CN105121107B - 具有温度控制的挤出系统和方法 - Google Patents
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Abstract
揭示了具有温度控制的挤出系统和方法。陶瓷批料材料流动通过前区段，其中，通过其在多个位置的周界对批料材料的温度进行局部调节。然后将经温度调节的陶瓷批料材料挤出通过挤出模头以形成挤出物。测量挤出物在具有不同方位角位置的多个外表面位置的温度。然后在第一反馈回路中控制陶瓷批料材料的温度调节，以基于测得的外表面温度控制挤出物的形状。还可以采用第二控制回路对前区段进行冷却。
Description
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§120，要求2012年11月30日提交的美国申请序列第13/690,642号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及挤出系统和方法，具体地，涉及用于挤出陶瓷前体批料材料的此类系统和方法，其中挤出过程采用温度控制。
背景技术
形成陶瓷蜂窝体和其他基于陶瓷的制品的过程涉及将陶瓷前体批料材料(本文也称作“陶瓷批料”、“批料材料”或者“陶瓷批料材料”)挤出通过桶，然后挤出通过挤出模头以形成挤出物。然后对挤出物进行加工(例如，切碎、干燥和烧制)以形成制造的最终制品。
陶瓷前体批料材料具有温度依赖的流动性。取决于温度，批料材料可以较快或较慢地流动通过挤出模头。因此，批料材料中的温度差异会导致流动不均匀性，这会对挤出物的形状进而对最终制品的形状造成负面影响。
发明内容
本发明的方面包括用于在紧接材料挤出通过挤出模头之前，对陶瓷批料材料的温度进行局部控制的系统和方法，以实现所需的挤出效果，例如均匀成形的挤出物。在一个例子中，通过相对于挤出机布置加热元件从而使得它们围绕陶瓷批料材料的周界，以实现该温度控制。所使用的加热元件的数量限定了陶瓷批料材料所能够实现的温度控制的程度。还可以使用冷却系统对陶瓷批料材料的温度进行局部调节。因此，在一个例子中，陶瓷批料材料的局部温度调节同时采用加热和冷却以实现所需的挤出物挤出效果。
可操作地安置第一组温度传感器，从而当挤出物离开挤出模头时，测量沿着其外表面的多个位置的温度。可操作地布置任选的第二组温度传感器以测量加热元件或邻近加热元件的区域的温度，从而可以对提供到加热元件的功率进行控制。这实现了以受控的方式对陶瓷批料材料的局部温度进行调节。
温度控制器接收挤出物的外表面所测得的温度，并对输送到各个加热元件的功率的量进行控制。所述系统和方法可包括冷却系统，所述冷却系统对挤出物和模头之间的过渡区段进行冷却。在本文中，该过渡区段称作挤出物前端。可以在合理的范围内对冷却温度设定点进行独立的设定，例如约-30℃至约30℃，或者约-5℃至约30℃。
可以独立于温度控制器操作冷却系统，或者可以在包括温度控制器的控制回路中进行操作。在一个例子中，主动冷却和加热结合温度敏感的陶瓷批料组合物的特性，实现了所述系统和方法对挤出物的流动速度进行控制，这转变为对挤出物的形状进行控制。
本发明的一个方面是一种对挤出物的形状进行控制的方法，所述挤出物是由从挤出机的挤出模头挤出的陶瓷批料材料制造的。所述方法包括：使得陶瓷批料材料流动通过挤出腔，所述挤出腔与挤出模头紧邻，其中腔具有中心轴并限定了陶瓷批料材料的周界。所述方法还包括对挤出批料材料的温度进行局部调节。所述方法还包括将温度调节的陶瓷批料材料挤出通过挤出模头以形成挤出物，所述挤出物具有外表面。所述方法额外地包括在具有不同方位角位置的多个外表面位置测量挤出物的温度。所述方法还包括基于测得的外表面温度，控制陶瓷批料材料的局部温度调节，以控制挤出物的形状。
本发明的另一个方面是用于对陶瓷批料材料的挤出进行控制以形成具有外表面和所需形状的挤出物的挤出系统。所述系统包括挤出机，所述挤出机具有长轴和腔(所述腔配置成含有陶瓷批料材料)以及含有至少一个挤出螺杆，可操作所述挤出螺杆以引起陶瓷批料材料的流动。所述系统还包括可操作地布置在挤出机的输出端的挤出模头。挤出机的前区段紧靠挤出模头。多个加热元件绕着至少一部分的腔周界以方位角的方式布置在前区段，并配置成响应功率信号，当陶瓷批料材料流过前区段时对其进行局部加热。多个第一温度传感器相对于长轴以方位角的方式布置在挤出机前端，并配置成沿着挤出物外表面进行表面温度的非接触测量并产生代表测得的表面温度的第一温度信号。温度控制器可操作地连接到所述多个加热元件和所述多个第一温度传感器，并配置成接收第一温度信号并通过功率信号控制各个加热元件响应测得的表面温度所产生的热量。
