DE2947729A1

DE2947729A1 - Maschine zum bearbeiten von kunststoffen

Info

Publication number: DE2947729A1
Application number: DE19792947729
Authority: DE
Inventors: Lefteris Nickolas Valsamis
Original assignee: USM Corp
Current assignee: Farrel Corp
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1979-11-27
Publication date: 1980-06-12
Also published as: IL58709A; DE2947729C2; IT7927693A0; IT1127670B; AU5330979A; DD147523A5; IN153391B; US4213709A; IL58709A0; MX152926A; NL7908643A; AU536942B2; SE7909808L; JPS6221606B2; BE880367A; CA1142727A; JPS5581132A; FR2442706A1; FR2442706B1; GB2041282B

Description

DIPL. ING. HEINZ BARDEHLE PATENTANWALT Aktenzeichen:

Anmelder: USM Corporation

Farmington, Conn. 06032

Zustelladresse: 181 Elliott Street

Beverly, Mass. 01915 München, /i ?. Nc ν ein hör ¹

Mein Zeichen: ρ 2993

Maschine zum Bearbeiten von Kunststoffen

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Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Bearbeiten von Materialien, die flüssig sind oder im Verlaufe der Bearbeitung flüssig werden. Sie kann insbesondere den Bedingungen bei der Bearbeitung von viskosen flüssigen Kunststoffen oder Polymermaterialien angepaßt werden.

Die wesentlichen Elemente eines bekannten ringförmigen Bearbeitungsdurchgangs einer solchen Maschine sind ein drehbewegliches Element, das wenigstens einen Bearbeitungskanal aufweist, sowie ein stationäres Element, das eine koaxiale mit den Bearbeitungskanälen derart zusammenwirkende Fläche aufweist, daß wenigstens ein geschlossener Bearbeitungsdurchgang gebildet wird. Das stationäre Element weist eine Einlaßöffnung, über die das Material dem Durchgang zur Bearbeitung zugeführt wird, sowie eine Auslaßöffnung auf, die von der Einlaßöffnung um einen größeren Teil des Umfangsabstandes längs des Bearbeitungsdurchgangs beabstandet ist und über die das bearbeitete Material aus dem Durchgang ausgegeben wird. In dem Durchgang ist ein Element nahe der Ausgangsöffnung angeordnet, das als Materialsammelabschlußwand dient und die Materialbewegung im Durchgang wenigstens teilweise verhindert sowie mit den sich mitdrehenden Kanalwänden in der Weise zusammenwirkt, daß eine relative Bewegung zwischen dem Material und den in Richtung der Auslaßöffnung drehbwegten Kanalseitenwänden zustande kommt. Dieses besondere Zusammenwirken ermöglicht eine Mitnahme lediglich des mit den Seitenwänden der sich mitdrehenden Kanäle direkt in Berührung stehenden Materials in Vorwärtsrichtung auf die Materialsammelabschlußwand zu, wodurch es in definierter Weise bearbeitet und/oder ausgegeben wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer bekannten Maschine dieser Art sind die wesentlichen Bestandteile des Bearbeitungsmechanismus so angeordnet, daß das die rotierenden Kanäle aufweisende Element in einem stationären Gehäuse oder

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in einer Kammer (das stationäre Element) drehbeweglich gelagert ist. Der Bearbeitungskanal und vorzugsweise eine Mehrzahl solcher Bearbeitungskanäle sind in die zylindrische Oberfläche eines Rotors eingeformt, wobei die einander gegenüberliegenden Wände jedes der Kanäle von der Rotoroberfläche aus nach innen verlaufen. Das stationäre Gehäuse bzw. die Kammer ist mit einer zylindrischen Innenfläche versehen, die die koaxiale Fläche bildet, die zusammen mit wenigstens einem ringförmigen Kanal wenigstens einen Bearbeitungsdurchgang bildet.

Das bekannte Verfahren bzw. die Maschine zu dessen Durchführung dienen dem Fördern fester Stoffe, dem Schmelzen oder Plastifizieren von Kunststoffen oder Polymeren. Sie dienen ferner dem Fördern, Pumpen oder Verdichten viskoser flüssiger Materialien. Weiterhin sind sie einsetzbar zum Mischen, Dispergieren und Homogenisieren von Materialien. Schließlich werden sie auch zum Versetzen mit Gasen und/oder dazu eingesetzt, molekulare oder mikroskopische oder makroskopische Strukturänderungen durch chemische Reaktionen, wie z.B. Polymer isation, herbei zu führ en.

Eine Weiterentwicklung im Zusammenhang mit einer Rotationsbearbeitungsmaschine zur Bearbeitung von Kunststoffen oder polymeren Materialien besteht darin, daß eine Mehrzahl von ringförmigen Bearbeitungsdurchgängen Verwendung findet, die, wie vorstehend beschrieben, durch ein drehbewegliches Element, das mit Kanälen versehen ist,und durch ein stationäres Element gebildet werden, das eine koaxiale Fläche aufweist. Hier sind die ringförmigen Bearbeitungsdurchgänge jedoch so angeordnet, daß sie eine Mehrzahl von Stufen bilden, von denen aus das bearbeitete Material aus einem oder mehreren Bearbeitungsdurchgängen in einen oder mehrere nachfolgende Bearbeitungsdurchgänge übergeben wird, und zwar über interne Übergabedurchgänge, die in der koaxialen Oberfläche des stationären

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Elementes gebildet sind.

