AT503395A2

AT503395A2 - Plastifizierzylinder

Info

Publication number: AT503395A2
Application number: AT0017707A
Authority: AT
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftech
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2007-10-15
Also published as: ITRM20070128A1; AT503395A3; DE102006013691B3; US20070222125A1

Description

Plastifizierzylinder

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plastifizierzylinder insbesondere für Spritzgussmaschinen oder Extruder zum Verarbeiten von plastifizierbaren Material. Ferner betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines solchen Plastifizierzylinders zur Herstellung von Spritzguss- oder Extrusionsteilen.

Plastifizierzylinder sind im Stand der Technik bekannt.

Bei hohen Qualitätsanforderungen an Kunststoffformteile die im Spritzgussoder Extrusionsverfahren hergestellt werden, insbesondere an die Einhaltung von Materialeigenschaften sowie ihre Maßhaltigkeit, sind an die Steuerung dieser Maschinen erhebliche Anforderungen gestellt. Im Stand der Technik ist es heute üblich, dass Plastifizierzylinder in der Regel mit elektrischen Heizbändern und so genannten Heiz- und Kühlelementen ausgerüstet werden, die über die Zylinderwand des Plastifizierzylinders dem zu plasti-fizierenden Material entweder Wärme zuführen oder entziehen. Hierbei werden im Stand der Technik zum Kühlen beispielsweise Lüfter benutzt, welche mit einem Heizband kombiniert sind, um ein bestimmtes Temperaturniveau an der Zylinderwand einstellen zu können.

Eine andere, auch praktizierte Möglichkeit besteht darin, dass Plastifizierzylinder mit Bohrungen im Druckmantel ausgerüstet sind, durch welche ein Temperiermedium geschickt werden kann. Auf diese Weise kann, ebenfalls über die Zylinderwand, dem zu plastifizierenden Material Energie zugeführt bzw. abgeführt werden. Hierbei befindet sich der Kühlbereich vorzugsweise am Einlauf des zu plastifizierenden Materials und der Heizbereich am Auslauf des Plastifizierzylinders.

Unter plastifizierbaren Material im Sinn der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise Kunststoffe und/oder Kautschuk, insbesondere Polyolefine im Allgemeinen, PVC, Styrolpolymere, wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und Polystyrole, Elastomere, Duroplasten und dergleichen verstanden.

Unter anderem aus verfahrenstechnischen Gründen wird innerhalb der ersten Teilstrecke des Plastifizierzylinders zu wenig Energie durch die Rotation der Transportschnecke dissipiert, so dass in diesem Bereich zusätzlich geheizt werden muss. In dem zweiten Abschnitt des Plastifizierzylinders wird aber in der Regel gekühlt, was jedoch insbesondere aus energetischer Sicht bedeutet, dass in diesem Bereich überschüssig zugeführte Energie abgeführt werden muss. Dies bedeutet in Summe, dass ein solches System in Bezug auf den optimalen Einsatz von Energie verbesserungswürdig ist, da das Abführen von Energie mittels eines Kühlelements, welches durch das Heizelement eingebracht wurde, energetisch unwirtschaftlich ist. Hinzu kommt noch, dass die Heizbänder und insbesondere die Heiz- und Kühlelemente üblicherweise schlecht thermisch isoliert sind, so dass erhebliche thermische Verlustleistungen erzeugt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Energieverbrauch einer entsprechenden Vorrichtung wenigstens teilweise zu verbessern und die im Stand der Technik bekannten Nachteile wenigstens teilweise zu überwinden.

Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder für Spritzguss- oder Extrusionsmaschinen zum Bearbeiten von piastifizierbaren Material gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst.

Solch ein Plastifizierzylinder weist gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens einen Druckmantel mit einer Vielzahl von Wärmerohren, welche innerhalb des Druckmantels angeordnet sind, auf. Ferner umfasst der Plastifizierzylinder wenigstens ein Heizelement und wenigstens ein Kühlelement, wobei der Plastifizierzylinder dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wärmerohre sich zwischen dem Bereich des Heizelements und dem Be- -3- 99 • ···· 9999 99 • · · 9 9 · • · 9 ·· · 999 • · 9 9 · 9 #999 999 99 9 99 reich des Kühlelements im Druckmantel erstrecken wenigstens Bereiche oder Abschnitte ausgebildet sind, die eine Kapillarstruktur aufweisen.