本发明的另一个方面是用于对陶瓷批料材料的挤出进行控制以形成具有外表面和所需形状的挤出物的挤出机系统。所述挤出机系统具有挤出模头和第一挤出机区段，所述挤出模头具有第一腔和输出孔，所述第一挤出机区段紧邻所述挤出模头布置并且具有对于所述第一腔开放的第二腔。所述系统还具有紧邻所述第一挤出机区段布置的第二挤出机区段，其配置成引起陶瓷批料材料流动通过第二腔到达第一腔，并流出挤出模头输出端以形成挤出物。所述系统还包括多个第一温度传感器，所述多个第一温度传感器绕着挤出模头输出孔以方位角的方式布置，并且可以进行操作以测量沿着挤出物外表面的温度并响应其产生第一温度信号。所述系统具有多个第一加热元件，所述多个第一加热元件绕着第二腔以方位角的方式布置，并且可以响应功率信号进行操作以对流动通过第二腔的陶瓷批料材料进行局部加热。所述系统还包括温度控制单元，所述温度控制单元与所述第一温度传感器和加热元件可操作地相连。温度控制单元配置成接收第一温度信号并在第一控制回路中控制功率信号，从而对各个加热元件响应测得的表面温度所产生的热量进行控制。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来解释本发明的原理和操作。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的普通技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
如下所附的权利要求书结合在下文的具体实施方式中并构成其一部分。
附图说明
图1A是根据本发明的挤出系统的一个示例性实施方式的示意图；
图1B是具有圆形截面的示例性挤出物的升高图(elevated view)；
图2A至2C是根据本发明的挤出系统的示意图，并且显示温度控制系统的更多细节；
图3A是挤出机前区段的一个示例性前区段的截面图，其显示形成在前区段壁中的加热元件钻孔，并且显示了桶腔及其周界；
图3B与图3A类似，显示填充了陶瓷批料材料的挤出机桶腔，并且每个加热元件钻孔分别包含加热元件和温度传感器；
图3C与图3B类似，额外地显示了布置在前区段外侧上的冷却夹套的一个示例性实施方式；
图4A是挤出机腔的示例性前区段的截面图，显示形成在挤出机桶壁中的冷却钻孔；
图4B与图4A类似，同时显示形成在挤出机桶壁中的冷却钻孔和加热元件钻孔；
图5A是挤出机的前区段的特写侧视图，显示两组温度传感器和加热元件组的示例性配置；
图5B是图5A中所示的挤出机的前区段的前视图，显示用于在不同位置测量挤出物的外表面温度的非接触式温度传感器的示例性配置；以及
图6是模头压力(psi)与批料温度TB(℃)(芯和表面温度)的关系图，显示批料温度如何影响模头压力，所述模头压力由批料流速决定。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容就容易理解，或按下面的描述和权利要求书以及附图中所述实施本发明而被认识。
出于参考的缘故在某些附图中显示笛卡尔坐标，它们并不旨在相对于方向或朝向进行限制。
具体实施方式
图1A是根据本发明的示例性挤出系统(“系统”)10的示意图。系统10包括批料供给单元20，其供给了陶瓷批料材料22。批料供给单元20可包括例如，混合器(其混合了批料原材料(原材料、水、油等))、旋转锥形体、运输器以及斜槽(未示出)，这是本领域众所周知的。
系统10还包括挤出机30。挤出机30包括具有长轴A1的桶31，并且可以被认为具有3个主要区段：输入区段32、前区段52和输出区段72。输出区段72具有输出端74并且包括具有模头腔82的挤出模头80，其具有中心开口84，所述中心开口84在输出端74开放。因此，前区段52与输出区段72以及其中的挤出模头80紧邻，并且不必是位于挤出机30的中间或者其他中心位置。此外，本文所用的将挤出机30分成不同区段的命名法是稍微任意的且是为了便于描述，并不旨在限制挤出机具有此类具体区段。
输入区段32包括输入斗34，其配置成从批料供给单元20接收陶瓷批料材料22。在示例性挤出机30中，桶31可操作地在腔26中支撑2个挤出螺杆36，其沿着长轴A1运行。腔26被桶壁33的内表面35限定，所述内表面限定了腔周界(即，所述内表面也是腔周界)。挤出螺杆36的转动推动陶瓷批料材料22前行通过桶31的腔26，从输入区段32通过前区段52并从其腔26进入挤出模头80的腔82。
然后陶瓷批料材料22从挤出模头80的中心开口84挤出并离开输出区段72的输出端74。还参见图1B，结果是形成具有外表面92和位于轴A1上的芯94的挤出物90。在一个例子中，挤出物90包括多个纵向通道，其形成常用于流通基材和壁流式过滤器的蜂窝体。在一个例子中，外表面92是具有厚度的外表皮93的一部分。在一个例子中，表皮93会具有表皮缺陷，例如气泡、裂缝、皱纹和塌陷部分。下文的系统和方法的示例性实施方式包括减少或消除表皮缺陷并影响表皮厚度。还注意的是，挤出物90还可具有非圆形截面形状，显示的圆形截面形状是示例性的且是为了便于阐述。
