CN102285087A - 锥形螺旋盘挤出机 - Google Patents
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Abstract
锥形螺旋盘挤出机主要由锥芯体、锥形腔体、机头、传动装置、加热装置、机架等组成，具有较大锥角的成对锥芯体和锥形腔体至少有一个从大端外缘至小端中心具有螺旋槽；锥芯体和锥形腔体相对旋转运动便对槽内物料产生端面法向效应、转鼓旋转拖动和槽内螺旋输送作用的叠加效果；物料从大端外缘加入，经锥形螺旋盘内输送和加热、熔融、混合并再从机头计量挤出。锥芯体和锥形腔体的锥角、螺旋槽的条数、螺旋槽沿长度方向结构变化根据实现塑化、混合等不同功能工艺确定，如在加料段开槽进行强制加料、压缩段设置分离型副螺棱促进熔融、在计量段的转子/定子上设置成对波型螺槽实现强制混合、也可通过多个锥形螺旋盘串联实现多级挤压塑化等。考虑出口压力和加工用途，选择合理的机头实现造粒或成型，机头前可安装齿轮泵等进行增压。该挤出机兼有圆盘挤出机和锥形螺杆挤出机优点：采用锥形结构具有较大的压缩比和较高的建压能力，物料受到剪切、拉伸、法向挤压(捏合)的复合力作用及大锥面的热作用而快速塑化，采用螺旋槽结构进行强制混合；可以用于热塑性塑料、热固性树脂、食品、涂料、推进剂、炸药、纸浆、药品、饲料及橡胶等的加工成型，对加工粉料和热敏性物料有一定优势。
Description
技术领域
本发明锥形螺旋盘挤出机，可以用于热塑性塑料、热固性树脂、食品、涂料、推进剂、炸药、纸浆、药品、饲料及橡胶等的加工成型，对粉料和热敏性物料加工有一定优势。
背景技术
无螺杆挤出机是塑料等挤出加工的有效途径。其中，端面挤出机是利用液体(如高分子材料熔体)在一对表面平整的可转动圆盘间受剪切时产生的法向应力效应(韦森伯效应)的原理而研制的。物料受剪切而迅速熔融，并向中心汇聚从出料口挤出。日本住友株式会社公开的“旋转盘式排气挤出装置”和美国专利44002111就属于这类圆盘端面挤出机.。中国专利CN95227711.5提出了另一种端面混炼挤出机，是将平直螺杆与一端面转盘串接，依次进行螺旋送料与端面法向塑化，解决了加料问题，通过端面槽型变化增强混炼效果，但结构复杂。
以上几种端面挤出机的结构紧凑，物料停留时间短；利用材料弹性进行加工，因此具有低温挤出等特点，用于加工粉状物料和热稳定性差物料有一定优势。由于是在平直端面来实现塑化，为此引起加料困难，操作复杂；端面镶嵌结构形状比较复杂，加工制造较困难。这也是该类设备至今没有广泛应用的主要原因，需要改进。
另一方面，转鼓式无螺杆挤出机是有转动盘的拖动流体泵，被泵送材料被引入到转鼓和环状机筒之间形成的环形空间，经转鼓拖动排出。进一步，我们期望将端面法向效应、转鼓拖动和螺旋输送三种作用有效叠加，综合几种设备的优点。可以设想：将端面挤出机的转鼓端面转变成钝圆锥体，在其上布置螺旋槽即增强了转鼓拖动和螺旋输送作用。
目前工业应用的圆柱螺杆塑化系统具备转鼓拖动和螺旋输送的作用，锥形螺杆具有很弱的端面法向效应。为此，若将锥形螺杆明显缩短，成为钝圆锥形则强化这一效果。至此，人们会想到专利200420039774.7和200820056183.9等提出的单螺杆锥形挤出机。但常规锥形挤出机与这里提出的构想有很大不同。现有锥形挤出机的长径比在12-20，法向效应几乎可以忽略。只有将单螺杆锥形挤出机螺杆-料筒进行极大“压缩”成短圆锥螺杆-锥料筒才能就实现这一目标。
转子采用锥形结构，尾部直径增大，加料量增大，有助于提高承载能力和产量；加料段容积大，易加入较大体积的松密度粉料，也有利于热传导，更易实现对物料加热或冷却；转子小端即排料段直径小，圆周速度较小，产生的剪切较低，摩擦热也较小，热损伤的危险性小；螺旋槽容积沿挤出方向逐渐减小，物料逐渐得到压缩，从而使螺旋槽更快充满物料，保证物料连续平缓地塑化；在同样的生产能力下，相对传统端面挤出机，背压可较低。
这样，下面提出锥形螺旋盘挤出机，把传统端面挤出机中的平直端面取消，在传统光滑输出大圆锥面上加工出螺旋槽，物料从大端加料口被容易的加入，在小端较高压力下排出。
发明内容
