WO1999036246A1 - Aussenbeheizte heisskanaldüse mit heizdraht - Google Patents

Abstract

Eine außenbeheizte Heißkanaldüse (1), insbesondere Heißkanaldüse für die Herstellung von Spritzguß-Formteilen, umfaßt einen Heizdraht (2), der sich aus einem inneren, elektrischen Heizleiter (3), einer keramischen, isolierenden Zwischenschicht (4) und einem äußeren Metallmantel (5) aufbaut und zwei Endbereiche (6), an denen eine Heizspannung anlegbar ist, sowie einen Zwischenabschnitt (7) aufweist, welcher in Form einer Heizwendel dem Umfang der Heißkanaldüse zugeordnet ist. Dieser Heizdraht (2) zeichnet sich dadurch aus, daß die beiden Endbereiche (6) mit einem Außendurchmesser von 1,5 mm - 2,5 mm größer dimensioniert sind als der Zwischenabschnitt (7) mit einem Außendurchmesser von 1,0 mm - 1,8 mm.

Description

Außenbeheizte Heißkanaldüse mit Heizdraht

Die Erfindung betrifft eine außenbeheizte Heißkanaldüse und insbesondere den Heizdraht (heating cable) derselben.

Kunststoff-Formteile werden unter Verwendung einer solchen Heißkanaldüse durch Spritzgießen hergestellt. Aufgabe der Düse ist es, die Schmelze vom Heißkanalbalken durch den Schmelzekanal zum Anschnitt zu leiten. Wärmeverluste, die die erforderliche Viskosität der Schmelze im Schmelzekanal der Düse beeinträchtigen, werden durch den in Form einer Heizwendel um den Düsenkörper gewickelten Heizdraht ausgeglichen. Der Heizdraht sorgt also für fortgesetzte isotherme Verhältnisse entlang des Schmelzekanals.

Eine solche Heißkanaldüse ist bekannt und wird von dem Unternehmen Mold-Masters Ltd. auf den Markt gebracht.

Die Verbindung zwischen dem Heizdraht und der Spannungsquelle erfolgt über relativ große Anschlußstecker, sogenannte Terminals. Diese Terminals sind sehr platzintensiv, was die Verwendung mehrerer Heißkanaldüsen in einem Modul einschränkt. Darüber hinaus sind diese Terminals anfällig für Stromunterbrechung, z.B. durch Durchbrennen des Heizdrahtes beim Aufheizen oder während der Regelung der eingestellten Temperatur bei einer Spannung im Niedervoltbereich. Schließlich verursachen die hohen Temperaturen des Heizdrahtes unerwünschte Materialveränderungen im Bereich der Anschlüsse, da dort der Heizdraht Luft ausgesetzt ist. Es kommt dabei zu Versprödungen, die das Brechen der Heizdrähte zur Folge haben können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Heißkanaldüse zu schaffen, deren Beheizung lange Zeit störungsfrei arbeitet, die mit Hilfe einfacher elektrischer Verbindungen an die Spannungsquelle angeschlossen wird und die im Bereich der Anschlüsse verringerte Wärmeentwicklung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß der Heizdraht erst am Düsenkörper zu heizen beginnt, während sich in den Endbereichen des Heizdrahtes eine permanent niedrigere Temperatur als im Heizbereich einstellt. Dadurch kann der aufgrund seines hitzebeständigen Aufbaus platzintensive Terminal durch eine normale Verbindung zwischen Heizdraht und Spannungsquelle, die keine besonderen hitzebeständigen Eigenschaften aufweisen muß, ersetzt werden. Eine solche einfache Verbindung ist platzsparender als der bislang verwendete Terminal, wodurch die flexible Verwendung der Heißkanaldüse, insbesondere in modularen Verteilern, erweitert wird. Hinzu kommt noch, daß eine einfache Verbindung kostensparenderer als ein aufwendiger Terminal ist.