前区段52包括温度控制系统40，其配置成当陶瓷批料材料22通过腔26时控制其在前区段的温度。这是出于便于阐述的缘故假定腔26延伸进入前区段52的简化版本。在其他例子中，在前区段52和输入区段32中可以存在不同腔26。下面更详细地描述温度控制系统40。温度控制是局部的，即一些部分的陶瓷批料材料22可以比其他部分加热得更多，从而不同部分的陶瓷批料材料可以具有不同温度因而具有不同流动速度。温度控制系统40可用于对陶瓷批料材料22进行选择性加热，并且还可用于对陶瓷批料材料进行冷却，如下文所述。因此，当存在于腔26中的时候，陶瓷批料材料22具有温度(其可包括温度分布)，并且通过加热或者加热和冷却的组合对温度进行局部调节，以形成经温度调节的陶瓷批料材料。然后对经温度调节的陶瓷批料材料进行挤出以形成挤出物90。
系统10包括温度传感单元100，其布置成在输出端74邻近输出区段72。温度传感单元100配置成当挤出物90离开挤出模头80时，对其外表面92的温度进行非接触测量。温度传感单元100包括多个(即，一组)温度传感器102，其布置成邻近挤出物90的外表面92。温度传感单元100与温度控制系统40可操作地相连。
图2A至2C是系统10的示例性实施方式的更详细的示意图。温度控制系统40包括温度控制器110和任选的冷却系统300。挤出机30的前区段52包括多个(即，一组)加热元件150，其绕着长轴A1以方位角的方式布置并且可以进行操作以进行局部加热，即当批料材料通过腔26(或者到达前区段52中的另一个腔26)时，在前区段对陶瓷批料材料22的不同部分进行加热。在一个示例性实施方式中，多个(即，一组)温度传感器152也邻近各个加热元件150以方位角的方式布置，以测量加热元件或者紧邻加热元件的区域的温度。在一个例子中，温度传感器152是热电偶。
图3A显示前区段52的一个示例性截面图，其中，前区段桶壁33是圆柱形，并且壁内表面35限定了圆柱形桶腔26。圆柱形壁33可以由具有良好的导热性的金属(例如，不锈钢)制造。当腔26填充了陶瓷批料材料22时，壁内表面(即，腔周界)35限定了陶瓷批料材料周界22P(图3B)。显示方位角进行参照，并且是相对于轴A1进行测量。
在桶壁33中形成多个纵向加热元件钻孔58，其大致平行于桶长轴A1延伸。各个钻孔58的尺寸能够容纳一个或多个加热元件150。在一个例子中，各个钻孔58的尺寸还能够容纳至少一个温度传感器152。在图3A中，以举例的方式显示12个钻孔58。但是，可以使用任意合理数量的钻孔58来容纳对应数量的加热元件150。在一个例子中，钻孔58作为方位角的函数基本等间距布置。
加热元件150与温度控制器110电连接，如图2A所示。在一个例子中，加热元件150能够产生高至500瓦特的热。在一个例子中，加热元件150可以组成组或“簇”，所述簇可以装纳在各个钻孔58中。在一个例子中，温度传感器152的数量与加热元件150的数量相同或者与加热元件的簇的数量相同。
图3B与图3A类似，不同之处在于，在腔26中显示陶瓷批料材料22，所述腔26限定了前述的陶瓷批料材料的周界22P。显示加热元件150和温度传感器152布置在各个钻孔58中。因而当材料流过前区段52中的腔26时，加热元件150绕着陶瓷批料材料22的周界22P布置。
加热元件150产生热101，所述热101与它们接收到的电功率的量成比例。各个加热元件150产生的热101的量可以经由温度传感器110进行控制，所述温度传感器110通过各功率信号SP调节其提供到各个加热元件的电功率的量。该功率调节产生陶瓷批料材料22的局部加热，这为陶瓷批料材料提供了当其离开前区段52并进入挤出模头80时所需的热曲线。在图3B中，以举例的方式显示加热元件150中的2个产生不同的热101的量。在一个例子中，仅通过温度控制器110经由功率信号SP激活了一个子集的加热元件150，而在另一个例子中，激活了全部的加热元件。
图3C与图3B类似，不同之处在于，前区段52包括任选的冷却夹套200，其还包括在图2A至2C所示的系统10的示例性实施方式中。冷却夹套200至少部分地围绕着前区段52的外侧，从而使得冷却夹套与其处于热连通(例如，紧密接触)。在一个例子中，冷却夹套200包括至少一个冷却通道202，冷却剂204(例如，水、二醇-水混合物等)可以流动通过所述冷却通道202。冷却夹套200包括至少一个输入端口212和至少一个输出端口214。一个示例性冷却夹套200是一个或多个冷却线圈的形式。在一个例子中，多个冷却线圈配置成允许作为方位角的函数的不同量的冷却剂流。
图2A至2C显示一个示例性系统10，其中冷却夹套200在输出端口214处与冷却剂回路224流体连接，所述冷却剂回路224与冷却剂供给230流体连接。冷却剂供给230与致动器阀240流体连接，其进而分别与流量计250流体连接。流量计250还与输入端口212流体连接。制动器阀240和流量计250与流动控制器260电连接，其在一个例子中与温度控制器110电连接。在一个例子中，设备10的前述组件与冷却前区段52构成冷却系统300。一个示例性冷却系统300包括冷却器系统或由其构成。
冷却剂204流动通过冷却夹套200起了如下作用：当陶瓷批料材料流动通过前区段52中的腔26并进入输出区段72中的挤出模头80的时候，从陶瓷批料材料22移除热量101’(参见图3C)。虽然陶瓷批料材料22的主动冷却不是必需的，但是相比于可以采用经由加热元件150对陶瓷批料材料进行主动加热的速度，陶瓷批料材料的被动冷却会较为缓慢。因而采用冷却系统300的主动冷却为陶瓷批料材料22提供了较为快速的加热和冷却，从而使得设备10更具有响应性，即能够比仅仅采用加热元件150更为快速地进行陶瓷批料材料的局部温度调节。
