CN104136185A - 动态混合泵 - Google Patents

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L·博西尔斯
R·萨尔曼格-弗罗哈尔德
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Abstract

用于将添加剂掺和到待泵抽介质中的设备(1)，包括：至少一个齿轮泵(2)，用于泵抽待泵抽介质，所述齿轮泵(2)包括具有第一驱动扭矩的至少一个轴(3)；至少一个注射器(5)，用于将添加剂引入到待泵抽介质中；至少一个螺杆输送机(6)，用于将所述添加剂与所述待泵抽介质混合，所述螺杆输送机具有第二驱动扭矩，且，其特征在于，所述轴(3)与所述螺杆输送机(6)在功能上连接，使得所述第一驱动扭矩与所述第二驱动扭矩耦合。

Description

动态混合泵
技术领域
本发明涉及用于将添加剂掺和到待泵抽介质中的设备。
背景技术
当今存在用以将两种或两种以上高粘度和/或低粘度材料混合的各种技术，包括使用单螺杆或双螺杆挤出系统或注射系统与静态混合器的组合。
在挤出机中混合粘性材料具有若干缺点，包括需要对螺杆进行设计并安装具有适当设计的螺杆以获得适当混合。另一缺点是由于螺杆的大小和长度而在从一组材料转换到一组不同材料时需要时间来清洗挤出机。为了确保适当混合，螺杆必须足够长，但这意味着在清洗螺杆时需要更多时间且浪费更多材料。并且，在某些情况中，在挤出机中相对较长的停留时间对于某些材料来说可能不是所希望的。
在一些情况中，可通过(例如)液体定量给料设备将添加剂定量配给到挤出机的熔体流中。这需要建构穿过挤出机机筒的熔体沟道。然而，在试图升级现有设备时，这并不实际。改造现有挤出机将会是一项复杂且成本高的工作，会造成机器操作时间的大量损失。
在又其他情形中，使用排气式挤出机。挤出机以及其螺杆的设计通常使得在有效排气系统继续操作的同时确保对添加剂流的适当注射和混合是不实际的。另一方面，排气系统需要保持运转以便抽出非所希望的挥发物(例如，空气、湿气、低聚物等)。
有一些系统是在挤出机下游添加添加剂流。举例来说，这样的流可以在挤出机与静态混合器之间引入。然而，在一些情况中，可能没有足够的底板空间可用来安装合适的注射系统和静态混合器。此外，在一些情况中，例如，当引入发泡剂时，由静态混合器引起的高压降不是所希望的。
在塑料生产领域中，需要通过将添加剂添加到熔体来改善、更改或增强塑料的性质。塑料加工领域中的另一趋势是泡沫塑料的挤出。可通过将物理或化学起泡剂(或这两者的组合)添加到熔体来实现发泡。重要的是起泡剂以及待添加的任何添加剂(例如成核剂)要尽可能均匀地分布在熔体中。通常，添加在20℃下的压力绝对高于75巴的物理起泡剂(例如N2或CO2)(处于流体状态，例如超临界流体以保证混合成单相)。通过这样做，会降低熔体的粘度。此外，混合导致了非所希望的熔体温度升高。为了如所述般掺和添加剂，已使用静态混合器。这些静态混合器的一个缺点是因为在挤出方向上需要伸长使它们占据比较大的区域。通常，由于挤出方向上的空间约束使得对设施进行改造以包括静态混合器变成不可能。静态混合器也带来相当大的压降，这在许多工艺中变成限制因素。并且，静态混合器上游的较高压力招致使混合元件坍塌的风险。一些挤出机可能不能够在上游积累这些较高压力。
此外，重要的是，在挤出工具的出口处发生大幅压力减小，以实现所希望的成核以及受控的泡孔膨胀。在静态混合器的情况中，当熔体经过混合器时，消耗了压力。通常，这在挤出工具的出口处导致过低压力。这样导致产品的不规则发泡。将挤出机与静态混合器一起使用的另一特征是通过输送机轴的扭矩来调整并耦合工艺步骤。
