JP2008149717A - コーティングを有する多孔質メータリング部材 - Google Patents

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Abstract

【課題】粘性体が貫入しメータリング部材内に残留することを防止できる多孔質メータリング装置の提供。
【解決手段】メータリング装置は、流体又はガス透過性材料で作られるメータリング部材と、基材とを含み、メータリング部材は、ガス又は流体媒体用の供給通路に面する第1表面、粘性体又はペースト体が流れる通路領域に面する第2表面、及びメータリング部材を受け入れる基材内の窪みと少なくとも部分的に形状一致結合又は力伝達結合するジャケット面を有する。メータリング部材は基材に取付けられて流体導通部材を構成し、流体又はガス透過性材料は細孔をなす中空空間を有する。中空空間はガス又は流動媒体が第1表面から第2表面へ流れるように互いに連結される。第2表面は、メータリング部材内への粘性体又はペースト体の流入を避けるように、粘性体の主流方向に平行に測定して細孔の直径を小さくできる手段を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、流体、粘性体又はペースト体への、流体、とりわけガスの流れを制御するためのメータリング部材を含むメータリング装置に関するものである。
ポリマー溶融体中に発泡剤を注入するために使用できる多孔質スリーブが、先行技術により公知になっている。例えば、特許文献1(独国特許出願公開第10150329号(A1))に示されたこのタイプのメータリング装置では、物理的発泡剤、或いは特に過臨界状態にあるガス状発泡剤が、射出成形装置の可塑化シリンダとシャットオフ・ノズルとの間に取り付けられた多孔質材料から成る円筒体を通して、導入されることが可能である。静止混合部材が多孔質円筒体の内部に配置され、溶融物通路内に延在するウェブを有し、射出段階の間に、このウェブが溶融物の再配置、及び初期にはまだ均質でないポリマー/発泡剤系の混合を行う。
特許文献1に示された多孔質円筒体は、シャットオフ・ノズルによって圧力室の穴に保持される。この多孔質円筒体は十分な耐圧性を有さないので、高圧プロセスでの使用に問題がある。したがって、特許文献2(欧州特許出願第06119392号)(この内容全体が、この出願の一体部分である宣言する)では、メータリング装置を多孔質スリーブとして構成するのではなく、むしろ特に高張力材料として作られたスリーブの中に多孔質材料のメータリング部材を挿入することが、提案されている。
特に特許文献2により構成されるメータリング装置は、高圧プロセスでの使用に適している。なぜなら、他方では、スリーブの脆弱化はメータリング部材の表面に限定されるからである。多孔質材料でできたメータリング部材は、当然、限られた強度しか有さない。しかし、メータリング部材の表面部分が25%の最大値、特に20%、特に高圧での混合作業の際の好ましい方法では15%を超えないならば、上記脆弱化により、メータリング部材の切り欠き効果による毛割れ又は類似の破損現象が形成されることはない。スリーブ表面でのメータリング部材の表面部分が小さければ小さいほど、作動圧力又は最大圧力差は、スリーブの内面とその外面との間でそれだけより高く選択できる。
しかし、約10μmの平均細孔直径及び約100MPa(1000バール)の作動圧力において、メータリング部材の細孔を介して添加剤からの反対圧力が導入されるにもかかわらず、流体、粘性体、又はペースト体はスリーブの細孔の内部に貫入できることが分かっている。
細孔の内部に堆積した流体、粘性体、ペースト体、又はどろどろ体は、この細孔を相次いで詰まらせる傾向を有し、それによってメータリング部材の機能は限られた方法でしか維持されず、最後にはメータリング部材は不安定になる。特に、メータリング部材の表面を流れる流体、粘性体、又はペースト体の組成の変化が起る場合、このタイプの堆積物は撹乱効果を有する可能性がある。すなわち添加剤を加圧してメータリング部材に充填すると、この堆積物は、再び制御されないで流体、粘性体、又はペースト体の中に入ることができ、それによって流体、粘性体、又はペースト体の汚染が生じるおそれがある。
さらなる欠点は、メータリング装置が、そのドウェル時間が特定持続時間を超えない質量体(流体、粘性体、又はペースト体)を処理する際に生じる。このタイプの質量体の残留物が細孔に残るならばこの質量体に不要な反作用が起ることがあり、それによって続いて流れる質量体はドウェル時間が延びるために周縁領域で汚染される。
