CN109982822B - 带有空心转子构件的单螺杆挤出机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了单螺杆挤出机(100)和方法。挤出机(100)包括:圆柱形的转子构件(1)，所述转子构件具有直径(D)和长度(L)并且包括进给区域(14)，‑转子构件(1)布置在筒体(2)中，转子构件(1)的圆柱形表面带有以螺旋延伸排布置的一个或多个空腔和/或凸起(5)，转子构件(1)的螺旋延伸排在转子构件的进给区域(14)中具有螺距(P)和深度(d)，以及挤出机(100)还包括：用于使转子构件(1)在筒体(2)中旋转的驱动系统(4)。深度(d)与转子构件的直径(D)的关系，即d:D，不大于1:20，并且转子构件的螺距(P)与转子构件的直径(D)的关系，即P:D，不大于1:4。

Description

带有空心转子构件的单螺杆挤出机
技术领域
本发明涉及一种单螺杆挤出机，该单螺杆挤出机包括圆柱形的转子构件，该转子构件具有直径和长度并且包括进给区域，转子构件布置在筒体中，转子构件的圆柱形表面带有以螺旋延伸排布置的一个或多个空腔和/或凸起，转子构件的螺旋延伸排在转子构件的进给区域中具有螺距和深度，并且挤出机还包括用于使转子构件在筒体中旋转的驱动系统。
本发明还涉及一种用于制造单螺杆挤出机的转子构件的方法。对处理低密度材料、异质材料(诸如包括纤维、废塑料/再生塑料的材料)的需求不断增长。
背景技术
这类材料的一个问题是它们在公知的挤出机和配混装置中非常难以进料。
这是因为下述事实：传统的挤出机和配混装置设计用于处理均匀且相对致密的材料，例如，塑料颗粒。
现有挤出机和配混装置的主要挑战是材料在装置中的进给：进料口的尺寸太小而不能有效地进给上述材料。可以通过增大进料口的尺寸来解决这一挑战。然而，这也会增大装置的整体尺寸，诸如螺杆机或转子的直径。这将导致设备的价格对于许多应用而言是不可取的，并且它们还需要供给更多的材料来使得它们以最佳方式工作。
发明内容
从第一方面来看，可以提供一种单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机包括：圆柱形的转子构件，所述转子构件具有直径和长度并且包括进给区域，转子构件布置在筒体中，转子构件的圆柱形表面带有以螺旋延伸排布置的一个或多个空腔和/或凸起，转子构件的螺旋延伸排在转子构件的进给区域中具有螺距和深度，并且挤出机还包括用于使转子构件在筒体中旋转的驱动系统，其中深度与转子构件的直径的关系(即d:D)不大于1:20，并且转子构件的螺距与转子构件直径的关系(即P:D)不大于1:4。
因此，可以实现具有用于处理异质材料的出色处理性能的单螺杆挤出机。
从另一方面来看，可提供一种用于制造单螺杆挤出机的转子构件的方法，该方法包括：提供空心杆，在空心杆的外表面上制造以螺旋延伸排布置的一个或多个空腔和/或凸起，使得在正被制造的转子构件的进给区域中排的深度与空心杆的直径的关系(即d:D)不大于1:20，并且空心杆的螺距与空心杆的直径的关系(即P:D)不大于1:4。由此可以实现以经济上有利的方式制造单螺杆挤出机的转子构件的方法。
挤出机和方法的特征在于在独立权利要求的特征部分中所述的内容。一些其他实施例的特征在于在其他权利要求中所述的内容。在本专利申请的说明书和附图中也公开了本发明的实施例。本专利申请的发明内容还可以以不同于以下权利要求中限定的方式来限定。发明内容也可以由若干单独的发明形成，特别是如果根据表达的或隐含的子任务或者鉴于所获得的利益或利益组合来检验本发明。对于单独的发明构思，以下权利要求中所包含的限定中的一些限定可能是不必要的。在基本发明构思的范围内，本发明的不同实施例的特征可以应用于其他实施例。