Weiterhin bedeutet der durch die Erfindung ermöglichte Verzicht auf den Terminal vor- teiihafterweise, daß die Düsenbeheizung nicht nur aus einer Normalspannungsquelle, sondern auch aus einer Niedervoltspannungsquelle störungsfrei gespeist werden kann. Das ist insofern von großer Bedeutung, da kompakte Düsen kleiner Baugrößen nur mit Niedervoltspannung betrieben werden, da der Heizdraht bei solchen Düsen durch Anlegen von Normalspannung durchbrennen würde.

Schließlich sind die mit dieser Erfindung erzielten Temperaturen der Endbereiche des Heizdrahtes ausreichend niedrig, um die Oxidation des Heizdrahtes an den luftausgesetzten Bereichen zu verhindern. Damit steigt die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Heizdrähte beträchtlich.

Bevorzugte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafterweise kann der Zwischenabschnitt des Heizdrahtes auf Temperaturen bis zu 600 °C gebracht werden, so daß die erforderliche Fließfähigkeit der Schmelze im Schmelzekanal gewährleistet wird. Um dies zu erreichen, kann die an den Endbereichen angelegte Spannung im Niedervoltbereich, insbesondere bis 50 V, liegen. Eine bevorzugte Spannung von 24 V-Gleichspannung gestattet es, das Heizelement kompakter und somit die Isolationszwischenschicht dünner zu gestalten, ohne die Entwicklung eines Leckagestromes zu provozieren. Hinsichtlich des Aufbaus des Heizdrahtes hat es sich vorteilhafterweise gezeigt, daß ein Heizleiter aus einer Chrom-Nickel-Legierung hervorragende Heizeigenschaften aufweist. Eine wirkungsvolle Isolation des strom- durchflossenen Heizleiters, der Leckagestrom verhindert oder zumindest reduziert, wird durch eine keramische, isolierende Zwischenschicht, die im wesentlichen aus MgO besteht, wirkungsvoll erzielt. Diese isolierende Zwischenschicht ist wiederum von einem Metallmantel, der aus oxidationsbeständigem Stahl, insbesondere aus rostfreiem Stahl, besteht, umgeben. Somit ist ausreichende Festigkeit und Stabilität des Heizdrahtes sichergestellt. Vorteilhafterweise sind die Endbereiche des Heizdrahtes im Bereich des Eintrittsendes der Düse und eine 180°-Biegung des Heizdrahtes im Bereich des Austrittsendes angeordnet. Diese Anordnung des Heizdrahtes wird bevorzugt, um wirksam vom Umfang der Düse aus den Schmelzekanal gleichmäßig zu beheizen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Heißkanaldüse in seitlicher Ansicht, deren rechte Hälfte nicht geschnitten und deren linke Hälfte geschnitten dargestellt sind, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Heizdraht.

In Fig. 1 ist zum Zwecke der deutlichen Darstellung des erfindungsgemäßen Heizdrahtes die linke Hälfte der Heißkanaldüse 1 geschnitten, während die rechte Hälfte eine Aufsicht auf die Düse 1 zeigt. Die in Fig. 1 dargestellte Düse 1 ist eine Kleindüse mit einem Außendurchmesser von 7 mm bis 12 mm. Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf einen solchen Düsentyp beschränkt ist, sondern auf jeden anderen Düsentyp, der mit Hilfe eines Heizdrahtes beheizt wird, angewendet werden kann.

Die Heißkanaldüse 1 verbindet den Verteiler mit dem Anschnitt und dem hinter dem Anschnitt liegenden Werkzeug. Dabei wird die Schmelze vom Verteiler durch den Schmelzekanal der Düse, der sich im Bereich der Düsenspitze verjüngt zum Anschnitt und weiter in das Werkzeug geleitet. Aufgrund der halbseitig geschnittenen Darstellung ist die linke Wandung des Schmelzekanals gestrichelt angedeutet.

Die halbseitig geschnittene Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Heißkanaldüse erlaubt es, die erfindungsgemäßen Durchmesserunterschiede der beiden Endbereiche 6 und des Zwischenbereiches 7 des Heizdrahtes 2 deutlich zu erkennen. Es ist erfindungswesentlich, daß der mit 1 ,5 - 2,5 mm dimensionierte Außendurchmesser der Endbereiche 6 größer dimensioniert ist als der mit 1 ,0 - 1 ,8 mm dimensionierte Außendurchmesser des Zwischenbereiches 7. Besonders gute Heizeigenschaften werden mit einem Heizdraht 2 erzielt, dessen Endbereiche 6 einen Durchmesser von 1 ,55 mm und dessen Zwischenbereich 7 einen Durchmesser von 1 ,20 mm aufweisen.

