DE1758140A1

DE1758140A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung von Formwerkzeugen

Info

Publication number: DE1758140A1
Application number: DE19681758140
Authority: DE
Inventors: August Dr-Ing Albers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-04-09
Filing date: 1968-04-09
Publication date: 1971-05-13
Also published as: FR2005835A1

Description

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Dr.-Ingo August Alters, 7813 Stauien i. Br.

St.-Kartin-Allee 13

r.d Vorrichtung zur Temperierung von

L,i3 jrfi/.auiig betrifft ein. Verfahren, und die Vorri.;:.",u.:.jj.i zur Temperierung, von Formwerkzeugen \

;.".i-c".. verdampfendes Wasser im Temperaturbereich voi'j. 5 "bis 93 C, wobei der Wasserdampf als Wärmeträger durch Vakuumpumpen abgesaugt und wenigstens *5ilv/eiso ar. die Umgebung abgegeben und der Wasser.-verlust des Systems durch Frischwasser ergänzt wird.

iiei aer bisher üblichen Methode der Temperierung von Formwerkzeugen wird die Wärme durch umlaufendes Wasser, ül oder eine andere Flüssigkeit zu- oder abtransportiert.'Die Flüssigkeit erwärmt sich durch Wärmeleitung bei Berührung der heisseren i.ietallflächen des Formwerkzeuges und fliesst mit höherer λ

Temperatur in den Sammelbehälter. Über grosse Kühlerfiächen tieferer Temperatur wird dort der Umlaufflüssigkeit die mitgebrachte Wärme entzogen und die Temperatur des Gesamtsystems auf diese Weise konstant gehalten, uer l-iachtoil dieses Verfahrens liegt darin, üas3 die Wärmeübertragungsleistung in den kleinen Kühlkanälen der Formwerkzeuge bei den erwünschten geringen Temperaturdifferenzen zwischen Werkzeug und Temperierflüsoigkeit viel zu gering und nur sehr wenig mit höheren Durchströmungsgeschwindigkeiten l; Lu igerungrj fähig ist. i-jino Vergrößerung der Kühlflächen im Fori.iV/erkzüug ist meist aus konstruktiven Ci"Lind on nicht möglich. · '

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In diesem vorgeschlagenen erfindungsgemässen Verfahren wird die bekannte physikalische Tatsache genutzt, dass die Wärmeübergangsverhältnisse im Siede- oder Kondensierbereich einer Flüssigkeit durch die Verdampfungswärme bis zum 2o-fachen und mehr günstiger liegen können als bei der einfachen Wärmeleitung. Um diese Wirkung zu nutzen wird nach diesem erfindungsgemässen Verfahren vorgeschlagen, den Siedevorgang der Flüssigkeit mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung, in den Bereich der gewünschten Wärmeübertragung, z. B. in die heisseren Kanäle des Formwerkzeuges zu verlegen. Auf diese Weise vermeidet man ein Ansteigen der Temperatur in den Kanälen des Werkzeuges und beschleunigt den Abkühlvorgang durch ein rasches Abführen der Wärme bei Siedetemperatur.

Zur Ausführung des erfindungsgemässea Verfahrens wird z. B. für eine Formwerkzeugkühlung ein. geschlossenes, bekanntes Wasserumlaufsystem angebracht, um das Wasser mit grosser Geschwindigkeit durch alle Kühlkanäle zu pumpen. Im Sammelbehälter wird Wasser und Wasserdampf getrennt. Zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Sammelbehälter vakuumdicht ausgeführt und im oberen. Teil zur Absaugung von. Wasserdampf bzw. Luft eine Vakuumpumpe angelegt. Diese Vakuumpumpe bringt normales Wasser bei einem Vakuum von 9o# bereits bei 45°C zum Sieden. gleichzeitig entsteht- beim Übergang der Wasserflüssigkeit in Wasserdampf ein. Volumen von 14,95 m pro kg verdampften Wassers. Pumpt man durch die Vakuumpumpe diese Wasserdampfmenge aus dem System heraus» so verbraucht ein Kilogramm verdampfendes Wasser an der Siedestelle ca. 57o Kcal Wärme, welche mit dem Dampf abgeführt werden. Die Wärme- wird bei diesem Verfahren

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automatisch, bei konstanter Temperatur an der wärmsten Stelle des Umlauf systems entnommen, hierin die Kühlkanäle eines Formwerkzeuges diese wärmste .Stelle darstellen, entsteht dort die intensive Kühlwirkung.

