DE2924269A1 - Vorrichtung zur regelbaren aenderung des stroemungsquerschnittes in einem schneckenextruder - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur regelbaren Ände des
• Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur regelbaren Änderung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder für die Kunststoffverarbeitung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
• Aus der DE-OS 21 24 466 ist eine Vorrichtung zur Einwirkung auf das Verarbeitungsgut in einem Extruder bestehend aus mit im Extrudergehäuse gegenüberliegend angeordneten Stempeln bekannt, wobei die auch als Drossel wirksamen Stempel radial zur Förderschnecke und bis zum Schneckenkern verschiebbar sind. Dabei soll zusätzlich zu der mit der Extruderschnecke erreichbaren Beeinflussung des Verarbeitungsgutes eine Einwirkung auf das Verarbeitungsgut im Sinne einer steuerbaren Beeinflussung der Homogenisier- und Mischwirkung erzielt wer-#den.
• Zu diesem Zweck ist bei der bekannten Drosselvorrichtung auch vorgesehen, den Druckverlauf im Verarbeitungsgut oder die Mischwirkung durch einen Antrieb der Stempel zu steuern. ueber die Ausbildung und Funktion eines derartigen Antriebes ist bei der bekannten Vorrichtung nichts näheres bestimmt.
• In der DE-AS 11 75 868 ist eine Schneckenstrangpresse mit beweglichem den freien Raum in der Misch- oder Knetzone verändernden Druckstempel dargestellt. Die Betätigungseinrichtung für den Druckstempel ist gebildet aus einem von einer Temperaturmeßvorrichtung gesteuerten Membranventil, das direkt mit dem Druckstempel verbunden ist. Dabei kann die Betätigungseinrichtung auch aus einem von einem Motor angetriebenen und mit dem Druckstempel verbundenen Getriebe bestehen.
• Da bereits geringfügige Veränderungen des Querschnittes des Strömungskanals im Extruder erhebliche Auswirkungen auf die wichtigsten Verfahrensparameter nämlich die Temperatur und den Druck im Verarbeitungsgut haben, ist eine solche Betätigung des Druckstempels für eine selbsttätige Regelung dieser Verfahrensparameter nicht ausreichend genau. Sie verzögert insbesondere den bis Erreichen der vorgegebenen Regelgröße stattfindenden Einschwingvorgang. Erst das genaue in kleinstmöglichen Schritten sowie kurzfrisitg erfolgende Einpendeln der Regelgröße für die Regelung des Strömungsquerschnittes eines Schnekkenextruders sichert bei den geforderten großen Durchsatzmengen feinfühlig eine hohe und gleichbleibende Produktqualität.
• Zwischen Antriebseinrichtung und Druckstempel beispielweise angeordnete Zahnrädergetriebe verursachen einen erheblichen Raumaufwand. Außerdem sind sie in der Herstellung kostspielig.
• Bei Anordnung mehrerer Druckstempel in einer Querschnittsebene des Extruders erfordert die Gewährleistung einer synchronen Stempelbetätigung über Zahnrädergetriebe zusätzlichen Aufwand. Ist aber die gleic#hzeitige und gleichmäßige Verstellung dieser Druckstempel nicht sichergestellt, kommt es zur Bildung eines ungleichen Strömungsquerschnittes, der die Strömungsverhältnisse beeinträchtigt und einen geregelten Druckaufbau im Verarbeitungsgut verhindert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungsvorrichtung zur regelbaren Veränderung des Strömungsquerschnitts in einem Schneckenextruder mittels Druckstempel zu schaffen, die mit einfachen Mitteln den freien Querschnitt des Strömungskanals über dessen Umfang gleichmäßig und feinfühlig zu verändern vermag.
• Dies ist nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.
• Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung gewährleistet bei geringstem Raumbedarf eine zwangsläufige und gleichmäßige Betätigung der Druckstempel. Sie hat überdies den Vorzug einer kostengünstigen Herstellung.
