WO2002087848A1 - Verfahren und kühleinrichtung zum kühlen der innenseite von hülsenförmigen spritzgiessteilen - Google Patents

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WO2002087848A1
WO2002087848A1 PCT/CH2002/000206 CH0200206W WO02087848A1 WO 2002087848 A1 WO2002087848 A1 WO 2002087848A1 CH 0200206 W CH0200206 W CH 0200206W WO 02087848 A1 WO02087848 A1 WO 02087848A1
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cooling
air
supersonic
preform
mandrel
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PCT/CH2002/000206
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French (fr)
Inventor
Robert Weinmann
Original Assignee
Netstal-Maschinen Ag
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Publication date
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    • B29K2105/25—Solid
    • B29K2105/253—Preform

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling the inside of sleeve-like injection molding parts, in particular preforms by means of cooling mandrels, and also a cooling device to support post-cooling on the inside of the injection molding parts after they have been removed from the molds, cooling air being able to be blown into the preforms by cooling mandrels.
  • the invention is based on WO00 / 24562, which shows an injection molding machine and a method for producing sleeve-shaped injection molding parts, especially preforms.
  • the cooling time is a determining factor for the cycle time that can be achieved.
  • the main cooling capacity still takes place in the mold halves. Both mold halves are intensely water-cooled during the casting process, so that the temperature of the injection molded parts can still be reduced in the form of approximately 280 °, at least in the outer layers, to approximately 70 ° to 80 ° C.
  • the so-called glass temperature of around 140 ° C is passed through very quickly in the outer layers.
  • the actual casting process up to the removal of the injection molded parts has been reduced to about 13 to 15 seconds, with the qualities that are still optimal in relation to the still semi-rigid injection molded parts.
  • the injection molded parts must be solidified in the mold halves to such an extent that they can be handled with relatively large forces from the ejection aids and transferred to a removal device without deformation or damage.
  • the removal device has a shape which is adapted to the outer dimensions of the injection molded parts, so that the shape of the injection molded parts is retained exactly after removal from the molds.
  • the intensive water cooling in the mold halves takes place due to physical delays, particularly with large wall thicknesses, from the inside out. This means that the above-mentioned 70 ° to 80 ° C cannot be reached uniformly across the entire cross-section during the intensive cooling effect. The result is that rapid reheating, seen in the material cross section, takes place from the inside out as soon as the intensive water cooling is interrupted by the molds.
  • after-cooling is of the greatest importance for two reasons: First, any shape changes up to the dimensionally stable storage condition, but also surface damage, such as pressure points, etc., should be avoided. Secondly, it must be prevented that the cooling takes place too slowly in the higher temperature range and that locally harmful crystal formations occur, for example, through re-heating. The goal is a uniform amorphous state in the material of the cast form.
  • the surface of the injection molded parts must no longer be sticky, because otherwise damage to the contact points can occur in the relatively large packaging containers with thousands of loosely poured parts. The injection molded parts must not exceed a surface temperature of 40 ° C even with slight reheating.
  • After-cooling after removing the molded parts from the injection mold is as important as the main cooling in the molds.
  • the casting specialist knows that even small mistakes can have a big impact.
  • U.S. Patent 4,592,719 suggests increasing the production rate of the preforms by using atmospheric air for cooling instead of a separate post-cooling station.
  • the air is used as cooling air during transport or "handling" through targeted flow control, both inside and outside, on the preforms with maximum cooling effect.
  • a removal device which has as many suction tubes as parts are produced in a spraying cycle, is inserted between the two open mold halves. The suction pipes are then pushed over the preforms. At the same time, air begins to flow through a suction line in the area of the entire circumferential surface of the injection molded parts, which is surrounded by the suction pipes, so that they are cooled with the air from the outside from the moment of transfer into the suction sleeve.
  • the removal device moves after complete take all the injection molded parts of a molding cycle out of the movement space of the mold halves.
  • the mold halves are immediately free again for the subsequent casting cycle.
  • the removal device pivots the preforms from a horizontal to an upright position after the extension movement.
  • a transfer device moves exactly into a transfer position above the removal device.
  • the transfer device has the same number of internal grippers as the removal device has suction pipes.
  • the removal device is swiveled back into the retracted position in good time after the transfer of all injection molded parts and before the mold halves are opened again, so that the next batch of injection molded parts can be removed from the molds.
  • the transfer device transfers the new, dimensionally stable injection molded parts to a carrier and moves back to the transfer position for the next batch without the preforms.
  • US Pat. No. 3,882,213 shows the possibility of the three process stages, casting, cooling, blowing and suggests post-cooling, both on the inside and the outside of preforms.
  • the cooling medium is blown in via a transfer head and a blow mandrel, which protrude into the preform. A central flow of the compressed air into the preform and a backflow in the area of the inner wall of the preform are desired.
  • the cooling medium can flow out through an outlet opening in the transfer head on the rear support base of the blow mandrel.
  • Another function of the transfer head with blowing mandrel is to transfer the cooled preform from the post-cooling station to a blow molding station.
  • the blow air flow can be controlled by the preform in terms of quantity and pressure.
  • the coolant is directed via a predefined path both for internal cooling and for external cooling.
  • US Pat. No. 6,171,541 proposes to design the blow mandrel so long that the blow opening or the tip of the blow mandrel comes to lie very close to the closed end or the corresponding dome-like, concave part of the pet form.
  • the primary aim of the blow air is to prevent negative crystallization in the "dome area”. This total penetration of the blow mandrel into the preform ensures two effects:
  • the object of the new invention was to ensure both the handling advantages of WO00 / 24562 and also US Pat. No. 3,882,213 with the possibility of using the cooling medium even better without the need to adapt the blow mandrel length to the different preform lengths.
  • the method according to the invention is characterized in that high-pressure air, preferably of at least 2 bar, preferably more than 3 bar, is used and an ultrasound-free jet for internal cooling is generated at the air outlet from the cooling mandrel.
  • the cooling device according to the invention is characterized in that the individual cooling mandrel is designed as a supersonic nozzle in the region of the outlet end of the cooling air.
  • the inventor has recognized that the energy transfer through the cooling air can be increased according to the invention in several ways.
  • the aim is to obtain the greatest possible cooling effect with the least possible effort for the compressed air.
  • the air outlet is designed like a Laval nozzle, several phenomena can be used at the same time. It is known that the temperature of the gas is increased during gas compression and the temperature is reduced during pressure reduction. When generating a supersonic speed, pressure energy is converted into speed energy. At the same time there is an enormous drop in temperature of the gas instead. The result is that the heat absorption capacity of the air can be increased noticeably.
  • the generation of a sound or supersonic free jet also results in a very stable vortex flow, which has a greater drag effect for the surrounding air. Local eddies produce much higher air velocities.
  • the new invention allows a number of particularly advantageous configurations. For this purpose, reference is made to claims 2 to 9 and 11 ibs 22.
  • the cooling mandrel for the internal cooling is only inserted into the injection molded part to such an extent that a sufficient free jet space remains ensured.
  • the cooling mandrel is inserted into the preform to such an extent that a free jet space of a length corresponding to at least the inner diameter of the preform remains between the cooling mandrel tip and the concave tip of a preform. This allows the cooling mandrels to be aligned only with regard to the inner diameter of the petform thread part, but not to the length of the cooling mandrels, so that a large variety of cooling mandrels is not required.
  • the cooling mandrel can have a shape similar to that of the inside of the preform, a concentric annular gap preferably being formed between the preform and the outside of the cooling mandrel, via which the returning air flows out of the preform. According to the previous investigations, optimal conditions were obtained if the free jet space was set to a length of at least two to three times the inner diameter of the preform.
  • the injection molded part is cooled on the outside in an aftercooler, the internal cooling taking place at least during part of the aftercooling time.
  • the cooling mandrel can be inserted into the preform in a controlled manner.
  • the relative movement between the cooling mandrel and the preform, for the physical takeover of the preform by the cooling mandrel for the subsequent removal of the preform from an aftercooler, is generated by compressed air from the removal device.
  • the preform moves freely on the cooling mandrel.
  • the cooling mandrel is in a first phase close to the opening of the Preform driven and the free jet against the opening area blown in the direction of the interior of the preform.
  • the cooling mandrel gets a real multifunction with the proposed designs.
  • the central function is optimal handling of the preforms. The periods in which the cooling mandrels are not required for handling can be used to optimize the internal cooling.
  • the compressed air inside the cooling mandrel is as large as possible up to
  • Nozzle bore has a multiple cross-sectional area in relation to the narrowest cross-sectional area of the supersonic nozzle.
  • the supersonic nozzle has a large-area compressed air supply duct in the air flow direction, a constriction and an expanding supersonic duct on the outlet side.
  • the supersonic nozzle can be designed as an ideal Laval nozzle with a correspondingly high surface quality in the area of the constriction and the supersonic duct.
  • the supersonic duct has an opening angle of 8 ° to 10 °. Studies with miniature nozzles have shown that the opening angle as the highest limit can be up to 40 °. An angle of 8 ° to 10 ° results in a relatively large length of the supersonic channel with correspondingly highest manufacturing costs for the generation of multiple sound speeds. Many investigations with miniature nozzles are known in the field of the textile industry.
  • a * which is only dependent on the rest temperature To, is reached at the mouth, but the mouth pressure is now above the ambient pressure, so that undisturbed outflow is not possible. Vibrations arise which, combined with flow losses, expand the emerging jet to the ambient pressure. The average outflow speed is lower than that for lossless outflow. If a conical extension is connected to the narrowest cross-section, the pressure in the nozzle is reduced further (FIG. 11).
  • the pressure jumps to the ambient pressure; Density and temperature increase in the same way. This discontinuous change of state is possible because for each flow state of a gas at supersonic speed there is a second one at subsonic speed with the same current density and the same pulse density but increased entropy.
  • the same current density means the same cross-sectional requirement.
  • the same impulse density means that the transition from one flow to the other is possible without external force.
  • the impact compresses the beam to pressure P2> Pu.
  • the impact fronts are reflected as so-called expansion fans or thinning lines.
