EP2549113B1 - Magnetischer Rotor sowie Rotationspumpe mit einem magnetischen Rotor - Google Patents

Magnetischer Rotor sowie Rotationspumpe mit einem magnetischen Rotor Download PDF

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EP2549113B1
EP2549113B1 EP12174213.4A EP12174213A EP2549113B1 EP 2549113 B1 EP2549113 B1 EP 2549113B1 EP 12174213 A EP12174213 A EP 12174213A EP 2549113 B1 EP2549113 B1 EP 2549113B1
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EP
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rotor
permanent magnet
accordance
metal
metal jacket
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EP2549113A2 (de
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Reto Schöb
Thomas Eberle
Natale Barletta
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Levitronix GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a magnetic rotor for a rotary pump according to independent claim 1.
  • magnetically mounted rotary pumps have prevailed in the art, in which an impeller is suspended in the interior of a preferably completely closed pump housing by magnetic forces and driven by a rotating field which is generated by a stator often arranged outside the pump housing.
  • Such pumps are particularly advantageous for those applications in which the fluid to be pumped must not be contaminated, for example for conveying biological fluids such as blood or highly pure fluids such as ultrapure water.
  • the WO 2006/039747 discloses a double-sealed pump rotor for such a blood pump.
  • Such rotary pumps are suitable for pumping aggressive liquids that would destroy mechanical bearings in a short time. Therefore, such rotary pumps are particularly preferably used in the semiconductor industry, for example for conveying mechanically aggressive fluids when processing a surface of semiconductor wafers.
  • CMP chemical-mechanical polishing processes
  • a suspension commonly referred to as a slurry
  • a slurry typically consists of very fine solid particles and a liquid on a rotating wafer applied and serves there for polishing or lapping the very fine semiconductor structures.
  • Another example is the application of photoresist to the wafer, or the roughening of surfaces of computer hard disks to prevent sticking of the read / write heads by adhesion forces, for example by van der Waals forces.
  • magnetically levitated rotary pumps are preferably used in practice.
  • highly aggressive chemicals such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ), which often have to be provided even at elevated temperatures, eg at 150 ° C to 200 ° C or even higher.
  • phosphoric acid H 3 PO 4
  • H 3 PO 4 phosphoric acid
  • H 3 PO 4 hydrochloric acid
  • HF hydrofluoric acid
  • NO 3 nitric acid
  • NH 4 F 2 ammonium fluoride
  • mixtures such as sulfuric acid and ozone (H 2 SO 4 with O 3 ), sulfuric acid with hydrogen peroxide (H 2 SO 4 with H 2 O 2 ) or, for example, sulfuric acid with hydrofluoric acid and nitric acid (H 2 SO 4 with HF and HNO 3 ) often in use.
  • fluorinated hydrocarbons very often do not form a sufficient barrier to gaseous constituents of the chemicals.
  • an encapsulation made of a fluorinated hydrocarbon has only a very limited barrier effect against ozone (O 3 ), for example in a too pumping mixture of sulfuric acid and ozone (H 2 SO 4 with O 3 ) may be contained in substantial amounts.
  • an encapsulation contains, for example, a metal
  • the acids can be used to dissolve metal ions which, as a component of the fluid to be pumped, can then have an effect on subsequent work processes. This can lead to catastrophic consequences, for example, in applications in the semiconductor industry, since the dissolved metal ions can alter the doping of the semiconductors to be treated in an uncontrolled manner even in very low concentrations in the fluid, thus rendering the semiconductor products completely unusable in the worst case.
  • a rotary pump, in particular canned motor pump which is adequately protected analogously to the inventive rotor against the aforementioned and known from the prior art harmful influences.
  • a sufficient protection against aggressive acids with gaseous components even for use at high temperatures to be created.
  • the invention thus relates to a magnetic rotor for a rotary pump, wherein the rotor for driving a fluid in a pump housing within a stator of the rotary pump is magnetically non-contact drivable and storable, and the rotor is encapsulated by means of an outer encapsulation comprising a fluorinated hydrocarbon.
  • the rotor within the encapsulation comprises a permanent magnet encased in a metal jacket, the metal jacket comprising at least one metal Group of elements consisting of tantalum, niobium, zirconium, titanium, hafnium, gold, platinum, palladium, osmium, iridium, ruthenium and rhodium.
  • the permanent magnet of the rotor of the present invention is thus doubly encapsulated:
  • An inner metal shell encloses the permanent magnet of the rotor substantially completely, more preferably, the permanent magnet is gas-tightly enclosed by the metal shell.
  • the metal shell in turn is inside an outer encapsulation of a fluorinated hydrocarbon.
  • the metal sheath may preferably be completely encased directly by the encapsulation or, depending on requirements, a further material may be provided between the metal sheath and the outer encapsulation, for example to adapt the geometry, mass or other parameters of the rotor to particular requirements.
  • the permanent magnet may also be enclosed directly by the metal sheath or there may be another material between metal sheath and permanent magnet, e.g. serves as a thermal compensation means for compensating different thermal expansions of the metal shell and / or the permanent magnet.
  • a corresponding distance in the form of a gap between the metal shell and the permanent magnet can of course also be provided.
