KR20140107231A - 동적 혼합 펌프 - Google Patents

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KR20140107231A
KR20140107231A KR1020147015051A KR20147015051A KR20140107231A KR 20140107231 A KR20140107231 A KR 20140107231A KR 1020147015051 A KR1020147015051 A KR 1020147015051A KR 20147015051 A KR20147015051 A KR 20147015051A KR 20140107231 A KR20140107231 A KR 20140107231A
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gear pump
shaft
screw
medium
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KR1020147015051A
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루크 보시어스
로돌포 잘만크-프로하르트
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스타이런 유럽 게엠베하
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Abstract

첨가제를 펌핑될 매체에 혼합하기 위한 장치(1)는, 펌핑될 매체를 펌핑하기 위한 적어도 하나의 기어 펌프(2)로서, 상기 기어 펌프(2)는 제 1 구동 토크를 갖는 적어도 하나의 샤프트(3)를 포함하는, 상기 기어 펌프; 펌핑될 매체에 첨가제를 도입하기 위한 적어도 하나의 인젝터(5); 상기 펌핑될 매체와 상기 첨가제를 혼합시키기 위한 적어도 하나의 스크류 컨베이어(6)로서, 상기 스크류 컨베이어는 제 2 구동 토크를 갖는, 상기 적어도 하나의 스크류 컨베이어를 포함하고, 제 1 구동 토크 및 제 2 구동 토크가 커플링되도록 샤프트(3)와 스크류 컨베이어(6)가 기능적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

동적 혼합 펌프{DYNAMIC MIXING PUMP}
본 발명은 펌핑될 매체에 첨가제들을 혼합시키기 위한 장치에 대한 것이다.
단일 또는 트윈-스크류 압출 시스템들 또는 분사 시스템과 정지형 혼합기(static mixer)의 조합을 포함하는, 둘 이상의 고점성 및/또는 저점성 재료들을 혼합시키기 위한 다양한 기술들이 오늘날 존재한다.
압출기에서 점성 재료들을 혼합시키는 것은, 적절한 혼합을 얻기 위해 적절한 디자인의 스크류를 설계 및 설치할 필요성을 포함하는, 몇몇 단점들을 갖는다. 다른 단점은 스크류의 길이 및 사이즈때문에 한 세트의 재료들로부터 상이한 세트의 재료들로 전환할 때 압출기를 정화(purge)시키는데 필요한 시간이다. 적절한 혼합을 보장하기 위해, 스크류는 충분히 길어야 하지만, 이는 스크류를 정화시킬 때 더 많은 시간이 필요하고 더 많은 재료들이 소모됨을 의미한다. 또한, 특정한 경우들에서, 압출기에서의 비교적 긴 잔류시간은 특정 재료들에 대해 바람직하지 않을 수 있다.
몇몇 경우들에서, 첨가제가 예를 들어, 액체 도우징(dosing) 장비에 의해, 압출기의 용융물 흐름(melt stream)에 계량투여(metered)될 수 있다. 이는 압출기의 배럴(barrel)을 통과하는 용융물 채널(melt channel)의 구성을 요구한다. 그러나, 이는 기존의 장비를 업그레이드하려 할 때 실용적이지 않다. 기존의 압출기를 개장하는 것(retrofitting)은 장치 작동 시간의 상당한 손실과 함께 복잡하고 비용이 많이 들고 고되다.
또 다른 상황들에서, 통기형(vented) 압출기가 사용된다. 이 압출기 및 그 스크류의 디자인은, 능동(active) 통기 시스템과 계속 함께 작동하면서 첨가제 흐름의 적절한 분사 및 혼합을 보장하는 것이 종종 비현실적이다. 다른 한편으로, 통기는 바람직하지 않은 휘발성 물질들(예를 들어, 공기, 습기, 저중합체(oligomer) 등)의 배출을 위해 계속 작동할 필요가 있다.
첨가제 흐름이 압출기의 하류측에 첨가되는 몇몇 시스템들이 존재한다. 예를 들어, 이러한 흐름은 압출기와 정지형 혼합기 사이에 도입될 수 있다. 그러나, 몇몇 경우들에서, 적절한 분사 시스템 및 정지형 혼합기를 설치하는데 사용가능한 충분한 바닥 면적(floor space)이 없을 수 있다. 또한, 몇몇 경우들에서, 예를 들어, 기포제(foaming agent)들이 도입될 때, 정지형 혼합기로 인한 높은 압력 강하는 바람직하지 않다.
