DE3627974A1

DE3627974A1 - Einrichtung zur aufbereitung und/oder verarbeitung thermoplastischer, elastischer oder viskoser massen

Info

Publication number: DE3627974A1
Application number: DE19863627974
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Schumann; Wolfgang Dipl Ing Warta
Original assignee: Kombinat Textima VEB
Current assignee: Kombinat Textima VEB
Priority date: 1985-09-06
Filing date: 1986-08-18
Publication date: 1987-03-19
Also published as: DD240700A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung thermoplastischer, elastischer oder viskoser Massen, die in Verbindung mit an sich bekannten Nachfolgeeinrichtungen zum Granulieren, Strangpressen, Halbzeugformen oder anderer Verarbeitungszielstellung in der Plast- und Elastverarbeitungsindustrie anwendbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Neben den ein- oder mehrwelligen Schneckenextrudern sind Einrichtungen nach DD-WP 1 35 171 und DE-PS 32 08 973 zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe bekannt, bei denen in einem mit Beschickungs- und Austragsöffnungen sowie Stauelementen versehenen Gehäuse zwei Scheiben-Nutrotoren achsparallel und miteinander in kämmenden Eingriff stehend angeordnet sind.

Die Beschickungsöffnung befindet sich dort, wo sich die Stirnseiten der Scheiben vom Stauelement wegbewegen und die Austragsöffnung ist an der Stelle angeordnet, wo sich diese zum Stauelement hinbewegen.

Im Zwickelbereich des Gehäuses sind zweckentsprechend gestaltete Überströmkanäle angeorndet, die in axialer Richtung stromabwärts jeweils benachbarte und/oder gegenüberliegende Rotorkammern verbinden bzw. an mindestens einer dieser Kammern vorbei zur übernächsten Kammer und in weiterer Folge bis hin zur Austragsöffnung führen. Die Scheiben-Nutrotoren sind derartig ausgebildet, daß die Tiefe der Nut ein Mehrfaches der Breite der Nut beträgt und im Bereich des kämmenden Eingriffs zwischen den Scheiben und Nuten c-förmige Ringkanalkammern vorhanden sind, in denen die Masse dem Bearbeitungsprozeß unterzogen wird. Die Masse wird in den Nuten des einen Rotors durch die Stauelemente oder durch die Scheiben des anderen Rotors, der kämmend in die Nuten eingreift, daran gehindert, der Drehbewegung zu folgen, wodurch im Bereich der Scheibenstirnseiten die Masse intensiv geschert wird und aufgeschmolzene Masseteilchen in Richtung des Stauelementes mitgerissen werden. Die aufgeschmolzene Masse sammelt sich vor dem Stauelement und wird unter Druckaufbau durch die Austragsöffnung gefördert. Der Druckaufbau und die Förderung der Masse in den c-förmigen Ringkanalkammern der Rotoren wird durch die von den Scheibenstirnseiten auf die Masse übertragenen Kräfte bewirkt, die zur Scherung und Aufschmelzung sowie zum partiellen Mitreißen aufgeschmolzener Partikel führen. Dieser Vorgang ist in seiner Wirkung auf die Fördermenge und den Druckaufbau vorwiegend abhängig vom Verhältnis der Nuttiefe zur Nutbreite und der Realitivbewegung zwischen den Scheibenstirnseiten und der zu bearbeitenden Masse.

Die erreichbaren Fördermengen betragen dabei nur einen Teil des Ringkanalvolumens pro Umdrehung der Rotoren. Die mit den Einrichtungen erreichbaren Drücke liegen bei ca. 20 bis 100 bar.

Der Mangel der beschriebenen Einrichtungen besteht darin, daß im Ringkanal der Rotornut nur ein Transport der Masse durch die Schleppströmung im Bereich der Scheibenstirnseiten erzeugt wird und eine Bearbeitung der Masse bei hohem Druck nicht erfolgen kann. Dabei ist einzuräumen, daß durch die Gestaltung der Stauscheiben als Zahnrad, wie das in dem DD-WP 1 35 171 beschrieben ist, das Austragen der Schmelze zwar unter Druck erfolgen kann, die Bearbeitung und Förderung der Masse im Ringkanal auf der Basis einer Zwangsförderung und bei hohen Drücken aber nicht durchführbar ist.

