CN1100028A - 用于多螺杆挤压机的行星齿轮 - Google Patents

Abstract

一种用于多螺杆挤压机的行星齿轮，挤压机有一 圆周的静止壳体6，壳体6具有内齿1，其内的太阳轮 2由中心心轴8的至少一个有齿部分所构成，各主行 星轮3由各螺杆9的至少一个有齿的自由端所构成， 各主行星轮3布置成一圆周且相互隔开，并与太阳轮 2及内壳齿1隔开，在太阳轮2与各主行星轮3之间 及在各主行星轮3与内壳齿1之间布置有与其啮合 的各内外中间行星轮4、5。

Description

本发明涉及一种用于多螺杆挤压机的行星齿轮、一种具有这种行星齿轮的多螺杆挤压机以及一种采用这种多螺杆挤压机对高粘度物质进行加工处理的方法。

用来处理或生产融化状态的塑料的传统设备比如各种与搅拌机构垂直或水平设置的容器及各种具有一个或两个轴的挤压机或各种薄层装置。特别在高粘度时，即在聚合物生产的最后阶段，这种布置有一些大家所知道的缺点，比如流动性差且不规则（较宽的停留时间分布）、产品会停留在壁上、罩盖上及死角里，以及反应速度慢，特别是在缩聚反应的情况下尤其如此，比如聚酯生产，这是因为用于释放低分子量气体副产物的有用面积很小或者真空区无法够及或者缺乏更新的缘故。

第一类这些设备之一揭示于DE-PS 1545209中。一种卧式反应器具有几根平行且密切啮合的单头螺杆，这些螺杆同向旋转并且在轴线的上方浸没在融化物池内。尽管由于强制传送，可以避免融化物在所接触的那部分反应器内的回混及停留，但融化物池的特定表面区域仍然很小，从而反应速度仍然很慢，而在反应器的蒸气室内不能避免未升华的低聚体沉积在罩上的现象。

根据DE-PS 3030541的多杆揉捏盘反应器已进行了改进，其中，具有传送揉捏盘的几根轴向平行啮合的螺杆也布置在一个绕着除气室的圆周内，聚合融化物的薄层形成于各螺杆上并送向此除气室。各静止轴都分别导引穿过一壳体而到达齿轮，实际上，如果必须维持高达10^-4巴的良好真空，比如在聚酯生产过程中，则这将产生反应室密封的问题。然而，这类反应器的密封是很成问题的并因之需要相当高的花费。

结果，提出解决密封问题的方案是只用并且密封一根导引穿过壳体壁的主驱动轴。

这样一种设备揭示于EP-OS 0215460中。它是一个立式薄层装置，其中，几根轴以位于静止中心齿轮上的行星方式滚动，这些轴公转并沿同一方向自转并且以较高速度将一层融化物涂播在内筒壁上。这种设备的一个问题是各轴端单侧导引并低摩擦地安装在与驱动轴相连的穿孔盘内。各轴设计成相互间隔开一定距离的开槽杆。与啮合螺杆相比，清理较差，并且无法保证在横断面上的均匀传递性能，而这是获得较小停留时间分布的条件。

根据DE-PS 4001986的多螺杆挤压机具有同样的基本特征，即只有一根从壳体导引的中心驱动轴及几根环绕的行星轴。通过齿轮机构中的螺旋齿的中心心轴，布置成一圆圈的各行星心轴可以很容易地被驱动，因为它们也具有螺旋齿因而也在内壳壁的齿内绕中心心轴滚动。当中心心轴旋转时，各行星轴随之旋转并且同时在内壳壁上公转。在行星滚轮部分之间设有相互啮合的螺杆;在加工段的内壳壁及中心轴是光滑的。由于这些多螺杆挤出机的齿轮机构的几何状态，以及与EP-OS 0215460中描述的薄层装置相反，行星轴的旋转方向与公转方向相反，这相对于加工段的内壳壁及旋转中心轴的表面来说意味着螺齿的相对经过速度非常小，从而它们的传送效果也很差。与DE-PS 3030541中的多轴揉捏盘反应器相比，从自净能力及均匀传送性能来看，上述事实是个很大的缺点。而且，滞留量及表面更新率-在扩散控制过程中的决定性因素-很难计算。

