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Einrichtung zum Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten Die Erfindung
bezieht sich be eine Einrichtung zum Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten.
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Sehr häufig wird sum Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten eine beheizbare
aufschmelzsohnecke verwendet, an deren einem Ende (normalerweise sie "Einlaufzone"
bezeichnet) daa torte Granulat zugeführt und an deren anderem Ende (normalerweise
als "äe#zone" bezeichnet) das geschmolzene Material abgegeben wird. Dabei kommt
@@ für die Weiterverarbeitung der Schmelze, die z.B. in einer Spinnatufe erfolgen
kann, entscheidend darauf an, daß die Schmelze unter konstanten Druck- und Temperaturbedingungen
aus der Schnecke austritt. Diese iast sich - insbesonder' hinstohflioh der Druckkonstans
- - jedoch trotz des im Prinsip recht einfachen Arbeitzablaufs einer solchen Aufschmelzschnecke
in der Praxis nur verhältniemä#ig schwierig realisieren.
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Zur Kompensation der teilweise recht erhoblichen Schwankungen der
Zustandsbedingungen, die in der, von der Schnecke abgegebenen Material auftreten,
sind die Aufechmelzschnecken üblicherweise mit Regeleinrichtungen Verschen, die
im Ansprechen auf die Zustandsbedingungen am S eine Regelung der Schneckentemperatur
und oder der Schneckendrehzahl durchführen In diesem Zusammenhang wurde auch schon
vorgeschlagen, die gesamte Schnocke in ihrem Cehäuse axi@l verschieblich anzuordnen
u.. d dadurch einen verändorlichen Auctrittsspalt am Schneckenauslauf zu bilden,
mit dem sich die geforderte Druckkonstanz in der Schmelze noch besser cinhalte lä#t.
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Ein Grund für die mangelnde Konstanz der Zustandsbedingungen, insbesondere
für die P C'£'O oce Druckkonstanz, E Schneckenauslauf ist darin zu cchen, daj sich
geschmolzene thermoplastische Kunststoffe nicht wie Newton'sche Flüssigicoiton verhalten,
sondern ihre Eigenschaften, vor allem ihre Flie#-eigenschaften in Abhängigkeit z.B.
von deu einwirkenden Druck und der jeweiligen Temperatur sowie von ihrer Molekularstruktur
in einer nicht immer vorherschbaron Weise ändern. Daneben wirkt sich aber auch noch
erschworend die Tatsache aus, daß das atinrial längs der Schnecke im allgemeinen
schon in einer unkontrollierten und ungleichmä#igen Weise in die @e#zone hineingefördert
wird. Dies liegt daran, daß da Material in den einzelnen Zonen der Schnecke in verschiedenen
Zuständen vorliegt und entsprechend
unterschiedliche Eigenschaften
besitzt.
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In der Einlaufzens der Cehnecke ist das @aterial noch im wesentlichen
fest, Wä@rrend es in der daran anseklic@enden Schmelzzone in den schmelsenden Zustand
übergeht und in der dann folgenden Me#z@@e schlie#lich im flässigen S@@tand verliegt.
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Das effektive Volumen des festen ; aterials in der @inlaufzone ist
dabei normalerweise etwa doppelt so hock wie das schlic#-lich von acr flüssigen
Schmeise eingeno@mene Volumen, so da# das Material während des Durcklaufens der
Schmelzzone in einem bestimmten Verhältnis ko@primiert werden mu#, danit es @@ter
konstanten Druckbedingungen in die @e#zone eintritt. @i@ser Vorgang wird dabei noch
erheblich beeinflu#t von dem @eibungskeeffizienten des Materials, der sich ebenfalls
längs der Schnacke beträchtlich verändert und der insbesender@ in der #inlaufzone
einen schwankenden West besitzt.
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Die erforderliche Kompression des schmelzenden Materials wird bei
den bisherigen Aufschmelzschnecken dadurch berück sichtigt, daß die einzelnen Schneckenzonen
mit verschiedenen Längen, Canggrö#en, Flügelformen und Steigungen ausgerüstet werden.
