DE2924269C3 - Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder

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DE2924269C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder für Kunststoff 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 errreichbaren Beeinflussung des Verarbeitungsgutes eine Einwirkung auf das Verarbeitungsgut im Sinne einer steuerbaren Beeinflussung der Homogenisier- und
Mischwirkung erzielt werden.
Zu diesem Zweck ist bei der bekannten Drosselvorrichtung auch vorgesehen, den Druckverlauf im Verarbeitungsgut oder die Mischwirkung durch einen Antrieb der Stempel zu steuern. Über die Ausbildung und Funktion eines derartigen Antriebes ist bei der bekannten Vorrichtung nichts näheres bestimmt
Die DE-AS 1212 295 zeigt eine Vorrichtung zum Einstellen des Druckes bei einer Schneckenpresse für
ίο thermoplastische Kunststoffe, mit aus einem in der Wandung des Schmelzekanals drehbar angeordneten Ringkörper, dessen außermittige und durch eine Wölbung der Kanalwandung begrenzte Durchlaßöffnung bei Drehung eine Veränderung des Kanalquerschnittes ermöglicht Die Drehung des Ringkörpers erfolgt manuell, so daß der gewünschte Druckwert nicht steuerbar ist
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 Druckstempsl 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
J5 verzögert insbesondere den bis Erreichen der vorgegebenen Regelgröße stattfindenden Einschwingvorgang. Erst das genaue, in kleinstmöglichen Schritten sowie kurzfristig erfolgende Einpendeln der Regelgröße für die Regelung des Strömungsquerschicittes eines Schnekkenextruders sichert bei den geforderten großen Durchsatzmengen feinfühlig eine hohe und gleichbleibende Produktqualität.
Zwischen Antriebseinrichtung und Druckstempel beispielsweise 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 gleichzeitige 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 Steuerung des Strömungsquerschnitts in einem Schneckenextruder mittels Druck- stempel 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 geringem Raumbedarf eine zwangläufige und gleichmäßige Betätigung der Druckstempel. Sie
hat überdies den Vorzug einer kostengünstigen Herstellung.
In der Anfangsphase der Druckstempelbetätigung bei größtmöglichem freiem Strömungsquerschnitt im Schneckenextruder 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 in des Druckaufbaus im Schneckenextruder. Da, wie ermittert wurde, die zunehmende Verengung des Strömungsquerschnittes eine dem Verstellhub der Stempelbewegung zunehmende überproportionale Steigerung des Massedruckes bewirkt, ermöglicht die ι ■> 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 gut 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 Durchtrittsquerschnittes variiert werden können.
Vorteilhafte, in den Unteransprüchen gekennzeichnete Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung in Vorteilen und Wirkungsweise näher herausgestellt.
Die Erfindung ist im einzelnen nachfolgend an Hand der Zeichnung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert
Hierbei zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen « Schneckenextruder mit zur Gehäusebohrung radial verschiebbaren Druckstempeln,
F i g. 2a einen senkrechten Querschnitt durch den Schneckenextruder gemäß der Schnittlinie M-II in Fig.l bei geschlossenen Druckstempeln,
Fig.2b wie Fig.2a jedoch bei geöffneten Druckstempeln,
Fig.3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Ansicht A in F i g. 2a,
F i g. 4 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig.5 eine Schemadarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
F i g. 6 eine Draufsicht gemäß Ansicht ßin F i g. 2a,
F i g. 7 die Kennlinie dta Druckes ρ im Verarbeitungsgut in Abhängigkeit des Stellhubes des Druckstempels sowie die Kennlinie des zugehörigen Verstellweges der Verstelleinrichtung,
F i g. 8 die Regeleinrichtung für die Verstellbewegung der Druckstempel.
Der in F i g. I 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 &o 3' ist aus mehreren einzelnen Schneckengehäusen 3 zusammengesetzt.
In der Gehäusebohrung 4 ist die ein- oder mehrwellig ausgebildete Schneckenanordnung 7 mit einer nicht näher gezeigten Antriebseinrichtung verbunden.
Über die Verfahrenslänge der Schneckenanordnung 7 verteil! sind an geeigns'er Stelle in Verbindung mit srjeziellen austauschbaren Schneckenelementen 8 wirksame, den Misch- und Knetraum 9 in der Gehäusebohrung im Bereich dieser Schneckenelemente beeinflussende Druckstempel 10 angeordnet.
Die Einflußnahme mittels Druckstempel 10 erfolgt durch Veränderung des Abstandes der mit den Schneckenelementen 8 korrespondierenden Stempelfläche 11 zu den Schneckenkämmen 12 dieser Schneckenelemente, wodurch ein mehr oder minder großer Rückstau des Verarbeitungsgutes und damit stromaufwärts ein Druckaufbau 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 Tempe.-aturgefüges, im Verarbeitungsgut 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 Hublänge der Druckstempel 10 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,12 χ 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 Steuerbereiches optimal zu beeinflussen, sind die Druckstempel 10 gegenüberliegend angeordnet und so dimensioniert, daß sie in ihrer wirksamen Arbeitsbreite nahezu vollständig den Durchmesser 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 beeinflussen.
Hierbei ist von Vorteil, daß das Verarbeitungsgut trotz Hubverstellung der Druckstempel 10 in diesem Bereich noch dem vollen EinfluD der Schneckenkämme 12 unterworfen bleibt und sich nicht absetzt
Wie insbesondere in Fig.2a gezeigt, ist zur Vermeidung extrevn spitzer Zwickel 14 für die Ausbildung der Druckstempel 10 nur eine geringfügig·; Abweichung der Stempelbreite vom Durchmesser der Gehäusebohrung 4 vorgesehen.
