CN102791462A - 用于挤压粘弹性物质的蜗旋元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于多轴的蜗旋机的新式的蜗旋元件，它具有成对且同向旋转和成对精确刮削的蜗旋轮廓。本发明还涉及蜗旋元件在多轴的蜗旋机中的应用，以及用于挤压粘弹性物质的方法。

Description

用于挤压粘弹性物质的蜗旋元件

本发明涉及用于具有成对同向旋转的，并且成对地精确刮削的蜗旋轮廓的多轴的蜗旋机的新型的蜗旋元件，涉及蜗旋元件在多轴的旋蜗机中的应用，并且涉及用于挤压粘弹性物质的方法。

很早已来就已公开了一些同向旋转的双轴或者必要时的多轴机，它们的转子相互地精确刮削。下述出版物[I]=Kohlgrüber描述了关于这种类型的蜗旋挤压机的综合概况：Der gleichl?ufige Doppelschneekenextruder(同步双蜗旋挤压机) Manser出版社，慕尼黑，2007年。

在这个出版物[I]中特别详细地叙述了双轴和多轴挤压机的结构、功能和运行情况。有专门一章（第227-228页）是描写蜗旋元件和它们的功能方式的。在此对输送元件、揉捏元件和混合元件进行详细的说明。

现代蜗旋挤压机具有模块系统，在这种模块系统中不同的蜗旋元件都可套装到一个核心轴上。采用这种方法专业技术人员可使蜗旋挤压机和相应的方法任务相适配。

在描述蜗旋元件时通常是和旋转轴垂直地观察横截面轮廓，下面也简短地将其称作轮廓。一对蜗旋元件是由一个具有产生蜗旋轮廓的蜗旋元件和一个具有被产生的蜗旋轮廓的蜗旋元件构成。

蜗旋轮廓的区域—这些区域有相同的蜗旋外直径—叫作齿区。齿区的相对于蜗旋轮廓的旋转点的开始点和结束点之间的夹角叫作齿角。齿区—它只在一个点中接触蜗旋外直径—具有齿角0—开始点和结束点在一个点中重合。蜗旋轮廓的一些区域—这些区域有相同的核心半径—被叫作槽区域。槽区域相对于蜗旋轮廓的旋转点的开始点和结束点之间的夹角被叫作槽角。槽区域—它只在一个点中接触核心半径—具有槽角0—开始点和结束点也在此也是相同的。蜗旋轮廓的一些区域—这区域比蜗旋外半径要小，并且比核心半径要大—被叫作齿面区域。相应地齿面区域的相对于蜗旋轮廓的旋转点的开始点和结束点之间的夹角被叫做齿面角。多轴挤压机的区域—在这个区域中有两个壳体孔从中穿过—被叫作楔区域。两个壳体孔的两个交叉点被叫作壳体楔[I]。

在聚合物制造和聚合物加工中建立在精确刮削轮廓原理基础上的蜗旋机得到多种多样的利用。这主要是以此为依据，即聚合物溶液附着在表面上，并且在通常的加工温度下随着时间而降解。这种降解通过精确刮削的蜗旋的自清理作用而中止。例如在出版物[I]的第96-109页中示出了用于产生精确刮削的蜗旋轮廓的调节情况。在此也对在双蜗旋挤压机的第一轴上规定的蜗旋轮廓确定在双蜗旋挤压机的第二轴上的蜗旋轮廓的情况进行了描述。因此，在双蜗旋挤压机的第一轴上的蜗旋轮廓叫作产生的蜗旋轮廓。在双蜗旋挤压机的第二轴上的蜗旋轮廓是从双蜗旋挤压机的第一轴的蜗旋轮廓中产生出来的，并且因此叫作被产生的蜗旋轮廓。在多轴挤压机中在相邻的轴上总是交替地使用产生的蜗旋轮廓和被产生的蜗旋轮廓。

同向旋转的双轴或者多轴机主要用于挤压塑性物质。塑性物质理解为可变形的物质。塑性物质的实例主要是热塑性塑料和合成橡胶的聚合物熔液，聚合物的混合物，或者聚合物熔液，或者聚合物熔液固体、液体和/或气体的弥散。

所谓挤压应理解为在一种如同在出版物[I]中综合描述的同向旋转的双蜗旋或者多轴挤压机中对物质或者物质混合进行处理。在挤压期间对物质的处理包括一个或多个方法运作，输送、熔化、弥散、混合、排气和形成压力。

挤压特别是在制造、准备和处理聚合物时起很大的作用。

在制造聚合物时例如为了对聚合物进行排气而进行挤压（例如参见出版物[I]的191至212页）。

在准备聚合物时，例如为了混合添加剂，或者为了混合例如在化学成分上、分子重量或者分子结构不同的不同的聚合物时要进行挤压（参见例如出版物[I]的第59至93页。这种也叫作渗合的方法用于在使用塑料原材料的情况下制造已制备的塑料造型材料（复合物）的聚合物准备。通常，所述塑料原材料要在添加和混合填充材料，和/或者加强材料、软化剂、增附剂、润滑剂、稳定剂、颜料等的情况下进行熔化。准备工作通常也包括去除挥发的成分，例如空气和水。在这种情况中挥发成分的去除是通过通常是关闭的蜗旋壳体中的孔，即所谓的放气孔完成。这种类型的放气孔可释放一个或者两个蜗旋轴。因为众所周知挤压机是通过摩擦输送的，所以在放气孔中挤压机的输送功率被减小，并且在这个部位的填充度得到提高。准备也可包括化学反应，例如功能组的嫁接（Pfro-pfung、改型，或者通过有针对性的提高或者减小分子重量改变分子重量的内容。