  • FIG. 8 shows the free jet of the examined texturing nozzle made visible with the Toeplers Schlieren method.
  • the lightening or darkening of the image corresponds to the density gradient, i.e. in areas of uniform coloring, the density of the gas is unchanged, while the density jump on the fronts of the crossed compression shock appears as a relatively sharply delineated bright line.
  • the crossed joint (a) initially becomes steeper (b) until there is a possibility of a forked joint (c). This forms with the middle part becoming larger and larger and finally migrates into the nozzle (d). From then on, there is no longer any supersonic flow in the outlet cross section.
  • the admission pressure at which the compression shock occurs in the outlet cross-section is between 1 and 1, 4 bar (theoretical overpressure) for the nozzle under investigation. As the pressure drops further, the compression stroke moves closer and closer to the narrowest cross-section, until finally the nozzle only flows at subsonic speed.
  • the narrowest cross section of the supersonic nozzle should be 0.1 to 2 mm, preferably 0.8 to 1.5 mm, and the opening angle of the supersonic nozzle should be more than 8 ° but less than 40 °. In a preferred embodiment, the opening angle is 10 ° to 30 °, particularly preferably 15 ° to 25 ° and has a cross-sectional widening range which is at least 1: 2 or larger.
  • the length of the acceleration channel is preferably 3 to 10 times larger than the diameter of the yarn channel at the beginning of the expansion area.
  • the pressure of the compressed air is 2 to 12 bar or more, preferably 3 to 8 bar, the compressed air in the supersonic duct being accelerated to more than 1.4 Mach, preferably more than Mach 2, and the free jet length more than 4 times the length of the expansion area is.
  • the limit values allow optimal values to be determined in each individual case. In any case, the focus is on the advantages of a supersonic flow:
  • a stable vortex flow shape with or without a surge flow can be used.
  • the cooling mandrel can be chosen shorter, can be used for different preform lengths
  • the supersonic nozzle can be designed as a separate nozzle head, so that the nozzle head is attached to the end of the cooling mandrel, e.g. can be screwed on.
  • the cooling mandrels are designed according to the internal dimensions of the preforms as centering support mandrels with suction air channels for vacuuming the interior of the preform.
  • a large number of cooling mandrels is formed as part of a gripper, the gripper having movement means via which the individual cooling mandrels can be introduced into the preforms.
  • the cooling mandrels are positioned within the preforms in various penetration depths, in particular in a free jet position and a removal position, via the movement means of the gripper.
  • the suction air channels at the rear end of the cooling mandrels are arranged in such a way that the blown air in the free jet position flows over the cooling mandrel to the outside, with the suction air channels coming into the interior of the preform in the removal position for vacuuming the air space between the cooling mandrel and the inside of the cooling mold.
  • FIG. 1 shows schematically an overall view of an injection molding machine for the
  • Transfer gripper with a variety of cooling mandrels Fiugr 2a the end piece of a carrier plate of the transfer gripper with a screwed-in cooling mandrel; 2b shows a cooling mandrel; 2c shows the removal position of a preform; 2d shows a possible free jet position for cooling a preform; Figures 3a and 3b view and section through a nozzle head; 4a shows a cooling mandrel without a supersonic nozzle; FIG. 4b the cooling mandrel tip with a nozzle head; 4c shows a supersonic nozzle as a Laval nozzle on a larger scale; FIG.
  • FIG. 4d shows a supersonic nozzle with a larger opening angle
  • 5 shows a cooling mandrel in a cooling position in a preform
  • 6 shows the cooling process of a preform in seven steps
  • FIG. 7a shows a possible cooling position of the solution according to the invention
  • 7b shows the preform cooling according to a solution of the prior art
  • FIG. 7c shows another example of the preform cooling of the prior art
  • 8 shows a free jet made visible with the Schlieren method
  • FIG. 1 shows an entire injection molding machine for the production of preforms with a machine bed 1 on which a fixed platen 2 and an injection unit 3 are mounted.
  • a support plate 4 and a movable platen 5 are axially displaceably supported on the machine bed 1.
  • the fixed platen 5 and the support plate 4 are connected to each other by four bars 6, which pass through and guide the movable platen 5.
  • a drive unit 7 for generating the closing pressure is located between the support plate 4 and the movable platen 5.
  • the fixed platen 2 and the movable platen 5 each have a mold half 8 and 9, in each of which a plurality of molds 8 'and 9' are arranged, which together form the cavities for producing a corresponding number of sleeve-shaped injection molded parts.
  • the injection molded parts are still in a semi-solidified state at this time and are indicated by broken lines.
  • the same injection molded parts 10 in the fully cooled state are shown at the top left in FIG. 1, where they are just being ejected from a post-cooling device 19.
  • the upper bars 6 are shown interrupted for the purpose of better representation of the details between the opened mold halves.
  • a to D show the different handling positions for the preforms 10: "A" is the removal of the injection molded parts or preforms 10 from the two mold halves.
  • the still semi-rigid sleeve-shaped parts are picked up by a removal device 1 1 lowered into the space between the opened mold halves and into position "A” and lifted into position "B” with this (receiving device 1 1 'in FIG. 1).
  • B is the transfer position of the removal device 1 1, the preforms 10 to a transfer gripper 1 2 ("B" in Figure 1).
  • C is the transfer of the preforms 10 from the transfer gripper 1 2 to an after-cooling device 19.
  • Figure 1 shows, so to speak, snapshots of the four main steps for handling.
  • position "B” the sleeve-shaped injection-molded parts 10 arranged vertically one above the other are taken over by the transfer gripper 1 2 or 1 2 'and, by pivoting the transfer device in the direction of arrow P into a position, standing horizontally next to one another, according to phase "C", brought.
  • the transfer gripper 12 consists of a holding arm 14 which can be pivoted about an axis 13 and which carries a holding plate 15 to which a carrier plate 16 for centering mandrels 8 "is arranged at a parallel distance.
  • the carrier plate 16 is by means of two hydraulic devices 17 and 18 according to FIG Arrow can be turned parallel to the holding plate 1 5, so that in the position "B" the sleeve-shaped injection molded parts 10 can be taken out of the removal device 11 and in the position pivoted into the position "C” can be pushed into the overcooling device 1 9 above them takes place by increasing the distance between the holding plate 1 5 and the carrier plate 1 6.
  • the still semi-rigid sleeve-shaped injection molded parts 10 are cooled in the after-cooling device 1 9 and then, after a displacement of the after-cooling device 1 9, ejected in the position "D" and onto a Conveyor belt 20 thrown.
  • the removal device 1 1 is shown in dashed lines in a waiting position, which indicates the end of the injection phase.
  • the reference numeral 30 is the water cooling with corresponding supply and discharge lines, which are shown with arrows for simplification and are assumed to be known.
  • the reference numeral 31/32 denotes the air side, with 31 for blowing resp. Compressed air supply and 32 for vacuum resp. Deflator stands. This means that the possible uses of air and water can already be seen on the basic level. Pure water cooling takes place in the injection molds 8 and 9 during the injection molding process.
  • the after-cooling device 19 can be moved horizontally independently according to arrow L during the removal phase "A", from a pick-up position to a discharge position (shown in broken lines).
  • the after-cooling device 19 can have a multiple capacity compared to the number of cavities in the mold halves.
  • the completely cooled preforms 10 can only be ejected after two, three or more injection molding cycles, so that the post-cooling time is extended accordingly.
  • the transfer gripper 12 to the after-cooling device 19 the latter can additionally be shifted and placed in the appropriate position.
  • a cooling mandrel 22 is shown in FIGS. 2a and 2b.
  • the cooling mandrel 22 is also referred to as a blowing mandrel or centering mandrel in accordance with its respective function.
  • the cooling mandrel On the left side, the cooling mandrel has a screw thread 41, by means of which the cooling mandrels 22 can be screwed onto the carrier plate 16.
  • the carrier plate 16 As shown in FIG. 1, the carrier plate 16 has a larger number of cooling mandrels 22, which are each arranged in several rows. According to FIG.
  • two air duct systems 42 and 43 are arranged in the carrier plate 16, the air system 42 being designed for negative pressure or vacuum and the air system 43 for compressed air with corresponding connections (not shown) for a compressed air generator or a suction fan or a vacuum pump.
  • special screws 44, 45 and 46 with the necessary recesses for mounting and penetration of the respective connecting pieces are provided at the transitions.
  • the special screws 44, 45 and 46 must be screwed in and out in the correct order.
  • the two air systems, sealed against each other, should be able to perform their own functions.
  • a blow pipe 47 corresponding to the length "L" is inserted in the correct assembly order.
  • the entire air system has pipe-like connections, which is optimal for the strength issue, both for the high-pressure and negative-pressure areas.
  • the reference numeral 56 designates the centering base of the cooling mandrels 22.
  • FIG. 2a shows the end piece of the carrier plate 16 with a screwed-in air nozzle 40 and a preform 10.
  • the outer diameter is dip. on the cooling mandrel 22 in the area of the sealing ring 52 by a slight play smaller than the corresponding inner diameter of the preform 10. This results, supported by the air flow forces, in a centering effect for the preform 10 on the cooling mandrels 22.
  • FIG. 2c shows the most important handling position of the cooling mandrel 22 with a preform 10.
  • the corresponding removal situation shows the position before the preform is removed from the removal device 11.
  • the preform is ejected from the relevant cooling sleeve 21 by a blast of compressed air on the part of the removal device and pushed completely onto the cooling mandrel 22.
  • the end face 24 'of the open thread end 24 is pressed onto the sealing ring 52.
  • the cross bores 55 come to lie completely in the interior of the preform 10 in the removal or handling position according to FIG. 2c and connect the interior to a vacuum source.
  • the minimum distance from the tip of the cooling mandrel to the closed inner end of the preform 10 is designated Af.
  • a possible distance in the free jet position is AK 2d, the free jet is designated by several arrows 25.