Die Siedetemperatur des Wassers lässt sich stufenlos über die Höhe des angelegten Vakuums regulieren. Bei 98$ Vakuum ist die Siedetemperatur .17⁰C, bei 95^C/S Vakuum 32,5⁰C und bei 8o$ Vakuum 6o°C. Geht nan vergleichsweise davon aus, dass im normalen Wasserdurchlauf das Kühlwasser sich im günstigsten Pail um 1o°C erwärmt, so benötigt man bei Anwendung. des erfindungsgemässen Verfahrens zwar die Antriebsleistung der Vakuumpumpe, theoretisch jedoch, weniger als ein Fünfzigstel der bisherigen Wassermenge um die gleiche Wärmemenge abzuführen. Die verdampften Wassermengen werden über eine Kachspeiseöffnung dem System zugeführt. Eine Rückkühlung, des Wasserdampfes ist grundsätzlich technisch möglich, bei kleineren Einheiten wirtschaftlich jedoch nicht sinnvoll.

Der grösste Vorteil des Verfahrens liegt in dem. 20-fach verbesserten Wärmeübergang: von den Kühlkanälen auf die Umlaufflüssigkeit., ohne dass die Werkzeugtemperaturen ansteigen. Mit Hilfe dieses Verfahrens lässt sich auch bei veralteten Werkzeugen eine vielfach verstärkte Kühlleistung erzielen. Bei der Anwendung dieses Verfahrens ist es wichtig, dass die Siedeflächen im Werkzeug durch das Umlaufwasser fortwährend vom entstandenen Wasserdampf freigespült werden und auf diese Weise aktiv bleiben. Das Vakuum im Umlaufsystem erweist, sich bei einer Undichtigkeit günstiger als Überdruck, da es die Flüssigkeit nicht austreten, lässt und auch eingesaugte Luft über die gleiche Vakuumpumpe abgesaugt werden kann.

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Zur näheren Erläuterung ist die Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgenässen Verfahrens beispielsweise in Pig.1 dargestellt. Ein vakuumfester Umlaufthermostat, bestehend aus dem Flüssigkeitssammelbehälter 1 mit dem Heizkörper 2, dem Kühler und der Umwälzpumpe 4 pumpt die Temperierflüssigkeit über dem Werkzeugvorlauf 5 durch das zu temperierende Pormv/erkzeug 6 über den Werkzeugrücklauf 7 in den Sammelbehälter 1 zurück. Der Wärmeaustausch (meistens Kühlung) erfolgt im Werkzeug 6 durch Wärmeleitung zwischen dem Werkzeugstahl über die Kühlkanäle in die Flüssigkeit. Der Wärmeüberschuss im Sammelbehälter ' wird über den Kühler 3 abgeführt. Das Nachspeiseventil 1o hält, den Flüssigkeitsspiegel konstant. Erfindungsgemäss wird eine Vakuumpumpe mit einstellbarem Vakuumregler 8 für die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines bestimmten technischen Vakuums innerhalb des Plüssigkeitskreislaufes angeordnet. Mit Hilfe des Vakuums wird die Siedetemperatur der Flüssigkeit auf eine vorher wählbare Höhe abgesenkt. Um einen sicheren Betrieb im flüssigen Aggregatzustand zu gewährleisten, wählt man die Siedetemperatur wenige Grad Celsius höher als die Betriebstemperatur. Die Anlage wird erfindungsgemäss im flüssigen Zustand in der V/eise betrieben., dass die Plüssigkeitäumwälzpumpe 4z. B. Wasser von. 25⁰C bei einem Vakuum von 96% umpumpt. Die Heizung 2 und der Kühler 3 regeln wie üblich eine konstante Temperatur von 25⁰C aus. Wird nun wie in. diesem Beispiel stossartig heisser Kunststoff in das Formwerkzeug 6 eingebracht, nimmt der Stahl sofort die Temperatur an und führt die Wärme ab. An der Innenfläche der Kühlkanäle kommt z.B. eine Temperaturwelle 48⁰C.theoretisch an. Unter 96$ Vakuum siedet das Wasser jedoch bei 28,6⁰C. Beim Überschreiten dieser Temperatur im Kanal des Formwerkzeuges verdampft das zugeführte Wasser sofort und

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führt je Kilogramm verdampften wassers ca. 58o Kcal Y/ärme aus den Flächen der wärmeren Kühlkanäle ab. Dieser V/ärmeübergang im Siedebereich ist je nach, den Gegebenheiten bei V/asser je Quadratzentimeter fläche des Kühlkanals 4- bis 2o-fach grosser als wenn man normal temperiertes Wasser ohne das erfindungsgemässe Vakuum durchpumpt. Die Leistung der Kühlkanäle steigt durch das angelegte Vakuum bei praktisch konstanter Oberflächentemperatur um den gleichen Paktor.

