DE202020103956U1

DE202020103956U1 - Einspritzdüse zur Einspritzung eines suspensionsförmigen Mediums in eine Kunststoffschmelze

Info

Publication number: DE202020103956U1
Application number: DE202020103956.3U
Authority: DE
Original assignee: Gneuss GmbH
Current assignee: Gneuss GmbH
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2021-10-12
Anticipated expiration: 2030-07-09

Abstract

Einspritzdüse (100) zur Einspritzung eines suspensionsförmigen Mediums in eine Kunststoffschmelze,
wenigstens umfassend einen Düsenschaft (10) mit einem inneren Fließkanal (16), der von einem Vorratsbehälter oder von einer Zuführleitung (20) ausgeht und an einer Düsenöffnung (19) mündet,
und mit einer Längsbohrung (15) zur Aufnahme eines axial verschiebbaren Verschlusselements (12), über welche die Düsenöffnung (19) verschließbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Verschlusselement (12) keil- oder kegelförmig ist, das außen vor der Düsenöffnung (13) angeordnet ist und das über eine Zugstange (11), die in der Längsbohrung (17) gelagert ist, von innen in die kegel- oder keiltrichterförmig ausgebildete Düsenöffnung (19) zu ziehen ist;
- dass zwischen der Wandung der Düsenöffnung (10) und dem Verschlusselement (12) ein Ringspalt (13) ausgebildet ist;
- dass innerhalb des Düsenschafts (10) und vor dem Ringspalt (13) ein Verteilerraum (14) ausgebildet ist, durch welchen hindurch sich die Zugstange (11) und/oder das Verschlusselement (12) erstrecken und
- dass der Fließkanal (16) in dem Verteilerraum (14) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Einspritzung eines suspensionsförmigen Mediums in eine Kunststoffschmelze mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es sind Einspritzdüsen bekannt, mit welchen ein flüssiges Medium in eine Kunststoffschmelze einspritzbar ist. Die Düse besteht aus einem hohlen Schaft, durch welchen die Flüssigkeit geleitet wird. An dessen Ende befindet sich eine Bohrung, durch welcher die Flüssigkeit in die unter Druck fließende Kunststoffschmelze eingespritzt wird. Zudem kann die Bohrung auch mit einem Dorn von innen verschlossen werden, sodass keine Schmelze in die Bohrung eindringen kann. Das Problem dieses Konzeptes besteht darin, dass der Fließkanal für die einzuspritzende Flüssigkeit Totecken aufweist, sodass sich z.B. beim Einsatz einer Suspension als einzuspritzendem Medium die darin vorliegenden Partikel in den Totecken ablagern und nach einiger Betriebsdauer Zeit den Durchfluss blockieren oder den Druckverlust erhöhen, wodurch wiederum die Konstanz der Durchflussmenge des über die Einspritzdüse einzuspritzenden Mediums nicht gewährleistet.
Zudem erwärmt sich der Schaft auf die Temperatur, welche am Ort der Zuführung vorliegt, sodass die Suspension bereits vor der Einspritzung erwärmt wird. Die Erwärmung der Suspension führt in vielen Fällen zu deren Veränderung z.B. zu einer Agglomeratbildung der zuzuführenden Micro- oder Nanopartikel, oder auch deren Ablagerung. Suspensionen, die Agglomerate enthalten, entsprechend aber nicht den Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften der gefüllten Kunststoffschmelze.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Einspritzdüse anzugeben, mit der Suspensionen in heiße Medien einspritzbar sind und dass dabei Agglomeratbildungen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzdüse mit den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Mit der Erfindung werden folgende Verbesserungen erzielt:

Der Fließkanal für die Suspension ist sehr klein gehalten, wobei eine Relation zur Viskosität des einzuspritzenden Mediums, zu Art und Größe der Partikel in der Suspension, zum Querschnitt der Zuführleitung vor dem Fließkanal und zum vorgesehenen Durchsatz hergestellt werden muss. Der erzielte Effekt des reduzierten Durchmessers liegt darin, dass die Strömungsgeschwindigkeit erhöht ist, Ablagerungen vermieden werden.

