Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohrs bzw. eines Spaltrohrtopfes für eine Nassläu ferpumpe sowie Nassläuferpumpe mit Spaltrohr bzw. Spaltrohrtopf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohres oder Spaltrohrtop fes für eine Nassläuferpumpe, wobei das Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf aus einer me diendichten Innenschicht und einen die Innenschicht umgebenden Faserverbundwerk stoff gebildet ist.
Der Einsatz von kohlestofffaserverstärkten Kunststoffspaltrohren („CFK-Rohre“) bei Nassläuferpumpen ist bekannt. Der Aufbau bekannter CFK-Spaltrohre basiert auf zwei Einzelkomponenten, einem abdichtenden Kunststoffliner und einem Druck und Form stabilisierenden Kohlestofffaserwickelteil, das den Kunststoffliner umgibt. Bei der Ferti gung können beide Teile entweder separat hergestellt und anschliessend ineinanderge- schoben werden oder alternativ kann der bereitgestellte Kunststoffliner direkt durch das kohlestofffaserverstärkte Kunststoffmaterial umwickelt werden.
Ein genereller Nachteil derartiger CFK-Rohre ist der hohe Fertigungspreis. Ferner wird beim Ineinanderschieben der Einzelkomponenten während des Fertigungsverfahrens bekannter CFK-Rohre eine Mindestwandstärke der beiden vorgefertigten Komponenten vorausgesetzt, um den während des Ineinanderschiebens auftretenden axialen Monta gekräften standhalten zu können. Dies führt jedoch zu einer unerwünschten Zunahme der Gesamtwandstärke des resultierenden CFK-Rohres und damit einhergehenden Vergrößerung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator des Pumpenantriebes. Diese
Vergrößerung wirkt sich nachteilig auf den erzielbaren Wirkungsgrad des Antriebs aus. Zuletzt existiert für das genannte Fertigungsverfahren eine zweiteilige Toleranzkette, deren Glieder sehr eng gewählt sein müssen, um das geforderte Schließmaß für die Dichtung zu gewährleisten.
Es ist daher wünschenswert, ein derartiges Spaltrohr bzw. einen Spaltrohrtopf und das entsprechende Herstellungsverfahren zu optimieren, um die oben beschriebenen Nach teile überwinden zu können.
Gelöst wird dies durch ein neuartiges Fertigungsverfahren für Spaltrohre bzw. Spalt rohrtöpfe, die durch eine mediendichte Innenschicht und einen die Innenschicht umge benden Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zunächst ein vorgefertigtes Rohr aus einem Fa serverbundwerkstoff bereitzustellen. Dieses vorgefertigte Rohr wird im Nachgang per Spritzgussverfahren mit einem Kunststoffmaterial hinterspritzt, und zwar im Bereich sei nes Innendurchmessers, um die gewünschte mediendichte Innenbeschichtung auszu bilden.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass bei der Montage bzw. Herstellung der aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigten Spaltrohre bzw. Spaltrohrtöpfe keine axialen Montagekräfte mehr auftreten. Dadurch lässt sich die Wandstärke des vorgefertigten Rohres als auch der aufgetragenen Innenschicht reduzieren. In Summe ergibt sich dadurch eine verringerte Gesamtwandstärke des Spaltrohres bzw. des Spaltrohrtopfes, so dass mittels der erfindungsgemäßen Spaltrohre bzw. Spaltrohrtöpfe nicht nur die Verschleißbeständigkeit erhöht, sondern auch der Wirkungsgrad des Pumpenantriebs optimiert werden kann.
Darüber hinaus ist das vorgeschlagene Herstellungsverfahren kostengünstiger, da der im Stand der Technik erforderliche Montageschritt des Ineinanderschiebens ersatzlos entfällt.
Als Faserverbundwerkstoff kann ein mittels Kohlestofffasern und/oder Glasfasern ver stärkter Verbundwerkstoff verwendet werden. Die Kohlestofffasern und/oder Glasfasern können vorzugsweise in eine Kunststoffmatrix eingebettet sein. Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur allgemein von einem Faserverbundwerkstoff bzw. faserverstärk tem Verbundwerkstoff gesprochen, die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch un abhängig davon, ob ein kohlestofffaserverstärkter oder glasfaserverstärkter Verbund werkstoff eingesetzt wird.
Gemäß vorteilhafter Ausführung des Verfahrens kommt es beim Flinterspritzen des vor gefertigten Rohres zu einer thermischen Erwärmung zumindest der Innenwand des vor gefertigten Rohres, wodurch das verwendete Matrixmaterial des Faserverbundwerkstof fes aufschmilzt. Beim Abkühlen des hinterspritzten Rohres kommt es dadurch zu einem Form- bzw. Stoffschluss zwischen dem faserverstärkten Verbundstoff, insbesondere dem verwendeten Matrixmaterial, und dem per Spritzguss aufgebrachten Kunststoffma terial. Insgesamt wird dadurch ein besonders formstabiles und druckstabiles Spaltrohr bzw. Spaltrohrtopf erzeugt.