图4A是示例性挤出机30的截面图，其中输入区段32的壁33具有矩形截面形状，并且显示其中存在有两个挤出螺杆36的腔26。显示腔26填充了陶瓷批料材料22，通过挤出螺杆36的转动向前推动了所述陶瓷批料材料22。输入区段32还包括纵向延伸的冷却钻孔203，其配置成运送冷却剂204。在一个例子中，冷却钻孔203延伸到前区段52，并且可用于对前区段进行冷却。
因此，在一个示例性实施方式中，作为冷却夹套200的替代，冷却剂204流动通过直接形成在桶31的输入区段32中的冷却钻孔203。冷却钻孔203与冷却剂回路224和冷却剂供给230流体连接。此外，冷却系统300可配置成使得通过冷却钻孔203的组对冷却剂204的流动进行控制，以提供陶瓷批料材料22的局部冷却。这可以采用多个输入和输出端口212和214以及多个制动器阀240和流动控制器260实现，从而可以相对于方位角改变冷却剂的流量。
在如图4B所示的例子中，冷却钻孔203和加热元件钻孔58都形成在输入区段32的桶壁33中。除了图4B所示的示意性示例配置之外，还可以使用冷却钻孔203和加热元件钻孔58的各种配置。如上所述，冷却钻孔203可以延伸到前区段52，并且可用于对前区段进行冷却。
在如图2B所示的系统10的示例性实施方式中，操作冷却系统300具有基本恒定的冷却剂204流，从而为前区段52进而为流动通过其的陶瓷批料材料22提供基本恒定的冷却速率。在一个例子中，将前区段52冷却至冷却系统300所限定的设定温度T设定。如果温度控制器110没有向任意的加热元件150施加电功率，则陶瓷批料材料22的温度会下降并最终驱动至匹配冷却系统300的设定温度T设定。
如果然后采用来自温度控制器110的功率信号SP以选择的方式向加热元件150施加功率，则会以对应的方式对陶瓷批料材料22进行加热。由于在挤出过程中陶瓷批料材料22中的温度的变化是常见的，因此预期会需要通过加热元件150施加非均匀加热，从而使得陶瓷批料材料具有基本均匀的温度并产生具有基本均匀的温度的挤出物90。此外，非均匀加热可用于为陶瓷批料材料22提供选择的温度非均匀性，以在挤出物90上实现所需的效果，例如限制弓型或者对于理想挤出物形状的其他偏差。
在一个例子中，冷却系统300中的冷却剂204的流动基本恒定，并具有固定的设定点温度T设定。在此情况下，流动控制器260无需与温度控制器110相连，从而可以以独立模式操作冷却系统300，例如如图2B的系统10中所示。冷却系统300通过控制信号SV控制制动器阀240的操作，并通过流量计信号SF从流量计250接收流量计信息。
在另一个示例性实施方式中，冷却系统300响应挤出物90的温度测量改变其冷却剂204的流动。在此情况下，流动控制器260与温度控制器110相连并通过控制信号S1控制，如图2A和2C的示例性系统10所示。
如上所述，设备10包括温度传感单元100，其具有邻近挤出物90的外表面92布置且与温度控制器110可操作地连接(例如电连接)的温度传感器102。温度传感器102产生代表测得的温度的温度信号ST，并将温度信号传输至温度控制器110。
图5A是挤出机30的输出区段72和前区段52的特写侧视图，而图5B是输出区段的前视图。在一个例子中，温度传感单元100包括安装支架104，其与输出区段72的输出端74相附连。安装支架104配置成以相邻挤出物90的外表面92的外周构造可操作地支撑温度传感器102。在一个示例性实施方式中，温度传感器102包括配置成测量外表面92的温度的非接触传感器，或由其构成。在一个例子中，温度传感器102包括激光热电偶或者红外高温计。
在一个例子中，温度传感器102与加热元件150以基本方位角的方式对准，例如如图5B的正视图中所示，加热元件以虚像显示在对应的温度传感器102之后。显示方位角进行参照，并且是相对于轴A1进行测量。在图5A和5B的例子中，存在8个温度传感器102，表示为102-1、102-2.…102-8。类似地，存在8个加热元件150，表示为150-1、150-2.…150-8。显示温度传感器102和加热元件150相对于长轴A1具有基本相同的方位角位置。温度传感器102-1、102-2.…102-8产生各自的温度信号ST(ST1、ST2….ST8)，其代表在挤出物90的外表面92的对应部分测得的温度。
将温度信号ST传送至温度控制器110，其使用测得的温度来产生功率信号SP，所述功率信号SP调节提供到加热元件150(150-1、150-2.…150-8)的功率量，以调节各个加热元件产生的热101的量(参见图3B)。在一个例子中，该反馈过程用于使得挤出物90内的温差最小化，即从而使得来自温度传感器102的测得的温度基本相同。由于陶瓷批料材料22的流速是温度依赖性的，挤出物90的温度均匀化起了使得通过前区段52并离开输出区段72的挤出模头80的陶瓷批料材料22的流速均匀化的作用。
