带冷却或加热介质引导的挤出滚筒
阅读说明：本技术 带冷却或加热介质引导的挤出滚筒 (With cooling or heating medium-guiding extrusion cylinders ) 是由 格杰特·克里斯蒂安·普林克 凡妮莎·斯塔贝 里昂·贾斯帕·泰兹 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：一种挤出滚筒(100),具有用于容纳挤出机螺杆的滚筒体(110),其特征在于,所述滚筒体(110)的外壁(115)具有至少一个内凹(120),该内凹可以被遮盖,并且在被遮盖的状态下适合于引导用于对所述滚筒体(110)调温的冷却或加热介质。(An extrusion drum (100) having a drum body (110) for accommodating an extruder screw, characterized in that an outer wall (115) of the drum body (110) has at least one indentation (120) which can be covered and which, in the covered state, is suitable for guiding a cooling or heating medium for tempering the drum body (110).)
技术领域
本发明涉及可以采用有效的方式调温的挤出滚筒和这种挤出滚筒的制造方法。
背景技术
在挤出领域，经常需要对用于引导和混合挤出物的挤出滚筒予以调温，挤出机螺杆在这些挤出滚筒中翻转挤出物。特别是在橡胶挤出中有利的是，首先预热挤出滚筒，以便更快地使挤出物进入可塑性变形的状态。然而，在后续过程中，必须再次排出在挤出物的输送/混合时产生的一些热量。通常，这里使用冷却或加热介质，例如水等，其通过管线被引到挤出滚筒，并用作热交换器。
为了使热交换尽可能有效，建议使热交换器与滚筒体直接接触。为此，目前采用穿过滚筒的周边孔。然而，由于不能以足够的精度进行这种用于大钻孔深度的深孔钻孔，因此设有周边孔的滚筒体的轴向长度受到限制。由于挤出滚筒的长度通常比借助周边孔所能控制的长度要长，因此有必要由几个单独的零件组装成挤出滚筒。这是通过在各个滚筒部段的末端的连接法兰来完成的。
除了这种滚筒部段系统的高制造和组装成本之外，还有其他问题。
一方面，希望避免由于调温通道中的过度偏转而导致的调温介质的压力损失。然而，目前采用的钻孔无法实现这一点。确切地说，连接法兰内经常会出现180°的突然偏转。调温系统内也没有封闭路径。确切地说，调温系统被分割成几个具有非定向流动的回路。这使得调温难以管理和控制，并且必须在高压下进行。
另一个问题在于，不同调温区的分布，即沿挤出滚筒对不同温度的设定，必须基于各个滚筒部段的长度。无法随意地建立和定位温度区。
对于具有较高粘度的挤出物(例如橡胶)的混合，将销从外部旋入挤出滚筒的内部也是有利的。这些销伸入挤出物中，并与挤出机螺杆的运动配合地促进挤出物的混合和塑化。为了获得最佳效果，这些销应尽可能均匀地沿着挤出滚筒的长度分布。但是，如果将挤出滚筒分成几个通过法兰连接的部段，则在法兰区域中不能使用销。这会减慢或者甚至恶化挤出过程。
因此，目前用于挤出滚筒的调温系统导致，在滚筒的调温方面和在滚筒中的有利于混合挤出物的销的布置方面缺乏灵活性。此外，由设有深孔的多个部段生产挤出滚筒容易出错，并且成本高。由于孔中的高的压力损失和非定向的流动引导，这种调温系统的操作也很复杂。
发明内容
本发明的目的是，提出一种挤出滚筒，通过该挤出滚筒解决至少一些—优选所有—上述问题。此外，本发明的目的是，提出一种用于这种挤出滚筒的制造方法。
