DE2731438A1

DE2731438A1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen mischen mit mindestens einer, durch eine transfermix-geometrie gebildeten mischzone

Info

Publication number: DE2731438A1
Application number: DE19772731438
Authority: DE
Inventors: Paul Meyer
Original assignee: Frenkel AG C D
Current assignee: Frenkel AG C D
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1977-07-12
Publication date: 1978-01-19
Also published as: AU2702577A; SE427740B; CA1077922A; SE7708044L; DD132171A5; FR2358189B1; JPS5818138B2; ATA510277A; IL52506A; BR7704638A; IL52506A0; DE2731438C2; AT369316B; IT1079296B; FR2358189A1; JPS5310169A; CH633990A5; US4136969A; AU507061B2; IN148237B

Description

MÜLLER-BORE · DEUFEL · SCIICN PATENTANWÄLTE

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DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALT VON 1927- 197S) DR. PAUL DEUFEL. DIPI--CHEM. OR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHVS.

1 2. Juli 1977

FRENKEL C-D AKTIENGESELLSCHAFT Vaduz / Liechtenstein

Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen mit mindestens einer, durch eine Transfermix-Geometrie gebildeten Mischzone

Die Erfindung befaßt sich mit Vorrichtungen zur Bearbeitung oder Aufbereitung mindestens eines fließfähigen Mediums, gegebenenfalls mit Zusatzstoffen in Puder-, Flüssigkeitsoder Gasform, wobei das fließfähige Medium jede geeignete Konsistenz haben kann, wobei die Größe der Teilchen in dem Teilchenstrom von Puder- bzw. Pulverform bis zur Brockengröße reicht; es kann auch ein viskoelastischer Feststoff verarbeitet werden. Insbesondere bezieht die Erfindung sich, jedoch nicht ausschließlich, auf ein viskoelastisches Medium, wie beispielsweise Gummi.

S 1IUNCIIEN 86 · SIEBERTSTR. 4 · POSTfZcQ M&#-it/vShSySbWBOPAT · TEL. (080) 474005 · TELEX 5-24383

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen mit mindestens einer, durch eine Transfermix-Geometrie gebildeten Mischzone.

Es sind kontinuierliche Mischmaschinen vorgeschlagen worden, die einen Rotor und ein Gehäuse enthalten; dabei weist der Rotor einen äußeren Schneckengang und das Gehäuse einen inneren Schneckengang auf, der gegenläufig zu dem Schneckengang des Rotors sowie koaxial zu diesem ist. Dabei kann einer der Schneckengänge einen Teil einer Einzugszone bilden, während die beiden folgenden Schneckengänge eine Mischzone bilden; auf einer gegebenen axialen Länge ändert sich der Schneckengang in einem der Bauteile (z.B. im Rotor) von einer vollen Querschnittsfläche der Schneckennut näherungsweise auf die Querschnittsfläche Null der Nut, während sich der Schneckengang des anderen Bauteils (z. B. des Gehäuses) näherungsweise von dem Querschnitt Null der Schneckennut zu einem vollen Querschnitt der Schneckennut ändert, und umgekehrt für eine etwa folgende Mischzone. Dadurch wird das Medium, das sich in der Eintrittszone in der Schneckennut des einen Bauteils befindet, vom Anfang der Mischzone ab kontinuierlich schichtweise von der Schneckennut des einen, des "Geber"-Bauteils in die Schneckennut des anderen, des "Nehmer"-Bauteils transferiert, also bewegt, bis gegen Ende der Mischzone der größte Teil des oder der gesamte Mediumfluß in die Schneckennut des anderen Bauteils überführt worden ist und dabei mit einer Intensität, die der relativen Bewegung zwischen den beiden Bauteilen entspricht, kontinuierlich schichtweise - ohne Auslaß oder Mehrfachwirkung gemischt und bearbeitet worden ist.

Wegen dieser Wirkungsweise wird eine solche Mischzone auch als Transfermix-Geometrie bezeichnet, und eine Vorrichtung mit mindestens einer solchen Mischzone heißt auch"Transfermix".

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Die grundsätzliche Mischwirkung einer solchen Transfermix-Geometrie hängt jedoch nicht von einer relativen Rotation zwischen den beiden Bauteilen ab, sondern wirkt auch bei zu einander stationären Bauteilen, wenn das Medium durch sie gepumpt oder auf andere Weise transportiert wird.

So kann, zum Beispiel -_t eine Transfermix-Geometrie durch ein System von schneckenförmigen Leitflächen in einem Durchgang mit grundsätzlich kreisringförmigem Querschnitt gebildet werden, durch den das Medium zum Wärmeaustausch durch die oder mit den Wänden des Durchgangs gepumpt wird; dabei wirken dann die schneckenförmigen Leitflächen als Sekundär-Wärmeaustauschwände. In einem solchen Transfermix-Wärmetauscher kann das Medium auch eine Flüssigkeit oder ein Gas, gegebenenfalls pudertragend, sein, und beim Durchfluß können Aggregatzustandsveränderungen des Mediums stattfinden.

