DE2924269B1

DE2924269B1 - Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder

Info

Publication number: DE2924269B1
Application number: DE2924269A
Authority: DE
Inventors: Walter Ing.(Grad.) 7050 Waiblingen Fessmann
Original assignee: Werner & Pfleiderer 7000 Stuttgart
Current assignee: Werner & Pfleiderer 7000 Stuttgart
Priority date: 1979-06-15
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1981-02-19
Also published as: DE2924269A1; DE2924269C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnitt :s in einem Schneckenextruder für Kunststoff gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches I angegebenen Art.

Aus der DE-OS 21 24 466 ist eine Vorrichtung zur Einwirkung auf das Verarbeitungsgut in einem Extruder, bestehend aus mit im Extrudergehäuse gegenüberliegend angeordneten Stempeln, bekannt, wobei die auch als Drossel wirksamen Stempel radial zur Förderschnecke und bis zum Schneckenkern verschiebbar sind. Dabei soll zusätzlich zu der mit der Extruderschnecke errreichbaren Beeinflussung des Verarbeitungsgutes eine Einwirkung auf das Verarbeitungsgut im Sinne einer steuerbaren Beeinflussung der Homogenisier- und

ίο

Mischwirkung erzielt werden.

Zu diesem Zweck ist bei der bekannten Drosselvorrichtung auch vorgesehen, den Druckverlauf im Verarbeitungsgut oder die Mischwirkung durch einen Antrieb der Stempel zu steuern. Ober die Ausbildung und Funktion eines derartigen Antriebes ist bei der bekannten Vorrichtung nichts näheres bestimmt

Die DE-AS 12 12 295 zeigt eine Vorrich'ung zum Einstellen des Druckes bei einer Schneckenpresse für thermoplastische Kunststoffe, mit aus einem in der Wandung des Schmelzekanals drehbar angeordneten Ringkörper, dessen außermittige und durch eine Wölbung der Kanalwandung begrenzte Durchlaßöffnung bei Drehung eine Veränderung des Kanalquerschnittes ermöglicht Die Drehung des Ringkörpers erfolgt manuell, so daß der gewünschte Druckwert nicht steuerbar ist

In der DE-AS 11 75 868 ist eine Schneckenstrangpresse mit beweglichem, den freien Raum in der Misch- oder Knetzone verändernden Druckstempel dargestellt Die Betätigungseinrichtung für den Druckstempel ist gebildet aus einem von einer Temperaturmeßvorrichtung gesteuerten Membranventil, das direkt mit dem Druckstempel verbunden ist Dabei kann die Betätigungseinrichtung auch aus einem von einem Motor angetriebenen und mit dem Druckstempel verbundenen Getriebe bestehen.

Da bereits geringfügige Veränderungen des Querschnittes des Strömungskanals im Extruder erhebliche Auswirkungen auf die wichtigsten Verfahrensparameter, nämlich die Temperatur und den Druck im Verarbeitungsgut haben, ist eine solche Betätigung des Druckstempels für eine selbsttätige Regelung dieser Verfahrensparameter nicht ausreichend genau. Sie verzögert insbesondere den bis Erreichen der vorgegebenen Regelgröße stattfindenden Einschwingvorgang. Erst das genaue, in kleinstmöglichen Schritten sowie kurzfristig erfolgende Einpendeln, der Regelgröße für dio Regelung des StrömungaquerstrUiittes eines Schnekkenextruders sichert bei den geforderten großen Durchsatzmengen feinfühlig eine hohe und gleichbleibende Produktqualität.

Zwischen Antriebseinrichtung und Druckstempel beispielsweise angeordnete Zahnrädergetriebe verursachen einen erheblichen Raumaufwand. Außerdem sind sie in der Herstellung kostspielig.

