CN102896729B - 一种超临界流体增压计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体增压计量装置，特别涉及一种超临界流体的增压发生与精确计量装置。该装置由过滤器，四个截止阀，三个电磁阀，调压阀，三个压力表，气体增压泵，排气阀，安全阀，三个压力传感器，两个超临界流体储罐，先导阀，电子压力控制器，气控调压阀，定量阀，旁通阀，溢流阀，控制单元，触摸屏操作界面以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成。本发明提出的装置优点在于实现发生和计量一体化，增压泵以气体驱动，采用PID控制泵的自动开闭；计量系统采用旁通回流方式，回流气体重新增压利用；计量系统内流体始终循环流动，解决因截断通路而造成的压力突变。

Description

一种超临界流体增压计量装置

技术领域

本发明涉及一种气体增压计量装置，特别涉及一种超临界流体的增压发生与精确计量输送的装置，可用于聚合物微孔发泡注塑等对超临界流体注入压力、流量等有严格要求的系统中。

背景技术

微孔发泡塑料定义为泡孔尺寸在10μm以下，泡孔密度在10⁹个/cm³以上、具有闭孔结构的聚合物材料。该材料主要设计思想在于：当塑料中泡孔的尺寸小于材料内部的裂纹时，泡孔的存在将使材料原来存在的裂纹尖端钝化，有利于阻止裂纹在应力作用下的扩展，从而使材料的力学性能得到提高。微孔发泡的发泡剂有两种：化学发泡剂和物理发泡剂。由于采用化学发泡剂产生的泡孔尺寸大小不一且分布不均匀，而且容易造成环境污染，化学发泡剂已经逐渐被物理发泡剂所替代。上世纪90年代后，超临界流体作为微孔发泡的物理发泡剂已倍受关注。超临界流体(Supercritical Fluid，简称SCF)是指处于临界温度和临界压力之上的流体，其物理和化学性质介于液体和气体之间。常用于微孔发泡的超临界流体有超临界CO₂（压力高于7.1Mpa，温度高于31℃）和超临界N₂（压力高于3.4Mpa，温度高于-147℃)。此类发泡剂具有无毒无残留，易得廉价，安全环保等优点，对多数的聚合物溶解度高、低黏度低、扩散系数大，而且采用适当的控制方法和工艺参数，即可获得泡孔尺寸、分布均匀的聚合物材料，所得材料力学性能相比化学发泡材料有明显改善。

目前，微孔挤出技术中的超临界流体发生计量控制已在国内外经形成较为成熟的解决方法，而在微孔注塑技术中，由于需要将连续稳定的超临界流体流转化成非连续的超临界流体流，这对超临界流体的发生计量控制提出更高的要求，是微孔注塑工艺研究的难点和热点问题。微孔注塑过程中，每一次注入的超临界流体与熔融的聚合物混合均匀形成单相溶液，然后以较大的压力降驱动气泡在聚合物中的形核并长大，进而获得具有均匀分布微小泡孔的优质聚合物材料。该过程中对于注入到注塑机料筒的超临界流体要求：1）需要达到足够高压力，以维持超临界状态，并防止机筒内熔融聚合物回流；2）需要尽量保持压力稳定，防止因压力不稳造成与熔融聚合物混合不均匀；3）需要精确计量，达到减重目标，并且保证气泡不过分长大。

北京中拓机械责任有限公司在2009年9月2号申请的授权公开的中国专利CN201471668 U 《超临界流体发泡剂剂量控制装置》中揭示了一种可以按照设定流量向往复式螺杆塑化装置或者间歇式塑化装置中注入超临界流体的控制装置和方法。其方法是采用截断式输送方法将超临界流体流由连续变为非连续，在解决截断管路是造成的管道内压力突变方面采用的方法是限制发生压力突变管路容积在0.01毫升到2毫升，再次开通管路时，该段气体压力升高通过下游管路保留的正常压力的气体中和。该方法虽然可以解决每次开启管路时超临界流体对塑化装置内熔融聚合物的冲击问题，但是没有完全消除输送管路中的压力波动，多次的压力突变会对管路上游的精密稳压装置造成冲击，影响设备寿命；由于管路内输送的一般为压力在10MPa以上高压超临界流体，频繁的压力突变是系统存在安全隐患；专利没有给出因压力波动造成超临界流体与熔融聚合物混合不均匀的解决方案。而由上段叙述可知，形成混合均匀的单相溶液是获得优质聚合物材料的前提。所以，该专利在解决超临界流体输送压力稳定性上尚有不足。

