CN109605712A - 一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，所述筒体包含若干冷却单元区段，所述筒体各单元区段包括互相套接的内筒以及外筒，所述内筒外表面上沿内筒长度方向设有螺旋形冷却流道，所述冷却流道底面与内筒内表面之间距离为0.02Di‑0.15Di，其中Di为内筒的内直径，所述外筒体两端分别设有与冷却流道相通的进管以及出管。冷却时，冷却介质通过进管进入冷却流道内，经过冷却流道后，从出管内流出，冷却介质将内筒内部高温聚合物熔体的热量置换走，实现物料的冷却。相较于整体包覆式的普通冷却流道或者纵向开孔的冷却流道，采用所述螺旋冷却流道对物料进行冷却，冷却介质与内筒体内表面距离更小，温度梯度更大，可以大幅提高冷却效率和大幅提高冷却量。
Description
技术领域
本发明涉及一种挤出机械，尤其是涉及一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体。
背景技术
挤出机被广泛应用于塑料加工,而其中聚合物发泡加工应用也越来越普遍。聚合物发泡制品主要应用于包装、建筑保温、缓冲等方面。
在几乎所有的聚合物发泡挤出加工中，聚合物材料首先必须进行熔融，其后加入发泡剂，并进行熔体混合和物料冷却过程，使得聚合物材料发泡过程中泡孔可以维持稳定。通常，聚合物熔体温度为160-290摄氏度，而发泡前需要的熔体温度通常为60-220度。这个工艺温度因聚合物材料不同而不同，比如常用的聚苯乙烯材料，熔体温度为180-230摄氏度，发泡需要的温度通常为105-120摄氏度。这过程其中需要置换出大量的热量。如何设计制造有效的熔体冷却挤出机，提高环热效率对于发泡过程非常关键。
公告号为CN 105563794A的发明提供了一种螺杆挤出机筒体冷却装置。该发明公开了一种螺杆筒体冷却装置及具有该装置的挤出机，属于领域，旨在提供一种能够均匀降低料筒内温度的螺杆筒体冷却装置及具有该装置的挤出机，其技术方案如下，一种螺杆筒体冷却装置，包括螺杆筒体、螺杆筒体两端的连接法兰盘，所述螺杆筒体的壁内设置有若干贯穿螺杆筒体两端并与螺杆筒体轴线平行的第一冷却流道和第二冷却流道，所述第一流通槽和第二流通槽上均设置有防止流通介质外泄的水道盖板，所述第一冷却流道、第二冷却流道通过第一流通槽、第二流通槽的设置形成冷却循环流道，所述冷却循环流道设置为四组并且圆周阵列在螺杆筒体上，所述螺杆筒体上分别设置有与冷却循环流道首尾连通的输入孔和输出孔。
该发明中的冷却结构改善了普通的发泡加工用挤出机的冷却效率，但是总体冷却面积不大而且加工工艺较为复杂，依然存在优化效率的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，可以有效的提高冷却筒的冷却效率。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，包括若干依次连接的冷却单元区段，所述冷却单元区段包括筒体，所述筒体包括互相套接的内筒以及外筒，所述内筒外表面上沿内筒长度方向设有螺旋形冷却流道，所述外筒体两端分别设有与冷却流道相通的进管以及出管。
通过采用上述技术方案，冷却时，冷却介质通过进管进入冷却流道内，经过冷却流道后，从出管内流出，冷却介质将内筒内部高温聚合物熔体的热量置换走，实现物料的冷却。相较于整体包覆式的普通冷却腔结构或者纵向开孔的冷却腔结构，采用所述冷却流道对物料进行冷却，冷却介质与内筒体内表面距离更小，温度梯度更大，可以大幅提高冷却效率。
本发明进一步设置为：各所述冷却单元区段冷却流道底面与内筒的内表面之间距离Hb范围为0.02Di-0.15Di，其中Di为内筒的内直径。
通过采用上述技术方案，将冷却流道底面与内筒内表面设置在上述范围内，既能够尽可能高的保证导热效率，同时又可以保证内筒的必要的结构强度，内筒的耐压以及抗弯折等力学性能能够得到保证，在加工以及使用时内筒的寿命不会受到影响。
本发明进一步设置为：各所述冷却单元区段冷却流道最大深度Hc范围为5-40mm，所述冷却流道的导程为0.1-100倍的内筒内径Di。
通过采用上述技术方案，冷却流道的深度决定冷却介质的流量，将冷却流道的深度设置在上述范围，不仅可以保证冷却介质的流量能够满足使用需要，冷却介质能够带走足够多的热量，提高冷却效率，同时还能够确保内筒的结构强度，保证使用时的可靠性，此外，冷却流道的导程决定着在相同轴线方向上，冷却流道的长度，将冷却流道长度与内筒内径相对应设置，不仅方便加工，保证冷却流道的长度能够满足冷却需要，而且可以降低对内筒结构强度的影响。
