DE102018112939A1 - Plastifizierzylinder eines Kunststoffextruders und Kunststoffextruder mit einem solchen Plastifizierzylinder - Google Patents

Plastifizierzylinder eines Kunststoffextruders und Kunststoffextruder mit einem solchen Plastifizierzylinder Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plastifizierzylinder (1) eines Kunststoffextruders, wobei der Plastifizierzylinder (1) eine Wandung (3) aufweist, wobei in der Wandung (3) mindestens eine spiralförmige Ausnehmung (4, 5) ausgebildet ist, wobei in einer Ausnehmung (4) ein Heizelement (7) angeordnet ist.Der Plastifizierzylinder (1) ist dadurch verbessert, dass in einer anderen spiralförmigen Ausnehmung (5) ein Kühlelement (6) angeordnet ist, wobei die spiralförmigen Ausnehmungen (4, 5) sich entlang der Oberfläche des Plastifizierzylinders (1) parallel zueinander erstrecken.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Plastifizierzylinder eines Kunststoffextruders mit den Merkmalen des unabhängigen Patentspruchs 1.
  • Kunststoffextrusion als Urformverfahren ist sehr energieintensiv. Das zu verarbeitende Kunststoffgranulat muss zunächst aufgeschmolzen werden, um dann formgebend ausgetragen werden zu können. In diesem Aufschmelzprozess, der auch Plastifiziervorgang genannt wird, wird das Granulat einem Plastifizierzylinder zugeführt. Der Plastifizierzylinder ist als Hohlzylinder ausgebildet.
  • Es ist bekannt, den Plastifizierzylinder von außen über halbschalenförmige Heizbänder zu erhitzen. Im Inneren des Plastifizierzylinders ist eine Förderschnecke angeordnet. Durch Drehen der Förderschnecke fördert die Förderschnecke das Granulat durch den Innenraum des Hohlzylinders, wobei der Kunststoff zu einer flüssigen Masse geschmolzen wird. Diese Masse wird von der Förderschnecke bei der Drehung durchmischt und homogenisiert, bevor sie kontinuierlich durch ein Werkzeug formgebend ausgetragen wird. Durch die Reibung zwischen der Förderschnecke und dem Kunststoff wird ebenfalls Energie bzw. Wärme in den Kunststoff eingetragen. Dies ist die sogenannte Friktionsenergie.
  • Je nach Empfindlichkeit des Kunststoffes, der Schneckendrehzahl und der Geometrie kommt es nicht selten dazu, dass die Heizbänder im laufenden Prozess zonenweise gar nicht mehr benötigt werden, um den Kunststoff zu erhitzen. Der dissipative Wärmeeintrag der Förderschnecke reicht hier aus, um den Kunststoff zu erwärmen. In diesen Fällen gestaltet sich die Temperaturregelung des Prozesses allerdings schwierig und es kann zu Ubertemperaturen kommen. Um den Zylinder dann wieder auf die Solltemperatur kühlen zu können, ist jede Heizzone mit einer Einhausung und einem Lüfter versehen. Steigt die Temperatur über den Sollwert so kann mit der Lüfterkühler gegengesteuert werden. In vielen Fällen befinden sich auf der Oberfläche der Heizbänder zusätzliche Kühlkörper, um die Kühlung effizienter zu gestalten. Das Herunterkühlen des Plastifizierzylinders ist allerdings gleichbedeutend mit hohen energetischen Verlusten. Nicht nur, dass im Falle einer Übertemperatur bereits zugeführte Wärme wieder abgeführt werden muss, auch im einem Betriebszustand ohne Übertemperatur geben die an der Oberfläche gerippten Heizbänder viel Wärme über die Strahlung und Konvektion an die Umgebung ab. Eine Einhausung aus Blech ändert daran nur wenig.