在加工聚合物时优选地将聚合物放置到半成品、可使用的产品或者部件形式的模具中。这种加工例如可通过压铸、挤压、吹膜、拉膜或者纺（Verspinnen）完成。加工也可以包括聚合物和填充料和添加剂的混合，以及化学变化，例如硫化。

在出版物[I]的第73页描述了熔液的输送和压力的形成。在蜗旋挤压机中的熔液输送区是用于将产品从一个工序区输送到下一道工序区，以及引入填充料。通常，熔液输送区例如在将产品从一个工序区输送到下一个工序区、在放气时和在停留时间区中是部分注满的。消耗了用于输送所需的能量，并且不利的是聚合物熔液的温度明显提高。因此在输送区中应使用能量消耗尽可能少的蜗旋元件。用于纯熔液输送的通常是具有大体一倍的挤压机内直径的螺距的螺纹元件。

在蜗旋挤压机中在这样一些部位需要特别大的输送能力，即在旁边添建了第二台挤压机，通过这台挤压机输送部分待挤压的物料。在这个部位上按照理想的方式和要求相适配的挤压机在必须容纳部分液流的轴上具有与第二轴相比较提高输送能力。然而，在按照现有技术的蜗旋轮廓中却不是这种情况。

在出版物（[I]第106页）中已公开，双蜗旋挤压机的输送能力大约与自由的横截面面积成比例。然而，按照现有技术每个单个的元件的自由的横截面面积是固定的。

在挤压机内部的压力消耗器的前面，如例如在回输部件、混合部件、回输的或者中性的揉捏部件，和挤压机的外部的压力消耗器的前面，如例如喷射板、挤压工具和熔液过滤器的前面，在挤压机的内部出现一种堵塞倒流区，在这个堵塞倒流区中满载输送，并且在这个堵塞倒流区中必须形成克服压力消耗器的压力。挤压机的压力形成区—在所述区中产生用于排出熔液所需的压力—叫做排出区。输入到聚合物熔液的能量分成用于形成压力和用于输送熔液的有效功率和消耗功率，这个消耗功率不利地熔液的温度增高时很明显。在压力形成区中通过蜗旋齿熔液发生强烈的倒流，并且因此提高了能量的输入[I]。因此，在压力形成区中应该使用能量消耗尽可能少的蜗旋元件。

按照现有技术[I]（例如参见101页）通过独立的数值的数据，螺纹头数Z、轴间距A和外半径RA确定精确刮削的蜗旋元件的几何形状。按照现有技术齿角不是可调节的和与任务相适配的参数，而是根据下述公式为具有齿区的元件产生的：

，

其中，KWO是待精确刮削的轮廓的齿角（弧度），π为圆周率（π≈3.14159），其中，在所述齿角的区域中轮廓的所有的点清理壳体。

当然按照现有技术[I]，根据下述公式：

，

产生紧密咬合的元件对SKWO的两个元件的齿角的总和。

蜗旋轮廓可以具有一个或者多个蜗旋螺距。众所周知具有恰好一个蜗旋螺距的蜗旋轮廓具有良好的输送能力和在形成压力时具有良好的刚性。它们具有很宽的蜗旋齿，所述蜗旋齿以狭窄的间隙清理蜗旋壳体。本领域技术人员熟知，在蜗旋齿的区域中由于间隙狭窄在熔液中消耗的能量特别多，这种情况导致在产品中局部地强烈过热。

这例如在出版物[I]的160页中示出了用于具有已公开的Erdmenger-蜗旋轮廓的两螺距输送部件。这些局部过热可导致在产品中的损害，例如气味、颜色、化学成分、或者分子重量的变化，或者在产品中形成不均匀性，如凝胶体或斑点（Stippe）。主要是大的齿角是有害的。此外，在许多工序中高的能量的输入也限制了双蜗旋挤压机的可能的通过能力，并且因此也限制了其经济性。

因此，在按照现有技术的同步的双蜗旋挤压机中主要使用的是双螺距的蜗旋轮廓，这些蜗旋轮廓只具有一个狭窄的蜗旋齿。然而这些蜗旋轮廓在形成压力时的效率要比单螺距的蜗旋轮廓差得多。专业技术人员知道（[I]、129页至146页），在具有已公开的Erdmenger-蜗旋轮廓的两螺距输送元件形成压力中的效率大体为10%。当所述效率为10%时，当熔液密度为1000公斤/米³，并且熔液的热容为2000J/Kg/K时压力增加50巴会导致温度上升25K（[I]，120页）。这种加热导致在产品中的损坏，如例如气味、颜色、化学成分或者分子重量的变化，或者导致在产品中形成不均匀性、如凝胶体，或者斑点。

根据建立的现有技术同向旋转的双轴挤压机是用于加工热塑性聚合物的。这些挤压机却没有广泛地用于加工具有高粘弹性的聚合物，如橡胶。粘弹特性导致特别的现象和问题：

通过弹性特性产品显示出类似固体的特性。代替均匀的熔液的是在蜗旋机的部分注入的区中的是柔软的弹性颗粒。

这些颗粒或者“碎屑”堆积密度低，这样，在蜗旋区敞开时经常是蜗旋螺距的体积不够，并且产品堵住开口（例如放气口）。

弹性特性引起反向变形，例如在穿过蜗旋机和壳体之间的，或者在楔区域中的空隙之后（类似于所谓的喷嘴上的“模隆起”（Die Swell）。这导致在部分注入的蜗旋机区域中部分地出现大的颗粒。大的颗粒对于扩散在序，例如排放挥发成分的气体是不利的。

