DE3903067C3

DE3903067C3 - Verfahren zur Herstellung eines Rotors für Rotationskolbenmaschinen, sowie nach dem Verfahren hergestellter Rotor

Info

Publication number: DE3903067C3
Application number: DE19893903067
Authority: DE
Inventors: Guenter Kirsten
Original assignee: Individual
Current assignee: KIRSTEN, GUENTER, 08451 CRIMMITSCHAU, DE
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2009-02-03
Also published as: DE3903067A1; DE3903067C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrflügeligen Rotors für Rotationskolbenma schinen, sowie einen nach dem Verfahren hergestellten Rotor.

Rotationskolbenmaschinen zum Verdichten von Ga sen und zum Pumpen von Fluiden haben im wesentli chen zwei Rotoren mit sich im Verzahnungseingriff ab wälzenden Profilen, wobei diese Profile entweder mit gerader Verzahnung, beispielsweise Gebläse, oder als Profile mit verschraubter Verzahnung, beispielsweise als Schraubenverdichter, vorliegen.

Alle diese Profile erfordern für ihre Herstellung tech nisch relativ aufwendige Verfahren und somit hohe In vestitionen an Maschinen und Werkzeugen, um die er forderliche Präzision bei ihrer Herstellung zu gewähr leisten.

Es ist bekannt, Schraubenverdichterrotoren im Spritzgußverfahren herzustellen. Beim Spritzgießen der Rotorkörper wird das Polymermaterial unter hohem Druck in die Spritzgußform eingeführt. Aufgrund der chemischen Reaktion und des nachfolgenden Abküh lens entsteht ein Materialschwund, bei dem das Material des Rotorkörpers seine Form in komplexer und undefi nierter Weise ändert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Materialstärke im Rotorkörper wegen der Flügel form örtlich sehr unterschiedlich ist und daß an dick wandigen Stellen der Materialschwund viel größer ist als an dünnwandigen Stellen. Von Rotoren für Rota tionskolbenmaschinen wird eine extrem hohe Maßhal tigkeit gefordert, weil die zusammenwirkenden komple mentär geformten Rotoren den Dichtspalt bilden. Es hat sich herausgestellt, daß in der üblichen Spritzgußtechnik keine den gestellten Anforderungen entsprechende Maßhaltigkeit der Rotorkörper erreichbar ist.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Exenterschnecke ist bekannt aus DE-OS 27 07 901. Mit diesem Verfahren können Schneckenkörper aus Gießharz hergestellt wer den, die auf einem Kern aus weniger hochwertigem Ma terial eine Außenschicht aus hochwertigem Werkstoff aufweisen. Zunächst wird eine ungeteilte Gießform her gestellt, indem eine maßgenaue mit einem Trennmittel benetzte Musterexzenterschnecke mit einem beim Aus härten nicht oder nur gering schwindenden Gießkunst harz umgossen wird. Dann wird die Musterexzenter schnecke aus dem ausgehärteten Gießharz herausge dreht und die so gewonnene Gießharzform wird nach Benetzen mit einem Trennmittel mit flüssigem Gießharz ausgegossen, um einen maßgenauen Abguß der Muster exzenterschnecke herzustellen. Das Gießharz enthält Füllstoffe. In Werkstücken, die nach diesem Verfahren hergestellt sind, sind die mineralischen Füllstoffe gleich mäßig verteilt. Insbesondere sind die Füllstoffe auch an der Oberfläche des Werkstücks vorhanden. Bei der Her stellung eines Rotors für eine Rotationskolbenmaschine muß die Rotorfläche eine extrem hohe Oberflächengüte haben, die durch die Füllstoffe beeinträchtigt würde.

Aus der DE-OS 23 12 016 ist eine Verfahren bekannt, bei dem hochreaktiv exotherm vernetzende Gießharz massen in beheizte Formen ausgegossen werden, um sich unter Wärmeeinwirkung zu verfestigen. Der ausge gossenen Gießharzmasse wird an mindestens einem Punkte der Gießform kurzzeitig Wärme mit einer we sentlich höheren Temperatur als der mittleren Tempe ratur der beheizten Fort zugeführt, um eine Initialzün dung für die Härtung zu erreichen, so daß die Härtung an einer definierten Stelle beginnt und sich anschließend gesteuert fortsetzt.