EP1268624B1描述了用于在使用物理起泡剂的情况下挤出特定泡沫的挤出生产线。将树脂和任选成核剂馈入到具有混合头、静态混合器、齿轮泵以及模具的挤出机中。经由挤出机的注射阀注射物理起泡剂。将最终所得的泡沫板拉伸和压缩并且卷绕以形成发泡板的卷。这种装置的缺点是因为在挤出机下游的生产线中并入两个静态混合器(IX)而在挤出方向上具有大空间要求。
使用动态混合器替代静态混合器也是已知的，但是它们都需要有另一驱动器用于动态混合器，且将动态混合工艺并入到生产线工艺中是复杂且麻烦的。-(Michaeli W.；Hildebrand,T.；Schumacher,H.；physikalischesmit Standard Extrudern；Kunststoffe11/2008；Karl Hanser Verlag,München)。
发明内容
本发明的目标是克服现有技术的缺点。明确地说，本发明的目标是提供一种使得能够挤出具有十分均匀的添加剂的介质且安装和维护起来较不复杂的设备。提供一种用于挤出塑料的成本划算、节省空间和能量、便于使用且可靠的装置，所述装置实现了高混合性能且通过额外热移除而保持熔体温度受控。
这个目标通过根据权利要求1的设备来解决。在附属权利要求以及以下描述中界定优选实施方案。
根据本发明的设备是用于将添加剂掺和到待泵抽介质中。在本发明的上下文中，待泵抽介质应被理解为包括借助挤出而加工的任何材料或物质，例如塑料以及其他粘的或半粘的介质。根据本发明的设备包括用于泵抽待泵抽介质的至少一个齿轮泵。在下文中，所述至少一个齿轮泵也可被称作第一齿轮泵。齿轮泵是用于经由置换而输送介质的装置。齿轮泵包括具有第一驱动扭矩的至少一个轴，所述至少一个轴在下文也可被称作第一轴。在优选实施方案中，所述齿轮泵包括具有外齿的两个在功能上连接，即，联锁的齿轮。
所述设备进一步包括用于引入待掺和到待泵抽介质中的添加剂的至少一个注射器。所述设备进一步包括用于将上述添加剂与所述待泵抽介质混合的至少一个螺杆输送机。在下文中，所述至少一个螺杆输送机也可被称作第一螺杆输送机。所述螺杆输送机具有第二驱动扭矩。所述轴或所述轴中的至少一者与所述螺杆输送机或所述螺杆输送机中的至少一者因而在功能上连接，使得上述第一驱动扭矩与上述第二驱动扭矩耦合。
借助上述设备，向待泵抽介质提供添加剂且通过至少一个螺杆输送机来进行处理，使得将添加剂均匀地混合到待泵抽介质中。上述设备(例如)可形成用于生产具有添加剂的材料的挤出生产线的块。此类具有添加剂的材料的实例可为泡沫塑料。可通过上述设备生产的一个特定产品将为如EP1268624Bl(WELSH,G.等人)中描述的热成形泡沫板。
在本发明的特定实施方案中，所述齿轮泵包括两个轴。在优选实施方案中，所述螺杆输送机实际上耦合到所述齿轮泵的轴。优选地，所述螺杆输送机经布置以垂直于挤出方向延伸。所述螺杆输送机通过所述齿轮泵的轴驱动。所述螺杆输送机的驱动扭矩耦合到所述齿轮泵轴的驱动扭矩。
在另一优选实施方案中，待泵抽介质可借助邻近于混合泵的偏转区而偏转，以便前进到螺杆输送机中。一旦已经过螺杆输送机，待泵抽介质便可通过另一偏转区偏转回到挤出工具的流方向上。
在本发明的优选实施方案中，所述至少一个轴中的至少一者是驱动轴。驱动轴应被理解为受致动的轴。
在优选实施方案中，所述齿轮泵包括适于操作为驱动轴的第一轴以及适于操作为非驱动轴的第二轴。
在优选实施方案中，所述第一轴与所述至少一个螺杆输送机在功能上连接。由此，所述第一驱动扭矩与所述第二驱动扭矩可耦合。在本发明的上下文中，当实现力传递时，在更优选实施方案中，当实现扭矩传递时，将建立功能连接。
在优选实施方案中，除了具有第二驱动扭矩的螺杆输送机之外，所述设备还包括具有第三驱动扭矩的第二螺杆输送机。
在另一优选实施方案中，所述第一螺杆输送机与作为所述齿轮泵的驱动轴的第一轴在功能上连接，且所述第二螺杆输送机与第二轴在功能上连接。优选地，所述第二轴可通过所述齿轮泵和/或所述齿轮泵的驱动轴驱动。