플라스틱 제조 분야에서, 용융물에 첨가제들을 첨가하여 플라스틱들의 특성들을 개선, 변경 또는 강화할 필요가 있다. 플라스틱 가공 분야에서 다른 경향은 발포 플라스틱의 압출이다. 발포(foaming)는 용융물에 물리적 또는 화학적 발포제(blowing agent)(또는 이 둘의 조합)를 첨가하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 핵 생성제(nucleation agent)들과 같은, 첨가될 임의의 첨가제들 및 발포제들이 가능한 한 균질하게 용융물에 분포되는 것이 중요하다. 전형적으로, N2 또는 CO2와 같은, 물리적 발포제들은 20℃에서 75bar보다 훨씬 높은 압력으로 첨가된다(유체 상태로, 예를 들어, 단일 상(phase)으로 혼합을 보장하기 위해 초임계 유체로). 이렇게 하여, 용융물의 점도가 감소된다. 또한, 이 혼합은 용융물의 온도에서 바람직하지 않은 증가가 발생하게 한다. 설명한 바와 같이 첨가제들을 혼합하기 위해, 정지형 혼합기들이 사용되어 왔다. 이러한 정지형 혼합기들의 하나의 단점은 압출 방향에서 길이를 요구하여 이들이 점유하는 비교적 넓은 면적이다. 종종 압출 방향에서의 공간 제약으로 인해 정지형 혼합기들을 포함하도록 설비를 개장하는 것이 불가능해질 수 있다. 또한 정지형 혼합기들은 상당한 압력 강하를 일으키고 이는 많은 공정들에서 제한 요인이 된다. 또한, 정지형 혼합기들의 상류측의 보다 높은 압력들은 혼합 부재들을 붕괴시킬 위험성을 부과한다. 몇몇 정지형 혼합기들은 상류측에 이러한 고압을 형성할(building up) 수 없다.
또한, 바람직한 핵화(nucleation) 및 제어된 셀(cell) 팽창을 달성하기 위해 압출 도구의 출구에서 압력의 큰 감소가 일어나는 것이 중요하다. 정지형 혼합기들의 경우에, 압력은 용융물이 혼합기들을 통과할 때 소모된다. 종종 이는 압출 도구의 출구에서 너무 낮은 압력들을 가져온다. 이는 제품이 불규칙하게 발포되게 한다. 정지형 혼합기들을 갖는 압출기들을 사용하는 다른 특징은 컨베이어 샤프트들의 토크를 통한 공정 단계들의 커플링 및 조정이다.
EP 1 268 624 B1호는 물리적 발포제의 사용으로 특정 발포체(foam)를 압출하기 위해 사용되는 압출 라인을 설명한다. 수지와 선택적인 증핵제(nucleator)가 혼합 헤드(mixing head), 정지형 혼합기들, 기어 펌프 및 다이(die)를 갖는 압출기에 공급된다. 물리적 발포제는 압출기의 분사 밸브를 통해 분사된다. 최종 결과인 발포 시트(foam sheet)가 발포 시트의 롤(roll)을 형성하도록 당겨지고 압축되고 감긴다. 이 장치는 압출기의 하류측 생산 라인에서 2개의 정지형 혼합기(IX)들을 포함함에 의해 압출 방향에서 큰 공간 요구조건을 갖는 단점을 갖는다.
정지형 혼합기들 대신에 동적 혼합기들을 사용하는 것도 공지되어 있지만, 이들은 모두 동적 혼합기들을 위한 추가 구동장치를 필요로 하고 생산 라인 공정에 동적 혼합 공정을 포함시키는 것이 복잡하고 번잡스럽다.-(Michaeli W.; Hildebrand, T. ; Schumacher, H. ; physikalisches Schaumen mit Standard Extrudern; Kunststoffe 11/2008; Karl Hanser Verlag, Munchen)
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 극복하는 것이었다. 특히, 본 발명의 목적은 설치 및 유지보수하기 덜 복잡하고 충분히 균질화된 첨가제와 함께 매체를 압출할 수 있는 장치를 제공하는 것이었다. 비용 효과적이고, 공간 및 에너지 효과적이고, 사용하기 쉽고 신뢰성있는 플라스틱 압출 장치가 제공되고, 이는 부가적인 열 제거에 의해 제어되는 용융물 온도를 유지하고 높은 혼합 성능을 달성한다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 장치에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 하기의 설명 및 종속항들에서 정의되어 있다.