Bei den bekannten Verfahren werden Gießharze ver wendet. Diese Gießharze reagieren stark exotherm, was zu einem starken Verzug führt. Außerdem neigen aus gehärtete Gießharze zur Wasseraufnahme und weisen innere Spannungen auf.

Für die genannten Verfahren geeignete Gieß-Kunstharze sind in dem Kunst stoff-Handbuch, (Oertel, G. (Heraus geber), Band 7/Polyurethane, 2. Auf lage, Karl-Hanser-Verlag München, Wien 1983 beschrieben, in dem die Verwendung von Polyurethan zum Gießen von formgenauen Maschinenbauteilen vorgeschlagen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur Herstellung eines mehrflügeligen Rotors für Rotationskolbenmaschinen zu schaffen, mit dem eine hochwertige Außenfläche des Rotors erzeugt werden kann, wobei der Rotorkörper maßgenau und in einer wasserhaltigen Atmosphäre einsetzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem Verfahren wird die Negativform aus Poly urethan, das kristalline Füllstoffe enthält, hergestellt, wobei der Meisterrotor als Formkern benutzt wird. Das Kunststoffmaterial wird mit einer Kanüle oder einem Gießschnorchel in die Form eingeführt, in der der Mei sterrotor aufrechtstehend angeordnet ist. Das mit anor ganischen Füllstoffen versetzte Kunststoffmaterial füllt die Form von unten nach oben aus, während die Kanüle mit zunehmendem Flüssigkeitspegel hochgezogen wird. Dabei erfolgt die Reaktion des Kunststoffs in der Form von unten nach oben. Durch ständige dünnflüssige Ma terialzuführung werden etwaige Schwundspalte sofort wieder mit dem dünnflüssigen Material aufgefüllt. Der hohe Füllstoffanteil aus anorganischem Material setzt sowohl den durch die chemische Reaktion als auch durch Abkühlung bedingten Materialschwund herab. Der Gesamtschwund ist niedriger als 0,1%. Eine Schwindung erfolgt nur in einer Richtung, nämlich in der vertikalen Längsrichtung der Gießform. Das Mate rial wird ohne Druck zugeführt, so daß keine inneren Materialspannungen im Gießkörper auftreten.

Auf die gleiche Weise wie die Negativform herge stellt wird, wird anschließend mit Hilfe dieser Negativ form der Rotorkörper um die Rotorwelle herumgegos sen. Rotorkörper und Negativform werden aus demsel ben Polyurethan hergestellt, wobei allenfalls der Füll stoffanteil bei dem Polyurethan der Negativform größer ist. Während der Füllstoffanteil im Rotorkörper 50 bis 60 Vol.-% beträgt, beträgt er in der Negativform 70 bis 80 Vol.-%.

Damit sich das Material des Rotorkörpers nicht mit demjenigen der Negativform verbindet, ist die Negativ form mit einem niedrigviskosen Trennmittel besprüht. Beim Auffüllen der Negativform schwimmt das Trenn mittel, das eine geringere Dichte als der Kunststoff hat, auf dem Kunststoff auf. Beim Gießvorgang bewirken Trennmittel und Temperatur, daß der im Gießmaterial enthaltene Kunststoff sich bevorzugt an die mit dem Trennmittel beschichtete Formwand anlegt, während der keramische Füllstoff im Innern des herzustellenden Formkörpers verbleibt. Dies führt dazu, daß die Außen fläche des Rotorkörpers von einer dünnen Kunststoff schicht gebildet wird, die praktisch keinen Füllstoff ent hält und eine extrem große Härte hat, während das Innere des Rotorkörpers unterhalb dieser glatten Au ßenschicht eine keramische Struktur hat.