在另一优选实施方案中，所述设备适于提供用于所述待泵抽介质的流动方向。在更优选的实施方案中，所述设备适于借助至少一个齿轮泵来提供流动方向。
在另一优选实施方案中，所述设备适于将流体添加剂掺和到待泵抽介质中。用作塑料的起泡剂的示例添加剂可为处于流体阶段的丁烷、戊烷、二氧化碳或氮。
在本发明的特定实施方案中，除了所述第一齿轮泵之外，所述设备还包括第二齿轮泵。这个实施方案的每一齿轮泵都与所述螺杆输送机中的一者在功能上连接。优选地，每一齿轮泵借助用于驱动相应螺杆输送机的驱动轴与所述螺杆输送机在功能上连接。优选地，将以挤出机处的出口压力已达到某一值以维持对齿轮泵的适当填充的方式来控制挤出机速度。换句话说：第一齿轮泵的入口压力可通过改变挤出机速度来最好地进行控制。
在另一优选实施方案中，所述至少一个螺杆输送机包括许多不同的处理区。优选地，所述螺杆输送机包括至少一个混合区。更优选地，所述螺杆输送机可包括至少一个混合区和至少一个压力积累区。用以实现许多不同处理区的具有适当几何形状的螺杆输送机的构造和设计为技术人员所知。
在优选实施方案中，所述设备包括一个接一个定位(优选是基本上垂直于流方向)的两个螺杆输送机。所述螺杆输送机经定位，使得待泵抽介质先经过第一螺杆输送机且再经过第二螺杆输送机。优选地，所述第二螺杆输送机在流方向上包括至少一个压力积累区。
在另一优选实施方案中，所述第二螺杆输送机驱动扭矩耦合到所述第一驱动扭矩。更优选地，所述第二螺杆输送机适于通过所述齿轮泵的驱动轴操作。
在优选实施方案中，所述设备包括关于流动方向位于所述至少一个螺杆输送机上游的注射器。
在另一优选实施方案中，所述至少一个螺杆输送机进一步包括冷却装置。更优选地，这些冷却装置借助用于冷却剂介质的管道来实施。
技术人员容易认识到所有上述实施方案可以独自地或以相结合的方式来实施在根据本发明的设备中。
技术人员可容易认识到上述实施方案也可以按其他角度来实施(即，不只是垂直)。
根据本发明的设备可用在用于输送和挤出介质的装置内。所述装置包括多个块。它包括用于挤出介质的模具块。优选地，所述模具块包括模具。在模具块上游，所述装置包括混合块。所述混合块包括如先前所述的设备。明确地说，它包括在先前描述的方面和/或优选实施方案中的任一者或组合中的用于将添加剂掺和到待泵抽介质中的设备。
在优选实施方案中，所述装置进一步包括在混合块下游的传送块。这个块可包括适于将产品从多个混合块引导到一个模具块中由此实现共挤出的许多分配块/沟道。
在优选实施方案中，所述装置进一步包括在所述混合块上游的挤出机块。
优选地，上述装置以及其优选布置用于将物理起泡剂掺和到介质中，更优选的是掺和到塑料中。明确地说，通过使用根据本发明的装置来生产高密度泡沫。
作为一实例，操作可如下：在齿轮泵壳体中对介质(优选是熔体)进行偏转，通过偏转沟道偏转到包括两个输送机螺杆的混合圆筒中。
关于流动方向在偏转沟道下游，注射物理或化学起泡剂。输送机螺杆中的混合区使具有添加剂的介质均匀化。在第一输送机螺杆的终端处，偏转区使介质偏转到第二输送机螺杆。所述第二输送机螺杆进一步使介质均匀化和/或积累压力。
所述输送机螺杆由于齿轮泵轴的延伸(功能连接的实例)而旋转，这是自身旋转。所述齿轮泵轴中的一者是直接由致动器致动的驱动轴。它将驱动扭矩传递给第一输送机螺杆，且它借助齿轮自身用延伸到第二输送机螺杆的另外的从动轴来致动第二齿轮元件。所述第二输送机螺杆通过所述从动轴致动。
在优选实施方案中，借助连接螺栓来传递扭矩。优选地，所述连接螺栓为扭力刚性的，但可柔性弯曲。
本发明具有现有技术未提供的若干优点。所述优点可总结如下：
-它将工艺的挤出步骤与添加和混合步骤解耦。
