DE4342649C1 - Magnetkreiselpumpe für aggressive Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetkreiselpumpe für ag­ gressive Medien mit einem Spalttopf zwischen einem mit Permanentmagneten bestückten Außenrotor, der mit einem Antriebsmotor verbunden ist, und einem mit Permanentmag­ neten bestückten Innenrotor, der mit einem Laufrad ver­ bunden ist, wobei der Spalttopf aus einem Faserverbund­ stoff gefertigt ist.

Eine derartige Magnetkreiselpumpe ist beispielsweise aus der DE-PS 36 36 404 C2 bekannt. Der Spalttopf trennt da­ bei das aggressive Medium, das den Innenrotor mit um­ gibt, von dem Rest der Pumpe, insbesondere dem Außenro­ tor. Er kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Beispielsweise sind Kunststoff-, Metall- und Keramik­ spalttöpfe bekannt.

Der in dieser Druckschrift beschriebene Spalttopf zeigt eine Schicht aus kohlfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC), die ihm die nötige Steifigkeit verleihen soll. Sie ist jedoch nicht als chemisch resistente Schutzschicht ge­ dacht.

Weiter sind aus den Druckschriften EP-A2 157212 und US-PS4 859 493 Verfahren zur Beschichtung mit armorphem Kohlenstoff unter Ionenbeschuß bekannt. Zwar ist bereits eine Beschichtung auch von Kunststoffen erwähnt, jedoch wird nicht auf die Beschichtung eines Spalttopfes einer Magnetkreiselpumpe eingegangen.

Abschließend sind die japanischen Patentzusammenfassun­ gen JP3-130 383 und JP 2-700 59 zu nennen, in denen wei­ tere Einzelheiten zu Verfahren zur Beschichtung mit Kohlenstoffilmen enthalten sind, die zwischen einer An­ ode und einer Katode in einen Beschichtungsraum einge­ bracht werden.

Für die Spalttöpfe von Magnetkreiselpumpen ergeben sich jedoch ganz besondere Anforderungen:

Vollkunststofftöpfe können zwar gegenüber den aggressi­ ven Medien unempfindlich gewählt werden, weisen dann je­ doch materialbedingt eine zu hohe Elastizität auf, so daß sie den auftretenden Saugdrücken nicht standhalten können und sich verformen. Dies ist selbstverständlich unerwünscht, da dann der den Rotoren verbleibende Frei­ raum nicht mehr gewährleistet ist.

Metallspalttöpfe sind gegenüber den aggressiven Medien nicht unempfindlich genug. Sie müssen daher beschichtet werden. Dabei ist insbesondere problematisch, daß Kera­ mikbeschichtungen oder Emaillebeschichtungen für eine gute Haftung der Beschichtung auf dem Metallspalttopf ein Erhitzen des Spalttopfes voraussetzen, was jedoch die Materialeigenschaften des Metalls erheblich beein­ flußt, da diese Erhitzung bis zu einem Bereich von typi­ scherweise 500°C führt, also einer Temperatur, bei der das Metall "angelassen" wird.

Weiter ist auch die Verwendung von Keramikspalttöpfen erprobt worden. Diese Töpfe sind jedoch nur sehr aufwen­ dig auf die genauen Abmessungen dimensionierbar, müssen dicker sein und benötigen oft zusätzlich eine Gleitbe­ schichtung, da sonst die Gleitreibung zwischen Keramik und den anderen in der Magnetkreiselpumpe auftretenden Substanzen sehr hoch ist.

Meist behilft man sich daher mit zwei Spalttöpfen aus unterschiedlichen Materialien, die ineinander gesteckt werden, beispielsweise einem Außentopf aus Metall und einem Innentopf aus PTFE oder, wie in der oben erwähnten Druckschrift DE-PS 36 36 404 erwähnt, aus einem Außen­ topf aus GFK mit einem zusätzlichen Innentopf aus PTFE. Mit einer derartigen Ausgestaltung können aggressive Me­ dien wirksam daran gehindert werden, mit dem Spalttopf zu reagieren, und gleichzeitig eine hohe Festigkeit ge­ gen den Saugdruck erzielt werden.

Nachteilig an einer derartigen Ausgestaltung ist jedoch, daß die Dicke eines Spalttopfes und damit die magneti­ sche Strecke zwischen Innenrotor und Außenrotor erheb­ lich ist, daß PTFE nur schlecht die Wärme leitet, so daß sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungsko­ effizienten zwischen beiden Materialien Probleme erge­ ben. Durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungs­ koeffizienten kann bei bestimmten Temperaturverhältnis­ sen ein mangelnder Kontakt zwischen beiden Töpfen auf­ treten, der die größeren Fertigungstoleranzen, die durch die Verwendung zweier Töpfe entstehen, unangemessen er­ höht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ma­ gnetkreiselpumpe mit einem dünnen Spalttopf zu versehen, der chemisch auch durch aggressive Medien nicht angreif­ bar ist, der die Gleitreibung zwischen Topf und den an­ deren in der Magnetkreiselpumpe auftretenden Substanzen möglichst weit herabsetzt, dabei mit möglichst geringem technischen Aufwand mit hoher Fertigungsgenauigkeit pro­ duziert werden kann, der die Wärme der oft heißen Medien gut leitet und bei dem es bei Wärmeeinwirkung keine Aus­ dehnungsprobleme gibt.