Bei diesen Polyurethanen handelt es sich üblicherwei se um die Umsetzungsprodukte eines beliebigen organi schen Diisocyanats mit einem Polyol. Geeignete Diiso cyanaten sind beispielsweise (cyclo-)aliphatische oder aromatische Diisocyanate. Bevorzugte Diisocyanatver bindungen sind aromatische Diisocyanatverbindungen, beispielsweise das 4,4'-Diphenylendiisocyanat.

Beispiele für geeignete Polyole sind Polyetherdiole wie Poly(oxytetramethylen)glykole, Poly(oxyethy len)glykole und Poly(oxypropylen)glykole. Weitere ge eignete Diole sind Alkylenglykole wie Ethylenglykol, Butylenglykol, Neopentylglykol und andere Glykole wie Dimethylcyclohexan. Die so erhaltenen Polyurethane werden durch Zugabe von 30 bis 90%, vorzugsweise 50 bis 80% eines anorganischen Füllstoffes mit geringer Wärmeausdehnung von 0,5 × 10^-61/°K modifiziert. Dies ist vorzugsweise oberflächenbehandelte Silicium dioxid. Diese aus reinem Polyurethan hergestellten Ro toren können bis zu einer Dauerbetriebstemperatur von 150°C angewendet werden.

Anstelle von reinen Polyurethanen kann man auch modifizierte Polyurethane als Werkstoffe einsetzten, welche ebenfalls mit Füllstoffen gestreckt werden.

Bei diesen modifizierten Polyurethanen handelt es sich um die Umsetzungsprodukte von Carbodiimid, wel ches durch Trimerisation von cyclischen Isocyanuraten bei hoher Temperatur gewonnen wird, mit Epoxiden. Weiterhin können derartige modifizierte Polyurethane auch durch Umsetzung eines Carbodiimids mit einem vinylaromatischen Monomeren, vorzugsweise Styrol, umgesetzt werden.

Auch diese modifizierten Polyurethane enthalten 30 bis 90%, vorzugsweise 50 bis 80%, eines anorganischen Füllstoffes mit einer Wärmeausdehnung von 0,5 × 10^-6 1/°K, vorzugsweise oberflächenbehandeltes Silici umdioxid. Die so hergestellten Rotoren können bis zu einer Dauerbetriebstemperatur von 250°C angewendet werden.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Gießform zur Herstellung der Negativform mittels eines eingesetzten Meisterrotors,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Negativform mit eingesetzter Rotorwelle zum Umspritzen des Rotorkör pers um die Rotorwelle,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer ande ren Ausführungsform des Rotors,

Fig. 4 das Zusammenwirken zweier Rotoren mit komplementär geformten Flügeln in einem Schraubver dichter, wobei der männliche Rotor eine äußere Be schichtung zur Verbesserung der Gleiteigenschaften aufweist und

Fig. 5 die zusammenwirkenden Rotore einer Dreh kolbenmaschine, wobei die Rotorkörper textile Verstär kungseinlagen enthalten.

