DE3842988A1 - Zahnradpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Zahnradpumpe zur Bearbeitung und zum Transport schmelzflüssiger Polymere.

Ein Hauptzweck von Zahnradpumpen ist darin zu sehen, die Durchsatzleistungen des schmelzflüssigen Polymers zu erhöhen, welches üblicherweise aus einer Schmelz­ einrichtung, wie einem Extruder, austritt. Bei einer üblichen Schmelzeinrichtung, wie einem Einschnecken­ extruder, einem Banbury-Mischer oder eines Schnecken­ extruders mit zwei oder mehreren Schnecken ergibt sich in typischer Weise hinsichtlich der Verarbeitungskapa­ zität der Anlage eine Grenze entweder (i) durch den maximalen Schmelzendruck, der in der Anlage zugelassen wird, oder (ii) durch den Qualitätsverlust, der sich beim Polymer infolge der mechanischen Arbeit und der hieraus resultierenden Wärmeerzeugung ergibt. Diese Grenzen können teilweise überwunden werden, wenn der für die Durchströmung erforderliche Gesamtdruck in einem gesteuerten Verhältnis zwischen der Schmelzeinrichtung und einer weiteren Druckbeaufschlagungseinrichtung, wie einer Schmelzenpumpe, verteilt wird.

Wenn man eine Schmelzenpumpe am Ende der Schmelzein­ richtung verwendet, wird ein vorbestimmter Teil des Schmelzdrucks auf die Pumpe verteilt, so daß der Schmelzendruck in der Schmelzeinrichtung insgesamt ge­ sehen durch diese Größe herabgesetzt wird. Hierdurch wird ermöglicht, daß die Schmelzeinrichtung in einer niedrigeren als der Nenngeschwindigkeit arbeitet, wobei aber dieselbe Polymermenge unter einem niedrigen als dem Nenndruck gefördert wird.

Die Hauptquelle für die Energieeinleitung in das Polymer ist die Schmelzeinrichtung, und bei einem Schnecken­ extruder hängt die eingebrachte Leistung in starkem Maße von der Drehzahl der Schnecke ab. Wie vorstehend ange­ geben ist, führt eine geringere Drehzahl als die Nenn­ drehzahl typischerweise zu einer Verminderung der in das Polymer eingeleiteten Energie, ohne daß man einen Lei­ stungsverlust in Kauf nehmen muß. Wenn das System mit Festprodukten gespeist wird, dann ist der Durchsatz durch die Arbeitsleistung der Aufgabeeinrichtung bestimmt. Wenn das System mit flüssiger Aufgabe zur Verbesserung des Leistungsvermögens gespeist wird, dann ermöglicht die Verwendung einer Schmelzenzahnradpumpe einen weniger starken Schubeingang, was zu einer Verminderung des Qualitätsverlustes des Polymeren führen kann.

Jedoch wurden bisher Zahnradpumpen nicht häufig für Fluorpolymere verwendet, da Fluorpolymere im allgemeinen zu viskos und zu korrosiv im schmelzflüssigen Zustand sind, um mittels einer Zahnradpumpe in günstiger Weise gefördert zu werden. Bei einer üblichen Zahnradpumpe greifen die Zähne der beiden Zahnräder ineinander und berühren sich, da das eine Zahnrad das andere antreibt. Daher sind die Zahnräder aus hartem, abriebfestem Metall hergestellt, um den Verschleiß zu minimieren. Jedoch sind harte, abriebfeste Metalle, wie Stellite 6, Carpenter 20- Stahl, rostfreier Stahl Typ 304, rostfreier Stahl Typ 316L und Kohlenstoffstahl im allgemeinen zu leicht korrodierbar, um in Verbindung mit schmelzflüssigen Fluorpolymeren verwendet zu werden. Ferner gibt es Materialien, wie Hastelloy C-276 und Inconel 625, die wesentlich korrosionsbeständiger sind. Jedoch sind diese im allgemeinen zu weich, um eine ausreichende Abrieb­ beständigkeit bzw. Verschleißfestigkeit zu erhalten. Wie ferner vorstehend angegeben ist, können schmelz­ flüssige Fluorpolymere einem Qualitätsverlust unterworfen sein, d. h. einem Molekulargewichtsverlust und daher einem Verlust an Schmelzviskosität, wenn sie höheren Schubgrößen bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden.

Die Erfindung gibt eine Zahnradpumpe an, die derart aus­ gelegt ist, daß die Verschleiß- und Korrosionsprobleme, die durch schmelzflüssige, korrosive, viskose Fluorpoly­ mere verursacht werden, überwunden werden. Die Schmelzen­ abgabeleistung des Systems wird verbessert und der Abgabeschmelzendruck wird vergleichmäßigt, wobei der Zahnradverschleiß so gering wie möglich gehalten wird.