独国特許出願公開第10150329号明細書 欧州特許出願第06119392号明細書
多孔質メータリング部材の使用における明らかな欠点から、質量体(流体、粘性体、又はペースト体)が貫入しメータリング部材内に残ることを防止できる類似の細孔サイズを有する多孔質のメータリング部材を使用するという目的が生じる。
この目的は、流体透過性材料又はガス透過性材料からなるメータリング部材および基材を含むメータリング装置によって達せられる。メータリング部材は、ガス媒体又は流体媒体用の供給通路に面する第1表面を有し、粘性体又はペースト体の流れる通路領域に面する第2表面を有し、メータリング部材を受け入れる基材の窪みに、少なくとも部分的に形状一致結合、又は力伝達結合されるジャケット面を有し、それによって前記基材に取り付けられて、流体導通部材を構成する。流体透過性材料又はガス透過性材料は、細孔の形態をした中空空間を有し、細孔の形態をした中空空間は、ガス媒体又は流体媒体が第1表面から第2表面まで流れ得るように互いに連結されている。第2表面は、粘性体又はペースト体の主流方向に平行に測定した細孔直径を小さくすることができる手段を含み、これにより前記メータリング部材内への粘性体又はペースト体の流入を防ぐことができる。
第2表面でのメータリング部材の細孔直径は、最大10μm、好ましくは2〜3μm、とりわけ0.5μmである。
基材は、鋼、とりわけ高強度および高い切欠き衝撃強度を有する鋼である。なぜなら、この鋼は、ペースト体、粘性体、又はどろどろ体を添加剤と共にメータリング装置に装入する圧力サイクルに耐えなければならないからである。
流体透過性材料又はガス透過性材料は、セラミック材料又は任意で合金として形成された金属を含む。メータリング部材は、粒子から成るセラミック又は金属材料が熱エネルギーの供給を受けてその表面で溶融を開始し、粒子表面がこの方法で互いに連結される焼結工程によって製造できる。材料の選択は、通常、添加剤及び媒体との化学的反応、並びに予想される作動温度に向けられる。メータリング装置の耐圧性はメータリング部材によってではなく、基材によってのみ確保できる。
この手段は、特に、金属及び/又はセラミックのコーティング材料を使用することが好ましいコーティングを含む。通常、メータリング部材の材料と同じ選択基準が、基材に対するコーティングの付着力が確保されなければならないという追加の制限と共に、コーティングにも当てはまる。
前記コーティングは、PVDプロセス又は等価なプロセス、例えば溶射プロセスによって流体透過性材料又はガス透過性材料に付着させることができる。とりわけ、PVDプロセスの使用は、メータリング部材の表面に近い領域のみが被覆される利点を有する。したがって、メータリング部材の中心領域においてではなく、メータリング部材の最表面の最大細孔直径のみが小さくされることが確保される。このようにして、一部の細孔の閉塞が生じることがコーティングにより回避され、その結果、メータリング部材の表面に近い領域の細孔直径の減少により、予想される圧力損失増加が限界範囲内にとどまり、この限界は表面に近い領域での断面の減少からの制限効果によって予め決められる。
特に、複数の層から成るコーティングが使用され、好ましくはCrNコーティング又はTiNコーティングが使用される。相違する各層はプライマーを含み、それによってコーティングがメータリング部材の下層に永久に付着することが確保される。トップコートである少なくとも1つの別の層がこのプライマーに付着され、それによってとりわけ耐摩耗性を大きくできる。
流れの生じる断面は、この手段によって少なくとも10%、好ましくは少なくとも18%、特に少なくとも36%だけ小さくできる。
上述の具体例うちの1つによるメータリング装置は、溶融物の中に添加剤、とりわけポリマー溶融物の中に発泡剤を導入するために使用できる。