In Fig. 1 ist die Herstellung der Negativform mit Hilfe eines Meisterrotors 10 dargestellt. Dieser Meisterrotor 10 besteht beispielsweise aus Metall und er weist ent sprechend der Form der herzustellenden Rotorkörper verlaufende Flügel 11 auf, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel schraubenförmig verlaufen. Ein zy lindrischer Wellenstumpf 12 des Meisterrotors 10 ist in die zylindrische Aufnahme 13 der Gießform 14 einge setzt und zum anderen Ende erstreckt sich ein konischer Wellenstumpf 15, der zusammen mit den Flügeln 11 im Formhohlraum 16 angeordnet ist und mit Polyurethan, das nachfolgend auch als polymerer Werkstoff bezeich net wird, umgossen wird. Der Formhohlraum 16 ist am unteren Ende und an den Seiten geschlossen und nach oben hin offen. Von oben her ragt in den Formhohlraum 16 ein Rohr 17 hinein, durch das der das Füllmaterial enthaltene polymere Werkstoff in flüssiger Form zuge führt wird. Am Beginn des Gießvorganges befindet sich das untere Ende des Rohres 17 dicht über dem Boden des Formhohlraumes 16. Der polymere Werkstoff 18 füllt den Formhohlraum 16 mit langsam ansteigendem Pegel aus, während das Rohr 17 derart nachgezogen wird, daß seine untere Öffnung stets dicht unterhalb des Pegels des Polymermaterials 18 verbleibt. Die Gießform 14 ist auf eine Temperatur von 100° bis 130°C beheizt. Beim Einfüllen des Polymermaterials in die Gießform erfolgt eine schlagartige Erwärmung. Infolge der ständi gen und langsamen Zufuhr von dünnflüssigem Material durch das Rohr 17 erfolgt die Reaktion des Kunststoffes in der Gießform 14 von unten nach oben. Der Spalt, der zwischen dem Material und dem Meisterrotor 10 auftre ten kann, wird sogleich durch von oben nachfließendes neues Material aufgefüllt.

Nachdem anhand des in Fig. 1 dargestellten Verfah rens im Formhohlraum 16 eine Negativform 20 herge stellt worden ist, wird diese Negativform, nachdem sie aus der Gießform 14 entnommen worden ist, mit ihrer Oberseite nach unten gestellt, um in der in Fig. 2 gezeig ten Weise als Gießform für den Rotor benutz zu wer den. Die Negativform 20 hat einen nach unten weisen den konischen Kanal 21, der durch den Wellenstumpf 15 des Meisterrotors entstanden ist, und einen schrauben förmigen Formhohlraum 22, der durch den Flügelteil des Meisterrotors entstanden ist. Nachdem die Negativ form 20 aus der Gießform 14 herausgenommen worden ist, wird sie über mehrere Stunden in der Wärme getem pert, wodurch ein vollständiges Aushärten des Polymer materials erfolgt.

Die glatte Innenwand des Formhohlraums 22 wird mit einem flüssigen Trennmittel besprüht und in die Negativform 20 wird die Rotorwelle 23 aufrecht einge schoben. Die Rotorwelle 23 weist am unteren Ende ei nen konischen Wellenstumpf 24 auf, der genau in den konischen Kanal 21 der Negativform 20 hineinpaßt. Die Länge des Wellenstumpfs 24 entspricht etwa der halben Länge der Negativform 20. Die Rotorwelle 23 braucht lediglich in den Kanal 21 eingestellt zu werden, um von diesem in der Negativform zentriert zu werden. Einer oberen Befestigung oder Halterung der Rotorwelle 23 bedarf es nicht. Der Formhohlraum 22 ist, wenn die Rotorwelle 23 in die Negativform eingestellt worden ist, nach oben hin offen. An dem oberen Ende der Negativ form 20 wird ein Ringansatz 20a befestigt, der eine Randeinfassung bildet, damit der Flüssigkeitsstand im Formhohlraum 22 über das obere Ende der Negativ form 20 hinaus ansteigen kann.

Grundsätzlich ist es möglich, das den Füllstoff enthal tende Polyurethan, das nachfolgend auch als Polymer material bezeichnet wird, von oben her in den Form hohlraum 22 einzufüllen, weil der Formhohlraum nach oben hin offen ist.

Während des Ausgießens des Formhohlraumes 22 schwimmt das Trennmittel auf dem Polymermaterial auf. Das Trennmittel hat in Verbindung mit der Tempe ratur der beheizten Negativform überraschenderweise die Wirkung, daß in dem herzustellenden Rotorkörper der Kunststoff vorwiegend an die Formwand bewegt wird, so daß an der Außenseite des Rotorkörpers der Kunststoffanteil hoch und der keramische Füllstoffan teil niedrig ist. Dadurch ergibt sich eine extrem glatte Außenfläche des Rotorkörpers.

