AT507972A1

AT507972A1 - Vorrichtung zur verarbeitung von material durch mischung und/oder plastifizierung

Info

Publication number: AT507972A1
Application number: AT0035409A
Authority: AT
Original assignee: Schulz Helmuth Ing
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-15
Also published as: AT507972B1

Description


  (35 843) hei 

  
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Material durch Mischung und/oder Plastifizierung, mit zumindest zwei nebeneinander in einem gemeinsamen Schneckengehäuse angeordneten konischen Schnecken, deren Schneckengänge miteinander in Eingriff stehen und zum Umlauf um die jeweilige Schneckenachse durch zumindest einen Motor mit gleicher Umlaufrichtung angetrieben sind, wobei das zu verarbeitende Material den Schnecken durch zumindest eine im Einzugsbereich des einen Stirnendes der Schnecken angeordnete Einzugsöffnung des Schneckengehäuses zugeführt wird und das von den Schnecken verarbeitete Material das Schneckengehäuse durch zumindest eine im Abgabebereich des anderen Stirnendes der Schnecken angeordnete Austrittsöffnung des Schneckengehäuses verlässt. 

  
Derartige Vorrichtungen eignen sich insbesondere auch zur Aufbereitung von zum Recycling vorgesehenen Kunststoffabfällen. Häufig werden solche Doppelschneckenextruder zur Mischung unterschiedlicher Polyolifinarten bzw. zur Compoundierung von Kunststoffen unterschiedlichster Arten verwendet. Üblicherweise liegen diese Materialien als loses Schüttgut vor, dessen spezifisches Gewicht vergleichsweise gering ist, was wiederum zur Folge hat, dass zur Erzielung eines ausreichenden Durchsatzes grosse Mengen an zu verarbeitenden Material im Einzugsbereich der Schnecken aufgenommen werden müssen.

   Diese Materialmengen haben dann im Verlauf des durch die Schnecken zu erfolgenden Transportes und durch die dort erfolgende Aufschmelzung, Entgasung und Verdichtung von der Einzugsöffnung zur Austrittsöffnung auf das gewünschte Mass plastifiziert bzw. homogenisiert zu wer den, um im Bereich der Austrittsöffnung eine gewünschten Materialqualität zu erhalten. Durch die Wahl einer geeigneten Geometrie der Schneckengänge, lässt sich dieses Problem zu einem gewissen Grad bewältigen. Jedoch steht dem entgegen, dass die Verhältnisse beim zu verarbeitenden Kunststoffmaterial nicht immer gleich sind, insbesondere was die Grösse der zu verarbeitenden Materialien betrifft, aber auch deren Materialart, Verschmutzungsgrad und dgl. Auch diesbezüglich hat sich die Verwendung bekannter Doppelschneckenextruder als nicht völlig befriedigend erwiesen. 

  
Um bei derartigen aus der DE 15 29 812 A1 bekannten Vorrichtungen das Mischungsverhältnis weiter zu verbessern ist es bekannt (AT 503 371 A), die beiden Schnecken als Bestandteile eines Doppelschneckenextruders mit konischen Schnecken auszubilden, die mit gleicher Umlaufrichtung angetrieben sind, wobei den Drehgeschwindigkeiten der Schnecken Oberwellen aufgeprägt sind. Derartige Extruder eignen sich gut zur Aufbereitung von Recyclingmaterialien und es ergibt sich eine Verbesserung hinsichtlich der Durchmischung und Aufbereitung des Materials. Allerdings besitzen diese bekannten Extruder eine nicht überzeugende Förderleistung. 

  
Ausgehend von einem Stand der Technik der eingangs geschilderten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Kunststoffen zu schaffen, welche bei einer verbesserten Förderleistung für eine gute Durchmischung und Homogenisierung des Kunststoffes sorgt. 

  
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das Verhältnis von Schneckendurchmesser zu Überdeckung, also zur Überlappungsfläche beider Schnecken, sowohl im Einzugsbereich als auch im Abgabebereich im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu zwei ist. 

  
Überrascherweise hat sich gezeigt, dass sich beim Vorsehen der erfindungsgemässen Verhältnisse, insbesondere in Abhängigkeit der Überlappungsflächen beider Flächen im Einzugsbereich einerseits als auch im Abgabebereich andererseits,  dann verbesserte Verhältnisse für die Förderwirkung ergeben, wenn das Verhältnis vom Schneckendurchmesser zur Überdeckung im Bereich von eins zu eins und eins zu zwei ist. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass mit derartigen Vorrichtungen massiv höhere Drehgeschwindigkeiten für die Extruderschnecken realisiert werden können und ein gegenüber bekannten Vorrichtungen viel geringerer Verschleiss auftritt.