本发明的目的是提供一种用于多螺杆挤压机的行星齿轮，通过它，相应多螺杆挤压机的加工室的密封问题可保持在最小的程度， 并在加工室的各个部位内强力传送需要加工的高粘度物质，并且使之具有最佳的尽可能大的表面更新率。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种行星齿轮，用于一带有一有内齿的圆形静止壳体的多螺杆挤压机，由一中心心轴的至少一个有齿部分构成的太阳轮和由各螺杆的至少一个有齿自由端构成的各主行星轮，各主行星轮布置成圆并相互间隔，且与太阳轮和内壳齿相隔开，一方面在太阳轮与各主行星轮之间及另一方面在各主行星轮和内壳齿之间，布置有与之相啮合的各内、外中间行星齿轮。

本发明另一方面提供一种用来连续加工高粘度物质的多螺杆挤出机，特别是用来处理热塑聚合融化物或用来生产热塑聚合物，它有一融化物输入段，至少一个邻近的圆柱形加工室，各螺杆在横截面内沿圆周布置，一中心心轴在横截面内布置在中心处，还有一邻近的融化物输出段，还有至少一个上述行星齿轮用来驱动螺杆及中心心轴。

在本发明的行星轮中，增设了两圈内外中间行星轮，使各主行星轮的轮齿不再直接在内壳轮齿上及太阳轮上滚动，而是行星齿轮的每个主行星轮布置在两个内中间行星轮和两个外中间行星轮之间。由于这种行星齿轮，驱动中心驱动轴或驱动中心心轴使得各螺杆沿着与挤压机各螺杆公转方向相同的方向旋转，这样，特别一方面在各螺杆和内壳壁之间的区域，另一方面在各螺杆与中心心轴表面之间的区域，会产生高的相对速度，从而实现传送效果、良好的自净性能及高的表面更新率。

主行星轮的数目与内外中间行星轮的数目最好相等。

只有一个齿轮，即太阳轮，从而也即中心心轴被驱动，而这是有利的。

各齿轮和内壳齿最好设计成相互间直接啮合和间接啮合。

如果所有的齿轮和内壳齿是螺旋齿联接的，则行星轮的运行方式得到改善。也可用人字齿（双螺旋齿）来消除轴向反作用力。

对于较佳的齿轮布置方案，太阳轮的横截面中心与每个成对的内外中间行星轮的中心布置成一直线，而各主行星轮的横截面中心布置在两根相邻的这类直线之间的角等分线上。

特别有利的是，用产品来润滑行星轮的各齿轮和内壳齿。因此，在多螺杆挤压机中被处理的物质或者通过齿轮导入加工室或者通过齿轮从加工室传送入一出口段。在各齿轮、轴及壳体罩盖的端面之间形成有窄的润滑间隙，在其内有一层被处理物质防止直接接触。此润滑层明显地受到剪切并且连续地更换。

具有本发明行星轮的多螺杆挤出机有一融化物输入段，至少一个在横断面内带有沿圆周布置多根螺杆的相邻圆柱形加工室，一在横断面内布置在中心处的中心心轴，一邻近加工室的融化物输出段，所述的行星齿轮用来驱动各螺杆和中心心轴。可以理会到这种方式的多螺杆挤出机还可以有几个连续的相互连通的加工室。

行星齿轮可以布置在至少一个加工室的开始和/或结束的位置处。

在加工室内中心心轴最好具有光滑表面。然而，一种特别的设计包括一个中心心轴，它设计成一位于加工室内的螺杆并且与所有各行星螺杆相啮合。在这种情形下，有一束密集的螺杆而不是单纯的圆周布置。

用来传送需处理的物质的各螺杆以及中心心轴最好相互轴向平行地布置。

相邻的各螺杆心轴设计成相互啮合的形式。在设计中，螺杆的外周缘一方面与内壳表面之间的距离及另一方面与中心心轴表面之间的距离应尽量小。由于加工室内的各单个部件之间很窄并且接触得非常紧密，同时容易接近在开口间隙之间可能存在的真空部分，因此可以获得多螺杆挤出机的最佳性能，多螺杆挤出机基本上适合于连续除气、气化、混合或生产比如融化状态的高分子量聚合物。