Fig. 3 zeigt den Rotor mit dem auf der Rotorwelle 23 sitzenden Rotorkörper 28 nach dem Herausnehmen aus der Negativform. Bei dem vorliegenden Ausführungs beispiel sind an der Rotorwelle 23 umlaufende Nuten 23' ausgebildet, um eine mechanische Verhakung des Rotorkörpers mit der Rotorwelle zu erreichen.

Im Anschluß an die beschriebene Herstellung des Ro tors 23 wird der kegelförmige Wellenstumpf 24 spanab hebend bearbeitet, um der Rotorwelle die endgültige Form zu geben.

Fig. 4 zeigt das Zusammengreifen zweier unter schiedlicher Rotorkörper 28 und 28a, beispielsweise in einem Schraubenverdichter. Der weibliche Rotorkör per 28 hat schraubenförmig verlaufende abstehende Flügel 29, zwischen denen schraubenförmige Nuten 30 gebildet sind und der männliche Rotor 28a weist dicke Flügel 31 auf, die jeweils in die Nuten 30 des weiblichen Rotors eintauchen. Die beiden Rotorwellen sind mit 23 und 23a bezeichnet.

Damit der Schraubenverdichter absolut ölfrei und trocken betrieben werden kann, ist einer der beiden Rotorkörper, bei dem vorliegenden Ausführungsbei spiel der männliche Rotorkörper 28a, an seiner Außen seite mit einer Beschichtung 33 versehen. Es handelt sich um eine Nickel-PTFE-Beschichtung, die die Material härte steigert und außerdem eine hohe Schmierfähig keit hat. Das PTFE-Polymer ist in Form von Mikroteil chen in eine Nickel-Phosphor-Grundsubstanz eingela gert. Die Beschichtung 33 ist als selbstkatalytische Nic kel-PTFE-Verbindung aufgebracht. Das in Fig. 4 darge stellte und auf die oben beschriebene Weise hergestellte Rotorpaar eignet sich für den absoluten Trockenlauf (ohne Öl- oder sonstige Schmierung) ohne Synchroni sierungsgetriebe, so daß nur einer der beiden Rotore angetrieben ist und durch das Ineinandergreifen den anderen Rotor mitnimmt. Mit einem derartigen Schrau benverdichter können bei Wassereinspritzung Verdich tungsverhältnisse bis zu 1 : 20 erreicht werden, die sonst nur im zweistufigen Verfahren erzielbar sind.

Fig. 5 zeigt die ineinandergreifenden Rotorkörper ei ner Drehkolbenmaschine. Beide Rotorkörper enthalten eine Verstärkungseinlage 34, die beispielsweise aus ei nem Textilgewebe besteht. Die Verstärkungseinlagen 34 sind schlauchförmig ausgebildet. Damit sie bei der Herstellung der Rotorkörper in der Negativform fest gehalten werden, ist an der Rotorwelle 23 zunächst ein aus dem Polymermaterial des Rotorkörpers bestehen der ringförmiger Halter 35 befestigt. Der Halter 35 wird von der Verstärkungseinlage 34 an zwei gegenüberlie genden Stellen tangiert. Die Verstärkungseinlage ist an diesen Stellen an dem Halter angeklebt oder auf sonsti ge Weise fixiert. Dadurch erhält die Verstärkungseinla ge 34 ihre Gestalt. Wenn anschließend in der Negativ form das Gießen des Rotorkörpers 28 erfolgt, verbindet sich das Material des Rotorkörpers mit demjenigen des Halters 35 und die Verstärkungseinlage 34 ist vollstän dig in den Rotorkörper eingebettet. Damit das Einflie ßen des Polymermaterials in den Formhohlraum von dem Halter 35 nicht beeinträchtigt wird, weist dieser Halter Löcher auf.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Ver fahrens besteht darin, daß das Polymermaterial in die Gießform drucklos eingefüllt wird und daß sich prak tisch keine Materialspannungen aufgrund von Schrumpfungen ergeben. Der Rotorkörper hat nach dem Herausnehmen aus der Negativform exakt die Ge stalt der Negativform ohne elastisch in eine andere Ge stalt zu springen. Dadurch ist auch keine Nachbearbei tung der Rotorflügel erforderlich. Das Entfernen des Rotors aus der Negativform erfolgt durch einfaches Herausdrehen bzw. durch Ausschieben unter Drehung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines mehrflügeligen Rotors für Rotationskolbenmaschinen, der einen Rotorkörper aus einem polymeren Werkstoff aufweist, bei dem zunächst mit folgenden Verfahrensschritten eine Negativform (20) hergestellt wird:

