AT507443B1 - Düsenplatte für unterwassergranulierer - Google Patents

Abstract

In einer Lochplatte für einen Unterwassergranulator ist zwischen einem Grundkörper (1) der Lochplatte und einer Verschleißschutzschicht (2) eine an die Verschleißschutzschicht angrenzende elektrische Widerstandsheizeinrichtung (3) vorgesehen. Die Widerstandsheizeinrichtung (3) ist vorzugsweise als Flächenheizelement ausgebildet und umfasst in einem Keramikkörper verlegte Heizdrähte.

Description

österreichisches Patentamt AT507 443B1 2011-06-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Unterwassergranulierer und insbesondere eine Lochplatte dafür.

[0002] Unterwassergranulierer dienen zur Herstellung von Kunststoffgranulat. Dazu wird der Kunststoff mittels eines Extruders aufgeschmolzen und durch eine Lochplatte hindurch in eine Wasserkammer gepresst. In der Lochplatte wird der Kunststoffschmelzestrom in eine Anzahl von Teilströmen aufgeteilt und tritt auf einer Stirnseite der Lochplatte durch eine entsprechende Anzahl von Düsenkanälen in die Wasserkammer ein, Mittels eines rotierenden Messerkopfes werden die aus den Düsenkanälen austretenden Kunststoffstränge sukzessive durchtrennt, und das so entstehende Kunststoffgranulat wird mit dem die Wasserkammer durchströmenden Kühlwasser abgeführt. Zum Schutz der Austrittsoberfläche der Lochplatte vor Verschleiß durch den darüber gleitenden Messerkopf dient eine Verschleißschutzschicht die durchgehend oder für jeden Düsenkanalaustritt separat vorgesehen sein kann.

[0003] Die Temperatur am Düsenkanalaustritt ist von besonderer Bedeutung. Denn die aus den Düsen austretende Kunststoffschmelze darf erst nach dem Herausfließen erstarren. Ein Erstarren der Schmelze bereits in den Düsenkanälen verursacht einen ungleichmäßigen Schmelzefluss oder sogar die Unterbrechung des Schmelzeflusses und führt dadurch zu Störungen, so dass gegebenenfalls die gesamte Granulieranlage abgeschaltet werden muss. Dieses auch als „Einfrieren" bezeichnete Phänomen ist unbedingt zu vermeiden. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Losungen beschrieben, um die Kunststoffschmelze in den Düsenkanälen so zu führen, dass deren Oberfläche praktisch bis zum Düsenkanalaustritt Schmelzetemperatur aufweist, Die Lochplatten sind dazu in der Regel beheizt, wobei sowohl elektrische Beheizung als auch Fluidbeheizung bekannt sind.

[0004] In der DE 100 02 408 A1 wird die Lochplatte radial von außen elektrisch beheizt, und der innerhalb des Düsenkranzes befindliche Teil des Lochplattengrundkörpers ist hohl ausgebildet im Sinne einer Isolierkammer, um einen Wärmeabfluss zur Wasserkammer zu vermeiden.

[0005] In der DE 199 62 036 A1 sind im Austrittsbereich der Düsenkanäle um die Düsenkanäle herum Heizkanäle für ein Heizfluid vorgesehen. Die DE 32 43 332 A1 sieht anstelle der Fluidbeheizung vor, die Düsenkanäle im Bereich ihres austrittsseitigen Endes mit schmalen ringförmigen Luftspalten zu umgeben, um eine Wärmeabfuhr zu behindern.

[0006] Kombinationen einer Fluidbeheizung und Luftspaltisolierung sind beispielsweise aus DE 198 11 089 A1, DE 35-32 937 A1 und DE 23 49 273 A1 bekannt. Darin ist das austrittsseitige Ende der Düsenkanäle jeweils von einem isolierenden Luft- oder Vakuumspalt umgeben, an den Fluidkammern im Inneren der Lochplatte zum Beheizen der Düsenkanäle angrenzen. In der DE 23 49 273 A1 wird vorgeschlagen, die Fluidheizkammer so nahe wie möglich bis zum Austrittsende der Düsenkanäle zu erstrecken, um die Wärmeaustauschfläche mit den Düsenkanälen zu maximieren.

