DE102006013691B3

DE102006013691B3 - Plastifizierzylinder

Info

Publication number: DE102006013691B3
Application number: DE102006013691A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Grajewski
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-25
Also published as: ITRM20070128A1; AT503395A2; AT503395A3; US20070222125A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plastifizierzylinder 20 für Extrusionsmaschinen und Spritzgussmaschine zum Verarbeiten von plastifizierbarem Material. Der Plastifizierzylinder 20 weist einen Druckmantel 3, eine Vielzahl von Wärmerohren 9 auf, welche innerhalb der Wandung des Druckmantels angeordnet sind, und umfasst auch wenigstens ein Heiz- und Kühlelement 5, 4. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre sich zwischen dem Bereich des Heiz- und Kühlelements, innerhalb des Druckmantels erstrecken und wenigstens abschnittsweise eine Kapillarstruktur 10 aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plastifizierzylinder zum Verarbeiten von plastifizierbaren Material nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines solchen Plastifizierzylinders zur Herstellung von Spritzguss- oder Extrusionsteilen.
Plastifizierzylinder sind im Stand der Technik bekannt.

Bei hohen Qualitätsanforderungen an Kunststoffformteile die im Spritzguss- oder Extrusionsverfahren hergestellt werden, insbesondere an die Einhaltung von Materialeigenschaften sowie ihre Maßhaltigkeit, sind an die Steuerung dieser Maschinen erhebliche Anforderungen gestellt. Im Stand der Technik ist es heute üblich, dass Plastifizierzylinder in der Regel mit elektrischen Heizbändern und so genannten Heiz- und Kühlelementen ausgerüstet werden, die über die Zylinderwand des Plastifizierzylinders dem zu plastifizierenden Material entweder Wärme zuführen oder entziehen. Hierbei werden im Stand der Technik zum Kühlen beispielsweise Lüfter benutzt, welche mit einem Heizband kombiniert sind, um ein bestimmtes Temperaturniveau an der Zylinderwand einstellen zu können.

Eine andere, auch praktizierte Möglichkeit besteht darin, dass Plastifizierzylinder mit Bohrungen im Druckmantel ausgerüstet sind, durch welche ein Temperiermedium geschickt werden kann. Auf diese Weise kann, ebenfalls über die Zylinderwand, dem zu plastifizierenden Material Energie zugeführt bzw. abgeführt werden. Hierbei befindet sich der Kühlbereich vorzugsweise am Einlauf des zu plastifizierenden Materials und der Heizbereich am Aus- lauf des Plastifizierzylinders.

Beispielsweise ist aus der US 4,389,002 A ein Plastifizierzylinder für eine Spritzgießmaschine mit einer Einspritzdüse bekannt, welche eine Vielzahl von Heizrohren umfasst. Diese Heizrohre sind um die zentrale Bohrung des der Einspritzdüse verteilt.

Unter plastifizierbarem Material im Sinn der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise Kunststoffe und/oder Kautschuk, insbesondere Polyolefine im Allgemeinen, PVC, Styrolpolymere, wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und Polystyrole, Elastomere, Duroplasten und dergleichen verstanden.

Unter anderem aus verfahrenstechnischen Gründen wird innerhalb der ersten Teilstrecke des Plastifizierzylinders zu wenig Energie durch die Rotation der Transportschnecke dissipiert, so dass in diesem Bereich zusätzlich geheizt werden muss. In dem zweiten Abschnitt des Plastifizierzylinders wird aber in der Regel gekühlt, was jedoch insbesondere aus energetischer Sicht bedeutet, dass in diesem Bereich überschüssig zugeführte Energie abgeführt werden muss. Dies bedeutet in Summe, dass ein solches System in Bezug auf den optimalen Einsatz von Energie verbesserungswürdig ist, da das Abführen von Energie mittels eines Kühlelements, welches durch das Heizelement eingebracht wurde, energetisch unwirtschaftlich ist. Hinzu kommt noch, dass die Heizbänder und insbesondere die Heiz- und Kühlelemente üblicherweise schlecht thermisch isoliert sind, so dass erhebliche thermische Verlustleistungen erzeugt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Energieverbrauch einer entsprechenden Vorrichtung wenigstens teilweise zu verbessern und die im Stand der Technik bekannten Nachteile wenigstens teilweise zu überwinden.

Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder für Spritzguss- oder Extrusionsmaschinen zum Bearbeiten von plastifizierbaren Material gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst.

Solch ein Plastifizierzylinder weist gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens einen Druckmantel mit einer Vielzahl von Wärmerohren, welche innerhalb des Druckmantels angeordnet sind, auf. Ferner umfasst der Plastifizierzylinder wenigstens ein Heizelement und wenigstens ein Kühlelement, wobei der Plastifizierzylinder dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wärmerohre sich zwischen dem Bereich des Heizelements und dem Be reich des Kühlelements im Druckmantel erstrecken wenigstens Bereiche oder Abschnitte ausgebildet sind, die eine Kapillarstruktur aufweisen.