在多螺杆挤出机中，最好只有中心心轴被驱动，这样简化了驱动装置及轴的密封。驱动轴最好只从设备的两个端面之一导入。

最好在加工室上面布置一个除气拱顶以便将诸如各种分裂产物、单体、低聚体或来自加工室的残余溶剂之类的挥发性成分去除。

为了有助于去除上述产物，除气拱顶最好与一真空发生装置相连。

具有所述行星齿轮的本发明多螺杆挤出机特别适合于连续加工高粘度物质，特别是处理热塑聚合融化物或生产热塑聚合物。

在加工高粘度物质期间，在多螺杆挤出机的加工室内的最好是光滑的内壳壁上以及在中心心轴的最好是光滑的表面上以及在各螺杆之间，这些物质得到最佳的表面更新率、自净性能及传送效果。

根据此方法，高粘度物质在内壳壁及在中心心轴上有高的相对速度。

各种挥发性组分，最好是分裂产物及残留的单体、低聚体及溶剂，可以根据此方法利用在加工室处的真空装置加以去除而使高粘度物质除气。

通过将另外的气态或液态成分导入输入段或导入加工室，可以产生化学的或物理的变化。

根据此方法，可利用多螺杆挤压机在加工室内实现化学反应或进行混合或进行合成过程。

根据此方法，所发生的化学反应可以是聚合、缩聚或加聚反应。

根据此方法，缩聚反应可用来生产各种聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚胺、聚酰胺-酰亚胺及它们的共聚物。

根据此方法，聚酯可以是聚乙烯对酞酸酯、聚丁烯对酞酸酯、聚乙烯萘二甲酸酯或它们的共聚物。

下面原则上将参照附图详细描述本发明。

图1是本发明行星齿轮的一扇形横剖图。

图2是在加工室两端具有本发明行星齿轮的一多轴挤压机的纵剖图。

图1示意地显示了本发明行星齿轮的构造和功能。行星齿轮是一闭合的圆周构造，图1只显示了其中一段扇形。图2显示了多螺杆挤压机的加工室12的纵剖图，本发明的行星齿轮布置在加工室的起始部和结束部。融化物输入口10和融化物输出口13图中未示而只用数字表示出。

行星齿轮的所有齿轮，即太阳轮2、各主行星轮3可以及各内外中间行星轮4、5由不转动的安装壳体6的内壳齿1所装纳。太阳轮2由中心心轴8的有齿部分所构成，因此是刚性连接于其上的。以相应的方式，各主行星轮3代表各螺杆9的自由端。在中心处，布置着太阳轮2，它象所有其他齿轮3、4、5一样，最好有螺旋齿轮结构以便除了直接及非直接连接之外还通过间隙传送聚合融化物。在内壳齿1和太阳轮2之间有各主行星轮3，它们既不与内壳齿1啮合也不与太阳轮2啮合。在各主行星轮3和太阳轮2之间，插入有一圈内中间行星轮4以确保相互间同向旋转的各主行星轮3的旋转方向与太阳轮2的旋转方向相同。为了所有主行星轮3能在一轨道内平动，设置了第二圈外中间行星轮5，它们将由太阳轮2产生的驱动转矩传递至静止的内壳齿1，那些其他的主行星轮3也不直接地沿公转方向撞击内壳齿1。在驱动太阳轮2时，所有主行星轮3沿着太阳轮2的转动方向随之依次更换，且各主行星轮3沿着其公转方向相同的方向旋转。所有行星轮3、4和5相对于行星齿轮的中心都有相同的角速度，而太阳轮2的角速度由于滚动过程而至少有两倍大。

在上述设计中，可知太阳轮2及各主行星轮3的运动路径对应于布置在加工室12内的中心心轴8及各螺杆9的运动路径。也体会到加工室12的横截面是圆形的，而各螺杆9布置在绕着中心取向的中心心轴8的一环或圆周上。