  • the free jet length depends on the conditions in the relevant room AK, the length being limited by the continuous mixing of the free jet with the surrounding vortex or backflow X results from the difference between Af and AK.At the front tip of the cooling mandrels there is a nozzle head 26 which can be screwed into an internal thread 28 of the cooling mandrel via an external thread 27, for which the nozzle head 26 has a hexagon 29 on the protruding part according to the figure 3a and 3b.
  • FIG. 4a shows a cooling mandrel front part without a nozzle head and FIG. 4b one with a nozzle head. It is for the design of the whole area for supersonic flow it is important that the compressed air supply duct 60 has a cross section Qz which is as large as possible and which is to be a multiple of the cross section Qe at the narrowest point of the Laval nozzle.
  • the most important dimensions for the supersonic duct are the length of the constriction 1 or the conical inlet or the supersonic nozzle inlet 33, the length of the extension duct Ue-L, the exit cross section QA from the supersonic duct 34 and the opening angle ⁇ of the supersonic or extension duct 34 ,
  • FIGS. 4c and 4d show two different configurations of the supersonic area in nozzle heads.
  • Figure 4c shows a classic Laval nozzle.
  • the supersonic inlet 33 is rounded so that the air velocity is brought to the speed of sound as a laminar flow up to the constriction 35.
  • the lowest limit is a pre-pressure of approx. 2 bar, better 3 bar, in the compressed air supply duct 60, so that a real supersonic flow in the supersonic duct 34 occurs at all.
  • the expansion angle for a Laval nozzle is approximately 8 ° to 1 2 °.
  • C denotes the length of the supersonic inlet 33 and Ue-L the length of the supersonic duct 34.
  • the 4d shows a Laval nozzle with an enlarged opening angle ⁇ 'for the supersonic duct 34.
  • the angle ⁇ ' can be 10 ° to 40 °, preferably 15 ° to 30 °, whereby it can be seen that a larger opening angle is much shorter.
  • the supersonic inlet 33 can be conical or rounded.
  • FIG. 6 shows the pre-cooling phase of the preforms in seven steps, as long as they are still in the removal device 11, the steps being labeled Step I to Step VII.
  • Step I represents the positioning of the cooling mandrels by swiveling the transfer device 12 in accordingly.
  • Step II shows the extended position of the removal device 11. The molds are already closed again and ready for the next casting cycle.
  • Step III shows the closing of the cooling mandrels 22, and step IV shows the possibility of closing the cooling mandrels 22 in the vicinity of the opening of the preforms 10.
  • the cooling process can begin via the cooling mandrels 22 by first blowing on the threaded area.
  • Step V is the actual internal cooling during, for example, 3 to 10 seconds of the preforms 10 by means of a supersonic free jet.
  • the cooling air flows directly into the surroundings, with the possibility of extracting the cooling air.
  • Step VI shows the handling position for the preforms.
  • an overpressure denoted by + (plus)
  • the preform is ejected at the cooling sleeves or pushed completely onto the cooling mandrels.
  • step VII the interior of the cooling sleeve is vacuumed, the cooling mandrel is extended with the preform sucked in, and the preforms are transferred to the aftercooler 19 after a swiveling movement.
  • FIG. 7a shows the solution according to the invention with a free jet flow in the interior of the front part of the preform 10.
  • the free jet space is designated by R. 25.
  • FIG. 7b shows a solution of the prior art according to US Pat. No. 3,882,213 (FIG. 5). Since the compressed air duct 87 has no widening at the outlet, a subsonic flow occurs for physical reasons.
  • the arrows 90 indicate the flow pattern or the air flow path.
  • the reference number 88 denotes the air outlet which is arranged in a transfer head 85.
  • FIG. 7c shows a more recent solution which is specially designed for maximum internal cooling at the dome-like end of a preform 10 according to US Pat. No. 6,171,541.
  • the dimension d between the cooling mandrel tip and the preform end should be chosen to be as small as possible, so that an optimal relationship to the annular outflow cross section D is created.
  • FIG. 8 shows a free jet made visible using the Toepler streak method.
  • FIGS. 9a and 9b show pressure profiles of the free jet of a Laval nozzle when the outlet pressure is below the ambient pressure.
  • FIG. 10 shows the outflow speed of air with an ideal Laval nozzle (top) and a nozzle with the narrowest cross section.
  • Figure 1 1 shows the course of the state variables behind the narrowest cross section in a conically expanded Laval nozzle depending on the cone geometry and the resting pressure Po. It should be noted that FIGS. 8 to 11 are test results on real Laval nozzles with opening angles in the range from 8 ° to 10 °. According to the new invention, however, larger opening angles of up to 40 ° are proposed, the range from 15 ° to 30 ° being preferred. Accordingly, Mach numbers are much larger.
  • a very interesting parameter is the air temperature, which is known to decrease with increasing supersonic, thereby increasing the cooling effect.
  • the values change from 2 bar to 10 bar or more depending on the pre-pressure selected.
  • the cooling effect is further increased if the high pressure air is water or water vapor, e.g. directly in front of the supersonic nozzle, or the humidity of the high pressure air is increased accordingly.

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Abstract

Die neue Erfindung schlägt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kühlen von hülsenartigen Spritzgiessteilen vor. Über einen Kühldorn wird mittels Hochdruckluft in der Form eines Überschall-Freistrahles das Innere der Spritzgiessteile zusätzlich gekühlt. Am Kühldorn wird die Überschalldüse in der Form eines gesonderten Düsenkopfes gebildet. Für den Freistrahl wird bevorzugt ein grösserer Freistrahlraum eingestellt. Der Kühldorn dient gleichzeitig dem Handling, wofür über den Kühldorn das Innere der Preform vakumiert.

Description

Verfahren und Kühleinrichtung zum Kühlen der Innenseite von hülsenförmigen Spritzgiessteilen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen der Innenseite von hülsenartigen Spritzgiessteilen, insbesondere von Preformen mittels Kühldornen, ferner eine Kühleinrichtung zur Unterstützung der Nachkühlung auf der Innenseite der Spritzgiessteile nach deren Entnahme aus den Giessformen, wobei Kühlluft durch Kühldorne in die Preformen einblasbar ist.
Die Erfindung geht aus von der WO00/24562, welche eine Spritzgiessmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung von hülsenförmigen Spritzgiessteilen, vor allem Preformen, zeigt.
Stand der Technik
Bei der Herstellung von dickwandigen Spritzgiessteilen ist für die erreichbare Zykluszeit die Kühlzeit ein bestimmender Faktor. Die Hauptkühlleistung findet noch in den Giessformhälften statt. Beide Giessformhälften werden während dem Giessprozess intensiv wassergekühlt, so dass die Temperatur der Spritzgiessteile noch in der Form von etwa 280°, wenigstens in den Randschichten auf bis etwa 70° bis 80° C gesenkt werden kann. Es wird in den äusseren Schichten sehr rasch die sogenannte Glastemperatur von etwa 140° C durchfahren. Der eigentliche Giessvorgang bis zur Entnahme der Spritzgiessteile konnte in der jüngsten Vergangenheit auf etwa 13 bis 1 5 Sekunden gesenkt werden, dies bei noch optimalen Qualitäten in Bezug auf die noch halbstarren Spritzgiessteile. Die Spritzgiessteile müssen in den Formhälften so stark verfestigt werden, dass diese mit relativ grossen Kräften der Auswurfhilfen angefasst und ohne Deformation bzw. Schäden einer Entnahmevorrichtung übergeben werden können. Die Entnahmevorrichtung weist eine den Spritzggiessteile-Aussenabmessung angepasste Form auf, damit die Form der Spritzgiessteile exakt nach der Entnahme aus den Giessformen erhalten bleibt. Die intensive Wasserkühlung in den Giessformhälften erfolgt vor allem bei grossen Wandstärken von aussen nach innen physikalisch bedingt stark zeitverzögert. Dies bedeutet, dass die genannten 70° bis 80° C während der intensiven Kühlwirkung nicht einheitlich im ganzen Querschnitt erreicht werden. Die Folge ist, dass eine rasche Rückerwärmung, im Materialquerschnitt gesehen, von innen nach aussen erfolgt, sobald die intensive Wasserkühlung durch die Formen unterbrochen wird. Der sogenannten Nachkühlung kommt aus zwei Gründen grösste Bedeutung zu: Erstens sollen jegliche Formänderungen bis zum formstabilen Lagerzustand aber auch Oberflächenschäden, etwa Druckstellen usw., vermieden werden. Es muss zweitens verhindert werden, dass die Abkühlung im höheren Temperaturbereich zu langsam erfolgt und sich z.B. durch Rückerwärmungen örtlich schädliche Kristallbildungen einstellen. Ziel ist ein gleichmässig amorpher Zustand im Material der vergossenen Form. Die Oberfläche der Spritzgiessteile darf nicht mehr klebrig sein, weil sonst in den relativ grossen Abpackgebinden mit Tausenden von lose eingeschütteten Teilen an den Berührungspunkten Haftschäden entstehen können. Die Spritzgiessteile dürfen auch bei leichter Rückerwärmung eine Oberflächentemperatur von 40°C nicht überschreiten.
Die Nachkühlung nach der Entnahme der Giessteile aus der Spritzgiessform ist so wichtig wie die Hauptkühlung in den Giessformen. Der Giessfachmann weiss, dass selbst kleine Fehler grosse Auswirkungen haben können. Beim Testen neuer Materialien, oder bei Produktionsunterbrüchen durch Prozessfehler, kann es vorkommen, dass die heissen Spritzgiessteile etwas zu lange auf den gekühlten dornartigen Positivformen verbleiben. Die Folge kann sein, dass durch den weitergehenden Schrumpfvorgang in den Spritzgiessteilen, bedingt durch die Abkühlung, diese mit den normalen Ausstosskräften der Maschine nicht mehr abgestossen und nur noch mit speziellen Hilfseinrichtungen von den Formen gelöst werden können.