本发明进一步设置为：各所述冷却单元区段冷却流道截面形状为倒置的等腰梯形或者矩形或者圆弧曲线形，所述内筒的轴向截面上相邻流道棱上底边宽度L范围为1-30mm。
通过采用上述技术方案，这样可以尽量增大冷却流道的截面的流通面积，增大冷却介质的流通量，同时提高热交换面积，提高内筒内产品的冷却量和冷却效率。
本发明进一步设置为：所述各冷却单元区段内筒体外表面冷却流道条数为1-32个，各个冷却流道沿内筒圆周方向顺次分布。
通过采用上述技术方案，将冷却流道设置成多个，不仅可以保证冷却流道在内筒上的分布密度，同时可以降低单个冷却流道的长度，方便加工，而且可以避免冷却流道因为长度过长，导致冷却介质流动阻力的增加，，同时还可以降低冷却流道在使用时出现堵塞的概率，并且，即使一条冷却流道出现堵塞，其他冷却流道仍然可以正常使用，对内筒内的产品进行冷却，极大的提高了冷却过程的可靠性。
本发明进一步设置为：各所述冷却单元区段的内筒的内径范围为90-600mm。
通过采用上述技术方案，处于该内径范围的内筒，与其余参数配合，可以满足大部分聚合物发泡加工过程需要的挤出量。
本发明进一步设置为：所述筒体由一个冷却单元区段组成，所述冷却单元区段中内筒数量为一个,外筒为若干个，所述外筒沿内筒长度方向依次套设在内筒外部。
通过采用上述技术方案，采用一个或者若干个外筒沿着内筒长度方向依次套装在内筒的形式，形成若干单元的冷却筒体，并加以机械连结形成一个完整挤出筒体，这样可以实现大长径比的冷却机筒单元。在采用整体内筒并沿着长度方向依次套装若干冷却外筒的方式，可以避免采用机械连结结构，提高可靠性并降低加工成本。
本发明进一步设置为：所述筒体由至少两个冷却单元区段组成，每个冷却单元区段中内筒以及外筒数量均为一个。
通过采用上述技术方案，相邻冷却单元区段之间可以通过法兰盘安装固定，筒体的安装以及拆卸十分方便。
本发明进一步设置为：各所述冷却单元区段长度为内筒内径Di的0.5-20倍，冷却筒总长度与内筒内径的比例范围为10-60。
通过采用上述技术方案，将单元冷却区段控制在所述范围内，可以确保单元冷却区段的合理流道阻力，从而确保冷却介质流量，提高冷却效率，减少出入介质的温差，确保每个冷却区段单元温度分布均匀性。冷却筒总长度控制在上述范围内，可以保证所有冷却区段内的总冷却量达到挤出机总处理量的要求。
本发明进一步设置为：各所述冷却单元区段内筒以及外筒由氮化钢或中碳钢制成，所述内筒内壁设有双金属合金层，所述内筒以及外筒通过焊接或过盈配合固定。
通过采用上述技术方案，内筒以及外套由氮化钢或中碳钢制成，可以保证内筒以及外筒的结构强度以及导热性，同时可以确保相近的热膨胀系数，避免高温或者低温导致热应力开裂。内筒和外套采用焊接或者过盈配合连接可以确保机械扭矩的传递和冷却介质的密封。内筒内表面可以设置双金属层延长内筒的使用寿命。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1.采用螺旋式冷却流道并将冷却流道底面与内筒内表面之间的距离设置在合理范围内，可以在保证足够机械强度的情况下有效提升冷却效率以及冷却量；
2.采用模块化单元冷却区段组合形式或者增提内套一次套装若干外套的形式可以获得需要的足够长的冷却筒。
附图说明
图1是本发明的外筒剖视示意图。
图2是本发明的内筒结构示意图一。
图3是本发明的外筒结构示意图。
图4是本发明的内筒结构示意图二。
图5是整体式冷却筒体示意图。
图6是组合式冷却筒体示意图。
图中，1、内筒；2、外筒；21、进管；22、出管；3、冷却流道。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。
参照图1以及图2，为本发明公开的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，包括组合式冷却筒体和整体式冷却筒体，筒体包括若干依次连接的冷却单元区段，可以仅设置一个冷却单元区段，也可以设置多个，根据实际情况选择合理数量的冷却单元区段进行拼接，每个冷却单元区段包括内筒1以及外筒2，内筒1外径与外筒2内径之间过盈配合或者小间隙配合，内筒1与外筒2之间也可以采用焊接方式连接成一个整体。当内筒1与外筒2过盈配合时，采用热套方式实现内筒1与外筒2的安装。为保证内筒1以及外筒2的结构强度以及导热性能，内筒1以及外筒2的材料为氮化钢或者中碳钢，为提高内筒1内壁的耐腐蚀性能，延长内筒1的使用寿命，在内筒1内壁上设有双金属合金层，双金属合金层的厚度为2mm。
