DE102005031747A1

DE102005031747A1 - Verfahren zur Innenkühlung hohler Kunststoffprofile und Extruder zur Herstellung hohler Kunststoffprofile

Info

Publication number: DE102005031747A1
Application number: DE102005031747A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Schmühl; Ludwig Dr. Dietzsch
Original assignee: Inoex GmbH
Current assignee: Inoex GmbH
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-01-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Innenkühlung von Hohlprofilen aus Kunststoff, insbesondere von Rohren, wobei bei deren Herstellung in einer Extrusionslinie ein Kühlgas in den Innenraum des Hohlprofils geleitet wird sowie einen Extruder zur Herstellung derartiger Profile mit einem Extruderkopf, dessen Dorn mit einer Einrichtung zur Innenkühlung des extrudierten Hohlprofils ausgestattet ist. Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Verfahren und einen derartigen Extruder zur Verfügung zu stellen, die eine effektive und robuste Innenkühlung von extrudierten Hohlprofilen aus Kunststoff bei geringen Kosten gewährleisten. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass das zur Kühlung des Innenraums des Profils (6) verwendete Kühlgas (26) in einem Ranqueschen Wirbelrohr erzeugt wird. Dazu ist der Dorn (13) des Extruderkopfes (4) mit mindestens einem, sich axial erstreckenden Ranqueschen Wirbelrohr ausgestattet, dessen Kühlgasauslass (21) in den Innenraum des extrudierten Hohlprofils (6) mündet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Innenkühlung hohler Kunststoffprofile, insbesondere von Rohren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einem Extruder zur Herstellung hohler Kunststoffprofile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Nach dem Austritt aus dem Extruderkopf wird das heiße, noch verformbare Hohlprofil mittels einer am Ende der Extrusionslinie angeordneten Abzugseinheit durch eine Kalibrier- und Kühleinheit gezogen. In der Kalibriereinheit wird das Hohlprofil auf den gewünschten Querschnitt gebracht, der in der nachfolgenden Kühleinheit durch von außen aufgebrachtes Sprühwasser stabilisiert wird, in dem das Hohlprofil abkühlt. Es hat sich gezeigt, dass neben der Außenkühlung auch eine Innenkühlung wünschenswert ist, da dadurch der Abkühlvorgang wesentlich beschleunigt werden kann. Beispiele für eine Innenkühlung von extrudierten Hohlprofilen sind in DE 32 41 005 A1 , DE 197 36 644 A1 , DE 696 02 678 T2 , DE 697 14 731 T2 , DE 41 17 221 C2 , DE 694 03 693 T2 , DE 696 03 595 T2 , EP 1 043 142 A1 , DE 101 40 143 A1 , DE 696 00 623 T2 und DE 697 13 645 T2 zu finden.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und ein gattungsgemäßer Extruder sind in der DE 697 13 645 T2 beschrieben. Die Innenkühlung des Hohlprofils, in diesem Falle ein Kunststoffrohr, erfolgt mittels Kühlluft. Dazu ist in den hohlen Dorn des Extruderkopfes ein vorn geschlossener Hohlzylinder eingeschoben, der die nachfolgende Kalibriereinheit durchragt, wobei zwischen der Außenwand des Hohlzylinders und der Innenwandung des extrudierten Rohres ein Ringspalt verbleibt. Der Hohlzylinder ist doppelwandig und wird durch eine zentrale Zuleitung, die in die vordere Stirnwand des Hohlzylinders mündet, mit Kühlwasser versorgt. Dieses strömt von seiner Einlassstelle in der vorderen Stirnwand des Hohlzylinders radial nach außen und dann durch den zylindrischen Doppelmantel zum Extruderkopf zurück. Im Bereich des Dorns ist der Doppelmantel konisch einwärts gebogen und legt sich an den Umfang des zentralen Kühlwasserzuleitung an. Die Kühlluft wird in Extrusionsrichtung in den Hohlzylinder eingeblasen und an dem durch den Doppelmantel gebildeten Konus nach außen auf die Wandung des Hohlzylinders abgelenkt. Dort sind Durchtrittsöffnungen vorgesehen, durch die hindurch die Kühlluft in den Ringspalt fließt. Sie überstreicht dort die Innenwandung des extrudierten Rohres und kühlt dieses ab. Die von der Kühlluft aufgenommene Wärme wird zumindest teilweise durch das im Gegenstrom im Doppelmantel fließende Kühlwasser wieder abgeführt, so dass die Kühlluft über die gesamte Länge des Ringspalts Wärme vom extrudierten Rohr abführen kann.