在采用温度传感器152的例子中，这些温度传感器还向温度控制器110提供温度信号ST’(ST’1、ST’2….ST’n)，从而可以小心地调节提供到加热元件150的功率量，从而为陶瓷批料材料22提供选择的温度分布。更通常地，来自温度传感器152的反馈可以提供数种不同功能，从调节加热器温度(通过功率操控)、到限制加热器输出、到检测加热器是否故障(例如，加热过度或者加热不足)。
因此，本发明的方面包括采用系统10来挤出陶瓷批料材料22的方法。所述方法包括采用温度传感器102测量挤出物90的外表面92的不同部分的温度，以及产生相应的温度信号ST，其代表所测得的温度。所述方法还包括温度控制器110，其采用温度信号ST来调节通过加热元件150产生的热101的量，以使得测得的挤出物90的温度基本均匀化。
在一个例子中，通过相应的温度传感器152来测量与加热元件150相关的温度，所述温度传感器152产生代表测得的温度的温度信号ST’。将温度信号ST’传送至温度控制器110，提供加热元件150的温度反馈控制，从而温度控制器可以控制经由功率信号SP提供到加热元件的功率量。
挤出物90的外表面92的温度的变化会导致流动不稳定性和由挤出物制造的畸形陶瓷制品。加热元件150所需要施加的热101的量取决于陶瓷批料材料22的组成及其对于温度变化的灵敏性。陶瓷批料材料22的温度的局部控制实现了对陶瓷批料材料在绕着挤出物90的外表面92的离散位置的表皮(外表面)流动速度的调节。这还提供了控制外周与中心流动(流峰)的能力、控制弓型的能力以及降低当陶瓷批料材料22流过挤出模头80时的温度变化的能力。
在图2A、2B和2C所示的系统10的配置中，可以通过级联(PID)控制回路实现通过加热元件150的加热控制。内回路通过温度传感器152提供的反馈(其产生温度信号ST’)控制加热元件150的温度。外回路通过提供温度信号ST的温度传感器102控制挤出物90的外表面92的温度。在采用冷却系统300进行冷却的例子中，采用包括在前区段52中的单个或多个冷却区的冷却控制回路。可以将冷却回路设定至固定冷却水平。冷却回路自身可包括PID回路，其通过经由控制信号SV选择性地激活制动器阀240来相对于流量计250测得的冷却剂流速调节冷却剂204的流动，所述流量计250提供反馈信号SF。
在如图2C所示的系统10的配置中，在前区段52中存在多个加热的区，以及绕着前区段的一个或多个冷却区。采用温度控制器110和流动控制器260实现加热和冷却控制。温度控制器110包括级联(PID)加热控制回路。内回路通过来自温度传感器152的反馈信号ST’控制加热元件150的温度。外回路控制挤出物90的外表面(表皮)92的温度。
温度控制器110还以如下方式调节冷却控制回路：其寻求防止一个或多个加热元件150达到饱和(即，0％或100％输出)，同时仍然实现控制挤出物外表面92的温度分布的主要目标。在该例子中，如果一个或多个加热元件150达到0％输出，同时对于挤出物90的外表面92的相关联的方位角位置上仍超过设定温度T设定，则冷却回路会增加冷却流动和/或降低冷却剂204的温度。或者，如果一个或多个加热元件150达到100％输出，同时对于挤出物90的外表面92的相关联的方位角位置上仍达不到设定温度T设定，则冷却回路会降低流动和/或增加冷却剂204的温度。
存在数种方式，使得可以采用系统10的不同实施方式，实现挤出物外表面92的温度控制(进而实现形状控制)。在一个例子中，采用反馈控制，例如模糊逻辑或者PID等实现温度控制。可以调节冷却剂流动设定点F设定，以将一个或多个加热元件150维持在可控输出范围内，例如它们的输出范围的0-100％或者10-90％。
在另一个例子中，采用前馈控制器(例如进行基于模型的控制的那一种)，其基于所需的挤出物温度、预期的加热元件输出以及冷却剂回路与加热器回路的模拟相互作用来调节冷却回路的输出，以将加热器输出维持在所需的可控范围内的同时实现挤出物90的所需的温度目标。内冷却剂控制可基于PID回路，其从温度控制器110获得冷却剂流动设定点F设定，并相对于来自对应的一个或多个流量计250的冷却剂流动反馈信号SF来调节一个或多个制动器阀240，以实现所需的冷却剂204的流速。
在一个例子中，采用系统10来提升或降低挤出物90的外表面92的温度，以维持挤出物芯94和外表面之间的所需的温差。这实现了挤出物90的流峰控制，这影响形状、中心和周界膨胀网以及表皮质量。
在另一个例子中，操作系统10以使得挤出物外表面92的温度稳定化，从而降低或消除作为表皮流动不稳定性来源的温度变化。
在另一个例子中，对系统10进行操作，在无需硬件调节的情况下对陶瓷批料材料22的流动进行局部控制。例如，可以通过在相对侧为挤出物外表面92提供温度偏移，采用系统10来控制对数弓型(log bow)。
在一个例子中，温度控制器110接收温度反馈信号ST并直接调节加热元件150的功率输出。可以通过例如使用PID回路的方式实现传递到加热元件150的功率量的调节。在实践中，出于同样的目的可以采用其他已知的控制方案。在该例子中，可以在有或没有温度传感器152以及有或没有冷却系统300的情况下操作系统10。