図1に、流体透過性材料又はガス透過性材料で作られたメータリング部材2を含むメータリング装置1を示す。メータリング部材2は、基材3に埋め込まれ、ガス媒体又は流体媒体用の供給通路5に面する第1表面4、及び粘性体又はペースト体が流れる通路領域7に面する第2表面6を有する。したがって、メータリング部材2及び基材3は、メータリング手段を有する流体導通部材13を全体として構成する。この流体導通部材13のメータリング部材の第1表面4及び第2表面6は、この実施例では実質的に互いに対向して配置される。この実施例において特に、流体導通部材13は、実際に複数のメータリング部材がメータリング手段として取り付けられた中空円筒として構成される。この実施例では、添加剤が、その第1表面4から開始して第2表面6までメータリング部材を流れる。メータリング部材2には、第1表面4と第2表面6との間に延在して、基材の窪み9に少なくとも部分的に隣接するジャケット面8が取付けられる。ジャケット面8は、基材3内にメータリング部材を受け入れる窪み9と、材料連続結合、又は形状一致結合又は力伝達結合によって、少なくとも部分的に結合され、その結果、メータリング部材2は基材3に固定され、それによって流体導通部材13がメータリング手段を用いて構成される。したがってこのタイプの流体導通部材は、メータリング部材を用いて完全に前もって作られることができ、形状一結合、又は力伝達結合による方法で、或いは、材料連続性を有する結合方法で、例えば押し出し成形機の後で、又は射出成形機の上流で組立体に取り付けられるだけである。メータリング部材2の流体透過性材料及び/又はガス透過性材料は、細孔をなす中空空間10を有し、細孔を形成する中空空間10は、ガス媒体又は流体媒体が第1表面4から第2表面6まで流れ得るように互いに連結される。第2表面6はコーティング11を有し、このコーティング11は、関連する細孔直径を小さくすることができ(直径は、粘性体又はペースト体の主流方向に平行に測定される)、これにより前記メータリング部材2の内部への粘性体又はペースト体の流入を妨げることができる。
図2は第1の実施例によるメータリング装置の長手方向の断面を示す。メータリング装置1は、流体、粘性体、どろどろ体又はペースト体が流れる通路領域7を含む。この通路領域は、基材3及び少なくとも1つのメータリング部材2を含む管形状の流体導通部材13によって画定される。図2では、互いに対向して配置された2つのメータリング部材2が示されている。メータリング部材のうちの1つは実質的に円筒形に形成され、第2のメータリング部材は円筒形及び円錐形部分を有する。メータリング部材2は、基材3に埋め込まれ、ガス媒体又は流体媒体用の供給通路5に面する第1表面4、及び粘性体又はペースト体が流れる通路領域7に面する第2表面6を含む。この実施例では、第1表面4及び第2表面6は、実質的に互いに対向して配置される。この実施例では、添加剤が第1表面4から開始して第2表面6までメータリング部材を通して流れる。メータリング部材2は、第1表面4と第2表面6との間に延在し、基材の窪み9に少なくとも部分的に接するジャケット面8を有する。ジャケット面8は、形状一致結合、又は力伝達結合、或いは材料連続結合によって、メータリング部材を受け入れる基材3内の窪み9と少なくとも部分的に連結でき、その結果、メータリング部材2は基材3内に固定できる。供給通路5は、外側表面14又は第1表面4に実質的に接する基材に対する凹部とできる。或いは、又はそれと共に組み合わせて、図1に示したようにジャケット部材15の内側表面16に凹部を設けることができる。したがって添加剤は、図2に示すように環状通路として形成される供給通路5に流れ、供給通路5から第1の表面4を介し、メータリング部材を通じて第2表面6のところで通路領域7に入る。また、添加剤を送り込むために連通させるための連通孔17が図2に示されている。
図3は、流体、流動性の粘性体、又はペースト体が環状通路105を流れる第2の実施例によるメータリング装置101の長手方向断面を示す。環状通路105は、ジャケット部材115によって囲まれ、ジャケット部材の内側表面116が流れに対する外側境界になっている。粘性が大きいために実質的に層流が環状通路105内に存在する。その結果、装置が速度分布の偏りに相応じて流れの進路を偏向させない限り、流速は内側面から環状通路流れ117の中央面に向かって連続的に増加する。流れの内側境界は、基材103の外側表面114によって実質的に形成される。円筒形基材114の円筒外側表面の場合、環状通路105の中央面117は、ジャケット部材115の内側表面116の半径の半分と基材の外側表面114の半径の半分との和に相当する半径を有する円筒である。添加剤は通路領域107を介してメータリング部材に供給される。流体導通部材113は、基材103及びその中に受け入れられたメータリング部材102が配置される管状の中空空間として特に作られることができる。