본 발명에 따른 장치는 펌핑될 매체에 첨가제들을 혼합하기 위한 것이다. 본 발명의 맥락에서, 펌핑될 매체는 예를 들어, 플라스틱과 다른 점성 또는 준-점성(semi-viscous) 매체와 같은, 압출에 의해 처리되는 임의의 재료 또는 물질을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따른 장치는 펌핑될 매체를 펌핑하기 위한 적어도 하나의 기어 펌프를 포함한다. 하기에서, 적어도 하나의 기어 펌프는 제 1 기어 펌프로도 불릴 수 있다. 기어 펌프는 변위(displacement)를 통해 매체를 운송하는 수단이다. 기어 펌프는 적어도 하나의 샤프트를 포함하고, 이는 하기에서 제 1 샤프트로도 불릴 수 있고, 제 1 구동 토크를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 기어 펌프는 2개의 기능적으로 연결된, 즉 외부 치형부(external teeth)로 서로 물린(interlocked) 기어들을 포함한다.
이 장치는 펌핑될 매체에 혼합될 첨가제를 도입하기 위한 적어도 하나의 인젝터(injector)를 추가로 포함한다. 이 장치는 상기 펌핑될 매체와 상기 첨가제를 혼합하기 위한 적어도 하나의 스크류 컨베이어를 추가로 포함한다. 하기에서, 적어도 하나의 스크류 컨베이어는 제 1 스크류 컨베이어로도 불릴 수 있다. 스크류 컨베이어는 제 2 구동 토크를 갖는다. 상기 제 1 및 제 2 구동 토크가 커플링되도록 샤프트 또는 샤프트들 중 적어도 하나와, 스크류 컨베이어, 또는 스크류 컨베이어들 중 적어도 하나가 기능적으로 연결된다.
상술한 장치에 의해, 첨가제가 펌핑될 매체에 균질하게 혼합되도록, 펌핑될 매체가 첨가제와 함께 제공되고 적어도 하나의 스크류 컨베이어를 통해 처리된다. 상기 장치는 예를 들어, 첨가제들을 갖는 재료들을 생산하기 위한 압출 라인의 블록(block)을 형성할 수 있다. 첨가제들을 갖는 이러한 재료들의 예들은 발포 플라스틱일 수 있다. 상술한 장치에 의해 생산될 수 있는 하나의 특정 제품은 WELSH, G. 등의 EP 1 268 624 B1호에 설명된 바와 같은 열간성형가능한 발포 시트이다.
본 발명의 특정 실시예에서, 기어 펌프는 2개의 샤프트들을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 스크류 컨베이어들은 기어 펌프의 샤프트들에 실제로 커플링되어 있다. 바람직하게는, 스크류 컨베이어들은 압출 방향에 대해 직각으로 연장하게 배치된다. 스크류 컨베이어들은 기어 펌프들의 샤프트들에 의해 구동된다.
스크류 컨베이어들의 구동 토크(들)는 기어 펌프 샤프트들의 구동(들) 토크에 커플링되어 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 펌핑될 매체는 스크류 컨베이어들로 진행하도록, 혼합 펌프 근처의 편향(deflection) 영역에 의해 편향될 수 있다. 일단 스크류 컨베이어들을 통과하면, 펌핑될 매체는 압출 도구의 유동 방향으로 다른 편향 영역에 의해 다시 편향될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 샤프트들 중 적어도 하나가 구동 샤프트이다. 구동 샤프트는 작동되는(actuated) 샤프트로서 해석되어야 한다.
바람직한 실시예에서, 기어 펌프는 구동 샤프트로서 작동하도록 적응된 제 1 샤프트와, 비-구동 샤프트로서 작동하도록 적응된 제 2 샤프트를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 제 1 샤프트는 적어도 하나의 스크류 컨베이어와 기능적으로 연결되어 있다. 이에 의해, 제 1 및 제 2 구동 토크가 커플링될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 힘의 전달이 가능해졌을 때, 보다 바람직한 실시예에서, 토크의 전달이 가능해졌을 때 기능적 연결이 수립될 것이다.