[0007] Anstelle eines Luft- oder Vakuumisolierspalts können auch Isolationsschichten vorgesehen sein, die in der Regel aus Keramikwerkstoffen bestehen (DE 19515473 A1, EP 0246 921 A2, EP 1 413 413 A1), welche am schmelzeaustrittseitigen Ende des Lochplattengrundkörpers üblicherweise unter der eingangs genannten Verschleißschutzschicht angeordnet sind.

[0008] Nachteilhaft an dem vorbeschriebenen Stand der Technik ist, dass darin die Wärme relativ weit entfernt von dem Ort bereitgestellt wird, an welchem sie benötigt wird. Das heißt, Wärmequelle und Wärmesenke liegen relativ weit auseinander. Der Wärmetransport durch den stählernen Grundkörper der Lochplatte zur Schneidfläche erfordert hohe Heizleistungen, um zu erreichen, dass die notwendige Wärmemenge bis zur Schneidfläche fließt, an der das Einfrieren der Kunststoffschmelze in den engen Düsenkanalaustritten zu verhindern ist. Außerdem werden Bereiche der Lochplatte beheizt, welche an sich keine Wärme benötigen. Es entstehen daher unnötige Wärmeverluste, da auch über weite Flächen der Lochplattenstirnseite Wärme an das Kühlwasser der angrenzenden Wasserkammer abgegeben wird, beispielsweise über die 1/7 österreichisches Patentamt AT507 443B1 2011-06-15

Kreisfläche innerhalb der üblicherweise ringförmig angeordneten Düsen.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Temperierung einer Lochplatte dahingehend zu optimieren, dass die zugeführte Wärmeenergie zuverlässig und überwiegend im Bereich der Düsenkanalaustritte zur Verfügung steht.

[0010] Diese Aufgabe wird durch eine Lochplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

[0011] Dementsprechend ist zwischen dem Grundkörper und der Verschleißschutzschicht angrenzend an die Verschleißschutzschicht eine die Düsenkanäle umgebende elektrische Heizeinrichtung, beispielsweise in Gestalt einer Induktionsheizeinrichtung oder vorzugsweise als Widerstandsheizeinrichtung, vorgesehen. Dadurch wird vermieden, dass überflüssige Wärme in die Lochplatte fließt, denn die Wärme wird unmittelbar dort zur Verfügung gestellt, wo sie benötigt wird. Ergänzend können andere Bereiche der wasserkarnmerseitigen Lochplattenoberfläche, insbesondere der innerhalb des Düsenkranzes liegende zentrale Lochplattenbereich, mittels Isolierschichten und/oder Luft-/Vakuumisolierkammern dagegen geschützt werden, dass Wärme von der Lochplatte zum Kühlwasser der Wasserkammer abfließt. Lediglich über die Schneidfläche fließt dann Wärme ins Kühlwasser. Dies lässt sich nur durch eine geeignete Werkstoffauswahl für die Verschleißfläche weiter optimieren, welche dementsprechend einen hohen Verschleißwiderstand bei geringer Wärmeleitfähigkeit haben muss, Die Verschleißschicht besteht daher vorzugsweise aus keramischem Material, welches durch geeignete Werkstoffauswahl bei möglichst gleich bleibend hohem Verschleißwiderstand hinsichtlich Wärmeisolierungseigenschaften optimiert ist, oder aus Metallen oder Metallverbünden mit unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten aber hohen Härten zumindest in der äußeren Schicht, z.B. Ferroti-tanit.

[0012] Die Widerstandsheizeinrichtung kann in einfacherWeise einen oder mehrere Heizdrähte umfassen, die nahe an den Düsenkanälen vorbei und/oder um die Düsenkanäle herumgeführt sind. Eine derartige Heizeinrichtung nimmt wenig Platz ein, insbesondere in Richtung des Schmelzedurchtritts durch die Lochplatte, wenn die Heizdrähte in wenigen und vorzugsweise nur einer einzelnen Ebene verlegt sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Heizdrähte unmittelbar auf dem Grundkörper oder unmittelbar auf der Verschleißschutzschicht aufgebracht. Diese Anbringung ist besonders effektiv und platzsparend.