メータリング部材102用の窪み109が基材103に設けられ、このメータリング部材は形状一致、又は力伝達の方法で、或いは材料の連続によってこの窪み109の中に受け入れられる。特に、対応する窪み109にメータリング部材102を受け入れる力伝達結合が図3に示される。このタイプの力伝達結合を導入する実施例には、加熱された基材の中への(冷たい)メータリング部材を嵌合することがあり、これにより基材を冷却して収縮して圧入される。特に、溶接接合、はんだ接続、又は接着剤による接合が材料の連続を用いた連結として使用される。形状一致による連結の例には、窪み109の対応する円錐形の接合形状の中に少なくとも部分的に円錐形のメータリング部材102を組み入れることがある。円錐形のメータリング部材が使用される場合、メータリング部材が添加剤の圧力による追加的な力で窪み109内に保持されるように、円錐体の先端がメータリング部材の第1表面104の方向に面することが有利である。このタイプのメータリング部材が使用される場合は、第1表面104の方向に断面が小さくなるによってノズル効果が生じ、メータリング部材を通して流れる添加剤の流速が大きくなる。
添加剤は、第2表面106を介して添加剤導通部材113からメータリング部材102に入る。次いで添加剤は、メータリング部材102の細孔又は中空空間110を通して流れ、第1表面104を通して環状通路105に入る。メータリング部材は環状通路の内部空間に突出することができ、その結果、流れている流体の再配置がメータリング部材を通して行なわれ、流体と添加剤のよりよい混合を行うことができる。流体、粘性体、どろどろ体、又はペースト体が、細孔又は中空空間の中に入ること、特に第1表面104に近い領域に移動することを避けるために、この領域の細孔又は中空空間の直径を小さくするための手段が使用される。第1表面104の少なくとも一部分が、特にコーティング材料111により被覆されることができる。コーティング材料の使用は、図5を用いて説明される。
図4は、図3の実施例によるメータリング装置の半径方向断面を示す。メータリング装置101は、流体、粘性体、どろどろ体、又はペースト体の流れる環状通路105を含む。環状通路105は、一方では、管形状、特に好ましくは円形断面を有する管として特に形成された流体導通ジャケット部材115によって画定される。この環状通路の内側境界は、少なくとも1つのメータリング部材102を含む基材103によって形成される。図4では、このタイプの3つのメータリング部材102が表現されている。このメータリング部材は実質的に円筒形の本体として形成され、或いはこの代わりに、メータリング部材のそれぞれは円錐形に又は円筒形及び円錐形部分により構成され得る。メータリング部材102は、基材103に埋め込まれ、どろどろ体、粘性体、又はペースト体が流れる環状通路105に面する第1表面104、及びこの本文で添加剤とも呼ばれるガス状媒体又は流体媒体用の通路領域107に面する第2表面106を有する。第1表面104及び第2表面106は、この実施例において実質的に互いに対向する。この実施例では、添加剤が、第2表面106から開始して第1表面104までメータリング部材を通して流れる。メータリング部材102は、第1表面104と第2表面106との間に延在して、基材の窪み109に少なくとも部分的に接するジャケット面108を有する。ジャケット面108は、形状一致結合又は力伝達結合、或いは材料の連続性を有する結合によって、メータリング部材を受け入れる基材103の窪み109と少なくとも部分的に連結可能であり、その結果、メータリング部材102が基材103内に固定され得る。こうして添加剤は、通路領域107内に流れ、通路領域107から第2表面106を介して、メータリング部材の細孔又は中空空間110を通じて、第1表面104のところで環状通路105の中に入る。
メータリング部材の構成は、図1又は図2に示す実施例、或いは図3又は図4に示す実施例に限定されない。メータリング部材は、特にジャケット部材115内に配置でき、次いでこのジャケット部材は、別の外側ジャケット部材(図に示されていない)によって覆われることができる。ジャケット部材115、又は外側ジャケット部材には、例えば図1の供給通路5のように構成できる供給通路用の窪みが設けられる。
図5は、第1表面104又は第2表面6の一部を含む多孔質のメータリング部材(2、102)の表面からの断面を示す。メータリング部材(2、102)は固体から成る本体(12、112)を含み、この本体は耐添加剤性の材料から成る。