Wie hieraus weiter ersichtlich ist, erfolgt die Abdichtung der Stempelführung im Gehäuse gegen Produktaustritt durch einen in die Gehäuseöffnung IS eingeschobenen Metall-Lippenring 16, wobei dessen auf dem vorzugswei««: zylindrischen Stempelschaft 17 gleitende Dichtlippe 16' elastisch vorgespannt ist. Die hiermit efzielbäfe 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-Auf· fangkammer 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 den. Schneckengehäiise 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 Parallelfuhrung dienenden Führiingshebel 24 angelenkt ist.
Die Parallelführung des Führungshebels 24 erfolgi durch einen in einem Führungsgehäuse 25 verschiebbaren Kulissenstein 26, der mit diesem Führungshebel 24 fest verbunden ist. Der erwünschte gleich große parallele Hub der Druckstempel 10 ist dadurch sichergestellt, daß die Kniehebelanordnung bei gleichen Hebellängen symmetrisch /ur durch die Längsachse des Schneckenextructers führenden und durch die Senkrechte zu zwei gegenüberliegenden Druckstempeln IO 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 anlreibbare 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 3i, z. B. einem Elektromotor, und einem dieser nachgeordneten Schneckenradgetriebe 32.
Die im Bereich der Rückförderelemente Π des Schneckenextruders über nicht näher dargestellte Meßeinrichtungen Pm ermittelten Druck- bzw. Temperaturmeßwerte werden eintr mit einer Steuereinrichtung 33 verbundenen Programmeinrichtung 33 umgecrtivt A'ti* narh UüßoaKp Hf»r ipwpilitipn Fiihrunpseröße die Regelgröße, also beispielsweise den Massedruck, im Schneckenextruder über die steuerbare Antriebseinrichtung 31 bestimmt (F i g. 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 F i g. 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 Sclineckengehäusc 3 verschwenkbar angeordneten Gclenkhebels 41 entsprechend F i g. 2a, 2b und F i g. 5 dagegen ermöglicht eine bessere Einsiellbarkcit des gesamten Knichebelantricbes in bezug auf eine leichtgängige Übertragung der Hubbewegung auf die einzelnen Druckslempcl 10. So kann der Gelenknebel 41 beispielsweise auch zweiteilig ausgebildet sein, womit durch nachträgliche Verbindung mittels einer SCni'äiiuvcfuinuürig 42 u/CiuCr ^;CtCrir\tC!iC 7ΛΊ nächst alle übrigen Hebelelemente des Kniehcbelantriebs in Verbindung mit dem Druckstempel 10 bei vorgegebenem Passungsspiel klcmmfrei justiert werden können.
Wie aus dem Diagramm in F i g. 7 ersichtlich, steigt der Druck ρ im Verarbeitungsgut bei sich veränderndem Stempelhub s entsprechend einer Hyperbelfunktion. Insbesondere bei kleinen Durchtrittsspaltcn /.wise'.-.en Druckstempel und Schneckenkämmen erfolgt so eine progressive Drucksteigeriing.
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 gleichbleibendem 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 Schneckenkämmen ^ermöglicht.
Die Schneckengehäuse 3 des Schneckenextruders I sind jeweils mit einem eigenen Kühlkreislauf ausgestattet, um durch Energieeinleitung frei werdende überschüssige Wärme abzuführen.
Der Kühlkreislauf ist gebildet aus einer Vielzahl untereinander in Verbindung stehender Kühlbohrungen 2 mit Einlauf- und Auslaufanschlüssen 43 und 4?'
Hiernach lassen sich thermische Schädigungen empfindlicher Produkte weitgehend vermeiden.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;
1. Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder für Kunststoff mit in zumindest einer Ebene des Schneckengehäuses angeordneten und radial zur Gehäusebohrung verschiebbaren Druckstempeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstempel (10) mit einem am Schneckengehäuse (3) angelenkten gemeinsamen Kniehebelantrieb (21) verbunden sind, dessen Antriebshebel (22) und Lasche (23) durch einen radial zur Gehäuselängsachse in sich parallel durch eine Antriebseinrichtung verschiebbaren Führungshebel (24) betätigbar sind, wobei die Lasche (23) mit dem Führungshebel (24) und dem freien Ende des Antriebshebels (22) gelenkig verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl Antriebshebel (22) und Lasche (23) paarweise symmetrisch um die Gehäuselängsachse angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelverschiebung des Führungshebels (24) durch einen in einem Führungsgehäuse (25) mittels antreibbdrer Gewindespindel (27) gleitenden Kulissenstein (26) bewirkbar ist, wobei der Führungshebel (24) achsmittig innerhalb eines frei zugänglichen Bereiches des mit dem Schneckengehäuse (3) verbundenen Führungsgehäuses (25) mit dem Kuiissenstein (26) starr verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Führungshr^el (24) aus zwei einander parallel zugeordneten Hebeln (39, 40) gebildet ist
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebshebel (22) mittels eines Gelenkhebels (41) am Schneckengehäuse (3) angelenkt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkhebel (41) zweiteilig ausgebildet ist, wobei dessen Hebelteile durch eine Schraubverbindung (42) starr miteinander verbunden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstempel (10) eintrittsseitig im Schneckengehäuse (3) in einem mit vorgespannter Dichtlippe (16') ausgestatteten Metall-Lippenring (16) geführt sind.
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