反向形成的大颗粒在蜗旋区敞开时（例如在放气区）有从蜗旋机螺距中冒出来的倾向，并且因此引起堵塞。

弹性特性增加了颗粒进入蜗旋螺距或者进入空隙的难度—颗粒有偏离的倾向。这样会使蜗旋机的输送能力下降。

此外，颗粒的进入受阻也减少了在部分注满的蜗旋区域中的混合作用和表面的更新，这样，例如使挤压机中的排气功率下降。

在许多常用的橡胶中高的粘性与粘弹性联系在一起。这种高的粘性导致高的能量消耗，并且因此导致过热和材料的降解。

在挤压聚二烯橡胶，例如聚丁二烯（BR），天然橡胶（NR）和合成的聚异戊二烯（IR）、丁基橡胶（IIR），氯丁基橡胶（CIIR），溴丁基橡胶（BIIR），苯乙烯—丁二烯橡胶（SBR），聚六苯乙烯（CR）、丁二烯丙烯腈橡胶（NBR），部分氨化的丁二烯—丙烯腈橡胶（IINBR）以及乙烯-Proplyen-聚乙烯-异分子共聚物（EPDM），在高温时由于交联形成凝胶体，这种凝胶体导致从中制造的部件的机械特性变坏。在氯—和溴丁基橡胶中在温度提高时可分解腐蚀性的盐酸—或者溴氢气，这种气体又催化聚合物的继续分解。

在挤压像胶混合物时—这些混合物包括硫化剂，例如硫或者过氧化物—由于温度太高会导致过早的硫化。这导致不再能从这些橡胶混合物中生产出产品来。

因此，粘弹性物质对挤压机有特殊的要求。

现代双蜗旋挤压机具有模块系统，在这种模块系统中在核心轴上可安装不同的已公开的蜗旋元件。这样，专业技术人员可使双蜗旋挤压机和相应的工序任务相适配。然而，按照现有技术已公开的蜗旋元件大部分不是针对具体的任务最佳最设计的。而是制造商与具体的任务无关地提供由固定的模块系统构成的蜗旋元件（输送元件、揉捏元件和混合元件）。

为了能更好地加工粘弹性的产品要求对蜗旋机附件进行适配。采用市场上的标准蜗旋元件不能满意地完成所有的任务。

因此，本发明的任务是以已公开的现有技术为基础为同向旋转的双轴或者多轴蜗旋机提供蜗旋机元件，其能有效地和高效地挤压粘弹性物质。这些需要的蜗旋机元件应具有改进的将粘弹物质输送到挤压机中的输送特性。通过这种需要的蜗旋元件应避免在挤压物料中出现大的颗粒。需要的挤压元件应将尽可能少的能量输送到挤压物料中，以避免在产品中造成损害。然而，减少能量的输入并不应以形成较小压力为代价。

根据本发明这个任务是通过按照独立权利要求所述的蜗旋元件完成的。一些优选的实施形式在从属权利要求中。

所谓蜗旋元件的轮廓应理解为在一个垂直于旋转轴线的平面中的横截面轮廓。

蜗旋轮廓的区域—它们等于蜗旋部外半径RA—叫做齿区。

齿区相对于蜗旋轮廓的旋转点的开始点和结束点之间的夹角叫做齿角。

根据本发明的蜗旋元件的轮廓可通过设置一些圆弧明确地予以说明。

根据本发明的蜗旋元件的蜗旋轮廓其截面优选是由n个圆弧组成，其中n是大于4的整数。

每个圆弧j（j=1至n）的位置可明确地通过两个不同点的说明确定。合适地圆弧的位置通过中点的和开始点或者结束点的说明确定。单个的圆弧j的大小是通过半径Rj和环绕中点在开始点和结束点之间的夹角αj确定的，其中半径Rj大于或者等于零，并且小于或者等于轴之间的轴线间距，并且夹角αj在弧度上大于或者等于0，并且小于或者等于2π，其中，π是圆周率（π≈3.14159）。

根据本发明的蜗旋元件的轮廓也可以具有一个或者多个“拐点”。一个拐点合适地可作为一个其半径R=0的圆弧看待。“拐点的大小”是通过半径R=0的圆弧的相应的角度产生的，也就是说，在一个拐点中，第一圆弧通过绕半径R=0的第二圆弧的夹角的转动过渡到第三圆弧。或者换句话说，在第一圆弧上在半径R=0的第二圆弧的中点的一条切线，以一种角度—这个角度相应于第二圆弧的角度—与也是在第二圆弧的中点中第三圆弧上的切线相交。在考虑第二圆弧的情况下所有相邻的圆弧（第一→第二→第三）彼此相切地过渡。合适地将半径R=0的圆弧如同一个其半径等于eps的圆弧看待，其中，eps是一个很小的正实数，这个正实数趋向0（eps<<1，eps→0）。

在一种根据本发明的轮廓中这些圆弧在它们的开始点和结束点上总是切线地彼此融合。

在一种双轴挤压机中一些孔的横截面在所谓的楔区域中重叠。在双轴挤压机的8孔的横截面中的自由表面积已知地为：

，

其中，r为半径，π为圆周率，gw为壳体角度，gw=2·arccos（A/DE）。

一个元件原则上可提供使用的横截面面积F_halb是整个表面的一半

F_halb=F_acht/2。

当产生的蜗旋轮廓的横截面为面积F1时，余下的自由的横截面面积F1^frei从下式获得：

F₁ ^frei = F_halb-F₁。

相应地下述公式适用于被产生的相邻的蜗旋轮廓的自由的横截面面积F₂ ^frei：

F₂ ^frei = F_halb-F₂。

自由的横截面面积越大，则可提供给挤压件的自由体积就越大，并且挤压机的输送能力也就越大。

具有下述特征组合优点的蜗旋元件是本发明的主题：

- 与现有技术相比提高了蜗旋螺距中的自由体积，当壳体敞开时这一做法对放气特性起积极作用。同样地在根据本发明的非对称的蜗旋轮廓中在一个轴上提高了的输送能力可以在耦合有侧边挤压机的部位中利用。

