DE102004012737A1

DE102004012737A1 - Vorrichtung zur Ableitung der Abwärme, die durch die Verwendung von Leistungshalbleitern in Kunststoff-Schweißextrudern zum direkten Anschluss an das Wechselstrom- oder Drehstromnetz entsteht

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Publication number: DE102004012737A1
Application number: DE102004012737A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-10-06

Abstract

Vorrichtung zur Ableitung der Abwärme, die durch die Verwendung von Leistungshalbleitern in Kunststoff-Schweißextrudern zum direkten Anschluss an das Wechselstrom- oder Drehstromnetz entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme produzierenden Leistungshalbleiter um ein als Hohlprofil oder rohrförmig ausgeführten Kühlkörper herum angeordnet und mit diesem verbunden sind, und wobei der Kühlkörper die Abwärme an ihn durchströmende Luft abgibt.

Description

In der Kunststoffverarbeitung werden für das Verschweißen von Kunststoffplatten, – Rohren oder -Folien tragbare Schweißextruder eingesetzt.
Diese bestehen aus folgenden Baugruppen:

– Einem Extrusionsteil mit beheiztem Extruderzylinder und Extruderschnecke.
– Einem Antriebsmotor für die Extruderschnecke, meist einer modifizierten Bohrmaschine, die an den Extruderzylinder angebaut ist.
– Einem Lufterhitzer zur Erzeugung von Heißluft um die Schweißnaht zu erwärmen, oder einem Lufterhitzer mit integriertem Gebläse, oder einem zusätzlichen Gebläse, falls die Luft nicht extern erzeugt und über einen Schlauch zugeführt wird. Die Antriebsmotoren der Gebläse sind typischerweise Universalmotoren.
– Einer Elektronik zur Regelung der Extrudat- und der Lufttemperatur, an die Temperatursensoren angeschlossen sind und die die Heizelemente über geeignete Bauteile schaltet. Üblicherweise in einem eigenen Gehäuse an den Antriebsmotor angebaut.
– Bauteilen zum Schalten der Heizelemente im Extruderzylinder und im Lufterhitzer, meistens Halbleiterrelais. Üblicherweise in dem Gehäuse untergebracht, in dem auch die Elektronik zur Regelung der Extrudat- und der Lufttemperatur untergebracht ist.

Die bisher verwendeten Antriebe für Schweißextruder haben folgende Nachteile:

– eine Motor-Nenndrehzahl von meist über 15.000 U/Min. Um auf die Nenndrehzahl der Schweißextruderschnecke von unter 800 U/Min zu kommen, sind hoch untersetzte Getriebe nötig.
– Große Lärmemission durch die hohe Drehzahl der Motoren, was bei längerer Arbeit mit dem Gerät arbeitsmedizinisch problematisch ist – es muss Gehörschutz getragen werden.
– Schlechter Wirkungsgrad des Universalmotors in Verbindung mit dem hoch untersetzten Getriebe führt zu einem schlechten Gesamtwirkungsgrad des Antriebs.
– Wartungsintensiv durch Bürsten im Motor.

Die oben beschriebenen Nachteile können durch den Einsatz von 3-Phasen Drehstrommotoren oder von bürstenlosen Permanentmagnetmotoren beseitigt werden.
Diese haben einen höheren Wirkungsgrad, eine größere Leistungsdichte und niedrigere Nenndrehzahlen als Universalmotoren und laufen leiser als Motoren mit Bürsten. Der Nachteil dieser Motoren ist gegenüber dem Universalmotor, dass diese nur mit einer entsprechenden Regelelektronik betrieben werden können. Diese ist typischerweise mit mehr als 10 × 10 × 20cm Kantenlänge so groß, dass sie nicht mit dem Schweißextruder zu einem integrierten Gerät verbunden werden kann.
Bei den Schweißextrudern der Firma MUNSCH Kunststoff-Schweißtechnik GmbH, Im Staudchen, D-56235 Ransbach-Baumbach, die seit Oktober 200l 3-Phasen Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern einsetzen, sind die Umrichter in eigenen Gehäusen untergebracht, die ca. 15 × 30 × 20cm groß sind und mit einem Spezialkabel mit dem eigentlichen Schweißextruder verbunden werden müssen.
Der Erfindung liegt folgendes Problem zugrunde:
Die bisherige Größe von Reglern oder Frequenzumrichtern verhindert die Integration dieser Baugruppen in den Schweißextruder und macht deren separate Unterbringung nötig. Daraus ergeben sich im einzelnen folgende Nachteile:

– Die Mobilität dieses Schweißextruders ist drastisch eingeschränkt.
– Es entstehen zusätzliche Kosten für die Herstellung eines separaten Gehäuses zur Unterbringung der Regler oder Frequenzumrichter.
– Die Abwärme der Regler oder Frequenzumrichter bleibt ungenutzt.

