SK288515B6 - Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou - Google Patents

Abstract

Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou obsahuje rotujúcu kužeľovú hlavu (2), ktorá spolu s kužeľovým koncom (1) závitovky (4) vytvára zužujúci sa medzikužeľový priestor (23) nasmerovaný k dýze (3) umiestnenej v osi rotácie rotujúcej kužeľovej hlavy (2). Pritom kužeľový koniec (1) závitovky (4) má sústavu striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok (24) a krátkych drážok (25) a vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy (2) má sústavu striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok (24), krátkych drážok (25) a dlhých drážok (26). Rotujúca kužeľová hlava (2) s vonkajším ozubením je uložená na konci puzdra (9) závitovky s ložiskom (7) v ložiskovom domčeku (8) hlavy. Do vonkajšieho ozubenia rotujúcej kužeľovej hlavy (2) je cez ozubené koleso (12) pripojený druhý snímač (11) krútiaceho momentu, ktorý je spojený s motorom (10) na pohon rotujúcej kužeľovej hlavy (2). K výstupu rotujúcej kužeľovej hlavy (2) je pripojená dýza (3). Frekvencia otáčania rotujúcej kužeľovej hlavy (2) je nezávislá od frekvencie otáčania závitovky (4). Kužeľový koniec (1) závitovky (4) a vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy (2) majú rozdielne kužeľovitosti. Kužeľový koniec (1) závitovky (4) je od vnútorného čela rotujúcej kužeľovej hlavy (2) vzdialený o parameter (L).

Description

Vynález sa týka konštrukcie axiálneho extrudéra s rotujúcou hlavou, kde špeciálna konštrukcia extrudéra s deformačným prvkom v zóne prechodu z puzdra do dýzy extrudéra má uplatnenie pri vytláčaní materiálov s problematickými reologickými vlastnosťami a v prípadoch, kedy pridávanie aditív (hlavne v čistých farmaceutických produktoch) na účely ich zlepšenia spôsobuje nežiaduce prímesy, zníženie kvality produktu, alebo zvyšuje jeho cenu, alebo ak iné, klasické spôsoby extrúzie nie sú použiteľné. Vynález spadá do oblasti z rôznych oblastí priemyslu, hlavne potravinárskeho, chemického, farmaceutického, ale aj do oblasti technológií spracovania recyklovaných materiálov/odpadov a spracovania plastov.

Doterajší stav techniky

Pasty sú látky vytvorené zo zmesi práškového materiálu a kvapaliny. Tieto dve zložky sú zmiešané v takom pomere, aby vytvorili disperznú sústavu, schopnú pod vplyvom vonkajšieho silového účinku (napr. tlaku) tiecť otvormi v priehradke s rôznou geometriou. Aby sa dosiahol požadovaný tvar produktu, disperzné sústavy v stave pasty sa v podstatnej väčšine spracovávajú extrúziou, t. j. vytláčaním cez matrice rôznych profilov, ktoré majú finálny tvar zodpovedajúci tvaru výrobku. Priebeh samotného procesu vytláčania a kvalita produktu sú ovplyvnené reologickými vlastnosťami pasty. Tieto, spolu s geometriou otvorov dýzy, sú určujúcim parametrom pre veľkosť extrúzneho tlaku. Jedným z najdôležitejších parametrov dýzy je pomer celkovej plochy dýzy k ploche otvoru alebo otvorov, cez ktoré je pasta vytláčaná. Reologické vlastnosti pást výrazne vplývajú na veľkosť extrúzneho tlaku. Pasty majú prevažne charakter nenewtonských, viacfázových tekutín, ktorých reologické vlastnosti závisia v prvom rade od objemu kvapaliny v paste a tiež od rýchlosti šmykovej deformácie. Rýchlosť šmykovej deformácie a tomu zodpovedajúce šmykové namáhanie v materiáli je súbor parametrov, ktorý opisuje reologické vlastnosti pasty. Tieto parametre sa zobrazujú v grafoch, reogramoch, z ktorých je možné určiť viskozitu pasty (v prípade newtonských kvapalín), alebo zdanlivú viskozitu (v prípade nenewtonských kvapalín).