- 元件对的齿角的总和小于现有技术已公开的蜗旋元件中的齿角总和。这样，根据本发明的蜗旋元件具有与现有技术相比更小的，用以清理壳体的轮廓的所有点的区域。因为在这个区域中输送到挤压物料中的能量特别的多，所以通过根据本发明的蜗旋元件挤压物料所经受的机械载荷和热载荷比较少，这既对产品质量有利，也对该方法的经济性有利，因为通过较小的载荷可提高通过能力（参见例如[I]60页）。此外，通过减小齿角在形成压力时的损失与热载荷的减小相比仍然是小的，这样在压力形成时可取得更高的效率。

- 优选地一种所谓的缩小区和元件对的一个或者两个轮廓的齿区相连接，所述缩小区产生与现有技术相比长形的，且缩小的齿隙。缩小区域的特点是具有比较小的自由体积。这种缩小区域导致在加工粘弹性材料时减小或者甚至避免大的颗粒（减小“离离模膨胀”（Die Swell））效应。

所述这些特征在根据本发明的蜗旋元件中可以不同的方式实现。因此，当在相邻的轴上实现缩小区域时可在一个轴上在敞开的蜗旋螺距中实现大的自由体积。这些类型的蜗旋元件组成本发明的第一主题。这些类型的蜗旋元件在下面也叫做轮廓不同的蜗旋元件。

此外，也可在一个敞开的蜗旋螺距中实现大的自由体积，在一个唯一的轴上实现缩小区域。这种类型的蜗旋元件形成本发明的第二主题。这些类型的蜗旋元件在下面也叫做轮廓相同的蜗旋元件。

从根据本发明的轮廓不同的蜗旋元件中可以衍生出第三种类型的蜗旋元件，所述第三种类型的蜗旋元件也是本发明的主题。这种类型的蜗旋元件在此也叫作敞开的蜗旋元件。

下面，A是两个蜗旋元件之间的轴线距，DE是蜗旋元件的外直径，RA是蜗旋元件的外半径，R1是蜗旋元件的内半径，π是圆周率。

轮廓不同的蜗旋元件

用于具有成对地同向旋转的蜗旋轴的多轴蜗旋机的蜗旋元件是本发明的第一主题，其特征在于，

- 相邻的蜗旋元件具有不相同的非对称的轮廓，

- 蜗旋元件分别具有一个唯一的齿区，

- 相邻的蜗旋元件的对的所有齿角的总和SKW大于0和小于

，

- 相邻的蜗旋元件的自由横截面面积F₁ ^frei和F₂ ^frei它们的大小彼此是不相同的。

根据本发明的轮廓不同的蜗旋元件—它们用在相邻的轴上—具有不同的轮廓，也就是说，产生的和被产生的蜗旋轮廓是不相同的。

此外，轮廓不相同的蜗旋元件的轮廓是非对称的，也就是说，它们既不镜对称，也不点对称。

轮廓不相同的蜗旋元件的被产生的和产生的蜗旋轮廓的所有齿角的角度总和大于0，并且小于

，优选地小于

，特别优选地小于，并且最优选的是小于

。

这样，根据本发明的轮廓不同的蜗旋元件具有与带有现有技术的齿区的蜗旋元件相比更小的区域，轮廓的所有的点用这个区域清理壳体。因为在这个区域中输入到挤压物料中的能量特别多，所以通过根据本发明的蜗旋元件挤压物料的机械的和热载荷比较少，这既对产品质量有利，也对此方法的经济性有利，因为通过更小的载荷可提高通过能力（例如参见出版物[I]第60页）。此外，在形成压力时通过减小齿角所产生的损失要比减小热载荷时的小，所以在形成压力时可取得更高的效率。

轮廓不同的蜗旋元件的蜗旋外半径RA与轴线距A之比优选地在0.51到0.7的范围中，特别优选地在0.52到0.66的范围中，十分特别优选地在0.57到0.63的范围中。

在根据本发明的轮廓不同的蜗旋元件中，相邻的轮廓的自由的横截面面积F₁ ^Frei和F₂ ^Frei的大小彼此是不相同的。优选地较大面积与较小面积之比至少为1.2，特别是至少为1.5，十分特别优选地是至少为2。

此外，根据本发明的蜗旋元件的优点还在于，有一个区，这个区叫做“缩小区”，它在一侧与产生的，或者与被产生的蜗旋轮廓的齿区连接。

缩小区包括一个或者多个圆弧，其中，所有位于缩小区域的圆弧上的点距旋转点有段距离，其位于（RA+R1）/2和RA之间。这个缩小区在相对于轮廓的旋转点以一个角度延伸，所述角度大于90°。优选地这个缩小区在一个大于120°，特别优选地在大于180°的角度上延伸。

通过这个与齿区相连接的缩小区出现了一个长的变小的齿隙，这个变小的齿隙导致在加工粘弹性材料时减少或者甚至避免出现大颗粒（减小“离离模膨胀—Die Swell效应”）。

通过与现有技术相比较要大的缩小区域，在相邻的蜗旋元件的轮廓中在敞开的蜗旋螺距中产生与现有技术相比较更高的自由体积，这对放气特性有利。

轮廓相同的蜗旋元件

用于具有成对同向旋转的蜗旋轴的多轴的蜗旋机的蜗旋元件是本发明的第二主题，其特征在于，

- 相邻的蜗旋元件具有相同的，且非对称的轮廓，

- 轮廓包括一个唯一具有小于

的齿角的唯一的齿区，并且

- 一个叫作缩小区的区域在一侧在轮廓中与角区连接。

缩小区包括一个或者多个圆弧，其中，位于圆弧上的所有的点距旋转点有段距离，其在（RA+R1）/2和RA之间。因为产生的和被产生的蜗旋轮廓是相同的，所以在两个相邻的蜗旋元件中存在有一些缩小区。缩小区在相对于轮廓的旋转点的一个角度上延伸，这个角度大于30°，优选地大于45°，特别优选地大于90°。