Insbesondere könnten die Wärmerohre als Ausnehmungen oder Bohrungen ausgeführt sein, die sich zwischen dem Bereich des Heizelements und dem Bereich des Kühlelements im Druckmantel erstrecken, und könnte in der Ausnehmung oder Bohrung wenigstens Bereiche oder Abschnitte ausgebildet sind, welche die Kapillarstruktur aufweisen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens in einem Teil der Wärmerohre, wenigstens abschnittsweise eine Gitterstruktur angeordnet ist, welche insbesondere im Bereich der Innenwandung der Wärmerohre eine Kapillarstruktur bildet.

Als Kapillarstruktur wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein wenigstens zeitweise durchströmter Bereich verstanden, der bevorzugt aufgrund von Kapillarkräften ein vorzugsweise flüssiges Medium zwischen zwei Bereichen transportiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich die Wärmerohre durch Bohrungen, die in Längsrichtung in den Mantel des Plastifizierzylinders eingebracht sind. Alternativ kann der Plastifizierzylinder auch zweiteilig ausgeführt sein, wobei in einem Außenrohr auf der Innenseite Nuten angebracht werden, welche durch ein innenliegendes zweites Rohr abgeschlossen sind. Somit bildet das Außenrohr mit den Nuten in der Zusammenwirkung mit dem Innenrohr die Strömungswege für die Wärmerohre.

Insbesondere gemäß der alternativen Ausführungsform zur Bereitstellung der Strömungswege für die Wärmerohre liegt es auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass die Querschnittsform insbesondere der Nut quadra tisch, rechteckig, polygon oder aber auch kreisförmig bzw. oval ist. Auch ist es möglich, die Wärmerohre innerhalb eines Plastifizierzylinders unterschiedlich auszugestalten, wobei es auch im Sinn der vorliegenden Erfindung liegt, Mischformen von den zuvor genannten Querschnittsformen zu verwenden. Die Verbindung zwischen den Innen- und Außenrohren zur Bildung des Druckzylinders mit den Wärmerohren kann vorzugsweise kraft-, form- und/oder stoffschlüssig erfolgen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet die Kapillarstruktur wenigstens eine weitere Fluidverbindung zwischen den Bereichen der Kondensatseite der Wärmerohre und der Verdampfungsseite der Wärmerohre des Plastifizierzylinders. Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kapillarstruktur an der gesamten Innenwandung des Wärmerohres bzw. der Wärmerohre angeordnet, wobei die Gitterstruktur derart angeformt ist, dass sie zumindest in Kombination mit der Innenwandung der Wärmerohre die Kapillarstruktur bildet.

Selbstverständlich liegt es auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass die Gitterstruktur derart ausgeführt ist, dass eine selbstständige Kapillarstruktur zum Transport eines Fluids innerhalb der Wärmerohre bereitgestellt wird.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Gitterstruktur ein Geflecht aus Draht oder ähnlichem, das im wesentlichen einen Außenbegrenzung aufweist, die der Innenstruktur des Wärmerohres entspricht und/oder dessen Länge im wesentlichen der Länge der Wärmerohre entspricht.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kapillarstruktur in den Wärmerohren derart angeordnet, dass das Wärmefluid wenigstens teilweise von der Kondensatseite zurück zur Verdampfungsseite getrieben d. h. befördert wird und ist somit der Hauptströmungsrichtung des Wärmefluids im freien Querschnitt des Wärmerohrs entgegengerichtet.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Gitterstruktur, welche wenigstens abschnittsweise in den Öffnungen der Wärmerohre angeordnet ist, aus einem Material gebildet, welches wenigstens teilweise aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt wird, welche insbesondere Metalle wie rostfreien Stahl, Messing, Kupfer, Bronze, Stahl, Legierungen, und dergleichen, Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan, Kombinationen hieraus und dergleichen, Keramiken, Verbundwerkstoffe, Kombinationen hieraus und dergleichen, umfasst.

Als Wärmefluid wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fluid verstanden, das vorzugsweise aus einer Gruppe von Stoffen ausgewählt wird, welche Wasser, Wasser mit Zusätzen oder Additiven, Kältemittel und dergleichen enthält.

Bei der Auswahl des Wärmefluid ist insbesondere zu beachten, dass in Abhängigkeit des Temperaturniveaus zwischen der Verdampfungsseite und der Kondensatseite des Druckzylinders das Fluid wenigstens teilweise im gasförmigen bzw. im flüssigen Aggregatszustand vorliegen könnte.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Plastifizierzylinder dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Druckmantels wenigstens ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor, insbesondere zur Bestimmung der entsprechenden Zustandsgrößen des Wärmefluids angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform münden die Wärmerohre des Druckzylinders wenigstens in einem einseitigen Bereich in eine Ringnut, über welche vorzugsweise auch der Zu- und Abfluss des Wärmefluids, insbesondere zum Befüllen des Systems bereitgestellt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Plastifizierzylinders gelöst, der insbesondere für die Plastifizierung von Kunststoffen zur Herstellung von Spritzguss- oder Extrusionsteilen verwendet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert.

