DE3207193C2

DE3207193C2 - Extruderzylinderabschnitt in einem Mehrschneckenextruder für Kunststoff

Info

Publication number: DE3207193C2
Application number: DE3207193A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Robert Cincinnati Ohio Wissmann
Original assignee: Milacron Inc
Current assignee: Milacron Inc
Priority date: 1981-10-22
Filing date: 1982-02-27
Publication date: 1985-09-19
Also published as: GB2107639B; JPS613649B2; AT391654B; GB2107639A; ATA201982A; JPS5872432A; DE3207193A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Extrudieren thermoplastischer Materialien, insbesondere Mehrschneckenextruder mit einem Extruderzylinderelement für ineinander eingreifende Schnecken. Ein vereinfachtes Extruderzylindersegment wird vorgeschlagen, welches innere und äußere Wärmetauschereinrichtungen aufweist. Das Zylindersegment enthält ein zylindrisches Gehäuse, durch welches mindestens zwei einander schneidende Schneckenräume gebohrt sind. Ein äußeres, ein Wärmetauschermedium führendes Rohr ist vorgesehen, wobei ein innerer Zylinderbereich mindestens eine geschlossene Wärmetauscherbohrung aufweist, die ebenfalls das Wärmetauschermedium führt. Durch ein derartiges Zylindersegment kann die Wärmeübertragung entsprechend der tatsächlichen Zylindergehäusetemperatur gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Extruderzylinderabschnitt für ineinander eingreifende Extruderschnecken in einem Mehrschneckenextruder, mit einem langgestreckten Zylindergehäuse, durch weiches mindestens zwei einander schneidende Schnpckenräume gebohrt sind, mit einem inneren Zylinderabschnitt, welcher durch eine Längsebene zweigeteilt ist, die durch Radien des Zylindergehäuses definiert ist, welche durch die Schnittpunkte der Schneckenräume verlaufen, mit mindestens einer Wärmeübertragungsbohrung für das Medium mit geschlossenem Ende, und mit einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal, welche an die Wärmeübertragungsbohrung angeschlossen sind.

Um im wirtschaftlichen Maßstab thermoplastische Materialien zu extrudieren, ist es bekannt, daß das Material in einem plastischen Zustand innerhalb eines vergleichsweise kleinen Temperaturbereiches gehalten werden muß. Innerhalb dieses Bereiches ist das Material ausreichend flüssig, um durch die Extrusionsform oder Düse zu fließen, wobei der Abstand zur Temperatur, bei welcher das Material chemisch zusammenbricht, ausreichend groß ist, um Fehler in der Struktur oder in der Oberfläche der Endprodukte zu vermeiden. Im Falle von PVC liegt der annehmbare Temperaturbereich zwischen 175 und 215^CC. Da das Material in den Extruder bei Raumtemperatur eintritt, wird typischerweise die kritische Temperatursteuerung in dem Abschnitt des Extruderzylinders erreicht, welcher dem Ausgang am nächsten liegt. In diesem Bereich müssen die kombinierten Wirkungen von extern angetriebenen Konvektionsheizungen und Selbstheizung aus der Materialscherung durch eine Vielzahl von Kühlgeräten ausgeglichen werden, um die gewünschte Temperatursteuerung zu erreichen.

Mehrschneckenextruder mit ineinander eingreifenden Schnecken weisen Eigentümlichkeiten der Wärmeübertragung im Bereich des Schnittpunktes der Schnekkenbohrungen auf, wo große thermische Massen und die Selbsterhitzung des Materials sich kombinieren und s eine Temperatursteuerung ausgesprochen schwierig gestalten. Bekannte gattungsgemäße Extruderzylinderabschnitte nach dem Stand der Technik gemäß DE-GM 72 06 521 weisen bereits den Vorteil auf, daß im Gebiet der größten Wärmedichte, also im Gebiet der Schneiden der Schneckenräume, dort, wo die beiden Bohrungen ineinander übergehen, gute Temperiermöglichkeiten bestehen. Andererseits hat es sich erwiesen, daß die hierdurch zur Verfügung stehenden Temperiermöglichkeiten nicht ausreichend sind, um in allen Fällen die gewünschte Temperatursteuerung zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Extruderzylinderabschnitt gemäß dem Stand der Technik so weiterzubilden, daß sich eine gegenüber dem bekannten Stand der Technik deutlich verbesserte Temperatursteuerungsmöglichkeit ergibt, wobei gleichzeitig eine besonders kostengünstige Anordnung geschaffen werden soll.