• In der Anfangsphase der Druckstempelbetätigung bei größtmöglichem freiem Strömungsquerschnitt im Schnekkenextruder erfolgt bei gleichem Verstellweg der Betätigungsvorrichtung ein größerer Stempelhub als in der Schlußphase der Stempelbewegung bei kleiner werdendem Strömungsquerschnitt. Diese Charakteristik der Kinematik der Betätigungsvorrichtung bewirkt eine ihrem#Verstellweg nahezu proportionale Änderung des Druckaufbaus im Schneckenextruder. Da wie ermittelt wurde, die zunehmende Verengung das Strömungsquerschnittes eine dem Verstellhub der Stempelbewegung zunehmende überproportionale Steigerung des Massedruckes bewirkt, ermöglicht die Betätigung der Druckstempel mittels des Kniehebelantriebes selbst in diesem kritischen Bereich noch eine feinfühlige Druckregelung. So ist bei kleinstem freiem Strömungsquerschnitt im Schneckenextruder noch der Massedruck als bestimmte Regelgröße genau einstellbar. Dasselbe gilt auch für andere das Verarbeitungsgut beeinflussende physikalischen Größen die gegebenenfalls als Regelgrößen herangezogen werden wie z.B. die Massetemperatur oder die Viskosität, die bekanntlich ebenfalls durch Veränderung des freien Durchtrittsguerschnittes variiert werden können.
• Vorteilhafte in den Unteransprüchen gekennzeichnete Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung in Vorteilen und Wirkungsweise näher herausge; stellt.
• Die Erfindung ist im einzelnen nachfolgend an Hand der Zeichnung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• Hierbei zeigen Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen Schneckenextruder mit zur Gehäusebohrung radial verschiebbaren Druckstem#peln gemäß der Erfindung Fig. 2a einen senkrechten Querschnitt durch den Schneckenextruder gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1 bei geschlossenen Druckstempeln Fig. 2b wie Fig. 2a jedoch bei geöffneten Druckstempeln Fig. 3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Ansicht A in Fig. 2a Fig. 4 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung Fig. 5 eine Schemadarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels nach der Erfindung Fig. 6 eine Draufsicht gemäß Ansicht B in Fig. 2a Fig. 7 die Kennlinie des Druckes p im Verarbeitungsgut in Abhängigkeit des Stellhubes des Druckstempels, sowie die Kennlinie des zugehörigen Verstellweges der Verstelleinrichtung nach der Erfindung Fig. 8 die Regeleinrichtung für die Verstellbewegung der Druckstempel.
• Der in Fig. 1 gezeigte Schneckenextruder 1 besteht aus einem für Kühlzwecke mit Kühlbohrungen 2 ausgestalteten Schneckengehäuse 3', in dessen ~Gehäusebohrung 4 eine Eintragsöffnung 5 und eine Austragsöffnung 6 ein- bzw.
• ausmünden. Das Schneckengehäuse 3' ist aus mehreren Gehäusen 3 zusammengesetzt.
• In der Gehäusebohrung 4 ist die ein- oder mehrwellig ausgebildete Schneckenanordnung 7 mit einer nicht näher gezeigten Antriebseinrichtung verbunden.
• Uber die Verfahrens länge der Schneckenanordnung 7 verteilt sind an geeigneter Stelle in Verbindung mit speziellen austauschbaren Schneckenelementen 8 wirksame, den Misch- und Knetraum 9 in der Gehäusebohrung im Bereich dieser Schneckenelemente beeinflussende Druckstempel 10 angeordnet.
• Die Einflußnahme mittels Drsuckstempel 10 erfolgt durch Veränderung des Abstandes der mit den Schneckenelementen 8 korrespondierenden Stempelfläche 11 zu den Kämmen 12 dieser Schnexckenelemente,wodurch ein mehr oder minder großer Rückstau des Verarbeitungsgutes und damit stromaufwärts ein Druckauftau erzielt wird.