发明内容

本发明根据上述现有技术的不足之处，提出一种超临界流体增压发生、精确计量、稳压稳流的装置，选用气体驱动的增压泵作为超临界流体发生系统的主要装置，提出了旁通回流式高压流体输送管路设计方案，解决了截断式输送管路的压力突变问题，采用PID闭环控制策略，来保证每个塑化周期内向料筒注入发泡剂剂量的恒定和注入过程的稳定，从而保证发泡工艺的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本实施例的超临界流体增压计量装置包括超临界流体发生部分和超临界流体计量部分。

超临界流体发生部分包括第一截止阀（截止阀可以是气动截止阀）、第一电磁阀、调压阀、第一压力表、气体增加泵（可以是气动增压泵）、排气阀、第二截止阀、第二压力表、安全阀、第三截止阀（截止阀可以是高压截止阀）、第一压力传感器、超临界流体储罐、第四截止阀（截止阀可以是高压截止阀）、控制单元。

其中，压缩空气源通过管路与第一截止阀、第一电磁阀、第一压力传感器、先导阀、第二电磁阀、第三电磁阀连接；排气阀和第二截止阀的进口通过三通管路接头与氮气源连接；第一截止阀、调压阀、第一压力表依次连接，调节气体增压泵的驱动气体压力；第二截止阀和第二压力表连接后一路与气体增压泵、第三截止阀、超临界流体储罐、第四截止阀依次通过压力管路连接，组成超临界流体增压管路，另一路连接超临界流体回收储罐；第四截止阀还与高压气体压力控制器连接；安全阀与超临界流体储罐的排气口连接，除了可以保护储罐压力处在安全范围内，也可在长时间停用该装置时用安全阀排出储罐内高压流体；第一压力表用于监测气体增压泵的入口压力，第一压力传感器用于获取超临界流体储罐内部压力，并通过数据线路连接控制单元；第一电磁阀的出口与第一截止阀的先导气体接口连接，并且通过数据线路连接控制单元。

超临界流体计量部分包括先导阀、第三压力表、低压气体压力控制器（可以是电子压力控制器）、高压气体压力控制器（可以是气控调压阀）、第二压力传感器、定量阀、旁通阀、第二电磁阀、溢流阀、第三压力传感器、第五截止阀（截止阀可以是气动截止阀）、第三电磁阀、超临界流体回收储罐、控制单元。

其中控制单元接收注塑机信号，第五截止阀与注塑机的料筒连接；先导阀、第三压力表、低压气体压力控制器依次连接，调节高压气体压力控制器的驱动气体压力；高压气体压力控制器、第二压力传感器、定量阀、旁通阀、第三压力传感器、第五截止阀依次连接组成高压管路；第三压力表用于监测低压气体压力控制器的入口压力，第二压力传感器、第三压力传感器分别用于获取高压气体压力控制器出口处、第五截止阀入口处的压力，并通过数据线路连接控制单元；第二电磁阀、第三电磁阀的出口分别与旁通阀、第五截止阀的先导气体接口连接，并且通过数据线路连接控制单元；低压气体压力控制器通过数据线路连接控制单元；超临界流体回收储罐还通过溢流阀与旁通阀连接。

所述的控制单元采用PID控制策略，控制器接收压力、注塑机的反馈信号，根据预先设计的数据关系控制低压气体压力控制器的输出压力，控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的通闭进而控制第一截止阀、旁通阀、第五截止阀的动作，完成超临界流体的增压发生，实现每个塑化循环周期发泡剂注入剂量的恒定和注入压力、流率的稳定。

所述的超临界流体发生部分的主要增压设备为气体增压泵，采用PID控制，设定超临界流体压力上下限，自动开闭。

所述的超临界流体计量部分采用旁通回流方案，旁通阀的回路出口和溢流阀的入口连接，溢流阀出口与超临界流体回收储罐入口连接，超临界流体回收储罐出口连接气体增压泵的输入口组成旁通回流管路，其中，溢流阀溢流压力设为超临界流体向注塑机料筒注入的注入压力。保持流体的一直流通，是本专利装置区别于截止式控制装置的根本特征。