Diese Avigabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der äußeren Oberfläche des Zylindergehäuses eine schraubenlinienförmige Nut vorgesehen ist, daß in dieser Nut ein wärmeübertragendes, mediumführendes Rohr angeordnet ist, und daß das medienführende Rohr mit der Wärmeübergangsbohrung über den Einlaßkanal und den Auslaßkanal verbunden ist.

Aus der DE-OS 20 61 700 ist ein Extruder für Kunststoffe bekannt, bei welchem zumindest ein Teil des die Extruderschnecken umschließenden Zylinders von einem Mantel umgeben ist, wobei der Raum zwischen Zylinder und Mantel von einem Temperiermittel durchflössen ist. Um eine ausreichende Stabilität des Zylinders zu gewährleisten, weist dieser in Umfangsrichtung verlaufende Rippen auf, die in erster Linie als Verstärkungs- bzw. Aussteifungsrippen, außerdem zusätzlich auch der Verbesserung der Temperierung dienen.

Nachdem die Rippen jeweils ineinander übergehen, wird auch bei diesem Stand der Technik am Umfang des Zylinders eine umlaufende Nut ausgebildet, welche jedoch nicht die der Erfindung zugrundeliegende technische Aufgabe, nämlich das Aufnehmen eines medienführenden Rohres, löst. Im übrigen ist die vorstehend beschriebene Anordnung im Vergleich zur erfindungsgemäßen Lösung wesentlich aufwendiger herzustellen, da im Falle des Standes der Technik zusätzlich ein äußerer Mantel vorgesehen sein muß, welcher die äußere Begrenzung für das Temperiermedium bildet

Die US-PS 42 35 581 zeigt einen Schneckenextruder, bei dem das Zylindergehäuse eine Vielzahl von in axialer Richtung verlaufende Nuten aufweist, in denen eine Anzahl von medienführenden Rohren serpentinenartig geführt sind. Bei diesem nicht als Mehrschneckenextruder ausgebildeten Stand der Technik ist eine Vielzahl von Rohren mit einer entsprechenden Vielzahl von Anschlüssen erforderlich, was in herstellungstechnisch aufwendiger Weise eine Vielzahl von Verbindungen bedingt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Zwillingsschneckenextruders mit einem erfindungsgemäßen Zylinderabschnitt;

Fig. 2 eine Endansicht des Extruderzylinderabschnitts, welche die relative Anordnung der Schnecken-

bohrungen und der inneren medienführenden Bohrungen zeigt;

F i g. 3 einen teilweisen Längsschnitt des Zylinderabschnitts längs der Linie 3-3 von F i g. 2;

F i g. 4 eine Einzelheit der Wärmeüberiragungsrohre und der Nuten in der Außenseite des Zylinderabschnitts gemäß F i g. 3;

Fig.5 eine alternative Ausführungsform der Strömungsleitvorrichtung für die inneren Wärmetauscherbohrungen und

F i g. 6 eine schematische Ansicht des Rczirkulationssystems des Wärmetauschermediums und der Heizungssteuerung des Zylinderabschnitts.

Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Zwillingsschneckenextruder zur Herstellung von PVC-Rohren in einigen Einzelheiten beschrieben.

In F i g. 1 ist der Zwillingsschneckenextruder 1 in Seitenansicht gezeigt und enthält eine Maschinenbasis 2 und den Extruderantrieb einschließlich eir.es Antriebsmotors 14 eines Motorgeschwindigkeitsverringerers 10 eines Getriebekastens 8 zur Umleitung des Schneckenantriebes und Extruderschnecken 6. Der Extruderzylinder 4 ist teilweise durch einen Ausschnitt der Abdekkung 12 gezeigt und auf der Maschinenbasis 2 durch Lagerungen 22 und 24 gelagert Das PVC-Rohmaterial für die Extrusion wird in die Maschine an einem Aufgabetrichter 15 eingeleitet und von hier durch das Speiserohr 16 zum Eingang des Extruderzylinders 4 weitergeleitet Innerhalb des Speiserohres 16 ist eine Materialvorschubsschnecke (nicht dargestellt) über den Speiseantrieb 18 drehangetrieben, welcher wiederum durch den Motor 20 angetrieben ist Der Aufgabetrichter und der Speiseantrieb sind auf einer Verlängerung des Schneckenantriebsrahmens 42 durch ein Lager 26 gehalten.