  • Eine sinnvolle Maßnahme, um diese Wärmeverluste zu verringern, wäre eine Zylinderisolierung, wie sie bei Spritzguss-Plastifiziereinheiten eingesetzt wird. Dies ist allerdings bei Extrudern dieser Art nur unzureichend möglich, da das Heizband von Luft umströmt werden können muss. Des Weiteren ist die Luftkühlung sehr ineffizient. Luft ist zwar ein sehr günstiges Kühlmedium, jedoch auch ein schlechter Wärmeträger. Zusätzlich dauert es eine Weile, bis der Kühleffekt über die Heizbänder und den Zylinder tatsächlich beim Kunststoff ankommt, was die Temperaturregelung erschwert.
  • Neben dem beschriebenen standardmäßig eingesetzten System existieren weitere davon abweichende Varianten zur Extrudertemperierung. Beispielsweise existieren Plastifizierzylinder mit quadratischem Querschnitt, der über seitlich eingeschobene Heizpatronen beheizt wird. Die Zylinderkühlung wird hierbei mit Wasser realisiert, das durch Bohrungen im Zylinder laufen kann.
  • Es ist bekannt, Zylinder mit spiralförmigen Ausnehmungen auszubilden, welche nach außen hin über formschlüssig montierte Heizschalen abgedichtet und von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt werden. Es ist ferner bekannt, die spiralförmige Ausnehmung auch an der inneren Oberfläche der Heizschalen auszubilden, wobei die Halbschalen dann abdichtend in dem Zylinder gespannt werden.
  • Aus der DD 111 843 A1 ist ein temperierbarer Zylinder für Plastverarbeitungsmaschinen, insbesondere für Extruder bekannt. Auf dem Zylinder sind in mehrere Regelzonen unterteilte, in Achsrichtung hintereinander liegende, schmale Heizbänder und Kühlringe für ein Flüssigkeitskühlmittel angeordnet. Die Breite der Heizbänder entspricht annährend der Breite der Kühlringe, so dass eine gegenseitige Austauschbarkeit von Heizbändern gegen Kühlringe ermöglicht wird. Ein Kühlring besteht aus zwei Halbschalen, die einen Innenmantel, einen Kühlmittelraum und einen Außenmantel aufweisen. Der Kühlmittelraum ist beidseitig mit Blindflanschen abgeschlossen und an den Blindflanschen sind elastische Spannelemente zur Halterung des Kühlrings angeordnet.
  • Aus der DE 42 26 350 A1 ist ein Einschneckenextruder bekannt. Der Einschneckenextruder hat in einem Einzugsabschnitt eine in eine druckfeste Armierung eingeschrumpfte rohrförmige Nutenbuchse. Zur Erhöhung ihrer Wirksamkeit ist auf dem Außenmantel der Armierung einen Kühlkanal ausgebildet. Der in der Armierung vorhandene Kühlkanal ist von einem Mantel umdichtend umhüllt, der aus zwei lösbar miteinander verbundenen Halbschalen besteht. Die Armierungen haben an ihrer äußeren Mantelfläche wendelförmige Kanäle, die nacheinander von Kühlwasser durchströmt sind.
  • Aus der DE 20 2014 003 691 U1 ist eine Vorrichtung zum Temperieren von Zylindern zur Verarbeitung von Kunststoffen oder sonstigen plastischen Massen bekannt. In der Zylinderwand sind Längsbohrungen angebracht, die mit einer Flüssigkeit befüllt sind. Dieses flüssige Kühlmedium strömt durch die axialen Zylinderbohrungen.
  • Aus der US 2,721,729 ist ein Zylinder für einen Extruder bekannt, der an seiner Außenseite eine spiralförmige Nut aufweist. In der Nut sind längliche Heizelemente angeordnet. An der Außenumfangsfläche liegt eine Hülse an. Die Hülse begrenzt zusammen mit der Nut und den Heizelementen einen Restnutraum, der von einem Kühlmittel durchflossen wird.