Mehrstufen-Rotationsbearbeitungsmaschinen des vorerwähnten Typs können insbesondere so ausgestattet werden, daß sich mit ihnen aufeinanderfolgende verschiedene Bearbeitungsprozesse durchführen lassen, wie z.B. Schmelzen, Mischen und Komprimieren von Materialien, sowie Variationen dieser wie auch anderer Bearbeitungsarten. Es besteht jedoch auch ein Bedarf an einer kompakten, einfachen, relativ billigen und unkomplizierten Rotationsbearbeitungsmaschine, die z.B. als Pumpe eingesetzt werden kann, die sich über eine einfache Zufuhreinrichtung, die beispielsweise unter Schwerkraftwirkung arbeitet, mit Material beschicken läßt und das Material komprimiert und unter hohem Druck ausstößt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine solche Maschine anzugeben.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine insbesondere zum Pumpen von Kunststoffmaterialien oder polymeren Materialien geeignete Bearbeitungsmaschine. Diese erfindungsgemäße Maschine ist eine Rotationsbearbeitungsmaschine mit wenigstens zwei ringförmigen Bearbeitungsdurchgängen, die aufeinanderfolgende Bearbeitungsstufen bilden. Die Durchgänge werden durch ein drehbewegliches Element, das wenigstens zwei Kanäle aufweist und ein stationäres Element mit koaxialer Oberfläche gebildet, die zusammen mit den Kanälen die erwähnten ringförmigen Bearbeitungsdurchgänge bilden. Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Maschine, die dem stationären Teil jedes der Durchgänge zugeordnet sind, bestehen in einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, die voneinander beabstandet angeordnet sind, sowie in einem Element, das nahe der Auslaßöffnung angeordnet ist und das eine Materialsammelabschlußwand bildet. Einer der Durchgänge bildet einen Bearbeitungsdurchgang in einem ersten Bearbeitungsabschnitt, und ist mit ihm zugeordneten Mitteln ausgestattet, die eine Einzugsleistung gewährleisten, die den Durchsatz des Durchganges übersteigt.

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Der zweite Durchgang ist in der Nachbarschaft des erwähnten ersten Durchganges angeordnet und wird nachstehend als Bearbeitungsdurchgang eines weiteren Bearbeitungsabschnittes bezeichnet, da Mittel vorgesehen sind, über die in dem Durchgang des ersten Abschnittes bearbeitetes Material in den zweiten Durchgang gefördert wird, um dort weiter bearbeitet zu werden.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine ist die Geometrie der beiden Arten von Durchgängen so gewählt, daß in ihnen unterschiedliche Ausgabedruckcharakteristiken gelten. Der Bearbeitungsdurchgang des ersten Bearbeitungsbereichs ist relativ breit, um eine maximale Zufuhrleistung zu gewährleisten und entwickelt einen relativ niedrigen Ausgabedruck, der jedoch ausreicht, das Material zum Durchgang des weiteren Bearbeitungsbereichs zu fördern. Im Gegensatz hierzu ist ein Durchgang des weiteren Bearbeitungsbereichs relativ schmal und führt zur Entstehung hoher Ausgabedrucke. Die relative Lage der Einzelbestandteile der erfindungsgemäßen Maschine trägt zusammen mit deren besonderen Merkmalen, beispielsweise der Einzugsleistung eines Durchganges des ersten Bearbeitungsbereichs, der Größenrelation der Bearbeitungsdurchgänge im ersten und im weiteren Bearbeitungsbereich und den Mitteln zur Materialübergabe von einem Durchgang des ersten Bereichs zu einem solchen des weiteren Bereichs dazu bei, daß ein abgestimmtes Zusammenwirken derart zustande kommt, daß die Maschine bearbeitetes Material bei gleichförmiger Ausgaberate und gleichem Ausgabedruck abzugeben vermag,und zwar unabhängig davon, ob die Materialzufuhr sich ändert oder nicht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rotationsbearbeitungsmaschine, bei der einzelne Teile geschnit-

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ten dargestellt und andere weggebrochen gezeigt sind.

Fig. 2 einen schematischen Schnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1 .

Fig. 3 einen schematischen Schnitt entsprechend der Linie III-III in Fig. 5, der die Bewegungsbahn des Materials durch einen Durchgang des ersten Bearbeitungsbereichs veranschaulicht.

Fig. 4 einen vereinfachten schematischen Schnitt entsprechend der Linie IV-IV, der die Bewegungsbahn des Materials durch einen Durchgang des weiteren Bearbeitungsbereichs veranschaulicht.

Fig. 5 einen vereinfachten schematischen Schnitt entsprechend der Linie V-V in Fig. 4, der die Bewegungsbahn des Materials von der Einlaßöffnung durch einen Durchgang des ersten Bearbeitungsbereichs, durch einen Übergabedurchgang und durch einen Durchgang des weiteren Bearbeitungsbereichs bis zur Ausgabe veranschaulicht.

Fig. 6 einen vereinfachten Querschnitt eines Bearbeitungsdurchgangs des ersten Bearbeitungsbereichs, aus dem die gegenseitige räumliche Lage bestimmter Bestandteile dieses Durchgangs ersichtlich wird.

Fig. 7 einen Querschnitt entsprechend der Linie VII-VII in Fig. 6.

Fig. 8 einen vereinfachten Schnitt eines Bearbeitungsdurchgangs des weiteren Bearbeitungsbereichs, der die räumliche Lage der einzelnen Bestandteile dieses Durchgangs veranschaulicht, und

Fig. 9 einen Querschnitt entsprechend der Linie IX-IX in Fig. 8.