바람직한 실시예에서, 장치는, 제 2 구동 토크를 갖는 스크류 컨베이어에 부가하여, 제 3 구동 토크를 갖는 제 2 스크류 컨베이어를 포함한다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 제 1 스크류 컨베이어는 기어 펌프의 구동 샤프트인 제 1 샤프트와 기능적으로 연결되고, 제 2 스크류 컨베이어는 제 2 샤프트와 기능적으로 연결된다. 바람직하게는, 제 2 샤프트는 기어 펌프의 구동 샤프트 및/또는 기어 펌프에 의해 구동될 수 있다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 장치는 펌핑될 매체의 유동 방향을 제공하도록 적응된다. 보다 바람직한 실시예에서, 장치는 적어도 하나의 기어 펌프에 의해 유동 방향을 제공하도록 적응된다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 장치는 펌핑될 매체에 유체 첨가제들을 혼합하도록 적응되며, 플라스틱에 대한 발포제들로서 사용되는 샘플 첨가제들은 유체 단(stage)에서 부탄, 펜탄, 이산화탄소 또는 질소일 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 장치는 제 1 기어 펌프에 부가하여, 제 2 기어 펌프를 포함한다. 이 실시예의 각각의 기어 펌프는 스크류 컨베이어들 중 하나와 기능적으로 연결된다. 바람직하게는, 각각의 기어 펌프는 각각의 스크류 컨베이어를 구동하기 위한 구동 샤프트에 의해 상기 스크류 컨베이어와 기능적으로 연결된다. 바람직하게는, 압출기 속도는 압출기의 출구 압력이 기어 펌프의 적절한 충전(filling)을 유지하도록 특정 값에 도달하는 식으로 제어된다. 달리 말해: 제 1 기어 펌프의 입구 압력이 압출기 속도를 변화시킴으로써 가장 잘 제어될 수 있다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 스크류 컨베이어가 다수의 상이한 처리 영역들을 포함한다. 바람직하게는, 상기 스크류 컨베이어는 적어도 하나의 혼합 영역을 포함한다. 상기 스크류 컨베이어는 보다 바람직하게는 적어도 하나의 혼합 영역과 적어도 하나의 압력 형성 영역을 포함할 수 있다. 다수의 또는 상이한 처리 영역들을 달성하기에 적합한 기하학적 구조을 갖는 스크류 컨베이어들의 구조 및 디자인은 당업자에게 공지되어 있다.
바람직한 실시예에서, 장치는 연달아 위치된, 바람직하게는 유동 방향에 대해 실질적으로 직각인, 2개의 스크류 컨베이어들을 포함한다. 스크류 컨베이어들은 펌핑될 매체가 먼저 제 1 스크류 컨베이어를 통과하고 두번째로 제 2 스크류 컨베이어를 통과하도록 배치된다. 바람직하게는, 유동 방향에서 제 2 스크류 컨베이어는 적어도 하나의 압력 형성 영역을 포함한다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 제 2 스크류 컨베이어들 구동 토크는 제 1 구동 토크에 커플링된다. 보다 바람직하게는, 제 2 스크류 컨베이어는 기어 펌프의 구동 샤프트에 의해 작동되도록 적응된다.
바람직한 실시예에서, 장치는 유동 방향에 대해 적어도 하나의 스크류 컨베이어의 상류측에 위치되는 인젝터를 포함한다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 스크류 컨베이어는 냉각 수단을 추가로 포함한다. 보다 바람직하게는, 이러한 냉각 수단은 냉매 매체를 위한 덕트들에 의해 구현된다.
당업자는 상기 실시예들 모두가 본 발명에 따른 장치에서 단독으로 또는 조합된 방식으로 구현될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.
당업자는 상기 실시예들이 다른 각도들에서도(즉, 직각만이 아니라) 구현될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.
본 발명에 따른 장치는 매체를 운반 및 압출하기 위한 장치 내에서 사용될 수 있다. 이 장치는 다수의 블록들을 포함한다. 이는 매체를 압출하기 위한 다이 블록(die block)을 포함한다. 바람직하게는, 다이 블록은 다이를 포함한다. 다이 블록의 상류측에서, 장치는 혼합 블록을 포함한다. 혼합 블록은 상술한 바와 같은 장치를 포함한다. 특히, 이는 바람직한 실시예들 및/또는 상술한 측면들 중 임의의 하나 또는 조합으로 펌핑될 매체에 첨가제들을 혼합하기 위한 장치를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 장치는 혼합 블록의 하류측에 전달 블록(transfer block)을 추가로 포함한다. 이 블록은 다수의 혼합 블록으로부터의 생성물을 하나의 다이 블록에 보내어 공압출(coextrusion)을 가능하게 하도록 적응된 다수의 분배 블록들/채널들을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 장치는 상기 혼합 블록의 상류측에서 압출기 블록을 추가로 포함한다.
바람직하게는, 상술한 장치 및 그 바람직한 배치들은 매체에, 보다 바람직하게는 플라스틱에 물리적 발포제를 혼합하는데 사용된다. 특히, 고밀도 발포체들이 본 발명에 따른 장치를 사용하여 제조된다.
일례로서, 작업은 하기와 같을 수 있다: 매체, 바람직하게는 용융물이, 기어 펌프 하우징에서 편향되고, 2개의 컨베이어 스크류들을 포함하는 혼합 실린더에 편향 채널들에 의해 편향된다.
유동 방향에 대해, 편향 채널의 하류측에서, 물리적 또는 화학적 발포제가 분사된다. 컨베이어 스크류들의 혼합 영역들은 매체와 첨가제를 균질화한다. 제 1 컨베이어 스크류의 말단부에서, 편향 영역은 매체를 제 2 컨베이어 스크류로 편향시킨다. 제 2 컨베이어 스크류는 매체에 압력을 형성하고 및/또는 추가로 균질화시킨다.