附图说明
在附图中更详细地描述了本公开的一些实施例，其中
图1a是局部剖的挤出机的示意性侧视图，
图1b是图1a中所示的局部剖的挤出机的细节的示意图，
图2是挤出机筒体部件的示意图，
图3是用于制造挤出机或配混装置的转子构件的方法的示意图，和
图4是局部剖的另一个挤出机的示意性侧视图。
在附图中，为了清楚起见，简化示出了一些实施例。在附图中，类似的部件用相同的附图标记标示。
具体实施方式
图1a是局部剖的螺杆挤出机的示意性侧视图，图1b是图1a中所示的局部剖的挤出机的细节的示意图。术语“螺杆挤出机”或“挤出机”在此不仅指用于塑料挤出的挤出机而且指配混挤出机以及指用于以可流动的形式或可以以可流动的形式实现的其他材料的挤出机，所述其他材料诸如食品、动物饲料、燃料、原材料、可回收材料等。根据一个方面，挤出机的实施例能够处理任何种类的材料，转子和筒体的旋转和固定几何形状的组合可通过挤出机传递。材料的形式在材料通过挤出机时确实发生变化，即材料或多种材料的混合物可以例如压缩、压实、固结、研磨、分裂、熔化、反应、分解和/或降解。
根据一个方面，挤出机用于压实和/或造粒塑料膜。
根据一个方面，挤出机用于压实和/或配混生物基纤维，尤其是长生物基纤维。
根据一个方面，挤出机用于处理动物饲料产品。
根据一个方面，挤出机用于压实和/或造粒含塑料的低重量且变化的包装材料。
挤出机100是单螺杆挤出机，包括：圆柱形的转子构件1、筒体2、进料口3和用于使转子构件1在筒体2中旋转的驱动系统4。
转子构件1具有直径D和长度L。在一个实施例中，长度与直径的关系(即L:D)在2:1至4:1的范围内。
转子构件1的圆柱形外表面包括凸起5，凸起5实现螺杆螺纹，所述螺杆螺纹包括至少一个螺杆台阶部6和在所述至少一个螺杆台阶部6之间的至少一个螺杆通道7。
螺杆螺纹构成在转子构件1在筒体2中旋转的同时将筒体内待处理材料从进料口3朝向出口9传送的结构。在一个实施例中，螺杆螺纹的轮廓是不变的。在另一个实施例中，螺杆螺纹的轮廓是可变的，使得螺杆通道的体积朝向挤出机的出口16减小。在一个实施例中，布置在转子表面上的一个或多个空腔和/或凸起5的深度d布置成在进给区域(10)之后减小。
螺杆通道体积的减小导致压缩比通常为1:2至1:4。轮廓可以逐步改变，或者它可以包括从一个轮廓快速地改变到另一轮廓的至少一个部段。
在转子构件1的进给区域14中，螺杆台阶部6具有螺距P，螺杆通道7具有深度d。“进给区域”是指转子构件1位于进料口3的正下方的一部分以及在进料口之后的一个至五个螺杆台阶部。
根据一个方面，深度d与直径D的关系(即d:D)不大于1:20，以及螺距P与直径D的关系(即P:D)，不大于1:4。
优点在于：螺杆通道7的体积与螺杆直径D相比非常低。因此，与螺杆通道7的体积相比，可以为挤出机100提供非常大的进料口3。在此之后，可以在挤出机100中以足以最佳地填充螺杆通道7的量供给轻密度材料和/或非均质材料，诸如包括纤维、废塑料/再生塑料的材料。
另一个优点在于：与螺杆直径D相比的低体积降低了挤出机的功率需求。
在一个实施例中，d:D在1:300至1:20的范围内(在转子构件1的进给区域14中)。
优点在于：由于与材料的体积相比螺杆通道的表面积大，可以非常精确地控制螺杆通道7中待处理材料的温度，因此例如，可以通过挤出机处理对温度高度敏感的材料或工艺。
在一个实施方案中，P:D在1:60至1:4的范围内。
优点在于：可以通过使用低功率将待处理材料传送到出口7。
在一个实施例中，转子构件1实现了式子
CL·d≤RD·0.01，其中
CL＝CL＝在转子构件1的长度方向(L)上测量的通道长度，
d＝在转子构件1的径向方向上测量的通道深度，以及
