WO2004009326A1 - Extruder - Google Patents

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WO2004009326A1
WO2004009326A1 PCT/EP2003/005074 EP0305074W WO2004009326A1 WO 2004009326 A1 WO2004009326 A1 WO 2004009326A1 EP 0305074 W EP0305074 W EP 0305074W WO 2004009326 A1 WO2004009326 A1 WO 2004009326A1
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ring
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Josef A. Blach
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3+Extruder GmbH
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    • B29C48/67—Screws having incorporated mixing devices not provided for in groups B29C48/52 - B29C48/66

Definitions

  • the invention relates to an extruder for the continuous processing and / or processing of flowable materials according to the preamble of claim 1.
  • kneading blocks are used in twin-screw extruders, which consist of cam disks arranged offset in the manner of spiral staircases (cf. DE-C-813154).
  • the fabric is pressed through a narrow wedge gap between the cams and the extruder housing, which can result in different heating and partial overstressing due to shearing of the fabric, as well as causing locally above-average wear.
  • the object of the invention is to optimally convert the drive energy of the extruder into a uniform processing and treatment of the material.
  • the extruder has at least one screw element which is provided with a plurality of ring sections which are arranged concentrically or coaxially to the screw shaft at a distance from one another and are formed by screwing into the screw element.
  • a pressure is initially built up by the screw sections of the screw element between the ring sections, by means of which the material is then pressed under shear action and expansion through the annular gap between the extruder housing and the ring sections and the pressure is released again.
  • shear gap passage, pressure build-up, shear gap passage, etc. on the screw elements result in a defined stress on the material and thus a uniform stress without overstressing the substance or the screw.
  • the ring and / or shear gap between the ring sections and the concave circular segments of the extruder housing can have a different height in order to produce a sufficient mixing and / or kneading action in accordance with the respective material.
  • the ring section can possibly only correspond to the core diameter of the worm shaft. speak.
  • the annular gap preferably has a height of 10% to 90% of the flight depth of the screw.
  • a diameter of the ring sections which corresponds approximately to the center distance of two adjacent shafts is particularly preferred.
  • the screw sections lying between two adjacent ring sections generally have a length of at least 1/10, preferably at least 1/5, of the screw diameter.
  • the ring sections are preferably formed by screwing into the screw element.
  • the recesses preferably have a depth of, for example, 1/2 or less of the pitch.
  • the angle of the flanks of the recesses can be 30 to 90 degrees, for example. It is preferable to carry out oblique screw-ins, in particular at an angle of approximately 60 degrees to the shaft axis.
  • the screw element By removing material from the screw comb and flanks, the screw element can be provided with further sections.
  • an essentially conveyor-neutral mixing section can be provided by material removal.
  • a screw element is made available, in particular for multi-shaft extruders, with which the most varied requirements of process engineering can be met, from a defined longitudinal mixing of large volumes in the deciliter range to an intensive and sustainable action in the centimeter to milliliter range.
  • the worm gear can continue at the same pitch angle. That is, the screw sections of the screw element, apart from the screwed-in interruptions in the area of the ring sections, can form a continuous screw flight.
  • Additional dispersion areas are obtained through the ring sections.
  • a substantial increase in the dispersing area can also be achieved in that the screw sections between the ring sections are progressively offset with respect to one another with the same direction of rotation, for example with an angular offset by half the pitch. Due to the angularly offset screw sections, stepped, angularly offset end faces are formed as additional dispersion surfaces.
  • the extruder according to the invention can only have two screw shafts. However, it can also have at least three shafts arranged in a cavity of the extruder housing along a circle or arc with the same central angular distance, the extruder housing being provided on the radially inner and outer side of the cavity with concave circular segments parallel to the extruder axis, on which the screw elements are sealed are performed, as described for example in EP-B-0788867.
  • a material can pass through the shaft ring from one side of the cavity to the other.
  • Figure 1 shows a cross section through a twin-screw extruder with tightly intermeshing screw elements on the entire circumference;
  • 2a to 2c show a side view, perspective view or view of the end profile of a first embodiment of the screw element
  • 3 a to 3 b show a side view, perspective view or view of the end profile of a second embodiment of the screw element
  • Figure 4 is a perspective view of a third embodiment of the screw element.
  • Figure 5 is a perspective view of a fourth embodiment of the screw element
  • the screw elements 1 have an end profile 2, which is composed of three arcs A-B, E-F and A-E.
  • the circular arc AB has a diameter which corresponds to the outer screw diameter D
  • the circular arc EF has a diameter which corresponds to the screw core diameter d
  • the circular arc AE has a diameter whose radius corresponds to the center distance Ax of the two screw elements 1 (cf. EP-B -0002131).