Der Fließkanal besitzt bei niedrig viskosen Medien beispielsweise einen Innendurchmesser von maximal 3 mm, sodass ein Kapillareffekt erzielt wird. Der geringe Innendurchmesser erhöht die Strömungsgeschwindigkeit der Suspension. Vorzugsweise ist der Fließkanal oberflächenbehandelt, insbesondere poliert. Der durchströmenden Suspension wird eine aktive Wandreibung aufgezwungen. Damit können Ablagerungen verhindert werden.
Der Austrittsquerschnitt der Düse ist nach der Erfindung nicht kreisförmig, sondern ringförmig, was durch ein in der Düsenöffnung angeordnetes, kegelförmiges Verschlusselement erzielt wird. Damit erfolgt die Flüssigkeitszuführung von der Einspritzdüse aus in die Schmelze nicht als kompakter Strahl, sondern entspricht einem dünnwandigen Rohr. Damit wird gleich bei Eintritt in die Schmelze eine bessere Verteilung und Einmischung des Fluids erzielt.
Der Düsenverschluss erfolgt mittels des Verschlusselements in Form eines konischen Dorns, welcher über einen innen befindlichen Zugstab betätigt wird, und zwar wird das Verschlusselement von außen in die Öffnung hineingezogen. Dadurch kann das Verschlusselement wesentlich größer ausgebildet werden, also bei einer herkömmlichen, innen liegenden Düsennadel.
Zwischen Düsenöffnung und Verschlusselement ergibt sich, bedingt durch die Kegel- oder Keilform, eine große Abdichtlänge. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt diese mehr als 0,5 mm, insbesondere von 2,5 mm bei den oben genannten Größenverhältnissen der Kapillarleitung, deren Durchmesser kleiner als 3 mm ist. Damit wird eine zuverlässige Abdichtung auch bei zunehmendem Kantenverschleiß bei längerer Gebrauchsdauer erreicht.
Beispielsweise wird ein Fließkanal mit einer 2 mm weiten Kapillare für eine Einspritzdüse vorgesehen, mit der bis ca. 50 kg/h Finalprodukt erzielt werden. Dies entspricht dann ca. 10 Liter/h an einzuspritzender Suspension.
In größeren Produktionslinien laufen etwa 100 bis 200 Liter/h durch die Fließkanal, so dass erheblich größere Fließkanäle vorgesehen sein müssen.
Die Ausbildung eines groß dimensionierten Verteilerraums im Inneren des Düsenschafts, unmittelbar vor dem Ringspalt, ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der aus der Kapillarleitung austretenden Suspension, so dass vermieden wird, dass nur bestimmte Bereiche der Düsenöffnung mit zunehmendem Gebrauch verschleißen.
Der Düsenschaft ist vorzugsweise ausgehöhlt und/oder besitzt mehrere interne Kühlkanäle, sodass er mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden kann, damit die Suspension vor dem Austritt in die heiße Schmelze nicht oder sehr gering bei einer Verweilzeit von maximal 3 Sekunden erwärmt wird.
Vorteilhaft dabei ist auch, dass über die im Düsenschaft geführte Zugstange und das Verschlusselement an deren Ende ebenfalls Wärme abgeführt werden kann.
Der Fließkanal kann bei größeren Bauformen der Einspritzdüse nicht nur als eine Bohrung in einem Düsenschaft ausgebildet sein, sondern in einem in den Düsenschaft einzusteckenden Rohr, welches zwecks Reinigung schnell ausgetauscht werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 einen Schnitt durch eine Einspritzdüse und
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Mündungsbereichs des Düsenschafts.