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Dadurch bekommt das Kompressiensverhältnis der Schnecke jedoch einen
unveränderlichen, festen Wert, der nur in emirisoii erIttelten speziellen Fällen
(d.h. für bestimmte Materialien bei vorgegebenen Leistungen) den praktischen Forderungen
entspricht.
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Schon bei geringen Leistungeabweichungen, wie sie im @etrie@ immer
auftreten, stellt dieses feste Komprensionsverhältnis, mit
dem die
Schnecke ausgerüstet ist, aber häufig wegen der nur schwer zu beherrschenden ISaterialförderung
längs der Schnecke nicht mehr den dann gerade richtigen" Wert dar, so daß zusätzliche
unerwünschte Druckschwankungen die Folgte sind. Diese Erscheinung läßt sich auch
nicht durch die bisher übliche Regelung der Drehzahl bzw. der Axialstellung der
gesamten Schnecke beheben, da dadurch nicht die Naterialübergabe von der einen Zone
zur nächsten Zone beeinflußt wird.
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Es ist auch bereits eine Aufschmelzschnecke bekannt, bei der die
Einlaufzone durch ein gesondertes, gegenüber den übrigen Schneckenzonen radial verschieblich
angeordnet, Teil gebildet ist, das einen gesonderten, nach Maßgabe der notwendigen
Einlaufförderung (d.h. nach Maßgabe des Druckes in der Meßzone der Schnecke) geregelten
Antrieb besitzt. Diese Aufschmelzschnecke weist ein entsprechend den jeweiligen
Bedingungen änderbare Xompressionsverhältnis auf, so daß in die Meßzone der Schnecke
stets genau die Materialmenge hineingefördert wird, die am Auslaufende der Schnecke
abgenommen wurde. Damit ist sie von ihrer Konzeption her geeignet, die Nachteile
der vorangehend diskutierten Schnecken zu beseitigen. In der Praxis hat sich diese
Schnecke anLerdings nicht eingebürgert, was im wesentlichen auf den gesonderten
Antrieb mit den notwendigerweise zugeordneten Steuereinrichtungen zurückzuführen
ist. Ein derartiger Aufbau ist teuer in der Herstellung und erfordert auch einen
beträchtlichen Betriebsaufwand,
Die Erfindung macht demgegenüber
die. Vor-teLLe eimer radial verschieblichen Einlaufzone der Schnecke nutzbar, ohne
einen gesonderten Antrieb für das Einlaufteil zu benötigen.
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Dies erreicht die Erfindung dadurch, daß die Radialverschiebung des
Einlaufteils gegen die Wirkung einer vorzugsweise einstellbaren, druckabhängigen
Rutschkupplung erfolgt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung
stellt ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt dar.
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Bei dem zeichnerisch dargestellten Ausführursgsbeispiel ist in einem
senkrecht atehenden Gehäuse 1 eine zweiteilige Aufschmelzschnecke 2 angeordnet.
An seinem oberen Ende ist das Gehäuse 1 zu einem Einfülltrichter 3 aufgeweitet,
der durch einen mit einer Einfüllbffnung 5 und ggf. einem Schauglas 6 versehenen
Deckel 4 abgedeckt ist. Weiterhin sind am Schneckengehäuse 1, beispielsweise an
dessen oberen Ende, Tragpratzen 7 angebracht, die zur Befestigung der Anordnung
an einer entsprechenden Tragstruktur dienen.
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Unmittelbar unterhalb des Einfülltrichters 3 liegt zwischen der Schnecke
2 und dem Gehäuse 1 die Einlaufzone 8. An die Einlaufzone 8 schließt sich in Börderrichtung
der Schnecke die Schmelzzone 9 an, die in dem zeichnerisch dargestellten Beispiel
keine Schneckengänge enthält. Auf die Schmelzzone 9 folgt schließlich die Meßzone
10, an deren Ende ein Auslaufkanal 11 mündet. Die Einlaufzone 8
und
die Meßzone 10 besitzen wegen der Tatsache, daß das Material während des Aufachmelzvorganges
eine starke Volumenkontraktion erleidet, ein unterschiedliches Volumen. Dementsprechend
verjüngt sich das Schneckengehäuse 1 im Bereich der Schmelzzone 9 konisch.