Demnach kann eine Transfermix-Geometrie allgemeiner definiert werden als:

Eine kontinuierliche Mischvorrichtung mit einem äußeren Bauteil mit einer inneren Wirkungsfläche, die einen Schneckengang bildet, und mit einem inneren Bauteil mit einer äußeren Wirkungsfläche,die einen Schneckengang bildet, der eine andere Steigung als der Schneckengang der inneren Wirkungsfläche hat, aber koaxial zu diesem verläuft; diese Schneckengänge liegen einander gegenüber und bilden einen Durchgang für ein zu mischendes Medium, wobei die Hüllfläche der Kante oder Krone des inneren Schneckenganges einen ausreichenden kleinen Abstand zu der Hüllfläche der Kante oder Krone des äußeren Schneckenganges hat oder damit zusammenfällt; die Querschnittsfläche der Nuten in den gegenüberliegenden Schneckengängen ändern sich auf einer bestimmten Länge des Mischdurchgangs in entgegengesetztem Sinne zwischen je einem minimalen und einem maximalen Wert. Wenn das Medium durch

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den Mischdurchgang bewegt wird, werden seine Schichten nacheinander zwischen den gegenüberliegenden Schneckennuten, die als "Geber" und "Nehmer" dienen,transferiert und erfahren dabei zumindest eine Änderung ihrer Flußrichtung und ihrer relativen Lagen im Gesamtfluß des Mediums.

Eine Transfermix-Geometrie kann ganz allgemein als eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Anwendung einer Flächenoder einer Kanten-Wirkung auf einen Mengenfluß eines Mediums angesehen werden, um schrittweise eine Zustandsgröße dieses Mengenflusses mit vorbestimmter Gleichförmigkeit zu ändern.

In diesem Sinne ist der Wärmeaustausch ein Beispiel für eine Oberflächenwirkung. Die Anwendung von Scherkräften ist, in Abhängigkeit von der Konsistenz des Mediums, ein Beispiel für eine Kantenwirkung oder eine kombinierte Kanten- und Flächen-Wirkung. Zum Beispiel bei der Plastifikation einer Gummimischung als kalter Feststoff findet zuerst eine Scherwirkung zwischen einander kreuzenden Schneckenkanten der beiden Bauteile statt. Bei der Scherbearbeitung eines zähflüssigen Mediums ergibt sich eine kombinierte Kanten- und Flächenwirkung,indem zusätzlich zu der Scherwirkung die Kante des einen Schneckenganges die Nut des anderen Schneckenganges überquert und die Scherbeanspruchung, die von der Adhäsion an den Oberflächen herrührt, durch das Medium selbst übertragen wird. In einem solchen Fall werden die Verhältnisse Breite/Tiefe der Schneckennuten zu einem Faktor bei der Anwendung der Scherbeanspruchung des Mediums und damit, unter anderem, bei der Pumpwirkung einer rotierenden Transfermix-Geometrie auf das Medium.

Ein Mengenfluß wird als die Gesamtheit der Flüsse in beiden Bauteilen in jedem Querschnitt der Transfermix-Geometrie definiert, der vielfach größer ist als der Teil (die Schicht) des Flusses, der bei diesem Querschnitt gerade von einem

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Bauteil in den anderen transferiert und dabei der intensivsten Bewegung ausgesetzt wird. Unter anderen Eigenschaften unterscheidet sich diese Transfermix-Geometrie von anderen Mahlwerken, zum Beispiel Kolloid-Mühlen, in denen der bearbeitete Fluß im wesentlichen identisch mit dem gepumpten Gesamtfluß ist.

Ordnet man Transfermix-Geometrien der Reihe, nach hintereinander an, kann man die erforderliche Intensitäten der Kantenoder Flächenwirkungen auf einen Mengenfluß erzielen oder einen Mengenfluß einer Reihe von verschiedenen Wirkungen nacheinander aussetzen, und zwar jeweils mit einer Gleichförmigkeit, die von der jeweiligen Geometrie bestimmt wird. Als eines von vielen Beispielen kann ein Gummi- oder Plastik-Mischextruder angeführt werden, bei dem Plastifikation oder Schmelzwirkung in einer oder mehreren Mischzonen geliefert werden, mit Scherwirkung und Wärmetausch, und mit Mischwirkung und Druckaufbau für Extrusion in diesen oder folgenden Mischzonen. Ein weiteres Beispiel einer Kantenwirkung wäre chemisches Kontaktieren mit einem Katalysator, wobei der Katalysator beispielsweise in Form eines Drahtes an einer oder beiden Schneckenkanten angebracht sein kann.

Die Flächen- und Kantenwirkungen werden so bezeichnet, weil ihre Intensität ein Maximum an der Fläche oder Kante der direkten Anwendung ist und diese Intensität mit zunehmendem Abstand in Richtung in den Mengenfluß hinein abfällt. Die kantenumhüllende Rotationsfläche, durch die in einer Transfermix-Geometrie der Transfer des Mediums von dem einen in den anderen Bauteil stattfindet, wird durch die Kronen oder Kanten der einander kreuzenden Schneckengänge unterteilt. Je mehr Schneckengänge in einem oder beiden Bauteilen vorhanden sind, desto kleiner sind die Unterteilungen der "Transfer-Fläche", und desto gleichförmiger wird deshalb die Anwendung der Kanten- oder Flächenwirkungen.

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Es gibt jedoch Grenzen für die Vervielfältigung der Schneckengänge in jedem Bauteil,weil jeder Schneckengang aus Festigkeitsgründen eine Minimalkronenbreite haben muß, und zwar je nach Anwendung; und je mehr Schneckennuten für den Mengenfluß geboten werden, desto enger ist jede einzelne Schneckennut,bis die Flußverhältnisse beeinträchtigt werden und es auch rein geometrisch nicht weiter geht. In den Fällen, bei denen die relative Rotation zwischen den Bauteilen die Pumpwirkung liefert, das heißt, bei allen Extrudern, ergibt sich bei Schneckennuten mit zu kleinen Verhältnissen Breite/Tiefe eine mangelnde Übertragung der Scherbeanspruchung in die Tiefe der Nuten, so daß dort Stauungen oder Rückflüsse auftreten. In einer nicht-rotierenden Transfermix-Geometrie kann der Widerstand gegen die Pumpwirkung zu groß werden.