Diese bekannte Technik ist recht aufwändig. Zudem muss auch darauf geachtet werden, dass das heiße, extrudierte Rohr keinen Kontakt mit dem innenliegenden, gekühlten Hohlzylinder bekommt, da es ansonsten an diesem festkleben bzw. anbacken könnte.

In der DE 696 02 678 T2 sind ein weiteres gattungsgemäßes Verfahren zur Innenkühlung von Hohlprofilen aus Kunststoff und ein weiterer gattungsgemäßer Extruder beschrieben. Dieser Extruder dient der Herstellung eines zweilagigen Kunststoffrohres. Am vorderen Dorn des Extruderkopfes ist ein Kühl- und Eichzylinder angebracht, der einen Kühlmantel besitzt, welcher über eine durch den hohlen Dorn geführte zentrale Zuleitung mit Kühlwasser versorgt wird. Dem Eich- und Kühlzylinder wird weiterhin, ebenfalls über eine zentrale Zuleitung Druckluft zugeführt, die aus einer am vorderen Ende des Eich- und Kühlzylinders vorgesehene Ringdüse in den Innenraum eines den Eich- und Kühlzylinder verlängernden Rohres einströmt. Der dadurch gebil dete, ringförmige Luftstreifen hat eine geringe Stärke bei hoher Geschwindigkeit und geringem Durchsatz. Er erzeugt einen Saugstrom, durch den die im Eich- und Kühlzylinder enthaltende Luft zum vorderen Ende des Rohres mitgenommen wird. Da die aus der Ringdüse ausströmende Druckluft auch im Eich- und Kühlzylinder einen Unterdruck erzeugt, strömt die aus dem vorderen Ende des Rohres austretende Luft in den zwischen der Außenwand des Rohres und der Innenwandung des extrudierten Kunststoffrohres gebildeten Ringraum zurück zum Eich- und Kühlzylinder, wobei die heiße Oberfläche des extrudierten Rohres gekühlt wird. Die rückgesaugte Luft wird im Eich- und Kühlzylinder gekühlt und gelangt von dort wieder in den Luftkreislauf.

Diese Innenkühlvorrichtung ist ebenfalls sehr aufwändig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Innenkühlung hohler Kunststoffprofile sowie einen gattungsgemäßen Extruder zur Verfügung zu stellen, die eine effektive und robuste Innenkühlung von extrudierten Hohlprofilen aus Kunststoff bei geringen Kosten gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, bzw. durch einen Extruder mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Das Ranquesche Wirbelrohr ist der Fachwelt sei langem bekannt. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung zur Trennung eines Gasstromes in einen wärmeren und einen kälteren Teilstrom. Es besteht aus einem Hohlzylinder mit verdeckten Stirnflächen, in den an einem Ende tangential ein Gasstrom eingeblasen wird. Es kommt zu einer Wirbelströmung, bei der die innere Reibung der Gasmoleküle überwunden werden muss. Dabei wird Energie verbraucht, die aus der Bewegungsenergie des Gasstroms gewonnen wird.

Diejenigen Moleküle, die zur Achse des Hohlzylinders hinwandern, werden am stärksten abgebremst und verlieren dadurch an Energie, d.h., sie kühlen sich ab. Gleichzeitig wird die Reibungswärme im wärmeren Gasstrom am Umfang des Rohres abgeführt. Es bildet sich also ein kälterer Gasstrom im Bereich der Achse des Hohlzylinders, der von einem wärmeren Gasstrom umgeben ist. Beide Gasströme werden an entgegengesetzten Seiten aus dem Wirbelrohr abgeführt.