• Als Schneckenelemente 8 können je nach Verfahrensaufgabe die verschiedenartigsten Formen zur Anwendung gelangen, wie z.B. runde oder als Knetblöcke aneinandergereihte Scheiben mit bestimmten ~Steigungswinkel, oder Schneckenabschnitte mit entgegen der Förderrichtung wirksamer Kammsteigung, sog. Rückförderelementen 13.
• In Verbindung mit kleinsten noch regelbaren Veränderungen des Durchtrittsquerschnittes im Bereich dieser Schneckenelemente, ist eine gezielte Energieeinleitung, verbunden mit Änderungen des Druckaufbaus und des Temperaturgefüges im Verarbe#itungsgut ermöglicht.
• Die gemeinsame Betätigung der Druckstempel 10 unter Einschluß exakter Regelmöglichkeit bei absolut gleichen Hubbewegungen ist daher für eine optimale Nutzung des Schneckenextruders für die vielfältigsten Verfahrensaufgaben von großer Bedeutung. Die Sublange der Druckstempel 10 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,12 x Schneckendurchmesser D. Dabei können die Schneckenelemente 8 ohne Ausbau der Druckstempel 10, für eine unterschiedliche Verarbeitung oder bei einem Produktwechsel rasch ausgetauscht werden.
• Um den zwischen der Gehäusebohrung 4 und den Schneckenkämmen 12 gebildeten freien Strömungsquerschnitt zur Erzielung eines weiten Regelbereiches optimal zu beeinflusen, sind die Druckstempel so gegenüberliegend angeordnet und so dimensioniert, daß vollständig sie in ihrer wirksamen Arbeitsbreite nahezu vollständig den Durchmesser' der des Umfanges der Gehäusebohrung 4 überdecken um damit einen großen Teil des Umfanges der Gehäusebohrung 4 zu erfassen. So reicht bereits ein geringes Anheben der Druckstempel 10 aus um wirksam den Aufschmelzgrad des Verarbeitungsgutes zu von Vorteil, daß das beeinflussen.
• Hierbei ist von Vorteilt daß das Verarbeitungsgut trotz Hubverstellung der Druckstempel 10 in diesem Bereich noch dem vollen Einfluß der Schneckenkämme 12 unter-Wie bleibt und sich 2a nicht ist zur absetzt.
• Wie insbesondere in Fig. 2a gezeigt ist zur Vermeidung extrem spitzer Zwickel 14 für die Ausbildung der Druckstempel 10 nur eine geringfügige Abweichung der Stempelbreite vom Durchmesser der Gehäusebohrung 4 vorgesehen.
• Wie hieraus weiter ersichtlich ist erfolgt die Abdichtung der Stempel führung im Gehäuse gegen Produktaustritt durch einen in die-Gehäuseöffnung~15 eingeschobenen Metall-Lippenring 16 wobei dessen auf dem vorzugsweise zylindrischen Stempelschaft 17 gleitende Dichtlippe 16 t elastisch vorgespannt ist. Die hiermit erzielbare Abdichtung wird noch verstärkt durch das die Dichtlippe 16 unter Druck beaufschlagende Verarbeitungsgut. Der Metall-Lippenring 16 ist aus einem temperaturbeständigen Lagermetall, vorzugsweise Aluminium-Bronze gebildet.
• Zwischen dem-Metall-Lippenring 16 und den diese umschließende Ausdrehung 18 ist eine Produkt-Auffangkammer 19 gebildet, in der sich Leckgut ansammelt, das über eine Ablaßschraube 20 periodisch abgelassen werden kann.
• Für die gemeinsame Betätigung der zumindest in einer Ebene senkrecht zum Gehäuse 3 angeordneten Druckstempel 10 ist ein Kniehebelantrieb 21 vorgesehen, dessen jeweils mit einem Druckstempel 10 gekoppelter Antriebshebel 22 einseitig mit dem Gehäuse 3 fest verbunden ist.