   Die verringerte Verschleisswirkung ergibt sich durch die gegenüber gegenläufigen Schnecken erheblich verringerten Spreizkräfte, da der aufzuschmelzende Kunststoff praktisch um beide Förderschnecken umlaufend gefördert wird und somit keine, die Verschleisskräfte bewirkenden Scherkräfte bzw. Spreizkräfte entstehen, welche die Extruderschnecken gegen die Gehäusemantelfläche andrücken. Durch diese Verhältnisse ergibt sich zudem eine insgesamt verbesserte Durchmischung der Kunststoffschmelze. Von Vorteil ist es dabei insbesondere, wenn das Verhältnis von Schneckendurchmesser zu Überdeckung, also zur Überlappungsfläche beider Schnecken vom Einzugsbereich bis zum Abgabebereich, also über die gesamte Eingriffslänge beider Schnecken, zumindest annähernd gleich ist. 

  
Erfindungsgemässe Vorrichtungen besitzen bei gleicher Grösse eine erheblich verbesserte Durchsatzrate, im Vergleich zum Stand der Technik. Die konischen, gleichlaufenden Extruderschnecken weisen in üblicher Weise verschiedene Zonen auf, insbesondere eine Einzugszone, eine Aufschmelzzone, einen Mischer, eine Entgasung und eine, eine einen entsprechenden Staudruck aufbauende und die Schmelze homogenisierende Förderzone zum Ausbringen des aufgeschmolzenen Kunststoffes aus der Vorrichtung.

   Um verschiedenste Zusammensetzungen von aufzuschmelzendem Kunststoffgranulat, insbesondere Kunststoffgranulat mit geringem und mit höherem Schüttgewicht gleichermassen mit der Vorrichtung aufschmelzen zu können, empfiehlt es sich, wenn das Verhältnis von der zumindest annähernd der Schneckengangtiefe einer Schnecke entsprechenden maximalen Überdeckungshöhe im Abgabebereich zur Überdeckungshöhe im Einzugsbereich im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier ist.  Gleichermassen kann die Konizität der Schnecke entsprechend angepasst werden, wobei das Verhältnis vom Schneckenaussendurchmesser in Abgabebereich zum Schneckenaussendurchmesser im Einzugsbereich vorzugsweise im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier ist. 

  
Für das Verhältnis vom Schneckenaussendurchmesser im Abgabebereich zur Schneckenlänge empfiehlt es sich, wenn dieses Verhältnis im Bereich zwischen eins zu zwanzig und eins zu fünfzig liegt. 

  
Besonders vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich, wenn die konischen Schnecken in Schneckenlängsrichtung wenigstens drei vorzugsweise fünf Abschnitte umfasst, von denen die einander anschliessenden Abschnitte unterschiedliche Verzahnungen bzw. Verzahnungsgeometrien aufweisen. 

  
Um die verschiedenen Bearbeitungszonen sauber voneinander trennen zu können bzw. zur Verbesserung der Qualität des zu fertigenden Kunststoffes können die aneinander anschliessenden Abschnitte eine zumindest annähernd gleiche Verzahnung (hinsichtlich des moduls) aufweisen, wobei allerdings diese einander anschliessenden Schneckenabschnitte vorzugsweise eine unterschiedliche Gangzahl aufweisen. Die Abschnitte geringerer Gangzahl wirken in diesem Fall als Durchflussdrosseln bzw. als Bremsen und sorgen somit dafür, dass stets eine erforderliche Mindestverweildauer des aufzubereitenden Kunststoffes in den vorgesehenen Bearbeitungsabschnitten gewährleistet ist.

   Ist der eine Bearbeitungsabschnitt beispielsweise zweigängig und der daran anschliessende Bearbeitungsabschnitt eingängig ausgestaltet, so empfiehlt es sich, wenn der zwischen zwei Schneckenabschnitten mit zumindest annähernd gleicher Verzahnungsgeometrie vorgesehene Schneckenabschnitt eine 1,5 bis 2,5 fache, vorzugsweise 2 fache Zahnkopf- und Zahnfussbreite aufweist. Die einzelnen Verzahnungsabschnitte können in üblicher Weise gesondert gefertigt und gegebenenfalls unter Zwischenlage von Abstandsscheiben miteinander verschraubt werden.