Dadurch sind diese Einrichtungen nicht einsetzbar für Aufgaben, bei denen hohe Drücke bei der Aufbereitung und/oder Verarbeitung der Masse erforderlich sind, um deren Eigenschaften selbst bzw. die des Endproduktes qualitativ zu beeinflussen bzw. zu sichern.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Wirkungsweise einer Einrichtung mit Scheiben-Nutrotoren bezüglich des Druckaufbaues und höherer Mischeffekte wesentlich zu verbessern und die Polymerstruktur der Plastmasse mit hohen Drücken gezielt zu beeinflussen sowie eine vielfältige Einsetzbarkeit der Einrichtung zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs benannten Art so zu gestalten, daß in wenigstens einem der von den Scheiben-Nutrotoren gebildeten Ringkanäle eine Stauung der Masse unter hohem Druckaufbau erfolgt und pro Umdrehung der Rotoren eine definierte Massemenge unabhängig vom Austragswiderstand zwangsläufig förderbar ist, und die Verbindung der Ringkanäle untereinander derartig steuerbar ist, daß eine mehrstufige unter vorbestimmbaren Prozeßbedingungen ablaufende Aufbereitung und/oder Verarbeitung der Masse durchgeführt werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht vor, wenigstens einen der von den Scheiben-Nutrotoren gebildeten c-förmigen Ringkanäle mittels einer Paarung Scheibe-Verschlußelement entgegen der Masseförderrichtung teilweise oder völlig zu verschließen, so daß nach Passieren des im Gehäuse angeordneten rechten Überströmkanals durch das Verschlußelement die Masse am Zurückströmen aus dem c-förmigen Ringkanal gehindert wird. Bei weiterer Drehung von Scheibe-Verschlußelement wird der Ringkanal vollkommen entleert, wobei die Masse durch den im Gehäuse angeordneten linken Überströmkanal in einen benachbarten oder in einen gegenüberliegenden Ringkanal oder zur Austragsöffnung unter hohem Druck und Scherbeanspruchung zwangsläufig gefördert wird.

Gleichzeitig wird auf der Rückseite des Verschlußelementes über die Beschickungsöffnung oder über den rechten Überströmkanal der Ringkanal wieder mit Masse gefüllt, die von der Vorderseite des Verschlußelementes nach Durchlauf des Eingriffsabschnittes erfaßt wird, wobei sich der Förderzyklus wiederholt.

Zur Realisierung der Funktion der zwangsläufigen Förderung der Masse ist die Scheibe des einen Rotors mit einer radialen Aussparung versehen, in die das in der Nut des anderen Rotors angeordnete zahnartig gestaltete Verschlußelement beim Durchlaufen des Eingriffsabschnittes wälzförmig, ähnlich eines Zahneingriffes, eingreift. Die Anordnung bedingt eine gegenläufige Drehrichtung und gleiche Drehzahl der Rotoren.

Für eine gleichläufige Drehrichtung der Rotoren bei gleicher Drehzahl ist die radiale Aussparung in der Scheibe des einen Rotors für den Eingriff des Verschlußelementes des anderen Rotors entsprechend der Eingriffsgeometrie größer ausgebildet.

Um einer Pulsation des zwangsgeförderten Massestromes in der Einrichtung bei der Anordnung nur eines Verschlußelementes in einem Ringkanal vorzubeugen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, mehrere Ringkanäle der Rotoren mit ausgesparten Scheiben und Verschlußelementen auszurüsten. Die Scheibenaussparungen und die Verschlußelemente sind dann in einer gestaffelten drehwinkelversetzten Lage zueinander angeordnet, so daß bei einer Rotorumdrehung nacheinanderfolgend jedes Verschlußelement zum Eingriff mit einer Scheibenaussparung kommt und ein kontinuierlicher pulsationsfreier Massestrom unter hohem Druck erzeugt wird. Zur Erzielung höherer Mischeffekte besteht eine weitere erfindungsgemäß Ausgestaltung darin, die Verschlußelemente axial ein- oder wechselseitig in den Ringnuten der Rotoren anzuordnen und in axialer Förderrichtung abwechselnd offene Ringkanäle mit verschließbaren Ringkanälen kombiniert zu verbinden.

Für das Überströmen der Masse von einem Ringkanal in einen oder mehrere benachbarte Ringkanäle des gleichen oder des gegenüberliegenden Rotors, entsprechend der Verbindungskombination, sind im Zwickelbereich des Gehäuses in eingearbeiteten Ausnehmungen austauschbar angeordnete Einsätze mit vorbestimmten Überströmkanalgeometrien und Kanalverbindungen vorgesehen. Die Dimensionierung der Überströmkanäle bezüglich Querschnitt und Strömungswiderstand beeinflussen den Druckaufbau und die erzielbare Scherbeanspruchung der Masse im Ringkanal in entscheidenem Maße. Aus diesem Grund ist zur verfahrenstechnischen Optimierung der Einrichtung die Austauschbarkeit der Einsätze mit verschiedenen Geometrien und Verbindungen der Überströmkanäle ein bedeutender Vorteil gegenüber bekannten Lösungen.