Die vorliegende Erfindung nutzt dieses bekannte Phänomen des Ranqueschen Wirbelrohrs, um auf einfache und kostengünstige Weise ein Kühlgas zu produzieren, welches dann in den Innenraum eines extrudierten Hohlprofils zur Kühlung eingeleitet wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn als Kühlgas Luft eingesetzt wird. Luft steht in ausreichendem Maße zur Verfügung und ist in höchstem Maße umweltverträglich. Dabei kann Luft mit Raumtemperatur verwendet werden, wobei der kalte Teilstrom im Ranqueschen Wirbelrohr eine Temperatur von annähernd 0° C erreichen kann. Mit einem derartig kalten Teilstrom ist eine effektive Innenkühlung des extrudierten Hohlprofils möglich. Gleichzeitig kann aber in der Extrusionslinie auch der heiße Teilstrom genutzt werden.

Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn dem das Wirbelrohr verlassenden Kühlluftstrom Wasser beigemischt wird, da feuchte Luft besser kühlt als trockene Luft.

Es ist natürlich sehr sinnvoll, wenn das Ranquesche Wirbelrohr an einer Stelle angeordnet wird, an der die erzeugten Teilgasströme ohne lange Förderwege effektiv genutzt werden können. Erfindungsgemäß wird daher ein Extruder mit einem einen Dorn aufweisenden Extruderkopf vorgeschlagen, wobei in dem Dorn mindestens ein sich axial erstreckendes Ranquesches Wirbelrohr ausgebildet ist, dessen Kühlgasauslass in den Innenraum des extrudierten Hohlprofils mündet. Das Kühlgas gelangt also auf direktem We ge vom Ort seiner Herstellung in den Innenraum des extrudierten Hohlprofils. Gleichzeitig gibt der warme bzw. heiße Teilgasstrom seine Energie an die Wandung des Dorns ab, so dass dieser erwärmt bzw. aufgeheizt wird, was dem Extrusionsvorgang förderlich ist. Das Ranquesche Wirbelrohr ist auf einfache Weise herstellbar, in dem der Dorn z. B. aufgebohrt und seine in Extrusionsrichtung zeigende Stirnfläche mit einer Blende abgedeckt wird, die ein mittiges Loch als Ausgang für den Kühlgasstrom aufweist. An der gegenüberliegenden Stirnseite ist dann ein Ausgang für den Heiß- bzw. Warmgasstrom vorgesehen.

Um den das Ranquesche Wirbelrohr verlassenden Kühlgasstrom schnell und effektiv in den Bereich der Innenwandung des extrudierten Hohlprofils zu bringen, ist vor dem Kühlgasauslass eine Luftleiteinrichtung, z. B. in Form eines Kegels, angeordnet, die das Kühlgas nach außen ablenkt.