  • the intermeshing screw elements 1 of the twin-screw extruder are fixed against rotation on two parallel, co-rotating shafts 3, which are guided to the screw shafts 3 parallel circular segments 4 of the extruder housing 6, so that two gussets 5 are formed.
  • the two-flight screw element 1 has three ring sections 8 which are concentric with the shaft axis 7 and are arranged at a distance.
  • the ring sections 8 are here, in relation to the conveying direction shown by the arrow 9, provided on the side of the screw element 1 facing the outlet of the extruder, that is to say a long screw section 11a is provided in the conveying direction 9, after which the first two ring sections are located 8 connect two shorter screw sections 11b and 11c and, after the third ring section 8, an even shorter screw section lld.
  • the distance of the ring sections 8 from one another corresponds to approximately one third of the screw diameter and the distance of the end face of the screw segment 11d from the adjacent ring section 8 corresponds only to approximately 1/6 D.
  • the ring sections 8 are obtained by screwing 12 into the screw element 1.
  • the angle of the flanks 13 of the recesses 12 to the shaft axis 10 is approximately 60 degrees.
  • the height of the annular gaps 14 between the ring sections 8 and the extruder housing 6 is approximately half the pitch t, that is to say half the difference between the core diameter d and the screw outer diameter D (FIG. 1).
  • the diameter dr of the ring sections 8 thus corresponds approximately to the center distance Ax of the shafts 3 from one another.
  • the screw element 1 according to FIGS. 3a to 3c essentially differs from that according to FIGS. 2a to 2c in that instead of the screw section 11a, a section 15 which is neutral in terms of conveyance is provided, which is formed by a corresponding material removal of the screw comb of the screw element 1.
  • the screw element 1 according to FIGS. 3a to 3c is particularly suitable for an extruder which has three or more screw elements which are arranged in a cavity of an extruder housing along a circle or arc with the same central angular distance and which divide the cavity into an interior and an exterior.
  • a material balance between the inner and the outer frame must take place.
  • the ring sections 8 and the short screw sections 11b, c and d of the screw element according to FIGS. 3a to 3c inhibit the product flow
  • section 15 enables passage from one process chamber to the other.
  • the screw element according to FIG. 4 differs from that according to FIGS. 3a to 3c essentially in that only two ring sections 8 are provided, the one ring section 8 being arranged between the one end face of the screw element 1 and the delivery-neutral section 15, and two screw sections lle and f separated by the second ring section 8 and a further screw section 11g are provided on the section 15 between the end face of the screw element 1 and the ring section 8.
  • a continuous worm gear is formed, which is interrupted only by the turns 12 with the ring portions 8.

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Abstract

Extruder zum kontinuierlichen Bearbeiten und/oder Verarbeiten von fliessfähigen Stoffen, mit wenigstens zwei parallelen, gleichsinnig drehenden Wellen, die mit ineinander greifenden Schneckenelementen bestückt sind, deren Stirnfläche durch Kreisbögen begrenzt wird, die dem Schneckenaussendurchmesser, dem Schneckenkerndurchmesser und maximal dem Achsabstand der Schneckenelemente entsprechen und die an zu den Wellen parallelen Kreissegmenten des Extrudergehäuses geführt sind, wobei zumindest ein Schneckenelement (1) mehrere im Abstand angeordnete konzentrische Ringabschnitte (8) aufweist, welche durch Eindrehungen (12) in das Schneckenelement (1) gebildet sind.

Description

Extruder
Die Erfindung bezieht sich auf einen Extruder zum kontinuierlichen Bearbeiten und/oder Verarbeiten von fließfähigen Stoffen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Zum kontinuierlichen Bearbeiten, also insbesondere Mischen und Kneten von fließfähigen, also flüssigen, zähflüssigen, plastischen oder teilchenförmigen Stoffen werden in Zweiwellenextrudern sogenannte Knetblöcke verwendet, die aus Wendeltreppenartig versetzt angeordneten Kurvenscheiben bestehen (vgl. DE-C-813154) . Dabei wird der Stoff durch einen schmalen Keilspalt zwischen den Kurvenscheiben und dem Extrudergehäuse hindurch gepresst, was eine unterschiedliche Erwärmung und partielle Überbeanspruchung durch Scherung des Stoffes zur Folge haben kann, ferner einen örtlich überdurchschnittlichen Verschleiß verursacht.