  • the permanent magnet is at the same time, for example, against aggressive liquids such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ), even at elevated temperatures, for example at 150 ° C to 200 ° C or even protected at higher temperatures. These are shielded from the permanent magnet by the outer fluorinated hydrocarbon encapsulation. But any existing gaseous component such as ozone, which may also be present in the aggressive liquid chemical, is effectively shielded.
  • aggressive liquids such as sulfuric acid (H 2 SO 4 )
  • the shield possibly Existing gaseous components or ionic constituents of the acid, which are not or only insufficiently retained by the outer encapsulation and diffuse through the outer encapsulation into the interior of the rotor, are prevented at the latest by the metal jacket surrounding the permanent magnet.
  • the service lives of the rotors or the service lives of plant components according to the invention with an outer layer of fluorinated hydrocarbon and an underlying second layer of a metal of the group of elements consisting of tantalum, niobium, zirconium, titanium, hafnium, gold, platinum , Palladium, osmium, iridium, ruthenium and rhodium have been significantly extended by the present invention.
  • the metal shell of the magnetic rotor consists only of at least one metal of the group of elements consisting of tantalum, niobium, zirconium, titanium, hafnium, gold, platinum, palladium, osmium, iridium, ruthenium and rhodium. In one for the practice Particularly preferred embodiment, the metal shell consists essentially only of tantalum.
  • fluorinated hydrocarbons for external encapsulation are fluorinated ethylene-propylene (FEP), ethyltetrafluoroethylene (ETFE), polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), ethylene chlorotrifluoroethylene (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) or a combination of different fluorinated hydrocarbons.
  • FEP fluorinated ethylene-propylene
  • ETFE ethyltetrafluoroethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA perfluoroalkoxyalkane
  • ECTFE ethylene chlorotrifluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the permanent magnet of the magnetic rotor is usually positively and / or non-positively connected to the metal shell, so that the permanent magnet in the operating state with respect to the rest of the rotor body can not move substantially. This is crucial for safe driving of the rotor, since the external magnetic drive forces naturally act on the permanent magnet of the rotor, causing the rotor to rotate for pumping the fluid.
  • the metal shell is positively and / or non-positively connected to the encapsulation, in particular to the plastic jacket.
  • a recess is particularly advantageously provided, so that the metal shell is weldable without affecting the permanent magnet, which will be explained in more detail below with reference to the drawing.
  • the thermal compensation means is simply a suitably narrow selected gap between the permanent magnet and metal shell, so that a positive and / or frictional connection between the metal shell and the permanent magnet despite the gap is still sufficiently ensured.
  • the invention further relates to a rotary pump with the inventive magnetic rotor.
  • an inner surface of a housing wall of the pump housing may be provided with a plastic barrier of the fluorinated hydrocarbon, wherein between the inner surface of the housing wall and the stator preferably provided a metal barrier, for example in the form of a pot or cylinder is, which includes at least one metal of the group of elements consisting of tantalum, niobium, zirconium, titanium, hafnium, gold, platinum, palladium, osmium, iridium, ruthenium and rhodium, so that the stator in completely analogous function as the permanent magnet in Inside of the rotor is protected against aggressive fluids to be pumped, especially against the above-mentioned acid mixtures with gaseous components optimally.
  • the metal jacket of the rotor and / or the metal barrier towards the stator, in particular of the pump housing consists in a specific embodiment only of at least one metal of the group consisting of tantalum, niobium, zirconium, titanium, hafnium, gold, platinum, palladium, osmium , Iridium, ruthenium and rhodium.
  • the fluorinated hydrocarbon particularly advantageously comprises fluorinated ethylene propylene (FEP), ethyltetrafluoroethylene (ETFE), polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), ethylene chlorotrifluoroethylene (ECTFE), or polyvinylidene fluoride (PVDF), or the encapsulation and / or the plastic barrier at the inner surface of the metal barrier to the stator consists essentially only of at least one of polytetrafluoroethylene, perfluoroalkoxyalkane, ethylene chlorotrifluoroethylene, or polyvinylidene fluoride.
  • FEP fluorinated ethylene propylene
  • ETFE ethyltetrafluoroethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA perfluoroalkoxyalkane
  • ECTFE ethylene chlorotrifluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • a drive for the rotary pump of the present invention is advantageously a per se long known bearingless motor, in principle in any embodiment in question, wherein in a particularly preferred embodiment, the stator is configured simultaneously as a bearing and drive stator, and an axial height of the rotor preferred is less than or equal to half the diameter of the rotor, so the rotor is a known so-called pancake.
  • the Fig. 1 shows in schematic representation in section a magnetic rotor 1 according to the present invention.
  • the magnetic rotor 1 according Fig. 1 for a rotary pump 2, as in a specific embodiment based on the Fig. 2 will be discussed below, is for conveying a fluid 3 in a pump housing 4 within a stator 5 of the rotary pump 2 in a conventional manner magnetically non-contact and drivable storable.
  • the rotor 1 is encapsulated by means of an outer encapsulation 6 comprising a fluorinated hydrocarbon, wherein the fluorinated hydrocarbon of the encapsulation 6 comprises, for example, polytetrafluoroethylene, perfluoroalkoxyalkane, ethylene, chlorotrifluoroethylene, or polyvinylidene fluoride.