Eine andere erfindungsgemäße Variante zur Steuerung des Überströmens der Masse zwischen den Ringkanälen besteht darin, in axialer, stromabwärtiger Richtung im Zwickelbereich des Gehäuses radiale Überströmbohrungen anzuordnen, die an ihrem Ausgang mittels eines Steuerelementes in Form eines mit Verbindungskanälen versehenen Steuerventils eine wahlweise Überströmkanalverbindung zwischen den Ringkanälen der Rotoren bis hin zur Austragsöffnung ermöglichen.

Diese Variante zeichnet sich besonders vorteilhaft aus zur Steuerung eines mehrstufigen differenzierten Extrusionsprozesses der Masse und erübrigt Montageeingriffe zum Austauschen von Einsätzen der Überströmkanalverbindung, die stets ein Stillsetzen der Einrichtung bedingen.

Zur Erhöhung der Misch- und Scherwirkung der Masse ist es vorteilhaft, zweckentsprechend gestaltete Nuten in den Kanalwänden des Gehäuses oder auf den Mantelflächen der Scheiben anzubringen, wobei diese Nuten im Winkel zur Rotorachse versetzt in gewindeähnlicher Form angeordnet sein können, um ein Überströmen der Masse zwischen den Ringkanälen zu ermöglichen.

Eine weitere Möglichkeit zum Überströmen der Masse in den Ringkanälen der Einrichtung ergibt eine im Teilabschnitt der gewünschten Überströmung vorgesehene Exentrizität zwischen einem Rotor oder einer Scheibe des Rotors und der Gehäusebohrung. Auch das Anbringen achsparalleler oder im Winkel zur Rotorachse versetzter Durchbrüche in den Stirnseiten der Scheibenrotoren bewirkt ein Überströmen der Masse in Förderrichtung zur weiteren Verbesserung der Misch- und Homogenisierungseffekte.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel nachstehend näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1: den Längsschnitt der Einrichtung

Fig. 2: den Schnitt A-A nach Fig. 1

Fig. 3: den Schnitt B-B nach Fig. 1

Fig. 4: den Schnitt C-C nach Fig. 1

Fig. 5: den Schnitt D-D nach Fig. 1

Fig. 6: den Querschnitt des Gehäuses mit der Einzelheit "Z"

Fig. 7 bis Fig. 11: den Schnitt E-E nach Fig. 6 mit Gestaltungsvarianten der Überströmkanalgeometrie

Fig. 12 bis Fig. 18: die Einzelheit "Z" nach Fig. 6 im Zwickelbereich des Gehäuses

Fig. 19: den Längsschnitt des Steuerelementes

Die Fig. 1 zeigt den Längsschnitt des Gehäuses 1 der Einrichtung, in der die beiden Scheiben-Nutrotoren 2; 3 achsparallel und im Eingriffsabschnitt 4 kämmend gelagert sind. Die Einrichtung ist mit in der Zeichnung nicht dargestellter Beschickungs- und Austragsöffnung sowie mit mehreren im Zwickelbereich des Gehäuses austauschbar eingesetzten Überströmkanälen versehen.