Bei Anordnung mehrerer Druckstempel in einer Querschnittsebene des Extruders erfordert die Gewährleistung einer synchronen Stempelbetätigung über Zahnrädergetriebe zusätzlichen Aufwand. Ist aber die gleichzeitige und gleichmäßige Verstellung dieser Druckstempel nicht sichergestellt, kommt es zur Bildung eines ungleichen Strömungsquerschnittes, der die .Strömungsverhältnisse beeinträchtigt und einen geregelten Druckaufbau im Verarbeitungsgut verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungsvorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnitts in einem Schneckenextruder mittels Druckstempel zu schaffen, die mit einfachen Mitteln den freien Querschnitt des Strömungskanals über dessen Umfang gleichmäßig und feinfühlig zu verändern vermag.

Dies ist nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebenen Merkmale erreicht.

Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung gewährleistet bei geringem Raumbedarf eine zwanglaufige und gleichmäßige Betätigung der Druckstempel. Sie

hat überdies den Vorzug einer kostengünstigen Herstellung.

In der Anfangsphase der Druckstempelbetätigung bei größtmöglichem freiem Strömungsquerschnitt im Schneckenextruder erfolgt bei gleichem Verstellweg ϊ der Betätigungsvorrichtung ein größerer Sternpelhub als in der Schlußphase der Stempelbewegung bei kleiner werdendem Strömungsquerschnitt. Diese Charakteristik der Kinematik der Betätigungsvorrichtung bewirkt eine ihrem Verstellweg nahezu proportionale Änderung in des Druckaufbaus im Schneckenextruder. Da, wie ermittelt wurde, die zunehmende Verengung des Strömungsquerschnittes eine dem Verstellhub der Stempelbewegung zunehmende überproportionale Steigerung des Massedruckes bewirkt, ermöglicht die Betätigung der Druckstempel mittels des Kniehebelantriebes selbst in diesem kritischen Bereich noch eine feinfühlige Druckregelung. So ist bei kleinstem freiem Strömungsquerschnitt im Schneckenextruder noch der Massedruck als bestimmte Regelgröße genau einstellbar. Dasselbe gilt auch für andere das Verarbeitungsgut beeinflussende physikalischen Größen, die gegebenenfalls als Regelgrößen herangezogen werden, wie z. B. die Massetemperatur oder die Viskosität, die bekanntlich ebenfalls durch Veränderung des freien Durchtritts- 2Ί querschnittes variiert werden können.

Vorteilhafte, in den Unteransprüchen gekennzeichnete Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung in Vorteilen und Wirkungsweise näher tierausgestellt, ω

Die Erfindung ist im einzelnen nachfolgend an Hand der Zeichnung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Hierbei zeigt

Fig. I einen senkrechten Längsschnitt durch einen H Schneckenextruder mit zur Gehäusebohrung radial verschiebbaren Druckstempeln,

Fig.2a einen senkrechten Querschnitt durch den Schneckenextruder gemäß der Schnittlinie H-Il in F i g. 1 bei geschlossenen Druckstempeln, -to

Fig. 2b wie Fig. 2a jedoch bei geöffneten Druckstempeln,

Fig.3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Ansicht A in F i g. 2a,

F i g. 4 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbei- ■·'> spiels der Erfindung,

F i g. 5 eine Schemadarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine Draufsicht gemäß Ansicht Sin Fig. 2a,

F i g. 7 die Kennlinie des Druckes ρ im Verarbeitungs- ^r>« gut in Abhängigkeit des Stelihubes des Druckslempels sowie die Kennlinie des zugehörigen Verstellweges der Verstelleinrichtung,

F i g. 8 die Regeleinrichtung für die Verstellbewegung der Druckstcmpel. ^γλ

Der in Fig. 1 gezeigte Schneckenexsruder 1 besteht aus einem für Kühlzwecke ml·. Kühlbohrungen 2 ausgestalteten Schneckengehäuse 3', irr dessen Gehäusebohrung 4 eine Eintragsöffnung 5 und eine Austragsöffnung 6 ein- bzw. ausmünden. Das Schneckengehäuse «> 3' ist aus mehreren einzelnen Schnsckengehäuscn 1 zusammengesetzt.