本发明锥形螺旋盘挤出机主要由锥芯体、锥形腔体、机头、传动装置、加热装置、机架等组成。具有较大锥角的成对锥芯体和锥形腔体至少有一个从大端外缘至小端中心具有螺旋槽。二者相对旋转运动便对槽内物料产生端面法向效应、转鼓旋转拖动和槽内螺旋输送作用的叠加效果。兼有圆盘挤出机和锥形螺杆挤出机优点。
锥芯体/锥形腔体可以是转子/定子或者定子/转子的相对旋转运动形式之一。锥芯体和锥形腔体的锥角、螺旋槽的条数、沿长度方向结构考虑加料段、压缩段、混合段和计量段等不同功能进行组合设计。圆锥腔体接近加料口的大端内侧为加料段，可以借鉴普通螺杆挤出机加料段开设沟槽进行强制加料；在中间压缩段可以设置分离型副螺棱等结构促进熔融；在混合段和计量段则可通过设置销钉、在转子/定子上设置成对波型螺旋槽来实现强制混合，促进物料的塑炼和混合。
物料除受到以上力作用外，还需要加热，热量来源于安装在定子、转子或二者上的加热体。物料从定子的锥芯体大端外缘加入，经锥形螺旋盘内输送和加热、熔融、混合并从机头计量挤出。为了适应物料状态的变化，加热可以沿螺旋槽长度方向分段控制；为了提高物料排出压力，还可以在机头前安装齿轮泵等增压系统。而且，可以通过多个锥形螺旋盘串联，中间转盘前端为前一级的锥形腔体，后端为下一级的锥芯体，从而实现多级锥形螺旋盘挤压塑化。考虑出口压力和加工用途，采用适合结构机头实现造粒或成型。
由于采用锥形结构具有较大的压缩比和较高的建压能力，物料受到剪切、拉伸、法向挤压(捏合)的复合力作用及大锥面的热作用而快速塑化，并受到螺旋槽结构作用而强制混合。因此，锥形螺旋盘挤出机解决了传统端面挤出机的突出弱点，具有工程应用前景：可以用于热塑性塑料、热固性树脂、食品、涂料、推进剂、炸药、纸浆、药品、饲料及橡胶等的加工成型，对粉料和热敏性物料加工有一定优势。
附图说明
图1为锥芯体旋转的锥形螺旋盘挤出机结构示意图
1-电机，2-减速箱，3-轴承，4-机架、5-锥芯体，6-加料装置，7-加热体，8-机头，9-锥形腔体
图2为螺旋槽的平面投影示意图
图3为锥形腔体旋转的锥形螺旋盘挤出机结构示意图
1-电机，2-减速箱，3-轴承，4-机架和锥芯体，6-加料装置，7-加热体，8-机头，9-锥形腔体
图4为螺旋槽设置在锥形腔体上的锥形螺旋盘挤出机结构示意图
4-机架，5-锥芯体，6-加料装置，7-加热体，8-机头
图5为螺旋槽盘中段设置副螺旋槽的锥形螺旋盘挤出机结构示意图
10a-主螺棱，10b-未塑化物料，10c-副螺棱，10d-塑化料
图6为相对转子完整螺旋槽在定子外缘设置加料段反向螺旋槽
图7为定子和转子配合设置波动型螺旋槽的锥形螺旋盘挤出机结构示意图
5-锥芯体，9-锥形腔体，11-螺旋槽
图8为强拉伸型锥形螺旋盘挤出机结构示意图
5-锥芯体，9-锥形腔体，11a-深螺旋槽，11b-窄螺棱间隙
图9为串联型多级锥形螺旋盘挤出机结构示意图
5-锥芯体，6-加料装置，7-加热体，8-机头，9-锥形腔体，
95a-一级动子锥形腔体，95b-二级动子锥形腔体，12-料道
具体实施方案
具体实施例一
本实施案例为锥芯体旋转的锥形螺旋盘挤出机，包括电机1，减速箱2，轴承3，机架4，锥芯体5，加料装置6，加热体7，机头8和9-锥形腔体，见图1。
工作原理为：经减速箱2降速将电机1旋转运动通过轴承3浮动传递给安装于机架4内的锥芯体5，固定的锥形腔体9内侧安装加热体7来加热物料。锥芯体5表面自大端外缘加料口处设置螺旋槽，锥芯体螺旋槽相对锥形腔体9旋转运动，促进其中物料的输送、压缩、熔融、混合和计量。为分段实现这些功能，螺旋槽应分段进行结构设计，如压缩段的螺旋槽应逐渐变浅，混合段可以增设销钉，计量段可以螺棱进行切槽等。图2给出了一个锥芯体上螺旋槽的平面投影示意图。物料通过锥形腔体顶端料管连接的机头挤出，采用适合的机头结构可进行造粒和成型。
加料装置6安装在锥形腔体9上，除加料口外，锥芯体和锥形腔体在大端处是相互接触旋转的，在接触面上应设置与锥芯体旋向相反的螺纹槽等密封结构，保证物料不从此漏出。锥芯体5通过轴承3等稳定旋转，圆周偏转控制在很小范围。
具体实施例二
本案例为锥形腔体旋转的锥形螺旋盘挤出机，包括电机1，减速箱2，轴承3，机架4，锥芯体5，加料装置6，加热体7，机头8和9-锥形腔体，见图3。
