DE2304569A1

DE2304569A1 - Hydrodynamische extrudiervorrichtung

Info

Publication number: DE2304569A1
Application number: DE2304569A
Authority: DE
Inventors: Petrus Cornelis Wilhelmu Bonth; Everhardus Albertus Muijderman; Halbe Osinga; Cornelis Andries Verburg
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-02-08
Filing date: 1973-01-31
Publication date: 1973-08-16
Also published as: DE2304325A1; JPS4892463A; IT978818B; FR2171213A1; NL7201605A; BE795042A; FR2171213B3; US3829270A; CH548848A

Description

PIIN.6125. WIJN/EVH.

An..;:^.,-: M. γ. Philips üioeiiarnpsnfabriekeo

Akte No. PHU- 6125 Anmeldung vom: 26, Jan. 1973

Hydrodynamische Extrudiervorrichtung,

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrodynamische Extrudiervorrichtung zum Verarbeiten von viskosen und elastoviskosen Stoffen, insbesondere von thermoplastischen Kunst-¹ stoffen, welche Vorrichtung zwei mit ihrer Mittellinie zusammenfallende und in einem geringen axialen Abstand voneinander angeordnete kreisförmige Scheiben aufweist, von denen die eine einen Teil eines Stators und die andere einen Teil eines Rotors bildet, wobei die einander zugewandten Oberflächen der beiden Scheiben als hydrodynamisch arbeitende einen Druckaufbau herbeiführende Viskositätspumpe ausgebildet sind, mit einem flachen spaltförmigen Arbeitsraum, der mit einer Zufuhrvorrichtung am Umfang der Scheiben und mit einer zentralen Extrusionsöffnung in einer der Scheiben in Verbindung steht.

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Bel der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen in einer Extrudiervorrichtung wird das zu verarbeitende Material in Form von Körnern oder Pulver, gegebenenfalls vermischt mit Stabilisatoren, Pigmenten und/oder anderen Zugaben, zugeführt und unter gleichmässiger Zu- oder.Abfuhr von Wärme zu einer homogenen Masse verschmolzen, verknetet und vermischt. Der Homogenitätsgrad des Materials ist für die Qualität des schlussendlichen Erzeugnisses bestimmend.

Bei einer bekannten Extrudiervorrichtung der eingangs erwähnten Art ist die Statorscheibe mit einer Anzahl in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Ausnehmungen mit einer in der Drehrichtung des Rotors zunehmenden Höhe versehen; bei Drehung des Rotors und in Zusammenarbeit mit der glatten Oberfläche der Rotorscheibe wird in den Ausnehmungen infolge eines Keileffektes der hydrodynamische Druckaufbau im zugeführten Material herbeigeführt. Gegenüber anderen bekannten Extrudiervorrichtungen, den elastodynamischen Extrudiervorrichtungen, die mit zwei glatten Scheiben versehen sind und deren Wirkungsweise auf zentripetal gerichteten Normalkräften, die durch relative Drehung der beiden Scheiben im elastoviskosen Material herbeigeführt werden, beruht, bietet die erstgenannte Vorrichtung den Vorteil, dass höhere Drücke und eine höhere Leistung erzielbar sind; der zentripetale Materialtransport erfolgt dabei jedoch ebenfalls infolge in der elastoviskosen Masse hervorgerufener Normalkräfte und wird ausserdem durch Zentrifugalkräfte beeinträchtigt. Diese Extrudiervorrichtung weist weiter den Nachteil auf, dass jede Ausnehmung mit einer Ausströmungsöffnung versehen werden muss und dass sowohl die

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Ausnehmungen als auch die Ausströmungsöffnungen entweder am Rotor oder am Stator vorgesehen werden müssen, damit Druckschwankungen in der Extrusionsöffnung vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine hydrodynamische Extrudiervorrichtung zu schaffen, die trotz einer einfachen Konstruktion einen höheren Wirkungsgrad hat als die bekannte hydrodynamische Extrudiervorrichtung.

Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass auf einer der beiden Scheiben auf der der
anderen Scheibe zugewandten Oberfläche ein Muster von logarithmischen Spiralrillen vorgesehen ist, die in Zusammenarbeit
mit der glatten Oberfläche der anderen Scheibe und bei relativer Drehung der beiden Scheiben sowohl einen hydrodynamischen Druckaufbau als auch einen zentripetalen Materialtransport
bewirken.