所述的调压阀和低压气体压力控制器的压力控制范围优选为0.4~0.8MPa，气体增压泵的输出压力范围优选4~40MPa，高压气体压力控制器的压力控制范围优选为4~25MPa。

本发明的有益效果，超临界流体计量部分采用旁通回流输送方案，回流管路连接增压泵输入端，回流气体增压后重新利用，该装置内流体始终循环流动，可解决因截断通路而造成的压力突变，保证注入料筒的流体压力稳定性；超临界流体发生部分的主要增压设备为气体增压泵，相比于电动增压泵，其体积小、调节灵敏、输出压力高、节省能源、性价比高。

附图说明

图1是本发明的超临界流体增压计量装置结构示意图。

图中，Ⅰ、压缩空气源，Ⅱ、氮气源，Ⅲ、注塑机信号，Ⅳ、注塑机料筒，1、过滤器，2、第一气动截止阀，3、第一电磁阀，4、调压阀，5、第一压力表，6、消声器，7、气动增压泵，8、排气阀，9、截止阀，10、第二压力表，11、安全阀，12、第一高压截止阀，13、第一压力传感器，14、超临界流体储罐，15、第二高压截止阀，16、先导阀，17、第三压力表，18、电子压力控制器，19、气控调压阀，20、第二压力传感器，21、定量阀，22、旁通阀，23、第二电磁阀，24、溢流阀，25、第三压力传感器，26、第二气动截止阀，27、第三电磁阀，28、超临界流体回收储罐，29、控制单元，30、触摸屏操作界面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本实施例的超临界流体增压计量装置由超临界流体发生部分和超临界流体计量部分组成。

其中，超临界流体发生部分包括第一气动截止阀2、第一电磁阀3、调压阀4、第一压力表5、消声器6、气动增压泵7、排气阀8、截止阀9、第二压力表10、安全阀11、第一高压截止阀12、第一压力传感器13、超临界流体储罐14、第二高压截止阀15、控制单元29。

其中，过滤器1的进口与压缩空气源Ⅰ连接，过滤器1的出口通过管路与第一气动截止阀2、第一电磁阀3、第一压力传感器13、先导阀16、第二电磁阀23、第三电磁阀27连接；排气阀8和截止阀9的进口通过三通管路接头与氮气源Ⅱ连接；第一气动截止阀2、调压阀4、第一压力表5依次连接调节气动增压泵7的驱动气体压力；截止阀9和第二压力表10连接后一路与气动增压泵7、第一高压截止阀12、超临界流体储罐14、第二高压截止阀15依次通过压力管路连接，组成超临界流体增压管路，另一路连接超临界流体回收储罐；第二高压截止阀15还与气控调压阀19连接；安全阀11与超临界流体储罐14的排气口连接，除了可以保护储罐压力处在安全范围内，也可在长时间停用该装置时用安全阀排出储罐内高压流体；第一压力表5用于监测气动增压泵7的入口压力，第一压力传感器13用于获取超临界流体储罐14内部压力，并通过数据线路连接控制单元29；第一电磁阀3的出口与第一气动截止阀2的先导气体接口连接，并且通过数据线路连接控制单元29；气动增压泵7上还设有消声器6。

该部分以气动增压泵7为主要设备，气动增压泵利用低压气体（0.4~0.8MPa）驱动大面积活塞而在小面积活塞上产生高压气体，输出气压可通过驱动气压无级调节。相比于电动增压泵，其优点在于体积小、调节灵敏、输出压力高、节省能源、性价比高等。在本部分中采用PID控制，设定上下限，自动开闭。氮气源提供的气体，经过截止阀9，被气动增压泵7加压后，即生成超临界流体，然后经过第一高压截止阀12后，输送到超临界流体储罐14中储存。在气动增压泵7的驱动管路上，第一气动截止阀2控制驱动气体的通断，驱动气体经过调压阀4稳定压力后进入气动增压泵7的缸体内，驱动活塞。