通过与齿区相连接的缩小区出现细长的缩小的齿隙，所述缩小的齿隙导致在加工粘弹性的物质时减小，或者甚至避免大的颗粒（减小“（膨胀Die Swell）”）效应。

在相邻的轴上使用的根据本发明的轮廓相同的蜗旋元件具有相同的轮廓，也就是说，产生的和被产生的蜗旋轮廓是相同的。

通过产生的和被产生的蜗旋轮廓的一致性，并结合与现有技术相比大的缩小区域，在蜗旋元件的与缩小区域相对置一侧上，在敞开的蜗旋螺距中产生与现有技术相比较更高的自由体积，这对输送特性和放气特性是有利的。

此外，轮廓相同的蜗旋元件的轮廓是非对称的，也就是说它既不轴对称，也不点对称。

根据本发明的轮廓相同的蜗旋元件具有一个唯一的齿区。

根据本发明的轮廓相同的蜗旋元件具有小于

，优选地小于

，特别优选地小于

，十分特别优选地小于

的齿角。

齿角

相当于Erdmenger型的单螺距的蜗旋元件的齿角。因此，根据本发明的蜗旋元件具有与现有技术相比较更小的区域，用这个区域轮廓的所有的点清理壳体。因为在这个区域中输入到挤压物料中的能量特别多，所以通过根据本发明的蜗旋元件会出现挤压物料的机械的和热的载荷较少的情况，这既对产品质量有利，也对方法的经济性有利，因为通过较小的载荷可提高通过能力（参见出版物[I]的第60页）。此外，在形成压力时通过减小齿角所出现的损失与减小热载荷相比要小，这样，在形成压力时可取得更高的效率。

轮廓相同的蜗旋元件的蜗旋外半径RA与轴线距A之比优选地在0.51到0.7的范围中，特别优选地在0.52到0.66的范围中，十分特别优选地在0.57到0.63的范围中。

敞开的蜗旋元件

用于具有成对同向转动的蜗旋轴的多轴的蜗旋机的蜗旋元件是本发明的第三主题，其特征在于，

- 相邻的蜗旋元件具有不相同的轮廓，

- 轮廓恰好具有一个齿区，并且相邻的轮廓恰好具有两个齿区，

- 相邻的轮廓的自由横截面面积F₁ ^frei和F₂ ^frei的大小是不相同的。

根据本发明的在相邻的轴上使用的敞开的蜗旋元件必须地具有不同的轮廓，也就是说，产生的和被产生的蜗旋轮廓是不相同的。

敞开的蜗旋元件的轮廓分别是对称的，或者非对称的。优选地产生的和被产生的蜗旋元件的轮廓是镜像对称的。它们优选地分别具有镜平面，相应的旋转轴线位于所述镜平面中。

相邻的蜗旋元件的自由横截面面积F₁ ^frei和F₂ ^frei在根据本发明的敞开的蜗旋元件中的大小彼此是不相同的。优选地较大的面积与较小的面积之比最小为1.2，特别是至少为1.4，十分特别优选地至少为1.6。

根据本发明的敞开的蜗旋元件对的一个元件的一个轮廓具有恰好一个齿区，并且另一轮廓具有刚好两个齿区。

根据本发明的敞开的蜗旋元件具有与现有技术相比更小的区域，用这个区域轮廓的所有的点清理壳体。因为在这个区域中输入到挤压物料中的能量特别的多，所以通过根据本发明的蜗旋元件出现挤压物料的机械的和热的载荷更小的情况。这既对产品质量有利，也对方法的经济性有作用，因为通过较小的载荷可提高通过能力（参见出出版物[I]的第60页）。此外，在形成压力时通过减小齿角所产生的损失比减小热载荷的要小，因此，在形成压力时取得更高的效率。

根据本发明的元件对的轮廓—所述轮廓恰好具有一个齿区—的特征是具有与现有技术相比要大的自由的体积，这个大的自由体积对放气特性和输送特性都是有利的。

蜗旋外半径RA和用于轮廓相同的蜗旋元件的轴线距A之比优选地在0.51到0.7的范围内，特别优选地在0.52到0.66的范围内，十分特别优选地在0.57到0.63的范围内。

轮廓不相同的、轮廓相同的和敞开的蜗旋元件

所有根据本发明的蜗旋元件都可设计为输送元件，或者揉捏元件，或者混合元件。

众所周知，输送元件的优点在于（例如参见出版物[I]的第227页-248页），即蜗旋轮廓沿轴向连续地螺旋形地旋转，并且继续。按照轴的旋转方向将输送元件设计成右旋的或者左旋的。通过与其相反的旋转得到反向输送的元件。输送元件的螺距优选地在轴线距的0.1倍到10倍的范围之内，其中，螺距应理解为蜗旋轮廓完成完全旋转所需的轴向长度，并且输送元件的轴向长度优选地在蜗旋直径的0.1倍到10倍的范围内。

众所周知，揉捏元件的优点在于（例如参见出版物[I]的第227页-248页），即蜗旋轮廓沿轴向方向分段地以揉捏盘的形式延续。揉捏盘的布置可向右旋，或者向左旋，或者是中立的。揉捏盘的轴向长度优选地在轴线距的0.05倍到10倍的范围内。两个相邻的揉捏盘之间的轴向间距优选地在蜗旋直径的0.002倍到0.1倍的范围内。

众所周知，混合元件是通过下述措施形成的（例如请参见出版物[I]的第227页到248页），即输送元件在蜗旋齿中具有通孔。混合元件可以是右旋的或者是左旋的。它们的螺距优选地在轴线距的0.1倍到10倍的范围内，这些元件的轴向长度优选地在轴距的0.1倍到10倍的范围之内。穿孔优选地具有u形槽或者v形槽的形状，所述槽优选地反向输送地或者轴线平行设置。