Aus DE-A-2 003 593 ist bereits ein Zweiwellenextrüder nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt, wobei der Schneckengang der einen Schnecke durch einen Dichtungssteg verschlossen wird, während die andere Schnecke an der sich bei Drehung an diesem Dichtungssteg vorbei bewegenden Stelle im Schneckenkamm eine Ausnehmung aufweist . Auch damit wird das im Schneckengang der Schnecke mit dem Dichtungssteg abgesperrte Material einer hohen Beanspruchung ausgesetzt, wäh- rend die Schnecke mit der Ausnehmung nur einen geringen Beitrag zur Bearbeitung des Stoffes leistet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Antriebsenergie des Extruders optimal in eine gleichmäßige Bearbeitung und Behandlung des Stoffes umzusetzen.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 gekennzeichneten Extruder erreicht . In den TJnteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Erfindungsgemäß weist der Extruder wenigstens ein Schneckenelement auf, das mit mehreren Ringabschnitten versehen ist, die konzentrisch oder koaxial zur Schneckenwelle im Abstand voneinander angeordnet und durch Eindrehungen in das Schneckenelement gebildet sind.
Durch die Schneckenabschnitte des Schneckenelementes zwischen den Ringabschnitten wird zunächst ein Druck aufge- baut, durch den dann der Stoff unter Scherwirkung und Dehnung durch den Ringspalt zwischen Extrudergehäuse und den Ringabschnitten gedrückt und der Druck wieder abgebaut wird. Durch die wiederkehrende Folge: Scherspaltpassage, Druckaufbau, Scherspaltpassage usw. an den Schneckenelemen- ten erfolgt eine definierte Beanspruchung des Stoffes und damit eine gleichmäßige Beanspruchung, ohne den Stoff oder die Schnecke übermäßig zu beanspruchen.
Der Ring- und/oder Scherspalt zwischen den Ringabschnitten und den konkaven Kreissegmenten des Extrudergehäuses kann eine unterschiedliche Höhe aufweisen, um entsprechend dem jeweiligen Stoff eine hinreichende Misch- und/oder Knetwirkung zu erzeugen. Der Ringabschnitt kann dazu gegebenenfalls lediglich dem Kerndurchmesser der Schneckenwelle ent- sprechen. Vorzugsweise weist der Ringspalt jedoch eine Höhe von 10 % bis 90 % der Gangtiefe der Schnecke auf. Besonders bevorzugt ist ein Durchmesser der Ringabschnitte, der etwa dem Achsabstand zweier benachbarter Wellen entspricht.
Bevor der Stoff bei der Passage über den Ring- oder Scherspalt beansprucht wird, muss er durch einen Schneckenabschnitt eine gewisse Förderstrecke transportiert werden, um den erforderlichen Druck aufzubauen. Dazu weisen die Schne- ckenabschnitte, die zwischen zwei benachbarten Ringabschnitten liegen, im allgemeinen eine Länge von mindestens 1/10, vorzugsweise mindestens 1/5 des Schneckendurchmessers auf. Die Ringabschnitte werden vorzugsweise durch Eindre- hungen in das Schneckenelement gebildet . Die Eindrehungen weisen vorzugsweise eine Tiefe von beispielsweise 1/2 oder weniger der Gangtiefe auf. Der Winkel der Flanken der Eindrehungen kann beispielsweise 30 bis 90 Grad betragen. Vorzugsweise werden schräge Eindrehungen durchgeführt, insbesondere mit einem Winkel von etwa 60 Grad zur Wellenachse.
Durch Werkstoffabtrag am Schneckenkamm und Flanken kann das Schneckenelement mit weiteren Abschnitten versehen werden. So kann insbesondere ein im wesentlichen förderneutraler Mischabsσhnitt durch Werkstoffabtrag vorgesehen sein.
Damit wird erfindungsgemäß insbesondere für Mehrwellenextruder ein Schneckenelement zur Verfügung gestellt, mit dem die vielfältigsten Ansprüche der Verfahrenstechnik von einem definierten Längsmischen großer Volumina im Dezili- terbereich bis zu einem intensiven und nachhaltigen Einwirken im Centi- bis Milliliterbereich erfüllt werden können. Nach den Ringspalten kann sich der Schneckengang im gleichen Gangsteigungswinkel fortsetzen. D.h., die Schneckenabschnitte des Schneckenelementes können, abgesehen von den eingedrehten Unterbrechungen im Bereich der Ringabschnitte einen fortlaufenden Schneckengang bilden.