メータリング部材の本体(12、112)の中空空間又は細孔(10、110)は、焼結工程、又はエッチング工程などの材料除去工程において形成される。或いはこの代わりに、この本体は異なるタイプの材料の混合物を有する構造を有することができ、次いで材料のうちの1つを溶媒で溶解して洗い落とすことによって、中空空間が得られる。そのあと、溶媒で溶解できない構造物の1つ又は複数の構成部材からなる構造物が残る。
焼結工程では、粉末が原料であり、次いで、粉末粒子の周縁部を溶融することが開始され、それによってそれぞれの隣接する粒子が互いに結合される。この粒子の空間的な配列により存在する中間空間が少なくとも部分的に維持され、その結果、中空空間又は細孔が、前記粒子から形成される凝集体の冷却後に、この凝集体の間に形成される。焼結工程の利点は、粉末状の原料を処理して任意の所望の形状を設計でき、メータリング部材の望ましい寸法を選択できることである。唯一の制限は、熱入力がメータリング部材の総容積部分にわたって実質的に均一に生じ、その結果、溶融を開始した粒子領域がメータリング部材の総容積にわたって実質的に均一であるように、寸法が選択されることにある。
これに対して、多孔質のメータリング部材を製造するためにエッチング工程又は洗い落とし工程が使用される場合、メータリング部材の成形は、中空空間又は細孔の製造前に設定される処理工程において行なわれる。
いくつかのガス状の添加剤又は揮発性の大きい添加剤の場合、中空空間又は細孔は、メータリング部材の細孔を通して流れる添加剤が導入されるべきどろどろ体、粘性体、又はペースト体によって、第1表面104又は第2表面106に近い領域で汚染されることが分かった。その結果、この細孔又は中空空間は、第1表面104又は第2表面106の近くで詰まる。この詰まりによって生じる細孔の閉塞は、質量体(接着性体、どろどろ体、粘性体、又はペースト体)にとって不可逆であり、又は部分的に可逆であるが、このことにより、この質量体が再び中空空間又は細孔から周期的に解放され、再びどろどろ体、粘性体、又はペースト体の主流の中に運ばれる結果になる。この流入は、どろどろ体、粘性体、又はペースト体の特性がドウェル時間の増加により変化しない、又は実質的に変化しない場合には重要でないことがあるが、ドウェル時間に大きく依存する組成を有し或いはドウェル時間に依存する化学反応さえも受けやすい質量体の中に添加剤が混合された生成物については、品質のかなりの損失になるであろう。この品質の損失により、一定の環境下において添加剤で混合されたどろどろ体、粘性体、又はペースト体をさらに処理することはできない。
したがって、中空空間又は細孔の内部空間へのどろどろ体、粘性体、又はペースト体の流入は、可能な場合には完全に避けるべきである。
この目的のために、図5に示す変形例によれば、平均の細孔直径は、メータリング部材の中心領域に比較して、第1表面104又は第2表面106に近い周縁領域においては小さくされる。これによって、揮発性の大きい添加剤又はガス状の添加剤の流速は、直径の大きな細孔又は中空空間を通る流速に対して、メータリング部材の周縁領域において増加され、その結果、中空空間の内部空間の中へのどろどろ体、粘性体、又はペースト体の逆流が回避される。
メータリング部材の表面近くの領域の細孔直径は、実質的に最大10μm、好ましくは2〜3μm、とりわけ0.5μmである。コーティング(11、111)は、細孔直径を小さくするための手段である。
コーティングは少なくとも1つの層を含むが、同一又は異なる組成の複数の層から成ることもできる。
コーティングについての別の実施例を図6に示す。図6は、多孔質のメータリング部材の第1表面104又は第2表面106の断面を示す。この多孔質のメータリング部材は少なくとも2つの層、すなわち本体(12、112)及びコーティング(11、111)から作られる。コーティングは、本体(12、112)の細孔を被覆して、それ自身が本体(12、112)よりも小さい細孔を有する多孔質材料から成る。流れの生じる細孔18の断面19を除いて、本体の細孔をこのように被覆し閉じるいくつかの細孔18が図6に示される。したがって、流れの生じる断面19は、それぞれの添加剤の要求に合致するように望ましく選択され得る。