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Wie bereits erwähnt, ist die Schnecke 2 zweiteilig ausgebildet. Dabei
erstreckt sich der Hauptkörper 12 der Schnecke, der auch die Schneckengänge 13 im
Bereich der Meßzone 10 trägt, über die gesamte Gehäuselänge hinweg, wobei er am
oberen Gehäuseende durch eine Ausnehmung in dem Deckel 4 hindurchragt und auch unterhalb
der Meßzone 10 aus dem unteren Gehäuseende herausgeführt ist. Am oberen Ende ist
der Schneckenkörper 12 in einem nicht weiter dargestellten Lager gelagert, das sich
in einem auf dem Deckel 4 befestigten Aufsatz 14 befindet. Am unteren Ende ist zur
Lagerung des Schneckenkörpers 12 ein Drucklager 15 vorgesehen, das zusammen mit
einer Stopfbuchse 18 in einem gemeinsamen Gehäuse 16 untergebracht ist. Zur Entlastung
der Stopfbuchse sind zwischen der Mündung des Austrittskanals 11 und dem unteren
Ende des Gehäuses 1 auf dem Schneckenkörper 12 einige Entlastungsgänge 17 angeordnet,
die eine gegenüber den Gängen 13 gegenläufige Steigung besitzen.
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Dadurch wird die Abdichtung des Schneckenkörpers 12 am unteren Gehäuseende
beträchtlioh vereinfacht.
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Im Bereich der einlaufzone 8 und auch im Bereich des Einfülltrichters
3 ist auf das obere Ende 12a des Schneckenkörpers 12 drehbar eine Hülse 19 aufgesetzt,
die an ihrem unteren Ende, d.h. im Bereich der Sinlaufsone 8 Schneckengänge 20 trägt.
Die Hülse 19 ist über ein Drucklager 44 gegen den Deckel 4 des Einfülltrichters
3 abgestützt.
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Weiterhin ist sie über den Deckel 4 hinaus verlängert und trägt an
ihrem oberen Ende einen Flansch 40, der mit einem geeigneten Kupplungsbelag 41 belegt
ist. Unmittelbar obere halb des Flansches 40 befindet sich ein weiterer Flansch
42, der drehfest und axial verschieblich auf dem oberen Ende 12a des Schneckenkörpers
12 angebracht ist und der mit einem mit dem Kupplungsbelag 41 zusammenwirkenden
Gegenbelag 49 versehen ist. Dieser Flansch 42 wrd durch eine Druckfeder 21, die
sich an ihrem oberen Ende gegen eine von dem Aufsatz 14 getragene Druckplatte 22
abstützt und im Bereich zwischen dem Ende der Hülse 19 und dem Aufsatz 14 zweckmäßig
von einem Ffaltenbalg oder einer entsprechenden Abdichtung umgeben ist, mit einstellbarer
Vorspannung gegen den hülsenseitigen Flansch 40 gedrückt. Dadurch Entsteht eine
Rutschkupplung mit Reibungsentnahme zwischen dem (angetriebenen) Schneckenkörper
12 und der Hülse 19.
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Zur Begrenzung der Abwärtsbewegung der Hülse 19 besitzt das obere
Ende 12a des Schneckenkörpers 12 zweckmäßig
einen verringerten Durchmesser,
so daß sich eine Schulter 24 ausbildet, an der eine in der Hülse 19 gebildete Schulter
von entsprechender Form zur Anlage kommen kann. Im übrigen ist die Hülse 19 an ihrem
unteren Ende durch eine Dichtung 25 gegen den Schneckenkörper 12 abgedichtet. Eine
weitere Dichtung 26 kann sich in dem Deckel 4, durch den das obere Ende der Hülse
19 hindurchgeführt ist, befinden.
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Im Bereich der drei Schneckenzonen ist das Gehäuse 1 von verschiedenen
Heizeinrichtungen umgeben, die zweckmäßig nach außen hin durch eine wärmedämmende
Isolierbülle 31 abgeschirmt sind. Eine erste Heizeinrichtung 27, die beispielsweise
eine Widerstandsheizung sein kann, ist im Bereich der Einlaufzone 8 um das Gehäuse
1 herumgelegt. Eine weitere Heizeinrichtung 28, beispielsweise ebenfalls eine Widerstandsheizung,
umgibt das Gehäuse 1 im Bereich der Mßsane 10.