该目的通过独立权利要求的主题实现。
一种挤出滚筒，可以具有用于容纳挤出机螺杆的滚筒体，其特征在于，滚筒体的外壁具有至少一个内凹，该内凹可以被遮盖，且在被遮盖的状态下适合于引导用于对滚筒体调温的冷却或加热介质。
代替在滚筒体的内部设置孔，因此在滚筒体的外壁中，例如通过在滚筒体的外壁中铣削一个或多个连续的凹槽而产生内凹。在此，这些内凹的尺寸设计必须使可用于调温滚筒体的冷却或加热介质(例如水或类似的热交换液体)可以在内凹被遮盖时流过该内凹，而没有过度的压力损失。在此，内凹可以具有大致矩形的横截面，其宽度和/或高度为0.5至6cm，例如1cm、3cm或5cm。然而，该横截面也可以具有相似面积的任何其他形状。
因此，可以在滚筒体的外侧以简单的方式产生用于调温剂的管线。这基本上消除了因使用钻孔产生的对冷却路径几何形状的所有限制。尤其可行的是，从外部给比通过孔可能的方式长得多的滚筒部段设置内凹。由此可以由一件或仅由几个部段来制造整个挤出滚筒。这样就允许增加被设置用于混合/塑化的销数量，从而提高挤出物的质量。
此外，当在外部把调温管线制造为滚筒外壁中的内凹时，管线的走向基本上可以自由确定。于是，内凹可以例如螺旋形地围绕滚筒。由此可以为冷却或加热介质产生明确规定的流动路径，在这些流动路径中仅产生轻微的压降。这便于将滚筒体设定到特定温度。
尽管通过仅设置可遮盖的内凹就已经实现了上述优点，但是挤出滚筒也可以具有遮盖部件，这些遮盖部件与滚筒体的外壁连接，使得它们遮盖至少一个内凹。这允许冷却或加热介质被引导通过内凹。遮盖优选通过在内凹的向上开口的一侧焊接金属板来完成。然而，设有内凹的滚筒体也可以被推入套筒例如金属片套筒中，其例如由于压配合而密封地封闭所有内凹。然后可以在套筒中开设出冷却或加热介质的入口和出口。
至少一个内凹可以具有直线部段和弯曲部段，这些直线部段平行于滚筒体的纵向轴线延伸，这些弯曲部段在恰好两个直线部段的两个相邻端部之间建立连接。通过连接直线部件和弯曲部件，由此可以规定没有分支的流动路径。
于是可以说，内凹围绕滚筒体“以蛇形线”延伸。从用于冷却或加热介质的入口点开始，内凹首先沿轴向方向延伸。在这个直线部段的末端，邻接着一个弯曲部段，该弯曲部段在滚筒体的圆周方向上引导内凹，从而不会发生压力损失。弯曲部段的半径在此可以为1至6cm，例如2cm、3cm、4cm或5cm。在弯曲部段的末端，又邻接着一个沿轴向方向往回延伸的直线部段。弯曲部段和径向部段的这种交替一直持续到冷却或加热介质的出口，优选的方式为，使内凹像套筒一样包围滚筒体的整个圆周。以这种方式，可以按简单的方式规定流动路径，该流动路径允许对滚筒体的最佳调温，而没有过度的压力损失。
直线部段可以从滚筒体的至少一个边缘区域延伸，并且一部分弯曲部段可以布置在滚筒体的边缘区域中。这允许例如从滚筒体的边缘馈入冷却或加热介质。从滚筒体的端部开始的边缘区域的宽度可以是例如滚筒体总长度的三十分之一、二十分之一、十分之一或五分之一。
挤出滚筒还可以具有至少一个连接法兰，该连接法兰通过压配合安置到滚筒体的边缘区域上，使得它至少遮盖位于边缘区域中的弯曲部段。因此，连接法兰本身可以用作遮盖部件。由此可以限制材料消耗。在此，连接法兰既可以是用于连接多个滚筒体部段的法兰，也可以是用于连接挤出滚筒中的挤出物入口或出口的法兰。因此，挤出滚筒既可以按常规方式用作较长滚筒的一个部段，又可以用作单独的挤出滚筒。但在此，关于滚筒的用途或长度的决定不再受技术条件的限制，而仅由包含滚筒的挤出设备的操作者的需要决定。
连接法兰可以具有管线，这些管线能实现将冷却或加热介质引入内凹中和从内凹中引出。以此方式，可以按简单的方式确保冷却和加热介质的供应和排出，而无需其它构件。