Die Fig. 2 zeigt den Schnitt A-A nach Fig. 1 und verdeutlicht die Anordnung der Scheiben-Nutrotoren, wobei die Scheibe 5 des einen Rotors mit der Aussparung 9 und die Nut 6 des anderen Rotors mit dem Verschlußelement 10 versehen ist, die im Eingriffsabschnitt ineinander abwälzen. Bei diesem Eingriff erfolgt ein zwangsläufiger Transport der plastizierten Masse von der Beschickungsöffnung 7 zur stromabwärts gelegenen Austragsöffnung 8. Ist der durch die Scheibe 5 und die Nut 6 gebildete c-förmige Ringkanal an der Beschickungsöffnung 7 mit Masse gefüllt, dann wird mit jeder Umdrehung der Rotoren ein definiertes Massevolumen zur Austragsöffnung 8 gefördert, das annähernd dem Ringkanalvolumen entspricht. Die Aussparung 9 in der Scheibe 5 und das Verschlußelement 10 in der Nut 6 sind geometrisch derartig gestaltet, daß ihre Berührungsflächen im Eingriffsabschnitt zahnradartig aufeinander abrollen und den Ringkanal verschließen. Ist das Verschlußelement 10 derartig dimensioniert, daß es den von der Nut 6 gebildeten Ringkanal im Eingriffsabschnitt nur teilweise verschließt, dann wird bei jeder Umdrehung der Rotoren nur ein Teil des im Kanal befindlichen Massevolumens gefördert. Dadurch entsteht ein starker Rückstrom, der eine intensive Durchmischung der Masse bewirkt. Zum Überströmen der Masse von einem Ringkanal in den jeweils anderen Ringkanal sind im Zwickelbereich des Gehäuses die Überströmkanäle 12 angeordnet. Um die Effektivität der Einrichtung zu erhöhen, sind mehrere Scheiben-Nutpaarungen hintereinander gestaffelt. Die Anordnung der Aussparung 9 und der Verschlußelemente 10 der einzelnen Scheiben-Nutpaarungen ist so vorgenommen, daß in Förderrichtung gesehen eine Drehwinkeldifferenz zwischen den hintereinander gestaffelten Paarungen vorhanden ist.

Die Fig. 3 zeigt den Schnitt B-B, die Fig. 4 den Schnitt C-C und die Fig. 5 den Schnitt D-D nach Fig. 1, aus denen die Drehwinkelprogressivität der Verschlußelemente mehrere hintereinander gestaffelte Scheiben-Nutpaarungen mit verschlossenen Ringkanälen hervorgeht. Am Beispiel der Drehwinkelprogressivität von 90°C, 180°C und 270°C der Verschlußelemente ist erkennbar, daß bei einer Rotorumdrehung jede Scheibenaussparung mit jedem Verschlußelement in Wirkverbindung kommt und dadurch ein zwangsläufiger pulsationsfreier Massestrom erzeugt wird. Aus Fig. 4 ist weiterhin ersichtlich, wie in einer im Zwickelbereich des Gehäuses 1 vorgesehenen Ausnehmung der austauschbare Überströmkanaleinsatz 11 mit dem Überströmkanal 12 angeordnet ist.

Die Fig. 6 zeigt den Querschnitt des Gehäuses 1 ohne Rotoren und die, als Einzelheit "Z" nachfolgend näher beschrieben, im Zwickelbereich in vorgesehenen Ausnehmungen des Gehäuses 1 austauschbar angeordneten Überströmkanaleinsätze 11 mit den eingearbeiteten und zweckentsprechend gestalteten Überströmkanälen 12.

Die Darstellungen der Fig. 7 bis Fig. 11 zeigen den Schnitt E-E nach Fig. 6 und eine Reihe von geometrischen Gestaltungsvarianten der Überströmkanäle 12. Die Überströmkanäle 12 bewirken, daß die aufgeschmolzene Masse von Ringkanal des einen Rotors zum benachbarten Kanal des gegenüberliegenden Rotors strömt. Auf diese Weise erfolgt der Schmelzetransport axial zur Austragsöffnung hin. Dadurch kann die Verweilzeit der Masse in der Einrichtung erhöht werden. Dem Transport zur Austragsöffnung hin ist eine intensive Bearbeitung und Durchmischung der Masse überlagert. Die Anordnung der Überströmkanäle kann im unteren oder oberen oder in beiden Zwickelbereichen des Gehäuses erfolgen, und zur Steuerung eines gestuften Arbeitsprozesses ist der Austausch der Überströmkanaleinsätze mit entsprechenden Varianten der Kanalverbindungen möglich.

Die Fig. 12 bis Fig. 17 stellen die Einzelheit "Z" nach Fig. 6 dar und zeigen Gestaltungsvarianten der in den austauschbaren Überströmkanaleinsätzen eingearbeiteten Überströmkanäle 12, die eine gezielte Steuerung des Massestromes und Beeinflussung des Plastiziervorganges in den Ringkanälen der Einrichtung ermöglichen. Eine andere Möglichkeit der Beeinflussung des Arbeitsprozesses, ohne diesen bei der Steuerung der Einrichtung unterbrechen zu müssen, zeigt die Darstellung nach Fig. 18. Im Zwickelbereich des Gehäuses, entsprechend der Einzelheit "Z" nach Fig. 6, sind radiale Überströmbohrungen 13 angeordnet, deren Ausgänge zu dem Steuerelement 14 führen, das mit einem System verschiedener Überströmverbindungen versehen ist.

