DE19815695C2 - Planetwalzenextruder - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Planetwalzenextruder (1), bestehend aus einem Planetwalzenzylinder (2), einer Zentralspindel (3) und mehreren Planetspindeln (4). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Planetspindeln (4) in ihrem Inneren eine Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrichtung der Planetspindeln (4) aufweisen. Damit kann eine bessere Wärmeverteilung im Inneren des Planetwalzenextruders bewerkstelligt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Planetwalzenextruder, bestehend aus einem Planetwalzenzylinder, einer Zentralspindel und mehreren Planetspin­ deln.

Für die Herstellung von Kunststoffschmelze, vorzugsweise für die Ex­ trusion von Endlosprofilen, werden mitunter Planetwalzenextruder ein­ gesetzt. Bei diesen sind mehrere Planetspindeln zwischen einem Planet­ walzenzylinder und einer Zentral- oder Hauptspindel angeordnet.

Beim Antrieb der Zentralspindel wälzen die in Walzenzylinder, Planet­ spindeln und Zentralspindel eingearbeiteten Verzahnungen aufeinander ab, so daß das zu plastifizierende Kunststoffmaterial einer intensiven Knetwirkung unterworfen wird. Die so hergestellte Kunststoffschmelze hat eine hohe Güte.

Die verfahrenstechnische Funktionsweise eines Planetwalzenextruders wird neben dem kalanderähnlichen Auswalzeffekt in den Verzahnungen wesentlich durch die Temperierung des feststehenden Außenmantels des Planetwalzenzylinders und der sich drehenden Hauptspindel bestimmt, da durch das hohe Verhältnis Oberfläche/Volumen hier besonders effek­ tiv die Aufbereitung des Produkts beeinflußt werden kann.

Daher sind übliche Planetwalzenzylinder und Zentralspindeln häufig im Inneren flüssigkeitstemperiert. Die Temperaturführung der sich zwi­ schen Außenmantel und Hauptspindel mitdrehenden Planetspindeln kann durch äußere Maßnahmen nicht beeinflußt werden. Bei einem Pla­ netwalzenextruder, wie in der DE 37 12 749 C1 vorgeschlagen, wird die Zentralspindel gekühlt. Durch eine vielfache Umschichtung der mit ge­ kühlten Bauteilen in Berührung kommenden dünnen Schmelzschichten wird eine effektive Kühlung erreicht.

Das Haupteinsatzgebiet des Planetwalzenextruders ist die Aufbereitung scher- und temperaturempfindlicher Polymere, hauptsächlich von PVC- Rezepturen und Pulverlack-Trägerharzen sowie thermoplastischer Po­ lyolefine (TPO). Bei Überhitzung reagiert z. B. PVC durch Verbrennen und Zersetzen. Besonders bei transparenten Mischungen oder dünnen Folien führen die dadurch entstehenden sog. Blackspots zu erheblichen Qualitätseinbußen. Man begegnet diesem Problem mit der Einstellung niedriger Gehäusetemperaturen oder Reduzierung des Ausstoßes durch Herabsetzung der Drehzahlen, was natürlich entsprechende Wirtschaft­ lichkeitseinbußen zur Folge hat.

Pulverlacke müssen wegen der geforderten Dispergiergüte bei pigmen­ tierten Rezepturen und der Vernetzungsgefahr bei transparenten, glaskla­ ren Rezepturen bei möglichst niedrigen Temperaturen aufbereitet wer­ den. Hier kann eine örtliche Überhitzung die Qualität ebenfalls entspre­ chend verschlechtern oder die Aufbereitung gänzlich unmöglich ma­ chen. Dabei ist beobachtet worden, daß bei kritischen Materialien (z. B. weich-PVC) besonders am stromabwärts gerichteten Ende des Planet­ walzenteils Materialabbau durch Zersetzung erfolgte.