In der Gehäusebohrung 4 ist die ein- oder mehrwellig ausgebildete Schneckenanordnung 7 mit einer nicht näher gezeigten Antriebseinrichtung verbunden. <>">

Über die Verfahrenslänge der Schneckenanordnung 7 verteilt sind an geeigneter Stelle in Verbindung mit speziellen austauschbaren Schneckenelementcn 8 wirksame, den Misch- und Knetraum 9 in der Gehäusebohrung im Bereich dieser Schneckenelemente beeinflussende Druckstempel 10 angeordnet.

Die Einflußnahme mittels Druckstempel IO erfolgt durch Veränderui.g des Abstandes der mit den Schneckenelementen 8 korrespondierenden Stempelflache 11 zu den Schneckenkämmen 12 dieser Schneckenelemente, wodurch ein mehr oder minder großer Rückstau des Verarbeitungsgutes und damit stromaufwärts ein Druckaufbau erzielt wird.

Als Schneckenelemente 8 können je nach Verfahrensaufgabe die verschiedenartigsten Formen zur Anwendung gelangen, wie z. B. runde oder als Knetblöcke aneinandergereihte Scheiben mit bestimmten Steigungswinkel, oder Schneckenabschnitte mit entgegen der Förderrichtung wirksamer Kammsteigung, sog. Rückförderelementen 13. In Verbindung mit kleinsten noch regelbaren Veränderungen des Durchtrittsquerschnittes im Bereich dieser Schneckenelemente ist eine gezielte Energieeinleitung, verbundji mit Änderungen des Druckaulbaus und des Temper uirgefüges, im Verarbeitungsgut ermöglicht.

Die gemeinsame Betätigung der Druokstemoel 10 unter Einschluß exakter Regelmöglichkeit bei absolut gleichen Hubbewegungen ist daher für eine optimale Nutzung des Schneckenextruders für die vielfältigsten Verfahrensaufgaben von großer Bedeutung. Die Hublänge der Druckstempel 10 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,12xSchnecke.<durchmesser D. Dabei können die Schneckenelemente 8 ohne Ausbau der Druckstempel 10 für eine unterschiedliche Verarbeitung oder bei einem Produktwechsel rasch ausgetauscht werden.

Um den zwischen der Gehäusebohrung 4 und den Schneckenkämmen 12 gebildeten freien Strömungsquerschnitt zur Erzielung eines weiten Steuerbereiches optimal zu beeinflussen, sind die Druckstempel 10 gegenüberliegend angeordnet und so dimci^ioniirt.daß sie in ihrer wirksamen Arbeitsbreite nahezu vollständig den Durchmesser der Gehäusebohrung 4 überdecken, urr. damit einen großen Teil des Umfanges der Gehäusebohrung 4 zu erfassen So reicht bereits ein geringes Anheben der Druckstempcl 10 aus, um wirksam den Aufschmelzgrad des Verarbeiiungsgutes zu beeinflussen.

Hierbei ist von Vorteil, daß das Verarbeitungsgut trotz Hubverstellung der Druckstempel 10 in diesem Bereich noch dem vollen Einfluß der Schneckenkämme 12 unterworfen bleibt und sich nicht absetzt.

Wie insbesondere in Fig. 2a gezeigt, ist zur Vermeidung extrem spitzer Zwickel 14 für die Ausbildung der Druckstempel 10 nur eine geringfügige Abweichung der Ste npelbreite vom Durchmesser der Gehäusebohrung 4 vorgesehen.

Wie hieraus veiter ersichtlich ist, erfolgt die Abdichtung der Stempelführung im Gehäuse gegen Produktaustrilt durch einen in die Gehüuseöffnung 15 eingeschobenen Metall-Lippenring 16, wobei dessen auf dem vorzugsweise zylindrischen Stempelschaft 17 gleitende Dichtlippe 16' elastisch vorgespannt ist. Die hiermit erzielbare Abdichtung wird noch '-'erstarkt durch das die Dichtlippe 16' unter Druck beaufschlagende Verarbeitungsgut. Der Metall-Lippenring 16 ist aus einen· temperaturbeständigen Lagermetall, vorzugsweise Aluininium-Bmnze, gebildet.

Zwischen dem Metall-l.ippenring 16 und Hen diese umschließende Ausdrehung 18 ist eine t'rodukt-Auffangkammer 19 gebildet, in der sich Leckgut ansammelt,

das über eine Ablaßschraube 20 periodisch abgelassen werden kann.