  • Aus der gattungsbildenden DE 10 2012 112 747 AI ist ein Plastifizierzylinder für eine Spritzgießmaschine bekannt. Der Plastifizierzylinder ist hohlzylindrisch ausgebildet. In dem Hohlraum erstreckt sich eine Schnecke in axialer Richtung. Der Plastifizierzylinder ist mit einer Heizeinrichtung versehen, welche auf der Außenwand des Plastifizierzylinders angeordnet ist. Der Plastifizierzylinder ist von einer Einzugsöffnung bis zu einer Auslassöffnung hin in einem Förderraum und einem Meteringraum unterteilt. Dabei korrespondiert der Förderraum des Plastifizierzylinders zu einer Förderzone sowie der Kompressionszone einer Dreizonenschnecke. Der Meteringraum des Plastifizierzylinders korrespondiert zu der Meteringzone der Dreizonenschnecke. Von der Einzugsöffnung bis zur stirnseitigen Auslassöffnung nimmt die Wandstärke des Plastifizierzylinders zu. Dazu ist der Plastifizierzylinder gestuft ausgebildet. Die Stufe ist insbesondere beim Übergang vom Förderraum zum Meteringraum vorgesehen. Der Plastifizierzylinder ist mit Hilfe von auf der Außenwandung angebrachten Heizbändern elektrisch beheizbar. Hierbei ist es bekannt, Rohrheizkörper als elektrische Heizkörper zu verwenden, die den Plastifizierzylinder schraubenförmig umschließen und von außen temperieren. Zur Aufnahme eines Rohrheizkörpers ist in der Außenwandung zumindest eine Ausnehmung vorgesehen, die in axialer Richtung des Plastifizierzylinders spiralförmig verläuft. Aufgrund des gestuft ausgebildeten Plastifizierzylinders sind zwei Ausnehmungen erforderlich, um den Zylinder über seine gesamte Axiallänge zu temperieren. Die Ausnehmungen weisen jeweils einen viereckigen Querschnitt auf, um einen in den Querschnitt viereckigen Heizkörper aufzunehmen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Plastifizierzylinder zu verbessern und insbesondere ein energieeffizientes Plastifiziersystem für Extruder bereitzustellen.
  • Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun dadurch gelöst, dass der Plastifizierzylinder an seiner Oberfläche mindestens zwei Ausnehmungen aufweist, wobei die Ausnehmungen sich spiralförmig und parallel zueinander erstrecken. Es können insbesondere zwei Ausnehmungen vorhanden sein. Die Ausnehmungen bilden insbesondere eine Doppelspirale. Es ist denkbar auch drei oder mehr als drei Ausnehmungen auszubilden. Die Ausbildungen bilden in dem Fall eine Mehrfachspirale, wobei in axialer Richtung jeweils die erste Ausnehmung, die zweite Ausnehmung und die dritte Ausnehmung usw. windungsweise nebeneinander liegen. Die durch die Ausnehmung gebildeten Spiralen greifen ineinander. In einer Ausnehmung ist mindestens ein Heizelement angeordnet.
  • In einer anderen spiralförmigen Ausnehmung ist mindestens ein Kühlelement angeordnet, wobei die spiralförmigen Ausnehmungen sich entlang der Oberfläche des Plastifizierzylinders parallel zueinander erstrecken. In der ersten Ausnehmung ist mindestens ein längliches Heizelement angeordnet und in der zweiten Ausnehmung ist mindestens ein längliches Kühlelement angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die Wärmeverluste und damit den Heizenergiebedarf signifikant zu reduzieren.
  • Die Kühlelemente und/oder die Heizelemente sind vorzugsweise an den Querschnitt der Ausnehmungen angepasst, wobei die Heizelemente und/oder die Kühlelemente sowohl am Boden als auch den Seiten der Ausnehmungen anliegen. Das längliche Heizelement ist insbesondere als Heizpatrone mit quadratischem Querschnitt ausgebildet. Die Ausnehmungen weisen vorzugsweise ebenfalls einen quadratischen, insbesondere rechteckigen Querschnitt auf.