Insbesondere könnten die Wärmerohre Ausnehmungen oder Bohrungen 5 umfassen oder als solche ausgeführt sein, die sich zwischen dem Bereich des Heizelements und dem Bereich des Kühlelements im Druckmantel erstrecken, und/oder könnte in der Ausnehmung oder Bohrung wenigstens Bereiche oder Abschnitte ausgebildet sind, welche die Kapillarstruktur aufweisen. 10 Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Plastifizierzy-linder dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einem Teil der Wärmerohre, wenigstens abschnittsweise eine Gitterstruktur angeordnet ist, welche insbesondere im Bereich der Innenwandung der Wärmerohre eine Kapillarstruktur bildet. 15 Als Kapillarstruktur wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein wenigstens zeitweise durchströmter Bereich verstanden, der bevorzugt aufgrund von Kapillarkräften ein vorzugsweise flüssiges Medium zwischen zwei Bereichen transportiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich die Wärmerohre durch 20 Bohrungen, die in Längsrichtung in den Mantel des Plastifizierzylinders eingebracht sind. Alternativ kann der Plastifizierzylinder auch zweiteilig ausgeführt sein, wobei in einem Außenrohr auf der Innenseite Nuten angebracht werden, welche durch ein innenliegendes zweites Rohr abgeschlossen sind. Somit bildet das Außenrohr .mit den Nuten in der Zusammenwirkung mit 25 dem Innenrohr die Strömungswege für die Wärmerohre.

Insbesondere gemäß der alternativen Ausführungsform zur Bereitstellung der Strömungswege für die Wärmerohre liegt es auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass die Querschnittsform insbesondere der Nut quadra- -4- • · ·· • ···· ·*·· ·· • • • • • · • · • • • · • • • • · • « • • « • • • · • • • · • · • • · · • • ·· • · ··· ·· · • · tisch, rechteckig, polygon oder aber auch kreisförmig bzw. oval ist. Auch ist es möglich, die Wärmerohre innerhalb eines Plastifizierzylinders unterschiedlich auszugestalten, wobei es auch im Sinn der vorliegenden Erfindung liegt, Mischformen von den zuvor genannten Querschnittsformen zu 5 verwenden. Die Verbindung zwischen den Innen- und Außenrohren zur Bildung des Druckzylinders mit den Wärmerohren kann vorzugsweise kraft-, form- und/oder stoffschlüssig erfolgen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet die Kapillarstruktur wenigstens eine weitere Fluidverbindung zwischen den Bereichen der Kondensatseite 10 der Wärmerohre und der Verdampfungsseite der Wärmerohre des Plastifizierzylinders. Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kapillarstruktur an der gesamten Innenwandung des Wärmerohres bzw. der Wärmerohre angeordnet, wobei die Gitterstruktur derart angeformt ist, dass sie zumindest in Kombination mit der Innenwandung der 15 Wärmerohre die Kapillarstruktur bildet.

Selbstverständlich liegt es auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass die Gitterstruktur derart ausgeführt ist, dass eine selbstständige Kapillarstruktur zum Transport eines Fluids innerhalb der Wärmerohre bereitgestellt wird. 20 Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Gitterstruktur ein Geflecht aus Draht oder ähnlichem, das im wesentlichen einen Außenbegrenzung aufweist, die der Innenstruktur des Wärmerohres entspricht und/oder dessen Länge im wesentlichen der Länge der Wärmerohre entspricht. 25 Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Ka-pillarstruktur in den Wärmerohren derart angeordnet, dass das Wärmefluid wenigstens teilweise von der Kondensatseite zurück zur Verdampfungsseite getrieben d. h. befördert wird und ist somit der Hauptströmungsrichtung des Wärmefluids im freien Querschnitt des Wärmerohrs entgegengerichtet. -5- -5- ·· ·«·· ···· ·· • · · i

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Gitterstruktur, welche wenigstens abschnittsweise in den Öffnungen der Wärmerohre angeordnet ist, aus einem Material gebildet, welches wenigstens teilweise aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt wird, welche insbe-5 sondere Metalle wie rostfreien Stahl, Messing, Kupfer, Bronze, Stahl, Legierungen, und dergleichen, Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan, Kombinationen hieraus und dergleichen, Keramiken, Verbundwerkstoffe, Kombinationen hieraus und dergleichen, umfasst.