Tür die gemeinsame Betätigung der zumindest in einer Hbene senkrecht zum Gehäuse 3 angeordneten Druckstempel 10 ist ein Kniehebelantrieb 21 vorgesehen, dessen jeweils mit einem Druckstempel 10 gekoppelter Antriebshebel 22 einseitig mit dem Schneckengehäiise 3 fest verbunden ist. Das jeweils freie Ende dieses Antriebshebels 22 ist mit einer in diesem drehbeweglich geführten Lasche 23 verbunden, die ebenfalls drehbeweglich in einem als Parallelführung dienenden Führungshebcl 24 angclcnkt ist.

Die Parallelführung des Führungshebels 24 erfolgt durch einen in einem Führungsgehäuse 25 verschiebbaren Kulissenstein 26. der mit diesem Führungshebcl 24 fest verbunden ist. Der erwünschte gleich große parallele Hub der Druckstempel 10 ist dadurch sichergestellt, daß die Kniehebelanordnung bei gleichen

Schncckenextrudcrs führenden und durch die Senkrechte zu zwei gegenüberliegenden Druckstcmpeln IO gebildeten Ebene angeordnet ist. Auch die Längsachse des Kulissensteins 26 und des diesen umgebenden I uhrungsgehäuses 25 liegen in dieser F.benc. Zur parallelen Führung des Führungshebcls 24 dient eine antreibbarc Gewindespindel 27. die im Zusammenwirken mit einem im Kulissenstein 26 angeordneten Innengewinde 28 dessen Hubbcw egung ermöglicht. Das Führungsgehäuse 25 weist für die drehbewegliche Verankerung der Gewindespindel 27 ein Drucklager 29 und ein Radiallager 30 auf.

Der Antrieb der Gewindespindel 27 und damit die hubbewegliche Betätigung der Druckstcmpel 10 erfolgt zweckdienlich über eine abbremsbare Antriebseinrichtung 31. ζ B. einem Elektromotor, und einem dieser nachgcordneten Schneckenradgetriebe 32.

Die im Bereich der Rückförderelementc 13 des Sch.ieckcncxtniders über nicht näher dargestellte Meßeinrichtungen P\i ermittelten Druck- bzw. Temper.iturmeßwerte werden einer mit einer Steuereinrichtung 33 verbundenen Programmeinrichtung 33 umgesetzt, die nach Maßgabe der jeweiligen Führungsgrößc die Regelgröße, also beispielsweise den Massedruck, im Schneckenextruder über die steuerbare Antriebseinrichtung 31 bestimmt (Fi g. 8).

Die Übertragung der Hubbewegung vom Antriebshebel 22 auf den jeweiligen Druckstempel 10 erfolgt, wie insbesondere F i g. 6 zeigt, über eine im Antricbshebel 22 gelagerte Achse 35. die stirnseitig seitlich angeflachte Zapfen 36 zur drehfesten Verankerung in einer Hülse 37 aufweist. Die Hülse 37 ist unmittelbar mit einem Gehäuseflansch 38 verbunden.

Der Antriebshebel 22 kann entsprechend der Schemadarstellung in Fig.4 unmittelbar mit dem Gehäuse verbunden sein, wobei der Druckstcmpel 10 jeweils mittels eines Gelenkhebels 44 mit dem Antriebshebel 22 verbunden ist.

Diese Ausführung setzt jedoch eine weitgehend maßgenaue Ausbildung aller die Stempelbelätigting bewirkender Teile voraus. Außerdem besteht hierbei nur in geringem Umfange die Möglichkeit einer Nachjiistieriing der bewegten Teile im Sinne eines reibungsarmen Betriebes der Gesamtcinrichtiing. Eine Verbindung des Antriebshebels 22 mittels eines weiteren, am Schneckengehäiise 3 vcrschwenkbai angeordneten Gelenkhebels 41 entsprechend I'ig. 2a. 2b und I i g. 5 dagegen ermöglicht eine bessere Finstellbarkc.il des gesamten Kniehebelaniriehcs in bezug auf eine leichtgängige Übertragung der llubbewegung auf die einzelnen Druckslcmpel 10. So kann der Gelenkhebel 41 beispielsweise auch zweiteilig ausgebildet sein, womit durch nachträgliche Verbindung mittels pinpr KrhraithvprhinHiinp 4? hrirlpr flplpnk Ipilp zunächst alle übrigen llebclclemenle des Knichebclantriebs in Verbindung mit dem Druckstempel 10 bei vorgegebenem Passungsspiel klemmfrci justiert werden können.