Die extremen Tiefen der Schneckennuten ergeben sich in einer Transfermix-Geometrie an entgegengesetzten Enden der Mischzone in jedem Bauteil, was aber den Effekt einer solchen Begrenzung durch eine Oberzahl an Schneckengängen nicht weniger wirksam macht.

Solche begrenzenden Wirkungen werden anhand von Transfermix-Geometrien mit größeren Abmessungen leicht verständlich, die von kleineren Versionen hochgerechnet worden sind, die für die jeweiligen Zwecke genügten.

Wenn zum Beispiel der Durchmesser und die Länge wie auch die Tiefe der kreisringförmigen Durchgänge einer Transfermix-Geometrie verdoppelt werden, wird die Transfer-Fläche vervierfacht. Wenn man dabei die Anzahl der Schneckengänge in jedem Bauteil gleich läßt, wie es einer geometrischen Vergrößerung entspricht, so wird dadurch die Anzahl der Unterteilungen der Transferflasche pro Flächeneinheit geviertelt.

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Wenn andererseits auch die Anzahl der Schneckengänge in jedem Bauteil verdoppelt wird, dann wird die Zahl der Unterteilungen der Transferfläche pro Flächeneinheit wieder auf den gleichen Wert gebracht wie in dem kleinen Transfermix, aber das Verhältnis Breite/Tiefe der einzelnen Schneckennuten wird halbiert, Das führt dann zu dem oben angedeuteten Verlust an gepumptem Durchsatz oder zu einer allgemeinen Erschwerung der Durchflußeigenschaften.

Die obigen Betrachtungen erklären Schwierigkeiten, die bei der Vergrößerung von Transfermix-Einheiten, besonders in Anwendung als Kaltzufuhr-Extruder, beobachtet worden sind, sowie auch die Begrenzung in der Leistung von kleineren Transfermix-Einheiten in dieser und anderen Anwendungen. Solche Begrenzungen sind aber nicht nur bei hochviskosen Medien vorhanden, sondern treten auch bei fließfähigeren Medien auf; sie werden zwar vielleicht nicht als solche betrachtet, sondern eher als Möglichkeiten für Verbesserungen, die bisher noch nicht realisierbar waren.

Diese Erfindung soll eine Transfermix-Geometrie schaffen, mit welcher die Gleichmäßigkeit, das heißt, der gleichmäßige Effekt, bei der Anwendung von Kanten- und/oder Flächen-Wirkungen vergrößert werden kann, wie sie durch die Zahl der Unterteilungen der Transfer-Fläche angedeutet wird, ohne daß sich der Mengenfluß des Mediums durch ungünstige Verhältnisse von Breite/Tiefe der einzelnen Schneckennuten verringert.

Außerdem soll eine Transfermix-Geometrie vorgeschlagen werden, die unter Aufrechterhaltung der gewünschten Gleichmäßigkeit bzw. Einheitlichkeit, das heißt, Qualität, in ihren Hauptabmessungen geometrisch vergrößert werden kann, wie es durch die Unterteilung pro Flächeneinheit der Transferfläche angedeutet wird, ohne daß sich eine disproportionale Verringerung des Mengenflusses durch ungünstige Ver-

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hältnisse Breite/Tiefe von einzelnen Schneckennuten ergibt.

Außerdem sollen Transfermix-Geometrien für Gummi- und Plastikextruder, insbesondere mit Kaltbeschickung, vorgeschlagen werden, mit denen eine Plastifizierung und/öder eine Aufschmelzung mit niedrigen Verhältnissen Länge/Durchmesser (L/D) auch für solche Medien erreicht werden kann, die bisher nur in Extrudern mit hohen L/D-Verhältnissen und in Einschnecken-Mischern teilweise überhaupt nicht verarbeitet werden konnten, ohne daß die Gefahr von allgemeiner oder örtlicher Überhitzung auftrat.

Insbesondere für solche Anwendungen sollen Vergrößerungen ermöglicht werden, ohne daß Verluste an Qualität und Durchsatz auftreten.

Gemäß der Erfindung wird dies durch einen kontinuierlichen Mischer erreicht, der mindestens eine, durch eine Transfermix-Geometrie gebildete Mischzone aufweist, wobei die Zahl der Schneckengänge bei jedem Bauteil auf der Länge der Transfermix-Geometrie sich in entgegengesetztem Sinne zu der Änderung der Querschnittsfläche der Schneckennuteiin diesem Bauteil ändert, wodarch bei einer Bewegung des Mediums durch diese Transfermix-Geometrie einzelne Teile des Mediums nacheinander zwischen den Nuten vonjeinander gegenüberliegenden, als "Geber" und "Nehmer" dienenden Schneckengängen transferiert, also jeweils übertragen werden, wobei Schneckennuten mit größeren Querschnittsflächen eine größere Breite haben als Schneckennuten mit kleineren Querschnittsflächen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine solche Mischzone durch einen angetriebenen Rotor und ein nicht rotierendes Gehäuse gebildet, die jeweils gegenläufige Schneckengänge haben, wobei der Rotor gegenüber einer

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Eintrittsöffnung eine Einzugsschnecke in dem Gehäuse aufweist.