Als Wärmefluid wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fluid verstan-10 den, das vorzugsweise aus einer Gruppe von Stoffen ausgewählt wird, welche Wasser, Wasser mit Zusätzen oder Additiven, Kältemittel und dergleichen enthält.

Bei der Auswahl des Wärmefluid ist insbesondere zu beachten, dass in Abhängigkeit des Temperaturniveaus zwischen der Verdampfungsseite und 15 der Kondensatseite des Druckzylinders das Fluid wenigstens teilweise im gasförmigen bzw. im flüssigen Aggregatszustand vorliegen könnte.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Plastifizierzylinder dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Druckmantels wenigstens ein Drucksensor und/oder ein Tempera-20 tursensor, insbesondere zur Bestimmung der entsprechenden Zustandsgrößen des Wärmefluids angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform münden die Wärmerohre des Druckzylinders wenigstens in einem einseitigen Bereich in eine Ringnut, über welche vorzugsweise auch der Zu- und Abfluss des Wär-25 mefluids, insbesondere zum Befüllen des Systems bereitgestellt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Plastifizierzylinders gelöst, der insbesondere für die Plastifizierung von Kunststoffen zur Herstellung von Spritzguss- oder Extrusionsteilen verwendet wird. -6- ·· ·« · ···· ···· ·· ·»···· · · · ·

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert, wobei darauf hingewiesen wird, dass durch die hier dargestellte Ausführungsform der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht eingeschränkt wird. Dies betrifft insbesondere die Gestalt der Kapillarstruktur, 5 die innerhalb des Wärmerohres angeordnet ist.

So zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Plastifi-zierzylinders und

Fig. 2 einen Querschnitt des Plastifizierzylinders entlang der Linie A-A aus 10 Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plastifizierzylinders, wobei auf der rechten Seite der Darstellung eine weitere Schnittdarstellung des Zylinders entlang der Linie B-B aus Fig. 2 dargestellt ist, um insbesondere die Anord-15 nung der Wärmerohre mit der Kapillarstruktur 10, der Ringnut 14 und den Einfüllstutzen 16 zu zeigen.

Der in Fig. 1 dargestellte Plastifizierzylinder weist auf der rechten Seite mit dem Bezugszeichen 1 den Einlass- und auf der linken Seite mit dem Bezugszeichen 2 den Auslassbereich für das zu plastifizierende Material auf, 20 wobei der entsprechende Pfeil die bevorzugte Transportrichtung des zu plastifizierenden Materials andeutet. Die üblicherweise innerhalb des Plastifizierzylinders angeordnete Transportschnecke ist nicht dargestellt. Zwischen den beiden Endstücken 11 und 12 ist der Druckmantel 3 angeordnet, auf dessen Außenseite im Bereich des Einlasses 11 die Kühlelemente 4 25 und auf der Auslassseite 12 die Heizelemente 5 angeordnet sind. Ferner ist auf der Außenseite des Druckmantels eine Isolierung 6 angeordnet, die von einer Außenhülle 7 abgeschlossen wird.

Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform ist im Mittelbereich des -7- ·· • ···· MM ·· • · • · ·· • • • · • · • · • • • ·· • · • · • • • • · • « • · • • · • • · ·· ·· ··· ·· • ··

Plastifizierzylinders ein Druck- und/oder Temperatursensor 8 angeordnet, mit welchem insbesondere die Zustandsgrößen des Wärmemediums erfasst werden. 5 Innerhalb des Plastifizierzylinders strömt das zu plastifizierende Medium, welches im Bereich des Eingangsbereiches eine Temperatur Tg und im Bereich des Ausgangs eine Temperatur Ta aufweist, wobei Te kleiner TA ist. Innerhalb des Druckmantels sind Wärmerohre 9 angeordnet, welche in der hier dargestellten Form auf der Innenseite eine Kapillärstruktur 10 aufwei-10 sen. Dabei erstrecken sich die Wärmerohre von der Verdampfungsseite 22 bis zur Kondensatseite 21 und sind gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform auf der Verdampfungsseite 22 mittels einer Ringnut 13 und auf der Kondensatseite 21 mittels einer Ringnut 14 fluidverbunden.

