DE102007009027A1

DE102007009027A1 - Schnecke mit Wärmetransportvorrichtung

Info

Publication number: DE102007009027A1
Application number: DE102007009027A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Vogel; Jürgen Hügelmeyer
Original assignee: Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
Current assignee: Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schnecke, insbesondere Extruderschnecke 1, mit mindestens einer axialen Bohrung 2, wobei die Bohrung 2 sich wenigstens über 50% der Schneckenlänge erstreckt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass in der Bohrung 2 mindestens ein Profil 3 angeordnet ist, wobei das Profil 3 eine Verrippung 4 aufweist und aus einem wärmeleitfähigen Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnecke, insbesondere Extruderschnecke, mit mindestens einer axialen Bohrung, wobei die Bohrung sich wenigstens über 50% der Schneckenlänge erstreckt.
Gattunsgemäße Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 12 67 833 eine Schnecke mit einer Hohlbohrung, in der eine Schraubenspindel eingesetzt ist, die bei Drehung der Schnecke den Wärmeträger axial fördert. Die Wärmeübergangsfläche in der Schnecke ist jedoch hierbei unverändert. In der DE 33 20 607 wird ein Kapillarsystem beschrieben, welches den axialen Wärmetransport übernimmt.
Versuche haben gezeigt, dass insbesondere bei der Kunststoffextrusion es zweckmäßig erscheint, der Extruderschnecke in bestimmten Bereichen Wärme zu entziehen und in bestimmten Bereichen diese Wärme wieder zuzuführen. Der Bereich des Wärmeüberschusses liegt hier insbesondere in der Schneckenspitze. Steigt dort die Temperatur zu stark an, wird das Kunststoffmaterial geschädigt. Eine zu hohe Massetemperatur des Kunststoffes ist ein den Ausstoß limitierender Parameter. Von außen werden in diesem Bereich Kühlgebläse auf den Zylinder gesetzt. Diese transportieren überschüssige Wärme vom Zylinder an die Umgebung. Diese Energie ist für den Prozess verloren. Der zu erwärmende Teil liegt jedoch im Bereich der Einfüllöffnung des Zylinders. In diesem Bereich finden sich vorwiegend Heizelemente auf dem Zylinder.
Die Problemstelle des effektiven Wärmetransportes ist der Wärmeübergang an den Innenoberflächen der Schnecke. Dort kondensiert nämlich der Wasserdampf unter Abgabe von Energie. Aufgrund der begrenzten Oberfläche kann auch nur eine begrenzte Menge Wärme übertragen werden. Einer Vergrößerung des Innendurchmessers der Schnecke sind jedoch Festigkeitsgrenzen gesetzt. Bei den im Stand der Technik be kannten Lösungsvorschlägen wird jedoch nicht die Oberfläche vergrößert und somit auch nicht der Wärmeübergang begünstigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeübergangsfläche auf einfache und effektive Weise zu vergrößern und durch diese größere Oberfläche eine höhere Wärmemenge transportieren zu können.
Die Lösung der Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass in der Bohrung mindestens ein Profil angeordnet ist, wobei das Profil eine Verrippung aufweist und aus einem wärmeleitfähigen Material besteht. Durch diese Vergrößerung der Oberfläche wird eine höhere Wärmemenge transportiert, was zu einem schnelleren Wärmetransport innerhalb der Schnecke und damit zur Einsparung von Energie führt. Durch den internen Energietransport in der Extruderschnecke geht dem Prozess keine Energie verloren. Das Absenken der Temperatur an der Schneckenspitze kühlt die Kunststoffmasse zusätzlich. Dadurch kann der Ausstoß bzw. die Qualität des Produktes erhöht werden.
Um das bekannte Problem des Wärmeüberganges zwischen der Innenwandung der Schnecke und dem eingesetzten Profil zu lösen, wird fortbildungsgemäß vorgeschlagen, das Profil in der Bohrung als Schrumpfpassung auszuführen.
Vorteilhafterweise wird für das Profil ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ > 100 [W/(m·K)] gewählt, womit beispielsweise Materialien wie Aluminium oder Kupfer bzw. Messing, aber auch Wolfram oder Zink gewählt werden sollten.
In einer weiteren Fortbildung ist vorgesehen, das Profil zu einer Spirale zu tordieren. Damit wird der axiale Wärmetransport zusätzlich realisiert.
Vorteilhaft ist es, die gasförmige und flüssige Phase des Wärmeübertragungsmediums eindeutig zu trennen. Dadurch entstehen bei ihrer entgegengesetzten Bewegung keine Beeinträchtigungen des Übertragungssystems. Es bildet sich ein Kreislauf. Deshalb ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, das Profil in Form eines Doppelrohres auszubilden. Es entsteht somit ein äußeres Rohr, welches als Schrumpfpassung in der Bohrung der Schnecke eingepasst ist und über Rippen mit einem im Durchmesser kleineren Innenrohr, welches sich in dem äußeren Rohr befindet, verbunden ist. Durch diese Ausführung entsteht im inneren Rohr ein Dampfkanal, und die Abschnitte, die durch das äußere und innere Rohr und jeweils zwei benachbarte Rippen gebildet werden, bilden einen Kondensationskanal. Diese Auftrennung führt zu einem verbesserten Kreislauf des Wärmeübertragungsmediums.