Bei einem solchen kontinuierlichen Mischer können die Schneckengänge in den Bauteilen in der Mischzone gegenläufig und die Anzahl der Schneckengänge, die sich in jedem Querschnitt der Mischzone gegenüberstehen,so ausgelegt sein, daß sie für jeden Querschnitt der Mischzone ein konstantes Produkt bilden.

In solchen kontinuierlichen Mischern können Unterteilungen der Transfermix-Zone sowohl im Rotor wie im Gehäuse aus Ringteilen gebildet werden.

Dabei können solche Ringteile so zusammengebaut werden, daß möglicherweise kontinuierliche Schneckengänge zwecks zusätzlicher Stromteilung in den Nuten außer Register, das heißt, nicht ausgerichtet sind.

Bei kontinuierlichen Mischern, bei denen die Gehäuse oder Rotoren aus Ringteilen zusammengebaut sind, kann jeder Ring eine andere Zahl von Schneckengängen haben; die Änderung der Zahl der Schneckengänge längs der Transfermix-Geometrie läßt sich durch die Reihenfolge der Ringe erreichen.

Weiterhin kann jeder Ring zusätzlich zu den unterschiedlichen Zahlen der Schneckengänge eine andere Schneckensteigung haben.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform, bei der sich am Anfang der Transfermix-Zone die Anzahl der Schneckengänge auf dem Rotor mehr als verdoppelt, beginnt die Vermehrung der Schneckengänge durch einen ersten zusätzlichen Schneckengang, der sich allmählich aus dem Boden der Schneckennut erhebt und zwar näher bei der treibenden Kante des bestehenden Schneckenganges; diesem folgt ein zweiter zusätzlicher Schneckengang, der allmählich sowohl weiter in die Transfer-

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mix-Zone hinein als auch weiter von der treibenden Kante weg beginnt, während zusätzliche Schneckengänge dementsprechend weiter gestaffelt sind, bis die volle Zahl der zusätzlichen Schneckengänge erreicht ist, wodurch das fließende Medium in der ursprünglichen Schneckennut unterteilt und auch über ihre Breite verteilt bzw. unter Druck gesetzt wird. ..

Im folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in Schnittzeichnung eine Anwendung der Erfindung als Kaltbeschickungs-Gummiextruder mit zwei Transfermix- Zonen;

Fig. 2 in Schnittzeichnung eine alternative Ausführung der Transfermix-Geometrie des Rotors von Figur 1;

Fig. 3 in Schnittzeichnung den Gehäuse-Einsatz, der die Transfermix-Geometrie nach Figur 1 bildet;

Fig. 4 in schematischer Form eine Abwicklung eines Rotors mit zwei Transfer-Zonen und vielen Gängen im Vergleich zu dem Beispiel nach den Figuren 1-3;

Fig. 5 in schematischer Form eine Abwicklung eines Gehäuse-Einsatzes für die Transfermix-Zonen mit sehr viel mehr Gängen als beim Beispiel nach Figur 1-3;

Fig. 6 in schematischer Form Figur 4 und 5 übereinandergelegt zur Erläuterung einer Transfermix-Geometrie in zwei Zonen mit viel mehr Gängen als in den Beispielen Figur 1 bis 3, für eine verbesserte Gleichmäßigkeit oder eine vergrößerte Ausführung der Bei-, spiele nach der Figur 1 bis 3 ohne Verlust an Gleichmäßigkeit; und

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Fig. 7 in schematischer Form eine Abwicklung eines Gehäuseeinsatzes ähnlich wie Figur 5, der jedoch aus einer Reihe von separat hergestellten Ringteilen zusammengesetzt ist, die jeweils eine andere Anzahl von Gängen mit verschiedenen Steigungswinkeln haben.

In dem Kaltbeschickungs-Extruder von Figur 1 ist der Rotor auf übliche Weise im Gehäuse 22 montiert. Dieses hat eine Beschickungsöffnung 23 und einen Austrittsflansch 24; sowohl Rotor wie Gehäuse sind mit den branchenüblichen Heiz- und Kühlvorrichtungen ausgerüstet. An den Austrittsflansch könnten bekannte Austrittsvorrichtungen, wie z.B. ein Extrusionskopf, ein Siebpack, ein Pelletisierkopf oder fixierte Schneidemesser, angeschlossen werden.

Der Rotor umfaßt eine Beschickungs- und Kompressions -Zone 25 mit einer eingängigen Schnecke 27,die bis zur ersten Transfermix-Zone A führt, und eine Austragszone 26 mit einer zweigängigen Schnecke 28, die auf die zweite Transfermix-Zone B folgt. Beide Rotor-Zonen 25 und 26 befinden sich in zylindrischen Bohrungen des Gehäuses. Die Beschickungszone 25 kann mit bekannten Vorrichtungen zur Unterstützung des Vorwärtstransportes versehen sein, wie z.B. Längsrillen im Gehäuse usw.

In der ersten Transfermix-Zone A hat der Gehäuse-Einsatz 29 einen ersten Abschnitt mit einer 20-gängigen Schnecke 30 und einen zweiten Abschnitt mit einer 10-gängigen Schnecke 31, während in der zweiten Transfermix-Zone Beinern Abschnitt mit einer 10-gängigen Schnecke 32 ein Abschnitt mit einer 20-gängigen Schnecke 33 folgt, wie unterhalb der Zeichnung gezeigt.