Die Wärmerohre selbst erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte 15 Länge des Druckzylinders oder aber sind wenigstens als Zonen ausgebildet. Die Wärmerohre dienen insbesondere dazu, dass die Zylinderwandtemperatur über die Länge des Zylindermantels ausgeglichen d. h. beeinflusst werden kann. Als Istwertgeber, insbesondere für den Druck oder die Temperatur des Wärmefluids innerhalb des Wärmerohres, ist im Plastifizierzy-20 linder vorzugsweise ein Druckfühler 8 vorgesehen, der insbesondere bei der Verwendung von Wasser den Ist-Wert für die Temperaturregelung vorgibt, da bekannter weise der Dampfdruck und die Mediumstemperatur über die Verdampfungstemperatur direkt miteinander gekoppelt sind.

Die Wärmerohre 9 werden gemäß der hier dargestellten Ausführungsform 25 als Längsnuten direkt auf dem inneren Teil des Druckzylinders 3 ausgebildet und bilden mit einer Kapillarstruktur und einem abschließenden Innenzylinder 15 einen Strömungsweg für das Wärmemedium. Innerhalb der Kapillarstruktur wird wenigstens teilweise der Rücktransport des Wärmemediums von der Kondensatseite 21 zur Verdampfungsseite 22 bereitgestellt. Die im -8- ·· ·· • ·«·· ·«·· ·· • · • • ·· · • • • • · • • • · m ·· • · • · • · • • • • · • · • · · • • · ·· ·· ··· ·· • ··

Wesentlichen in Längsrichtung verlaufenden Wärmerohre 9 werden über Ringnuten 13, 14 am jeweiligen Ende miteinander gekoppelt, wodurch über den Umfang des Zylinders ein verbesserter Temperaturausgleich stattfindet.

Die Isolierung außerhalb des Druckmantels stellt eine weitere verfahrenstechnische Verbesserung dar, die vorzugsweise aus Glaswolle oder Glasgeflecht besteht. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Verlustleistung weiter reduziert werden kann.

Mittels des vorgeschlagenen Plastifizierzylinders kann insbesondere der Energieverbrauch einer entsprechenden kunststoffverarbeitenden Maschine erheblich gesenkt werden, da insbesondere überschüssige Energie dem System nicht entzogen wird, sondern an Stellen transportiert wird, wo zusätzlicher Energiebedarf besteht. Dies bedeutet, dass die Energie dorthin transportiert wird, wo die Temperaturänderung durch Dissipation erfolgt, was üblicherweise die Verdampfungsseite ist und die Energie dort abtransportiert wird, wo das Wärmemedium kondensiert. Ferner wird durch die bessere thermische Isolierleistung die Verlustleistung minimiert und durch die untereinander verbundenen Wärmerohre eine gleichmäßige Temperaturverteilung auch über den Umfang des Zylinders gewährleistet. Dies bringt auch unter dem Aspekt der hohen Qualitätsanforderungen an Kunststoffartikel eine erhebliche Verbesserung.

Es sei ferner darauf hingewiesen, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wärmerohre als Nuten ausgebildet sind, die im Zusammenwirken mit dem Innenrohr einen Strömungsquerschnitt bestimmen. Es liegt auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass im Druckmantel selbst Längsbohrungen angeordnet sind, die entsprechende Wärmerohre bereitstellen. Das Kapillarsystem wird dann in den Bohrungen beispielsweise durch das Einschieben entsprechender Gitterhülsen bewirkt. Für die Befüllung der Wärmerohre ist ferner wenigstens eine Zuleitung 16 vorgesehen, die vorzugsweise in wenigstens eine Ringnut mündet. Die in -9- -9- ·»·· ···· ·· • · · · ·· · ·· Φ· ·· • · · » • · · · « · · · • · · · ·· ··

Fig. 1 gewählte Anwendung ist hierbei nur grundsätzlich zu verstehen, da die tatsächliche Anordnung den jeweiligen Einbaugegebenheiten angepasst werden kann.