[0013] Besonders vorteilhaft ist es in diesem Fall, flache, breite Heizdrähte vorzusehen, welche in einfacherWeise beispielsweise aufgedampft werden können. Der individuellen Verlegung der Heizdrähte sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Es kann auch eine durchgehende, kreisförmige Metallschicht mit entsprechenden Durchtrittsöffnungen für die Düsenkanäle als elektrisches Widerstandsheizelement verlegt oder aufgedampft werden.

[0014] Das Flächenheizelement kann auch aus unterschiedlichen Schichten aufgebaut sein, um beispielsweise den Wärmefluss nur in eine Richtung zu lenken.

[0015] Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Widerstandsheizeinrichtung als separates Flächenheizelement auszuführen, welches selbständig handhabbar ist und an den notwendigen Stellen Durchtrittsöffnungen für die Düsenkanäle besitzt. Ein solches separates Flächenheizelement lässt sich leicht austauschen, wobei es vorzugsweise unabhängig von der Verschleißschutzschicht austauschbar ist. Zu diesem Zwecke ist das Flächenheizelement und vorzugsweise auch die Verschleißschutzschicht jeweils als plattenförmiges, insbesondere als ringplattenförmiges Bauelement ausgebildet.

[0016] Die Ausbildung des Flächenheizelements als separates Bauelement hat den weiteren Vorteil, dass die Heizeigenschaften individuell eingestellt werden können. So kann das Flächenheizelement einen Keramikkörper umfassen, in dem die Heizdrähte eingeschlossen sind, wobei der Keramikkörper mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit ausgelegt ist, um eine gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb des Flächenheizelements zu erzielen. Derartige individuell auslegbare Keramik-Heizelemente sind beispielsweise unter der Bezeichnung ULT- 2/7 österreichisches Patentamt AT507 443 B1 2011-06-15 RAMIC 600 der Firma Watlow GmbH/Kronau bekannt. Diese Heizelemente sind in einer Dicke zwischen 2 und 5 mm erhältlich, besitzen einen Keramikkörper aus Aluminiumnitrid-Pulver (AIN) und können komplexe Topographien wie Bohrungen, Ausschnitte und Vakuumnuten aufweisen. Auch Ringformen sind möglich, so dass sich derartige Heizelemente besonders für den beschränkten Einsatz im Bereich der ringförmig angeordneten Düsenkanalaustrittsenden eignen. Die damit erzielbare Oberflächentemperatur wird mit maximal 600°C angegeben und ist daher im Zusammenhang mit der Kunststoffbearbeitung universell einsetzbar.

[0017] Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen: [0018] Figur 1 eine erfindungsgemäße Lochplatte im Querschnitt und [0019] Figur 2 ein Flächenheizelement der Lochplatte aus Figur 1 in Draufsicht.

[0020] Figur 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lochplatte umfassend einen Grundkörper 1, eine Verschleißschutzschicht 2 und eine zwischen Grundkörper 1 und Verschleißschutzschicht 2 an die Verschleißschutzschicht 2 angrenzende Widerstandsheizeinrichtung 3 in Form eines plattenförmigen Flächenheizelements. Düsenkanäle 4 durchdringen den Grundkörper 1, das Flächenheizelement 3 und die Verschleißschutzschicht 2. Die Lochplatte ist rotationssymmetrisch aufgebaut und dementsprechend verteilen sich die Düsenkanäle 4 entlang einer Kreisbahn um die zentrale Achse A der Lochplatte. Es können auch mehrere Düsenkränze um die Achse A herum vorgesehen sein.