在系统10还包括温度传感器152的配置中，这些温度传感器可以为系统提供额外的功能。例如，温度传感器152可用作极限传感装置，来指示给定的加热元件150是否过热或者失效。或者，温度传感器152可用于与温度传感器102结合为加热元件150的温度控制回路提供分开的反馈信号，所述温度传感器102用于挤出物90的温度控制的反馈回路。在此情况下，加热元件150的温度可以是级联控制回路(例如，PID回路)的内回路，其中，加热元件温度信号ST’被反馈回温度控制器110。然后温度控制器110可以改变提供到给定加热元件150的功率量，以实现所需的加热元件温度。在该例子中，外控制回路包括挤出物表面温度传感器152。
温度信号ST读取挤出物外表面92的温度，并向内加热器控制回路输出设定温度T设定。然后，通过从温度传感器152读取加热元件温度信号ST’并调节加热器功率，内加热器控制回路起了控制加热元件温度的作用，如上文所述。在该例子中，可以通过多种控制方案的任意一种(包括PID控制回路)，来执行内控制回路。
同样在该例子中，挤出物温度控制回路可以采用多种控制方案的任意一种。具体控制方案的选择取决于控制系统的动力学，例如过程增益、时间常数和停滞时间以及所需的响应动力学。在许多情况下，简单的PID控制回路就会是足够的，但是长的停滞时间或可变的过程增益可能需要选择不同的控制方案。通常，对过程动力学进行测试以确定简单的级联PID回路是否足以实现所需的工艺性能。
在采用冷却夹套200的配置中，可以存在多种情况。最简单的情况如图2B所示，其中，在挤出机90的中间区段上存在绕着多个加热器的单个冷却夹套200。在该配置中，可以在开放回路(即，没有反馈控制的情况下)操作冷却剂流动和/或冷却剂温度，以管理加热元件150可以控制陶瓷批料材料22的表皮温度的温度范围。例如，如果通过温度传感器102测得的挤出物90的平均外表面温度过高，则可以(例如，手动地)增加冷却剂204的流动或者可以(例如，手动地)降低冷却剂温度，以实现所需的挤出物外周温度范围。因此，冷却剂204的流动可用作恒定冷却剂温度的情况下的冷却控制调节器。同样，冷却剂204的温度可用作恒定冷却剂流动的情况下的冷却控制调节器。此外，在冷却系统300配置成同时具有流动和温度冷却剂控制的情况下，冷却剂204的流动和冷却剂的温度的组合可用于增宽温度控制的范围。
还可以闭合回路控制模式操作冷却夹套200，如图2C所示。在此情况下，将由控制信号S1设定的冷却剂流动设定点F设定从温度控制器110发出到流动控制器260。响应如下情况发出该流动设定点F设定：通过温度传感器102测得的与挤出物外表面92所需的温度范围的偏差，或者一个或多个加热元件输出的饱和，以努力实现所需的挤出物温度。
给定加热元件150的输出的饱和可定义为温度控制器110使得加热元件以0％输出运行(表示测得的挤出物温度高于所需的温度)或者以100％输出运行(表示挤出物温度低于所需温度)，并且没有在允许的时间框架内实现所需的挤出物温度。允许的时间框架可以与工艺的停滞时间和响应时间相关。
如果加热元件150以0％饱和，则温度控制器110可以经由控制信号S1要求来自流动控制器260的更多冷却进行响应。流动控制器260通过增加前区段52的冷却、迫使总体温度下降并使得饱和的加热元件150开始再次在可控的范围内操作的方式进行响应。
相反地，如果一个或多个加热元件150以100％输出饱和，则温度控制器110可以经由控制信号S1要求来自流动控制器260的较少冷却进行响应。流动控制器260通过减少前区段52的冷却、迫使总体温度上升并使得饱和的加热元件150开始在可控的范围内操作的方式进行响应。
在一些加热元件150处于0％饱和，而一些处于100％饱和的情况下，可以执行这样的控制方案，所述控制方案基于工艺目标决定是否增加冷却、降低冷却或者不采取措施。通常会由PID回路执行冷却控制回路，但是取决于工艺动力学，可能需要更为高端的控制战略，例如用于处理非线性行为或长停滞时间。
图2A显示系统10的一个示例性实施方式，其中存在与所述多个加热回路方位角一致的多个冷却回路。在该例子中，如同存在单个冷却回路和通过控制信号S1限定的流动设定点F设定的例子，各个冷却回路会从温度控制器110接收流动设定点，其决定了单独的冷却回路的输出。在一个例子中，可以对冷却系统300的冷却剂温度进行整体调节(即，对于所有的冷却剂回路使用单个冷却剂温度值)。在另一个例子中，可以独立地调节流向单独的方位角位置的冷却剂，实现挤出物外表面92的温度的局部方位角控制。
可以以与上文所述的单个控制回路基本相同的方式，执行这些单独控制回路中的每一个。在此情况下，取决于加热元件150的平均输出，可以向上或向下调节冷却剂温度设定点。这提供了如下情况：如果加热元件150倾向于以0％或者接近0％饱和，则提供较低的冷却剂温度，或者，如果加热元件150倾向于以100％或者接近100％饱和，则提供较高的冷却剂温度。在没有使用加热元件150的情况下，冷却剂温度可以是基于是否实现了挤出物90的外表面92的平均温度。如果挤出物温度超过或者没有达到所需的温度，则可以增加或降低冷却剂温度。