    Eine besonders bevorzugte Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemässen Extruders zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Schneckenabschnitt den Einzugs- und Aufschmelzbereich, der dritte Schneckenabschnitt den Entgasungsbereich und der fünfte Schneckenabschnitt den zum Austragsbereich weisenden Homogenisierungs- und Austragsbereich eines Extruders bildet und dass der zweite und vierte Schneckenabschnitt die Drosseln bzw. insbesondere Dichtungsbereiche darstellen, die beispielsweise dadurch gebildet werden, dass eben diese Drosseln bzw. Dichtungsbereiche gegenüber den anderen Abschnitten mit einer geringeren Gangzahl ausgestattet sind. Des weiteren kann zwischen den einzelnen Abschnitten eine gesonderte Mischeinheit mit, beispielsweise einer Form von elliptisch ausgebildeten Flügelrädern vorgesehen sein. 

  
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt. Es zeigen 

  
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung im teilgeschnittenen Längsschnitt, Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt der Vorrichtung aus Fig. 1 in vergrössertem 

  
Massstab und Fig. 3 eine schematische Darstellung des Verhältnisses vom Schneckendurchmesser zur Überdeckung, also zur Überlappungsfläche beider Schnecken, sowohl im Einzugsbereich als auch im Abgabebereich. 

  
Eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Material, insbesondere von Kunststoffgranulat, durch Mischung und/oder Plastifizierung umfasst zwei nebeneinander in einem gemeinsamen Schneckengehäuse 1 angeordnete konische Schnecken 2, 3, deren Schneckengänge miteinander im Eingriff stehen und zum Umlauf um die jeweilige Schneckenachse 4, 5 durch zumindest einen nicht näher dargestellten Motor mit gleicher Umlaufrichtung angetrieben sind, wobei das zu verarbeitende Material den Schnecken 2, 3 durch eine im Einzugsbereich E des einen Stirnendes der Schnecken 2, 3 angeordnete Einzugsöffnung 6 des Schneckengehäuses 1 zugeführt wird und das von den Schnecken 2, 3 verarbeitete Material das Schneckengehäuse 1 durch zumindest einen Abgabebereich A des anderen Stirnendes der Schnecken 4, 5 angeordnete Austrittsöffnung 7 des Schneckengehäuses 1 verlässt.

    Die dargestellte Vorrichtung umfasst konische Schnecken 2, 3, die in Schneckenlängsrichtung fünf Abschnitte umfassen, von denen die aneinander anschliessenden Abschnitte verschiedene Verzahnungen aufweisen. Insbesondere weisen die aneinander anschliessenden Schneckenabschnitte eine zumindest annähernd gleiche Verzahnungsgeometrie auf, allerdings besitzen diese Schneckenabschnitte eine unterschiedliche Gangzahl, die sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um den Faktor 1 unterscheidet. Deshalb weist der zwischen zwei zweigängigen Schneckenabschnitten vorgesehene eingängige Schneckenabschnitt insbesondere eine 1,5 bis 2,5 fache Zahnkopf- und Zahnfussbreite (k, z) auf. 

  
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der erste Schneckenabschnitt den Einzugs- und Aufschmelzbereich E, S, der dritte Schneckenabschnitt den Entgasungsabschnitt G und der fünfte Schneckenabschnitt den zum Austragsbereich weisenden Homogenisierungs- und Pumpbereich P aus und stellen der zweite und vierte Schneckenabschnitt eingängige Dichtungsbereiche D dar. 

  
Das Verhältnis von der zumindest annähernd der Schneckengangtiefe einer Schnecke 3, 4 entsprechend maximalen Überdeckungshöhe a im Abgabebereich A zur Überdeckungshöhe b im Einzugsbereich E liegt im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier. Da das Spiel zwischen den einzelnen Schnecken üblicherweise minimal sein soll, ist dieser Abstand hier nicht berücksichtigt. Das Verhältnis von Schneckenaussendurchmesser c im Abgabebereich zum Schneckenaussendurchmesser d im Einzugsbereich liegt im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier. Das Verhältnis von Schnecken im Aussendurchmesser c im Abgabebereich zur Seh necken länge E ist im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu zwanzig. 

  
D/AD = 1 :1 - 1:2 (Durchmesser/Überdeckungsflächenverhältnis) d/A = 1 :1 - 1 :2 (Durchmesser/Überdeckungsflächenverhältnis) a/b = 1 :1 - 1 :4 (Schneckengangtiefe) c/d = 1 :1 - 1 :4 (Schneckenaussendurchmesser) c/Schneckenlänge = 1:20 - 1:50  und vorzugsweise D/AD = d/Ad. 

