DE4020896A1 - Verfahren und vorrichtung zur aussenkuehlung von extrudierten thermoplastischen kunststoffprofilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Außenkühlung von extrudierten thermoplastischen Kunststoff­ profilen, die aus einem Profilwerkzeug extrudiert werden und anschließend in einer Kalibrier- und/oder Kühlvorrichtung außen in ihrer Form fixiert und durch einen Gasstrom abge­ kühlt werden, der eine Temperatur besitzt, die unterhalb der Raum- bzw. Umgebungstemperatur liegt.

Im Extrusionsverfahren hergestellte Rohre oder Vollprofile aus thermoplastischen Kunststoffen, nachstehend nur als Pro­ file bezeichnet, werden nach dem Austritt aus dem Formwerk­ zeug zur Erreichung eines formstabilen Endproduktes auf unterschiedliche Art und Weise gekühlt und kalibriert. So ist in der Praxis die Vakuumtankkalibrierung bekannt, bei der die Abkühlung und Kalibrierung des Profils in einem Vakuum­ tank erfolgt. Am Ein- und Auslauf und im Inneren des Vakuum­ tanks befinden sich Kalibrierwerkzeuge, die einlaufseitig als Hülse und danach im Abstand zueinander als Scheiben oder Blenden ausgebildet sind (DE OS 25 44 611). Die Abkühlung des thermoplastischen Kunststoffprofils kann durch ein Voll­ wasserbad und/oder eine Sprühkühlung erfolgen. Die Leistungsfähigkeit einer Extrusionslinie wird dabei wesent­ lich von der Kühleinrichtung bestimmt. Sie ist bei einer Wasserkühlung bezüglich der Kühltemperatur begrenzt, da sich die Abkühlgeschwindigkeit aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des durch die Kühlflüssigkeit gekühlten Kalibrierwerkzeuges und der auf das Kunststoff­ profil auftretenden Kühlflüssigkeit einerseits, sowie der Temperatur des extrudierten Kunststoffprofils andererseits ergibt. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit ist dabei von der Umgebungstemperatur abhängig und liegt in der Regel zwischen 10° und 20°C, während das extrudierte Kunststoff­ profil eine Temperatur von ca. 200°C hat. Eine höhere Kühlleistung kann daher nur durch eine entsprechende Ver­ längerung der Kühlstrecke erreicht werden, die jedoch sehr kostenaufwendig und nur begrenzt möglich ist.

Zur Lösung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen, auf das Kunststoffprofil im Bereich des Kalibrierwerkzeuges ein dort verdampfendes oder sublimierendes tiefkaltes Medium (flüssiger Stickstoff) zur Einwirkung zu bringen (DE OS 23 24 133 und DE OS 24 56 386). Das Medium wird dabei aus einem Speichertank entnommen, der sich außerhalb der Extrusions­ linie befindet. Über Leitungen, Absperr- und Regelventile sowie entsprechende Düsen, die am Außenumfang des Rohres angeordnet sind, wird das Medium auf die zu kühlende Ober­ fläche geleitet.

Von Nachteil bei diesen Lösungen ist, daß dafür die Be­ schaffung und eine ausreichende Bevorratung von flüssigem Stickstoff in Stahlflaschen bzw. in besonderen Speichertanks notwendig ist. Das Leitungssystem von der Speicherstation zur Kalibriereinrichtung muß gut isoliert sein, um einen guten Kühleffekt zu erreichen und unterliegt aufgrund der herr­ schenden Drukverhältnisse besonderen Prüf- und Abnahme­ vorschriften.