Na to, aby bolo možné vytlačiť pastu s určitými reologickými vlastnosťami cez dýzu s konkrétnym voľným prierezom priehradky, je potrebné pôsobiť na pastu silovým účinkom, ktorý vyvolá potrebný extrúzny tlak. Tento môže byť vyvodený napr. priamočiarym pohybom piesta, alebo otáčaním závitovky, ktoré sa nachádzajú v puzdre, na konci ktorého je nainštalovaná dýza, resp. priehradka s tvarovanými alebo hladkými otvormi. Kritickým miestom každého extrudéra je práve táto oblasť, teda miesto, kde končí puzdro piesta alebo závitovky a je umiestnená dýza. Voľný prierez dýzy je vždy menší ako voľný prierez puzdra. Je to z dôvodu požiadavky na rovnomerné rozloženie tlaku v priečnom priereze. Dýza má takmer vždy profilovaný otvor, ktorého tvar zodpovedá požadovanému tvaru výrobku. Toto má za následok vznik rozdielu voľných prierezov a vytvorenie zón, kde pasta neprúdi. Redukcia voľného prierezu pri prechode z puzdra do dýzy je dôležitá tiež z dôvodu potreby vzniku odporu proti toku pasty, ktorý zabezpečuje vyvolanie extrúzneho tlaku. Extrúzny tlak má okrem funkcie vytláčania pasty s vhodnými reologickými vlastnosťami cez voľný prierez dýzy aj tzv. konsolidáciu pasty. Konsolidácia pasty je pomerne zložitý jav, opisovaný mechanikou partikulárnych látok. Jej princíp spočíva v stláčaní skeletu, tvoreného zrnami partikulárnej látky (prášku) pod vplyvom extrúzneho tlaku. Tento skelet pozostáva zo zŕn, častíc, ktoré sú vo vzájomnom náhodnom kontakte. Medzi takto usporiadanými časticami sa nachádza voľný priestor, nazývaný póry. Stláčanie skeletu pokračuje dovtedy, pokiaľ nenastane rovnováha medzi mechanickou pevnosťou, resp. poddajnosťou, zrnitého skeletu a pôsobiacim extrúznym tlakom. Samotný jav je však značne zložitejší, pretože v póroch sa nachádza kvapalina, ktorá spolu s časticami vytvára dvojzložkový systém tuhá fáza - kvapalina. Ako sa pri stláčaní skeletu vplyvom extrúzneho tlaku zmenšuje pórovitosť, kvapalina viac vypĺňa tieto póry, teda sa zvyšuje saturácia pasty. Ak hodnota saturácie presiahne hodnom S = 1, vplyvom tlaku nastáva vytláčanie prebytočného objemu kvapaliny a odvodnenie pasty. Je to jav, kedy sú póry zaplnené kvapalinou a zrnitý skelet sa vplyvom extrúzneho tlaku ďalej stláča, prebytočná kvapalina preteká jeho pórmi a vyteká cez dýzu extrudéra mimo zariadenia. Tento jav sa nazýva migrácia kvapalnej fázy a je charakterizovaný ako premiestňovanie kvapalnej fázy v póroch zrnitého skeletu v smere najmenšieho odporu. Uvedený jav je nežiaduci, lebo spôsobuje zníženie obsahu kvapaliny v póroch, čo má za následok zmenu jej Teologických vlastností a enormný nárast extrúzneho tlaku. Tento tlak môže v kritických prípadoch dosiahnuť až také vysoké hodnoty, že vplyvom zastavenia extrúzneho procesu pri upchatí dýzy dôjde k odstaveniu alebo havárii zariadenia. Hlavnou príčinou migrácie kvapaliny a zmeny extrúzneho tlakuje práve statická oblasť pracovnej zóny extrudéra, teda priestoru, kde končí puzdro a začína vytláčacia dýza. Pretože sa v tejto oblasti mení geometria pracovného priestoru extrudéra, pasta musí, v súlade s rovnicou kontinuity, zmeniť rýchlosť a smer prúdenia. V súlade s reogramom pasty a pri jej vlastnostiach nenewtonskej kvapaliny môže mať toto za následok, že buď sa v tejto oblasti vytvorí statická zóna, mení sa tak prierez a geometria prechodovej zóny, čo je viac-menej štandardný jav pri dobre pracujúcich extrudéroch. Alebo nastane situácia, kedy z dôvodu nevhodných Teologických vlastnos2 tí pasty a príliš veľkej redukcie pomeru voľných prierezov puzdra a dýzy dôjde ku kritickému nárastu tlaku v tejto oblasti, čo má za následok už spomínanú migráciu kvapalnej fázy s kritickou zmenou Teologických vlastností pasty a následným prerušením extrúzie, resp. havárie zariadenia. Tento nepriaznivý jav sa dá eliminovať viacerými spôsobmi. Najčastejšie sa upravujú reologické vlastnosti spracovávaných pást tak, aby ich bolo možné vytláčať na použitom type extrudéra. Tento spôsob často naráža na problémy spojené s výberom vhodného aditíva, lubrikačnej látky, ktorej hlavnou úlohou je v paste obmedzovať migráciu kvapaliny, znižovať medzičasticové trenie a tak pozitívne ovplyvňovať reologické vlastnosti pasty pri jej prechode jednotlivými časťami extrudéra, hlavne zónou medzi koncom puzdra a vstupom do matrice a tokom cez otvory matrice. Problém spočíva v tom, že aditívum je látka, ktorá vo finálnom výrobku z hľadiska zloženia spracovávanej sústavy nie je žiaduca a má iba funkciu zlepšenia Teologických vlastností. Jej prítomnosť môže preto často negatívne vplývať na kvalitu finálneho produktu a zvyšuje cenu výrobku. Preto je snahou jej prítomnosť v paste znížiť na minimum, alebo ju priamo vylúčiť výberom vhodného typu. Toto však často naráža na neprekonateľný problém, ktorý spočíva v pomerne úzkom spektre použiteľných typov extrudérov, odlišujúcich sa principiálne svojou konštrukciou a realizáciou procesu vytláčania.