[0021] Im Betrieb der Lochplatte strömt Kunststoffschmelze durch die Düsenkanäle 4 in der durch Pfeil angegebenen Strömungsrichtung hindurch und aus Düsenöffnungen 5 der Verschleißschutzschicht 2 in eine nicht dargestellte Wasserkammer ein. Üblicherweise bestehen der Grundkörper 1 und die Verschleißschutzschicht 2 aus hochfestem, korrosionsbeständigem Werkzeugstahl mit eingelöteten Einsätzen aus Hartmetall 6. Die Verschleißschutzschicht 2 kann aber beispielsweise auch aus Metallen oder Metallverbünden mit unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten aber hohen Härten, zumindest in der äußeren Schicht, z. B. Ferrotitanit bestehen, oder aus einem Hartmetall mit einem die Düsenöffnung 5 umgebenden Einsatz aus Keramik 6. Die Verschleißschutzschicht 2 kann auch aus einem Keramikkörper mit einem Keramikeinsatz 6 bestehen oder insgesamt aus einem einstückigen Keramikelement, wobei im ersteren Fall der Keramikeinsatz 6 hinsichtlich Verschleißfestigkeit und der Keramikkörper hinsichtlich geringer Wärmeleitfähigkeit optimiert ist.

[0022] Schließlich besitzt die Lochplatte des Weiteren kunststoffaustrittseitig einen radial äußeren Ringflansch 7 und eine radial innere Isolierplatte 8, welche einen Wärmeaustausch zwischen der nicht dargestellten angrenzenden Wasserkammer und der Lochplatte behindert. Auf die Isolierplatte 8 kann gegebenenfalls auch verzichtet werden. Wie im Stand der Technik können stattdessen oder ergänzend dazu Luft- oder Vakuumspalte und/oder in die Lochplatte integrierte Heizeinrichtungen, insbesondere Flüssigkeitsheizleitungen, vorgesehen sein. Bevorzugt wird es aber, wenn außer der Widerstandsheizeinrichtung 3 keine weiteren Heizeinrichtungen in der Lochplatte vorgesehen sind.

[0023] Die Widerstandsheizeinrichtung 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, wie erwähnt, als plattenförmiges, separat handhabbares Flächenheizelement ausgeführt, und zwar hier konkret als eine vollflächige kreisförmige Platte, die in Figur 2 in Draufsicht schematisch dargestellt ist und die alternativ auch ringförmige Gestalt mit einer zentralen Aussparung haben könnte. Das Flächenheizelement 3 besteht aus einer elektrisch isolierenden, aber wärmeleitfähigen Keramik 9, beispielsweise aus Manganoxid (Mg02) oder, wie im Falle des eingangs genannten ULTRAMIC 600, aus Aluminiumnitrid (AIN).

[0024] Öffnungen 10 durchsetzen die Keramik an den Stellen der Düsenkanäle 4. Die Keramik selbst bildet eine Matrix für im Inneren der Keramik verlegte Heizdrähte. Die Heizdrähte sind in den Figuren 1 und 2 nicht im Einzelnen dargestellt, sondern es ist lediglich der Bereich der Keramik 9 mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet, auf den sich die Verlegung der Heizdrähte beschränkt. Dementsprechend sind die Heizdrähte in unmittelbarer Nähe der Durchgangsöffnun- 3/7

Claims (13)