  • Die Kühlelemente sind vorzugsweise als Rohre, insbesondere als Kupferrohre ausgebildet, wobei die Rohr bzw. die Kupferrohre in die entsprechende Ausnehmung eingepresst sind. Es ist möglich, die Heizelemente ebenfalls als Rohre auszubilden, bspw. als Stahlrohre oder als Kupferrohre. Das Kühlelement kann als Kupferrohr ausgebildet sein, das von Wasser oder einem anderen flüssigen Kühlmedium wie beispielsweise Öl durchströmt wird. Alternativ kann ein Stahlrohr für die Kühlelemente eingesetzt werden.
  • Der Plastifizierzylinder weist insbesondere mehrere in axialer Richtung nebeneinanderliegende Zonen auf, wobei in jeder Zone mindestens ein separates Kühlelement und/oder ein separates Heizelement angeordnet ist. Die Kühlelemente und/oder die Heizelemente können zonenweise separat geregelt und/oder gesteuert werden. Vorzugsweise sind in jeder Zone genau ein Heizelement und genau ein Kühlelement angeordnet. Es ist denkbar, dass jede Zone eine separate Doppelspirale mit zwei Ausnehmungen oder eine Mehrfachspirale mit drei oder mehr Ausnehmungen aufweist. Vorzugsweise ist jedoch genau eine Doppelspirale mit zwei Ausnehmungen oder genau eine Mehrfachspirale mit drei oder mehr Ausnehmungen ausgebildet, wobei diese durch jeweils separat oder gruppenweise steuerbare Heiz- und/oder Kühlelemente zonenweise ansteuerbar ist.
  • Es ist denkbar, dass mehrere Ausnehmungen parallel zueinander angeordnet sind, so dass pro Zone auch mehrere Heizelemente angeordnet werden können. Wenn drei Ausnehmungen vorhanden sind, können bspw. in der ersten und der zweiten Ausnehmung vorzugsweise jeweils mehrere Heizelemente angeordnet sein und in der dritten Ausnehmung sind vorzugsweise mehrere Kühlelemente angeordnet.
  • Die Erfindung verbessert die Energieeffizienz der Zylindertemperierung, da die eingelegten Heizelemente die erzeugte Wärme über ¾ ihrer Oberfläche an den Zylinder abgeben können. Durch die integrierte Beheizung wird der Wärmeübergang also erheblich verbessert. Ebenso können die parallel zu den Heizkörpern eingelegten Kühlelemente, nämlich die Kühlrohre sehr gut überschüssige Wärme über das flüssige Medium abführen. Kommt es zur Übertemperatur wird der Kühlwasserstrom über ein vorgeschaltetes Ventil geregelt. Dieses System ist wesentlich effizienter als die bisher eingesetzte Luftkühlung. Durch die Integration der Elemente in den Zylinder kann wesentlich schneller auf äußere Einflüsse reagiert werden.
  • Außerdem besteht ein großer Vorteil dieses System in der Isolierbarkeit des Zylinders, wodurch die Abwärmeverluste verringert werden können. Der Zylinder kann zur Isolierung insbesondere mit mindestens einer, insbesondere mehrerer Isolationsmanschetten umgeben sein. An der Außenseite der Wandung um die Kühlelemente und die Heizelemente herum ist mindestens eine, insbesondere sind mehrere Isolationsmanschetten angeordnet.
  • Der Plastifizierzylinder kann in einem Kunststoffextruder, insbesondere einem Einschneckenextruder, einem Doppelschneckenextrudern oder einem Entgasungsextrudern mit einer Schnecke mit konstantem oder konischem Durchmesser eingesetzt werden.
  • Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
    • 1 in einer schematischen, perspektivischen Darstellung einen Plastifizierzylinder,
    • 2 in einer schematischen längsgeschnittenen Detaildarstellung den Plastifizierzylinder, und
    • 3 in einer schematischen längsgeschnittenen Darstellung den Plastifizierzylinder mit zusätzlichen Isolationsmanschetten.