RD＝转子构件1的横截面积，还包括通路8的横截面区域。
优点在于：螺杆通道7的体积与螺杆直径D相比非常低，因此由于大的进料口3而容易填充待处理的材料。
例如，转子构件1的直径可以是350mm，而进料口之后的长度是400mm。
在一个实施例中，进料口3或进给区域14包括用于减小在挤出机100中进给的材料的颗粒尺寸的剪切或切割装置。剪切或切割装置可以例如包括布置在转子构件上的切削齿和布置在筒体2上的对应物。
根据一个方面，转子构件1是中空的。在一个实施例中，转子构件包括圆柱形通路8，例如圆筒形，其直径为转子构件的直径D的至少75％，优选80％至85％。这意味着与已知的转子构件相比，转子构件的直径D可以增大而不增加其重量和费用。
在一个实施例中，转子构件包括一个螺杆台阶部。在另一个实施例中，转子构件包括两个或甚至更多个螺杆台阶部。
由于转子构件1的大直径，驱动系统4可以被解释为在转子构件1中传递高扭矩。再者，转子构件1的结构可以承受高扭矩而没有损坏的风险。
挤出机100可以以许多可替代方式实现。例如，在一个实施例中，代替螺杆螺纹的是，转子构件1包括多个单独空腔的螺旋延伸排。所述空腔构成将待在筒体中处理的材料从进料口3朝向出口9传送的结构。
空腔的形状可以是例如是圆顶形、半球形、泪滴形的一部分或帽部、卵形或它们的组合。
根据一个方面，在转子构件1的进给区域14中，深度d与直径D的关系(即d:D)不大于1:20，并且螺距P与直径D的关系(即P:D)不大于1:4。
优点在于，与螺杆直径D相比，空腔的体积非常低，因此可以在挤出机100中以足以以最佳地填充转子构件1和筒体2之间的容积的量供给低密度材料和/或非均质材料(诸如包括纤维、废塑料/再生塑料的材料)。
在一个实施方案中，d:D在1:300至1:20的范围内。
在一个实施方案中，P:D在1:60至1:4的范围内。
在另一个实施例中，转子构件1包括凸起，所述凸起实现多个离散凸起的螺旋延伸排，该排包括螺距P。
根据一个方面，凸起的深度或高度d与直径D(即d:D)的关系不大于1:20，并且螺距P与直径D的关系(即P:D)不大于1:4。
在一个实施方案中，d:D在1:300至1:20的范围内。
在一个实施方案中，P:D在1:60至1:4的范围内。
根据一个方面，筒体2的圆柱形内表面可以包括一个或多个筒体空腔和/或凸起。在一个实施例中，所述一个或多个筒体空腔和/或凸起以螺旋延伸排布置。在另一个实施例中，一个或多个筒体空腔和/或凸起平行于转子构件1的纵向轴线布置。在又一个实施例中，一个或多个筒体空腔和/或凸起垂直于转子构件1的纵向轴线布置。
在一个实施例中，筒体2包括筒体螺纹，该筒体螺纹包括至少一个筒体台阶部10和在所述至少一个筒体台阶部之间的至少一个筒体通道11，筒体台阶部具有筒体螺距(BP)，筒体通道具有筒体深度(BD)。
优点在于：可以增强待处理材料朝向出口9的传送。
在另一个实施例中，布置在筒体2中的空腔实现多个单独空腔的螺旋延伸排。
优点在于：可以增强挤出机的混合和配混性能。
布置在筒体2中的空腔在它们所存在的筒体的全部长度上形状和尺寸可以是不变的。在另一个实施例中，筒体2可包括尺寸和/或形状可变的空腔。
在一个实施例中，一个或多个筒体空腔和/或凸起(5)是不连续的，使得存在并排的多个空腔或槽。
图2是挤出机筒体的部件的示意图。根据一个方面，筒体2由两个或更多个筒体模块12构成，这些筒体模块12被分别制造，然后连续地连接起来。
优点在于：一个或多个筒体空腔和/或凸起(诸如是包括至少一个筒体台阶部10和至少一个筒体通道11的筒体螺纹)与在具有相同长度的一个整体筒体中制造相比可以更容易地以短的筒体部件制成短且直径大的筒体模块12。然而，应注意的是，筒体2也可以制成一件式。在后一种情况下，由于挤出机的大D:L关系，仍然可以非常容易地制造一个或多个筒体空腔和/或凸起。