Damit ist die Aufgabe der Erfindung, die Verkleinerung des Reglers oder Frequenzumrichters, damit dieser zusammen mit der Regelelektronik für die verschiedenen Heizelemente und die Leistungshalbleiter zum Schalten dieser Heizelemente in einen Schweißextruder eingebaut werden kann und damit ein integriertes kompaktes Gerät bildet.
Wie kompakt ein Regler oder Frequenzumrichter aufgebaut werden kann, hängt von der Größe der verwendeten Bauteile ab, von der Baudichte der Bauteile auf den Leiterplatten und ganz entscheidend davon, wie gut die Abwärme insbesondere der Leistungshalbleiter abgeführt werden kann. Der Wirkungsgrad eines Reglers oder Frequenzumrichters beträgt typischerweise 80–90%. Bei einem Antriebsmotor mit 450W Abgabeleistung und einem Wirkungsgrad von 85% entsteht damit eine Verlustleitung in einem Regler mit 85% Wirkungsgrad von ca. 90 W.
Hinzu kommt die Abwärme der Leistungshalbleiter zum Schalten der Heizelemente von typischerweise 1W/A geschalteter Leistung. In einem Schweißextruder mit typischerweise 3000W Heizleistung fallen damit beim Betrieb an 230VAC Netzspannung weitere 13W Abwärme an.
Die Lösung dieser Probleme ist die Erfindung mit folgenden Kennzeichen: Die Vorrichtung sorgt für die effiziente Abführung der Abwärme der Leistungshalbleiter, und ermöglicht es, die Regler oder Frequenzumrichter so kompakt aufzubauen, dass diese zusammen mit den Leistungshalbleitern zum Schalten der Heizelemente und der Temperatur-Regelelektronik in einem Gehäuse untergebracht werden können, das Teil des Schweißextruders ist.
Die hier genannten Leistungshalbleiter sind insbesondere Gleichrichter, MOSFETs, IGBTs, Halbleiterrelais, oder zu Modulen zusammengefasste Leistungshalbleiter die auch weitere Bauteile enthalten können.
Durch die Art der Unterbringung der elektrischen Komponenten und insbesondere der Leistungshalbleiter um die Vorrichtung herum in einem Gehäuse, das Teil des Schweißextruders ist, kann die Abwärme der Leistungshalbleiter nahezu vollständig genutzt werden, was den Wirkungsgrad des Antriebs erhöht.
Dabei wird die Abwärme der Bauteile über die Vorrichtung, die aus einen als Hohlprofil geformten Kühlkörper besteht, an Luft abgegeben die diesen durchströmt. Die aufgewärmte Luft wird dann einem Lufterhitzer zugeführt, der Teil jedes Schweißextruders ist.
Durch die große Luftmenge von typischerweise über 300l/Min kann der Kühlkörper klein ausfallen und die Dichte der Rippen oder Lamellen sehr hoch sein.
Wenn das Gebläse zur Erzeugung der Luft in dem Schweißextruder untergebracht werden soll, kann zum Beispiel ein Radialgebläse eingesetzt werden, bei welchem der Motor innerhalb des Hohlprofils untergebracht ist.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung.
Dabei ist der Kühlkörper (1) als Hohlprofil mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt. An drei Seiten dieses Kühlkörpers, sind die Leistungshalbleiter (2) montiert. Diese sind auf den Leiterplatten (3) montiert. Auf einer Seite des Kühlkörpers befindet sich ein Radialgebläse (4). Der Antriebsmotor (5) befindet sich innerhalb des Kühlkörpers. Durch den Lufteinlass (6) wird Luft durch den Kühlkörper (1) gesaugt, und durch die Luftauslassöffnung (7) dem Lufterhitzer zugeführt.

Claims

Vorrichtung zur Ableitung der Abwärme, die durch die Verwendung von Leistungshalbleitern in Kunststoff-Schweißextrudern zum direkten Anschluss an das Wechselstrom- oder Drehstromnetz entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme produzierenden Leistungshalbleiter um ein als Hohlprofil oder rohrförmig ausgeführten Kühlkörper herum angeordnet und mit diesem verbunden sind, und wobei der Kühlkörper die Abwärme an ihn durchströmende Luft abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Hohlprofil hindurchgeführte Luft, deren Temperatur dann durch die Abwärme der Leistungshalbleiter erhöht ist, dem Lufterhitzer des Schweißextruders zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil ein monolithisch hergestelltes Profil aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem anderen gut wärmeleitenden Material sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil aus mehreren einzelnen Profilen oder Teilen zusammengesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil aus mehreren einzelnen Profilen auch aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil zu einem Teil durch Kunststoffflächen gebildet wird, welche Teil des Gehäuses sind, in dem sich die Leistungshalbleiter und auch das Hohlprofil befinden können, und nur ein Teil aus einem gut wärmeleitenden Material besteht, an welchem die Abwärme erzeugenden Leistungshalbleiter angebaut sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen des Hohlprofils, an die die Abwärme erzeugenden Leistungshalbleiter angebaut sind, auf der Innenseite mit Rippen, Lamellen oder ähnlichen, die Oberfläche vergrößernden Einrichtungen versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Rippen, Lamellen oder ähnliche, die Oberfläche vergrößernden Einrichtungen in dem Hohlprofil in der Mitte des Hohlprofils in Profilrichtung einen Raum lassen, in dem ein Motor zum Antrieb eines Axial- oder Radial- oder Schleuderradgebläses untergebracht werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft, die durch das Hohlprofil hindurch einem Lufterhitzer zugeleitet wird, von einem Axial- oder Radial- oder Schleuderradgebläse erzeugt wird, welches sich direkt vor oder hinter dem Hohlprofil befindet und die Luft durch das Hohlprofil saugt oder bläst.
Vorrichtung zur Ableitung und Nutzung der Abwärme nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor des Gebläses sich mittig in dem Hohlprofil befindet, von der durch das Hohlprofil strömenden Luft umflossen wird und dadurch gekühlt wird.
Kunststoff-Schweißextruder mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1–10.