  • In 1, 2 und 3 ist ein Plastifizierzylinder 1 gut zu erkennen. Der Plastifizierzylinder 1 ist hohlzylindrisch ausgebildet und in dem vom Plastifizierzylinder 1 begrenzten Innenraum 2 kann eine Schnecke eines Extruders, beispielsweise eines Einschneckenextruders, eines Kunststoffextruders, eines Doppelschneckenextruder, eines Entgasungsextruders, eine Schnecke mit konstantem oder konischem Durchmesser angeordnet sein. In der dargestellten Ausgestaltung ist der Innenraum 2 hohlzylindrisch ausgebildet. Der Plastifizierzylinder 1 weist eine Wandung 3 auf, die den Innenraum 2 begrenzt.
  • An der Außenseite der Wandung 3 sind nun mehrere spiralförmige Ausnehmungen 4, 5 angeordnet. Insbesondere sind zwei spiralförmige Ausnehmungen 4, 5 an der Außenseite der Wandung 3 ausgebildet. Die beiden Ausnehmungen 4, 5 verlaufen dabei parallel zueinander, so dass in der längsgeschnittenen Darstellung gemäß 2 in Längsrichtung die erste Ausnehmung 4 und die zweite Ausnehmung 5 jeweils benachbart angeordnet sind. Die erste Ausnehmung 4 ist dabei jeweils vorzugsweise genau mittig zwischen zwei benachbarten zweiten Ausnehmung 5 angeordnet, so dass der Abstand der Ausnehmung 4, 5 hier konstant ist.
  • In der ersten Ausnehmung 4 ist mindestens ein Kühlelement 6 und in der zweiten Ausnehmung 5 ist mindestens ein Heizelement 7 angeordnet. Es ist denkbar, mehrere Heizelemente 7 und/oder mehrere Kühlelemente jeweils verteilt in unterschiedlichen Zonen anzuordnen, um die Temperaturregelung weiter zu verbessern. Es ist ein energieeffizientes Plastifiziersystem für Extruder bereitgestellt. Abwärmeverluste sind reduziert. Damit ist auch der Heizenergiebedarf signifikant reduzierbar. Dies wird dadurch erreicht, dass der Plastifizierzylinder 1 an seiner Oberfläche die mindestens zwei spiralförmigen Ausnehmungen 4, 5 aufweist.
  • Die Ausnehmungen 4, 5 weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Heizelemente 7 weisen einen an die Ausnehmungen 5 angepassten, rechteckigen Querschnitt auf. Die Heizelemente 7 sind durch Heizpatronen mit einem rechteckigen, bspw. quadratischen Querschnitt gebildet, wobei die Heizpatronen 7 jeweils eine elektrische Widerstandsheizung aufweisen.
  • Ferner ist als Kühlelement 6 ein Kupferrohr in die Ausnehmung 4 eingepresst. Es ist denkbar, dass pro Heizzone auch mehrere Heizpatronen eingewickelt werden können. Die Energieeffizienz der Zylindertemperierung ist verbessert, da die eingelegten Heizelemente 7 insbesondere über ¾ ihrer Oberfläche Wärme an den Zylinder abgeben können. Der Querschnitt der Heizelemente 7 ist an den Querschnitt der Ausnehmung 5 angepasst.
  • Vorzugsweise ist der Querschnitt der Kühlelemente 6 ebenfalls an dem Querschnitt der Ausnehmung 4 angepasst. Die parallel zu den Heizelementen 7 eingelegten Kühlrohre können sehr gut überschüssige Wärme über ein flüssiges Medium abführen. Das flüssige Medium kann beispielsweise Wasser oder Öl sein.