对于螺杆9的表面或外部与内壳壁或中心心轴表面-在此之前的每种情况下描述为壁-之间的相对速度，一般可应用下式求得：

RG＝UG+TG-WG

其中：RG＝螺杆/壁的相对速度

UG＝螺杆（由于旋转）的周缘速度

TG＝螺杆的平动速度

WG＝壁的速度

在第一次近似中忽略掉多螺杆挤压机的加工室12内的各直径比不一定完全等于齿轮的直径比这一事实，当使用本发明行星齿轮时，在内壳壁与中心心轴表面接近的地方，近似地有下述的比例，以单位速度表示为：

位置  UG  TG  WG  RG

内壳壁  1  1  0  2

中心心轴表面  -1  1  2  -2

从而特别是在内壳6的内壁处和中心心轴8的表面处获得了非常高的相对速度，这在每种情况下都是相同的数量。具有本发明行星齿轮的多螺杆挤压机的实质性优点就在这里。

与图2相比，在简单垂直取向的多螺杆挤压机的情形中，齿轮也可只布置在加工室12的一侧或一端。然而，最好在加工室12的起始部和结束部处设置本发明的行星齿轮以实现螺杆9的稳定导向。图2中的两个行星齿轮通过中心心轴8相互连接，保证两个行星齿轮的同步传动。然而，只要通过设备的两个端面之一引导驱动轴就足够了。除气拱顶7表示了多螺杆挤压机的加工室12也可以是有排气的，并且还最好将一真空装置连接至除气拱顶7以排放各种挥发性的组分和分裂产物。

在加工室12内相互紧密啮合的螺杆9的数目基本上可根据一定数目和一定的限制条件来自由选择。应知各个螺杆9间的间隙、各螺杆9与内壳壁之间的间隙以及各螺杆9与中心心轴8之间的间隙均须保持得尽量小，这样各单个部件相互不会接触。对于每一应用可以采用具体设计的齿轮的适当的行星齿轮。各螺杆9的设计，即它们的各要素结构，其螺旋方向、其螺距、其外径与内径之比等基本上与行星齿轮无关而实质上取决于加工因素。在利用融化物的后缩合作用来生产高分子量产品，比如生产聚酯或聚酰胺之类产品的期间，在所建议的多螺杆挤压机中最好采用小螺距与/或单头而不是多头的螺杆，以获得足够的停留时间，用来提高粘度，尽管传送效果因高的相对粘度而增加。

本发明这类设计的多轴反应器用作比如生产诸如基于高粘度和低乙醛含量的聚乙烯对苯二酸酯或共聚多酯之类的聚酯时的最后反应器是很理想的。

一般来说，本发明的多螺杆挤压机适合于所有缩聚物的除气、混合和生产，这些缩聚物即酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚胺、聚酰胺酰亚胺以及其他聚酯，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丁烯对苯二酸酯、聚乙烯萘二甲酸酯。

可构想进一步应用于除气（去除各种溶剂、单体及低聚体）、于导入另外的气态或液态成分以使物质发生化学或物理变化（比如分解反应或去膜）、于其他诸如聚烯烃（特别是聚乙烯）、聚苯乙烯（及其共聚物）、聚甲基丙烯酸甲酯或以及生物聚合物（比如淀粉为基的）之类的聚合物的混合或合成。

实际塑料范围以外的应用、比如用于不同工业部门的高粘度液体或糊状物，也是可以设想的。

Claims (27)

1、行星齿轮，用于一带有一有内齿(1)的圆形静止壳体(6)的多螺杆挤压机，由一中心心轴(8)的至少一个有齿部分构成的太阳轮(2)和由各螺杆(9)的至少一个有齿自由端构成的各主行星轮(3)，其特征在于，各主行星轮(3)布置成圆并相互间隔，且与太阳轮(2)和内壳齿(1)相隔开，一方面在太阳轮(2)与各主行星轮之间及另一方面在各主行星轮(3)和内壳齿(1)之间，布置有与之相啮合的各内、外中间行星齿轮(4、5)。