图3是用于制造挤出机的转子构件的方法的示意图。
对于第一步，该方法包括提供30空心杆13。中空杆包括圆柱形通路8，圆柱形通路的直径为中空杆13的外径的至少75％，优选80％至85％。
在一个实施例中，中空杆13是金属管，诸如钢管或不锈钢管。
该方法还包括用于在空心杆13的外表面上制造以螺旋延伸排布置的一个或多个空腔和/或凸起的步骤32。
在一个实施例中，制造一个或多个空腔和/或凸起包括从中空杆13移除材料。该实施例在图3中显示为可替代方案“A”。可以通过本身已知的方法和手段去除材料，例如，铣削、车床处理、剥皮、切割、电侵蚀等。
在另一个实施例中，制造一个或多个空腔和/或凸起包括在空心杆13上添加材料。该实施例在图3中显示为可替代方案“B”。该材料可以通过本身已知的方法和手段添加，例如焊接等。
在一个实施例中，制造了一种螺杆螺纹，该螺杆螺纹包括具有螺距(P)的至少一个螺杆台阶部和具有深度(d)的螺杆通道。
在另一个实施例中，在空心杆的外表面上制造多个单独空腔的排。所述排具有螺距(P)并且空腔具有深度(d)。
无论用于制造一个或多个空腔和/或凸起的方法如何，排的深度(d)与转子构件的直径(D)的关系(即d:D)都不超过1:20；并且转子构件的螺距(P)与转子构件的直径(D)的关系(即P:D)不大于1:4。
在一个实施方案中，d:D在1:300至1:20的范围内，通常为100:1至1:20。
该方法还可以包括附加步骤，诸如以合适的长度切割空心杆13，制造驱动系统4的特征部、精处理和修整步骤等。
图4是局部剖的另一个挤出机的示意性侧视图。相比于电动机功率和挤出机的容量以及转子空腔的深度，进料口3相当大。进料口的投影面积可以是具有相同转子马达功率的传统塑料单螺杆挤出机的进料口尺寸的20倍至200倍。
根据一个方面，进料口的投影面积为转子电动机功率的约15cm2/kW-150cm2/kW(千瓦)，优选约30cm2/kW-100cm2/kW。在一个实施例中，进料口的投影面积为约50cm2/kW。在一个实施例中，进料口3被切割到筒体2的直径的一半，即大约D/2。因此，进料口3潜在地削弱筒体2的程度使得筒体2不能承受在挤出过程中产生的载荷。特别是当筒体的直径大且筒体短时，轴向力趋于使得筒体在进给区域14处弯曲。
在一个实施例中，筒体2由位于筒体2外部的支撑结构15支撑。支撑结构15包括第一支撑部分17、第二支撑部分18和载荷传递结构20，第一支撑部分17在筒体的进料口3和排出端16之间附接到筒体2的一部分，第二支撑部分18附接到挤出机的驱动系统侧19，载荷传递结构20将第一支撑部分17连接到第二支撑部分18。在图4所示的实施例中，第二支撑部分18已经固定到支承壳体22上，支承壳体22覆盖驱动系统4。载荷传递结构20可以例如由一个或多个梁、板结构或桁架结构构成。
支撑结构15承受在挤出过程中产生的载荷和应力中的一部分，并防止挤出机的结构弯曲。
在一个实施例中，存在布置在筒体的进给区域14和挤出机的支承壳体22之间的轴向槽21，该轴向槽用于接收从进给区域向后流动的材料(如果有的话)。因此，轴向槽21将防止材料进入支承壳体22中。替代地，材料将以不会对挤出机或挤出过程造成任何问题的空间中通过轴向槽落下。
在一个实施例中，筒体2与支承壳体22完全分离，即轴向槽21围绕挤出机的纵向轴线延伸360°。
在另一个实施例中，存在多个由短的材料部段分开的轴向槽21。本发明不仅仅限于上述实施例，而是可能在由下面的权利要求所限定的本发明构思的范围内有许多变化。在本发明构思的范围内，不同实施例和应用的属性可以与另一个实施例或应用的属性结合使用或替换。