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Der Rotor verläuft in der ersten Transfermix-Zone A mit einer eingängigen Schnecke 34 in einem ersten Abschnitt und wird in diesem Abschnitt zu der viergängigen Schnecke 35 aufgebaut, die als solche in einem zweiten Abschnitt bis zu der Stelle verläuft, wo die Nuten mit dem Querschnitt Null am Ende der Transferzone A auslaufen. In der Transfermix-Zone B beginnt der Rotor mit einem Abschnitt mit viergängiger Schnecke 36 und endet mit einem Abschnitt mit zweigängiger Schnecke 37, die über das Ende der Transferzone B als die zweigängige Schnecke 28 der Austragezone weiterläuft.

Für die Zahl von Schneckengängen,die für den Rotor oberhalb und für das Gehäuse unterhalb Figur 1 angezeigt sind, ergibt sich,daß sich diese auf komplementäre Weise über die Länge jeder Transfermix-Zone entsprechend dieser Erfindung ändern.

Der erste Abschnitt von Zone A des Rotors zeigt den allmählichen Aufbau von der eingängigen zu der viergängigen Schnecke. Nach dieser Erfindung beginnt dieser Aufbau nahe der Druckkante der eingängigen Schecke; die neuen Schneckengänge 38 erheben sich mit schrittweise in die Zone A und quer zum Nutenquerschnitt verschobenen Anfängen, die mit sanften Obergängen zu vollen Schneckengängen werden. Dies verhindert eine Stauung des noch nicht plastizierten Kautschuks , die eintreten würde, wenn die drei zusätzlichen Schneckengänge auf gleicher Höhe und mit weniger sanften Obergängen beginnen würden.

Figur 2 zeigt eine alternative Ausführung eines Rotors 21, wobei gleiche Ziffern die gleichen Teile bezeichnen; dabei beginnen in der Transfermix-Zone A sieben zusätzliche Schneckengänge 38' schrittweise längs und quer zu der ursprünglichen Nut und laufen als achtgängige Schnecke 39 bis zum Ende der Transfermix-Zone A weiter. Im Gegensatz zu der Ausführung nach Figur 1 verringern sich die Nuten der achtgängigen

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Schnecke 39 nicht auf den Querschnitt Null, sondern nur zu einem Mindestwert, und vergrößern sich in der Transferzone B wieder als Fortsetzung der achtgängigen Schnecke 41 in die Transfermix-Zone B. In dem zweiten Abschnitt läuft symmetrisch jeder zweite Schneckengang aus, und es bleibt die viergängige Schnecke 42 bis zum Ende der Transfermix-Zone B. Danach bleibt durch weiteres Auslaufen jeden zweiten Ganges die zweigängige Schnecke 43 der Austragzone 26 übrig. Die Anzahl der Schneckengänge in den verschiedenen Abschnitten ist unter Figur 2 eingezeichnet.

Figur 3 zeigt den Gehäuse-Einsatz von Figur 1 außerhalb dieser Vorrichtung und ohne Rotor, um seine Struktur zu verdeutlichen. Die gleichen Ziffern bezeichnen die gleichen Teile wie in Figur 1; die Anzahl der Schneckengänge sowie deren Abschnitte sind auch eingezeichnet.

Beim Gebrauch wird eine unvulkanisierte Gummimischung in Form von Streifen (Fellen), Brocken (Pellets) oder Puder in die Beschickungsöffnung 23 eingeführt und durch den Rotor 21 zur ersten Transferzone A gebracht, wobei eine Kompression zwecks Entlüftung vorkommen kann.

Beim Eintritt in die Transfermix-Zone A werden die äußersten Schichten des Mediumflusses im Rotor in die zwanzig Nuten der Gehäuseschnecke 30 transferiert, die in diesem Abschnitt tiefer werden, bis sie ein Verhältnis Breite/Tiefe von ungefähr 1 (in der Ebene der Zeichnung) erreicht haben. Während dieses Transfers werden diese Schichten unterteilt und zwecks Plastifizierung durch die relative Rotation geschert, während in den seichten Nuten ein effektiver Vorwärtstransport als Resultat derselben relativen Rotation stattfindet. Von Anfang an gibt es dort 1 χ 20 = 20 Überschneidungspunkte von Schneckenkronen oder "Schneidepunkte" für eine Scherwirkung.

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In der Schneckennut des Rotors dringt der neu entstehende Schneckengang 34 in der Nähe der Druckkante der ursprünglichen eingängigen Schnecke 27 in den Gummifluß, unterteilt das bis dahin kaum plastifizierte Material und verdrängt es auch über die Schneckennut, wie es im weiteren die beiden anderen entstehenden Schneckengänge 34 tun. Dadurch wird der Vorwärtsfluß in der/Schneckennut nicht aufgehalten, sondern zur Unterdruckseite des ursprünglichen Schneckenganges verteilt,wo, je nach dem ursprünglichen Füllungsgrad, noch Raum zum Ausfüllen frei sein kann.

Nach dem allmählichen Hervortreten der drei Zusatzschneckengänge 34 geht der Fluß im Rotor in vier Schneckennuten 35 vor sich, die voll laufen und an ihren tiefsten Punkten mit einem Verhältnis Breite/Tiefe von ungefähr Eins angefangen haben, wodurch ein guter Vorwärtstransport gewährleistet wird.

Während der Entwicklungsarbeit in dieser Erfindung wurden erst drei auf gleicher Höhe am Anfang der Transferzone A entstehende Schneckengänge 34 getestet, was jedoch den Durchsatz stark reduzierte. Das gleiche geschah, wenn ein zusätzlicher Schneckengang in der Mitte der ursprünglichen Schneckennut und die beiden weiteren später in der Mitte der so entstandenen zwei Nuten begonnen wurden. Dieses führte zu treppenartig verschobenen Anfangslagen der zusätzlichen Schneckengänge für den Fall der Plastifikation von Gummi. Entsprechendes ergibt sich für das Aufschmelzen von Plastics, muß aber nicht für ein Medium sein, welches die Transfermix-Zone A schon in relativ gut fließfähigen Zustand erreicht.