Erfindungsgemäß wird dies durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale erreicht.

Vorteil einer amorphen Kohlenstoffschicht auf einem koh­ lenfaserverstärkten Kunststoffspalttopf ist die geringe Dicke des Topfes, die bisher mit anderen Beschichtungen nicht realisierbar war, da diese nicht auf dem Kunst­ stoff hafteten. Der Kunststoff muß erfindungsgemäß nicht, wie bisher nötig, auf Temperaturen von ca. 500° erhitzt werden um eine Beschichtung aufzubringen, was bei dem genannten Kunststoffmaterial eben nicht möglich ist, sondern man kann nach dem vorgeschlagenen Verfahren praktisch ohne größere Erhitzung - im Moment ist eine Erwärmung im Bereich von ungefähr 120°C, teilweise 60°C möglich - amorphen Kohlenstoff aufbringen.

Vorteilhaft ist weiter, daß der amorphe Kohlenstoff wär­ meleitend ist, so daß kein wärmeleitendes Substrat aus z. B. Metall nötig ist. Es kann ein CFK-Spalttopf für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet werden, auch für die, wo Wärme zu- oder abgeführt werden muß. Durch die extreme Verschleißfestigkeit des amorphen Kohlen­ stoffs kann weiter eine wesentlich dünnere Schicht als bei anderen denkbaren Beschichtungen aufgebracht werden, dünner insbesondere, als es die bisherigen PTFE-Töpfe waren.

Die dünne Schicht erlaubt, die vorhandene Geometrie ei­ nes hochgenau herstellbaren CFK-Topfes beizubehalten. Da auch kein nennenswerter Verschleiß auftritt, brauchen auch während des Betriebs keine entstehenden Verschleiß­ toleranzen befürchtet werden, die ansonsten schon bei der Konstruktion ihren Niederschlag finden müßte. Auch wird sich durch die gute Wärmeleitfähigkeit keine tempe­ raturbedingte Geometrieänderung einstellen.

Vorteilhaft ist nicht zuletzt das spannungsfreie Auf­ bringung der Beschichtung auf den Kunststoff, sowie de­ ren große Elastizität aufgrund der keine, insbesondere keine thermisch bedingten Spannungen zwischen den beiden Materialien auftreten.

Abschließend ist vorteilhaft, daß durch die durchsichti­ ge Beschichtung weiter eine optische Kontrolle des CFK- Spalttopfes möglich ist.

Die in einer vorgeschlagenen Ausführung weiter vorteil­ hafte Beimengung eines Wasserstoffanteils in die Be­ schichtung trägt zur Amorphizität der Beschichtung bei. Ansonsten würde sich beim Beschichtungsvorgang, eventu­ ell auch erst durch die dauerhafte mechanische oder thermische Belastung, eine der bereits bekannten kri­ stallinen Formen des Kohlenstoffs in der Beschichtung ausbilden können. Dies ist unerwünscht. Es ist an einer dauerhaften Beibehaltung der amorphen Eigenschaften der Kohlenstoffbeschichtung gelegen.

Eine Dicke von mehr als 10 µm für die Beschichtung ist vorteilhaft, da so bei vorteilhafter dünner Beschichtung zur Erlangung kurzer magnetische Strecken, die beste Übermittlung von auftretenden Druckbelastungen durch die elastische amorphe Schicht hindurch auf den CFK- Spalttopf erfolgt. Zur Erlangung genügender Wärmeleitung in der Ebene der Beschichtung genügt erstaunlicherweise schon eine so dünne Schicht.

Vorteilhaft bei dieser Schichtdicke ist weiter die Un­ terstützung der Beschichtung in sich selbst zur Vermei­ dung eines Eisscholleneffektes, in der eine harte Be­ schichtung bricht, da sie nicht genügend durch das Trä­ germaterial unterstützt wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels, insbesondere des Verfahrens zum Herstel­ len der erfindungsgemäßen Beschichtung, ersichtlich. Da­ bei zeigt die begleitende Zeichnung:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine Magnet­ kreiselpumpe, in der der Spalttopf erkennbar ist, und

Fig. 2 die Darstellung eines Spalttopfes aus einem CFK-Außen- und einem PTFE-Innentopf und

Fig. 3 den erfindungsgemäßen CFK-Spalttopf mit einer Innenbeschichtung, der verglichen mit dem der Fig. 2 insgesamt wesentlich dünner hergestellt werden kann.