Ziel der Erfindung ist es, ein technisch- und ökonomisch kostengünstiges Verfahren für eine wirkungsvolle Kühlung von extrudierten Kunststoffprofilen zu finden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Unterkühlung eines gasförmigen Mediums unterhalb der Raumtemperatur zu entwickeln und dieses anschließend außen unmittelbar auf dem extrudierten Kunststoffprofil zur Einwirkung zu bringen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, die so gestaltet und angeordnet ist, daß die Unterkühlung und der Austritt des gasförmigen Mediums un­ mittelbar am äußeren Umfang des Kunststoffprofils erfolgt.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem ringartigen Druckgasspeicher, der außen um das Kunststoffprofil herum angeordnet ist, über Einlaßstutzen Druckluft, die Raumtemperatur hat, einströmt. Die Druckluft wird in einem sich verengenden Ringkanal, der als Unterschallringdüse ausgebildet ist, zunächst auf Schall­ geschwindigkeit und in einem sich anschließenden erweitern­ den Ringkanal, der als Überschallringdüse ausgebildet ist, auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Durch den ent­ stehenden Druck- und Temperaturabfall beim Expandieren des Luftstromes aus der Überschallringdüse wird das Kunststoff­ profil außen direkt gekühlt und durch eine am Kunststoff­ profil anliegende feste Kühllippe indirekt gekühlt.

Für die weitere Ausgestaltung des Verfahrens zum Kühlen von Kunststoffprofilen kann es günstig sein, wenn der aus der Überschallringdüse austretende Luftstrom spitzwinklig so auf das Kunststoffprofil gerichtet ist, daß die Kühlluft entgegengesetzt zur Extrusionsrichtung strömt. Bei anderen Anwendungsfällen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der aus der Überschallringdüse austretende Luftstrom spitz­ winklig in Extrusionsrichtung auf das Kunststoffprofil ge­ richtet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens besteht aus einem als Ringkammer ausgebildeten Druck­ gasspeicher, der um das Kunststoffprofil angeordnet ist und mindestens ein Einlaßrohr für die Zufuhr von Druckluft be­ sitzt. Der Druckgasspeicher wird von einer festen Kühllippe und einer verstellbaren Kühllippe gebildet, die durch Be­ festigungselemente miteinander verbunden und auslaßseitig durch Verstellelemente im Bereich des Kunststoffprofils zu­ einander einstellbar sind. Der Druckgasspeicher verjüngt sich auslaßseitig zunächst trichterförmig und besitzt die Kontur einer Unterschallringdüse, die sich anschließend ent­ sprechend der Kontur einer Überschallringdüse erweitert. In der weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung sind die Verstellelemente als Stellschraube ausge­ bildet, die in der verstellbaren Kühllippe am Umfang verteilt in Gewindebohrungen eingeschraubt und an der festen Kühllippe lose abgestützt sind. Jede Stellschraube nimmt in einer Längsbohrung eine Befestigungsschraube auf, die in der festen Kühllippe eingeschraubt ist.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Vorrichtung bestehen in einer sehr kurzen Kühlstrecke und in dem sehr geringen konstruktiven und tech­ nologischen Aufwand für die Unterkühlung der Druckluft. Die Druckluft kann mit Hilfe eines entsprechenden Kompressors im Vergleich zu flüssigem Stickstoff kostengünstig in ausrei­ chenden Mengen erzeugt werden. Sie kann über ein normales Leitungssystem, das nicht isoliert ist, bis zum Druckgas­ speicher, der um das abzukühlende Kunststoffprofil angeord­ net ist, geleitet werden, wo unmittelbar der Unterkühlungs­ prozeß vorgenommen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine dazugehörige Vor­ richtung werden nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen ist eine Möglichkeit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens und eine Ausführungsform für die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt.

Fig. 1 Realisierung des Verfahrens bei der Außenkühlung von Rohren oder Vollprofilen,

Fig. 2 Strömungsverlauf der Luft in einer vergrößerten Darstellung vom Druckgasspeicher mit der Unter­ schallringdüse und der sich anschließenden Über­ schallringdüse,

Fig. 3 Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem zu kühlenden Kunststoffprofil.