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Schließlich ist das Gehäuse 1 im Bereich der Schmelzzone 9 von einer
dritten Heizeinrichtung 29 umgeben, die in der zeichnerisch dargestellten Form eine
Induktionsheizung ist.
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Wenn der Schneckenkörper 12 im Bereich der Schmelzzone 9 eine hohe
magnetische Permeabilität und das Gehäuse 1 eine niedrige magnetische Permeabilität
besitzen, gelingt mit einer solchen Induktionsheizung in besonders einfacher Weise
eine gleichmäßige Beheizung des Materials in der Schmelzzone. Ein grundsätzlich
gleiches Ergebnis läßt sich beispielsweise
aber auch durch einen
Heizstern erreichen, der mit wärmeverteilenden Rippen in die Schmelzzone 9 hineinragt.
In übrigen ist ein weiterer, vorzugsweise dampfbeheizter und ebenfalls nach außen
hin isolierter Heizmantel 30 u den Auslaufkanal 11 herumgelegt.
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Neben den Heizeinrichtungen ist die Aufschmelzschnecke auch noch
mit verschiedenen Kühlwasserkreisläufen versehen, die in der zeichnerischen Darstellung
durch Pfeilpaare 32, 33 und 34 angedeutet sind. Das zum Kreislauf 32 gehörende Kühlwasser
durchströmt (über ein Tauchrohr 38) einen inneren Hohlraum 35 im Schneckenkörper
12 bzw. 12a und fließt über einen am Aufsatz 14 angebrachten Äblaufring 36 wieder
ab. Das zum Kreislauf 33 gehörende Kühlwasser durchströmt einen Kühlmantel 37, der
außen um den Sinfülltrichter 9 herumgelegt ist. Der Kühlwasserkreislauf 34 schließlich
dient zur Kühlung der Stopfbuchse 18.
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An dem unteren Ende des Schneckenkörpers 12 ist beispielsweise über
eine Kupplung ein Winkeluntersetzungsgetriebe und über eine weitere Kupplung ein
Antriebsmotor angeschlossen. Weiterhin sind Regeleinrichtungen vorgesehen, die auf
den Naterialdruck im Aualaufkanal 11 anaprechen und zur Konstanthaltung dieses Materialdruckes
eine entsprechende Irehzahlregelung des Schneckenkörpera 12 bewirken. Dies ist Jedoch
an eich bekannt und daher zeichnerisch nicht mehr weiter dargestellt.
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Beim Betrieb der vorangehend beschriebenen Aufschmelzschnecke wird
festes Kunststoffgranulat aus einem Vorratsbehälter über die Einfüllöffnung 5 in
den Einfülltrichter 3 eingefüllt. Dort wird es von den Schneckenflügeln 20, die
auf der Hülse 19 angebracht sind, erfaßt und - bedingt durch den Reibungswiderstand
des Granulats an der Gehäuseinnenwand - durch die Einlaufzone 8 hindurch zur Schmelzzone
9 gefördert. Die Heizeinrichtung 27 im Bereich der Einlaufzone 8 ist dabei nicht
zum Aufschmelzen des Materials vorgesehen, sondern zur Erhöhung des Reibungswiderstandes
des Granulats an der Gehäuseinnenwand. Eine weitere Erhöhung des Reibungswiderstandes
an der Gehäusewand kann durch axial verlaufende, zeichnerisch nicht weiter dargestellte
Rillen im Gehäuse bewirkt werden. Umgekehrt dient die Innenktihlung der Schnecke
im Bereich der Einlaufzone 8 dazu, den Reibungswiderstand des Granulats an der Schnecke
zu senken.
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Entsprechend stellt sich auch durch die Kühlung des Einfülltrichters
3 eine Verminderung des Reibungswiderstandes des Granulats an der Innenwand des
Einfülltrichters ein.