  • an outer encapsulation 6 comprising a fluorinated hydrocarbon
  • the fluorinated hydrocarbon of the encapsulation 6 comprises, for example, polytetrafluoroethylene, perfluoroalkoxyalkane, ethylene, chlorotrifluoroethylene, or polyvinylid
  • the encapsulation 6 consists only of at least one of the aforementioned fluorinated hydrocarbons.
  • the rotor 1 comprises within the encapsulation 6 a permanent magnet 8 sheathed by the metal sheath 7, the metal sheath 7 comprising at least one metal of the group consisting of tantalum, niobium, zirconium, titanium, hafnium, gold, platinum, palladium, osmium, Iridium, ruthenium and rhodium includes.
  • the metal shell is only tantalum, except impurities.
  • the permanent magnet 8 is positively connected to the metal shell 7, wherein between the permanent magnet 8 and the metal shell 7, a recess 9 is provided in the form of a chamfer on the permanent magnet, so that the metal shell 7 could be welded without affecting the permanent magnet 8 by excessive temperatures in the manufacture of the rotor 1.
  • the metal jacket 7 preferably forms a gas-tight jacket of the permanent magnet 8, which is often ensured in practice by first placing the permanent magnet 8 inside the metal jacket 7 is and then the metal shell 7 gas-tight welded or soldered.
  • a thermal compensation means 10 which is simply a suitable narrow gap between the permanent magnet 8 and metal shell 7 and serves to compensate for different thermal expansion of the metal shell 7 and the permanent magnet 8 here.
  • the Fig. 2 finally shows schematically a section of a known rotary pump 2, which is equipped with a rotor 1 according to the present invention.
  • the rotary pump 2 comprises a pump housing 4 with an inlet 11 for supplying a fluid 3 into the pump housing 4 and an outlet 12 for discharging the fluid 3 from the pump housing 4.
  • the fluid 3 is for example a chemically aggressive acid with a proportion of a gas , for example, sulfuric acid with ozone.
  • a magnetic rotor 1 is mounted without contact magnetically in a known manner in the pump housing 4, wherein the rotor 1 is likewise known to a drive 13, which comprises electrical coils 131 and the stator as essential elements 5, in particular formed by laminated iron, which are in magnetic operative connection with the permanent magnet 8 of the rotor 1.
  • the drive is here in a special embodiment, a so-called known bearingless Motor is, in which the stator 5 is designed simultaneously as a storage and drive stator.
  • Fig. 2 is the rotor 1 to a so-called pancake, wherein preferably an axial height of the rotor 1 is less than or equal to half a diameter of the rotor 1.
  • the invention is not restricted to pancake, but is in principle applicable to all rotor types of any magnetically levitated rotary machines.
  • the rotor 1 is encapsulated by means of an outer encapsulation 6 made of a fluorinated hydrocarbon and within the encapsulation 6 of the sheathed by the metal shell 7 permanent magnet 8 is provided.
  • the metal shell 7 in this case comprises at least one metal of the group of elements consisting of tantalum, niobium, zirconium, titanium, hafnium, gold, platinum, palladium, osmium, iridium, ruthenium and rhodium.
  • a plastic barrier made of the fluorinated hydrocarbon provided on an inner surface 411 of a housing wall 41 of the pump housing 4 is provided, wherein a metal barrier in the form of a pot 400 is provided between the inner surface 411 of the housing wall 41 and the stator 5.
  • the permanent magnet 8 is as in Fig. 1 already described in detail positively and / or non-positively connected to the metal shell 7, wherein a thermal compensation means 10 is provided in the form of a narrow gap between metal shell 7 and permanent magnet 8 to compensate for different thermal expansions of the metal shell 7 and the permanent magnet.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen magnetischen Rotor für eine Rotationspumpe gemäss dem unabhängigen Anspruch 1.
  • Für spezielle Anwendungen haben sich in der Technik magnetisch gelagerte Rotationspumpen durchgesetzt, bei welchen ein Flügelrad im Innern eines bevorzugt vollständig geschlossenen Pumpengehäuses durch magnetische Kräfte schwebend gelagert ist und durch ein Drehfeld angetrieben wird, das von einem häufig ausserhalb des Pumpengehäuses angeordneten Stator erzeugt wird. Solche Pumpen sind insbesondere für solche Anwendungen vorteilhaft, bei denen das zu fördernde Fluid nicht verunreinigt werden darf, beispielsweise zum Fördern biologischer Flüssigkeiten wie Blut oder hochreiner Flüssigkeiten wie Reinstwasser. Die WO 2006/039747 offenbart einen doppelt gekapselten Pumpenrotor für eine solche Blutpumpe.
  • Zudem eignen sich solche Rotationspumpen zum Fördern aggressiver Flüssigkeiten, die mechanische Lager in kurzer Zeit zerstören würden. Daher werden derartige Rotationspumpen besonders bevorzugt in der Halbleiterindustrie, zum Beispiel zum Fördern mechanisch aggressiver Fluide beim Bearbeiten einer Oberfläche von Halbleiterwafern eingesetzt. Als ein wichtiges Beispiel seien hier chemisch-mechanische Polierprozesse (CMP, chemical-mechanical planerisation) genannt. Bei solchen Prozessen wird eine üblicherweise als Slurry bezeichnete Suspension aus typischerweise sehr feinen Feststoffpartikeln und einer Flüssigkeit auf einen rotierenden Wafer aufgebracht und dient dort zum Polieren bzw. Läppen der sehr feinen Halbleiterstrukturen. Ein anderes Beispiel ist das Aufbringen von Fotolack auf den Wafer, oder das Aufrauen von Oberflächen von Computerfestplatten um ein Anhaften der Schreib/Leseköpfe durch Adhäsionskräfte, also zum Beispiel durch Van-der-Waals Kräfte zu verhindern.