• Das jeweils freie Ende dieses Antriebshebels 22 ist mit einer in diesem drehbeweglich geführten Lasche 23 verbunden, die ebenfalls drehbeweglich in einem als Parallelführung dienenden Führungshebel 24 angelenkt ist.
• Die Parallelführung des Führungshebels 24 erfolgt durch einen in einem Führungsgehäuse 25 verschiebbaren Kulissenstein 26, der mit diesem Führungshebel 24 fest verbunden ist. Der erwünschte gleichgroße parallele Hub der Druckstempel 10 ist dadurch sichergestellt, daß die Kniehebelanordnung bei gleichen Hebellängen symmetrisch zur durch die Längsachse des Schneckenextruders führenden und durch die Senkrechte zu zwei gegenüberliegenden Druckstempeln 10 gebildeten Ebene angeordnet ist. Auch die Längsachse des Kulissensteins 26 und des diesen umgebenden Führungsgehäuses 25 liegen in dieser Ebene. Zur parallelen Führung des Führungshebels 24 dient eine antreibbare Gewindespindel 27, die im Zusammenwirken mit einem im Kulissenstein 26 angeordneten Innengewinde 28 dessen Hubbewegung ermöglicht. Das Führungsgehäuse 25 weist für die drehbewegliche Verankerung der Gewindespindel 27 ein Drucklager 29 und ein Radiallager 30 auf.
• Der Antrieb der Gewindespindel 27 und damit die hubbewegliche Betätigung der Druckstempel 10 erfolgt zweckdienlich über eine abbremsbare Antriebseinrichtung 31 z.B. einem Elektromotor und einem dieser nachgeordneten Schneckenradgetriebe 32.
• Die im Bereich der Rückförderelemente 13 des Schneckenextruders über nicht näher dargestellte Meßeinrichtungen ermittelten Druck- bzw. Temperaturmesswerte werden einer mit einer Steuereinrichtung 33 verbundenen-Programmeinrichtung 34 aufgegeben und über die Steuereinrichtung 33 umgesetzt, die nach Maßgabe der jeweiligen Führungsgröße die Regelgröße also beispielsweise den Massedruckim Schneckenextruder über die steuerbare Antriebseinrichtung 31 bestimmt (Fig. 8).
• Die Übertragung der Hubbewegung vom Antriebshebel 22 auf den jeweiligen Druckstempel 10 erfolgt wie insbesondere Fig. 6 zeigt über eine im Antriebshebel 22 gelagerte Achse 35 die stirnseitig seitlich angeflachte Zapfen 36 zur drehfesten Verankerung in einer Hülse 37 aufweist. Die Hülse 37 ist unmittelbar mit einem Gehäuseflansch 38 verbunden.
• Der Antriebshebel 22 kann entsprechend der Schemadarstellung in Fig. 4 unmittelbar mit dem Gehäuse verbunden sein, wobei der Druckstempel 10 jeweils mittels- eines Gelenkhebels 44 mit dem Antriebshebel 22 verbunden ist.
• Diese Ausführung setzt jedoch eine weitgehend maßgenaue Ausbildung aller die Stempelbetätigung bewirkender Teile voraus. Außerdem besteht hierbei nur in geringem Umfange die Möglichkeit einer Nachjustierung der bewegten Teile im Sinne eines reibungsarmen Betriebes der Gesamteinrichtung. Eine Verbindung des Antriebshebels 22 mittels eines weiteren am Gehäuse 3 verschwenkbar angeordneten Gelenkhebels 41 entsprechend Fig. 2a, 2b und Fig. 5 dagegen ermöglicht eine bessere Einstellbarkeit des gesamten Kniehebelantriebes in Bezug auf eine leichtgängige Übertragung der Hubbewegung auf die einzelnen Druckstempel 10. So kann der Gelenkhebel 41 beispielsweise auch zweiteilig ausgebildet sein, womit durch nachträgliche Verbindung mittels einer Schraubverbindung 42 beider Gelenkteile zunächst alle übrigen Hebelelemente des Kniehebelantriebs in Verbindung mit dem Druckstempel 10 bei vorgegebenem Passungsspiel klemmfrei justiert werden können.