Eine Oberflächenvergrößerung wird durch den Einsatz eines Metallschaumes ermöglicht, der erfindungsgemäß als Alternative zum Profil eingesetzt wird. Der so gestaltete Hohlzylinder transportiert durch Kapillarkräfte den Wärmeträger ebenfalls sehr gut. Die Kondensation ist aufgrund der großen Oberfläche ebenfalls deutlich verbessert.
Um den Wärmetransport innerhalb der Schnecke zu beeinflussen, wird fortbildungsgemäß vorgeschlagen, nicht die gesamte Bohrung mit dem Profil auszufüllen, sondern gezielt bestimmte Bereiche. Denn nur dort, wo das Profil angeordnet ist, wird der Wärmetransport beschleunigt. Ist es erforderlich, den radialen Wärmetransport zu verlangsamen, kann ein Isolationsstück angeordnet werden. Durch diese Ausführung kann gezielt durch Wahl der Position in Verbindung mit der axialen Länge des Profiles, unterstützt durch Anordnung von Isolationsstücken, der Wärmetransport innerhalb der Schnecke beschleunigt oder verlangsamt, also gezielt beeinflusst werden. Je nach Anforderung kann die Schnecke mit mehreren Profilstücken und/oder mehreren Isolationsstücken getrennt oder hintereinander gestaffelt bestückt werden.
Um den Wärmetransport zu verbessern, kann zusätzlich die Innenbohrung evakuiert werden. Dadurch erhöht sich die Transportgeschwindigkeit. Hierbei kann nicht nur das Standardvakuum bis 33 mbar (Dampfdruck des Wassers), sondern durch eine besondere Vorrichtung ein Hochvakuum bis 0,05 mbar in der Schnecke erreicht werden, wodurch sich die Transportgeschwindigkeit weiter erhöht.
In den Zeichnungen sind schematisch zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Schneckenkörper und
2 den Querschnitt durch eine Schnecke mit einer ersten Ausführung des Profils und
3 den Querschnitt durch eine zweite Ausführung des Profils.
In 1 ist ein axialer Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schneckenkörper dargestellt. Sie zeigt schematisch den Schneckenkörper einer Extruderschnecke 1, wobei hier weder die Schneckengänge noch die Verbindung der Schneckenspitze zum Schneckenkörper ausgeführt sind, was jedoch für die Anbringung der Bohrung erforderlich ist. Die Extruderschnecke 1 weist folglich eine Bohrung 2 auf, die sich über mindestens 50% der gesamten Schneckenlänge erstreckt. Im vorderen Teil der Schnecke 1 ist ein Profil angeordnet, welches über eine Schrumpfpassung mit dieser verbunden ist. Der Wärmeüberschuss im vorderen Teil der Schnecke wird von dort abgeführt, über die Bohrung in den hinteren Teil der Schnecke gefördert und über ein ebenfalls dort angeordnetes Profil 3 wieder an den Körper der Schnecke 1 abgegeben. Dieser Temperaturverlauf ist über die Pfeildarstellung symbolisch dargestellt.
Die 2 und 3 zeigen jeweils einen Schnitt durch den Bereich der Schnecke, in der ein Profil eingesetzt ist. Somit zeigt 2 die Extruderschnecke 1, die eine Bohrung aufweist, in der ein Profil 3 angeordnet ist, welches eine Vielzahl von Rippen 4 zur Vergrößerung der Oberfläche aufweist. Die gesamte innere Oberfläche, einschließlich der Rippen 4, ist mit Rillen oder dergleichen versehen, um die Oberfläche zusätzlich zu vergrößern.
3 unterscheidet sich zu 2 dahingehend, dass in der Schnecke 1 das Profil 3 ein Doppelrohr ist. Dieses Doppelrohr besteht aus einem ersten Rohr 5 mit einem größeren Durchmesser und einem zweiten Rohr 6 mit einem kleineren Durchmesser. Beide Rohre sind über Rippen miteinander verbunden. Zum Zwecke des guten Wärmeüberganges liegt das äußere, sprich erste Rohr 5 optimal an der Innenfläche der Schnecke 1 an. Durch diese Ausgestaltung des Profiles 3 entstehen zwei voneinander getrennte Kanäle, die für den Wärmetransport vorteilhaft genutzt werden können. Somit wird der durch das innere zweite Rohr 6 gebildete Kanal als Dampfkanal benutzt und der durch zwei benachbarte Rippen 4 und den beiden Rohren gebildete Kanal als Kondensationskanal 8 genutzt.
Wie bereits ausgeführt ist es wichtig, einen optimalen Wärmeübergang zwischen der Innenwandung der Schneckenbohrung 2, der Extruderschnecke 1 und der Außenwandung des Profiles zu schaffen. Erfindungsgemäß ist hier vorgeschlagen, dies in Form einer Schrumpfpas sung zu realisieren. Es ist aber auch denkbar, diese Verbindung über einen geeigneten Kleber oder eine entsprechende Verklemmung, vorzugsweise unterstützt durch entsprechende Wärmeleitpasten, zu ermöglichen.
Durch die vorgeschlagene Erfindung wird es erreicht, Extruderschnecken in bestimmten Bereichen einen Überschuss von Wärme gezielt zu entziehen und in Bereichen mit Wärmedefizit gezielt zuzuführen.