  • Der Plastifizierzylinder 1 weist mehrere axial nebeneinander liegende Zonen aufweist, wobei in jeder Zone mindestens ein Heizelement 7 und/oder mindestens ein Kühlelement 6 angeordnet ist, wobei die Heizelemente 7 und/oder die Kühlelemente 6 zonenweise separat regelbar und/oder steuerbar sind. In der dargestellten Ausgestaltung sind vier Zonen mit jeweils einem Heizelement 7 und je einem Kühlelement 6 vorhanden.
  • Kommt es zu einer Übertemperatur wird der Kühlwasserstrom über eine vorgeschaltetes Ventil (nicht dargestellt) geregelt. Dieses System ist wesentlich effizienter als die bisher eingesetzte, träge Luftkühlung. Durch die Integration der Kühlelemente 6 und der Heizelemente 7 in den Plastifizierzylinder 1 kann wesentlich schneller auf äußere Einflüsse reagiert werden.
  • Außerdem besteht ein großer Vorteil dieses Systems in der Isolierbarkeit des Plastifizierzylinders 1. Zur Isolierung sind hier mehrere Isolationsmanschetten 8 vorhanden. Je Zone ist eine Isolationsmanschette 8 vorhanden. Vorteilhaft ist hier die Kombination der Beheizung eines Plastifizierzylinders 1 über in eine Spiralnut, nämlich in die Ausnehmung 5 eingewickelter Heizpatronen in Kombination mit den spiralförmig in die Ausnehmungen 4 eingewickelten Kupferrohren, nämlich den Kühlelementen 6.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Plastifizierzylinder
    2
    Innenraum
    3
    Wandung
    4
    Ausnehmung
    5
    Ausnehmung
    6
    Kühlelement
    7
    Heizelement
    8
    Isolationsmanschette
  • 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 4226350 A1 [0009]
    • DE 202014003691 U1 [0010]
    • US 2721729 [0011]
    • DE 102012112747 [0012]

Claims (9)

  1. Plastifizierzylinder (1) eines Kunststoffextruders, wobei der Plastifizierzylinder (1) eine Wandung (3) aufweist, wobei in der Wandung (3) mindestens eine spiralförmige Ausnehmung (4, 5) ausgebildet ist, wobei in einer Ausnehmung (4) ein Heizelement (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer anderen spiralförmigen Ausnehmung (5) ein Kühlelement (6) angeordnet ist, wobei die spiralförmigen Ausnehmungen (4, 5) sich entlang der Oberfläche des Plastifizierzylinders (1) parallel zueinander erstrecken.
  2. Plastifizierzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) als Rohre, insbesondere als Kupferrohre, ausgebildet sind, wobei die Rohre in die entsprechende Ausnehmung (4) eingepresst sind.
  3. Plastifizierzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plastifizierzylinder (1) mehrere axial nebeneinander liegende Zonen aufweist, wobei in jeder Zone mindestens ein Heizelement (7) und/oder mindestens ein Kühlelement (6) angeordnet ist, wobei die Heizelemente (7) und/oder die Kühlelemente (6) zonenweise separat regelbar und/oder steuerbar sind.
  4. Plastifizierzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) und/oder die Heizelemente (7) an dem Querschnitt der Ausnehmung (4, 5) angepasst sind, wobei die Heizelemente (7) sowohl am Boden als auch den Seiten der Ausnehmungen (4, 5) anliegen.
  5. Plastifizierzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4, 5) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
  6. Plastifizierzylinder nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (7) und/oder die Kühlelemente (6) einen an die Ausnehmungen (4, 5) angepassten, rechteckigen Querschnitt aufweisen.
  7. Plastifizierzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (7) durch Heizpatronen gebildet sind, wobei die Heizpatronen jeweils eine elektrische Widerstandsheizung aufweisen.
  8. Plastifizierzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite der Wandung (3) um die Kühlelemente (6) und die Heizelemente (7) herum mindestens eine, insbesondere mehrere Isolationsmanschetten (8) angeordnet sind.
  9. Kunststoffextruder mit einem Plastifizierzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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