直线部段可以从滚筒体的边缘区域延伸预定的长度，该长度小于滚筒体的长度。例如，直线部段可以仅为滚筒体总长度的四分之三、三分之二、二分之一、三分之一或四分之一。于是，相应的内凹适合于对滚筒体的该长度范围进行调温。这样就可以实现对滚筒体的灵活的温度设定。
直线部段也可以不伸展到滚筒体的边缘区域。也就是说，内凹例如仅在滚筒体的中间区域中延伸。内凹相距滚筒体的一端或两端的距离也可以例如为滚筒体总长度的六分之一、四分之一或三分之一。这允许单独地对滚筒体的中央部分调温。由此也可以实现灵活的温度设定。
在滚筒体上可以设置用于将冷却或加热介质引入和排出内凹的至少两个连接位置。冷却或加热介质的供给和排出于是不必沿着滚筒体的边缘区域进行，而是原则上可以在滚筒体上的任何地方进行。例如也可行的是，作为连接位置，使用安置在滚筒体端部上的法兰的孔，并且在滚筒体上安置同一调温介质通道的另一个连接位置。这也允许更灵活的温度设定。
滚筒体的外壁可以具有多个内凹，这些内凹不相互连接，并且在遮盖状态下分别限定用于冷却或加热介质的自己的流动路径。这允许设置不同的、非连通的调温回路，这些调温回路可以将滚筒体在其区域内设定为不同的温度。这也可以实现更灵活的温度设定。
滚筒体可以具有多个适合于接纳销或螺钉的径向钻孔。钻孔可以布置在与至少一个内凹不同的位置。可按简单的方式调温的挤出滚筒也可以按此方式装配销、螺钉、螺栓或类似物，它们伸入挤出物的通路区域中，从而促进挤出物的塑化和混合。为此设置的钻孔可以沿着挤出滚筒的整个表面分布，从而可以实现对挤出物产生均匀的影响。如果钻孔不与内凹即冷却或加热介质的通道重叠，则可以简单地更换沉入其中的销或螺钉，而不必中断调温回路。另一方面也可行的是，在插入螺钉后，将这些钻孔相对于调温介质密封地封闭，以便它们在必要时也可以布置在内凹的区域中。
挤出装置可以具有如上所述的挤出滚筒，该挤出滚筒的至少一个内凹被遮盖。此外，挤出装置可以具有在至少一个被遮盖的内凹中流动的冷却或加热介质。由此在挤出装置的工作中实现了上述优点。
此外，挤出装置可以分别具有用于每个内凹的每一个温度控制机构，其适于控制在相应内凹中流动的冷却或加热介质的温度。因此，可以使用可调节到不同温度区的挤出滚筒进行挤出。
用于如上所述的挤出滚筒的制造方法可以包括：在滚筒体的外壁中例如通过铣削产生至少一个内凹。该制造方法还可以包括：用遮盖部件例如用金属板遮盖至少一个内凹。这能实现采用标准工艺简单地制造挤出滚筒。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明。该描述纯粹是示例性的。本发明本身仅由权利要求的主题确定。
图1A至1C示出了挤出滚筒的各种示意图；
图2A和2B示出了另一个挤出滚筒的各种示意图；
图3是另一个挤出滚筒的示意图；
图4A和4B示出了另外的挤出滚筒的不同视图；
图5是另一个挤出滚筒的示意图；
图6A和6B是另一个挤出滚筒的示意图；
图7是另一个挤出滚筒的示意图；和
图8示出了挤出滚筒的生产方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1A至1C示出了挤出滚筒100的各种示意图。图1A示出了斜视图，图1B示出了挤出滚筒100的横截面，并且图1C示出了挤出滚筒100的侧视图。
挤出滚筒100主要由滚筒体110组成，该滚筒体优选地由金属制成，其设计为中空滚筒。滚筒体110具有外壁115，该外壁对应于中空滚筒的外壳表面。滚筒体110内部设有内部空间118，该内部空间用于容纳挤出机螺杆，适用于引导、塑化和混合挤出物，例如橡胶、生胶等。
挤出滚筒100的尺寸在此对应于通常用于挤出的尺寸，并且基本上取决于要挤出的物质。用于橡胶挤出的挤出滚筒的总长度的典型尺寸大致在1至5米的范围内，即例如可以是1m、2m、3m、4m或5m。但是更长的挤出滚筒也是可以想象的。