Zum Zwecke der Beheizung der Düse 1 über deren gesamte Länge wird der Heizdraht 2, insbesondere dessen dicke Endbereiche 6, im Bereich des Düseneintrittsendes 8 zum Düsenkörper gebracht. Auf dem Umfang des Düsenkörpers ist der Heizdraht 2 in Form einer Wendel zum Austrittsende 9 der Düse 1 hin gewickelt. Im Bereich des Eintrittsendes 8 und des Austrittsendes 9 der Düse 1 , also im Bereich Düsenflansch und Düsenspitze, ist der Heizdraht 2 enger gewickelt als auf dem restlichen Düsenkörper. Die sich dadurch einstellende erhöhte Wärmezufuhr dient dazu, den Wärmehaushalt im Düsenflansch (Düsenkopfbereich) und an der Düsenspitze gegen die erhöhten Wärmeverluste durch Anlage im Werkzeug und durch die Kühlung, z.B. speziell im Anschnitt, zu stabilisieren.

Die im Heizdraht 2 als Wärme umgesetzte Leistung ist abhängig von der Stromstärke, dem spezifischen Widerstand des Heizdrahtes 2 sowie dessen Länge und Querschnittsfläche. Mit abnehmender Querschnittsfläche erhöht sich die als Wärme umgesetzte Leistung, wodurch sich eine höhere Temperatur im entsprechenden Teil des Heizdrahtes 2 einstellt. Die passende Wahl der Querschnittsfläche des Heizdrahtes 2 erlaubt es, den Zwischenbereich 7 auf eine Temperatur bis zu 600 °C zu bringen, während sich in den Endbereichen 6 eine Temperatur von etwa 120 °C einstellt. Im Gegensatz dazu betrug im Stand der Technik die Temperatur der Endbereiche etwa zwischen 400 °C und 500 °C.

Es ist denkbar, im Zwischenbereich des Drahtes 2 bestimmte Abschnitte mit einem weiter verringerten Durchmesser vorzusehen, wodurch die erhöhte Wärmezufuhr in bestimmten Bereichen der Düse gezielt gesteuert werden kann. Somit kann z.B. die Maßnahme, die Wärmezufuhr im Bereich der Düsenspitze durch den enggewickelten Heizdraht 2 zu erhöhen, weiter unterstützt werden, was dazu beiträgt, die im Bereich der Düsenspitze erhöhten Wärmeverluste durch die Anschnittkühlung weiter auszugleichen.

Wie bereits erwähnt, ist die in Wärme umgesetzte Leistung auch von der Länge des Heizdrahtes 2 abhängig. Selbstverständlich kann die Temperaturdifferenz zwischen den Endbereichen 6 und dem Zwischenbereich 7 auch über die Einstellung einer geeigneten Heizdrahtlänge vorgenommen werden. Die Verbindung zwischen den Endbereichen 6 des Heizdrahtes 2 und den elektrischen Leitern der Spannungsquelle sind in den Figuren nicht gezeigt. Es versteht sich aber, daß jede elektrische Verbindung zwischen Heizdraht 2 und Spannungsquelle verwendet werden kann, wobei die Endbereiche 6 es durch ihre relativ großen Querschnitte gestatten, insbesondere auch Verbindungen einzusetzen, die für niedrige Temperaturbereiche ausgelegt sind. Die Temperatur von etwa 120 °C der Endbereiche 6 des Heizdrahtes 2 erlaubt somit den Verzicht auf den Terminal. Der Einsatz des Terminals war bislang unumgänglich, um die Endbereiche 6, die aufgrund ihres relativ geringen Querschnittes eine Temperatur von etwa 400 - 500 °C aufwiesen, mit den elektrischen Leitungen der Stromzufuhr dauerhaft zu verbinden. Erst mit Hilfe der im Durchmesser stärkeren Endbereiche ist es möglich, aufgrund der sich dann einstellenden niedrigen Temperatur herkömmliche Verbindungen verwenden, um den Kontakt zwischen der Stromzufuhr und dem Heizdraht 2 herzustellen. Diese herkömmlichen Verbindungen erlauben einen mechanisch festen Anschluß der elektrischen Leitungen, ohne auf besondere Temperaturbedingungen Rücksicht nehmen zu müssen. Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf einen Heizdraht mit einem Ende angewendet werden, dessen anderes Ende an der Düsenspitze geerdet ist.