컨베이어 스크류는 그 자체가 회전하는, 기어 펌프 샤프트의 연장(기능적 연결의 일례)으로 인해 회전한다. 기어 펌프 샤프트들 중 하나는 액츄에이터(actuator)에 의해 직접 작동되는 구동 샤프트이다. 이는 제 1 컨베이어 스크류에 구동 토크를 전달하고, 이는 기어 자체에 의해, 제 2 컨베이어 스크류로 연장하는 추가의 피동 샤프트와 함께 제 2 기어 부재를 작동시킨다. 상기 제 2 컨베이어 스크류는 상기 피동 샤프트에 의해 작동된다.
바람직한 실시예에서, 토크는 연결 볼트에 의해 전달된다. 연결 볼트는 바람직하게는 비틀림 강성을 갖지만 굽힘에 대해 유연하다.
본 발명은 현재 기술들에 의해 제공되지 않는 몇가지 장점들을 갖는다. 이 장점들은 하기와 같이 요약될 수 있다:
- 본 발명은 첨가 및 혼합 단계로부터 공정의 압출 단계를 분리한다.
- 본 발명은 가능한 가장 마지막 하류측 지점에서 첨가제들을 첨가하여 정화 시간을 최소화하면서 적절한 혼합을 얻는다.
- 본 발명은 압출기 배럴을 수정하지 않고 압출기를 작동시킬 수 있게 한다.
- 본 발명은 휘발성 첨가제들(예를 들어, 기포제들)이 도입되더라도, 능동 통기 시스템을 갖는 압출기와 함께 작동할 수 있게 한다.
- 본 발명은 최적화된 스크류를 설계, 제조 및 설치할 필요없이 첨가제 흐름의 적절한 도입 및 혼합을 허용한다.
- 본 발명은 주 흐름(예를 들어, 압출기로부터 오는)과 첨가제 흐름이 원하는 온도로 능동적으로 가열되거나 냉각될 수 있게 한다.
- 본 발명은 주 흐름과 첨가제 흐름이 최소의 압력 손실로, 혼합, 가열 또는 냉각될 수 있게 한다.
- 본 발명은 작동 성능을 바꾸지 않고 기존의 설정과 간섭하지 않고 최소의 추가 바닥 면적 요구조건으로 대부분의 기존 압출 시스템들에 설치될 수 있다.
- 본 발명은 압출 시스템들뿐만 아니라, 램(ram) 또는 피스톤 타입 시스템들에도 적용될 수 있다.
본 발명 및 추가 실시예들은 이에 제한되지 않고 하기의 도면들 및 특정예들에서 추가로 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑될 매체에 첨가제들을 혼합시키기 위한 장치의 개략 단면도.
도 2는 부재들 중 일부가 보다 명확함을 위해 생략된, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략 3차원도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 스크류와 기어 펌프 샤프트 및 그 수단의 개략 등각도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 사용되는 컨베이어 스크류의 개략 등각도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 포함하는 장치의 개략도.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 포함하는 대안적인 장치의 도면.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 포함하는 대안적인 장치의 도면.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 포함하는 대안적인 장치의 도면.
도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 포함하는 대안적인 장치의 도면.
도 7은 매체 유동 방향을 추가로 예시하는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략 등각도.
도 1은 펌핑될 매체에 첨가제들을 혼합하기 위한 장치(1)의 도면이다. 장치(1)는 예를 들어, 혼합 블록으로서 전형적인 압출 라인에 구현될 수 있다. 장치(1)는 3개의 하위-블록들로 추가로 분할될 수 있다. 기어 블록은 기어 펌프(2)를 수용한다. 인젝터 블록은 인젝터(5)를 포함하고 혼합 블록은 2개의 혼합 스크류들(6, 7)을 포함한다. 장치(1)는 개략 단면도로 도시되어 있다.