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Die erfindungsgemäße Rotationsbearbeitungsmaschine ist insbesondere als Pumpe für viskose Flüssigkeiten einsetzbar und als solche in den Figuren 1 bis 5 dargestellt. Wie dort gezeigt, weist diese Maschine ein drehbares Element auf, zu dem ein Rotor 12 gehört, der an einer Antriebswelle 16 drehbeweglich innerhalb eines stationären Elementes gelagert ist, zu dem ein Gehäuse 14 gehört. Der Rotor 12 weist zylindrische Oberflächenteile 20 auf, die jeweils mit einer Mehrzahl von Bearbeitungskanälen 24,26,28 und 30 versehen sind, deren einander gegenüberstehende Wände 34 jeweils von der Oberfläche 20 aus nach innen verlaufen. Mittel zum Antreiben des Rotors 12 sind hier nicht dargestellt, sie können jedoch von einem Typ sein, wie er gewöhnlich zum Antrieb von Extrudern oder ähnlichen Maschinen zur Bearbeitung von Polymeren eingesetzt wird. Solche Antriebe gehören zum Stand der Technik. Das Gehäuse 14 des stationären Elementes ist mit einer zylindrischen Fläche 22 versehen, die koaxial zu den Oberflächen 20 des Rotors 12 verläuft und mit diesen zusammenwirkt, wobei zusammen mit den Kanälen 24,26,28 und 30 geschlossene ringförmige Bearbeitungsdurchgänge gebildet werden.

Das dargestellte stationäre Element ist mit einer Einlaßöffnung 36 versehen, über die das Material zur Bearbeitung in die Maschine eingegeben wird. Dem stationären Element (Gehäuse 14) sind außerdem interne Ubergabedurchgänge 40 (Figuren 3, 4 und 5) zugeordnet, die die Kanäle 24 und 26 bzw. 30 und 28 miteinander verbinden. Die Einlaßöffnung 36 ist vorzugsweise vom Durchgang 40 in einem Ausmaß beabstandet angeordnet, das von den praktischen Bedürfnissen abhängt. In den Durchgängen 40 wird das bearbeitete Material an die Kanäle 26 und 28 weiter gefördert, um einer weiteren Bearbeitung unterworfen und um über die gemeinsame Auslaßöffnung 46 ausgegeben zu werden. In jeden der Kanäle erstreckt sich ein Element 32 hinein, das eine Materialsammelabschlußwand sowie Abstreifteile bildet, die den Seitenwänden 34 des jeweiligen Kanals unmittelbar benachbart sind. Jedes Element 32 weist eine dem

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dem Kanalquerschnitt komplementäre Form auf und ist in den Kanal, in den es sich hineinerstreckt bei nur geringem Zwischenraum eingepaßt. In radialer Richtung nimmt es eine geeignete Winkelstellung ein, die vom Material und von der gewünschten Materialbehandlung abhängt. In den Kanälen 24 und 3O sammeln die Abschlußwände 31 Material, das dann in die Kanäle 26 und 28 übergeben wird. Auf der anderen Seite erfolgt durch die Flächen 31 in den Kanälen 26 und 28 eine Ansammlung von Material, das dann durch die Auslaßöffnung 46 ausgegeben wird.

Bei der dargestellten Bearbeitungsmaschine sind die Kanäle 24, 26, 28 und 30 und die Elemente 32 bezüglich des Rotors 12 axial-symmetrisch angeordnet. Das heißt mit anderen Worten, daß der Kanal 24 am linken Ende des Rotors 12 dieselbe Größe und dieselbe Geometrie wie der Kanal 30 am rechten Ende aufweist und daß sich der Kanal 26 und der Kanal 28 in Größe und Geometrie gleichen. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Maschine als in zwei Arten von Abschnitten unterteilt angesehen werden, von denen an jedem Ende des Rotors 12 sich ein erster Bearbeitungsabschnitt und von denen sich zwischen diesen beiden ersten Bearbeitungsabschnitten ein weiterer Bearbeitungsabschnitt befindet, der von den erwähnten ersten Bearbeitungsabschnitten Material zur weiteren Bearbeitung aufnimmt. Jeder der ersten Bearbeitungsabschnitte und/oder der weitere Bearbeitungsabschnitt sind mit einem oder mehreren Kanälen versehen, die parallel arbeiten. Bei der dargestellten Maschine ist aus Gründen der Einfachheit bei den ersten Abschnitten lediglich ein solcher Kanal gezeigt. Selbstverständlich können die ersten Abschnitte und/oder der weitere Abschnitt aber auch mit einer Mehrzahl solcher Bearbeitungskanäle versehen sein.

Zur Verwendung als Pumpe ist die Formgebung der Kanäle 24 und 30 so, daß zwischen den Seitenwänden 34 ein relativ breiter

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Spalt besteht, damit das zu bearbeitende Material beim Füllen dieser Kanäle gut eingeführt werden kann. Die Formgebung der weiteren Kanäle 26 und 28 ist jedoch so, daß zwischen gegenüberliegenden Wänden 34 nur ein relativ schmaler Spalt besteht, womit die Pumpwirkung verbessert wird. Um die besten Arbeitsbedingungen zu erhalten, ist die Formgebung und die Ausbildung der Kanäle der ersten Bearbeitungsabschnitte so, daß sie unter bestimmten Bearbeitungsbedingungen Material mit einer Ausgaberate abgeben, die wenigstens gleich groß wie die Bearbeitungsund Ausgaberate aus den Kanälen des weiteren Bearbeitungsabschnittes ist. Selbstverständlich ist eine Vielzahl von miteinander verbundenen Kanälen in den ersten Bearbeitungsabschnitten vorhanden, die axial verlaufende Übergabedurchgänge aufweisen, damit Material an die Bearbeitungskanäle des weiteren Abschnittes weitergegeben werden kann.