Gegenüber der viergängigen Schnecke 35 im zweiten Abschnitt ist dann die zehngängige Schnecke 31 angeordnet, die durch Wegfallen jedes zweiten Schneckenganges der zwanziggängigen Schnecke entstanden ist und dadurch zu Anfang wieder eine

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größere Nutenbreite als Tiefe hat, das heißt, die günstigere Bedingung für den Vorwärtstransport. Wie ersichtlich, ergeben sich auf jedem Umfang der Transferfläche 4 χ 10 = 40 Überschneidungsstellen der Schneckenkronen und somit "Schneidepunkte·¹ für eine Scherwirkung. Dadurch wird sowohl eine gute Gleichförmigkeit bei der Anwendung der Scherarbeit und auch ein guter Vorwärtstransport erreicht. Am Ende der Transfermix-Zone A sind alle Schichten des Gummiflusses aus der Schneckennut des Rotors in die dort 10 Schneckennuten des Gehäuses transferiert worden und dabei zu einer Gleichförmigkeit bearbeitet worden, die hauptsächlich durch die über die Transferfläche verteile Anzahl der "Schneidepunkte" bestimmt wird,-je mehr "Schneidepunkte, um so gleichförmiger.

Analog ergibt sich für die Transfermix-Zone B wegen der erfindungsgemäßen Änderungen der Schneckengänge, daß es in jedem Querschnitt der Transferzone 4 χ 10 = 2 χ 20 = 40 "Schneidepunkte" gibt, die auch dort die Gleichförmigkeit der Scherbearbeitung zu ainem gewissen Grade gewährleisten.

Mit dem Rotor der Figur 3 anstelle des viergängigen Rotors der Figur 1 wird die Anzahl der "Schneidepuhkte" in jedem Querschnitt:

4x 20 =8x10=10x8= 20 x4= 80

für alle Teile der Transfermix-Zone A und B, wobei wir im Durchschnittswert die entstehende achtgängige Schnecke im ersten Abschnitt des Rotors als eine viergängige Schnecke ansehen können.

Es ist experimentell festgestellt worden, daß für eine kleine Transfermix-Einheit mit einem Rotordurchmesser von 82 mm (ab Zone B), in der sich auch ohne die erfindungsgemäße Änderung der Zahl der Schneckengänge eine Geometrie mit 80 "Schneidepunkten" pro Umfang mittels eines Gehäuseeinsatzes mit 20 Schneckengängen und einen viergängigen Rotor

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für 4 χ 20 = 20 χ 4 = 80 "Schneidepunkte" pro Umfang erreichen läßt, die Extrusionsresultate für eine über 50 % naturkautschukhaltige Mischung bedeutend schlechter waren. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergab sich eine mehr als 50 %ige Erhöhung des Durchsatzes von schon ausreichend glatt extrudierten Laufstreifen von weniger als 400 kg/st auf 630 kg/st bei einer Temperatur des Extrudates, die mehr als 5 niedriger war, obwohl die Schneckengeschwindigkeit von 86 auf 108 U.p.M. gesteigert werden konnte.

Die Zahl der "Schneidepunkte" pro Umfang dient innerhalb gewisser Grenzen dazu, Transfermix-Geometrien von gleichem Durchmesser von einander zu unterscheiden. Für Transfermix-Geometrien mit verschiedenen Größen ist es ratsamer, eine "Unterteilungslänge des Umfanges" als charakteristische Größe zu nehmen. Zum Beispiel ergeben sich für 80 "Schneidepunkte" in dem Umfang eines 82 mm Durchmesser Transfermix demnach 3,24 mm. Diese Unterteilungslänge des Umfangs gibt einen Anhaltspunkt zwecks Erzielung einer gleichwertigen Leistung in einem größeren Kaltbeschickungs-Extruder, zumindest für die Plastifizierzone A.

Figur 4 zeigt die entwickelte schematische Ansicht eines Rotors 50 mit einem Beschickungsabschnitt mit einer eingängigen Schnecke 51, die nach dem Anfang der Transfermix-Zone A in eine achtgängige Schnecke 52 mit stufenweisem Anfang 53 übergeht, wie es für Figuren 1 und 2 schon beschrieben wurde. In einem weiteren Abschnitt der Transfermix Zone A unterteilt sich die achtgängige Schnecke durch gleichmäßig verteilte Verdoppelung der Gänge in die sechszehngängige Schnecke 54 und in einem dritten Abschnitt nochmals in die zweiunddreißiggängige Schnecke 55, entsprechend der reduzierenden Nuttiefen entlang Zone A.

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In der Transfermix-Zone B fängt die 32-gängige Schnecke 56 bei der Tiefe Null der Nuten an und halbiert sich für zwei weitere Abschnitte zu jeweils einer 16-gängigen Schnecke 57 und der 8-gängigen Schnecke 58 bis zum Ende der Transfermix-Zone B, um als zweigängige Schnecke 59 in der Austragszone auszulaufen.