작동 중에, 펌핑될 매체는 단면의 평면에 대해 직각인 각도로부터 단면의 평면에 들어간다. 기어 펌프(2)는 변위에 의해 펌핑될 재료를 전송한다. 기어 펌프는 기어 펌프(2)의 2개의 기어들 중 하나를 통해 연장하는 구동 샤프트(3)에 의해 기어 펌프(2)를 작동시키는 액츄에이터(도시않음)에 의해 작동된다. 구동 샤프트(3)의 구동 토크는 구동 샤프트(3)와 컨베이어 스크류(7)의 연결에 의해 컨베이어 스크류(7)에 전달된다. 구동 샤프트(3)에 의해 작동되는 기어는 그것의 톱니(cog)들에 의해 기어 펌프(2)의 제 2 기어에 그것의 구동 토크를 추가로 전달하며, 그럼으로써 비-구동 또는 피동 샤프트(4)인, 제 2 샤프트(4)에 대한 구동 토크(M1´)가 된다. 상기 비-구동 샤프트(4)는 컨베이어 스크류(6)와 연결되어, 상기 컨베이어 스크류(6)에 구동 토크(M1´)를 전달하여 구동 토크(M2´)가 되게 한다. 펌핑될 매체는 배플(baffle)들 및/또는 편향 영역들(본 도면에 도시않음)에 의해 전달된다. 기어 펌프(2)의 하류측에서, 인젝터(5)가 펌핑될 매체에 예를 들어, 이산화탄소 또는 질소와 같은, 유체 첨가제를 분사한다. 컨베이어 스크류(6)는 펌핑될 매체, 대부분 플라스틱 용융물과 첨가제의 혼합물을 동적으로 혼합시키고 및/또는 균질화시킨다. 유체 분사와 다르게는 또는 부가적으로, 인젝터(5)는 예를 들어, 점도 증강제, 난연제, 냉매 및/또는 색소, 가교제, 가소제, 건조제 및/또는 충전제와 같은, 일반적으로 사용되는 첨가제를 도입하도록 적응될 수 있다. 다수의 첨가제 및/또는 첨가제들의 조합의 분사도 고려될 수 있다. 제 1 컨베이어 스크류(6)의 단부에서 배플 또는 편향 영역은 상기 매체를 제 2 컨베이어 스크류(7)에 다시 보내고, 여기서 매체가 추가로 균질화되고 및/또는 혼합된다. 당업자가 도면으로부터 쉽게 유추할 수 있듯이, 컨베이어 스크류들은 기능 영역들을 구비할 수 있고 필요에 따라 공정에 추가되는 스크류 기하학적 구조를 갖는다. 대부분은 예시된 바와 같은 제 2 컨베이어 스크류(7)가 혼합/균질 영역들에 부가하여 추가 압력 형성 영역을 구비한다. 이는 매체가 너무 큰 압력을 잃지 않고 혼합 블록을 통과함을 보장한다. 압력은 고밀도 발포체들의 압출에 대해 중요한 매개변수이며, 예를 들어, 발포제들인 이산화탄소와 함께 고밀도 발포체들을 위한 최신식 압출기들은 도구 노즐에서 100bar의 압력차(PD)로 대부분 전형적으로 작동한다. 본 발명은 150bar 이상의 도구 노즐에서의 압력차를 가능하게 한다. 컨베이어 스크류들은 발포제의 분사측에서 약 200bar의 압력을 유지한다.
따라서 기어 펌프는 스크류에 새로운 매체를 연속적으로 펌핑하여 매체의 압력을 증가시키는데 사용될 수 있다. 컨베이어 스크류(6, 7) 혼합 영역들에서 압력 손실은 제품 유동 방향에서 제 2 컨베이어 스크류(7) 상의 부가적인 압력 형성 영역에 의해 보상될 수 있다.
고밀도 발포체의 분야에서 본 발명을 실시하면, 전달/공급-블록으로 혼합 블록을 나가는 매체에 대해 200bar의 압력이 달성될 수 있다.
혼합 하위-블록을 냉각하기 위해, 액체 냉각이 포함될 수 있다. 냉각 덕트(10)는 냉매 매체를 위해 제공된다. 두 하위-블록들(도시않음) 모두에서 최적 냉각을 달성하기 위해 기어 펌프와 컨베이어 스크류들을 개별적으로 냉각하는 것도 고려될 수 있다.
도 2는 장치(1) 혼합 블록의 개략 외부도를 도시한다. 장치는 혼합 블록의 3개의 하위-블록들을 보인다. 펌핑될 매체는 지시된 화살표의 방향으로 혼합 블록에 들어간다. 기어 펌프 하우징(30)은 혼합 하우징(32) 내로 매체를 펌핑하고, 여기서 컨베이어 스크류들의 상술한 배치가 인젝터 블록(31)에 의해 분사되는 첨가제와 매체를 혼합하고 균질화시킨다. 이 도면은 액츄에이터와 연결될 수 있는 구동 샤프트(3)의 연장과 냉각 다킷(docket)들(10)을 추가로 도시한다.