Es ist wichtig, ein Lecken aus den Kanälen in die Lager in
den Endwänden 18 der erfindungsgemäßen Maschine oder aus dem Gehäuse heraus so klein wie möglich zu machen. Aus diesem
Grund sind Kanäle 24 und 30 vorzugsweise an den Enden 18 des Rotors 12 angeordnet, um sicherzustellen, daß dort der niedrigste Druck herrscht und dementsprechend das Lecken minimal ist. Ein Lecken, das die Folge höheren Drucks in den schmaleren und in der Mitte angeordneten Kanälen 2 6 und 28 sein könnte, wird wenigstens teilweise durch den Druck verhindert, der in den Kanälen 24 und 30 des dargestellten Ausführungsbeispiels entv/ickelt wird. Der Druck, der in den mittigen Kanälen 26
und 28 entsteht, ist praktisch derselbe, so daß dort praktisch keine Kraft auftritt, die ein Lecken von einem dieser
mittigen Kanäle in einen anderen zur Folge hat.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist der Zwischenraum 50 zwischen den
zylindrischen Flächen 20 des Rotors 12 und den Innenflächen
22 des Gehäuses 14 sehr gering und kann dazu beitragen, ein Lecken zu beeinflussen bzw. zu verringern. Gewöhnlich ist es

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jedoch zweckmäßig, zusätzliche Abdichtmaßnahmen zu ergreifen, so daß ein Lecken soweit wie überhaupt möglich, verringert wird.

Die internen Ubergabedurchgänge 40 (Siehe Figuren 3, 4 und 5) dienen dazu, Material, das in den Kanälen 24 und 30 bearbeitet und unter ausreichendem Druck ausgegeben worden ist, zum Füllen der Kanäle 26 und 28 weiterzugeben. In die Innenfläche 22 des Gehäuses 14 sind vorzugsweise interne Ubergabedurchgänge 40 eingearbeitet, um die Materialübergabe von einem Durchgang zum anderen zu gewährleisten. Zum Zwecke der Materialübergabe von einem Kanal eines ersten Bearbeitungsabschnittes zu einem Kanal eines zweiten Bearbeitungsabschnittes erstrecken sich die zugeordneten Ubergabedurchgänge von einer Stelle vor der Wand 31 des Elementes 3 2 des betreffenden Kanals im ersten Bearbeitungsabschnitt zu einer Stelle, die auf das Element 32 in einem Kanal im weiteren Bearbeitungsabschnitt in Bewegungsrichtung des Rotors 12 folgt. Der Verlauf der Durchgänge 40 ist schraubenlinienförmig, wenn die Elemente 32 in den Bearbeitungskanälen auf einer parallel zur Achse des Rotors 12 verlaufenden Linie liegen. Bei einer alternativen Ausführungsform können auch die Ubergabedurchgänge 40 parallel zur Achse des Rotors 12 verlaufen, wenn das Element 32 im Kanal des weiteren Bearbeitungsabschnittes gegenüber dem Element 32 im Kanal des ersten Bearbeitungsabschnittes gegensinnig zur Drehbewegung des Rotors 12 versetzt ist. Bei Bedarf können auch äußere Materialbahnen statt der dargestellten internen Ubergabedurchgänge Verwendung finden.

Der Weg des bearbeiteten Materials von einem Kanal 24 über einen Ubergabedurchgang 40 in einen Kanal 26 ist im Querschnitt gemäß Fig. 5 genauer dargestellt. Wie dort gezeigt, wird von den Seitenwänden des Kanals 24 mitgenommenes Material an der Abschlußwand 31 des Elementes 32 angesammelt und entwickelt dort einen Druck, durch den es durch den übergabe-

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durchgang 40 gepreßt wird, um dann den Kanal 26 zu füllen. Im Kanal 26 entsteht an dessen Wand 31 ein Druck, der dazu führt, daß bearbeitetes Material durch die Auslaßöffnung 46 hinausgedrückt wird.

Die Einlaßöffnung 36 durch das Gehäuse 14 dient dazu, zu bearbeitendes polymeres Material von einer geeigneten Zufuhrvorrichtung aus, bei der es sich um einen Einfülltrichter oder um eine andere Materialquelle handelt, der Bearbeitung zuzuführen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Einlaßöffnung 36 in axialer Richtung länglich ausgebildet, so daß die Materialzufuhr an alle Kanäle 24, 26, 28 und 30 erfolgt.