Als geeignete Kunststoffmatrix ist ein Thermoplast denkbar, beispielsweise ein Polyphe- nylensulfid (PPS). Idealerweise sind das verwendete Kunststoffmaterial der Matrix des Verbundwerkstoffes und der verwendete Kunststoff für die mediendichte Innenbe schichtung identisch oder weisen zumindest sehr ähnliche Stoffeigenschaften auf. Ins besondere zeichnen sich beide Materialien durch nahezu identische oder zumindest sehr ähnliche Schmelzpunkte aus, sodass beim Aufbringen des Kunststoffmaterials für die Innenschicht und der dazu notwendigen Temperatur innerhalb der Spritzgussma schine auch ein Aufschmelzen des Matrixwerkstoffes sichergestellt ist. Unter sehr ähnli chen Schmelzpunkten sind Schmelzpunkte zu verstehen, die voneinander um nicht mehr als 5% abweichen. Ebenfalls haben sich Materialien bewährt, deren Schmelz punkte um nicht mehr als 10% voneinander abweichen. Weiterhin bevorzugt sind Mate rialien, die aufeinander abgestimmte Verarbeitungsschwindungen aufweisen. Dies bie tet den Vorteil, dass beim Verarbeiten des Kunststoffmaterials für die Innenschicht keine schädlichen Spannungen im hinterspritzen Rohr entstehen. Unter aufeinander ab-
gestimmten Verarbeitungsschwindungen sind Verarbeitungsschwindungen zu verste hen, bei denen die Verarbeitungsschwindung des Matrixmaterials des Verbundwerkstof fes größer oder gleich der Verarbeitungsschwindung des Kunststoffmaterials für die In nenschicht ist.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die mediendichte Innenschicht aus einem Poly- phenylensulfid (PPS) besteht. Idealerweise bestehen sowohl Matrixmaterial als auch In nenschicht aus einem PPS.
Für die Vorfertigung des aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff gefertigten Rohres wird vorgeschlagen, einen bandartigen Faserverbundstoff auf einen zylindrischen Form körper aufzuwickeln. Der bandartige Verbundwerkstoff kann ein- oder mehrlagig auf den Formkörper aufgewickelt werden. Bei einer mehrlagigen Wicklung kann durch wie derkehrende thermische Erwärmung des Matrixmaterials ein formstabiles vorgefertigtes Rohr kostengünstig produziert werden. Insbesondere lassen sich hierdurch unterschied liche Rohrgrößen flexibel vorfertigen und damit auf den gewünschten Pumpen- und An triebstyp anpassen.
Besonders geeignet ist ein lasergestütztes, thermoplastisches Wickeln des Rohres. Hierbei wird ein Tape des Faserverbundwerkstoffes auf den Formkörper (Kern) unter gleichzeitigem Andrücken mittels einer Andrückrolle aufgewickelt. Eine thermische Er wärmung des Verbundwerkstoffes wird per Laserlicht bewirkt, das insbesondere zwi schen Andrückrolle und Formkörper auf den Verbwundwerkstoff auftrifft.
Für den Prozess des Hinterspritzens ist vorgesehen, das vorgefertigte Rohr in eine pas sende Spritzgussmaschine, insbesondere eine Präzisionsspritzgussmaschine einzule gen. Hierfür wird das vorgefertigte Rohr bündig an einer Außenwand der Spritzgussform angelegt, sodass beim Hinterspritzen lediglich der Innenradius mit dem gewünschten Kunststoffmaterial ausgespritzt und der Wickelkörper gegen den auftretenden Spritz druck gestützt wird. Als Spritzgusswerkzeug kommen vorzugsweise zwei trennbare Schieber zum Einsatz, die sich an den Aussenumfang des vorgefertigten Rohres anle-
gen und das Rohr umfänglich umschliessen. Ein Werkzeugkern wird in den Innendurch messer des vorgefertigten Rohres eingebracht, wobei der resultierende Spalt zwischen Werkzeugkern und Innenradius des vorgefertigten Rohres Platz für das Einspritzen des Linermaterials bietet.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Nassläuferpumpe mit einem Spaltrohr oder einem Spaltrohrtopf. Erfindungsgemäß ist ein solches Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf aus einem faserverstärkten, insbeson dere kohlestofffaser- oder glasfaserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt. Der Ver bundwerkstoff ist dabei erfindungsgemäß stoffschlüssig mit einer mediendichten Innen schicht verbunden. Anders als bei herkömmlichen CFK-Rohren für Nassläuferpumpen ist nicht nur ein Formschluss zwischen Kunststoffliner und Verbundwerkstoff vorgese hen, sondern das Rohr zeichnet sich auch durch einen Stoffschluss zwischen den bei den Einzelkomponenten aus. Das resultierende Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf ist nicht nur formstabiler, sondern weist auch eine reduzierte Wandstärke auf.