  • Auch für andere hoch aggressive Substanzen werden magnetgelagerte Rotationspumpen in der Praxis bevorzugt eingesetzt. So zum Beispiel in der Halbleiterfertigung zum Pumpen von höchst aggressiven Chemikalien wie Schwefelsäure (H2SO4), die oft auch unter erhöhten Temperaturen, z.B. bei 150°C bis 200°C oder sogar noch höher bereit gestellt werden müssen. Eine andere typische, sehr aggressive Säure ist Phosphorsäure (H3PO4), die in bestimmten Anwendungen bei Temperatur bis 160°C oder noch höher zuverlässig gepumpt werden muss. Aber auch Salzsäure (HCl), Flusssäure (HF), Salpetersäure (HNO3), Essigsäure (CH3COOH) oder Ammonium Fluorid (NH4F2). Dabei sind auch Mischungen z.B. aus Schwefelsäure und Ozon (H2SO4 mit O3), Schwefelsäure mit Wasserstoff Peroxyd (H2SO4 mit H2O2) oder beispielweise Schwefelsäure mit Flusssäure und Salpetersäure (H2SO4 mit HF und HNO3) häufig im Einsatz.
  • Dabei ist es bekannt, dass bestimmte fluorierte Kohlenwasserstoffe eine gewisse Resistenz gegen chemisch aggressive Substanzen, insbesondere gegen die zuvor genannten Säuren zeigen. Daher ist es ebenfalls bekannt, z.B. Rotoren von lagerlosen Pumpen mit Verkapselungen aus fluorierten Kohlenwasserstoffen zu versehen, um den im Inneren des Rotors liegenden Permanentmagneten vor den schädlichen Einflüssen der aggressiven Säuren bzw. Säurengemischen möglichst zu schützen.
  • Allerdings bilden die fluorierten Kohlenwasserstoffe sehr häufig keine ausreichende Barriere gegen gasförmige Bestandteile der Chemikalien. So hat eine Verkapselung aus einem fluorierten Kohlenwasserstoff z.B. nur eine sehr eingeschränkte Barrierewirkung gegen Ozon (O3), das z.B. in einem zu pumpenden Gemisch aus Schwefelsäure und Ozon (H2SO4 mit O3) in wesentlichen Mengen enthalten sein kann.
  • Diffundiert z.B. Ozon in ausreichender Menge durch die Verkapselung aus fluoriertem Kohlenwasserstoff zum Permanentmagneten im Inneren des Rotors, so kann das zu einer sehr schwerwiegenden Schädigung des Permanentmagneten im Rotor führen, der Permanentmagnet kann sich z.B. regelrecht aufblähen und den Rotor im schlimmsten Fall geradezu sprengen.
  • Es versteht sich von selbst, dass diese negativen Effekte bei erhöhten Temperaturen noch massiv verstärkt werden, nicht zuletzt, weil, wie allgemein bekannt, bei erhöhter Temperatur die Diffusionsprozesse zunehmend massiv beschleunigt sind.
  • Dagegen sind Substanzen, die eine bessere Diffusionsbarriere bilden sehr häufig nicht gegen die extrem aggressiven Säuren, vor allem nicht bei erhöhter Temperatur resistent. Versucht man also Rotorverkapselungen aus einem Material zu einem anderen Material als fluorierten Kohlenwasserstoffen zu verwenden, so werden diese Verkapselungen sehr rasch von den aggressiven Säuren angegriffen, das Material der Verkapselung kann durch die Säuren teilweise aufgelöst oder herausgelöst werden, das dann als Verunreinigung in das zu pumpende Fluid gelangt und an anderer Stelle im Prozess eine schädliche Wirkung entfalten kann.
  • Wenn eine Verkapselung zum Beispiel ein Metall enthält, so können durch die Säuren Metallionen in Lösung gebracht werden, die dann als Bestandteil des zu pumpenden Fluid Auswirkungen auf nachfolgende Arbeitsprozesse haben können. Das kann z.B. bei Anwendungen in der Halbleiterindustrie zu geradezu katastrophalen Folgen führen, da die gelösten Metallionen schon in geringsten Konzentrationen im Fluid beispielweise die Dotierung der zu behandelnden Halbleiter in unkontrollierter Weise ändern können und so die Halbleiterprodukte im schlimmsten Fall völlig unbrauchbar machen können.