Durch die Ringabschnitte werden zusätzliche Dispergierflachen gewonnen. Eine wesentliche Dispergierflächenvergröße- rung kann zudem dadurch erreicht werden, dass die Schne- ckenabschnitte zwischen den Ringabschnitten mit gleichem Drehsinn fortschreitend zueinander winkelversetzt angeordnet sind, beispielsweise mit einem Winkelversatz um den halben Gangwinkel. Durch die winkelversetzten Schneckenabschnitte werden treppenartig winkelversetzte Stirnflächen als zusätzliche Dispergierflachen gebildet.
Der erfindungsgemäße Extruder kann lediglich zwei Schneckenwellen aufweisen. Er kann jedoch auch mindestens drei in einem Hohlraum des Extrudergehäuses längs eines Kreises oder Kreisbogens mit gleichem Zentriwinkelabstand angeordnete Wellen aufweisen, wobei das Extrudergehäuse an der radial innen- und außenliegenden Seite des Hohlraumes mit zur Extruderachse parallelen konkaven Kreissegmenten versehen ist, an denen die Schneckenelemente dicht geführt sind, wie beispielsweise in EP-B-0788867 beschrieben. Mit den erfindungsgemäßen Schneckenelementen kann damit ein Stoffdurchtritt durch den Wellenkranz von einer Seite des Hohlraumes zur anderen erfolgen.
Nachstehend ist der erfindungsgemäße Extruder anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Figur 1 einen Querschnitt durch einen Zweiwellenextruder mit am ganzen Umfang dicht ineinander greifenden Schneckenelementen;
Figur 2 a bis 2 c eine Seitenansicht, perspektivische Ansicht bzw. Ansicht des Stirnprofils einer ersten Ausführungsform des Schneckenelementes;
Figur 3 a bis 3 b eine Seitenansicht, perspektivische An- sieht bzw. Ansicht des Stirnprofils einer zweiten Ausführungsform des Schneckenelementes; und
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Schneckenelementes; und
Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform des Schneckenelementes
Gemäß Figur 1 weisen die Schneckenelemente 1 ein Stirnpro- fil 2 auf, das sich aus drei Kreisbögen A-B, E-F und A-E zusammensetzt. Der Kreisbogen A-B weist einen Durchmesser auf, der dem Schneckenaußendurchmesser D entspricht, der Kreisbogen E-F einen Durchmesser, der dem Schneckenkern- durchmesser d entspricht und der Kreisbogen A-E einen Durchmesser, dessen Radius dem Achsabstand Ax der beiden Schneckenelemente 1 entspricht (Vgl. EP-B-0002131) .
Die ineinander greifenden Schneckenelemente 1 des Zweiwellenextruders sind verdrehsicher auf zwei parallele, gleich- sinnig drehende Wellen 3 aufgesteckt, die zu den Schneckenwellen 3 parallelen Kreissegmenten 4 des Extrudergehäuses 6 geführt sind, sodass zwei Zwickel 5 gebildet werden. Gemäß Figur 2 a bis 2 c weist das zweigängige Schneckenelement 1 drei zur Wellenachse 7 konzentrische und im Abstand angeordnete Ringabschnitt 8 auf .
Die Ringabschnitte 8 sind hier, bezogen auf die durch den Pfeil 9 dargestellte Förderrichtung, an der dem Auslass des Extruders zugewandten Seite des Schneckenelementes 1 vorgesehen, d.h., es ist in Förderrichtung 9 ein langer Schneckenabschnitt 11a vorgesehen, an den sich nach den ersten beiden Ringabschnitten 8 zwei kürzere Schneckenabschnitte 11b und 11c und nach dem dritten Ringabschnitt 8 ein noch kürzerer Schneckenabschnitt lld anschließen.
Während der Schneckenabschnitt 11a etwa dem Schneckendurch- messer D entspricht, entspricht der Abstand der Ringabschnitte 8 voneinander etwa ein Drittel des Schneckendurchmessers und der Abstand der Stirnfläche des Schneckensegmentes 11 d vom benachbarten Ringabschnitt 8 lediglich etwa 1/6 D.
Die Ringabschnitte 8 werden durch Eindrehungen 12 in das Schneckenelement 1 erhalten. Der Winkel der Flanken 13 der Eindrehungen 12 zur Wellenachse 10 beträgt etwa 60 Grad.