In 1 ist eine Einspritzdüse 100 nach der Erfindung im Schnitt dargestellt. Diese umfasst einen Düsenschaft 10 mit einer Längsbohrung 15, in der eine Zugstange 11 axial verschiebbar angeordnet ist. Am Ende der Zugstange 11 ist ein kegelförmiges Verschlusselement 12 angeordnet, das von außen in eine Düsenöffnung hineingezogen werden kann, so dass dort ein Ringspalt 13 entsteht. Innerhalb des Düsenschafts 11 ist unmittelbar vor dem Ringspalt 13 ein Verteilerraum 14 ausgebildet.
Zum Bewegen der Zugstange 12 ist eine Antriebseinheit 30 mit einem in einer Zylinderbohrung 31 angeordneten Kolben 32 vorgesehen. Die Zylinderbohrung kann beidseits des Kolbens 32 über nicht dargestellte Kanäle und Ventile pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagt werden, um den Kolben 32 vor- oder zurückzubewegen. Der Kolben 31 ist über ein Kupplungselement 33 mit einem Ende der Zugstange 11 verbunden. Zur Abdichtung der rückwärtigen Öffnung der Längsbohrung 15 im Düsenschaft 10 ist eine Dichtbuchse 18 eingesetzt. Außerdem sind mehrere Ringnuten 11.1 am Außenumfang der Zugstange 11 ausgebildet. Diese ermöglichen, dass sich dort Feststoffpartikeln aus der Suspension ablagern, so dass eine Selbstabdichtungsfunktion im Betrieb erreicht wird.
Der Düsenschaft 10 besitzt einen Kühlmittelkanal 17, um ihn zu temperieren, und darüber auch mittelbar die über einen Fließkanal 16 zugeführte einzuspritzende Suspension bis kurz vor dem Eintritt in den Ringspalt 13 zu kühlen.
Für die Durchleitung der Suspension ist als Fließkanal 16 ein langgezogener Kanal im Düsenschaft 10 ausgebildet, der über eine Anschlussleitung 20, welche mittels eines Anschlussstücks 21 angeschlossen ist, gespeist wird.
Die Ausbildung der Mündung der Einspritzdüse 100 wird anhand der vergrößerten Darstellung in 2 beschrieben. Zentrales Element ist das am Ende der Zugstange 11 angebrachte, konische Verschlusselement 12. Es dient mit seinem kegelstumpfförmigen Abschnitt nicht nur der Abdichtung der Düsenöffnung, indem es sich an die kegelförmige Mündungsbohrung 10.1 am Ende des Düsenschaftes 10 anlegt, sondern es bewirkt durch seinen aus der Mündungsbohrung 10.1 herausragenden Teil auch eine Durchmesseraufweitung des ringförmigen Suspensionsstrahls, der aus durch den Ringspalt 13 in die Kunststoffschmelze oder ein anderes hochviskoses Fluid eingespritzt wird.
Der Fließkanal ist in einem spitzen Winkel von 3° bis 15° zur Mittelachse der Zugstange 11 ausgerichtet, um die Strömungsumlenkung aus dem Fließkanal 16 heraus in den Ringspalt 13 gering zu halten.
Unmittelbar vor der Mündungsbohrung 10.1 und dem zwischen dieser und dem Verschlusselement 12 ausgebildeten Ringspalt 13 ist der Verteilerraum 14 ausgebildet, in welchem die Zuführleitung mündet. Durch die im Zentrum durchlaufende Zugstange 11 bildet sich im Außenbereich des Verteilerraums 14 ein ringförmiger Verteilerkanal, der die Suspension über den Umfang des Ringspalts 13 verteilt.

Claims

Einspritzdüse (100) zur Einspritzung eines suspensionsförmigen Mediums in eine Kunststoffschmelze, wenigstens umfassend einen Düsenschaft (10) mit einem inneren Fließkanal (16), der von einem Vorratsbehälter oder von einer Zuführleitung (20) ausgeht und an einer Düsenöffnung (19) mündet, und mit einer Längsbohrung (15) zur Aufnahme eines axial verschiebbaren Verschlusselements (12), über welche die Düsenöffnung (19) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, - dass das Verschlusselement (12) keil- oder kegelförmig ist, das außen vor der Düsenöffnung (13) angeordnet ist und das über eine Zugstange (11), die in der Längsbohrung (17) gelagert ist, von innen in die kegel- oder keiltrichterförmig ausgebildete Düsenöffnung (19) zu ziehen ist; - dass zwischen der Wandung der Düsenöffnung (10) und dem Verschlusselement (12) ein Ringspalt (13) ausgebildet ist; - dass innerhalb des Düsenschafts (10) und vor dem Ringspalt (13) ein Verteilerraum (14) ausgebildet ist, durch welchen hindurch sich die Zugstange (11) und/oder das Verschlusselement (12) erstrecken und - dass der Fließkanal (16) in dem Verteilerraum (14) mündet.
Einspritzdüse (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenschaft (10) wenigstens einen Kühlmittelkanal (17) mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung aufweist.
Einspritzdüse (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fließkanal (16) zumindest in einem in dem Verteilerraum (14) mündenden Endbereich als Kapillarleitung mit einem Innendurchmesser von < 3 mm ausgebildet ist.
Einspritzdüse (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fließkanal (16) in einem spitzen Winkel von weniger als 15° zur Längsbohrung (15) verläuft.