  • Analoge Probleme können natürlich auch mit Blick auf das Pumpengehäse auftreten. Wenn z.B. die Inneren Oberflächen des Pumpengehäuses mittels einer Schicht aus fluorierten Kohlenwasserstoffen geschützt sind, können immer noch gasförmige Bestandteile hindurch diffundieren, die dann den Stator mit der Zeit zerstören.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen magnetischen Rotor für eine Rotationspumpe bereitzustellen, bei welchem ein im Inneren des Rotors vorgesehener Permanentmagnet für eine ausreichend lange Standzeit gegen die schädlichen Auswirkungen von flüssigen und gasartigen bzw. in Form von Ionen gelösten Substanzen eines zu pumpenden Fluids geschützt ist, so dass der Rotor seltener ausgetauscht werden muss. Ausserdem soll durch die Erfindung eine Rotationspumpe, insbesondere Spaltrohrmotorpumpe geschaffen werden, die analog zum erfindungsgemässen Rotor gegen die zuvor erwähnten und aus dem Stand der Technik bekannten schädlichen Einflüsse ausreichend geschützt ist. Dabei soll insbesondere ein ausreichender Schutz gegen aggressive Säuren mit gasartigen Bestandteilen, auch zur Anwendung unter hohen Temperaturen geschaffen werden.
  • Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gekennzeichnet.
  • Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft somit einen Magnetischer Rotor für eine Rotationspumpe, wobei der Rotor zum Fördern eines Fluids in einem Pumpengehäuse innerhalb eines Stators der Rotationspumpe magnetisch berührungslos antreibbar und lagerbar ist, und der Rotor mittels einer äusseren Verkapselung umfassend einen fluorierten Kohlenwasserstoff gekapselt ist. Erfindungsgemäss umfasst der Rotor innerhalb der Verkapselung einen von einem Metallmantel ummantelten Permanentmagneten, wobei der Metallmantel mindestens ein Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium umfasst.
  • Der Permanentmagnet des Rotors der vorliegenden Erfindung ist somit doppelt gekapselt: Ein innerer Metallmantel umschliesst den Permanentmagneten des Rotors im Wesentlichen vollständig, besonders bevorzugt wird der Permanentmagnet gasdicht durch den Metallmantel umschlossen. Der Metallmantel seinerseits befindet sich innerhalb einer äusseren Verkapselung aus einem fluorierten Kohlenwasserstoff. Dabei kann der Metallmantel unmittelbar durch die Verkapselung bevorzugt vollständig verkleidet sein oder es kann sich je nach Anforderung zwischen Metallmantel und äusserer Verkapselung noch ein weiteres Material vorgesehen sein, zum Beispiel um die Geometrie, die Masse oder andere Parameter des Rotors an bestimmte Erfordernisse anzupassen. Dementsprechend kann auch der Permanentmagnet direkt vom Metallmantel umschlossen sein oder es kann sich zwischen Metallmantel und Permanentmagnet noch ein weiteres Material befinden, das z.B. als thermisches Kompensationsmittel zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Metallmantels und / oder des Permanentmagneten dient. Zu diesem Zweck kann natürlich auch einfach ein entsprechender Abstand in Form eines Spaltes zwischen Metallmantel und Permanentmagnet vorgesehen sein.
  • Dadurch, dass der Permanentmagnet durch den Metallmantel und die äussere Verkapselung doppelt gekapselt ist, ist der Permanentmagnet gleichzeitig zum Beispiel gegen aggressive Flüssigkeiten wie Schwefelsäure (H2SO4), auch unter erhöhten Temperaturen, z.B. bei 150°C bis 200°C oder auch bei höheren Temperaturen geschützt. Diese werden durch die äussere Verkapselung aus fluoriertem Kohlenwasserstoff vom Permanentmagneten abgeschirmt. Aber auch eventuell vorhandene gasartige Komponente wie zum Beispiel Ozon, das in der aggressiven flüssigen Chemikalie ebenfalls vorhanden sein kann, wird wirksam abgeschirmt. Die Abschirmung eventuell vorhandener gasartiger Komponenten oder auch ionische Bestandteile der Säure, die durch die äussere Verkapselung nicht oder nur unzureichend zurückgehalten werden und durch die äussere Verkapselung in das Innere des Rotors durch diffundieren, werden spätestens von dem den Permanentmagneten umgebenden Metallmantel abgehalten.
  • Es hat sich dabei herausgestellt, das der Permanentmagnet eines erfindungsgemässes Rotors selbst gegen sehr aggressive Säuren wie Phosphorsäure (H3PO4), die in bestimmten Anwendungen bei Temperatur bis 160°C oder noch höher zuverlässig gepumpt werden muss, aber auch Salzsäure (HCl), Flusssäure (HF), Salpetersäure (HNO3), Essigsäure (CH3COOH) oder Ammonium Fluorid (NH4F2) und auch gegen andere chemisch aggressive Substanzen zuverlässig abgeschirmt werden kann. Dabei sind selbst Mischungen z.B. Mischungen aus Schwefelsäure und Ozon (H2SO4 mit O3), Schwefelsäure mit Wasserstoff Peroxyd (H2SO4 mit H2O2) oder beispielweise Schwefelsäure mit Flusssäure und Salpetersäure (H2SO4 mit HF und HNO3) oder andere chemisch höchst aggressive Mischungen wirksam abschirmbar.
  • Die Standzeiten der Rotoren oder auch die Standzeiten von Anlagenteilen, die gemäss der Erfindung mit einer äusseren Schicht aus fluoriertem Kohlenwasserstoff und einer darunter liegenden zweiten Schicht aus einem Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium beschichtet sind, sind durch die vorliegende Erfindung entscheidend verlängert worden.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Metallmantel des magnetischen Rotors nur aus mindestens einem Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium. In einem für die Praxis besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Metallmantel im Wesentlichen nur aus Tantal.