Allein schon durch die an sich bekannte hydrodynamische Wirkung der untiefen Spiralrillen IKsst sich bereite ein
stärkerer Druckaufbau erzielen als mit Vorrichtungen, deren Wirkung auf dem Keileffekt beruht. Ausserdem wird durch den Kombinationseffekt des Spiralrillenmusters der Materialtransport in radialer Richtung und folglich einen höheren Materialdurchsatz gewährleistet. Das gleichmässige Strömungsmuster und der charakteristische Druckverlauf des Spiralrillenmusters führt ausserdem zu einem sehr regelmässigen Materialdurchsatz. Das Spiralrillenmuster bietet weiter den Vorteil, dass bei einer Masstabvergrösserung der Vorrichtung der
Maximaldruck im Quadrat zunimmt.

Es sei bemerkt, dass es bekannt ist, den scheibenförmigen

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Rotor einer elastodynamisehen Extrudiervorrichtung mit einer einzigen verhältnismässig tiefen spiralförmigen Transportrille zu versehen und zwar zur Verbesserung des Materialtransportes in radialer Richtung; diese Transportrille liefert jedoch keinen wesentlichen Beitrag zum Druckaufbau und hat ausserdem eine Störung der zentripetalen Normalkräfte zur Folge.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der hydrodynamischen Extrudiervorrichtung nach der Erfindung ist das Spiralrillenmuster ringförmig, wobei der Innenumfang des Musters eine Mischkammer einschliesst. Das aus den Spiralrillen tretende Material wird, bevor es in die Extrusionsöffnung eintritt, in der Mischkammer einer intensiven Mischbearbeitung ausgesetzt, wodurch die Homogenität der Masse verbessert wird.

Dadurch, dass eine konstante Breite der Spiralrillen beibehalten wird, wobei die Dämme zwischen den Spiralrillen eine in Richtung der Mitte des Spiralrillenmusters abnehmende Breite haben, wird ein Verstopfen der Spiralrillen bei Verarbeitung von Stoffen mit einer hohen Erweichungstemperatur insbesondere von thermoplastischen Kunststoffen, vermieden.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der hydrodynamischen Extrudiervorrichtung nach der Erfindung, ist auf an sich bekannte Weise der Stator zylinderförmig und der Rotor kolbenförmig ausgebildet{diese Vorrichtung weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Zufuhrvorrichtung durch den als Förderschnecke ausgebildeten Innenumfang des Stators und den Aussenumfang des Rotors gebildet ist. Dadurch kann das Material dosiert und über

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dan gesamten Umfang des Arbeitsraumes zugeführt werden. Durch Kühlung des betreffenden Stator- und/oder Rotorteils wird eine frühzeitige Erweichung des Materials beim Transport vermieden.

Um etwaige Unregelmässigkeiten der Fördermenge der Schraubenpumpe auszugleichen und eine gleichmässige Zufuhr zu gewährleisten, ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der hydrodynamischen Extrudiervorrichtung nach der Erfindung durch eine ringförmige Erweichungskammer gekennzeichnet, die das Spiralrillenmuster einschliesst und d^Je eine in Richtung der Mittellinie der Extrudiervorrichtung abnehmende axiale Höhe hat.

Ein Ausftihrungsbeispiel der Erfindung ist in den

Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 einen Längsschnitt durch eine hydrodynamische Extrudiervorrichtung nach der Erfindung,

Pig. 2 einen Schnitt durch den Rotor gemäss der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 3 eine Darstellung der Druckverteilung über den Rotor in einer diametralen Ebene gesehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Extrudiervorrichtung 1 besteht aus einem mehrteiligen Stator 3 und einem aus mehreren Teilen zusammengestellten Rotor 5· Der Stator 3 weist ein Gehäuse 7 auf mit einem zylinderfBrmigen Hohlraum 9» der an einem Ende durch einen Deckel 11 mit einer Düse 13 abgeschlossen ist· An der Innenseite des Deckels 11 ist eine kreisförmige Scheibe 15 mit einer glatten Innenoberfläche 17