• Wie aus dem Diagramm in Fig. 7 ersichtlich steigt der Druck P im Verarbeitungsgut bei sich verändernden freien Durchtrittsspalt s zwischen Druckstempel und Schneckenkämmen entsprechend einer Hyperbelfunktion. Insbesondere bei kleinen Durchtrittsspalten s erfolgt so eine degressive Drucksteigerung.
• Bei einer Betätigung der Druckstempel 10 mittels des Kniehebelantriebes wird dieser unerwünscht hohe Druckanstieg im Bereich enger Spaltquerschnitte wesentlich abgemildert, weil dieser Antrieb beim Übergang in die Strecklage der Kniehebel bei in der Zeiteinheit gleichbleibenden Verstellweg der Gewindespindel 27 einen kleiner werdenden Hubweg der Druckstempel 10 bewirkt, wodurch eine annähernde Linearisierung der Kennlinie des Druckaufbaus in Abhängigkeit des Verstellweges der Gewindespindel 27 erreicht ist. Dadurch ist eine feinfühlige Regelung des Druckaufbaus im Verarbeitungsgut insbesondere im wichtigsten Verstellbereich der Druckstempel 10, nämlich bei engsten Spaltquerschnitten zwischen Druckstempel 10 und Schneckenkämme 12 ermöglicht.
• Die Gehäuse 3 des Schneckenextruders 1 sind jeweils mit einem eigenen Kühlkreislauf ausgestattet um durch Energieeinleitung freiwerdende überschüssige Wärme abzuführen.
• Der Kühlkreislauf ist gebildet aus einer Vielzahl untereinander in Verbindung stehender Kühlbohrungen 2 mit Einlauf- und Auslaufanschlüssen 43 und 43'.
• Hiernach lassen sich thermische Schädigungen empfindlicher Produkte weitgehend vermeiden.
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Claims (7)

1. Patentansprüche 9 Vorrichtung zur regelbaren Änderung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder für die Kunststoffverarbeitung mit in zumindest einer Ebene des Schneckengehäuses angeordneten und radial zur Gehäusebohrung verschiebbaren Druckstempeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstempel (lO) mit einem am Schneckengehäuse (3) angelenkten gemeinsamen Kniehebelantrieb (21) verbunden sind, dessen aus Antriebshebel (22) und tasche (23) gebildeten Hebelelemente durch einen radial zur Gehä#uselängsachse in sich parallel durch eine Antriebseirichtung verschiebbaren Führungshebel (24) betätig bar sind, wobei die Lasche (23) mit dem Führungshe bel (24) und dem freien Ende des Antriebshebels (22) gelenkig verbunden ist.
2. 2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelelemente (22, 23) paarweise symmetrisch um die Gehäuselängsachse angeordnet sind.
3. 3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelverschiebung des FUhrungshebels (24) durch ein in einem Führungsgehäuse (25) mittels antreibbarer Gewindespindel (27) gleitenden Kulissenstein (26) bewirkt ist, wobei der Führungshebel (24) achsmittig innerhalb eines frei zugänglichen Bereiches des mit dem Schneckengehäuse (3) verbundenen Führungsgehäuses (25) mit dem Kulissenstein (26) starr verbunden ist.
4. 4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungshebel (24) aus zwei einander parallel zugeordneten Hebeln (39, 40) gebildet ist.
5. 5) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebshebel (22) mittels eines Gelenkhebels (41) am Schneckengehäuse (3) angelenkt ist.
6. 6) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkhebel (41) zweiteilig ausgebildet ist, wobei dessen Hebelteile durch eine Schraubverbindung (42) starr miteinander verbindbar sind.
7. 7) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstempel (10) eintrittsseitiq im Schnekkengehäuse (3) in einem mit vorgespannter Dichtlippe (16') ausgestalteten Metall-Lippenring (16) geführt sind.