  • Als fluorierte Kohlenwasserstoffe für die äussere Verkapselung kommen besonders bevorzugt Fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), Ethyltetrafluorethylen (ETFE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Ethylen Chlorotrifluoroethylen (ECTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder eine Kombination verschiedener fluorierter Kohlenwasserstoffe in Frage. Dabei besteht die Verkapselung eines erfindungsgemässen Rotors bevorzugt nur aus mindestens einem der Stoffe Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxylalkan, Ethylen Chlorotrifluoroethylen, oder Polyvinylidenfluorid.
  • In der Praxis ist der Permanentmagnet des magnetischen Rotor in der Regel formschlüssig und / oder kraftschlüssig mit dem Metallmantel verbunden, damit sich der Permanentmagnet im Betriebszustand in Bezug auf den übrigen Rotorkörper im Wesentlichen nicht bewegen kann. Das ist für einen sicheren Antrieb des Rotors entscheidend, da die äusseren magnetischen Antriebskräfte natürlich am Permanentmagneten des Rotors angreifen, wodurch der Rotor zum Pumpen des Fluid in Rotation versetzt wird. Ebenso ist besonders bevorzugt der Metallmantel formschlüssig und / oder kraftschlüssig mit der Verkapselung, im Speziellen mit dem Kunststoffmantel verbunden ist.
  • Zwischen dem Permanentmagneten und dem Metallmantel ist dabei besonders vorteilhaft eine Ausnehmung vorgesehen, so dass der Metallmantel ohne Beeinträchtigung des Permanentmagneten verschweissbar ist, was nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher im Detail erläutert werden wird.
  • Schliesslich ist in der Praxis, wie oben bereits erwähnt, zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Metallmantels und / oder des Permanentmagneten falls notwendig ein thermisches Kompensationsmittel vorgesehen, so dass z.B. bei höheren Temperaturen keine unerwünschten mechanischen Spannungen zwischen dem Metallmantel und dem Permanentmagneten induziert werden. Sehr häufig ist das thermische Kompensationsmittel einfach ein geeignet schmal gewählter Spalt zwischen Permanentmagnet und Metallmantel, so dass ein Form- und / oder Kraftschluss zwischen Metallmantel und Permanentmagnet trotz des Spaltes noch ausreichend gewährleistet ist.
  • Die Erfindung betrifft weiter eine Rotationspumpe mit dem erfinderischen magnetischen Rotor.
  • Zum Schutz des Stators selbst gegen das zu pumpende aggressive Fluid kann eine innere Oberfläche einer Gehäusewand des Pumpengehäuses mit einer Kunststoffbarriere aus dem fluorierten Kohlenwasserstoff versehen sein, wobei zwischen der inneren Oberfläche der Gehäusewand und dem Stator bevorzugt eine Metallbarriere z.B. in Form eines Topfes oder Zylinders vorgesehen ist, die mindestens ein Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium umfasst, so dass auch der Stator in völlig analoger Funktion wie der Permanentmagnet im Inneren des Rotors gegen aggressive zu pumpende Fluide, insbesondere auch gegen die oben bereits erwähnten Säuregemische mit gasartigen Bestandteilen optimal geschützt ist.
  • Der Metallmantel des Rotors und / oder die Metallbarriere zum Stator hin, insbesondere des Pumpengehäuses besteht dabei in einem Speziellen Ausführungsbeispiel nur aus mindestens einem Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium.
  • Dabei umfasst der fluorierte Kohlenwasserstoff besonders vorteilhaft Fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), Ethyltetrafluorethylen (ETFE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Ethylen Chlorotrifluoroethylen (ECTFE), oder Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder die Verkapselung und / oder die Kunststoffbarriere an der inneren Oberfläche der Metallbarriere zum Stator hin besteht im wesentlichen nur aus mindestens einem der Stoffe Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxylalkan, Ethylen Chlorotrifluoroethylen, oder Polyvinylidenfluorid.
  • Es versteht sich, dass der Rotor der erfindungsgemässen Rotationspumpe selbstverständlich wie oben bereits beschrieben ausgestaltet ist und sich daher an dieser Stelle eine nochmalige detaillierte Beschreibung des Rotors der erfindungsgemässen Rotationspumpe erübrigt.
  • Als Antrieb für die Rotationspumpe der vorliegenden Erfindung kommt vorteilhaft ein an sich seit langem bekannter lagerloser Motor, prinzipiell in beliebiger Ausführungsform in Frage, wobei in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Stator gleichzeitig als Lager- und Antriebsstator ausgestaltet ist, und eine axiale Höhe des Rotors bevorzugt kleiner oder gleich einem halben Durchmesser des Rotors ist, der Rotor also ein an sich bekannter sogenannter Scheibenläufer ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Rotors;
    Fig. 2
    eine erfindungsgemässe Rotationspumpe.
  • Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung im Schnitt einen magnetischen Rotor 1 gemäss der vorliegenden Erfindung.