Zo stavu techniky je známy piestový extrudér, ktorého základný princíp extrúzie je založený na vytláčaní pasty piestom valcového tvaru, ktorý je pohyblivo uložený v puzdre, na konci ktorého sa nachádza dýza. Výhodou tohto typu je konštrukčne jednoduchý princíp zariadenia. Pre pasty s vhodnými Teologickými vlastnosťami umožňuje bezproblémové vytláčanie cez dýzy rôznych profilov a dĺžok. Veľkou výhodou je rovnomerné rozloženie tlaku pred čelom piesta a vznik tzv. piestového toku, ktorý zabraňuje toku pasty v radiálnom alebo tangenciálnom smere, ale to len po oblasť vzniku statickej zóny, kde sa okrem axiálneho prúdenia pridáva aj radiálne prúdenie. Ak je teda pasta vhodne pripravená v miešači a homogenizéri, má homogénnu štruktúru v celom svojom objeme, pri piestovom extrudéri nenastáva, alebo len v obmedzenej miere, narušenie jej homogenity v priečnom priereze.

Nevýhodou je, že zariadenie spravidla nemôže pracovať v kontinuálnom režime, lebo po prechode piesta smerom od násypky k dýze sa objem vyprázdni a piest sa musí vrátiť do východiskovej polohy za násypkou. Ak je potrebné počas extrúzie zabezpečiť aj premiešavanie pasty, napr. z dôvodu pridávanie aditíva, nie je to možné uskutočniť práve z dôvodu piestového toku. Tento tiež spôsobuje, že v oblasti prechodu pasty z puzdra do dýzy je pasta stláčaná prevažne normálovými napätiami, pričom reologické vlastnosti sú ovplyvňované hlavne prítomnosťou šmykových napätí, ktoré významne ovplyvňujú reologické vlastnosti pasty. Ak tieto nie sú dostatočne generované, pasta je stlačená iba pod vplyvom normálových napätí, čo spôsobuje únik kvapalnej fázy a kritickú zmenu Teologických vlastností, ktoré spôsobia zastavenie extrúzie, resp. odstavenie alebo haváriu zariadenia.