根据本发明的蜗旋元件的轮廓是以精确刮削的轮廓为基础。专业技术人员知道，精确刮削的蜗旋轮廓是不能直接应用到蜗旋挤压机中去的。而是要求在蜗旋部之间有间隙。为此在出版物[I]的第28页中描述了不同的策略。对于根据本发明的蜗旋元件的蜗旋轮廓可以使用对于蜗旋轮廓的直径在0.001到0.1的范围内的间隙，优选地在0.002到0.05，并且特别优选地在0.004到0.02的范围内。如专业技术人士所知，这些间隙在蜗旋部和壳体之间，在蜗旋部和蜗旋部之间其大小可以是不相同的，或者是相同的。这些间隙也可以恒定的，或者在规定的限度内是可变化的。蜗旋轮廓在间隙范围内也是可移动的。一些可能的间隙策略是在出版物[I]第28页中描述的轴线距扩大的方案、纵截面等距方案和空间等距方案，所有这些办法专业技术人员是知道的。所述轴线距扩大中蜗旋轮廓的直径设计得比较小，并且在蜗旋部之间移开间隙量的距离。所述纵截面等距中纵截面轮廓曲线（与轴线平行）向内移动半个蜗旋部—蜗旋部间隙。所述空间等距办法中，以空间曲线为依据—按照这个空间曲线清理蜗旋元件—沿着垂直于待精确刮削的轮廓的表面的方向将蜗旋元件减小蜗旋部—蜗旋部之间的半个间隙。优选地使用纵截面等距和空间等距，特别优选地使用空间等距办法。

根据本发明的蜗旋元件的轮廓可按照在文献PCT/EP2009/003549中所描述的方法之一进行设计。

如上所述，根据本发明的蜗旋元件的轮廓是由一些圆弧组成的。在此，为了产生根据本发明的蜗旋元件如此地组合这些圆弧，即这些圆弧产生凸轮廓，并且分别在它们的开始点和结束点上相切地彼此融合。

其中，轮廓可以具有一个或者多个“拐点”。当将拐点如同一个半径为0的圆弧看待时（如上所述）在这个拐点上相邻的圆弧相切地彼此融合。

此外还必须考虑，产生的蜗旋轮廓的圆弧与被产生的蜗旋轮廓的圆弧相“对应”，其中，所谓“对应”可理解为：

- 对应的圆弧的角度是相同大小的，

- 对应的圆弧的半径的总和等于轴线距A，

- 产生的蜗旋轮廓的圆弧的中点和它的结束点之间的连接线之一与被产生的蜗旋轮廓的对应的圆弧的中点和它的结束点之间的连接线之一平行地延伸，

- 这些方向—产生的蜗旋轮廓的圆弧的结束点是从圆弧的中点起在这些方向中—分别与这样一些方向相反，被产生的蜗旋轮廓的对应的圆弧的结束点是从被产生的蜗旋轮廓的圆弧的中点起在这些方向中，

- 产生的蜗旋轮廓的圆弧的中点距被产生的蜗旋轮廓的对应的圆弧的中间点有段间距，所述间距相应于轴线距，

- 产生的蜗旋轮廓的圆弧的中点和被产生的蜗旋轮廓的对应的圆弧的中点之间的连接线与产生的蜗旋轮廓的旋转点与被产生的蜗旋轮廓的旋转点之间的连接线平行，

- 这个方向，即产生的蜗旋轮廓的圆周的中点必须朝这个方向移动，为的是用被产生的蜗旋轮廓的对应的圆弧的中点进行覆盖，与如下方向是同一方向，即产生的蜗旋轮廓的旋转点必须朝这个方向移动，为的是用被产生的蜗旋轮廓的旋转点进行覆盖。

根据本发明的蜗旋元件的轮廓的特征是，这些轮廓只用量角器和圆规就可构造。这样，就可构成出产生的蜗旋转廓的第j和第（j+1）的圆弧之间的切线过渡，其做法是，绕第j个圆弧的结束点画一个具有半径Rj+1的圆，并且这个圆周和直线的距产生的蜗旋轮廓的旋转点附较的交点是第（j+1）圆弧的中点，其中所述直线是通过第j个圆弧的中点和结束点定义的。

本发明建议，在计算机上实施用于生产根据本发明的蜗旋轮廓的方法。然后可以这种形式产生蜗旋元件的尺寸，以其将它们输送到用于产生蜗旋元件的CAD-铣床中。

当它们优选地在计算机上在考虑上述结构特征的情况下设计之后例如可用铣床生产根据本发明的蜗旋元件。用于生产蜗旋元件的优选材料是钢，特别是渗氮钢、铬钢、工具钢和不锈钢，以及铁基、镍基或者钴基的粉末冶金制造的金属复合材料。

此外，根据本发明的蜗旋元件在多轴的蜗旋机中的应用也是本发明的主题。优选地将根据本发明的蜗旋元件应用在双轴的蜗旋机中。蜗旋元件可以揉捏元件、混合元年或者输送元件的形式存在于多轴的蜗旋机中。也可将揉捏元件、输送元件和混合元件相互组合在一个蜗旋机中。根据本发明的蜗旋元件也可和例如现有技术已公开的其它的蜗旋元件进行组合。