Fig. 2 zeigt den Plastifizierzylinder aus Fig. 1 als Querschnitt, wobei gleiche 5 Bauteile mit einheitlichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dieser Darstellung wird insbesondere deutlich, wie durch das Einbringen der Gitterstruktur einerseits eine Kapillarstruktur 10 an den Innenwänden der Wärmerohre 9 entsteht und andererseits der Mittelbereich als wesentlicher Strömungsquerschnitt für das Wärmemedium vom Verdampfungsbereich 10 zum Kondensatbereich zur Verfügung steht. Deutlich wird auch, wie durch das Innenrohr 15 und das mit Nuten versehene Außenrohr 14 des Druckzylinders die Wärmerohre 9 bereitgestellt werden.

Claims

·· ·· ···· ···· ·· -10- • · · · • · · • · · • · · · • · ·· • · · · ·· ··· Patentansprüche 1. 5 10 Plastifizierzylinder (20) zum Verarbeiten von plastifizierbarem Material, mit einem Druckmantel (3), einer Vielzahl von Wärmerohren (9) , welche innerhalb der Wandung des Druckmantels angeordnet sind, wenigstens einem Heizelement (5) und wenigstens einem Kühlelement (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (9) sich zwischen dem Bereich des Heizelements (5) und dem Bereich des Kühlelements (4) innerhalb des Druckmantels erstrecken und wenigstens Abschnittsweise eine Kapillarstruktur (10) aufweisen.

Plastifizierzylinder (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einem Teil der Wärmerohre (9) wenigstens abschnittsweise eine Gitterstruktur angeordnet ist, welche im Bereich der Innenwandung der Wärmerohre (9) eine Kapillarstruktur (10) bildet. 20 25 Plastifizierzylinder (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre Ausnehmungen oder Bohrungen umfassen oder als solche ausgeführt sind, die sich zwischen dem Bereich des Heizelements und dem Bereich des Kühlelements im Druckmantel erstrecken, und/oder in der Ausnehmung oder Bohrung die Abschnitte ausgebildet sind, die eine Kapillarstruktur aufweisen.
4. Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur (10) wenigstens eine weitere Fluidverbindung zwischen den Bereichen der Kondensatseite (21) und der Verdampfungseite (22) der Wärmerohre bildet. - 11 -
5. Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur 5 (10) im Wärmerohr (9) derart angeordnet ist, dass das Wärmefluid wenigstens teilweise von der Kondensatseite (21) zurück zur Verdampfungsseite (22) getrieben wird.
6. Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur aus wenigstens einem Material gebildet ist, das aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt wird, welche Metalle wie rostfreien Stahl, Messing, Kupfer, Bronze, Stahl, Legierungen und derglei-15 chen, Kunststoffe wie PVC, Polyurethan, Kombinationen hieraus und dergleichen, Keramiken, Verbundwerkstoffe, Kombinationen hieraus und dergleichen enthält. 20 25 30 ·· ·· • ···· ···# ·· ♦ « • • ·· · 1 • • • · • • • · · ·· • · • · • · • · • · • · • · · f • • ·· ·· ··· ·· · ··
7. Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmefluid in den Wärmerohren (9) aus einer Gruppe von Stoffen ausgewählt wird, welche Wasser, Wasser mit Zusätzen, Kältemittel und dergleichen enthält.
8. Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plastifizierzylinder im Bereich des Druckmantels (3) wenigstens einen Drucksensor und/oder Temperatursensor aufweist (8).
9. Plastifizierzylinder (20) gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (9) innerhalb des Druckmantels (3) im endseitigen Bereich (21, 35 ·· ·· · ···· ···· ·· ······ · · · · ····· · · ·· ····· · · · · ···· ···· · t ·· ·· ··· ·· · ·· -12- 22) in wenigstens einer Ringnut (13, 14) münden.
10. Verwendung eines Plastifizierzylinders (20) gemäß wenigstens ei-5 nem der vorstehenden Ansprüche für die Plastifizierung von ins besondere Kunststoffen und/oder Kautschuk zur Herstellung von Spritzguss- oder Extrusionsteilen.