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Die Erfindung betrifft eine Lochplatte
für einen
Unterwassergranulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
sowie einen Unterwassergranulator mit einer solchen Lochplatte.
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Unterwassergranulatoren werden zum
Heißgranulieren
von Kunststoffen eingesetzt. Dabei wird schmelzflüssiger Kunststoff
von einem Extruder durch eine Lochplatte hindurch in eine vollständig mit Wasser
geflutete Kammer gespritzt. Die an der Oberfläche der Lochplatte aus Düsenbohrungen
austretenden Polymerschmelzestränge
werden mittels eines mit hoher Rotationsgeschwindigkeit über die Oberfläche rotierenden
Messerkopfes durchtrennt und erstarren im Wasser zu kugel- bzw.
linsenförmigem
Granulat. Mit dem Wasserstrom wird das Granulat aus der Kammer abgeführt und
anschließend
getrocknet.
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Die Lochplatten bestehen in der Regel
aus legierten Stählen,
insbesondere Werkzeugstahl. Dieser ist für die üblichen Schmelzetemperaturen
von Polymeren bis 350°C
geeignet. Die Legierungsbestandteile vermindern abrasiven und korrosiven
Verschleiß,
der beim Durchströmen
verschiedener Polymerschmelzen und aufgrund des angepreßten rotierenden
Messerkopfes auftritt. Auch gegenüber Wasser ist der Stahl korrosionsbeständig.
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Bei diesem Granulierprozeß kommen
der Lochplatte verschiedene Funktionen zu. Einerseits dient die
Lochplatte dazu, die Polymerschmelze auf die zumeist konzentrisch
in einer oder mehreren Reihen angeordneten Düsen zu leiten. Zum anderen
ist die Lochplatte so ausgebildet, daß der Schmelzestrom gleichmäßig mit
nur geringem Druckverlust auf die Düsen verteilt wird. Schließlich besteht
ein weiteres Bestreben darin, die Lochplatte so auszubilden, daß die Schmelzetemperatur
vom Eintritt in die Lochplatte bis zum Austritt aus der Düsenbohrung
möglichst
konstant gehalten wird.
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Besondere Anstrengungen müssen unternommen
werden, um sicherzustellen, daß die
Lochplatte beim Granulieren immer auf Schmelzetemperatur gehalten
wird. Denn während
des Granulierprozesses wird der an die Wasserkammer angrenzende Lochplatte
ständig
Wärme durch
das vorbeiströmende
Wasser entzogen. Sinkt aber die Temperatur der Lochplatte unter
einen kritischen Wert, der je nach verarbeitetem Polymer unterschiedlich
sein kann, so friert die Schmelze in den Düsenbohrungen ein. Das heißt, die
in den Düsenbohrungen
befindliche Polymerschmelze erstarrt ganz oder teilweise. Damit
ist kein Granulieren mehr möglich,
oder zumindest fließt die
Schmelze bei nur teilweise zugefrorenen Düsen ungleichmäßig, was
zu ungleichförmigem
Granulat bezüglich
des Granulatdurchmessers und der Granulatlänge führt. Daher wird die Lochplatte
in der Regel elektrisch oder fluidisch, beispielsweise mittels eines
Wärmeträgeröls oder
mit Dampf, beheizt, um die Temperatur der Lochplatte auf dem notwendigen Wert
zu halten. Entsprechende Leitungen führen dazu innerhalb der Lochplatte
zu den Düsen
und um die Düsen
herum. Bei engen Abständen
zwischen den in der Regel ein- oder mehrreihig konzentrisch in der
Lochplatte angeordneten Düsen
lassen sich diese Leitungen aber nicht ohne Störung eines symmetrischen Schmelzeflusses
realisieren. Statt dessen müßten vielmehr
zugunsten der Leitungen einige Düsenbohrungen
wegfallen.
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Es ist in diesem Zusammenhang auch
bekannt, Wärmeleitrohre
im Schmelzeleitsystem zu integrieren (Johannaber, "Handbuch Spritzgießen", Carl Hanser Verlag,
Auflage 2002, Seite 1145, 1146). Ein Wärmeleitrohr ("Heat Pipe") ist ein hermetisch geschlossener
Hohlzylinder aus korrosionsfestem Stahl, der nur zu einem geringen
Teil mit Flüssigkeit gefüllt ist.
Bei Erwärmung
an einer beliebigen Stelle verdampft die Flüssigkeit innerhalb des Hohlraums. Die
Wärmeübertragung
erfolgt im wesentlichen aufgrund der latenten Wärme beim Phasenübergang (Verdampfung
und Kondensation). Daher können Wärmemengen
selbst bei sehr geringen Temperaturunterschieden transportiert werden,
indem die Flüssigkeit
selbsttätig
von der heißen
zur kalten Stelle fließt.