Die US-PS 4 592 719 schlägt vor, die Produktionsrate der Preformen dadurch zu erhöhen, dass anstelle von einer getrennten Nachkühlungsstation atmosphärische Luft zur Kühlung verwendet wird. Die Luft wird als Kühlluft während dem Transport bzw. "Handling" durch gezielte Strömungsführung, sowohl innen wie aussen, an den Preformen mit maximaler Kühlwirkung eingesetzt. Eine Entnahmevorrichtung, welche so viele Saugrohre aufweist, wie in einem Spritzzyklus Teile hergestellt werden, fährt zwischen den beiden offenen Formhälften ein. Die Saugrohre werden sodann über die Preformen geschoben. Gleichzeitig beginnt über eine Saugleitung Luft im Bereich der ganzen, von den Saugrohren umfassten Umfangsfläche der Spritzgiessteile zu strömen, so dass diese vom Moment der Übernahme in die Saughülse mit der Luft von aussen gekühlt werden. Die Entnahmevorrichtung fährt nach vollständiger Über- nähme aller Spritzgiessteile eines Giesszyklusses aus dem Bewegungsraum der Formhälften heraus. Die Formhälften sind sofort wieder frei für den nachfolgenden Giesszyklus. Die Entnahmevorrichtung verschwenkt die Preformen nach der Ausfahrbewegung von einer horizontalen in eine aufrechte Lage. Gleichzeitig fährt eine Transfervorrichtung exakt in eine Übergabeposition über der Entnahmevorrichtung. Die Transfervorrichtung weist eine gleiche Zahl Innengreifer auf, wie die Entnahmevorrichtung Saugrohre hat. Rechtzeitig nach der Übergabe aller Spritzgiessteile und vor dem erneuten Öffnen der Formhälften wird die Entnahmevorrichtung zurück in die Einfahrposition geschwenkt, so dass die nächste Charge Spritzgiessteile den Formen entnommen werden kann. Die Transfervorrichtung übergibt in der Zwischenzeit die neuen, formstabilen Spritzgiessteile einem Transporteur und fährt ohne die Preformen zurück in die Übernahmeposition für die nächste Charge.
Die US-PS 3 882 213 zeigt die Möglichkeit der drei Verfahrensstufen, Giessen, Kühlen, Blasen und schlägt eine Nachkühlung, sowohl der Innenseite wie der Aussen- seite von Preformen vor. Als Kühlmedium kann entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit, beispielsweise aber auch Luft, gegebenenalls mit Wassertröpfchen oder Kohlendioxyd, eingesetzt werden. Das Kühlmedium wird über einen Transferkopf sowie einen Blasdorn, welche in die Preform ragen, eingeblasen. Es wird eine zentrale Strömung der Druckluft in die Preform sowie eine Rückströmung im Bereich der Innenwandung der Preform angestrebt. Durch eine Auslassöffnung im Transferkopf am hinteren Tragsockel des Blasdornes kann das Kühlmedium abströmen. Der Transferkopf mit Blasdorn hat als weitere Funktion den Transfer der gekühlten Preform von der Nachkühlstation in eine Blasstation. Der Blasluftstrom kann durch die Preform in Bezug auf Menge und Druck kontrolliert werden. Sowohl für die Innenkühlung wie für die Aussenkühlung wird das Kühlmittel über einen vorgegebenen Weg gelenkt.
Die US-PS 6 171 541 schlägt vor, den Blasdorn so lange zu gestalten, dass die Blasöffnung bzw. die Spitze des Blasdornes ganz nahe an das geschlossene Ende bzw. die entsprechende domartige, konkave Partie der Petform zu liegen kommt. Mit der Blasluft soll primär eine negative Kristallisation in der "Dompartie" verhindert werden. Durch dieses totale Eindringen des Blasdornes in die Preform werden zwei Effekte sichergestellt:
1 . Das Kühlmedium trifft in noch kaltem Zustand direkt auf die Dompartie und hat an der betreffenden Stelle die grösstmögliche Kühlwirkung.
2. Durch die Nähe des ganzen Blasdornes zu der Dompartie kann ein Mischeffekt von ein- und ausströmender Luft vollständig verhindert werden, so dass das Kühlmedium mit der tiefstmöglichen Temperatur direkt an der Dompartie ausströmt.
Der Hauptvorteil der US-PS 6 171 541 gegenüber der US-PS 3 882 213 liegt in der Maximierung der Kühlwirkung in der Spitze der Dompartie. Der Hauptnachteil liegt darin, dass die Bewegungsführung für jede Längenabmessung genau angepasst werden muss, da von einer exakten Positionierung in Bezug auf das geschlossene Endteil der Preform ausgegangen wird. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass für jede einzelne Preform ein angepasster Blasdom eingesetzt werden muss.
Bei der WO00/24562 steht das Handling und die Behebung von Pannen im Vordergrund, z.B. durch das Hängenbleiben einzelner Spritzgiessteile, so dass die Produktivität bei optimaler Kühlwirkung gesteigert werden kann.
Aufgabe der neuem Erfindung war es, sowohl die Handlingsvorteile der WO00/24562 wie auch der US-PS 3 882 213 sicherzustellen mit der Möglichkeit, das Kühlmedium integral noch besser zu nutzen, ohne die Notwendigkeit, die Blasdornlänge an die verschiedenen Preformlängen anzupassen.
Darstellung der Erfindung
Das erfindunggemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruckluft, vorzugsweise von wenigstens 2 bar, vorzugsweise mehr als 3 bar, verwendet und am Luftaustritt aus dem Kühldorn ein Überschallfreistrahl für die Innenkühlung erzeugt wird.
Die erfindungsgemässe Kühleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Kühldorn im Bereich des Austrittsendes der Kühlluft als Überschalldüse ausgebildet ist.
Vom Erfinder ist erkannt worden, dass die Energieübertragung durch die Kühlluft erfindungsgemäss in mehrfacher Hinsicht gesteigert werden kann. Ziel ist, mit kleinst- möglichem Aufwand für die Druckluft den grösstmöglichen Kühleffekt zu erhalten. Wird der Luftaustritt im Sinne einer Laval-Düse gestaltet, können mehrere Phänomene gleichzeitig genutzt werden. Es ist bekannt, dass bei der Gaskompression die Temperatur des Gases erhöht und bei der Druckreduktion die Temperatur gesenkt wird. Bei der Erzeugung von einer Überschallgeschwindigkeit wird Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt. Gleichzeitig findet eine enorme Temperaturabsenkung des Gases statt. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeaufnahmefähigkeit der Luft spürbar gesteigert werden kann. Die Erzeugung eines Schall- bzw. Überschallfreistrahles ergibt ferner eine sehr stabile Wirbelströmung, welche einen grösseren Schleppeffekt für die unmittelbar umgebende Luft hat. Es entstehen durch örtliche Wirbel wesentlich grössere Luftgeschwindigkeiten. Bekannt ist, dass mit der Erhöhung der Luftgeschwindigkeit der Wärmeübergang steigt. Mit der örtlichen Bildung einer Wirbelkammer wird die Verweilzeit und damit die Wärmeaufnahmezeit der Kühlluft erhöht im Vergleich zu einer engen Spaltströmung, etwa gemäss der US-PS 6 171 541 . Wie in der Folge noch gezeigt wird, kann durch eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit der Kühlluft der Wärmeübergang durch einen Kondensations-/Verdampfungseffekt aufgrund der grossen Druckänderungen im Freistrahl ein weiterer positiver Effekt für die Kühlwirkung erzielt bzw. dieser gegebenenfalls durch Dampfstösse noch zusätzlich unterstützt werden.
Die neue Erfindung erlaubt eine ganze Anzahl besonders vorteilhafter Ausgestaltungen. Es wird dazu auf die Ansprüche 2 bis 9 sowie 1 1 ibs 22 verwiesen.
Für die Sicherstellung der erfindungsgemässen Vorteile wird der Kühldorn für die Innenkühlung nur soweit in das Spritzgiessteil eingeführt, dass ein genügender Freistrahlraum sichergestellt bleibt. Der Kühldorn wird soweit in die Preform eingeführt, dass zwischen der Kühldornspitze und der konkaven Kuppe einer Preform ein Freistrahlraum von einer Länge, entsprechend wenigstens dem inneren Durchmesser der Preform, verbleibt. Dies erlaubt, die Kühldorne nur im Hinblick auf den inneren Durchmesser des Petformgewindeteiles, nicht aber auf die Länge der Kühldorne auszurichten, so dass keine grosse Vielfalt an Kühldornen erforderlich ist. Der Kühldorn kann formähnlich ausgebildet sein wie die Innenseite der Preform, wobei zwischen Preform und Aussenseite des Kühldorns vorzugsweise ein konzentrischer Ringspalt gebildet wird, über den die rückströmende Luft aus der Preform abströmt. Nach den bisherigen Untersuchungen ergaben sich optimale Bedingungen, wenn der Freistrahlraum auf eine Länge von wenigstens dem zwei- bis dreifachen Innendurchmesser der Preform eingestellt wurde. Das Spritzgiessteil wird in einem Nachkühler aussen abgekühlt, woberdie Innenkühlung wenigstens während einem Teil der Nachkühlzeit erfolgt. Der Kühldorn kann gesteuert in die Preform eingefahren werden. Die Relativbewegung zwischen Kühldorn und Preform, für die physische Übernahme der Preform durch den Kühldorn zur anschliessenden Entnahme der Preform aus einem Nachkühler, wird durch Druckluft der Entnahmevorrichtung erzeugt. Dabei bewegt sich die Preform frei auf dem Kühldorn. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung wird der Kühldorn in einer ersten Phase nahe an die Öffnung der Preform gefahren und der Freistrahl gegen den Öffnungsbereich mit Richtung gegen das Innere der Preform geblasen. Der Kühldorn bekommt mit den vorgeschlagenen Ausgestaltungen eine echte Multifunktion. Die zentrale Funktion ist ein optimales Handling der Preformen. Die Zeitabschnitte, in welchen die Kühldorne für das Handling nicht benötigt werden, können für eine Optimierung der Innenkühlung genutzt werden.
Die Druckluft wird im Inneren des Kühldornes möglichst grossquerschnittig bis zur
Überschalldüse geführt, wobei der Druckluftzufuhrkanal unmittelbar vor der
Düsenbohrung ein Mehrfaches an Querschnittsfläche aufweist im Verhältnis zur engsten Querschnittsfläche der Überschalldüse.