-它通过在可能的最迟下游点添加添加剂来将清洗时间减至最少且仍获得适当混合。
-它允许在不修改挤出机机筒的情况下来操作挤出机。
-它允许与具有有效排气系统的挤出机一起操作，即便引入挥发性添加剂(例如，发泡剂)。
-它允许在不需要设计、制造和安装最佳螺杆的情况下对添加剂流进行适当引入和混合。
-它允许将主流(例如，来自挤出机)和添加剂流有效地加热或冷却到所希望的温度。
-它允许对主流和添加剂流进行混合以及加热或冷却且具有最小的压力损失。
-它可安装在大多数现有挤出系统上，具有最低程度的额外底板空间要求，不会干扰现有设置且不会更改操作性能。
-它可应用于挤出系统以及应用于撞柱或活塞型系统。
本发明和其他实施方案将在以下诸图和特定实例中作进一步概述，但不限于此。
附图说明
图1示出了根据本发明实施方案的用于将添加剂掺和到待泵抽介质中的设备的横截面示意图。
图2示出了根据本发明实施方案的设备的三维示意图，其中为了更清楚起见省略了一些元件。
图3以等角视图示出了根据本发明实施方案的齿轮泵轴和输送机螺杆以及其手段的示意图。
图4是用在根据本发明实施方案的设备中的输送机螺杆的示意等角视图。
图5是并入了根据本发明实施方案的设备的装置的示意表示。
图6a示出了并入根据本发明实施方案的设备的替代装置。
图6b示出了并入根据本发明实施方案的设备的替代装置。
图6c示出了并入根据本发明实施方案的设备的替代装置。
图6d示出了并入根据本发明实施方案的设备的替代装置。
图7以等角视图示出了根据本发明实施方案的装置的示意图，其中进一步图示了介质流动方向。
具体实施方式
图1是对用于将添加剂掺和到待泵抽介质中的设备1的描绘。设备1可实施到典型挤出生产线中，例如作为混合块。设备1可进一步再分成三个子块。齿轮块容纳齿轮泵2。注射器块包括注射器5，且混合块包括两个混合螺杆6和7。设备1以示意截面图示出。
在操作期间，待泵抽介质将会以垂直于截面平面的角度进入截面平面。齿轮泵2将借助置换来输送待泵抽材料。齿轮泵通过致动器(未图示)致动，所述致动器通过延伸穿过齿轮泵2的两个齿轮中的一个齿轮的驱动轴3而致动齿轮泵2。驱动轴3的驱动扭矩借助输送机螺杆7与驱动轴3的连接而传递给输送机螺杆7。通过驱动轴3致动的齿轮借助其轮齿而将其驱动扭矩进一步传递给齿轮泵2的第二齿轮，由此产生用于第二轴4的驱动扭矩M1'，所述第二轴4是非驱动轴或从动轴4。所述非驱动轴4与输送机螺杆6连接，由此将驱动扭矩M1'传递给所述输送机螺杆6且产生驱动扭矩M2'。待泵抽介质借助挡板和/或偏转区(此图中未示出)来传送。在齿轮泵2下游，注射器5将流体添加剂(例如二氧化碳或氮)注射到待泵抽介质中。输送机螺杆6动态地混合待泵抽介质(最常见是塑料熔体)与添加剂且/或使待泵抽介质(最常见是塑料熔体)与添加剂的混合物均匀化。替代流体注射或除了流体注射之外，注射器5还可适于引入常用的添加剂，例如增粘剂、阻燃剂、着色剂和/或颜料、交联剂、增塑剂、干燥剂和/或填充料。还可想到的是注射多种添加剂和/或添加剂的组合。在第一输送机螺杆6末端处的挡板或偏转区使所述介质重定向到第二输送机螺杆7，在第二输送机螺杆处，对所述介质进行进一步均匀化和/或混合。如本领域的技术人员从图片中可容易得出，所述输送机螺杆可装备有多个功能区且在工艺中按需要进行螺杆几何形状增添。最常见的是，除了混合/均匀化区之外，第二输送机螺杆7如图所示还进一步装备有压力积累区。此确保介质经过混合块但不会损失过多压力。对于高密度泡沫的挤出来说，压力是重要的参数，例如用二氧化碳作为起泡剂的用于高密度泡沫的现有技术挤出机大多数通常都是在工具喷嘴处的压力差PD为100巴的情况下工作。本发明实现了在工具喷嘴处150巴或150巴以上的压力差。输送机螺杆使起泡剂注射侧保持约200巴的压力。