参照图2以及图3，在内筒1的外表面上沿内筒1长度方向设有螺旋形冷却流道3，在外筒2上设有进管21以及出管22，进管21以及出管22分别与冷却流道3内对应的螺旋流道两端相通，也可以在两端的各个螺旋流道起始端和出口端相互贯通以减少进出管数量。冷却时，冷却介质通过进管21进入冷却流道3内，经过冷却流道3后，从出管22内流出，冷却介质将内筒1内部产品的热量带走，实现高温聚合物的冷却，本实施例中，冷却介质可以是高温导热油或者其他流涕介质，加工产品可以是PP、PS或其他高分子材料。
参照图2以及图3，冷却流道3的截面可以是梯形、矩形或半圆形或者其他曲线，为方便加工，本实施例中，冷却流道3的截面形状为等腰梯形，冷却流道3的截面呈开放式设置，即冷却流道3的单个截面为倒置的等腰梯形，在内筒1的轴向截面上，相邻冷却流道3相邻的槽口之间的等腰梯形的上底边长度范围为1-30mm，这样可以尽量增大冷却流道3的截面的面积，增大冷却介质的流通量，提高内筒1内产品的冷却效率。
参照图2以及图3，为进一步提高冷却效率，同时保证冷却过程的可靠性，位于同一内筒1上的冷却流道3条数为1-32个，各个冷却流道3沿内筒1圆周方向顺次分布，相应的，在外筒2上的进管21以及出管22均与冷却流道3的条数对应设置，每一冷却流道3，对应一个进管21以及出管22。将冷却流道3设置成多个，不仅可以保证冷却流道3在内筒1上的分布密度，同时可以降低单个冷却流道3的长度，方便加工，而且可以避免冷却流道3因为长度过长，导致进管21内流体阻力增加，同时还可以降低冷却流道3在使用时出现堵塞的概率，并且，即使一条冷却流道3出现堵塞，其他冷却流道3仍然可以正常使用，对内筒1内的产品进行冷却，极大的提高了冷却过程的可靠性。
此外，参照图6，为了进一步方便安装，筒体可以是至少2个冷却单元区段依次拼接而成，每个冷却单元区段包括一个外筒2以及一个内筒1，相邻外筒2端部采用法兰盘固定连接，此为组合式冷却筒体；参照图5，冷却筒也可以仅由一个冷却单元区段构成，该冷却单元区段包括一个内筒1位于内筒1外部的外筒2，外筒2为若干个，外筒2依次套设在内筒1外，相邻外筒2之间采用焊接形式固定在内筒1上，这种结构称之为整体式冷却筒体，此时，在内筒1上的冷却流道3不仅在内筒1周向方向阵列设置多个，也可以在内筒1长度方向阵列设置多组冷却流道3。参照图2以及图3，本实施例中，一个冷却单元区段长度为内筒1内径的0.5-50倍，冷却筒总长度为内筒1内径Di的10-60倍，将冷却单元区段以及冷却筒长度控制在上述范围里面，可以确保单元冷却区段的合理流道阻力，从而确保冷却介质流量，提高冷却效率，减少出入介质的温差，确保每个冷却区段单元温度分布均匀性。冷却筒总长度控制在上述范围内，可以保证所有冷却区段内的总冷却量达到挤出机总处理量的要求。
为保证冷却效率，本实施中，冷却流道3底面与内筒1的内表面之间的距离范围为0.02Di-0.15Di，Di为内筒1的内直径，即内筒1内径Di与冷却流道3底面直径径之间的距离差值，从傅里叶定律中可以推导出，当遇到单层平面壁时，此时热传导形式为稳定热传导，假设有一均质的面积很大的单层平面壁，厚度为b，平壁内的温度只沿垂直于壁面的x轴方向变化，在稳定导热时，导热速率Q不随时间变化，传热面积A和导热系数λ也是常量，
则傅立叶公式可简化为：
改写成传热速率方程的一般形式，则有：
式中：b-----平面壁厚度，单位：m；
△t-----平壁两侧温度差，即导热推动力，单位：K；
R＝b/λA------导热热阻，单位：K/W。
此式说明，单层平面壁的导热速率，与推动力△t成正比，与热阻成反比。应用到本实施例中，内筒1内壁与外壁温度恒定的情况下，推动力△t是恒定值；并且内筒1材料一定，内筒1导热系数也是一定值；这样在相同的导热面积下，单层平面壁的导热效率Q，与单层平面壁的厚度成反比关系，也就是说，导热流道底面与内筒1内壁之间的距离越小，冷却筒的热传递效率就越高，产品的冷却效果也就最好，本实施例中，冷却流道3底面与内筒1的内表面之间的距离范围为0.02Di-0.15Di，将冷却流道3底面与内筒1内表面设置在上述范围内，既能够保证导热效率，同时又可以保证内筒1的结构强度，内筒1的耐压以及抗弯折等力学性能能够得到保证，在加工以及使用时内筒1的寿命不会受到影响。