Eine Maschine, bei der die Einfüllöffnung so ausgebildet ist, daß das Material lediglich in den oder die Kanäle des ersten Bearbeitungsabschnittes eingegeben wird, und die keine Verbindung mit Kanälen des weiteren Bearbeitungsabschnittes herstellt, liegt jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Eine solche alternative Ausbildung der Einlaßöffnung kann jedoch eine beträchtliche Steigerung der Gesamtgröße der Maschine bedingen, insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl von Bearbeitungskanälen in den ersten Bearbeitungsabschnitten vorhanden sind. Darüberhinaus werden bestimmte weitere Vorteile erzielt, wenn man die Einlaßöffnung so ausbildet, daß sie sowohl eine Verbindung mit Kanälen der ersten Bearbeitungsabschnitte als auch mit denjenigen des weiteren Bearbeitungsabschnittes herstellt. Diese Vorteile werden weiter unten näher erläutert.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 4 verbindet die Einlaßöffnung 36 auch mit dem Kanal 26 (und/oder 28). Unter solchen Umständen ist es wichtig, daß die Einlaßöffnung 36 von dem Übergabedurchgang 40, durch den das Material in die Kanäle 26 und 28 gelangt, beabstandet angeordnet ist. Dieser Abstand muß nur so groß sein, daß das auf der Strecke zwischen der Einlaßöffnung 36 und dem Übergabedurchgang 40 sich bewegende Material

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einen Durchflußwiderstand erfährt, aufgrund dessen sich ein Gegendruck aufbaut, der groß genug ist, um sicherzustellen, daß das geförderte Material die Kanäle 26 (und/oder 28) vollständig füllt. Dieser Abstand in Umfangsrichtung sollte jedoch nicht wesentlich größer als zur Erzeugung dieses Druckes erforderlich sein, da durch diesen Abstand der verfügbare Abstand in Umfangsrichtung verringert ist, in dessen Verlauf in den Kanälen 26 und 28 zu den Endwänden 31 hin sich ein Druck aufbauen kann.

Wie die Figuren 1, 2 und 3 zeigen, ist die Innenfläche 22 des Gehäuses 14 über den größten Teil ihres Verlaufs hinweg zylindrisch, ist jedoch mit Unterschneidungen 42 versehen, die sich über Teile der Kanäle 24 und 30 in der Nachbarschaft der Einlaßöffnung 36 erstrecken. Die Unterschneidungen 42 haben eine derartige Breite, daß ihre Seitenwände 44 sich über die zylindrischen Teile 20 des Rotors 12 erstrecken und dabei Einziehkammern bilden, die so bemessen sind, daß sie ein Einziehvermögen bedingen, das das Durchsatzvermögen der Ubergabedurchgänge des ersten Bearbeitungsabschnittes übersteigt. Wenn z.B. viskoses flüssiges Material in die Einlaßöffnung 36 gegeben wird, wird es von der Zylinderfläche 2O des Rotors 12 bis zu der Stelle mitgenommen, wo die Fläche der Unterschneidungen 42 sich der erwähnten Zylinderfläche des Rotors 12 nähert. Dieser Vorgang begünstigt das Einpressen des viskosen Materials in die Kanäle 24 und 30. Der erwähnte überschüssige Einzugsgrad trägt dazu bei, daß die Kanäle 26 und 28 des weiteren Bearbeitungsabschnittes vollständig von dem Material gefüllt werden, das über Ubergabedurchgänge von Kanälen der ersten Bearbeitungsabschnitte an sie gelangt. Die Verwendung von großen Querschnitten der Kanäle der ersten Bearbeitungsabschnitte kann ebenfalls zu einem überwiegen der Einzugsfähigkeit führen, die erwähnten Unterschneidungen werden jedoch zu diesem Zweck bevorzugt. Es ist jedoch wichtig, daß die Unterschneidungen 42 sich nicht über diejenigen Teile der

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Kanäle 26 und 28 erstrecken, die der Einlaßöffnung 36 gegenüberliegen, da sie dann die Länge der Teile dieser Kanäle verringern würden, die für einen Druckaufbau zur Verfügung stehen.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Maschine wird viskoses, flüssiges Kunststoffmaterial oder ein Polymer in die Einlaßöffnung 36 gegeben und, wie erläutert, durch die Unterschneidungen 42 in die Kanäle 24 und 30 gepreßt. Wenn sich der Rotor 12 dreht, wird das Material in diesen Kanälen durch die Sammelabschlußwand 31 des betreffenden Elementes 32 angehalten, so daß sich die Seitenwände 34 relativ zu dem Materialkörper bewegen. Mit den einander gegenüberstehenden Seitenwänden 34 der Kanäle 24 und 30 in Berührung stehendes Material wird durch diese Seitenwände zur Wand 31 mitgenommen, wodurch ein Druck aufgebaut wird, der das Material durch die Übergabedurchgänge 40 in Kanäle 26 bzw. 28 drückt. Wegen des Gegendrucks aufgrund der Beabstandung des Übergabedurchgangs 40 von der Einlaßöffnung 36, wird an die Kanäle 26 und 28 gefördertes Material in diese Kanäle hineingedrückt, so daß es ihren Querschnitt völlig ausfüllt. Material, das den Seitenwänden 34 der Kanäle 26 und 28 benachbart ist, wird durch diese Seitenwände auf deren Elemente 32 zu bewegt, die zum Aufbau eines Drucks führt, der das Material durch eine gemeinsame Auslaßöffnung drückt.