Bei der Aufbereitung von thermoplastischen Polyolefinen ist man be­ strebt, eine gleichmäßige Aufschmelzung zu erreichen. Da der Planet­ walzenextruder systembedingt gegenüber anderen Aufbereitungssyste­ men weniger gut in der Lage ist, mechanische Friktionsenergie in das aufzubereitende Material einzuleiten, wird der energieintensive Aufbe­ reitungsprozeß vorrangig über die innere und äußere Fluidtemperierung von Walzenzylinder und Zentralspindel sowie über die Verfahrenslänge bewerkstelligt.

Dies führt unter anderem jedoch zu einer Verlängerung und somit Ver­ teuerung der Maschine. Die Lösung über reine Wärmeleitung ist unbe­ friedigend, da speziell Polymere besonders schlechte Wärmeleit- und Wärmeübertragungseigenschaften haben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbes­ serten Planetwalzenextruder zu schaffen, der einen verbesserten Tempe­ raturgang aufweist. Es soll erreicht werden, daß sich im Inneren des Ex­ truders keine unerwünschten Wärmenester bilden, sondern daß die Wärmeentwicklung im Inneren des Extruders gezielt beeinflußt werden kann. Es sollen insbesondere Möglichkeiten geschaffen werden, das Temperaturverhalten der Planetspindeln zu beeinflussen.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Planetspindeln (4) in ihrem Inneren eine Einrich­ tung (5) zum Transport von Wärme in Längsrichtung der Planetspindeln (4) aufweisen.

Hier ist speziell daran gedacht, daß die Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrichtung der Planetspindeln (4) aus einem stabför­ migen Element aus hoch wärmeleitendem Material besteht. Dieses Ma­ terial ist vorzugsweise eine Kupfer-Beryllium-Legierung.

Alternativ dazu kann vorgesehen werden, daß die Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrichtung der Planetspindeln (4) aus einem stabförmigen Wärmeleitelement (Heat-Pipe) gebildet wird.

Heat-Pipes werden in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt, beispielsweise, um Computer zu kühlen. Diese Elemente bestehen aus einer Röhre, in der eine verdampfbare Flüssigkeit eingeschlossen ist. Wenn Hitze an einem Ende des Elements entsteht, verdampft die dort befindliche Flüssigkeit. Die verdampfte Flüssigkeit wandert zum ande­ ren Ende des Elements, wo das Gas wieder kondensiert. Die Wanderbe­ wegung der Flüssigkeit bzw. des Gases wird durch eine dochtartige Struktur im Inneren des Heat-Pipe bewerkstelligt. Dadurch entsteht ein Wärmetransport. Die Wärmeleitfähigkeit solcher Heat-Pipes liegt sogar noch über dem einer Kupfer-Beryllium-Legierung.

Weiterhin ist alternativ vorgesehen, daß die Einrichtung (5) zum Trans­ port von Wärme in Längsrichtung der Planetspindeln (4) aus einer ver­ schlossenen Bohrung oder einem verschlossenen Rohr besteht, in die bzw. das eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, eingebracht ist.

Um die Wärmebewegung entlang der Längsachse der Planetspindel ge­ zielt steuern zu können, ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, daß die Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrichtung der Planet­ spindeln (4) nur über definierte Bereiche Kontakt mit der Planetspindel (4) hat und über andere Bereiche (6) zur Planetspindel (4) wärmeisoliert angeordnet ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Planetwalzenextruders dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch einen Planetwalzenextruder,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Planetspindel in der Sei­ tenansicht im Teilschnitt,

Fig. 3 zeigt dieselbe Ansicht wie Fig. 2 mit einem spezi­ ell ausgebildeten Wärmeleitelement, in

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Planetspindel zu sehen, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.