Es ist natürlich auch möglich, und manchmal auch sinnvoll, anstelle eines Ranqueschen Wirbelrohrs mehrere Ranquesche Wirbelrohre kleineren Durchmessers im Dorn zu platzieren, in dem der Dorn entsprechend mit mehreren Bohrungen aufgebohrt wird bzw. entsprechende zylindrische Aussparungen in diesem vorgesehen werden, wobei zwischen den Bohrungen Materialstege des Dorns stehen bleiben. Es gibt dann eine der Bohrungsanzahl entsprechende Anzahl von Kühlgasauslässen, durch die das Kühlgas in den Innenraum des extrudierten Hohlprofils abströmt, während die heißen Teilgasströme ihre Energie an die Materialstege des Dorns abgeben und diesen dadurch aufheizen und anschließend aus dem Wirbelrohr abströmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Extrusionslinie zur Herstellung von Kunststoffrohren,
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des vorderen Endes eines Extruderkopfes,
3 einen Schnitt A-A gemäß 2,
4 einen schematischen Querschnitt durch den Dorn eines Extruderkopfes in einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
5 eine Darstellung gemäß 4 in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die in 1 dargestellte Extrusionslinie umfasst eine Extrudereinheit 1 mit einem Aufgabetrichter 2, einer Extruderschnecke 3 und einem Extruderkopf 4. Über den Aufgabetrichter 2 wird ein thermoplastischer Kunststoff 5 in Granulat- oder Pulverform der Extrudereinheit 1 zugeführt. In dieser wird das Granulat bzw. Pulver erwärmt, geknetet und plastifiziert. Anschließend wird der Kunststoff als formbare Masse durch die Extruderschnecke 3 in den Extruderkopf 4 gefördert und dort durch einen Ringspalt 12 gedrückt, der zwischen einem in dem Extruderkopf 4 vorgesehenen Dom 13 und der Außenwandung des Extruderkopfes 4 gebildet ist.
Nach dem Austritt aus dem Extruderkopf 4 wird das heiße noch verformbare Rohr 6 mittels einer am Ende der Extrusionslinie angeordneten Abzugseinheit 7 durch eine Kalibrier- und Kühleinheit 8 hindurch abgezogen, die einen Vakuumtank 9 mit einer am Eingang angeordneten Kalibrierhülse 10 aufweist. Nach dem Verlassen der Kalibrier- und Kühleinheit 8 tritt das Rohr 6 in eine Kühlstrecke 11 ein, in der es von außen durch Besprühen mit Kühlwasser so weit abgekühlt wird, dass die in der Kalibrierhülse 10 eingestellte Form stabilisiert ist.
In dem in 2 gezeigten vorderen Ende des Extruderkopfes 4 wird die von der Extruderschnecke 3 geförderte Kunststoffschmelze 14 ringförmig aufgeteilt. Dazu ist eine Dornhalterspitze 15 vorgesehen, die kegelförmig in den Strom der Kunststoffschmelze 14 hineinragt. An die Dornhalterspitze 15 schließt sich eine Dornhalterstegplatte 16 an, über die der Dom 13 mit der Dornhalterspitze 15 durch Verschraubung verbunden ist. Der Dorn 13 geht an seinem vorderen Ende durch einen Absatz 13.1 in einen Bereich kleineren Durchmessers über, wodurch dort ein Hohlzylinder 17 gebildet ist. Im Bereich des Hohlzylinders 17 ist der Dorn 13 unter Belassung des Ringspalts 12 von einem hohlzylindrischen Mundstück 19 umgeben, welches mit dem Dorn 13 durch Verschraubung verbunden ist. Der Ringspalt 12 setzt sich durch den Dorn 13 hindurch bis zur Dornhalterspitze 15 hin fort. In der Dornhalterstegplatte 16 ist der Ringspalt 12 jeweils im Winkel von 90° durch Materialstege 16.1 unterbrochen, die aber für den Fluss der Kunststoffschmelze 14 nicht störend sind.
Der Hohlzylinder 17 ist an seinem vorderen Ende durch eine angeschraubte Blende 20 verschlossen, die eine zentrale Auslassöffnung 21 aufweist. Am gegenüberliegenden Stirnende des Hohlzylinders 17 ist ebenfalls eine Blende 22 vorgesehen, die an ihrem Umfang eine ringförmige Auslassöffnung 23 freigibt.
In der Dornhalterstegplatte 16 ist eine Luftzuführungsbohrung 24 vorgesehen, die in der Nähe der Mittelachse des Dorns 13 rechtwinklig zum Dorn 13 hin abgewinkelt ist, und in diesem bis zum vorderen Ende des Hohlzylinders 17 fortgesetzt wird. Dort mündet die Luftzuführungsbohrung 24 tangential in den Hohlzylinder 17 ein. Aufgrund dieser tangentialen Lufteinführung sowie der Auslässe 21 und 23 wirkt der Hohlzylinder 17 als Ranquesches Wirbelrohr. In diesem wird über die Luftzuführungsbohrung 24 Druckluft mit einem Druck von ca. 7 bar und einer Temperatur von ca. 20° C zugeführt.
Aufgrund dieser Luftzuführung in den Hohlzylinder 17 bilden sich in diesem, wie eingangs schon erläutert, zwei Luftströmungen: Eine heiße Luftströmung 25 an der Wandung des Hohlzylinders 17 und eine kalte Luftströmung 26 in Nähe der Mittelachse des Dorns 13. Die heiße Luftströmung 25 verlässt den Hohlzylinder 17 über die Auslassöffnung 23 und strömt von dort über eine Luftabführungsbohrung 27, die sich in der Dornhalterstegplatte 16 fortsetzt, ab. Die heiße Luftströmung 25 hat eine Temperatur von bis zu 110° C. Die Temperatur der kalten Luftströmung 26 beträgt etwa 0°C bis 5°C und verlässt den Hohlzylinder 17 über die Auslassöffnung 21 und kühlt so das extrudierte Rohr 6 zusätzlich zu der bereits erwähnten Außenkühlung auf seiner Innenseite.
Um die Kühlung noch effektiver zu gestalten, wird der das Wirbelrohr verlassenden Kühlluft 26 Wasser beigemischt. Dazu ist eine Wasserzuführungsbohrung 28 vorgesehen, die zunächst durch die Dornhalterstegplatte 16 geführt ist. In Nähe der Mittelachse des Dorns 13 ist sie rechtwinklig abgewinkelt und führt in dem Dorn 13 nach vorn bis in die Blende 20, in der sie radial in die Auslassöffnung 21 des Kühlluftstroms einmündet.
Um die feuchte Kühlluftströmung 26 effektiv in den Bereich der Innenwandung des extrudierten Rohres 6 zu bringen, ist vor der Auslassöffnung 21 eine entsprechende Luftleiteinrichtung 29 vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel ein Kegel ist.
Der Kaltluftstrom 26 macht etwa 80 bis 90% und der Warm- bzw Heißluftstrom 25 etwa 10-20% der zugeführten Druckluftmenge aus.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt also die Kühlluftherstellung direkt an dem Ort, an dem sie gebraucht wird; Energieverluste sind daher minimal. Gleichzeitig wird der erzeugte Heißluftstrom 25 dazu genutzt, den Dorn 13 zu heizen.
In den 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele für eine Ausbildung von Ranqueschen Wirbelrohren in dem Dorn 13 gezeigt. Das Beispiel nach 4 entspricht dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3. Hier ist der Dorn 13 mit einer Bohrung großen Durchmessers aufgebohrt, so dass der dadurch gebildete Hohlzylinder 17 als ein einzelnes und einziges Ranquesches Wirbelrohr wirkt.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind im vorderen Bereich des Dorns 13 sieben Bohrungen 18 kleineren Durchmessers eingebracht, die jedes für sich als Ranquesches Wirbelrohr fungieren. Jedes Wirbelrohr besitzt dann natürlich eine eigene tangentiale Luftzuführung sowie eigene Auslassöffnungen für die kalte und die warme Luftströmung.