Bei der Erfindung wird der normale Zahnradpumpenbetrieb bei einer Zahnradpumpe mit zwei Zahnrädern, bei der ein Zahnrad das andere Zahnrad über ein Ineinandergreifen und einem Berühren der Zahnradzähne antreibt, dadurch verhindert, daß Doppelzahnradwellen verwendet werden, so daß jedes Zahnrad unabhängig angetrieben wird und daß die Antriebe in unmittelbarer Nähe hinsichtlich des Dreh­ moments in ausgewogenem Verhältnis arbeiten, so daß die Zahnräder ineinandergreifen, sich aber im wesentlichen nicht berühren und daher nicht in Kämmeingriff sind.

Da sich die Zahnräder nicht berühren, wäre zu erwarten, daß eine Rückförderung auftreten könnte, wodurch die Verweilzeit für das schmelzflüssige Polymere unter er­ höhten Temperaturen verlängert würde, unter denen die Zahnradpumpe arbeitet. Hierdurch wäre es wahrscheinlicher, daß das Polymer einen Verlust an Molekulargewicht und daher eine Schmelzviskosität hat. Jedoch tritt dies bei der Erfindung nicht auf, wie dies in Beispiel 1 gezeigt ist.

Bei der Zahnradpumpe nach der Erfindung, wird ein Zahn­ radzähneverschleiß dadurch verhindert, daß der Zahn­ kontakt zwischen den Zähnen zu allen Betriebszeiten so gering wie möglich gemacht wird. Dies wird dadurch er­ reicht, daß die Zahnräder derart angeordnet werden, daß sie einen Abstand voneinander haben, so daß die Zahnspitzen nicht die Zahntäler der Zähne des ande­ ren Zahnrades berühren, und daß die gesamte Antriebs­ belastung gleichmäßig auf die beiden Zahnradantriebs­ wellen verteilt wird, so daß kein Kontakt zwischen ineinandergreifenden Zähnen vorhanden ist. Dies wird mittels eines externen, elektronischen Steuersystems erreicht, das von der Firma Reliance Electric Company, 24703 Euclid Avenue, Cleveland, Ohio 44117, käuflich erwerbbar ist.

Fig. 1 ist eine Ausschnittsansicht einer Zahnradpumpe, die ein Pumpengehäuse 10 aufweist, das eine Kammer 11 bildet, die einen Einlaß 12 und einen Auslaß 13 hat. Fig. 2 ist eine Seitenansicht. Zwei sich drehende, ineinandergreifende Zahnräder 14 und 14 a sind drehbar in der Kammer angeordnet. Jedes Zahnrad wird durch ge­ sonderte Antriebswellen 15 oder 16 (nicht gezeigt) in Gegendrehrichtung, wie dies mit dem Pfeil 1 angedeutet ist, angetrieben. In Abweichung von üblichen Zahnrad­ pumpen sind die Zahnräder derart angeordnet und einander zugeordnet, daß die ineinandergreifenden Zähne sich im wesentlichen nicht berühren, sondern eng einander benachbart (kleiner Zahnzwischenraum) liegen, um die Rückförderung an den Zahnradgrenzflächen so gering wie möglich zu halten. Die Zahnräder und die Kammerinnen­ wände sind derart ausgelegt, daß die Zahnradzähne nahe beieinander liegen, aber die Wände nicht berühren, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Somit erhält man eine sich bewegende Fluiddichtung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß. Der Zahnradzahn zu Zahnradzahn- Kontakt ist bei der Erfindung so gering wie möglich, so daß es bei der Erfindung erforderlich ist, daß die beiden Zahnradwellen gesondert mittels Antrieben ange­ trieben werden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Hauptpumpenkörpers angeordnet sind. Die Drehmoment­ belastung auf die beiden Wellen und die Zahnräder wird immer gleichmäßig verteilt, vorausgesetzt, daß die externe Wellenbelastung auf das Pumpengehäuse, wie die Stopfbüchsenpackung oder andere Dichtungseinrichtungen, bei beiden Wellen in gleicher Weise vorgesehen sind.

Das Volumen der Pumpenkammer wird durch die Kammerwände und durch die Zahnradzähneflächen zwischen den Dicht­ stellen begrenzt, an denen die Zahnräder ineinander­ greifen und an denen die Zahnradzahnspitzen und die Seitenflächen sich den Kammerwänden nähern und hierbei im wesentlichen eine Abdichtung bewirken.

Im Arbeitszustand wird das schmelzflüssige Polymer im wesentlichen sowohl gegenüber dem Einlaß als auch gegenüber dem Auslaß der Kammer abgedichtet, und es ist zwischen den Zahnradzähnen und den Kammerwänden ein­ geschlossen.