Wie erwähnt, ergeben sich dadurch weitere Vorteile, daß die erfindungsgemäße Maschine mit einer Einlaßöffnung 36 versehen ist, die eine Verbindung mit allen Kanälen der ersten und des weiteren Bearbeitungsabschnittes herstellt. Ein wesentliches Merkmal einer solcherart ausgestalteten Maschine besteht darin, daß da, wo die Materialzufuhrrate von den Kanälen 24 und 30 zu den Kanälen 26 wenigstens gleich groß oder größer als das Aufnahmevermögen für übergebenes Material der Kanäle 26 und 28 ist, jegliches überschüssiges Material, das die Kanäle 26 und 28 nicht aufnehmen können, zu dem in der Einlaß-

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öffnung 36 befindlichen Material hin austritt. Die Folge hiervon ist, daß der Druck des Materials in den Kanälen 26 und 28 da wo es in die Bereiche eintritt, die durch die Oberfläche 22 des Gehäuses 14 begrenzt werden, praktisch gleich groß wie der Druck ist, der in der Einlaßöffnung herrscht. Der Druck in der Einlaßöffnung 3 6 ist etwa gleich groß wie derjenige der Umgebungsluft oder höher,wenn beabsichtigt ist, dazu beizutragen, daß die Kanäle 24 und 30 gefüllt werden. Hierdurch wird sichergestellt, daß zu jedem Zeitpunkt die Kanäle 26 und 28 vollständig angefüllt, jedoch keinerlei Druckschwankungen unterworfen sind, die dadurch Zustandekommen könnten, daß die Materialausgaberate von den Kanälen 24 und 30 an die vollständig geschlossenen Teile der Kanäle 26 und 28 schwankt. Wenn z.B. die Materialausgabe aus den Kanälen 24 und 30, die normalerweise für die zum Füllen der Querschnitten der Kanäle 26 und 28 nötige Materialmenge sorgt, schwankt oder vorübergehend gestört ist, hat das viskose Material in der Einlaßöffnung 36 direkten Zugang zu den freiliegenden Teilen der Kanäle 26 und 28, so daß jedes Defizit beim Füllen dieser Kanäle vollständig durch das in der Einlaßöffnung 3 6 befindliche Material ausgeglichen werden kann. Durch diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Maschine ist sichergestellt, daß die Kanäle 26 und 28 bei konstantem Druck immer gefüllt sind und ermöglicht, daß diese Kanäle über die Auslaßöffnung 46 das bearbeitete Material immer im gleichen Ausmaß und mit konstantem Druck abgeben.

In der bisherigen Beschreibung ist die erfindungsgemäße Maschine als Pumpe für Material geschildert worden, das von Anfang an, d.h. vom Zeitpunkt der Zufuhr an die Einlaßöffnung an, viskos ist. Es ist jedoch auch möglich, Material in stückiger Form oder als Schmelze zuzuführen und dann zu pumpen, vorausgesetzt, daß Mittel vorgesehen sind,die verhindern, daß das stückige Material oder noch nicht geschmolzenes Granulat in die Kanäle 26 und 28 direkt eingegeben oder

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in sie hineingefördert wird. Bei der Bearbeitung stückigen Materials ist es insbesondere wichtig, daß die Rate, mit der die Kanäle 24 und 30 geschmolzenes Material an die Kanäle 26 und 28 übergeben, so groß ist, daß die Abgabe von Materialüberschuß aus den Kanälen 26 und 28 an die Einlaßöffnung 36, von wo aus es wieder in die Kanäle 24 und 30 gelangt, immer gleich groß ist. Durch das Aufrechterhalten dieser Materialzufuhrrate an die Kanäle 26 und 28 werden jegliche Materialkörnchen weggeschwemmt, so daß sie nicht in die Kanäle 26 und 28 gelangen.

Insbesondere bei der Bearbeitung von Material, das anfänglich stückig ist, ist es wichtig, eine Mehrzahl von Kanälen in den ersten Bearbeitungsabschnitten vorzusehen, um sicherzustellen, daß eine Materialschmelze entsteht und dementsprechend geschmolzenes Material an den oder die Kanäle des weiteren Bearbeitungsabschnittes gelangen, so daß das überschüssige Material an diese Kanäle des weiteren Bearbeitungsabschnittes gelangt. Wenn eine Mehrzahl solcher Kanäle in den ersten Bearbeitungsabschnitten vorgesehen ist, erstreckt sich die Materialeinlaßöffnung über alle diese Kanäle und bei Bedarf auch über den oder die Kanäle des weiteren Bearbeitungsabschnitts .

Nachstehend wird die erfindungsgemäße Maschine in ihrer Eigenschaft als Pumpe zur Bearbeitung geschmolzenen polymeren Materials, wie z.B. geschmolzenen Polyäthylens oder PoIystyrens beschrieben. Es wird hierbei auf die Figuren 1 bis 5 und insbesondere auf die Figuren 6 bis 9 Bezug genommen.

Die erfindungsgemäße Pumpe weist in diesem Falle Aufbaumerkmale und/oder Bestandteile auf, die den in den Figuren 1 und 2 gezeigten ähnlich sind. An jedem Ende der Pumpe ist ein Kanal eines ersten Bearbeitungsabschnittes angeordnet, wogegen dazwischen zwei Kanäle des weiteren Bearbeitungsabschnittes liegen. Die Einlaßöffnung 36 stellt zu jedem der Kanäle der

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Pumpe eine Verbindung her. Dieser Einlaßöffnung ist eine nicht dargestellte Füllvorrichtung zugeordnet, über die unter Schwerkraft viskoses geschmolzenes Polymer mit einer Zufuhrrate eingegeben werden kann, die die Einzugsrate der Kanäle der ersten Bearbeitungsbereiche übersteigt. So ist beispielsweise eine Füllvorrichtung zweckmäßig, mit deren Hilfe geschmolzenes polymeres Material bei einer Zufuhrrate von ungefähr 2.500 kg/h zugeführt werden kann. Außerdem sind Mittel zum Erhitzen des Materials während dessen Bearbeitung vorgesehen. Es können beispielsweise an den Außenseiten jedes der Kanäle Kammern vorgesehen sein, in die ein Fluidmittel zur Wärmesteuerung eingeführt wird, das die Wärmeabgabe über die Wände der Kanäle beeinflußt.