参照图2以及图3，冷却流道3深度范围为5-30mm，冷却流道3的深度决定冷却介质的流量，将冷却流道3的深度设置在上述范围，不仅可以保证冷却介质的流量能够满足使用需要，冷却介质能够带走足够多的热量，提高冷却效率，同时还能够确保内筒1的结构强度，保证使用时的可靠性。本实施例中，冷却流道3的导程为0.5-10倍的内筒1内径，冷却流道3的导程决定着在相同轴线方向上，冷却流道3的长度，将冷却流道3长度与内筒1内径相对应设置，不仅方便加工，保证冷却流道3的长度能够满足冷却需要，而且可以降低对内筒1结构强度的影响。
参照图2以及图3，为了进一步保证内筒1的冷却效率，内筒1的内径范围设置在90-600mm，处于该内径范围的内筒1，可以满足大部分聚合物发泡加工过程需要的挤出量。
本实施例的实施原理为：冷却时，冷却介质通过进管21进入冷却流道3内，在冷却流道3内输送后，从冷却流道3另一端的出管22流出，通过冷却流道3底面与内筒1内壁之间的内筒1体传热，将内筒1内部的产品的热量带走，最终冷却介质从出管22输出，冷却介质经过冷却后，再次从进管21进入冷却流道3，对高温聚合物进行高效冷却。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，筒体包括若干依次连接的冷却单元区段，所述冷却单元区段包括筒体，其特征在于：所述筒体包括互相套接的内筒(1)以及外筒(2)，所述内筒(1)外表面上沿内筒(1)长度方向设有螺旋形冷却流道(3)，所述外筒(2)体两端分别设有与冷却流道(3)相通的进管(21)以及出管(22)。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：各所述冷却单元区段冷却流道(3)底面与内筒(1)的内表面之间距离Hb范围为0.02Di-0.15Di，其中Di为内筒（1）的内直径。
3.根据权利要求2所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：各所述冷却单元区段冷却流道(3)最大深度Hc范围为5-40mm，所述冷却流道(3)的导程为0.1-100倍的内筒(1)内径Di。
4.根据权利要求3所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：各所述冷却单元区段冷却流道(3)截面形状为倒置的等腰梯形或者矩形或者圆弧曲线形，所述内筒(1)的轴向截面上相邻流道棱上底边宽度L范围为1-30mm。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：所述各冷却单元区段内筒(1)体外表面冷却流道(3)条数为1-32个，各个冷却流道(3)沿内筒(1)圆周方向顺次分布。
6.根据权利要求5所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：各所述冷却单元区段的内筒(1)的内径范围为90-600mm。
7.根据权利要求1所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：所述筒体由一个冷却单元区段组成，所述冷却单元区段中内筒(1)数量为一个,外筒(2)为若干个，所述外筒(2)沿内筒(1)长度方向依次套设在内筒(1)外部。
8.根据权利要求1所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：所述筒体由至少两个冷却单元区段组成，每个冷却单元区段中内筒(1)以及外筒(2)数量均为一个。
9.根据权利要求7或8所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：各所述冷却单元区段长度为内筒(1)内径Di的0.5-20倍，冷却筒总长度与内筒(1)内径的比例范围为10-60。
10.根据权利要求1所述的一种聚合物发泡加工用挤出机的冷却筒体，其特征在于：各所述冷却单元区段内筒(1)以及外筒（2）由氮化钢或中碳钢制成，所述内筒(1)内壁设有双金属合金层，所述内筒(1)以及外筒（2）通过焊接或过盈配合固定。
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