In Figur 5 ist in entwickelter schematischer Ansicht ein entsprechender Gehäuse-Einsatz 60 gezeigt, der am Anfang der Transfermix-Zone A mit einer 40-gängigen Schnecke 61 von praktisch Tiefe Null beginnt, in dem zweiten Abschnitt in eine 20-gängige Schnecke 62 und danach in eine 10-gängige Schnecke zum Ende der Transfermix-Zone A übergeht. In der Transfermix-Zone B ist umgekehrt zuerst die 10-gängige Schnecke 64 von maximaler Schneckentiefe angeordnet, gefolgt von der 20-gängigen Schnecke 65 und der 40-gängigen Schnecke 66 von sich auf Null reduzierender Nutentiefe.

Figur 6 stellt Figuren 4 und 5 übereinandergelegt dar. Diese Figur zeigt,daß außer bei der entstehenden 8-gängigen Schnecke des Rotors am Anfang von Transfermix-Zone A, wo die "Schnittstellen" von 40 auf 320 pro Umfang anwachsen, die restlichen Transfermix-Zonen A und B jeweils 320 "Schnittstellen" pro Umfang aufweisen und zwar mit Schneckennuten, die mit wachsender Tiefe breiter werden und umgekehrt zwecks Aufrechterhaltung der Bedingungen für gutes Vorwärtspumpen.

Unter Verwendung der "Unterteilungslänge" von 3,24, die oben bestimmt wurde, berechnet man den Umfang des großen Transfermix mit 320 "Schnittstellen" pro Umfang für dieselben geometrischen Plastifikationsbedingungen als 320 χ 3,24 = 1*036,8 mm und den Durchmesser als 330 mm gleich rund 13".

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Wenn man in Betracht zieht, daß Gummi-Extruder meistens mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit für alle Größen gefahren werden, so daß die Verweilzeit mit der Größe proportional zunimmt, so bewirkt dieser Faktor, daß effektiv ein größerer Transfermix mit dieser Geometrie gebaut werden kann_yder dann die gleiche Plastifikationsqualität liefert wie der 82 nun Durchmesser Transfermix mit der Größe entsprechendem Durchsatz.

Figur 7 zeigt schematisch fünf separate Ringe 71, 72, 73, 74 und 75, die zusammengesetzt werden, um einen Gehäuse-Einsatz 70 zu bilden. Diese werden, wie Einsatz 60, in ein Gehäuse eingebaut, wobei die Einzelringe mit dem Gehäuse oder miteinander verriegelt werden können zwecks Aufnahme des Drehmoments, das durch das Medium während des Gebrauchs ausgeübt wird.

Ring 71 hat eine von der Tiefe Null ausgehende 40-gängige Schnecke 76 mit Steigungswinkel 68 , Ring 72 eine 20-gängige Schnecke 77 mit Steigungswinkel 59°, Ring 73 eine 10-gängige Schnecke 78 mit Steigungswinkel 50° und die Ringe 74 und 75 haben jeweils 10-gängige Schnecken 79 und 80 mit Steigungswinkeln von 59° bzw. 68°.

Daraus ergibt sich, daß man je nach der Art der Flächenwirkung, die auf den Mengenfluß anzuwenden ist, beispielsweise Scherwirkung bei einem Medium, dessenViskosität (Zähigkeit) mit der Plastifikation schnell abnimmt, eine Änderung des Steigungswinkels in Richtung auf 45°, den Winkel der größten Pumpwirkung (sin 45° χ cos 45° ist ein Maximum), hin verwenden kann, um die Schneckennuten mit einem reduzierten Maximalwert zu bauen und dadurch zusätzlich das Verhältnis Breite/Tiefe kleiner zu halten.

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Im Gehäuse-Einsatz 70 hat die Transfermix-Zone B nur eine 10-gängige Schnecke, jedoch mit schrittweise verändertem
Steigungswinkel von Ring zu Ring. Entsprechend könnte man zusammen damit einen Rotor verwenden, der in der plastifizierenden Transfermix-Zone A eine Geometrie von 320 "Schnittstellen" pro Umfang und der in der Transfermix-Zone B eine Geometrie von 80 "Schnittstellen" pro Umfang hat, um eine weniger intensive Bearbeitung des schon plastifizierten
Mediums durchzuführen.

Ahnlich wie bei den Gehäuse-Einsätzen können auch Rotoren aus Ringen zusammengesetzt werden, die dann die Schnecken auf ihren Außenseiten haben und auf eine Achse zusammengepaßt sind und mit dieser oder miteinander zur Übertragung des
Drehmoments verkeilt werden.

Die Herstellung von Rotoren oder Gehäuse-Einsätzen aus Einzelringen ist besonders für größere Transfermix-Einheiten von Vorteil, da solche Ringe einfacher und insbesondere mit
kleineren Werkzeugmaschinen herzustellen sind, was leicht die nötige Mehrbearbeitung wegen des Zusammenpassens und der Dichtung aufwiegen kann.

Weiterhin kann man dann .Rotoren und Gehäuse-Einsätze von
verschiedenen Transfermix-Geometrien aus normierten Ringen ab Lager herstellen.

Beim Zusammenbau von Transfermix-Geometrien von Einzelringen kann man diese auch in verschiedenen Winkelpositionen anordnen, so daß möglicherweise kontinuierliche Schneckengänge unterbrochen und mehr oder weniger symmetrisch angeordnet sind. Wenn die Schneckengänge derartig unterbrochen angeordnet sind, werden zusätzliche strömungsspaltende Eigenschaften

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in die Wirkungsweise eingeführt. Diese könnten auch bei Transfermix-Bauteilen eingebaut werden, die ursprünglich nicht aus Ringen bestehe^sondern in einem Stück gefertigt wurden.