Der Zylinderabschnitt 30 am Ausgangs- oder Extrusionsende ist an dem Extruderzylinder 4 mittels eines Flansches 32 montiert, der mit dem Flansch 40 verschraubt ist. Im Anschluß an diesem Zylinderabschnitt ist das Extrusionsgesenk 50 an einem Formeneingangsadapter 36 befestigt. Der Zylinderabschnitt ist auf der Maschinenbasis 2 und der Lagerung 22 durch den Lagerteil 28 gehalten. Über die Länge des Zylinderabschnitts 30 sind Heizbänder 38 und 39 verteilt. Thermoelemente 34 sind in das Zylindergehäuse nahe dem Oberende längs dessen Länge eingesetzt.

Das durch das Speiserohr 16 eintretende Rohmaterial wird längs der Länge des Extruderzylinders 4 durch die inneren ineinander eingreifenden Förderschnecken (nicht dargestellt) vorgeschoben. Diese Schnecken dienen gleichzeitig dazu, das Material innerhalb der Schneckenbohrungen zu bearbeiten und hierdurch die Konvektionserhitzung des Materials durch die von außen zugeführte Wärme der Heizbänder 38 'ind 39 zu erwärmen, während gleichzeitig die Selbsterhitzung des Materials durch Materialscherung unterstützt wird.

F i g. 2 zeigt die Endansicht des Zylinderabschnitts 30 in Richtung des Flansches 32. Die inneren, sich verjüngenden Schneckenbohrungen 104 und 106 schneiden sich längs der Linie 62. In dieser Ansicht sind Rohrstopfen 100 und 102 zum Schließen der inneren Wärmetauscherbohrungen 66 und 68 veranschaulicht und liegen auf der Schnittlinie 62. Die Linie 62 bildet die Projektion einer gedachten Längsebene, welche durch die Zylindergehäuseradien definiert wird, die durch die Schnittpunkte der Schneckenbohrungen 104 und 106 verlaufen, wobei die Ebene die innenbcreiche des Zylindergehäuses 60 in zwei Teile schneidet In dieser Ansicht sind in gestrichelten Linien die Einlaßkanäle 74 und 76 zu den Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 veranschaulicht Ferner sind in gestrichelten Linien die Auslaßkanäle 70 und 72 gezeigt Außerdem sind ebenfalls in gestrichelten Linien Thermoelemente 34 in das Zylindergehäuse 60 eingesetzt gezeigt welche dessen Temperatur innerhalb der inneren Bereiche erfassen, die durch die Längsebene zweigeteilt sind.

ίο In F i g. 3 ist eine Teilansicht im Längsschnitt gezeigt welche den Zylinderabschniit 30 längs der Linie 3-3 von F i g. 2 zeigt In der Ansicht von F i g. 3 ist teilweise noch die Oberfläche aufgebrochen, so daß die Nut 64 in der Oberfläche sichtbar ist In gestrichelten Linien sind ferner Schnittansichten der Heizbänder 38 und 39 gezeigt, welche diejenigen Bereiche des Zylinderabschnitts 30 umschließen, in denen die Nut 64 ausgeformt ist.

In F i g. 3 ist das das Wärmetauschermedium leitende Rohr 110 in Schnittansicht veranschaulicht wie es in der Nut 64 des Zylinderabschnitts 30 sitzt. Wie aus der teilweise aufgebrochenen Oberflächenansicht ersichtlich, ist die Nut 64 durchgehend und schraubenlinienförmig über die Außenbereichc des Zylindergehäuses geführt und durch die Heizbänder 38 und 39 umgeben. Im Inneren des Zylindergehäuses 60 sind die inneren Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 veranschaulicht. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, sind diese Bohrungen derart angeordnet daß ihre längsgerichteten Mittellinien die Mittellinie 44 des Zylinderabschnitts 30 schneiden. Die Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 sind derart angeordnet, daß sie der Verjüngung der Schneckenbohrungen 104 und 106 folgen. In den Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 sind offenendige, medienleitende Rohre 86 und 88 gelagert, welche durch Lagerringe 78, 80 bzw. 82 und 84 gehalten sind. Diese Lagerringe 78 bis 84 bilden Dichtungen zwischen dem Inneren der Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 und dem Äußeren der Leitrohre 86 und 88. Es ist offensichtlich, daß in die Einlaßkanäle 74 und 76 eintretendes Medium durch die Leitrohre 88 und 86 zu den Auslaßlöchern 90 und 92 geleitet wird, von wo es zu den Auslaßkanälen 70 und 72 fließt. Durch diese Medienleiteinrichtung wird das Wärmetauschermedium über die Länge des Inneren der Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 geleitet, um hierdurch die Wärmeübertragung zwischen den Innenbereichen des Zylindergehäuses 60 und dem Wärmetauschermedium zu maximieren.

Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß das Rohr HO, welches das Wärmetauschermedium führt, derart in die Nut 64 des Zylindergehäuses 60 eingepaßt ist, daß eine wirksame Wärmetauscherfläche zwischen dem Rohr HO und dem Zylindergehäuse 60 gebildet wird. Insbesondere ist die Nut 64 mit einer Unterschneidung 65 ausgebildet, welche dazu dient, das Rohr 110 an seinem Ort zu hal-

■>=; ten.

Ferner ist aus F i g. 4 ersichtlich, daß der außenliegende Abschnitt des das Wärmetauschermedium führenden Rohrs 110, welches in seinem Urzustand durch die gestrichpunktete Linie gezeigt ist, deformiert wurde, um eine durchgehende Oberfläche zu bilden, auf welcher die Heizbänder 38 und 39 angeordnet werden. Auf diese Weise wird eine maximale Wärmeübertragung zwischen den Heizbändern 38 und 39 und dem Zylindergehäuse erzielt, während gleichzeitig eine maximale Wär-

b5 mcober.ragung zwischen dem Wärmetauschermedium in dem Rohr 110 und dem Zylindergehäuse 60 gewährleistet ist. Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 6 ist ferner ersichtlich, daß das Rohr 110 von einem Ende des

Zylinderabschnitts 30 zum anderen durchgehend ausgebildet ist.

In F i g. 5 ist eine alternative Ausführungsform von Medienleitvorrichtung in ihrem Einbauort in der Wärmeübergangsbohrung 66 veranschaulicht. Wie bei der zuvor beschriebenen Medienleiteinrichtung tritt das Wärmetauschermedium am Einlaßkanal 76 ein und wird mittels eines Lagerringes 124 daran gehindert, in die Wärmeübergangsbohrung 66 einzutreten, da dieser Ring eine Dichtung zwischen dem offenendigen Leitrohr 122 und der Wärmeübergangsbohrung 66 bildet. Das Wärmetauschermedium wird dann innerhalb des Leitrohres 122 zu dessen Ende geleitet, wo es in die Wärmeübergangsbohrung 66 eintritt. In diesem Fall ist ein Band 126 um das Äußere des Leitrohres 122 gewikkelt und bildet eine Dichtung zwischen dem Rohr 122 und der Wärmeübergangsbohrung 66, so daß in dem Wärmetauschermedium eine Turbulenz erzeugt wird, während dieses über die Länge der Wärmeübergangsbohrung 66 zurück zum Auslaßkanal 70 strömt. Durch diese Erzeugung einer turbulenten Strömung des Wärmetauschermediums innerhalb der Wärmeübergangsbohrung 66 wird die wirksame Wärmeübertragung zwischen dem Zylindergehäuse 60 im inneren Abschnitt und dem Wärmetauschermedium maximiert.

In F i g. 6 ist der Zylinderabschnitt 30 zusammen mit dem Wärmetauschermedium-Rezirkulationssystem und der Steuerung der Heizbänder gezeigt. Das Wärmetauschermedium wird durch eine Pumpe 150 durch die Leitung 172 an der Auslaßseite und ein Druckentlastungsventil 148 zu einem Wärmetauscher 152 und durch ein Steuerventil 144 zur Speiseleitung 140 im Kreislauf geführt. Von der Speiseleitung 140 wird das abgekühlte Wärmetauschermedium zu dem Rohr UO und den Einlaßkanälen 74 und 76 der Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 geführt. Das Wärmetauschermedium wird durch die Auslaßkanäle 70 und 72 und das Rohr 110 zur Rückflußleitung 142 geleitet. Von der Rückflußleitung 142 wird das Wärmetauschermedium durch den Wärmetauscher 152 und von hier zur Leitung 170 der Pumpe 150 geleitet.

Das Rezirkulationssystem wird über das Thermoelement 34 und den Steuerkreis 156 gesteuert. Wenn das Wärmetauschermedium eine Reduktion der Temperatur in den Innenbereichen des Zylindergehäuses 60 durchgeführt hat, erzeugen die Thermoelemente 34 ein Signal, welches der erfaßten Temperatur proportional ist. Dieses Signal wird durch den Steuerkreis 156 aufgenommen, um Steuersignale an der Ausgangsleitung 158 zu erzeugen, welche das Steuerventil 144 schließen, so daß das Druckentlastungsventil 148 öffnen muß. In diesem Zustand wird das Wärmeiauschcrrncdium durch die Pumpe 150 über das Druckentlastungsventil 148 zum Wärmetauscher 152 und zurück zur Pumpe 150 über die Rückflußleitung 170 im Kreislauf geführt Wenn die Thermoelemente 34 einen Temperaturanstieg in den Innenbereichen des Zylindergehäuses 60 erfassen, führen die erfaßten Signale in den Leitungen 154 dazu, daß der Steuerkreis 156 wiederum ein Steuersignal auf der Leitung 158 erzeugt, um das Steuerventil 144 zu öffnen, welches dann einen Druckabfall in der Leitung 172 hervorruft, durch welchen das Druckentlastungsventil 148 geschlossen wird, so daß das Wärmetauschermedium wiederum durch das Rohr HO und die Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 geführt wird.