1. Aufstellen eines Meisterrotors (10) in einem zylindrischen, an einem Ende offenen Hohlraum (16) einer Gießform (14),
2. Auffüllen dieses Hohlraumes (16) von unten nach oben mit einem reinen oder modifizierten Poly urethan, das einen Füllstoff enthält, wobei das Polyurethan durch ein Rohr (17) unterhalb des Polyurethan-Flüssigkeitspegels zugeführt wird und das Rohr (17) mit steigendem Flüssigkeitspegel derart hochgezogen wird, daß seine Öffnung stets dicht unterhalb dieses Flüssigkeitspegels bleibt,
3. Härtung der Negativform (20),
4. Entfernung des Meisterrotors (10) aus der Nega tivform (20),

wobei unter Verwendung der Negativform (20) fol gende weitere Verfahrensschritte zur Herstellung des Rotors durchgeführt werden:

1. Besprühen der Negativform (20) mit einem Trenn mittel,
2. Einsetzen einer Rotorwelle (23) in die Negativ form (20),
3. Beheizen der Negativform (20),
4. Auffüllen des Hohlraums (22) der Negativform (20) mit einem reinen oder modifizierten Füll stoffe enthaltenden Polyurethan von unten nach oben zur Bildung des Rotorkörpers (28, 28a), wobei das Polyurethan durch ein Rohr unterhalb des Polyurethan-Flüssigkeitspegels zugeführt wird und das Rohr mit steigendem Flüssigkeitspegel derart hochgezogen wird, daß seine Öffnung stets dicht unterhalb dieses Flüssigkeitspegels bleibt,
5. Härtung des Rotorkörpers (28, 28a), und
6. Entfernung des Rotors aus der Negativform (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Polyurethan 30 bis 90%, vorzugs weise 50 bis 80% des Füllstoffs mit einer Wärme ausdehnung von 0,5 × 10^-6 1/°K, vorzugsweise oberflächenbehandeltes Siliciumdioxid, enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meisterrotor (10) an einer Seite einen kegelförmigen Wellenstumpf (24) aufweist, der beim Herstellen der Negativform (20) in diese kopiert wird und zum Zentrieren der einzulegenden Rotorwelle (23) dient.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rotorwelle (23) mit einem koni schen Wellenstumpf (24) in den Innenkegel (21) der Negativform (20) eingesetzt wird und daß nach Be endigung der Herstellung des Rotorkörpers (28, 28a) eine spanabhebende Bearbeitung des Wellen stumpfes (24) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkörper (28, 28a) eine selbstkatalytisch aufgebrachte nickelhalti ge PTFE-Beschichtung (33) erhält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rotorwelle (23) ein Halter (35) aus Polymermaterial befestigt wird, an dem eine Verstärkungseinlage (34) fixiert wird und daß anschließend in der Negativform (20) der Rotorkörper (28) mit eingebetteter Verstär kungseinlage (34) hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoffanteil bei der Negativform (20) größer ist als beim Rotorkör per (28, 28a).

8. Mehrflügeliger Rotor für Rotationskolbenma schinen, hergestellt nach dem Verfahren nach ei nem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Rotorwelle (23) und einem aus Polyurethan und Füllstoff beste henden Rotorkörper (28, 28a), dadurch gekenn zeichnet, daß der Füllstoff aus anorganischen kri stallinen Material besteht, und daß der Anteil des Polyurethan an der Umfangsfläche wesentlich grö ßer ist als im Innern des Rotorkörpers (28, 28a).