So zeigt
1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Plastifizierzylinders und
2 einen Querschnitt des Plastifizierzylinders entlang der Linie A-A aus 1.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plastifizierzylinders, wobei auf der rechten Seite der Darstellung eine weitere Schnittdarstellung des Zylinders entlang der Linie B-B aus 2 dargestellt ist, um insbesondere die Anordnung der Wärmerohre mit der Kapillarstruktur 10, der Ringnut 14 und den Einfüllstutzen 16 zu zeigen.
Der in 1 dargestellte Plastifizierzylinder weist auf der rechten Seite mit dem Bezugszeichen 1 den Einlass- und auf der linken Seite mit dem Bezugszeichen 2 den Auslassbereich für das zu plastifizierende Material auf, wobei der entsprechende Pfeil die bevorzugte Transportrichtung des zu plastifizierenden Materials andeutet. Die üblicherweise innerhalb des Plastifizierzylinders angeordnete Transportschnecke ist nicht dargestellt. Zwischen den beiden Endstücken 11 und 12 ist der Druckmantel 3 angeordnet, auf dessen Außenseite im Bereich des Einlasses 11 die Kühlelemente 4 und auf der Auslassseite 12 die Heizelemente 5 angeordnet sind. Ferner ist auf der Außenseite des Druckmantels eine Isolierung 6 angeordnet, die von einer Außenhülle 7 abgeschlossen wird.
Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform ist im Mittelbereich des Plastifizierzylinders ein Druck- und/oder Temperatursensor 8 angeordnet, mit welchem insbesondere die Zustandsgrößen des Wärmemediums erfasst werden.
Innerhalb des Plastifizierzylinders strömt das zu plastifizierende Medium, welches im Bereich des Eingangsbereiches eine Temperatur T_E und im Bereich des Ausgangs eine Temperatur T_A aufweist, wobei T_E kleiner T_A ist. Innerhalb des Druckmantels sind Wärmerohre 9 angeordnet, welche in der hier dargestellten Form auf der Innenseite eine Kapillarstruktur 10 aufweisen. Dabei erstrecken sich die Wärmerohre von der Verdampfungsseite 22 bis zur Kondensatseite 21 und sind gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform auf der Verdampfungsseite 22 mittels einer Ringnut 13 und auf der Kondensatseite 21 mittels einer Ringnut 14 fluidverbunden.
Die Wärmerohre selbst erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Druckzylinders oder aber sind wenigstens als Zonen ausgebildet. Die Wärmerohre dienen insbesondere dazu, dass die Zylinderwandtemperatur über die Länge des Zylindermantels ausgeglichen d. h. beeinflusst werden kann. Als Istwertgeber, insbesondere für den Druck oder die Temperatur des Wärmefluids innerhalb des Wärmerohres, ist im Plastifizierzylinder vorzugsweise ein Druckfühler 8 vorgesehen, der insbesondere bei der Verwendung von Wasser den Ist-Wert für die Temperaturregelung vorgibt, da bekannter weise der Dampfdruck und die Mediumstemperatur über die Verdampfungstemperatur direkt miteinander gekoppelt sind.
Die Wärmerohre 9 werden gemäß der hier dargestellten Ausführungsform als Längsnuten direkt auf dem inneren Teil des Druckzylinders 3 ausgebildet und bilden mit einer Kapillarstruktur und einem abschließenden Innenzylinder 15 einen Strömungsweg für das Wärmemedium. Innerhalb der Kapillarstruktur wird wenigstens teilweise der Rücktransport des Wärmemediums von der Kondensatseite 21 zur Verdampfungsseite 22 bereitgestellt. Die im Wesentlichen in Längsrichtung verlaufenden Wärmerohre 9 werden über Ringnuten 13, 14 am jeweiligen Ende miteinander gekoppelt, wodurch über den Umfang des Zylinders ein verbesserter Temperaturausgleich stattfindet.
Die Isolierung außerhalb des Druckmantels stellt eine weitere verfahrenstechnische Verbesserung dar, die vorzugsweise aus Glaswolle oder Glasgeflecht besteht. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Verlustleistung weiter reduziert werden kann.
Mittels des vorgeschlagenen Plastifizierzylinders kann insbesondere der Energieverbrauch einer entsprechenden kunststoffverarbeitenden Maschine erheblich gesenkt werden, da insbesondere überschüssige Energie dem System nicht entzogen wird, sondern an Stellen transportiert wird, wo zusätzlicher Energiebedarf besteht. Dies bedeutet, dass die Energie dorthin transportiert wird, wo die Temperaturänderung durch Dissipation erfolgt, was üblicherweise die Verdampfungsseite ist und die Energie dort abtransportiert wird, wo das Wärmemedium kondensiert. Ferner wird durch die bessere thermische Isolierleistung die Verlustleistung minimiert und durch die untereinander verbundenen Wärmerohre eine gleichmäßige Temperaturverteilung auch über den Umfang des Zylinders gewährleistet. Dies bringt auch unter dem Aspekt der hohen Qualitätsanforderungen an Kunststoffartikel eine erhebliche Verbesserung.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wärmerohre als Nuten ausgebildet sind, die im Zusammenwirken mit dem Innenrohr einen Strömungsquerschnitt bestimmen. Es liegt auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass im Druckmantel selbst Längsbohrungen angeordnet sind, die entsprechende Wärmerohre bereitstellen. Das Kapillarsystem wird dann in den Bohrungen beispielsweise durch das Einschieben entsprechender Gitterhülsen bewirkt.
Für die Befüllung der Wärmerohre ist ferner wenigstens eine Zuleitung 16 vorgesehen, die vorzugsweise in wenigstens eine Ringnut mündet. Die in
1 gewählte Anwendung ist hierbei nur grundsätzlich zu verstehen, da die tatsächliche Anordnung den jeweiligen Einbaugegebenheiten angepasst werden kann.
2 zeigt den Plastifizierzylinder aus 1 als Querschnitt, wobei gleiche Bauteile mit einheitlichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dieser Darstellung wird insbesondere deutlich, wie durch das Einbringen der Gitterstruktur einerseits eine Kapillarstruktur 10 an den Innenwänden der Wärmerohre 9 entsteht und andererseits der Mittelbereich als wesentlicher Strömungsquerschnitt für das Wärmemedium vom Verdampfungsbereich zum Kondensatbereich zur Verfügung steht. Deutlich wird auch, wie durch das Innenrohr 15 und das mit Nuten versehene Außenrohr 14 des Druckzylinders die Wärmerohre 9 bereitgestellt werden.