挤出滚筒100的长度可等于挤出所需的总长度。然而，挤出滚筒100也可以是整个挤出滚筒的一个部段，该整个挤出滚筒于是由多个挤出滚筒组成。这些滚筒中的一个或多个可以对应于挤出滚筒100或下面讨论的该滚筒的变型。
滚筒体110的外半径的对于橡胶挤出来说典型的尺寸在20至50cm的范围内，例如25cm、30cm、35cm、40cm或45cm。可能的内半径在4.5cm到30cm的范围内，例如为5cm、10cm、15cm、20cm或25cm。因此，滚筒体110的壁厚在3cm至10cm的范围内，例如为5cm或7cm。长度与直径的比率例如可以在10:1和3:1之间，例如大约为4:1、6:1、7:1或8:1。
滚筒体110在其外壁115中具有至少一个内凹120。如图1A至1C所示，这可以是围绕整个滚筒体110延伸的单个、连续的内凹120。在此，内凹120特别是在其宽度和深度方面经过设计，使得冷却或加热介质，下文称为调温介质，例如水或类似物，可以无阻碍地流过内凹120，即没有过度的压力损失。此外，通过内凹，沿滚筒体110的外壁115方向，限定出流动路径，该流动路径尽可能不分叉，或可以通过调温介质的流动参数-进而通过与滚筒体110的热交换-例如通过阀门的位置或泵的输送速率易于进行控制或调控。
如图1B所示，为此，内凹120的深度可以相当于滚筒体110的壁厚的一半以上。内凹的宽度在此可以大致等于其深度，但也可与其深度不同。例如，在壁厚约为5cm的情况下，内凹120的宽度可以在约2cm至4cm的范围内，例如为3cm。内凹120的深度于是也在2cm至4cm的范围内，例如也是3cm或3.5cm。如果滚筒体110的壁厚不同，则针对内凹120提及的尺寸可以保持相同或成比例地调整。代替图1B中所示的内凹120的横截面形状，该内凹也可以具有任何其他易于制造的横截面，例如三角形或圆形的一部分形状，如半圆形。
如图1A和1C所示，内凹120可以由直线部段122和弯曲部段124组成。在此，直线部段122轴向地沿着滚筒体110的外壁115延伸。如所示，这些直线部段可以从滚筒体110的边缘区域112延伸到例如相对的边缘区域。在边缘区域112中布置着弯曲部段124。这些弯曲部段分别将恰好两个直线部段122的相邻端彼此连接。由于弯曲部段124分别交替地布置在一个或另一个边缘区域112中，内凹120具有无分支的路线。也就是说，调温介质可以按明确限定的方式从内凹120的开始处被引导到其结束处。
在直线部段122的区域内，对调温介质的流动几乎没有阻力。这里基本上仅存在由于在内凹120的壁上的摩擦而产生的阻力。因此沿直线部段122的压力损失相对较小。
内凹120也形成在滚筒体110的边缘区域112中，而没有突然的过渡或边缘。结果，两个直线部段122之间的过渡处的流动阻力保持低。如所示，用于此目的的弯曲部段124可以设计为圆弧。弯曲部段124的半径被选择成使得流动阻力最小化。在此，半径可以在1cm到10cm的范围内，具体取决于滚筒体的尺寸。例如，外直径约为25cm时，可以采用例如1cm、1.5cm或2cm的半径，而外直径约为40cm时，半径可能为3cm、5cm或7cm。
图1A至1C中(或在下面描述的图中)所示的内凹120的走向在此被视为纯粹示例性的。原则上，内凹120的任何形状都是可以想到的，例如具有恒定或变化螺距的螺旋形旋转。内凹的形状或走向的唯一决定性因素是，它能够简单地控制或调控对滚筒体110的调温，并且调温介质流的压力损失保持尽可能低。这允许滚筒体110进而挤出滚筒100以简单的方式在没有过多努力的情况下进行调温。
在此，内凹120可以按任何适合于此的方式开设在滚筒体110的外壁115中。内凹120优选地被铣削到滚筒体110中。这允许特别简单地制造挤出滚筒100。然而，内凹120也可以不同地制造，例如通过蚀刻工艺、通过研磨、通过铸造包括内凹的半成品，等等。