Bei Pumpen für Fluorpolymere sollten korrosionsbeständige Materialien bei der Herstellung verwendet werden. Solche Materialien umfassen Inconel 625 und Hastelloy C-276. Jedoch sind diese weniger beständig gegenüber Verschleiß als Legierungen, die in Verbindung mit halogenfreien Polymeren verwendet werden können.

Das Steuersystem umfaßt ferngesteuert gestützte Steue­ rungen, die derart ausgelegt sind, daß man eine gleich­ mäßige Belastungsverteilung während des Arbeitens erzielt. Die Belastungsverteilung wird dadurch erzielt, daß es erforderlich ist, daß das eine Zahnrad nicht das andere antreibt, so daß ein positiver Zwischenraum zwischen den Zähnen der beiden Zahnräder vorhanden ist. Dies wird dadurch erreicht, daß ständig das die beiden unabhängigen Wellen antreibende Drehmoment ausgeglichen wird und daß die Belastungsänderungen auf die Wellen genau infolge der Kombination aus viskositätsbedingtem Widerstand durch die Polymerschmelzenviskosität und aus dem Druckunterschied zwischen dem Einlaß und dem Auslaß in Wechselbeziehung gesetzt werden.

Beispiel 1

Eine Zahnradpumpe wurde so ausgelegt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, wobei hauptsächlich Werkstoffe auf der Basis von Nickel/Kobalt für die Zahnräder verwendet wurden, um eine Korrosionsbeständigkeit zu erhalten, so daß ein Schutz gegen das korrosive Wirken der Tetrafluorethylen­ polymere erreicht wird.

Ein Copolymer aus Tetrafluorethylen und 12 Mol-% Hexa­ fluorpropylen mit einer Schmelzviskosität von 47×10⁴ Poise bei 372°C wurde in einem Schneckenextruder er­ schmolzen und dann durch die Schmelzpumpe nach der Er­ findung geleitet. Das Drehmoment, das die beiden Zahn­ räder antreibt, wurde in ein ausgewogenes Verhältnis durch eine zuverlässige Steuerungsüberwachung gebracht, so daß der Kontakt zwischen dem Zahnrad 10 der beiden Zahnräder so gering wie möglich war.

Einige Versuche wurden unternommen, und die Zahnradpum­ peneinlaßtemperaturen lagen im Bereich von 322 bis 361°C, während die Pumpenaustrittstemperaturen im Bereich von 311 bis 329°C lagen. Die Extruder/Zahnradpumpenanordnung wurde mit einigen unterschiedlichen Durchsätzen betrie­ ben, die in Fig. 3 über dem Schmelzviskositätenverlust aufgetragen sind, wenn das Polymer durch das System geht. Es ist zu ersehen, daß abgesehen von experimentellen Fehlern keine Änderung in der Schmelzviskosität selbst bei einem Durchsatz von bis zu 272 kg/h (bis zu 600 pounds/hour) auftrat, wie dies mit ausgefüllten Kreisen verdeutlicht ist.

Der gleiche Extrusionsvorgang wurde in Vergleichsver­ suchen unter Verwendung des Extruders aber ohne Zahn­ radpumpe durchgeführt (unausgefüllte Vierecke). Der Schmelzviskositätsverlust stieg mit dem Polymerdurch­ satz, und mit der Zeit erreichte der Durchsatz 150 kg/h (330 pounds/hour) an der Stelle A, und der Schmelz­ viskositätsabfall hatte eine unzulässige Größe erreicht.

Dieser Versuch und die Steuerung zeigten, daß die Ver­ wendung der Zahnradpumpe nach der Erfindung zusammen mit einem Schneckenextruder mit einer einzigen Schnecke zu wesentlich höheren Durchsätze und zu einem wesent­ lich geringeren Qualitätsverlust des Polymeren führen, wie dies durch den Schmelzviskositätsabfall verdeut­ licht ist.

Claims (1)

1. Zahnradpumpe zum Pumpen von schmelzflüssigem Polymer, bei der die Pumpe eine Kammer mit einem Einlaß und einem Auslaß hat, die an gegenüberliegenden Enden der Kammer vorgesehen sind, und bei der zwei sich drehende Pumpenzahnräder in der Kammer derart angeordnet sind, daß die Zahnradzähne ineinandergreifen und die bezüglich den Seitenwänden der Kammer derart angeordnet sind, daß die Wände und die Zahnradzähneflächen im wesentlichen eine Fluiddichtung zwischen dem Auslaß und dem Einlaß bilden, dadurch gekennzeichnet, daß:

   • 1) ein kleiner Zwischenraum zwischen den ineinan­ dergreifenden Zahnradzähnen aufrechterhalten wird, so daß die Zähne der beiden Zahnräder (14, 14 a) im wesentlichen nicht in Kontakt sind, und
   • 2) beide Zahnräder (14, 14 a) durch gesonderte Zahnradantriebswellen angetrieben werden, die bei gleichen Drehmomenten arbeiten.