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und rait einer zentralen Extrusionsöffnung 18 vorgesehen, Der Rotor 5 weist einen kolbenförmigen Kopf 19 auf, der mit einer Antriebswelle 21 verbunden ist, die mittels eines Rollenlagers 23 und Kugellager 25 und 27 im Gehäuse 7 drehbar gelagert ist. An der Stirnfläche des Kopfes 19 ist eine kreisförmige Scheibe 29 vorgesehen. Die Scheibe 29 ist auf der der Scheibe 15 zugewandten Oberfläche 31 mit einem Muster von ringförmigen Spiralrillen 65 versehen. Der Stator 3» der Rotor 5 und die beiden Scheiben 15 und 29 haben eine gemeinsame Mittellinie 35» wobei der Stator und der Rotor derart gegenüber einander gelagert sind, dass zwischen den beiden Scheiben 15 und 29 ein flacher spaltförmiger Arbeitsraum 37 gebildet wird. Der Arbeitsraum 37 umfasst das bereits genannte ringförmige Spiralrillenteil 33» eine durch den Innenumfang des Spiralrillenteils eingeschlossene Mischkammer 38» die durch eine zentrale Ausnehmung in der Scheibe 29 gebildet ist, und eine den Spiralrillenteil einschliessende ringförmige Erweichungskammer 39t die durch Abschrägung des freien Randes der Scheibe 29 erhalten worden ist. Der axiale Abstand zwischen den beiden Scheiben 15 und 29 wird durch einen austauschbaren Distanzring 40 bestimmt»

In Höhe des Kopfes 19 des Rotors ist im Gehäuse 7 ein ringförmiges Element 41 vorgesehen mit einer schraubenlinienförmigen Rille 43, die in Zusammenarbeit mit dem nicht profilierten Umfang 4-5 des Kopfes 19 als Zufuhr- und Dosierungspumpe wirksam ist· Die Rille 43 ist an der Zufuhrseite mit einem Fülltrichter 47 verbunden und mündet an der Abfuhr seit e in die Erweichungskammer 39 · deren axiale Höhe in Richtung

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der Mittellinie 35 allmählich abnimmt. An dem der Antriebswelle 21 zugewandten Ende ist der Kopf 19 durch ein Abdichtungselement 51 umgeben, das mit einem Rückfördergewinde 53 versehen ist, dessen Richtung der der Rille kj entspricht. Das Element 41 ist von einer ringförmigen Kühlkammer 55 umgeben, die mittels eines Ringes 57» der durch Schweissnähte abdichtend mit dem Gehäuse 7 verbunden ist, gebildet ist. Die Kühlkammer 55 ist über nicht dargestellte Anschlüsse auf beiden Seiten einer Trennwand 61 mit einer Kühlwasserzufuhr und -abfuhr verbunden. In ringförmigen Ausnehmungen 63 des Deckels 11 sind Heizelemente 6k vorgesehen, um dem zu verarbeitenden Material über die Scheibe 15 Wärme zuzuführen.

Fig. 2 zeigt den Rotor im Querschnitt in Höhe des Spiralrillenteils mit dem ringförmigen Muster 33 paralleler logarithmischer Spiralrillen 65 mit einer konstanten Breite b, mit einer konstanten Tiefe d (Fig. 3) und mit einem Neigungswinkel <£j. Die Spiralrillen 65 sind durch Dämme 67 voneinander getrennt, deren Breite in Richtung der Mittellinie 35 abnimmt. Die Drehrichtung des Rotors 5 ist in Fig. 2 durch den Pfeil A angegeben.

Die Extrudiervorrichtung 1 wird derart aufgestellt, dass der Fülltrichter ^7 oben zu liegen kommt. Beim Betrieb der Vorrichtung wird das zu verarbeitende thermoplastische Material in Form von Körnern oder Pulver durch den Fülltrichter k7 zugeführt. Danach befördert die Zufuhr- und Dosierpumpe 43, ^ 5 das Material zur ringförmigen Erweichungskammer 39» wobei eine zu frühzeitige Erwärmung des Materials durch Kühlung des Elementes 41 vermieden wird. Dadurch, dass