在使用加热元件150的情况下，可以以上文所述的方式基于相关的单独的加热区是否处于或接近饱和，来管理单独的冷却剂回路流，即如果加热元件输出处于或接近0％，则可以提供更多的冷却，反之亦然。在没有使用加热元件150的情况下，通过挤出物表面温度直接指示单独的冷却剂流，即通过增加冷却来降低局部方位角温度，反之亦然。
在某些情况下，在绕着系统10的挤出机30的前区段52的周界的相邻的加热或冷却区段之间可能存在一些相互作用。在这些情况下，可能需要采用超出使用PID控制的替代战略。本领域技术人员应理解的是，所执行的具体控制战略会取决于系统10的物理执行、工艺的操作区域以及系统所要求的性能标准。陶瓷批料材料22的流动取决于其具体组成，因为不同的组成具有温度依赖性。陶瓷批料材料22的部分组成展现出当加热至某一温度时变薄或较低压力行为，其中，当温度增加时，发生变形并且组成展现变硬和较高的压力。
在一些例子中，本文所揭示的系统和方法在选择的温度范围内进行操作，所述温度范围是从最低操作压力至可感知的硬化或者较高温度下的高操作压力区域。在一些例子中，增加陶瓷批料材料22的温度起了减缓流动速度的作用，而冷却起了增加流动速度的作用。温度范围取决于陶瓷批料材料22的各种组成的压力-温度响应。在一个例子中，温度范围可在一段时间内具有温度增加使得压力下降，然后可能发生变化，随着温度进一步增加压力开始增加。总的来说，陶瓷批料材料22的不同组成需要进行不同控制，例如具有不同的温度范围。
图6是模头压力PD(psi)与批料温度TB(℃)(芯和表面温度)的关系图，显示批料温度如何影响模头压力，所述模头压力由批料流速决定。曲线是对于测量数据的手绘拟合。通过迫使陶瓷批料材料22的芯和外周之间具有温差，可以控制陶瓷批料材料的不同区域流动通过挤出模头80的速率。图6显示两个区，Z1和Z2。由于推动陶瓷批料材料22通过挤出模头80所需的压力，Z1和Z2区具有不同流动速度。
虽然已经参考具体的方面和特征描述了本文的实施方式，但应当理解，这些实施方式仅仅是对所需原理和应用的说明。因此，应当理解，在不背离所附权利要求书的精神和范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以设计其他实现形式。
Claims (19)
1.一种对挤出物的形状进行控制的方法，该挤出物是由从挤出机的挤出模头挤出的陶瓷批料材料制造的，所述方法包括：
使所述陶瓷批料材料流动通过紧邻所述挤出模头的挤出机腔，所述陶瓷批料材料具有温度，所述挤出机腔具有中心轴并限定了所述陶瓷批料材料的周界；
通过所述陶瓷批料材料的周界在多个位置上对停留在挤出机腔中的所述陶瓷批料材料的温度进行局部调节，以形成经温度调节的陶瓷批料材料；
测量所述挤出机的桶壁的温度，其中，所述测量在围绕所述挤出机腔中所述陶瓷批料材料的周界的多个位置上进行；
将经温度调节的陶瓷批料材料挤出通过所述挤出模头的输出端以形成所述挤出物，所述挤出物具有外表面；
测量在所述挤出模头的输出端处的所述挤出物在具有不同方位角位置的所述挤出物的多个外表面位置的温度；以及
基于测得的所述桶壁的温度以及测得的在所述模头的输出端处所述挤出物的温度，控制所述陶瓷批料材料的局部温度调节，以控制所述挤出物的形状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述陶瓷批料材料的温度进行局部调节包括：通过其周界对所述陶瓷批料材料进行局部加热，或者通过其周界对所述陶瓷批料材料进行局部加热和冷却。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过冷却剂的流动实现冷却，并且所述冷却剂的流动维持基本恒定。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过冷却剂的流动实现冷却，并基于测得的多个外表面位置的温度对冷却剂流动和挤出物温度中的至少一个进行调节。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却剂的流动作为相对于所述挤出机腔的中心轴限定的方位角的函数发生变化。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，非均匀地施加所述局部加热，从而所述挤出物具有基本均匀的圆柱形形状。
7.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括：
采用多个加热元件进行所述局部加热，每个元件具有由提供到每个所述加热元件的受到电功率量限定的温度；
测量所述加热元件的温度；以及