Wie ,ms dem Diagramm in F i g. 7 ersichtlich, steigt der Druck ρ im Verarbeitungsgut bei sich veränderndem Slempelhub s entsprechend einer Hyperbelfunklion. Insbesondere bei kleinen Durchtrittsspalten zwisc^n Druckslcmpel und Schneckenkämmen erfolgt so eine progressive Drucksteigerung.

Bei einer Betätigung der Druckstcmpel 10 mittels des Kniehcbclantricbes wird dieser unerwünscht hohe Druckanstieg im Bereich enger Spaltquersehnittc wesentlich abgemildert, weil dieser Antrieb beim Übergang in die Strccklage der Kniehebel bei in der Zeiteinheit gleichbleibendem Vcrstcllweg der Gewindespindel 27 einen kleiner werdenden Hubweg der Druckstcmpel 10 bewirkt, wodurch eine annähernde Linearisierung der Kennlinie des Druckaufbaus in Abhängigkeit des Verstellweges der Gewindespindel 27 erreicht ist. Dadurch ist eine feinfühlige Regelung des Druckaufbaus im Verarbeitungsgut insbesondere im wichtigsten Vcrstcllbercich der Druckstempel 10. nämlich bei engsten Spaltquerschnitten zwischen Druckstcmpel 10 und Schneckenkämmen ^ermöglicht.

Die Schneckengehäuse 3 des Schneckenextruders 1 sind jeweils mit einem eigenen Kühlkreislauf ausgestattet, um durch Energieeinleitung frei werdende überschüssige Wärme abzuführen.

Der Kühlkreislauf ist gebildet aus einer Vielzahl untereinander in Verbindung stehender Kühlbohrungen 2 mit Einlauf- und Auslaufanschlüssen 43 und 43'.

Hiernach lassen sich thermische Schädigungen empfindlicher Produkte weitgehend vermeiden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes in einem Schneckenextruder für Kunststoff mit in zumindest einer Ebene des Schneckengehäuses angeordneten und radial zur Gehäusebohrung verschiebbaren Druckstempeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstempel (10) mit einem am Schneckengehäuse (3) angelenkten gemeinsamen Kniehebelantrieb (21) verbunden sind, dessen Antriebshebel (22) und Lasche (23) durch einen radial zur Gehäuselängsachse in sich parallel durch eine Antriebseinrichtung verschiebbaren Führungshebel (24) betätigbar sind, wobei die Lasche (23) mit dem Führungshebel (24) und dem freien Ende des Antriebshebels (22) gelenkig verbunden ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebshebel (22) und Lasche (23) paarweise symmetrisch um die Gehäuselängsachse angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelverschiebung des Führungshebels (24) durch einen in einem Führungsgehäuse (25) mittels antreü barer Gewindespindel (27) gleitenden Kulissenstein (26) bewirkba/ ist, wobei der Führungshebel (24) achsmittig innerhalb eines frei zugänglichen Bereiches des mit dem Schneckengehäuse (3) verbundenen Führungsgehäuses (2ü_y mit dem Kulissenstein (26) starr verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führung^ebel (24) aus zwei einander parallel zugeordneten Hebeln (39, 40) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebshebel (22) mittels eines Gelenkhebels (41) am Schneckengehäuse (3) angelenkt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkhebel (41) zweiteilig ausgebildet ist, wobei dessen Hebelteile durch eine Schraubverbindung (42) starr miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstempel (10) eintrittsseitig im Schneckengehäuse (3) in einem mit vorgespannter Dichtlippe (16') ausgestatteten Metall-Lippenring (16) geführt sind.