Dieses System der Überströmverbindungen gestattet die Steuerung des Massestromes wahlweise in oder über verschiedene Ringkanäle hinweg bis zur Austragsöffnung.

Das Steuerelement 14, das in Fig. 19 im Längsschnitt dargestellt ist und die Überströmverbindungen enthält, ist zweckmäßigerweise als dreh- und axialverschiebbarer Ventilkörper ausgebildet und im Zwickelbereich des Gehäuses unmittelbar unter den Überströmbohrungen angeordnet. Durch die wahlweise Verbindungsmöglichkeit kann ein gezieltes Überströmen der Schmelze aus einem der vorderen Ringkanäle in jeden beliebigen nachfolgenden Ringkanal vorgenommen werden. Die Ansteuerung der verschiedenen Ringkanäle mittels des Steuerelementes erlaubt den uneingeschränkten Zugriff in den Plastiziervorgang der Masse, d. h., eine direkte Beeinflussung der Qualitätsparameter der Schmelze ist gegeben.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Gehäuse
2 Scheiben-Nutrotor
3 Scheiben-Nutrotor
4 Eingriffsabschnitt
5 Scheibe
6 Nut
7 Beschickungsöffnung
8 Austragsöffnung
9 Aussparung
10 Verschlußelement
11 Überströmkanaleinsatz
12 Überströmkanal
13 Überströmbohrung
14 Steuerelement

Claims

1. Einrichtung zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung thermoplastischer, elastischer oder viskoser Massen, umfassend ein Gehäuse mit einer Beschickungs- und einer Austragsöffnung und wenigstens zwei achsparallelen, peripher teilweise überschneidenden Gehäusebohrungen, in denen zwei Scheiben-Nutrotoren in kämmender Anordnung gelagert sind und deren von den Scheiben-Nutpaarungen gebildete c-förmige Ringkanalkammern mittels in den Zwickelbereichen des Gehäuses angeordneten Überströmkanälen in Förderrichtung miteinander in Verbindung stehen, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens einer der von den Paarungen Scheibe (5) und Nut (6) der Scheiben-Nutrotoren (2; 3) gebildeten Ringkanäle mittels einer auf dem einen Rotor angeordneter Scheibe (5) mit einer Aussparung (9) und einem in der Nut (6) des anderen Rotors angeordneten Verschlußelement (10) radial teilweise oder völlig verschließbar ist, wobei zwischen dem Verschlußelement (10) und der Scheibenaussparung (9) ein der Rotordrehung entsprechender wälzförmiger Eingriff vorhanden ist, und daß die benachbarten, gegenüberliegenden oder nachgeordneten Ringkanäle der Scheiben-Nutrotoren (2; 3) durch eine Anordnung von steuerbaren Überströmkanälen (12) im Zwickelbereich des Gehäuses (1) wahlweise miteinander verbindbar sind.

2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Scheiben-Nutrotoren (2; 3) in axialer ein- oder wechselseitiger Anordnungsfolge mehrere durch die Paarungen Scheibe (5; 9) und Verschlußelement (10) gebildete verschließbare Ringkanäle besitzen, wobei die Paarungen Scheibe (5; 9) und Verschlußelement (10) auf den Rotorwellen eine hintereinander gestaffelte drehwinkelversetzte Anordnung zueinander einnehmen.

3. Einrichtung nach Punkt 1 und Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Scheiben-Nutrotoren (2; 3) in axialer ein- oder wechselseitiger Anordnungsfolge eine Kombination von offenen mit verschließbaren Ringkanälen besitzen.

4. Einrichtung nach Punkt 1 bis Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ringkanäle der Scheiben-Nutrotoren (2; 3) mittels im Zwickelbereich des Gehäuses (1) in vorgesehenen Ausnehmungen austauschbar angeordneten Überströmkanaleinsätzen (11), die eine vorbestimmte Verbindung der Überströmkanäle (12) besitzen, in Förderrichtung wahlweise miteinander verbindbar sind.

5. Einrichtung nach Punkt 1 bis Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ringkanäle der Scheiben-Nutrotoren (2; 3) mittels im Zwickelbereich des Gehäuses (1) angeordneten radialen Überströmbohrungen (13) und einem am Ausgang der Überströmbohrungen (13) angeordneten Steuerelement (14), das ein System vorbestimmter Kanalverbindungen besitzt, in Förderrichtung wahlweise miteinander verbindbar sind.