Die Überschalldüse weist in Luftströmungsrichtung einen grossflächigen Druckluftzufuhrkanal, eine Engstelle und an der Austrittsseite einen sich erweiternden Überschallkanal auf. Die Überschalldüse kann strömungstechnisch als ideale Laval- Düse ausgebildet werden mit entsprechend höchster Oberflächengüte in dem Bereich der Engstelle sowie des Überschallkanales. Dabei weist der Überschallkanal einen Öffnungswinkel von 8° bis 10° auf. Untersuchungen mit Miniaturdüsen haben gezeigt, dass der Öffnungswinkel als oberste Grenze bis zu 40° betragen kann. Ein Winkel von 8° bis 10° ergibt für die Erzeugung von mehrfacher Schallgeschwindigkeit eine relativ grosse Länge des Überschallkanales mit entsprechend höchsten Herstellkosten. Bekannt sind viele Untersuchungen mit Miniaturdüsen in dem Bereich der Textilindustrie. Es wird beispielsweise auf den Fachartikel "Chemiefasern/ Textilindustrie", Mai 1 981 , Seiten 380 bis 384, Bezug genommen. Die nachfolgenden Textpassagen sind auszugsweise aus dem Fachartikel entnommen worden: Um die Luft aus dem Ruhezustand (Druck Po, Temperatur To) heraus zu beschleunigen, muss ähnlich wie bei inkompressiblen Medien die Stromdichte zunächst zunehmen bzw. der Querschnitt A verengt werden. Ist der Druck auf die Hälfte des Ruhedruckes (p/p° = 0,528) abgesunken, wird die Schallgeschwindigkeit a* = f (To) erreicht. Oberhalb dieser kritischen Geschwindigkeit nimmt die Dichte des Gases schneller ab als seine Geschwindigkeit zunimmt, so dass die Stromdichte wieder kleiner wird. Eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit ist nur durch eine sich wieder erweiternde Querschnittsfläche möglich. Soll also der gesamte Wirkdruck (Ruhedurck Po - Umgebungsdruck Pu) möglichst verlustlos in Geschwindigkeit umgesetzt werden, so ist dies nur mit einer Düse möglich, die hinter dem engsten Querschnitt eine Erweiterung aufweist. Es ergeben sich dann die in Figur 10 in der oberen Kurve dargestellten Ausströmgeschwindigkeiten. Die maximale Geschwindigkeit beträgt bei einer Kesseltemperatur von 20°C und einem gegen unendlich gehenden Vordruck rd. 770 m s-1 . Die Werte der oberen Kurve werden aber nur dann erreicht, wenn die Erweiterung so ausgeführt ist, dass das Gas in der Düsenmündung gerade bis auf den Umgebunsdruck expandiert. Liegt die Mündung im engsten Querschnitt, dann wird beim Vordruck von 1 ,89 bar (Überdruck 0,89 bar) an dieser Stelle Schallgeschwindigkeit erreicht. Der Druck beträgt 1 bar ( = Pu), so dass die Luft ungestört ausströmen kann. Bei höherem Vordruck wird an der Mündung die gleiche nur von der Ruhetemperatur To abhängige Geschwindigkeit a* erreicht, jedoch liegt der Mündungsdrμck nun über dem Umgebungsdruck, so dass kein ungestörtes Ausströmen möglich ist. Es entstehen Schwingungen, die, verbunden mit Strömungsverlusten, den austretenden Strahl auf den Umgebungsdruck expandieren. Die mittlere Ausströmgeschwindigkeit ist niedriger als die beim verlustlosen Ausströmen. Schliesst man an den engsten Querschnitt eine kegelige Erweiterung an, so wird in der Düse der Druck weiter reduziert (Figur 1 1 ). Zu jedem Vordruck gibt es aber auch jetzt nur eine durch die Kenngrösse α ■ 1 /d festgelegte Geometrie des Öffnungskegels bzw. bei gegebener Düse nur einen Vordruck, bei dem ungestörters Ausströmen stattfindet. Ist der Druck vor der Düse höher als dieser Grenzwert (oder der Kegel zu kurz oder der Öffnungswinkel zu klein), dann erfolgt hinter der Mündung die beschriebene Nachexpansion. Durch die Erweiterung der Düse hinter dem engsten Querschnitt kann der Mündungsdruck nun auch unter den Umgebungsdruck absinken (Vordruck Po zu klein), so dass der austretende Strahl nachverdichtet werden muss. In diesem Fall gehen von den Rändern der Düsenöffnung schräge Verdichtungsstösse aus, die den Strahlranddruck auf den Gegendruck erhöhen. An den von den Düsenrändern ausgehenden Stossfronten steigt der Druck sprunghaft auf den Umgebungsdruck an; Dichte und Temperatur nehmen in gleicher Weise zu. Diese unstetige Zustandsänderung ist möglich, da es zu jedem Strömungszustand eines Gases bei Überschallgeschwindigkeit einen zweiten bei Unterschallgeschwindigkeit mit gleicher Stromdichte und gleicher Impulsdichte aber vermehrter Entropie gibt. Gleiche Stromdichte bedeutet nach der Kontinuitätsgleichung gleichen Querschnittsbedarf. Gleiche Impulsdichte heisst, dass der Übergang von der einen Strömung in die andere ohne äussere Krafteinwirkung möglich ist. Hinter dem Kreuzungspunkt verdichtet der Stoss den Strahl auf den Druck P2 > Pu. Am Strahlrand werden die Stossfronten als sog. Expansionsfächer bzw. Verdünnungslinien reflektiert. In den flächenförmigen Gebieten erfolgt eine stetige Expansion von Druck P2 > Pu auf Druck Pu bzw. von Druck Pu auf Druck P3 > Pu. In den mit P1 , P2, P3, Pu bezeichneten Gebieten sind Druck, Dichte und Geschwindigkeit jeweils konstant. Die Verdünnungslinien durchkreuzen sich und werden am Strahlrand als Verdichtungslinien reflektiert. Druck P3 < Pu steigt stetig auf den Umgebungsdruck und Druck Pu steigt auf den Druck P2 > Pu. Dieser Vorgang der abwechselnden Entspannung und Wiederverdichtung des Strahls wiederholt sich periodisch, bis durch Mischung mit dem umgebenden Medium die Wellen ganz aufgelöst sind.
Figur 8 zeigt den mit der Toeplerschen Schlierenmethode sichtbar gemachten Freistrahl der untersuchten Texturierdüse. Die Aufhellungen bzw. Verdunklungen des Bildes entsprechen den Dichtegradienten, d.h. in Gebieten gleichmässiger Färbung ist die Dichte des Gases unverändert, während der Dichtesprung an den Fronten des gekreuzten Verdichtungsstosses als relativ scharf begrenzte helle Linie erscheint.
Bei kontinuierlicher Senkung des Vordruckes wird der gekreuzte Stoss (a) zunächst steiler (b), bis sich die Möglichkeit zu einem gegabelten Stoss (c) ergibt. Dieser bildet sich mit immer grösser werdendem Mittelteil aus und wandert schliesslich in die Düse hinein (d). Von da ab ist im Austrittsquerschnitt keine Überschallströmung mehr vorhanden. Der Vordruck, bei dem der Verdichtungsstoss gerade im Austrittsquerschnitt erfolgt, liegt bei der untersuchten Düse zwischern 1 und 1 ,4 bar (theoretischer Überdruck). Bei weiterer Drucksenkung wandert der Verdichtungsstoss immer näher an den engsten Querschnitt heran, bis schliesslich die Düse nur noch mit Unterschallgeschwindigkeit durchströmt wird. Die beschriebenen Zusammenhänge und insbesondere die quantitativen Angaben gelten für eine Laval-Düse, durch die aus einem Kessel mit Ruhedruck Po und Ruhetemperatur To Luft ins Freie strömt.
Ein weiterer, in seinen Auswirkungen auf die Strömung bisher noch nicht näher untersuchter Einflussfaktor ist die Feuchtigkeit. Wird eine Laval-Düse mit feuchter Luft angeströmt, so können, da sich Gase nur zu einem gewissen Grad unterkühlen lassen, durch die starken Temperaturgefälle Kondensationserscheinigungen in der Düse auftreten (9) (bei einer Kesseltemperatur von 20°C sinkt die Temperatur im engsten Querschnitt auf -29°C und bei einer idealen richtig erweiterten Laval-Düse würde bei einem Vordruck von 8 bar im Mündungsquerschnitt theoretisch eine Temperatur von -1 12°C erreicht). Bei spontaner Kondensation entsteht hinter dem engsten Querschnitt der Düse ein sog. Kondensationsstoss, der ähnlich wie beim Verdichtungsstoss zu einem plötzlichen örtlich begrenzten Anstieg von Druck, Dichte und Temperatur und Abnahme der Geschwindigkeit führt. Im Unterschied zum Verdichtungsstoss, der die Strömung auf Unterschallgeschwindigkeit drosseln kann, herrscht nach dem Kondensationsstoss stets Überschallgeschwindigkeit. Die Höhe des Drucksprunges ist im wesentlichen eine Funktion der Feuchtigkeit. Mit steigender rel. Luftfeuchte nimmt die Intensität des Stosses zu, und das Stosszentrum wandert näher an den engsten Querschnitt heran. Dabei ist es unerheblich, ob die Einstellung der Luftfeuchtigkeit vor dem Einblasen in die Düse oder durch Zugabe von zerstäubtem Wasser erfolgt.
Verfolgt man den Weg der Druckluft durch die Düse, so erkennt man, dass sich im Bereich eines Ringspalts der Querschnitt zunächst verengt und anschliessend wieder erweitert. Durch die Querschnittsverminderung ist es bei genügend hohem Vordruck wahrscheinlich, dass an der engsten Stelle des Spalts die Luft, Schallgeschwindigkeit erreicht. Wegen asymmetrischer und überdies sehr starker Erweiterung hinter dem Spalt besteht keine Analogie zur Laval-Düse, deren Erweiterung Öffnungswinkel von höchstens 10° aufweisen darf. Es kann also davon ausgegangen werden, dass hinter dem Spalt, ähnlich wie bei der an der engsten Stelle mündenden Düse, Schwingungen entstehen. Diese Luftschwingungen und Wirbel.