  
Die Uberdeckungsfläche A kann nach folgender Formel errechnet werden: 

  
A = d<2>[pi] 
 <EMI ID=7.1> 
 d* 

  
360 

  
<2>A<¯>2 

  
<">^ 2-+- 2(</-*) <;> wobei d der Durchmesser der Schnecken und x der Abstand der Schneckenachsen auf Höhe der zu berechnenden Uberdeckungsfläche ist. 
 <EMI ID=7.2>

Claims

(35 843) hei Patentanwälte Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Dipl.-Ing. Friedrich Jell Spittelwiege 7, A 4020 Linz Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verarbeitung von Material durch Mischung und/oder Plastifizierung, mit zumindest zwei nebeneinander in einem gemeinsamen Schneckengehäuse angeordneten konischen Schnecken, deren Schneckengänge miteinander in Eingriff stehen und zum Umlauf um die jeweilige Schneckenachse durch zumindest einen Motor mit gleicher Umlaufrichtung angetrieben sind, wobei das zu verarbeitende Material den Schnecken durch zumindest eine im Einzugsbereich des einen Stirnendes der Schnecken angeordnete Einzugsöffnung des Schneckengehäuses zugeführt wird und das von den Schnecken verarbeitete Material das Schneckengehäuse durch zumindest eine im Abgabebereich des anderen Stirnendes der Schnecken angeordnete Austrittsöffnung des Schneckengehäuses verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zahlenwerte von Schneckenaussendurchmesser (c, d) zu Überdeckung,

also zur Überlappungsfläche beider Schnecken (2, 3), sowohl im Einzugsbereich (E) als auch im Abgabebereich (A) im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu zwei ist.

1. Vorrichtung zur Verarbeitung von Material durch Mischung und/oder Plastifizierung, mit zumindest zwei nebeneinander in einem gemeinsamen Schneckengehäuse angeordneten konischen Schnecken, deren Schneckengänge miteinander in Eingriff stehen und zum Umlauf um die jeweilige Schneckenachse durch zumindest einen Motor mit gleicher Umlaufrichtung angetrieben sind, wobei das zu verarbeitende Material den Schnecken durch zumindest eine im Einzugsbereich des einen Stirnendes der Schnecken angeordnete Einzugsöffnung des Schneckengehäuses zugeführt wird und das von den Schnecken verarbeitete Material das Schneckengehäuse durch zumindest eine im Abgabebereich des anderen Stirnendes der Schnecken angeordnete Austrittsöffnung des Schneckengehäuses verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Schneckendurchmesser zu Überdeckung,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der zumindest annähernd der Schneckengangtiefe einer Schnecke (2, 3) entsprechenden maximale Überdeckungshöhe (a) im Abgabebereich zur Überdeckungshöhe (b) im Einzugsbereich im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der zumindest annähernd der Schneckengangtiefe einer Schnecke (2, 3) entsprechenden maximale Überdeckungshöhe (a) im Abgabebereich zur Überdeckungshöhe (b) im Einzugsbereich im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Schneckenaussendurchmesser (c) im Abgabebereich zum Schneckenaussendurchmesser (d) im Einzugsbereich im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier ist.

NACHGEREICHT 2-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Schneckenaussendurchmesser (c) im Abgabebereich zum Schneckenaussendurchmesser (d) im Einzugsbereich im Bereich zwischen eins zu eins und eins zu vier ist. . 9

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Schneckenaussendurchmesser (c) im Abgabebereich zur Schneckenlänge (e) im Bereich zwischen eins zu zwanzig und eins zu fünfzig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Schnecken (2, 3) in Schneckenlängsrichtung wenigstens drei, vorzugsweise fünf, Abschnitte umfasst, von denen die aneinander anschliessenden Abschnitte verschiedene Verzahnungen aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander anschliessenden Schneckenabschnitte eine zumindest annähernd gleiche Verzahnungsgeometrie aufweisen, allerdings eine verschiedene Gangzahl aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen zwei Schneckenabschnitten mit zumindest annähernd gleicher Verzahnungsgeometrie vorgesehene Schneckenabschnitt eine 1 ,5 bis 2,5-fache, vorzugsweise zweifache, Zahnkopf- (k) und Zahnfussbreite (z) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schneckenabschnitt den Aufschmelzbereich (S, E), der dritte Schneckenabschnitt den Entgasungsbereich (G) und der fünfte Schneckenabschnitt den zum Austragsbereich weisenden homogenisierungsbereich (P) eines Extruders bilden und dass der zweite und vierte Schneckenabschnitt Dichtungsbereiche (D) bilden.

Linz, am 4. März 2009 Ing. Helmuth Schulz durch: ' ' Patentanwälte

Dipl.-Ing. Helmut Hübscher

Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich

Dipl.-Ing. Friedrich Jell

Spittelwiese 7, A 4020 Linz

2A A 354/2009; B29C neue Patentansprüche

(35 843) hei P a t e n t a n s p r ü c h e :

Linz, am 29. April 2010 Helmuth Schulz <EMI ID=11.1>

NACHGEREICHT