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Durch die Einlaufförderung gelangt das Material in die Schmelzzone
9, in der es unter gleichzeitiger Volumenverminderung aufgeschmolzen wird. Das aufgeschmolzene
Material wird durch das laufend aus der Einlaufzone nachrückende Material in die
Meßzone 10 gedrückt und dann über den Auslaufkanal
ii schließlich
ausgetragen, wobei, wie bereits erwähnt wurde, das Austragen durch entsprechende
Regeleinrichtungen, die auf die Schneckendrehzahl einwirken, unter konstanten Druckbedingungen
erfolgt. Natürlich ist durch entsprechende Temperaturregelung auch die Temperatur
des auslaufenden Materials konstant gehalten.
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Die Einlaufzone 8 ist etwas überdimensioniert. Sie fördert jedoch
nicht mit der vollen Förderleistung in die Schmelzzone. Vielmehr tritt, sobald die
Schmelzzone einen vorbestimmten Füllungsgrad erreicht hat, die Rutschkupplung am
oberen Hülsenende derart in Tätigkeit, daß sich die Hülse 19 mit den Schneckengängen
20 relativ langsamer dreht als der Schneckenkörper 12, wodurch die Einlaufförderung
geringer wird. Der vorbestimmte Füllungsgrad der Schmelzzone, bei dem dieses"Rutschen"des
Einlaufteiles der Aufsc'ninelzschnecke stattfindet, hangt dabei u. a. von der Federkraft
der Druckfeder 21 ab. Wenn im Verlauf des Betriebes der Aufschmelzschnecke der vorbestimmte
Füllungsgrad der Schmelz zone 9 nachläßt, bewirkt die Rutschkupplung wiederum eine
entsprechend verstärkte Mitnahme des Einlaufteiles der Aufschmelzschnecke, wodurch
sich die Einlaufförderung wieder im entsprechenden Umfang erhöht. Mithin paßt sich
also die Einlaufförderung ständig genau dem Materialbedarf in der Schmelzzone und
damit dem Materialbedarf in der Meßzone an, so daß Druckschwankungen
im
Auslaufkanal, die auf Ungleichmäßigkeiten in der Materialförderung längs der Aufschmelzschnecke
zurückgehen, praktisch völlig vermieden sind.
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Zweckmäßig ist die Vorspannung der Feder 21, um eine optimale Anpassung
an die jeweils notwendigen Verfahrensbedingungen erreichen zu können, durch geeignete
Stellmittel einstellbar. Derartige Stellmittel sind jedoch in der Zeichnung aus
Gründen besserer Ubersichtlichkeit nicht mehr weiter dargestellt. Die jeweilige
Federkraft der Feder 21, die mithin ein Maß für die Druckbedingungen in der Schmelzzone
9 sind, kann, was ebenfalls nicht weiter dargestellt ist, durch entsprechende Anzeigemittel
angezeigt und ggf. auch fortlaufend registriert werden.
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An der vorangehend beschriebenen Ausführungsform der Aufschmelzvorrichtung
können zahlreiche Abänderungen vorgenommen werden. So ist es beispielsweise nicht
unbedingt notwendig, daß die Anordnung senkrecht stehend ausgebildet ist, sie kann
vielmehr auch in der gleichen Weise als waagerechte Anlage betrieben werden. Auch
muß der Antrieb für den Schneckenkörper 12 nicht unbedingt über das Auslaufende
der Schnecke angreifen. Allerdings besitzt der Antrieb über das Auslaufende der
Schnecke den Vorteil, daß sich die Innenkühlung der Schnecke im Einlaufbereich leichter
durchführen läßt und daß außerdem die verhältnismäßig großen und
schweren
Antriebs teile der Einrichtung bei einer Demontage der Schnecke nicht bewegt zu
werden brauchen. Au3 der am, deren Seite bringt die Tatsache, daß bei einem Antrieb
über das Auslaufende eine Stopfbuchse zum Abdichten der Schnecke notwendig ist,
keine Schwierigkeiten mit sich, zumal der lsterialdruck am Auslaufende nicht auf
eine. große Fläche wirkt, sondern nur auf die verhältnismäßig kleine Fläche der
Entlastungsgänge. Dadurch ergibt sich noch der weitere Vorteil, daß die Drucklagerbelastung
sehr gering gehalten ist.
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- Patentanspruch -