コーティングの代わりに、広い意味でいうとメータリング部材を覆ってかぶされる多孔質のスリーブ設けることもできる。特にスリーブの使用により、流れの生じる断面19を有するスリーブに影響を及ぼす汚染に関しては、その取扱いが容易になる。この場合には、このスリーブを置き換えることで十分である。この構成は、スリーブの再配置がより少ない時間しか必要とせず、ポリマー溶融物の中に添加剤を導入するための装置を短時間の中断後に再作動させることができるという、さらなる利点を有する。このスリーブは別個の清浄工程において汚染を除去できる。
また、細孔の内部に堆積している流体、粘性体、どろどろ体、又はペースト体による汚染を避けるために、コーティング(11、111)は、ゴミの付着し難い材料の層、特に自浄性のナノ結晶構造の層を含むこともできる。
第1の実施例によるメータリング装置の長手方向断面図。 図1によるメータリング装置の半径方向断面図。 第2の実施例によるメータリング装置の長手方向断面図。 図3によるメータリング装置の半径方向断面図。 メータリング部材の断面図。 第2の実施例によるメータリング部材の断面図。

Claims (11)

  1. 流体透過性材料又はガス透過性材料で作られたメータリング部材(2、102)と基材(3、103)とを含むメータリング装置(1、101)において、前記メータリング部材(2、102)が、
    ガス媒体又は流体媒体用の供給通路(5、107)に面する第1表面(4、106)と、
    粘性体又はペースト体の流れる通路領域(7、105)に面する第2表面(6、104)と、
    前記基材(3、103)内に前記メータリング部材を受け入れる窪み(9、109)に、少なくとも部分的に形状一致結合又は力伝達結合されるジャケット面(8、108)と
    を含み、それによって前記メータリング部材(2、102)は前記基材(3、103)に取り付けられて、流体導通部材(13、113)を構成し、
    前記メータリング部材は、ガス媒体又は流体媒体が前記第1表面(4、106)から前記第2表面(6、104)まで流れることのできる細孔を形成する中空空間(10、110)を有し、
    前記第2表面(6、104)は、前記メータリング部材(2、102)の内部への粘性体又はペースト体の流入を回避できるように、流れの生じる断面を小さくする手段(11、111)を含むことを特徴とするメータリング装置。
  2. 前記第2表面(6、104)における前記細孔の直径が、最大10μm、好ましくは2〜3μm、とりわけ0.5μmである、請求項1に記載されたメータリング装置。
  3. 前記基材(3)が鋼である、請求項1又は請求項2に記載されたメータリング装置。
  4. 前記流体透過性材料又は前記ガス透過性材料が、セラミック材料、又は任意で合金として形成された金属を含む、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載されたメータリング装置。
  5. 前記手段がコーティング(11、111)を含む、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載されたメータリング装置。
  6. 前記コーティング(11、111)が、金属及び/又はセラミックのコーティング材料を含む、請求項5に記載されたメータリング装置。
  7. 前記コーティング(11、111)が、PVDプロセスによって前記流体透過性材料又は前記ガス透過性材料に付着することのできる、請求項5又は請求項6に記載されたメータリング装置。
  8. 前記コーティング(11、111)が複数の層を含む、請求項5から請求項7までのいずれか1項に記載されたメータリング装置。
  9. 少なくとも1つの層が、他の層と異なる組成を有する、請求項8に記載されたメータリング装置。
  10. 流れの生じる前記断面が、前記手段(11、111)によって、少なくとも10%、好ましくは少なくとも18%、とりわけ少なくとも36%だけ小さくされることができる、請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載されたメータリング装置。
  11. 溶融物の中に添加剤を、とりわけポリマー溶融物の中に発泡剤を導入する、請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載されたメータリング装置の使用。
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