Gleichzeitig kann der Steuerkreis 156 in Abhängigkeit von den in den Leitungen 154 durch die Thermoelemente 34 erzeugten Signalen die Heizbänder 38 und 39 aktivieren und deaktivieren. Wenn die Fühlersignale in den Leitungen 154 anzeigen, daß die Temperatur der Innenbereiche des Zylindergehäuses 60 unter einen Schwellwert gefallen sind, erzeugt der Steuerkreis 156 folglich ein Steuersignal auf der Ausgangsleitung 162, um die Heizbänder 38 und 39 zu aktivieren. Wenn jedoch die Fühlersignale auf den Leitungen 154 von den Thermoelementen 34 anzeigen, daß die Temperatur der Innenbereiche des Zylindergehäuses 60 einen voreingestellten Grenzwert überschritten haben, erzeugt der Steuerkreis 156 ein Steuersignal zum Abschalten oder Deaktivieren der Heizbänder 38 und 39.

Unter erneuter Bezugnahme auf F i g. 2 ist dem Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, daß die große Materialmenge innerhalb des unmittelbaren Bereiches des Schnittpunktes der Schneckenbohrungen 104 und 106 gleichzeitig eine große thermale Masse bildet. Wenn die Thermoelemente 34 feststellen, daß die Temperatur der Innenbereiche die obere Grenze überschritten haben, ist daher die äußere Kühlung über das Wärmetauscherrohr 110 allein unzureichend, um ein schnelles Abfallen der Temperatur innerhalb der Innenbereiche durchzuführen. Infolgedessen muß Wärmetauschermedium sowohl dem Rohr 110 als auch den Wärmeübergangsbohrungen 66 und 68 zugeleitet werden, um hierdurch ein Überhitzen des Materials längs der Schnittebene der Schneckenbohrungen 104 und 106 zu verhindern.

Es wird darauf hingewiesen, daß ein Extruderzylinderabschnitt, welcher die obenerwähnten inneren und äußeren Wärmetauschereinrichtungen aufweist, auch an Abschnitten eines Extruderzylinders verwendbar ist, der nicht der Ausgangsabschnitt ist. Ferner wird darauf hingewiesen, daß, obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel auf die Verwendung eines Wärmetauschermediums zum Kühlen gerichtet ist, die Kombination des das Wärmetauschermedium führenden Rohres und der Wärmetauscherbohrungen gleichzeitig geeignet sein kann, alternative Heiz- oder Kühlvorgänge durchzuführen, um hierdurch eine optimale Temperatursteuerung des Materials zu erreichen. Ferner wird darauf hingewiesen, daß entsprechend der jeweils vorliegenden Volumina der Innenbereiche auch eine Vielzahl von Wärmeübergangsbohrungen verwendet werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Extruderzylinderabschnitt für ineinander eingreifende Extruderschnecken in einem Mehrschneckenextruder, mit einem langgestreckten Zylindergehäuse, durch welches mindestens zwei einander schneidende Scheckenräume gebohrt sind, mit einem inneren Zylinderabschnitt welcher durch eine Längsebene zweigeteilt ist, die durch Radien des Zyündergehäuses definiert ist, welche durch die Schnittpunkte der Schneckenräume verlaufen, mit mindestens einer Wärmeübertragungsbohrung für das Medium mit geschlossenem Ende, und mit einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal, welche an die Wärmeübertragungsbohrung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Oberfläche des Zylindergehäuses (60) eine schraubenlinienförmige Nut (64) vorgesehen ist, daß in dieser Nut ein wärmeöbertragendes, mediumführendes Rohr (110) angeordnet ist, und daß das medienführende Rohr (110) mit der Wärmeübergangsbohrung (66, 68) über den Einlaßkanal (74, 76) und den Auslaßkanal (70,72) verbunden ist.

2. Extruderzylinderabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das medienführende Rohr (110) und die Nut (64) so angeordnet sind, daß die äußere Oberfläche des Rohrs (110) mit der äußeren Oberfläche des Zylindergehäuses (60) bündig ist.