Die Rohre sollten immer so eingebaut sein, daß sie horizontal liegen oder
das kalte Ende nach oben zeigt. Bei Neigungen des kalten Endes unterhalb
der Horizontalen geht die Wärmeleitfähigkeit
zurück,
wobei hierbei die Schwerkraft eine Rolle spielt. Die Düsen einer
Lochplatte von Unterwassergranulieranlagen liegen in der Regel horizontal,
so daß die Wärmeleitrohre
parallel dazu angeordnet werden können. So wird dies beispielsweise
auch in der
DE 196
51 354 A1 vorgeschlagen, bei denen die Wärmeübertragungsrohre
zwischen den Düsenbohrungen der
Lochplatte liegen, wobei ein Ende der Wärmeübertragungsrohre der kühlen Wasserkammer
und ein anderes Ende dem schmelzeführenden Heißkanalsystem zugewandt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es nun, eine effektivere Lösung
zum Konstanthalten der Lochplattentemperatur anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lochplatte mit
den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
angegeben.
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Dementsprechend besteht die Lochplatte aus
einem plattenförmigen
Grundkörper
mit um ein Zentrum vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordneten Düsen für den Durchtritt
der Schmelze. Im Bereich des Zentrums befindet sich gegenüberliegend zur
schmelzeaustrittseitigen Oberfläche
der Lochplatte ein Schmelzeleitkegel zum Verteilen des vom Extruder
zugeführten
Schmelze stroms auf die Düsen.
Insoweit ist der Aufbau der Lochplatte üblich und beispielsweise aus
der
US 4,621,996 A1 bekannt,
bei der der Schmelzeleitkegel lösbar
am Grundkörper befestigt
ist, um ihn zum Zwecke der Reinigung oder des Auswechselns gegen
einen anderen Schmelzeleitkegel vom Grundkörper lösen zu können.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß der Schmelzeleitkegel
als Wärmeleitkörper ausgebildet
ist, indem er aus einem anderen Material besteht als der Grundkörper der
Lochplatte, nämlich
aus einem Material, welches gegenüber dem Material des plattenförmigen Grundkörpers einen
höheren
Wärmeleitkoeffizienten
besitzt. Dadurch läßt sich
eine gleichmäßige Temperaturverteilung
auch im zentralen Bereich der Lochplatte erreichen. Denn die Lochplatte
wird im Bereich des Zentrums, also innerhalb des Düsenkranzes,
intensiv mit Wärme
von dem zugeführten
Schmelzestrom versorgt. Die Temperierung der Lochplatte erfolgt
daher in diesem Bereich nicht oder zumindest nicht nur über elektrische
oder fluidische Leitungen sondern durch die Schmelzewärme selbst.
Bei geeigneter Dimensionierung des Schmelzeleitkegels kann vorteilhafter
Weise auf elektrische und/oder fluidische Leitungen innerhalb des
Düsenkranzes
vollständig
verzichtet werden.
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Als Material für den Schmelzeleitkegel bieten sich
unterschiedlichste Metallegierungen an, insbesondere Kupferlegierungen
die gegenüber
den üblicherweise
verwendeten Stählen
für die
Lochplatte einen deutlich höheren
Wärmeleitkoeffizienten
aufweisen. Der Schmelzeleitkegel im Sinne der vorliegenden Erfindung
muß nicht
notwendigerweise eine ideale Kegelform besitzen. Seine Oberfläche kann
konvex und/oder konkav gekrümmt
sein, Nuten und/oder Rippen besitzen oder im eher theoretischen
Extremfall ebene Seitenwände,
das heißt
einen pyramidenähnlichen
Aufbau, haben, wenn dies beispielsweise zur gleichmäßigen Verteilung
des Schmelzestroms auf einen nicht kreisförmigen Düsenkranz zweckmäßig ist.
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Die Effektivität der Wärmeübertragung vom zugeführten Schmelzestrom über den
Schmelzeleitkegel auf den plattenförmigen Grundkörper der
Lochplatte ist um so effektiver, je größer die Übertragungsfläche zwischen
Schmelzeleitkegel und Grundkörper
ist und je näher
diese Übertragungsfläche an den
zu beheizenden Düsen
liegt. Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht daher vor, daß der Schmelzeleitkegel mittels
eines Bolzens in einer entsprechenden Bohrung des Grundkörpers fixiert ist,
wobei der Bolzendurchmesser mindestens 40 %, vorzugsweise etwa 80
% oder mehr des Düsenlochkreisdurchmessers
beträgt
bzw. – im
Falle nicht kreisförmig
angeordneter Düsen – des kleinsten
Abstands zweier sich bezogen auf das Zentrum, um das herum die Düsen verteilt
sind, gegenüberliegender
Düsen. Durch
diese Maßnahme
werden beide Ziele erreicht, nämlich
einerseits eine große
(Umfangs-)Oberfläche des
Bolzens zur Wärmeübertragung
an die daran angrenzende Bohrung des plattenförmigen Grundkörpers der
Lochplatte und andererseits eine besondere Nähe dieser Wärmeübertragungsfläche zu den
in dem Grundkörper
vorhandenen Düsenbohrungen.