Einzelheiten der Formgebung und beispielsweiser Abmessungen sowie gegenseitiger räumlicher Zuordnung der Elemente der Kanäle der ersten Bearbeitungsabschnitte werden nachstehend anhand der Figuren 6 und 7 näher erläutert. Bei dem dort dargestellten Bearbeitungskanal eines ersten Bearbeitungsabschnittes liegt der Kanalradius (R-.) zwischen ungefähr 175 mm

und 525 mm wogegen der Radius der Welle R zwischen ungefähr 85 mm und 260 mm liegt. Der größte Abstand der Seitenwände der Kanäle des ersten Bearbeitungsabschnittes liegt zwischen ungefähr 6 mm und ungefähr 20 mm, wogegen das Minimum dieses Abstandes zwischen ungefähr 3 mm und 10 mm liegt. Der Winkelabstand der Kanäle in Umfangsrichtung bei den einzelnen Kanalteilen ist in Fig. 6 mit 100, 102, 104 und 106 bezeichnet. So erhielt der Winkel der Unterschneidung 42 die Bezeichnung 100 und liegt ungefähr zwischen 30° bis 90°, wogegen 102 den Winkel der Einlaßöffnung 36 bezeichnet, der zwischen ungefähr 30° und ungefähr 90° liegt. Das Element 32 hat einen mit 101 bezeichneten Winkelabstand, der zwischen ungefähr 3 und ungefähr 12 liegt, wogegen der Auslaß aus einem Kanal des ersten Bearbeitungsabschnittes, beispielsweise der Ubergabedurchgang

hnet ist, zwisch

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40, der mit 106 bezeichnet ist, zwischen ungefähr 10 und

ungefähr 20 liegt. Der Maximalabstand zwischen der Oberfläche 20 der Kanalwände der Kanäle 24 (oder 30) und der Fläche 22, die die Unterschneidung 42 bildet, ist mit 108 bezeichnet und liegt zwischen ungefährt 20 mm und ungefähr 60 mm.

Einzelheiten der Ausbildung und Formgebung sowie der Größen- und Raumrelationen der Elemente der Bearbeitungsdurchgänge des weiteren Bearbeitungsabschnittes werden nachstehend anhand der Figuren 8 und 9 näher erläutert. R und R liegen in denselben

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Maßbereichen wie bei den Bearbeitungsdurchgängen gemäß den Figuren 6 und 7. Wie jedoch Fig. 9 zeigt, ist die maximale Breite 97 eines Kanals des weiteren Bearbeitungsabschnittes beträchtlich kleiner als eines solchen eines ersten Bearbeitungsabschnittes und kann zwischen ungefähr 3 mm und ungefähr 10 mm liegen, wogegen die minimale Breite zwischen ungefähr 1,5 mm und ungefähr 5 mm liegt. In Fig. 8 sind die Winkelabstände in Umfangsrichtung der verschiedenen Bestandteile als Winkel 114, 116, 118, 120 und 122 bezeichnet. Der Winkelabstand der Einlaßöffnung 36 ist mit 114 bezeichnet und kann zwischen ungefähr 30 und ungefähr 90 liegen. Der Winkelabstand 118 des Durchgangs 40 kann zwischen ungefähr 10 und ungefähr 30 liegen. Der Winkelabstand des Elementes 32 ist mit 120 bezeichnet und liegt zwischen ungefähr 3° und ungefähr 12 , wogegen der Winkelabstand des Auslasses 46 (122) zwischen ungefähr 10° und ungefähr 30 liegt.

Wie die Figuren 7 und 9 zeigen, sind sowohl die Kanäle der ersten Bearbeitungsabschnitte als auch diejenigen des weiteren Bearbeitungsabschnittes keilförmig ausgebildet. Diese keilförmige Ausbildung für beide Arten von Kanälen ist insbesondere deswegen günstig, weil sie die Erzeugung eines optimalen Drucks bei jedem Radius sicherstellt. Diese Ausgestaltung gewährleistet daher auch einen besseren Pumpwirkungsgrad und verhindert darüberhinaus eine zusätzliche Materialzirkulation, wie sie bei Kanälen mit parallel verlaufenden Wänden wegen der dort vorhandenen radialen Druckverteilung beobachtet wird.

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Eine Pumpe mit den oben beschriebenen Merkmalen kann mit Rotationsgeschwindigkeiten von ungefähr 20 Umdrehungen/min bis ungefähr 100 Umdrehungen/min zum Pumpen geschmolzenen polymeren Materials betrieben werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Maschine sich beträchtlich von bekannten Pumpen unterscheidet. Gegenüber Extrudern für Schmelzen weist die erfindungsgemäße Maschine den Vorteil eines kompakten Aufbaus, eines geringeren Energieverbrauchs und einer höheren Förderrate auf. Im Vergleich mit Getriebepumpen bringt die erfindungsgemäße Maschine die Vorteile einer höheren Förderleistung, einer höheren Einzugsrate, sowie den Vorteil, daß keine ineinandergreifenden Arbeitsflächen vorhanden sind, die durch Fremdkörper beschädigt werden können.