In Fig. 1 ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens bei Rohren oder Vollprofilen dargestellt. Um das extrudierte Kunststoffprofil 8 ist außen herum ein Druckgasspeicher 3 angelegt. Der Druckgasspeicher 3 wird von einer festen Kühllippe 1 und einer verstellbaren Kühllippe 2 eingeschlossen, die gemeinsam eine Ringkammer bilden und am äußeren Umfang durch Befestigungselemente 10 miteinander verbunden sind. Über einen oder mehrere Einlaßstutzen 4 ist der Druckgasspeicher 3 an ein betriebliches Druckluftver­ sorgungssystem angeschlossen. Die verstellbare Kühllippe 2 und die feste Kühllippe 1 sind an ihrem inneren Umfang trichterförmig gestaltet und durch einen Ringspalt 14 vonein­ ander getrennt. Der Ringspalt 14 ist durch ein Verstell­ element 9, das auf die verstellbare Kühllippe 2 einwirkt, einstellbar. Der Bereich der trichterförmigen Einschnürung ist als Unterschallringdüse 6 ausgebildet. In diesem Ab­ schnitt wird die einströmende Druckluft bis zum Erreichen der schmalsten Stelle der Einschnürung auf Schallgeschwin­ digkeit beschleunigt. Der sich anschließende zweite Teil der Düse, der sich in Richtung des Auslaßkanals 11 hin in seinem Querschnitt wieder erweitert, ist als Überschallring­ düse 7 ausgebildet. In diesem Abschnitt werden Luftgeschwin­ digkeiten erreicht, die größer als die Schallgeschwindig­ keit sind.

Aus der in Fig. 2 vergrößert dargestellten Einzelheit sind der Strömungsverlauf der Druckluft im Bereich der Unter­ schallringdüse 6 und der sich anschließenden Überschall­ ringdüse 7, sowie das Auftreffen des danach unterkühlten Luftstromes 12 auf dem Kunststoffprofil 8 deutlich erkennbar. In der Fig. 3 ist ein Kunststoffprofil 8 dargestellt, daß als Rohr ausgebildet ist und mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung von außen gekühlt wird. Das Kunststoffprofil 8 wird aus einem nicht dargestellten Rohrwerkzeug extrudiert. Die Vorrichtung zur Außenkühlung des Kunststoffprofils 8 besteht aus einem Druckgasspeicher 3, dessen Speicherraum als Ringkammer ausgebildet ist und um das Kunststoffprofil 8 angeordnet ist. Der Druckgasspeicher 3 besitzt ein oder mehrere Einlaßrohre 4 für die Zufuhr von Druckluft. Im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel wird der Druckgasspeicher 3 von einer festen Kühllippe 1 und einer verstellbaren Kühl­ lippe 2 gebildet, die durch am Umfang verteilt angeordnete Befestigungselemente 10 miteinander verbunden und an einer Grundplatte 18 angeschraubt sind. Im Bereich des Kunststoff­ profils 8 ist an der Auslaßseite des Druckgasspeichers 3 die verstellbare Kühllippe 2 mit Hilfe von Verstellelementen 9 gegenüber der festen Kühllippe 1 einstellbar. Der Druckgas­ speicher 3 verjüngt sich auslaßseitig zunächst trichter­ förmig und besitzt die Kontur einer Unterschallringdüse 6.

In diesem Abschnitt wird die einströmende Druckluft bis zum Erreichen der schmalsten Stelle der Einschnürung auf Schall­ geschwindigkeit beschleunigt. Der sich anschließende zweite Teil der Düse, der sich in Richtung des Auslaßkanals 11 hin in seinem Querschnitt wieder erweitert, ist als Überschall­ ringdüse 7 ausgebildet. In diesem Abschnitt werden Luftge­ schwindigkeiten erreicht, die größer als die Schallge­ schwindigkeit sind. Die Größe der Überschallgeschwindig­ keit hängt ab vom zur Verfügung stehenden Ruhedruck der komprimierten Luft, des möglichen Volumenstromes an Luft, der von der Weite des Ringspaltes 14 und der Dimensionierung des Druckgasspeichers 3 abhängig ist und der Ausbildung der Unterschallringdüse 6 sowie der Überschallringdüse 7. Zur Einstellung des Ringspaltes 14, der an der Auslaßseite des Druckgasspeichers 3 zwischen der festen Kühllippe 1 und der verstellbaren Kühllippe 2 vorhanden ist, sind die Ver­ stellelemente 9 als Stellschraube ausgebildet. Die Verstell­ elemente 9 sind in der verstellbaren Kühllippe 2 am Umfang verteilt in Gewindebohrungen 15 eingeschraubt und stützen sich an der festen Kühllippe 1 lose ab. Jedes Verstell­ element 9 besitzt eine Längsbohrung 16, die zur Aufnahme einer Befestigungsschraube 17 dient, die in der festen Kühl­ lippe 1 eingeschraubt ist. Durch diese Anordnung wird das Verstellelement 9 gegen Verdrehung gesichert.