Claims

Plastifizierzylinder (20) zum Verarbeiten von plastifizierbarem Material, mit einem Druckmantel (3), einer Vielzahl von Wärmerohren (9), welche innerhalb der Wandung des Druckmantels angeordnet sind, wenigstens einem Heizelement (5) und wenigstens einem Kühlelement (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (9) sich zwischen dem Bereich des Heizelements (5) und dem Bereich des Kühlelements (4) innerhalb des Druckmantels erstrecken und wenigstens Abschnittsweise eine Kapillarstruktur (10) aufweisen.
Plastifizierzylinder (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einem Teil der Wärmerohre (9) wenigstens abschnittsweise eine Gitterstruktur angeordnet ist, welche im Bereich der Innenwandung der Wärmerohre (9) eine Kapillarstruktur (10) bildet.
Plastifizierzylinder (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre als Ausnehmungen oder Bohrungen ausgeführt sind, die sich zwischen dem Bereich des Heizelements und dem Bereich des Kühlelements im Druckmantel erstrecken, und in der Ausnehmung oder Bohrung die Abschnitte ausgebildet sind, die eine Kapillarstruktur aufweisen.
Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur (10) wenigstens eine weitere Fluidverbindung zwischen den Bereichen der Kondensatseite (21) und der Verdampfungseite (22) der Wärmerohre bildet.
Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur (10) im Wärmerohr (9) derart angeordnet ist, dass das Wärmefluid wenigstens teilweise von der Kondensatseite (21) zurück zur Verdampfungsseite (22) getrieben wird.
Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur aus wenigstens einem Material gebildet ist, das aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt wird, welche Metalle wie rostfreien Stahl, Messing, Kupfer, Bronze, Stahl, Legierungen und dergleichen, Kunststoffe wie PVC, Polyurethan, Kombinationen hieraus und dergleichen, Keramiken, Verbundwerkstoffe, Kombinationen hieraus und dergleichen enthält.
Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmefluid in den Wärmerohren (9) aus einer Gruppe von Stoffen ausgewählt wird, welche Wasser, Wasser mit Zusätzen, Kältemittel und dergleichen enthält.
Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plastifizierzylinder im Bereich des Druckmantels (3) wenigstens einen Drucksensor und/oder Temperatursensor aufweist (8).
Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (9) innerhalb des Druckmantels (3) im endseitigen Bereich (21, 22) in wenigstens einer Ringnut (13, 14) münden.
Verwendung eines Plastifizierzylinders (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche für die Plastifizierung von insbesondere Kunststoffen und/oder Kautschuk zur Herstellung von Spritzguss- oder Extrusionsteilen.