Interessant ist nun die Entdeckung, dass die geometrischen Grenzbedingungen für eine Laval-Düse bei Miniaturdüsen offensichtlich nicht zutreffen, wie in der WO97/30200 dargestellt wird. Dies ist im Hinblick auf die kommerzielle Seite, vor allem in Bezug auf die Herstellkosten aber auch auf die Frage der Luftreinheit sehr wichtig. Der engste Querschnitt der Überschalldüse soll 0, 1 bis 2 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1 ,5 mm und der Öffnungswinkel der Überschalldüse mehr als 8° jedoch weniger als 40° betragen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Öffnungswinkel 10° bis 30°, besonders vorzugsweise 15° bis 25° und weist einen Querschnittserweiterungsbereich auf, welcher wenigstens 1 : 2 oder grösser ist. Die Länge des Beschleunigungskanales ist vorzugsweise 3 bis 10 mal grösser als der Durchmesser des Garnkanales am Beginn des Erweiterungsbereiches. Der Druck der Druckluft beträgt 2 bis 1 2 bar oder mehr, vorzugsweise 3 bis 8 bar, wobei die Druckluft im Überschallkanal auf mehr als 1 ,4 Mach, vorzugsweise mehr als Mach 2 beschleunigt wird und die Freistrahllänge mehr als 4 mal die Länge des Erweiterungsbereiches beträgt. Nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand erlauben die Grenzangaben, in jedem einzelnen Fall Optimalwerte zu ermitteln. Im Zentrum stehen in jedem Fall die Vorteile einer Überschallströmung:
• Es kann eine stabile Wirbelströmungsform mit oder ohne Stossströmung genutzt werden.
• Der Kühldorn kann kürzer gewählt werden, einsetzbar für verschiedene Preformlängen
• Eine örtlich höhere Geschwindigkeit erlaubt eine intensivere Kühleinwirkung. • Die Kühlwirkung eines Überschallfreistrahles ist stark gesteigert, da die Lufttemperatur bei steigender Machzahl sinkt.
• Mit der Zugabe von Wasser oder Wasserdampf können die Vorteile von Kondensa- tionstössen zusätzlich genutzt werden, insbesondere eine weitere Steigerung der Kühlwirkung durch Verdampfung/Kondensation an den zu kühlenden Partien erreicht werden.
Gemäss einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Überschalldüse als gesonderter Düsenkopf ausgebildet werden, so dass der Düsenkopf am Kühldornende befestigt, z.B. aufgeschraubt werden kann. Die Kühldorne werden entsprechend der Innenabmessungen der Preformen als zentrierende Tragdorne ausgebildet mit Saugluftkanälen für das Vakumieren des Preforminneren. Bei der industriellen Ausführung wird eine Vielzahl von Kühldornen als Teil eines Greifers ausgebildet, wobei der Greifer Bewegungsmittel aufweist, über welche die einzelnen Kühldorne in die Preformen einführbar sind. Über die Bewegungsmittel des Greifers werden die Kühldorne innerhalb der Preformen in verschiedene Eindringtiefen, insbesondere in eine Freistrahlposition sowie eine Entnahmeposition, positioniert. Die Saugluftkanäle am hinteren Ende der Kühldorne sind derart angeordnet, dass die Blasluft in der Freistrahlposition über den Kühldorn hinweg ins Freie abströmt, wobei in der Entnahmeposition die Saugluftkanäle in das Preforminnere zu liegen kommen zum Vakumieren des Luftraumes zwischen dem Kühldorn sowie der Kühlforminnenseite.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun an Hand einiger Darstellungen und Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen: die Figur 1 schematisch eine Gesamtansicht einer Spritzgiessmaschine für die
Herstellung von Preformen, mit einer Entnahmevorrichtung sowie einem
Transfergreifer mit einer Vielzahl von Kühldornen; die Fiugr 2a das Endstück einer Trägerplatte des Trasfergreifers mit einem eingeschraubten Kühldorn; die Figur 2b ein Kühldorn; die Figur 2c die Entnahmeposition einer Preform; die Figur 2d eine mögliche Freistrahlposition für die Kühlung einer Preform; die Figuren 3a und 3b Ansicht und Schnitt durch einen Düsenkopf; die Figur 4a einen Kühldorn ohne Überschalldüse; die Figur 4b die Kühldornspitze mit einem Düsenkopf; die Figur 4c eine Überschalldüse als Laval-Düse in grösserem Massstab; die Figur 4d eine Überschalldüse mit grösserem Öffnungswinkel; die Figur 5 ein Kühldorn in einer Kühlposition in einer Preform; die Figur 6 den Kühlablauf einer Preform in sieben Schritten; die Figur 7a eine mögliche Kühlposition der erfindungsgemässen Lösung; die Figur 7b die Preformkühlung gemäss einer Lösung des Standes der Technik; die Figur 7c ein weiteres Beispiel der Preformkühlung des Standes der Technik; die Figur 8 ein mit der Schlierenmethode sichtbar gemachter Freistrahl mit
Verdichtungsstössen; die Figuren 9a und 9b Druckprofile des Freistrahles bei einer klassischen Laval-Düse; die Figur 10 Vergleich der Luftgeschwindigkeit in Funktion des Luftdruckes bei einer
Laval-Düse und einer Düse ohne Überschallkanal; die Figur 1 1 Druck, Geschwindigkeit und Temperatur in Funktion der Geometrie einer Laval-Düse.
Wege und Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine ganze Spritzgiessmaschine für die Herstellung von Preformen mit einem Maschinenbett 1 , auf dem eine feste Formaufspannplatte 2 und eine Spritzeinheit 3 gelagert sind. Eine Abstützplatte 4 und eine bewegliche Formaufspannplatte 5 sind axial verschiebbar auf dem Maschinenbett 1 abgestützt. Die feste Formaufspannplatte 5 und die Abstützplatte 4 sind durch vier Holme 6 miteinander verbunden, die die bewegliche Formaufspannplatte 5 durchsetzen und führen. Zwischen der Abstützplatte 4 und der beweglichen Formaufspannplatte 5 befindet sich eine Antriebseinheit 7 zur Erzeugung des Schliessdruckes. Die feste Formaufspannplatte 2 und die bewegliche Formaufspannplatte 5 tragen jeweils eine Formhälfte 8 und 9, in denen jeweils eine Vielzahl von Teilformen 8' und 9' angeordnet sind, die zusammen die Kavitäten zur Erzeugung einer entsprechenden Zahl hülsenförmiger Spritzgiessteile bilden. Die Teilformen 8' sind als Dorne ausgebildet, an denen nach dem Öffnen der Formhälften 8 und 9 die hülsenförmigen Spritzgiessteile 10 haften. Die Spritzgiessteile befinden sich zu diesem Zeitpunkt noch in einem halb erstarrten Zustand und sind mit unterbrochenen Linien angedeutet. Die gleichen Spritzgiessteile 10 im fertig gekühlten Zustand sind in der Figur 1 links oben dargestellt, wo sie gerade aus einer Nachkühleinrichtung 19 ausgeworfen werden. Die oberen Holme 6 sind zum Zweck der besseren Darstellung der Einzelheiten zwischen den geöffneten Formhälften unterbrochen dargestellt. A bis D zeigen die verschiedenen Handlingspositionen für die Preformen 10: "A" ist die Entnahme der Spritzgiessteile oder Preformen 10 aus den beiden Formhälften. Die noch halbstarren hülsenförmigen Teile werden dabei von einer in den Raum zwischen den geöffneten Formhälften und in die Position "A" abgesenkten Entnahmevorrichtung 1 1 aufgenommen und mit dieser in die Position "B" angehoben (Aufnahmevorrichtung 1 1 ' in Figur 1 ).
"B" ist die Übergabestellung der Entnahmevorrichtung 1 1 , wobei die Preformen 10 an einen Transfergreifer 1 2 ("B" in Figur 1 ).
"C" ist die Übergabe der Preformen 10 von dem Transfergreifer 1 2 an eine Nachkühleinrichtung 19.
"D" ist der Abwurf der abgekühlten und in einen formstabilen Zustand gebrachten Preforms aus der Nachkühleinrichtung 1 9.
Die Figur 1 zeigt sozusagen Momentaufnahmen der vier Hauptschritte für das Handling. In der Position "B" werden die senkrecht übereinanderliegend angeordneten, hülsenförmigen Spritzgiessteile 10 von dem Transfergreifer 1 2 bzw. 1 2' übernommen und durch Verschwenken der Transfervorrichtung in Richtung des Pfeiles P in eine Position, horizontal nebeneinander stehend, gemäss Phase "C", gebracht. Der Transfergreifer 12 besteht aus einem um eine Achse 13 schwenkbaren Haltearm 14, der eine Halteplatte 1 5 trägt, zu der im Parallelabstand eine Trägerplatte 1 6 für Zentrierdorne 8" angeordnet ist. Die Trägerplatte 1 6 ist mittels zweier Hydraulikeinrichtungen 1 7 und 1 8 gemäss Pfeil parallel zur Halteplatte 1 5 ausstellbar, so dass in der Position "B" die hülsenförmigen Spritzgiessteile 10 aus der Entnahmevorrichtung 1 1 geholt und in der in die Position "C" geschwenkten Lage in die darüberliegende Nachkühleinrichtung 1 9 geschoben werden können. Die jeweilige Übergabe erfolgt durch Vergrösserung des Abstandes zwischen der Halteplatte 1 5 und der Trägerplatte 1 6. Die noch halbstarren hülsenförmigen Spritzgiessteile 10 werden in der Nachkühleinrichtung 1 9 fertiggekühlt und danach, nach einer Verschiebung der Nachkühleinrichtung 1 9, in der Position "D" ausgestossen und auf ein Förderband 20 geworfen.
