umfaßt, wobei die harzummantelte Faser den Polschuh abdeckt, um das geschlossene Ende zu bilden.

2. Büchse nach Anspruch 1, bei welcher die Faser aus der Gruppe von:
Graphitfasern, Kevlarfasern und Glasfasern ausgewählt ist.

3. Büchse nach Anspruch 1, bei welcher das Harz ein multi funktionales, warmaushärtendes Harz ist.

4. Büchse nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist:
einen dicken Bereich, der wirksam in der Nähe des offenen Endes des Zylinders distal von dem Polschuh positioniert ist, um einen Anschlag zu bilden.

5. Büchse nach Anspruch 4, die ferner folgendes aufweist:
einen Flansch, der wirksam zwischen dem offenen Ende und dem Polschuh positioniert ist, um die Büchse an einer Magnetan triebspumpe anzubringen.

6. Büchse nach Anspruch 5, bei welcher der Flansch in der Nä he des Anschlags positioniert ist und dadurch an Position ge halten wird.

7. Büchse nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist:
eine faserlose innere Schicht, um einen Kontakt zwischen dem Pumpgut und der Faser zu verhindern.

8. Büchse nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist:
einen Widerstandstemperaturdetektor, der derart wirksam positioniert ist, daß der Erfassungsbereich des Detektors in der Nähe des geschlossenen Endes der Büchse positioniert ist.

9. Büchse nach Anspruch 8, bei welcher der Erfassungsbereich des Detektors in dem Drittel des zylindrischen Abschnitts der Büchse angeordnet ist, der dem geschlossenen Ende der Büchse am nächsten liegt.

10. Büchse nach Anspruch 8, bei welchem der Erfassungsbereich des Detektors an der Außenfläche der Büchse angeordnet ist.

11. Büchse nach Anspruch 8, bei welcher der Erfassungsbereich des Detektors in die Faserschichten der Büchse eingebettet ist.

12. Verfahren zum Herstellen einer Magnetsperrbüchse, das fol gende Schritte umfaßt:
wenigstens ein Dorn wird vorgesehen;
wenigstens ein Polschuh wird vorgesehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an dem wenigstens einen Dorn befestigt;
wenigstens eine Wickelmaschine mit einer Achse wird vorge sehen;
der wenigstens eine Polschuh wird an der Wickelmaschine befestigt;
eine mit einem Harz ummantelte Faser wird vorgesehen;
die harzummantelte Faser wird über den wenigstens einen Dorn und um den wenigstens einen Polschuh gewickelt, um das ge schlossene Ende der Büchse zu bilden;
die Büchse wird an dem wenigstens einen Dorn warmausgehär tet; und
die wenigstens eine Büchse wird von dem wenigstens einen Dorn derart abgenommen, daß die Büchse in etwa die Innenabmes sungen der Außenabmessungen des wenigstens einen Dorns auf weist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem während des Webe schritts ein Widerstandstemperaturdetektor derart wirksam posi tioniert wird, daß der Erfassungsbereich des Detektors nahe dem geschlossenen Ende der Büchse positioniert ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem nach dem Webe schritt ein Widerstandstemperaturdetektor derart wirksam posi tioniert wird, daß der Erfassungsbereich des Detektors nahe dem geschlossenen Ende der Büchse positioniert ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner die Beschichtung des wenigstens einen Dorns mit einer Dichtungsmasse umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner folgendes aufweist:
während des Webeschritts wird eine zusätzliche Faser nahe dem offenen Ende der Büchse angeordnet, um einen Anschlag zu bilden.