超临界流体发生部分采用闭环控制，控制对象是超临界流体储罐14内压力。开启系统前，设定上下限压力值。气动增压泵7将高压气体打入超临界流体储罐14时，超临界流体储罐14内压力逐渐升高，第一压力传感器13采集超临界流体储罐14内部压力，通过数据线路传入控制单元29，随着输出压力达到设定上限压力值，控制单元29通过第一电磁阀3控制第一气动截止阀2截断驱动气体，气动增压泵7内活塞往复运动速度减小直至停止。随着下游管路超临界流体输出，超临界流体储罐14内部压力降低，当压力值下降到设定下限压力值时，控制单元29通过第一电磁阀3控制截止阀开通驱动气体，气动增压泵7再次开启，向超临界流体储罐14内输入超临界流体。这样，实现闭环控制，以保证超临界流体储罐14内压力值在设定范围内变化，保证下游管路压力控制的稳定性。其中气动增压泵7的输出压力范围优选4~40MPa，超临界流体储罐14的容积优选10~20L。

超临界流体计量部分包括先导阀16、第三压力表17、电子压力控制器18、气控调压阀19、第二压力传感器20、定量阀21、旁通阀22、第二电磁阀23、溢流阀24、第三压力传感器25、第二气动截止阀26、第三电磁阀27、超临界流体回收储罐28、控制单元29、触摸屏操作界面30。

其中控制单元29接收注塑机信号Ⅲ，第二气动截止阀26与注塑机料筒Ⅳ连接；先导阀16、第三压力表17、电子压力控制器18依次连接调节气控调压阀19的驱动气体压力；气控调压阀19、第二压力传感器20、定量阀21、旁通阀22、第三压力传感器25、第二气动截止阀26依次连接组成高压管路；第三压力表17用于监测电子压力控制器18的入口压力，第二压力传感器20、第三压力传感器25分别用于获取气控调压阀19出口处、第二气动截止阀26入口处的压力，并通过数据线路连接控制单元29；第二电磁阀23、第三电磁阀27的出口分别与旁通阀22、第二气动截止阀26的先导气体接口连接，并且通过数据线路连接控制单元29；电子压力控制器18通过数据线路连接控制单元29；超临界流体回收储罐28还通过溢流阀24与旁通阀22连接；触摸屏操作界面30通过数据线路连接控制单元29。

其中气控调压阀19是该系统维持压力稳定的主要设备，该设备利用低压气体控制高压气体，实现对超临界流体的减压稳压。气控调压阀19可优先选用美国Tescom公司的44系列气控调压阀。电子压力控制器18可优先选用美国Tescom公司生产的ER3000控制器。旁通阀为一进两出的换向阀，可通过阀芯动作改变流体流向，控制单元通过电磁阀控制旁通阀改变流向。

超临界流体储罐14提供的超临界流体经过气控调压阀19后，如果需要向注塑机料筒Ⅳ内注入超临界流体时，则旁通阀22流体流向第二气动截止阀26，控制单元29控制气控截止阀26与旁通阀22同时动作，关闭旁通回流管路，开通注气管路。控制单元29设定的注入时间，待完成注入后，控制单元29控制第二气动截止阀26和旁通阀22同时截断注气通路，两个阀门之间保留上次注气的气体压力，下次开启时依然以相同的压力向注塑机料筒Ⅳ内注入超临界流体。同时，旁通阀22将流向变换到旁通回路上，超临界流体流向溢流阀24。溢流阀24可以保持入口压力，当入口压力大于某一设定值时，溢流阀24自动开启，经出口向超临界流体回收储罐28排放气体，当入口压力低于设定值，则溢流阀24自动关闭。由此，当旁通阀22换向到该路时，可由溢流阀24维持气控调压阀19出口到旁通阀22这段管路的流体压力。若要实现上述目的，需要溢流阀24溢流压力设为超临界流体向注塑机料筒Ⅳ注入的注入压力。

由于超临界流体储罐14内的流体压力会有所波动，为使注射压力稳定，本系统采用两套闭环控制，设置PID控制模块，通过第二压力传感器20获取气控调压阀19出口处的压力值，或者通过第三压力传感器25用于获取超临界流体进入机筒前的压力值。如果超临界流体流向注塑机料筒Ⅳ方向，控制单元29读取第三压力传感器25获取的数据，位于控制单元29内部的PID控制模块，将读取数据与设定值对比后，然后向电子压力控制器18发出调整信号，控制器执行调整动作，对进入气控调压阀19的驱动气体进行压力调节，进而调节料筒前的超临界流体压力值；如果超临界流体流向溢流阀24，控制单元29读取第二压力传感器20获取的数据，PID控制模块将读取数据与设定值对比后，向电子压力控制器18发出调整信号，对进入气控调压阀19的驱动气体进行压力调节，进而调节减压阀出口处的压力值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种超临界流体增压计量装置，其特征是，包括超临界流体发生部分和超临界流体计量部分；