In der Fig. 1 ist eine Magnetkreiselpumpe mit einem Laufrad 10, einem Spalttopf 11, einer Welle 14, einem an der Welle befestigten Magnetinnenrotor 12 mit aufgesetz­ ten Permanentmagneten 22 sowie den außerhalb des Spalt­ topfes 11 angeordneten Magneten 24 des Außenrotors zu erkennen.

Die Vorsehung eines beschichteten Spalttopfes 11 wie er in der Fig. 3 dargestellt ist, anstelle eines separaten Kunststoff-Spalttopfes (z. B. wie in Fig. 2) zur Be­ deckung eines gegenüber den aggressiven Medien empfind­ lichen weiteren Topfes hat insbesondere den Vorteil, daß die magnetische Strecke zwischen einem Außenrotor und einem Innenrotor bei der Magnetkreiselpumpe verringert werden kann. Damit können die magnetischen Kräfte besser übertragen werden, und die Verluste werden verkleinert. Die vorgeschlagene nichtmetallische Ausführung hat ge­ genüber einem metallischen Spalttopf den weiteren Vor­ teil, daß keine Wirbelströme in dem Spalttopf entstehen, die den Spalttopf unerwünscht erhitzen und zu Energie­ verlusten führen.

Gegenüber herkömmlichen Kunststofftöpfen kann der erfin­ dungsgemäß beschichtete Kunststofftopf mit wesentlich dünneren Wandstärken hergestellt werden, einmal aufgrund der Beimengung von Kohlenstoffasern, die die Stabilität erhöhen, und zum anderen dadurch, daß die sehr harte Be­ schichtung außerordentlich fest mit dem Spalttopf ver­ bunden ist.

Damit ergibt sich ein deutlich besserer Unterstützungs­ effekt der Beschichtung als durch einen separaten, zudem noch aus weicherem Kunststoff gefertigten Innentopf aus PTFE (Teflon).

Dennoch ist die Elastizität der Beschichtung auf kurzen Strecken im Vergleich zu deren Verschleißfestigkeit er­ staunlich. Es kann eine Schicht in der Größenordnung ei­ ner Dicke von nur 2 µm gefertigt werden, die nicht durch die üblicherweise vorhandenen Bedingungen beschädigt werden kann. Durch diese dünne Schicht ist zudem eine hohe Wärmeleitung an den dahinterliegenden Spalttopf aus Kunststoff möglich. Damit ist gewährleistet, daß beide Materialien jeweils die gleiche Temperatur besitzen.

Eine Korrosion des amorphen Kohlenstoffes, wie sie bei herkömmlichen Materialien üblich ist, findet nicht statt. Sie kann nicht einmal in µm pro Betriebsjahr an­ gegeben werden. Die sich daraus ergebende wesentlich verlängerte Lebensdauer bzw. dünnere Schichtdicke er­ laubt synergistisch genauere Einhaltung der geometri­ schen Bedingungen und wiederum verringerten Verschleiß.

Weiter haftet die Beschichtung im Vergleich zu Emaille oder ähnlichen bisher bekannten Beschichtungen bereits bei sehr niedrigen Temperaturen. Diese Haftung ist der­ art gut, daß sie praktisch nicht gemessen werden kann.

Gelingt es einmal mit Hilfe eines Diamanten, Teile der Schicht abzulösen, haftet diesen Schichtteilen meist substratmaterial an.

Wichtig ist jedoch, die Beschichtung auf eine saubere Oberfläche aufzubringen. Die Oberflächenbearbeitung vor der Beschichtung sollte daher besonders sorgfältig er­ folgen.

Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Spalttopfes besteht darin, daß der einseitig offene Spalttopf 11 in eine hermetisch abschließbare Kammer eingebracht wird, wobei der Spalttopf mit seiner offenen Seite nach oben auf einen leitenden, gegenüber der Kam­ mer isolierten Probenteller aufgesetzt wird, die Kammer mit einem Vakuumpumpstand evakuiert wird, dann ein koh­ lenwasserstoffhaltiges Gasgemisch (z. B. Butan) eingelei­ tet wird, bei gleichzeitiger weiterer Entleerung der Kammer, wobei zunächst ein Druck von ca. 10^-5 mbar durch das Evakuieren erreicht wird, und sodann durch vermehrte Einleitung des Gases ein Druck von ca. 10^-3 - 1 mbar ge­ halten wird. Dann wird durch Beaufschlagen des leitenden Probentellers mit einem starken Hochfrequenzsignal im Bereich von ca. 2-30 MHz ein Kohlenstoff-Wasserstoff- Plasma in einer dünnen Schicht um den Spalttopf erzeugt.