Die Höhe der Ringspalte 14 zwischen den Ringabschnitten 8 und dem Extrudergehäuse 6 beträgt nach Figur 2 c etwa die Hälfte der Gangtiefe t, also der halben Differenz zwischen dem Kerndurchmesser d und dem Schneckenaußendurchmesser D (Figur 1). Der Durchmesser dr der Ringabschnitte 8 entspricht damit etwa dem Achsabstand Ax der Wellen 3 voneinander . Das Schneckenelement 1 nach Figur 3a bis 3c unterscheidet sich von dem nach Figur 2a bis 2c im Wesentlichen dadurch, dass statt des Schneckenabschnittes 11a ein förderneutraler Abschnitt 15 vorgesehen ist, der durch einen entsprechenden Werkstoffabtrag des Schneckenkamms des Schneckenelementes 1 gebildet wird.
Das Schneckenelement 1 nach Figur 3a bis 3c ist insbesondere für einen Extruder geeignet, der drei und mehr in einem Hohlraum eines Extrudergehäuses längs eines Kreises oder Kreisbogens mit gleichem Zentriwinkelabstand angeordnete Schneckenelemente aufweist, die den Hohlraum in einen Innen- und Außenraum teilen. Wie erwähnt, muss bei derartigen Ringextrudern ein Materialausgleich zwischen dem Innen- und dem Außenrahmen erfolgen. Während die Ringabschnitte 8 und die kurzen Schneckenabschnitte 11b, c und d des Schneckenelementes nach Figur 3a bis 3c den Produktfluss hemmen, wird durch den Abschnitt 15 ein Durchlass von einem in den anderen Verfahrensraum ermöglicht.
Das Schneckenelement nach Figur 4 unterscheidet sich von dem nach Figur 3a bis 3c im Wesentlichen dadurch, dass nur zwei Ringabschnitte 8 vorgesehen sind, wobei der eine Ringabschnitt 8 zwischen der einen Stirnfläche des Schnecken- elementes 1 und dem förderneutralen Abschnitt 15 angeordnet ist, und zwei durch den zweiten Ringabschnitt 8 getrennte Schneckenabschnitte lle und f sowie ein weiterer Schneckenabschnitt 11g zwischen der Stirnfläche des Schneckenelementes 1 und dem Ringabschnitt 8 an dem Abschnitt 15 vorgese- hen sind.
Bei dem Schneckenelement 1 nach Figur 2 a bis 2 c, Figur 3 a bis 3 c und Figur 4 ist , wie in Figur 2 a durch die ge- strichelte Linie 16 angedeutet, ein fortlaufender Schneckengang gebildet, der lediglich durch die Eindrehungen 12 mit den Ringabschnitten 8 unterbrochen wird.
Demgegenüber sind bei der Ausführungsform nach Figur 5 die Schneckenabschnitte 11 h, i, j ... zwischen den Ringabschnitten 8 mit gleichem Drehsinn fortschreitend zueinander winkelversetzt angeordnet.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Extruder zum kontinuierlichen Bearbeiten und/oder Verarbeiten von fliessfähigen Stoffen, mit wenigstens zwei parallelen, gleichsinnig drehenden Wellen, die mit ineinander greifenden Schneckenelementen bestückt sind, deren Stirnfläche durch Kreisbögen begrenzt wird, die dem Schneckenaußendurchmesser, dem Schneckenkerndurchmesser und maximal dem Achsabstand der Schneckenelemente entsprechen und die an zu den Wellen parallelen Kreissegmenten des Extrudergehäuses geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schneckenelement (1) mehrere im Abstand angeordnete konzentrische Ringabschnitte (8) aufweist, welche durch Eindrehungen (12) in das Schneckenelement (1) gebildet sind.
2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand der Ringabschnitte (8) des Schneckenelementes (1) nicht größer als der Schneckenaußendurchmesser (D) ist.
3. Extruder nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand der Ringabschnitte (8) des Schneckenelementes (1) mindestens 1/10 der Schneckendurchmesser (D) beträgt.
4. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Ringspaltes (14) zwischen den Ringabschnitten (8) und den Kreissegmenten (4) des Extrudergehäuses (6) ein Viertel bis drei Viertel der Gangtiefe (t) entspricht .
5. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d) der Ringabschnitte (8) etwa dem Achsabstand (Ax) der Wellen (3) entspricht.
6. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (13) der Ringabschnitte (8) schräg zur Wellenachse (7) verlaufen.
7. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenabschnitte
(11 h, i, j ...) zwischen den Ringabschnitten (8) mit gleichem Drehsinn fortschreitend zueinander winkelversetzt angeordnet sind.
8. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenabschnitte (11a, b, c ...) des Schneckenelementes (1), abgesehen von der Unterbrechung im Bereich der Ringabschnitte (8) , einen fortlaufenden Schneckengang (16) bilden.
9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenelement (1) zusätzlich wenigstens einen förderneutralen Abschnitt (15) aufweist.
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