Nachstehend wird der Ablauf des Verfahrens und die Wirkungs­ weise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Außenkühlung von Kunststoffprofilen erläutert. Die Druckluft, die aus einem vorhandenen Druckluftnetz entnommen wird oder von einem separaten Kompressor erzeugt wird, strömt über das Einlaß­ rohr 4 in den Druckgasspeicher 3, wo sie sich gleichmäßig verteilt und über die Unterschallringdüse 6 und die sich anschließende Überschallringdüse 7 strömt, aus der sie nach ihrem Austritt als stark unterkühlter Luftstrom 12 auf das Kunststoffprofil 8 auftrifft. Während die Luft die ge­ nannten Bereiche der Vorrichtung zur Außenkühlung durch­ strömt steigt die Geschwindigkeit stetig an, während die Dichte, der Druck und vor allem aber die Temperatur sehr stark absinken. Dadurch ist es möglich, einmal der festen Kühllippe 1 im Bereich der Kalibrierbohrung 5, an der das heiße Kunststoffprofil zur Anlage kommt und die die Funktion einer Kalibrierblende hat, Wärme zu entziehen. Zum anderen wird das aus dem nicht dargestellten Werkzeug austretende heiße Kunststoffprofil 8 beim Einlauf in die Kühlvorrich­ tung durch den aus dem Ringspalt 14 austretenden stark unter­ kühlten Luftstrom 12 direkt abgekühlt, wodurch die äußerste Schicht des Kunststoffprofils 8 sofort erstarrt. Durch die sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit des expandie­ renden Luftstromes 12 wird ein Sog auf das Kunststoffprofil 8 erzeugt, wodurch dieses an die Kalibrierbohrung 5 der festen Kühllippe 1 angezogen wird und die bereits erwähnte Kalibrierwirkung einsetzt. Die Größe des Soges ist vom Strömungswinkel abhängig, der von der festen Kühllippe 1 gegenüber der Extrusionsachse 13 gebildet wird. Da der Wärmetransport proportional zur Temperaturdifferenz ist, steigt die effektive Kühlwirkung in dem Maße wie die Tem­ peratur der Kühlluft sinkt. Zur Erreichung hoher Strömungs­ geschwindigkeiten und niedriger Kühltemperaturen ist der Ringspalt 14 sehr eng zu bemessen, was in einfacher Weise durch die mögliche Einstellung erreicht wird, bei der mit Hilfe der Verstellelemente 9 die verstellbare Kühllippe 2 an die feste Kühllippe 1 angenähert wird. Dies kann sehr fein­ fühlig erfolgen, wobei die vorgenommene Spalteinstellung durch die Befestigungsschrauben 17 gegen Verstellung gesichert wird.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung verwendete Düse ist auf dem Gebiet der Strömungsmechanik bereits als Laval-Düse bekannt. Sie hat Kreis- oder Recht­ eckquerschnitt und fand bisher Anwendung in Raketentriebwer­ ken, Turbinen und Windkanälen, wobei dort die Aufgabe be­ stand, hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erzeugen. Die bei der Expansion auftretende starke Temperaturabsenkung stellte jedoch eine ungewollte und zum Teil störende Nebenwirkung dar.