齿轮泵因此可用以通过连续地将新介质泵抽到螺杆中而增加介质压力。输送机螺杆6和7混合区中的压力损失可通过产品流方向上的第二输送机螺杆7上的额外压力积累区来补偿。
通过在高密度泡沫领域中实施本发明，对于离开混合块进入传送/馈料块中的介质，可实现200巴的压力。
为了冷却混合子块，可并入液体冷却。提供冷却管道10，用于冷却剂介质。此外可想到的是分开冷却齿轮泵和输送机螺杆以在两个子块(未图示)中实现最佳冷却。
图2示出了设备1混合块的外部示意图。所述设备示出了混合块的三个子块。待泵抽介质沿所指示箭头的方向进入混合块。齿轮泵壳体30将介质泵抽到混合壳体32中，在混合壳体32处，输送机螺杆的上述布置将所述介质与通过注射器块31注射的添加剂混合且均匀化。此描绘进一步示出了冷却管道10以及驱动轴3的可与致动器连接的延伸部。
图3是轴3和输送机螺杆7的等角示意描绘。驱动轴3可再分成泵抽齿轮轮齿15和致动器轮齿16。在远端处，轴3装备有与致动器轮齿16对置的螺杆末端，在所述螺杆末端处可装配连接碗14。连接碗14装配到输送机螺杆7的迷宫式密封件13中。定位销17固定驱动轴3与输送机螺杆7之间的连接。输送机螺杆7进一步再分成均匀化区11和压力积累区12。
图4示出了输送机螺杆7的替代设置，其包括均匀化区18以及包括发泡圈的输送元件18'。
图5是挤出工艺的示意表示。挤出机21在驱动扭矩MX的帮助下将待泵抽介质泵抽到混合块24中。待泵抽介质进入A1齿轮2、2'且通过置换而泵抽A2到输送机螺杆6中，在输送机螺杆6处，它与添加剂一起被注射。偏转挡板使介质偏转A3到第二输送机螺杆7中，从而将介质引导回到齿轮泵壳体且从此处进入馈料块和挤出模具喷嘴23中。
通过使齿轮竖条2'旋转而致动齿轮泵2的轴3具有驱动扭矩M1，所述驱动扭矩M1借助竖条2'传递给竖条2，从而产生驱动扭矩M1'。齿轮泵的驱动扭矩M1和M1'与输送机螺杆的驱动扭矩M2、M2'耦合。
图6a示出了图5的设置的替代设计。图6a不同之处在于挤出机先对齿轮泵的非经致动齿轮2'馈料且从此处馈料到输送机螺杆6中。偏转区借助第二齿轮泵的致动A4使介质偏转A3到第二输送机螺杆7，返回到所述第二齿轮泵中且从此处进入馈料块22和挤出喷嘴23。这个实施方案的混合块24具有两个单独的齿轮泵，其各自具有各自的驱动轴。第一齿轮泵将驱动扭矩M1与输送机螺杆6耦合，第二齿轮泵将独立的驱动扭矩M2与输送机螺杆7耦合。
图6b与图5不同之处在于挤出机直接馈料到输送机螺杆6中。注射5发生在挤出机21下游。第二输送机螺杆7对齿轮泵2'/2馈料以便压力积累且从此处馈料到挤出工具中。
驱动轴3的驱动扭矩M1首先借助齿轮泵轮齿系统传递给齿轮2，从齿轮2传递到非驱动轴4，所述非驱动轴4与输送机螺杆7耦合，由此产生经耦合驱动扭矩M2。
图6c示出了图5的设置的另一替代实施方案。挤出机21首先对齿轮泵2/2'馈料。在齿轮泵下游向待泵抽介质添加添加剂。输送机螺杆对第二齿轮泵2、2'馈料，所述第二齿轮泵2、2'再次对第二输送机螺杆7馈料。两个输送机螺杆都具有耦合到齿轮泵2'的驱动轴的驱动扭矩的驱动扭矩M2。
图6d示出了图5的设置的替代实施方案。挤出机21对第一混合螺杆6馈料。在挤出机下游，注射5发生。第一混合螺杆6对齿轮泵2'、2馈料且齿轮泵对第二混合螺杆7馈料，所述第二混合螺杆积累压力且直接对挤出工具馈料。
偏转区和设备的各种子块的示例设置可见于图7中。设备1可被粗略地再分成泵抽子块30、包括两个混合螺杆31、32的混合子块(此描绘示出了外侧，处于环绕所述螺杆的状态)。偏转区33确保介质从一个元件传递到另一元件。注射块5负责将添加剂注射到介质中。
通过此处提出的设备，添加剂与介质的动态混合变成可能，这防止压力因动态混合而损失。可进一步以节省空间和成本的方式来安装所述装置。提供具有不同几何形状的输送机螺杆的可能性允许本领域的普通技术人员获得专门的工具来满足介质与添加剂的结合的不同需要。