在第二控制回路中控制测得的加热元件的温度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在基本相同的方位角位置进行所述陶瓷批料材料的局部加热的测量以及所述挤出物的温度的测量。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在多个外表面位置测量所述挤出物的温度包括：
绕着所述挤出物的外表面布置多个非接触温度传感器；
从所述温度传感器产生温度信号；以及
在温度控制器处接收所述温度信号，所述温度控制器配置成控制陶瓷批料材料的局部温度调节。
10.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述形状包括弓型，并且以控制所述弓型的方式对所述陶瓷批料材料的局部温度调节进行控制。
11.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述挤出物具有表皮，所述表皮具有厚度，并且以控制所述表皮的厚度的方式对所述陶瓷批料材料的局部温度调节进行控制。
12.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述挤出物具有表皮，所述表皮具有至少一种类型的缺陷，并且以降低或消除所述至少一种类型的表皮缺陷的方式对所述陶瓷批料材料的局部温度调节进行控制。
13.一种挤出系统，其用于对陶瓷批料材料的挤出进行控制，以形成具有外表面和所需的挤出物形状的挤出物，所述挤出系统包括：
挤出机，所述挤出机具有长轴和腔以及含有至少一个挤出螺杆，所述腔配置成含有所述陶瓷批料材料，并且可操作所述挤出螺杆以引起所述陶瓷批料材料的流动；
挤出模头，其可操作地布置在所述挤出机的输出端；
所述挤出机的前区段，其位置紧靠所述挤出模头；
多个加热元件，其绕着至少一部分的所述腔的周界以方位角的方式布置在所述前区段，并配置成响应功率信号，当所述陶瓷批料材料流过所述前区段时对其进行局部加热，以形成经温度调节的陶瓷批料材料；
多个第一温度传感器，其沿至少一部分所述腔的周界以方位角的方式布置，并邻近所述多个加热元件，所述多个第一温度传感器配置成测量所述加热元件的各自温度，并产生代表测得的加热元件温度的第一温度信号；
多个第二温度传感器，其相对于长轴以方位角的方式布置在所述挤出机的输出端，并配置成对所述挤出物的外表面的表面温度进行非接触测量并产生代表测得的表面温度的第二温度信号；以及
温度控制器，其可操作地连接到所述多个加热元件、所述多个第一温度传感器和所述多个第二温度传感器，并配置成接收所述第一温度信号和第二温度信号并通过所述功率信号控制所述加热元件响应测得的加热元件温度和测得的表面温度所产生的热量。
14.如权利要求13所述的系统，其还包括冷却夹套，所述冷却夹套布置成与所述前区段热连通，并且能够对其进行操作以对流动通过所述前区段的所述陶瓷批料材料进行冷却。
15.如权利要求13或14所述的系统，其特征在于，所述腔被壁限定，并且还包括形成在所述前区段的所述壁中的一个或多个冷却通道，所述冷却通道配置成支持冷却剂的流动，以对流动通过所述前区段的所述陶瓷批料材料进行冷却。
16.如权利要求13-14中任一项所述的系统，其还包括安装支架，所述安装支架与所述挤出机输出端相附连并且配置成可操作地支撑所述多个第一温度传感器。
17.一种挤出机系统，其用于对陶瓷批料材料的挤出进行控制，以形成具有外表面和所需的挤出物形状的挤出物，所述挤出机系统包括：
具有第一腔和输出孔的挤出模头；
第一挤出机区段，其布置成紧邻所述挤出模头并且具有对于所述第一腔开放的第二腔；
第二挤出机区段，其紧邻所述第一挤出机区段布置，并配置成引起所述陶瓷批料材料流动通过所述第二腔到达所述第一腔，并流出所述挤出模头输出端以形成所述挤出物；
多个加热元件，所述多个加热元件绕着所述第二腔以方位角的方式布置，并且能够响应功率信号进行操作以对流动通过所述第二腔的所述陶瓷批料材料进行局部加热，以形成经温度调节的陶瓷批料材料；
多个第一温度传感器，其沿所述第二腔以方位角的方式布置，并邻近所述多个加热元件，所述多个第一温度传感器配置成测量所述加热元件的各自温度，并产生代表测得的加热元件温度的第一温度信号；
多个第二温度传感器，其沿挤出机模头输出孔以方位角的方式布置，并可操作地测量所述挤出物外表面的温度，并产生代表响应所述挤出物外表面温度的第二温度信号；以及
温度控制单元，其可操作地连接到所述多个第一温度传感器、所述多个第二温度传感器和所述多个加热元件，并配置成接收所述第一温度信号和第二温度信号并响应测得的加热元件温度和测得的表面温度，在第一控制回路中控制所述功率信号，以控制所述多个加热元件所产生的热量。
18.如权利要求17所述的系统，其还包括：
冷却夹套，其绕着所述第一挤出机区段布置；以及
冷却剂供给，其与所述冷却夹套流体连接并且配置成使得冷却剂流动通过所述冷却夹套。
19.如权利要求17或18所述的系统，其还包括：所述冷却剂供给与所述温度控制单元可操作地连接并且在第二控制回路中通过所述温度控制单元进行控制，以对所述第一挤出机区段进行选择性冷却。
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