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Die Wärmeübertragung ist besonders effektiv,
wenn der Bolzen als Zapfen am Schmelzeleitkegel ausgebildet ist,
also einen integralen Bestandteil des Schmelzeleitkegels bildet,
beispielsweise angedreht ist. Weiter ist es sinnvoll, wenn der Bolzen
möglichst
tief in der Bohrung des plattenförmigen
Grundkörpers
der Lochplatte sitzt, da auf diese Weise die effektive Wärmeübertragungsfläche weiter
erhöht werden
kann. So kann die Bohrung beispielsweise als Durchgangsbohrung ausgebildet
sein und sich der Bolzen durch die Bohrung hindurch bis zur gegenüberliegenden
Oberfläche
der Lochplatte erstrecken.
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Andererseits ist es vorteilhaft,
wenn das freie Ende des Bolzens nicht mit dem kalten Wasser in der Wasserkammer
in Berührung
kommt, da dadurch unnötig
viel Wärme
aus dem Bolzen unmittelbar ins Wasser abgeleitet wird. Das freie Ende
des Bolzens kann in diesem Fall mit einer Wärmeisolationsschicht versehen
werden. Gemäß einer
besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird aber statt dessen
die Bohrung nicht als Durchgangsbohrung sondern als Sacklochbohrung
ausgebildet. Die Dicke des Grundkörpers am Grund der Bohrung
sollte so dünn
wie möglich
gewählt
werden und vorzugsweise weniger als 20 % der Länge des Bolzens betragen, um
eine möglichst
tiefe Einführlänge des
Bolzens und damit eine möglichst
große
Wärmeübertragungsfläche zwischen
dem Bolzen und der Bohrung zu gewährleisten. Zwischen dem freien
Ende des Bolzens und dem Grund kann ein geringfügiger Spalt verbleiben, der
eine unmittelbare Wärmeübertragung in
diesem Bereich verhindert. Die Wärme
des Schmelzeleitkegels wird dann im wesentlichen nur seitlich in
die Lochplatte zu den Düsenbohrungen
geleitet.
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Vorzugsweise handelt es sich bei
dem Bolzen des Schmelzeleitkegels um einen Gewindebolzen und bei
der Bohrung des plattenförmigen
Grundkörpers
der Lochplatte um eine Gewindebohrung. Dies bietet nicht nur den
Vorteil der leichteren Montage und Demontage des Schmelzeleitkegels,
sondern erhöht
aufgrund der Gewindeflächen
zusätzlich
die Wärmeübertragungsfläche zwischen
dem Bolzen und dem plattenförmigen
Grundkörper
der Lochplatte.
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Zur Erleichterung der Montage und
Demontage des Schmelzeleitkegels sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung eine am Schmelzeleitkegel integral ausgebildete Schraubenschlüsselfläche vor.
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Schließlich können zur weiteren Steigerung der
Wärmeleitfähigkeit
des Schmelzeleitkegels ein oder mehrere der eingangs erwähnten Wärmeleitrohre
im Schmelzeleitkegel integriert sein. Die Wärmeübertragung mittels Wärmeleitrohren
ist in der Regel noch effektiver als die Wärmeübertragung der für die vorliegenden
Zwecke geeigneten, wärmeleitenden Metallegierungen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der begleitenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Darin zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Lochplatte
mit Schmelzeleitkegel,
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2 eine
Variante des Schmelzeleitkegels aus 1,
und
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3 eine
Draufsicht auf die Spitze des Schmelzeleitkegels.
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1 zeigt
eine Lochplatte 1 umfassend einen plattenförmigen Grundkörper 2 und
einen Schmelzeleitkörper 3,
der mit einem integral angeformten Gewindebolzen 4 in einer
daran angepaßten Gewindebohrung 5 des
plattenförmigen
Grundkörpers 2 eingeschraubt
ist. Düsen 6 sind
konzentrisch um die Bohrung 5 auf einem regelmäßigen Lochkreis angeordnet.