挤出滚筒100的参照图1A至1C描述的内凹120规定了用于引导调温介质的通道的基本结构。为了形成这些通道，如图2A、2B和3中示意性所示，遮盖部件130与滚筒体110的外壁115连接，内凹120通过这些遮盖部件被密封地封闭。在此，所有遮盖部件130一起仅留下适合将调温介质引入内凹120中的自由入口和出口。
如图2A和2B所示，内凹的特别是未布置在滚筒体110的边缘区域112内的那些部分可以被以内凹120形式形成的遮盖部件130封闭。特别地，内凹120的这些部段可以被相应形状的例如冲压的金属板封闭，这些金属板在内凹120的边缘处与滚筒体110焊接。然而，也可考虑其他精确配合的遮盖部件130，例如塑料盖。此外也可行的是，以其它方式固定遮盖部件130，例如通过螺旋连接、粘接或它们的组合。如果需要，可以在遮盖部件130和滚筒体110之间设置密封件，以便为调温介质提供密封的通道。
如图3所示，内凹的布置在滚筒体110的边缘区域112中的那些部段可以通过连接法兰140遮盖，这些连接法兰例如通过压配合与滚筒体110连接。通过压配合，边缘区域112中的这些部段被密封地封闭。此外，如果遮盖部件130在滚筒体110的中央区域中延伸到边缘区域112中，则可以在没有进一步密封的情况下实现对内凹120的密封封闭。
这在图3中示范性地示出，其中，内凹120的直线部段122如图2A中所示被遮盖部件130例如焊接的金属板封闭，而弯曲部段124通过借助压配合安置的连接法兰140被密封。连接法兰140在此也遮盖直线部段122的一部分。由此以简单的方式实现封闭内凹120。
在此，连接法兰140可以经过设计，从而这些连接法兰能够实现使多个挤出滚筒100组合形成一个整体滚筒。然而，这些连接法兰也可以形成连接部件，连接部件用于将挤出滚筒100与挤出装置的挤出物供应部和排出部连接，在该挤出装置中安装了挤出滚筒100。
供应部和排出部在此可以安置在滚筒体110上的任何位置，或穿过连接法兰140安置。为了在滚筒体110的中心区域中供应调温介质，为此必须保持内凹120的一部分未封闭，或者把遮盖部件130在该位置又移除或钻开。这意味着要付出一定的代价，但允许简单地且自由地定位供应点。在通过连接法兰140供应情况下，这些连接法兰必须具有相应的孔，在压配合时，这些孔在边缘区域112中位于内凹120的期望的空留区域上方。如果相应的连接法兰140可用，则由此可以产生调温介质供应，而无需进一步的工作步骤。
代替图3中所示的连接法兰140，也可以在滚筒体110的边缘区域112中使用诸如用在滚筒体110的中央区域中的遮盖部件130来封闭内凹120。然后以统一的方式进行封闭，并且与连接法兰140的使用无关。
如图4A和4B所示，代替精确配合地遮盖内凹120，也可以使用包围整个滚筒体110的遮盖部件130。例如，可以通过压配合将圆形金属板或管子推到滚筒体110上，使其于是密封地抵靠在滚筒体110上，从而内凹120的位于遮盖部件130下方的区域密封地封闭。如图4B中所示，遮盖部件130可以使滚筒体110的边缘区域112露出来。但是，这些边缘区域同样可以被遮盖。
在图5至图7中示出了挤出滚筒100的变体，其中存在多个内凹120。所示的示例均具有三个非连通的内凹120。然而，任何数量的内凹120都是可能的。内凹120像套筒一样围绕滚筒体110的相应区域。因此，这些内凹在滚筒体110的圆周方向上完全围绕滚筒体110的一个部段，其长度小于滚筒体110的总长度。通过这样的内凹120—其原则上也可以与图5至7中示例性示出的不同地设计，可以规定不同的调温回路。结果，如果为了优化挤出过程而需要的话，挤出滚筒100可以被划分为不同的温度区。特别地，可以产生不位于滚筒体110的边缘区域112中的内凹120并因此产生温度区。不言而喻，这种划分为不同温度区的方式也可以在圆周方向上进行。于是需要多个内凹120，以便在圆周方向上环绕滚筒体110。