  • Der magnetische Rotor 1 gemäss Fig. 1 für eine Rotationspumpe 2, wie sie in einem speziellen Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 2 weiter unten noch diskutiert wird, ist zum Fördern eines Fluids 3 in einem Pumpengehäuses 4 innerhalb eines Stators 5 der Rotationspumpe 2 in an sich bekannter Weise magnetisch berührungslos und antreibbar lagerbar. Der Rotor 1 ist mittels einer äusseren Verkapselung 6 umfassend einen fluorierten Kohlenwasserstoff gekapselt, wobei der fluorierte Kohlenwasserstoff der Verkapselung 6 z.B. Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxylalkan, Ethylen Chlorotrifluoroethylen, oder Polyvinylidenfluorid umfasst. Im speziellen Beispiel der Fig. 1 besteht die Verkapselung 6 nur aus mindestens einem der vorgenannten fluorierten Kohlenwasserstoffe. Gemäss der Erfindung umfasst der Rotor 1 innerhalb der Verkapselung 6 einen vom Metallmantel 7 ummantelten Permanentmagneten 8, wobei der Metallmantel 7 mindestens ein Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium umfasst. Im vorliegenden speziellen Ausführungsbeispiel ist der Metallmantel bis auf Verunreinigungen nur aus Tantal.
  • Wie der Fig. 1 deutlich zu entnehmen ist, ist der Permanentmagnet 8 formschlüssig mit dem Metallmantel 7 verbunden, wobei zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem Metallmantel 7 eine Ausnehmung 9 in Form einer Fase am Permanentmagneten vorgesehen ist, so dass der Metallmantel 7 ohne Beeinträchtigung des Permanentmagneten 8 durch zu hohe Temperaturen bei der Herstellung des Rotors 1 verschweisst werden konnte. Damit im Betriebszustand ein Vordringen von durch die Verkapselung diffundierten gasartigen Komponenten zum Permanentmagneten 8 hin verhindert wird, bildet der Metallmantel 7 bevorzugt eine gasdichte Ummantelung des Permanentmagneten 8, was in der Praxis oft dadurch sichergestellt wird, dass der Permanentmagnet 8 zunächst innerhalb des Metallmantels 7 platziert wird und danach der Metallmantel 7 gasdicht verschweisst oder verlötet wird.
  • Ebenfalls in Fig. 1 deutlich zu erkennen ist ein thermisches Kompensationsmittel 10, das hier einfach ein geeignet schmaler Spalt zwischen Permanentmagnet 8 und Metallmantel 7 ist und zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Metallmantels 7 und des Permanentmagneten 8 dient.
  • Die Fig. 2 zeigt schliesslich schematisch einen Schnitt einer an sich bekannten Rotationspumpe 2, die mit einem Rotor 1 gemäss der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Die Rotationspumpe 2 umfasst ein Pumpengehäuse 4 mit einem Einlass 11 zum Zuführen eines Fluids 3 in das Pumpengehäuse 4 und einem Auslass 12 zum Abführen des Fluids 3 aus dem Pumpengehäuse 4. Das Fluid 3 ist dabei zum Beispiel eine chemisch aggressive Säure mit einem Anteil eines Gases, zum Beispiel Schwefelsäure mit Ozon. Zur Förderung des Fluids 3 ist im Pumpengehäuse 4 ein erfindungsgemässer magnetischer Rotor 1 innerhalb eines Stators 5 in an sich bekannter Weise berührungslos magnetisch gelagert, wobei der Rotor 1 in ebenfalls bekannter Weise mit einem Antrieb 13, der als wesentliche Elemente elektrische Spulen 131 und den Stator 5, im Speziellen geformt durch geblechtes Eisen umfasst, die mit dem Permanentmagneten 8 des Rotors 1 in magnetischer Wirkverbindung stehen. Der Antrieb ist hier in einem speziellen Ausführungsbeispiel ein sogenannter an sich bekannter lagerloser Motor ist, bei welchem der Stator 5 gleichzeitig als Lager- und Antriebsstator ausgestaltet ist. Beim speziellen Beispiel der Fig. 2 handelt es sich beim Rotor 1 um einen sogenannten Scheibenläufer, wobei bevorzugt eine axiale Höhe des Rotors 1 kleiner oder gleich einem halben Durchmesser des Rotors 1 ist.
  • Es versteht sich dabei, dass die Erfindung nicht auf Scheibenläufer beschränkt ist, sondern im Prinzip für alle Rotortypen beliebiger magnetgelagerter Rotationsmaschinen anwendbar ist.
  • Gemäss der Erfindung ist der Rotor 1 mittels einer äusseren Verkapselung 6 aus einem fluorierten Kohlenwasserstoff gekapselt und innerhalb der Verkapselung 6 ist der vom Metallmantel 7 ummantelte Permanentmagneten 8 vorgesehen. Der Metallmantel 7 umfasst dabei mindestens ein Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt ist eine auf einer inneren Oberfläche 411 einer Gehäusewand 41 des Pumpengehäuses 4 vorgesehene Kunststoffbarriere aus dem fluorierten Kohlenwasserstoff, wobei zwischen der inneren Oberfläche 411 der Gehäusewand 41 und dem Stator 5 eine Metallbarriere in Form eines Topfes 400 vorgesehen ist, der mindestens ein Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium umfasst.