Insbesondere ist das Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hergestellt, weshalb sich die Nassläuferpumpe durch dieselben Vorteile und Eigenschaften auszeichnet, wie sie bereits vorstehend anhand des erfin dungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurden.
Die Nassläuferpumpe kann eine Kreiselpumpe, bevorzugt eine Inline-Pumpe, beson ders bevorzugt eine Heizungsumwälzpumpe sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden nachfolgend anhand von Fi gurendarstellungen erläutert. Es zeigen:
Figuren 1a, 1 b: eine Quer- und Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Spaltrohr bzw. den Spaltrohrtopf,
Figur 2: einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße, in einer Spritzgussma schine eingespannte Spaltrohr bzw. Spaltrohrtopf
Nachfolgend soll nochmals kurz auf die notwendigen Verfahrensschritte für die Herstel lung des erfindungsgemäßen Spaltrohres bzw. Spaltrohrtopfes eingegangen werden. Das resultierende Spaltrohr bzw. der Spaltrohrtopf ist in den Figuren 1a, 1 b gezeigt. Fi gur 1a zeigt einen Querschnitt durch das Spaltrohr. Verdeutlicht sind in der schemati schen Darstellung die beiden Schichten 1 , 2. Mit dem Bezugszeichen 1 ist das aus ei nem Faserverbundwerkstoff vorgefertigte Rohr bezeichnet, das Bezugszeichen 2 stellt die per Spritzguss eingebrachte Innenschicht 2, d.h. den Kunststoffliner dar.
Für den Herstellungsprozess wird zunächst als Ausgangsmaterial ein vorgefertigtes CFK-Rohr 1 verwendet. Die Matrix des Verbundwerkstoffes des CFK-Rohres 1 basiert auf dem selben oder einem sehr ähnlichen Kunststoffmaterial, das bereits bei der Ferti gung konventioneller Kunststoffliner verwendet wurde. Zum Beispiel kann hier Polyphe- nylensulfid (PPS) verwendet werden. Das vorgefertigte CFK-Rohr 1 hat eine Wand stärke von 0,4 mm oder weniger, vorzugsweise 0,3 mm oder weniger, idealerweise 0,2 mm oder weniger, da es keiner axialen Montagekraft standhalten muss.
Für die Aufbringung des Kunststoffliners 2 wird das CFK-Rohr 1 in ein Spritzgusswerk zeug eingelegt, in dem es an der Außenwand bündig anliegt. Figur 2 zeigt eine schema tische Darstellung des Spaltrohres und des Spritzgusswerkzeuges. Ersichtlich sind hier ein linker Schieber 3 sowie ein rechter Schieber 4, die am Aussenumfang des CFK- Rohres 1 anliegen. Die aus den beiden Schiebern gebildete Werkzeugaussenwand ist mit der gestrichelten Linie 6 gekennzeichnet. Die beiden Schieber 3, 4 sind entlang der Trennebene 5 voneinander trennbar, indem sie in der durch die Pfeile gekennzeichne ten Entformungsrichtung auseinander bewegt werden.
In den Innendurchmesser des CFK-Rohres 1 wird ein Werkzeugkern 7 eingeschoben, dessen Aussendurchmesser gegenüber dem Innendurchmesser des CFK-Rohres redu ziert ist, um Platz für die Einbringung des Kunststoffliners 2 bereitzustellen. Durch das Einspritzen des oben genannten Linermaterials (PPS) wird das eingelegte CFK-Rohr 1 folglich hinterspritzt und das Linermaterial 2 wird auf dem Innenradius des eingelegten Rohres 1 aufgetragen.
Während des Spritzgussprozesses wird das Rohr hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch die Matrix des vorgefertigten Rohres 1 im Randbereich des Innendurchmes sers aufschmilzt und beim Abkühlen einen Formschluss mit dem eingespritzten Material 2 bildet. Das Ergebnis ist ein einteiliges CFK-Spaltrohr 1 , 2 mit stoffschlüssig eingebun denem CFK-Körper 1.
Nach dem Flinterspritzen werden die Schieber 3, 4 in Entformungsrichtung verfahren und der Werkzeugkren 7 orthogonal zur Schnittebene gezogen bzw. das fertige Spalt- rohr 1 ,2 vom Werkzeugkern 7 abgeschoben.