1: Extruderschnecke
2: Schneckenbohrung
3: Profil
4: Verrippung von 3
5: erstes Rohr
6: zweites Rohr
7: erster Kanal
8: zweiter Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 1267833 [0002]
- DE 3320607 [0002]

Claims

Schnecke, insbesondere Extruderschnecke 1, mit mindestens einer axialen Bohrung 2, wobei die Bohrung 2 sich wenigstens über 50% der Schneckenlänge erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bohrung 2 mindestens ein Profil 3 angeordnet ist, wobei das Profil 3 eine Verrippung 4 aufweist und aus einem wärmeleitfähigen Material besteht.
Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil 3 in der Bohrung 2 als Schrumpfpassung ausgelegt ist.
Schnecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil 3 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ ≥ 100 [W/(m·K)] ist.
Schnecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil 3 ein Strangpressprofil aus Aluminium ist.
Schnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil 3 zu einer Spirale tordiert ist.
Schnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil 3 ein mit Rippen verbundenes Doppelrohr ist.
Schnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil 3 ein Einsatz aus einem Metallschaum ist.
Schnecke nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil 3 mehrteilig ist, wobei die Teile aus Profilstücken gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 ausgeführt sind.
Schnecke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Profilstücken ein Isolationsstück angeordnet ist.
Schnecke nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung evakuiert ist.