DE69312074T2

DE69312074T2 - Verteilerkopf zur herstellung von rohrförmigen profilen aus einem oder mehreren kunststoffsträngen

Info

Publication number: DE69312074T2
Application number: DE69312074T
Authority: DE
Inventors: Hendrik Veen
Original assignee: Machinefabriek de Rollepaal BV
Current assignee: Machinefabriek de Rollepaal BV
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2013-07-31
Also published as: JPH08500302A; WO1994004341A1; CA2141418C; DK0656824T3; ES2104173T3; JP3500414B2; DE69312074D1; NL9201457A; EP0656824A1; EP0656824B1; ATE155068T1; CA2141418A1; US5620714A; AU4835293A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verteilerkopf zur Herstellung eines rohrförmigen Profils aus einem oder mehreren Strömen eines extrudierten thermoplastischen Kunststoffes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In vielen Fällen werden Extruder, die an ihrer Ausgabeseite mit einem Verteilerkopf verbunden sind, zur Herstellung rohrförmiger Profile aus thermoplastischen Kunststoffen verwendet. Im Falle von Profilen mit einer aus einer einzigen Schicht bestehenden Wand ist dieser Verteilerkopf im allgemeinen in einer Reihe mit dem Extruder liegend angeordnet, so daß der Materialstrom aus dem Extruder praktisch geradlinig durchläuft. Für bestimmte Anwendungen und Materialien sind auch Verteilerköpfe bekannt, bei denen die Richtung des Materialstroms geändert wird. Solche Verteilerköpfe werden im allgemeinen als "Querspritzköpfe" bezeichnet. Im Vergleich zu den oben erwähnten Verteilerköpfen, die in einer Reihe mit einem Extruder liegend angeordnet und die auch als "Längsspritzköpfe" bekannt sind, haben Querspritzköpfe dieser Art u.a. den Vorteil, daß der Innenraum des extrudierten Rohres leicht zugänglich ist, zum Beispiel, um einen gekühlten Kern einzusetzen.
DE-U-l 927 405 beschreibt einen derartigen Querspritzkopf, welche Veröffentlichung als Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 dient. Das Strömungskanalsystem dieses bekannten Querspritzkopfes ist dadurch gebildet, daß ein Muster von Nuten in der äußeren Oberfläche eines zylindrischen Dorns des Spritzkopfes vorgesehen ist. Dieser Dorn paßt festsitzend in einen ringförmigen Körper des Querspritzkopfes.
Aufgrund dieser Ausbildung haben die Strömungskanäle dieses bekannten Querspritzkopfes eine Krümmung entsprechend dem Durchmesser des Dorns, wenn man den Querschnitt des Spritzkopfes betrachtet. Des weiteren haben die Strömungskanäle einen rechteckigen Querschnitt mit scharfen Ecken. Die Krümmung der Strömungskanäle und die scharfen Ecken führen zu einer Ungleichmäßigkeit der Strömung des Kunststoffmaterials.
Im Falle eines weiteren bekannten Verteilerkopfes, bei dem zumindest eine Einlaßöffnung in einem Winkel zur Mittellinie der zugehörigen Auslaßöffnung angeordnet ist, wird der durch diese Einlaßöffnung eingespeiste Materialstrom in einem Ringraum in eine Anzahl von Zweigströmen aufgeteilt, und stromabwärts davon werden die Zweigströme vereinigt, um einen geschlossenen Ring an der Auslaßöffnung zu bilden. Das in diesen Verteilerkopf an der entsprechenden Einlaßöffnung eingeführte Material strömt auf verschiedenen Wegen zur zugehörigen Auslaßöffnung. Der Nachteil in diesem Fall ist der, daß die Strömungswege einen zueinander unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen. Zusätzlich ist die Tatsache, daß die Länge der verschiedenen Strömungswege erheblich differieren kann, nachteilig. Im Ergebnis variiert die Verweilzeit des Kunststoffmaterials im Verteilerkopf und ist schwierig zu bestimmen, was einen ungünstigen Effekt auf die Prozeßsteuerung und die Prozeßregulierung hat. Diese Nachteile treten in einem erheblichen Umfang insbesondere dann auf, wenn der Materialstrom im Verteilerkopf die Richtung ändern muß.
Ein empfindliches Material, wie etwa z.B. normales Hart- Polyvinylchlorid (PVC) kann unter Verwendung eines "Querspritzkopfes" nur dann verarbeitet werden, wenn den Zusatzmitteln besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird, die in das PVC mit eingemischt werden, um die notwendige Stabilität sicherzustellen. Jedoch sind diese Zusätze teuer, beeinflussen die Eigenschaften des Materials nach der Extrusion ungünstig und verunreinigen in vielen Fällen die Umgebung.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen. Um diese Aufgabe zu lösen, sieht die Erfindung einen Verteilerkopf gemäß dem Anspruch 1 vor. Der Verteilerkopf nach der Erfindung vermeidet das Auftreten von "Heißstellen", d.h. Stellen mit einer übermäßig hohen Temperatur.