- Patentansprüche -

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Claims

273U38 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen mit mindestens einer, durch eine Transfermix-Geometrie gebildeten Mischzone, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zahl der Schneckengänge an jedem der beiden Bauteile längs der Transfermix-Zone in entgegengesetztem Sinne zu der Änderung des Querschnittes der Schneckennut an diesem Bauteil ändert, wodurch bei einer Bewegung eines Mediums längs der Transfermix-Zone während des Gebrauchs Abschnitte des Mediums der Reihe nach zwischen den Nuten gegenüberliegender Schneckengänge als "Geber" und "Nehmer" jeweils transferiert werden, wobei Schneckennuten mit größerer Querschnittsfläche eine größere Breite haben als Schneckennuten mit kleinerer Querschnittsfläche.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzone durch einen angetriebenen Rotor und ein nicht-rotierendes Gehäuse gebildet wird, die gegenläufige Schneckengänge haben, wobei der Rotor einen Schneckengang gegenüber einer Eintrittsöffnung zu dem Gehäuse aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneckengänge an den Bauteilen in der Transfermix-Zone gegenläufig sind, und daß die Zahlen einander gegenüberliegender Schneckengänge an jedem Querschnitt der Transfermix-Zone miteinander im wesentlichen als konstantes Produkt bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Unterteilungen des Rotors oder des Gehäuses der Transfermix-Zone aus separaten Ringen bestehen.

ORlGtNAL INSPECTED

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe in relativen Winkellagen so zusammengebaut sind, daß möglicherweise kontinuierliche Schneckengänge diskontinuierlich angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Ringe verschiedene Schneckengangzahlen haben, und daß die erwähnte Änderung der Gangzahlen durch die Aufeinanderfolge von solchen Ringen im Rotor oder Gehäuse gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Ringe verschiedene Gangzahlen mit verschiedenen Steigungswinkeln haben.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Eintritt in die Transfermix-Zone die Anzahl der Schneckengänge auf dem Rotor dadurch mehr als verdoppelt wird, daß ein erster zusätzlicher Schneckengang allmählich näher zu der Druckseite eines bestehenden Schneckenganges beginnt als zu der Unterdruckseite dieses Schneckenganges, welcher die andere Seite der bestehenden Schneckennut definiert, gefolgt von einem zweiten zusätzlichen Schneckengang, der allmählich an einer Stelle weiter hinein in die Transfermix-Zone und weiter weg von der Druckseite des ursprünglichen Schneckenganges beginnt, bis die volle Anzahl von Schneckengängen erreicht ist, wodurch beim Gebrauch das fließende Medium in der ursprünglichen Schneckennut sowohl unterteilt wie auch quer darüber verteilt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und das Gehäuse mindestens zwei Transfermix-Zonen bilden und eine Austragzone mit einem

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Schneckengang an dem Rotor und einer zylindrischem Gehäusebohrung aufweisen, daß in diesen Transfermix-Zonen der Rotor und das Gehäuse gegenläufige Schneckengänge haben, daß in der ersten Transfermix-Zone die Anzahl der Schneckengänge an dem Rotor mit der Verkleinerung des Gesamt-Nutenquerschnitts in Richtung auf Null größer wird, daß die Anzahl von Schneckengängen im Gehäuse nahe dem Anfang der Transfermix-Zone, wo der Gesamt-Nutenquerschnitt von Null aus zunimmt, hoch ist und daß-diese Anzahl abnimmt mit der Vergrößerung des Nutenquerschnitts zu seinem Maximalwert am Ende der ersten Transfermix-Zone.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Transfermix-Zone die Anzahl der Schneckengänge an dem Rotor abnimmt mit zunehmendem Schneckennuten-Quer schnitt_f und daß die Anzahl der Schneckengänge im Gehäuse zunimmt mit auf Null abnehmendem Schneckennuten-Querschnitt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Schneckengänge auf dem Rotor nach Beginn der ersten Transfermix-Zone um mehr als das Doppelte und danach durch gleichmäßig verteilte Verdoppelung auf ihren Maximalwert zunimmt, und daß die Anzahl der Schneckengänge im Gehäuse durch gleichmäßig verteilte Halbierung auf ihren Minimalwert abnimmt, wobei die Verdoppelungen und Halbierungen ungefähr an den gleichen Querschnitten der Transferzonen erfolgen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beginn der ersten Transfermix-Zone die Anzahl der Schneckengänge auf dem Rotor um mehr als das Doppelte durch stufenweise von der Druckseite des bestehenden Schneckenganges verschobene Neuanfänge von Schneckengängen vergrößert

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wird, und sich in einem weiteren Abschnitt durch gleichmäßig verteilte Verdoppelung bis zu der maximalen Anzahl vergrößert, wo der Schneckennuten-Querschnitt seinen Minimalwert hat, und danach durch gleichmäßig verteiles Halbieren abnimmt, und daß die Anzahl der Schneckengänge im Gehäuse in der ersten Transfermix-Zone durch gleichmäßig verteiltes Halbieren abnimmt und in der zweiten Transfermix-Zone durch gleichmäßig verteilte Verdoppelung zunimmt, wobei diese Verdoppelungen und Halbierungen der Schneckengänge an entsprechenden Querschnitten der Transfermix-Zonen erfolgen.

13. Vorrichtung nach Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Querschnitte der Transfermix-Zonen Trennflächen zwischen Ringteilen bilden, aus denen das Gehäuse oder der Rotor zusammengesetzt sind, wobei ein solcher Ring eine bestimmte Anzahl von Schneckengängen hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring einen Schneckengang mit einem anderen Steigungswinkel aufweist als ein benachbarter Ring.

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