Die grösste Temperaturabsenkung von etwa 280°C auf 80°C für die Spritzgiessteile 10 geschieht noch innerhalb der geschlossenen Formen 8 und 9, wozu ein enormer Kühlwasserdurchsatz sichergestellt werden muss. Die Entnahmevorrichtung 1 1 ist strichliert dargestellt in einer Warteposition, womit das Ende der Spritzphase angedeutet ist. Das Bezugszeichen 30 ist die Wasserkühlung mit entsprechenden Zu- bzw. Abführleitungen, welche zur Vereinfachung mit Pfeilen dargestellt sind und als bekannt vorausgesetzt werden. Das Bezugszeichen 31 /32 bezeichnet die Luftseite, wobei 31 für Einblasen resp. Druckluftzufuhr und 32 für Vakuum resp. Luftabsaugen steht. Damit erkennt man bereits auf der prinzipiellen Ebene die Einsatzmöglichkeiten von Luft und Wasser. In den Spritzgiessformen 8 und 9 findet während dem Spritzgiessvorgang eine reine Wasserkühlung statt. Bei der Entnahmevorrichtung 1 1 kommen sowohl Luft wie Wasser zum Einsatz. Beim Transfer- bzw. Entnahmegreifer 1 2 besteht in Bezug auf die Kühlung nur eine Lufteinwirkung. Bei der Nachkühlvorrichtung 1 9 dagegen kommen wiederum Luft und Wasser zum Einsatz. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das Handling in dem Bereich der Nachkühlvorrichtung 19. Die Nachkühlvorrichtung kann während der Entnahmephase "A" gemäss Pfeil L horizontal unabhängig verfahren werden, von einer Aufnahmeposition in eine Abwurf- position (strichliert dargestellt). Die Nachkühlvorrichtung 19 kann ein Mehrfaches an Fassungsvermögen gegenüber der Kavitätenzahl in den Spritzgiessformhälften aufweisen. Der Abwurf der fertig gekühlten Preforms 10 kann z.B. erst nach zwei, drei oder mehr Spritzgiesszyklen erfolgen, so dass entsprechend die Nachkühlzeit verlängert wird. Für die Übergabe der Preformen von dem Transfergreifer 12 an die Nachkühleinrichtung 1 9 kann letztere zusätzlich querverschoben und in die passende Position gesetzt werden.
In den Figuren 2a und 2b ist ein Kühldorn 22 dargestellt. Der Kühldorn 22 wird in der Folge entsprechend seiner jeweiligen Funktion auch als Blasdorn oder Zentrierdorn bezeichnet. Auf der linken Seite weist der Kühldorn ein Schraubgewinde 41 auf, mittels welchem die Kühldorne 22 an der Trägerplatte 1 6 einschraubbar sind. Wie in der Figur 1 dargestellt ist, weist die Trägerplatte 16 eine grössere Zahl Kühldorne 22 auf, welche je in mehreren Reihen angeordnet sind. In der Trägerplatte 16 sind gemäss Figur 2a zwei Luftkanalsysteme 42 und 43 angeordnet, wobei das Luftsystem 42 für Unterdruck bzw. Vakuum und das Luftsystem 43 für Druckluft ausgelegt ist mit entsprechenden, nicht dargestellten Anschlüssen für einen Drucklufterzeuger bzw. ein Sauggebläse oder eine Vakuumpumpe. Damit die beiden Luftsysteme sauber getrennt werden können, sind an den Übergängen Spezialschrauben 44, 45 sowie 46 mit erforderlichen Ausnehmungen für eine Montage sowie eine Durchdringung der jeweiligen Verbindungsstücke vorgesehen. Die Spezialschrauben 44, 45 und 46 müssen zwingend in der richtigen Reihenfolge ein- bzw. ausgeschraubt werden. Im fertig montierten Zustand sollen die beiden Luftsysteme, gegeneinander abgedichtet, ihre je eigene Funktion erfüllen können. Für die Druckluftseite wird ein Blasrohr 47 entsprechend der Länge "L" in der richtigen Montagereihenfolge eingeschoben. Dieses führt die Blasluft über einen Druckluftzufuhrkanal 48 in dem Kühldorn 22 bis zur Mündung 49. Für das feste Einschrauben des Schraubgewindes 41 ist am Kühldorn 22 ein 6-Kant-Schlüsselansatz 51 und auf der Gegenseite ein Dichtring 52 angebracht. Die Saugluftverbindung 53 geht über einen Ringkanal 54 sowie mehrere Querbohrungen 55, welche nahe an dem Dichtring 52 den Ringkanal 54 nach aussen verbinden. Daraus ergibt sich, dass Luft über die Blasmündung 49 ausgeblasen und über die Querbohrungen 55 wieder angesaugt werden kann. Flexible und druckfeste Luftschläuche 31 und 32 stellen die Verbindung zu den entsprechenden Druckluft- oder Sauglufterzeugern her (Figur 1 ). Die Luftschläuche sind entsprechend für Hochdruck und Vakuum ausgelegt. Vorteilhafterweise weist das ganze Luftsystem rohrartige Verbindungen auf, was für die Festigkeitsfrage optimal ist, sowohl für den Bereich Hochdruck wie Unterdruck. Das Bezugszeichen 56 bezeichnet den Zentriersockel der Kühldorne 22. Die Figur 2a zeigt das Endstück der Trägerplatte 1 6 mit einer eingeschraubten Luftdüse 40 sowie einer Preform 10. Gemäss Figur 2b ist der äussere Durchmesser Dip. am Kühldorn 22 in dem Bereich des Dichtringes 52 um ein geringes Spiel kleiner als der entsprechende innere Durchmesser der Preform 10. Dadurch ergibt sich, unterstützt durch die Luftströmungskräfte, eine Zentrierwirkung für die Preform 10 auf den Kühldornen 22.
Die Figur 2c zeigt die wichtigste Handlingsposition des Kühldornes 22 mit einer Preform 10. Die entsprechende Entnahmesituation zeigt die Stellung, bevor die Preform aus der Entnahmevorrichtung 1 1 entnommen wird. Durch einen Druckluftstoss auf Seiten der Entnahmevorrichtung wird die Preform aus der betreffenden Kühlhülse 21 ausgestossen und vollständig auf den Kühldorn 22 aufgeschoben. Die Stirnseite 24' des offenen Gewindeendes 24 wird dabei auf den Dichtring 52 gepresst. Die Querbohrungen 55 kommen in der Entnnahme- bzw. Handlingposition gemäss Figur 2c vollständig in das Innere der Preform 10 zu liegen und verbinden das Innere mit einer Vakuumquelle. Zwischen den Kühldornen 22 und der Preforminnenseite bildet sich ein ringförmiger Rückstromkanal mit wechselnder Distanz d', d", usw. Der minimale Abstand der Kühldornspitze bis zum geschlossenen inneren Ende der Preform 10 ist mit Af bezeichnet. Eine mögliche Distanz in der Freistrahlposition ist mit AK bezeichnet. Der Freistrahl ist in der Figur 2d mit mehreren Pfeilen 25 bezeichnet. Die Freistrahllänge richtet sich nach den Verhältnissen in dem betreffenden Raum AK, wobei die Länge durch das stetige Vermischen des Freistrahles mit der umgebenden Wirbel- bzw. Rückströmung begrenzt wird. Das Mass X ergibt sich aus der Differenz von Af sowie AK. An der vorderen Spitze der Kühldorne ist ein Düsenkopf 26, der über ein Aussengewinde 27 in ein Innengewinde 28 des Kühldornes einschraubbar ist, wofür der Düsenkopf 26 am herausragenden Teil einen 6-Kant 29 gemäss Figur 3a und 3b aufweist.
Die Figur 4a zeigt ein Kühldornvorderteil ohne Düsenkopf und die Figur 4b einer mit Düsenkopf. Für die Auslegung des ganzen Bereiches für die Überschallströmung ist es wichtig, dass der Druckluftzuführkanal 60 einen möglichst grossen Querschnitt Qz aufweist, der ein Vielfaches des Querschnittes Qe an der engsten Stelle der Laval- Düse sein soll. Die wichtigsten Abmessungen für den Überschallkanal sind die Länge der Engstelle l bzw. des konischen Einlaufes, bzw. des Überschalldüseneinlaufes 33, die Länge des Erweiterungskanales Ue - L, der Austrittsquerschnitt QA aus dem Überschallkanal 34 sowie der Öffnungswinkel α des Überschall- bzw. Erweiterungskanales 34.
Die Figuren 4c und 4d zeigen zwei verschiedene Ausgestaltungen des Überschallbereiches in Düsenköpfen. Die Figur 4c zeigt eine klassische Laval-Düse. Der Überschalldüseneinlauf 33 ist gerundet, damit die Luftgeschwindigkeit als Laminarströmung bis zur Engstelle 35 auf Schallgeschwindigkeit gebracht wird. Als unterste Grenze wird ein Vordruck von ca. 2 bar, besser 3 bar, in den Druckluftzuführkanal 60 angestrebt, damit sich überhaupt eine echte Überschallströmung in den Überschallkanal 34 einstellt. Der Erweiterungswinkel bei einer Laval-Düse liegt bei etwa 8° bis 1 2°. Mit C ist die Länge des Überschalldüseneinlaufes 33 und mit Ue-L die Länge des Überschallkanales 34 bezeichnet. Die Figur 4d zeigt eine Laval-Düse mit vergrössertem Öffnungswinkel α' für den Überschallkanal 34. Der Winkel α' kann 10° bis 40°, vorzugsweise 15° bis 30° betragen, wobei ersichtlich ist, dass ein grösserer Öffnungswinkel viel kürzer baut. Der Überschalldüseneinlauf 33 kann konisch oder gerundet sein.
In der Figur 5 ist die Länge des Freistrahlraumes mit Ax bzeichnet, da diese je nach Situation variierbar ist.