Der geschnittene Bereich der in Fig. 1 dargestellten Düse zeigt, daß der Heizdraht 2 in direktem Kontakt mit der Düse 1 steht. Der Heizdraht 2 befindet sich in einem Aufnahmekanal, wobei die Verbindung zwischen Heizdraht 2 und Kanalwand durch Hartlöten hergestellt ist. Dadurch werden optimale Verhältnisse für den Wärmeübergang zwischen Heizdraht 2 und Düsenkörper geschaffen.

In Fig. 2 ist ein Heizdraht im Querschnitt dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, daß der elektrische Heizleiter 3 von der isolierenden Zwischenschicht 4 und dem Metallmantel umgeben ist. Die Dicke der aus MgO oder einem ähnlichen keramischen Material bestehenden isolierenden Zwischenschicht ist maßgeblich für die Verhinderung bzw. Reduzierung eines Leckagestroms, der den Wirkungsgrad des Heizdrahtes 2 senkt. Es muß also besonders im Zwischenabschnitt 7 des Heizdrahtes 2 darauf geachtet werden, daß die Verringerung des Querschnittes die Isolationswirkung der Zwischenschicht nicht beeinflußt, was durch die beanspruchten Durchmesserbereiche gewährleistet ist.

Claims

Ansprüche

1. Außenbeheizte Heißkanaldüse (1 ) , insbesondere Heißkanaldüse (1 ) mit einem Eintrittsende (8) und einem Austrittsende (9) für die Herstellung von Spritzguß- Formteilen, mit einem Heizdraht (2), dessen Aufbau einen inneren, elektrischen Heizleiter (3), eine keramische, isolierende Zwischenschicht (4) und einen äußeren Metallmantel (5) umfaßt, und der zwei Endbereiche (6), an denen eine Heizspannung anlegbar ist, sowie einen Zwischenabschnitt (7) aufweist, welcher in Form einer Heizwendel dem Umfang der Heißkanaldüse (1 ) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endbereiche (6) mit einem Außendurchmesser von

1 ,5 mm - 2,5 mm größer dimensioniert sind als der Zwischenabschnitt (7) mit einem Außendurchmesser von 1 ,0 mm - 1 ,8 mm.

2. Heißkanaldüse (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenabschnitt (7) auf Temperaturen bis zu 600 °C heizbar ist.

3. Heißkanaldüse (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Endbereichen (6) anlegbare Spannung im Niedervoltbereich liegt.

4. Heißkanaldüse (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Endbereichen (6) anlegbare Spannung bis 50 V beträgt.

5. Heißkanaldüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Endbereichen (6) anlegbare Spannung 24 V beträgt.

6. Heißkanaldüse (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (3) aus einer Chrom-Nickel-Legierung besteht.

7. Heißkanaldüse (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endbereiche (6) des Heizdrahtes (2) sich im Bereich des Eintrittsendes (8) der Düse befinden und eine 180°-Biegung des Heizdrahtes (2) im Bereich des Austrittsendes (9) liegt.

8. Heißkanaldüse (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Metallmantel (5) des Heizdrahtes (2) aus einem oxidationsbeständigen Stahl besteht.

9. Heißkanaldüse (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oxidati- onsbeständige Stahl des äußeren Metallmantels (5) ein rostfreier Stahl ist.

10. Heißkanaldüse (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die keramische, isolierende Zwischenschicht (4) im wesentlichen aus MgO besteht.