Aus dieser Plasmaschicht heraus lagert sich dann der amorphe Kohlenstoff ab. Die Schichtdicke des erzeugten Plasmas ist dabei stark druckabhängig. So wird sie bei einem Kammerdruck von 10^-2 mbar ungefähr 10 mm dick sein und nur 1/100 mm bei 10 mbar betragen. Je dünner die Schicht ist, umso feinere Konturen können geometrisch richtig beschichtet werden, während gleichzeitig die Bindungsfestigkeit aufgrund von Temperatur und Gasdruck zunimmt.

Die Temperatur der Kammer wird über den gesamten Be­ schichtungsvorgang mit ca. 100-120°C beibehalten.

Gegenüber den bisher bekannten Beschichtungen von (meist) Metalloberflächen, wie z. B. Beschichtungen mit Titannitrid, weist die erfindungsgemäße Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff nicht nur eine hohe Widerstandsfä­ higkeit gegenüber Verschleißreibung auf, sie hat auch eine sehr niedrige Gleitreibung.

Bisher bekannte Beschichtungen, wie z. B. aus Titanni­ trid, die gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß schützen, tun dies durch mikroharte, d. h. gegen plasti­ sche Verformung widerstandsfähige bzw. im zweiten Fall gegen hohe Temperaturen widerstandsfähige Oberflächen. Ein Reiben von mikroskopisch kleinen Unebenheiten gegen­ einander erfolgt dennoch, wobei sich das weichere der beiden reibenden Materialeien, meist Stahl, auf den Be­ schichtungen absetzt. Es ergibt sich dann eine Stahl- Stahl Reibung, die zwar die geschützte Oberfläche nicht beeinträchtigt, aber dennoch Wärme entwickelt.

Demgegenüber ermöglicht eine Beschichtung mit modifi­ ziertem Kohlenstoff auch bei dauernd wiederkehrenden Wandpartnern verringerten Verschleiß. Bei amorphem Koh­ lenstoff werden sich statt einer Stahlanlagerung eher Kohlenstoffatome - obwohl diese sehr fest in ihrer Flä­ che angebunden sind - an den Stahl anlagern und eine Kohlenstoff-gegen-Kohlenstoff-Reibung verursachen, die wesentlich geringere Reibungskoeffizienten besitzt.

Eine derartige Kohlenstoff-gegen-Kohlenstoff-Reibung er­ gibt niedrigere Temperaturbelastung und ermöglicht daher wiederum dünnere Beschichtungen.

Claims (5)

1. Magnetkreiselpumpe für aggressive Medien mit
einem Spalttopf (11), zwischen einem mit Permanentmagneten (24) bestückten Außenrotor, der mit einem Antriebsmotor verbunden ist, und
einem mit Permanentmagneten (22) bestückten Innen­ rotor, der mit einem Laufrad (10) verbunden ist,
wobei der Spalttopf (11) aus einem Faserverbund­ werkstoff gefertigt ist,
gekennzeichnet durch eine auf den Faserverbundwerkstoff durch Ionenbeschuß aufgebrachte Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff.

2. Magnetkreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spalttopf aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht.

3. Magnetkreiselpumpe nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnete daß die Kohlenstoff­ schicht einen Wasserstoff-Anteil von ca. 20-30 Atom­ prozent aufweist.

4. Magnetkreiselpumpe nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte amorphe Schicht eine Dicke von mehr als 10 µm aufweist.

5. Verfahren zum Beschichten des Spalttopfs einer Ma­ gnetkreiselpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte

• - Einbringen des einseitig offenen Spalttopfes (11) in eine hermetisch abschließbare Kammer, wobei der Spalttopf mit seiner offenen Seite nach oben auf einen leitenden, gegenüber der Kammer isolierten Probenteller aufgesetzt wird,
• - Evakuieren der Kammer mit einem Vakuumpumpstand,
• - Einleiten eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemi­ sches bei gleichzeitiger weiterer Entleerung der Kammer, wobei zunächst ein Druck von ca. 10^-5 mbar durch das Evakuieren erreicht wird, und sodann durch vermehrte Einleitung des Gases ein Druck von ca. 10^-3 - 1 mbar beibehalten wird,
• - Beaufschlagen des leitenden Tellers, auf dem sich der Spalttopf (11) befindet, mit einem starken Hochfrequenzsignal, wobei die Hochfrequenz im Be­ reich von ca. 2-30 MHz gesteuert wird, und
• - Kontrollieren der Temperatur der Kammer über den gesamten Beschichtungsvorgang zu einer konstanten Temperatur von ca. 100-120°C.