与实施例一的锥芯体旋转锥形螺旋盘挤出机不同处是：转子为锥形腔体，锥芯体为定子；为此经减速箱2降速将电机1旋转运动通过轴承3浮动传递给锥形腔体9，促进其旋转。机头连接于锥芯体5的内排料管；加料装置6安装在固定锥芯体的机架4上，除加料口外，锥芯体和锥形腔体在大端处是相互接触旋转的，通过接触密封结构保证物料不从此漏出。加热体7设置在锥芯体侧提供热量。螺旋槽设置在锥芯体上，锥形腔体9相对锥芯体螺旋槽旋转运动，促进其中物料塑化和混合，并挤压排出中心料管到机头进行造粒和成型。
具体实施案三
本例为螺旋槽设置在锥形腔体上的锥形螺旋盘挤出机，如图4所示，螺旋槽设置在锥形腔体9上。转子可以为锥形腔体，相似于实施案例一；转子可以为锥形腔体，相似于实施案例二。
具体实施案四
本案例为在螺旋槽盘中段设置副螺旋槽的锥形螺旋盘挤出机，结构示意为图5。从边缘到中心设置主螺棱10a，形成主螺旋槽，按照功能依次是固体输送段、压缩熔融段和混合段及计量段。为加速压缩段尽快实现熔融，在主螺旋槽中设置过渡性副螺棱10c，低于主螺棱10a，将螺旋槽分为两部分，顺接固体输送段螺旋槽的分螺旋槽逐渐变窄直至与主螺旋槽相交，而与之相伴的分螺旋槽正好相反，逐渐从变宽直至与压缩段的下一段主螺旋槽合为一体。这样，固体槽内未塑化物10b不断熔融塑化，成为塑化料10d从较低副螺棱流向熔体槽。固体槽不断变窄对固体不断压缩，将熔融材料排出更有利于传热促进为熔融固体吸收热量，从而加快熔融进度。
具体实施案五
本案例为在相对转子完整螺旋槽在定子外缘设置加料段反向螺旋槽的锥形螺旋盘挤出机，结构示意为图6。转子锥形体工作面自外缘到中心具有完整的螺旋槽，而定子工作面接近外缘的加料段设置反向旋转的螺旋槽段，这样实现固体的正位移输送。
在该案例中，完整螺旋槽也可设置在定子上，反向螺旋槽则设置在转子上。
具体实施案六
本案例的锥形螺旋盘挤出机中定子5和转子9上均设置螺旋槽11，如图7。它们相对旋转，促进物料流形成波动，有助于组分混合、温度均化，从而提高物料塑化质量。
具体实施案七
与案例七相似，在锥形螺旋盘挤出机中定子5和转子9上均设置螺旋槽11，如图8。其中二者的螺旋槽11a相对、螺棱相对，这样螺旋槽中物料流经很窄的螺棱间隙11b时形成拉伸流场，拉伸作用促进物料塑化和混合。
具体实施案八
本案例串联型多级锥形螺旋盘挤出机。如图9，除具有锥芯体5、加料装置6、加热体7、机头8和9-锥形腔体外，中间还有一级动子锥形腔体95a和二级动子锥形腔体95b。一级动子锥形腔体是独立旋转的转子，与定子锥芯体形成一级锥形螺旋盘挤出结构，将从加料装置6来的物料进行一级塑化；然后从一级动子锥形腔体中的料道12流到其其另一侧的大端螺旋槽，进行二次塑化和混合。此时，一级动子锥形腔体作为二级动子锥形腔体95b的“定子”形成二级锥形螺旋盘挤出结构；二级动子锥形腔体95b独立旋转，并从其中的料道把物料输送到最后一级锥形螺旋盘挤出机的大端螺旋槽开始进行最后一次塑化和混炼。最终经定子锥形腔体9和机头8排出进行造粒和成型。
有n级锥形螺旋盘挤出机，则中间有n-1个动子锥形腔体。前一级动子锥形腔体和下一级动子锥形腔体互为定子和转子。这样，物料经过n级塑炼明显改善塑化效果。其二，多种组分可以分级加入，保证混合效果。实际上，其中的转子是分级实现转动控制的，这可以通过外缘转动机构或中心嵌套轴来实现。
Claims (2)
1.锥形螺旋盘挤出机主要由锥芯体、锥形腔体、机头、传动装置、加热装置、机架等组成，其特点是：具有较大锥角的成对锥芯体和锥形腔体至少有一个从大端外缘至小端中心具有螺旋槽。
2.根据权利要求1所述的锥形螺旋盘挤出机，其特点是：锥芯体和锥形腔体相对旋转运动便对槽内物料产生端面法向效应、转鼓旋转拖动和槽内螺旋输送作用的叠加效果；物料从大端外缘加入，经锥形螺旋盘内输送和加热、熔融、混合并再从机头计量挤出；锥芯体和锥形腔体的锥角、螺旋槽的条数、沿长度方向结构变化根据实现塑化、混合等不同功能工艺确定。
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