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die Zufuhr- und Dosierpumpe kj _t ^5 mit der Kammer 39 über nahezu den gesamten Umfang derselben in Verbindung steht und durch Drehung des Rotors wird das Material gleichmSssig über den Umfang der Kammer 39 zugeführt und verteilt, wodurch etwaige Unregelmässigkeiten der Durchsatzmenge der Zufuhr- und Dosierpumpe ausgeglichen werden. In der Kammer 39 findet eine erste Vermischung des Materials und eine Erweichung desselben durch Berührung mit der erwärmten Scheibe 15 statt, wodurch das Material elastoviskos wird. Im Spiralrillenteil wird das Material einer eingehenden Knet- und Mischbearbeitung ausgesetzt und durch weitere Zufuhr von Wärme zu einer homogenen Masse verarbeitet. Durch die hydrodynamische Wirkung der Spiralrillen wird ein Druckanstieg im Material sowie der radiale Transport desselben in Richtung der Mischkammer herbeigeführt; in der Mischkammer wird das Material einer letzten Mischbearbeitung ausgesetzt. Das derart bearbeitete homogene elastoviekose Material wird über die EXttm*4tmeöffnung 18 durch die Düse 13 gepresst.

Fig· 3 zeigt die für das Spiralrillenmuster charakteristische Druckverteilung diametral über den Rotor gesehen. Die Druckverteilung verläuft parabelförmig über dem Spiralrillenteil 33 und konstant über der Mischkammer 39»

Bei einer in der Praxis bewährten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung hatte die Scheibe 29 einen Durchmesser von 200 mm| der freie Abstand zwischen den beiden Scheiben 15 und 29 betrug 0,2 mm; das ringförmige Spiralrillenmuster mit 12 Spiralrillen hatte einen Innendurchmesser von 90 mm und einen Aussendurchmesser von 150 mm; die Spiral-

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rillen hatten eine Tiefe von 0,6 mm und eine konstante Breite von 4,25 mm. Der Neigungswinkel^«des Spiralrillenmusters betrug 12°.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Spiralrillen 65 aus praktischen Gründen auf der Scheibe 29 des Rotors vorgesehen; eine gleiche Wirkung wird, erhalten wenn Spiralrillen auf der Scheibe 15 des Stators angebracht werden, Wenn die Scheibe 29 durch eine Scheibe mit einem anderen Spiralrillenmuster ersetzt wird sowie durch Austausch des Distanzringes 40 gegen einen Ring mit einer anderen Dicke kann der Druck und der Materialdurchsatz beeinflusst werden und die Vorrichtung kann an die Eigenschaften unterschiedlicher Materialien angepasst werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1,J Hydrodynamische Extrudiervorrichtung zum Verarbeiten von viskosen und elastoviskosen Stoffen, insbesondere von thermoplastischen Kunststoffen, welche Vorrichtung zwei mit ihrer Mittellinie zusammenfallende und in einem geringen axialen Abstand voneinander angeordnete kreisförmige Scheiben aufweist, von denen die eine einen Teil eines Stators und die andere einen Teil eines Rotors bildet, wobei die einander zugewandten Oberflächen der beiden Scheiben als hydrodynamisch arbeitende einen Druckanstieg herbeiführende Viskositätspumpe ausgebildet sind mit einem flachen spaltf8rmigen Arbeitsraum, der mit einer Zufuhrvorrichtung am Umfang der Sehöiben und mit einer zentralen Extrusionsöffnung in einer der Scheiben in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der beiden Scheiben auf der der anderen Scheibe zugewandten Oberfläche ein Muster von logarithm!sehen Spiralrillen vorgesehen ist, die in Zusammenarbeit mit der glatten Oberfläche der anderen Scheibe und bei relativer Drehung der beiden Scheiben sowohl einen hydrodynamischen Druckaufbau, als auch einen zentripetalen Materialtransport bewirken.

2, Hydrodynamische Extrudiervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralrillenmuster ringförmig ist, wobei der Innenumfang des Musters eine Mischkammer einschliesst.

3· Hydrodynamische Extrudiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralrillen eine konstante Breite heoen.

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4. Hydrodynamische Extrudiervorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3» wobei der Stator zylinderförmig und der Rotor kolbenförmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung durch den als Förderschnecke ausgebildeten Innenumfang des Stators und den Aussennmfang des Rotors gebildet ist» 5s Hydrodynamische Extrudiervorrichtung nach Anspruch h_t gekennzeichnet durch eine ringförmige Erweichungskammer, die das Spiralrillenmuster einschliesst und eine in Richtung der Mittellinie der Extrudiervorrichtung abnehmende axiale Höhe hat.

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