Vorteilhaft sind die Querschnittsflächen der Strömungskanäle stromabwärts einer Verzweigung gleich und zusammengenommen im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche des Strömungskanals stromaufwärts der Verzweigung. Die Tatsache, daß die gesamte Querschnittsfläche gleich bleibt, stellt sicher, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Materials nicht unter eine vorbestimmte untere Grenze fällt.
Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn alle Wege durch die Strömungskananäle, die einem Strömungskanalsystem zugeordnet sind, im wesentlichen die gleiche Länge zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung aufweisen und die Veränderung im Querschnitt der Strömungskanäle sämtlicher Wege im wesentlichen identisch ist. Es ist somit so weit wie möglich sichergestellt, daß das durch ein Strömungskananalsystem strömende Kunststoffmaterial im wesentlichen den gleichen Widerstand auf jedem Strömungsweg hat und eine identische Verweilzeit besitzt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Ringkanal mit einer Auslaßöffnung verbunden, wobei die Querschnittsfläche dieses Kanals in einer ersten Zone zwischen der Auslaßöffnung und einer Engstelle abnimmt und in einer zweiten Zone stromabwärts der Engstelle derart zunimmt, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Materialstroms in der ersten bzw. zweiten Zone um einen Maximalfaktor von 5 pro Sekunde zunimmt bzw. abnimmt. Eine höhere Verformung pro Zeiteinheit des Kunststoffmaterials würde Veranlassung für ein Aufreißen des Materials geben.
Vorzugsweise ist bei jeder Verzweigung der kleinste Winkel, der von dem Strömungskanal stromaufwärts der Verzweigung und einem Strömungskanal stromabwärts der Verzweigung gebildet ist, größer als 90º. Insbesondere wenn empfindliche Kunststoffmaterialien verarbeitet werden, ist somit sichergestellt, daß das Material nicht mit einem zu spitzen Winkel strömt und daß die Strömungsgeschwindigkeit örtlich nicht in einem zu großen Ausmaß differiert mit dem Ergebnis, daß das Material zu einem Zersetzen neigt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt der Verteilerkopf eine Anzahl von Körpern, wobei jeder Körper mit sämtlichen Strömungskanälen versehen ist, die einer Verzweigungsstufe zugeordnet sind. In diesem Fall sind die Körper vorzugsweise scheibenförmig. Dieses stellt sicher, daß die Strömungskanäle in jeder Scheibe auf einfache Weise vorgesehen werden können und schafft somit die Möglichkeit, ein Strömungskanalsystem mit der ihm eigenen komplizierten Konstruktion herzustellen. Bei dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, bestimmte Scheiben in mehr als einem Strömungskanal und für verschiedene Rohrprofile zu verwenden. Die Strömungskanäle können gleichfalls auf einfache Weise gereinigt werden.
Bei einer Ausführungsvariante sind die Körper im Verteilerkopffestgelegt mittels mit ihrem Außenumfang in Eingriff stehender Klemmringe und eines sich durch eine axiale Bohrung in den Körpern hindurcherstreckenden Kerns. Montage und Demontage können somit auf einfache Weise erfolgen.
Wenn ein Rohrprofil mit einer mehrschichtigen Wand herzustellen ist, hat der Verteilerkopf eine Mehrzahl konzentrischer Auslaßöffnungen und eine Anzahl von Einlaßöffnungen. In diesem Fall ist es z.B. möglich, daß eine Einlaßöffnung mit zwei Strömungskanalsystemen verbunden wird, um die Innen- und Außenschicht eines Rohrprofils zu bilden, dessen Wand aus drei Schichten besteht. Außerdem kann ein Extruder z.B. mit zwei Einlaßöffnungen mittels eines Verteilerstücks verbunden werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung eines Ausführungsbeispiels eines Verteilerkopfes nach der Erfindung näher erläutert; es zeigt:
Fig. 1 eine Explosivansicht eines Verteilerkopfes nach der Erfindung zur Bildung eines Rohres aus thermoplastischem Kunststoff, welches Rohr eine aus drei Schichten bestehende Wand besitzt,
Fig. 2 eine Darstellung des Verteilerkopfes nach Fig. 1 in Form eines Drahtmodells,