도 3은 샤프트(3)와 컨베이어 스크류(7)의 개략 등각도이다. 구동 샤프트(3)는 펌핑 기어 톱니(15)와 액츄에이터 톱니(16)로 나뉠 수 있다. 액츄에이터 톱니(16)의 반대쪽의, 말단부에서, 샤프트(3)가 스크류 단부를 구비하고, 여기에 연결 볼(connection bowl)(14)이 끼워질 수 있다. 연결 볼(14)은 컨베이어 스크류(7)의 래비린스 밀봉(labyrinth seal)(13)에 끼워진다. 고정 핀(17)이 컨베이어 스크류(7)와 구동 샤프트(3) 간의 연결을 고정한다. 컨베이어 스크류(7)는 압력 형성 영역(12)과 균질화 영역(11)으로 추가로 나뉜다.
도 4는 블리스터 링(blister ring)을 포함하는 운반 부재(18´)와 균질화 영역(18)을 포함하는 컨베이어 스크류(7)에 대한 대안적인 설정을 보인다.
도 5는 압출 공정의 개략도이다. 압출기(21)는 구동 토크(MX)의 도움으로 펌핑될 매체를 혼합 블록(24) 내로 펌핑한다. 펌핑될 매체는 A1에서 기어(2, 2')에 들어가고 A2에서 변위에 의해 컨베이어 스크류(6) 내로 펌핑되며, 여기서 첨가제와 함께 분사된다. 편향 배플은 A3에서 제 2 컨베이어 스크류(7) 내로 매체를 편향시키고, 매체를 기어 펌프 하우징으로 다시 보내고 이로부터 공급 블록과 압출 다이 노즐(23) 내로 보낸다.
기어 코크(gear cock)(2´)를 회전시켜 기어 펌프(2)를 작동시키는 샤프트(3)는 코크(2´)에 의해 코크(2)로 전달되어 구동토크(M1´)가 되는 구동 토크(M1)를 갖는다. 기어 펌프의 구동 토크들(M1, M1´)은 컨베이어 스크류들의 구동 토크(M2, M2´)와 커플링된다.
도 6a는 도 5의 설정에 대한 대안적인 디자인을 보인다. 도 6a는 압출기가 먼저 기어 펌프의 비-구동 기어(2´)를 공급하고 그로부터 컨베이어 스크류(6)에 공급한다는 점에서 상이하다. 편향 영역(A3)은 매체를 제 2 컨베이어 스크류(7)로 제 2 기어 펌프(A4)의 작동에 의해 다시 상기 제 2 기어 펌프로 그리고 그로부터 공급 블록(22)과 압출 노즐(23) 내로 편향시킨다. 본 실시예의 혼합 블록(24)은 개별적인 구동 샤프트를 각각 갖는, 2개의 별개의 기어 펌프들을 갖는다. 제 1 기어 펌프는 컨베이어 스크류(6)와 구동 토크(M1)를 커플링하고, 제 2 기어 펌프는 컨베이어 스크류(7)와 독립적인 구동 토크(M2)를 커플링한다.
도 6b는 압출기가 컨베이어 스크류(6) 내에 직접 공급한다는 점에서 도 5와 상이하다. 인젝터(5)는 압출기(21)로부터 하류측에 있다. 제 2 컨베이어 스크류(7)는 압력 형성을 위해 기어 펌프(2´/ 2)에 공급하고 이로부터 압출 도구 내로 공급한다.
구동 샤프트(3)의 구동 토크(M1)는 기어 펌프 톱니 시스템에 의해 기어(2)에 먼저 전달되고 그로부터 컨베이어 스크류(7)와 커플링된 비-구동 샤프트(4)에 전달되어 커플링된 구동 토크(M2)가 된다.
도 6c는 도 5의 설정에 대한 추가적인 대안적 실시예를 도시한다. 압출기(21)는 기어 펌프(2, 2´)에 먼저 공급한다. 기어 펌프의 하류측에서 펌핑될 매체에 첨가제가 추가된다. 컨베이어 스크류는 제 2 기어 펌프(2, 2´)에 공급하고, 이는 다시 제 2 컨베이어 스크류(7)에 공급한다. 두 컨베이어 스크류들은 기어 펌프(2´)의 구동 샤프트의 구동 토크에 커플링된 구동 토크(M2)를 갖는다.
도 6d는 도 5의 설정에 대한 대안적인 실시예를 도시한다. 압출기(21)는 제 1 혼합 스크류(6)에 공급한다. 압출기의 하류측에서, 인젝터(5)의 분사가 이루어진다. 제 1 혼합 스크류(6)는 기어 펌프(2/2´)에 공급하고 기어 펌프는 제 2 혼합 스크류(7)에 공급하며, 이는 압력을 형성하고 압출 도구에 직접 공급한다.