2、如权利要求1所述的行星齿轮，其特征在于，各主行星齿轮（3）的数目与各内、外中间行星齿轮（4、5）的数目完全相同。

3、如权利要求1或2所述的行星齿轮，其特征在于，太阳轮（2）被驱动。

4、如权利要求1所述的行星齿轮，其特征在于，各齿轮（2，3，4，5）和内壳齿（1）设计成直接与间接地相互啮合。

5、如权利要求1所述的行星齿轮，其特征在于，齿轮（2，3，4，5）和内壳齿（1）是螺旋齿啮合的。

6、如权利要求1所述的行星齿轮，其特征在于，各齿轮（2，3，4，5）和内壳齿（1）是人字齿啮合的。

7、如权利要求5或6之一所述的行星齿轮，其特征在于，太阳轮（2）的横截面中心与每一相对的内外中间行星轮（4，5）对的中心布置成一直线，而各主行星轮（3）的横截面中心位于两个相邻的这种直线的角等分线上。

8、如权利要求7所述的行星齿轮，其特征在于，它的各齿轮（2，3，4，5）、内壳齿（1）以及所有旋转部件的端面用产品来润滑。

9、一种用来连续加工高粘度物质的多螺杆挤出机，特别是用来处理热塑聚合融化物或用来生产热塑聚合物，它有一融化物输入段（10）、至少一个邻近的圆柱形加工室（12），各螺杆（9）在横截面内沿圆周布置，一中心心轴在横截面内布置在中心处，还有一邻近的融化物输出段，其特征在于，还有至少一个如权利要求1所述的行星齿轮用来驱动螺杆（8）及中心心轴（8）。

10、如权利要求9所述的多螺杆挤压机，其特征在于，行星齿轮设置在加工室（12）的起始处和/或结束处。

11、如权利要求9或10所述的多螺杆挤压机，其特征在于，加工室（12）内的中心心轴（8）有一光滑表面。

12、如权利要求9或10所述的多螺杆挤压机，其特征在于，加工室（12）内的中心心轴（8）设计成一螺杆。

13、如权利要求9或10所述的多螺杆挤压机，其特征在于，螺杆轴（9）和中心心轴（8）沿轴向平行设置。

14、如权利要求13所述的多螺杆挤压机，其特征在于，各相邻螺杆相互啮合。

15、如权利要求14所述的多螺杆挤压机，其特征在于，各螺杆（9）的外周缘与内壳体表面之间的距离以及与中心心轴（8）的表面之间的距离设计成尽量小。

16、如权利要求15所述的多螺杆挤压机，其特征在于，中心心轴（18）是被驱动的。

17、如权利要求16所述的多螺杆挤压机，其特征在于，在加工室（12）上布置一除气拱顶（7）。

18、如权利要求17所述的多螺杆挤压机，其特征在于，一真空装置与除气拱顶（7）相连接。

19、用来连续加工高粘度物质的方法，特别是用来处理热塑聚合融化物或用来生产热塑聚合物，其特征在于，此方法采用如权利要求9所述的多螺杆挤压机。

20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，在多螺杆挤压机的加工室（12）内的高粘度物质在内壳壁上、中心心轴（8）上以及螺杆（9）之间受到剪切、表面更新及传送作用。

21、如权利要求19或20所述的方法，其特征在于，在内壳壁和在中心心轴（8）上的高粘度物质具有高相对速度。

22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，去除各种挥发性组分，尤其是各种分裂产物、单体、低聚体及溶剂残留物，特别是通过在加工室（12）上的除气装置除去气体或抽除掉。

23、如权利要求22所述的方法，其特征在于，通过将另外的气态或液态组分导入输入段（10）或加工室（12）而产生化学变化或物理变化。

24、如权利要求23所述的方法，其特征在于，在加工室（12）内进行化学反应或混合或合成过程。

25、如权利要求24所述的方法，其特征在于，化学反应是聚合、缩聚或加聚反应。

26、如权利要求25所述的方法，其特征在于，缩聚反应包括生产聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚胺、聚酰胺酰亚胺及其共聚物。

27、如权利要求26所述的方法，其特征在于，聚酯是指聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丁烯对苯二酸酯、聚乙烯萘二甲酸酯或其共聚物。

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