Fig. 3 eine Darstellung der Form des Strömungskanalsystems des Verteilerkopfes nach Fig. 1,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Verteilerkopf nach Fig. 1 und
Fig. 5 einen Produktionsaufbau mit drei Extrudern und dem Verteilerkopf nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Verteilerkopf, der als Ganzes mit der Bezugszahl 1 bezeichnet ist. Drei Extruder können mit einem Basisteil 2 zur Bildung eines Rohrprofils mit einer dreischichtigen Wand verbunden werden. Der Verteilerkopf umfaßt zwei scheibenförmige Körper 3, 4. Mittels eines Kerns 5 können die scheibenförmigen Körper in der Mitte am Basisteil 2 befestigt werden. Ein Ring 6 ist auf den Außenumfang des Basisteils 2 aufgeschraubt, welcher Ring mit einer kreisförmigen Nut auf seiner Außenseite versehen ist. Durch Anbringen eines aus zwei Hälften bestehenden Klemmringes 7 in dieser Nut und in einer Nut des scheibenförmigen Körpers 4 werden die scheibenförmigen Körper 3, 4 am Basisteil 2 befestigt. Ein Düsenkörper (nicht gezeigt) kann am Verteilerkopf mittels eines Klemmrings 8 angebracht sein. Die Ringe 9, von denen ein Bereich teilweise weggelassen ist, werden am scheibenförmigen Körper 4 mittels Schrauben angebracht.
Fig. 2 zeigt ein Drahtmodell des Verteilerkopfes 1 aus Fig. 1, wobei insbesondere der Aufbau und die Position der Strömungskanalsysteme gezeigt ist. Drei Extruder konnen mit dem Verteilerkopf an Einlaßöffnungen 10, 12, 14 verbunden werden. Die Mittellinie des Extruders zur Bildung der Zwischenschicht der Wand des zu bildenden Rohrprofils fällt mit der Mittellinie 16 des Verteilerkopfes zusammen. Die Mittellinien der Extruder zur Bildung der Innen- bzw. der Außenschicht stehen in einem Winkel zur Mittellinie des Verteilerkopfes. Der Verteilerkopf umfaßt drei Strömungskanalsysteme 30, 32 und 34 zur Bildung der Zwischen-, Außen- und Innenschicht der Wand. Jedes Strömungskanalsystem 30, 32, 34 hat einen kurzen Einlaßkanal 36, 38, 40, der mit einer Einlaßöffnung 10, 12, 14 verbunden ist. Außerdem hat jedes Strömungskanalsystem eine Anzahl von Auslaßkanälen 48, 50, 52, die mittels fächerförmiger Mündungen in eine Auslaßmündung 20, 22, 24 ringförmigen Querschnitts ausmünden und deren Mittellinie mit der Mittellinie 16 des Verteilerkopfes zusammenfällt.
Der Aufbau der Strömungskanalsysteme des Verteilerkopfes 1 ist in der Darstellung nach Fig. 3 näher gezeigt. In jedem Strömungskanalsystem 30, 32, 34 verzweigt sich der zugehörige Einlaßkanal 36, 38, 40 in einer Anzahl von Stufen und über Strömungszwischenkanäle 60, 62, 64 in eine Anzahl von Außlaßkanälen 66, 68, 70, die im wesentlichen mit dem gleichen gegenseitigen Abstand enden und in einem Kreis um die Mittellinie des Verteilerkopfes angeordnet sind. Die Außlaßkanäle laufen in fächerförmigen Mündungen 72, 74, 76 aus, die an ihren Austrittsenden aneinandergrenzen.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verzweigung jedes Einlaßkanals 36, 38, 40 in drei Stufen, so daß jedes Strömungskanalsystem letztendlich acht Auslaßkanäle besitzt. Ein über eine Einlaßöffnung eintretender Materialstrom wird somit in einem Strömungskanalsystem in acht Zweigströme aufgeteilt, die gleichmäßig über den Umfang eines Kreises verteilt sind. Am Ende der fächerförmigen Mündungen werden die Zweigströme zur Bildung eines Material stroms ringförmigen Querschnitts vereinigt.
Der Aufbau des Verteilerkopfes mit scheibenförmigen Körpern 3, 4, die jeweils mit sämtlichen zu einer Verzweigungsstufe gehörenden Strömungskanälen versehen sind, ermöglicht eine einfache Herstellung der komplizierten Strömungskanalsysteme. Die zylindrischen Strömungskanäle können in jedem Fall durch einen scheibenförmigen Körper (sowie durch das Basisteil 2) gebohrt werden, und die gewünschte Form der Verzweigungen und Biegungen kann man durch einen Fräsvorgang erhalten. Die fächerförmigen Mündungen sind in gleicher Weise einfach herzustellen. Die ringförmigen Seitenflächen der scheibenförmigen Körper und des Basisteils sind so ausgebildet, daß sie um die Strömungskanäle durch Klemmwirkung aneinandergedrückt werden können, um so eine wirksame gegenseitige Abdichtung zu erhalten.