  • Der Permanentmagnet 8 ist wie bei Fig. 1 bereits ausführlich beschrieben formschlüssig und / oder kraftschlüssig mit dem Metallmantel 7 verbunden, wobei zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Metallmantels 7 und des Permanentmagneten 8 ein thermisches Kompensationsmittel 10 in Form eines engen Spalts zwischen Metallmantel 7 und Permanentmagnet 8 vorgesehen ist.
  • Es versteht sich, dass alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung nur beispielhaft bzw. exemplarisch zu verstehen sind und die Erfindung nur durch die nachfolgende Ansprüche abgegrenzt wird.

Claims (15)

  1. Magnetischer Rotor für eine Rotationspumpe (2), wobei der Rotor zum Fördern eines Fluids (3) in einem Pumpengehäuse (4) innerhalb eines Stators (5) der Rotationspumpe (2) magnetisch berührungslos antreibbar und lagerbar ist, und der Rotor mittels einer äusseren Verkapselung (6) umfassend einen fluorierten Kohlenwasserstoff gekapselt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor innerhalb der Verkapselung (6) einen von einem Metallmantel (7) ummantelten Permanentmagneten (8) umfasst, wobei der Metallmantel (7) mindestens ein Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium umfasst.
  2. Magnetischer Rotor nach Anspruch 1, wobei der Metallmantel (7) aus mindestens einem Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium besteht.
  3. Magnetischer Rotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der fluorierte Kohlenwasserstoff der Verkapselung (6) Fluoriertes Ethylenpropylen, Ethyltetrafluorethylen, Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxylalkan, Ethylen Chlorotrifluoroethylen, oder Polyvinylidenfluorid umfasst, oder die Verkapselung (6) bevorzugt aus mindestens einem der Stoffe Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxylalkan, Ethylen Chlorotrifluoroethylen, oder Polyvinylidenfluorid besteht.
  4. Magnetischer Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (8) formschlüssig und / oder kraftschlüssig mit dem Metallmantel (7) verbunden ist.
  5. Magnetischer Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Metallmantel (7) formschlüssig und / oder kraftschlüssig mit der Verkapselung (6) verbunden ist.
  6. Magnetischer Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Permanentmagneten (8) und dem Metallmantel (7) eine Ausnehmung (9) vorgesehen ist, so dass der Metallmantel (7) ohne Beeinträchtigung des Permanentmagneten (8) verschweissbar ist.
  7. Magnetischer Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Metallmantels (7) und / oder des Permanentmagneten (8) ein thermisches Kompensationsmittel (10) vorgesehen ist.
  8. Rotationspumpe, umfassend ein Pumpengehäuse (4) mit einem Einlass (11) zum Zuführen eines Fluids (3) in das Pumpengehäuse (4) und einem Auslass (12) zum Abführen des Fluids (3) aus dem Pumpengehäuse (4), wobei zur Förderung des Fluids (3) im Pumpengehäuse (4) ein magnetischer Rotor (1) innerhalb eines Stators (5) berührungslos magnetisch gelagert ist und der Rotor (1) mit einem Antrieb (13) in Wirkverbindung steht, gekennzeichnet durch einen Rotor gemäß Anspruch 1.
  9. Rotationspumpe nach Anspruch 8, wobei eine innere Oberfläche (411) einer Gehäusewand (41) des Pumpengehäuses (4) mit einer Kunststoffbarriere aus dem fluorierten Kohlenwasserstoff versehen ist, und zwischen der inneren Oberfläche (411) der Gehäusewand (41) und dem Stator (5) bevorzugt eine Metallbarriere vorgesehen ist, die mindestens ein Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium umfasst.
  10. Rotationspumpe nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Metallmantel (7) des Rotors (1) und / oder die Metallbarriere aus mindestens einem Metall der Gruppe der Elemente bestehend aus Tantal, Niob, Zirkon, Titan, Hafnium, Gold, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhodium besteht.
  11. Rotationspumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der fluorierte Kohlenwasserstoff Fluoriertes Ethylenpropylen, Ethyltetrafluorethylen, Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxylalkan, Ethylen Chlorotrifluoroethylen, oder Polyvinylidenfluorid umfasst, oder die Verkapselung (6) und / oder die Kunststoffbarriere an der inneren Oberfläche (411) bevorzugt aus mindestens einem der Stoffe Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxylalkan, Ethylen Chlorotrifluoroethylen, oder Polyvinylidenfluorid besteht.
  12. Rotationspumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Permanentmagnet (8) formschlüssig und / oder kraftschlüssig mit dem Metallmantel (7) verbunden ist und / oder wobei der Metallmantel (7) formschlüssig und / oder kraftschlüssig mit der Verkapselung (6) verbunden ist.
  13. Rotationspumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei zwischen dem Permanentmagneten (8) und dem Metallmantel (7) eine Ausnehmung (9) vorgesehen ist, so dass der Metallmantel (7) ohne Beeinträchtigung des Permanentmagneten (8) verschweissbar ist.
  14. Rotationspumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Metallmantels (7) und / oder des Permanentmagneten (8) ein thermisches Kompensationsmittel (10) vorgesehen ist.
  15. Rotationspumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei der Antrieb ein lagerloser Motor ist, und der Stator (5) bevorzugt als Lager- und Antriebsstator ausgestaltet ist, wobei bevorzugt eine axiale Höhe des Rotors (1) kleiner oder gleich einem halben Durchmesser des Rotors (1) ist.
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