在使用上述挤出滚筒100之一的挤出装置中，于是为了调控滚筒体110的被内凹120穿过的每个区的温度，可以设置自己的调温单元。这能实现在相应地选择内凹120的路线情况下沿着挤出滚筒完全自由地调节温度，因此可以提高挤出物的质量。
如图5至图7所示，挤出滚筒100可以具有多个连接位置150，通过这些连接位置可以供应和排出调温介质。这些连接位置150在滚筒体110上位于相应内凹120的开始和结束处。内凹120的其余区域通过遮盖部件130封闭。如上所述，这些遮盖部件可以精确配合地设计(图5和7)，或-对应于参考图4B描述的变体-设计为完全包围滚筒体110的套筒(图6A和6B，此处所示的套筒是透明的，以示出位于其下面的内凹120)。在第一种情况下，连接位置150可以简单地施加于例如焊接、螺旋连接或粘接于内凹的保持空闲的区域。在第二种情况下，遮盖部件130在期望的位置处打开，然后施加连接位置150。当挤出滚筒100通过连接法兰140封闭时，如图7所示，也可以通过连接法兰140进行部分供应。通过所有这些变体，可以根据需要灵活地供应调温介质。
如图3和7所示，挤出滚筒100可以具有多个完全穿透中空滚筒的钻孔160，即在滚筒体110的内部空间118和外部之间建立连接。销、螺钉、螺栓或类似物可以插入这种钻孔160中，直至伸入内部空间118中，并且在那里在运行期间作为附加摩擦点改善挤出物的塑化和混合。这在钻孔160尽可能均匀地分布的情况下以更有效的方式发生。
由于由这些内凹120的简单制造方法(例如通过铣削)产生的内凹120的自由分布，钻孔160也可以均匀地沿滚筒体110分布。此外，从外部制造调温介质通道允许整体挤出滚筒的较大区段由一件制造。在相应地设计用于制造内凹120的设备时，也可以制造能用作总挤出滚筒的挤出滚筒100。这减少了在滚筒路径长度上布置的连接法兰的数量。由于在这些法兰的区域内不能设置钻孔160，因此与常规挤出滚筒相比，通过使用上述挤出滚筒100，可以增加钻孔160的数量，进而增加促进挤出物的塑化和混合的销的数量。这提高了挤出物的质量。
由于更容易接近，钻孔160优选地不在内凹120延伸的区域中开设。然而，内凹120和钻孔160也可以重叠。在插入钻孔160中的销相对于调温介质相应地密封时，这在原则上不是问题。因此，钻孔160原则上可以完全自由地沿滚筒体110分布。
图8示出了上述挤出滚筒之一的生产方法的示意性流程图。在对制造过程具有决定性意义的方法步骤S810中，在适于挤出特别是橡胶的挤出滚筒的外壁中开设内凹，该内凹在被遮盖的状态下适于引导调温介质。这优选通过在形成挤出滚筒的中空滚筒的外壳中铣削内凹来实现。可选地，随后可以在S820借助遮盖部件，优选地通过焊接或压制金属板来遮盖内凹。
以此方式，可以按灵活、简单且不易出错的方式将用于调温挤出滚筒的调温介质通道引入挤出滚筒中。由于该方法是从外部使用的，因此可以生产具有比由现有技术已知的更大长度的挤出滚筒。这降低了使用这种挤出滚筒的挤出装置的生产和安装成本。此外，可以为调温介质产生明确规定的流动通道，这些流动通道使得对挤出滚筒的调温简化且灵活。最后，由于长度的增加，可以增加用于塑化和混合在挤出滚筒中引导的挤出物的销的数量，从而可以提高挤出物的质量。
附图标记清单
100 挤出滚筒
110 滚筒体
112 滚筒体的边缘区域
115 滚筒体的外壁
118 滚筒体的内部空间
120 内凹
122 内凹的直线部段
124 内凹的弯曲部段
130 遮盖部件
140 连接法兰
150 连接位置
160 钻孔
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