附图和相关描述仅用于说明本发明的思想。在以下权利要求中限定的发明构思的范围内，本发明可以在细节上变化。
附图标记
1 转子构件
2 筒体
3 进料口
4 驱动系统
5 凸起或空腔
6 螺杆台阶部
7 螺杆通道
8 通路
9 出口
10 筒体台阶部
11 筒体通道
12 筒体模块
13 空心杆
14 进给区域
15 筒体支撑结构
16 挤出机出口端
17 第一支撑部分
18 第二支撑部分
19 驱动系统侧
20 负载传递结构
21 轴向槽
22 支承壳体
30 提供空心杆
31 制造一个或多个空腔和/或凸起
100 挤出机
BD 筒体深度
BP 筒体螺距
CL 通道长度
D 转子构件的直径
d 深度
L 转子构件的长度
P 螺距
RD 转子构件的横截面

Claims (24)

1.一种单螺杆挤出机(100)，包括:
-圆柱形的转子构件(1)，所述转子构件具有直径(D)和长度(L)并且包括进给区域(14)，
-转子构件(1)布置在筒体(2)中，
-转子构件(1)的圆柱形表面带有以螺旋延伸排布置的一个或多个空腔和/或凸起(5)，
-转子构件(1)的螺旋延伸排在转子构件的进给区域(14)中具有螺距(P)和深度(d)，其中，所述进给区域是指转子构件位于进料口的正下方的一部分以及在进料口之后的一个至五个螺杆台阶部，并且单螺杆挤出机(100)还包括：
-用于使转子构件(1)在筒体(2)中旋转的驱动系统(4)，
其特征在于，
转子构件的深度(d)与转子构件的直径(D)的比值，即d:D，不大于1:20，并且
转子构件的螺距(P)与转子构件的直径(D)的比值，即P:D，不大于1:4。
2.如权利要求1所述的单螺杆挤出机，其特征在于，转子构件的一个或多个凸起(5)实现螺杆螺纹，所述螺杆螺纹包括至少一个螺旋台阶部(6)和位于所述至少一个螺杆台阶部(6)之间的至少一个螺杆通道(7)，所述螺杆台阶部具有所述螺距(P)，螺杆通道(7)具有所述深度(d)。
3.如权利要求1所述的单螺杆挤出机，其特征在于，布置在转子构件(1)中的一个或多个空腔实现多个单独空腔的螺旋延伸排。
4.如权利要求1所述的单螺杆挤出机，其特征在于，设置在转子构件(1)中的一个或多个凸起(5)实现多个离散凸起(5)的螺旋延伸排。
5.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，转子构件(1)是中空的。
6.如权利要求5所述的单螺杆挤出机，其特征在于，转子构件(1)包括圆柱形通路(8)，所述圆柱形通路的直径为转子构件(1)的直径(D)的至少75％。
7.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，d:D在1:300至1:20的范围内。
8.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，P:D在1:60至1:4的范围内。
9.如权利要求2所述的单螺杆挤出机，其特征在于，
CL·d≤RD·0.01，其中
CL＝在转子构件(1)的长度方向(L)上测量的通道长度，
d＝在转子构件(1)的径向方向上测量的通道深度，以及
RD＝转子构件(1)的横截面积。
10.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，所述筒体(2)包括以螺旋延伸排布置的一个或多个筒体空腔和/或凸起(5)。
11.如权利要求10所述的单螺杆挤出机，其特征在于，所述一个或多个筒体空腔和/或凸起(5)实现筒体螺纹，所述筒体螺纹包括至少一个筒体台阶部(10)和位于所述至少一个筒体台阶部(10)之间的至少一个筒体通道(11)，所述筒体台阶部(10)具有筒体螺距(BP)，并且筒体通道(11)具有筒体深度(BD)。