장치의 편향 영역과 다양한 하위-블록들에 대한 샘플 설정을 도 7에서 볼 수 있다. 장치(1)는 크게 펌핑 하위-블록(30), 2개의 혼합 스크류(31, 32)들을 포함하는 혼합 하위-블록으로 나눠질 수 있다(본 도면은 스크류들을 둘러싸는 상태로 외측을 보인다). 편향 영역(33)은 매체가 하나의 부재로부터 다른 부재를 통과함을 보장한다. 분사 블록(5)은 매체 내로 첨가제들을 분사하는 것을 담당한다.
본 명세서에서 제공된 장치로, 매체와 첨가제들의 동적 혼합이 가능해지며, 이는 동적 혼합을 통한 압력 손실을 방지한다. 또한 이 장치는 공간 및 비용 효과적인 방식으로 설치될 수 있다. 가변적인 기하학적 구조로 컨베이어 스크류들을 제공할 수 있는 가능성은 당업자가 매체와 첨가제의 조합에서 다양한 필요에 대해 전문적인 도구를 가질 수 있게 한다.

Claims (13)

  1. 펌핑될 매체에 첨가제들을 혼합시키기 위한 장치(1)로서,
    펌핑될 매체를 펌핑하기 위한 적어도 하나의 기어 펌프(2)로서, 상기 기어 펌프(2)는 제 1 구동 토크를 갖는 적어도 하나의 샤프트(3)를 포함하는, 상기 기어 펌프;
    펌핑될 매체에 첨가제들을 도입하기 위한 적어도 하나의 인젝터(5);
    상기 펌핑될 매체와 상기 첨가제들을 혼합시키기 위한 적어도 하나의 스크류 컨베이어(6)로서, 상기 스크류 컨베이어는 제 2 구동 토크를 갖는, 상기 적어도 하나의 스크류 컨베이어를 포함하며,
    상기 샤프트(3)와 상기 스크류 컨베이어(6)는 제 1 구동 토크와 제 2 구동 토크가 커플링되도록 기능적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 샤프트(3) 중 적어도 하나는 구동 샤프트인 장치(1).
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기어 펌프(2)의 상기 적어도 하나의 샤프트(3)는 구동 샤프트로서 작동하도록 적응되며, 상기 기어 펌프(2)는 피동 샤프트로서 작동하도록 적응된 제 2 샤프트(4)를 포함하는 장치(1).
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 구동 토크를 갖는 제 2 스크류 컨베이어(7)를 포함하는 장치(1).
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스크류 컨베이어(6)는 상기 기어 펌프(2)의 구동 샤프트인 상기 적어도 하나의 샤프트(3)와 기능적으로 연결되고, 상기 제 2 스크류 컨베이어(7)는 피동 샤프트인 제 2 샤프트(4)와 기능적으로 연결되는 장치(1).
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 펌핑될 매체에 유체 첨가제들을 혼합시키도록 적응된 장치(1).
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 제 2 기어 펌프(2´)를 더 포함하며,
    각각의 기어 펌프(2, 2´)는 스크류 컨베이어(6, 7)와 기능적으로 연결되고, 바람직하게는 상기 각각의 스크류 컨베이어(6, 7)를 구동하기 위한 구동 샤프트에 의해 기능적으로 연결되는 장치(1).
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스크류 컨베이어(6, 7)는 적어도 하나의 혼합 영역과 적어도 하나의 압력 형성 영역을 포함하는 장치(1).
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(1)는 상기 펌핑될 매체가 먼저 제 1 스크류 컨베이어(6)를 통과하고 그 다음에 제 2 스크류 컨베이어(7)를 통과하도록 유동 방향(A)에서 연달아 위치되는 2개의 스크류 컨베이어들(6, 7)을 포함하고, 바람직하게는 상기 유동 방향(A)에서 상기 제 2 스크류 컨베이어(7)는 압력 형성 영역을 포함하는 장치(1).
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 스크류 컨베이어(7)의 구동 토크는 상기 제 1 구동 토크에 커플링되고, 바람직하게는 상기 제 2 스크류 컨베이어(7)는 상기 기어 펌프(2)의 상기 적어도 하나의 구동 샤프트(3)에 의해 작동되도록 적응된 장치(1).
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터(5)는 상기 적어도 하나의 스크류 컨베이어(6)의 상류측에 위치되는 장치(1).
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기어 펌프(2) 및/또는 상기 적어도 하나의 스크류 컨베이어(6)는 냉각 수단(10)을 더 포함하고, 이는 바람직하게는 냉매 매체를 위한 덕트(10)들을 포함하는 장치(1).
  13. 청구항 1 내지 청구항 120 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크류 컨베이어는 발포제의 분사에 적합한 200bar의 압력을 유지하는 장치(1).
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