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Statt eines einzigen Düsenkranzes 6 können auch
mehrere Düsenkränze mit
unterschiedlichem Lochkreisdurchmesser vorhanden sein. Ohnehin ist der
plattenförmige
Grundkörper 2 der
Lochplatte 1 nur schematisch dargestellt. Insbesondere
die der Wasserkammer zugewandte Stirnseite 7 des Grundkörpers 2 ist
in der Regel besonders gestaltet, was hier nicht dargestellt ist.
So sind auf der Stirnseite üblicherweise
Verschleißschutz-
und Wärmeisolationsschichten
angeordnet. Verschleißschutzschichten mindern
den Verschleiß der
Lochplattenstirnseite, der sich aufgrund des rotierenden Messerkopfes, welcher
die aus den Düsen 6 austretenden
Schmelzestränge
zu Granulat schneidet, ergibt. Wärmeisolationsschichten
vermindern den Wärmeabfluß durch die
Stirnseite der Lochplatte in das vorbeiströmende Wasser.
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Der Schmelzeleitkegel 3 muß nicht
notwendiger Weise über
eine Schraubverbindung im plattenförmigen Grundkörper 2 fixiert
sein. Andere form- oder kraftflüssige
Verbindungen sind ebenfalls möglich,
beispielsweise eine Preßpassung.
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Der Fluß der Schmelze S ist in 1 mit Pfeilen angedeutet.
Der Schmelzefluß teilt
sich an der Spitze des Schmelzeleitkegels auf und fließt gleichmäßig über den
Umfang des Schmelzeleitkegels zu den um den Schmelzeleitkegel 3 herum
konzentrisch angeordneten Düsen 6.
Der Schmelzestrom S wirkt somit als wärmeführendes Heizfluid für den Schmelzeleitkegel 3.
In dem Maße,
wie dem Bolzen 4 des Schmelzeleitkegels 3 Wärme durch
den ständig
wassergekühlten
Grundkörper 1 abgeführt wird,
wird Wärme
von dem durch die Schmelzeströmung
S beheizten, kegelförmigen
Ende des Schmelzeleitkegels 3 nachgeführt. Auf diese Weise wird der plattenförmige Grundkörper 2 der
Lochplatte 1 innerhalb des Lochkreises der Düsen 6 auf
Temperatur gehalten. Aufgrund der besonders guten Leitfähigkeit des
für den
Schmelzeleitkegel 3 gewählten
Materials, der beispielsweise aus einer Kupferlegierung besteht,
der tiefen Einführlänge des
Bolzens 4 in die Bohrung 5 und der besonderen
Nähe des
Umfangs des Bolzens 4 zu den Düsen 6 in dem Grundkörper 2 wird
eine besonders effektive Beheizung der Düsen 6 erreicht. Dadurch
daß das
freie Ende des Bolzens 4 durch den dünnen Boden 8 am Grund
der Bohrung 5 von der Wasserkammer isoliert ist, wird die
Wärmeübertragung
des Schmelzeleitkegels nahezu vollständig auf den, den Düsen 6 unmittelbar
benachbarten Bereich der Lochplatte gerichtet.
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Nach dem Einschrauben des Gewindebolzens 4 in
die Gewindebohrung 5 liegt der Strömungskegel mit seiner planparallelen
Grundfläche
dicht an der rückwärtigen Oberfläche 9 des
plattenförmigen Grundkörpers 2 an.
Dadurch vergrößert sich
die wärmeübertragende
Fläche
zwischen dem Schmelzeleitkegel 3 und dem Grundkörper 2 zusätzlich.
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Gegenüber chemisch oder mechanisch
aggressiven Polymerschmelzen kann der Wärmeleitkörper zusätzlich mit einer Verschleißschutzschicht an
den Oberflächen
versehen werden, die im Schmelzefluß S liegen.
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2 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des Schmelzeleitkegels 3 mit
darin koaxial angeordneten Wärmeleitrohren,
wie sie eingangs beschrieben wurden. Die Wärmeleitrohre 10 können konzentrisch
auf einem Kreis liegen. Es können
auch zusätzliche
Wärmeleitrohre 10 weiter
im Zentrum vorgesehen werden. Die Wärmeleitrohre 10 können in
entsprechende Bohrungen des Schmelzeleitkegels 3 in einfacher Weise
eingeschoben werden.
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3 zeigt
den Wärmeleitkegel 3 in
einer Aufsicht auf dessen spitzes Ende. In dieser Ansicht ist gut
zu erkennen, daß an
die Spitze des Schmelzeleitkegels 3 eine Schraubenschlüsselfläche, hier
für eine
Schlüsselweite
SW22, nach Art einer Sechskantschraube ausgebildet ist.