Die Figur 6 zeigt in sieben Schritten die Phase der Nachkühlung der Preforms, solange diese noch in dem Entnahmegerät 1 1 sind, wobei die Schritte mit Step I bis Step VII bezeichnet sind. Der Schritt I stellt die Positionierung der Kühldorne durch entsprechendes Einschwenken der Transfervorrichtung 12 dar. Schritt II zeigt die ausgefahrene Position der Entnahmevorrichtung 1 1 . Die Giessformen sind bereits wieder geschlossen und bereit für einen nächsten Giesszyklus. Schritt III zeigt das Zufahren der Kühldorne 22, und Schritt IV die Möglichkeit des Zufahrens der Kühldorne 22 in die Nähe der Öffnung der Preformen 10. Hier kann der Kühlvorgang über die Kühldorne 22 beginnen, indem als erstes der Gewindebereich angeblasen wird. Schritt V ist die eigentliche Innenkühlung während z.B. 3 bis 10 Sekunden der Preformen 10 mittels eines Überschallfreistrahls. Die Kühlluft strömt direkt in die Umgebung ab, wobei dei Möglichkeit des Absaugens der Kühlluft besteht. Schritt VI zeigt die Handlingsposition für die Preformen. Durch Einstellung eines Überdruckes, mit + (Plus) bezeichnet, wird die Preform an der Kühlhülsen ausgestossen bzw. vollständig auf die Kühldorne aufgeschoben. Beim Schritt VII wird das Innere der Kühlhülse vakumiert, der Kühldorn mit der angesaugten Preform ausgefahren und nach einer Schwenkbewegung die Preformen dem Nachkühler 1 9 übergeben.
In der Figur 7a ist die erfindungsgemässe Lösung dargestellt mit einer Freistrahlströmung im Inneren des vorderen Teiles der Preform 10. Der Freistrahlraum ist mit Fst. R. 25 bezeichnet. Im Inneren besteht eine Folge von Verdichtungsstössen 70, entsprechend der Figur 8. Ganz an der Innenfläche der -Preform 10 ist eine Rückströmung 72 und zwischen den Verdichtungsstössen 70 und der Rückströmung befindet sich eine Misch- und Verwirbelungsströmung 71 .
Die Figur 7b zeigt eine Lösung des Standes der Technik gemäss US-PS 3 882 213 (Figur 5). Da der Druckluftkanal 87 am Austritt keine Erweiterung aufweist, stellt sich physikalisch bedingt eine Unterschallströmung ein. Die Pfeile 90 zeigen das Strömungsbild bzw. den Luftstromweg an. Mit dem Bezugszeichen 88 ist der Luftaustritt bezeichnet, welcher in einem Transferkopf 85 angeorndet ist.
Die Figur 7c zeigt eine jüngere Lösung, welche speziell konzipiert ist für eine maximale Innenkühlung an dem domartigen Ende einer Preform 10 gemäss US-PS 6 171 541 . Das Mass d zwischen Kühldornspitze und Preformende soll möglichst klein gewählt werden, so dass ein optimales Verhältnis zu dem ringförmigen Abström-querschnitt D entsteht.
Die Figur 8 zeigt einen mit der Toepler'schen Schlierenmethode sichtbar gemachten Freistrahl.
Die Figuren 9a und 9b zeigen Druckprofile des Freistrahles einer Laval-Düse, wenn der Mündungsdruck unter dem Umgebundsdruck liegt.
Die Figur 10 zeigt die Ausströmgeschwindigkeit von Luft bei einer idealen Laval-Düse (oben) und einer im engsten Querschnitt mündenden Düse.
Die Figur 1 1 zeigt den Verlauf der Zustandsgrössen hinter dem engsten Querschnitt bei einer kegelig erweiterten Laval-Düse in Abhängigkeit zur Kegelgeometrie und dem Ruhedruck Po. Zu vermerken ist, dass es sich bei den Figuren 8 bis 1 1 um Untersuchungsergebnisse an echten Laval-Düsen handelt mit Öffnungswinkeln in dem Bereich von 8° - 10°. Gemäss der neuen Erfindung werden jedoch auch grössere Öffnungswinkel von bis zu 40° vorgeschlagen, wobei der Bereich von 1 5° bis 30° bevorzugt wird. Dementsprechend ergeben sich wesentlich grössere Machzahlen.
Ein hoch interessanter Parameter ist die Lufttemperatur, welche bekanntlich mit zunehmendem Überschall abgesenkt und dadurch die Kühlwirkung erhöht wird. Die Werte ändern sich je nach gewähltem Vordruck von 2 bar bis 10 bar oder mehr.
Eine weitere Steigerung der Kühlwirkung ergibt sich, wenn der Hochdruckluft Wasser oder Wasserdampf, z.B. direkt vor der Überschalldüse, beigegeben oder entsprechend die Luftfeuchtigkeit der Hochdruckluft erhöht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kühlen der Innenseite von hülsenartigen Spritzgiessteilen, insbesondere von Preformen (10) mittels Kühldornen (22), dadurch gekennzeichnet, dass am Luftaustritt aus den einzelnen Kühldornen (22) ein Überschallfreistrahl (25) für die Innenkühlung der Spritzgiessteile (10) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruckluft von wenigstens 2 bar, vorzugsweise 3 bis 4 bar verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühldorn (22) für die Innenkühlung nur soweit in das Spritzgiessteil (10) eingeführt wird, dass ein Freistrahlraum (25) zwischen Kühldorn (22) und Kühldornspitze (22') sichergestellt bleibt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühldorn (22) soweit in die Preform (10) eingeführt wird, dass zwischen der Kühldornspitze und der konkaven Kuppe einer Preform (10) ein Freistrahlraum (25) von einer Länge, entsprechend wenigstens dem inneren Durchmesser der Preform (10), verbleibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgiessteil (10) in einer Entnahmevorrichtung (11, 11') oder in einem weiteren Nachkühler (19) aussen abgekühlt und die Innenkühlung wenigstens während einem Teil der Nachkühlzeit erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühldorn (22) vorzugsweise geschwindigkeits- oder zeitgesteuert in die Preform (10) eingefahren wird, wobei für die physische Übernahme der Preform (10) durch den Kühldorn (22) zur Übergabe von der Entnahmevorrichtung (11) an den weiteren Nachkühler (19) die Preform (10) mit einem Durckluftstoss von Seiten der Entnahmevorrichtung (11) vollständig auf die Preform (10) geschoben und durch Einstellung eines Unterdruckes zwischen Preform (10) und Kühldorn (22) gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft im Inneren des Kühldornes (22) grossquerschnittig sich bis zu einer Überschalldüse zugeführt wird, wobei der Druckluftzufuhrkanal (60) unmittelbar vor der engsten Stelle (35) ein Vielfaches an Querschnittsfläche aufweist im Verhältnis zur Querschnittsfläche vor der engsten Stelle der Überschalldüse (35).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruckluft mit hoher Luftfeuchtigkeit und/oder der Hochdruckluft vor der Überschalldüse Wasser oder Wasserdampf zugegeben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschallfreistrahl (25) mittels einer Laval-Düse mit 8° bis 12° Öffnungswinkel oder mit einer Laval-Düse mit erweitertem Öffnungswinkel von mehr als 12° jedoch weniger als 40° erzeugt wird.
10. Kühleinrichtung zur Unterstützung der Nachkühlung auf der Innenseite von Preformen (10) nach deren Entnahme aus den Giessformen (8, 9), wobei Kühlluft über Kühldorne (22) in die Preformen (10) einblasbar wird, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Kühldorn (22) im Bereich des Austrittsendes der Kühlluft als
Überschalldüse (36) ausgebildet ist.
11. Kühleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschalldüse (36) in Luftströmungsrichtung einen grossflächigen Druckluftzufuhrkanal (60), eine sich verengende Stelle (35) und an der Austrittsseite einen sich erweiternden Überschallkanal (34) aufweist, wobei die sich verengende Stelle (35) bestimmt ist für eine örtliche Schallgeschwindigkeit.
12. Kühleinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verengende Stelle (35) als stumpfer Konus oder als gerundeter Übergang ausgebildet ist.
13. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser an der Engstelle (35) bzw. an dem engsten Querschnitt der Überschalldüse 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm beträgt.
14. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) des Überschallerweiterungskanal (34) mehr als 8°, jedoch weniger als 40° beträgt.
15. Kühleinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) 10° bis 30°, vorzugsweise 15° bis 25° beträgt und dass der Querschnittserweiterungsbereich wenigstens 1 : 2 oder grösser ist.
16. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Engstelle (35) entsprechend einer Laval-Düse allmählich übergeht in den sich erweiternden Überschallkanal (34).
17. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, d adurch gekennzeichnet, dass der Druck der Druckluft 3 bis 12 bar oder mehr beträgt und die Druckluft im Überschallkanal (34) auf vorzugsweise mehr als Mach 1,4 beschleunigt wird.
18. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschalldüse (36) als gesonderter Düsenkopf (26) ausgebildet und am Kühldornende (22') montierbar, insbesondere montier- und demontierbar ist.
19. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühldorne (22) entsprechend der Innenabmessungen der Preformen (10) einen zentrierenden Tragsockel (56) aufweisen mit Saugluftkanälen (53) in dem Tragsockel (56) für das Vakumieren des Preforminneren.
20. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kühldornen (22) als Teil eines Transfergreifers (12, 12') ausgebildet sind, wobei der Transfergreifer (12, 12') Bewegungsmittel aufweist, über welche die einzelnen Kühldorne (22) in die Preformen (10) einführbar sind.
21. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass über die Bewegungsmittel des Transfergreifers (12, 12') die Kühldorne (22) innerhalb der Preformen (10) in eine definierbare Eindringtiefe, insbesondere in eine Freistrahlposition, positionierbar sind.
22. Kühleinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugluftkanäle (53) am hinteren Ende der Kühldorne (22) angeordnet sind, derart, dass die Blasluft in der Freistrahlposition über den Kühldorn (22) hinweg ins Freie abströmt, wobei in der Entnahmeposition die Saugluftkanäle (53) in das Preforminnere zu liegen kommen zum Vakumieren des Luftraumes zwischen dem Kühldorn (22) sowie der Kühlforminnenseite.
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