Fig. 1 stellt schematisch den Querschnitt durch einen Planetwalzenex­ truder 1 dar. In einem innenverzahnten Planetwalzenzylinder 2 befindet sich eine ebenfalls verzahnte Zentral- oder Hauptspindel 3. Der Abstand zwischen Walzenzylinder 2 und Zentralspindel 3 wird durch mehrere - im dargestellten Falle durch acht - Planetspindeln 4 geschlossen.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, befindet sich im Inneren der Planetspindel 4 eine Einrichtung 5 zum Transport von Wärme in Längsrichtung der Spindel 4. Im dargestellten Falle handelt es sich um einen Stab 5 aus ei­ ner Kupfer-Beryllium-Legierung. Kupfer-Beryllium hat eine etwa zehn Mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl, weshalb es mit dem Stab 5 möglich ist, Wärme sehr gut von einem Ende der Spindel zum anderen Ende zu transportieren.

In Fig. 3 ist zu sehen, daß der Wärmeleitstab 5 nicht über die gesamte Länge im Kontakt mit der - hohlgebohrten - Spindel 4 stehen muß: Es können Bereiche 6 vorgesehen werden, die Kontakt zwischen Spindel 4 und Stab 5 verhindern (Isolationszonen). Damit kann sichergestellt wer­ den, daß die zu transortierende Wärme nur an gewünschten Stellen von der Spindel 4 in den Stab 5 eingeleitet wird bzw. vom Stab 5 wieder auf die Spindel 4 übertragen wird.

Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 4 zu sehen. Hier ist der Schnitt durch eine Planetspindel dargestellt. Die Spindel 4 weist eine Bohrung 7 auf, die sich von einem Ende bis fast zum anderen Ende er­ streckt. Die Bohrung 7 ist am offenen Ende (rechts in der Figur) mit ei­ nem eingeschweißten Deckel 8 wieder verschlossen. In die Bohrung 7 ist eine Flüssigkeit, z. B. Wasser eingebracht, das für eine Wärmeleitung in Längsrichtung der Spindel sorgt.

Mit dem wärmeleitenden Element 5 ist es möglich, Wärme vom heißen Ende der Planetspindel zum kalten Ende zu transportieren. Die Ausge­ staltung der Isolationszonen kann auch so erfolgen, daß ein Temperatur­ profil über die Spindellänge aufgebaut wird.

Denkbar ist es auch, daß die Planetspindel 5 selber aus dem gut wärme­ leitfähigen Material hergestellt wird.

Weiterhin ist es auch denkbar, von außen beispielsweise durch elektro­ magnetische, gepulste Wirbelströme (Induktionsheizung) die Planet­ spindeln zu beheizen. Durch die dadurch in den Planetspindeln erzeug­ ten Wirbelströme und die dadurch bedingte Verlustwärme kann eine weitaus größere Wärmemenge dem Material zugeführt werden als über die konventionelle Fluidbeheizung von Walzenzylinder und Hauptspin­ del.

Claims (6)

1. Planetwalzenextruder (1), bestehend aus einem Planetwalzenzylin­ der (2), einer Zentralspindel (3) und mehreren Planetspindeln (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Planetspindeln (4) in ihrem Inneren eine Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrichtung der Planetspindeln (4) aufweisen.

2. Planetwalzenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrich­ tung der Planetspindeln (4) aus einem stabförmigen Element aus hoch wärmeleitendem Material besteht.

3. Planetwalzenextruder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material eine Kupfer-Beryllium-Legierung ist.

4. Planetwalzenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrich­ tung der Planetspindeln (4) aus einem stabförmigen Wärmeleite­ lement (Heat-Pipe) gebildet wird.

5. Planetwalzenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zum Transport von Wärme in Längsrich­ tung der Planetspindeln (4) aus einer verschlossenen Bohrung oder einem verschlossenen Rohr besteht, in die bzw. das eine Flüssig­ keit, insbesondere Wasser, eingebracht ist.

6. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zum Transport von Wär­ me in Längsrichtung der Planetspindeln (4) nur über definierte Be­ reiche Kontakt mit der Planetspindel (4) hat und über andere Be­ reiche (6) zur Planetspindel (4) wärmeisoliert angeordnet ist.