12.如权利要求10所述的单螺杆挤出机，其特征在于，
布置在筒体(2)中的筒体空腔实现多个单独空腔的螺旋延伸排。
13.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，L:D在2:1至4:1的范围内。
14.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，布置在转子表面上的一个或多个空腔和/或凸起(5)的深度(d)布置成在进给区域(10)之后减小。
15.如权利要求10所述的单螺杆挤出机，其特征在于，所述一个或多个筒体空腔和/或凸起(5)是不连续的，使得存在并排的多个空腔或槽。
16.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，进料口(3)的投影面积与转子马达功率的关系为15cm2-150cm2/千瓦。
17.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，所述筒体(2)包括布置在所述筒体(2)外部的支撑结构(15)，所述支撑结构包括：
第一支撑部分(17)，所述第一支撑部分在挤出机的进料口(3)和挤出机出口端(16)之间附接到筒体(2)，
第二支撑部分(18)，所述第二支撑部分附接到挤出机的驱动系统侧(19)，和
载荷传递结构(20)，所述载荷传递结构将第一支撑部分(17)连接到第二支撑部分(18)。
18.如权利要求1-4中任一项所述的单螺杆挤出机，其特征在于，存在设置在所述筒体的进给区域(14)和所述挤出机的支承壳体(22)之间的轴向槽(21)，所述轴向槽用于接收从进给区域向后流动的物料。
19.一种用于制造单螺杆挤出机的转子构件的方法，其特征在于，该方法包括:
-提供空心杆(13)，
-在空心杆(13)的外表面上制造以螺旋延伸排布置的一个或多个空腔和/或凸起(5)，使得
-在转子构件的进给区域(14)中，螺旋延伸排的深度(d)与空心杆(13)的直径(D)的比值，即d:D，不大于1:20，其中，所述进给区域是指转子构件位于进料口的正下方的一部分以及在进料口之后的一个至五个螺杆台阶部，并且使得
空心杆(13)的螺距(P)与空心杆(13)的直径(D)的比值，即P:D，不大于1:4。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，制造一个或多个空腔和/或凸起(5)包括从空心杆(13)移除材料。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，制造一个或多个空腔和/或凸起(5)包括在空心杆(13)上添加材料。
22.如权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，制造螺杆螺纹，所述螺杆螺纹包括在所述空心杆(13)的外表面上的至少一个螺杆台阶部(6)，螺杆台阶部(6)具有螺距(P)并且螺杆通道(7)具有深度(d)。
23.如权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，在所述空心杆(13)的外表面上制造多个单独空腔(5)的排。
24.如权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述空心杆(13)包括圆柱形通路(8)，所述圆柱形通路的直径为空心杆的直径(D)的至少75％。
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