根据本发明的蜗旋元件适合用于挤压塑性的和粘塑性的物质，例如悬浮液、糊料、玻、璃陶瓷物料、熔液形式的金属、塑料、塑料熔液、聚合物溶液、合成橡胶和橡胶物质。

塑性物质可理解为可变形的物质，塑性物质的例子有聚合物熔液、主要是热塑性塑料，以及合成橡胶、聚合物熔液的混合物，或者聚合物溶液和固体、液体或者气体的弥散物。

优选地使用下列物质构成的热塑性聚合物或者聚合物的混合物：聚碳酸酯，聚酰胺，聚酯，特别是聚丁烯对苯二酸酯和聚乙烯对苯二酸酯，以及聚醚、热塑性聚氨酯、聚醛、氟聚合物、特别是聚氟亚乙烯、以及聚多醚砜、聚烯烃，特别是聚乙烯和聚丙烯以及聚酰亚胺、聚丙烯酸脂，特别是聚（甲基）甲基丙烯酸酯，以及聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚酮、聚芳醚酮乙烯聚合产物，特别是聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，特别是苯乙烯丙烯腈共聚物和丙烯腈丁二烯—苯乙烯块共聚物，以及聚氯乙烯。优选地也使用所谓的所列塑料的混合物，其中，专业技术人员明白由两种或者多种塑料构成的组合。

粘弹性物质可理解为这样的材料和混合物，即这些材料及其混合物的弹性与时间、温度和频率有关。粘弹性的特征是部分地具有弹性，部分地具有粘性。在取消外力之后材料的松弛不完全，余下的能量以蠕变过程（延迟）的形式下降。

用作粘弹性材料的实例有苯乙烯—丁二烯—橡胶、天然橡胶、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、三元乙丙橡胶、乙烯—丙烯—橡胶、丁二烯—丙烯腈合成橡胶、氢化的腈橡胶、丁基橡胶、卤素丁基橡胶、氯丁橡胶、乙烯—乙烯乙酸酸—橡胶、聚氨酯橡胶、热塑性聚氨酯、杜仲树胶、芳香橡胶、氟橡胶、硅橡胶、硫橡胶、氯磺酰—聚乙烯—橡胶。当然，所列橡胶的两种或者多种也可组合，或者一种或者多种橡胶和一种或者多种塑料进行组合。

待挤压的塑性的或者粘弹性的聚合物可以纯形式使用，或者作为具有填充料和加强料，特别是如玻璃纤维的混合物使用，作为彼此的混合物，或者和其它的聚合物的混合物使用，或者具有通常的聚合物添加剂的混合物。

添加剂可作为固体、液体或者溶液和聚合物一起输送到挤压机中，但是至少部分添加剂，或者所有的添加剂通过侧流输送到挤压机中。

添加剂给聚合物增添多种多样的特性，这些添加剂例如是增色剂、颜料、加工辅助剂、填充剂、防氧化剂、增强剂、UV吸收剂和光稳定剂、金属钝化剂、过氧化物捕集剂、基本的稳定剂、晶芽形成剂、起稳定剂或者防氧化作用的苯并呋喃和吲哚酮（lndolinone）、分型剂、防火添加剂、抗静电剂、着色剂和熔液稳定剂。填充料和增强料的例子是炭黑、玻璃纤维、陶土、云母、石墨纤维、二氧化钛、碳纤维、碳纳米细管、离子液体和天然纤维。

如上所述，根据本发明的蜗旋元件特别适合用于挤压粘弹性的物质。因此，此外，本发明的一个主题是在使用根据本发明的蜗旋元件的情况下在双蜗旋挤压机或者多轴挤压机中用于挤压粘性物质的方法。

下面借助一些附图对本发明进行示范性的说明，但是本发明并不局限于这些附图。所有附图都是借助计算机程序产生的。

在此明智之举是使用的无量纲特征数，为的是能容易地将这些特征数应用到不同的挤压机结构尺寸中。

轴线距A提供了几何尺寸的参考尺寸，例如长度或者半径，因为这个尺寸在挤压机上是不能变化的。

在附图中使用的是下述专门用语：

- 所有尺寸数据都统一到轴线距A。标准化的尺寸都用大写字母表示，

- 角度用弧度表示，

- 产生的和被产生的蜗旋元件的轮廓用圆弧描述。对这些圆弧分别进行编号；产生的轮廓的圆弧的编号为1、2、3等，相邻的被产生的轮廓的圆弧的编号为1’、2’、3’等，

- Mx和My是在笛卡尔坐标系中的产生轮廓的圆弧的圆中点的x坐标和y坐标，所述坐标系的元点位于相应的蜗旋轮廓的旋转点上，

- R是根据轴线距A标准化的半径，α是圆弧的圆弧角，

- RA是蜗旋元件的根据轴线距A标准化的外半径。

所有附图都具有下面描述的相同的结构。产生的蜗旋轮廓通过左边的蜗旋轮廓表示。被产生的蜗旋轮廓通过右边的蜗旋轮廓表示。产生和被产生的蜗旋轮廓的圆弧通过粗的实线条表示，这些线条分别标有圆弧编号。由于圆弧的数量多，并且由于这些图是借助计算机程序产生的，所以出现单个的圆弧的编号重叠的情况，并且因此看不清楚。虽然单个的编号部分地看不清楚，但是从关联看，并结合本说明，轮廓的结构还清楚的。

通过小圆圈示出圆弧的中点。圆弧的中点用细的实线既和所属的圆弧的开始点，也和结束点连接。产生的和被产生的蜗旋轮廓的蜗旋外半径分别为相同大小，或者接近相同大小。在蜗旋机壳体的区域中蜗旋外半径用细划线表示，在楔区域中用细的点线表示。