Claims

Verfahren zur Innenkühlung von Hohlprofilen aus Kunststoff, insbesondere von Rohren, wobei bei deren Herstellung in einer Extrusionslinie ein Kühlgas in den Innenraum des Hohlprofils geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas (26) in einem Ranqueschen Wirbelrohr erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas (26) Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem das Wirbelrohr verlassenden Kühlgasstrom (26) Wasser zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dabei entstehende Warm- bzw. Heißgasstrom (25) in der Extrusionslinie, insbesondere im Extruderkopf (4), genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wirbelrohr Druckluft mit Umgebungstemperatur, vorzugsweise von 20° C, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wirbelrohr Druckluft mit vorzugsweise 7 bar zugeführt wird.
Extruder zur Herstellung von Hohlprofilen aus Kunststoff mit einem einen Dorn aufweisenden Extruderkopf, wobei der Dorn mit einer Einrichtung zur Innenkühlung eines aus dem Extruderkopf austretenden Hohlprofils ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dorn (13) mindestens ein sich axial erstreckendes Ranquesches Wirbelrohr ausgebildet ist, dessen Kühlgasauslass (21) in den Innenraum des extrudierten Hohlprofils (6) mündet.
Extruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kühlgasauslass (21) eine Leiteinrichtung (29) zur Ablenkung des Kühlgasstroms (26) zur Innenwandung des extrudierten Hohlprofils (6) angeordnet ist.
Extruder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlgasauslass (21) eine Wasserzuführleitung (28) mündet.