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L e e r s e i t e

Claims

DIPLINCHEINZBARDEHLE München, f.Ncverb r '■

PATENTANWALT „ λ . rj <~j ^ Q

Aktenzeichen: Mein Zeichen: P 2993

Ansprüche

Maschine zum Bearbeiten von Materialien, die flüssig sind oder im Verlaufe der Bearbeitung flüssig werden, mit einem drehbeweglichen Element, das wenigstens einen Bearbeitungskanal in ersten Bearbeitungsabschnitten und wenigstens einen Bearbeitungskanal in einem weiteren Bearbeitungsabschnitt aufweist, mit einem stationären Element, das eine koaxiale und mit den Bearbeitungskanälen derart zusammenwirkende Fläche aufweist, daß jeweils wenigstens ein geschlossener Bearbeitungsdurchgang in den ersten Bearbeitungsbereichen und im weiteren Bearbeitungsbereich gebildet wird, mit feststehenden, sich in jeden der Bearbeitungskanäle hinein erstreckenden Elementen, die eine Materialsammelabschlußwand für jeden Bearbeitungskanal bilden, mit einer das stationäre Element durchsetzenden Einlaßöffnung zum Einfüllen von Material in wenigstens einen Bearbeitungskanal eines ersten Bearbeitungsbereichs, mit Mitteln zur Übergabe von in einem Bearbeitungskanal eines ersten Bearbeitungsbereichs bearbeiteten Material an einen Bearbeitungskanal des weiteren Bearbeitungsbereichs sowie mit einem Auslaß zur Abgabe des Materials von einem Bearbeitungskanal des weiteren Bearbeitungsbereichs aus, wobei das drehbewegliche Element sich in der Richtung von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung dreht und ein Zusammenwirken zwischen den sich mitdrehenden Seiten-

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ORIGINAL INSPECTED

wänden der Bearbeitungskanäle und deren Materialsammelabschlußwänden in der Form verursacht, daß mit den Seitenwänden in Berührung stehendes Material nach vorne zu den Abschlußwänden hin mitgenommen wird, so daß das an einer Abschlußwand eines Bearbeitungsdurchgangs eines ersten Bearbeitungsbereichs gesammelte Material an einen Bearbeitungsdurchgang des weiteren Bearbeitungsbereichs weiter gefördert wird und das an einer Abschlußwand eines solchen letztgenannten Bearbeitungsdurchgangs gesammelte Material aus der Maschine ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Mittel (36), mit deren Hilfe das Material in wenigstens einen Bearbeitungskanal (24;30) eines ersten Bearbeitungsbereichs mit einer Eingaberate eingegeben werden kann, die wenigstens der zum Füllen desselben erforderlichen Aufnahmeleistung entspricht, sowie Mittel (42) aufweist, die in der Nachbarschaft der Einlaßöffnung zu einem Bearbeitungskanal (24;30) eines ersten Bearbeitungsbereichs liegen und eine Einzugsleistung aufweisen, die die Durchsatzleistung dieses Bearbeitungskanals übersteigt, wobei die Geometrie dieses Bearbeitungskanals eine Bearbeitungsleistung gewährleistet, die im Bezug auf die Geometrie eines Bearbeitungskanals (26;28) des weiteren Bearbeitungsbereichs ausreicht, Material vom Bearbeitungskanal (24;30) des ersten Bearbeitungsbereichs zu einem Bearbeitungskanal (26;28) des weiteren Bearbeitungsbereichs mit einer Volumenrate zu fördern, die zumindest gleich groß wie die Rate ist, mit der durch den letztgenannten Bearbeitungskanal (26;28) Material bearbeitet und ausgegeben wird.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (36) sowohl eine Verbindung mit wenigstens einem Bearbeitungskanal (24;30) des ersten Bearbeitungsbereichs als auch mit wenigstens einem Bearbeitungskanal (26,30) des weiteren Bearbeitungsbereichs herstellt, und daß diese Einlaßöffnung (36) von den tibergabeelementen (40)

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so weit beabstandet ist, daß dem Materialdurchfluß ein Widerstand entgegengesetzt wird, der einen ausreichenden Gegendruck entwickelt, so daß das geförderte Material den Bearbeitungskanal (26;28) des weiteren Bearbeitungsbereichs vollständig füllt.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die bei einem Bearbeitungsdurchgang des ersten Bearbeitungsbereichs eine Einzugsleistung bewirken, die die Durchsatzleistung übersteigt,in Form einer Unterschneidung (42) realisiert sind, die jeweils im stationären Element (14) in der Nachbarschaft eines Bearbeitungskanals (24;30) des ersten Bearbeitungsbereichs sich befindet.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übergabe des Materials ein Durchgang (40) in der Innenfläche (22) des stationären Elementes (14) gebildet ist, dessen einer Teil sich von einer Stelle eines Bearbeitungskanals (24;30) des ersten Bearbeitungsbereichs, die vor dessen Abschlußwand (31) liegt, bis zu einer Stelle eines Bearbeitungskanals (26;28) des weiteren Bearbeitungsbereichs erstreckt, die hinter dessen Materialsammelabschlußwand (31) liegt.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Bearbeitungsbereich wenigstens zwei Bearbeitungskanäle (24;30) aufweist, die Material zum Füllen wenigstens eines Bearbeitungskanals (26;28) des weiteren Bearbeitungsbereichs bearbeiten und abgeben.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbewegliche Element (12) in axialsymmetrischer Anordnung an jedem Ende Bearbeitungskanäle (24;30) eines ersten Bearbeitungsbereichs und zwischen diesen Bearbeitungskanälen des ersten Bearbeitungsbereichs we-

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nigstens einen Bearbeitungskanal (26;28) eines weiteren Bearbeitungsbereichs aufweist.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungskanäle (24;30;26;28) keilförmigen Querschnitt (96;98;97;99) aufweisen.