Diese bisher nicht genutzte Nebenwirkung gelangt erstmals durch die erfindungsgemäße Lösung bei der Abkühlung von im Extrusionsverfahren hergestellten Kunststoffprofilen zur Anwendung.

In Abhängigkeit vom zu verarbeitenden thermoplastischen Kunststoff kann der austretende gekühlte Luftstrom 12 sowohl in als auch entgegengesetzt zur Extrusionsrichtung auf das Kunststoffprofil zur Einwirkung gebracht werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 - Kühllippe fest
2 - Kühllippe verstellbar
3 - Druckgasspeicher
4 - Einlaßrohr
5 - Kalibrierbohrung
6 - Unterschallringdüse
7 - Überschallringdüse
8 - Kunststoffprofil
9 - Verstellelement
10 - Befestigungselement
11 - Auslaßkanal
12 - Luftstrom
13 - Extrusionsachse
14 - Ringspalt
15 - Gewindebohrung
16 - Längsbohrung
17 - Befestigungsschraube
18 - Grundplatte

Claims (5)

1. Verfahren zur Außenkühlung von extrudierten thermo­ plastischen Kunststoffprofilen, die aus einem Profilwerkzeug extrudiert werden und anschließend in einer Kalibrier- und/oder Kühlvorrichtung außen in ihrer Form fixiert und durch einen Gasstrom unterhalb der Raumtemperatur abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in einen Druckgasspeicher (3), der außen um das Kunststoff­ profil (8) herum angeordnet ist, über Einlaßstutzen (4) Druckluft, die Raumtemperatur hat, einströmt,
• - die Druckluft in einem sich verengenden Ringkanal, der als Unterschallringdüse (6) ausgebildet ist, zunächst auf Schallgeschwindigkeit und in einem sich anschließenden er­ weiternden Ringkanal, der als Überschallringdüse (7) aus­ gebildet ist auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und
• - durch den entstehenden Druck- und Temperaturabfall beim Expandieren des Luftstromes aus der Überschallringdüse (7) das Kunststoffprofil (8) außen direkt und durch eine am Kunststoffprofil (8) anliegende feste Kühllippe (1) indirekt gekühlt wird.

2. Verfahren zur Außenkühlung extrudierter Kunststoff­ profile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Überschallringdüse (7) austretende gekühlte Luftstrom (12) spitzwinklig so auf das Kunststoffprofil (8) gerichtet ist, daß die Kühlluft entgegengesetzt zur Extrusionsrich­ tung abgelenkt wird.

3. Verfahren zur Außenkühlung von extrudierten Kunststoff­ profilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Überschallringdüse (7) austretende Luftstrom (12) spitzwinklig in Extrusionsrichtung auf das Kunststoffprofil (8) gerichtet ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Druckgasspeicher (3) als Ringkammer ausgebildet ist, um das Kunststoffprofil (8) angeordnet ist und mindestens ein Einlaßrohr (4) für die Zufuhr von Druckluft besitzt,
• - der Druckgasspeicher (3) von der festen Kühllippe (1) und einer verstellbaren Kühllippe (2) gebildet wird, die durch Befestigungselemente (10) miteinander verbunden und auslaß­ seitig durch Verstellelemente (9) im Bereich des Kunststoff­ profils (8) zueinander einstellbar sind, wobei
• - der Druckgasspeicher (3) sich auslaßseitig zunächst trichterförmig verjüngt und die Kontur einer Unterschall­ ringdüse (6) besitzt, die sich anschließend trichterförmig entsprechend der Kontur einer Überschallringdüse (7) er­ weitert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellelemente (9) als Stellschrauben ausgebildet sind, die in der verstellbaren Kühllippe (2) am Umfang verteilt in Gewindebohrungen (15) eingeschraubt und an der festen Kühl­ lippe (1) lose abgestützt sind und jede Stellschraube in einer Längsbohrung (16) eine Befestigungsschraube (17) auf­ nimmt, die in der festen Kühllippe (1) eingeschraubt ist.