1. österreichisches Patentamt AT507 443 B1 2011-06-15 gen 10 bzw. Düsenkanäle 4 verlegt und erstrecken sich über den gesamten Bereich 11 der Verschleißschutzschicht 2, da ein Wärmeaustausch zwischen der Lochplatte und der an die Lochplatte angrenzenden Wasserkammer wegen der vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit der Verschleißschutzschicht 2 insbesondere in diesem Bereich 11 auftritt. Die Heizdrähte können in dem Bereich 11 meanderförmig zwischen und neben den Durchgangsöffnungen 10 verlegt sein und fuhren über Zu- und Ableitungen 12, 13 radial aus der Lochplatte heraus. [0025] Der Schmelzedurchfluss durch das plattenförmige Flächenheizelement 3 kann sowohl direkt, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, als auch gekapselt ausgeführt werden. [0026] Das Flächenheizelement 3 kann fest mit dem Grundkörper 1 und/oder der Verschleißschutzschicht 2 verbunden sein, beispielsweise verklebt. Es wird aber bevorzugt, wenn alle Bauelemente jederzeit separat handhabbar sind, was beispielsweise dadurch erreichbar ist, dass der Grundkörper 1 mit dem Flansch 7 verschraubt wird und dabei alle übrigen Bauelemente dazwischen eingespannt werden. Dadurch lässt sich der Montageaufwand reduzieren und die Servicefreundlichkeit erhöhen, denn im Falle eines defekten Flächenheizelements 3 oder einer abgenutzten Verschleißschutzschicht 2 lassen sich das eine oder andere Element unabhängig voneinander austauschen. [0027] Insgesamt lässt sich mittels der vorbeschriebenen Lochplatte eine gleichmäßig hohe Temperatur an der äußeren Schneidfläche der Verschleißschutzschicht 2 bei minimalen Wärmeverlusten an anderen Flächen erzielen. Die Verlustleistung ist gering, da nur die Schneidfläche mit hoher Heizleistung beaufschlagt wird. Gleichzeitig wird erreicht, dass sich der Durchflusswiderstand in den Düsenbohrungen, welcher in Folge des Temperaturabfalls in der Nähe des Düsenaustritts an der Verschleißplatte relativ hoch ist, tendenziell verringert. Wegen der kurzen Entfernung zwischen der durch das Flächenheizelement gebildeten Wärmequelle und der durch die Wasserkammer gebildeten Wärmesenke wird die Regeldynamik der beheizbaren Lochplatte verbessert. Unabhängig von der Anzahl und der Anordnung der Düsenkanalaustrittsöffnungen 5 und von der Baugröße der Lochplatte kann somit, eine gleichmäßige und gleichförmige Erwärmung der Verschleißschutzschicht 2 erreicht werden. Patentansprüche 1. Lochplatte für einen Unterwassergranulierer zum Aufteilen eines Kunststoffschmelzestroms in eine Anzahl von Teilströmen, umfassend: - einen Grundkörper (1), - eine Verschleißschutzschicht (2) auf der stromabwärtigen Seite des Grundkörpers, und - einen Durchgang für den Schmelzestrom durch die Lochplatte hindurch, der eine Anzahl von den Grundkörper (1) und die Verschleißschutzschicht (2) durchsetzende Düsenkanäle (4) umfasst, gekennzeichnet durch eine die Düsenkanäle (4) umgebende elektrische Heizeinrichtung (3) zwischen dem Grundkörper (1) und der Verschleißschutzschicht (2) angrenzend an die Verschleißschutzschicht.
2. 2. Lochplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung eine Widerstandsheizeinrichtung oder eine Induktionsheizeinrichtung ist.
3. 3. Lochplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsheizeinrichtung (3) ein oder mehrere Heizdrähte umfasst.
4. 4. Lochplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte unmittelbar auf der Verschleißschutzschicht (2) aufgebracht sind.
5. 5. Lochplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte unmittelbar auf dem Grundkörper (1) aufgebracht sind.
6. 6. Lochplatte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrähte aufgedampft sind. 4/7 österreichisches Patentamt AT507 443 B1 2011-06-15
7. 7. Lochplatte nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsheizeinrichtung (3) als separat handhabbares Flächenheizelement ausgeführt ist, welches Durchgangsöffnungen (10) für die Düsenkanäle (4) besitzt.
8. 8. Lochplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenheizelement (3) einen Keramikkörper (9) mit Heizdrähten umfasst.
9. 9. Lochplatte nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenheizelement (3) und die Verschleißschutzschicht (2) unabhängig voneinander austauschbare plattenförmige Bestandteile der Lochplatte sind.
10. 10. Lochplatte nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenheizelement (3) eine Dicke von 2 bis 5 mm besitzt.
11. 11. Lochplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkanäle (4) ringförmig angeordnet sind und die Widerstandsheizeinrichtung (3) auf diesen ringförmigen Bereich (11) beschränkt ist.
12. 12. Unterwassergranulator umfassend eine Lochplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. 13. Verwendung einer Lochplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Unterwas-sergranulator. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7