'Jas entstehende Dampfvolumen muss von dem nach- . strömenden ΐ/asser sofort aus den Kühlkanälen verdrängt und im Sammelbehälter 1 von der Vakuumpumpe abgesaugt v/erden um das Vakuum und damit den niedrigen Siedepunkt aufrecht zu erhalten. Die Vakuumpumpe transportiert den Dampf im Regelfall über die Leitung nach aussen. Bei grossen Anlagen kann er dort über einen Kondensator niedergeschlagen und über das Einlassventil 1 ο in flüssiger Form wieder zugeführt werden. Der Kondensator erzeugt beim Niederschlagen des Dampfes Vaicuum und erleichtert die Arbeit die sonst von der Vakuumpumpe allein aufgebracht v/erden muss. Im vereinfachten System kann man auf den Kondensator und eventuell auch auf den Kühler 3 verzichten, den Wasserdampf nach aussen pumpen, und lediglich dem System über das Einlassvental 1o Frischwasser zufügen. Ss genügen z. B. 1o Liter Wasser um ca. 58ooKcal durch Verdampfen aus dem Formwerkzeug abzuführen. Diese geringe Wassermenge genügt bereits um etwa 1oo bis 12o kg heisae Polystyrolschmelze rasch abzukühlen. Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist dabei erheblich höher als wenn man eine Kühlsole von 5⁰C umpumpt und bei einem Durchlauf von ca. zwei Kubikmeter je Stunde eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von 25⁰G im Kühlkanal erreicht. Für die Erzeugung des Vakuums können alle Arten von Vakuumpumpen verwertet werden, die ein. genügend grosses Volumen schaffen..

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Unter Berücksichtigung der verschiedensten Einflussfaktoren tritt eine Verkürzung der bisherigen. Kühlzeit eines Formteile von 3o bis 6o^c/o ein.. Das vorgeschlagene System ist im Aufbau einfacher, in den Betriebskosten billiger, in der Funktion sehr viel v/irksamer, in der Temperaturkonstanz sehr viel besser und im Arbeitsbereich ohne besondere Probleme auch für höhere Formtemperaturen einzusetzen als die bekannt komplizierten Kältegeräte mit umlaufender Kühlsole.

Als Anwendungsgebiete sind beispielsweise zu nennen: ^: Temperierung von Hochleistungsspritzguss-, Tiefzieh- und Blasformwerkzeugen, Temperierung von veralteten Werkzeugen^it~ZTTkIeinen-"Bohrungen, Temperierung von Extruderzylindern, Extruderwerkzeugen, Kühlwalzen und Abkühlung von Kunststoffhalbzeug, und ähnliche Gebiete.

Staufen, den 12.9.1967

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Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zum Temperieren von Formwerkzeugen mit dem bekannten Wasserumlauftemperiergerät für den Temperaturbereich von 5 bis 98⁰C₁ dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufflüssigkeit durch ein regelbares Vakuum im heisreren. Formwerkzeug, teilweise verdampft, wird_fund der im Unterdruckbereich entstandene Wasserdampf als Wärmeträger wenigstens teilweise durch Vakuumpumpen an die Umgebung abgegeben, und der Y/as server lust des Systems durch Frischwasser ergänzt· wird.

2. Vorrichtung zum Temperieren von Formwerkzeugen nach Patentanspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, dass das Umlaufwasser wenige Grad Celsius unterhalb einer durch Vakuum erzeugten Siedetemperatur im flüssigen Zustand umgepumpt wird, die Höhe der Siedetemperatur durch Einstellung: der Vakuumhöhe vorher festgelegt wird,und der Wasserdampf als Wärmeträger wenigstens teilweise an die Umgebung abgegeben, sowie der Wasserverlust des Systems durch Nachspeisevorrichtungen ergänzt wird.

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