Die drei konzentrischen Materialströme, die aus dem Verteilerkopf 1 austreten und einen ringförmigen Querschnitt aufweisen, werden miteinander in einem Düsenkörper vereinigt, der nicht Teil der Erfindung ist, um ein Rohrprofil mit einer dreischichtigen Wand zu bilden.
Um ein hochwertiges Produkt zu erhalten, ist es wünschenswert, daß sämtliches Kunststoffmaterial, das in ein Strömungskanalsystem zu einem gegebenen Zeitpunkt eintritt, das Strömungskanalsystem wieder gleichzeitig verläßt. Unterschiede in den Strömungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Zweigstrome in einem Strömungskanalsystem sind daher einzuschränken.
Zu diesem Zweck ist die Länge sämtlicher Wege durch die Strömungskanäle in einem Strömungskanalsystem zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung im wesentlichen identisch, ebenso wie die Veränderung im Querschnitt der diesen Wegen entsprechenden Strömungskanäle identisch ist.
Aufgrund der Natur des geschmolzenen Kunststoffmaterials wird eine laminare Strömung in den zylindrischen Strömungskanälen erzeugt. Die in jedem Strömungskanalsystem vorhandenen Biegungen haben ein sphärisches bzw. abgeflachtes sphärisches Profil, was auch der Fall für die Stellen ist, an denen sich die Kanäle verzweigen.
Da die zylindrischen Strömungskanäle in massiven Scheiben gebildet sind, die üblicherweise aus Stahl hergestellt sind, wird die Wärme, die sich infolge der Reibung des durch die Strömungskanäle strömenden Materials entwickelt, gleichmäßig zur Außenseite abgeführt. Außerdem gibt es keine abrupten Übergänge, wie es der Fall wäre, wenn die Strömungskanäle einen rechteckigen Querschnitt hätten. Das Auftreten sogenannter Heißstellen wird damit vermieden.
Bei einem Verteilerkopf nach der Erfindung hat es sich als möglich erwiesen, beim Verarbeiten eines zersetzungsanfälligen Materials, wie etwa PVC, die Richtung eines aus einem Extruder austretenden Materialstroms zu ändern und ihn zu einem Materialstrom ringförmigen Querschnitts ohne den Zusatz von die Stabilität des Materials fördernden Substanzen und ohne eine Materialzersetzung neu zu formieren.
Durch die Verwendung des oben beschriebenen Verteilerkopfes können Rohre mit einer mehrschichtigen Wand und ausgezeichneten Eigenschaften gewonnen werden.
Die fächerf ormigen Mündungen der jeweiligen Strömungskanalsysteme können in der Weise zueinander angeordnet werden, daß sich die "Schweißlinien" nicht an derselben Stelle auf dem Umfang des Rohres befinden. Ein etwaiger ungünstiger Schweißlinieneffekt wird auf diese Weise weiter verringert.
Der Längsschnitt nach Fig. 4 zeigt den Verteilerkopf 1. Der scheibenförmige Körper 4 ist sowohl mit den Auslaßkanälen als auch mit den fächerförmigen Mündungen versehen. Bei einer anderen Ausführungsform besteht der scheibenförmige Körper 4 aus zwei gesonderten scheibenförmigen Körpern, von denen der eine mit den Auslaßkanälen und der andere mit den fächerförmigen Mündungen versehen ist. Diese scheibenförmigen Körper können aneinander mittels eines Klemmringes festgelegt werden. Die gestrichelte Linie markiert den Umriß eines Teils eines mit dem Verteilerkopf verbundenen Düsenkörpers. Die Ringe 9 und der Kern 5 bilden Ringkanäle 54, 56, 58, die mit den Auslaßöffnungen 20, 22, 24 verbunden sind und jeweils eine Engstelle 59, 61, 63 aufweisen.
Fig. 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Verteilerkopfes 1. Ein Extruder 75 liefert das Kunststoffmaterial zur Bildung der Zwischenschicht, während die Extruder 76 und 77 die Innen- bzw. Außenwand bilden. Nachdem es den Verteilerkopf und den Düsenkörper 78 verlassen hat, wird das Rohrprofil in einer Kühlvorrichtung 80 gekühlt.
Bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel ist ein Verteilerkopf zur Bildung eines runden Rohres mit einer dreischichtigen Wand beschrieben worden. Jedoch findet die Erfindung auch auf einen Verteilerkopf zur Bildung eines Rohrprofils Anwendung, das einen Querschnitt besitzt, der nicht rund ist.
Bei einer etwas anderen Ausführungsform kann der Verteilerkopf zwei oder nur ein Strömungskanalsystem anstelle von drei umfassen. In diesen Fällen wird ein Rohrprofil mit einer zweischichtigen bzw. einschichtigen Wand mittels des Verteilerkopfes gebildet. Die durch die Erfindung erstrebten Vorteile werden in diesen Fällen in gleicher Weise erreicht.