图1示出一对根据本发明的轮廓不相同的蜗旋元件的横截面轮廓图。产生的，或者被产生的轮廓分别由9个圆弧组成。

在图1的下面说明相应圆弧的中点的坐标，它们的半径和相应圆弧的角度。圆弧1和1’，圆弧2和2’，圆弧3和3’等彼此相互对应。

相邻的元件的轮廓是不相同的。这些轮廓是不对称的。在左侧有一个大的自由的横截面表面，在右侧有一个在圆弧5’，4’和3’上延伸的缩小区。

相邻的元件的自由的横截面积是不相同的，

在下述实例中：

F_halb = F_acht/2 = 2531.5，

F₁ = 1482.5,

F₂ = 2010.5

F₁ ^frei = 1048.7，

F₂ ^frei = 521.0，

。

图2示出一对根据本发明的轮廓相同的蜗旋元件的横截面轮廓。产生的和被产生的轮廓分别由14个圆弧组成。在图2的下方有相应的圆弧的中点的坐标，它们的半径，和相应的圆弧的角度的说明。圆弧1和1’，圆弧2和2’，圆弧3和3’等彼此相互对应。

相邻的元件的轮廓是相同的。这些轮廓是不对称的。每个轮廓具有大的收缩区（圆弧12、11和10，或5’、4’和3），并且在轮廓的对置的一侧具有大的自由的横截面表面。

图3示出一对根据本发明的敞开的蜗旋元件的横截面轮廓。产生的和被产生的轮廓分别由10个圆弧组成。在图3的下方有相应的圆弧的中点的坐标，它们的半径和相应的圆弧的角度的说明。圆弧1和1’，圆弧2和2’，圆弧3和3’等彼此相互对应。

相邻的元件的轮廓是不相同的。这些轮廓分别是对称的，它们具有镜面。产生的左轮廓恰好具有两个齿区（圆弧3、4和5，圆弧7、8和9）；被产生的右轮廓恰好具有一个齿区（圆弧2’、1’和10’）。

相邻的元件的自由的横截面表面是不相同的。在本实施例中：

F_halb = F_acht/2 = 2531.5，

F₁ = 1887.1,

F₂ = 1481.1

F₁ ^frei = 644.4，

F₂ ^frei = 1050.4，

。

Claims (14)

1.用于具有成对同向旋转的蜗旋轴的多轴的蜗旋机的蜗旋元件，其特征在于，

- 相邻的蜗旋元件具有不同的、不对称的轮廓，

- 蜗旋元件分别具有一个唯一的齿区，

- 相邻的蜗旋元件对的所有齿角的总和SKW大于0、并且小于                                                

，

- 相邻的蜗旋元件的轮廓的自由的横截面面积F₁ ^Frei和F₂ ^Frei在它们的大小上彼此是不相同的。

2.按照权利要求1所述的蜗旋元件，其特征在于，被产生的和将产生的蜗旋轮廓的齿角的总和SKW小于

，优选地小于，特别优选地小于

。

3.按照权利要求1或2的任一项所述的蜗旋元件，其特征在于，相邻的轮廓的较大的自由横截面面积和较小的自由横截面面积之比至少为1.2，特别优选的是至少为1.5，十分特别优选至少为2。

4.按照权利要求1至3中的任一项所述的蜗旋元件，其特征在于，元件对中的一个元件的轮廓具有缩小区域，所述区域相对于和轮廓的旋转点如下角度延伸，所述角度大于90°，优选地大于120°，特别优选地大于180°，其中，缩小区域包括一个或者多个圆弧，并且所有位于缩小区域的圆弧上的点具有（RA+R1）/2和RA之间的距轮廓的旋转点的距离，其中，RA是蜗旋外半径，R1是蜗旋内半径。

5.用于具有成对同向旋转的蜗旋轴的多轴蜗旋机的蜗旋元件，其特征在于，

- 相邻的蜗旋元件具有相同的非对称的轮廓，

- 轮廓包括具有小于

的齿角的唯一齿区，并且

- 在轮廓中缩小区在一侧和齿区相连接，所述缩小区包括一个或者多个圆弧，其中，所有位于缩小区的圆弧上的点具有在（RA+R1）/2和RA之间的距轮廓的旋转点的间距，其中，A是轴线距离，RA是蜗旋外半径，R1是蜗旋内半径，π是圆周率。

6.按照权利要求5所述的蜗旋元件，其特征在于，齿角小于

，优选地小于

，特别优选地小于

。

7.按照权利要求5或6中的任一项所述的蜗旋元件，其特征在于，缩小区相对于轮廓的旋转点以角度延伸，所述角度大于30°，优选地大于45°，特别优选地大于90°。

8.用于具有成对同向旋转的蜗旋轴的多轴的蜗旋机的蜗旋元件，其特征在于，

- 相邻的蜗旋元件具有不相同的轮廓，

- 在相邻的元件对中轮廓恰好具有一个齿区，并且相邻的轮廓恰好具有两个齿区，

- 相邻的轮廓的自由的横截面积F₁ ^frei和F₂ ^frei的大小是彼此不相同的。

9.按照权利要求8所述的蜗旋元件，其特征在于，相邻的轮廓的较大的自由的横截面面积与较小的自由的横截面面积之比至少为1.2，特别优选地至少为1.4，十分特别优选地至少为1.6。

10.按照权利要求8或9中的任一项所述的蜗旋元件，其特征在于，这些轮廓分别为镜像对称的。

11.按照权利要求1至10中的任一项所述的蜗旋元件，其特征在于，蜗旋外半径RA和轴线间距A的比优选地在0.51至0.7的范围中，特别优选地在0.52至0.66的范围内，十分特别优选地在0.57至0.63的范围中。

12.按照权利要求1至11中的任一项所述的蜗旋元件，所述蜗旋元件是从精确刮削的轮廓中导出的，从而它们在蜗旋元件和壳体之间和/或在相邻的蜗旋元件之间具有间隙。

13.将按照权利要求1至12中的任一项所述的蜗旋元件应用在多轴蜗旋机中，优选地应用在双轴蜗旋机中。

14.在使用按照权利要求1至12中的任一项所述的按照本发明的蜗旋元件的情况下在双蜗旋—或者多轴挤压机中用于挤压粘弹性物质的方法。

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