超临界流体发生部分包括第一截止阀、第一电磁阀、调压阀、第一压力表、气体增压泵、排气阀、第二截止阀、第二压力表、安全阀、第三截止阀、第一压力传感器、超临界流体储罐、第四截止阀、控制单元；

其中，压缩空气源通过管路与第一截止阀、第一电磁阀、第一压力传感器、先导阀、第二电磁阀、第三电磁阀连接；排气阀和第二截止阀的进口通过三通管路接头与氮气源连接；第一截止阀、调压阀、第一压力表依次连接，调节气体增压泵的驱动气体压力；第二截止阀和第二压力表连接后一路与气体增压泵、第三截止阀、超临界流体储罐、第四截止阀依次通过压力管路连接，组成超临界流体增压管路，另一路连接超临界流体回收储罐；第四截止阀还与高压气体压力控制器连接；安全阀与超临界流体储罐的排气口连接，除了可以保护储罐压力处在安全范围内，也可在长时间停用该装置时用安全阀排出储罐内高压流体；第一压力表用于监测气体增压泵的入口压力，第一压力传感器用于获取超临界流体储罐内部压力，并通过数据线路连接控制单元；第一电磁阀的出口与第一截止阀的先导气体接口连接，并且通过数据线路连接控制单元；

超临界流体计量部分包括先导阀、第三压力表、低压气体压力控制器、高压气体压力控制器、第二压力传感器、定量阀、旁通阀、第二电磁阀、溢流阀、第三压力传感器、第五截止阀、第三电磁阀、超临界流体回收储罐、控制单元；

其中控制单元接收注塑机信号，第五截止阀与注塑机的料筒连接；先导阀，第三压力表，低压气体压力控制器依次连接调节高压气体压力控制器的驱动气体压力；高压气体压力控制器、第二压力传感器、定量阀、旁通阀、第三压力传感器、第五截止阀依次连接组成高压管路；第三压力表用于监测低压气体压力控制器的入口压力，第二压力传感器、第三压力传感器分别用于获取高压气体压力控制器出口处、第五截止阀入口处的压力，并通过数据线路连接控制单元；第二电磁阀、第三电磁阀的出口分别与旁通阀、第五截止阀的先导气体接口连接，并且通过数据线路连接控制单元；低压气体压力控制器通过数据线路连接控制单元；超临界流体回收储罐还通过溢流阀与旁通阀连接；超临界流体发生部分的控制单元与超临界流体计量部分的控制单元为同一装置。

2.如权利要求1所述的超临界流体增压计量装置，其特征是，所述的控制单元采用PID控制策略，控制单元接收压力、注塑机的反馈信号，根据预先设计的数据关系控制低压气体压力控制器的输出压力，控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的通闭进而控制第一截止阀、旁通阀、第五截止阀的动作，完成超临界流体的增压发生。

3.如权利要求1所述的超临界流体增压计量装置，其特征是，所述的超临界流体发生部分的气体增压泵，采用PID控制，设定超临界流体压力上下限，自动开闭。

4.如权利要求1所述的超临界流体增压计量装置，其特征是，所述的超临界流体计量部分采用旁通回流方案，旁通阀的回路出口和溢流阀的入口连接，溢流阀出口与超临界流体回收储罐入口连接，超临界流体回收储罐出口连接气体增压泵的输入口组成旁通回流管路，其中，溢流阀溢流压力设为超临界流体向注塑机料筒注入的注入压力。

5.如权利要求1所述的超临界流体增压计量装置，其特征是，所述的调压阀和低压气体压力控制器的压力控制范围为0.4～0.8MPa。

6.如权利要求1所述的超临界流体增压计量装置，其特征是，气体增压泵的输出压力范围4～40MPa。

7.如权利要求1所述的超临界流体增压计量装置，其特征是，高压气体压力控制器的压力控制范围为4～25MPa。