Claims

1. Verteilerkopf (1) zur Herstellung eines rohrförmigen Profils aus einem oder mehreren Strömen eines thermoplastischen Kunststoffes, welcher Verteilerkopf zumindest ein Strömungskanalsystem (30, 32, 34) für einen Strom eines thermoplastischen Kunststoffes umfaßt, welches Strömungskanalsystem sich zwischen einer Einlaßöffnung (10, 12, 14), die mit einem Extruder verbunden werden kann, und einer Auslaßöffnung (20, 22, 24) mit ringförmigem Querschnitt erstreckt, wobei das Strömungskanalsystem einen mit der Einlaßöffnung verbundenen Einlaßströmungskanal (36, 38, 40) umfaßt, welcher Einlaßströmungskanal sich in Zwischenströmungskanäle (60, 62, 64) in einer Anzahl von Verzweigungsstufen mit zugehörigen Verzweigungen unterteilt, welche Verzweigungsstufen aufeinander in axialer Richtung des Verteilerkopfes folgen, die letzten Zwischenströmungskanäle sich in Auslaßströmungskanäle (66, 68, 70) verzweigen, die auf einem Umfang um die Mittellinie der Außlaßöffnung ausmünden, und jeder Auslaßströmungskanal (66, 68, 70) mit einer fächerförmigen Mündung (72, 74, 76) verbunden ist, die in die Auslaßöffnung ausmündet, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strömungskanal des Strömungskanalsystems einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist und im wesentlichen geradlinig verläuft.

2. Verteilerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Strömungskanäle stromabwärts einer Verzweigung gleich ist und zusammengenommen im wesentlichen gleich ist der Querschnittsfläche des Strömungskanals stromaufwärts der Verzweigung.

3. Verteilerkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkopf (1) eine Mehrzahl aufeinanderfolgender axialer Körper (2, 3, 4) umfaßt, die jeweils mit sämtlichen Strömungskanälen entsprechend einer einzelnen Verzweigungsstufe des Strömungskanalsystems versehen sind.

4. Verteilerkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Korper im wesentlichen scheibenförmig sind.

5. Verteilerkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Körper (3, 4) im Verteilerkopf mittels Klemmringen (7) festgelegt sind, die mit deren Außenumfang in Eingriff stehen, und daß sich ein Kern (5) durch eine axiale Bohrung in den axialen Körpern erstreckt.

6. Verteilerkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkopf eine Mehrzahl konzentrischer Auslaßöffnungen und eine Anzahl von Einlaßöffnungen aufweist.

7. Verteilerkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Kanal mit der Auslaßöffnung verbunden ist, die Querschnittsfläche welchen Kanals in einer ersten Zone zwischen der Auslaßöffnung und einer Engstelle abnimmt und in einer zweiten Zone stromabwärts der Engstelle derart zunimmt, daß die Strömungsgeschwindigkeit eines Materialstroms in der ersten bzw. zweiten Zone um einen Maximalfaktor von 5 pro Sekunde zunimmt bzw. abnimmt.