Claims (13)

1.一种用于将添加剂掺和到待泵抽介质中的设备(1)，包括
至少一个齿轮泵(2)，用于泵抽待泵抽介质，所述齿轮泵(2)包括具有第一驱动扭矩的至少一个轴(3)；
至少一个注射器(5)，用于将添加剂引入到待泵抽介质中；
至少一个螺杆输送机(6)，用于将所述添加剂与所述待泵抽介质混合，所述螺杆输送机具有第二驱动扭矩，
且，其特征在于，
所述轴(3)与所述螺杆输送机(6)在功能上连接，使得所述第一驱动扭矩与所述第二驱动扭矩耦合。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中所述至少一个轴(3)中的至少一者是驱动轴。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中所述齿轮泵(2)的所述至少一个轴(3)适于操作为驱动轴，且所述齿轮泵(2)包括适于操作为从动轴的第二轴(4)。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备(1)，包括具有第三驱动扭矩的第二螺杆输送机(7)。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，其中所述至少一个螺杆输送机(6)与作为所述齿轮泵(2)的驱动轴的所述至少一个轴(3)在功能上连接，且所述第二螺杆输送机(7)与作为从动轴的第二轴(4)在功能上连接。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的设备(1)，其中所述设备适于将流体添加剂混合到所述待泵抽介质中。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的设备(1)，其中所述设备进一步包括第二齿轮泵(2')，每一齿轮泵(2,2')与螺杆输送机(6,7)在功能上连接，优选地借助用于驱动所述相应螺杆输送机(6,7)的驱动轴来在功能上连接。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的设备(1)，其中所述至少一个螺杆输送机(6,7)包括至少一个混合区和至少一个压力积累区。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的设备(1)，其中所述设备(1)包括在流动方向(A)上一个接一个定位的两个螺杆输送机(6,7)，使得所述待泵抽介质先经过第一螺杆输送机(6)且再经过第二螺杆输送机(7)，且其中优选的是所述第二螺杆输送机(7)在所述流动方向(A)上包括压力积累区。
10.根据权利要求9所述的设备(1)，其中所述第二螺杆输送机(7)的驱动扭矩耦合到所述第一驱动扭矩，优选的是所述第二螺杆输送机(7)适于通过所述齿轮泵(2)的所述至少一个驱动轴(3)操作。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的设备(1)，其中所述注射器(5)位于所述至少一个螺杆输送机(6)上游。
12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的设备(1)，其中所述至少一个齿轮泵(2)和/或所述至少一个输送机螺杆(6)进一步包括冷却装置(10)，所述冷却装置优选地包括用于冷却剂介质的管道(10)。
13.根据权利要求1到120中任一权利要求所述的设备(1)，其中所述螺杆输送机保持适合于注射起泡剂的200巴压力。
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