Základný princíp extrúzie závitovkového extrudéra je založený na vytláčaní pasty jednou alebo viacerými závitovkami, ktoré sú uložené vo valcovom puzdre, na konci ktorého sa nachádza dýza alebo matrica. Výhodou je, že zariadenie môže pracovať v kontinuálnom režime. Pasta je plnená trvalé cez násypku, pričom závitovka pastu dopravuje smerom k dýze. Závitovka sa otáča a jej tvar spôsobuje, že pasta je dopravovaná smerom k dýze, okrem toho sa pasta otáča okolo osi závitovky rýchlosťou odlišnou od rýchlosti otáčania závitovky v dôsledku trenia o stenu puzdra a povrch závitovky. Práve toto trenie spôsobuje premiešavanie pasty a jej kompresiu v závitovke. Preto je možné využívať závitovku aj na homogenizáciu aditív pridávaných do extrudéra počas vytláčania. Ďalšou výhodou je skutočnosť, že extrúzny tlak vyvodený závitovkou na jej konci vtláča pastu do dýzy normálovým napätím, ale rotačný pohyb závitovky spôsobuje v paste vznik šmykových napätí (v porovnaní s piestovým extrudérom), čo má pozitívny vplyv na reologické vlastnosti pasty a samotný proces extrúzie. Pomer medzi normálovými a šmykovými napätiami v paste zodpovedá geometrii závitovky. Zvyšovaním frekvencie otáčania závitovky sa síce zvyšuje aj šmykové namáhanie pasty, čo je pozitívne z hľadiska zlepšenia jej Teologických vlastností, ale zároveň narastá aj množstvo vytláčaného materiálu a s ním aj extrúzny tlak, teda aj normálové napätie, spôsobujúce stláčanie pasty a s tým spojené negatívne javy, ako je únik kvapalnej fázy.

Nevýhodou tohto typu zariadenia je skutočnosť, že prítomnosť premiešavania môže pri niektorých typoch materiálov spôsobovať nehomogenitu pasty. V prípade silne adhéznych materiálov sa tento zvykne nalepiť na závitovku a začne sa otáčať spolu s ňou, čo spôsobí zastavenie procesu extrúzie. Tento problém sa môže primerane vyriešiť dvojzávitovkovými extrudérmi. Ďalšou nevýhodou je skutočnosť, že v prípade potreby zvýšenia výkonu extrudéra sa toto realizuje zvýšením frekvencie otáčania závitovky, teda zväčšením množstva dopravovaného materiálu. To má však za následok nárast extrúzneho tlaku. Je to dôsledok pomeru medzi normálovými a šmykovými napätiami v paste, kedy v dôsledku zvýšenia dopravovaného množstva narastie normálové napätie, pričom nárast šmykového napätie nie je tak výrazný a je ovplyvnený hlavne zvýšením frekvencie otáčania závitovky. Konštrukcia klasických extrudérov neumožňuje zníženie tohto tlaku na optimálnu hodnotu inak ako zmenou Teologických vlastností pasty, čo je väčšinou pridaním väčšieho objemu kvapaliny, alebo zväčšením voľného prierezu dýzy. Tieto dva spôsoby však nie sú vhodné z hľadiska finálnych vlastností produktu a vytlačený extrudát býva tvarovo nestabilný.

Princíp činnosti závitovkového extrudéra s dýzou v tvare kupoly je založený na vytláčaní pasty závitovkou so špeciálne upraveným koncom závitovky v tvare lopatky cez matricu v tvarovanej dýze, napr. v tvare pologule. Úprava konca závitovky spočíva v tom, že na jej konci sú umiestnené lopatky, ktoré pri pohybe kopírujú vnútorný povrch matrice. Najväčšie množstvo extrudátu je vytláčané v blízkosti hrany lopatky. Hlavná výhoda tohto riešenia spočíva v špeciálne upravenom konci závitovky, ktorý má tvar lopatiek, pohybujúcich sa po vnútornom povrchu matrice. Toto riešenie umožňuje vyvolať v paste výrazné šmykové namáhanie tesne pri vnútornom povrchu matrice, ktoré je spôsobené práve lopatkovitým ukončením závitovky. Takže samotná závitovka dopravuje pastu do pologuľovitej hlavy extrudéra, stláčajú a lopatky ju potom pretierajú cez matricu. V samotnom procese sa to prejaví tak, že klesne potrebný extrúzny tlak a obmedzia sa neželané javy pri extrúzii, ktoré sa objavujú v prípade vyšších extrúzny ch tlakov v štandardných zariadeniach.

Nevýhodou je skutočnosť, že lopatka, resp. lopatky umiestnené na konci závitovky sa otáčajú spolu s ňou rovnakou frekvenciou otáčania. Toto riešenie neumožňuje súčasnú reguláciu vytláčaného množstva pasty a extrúzneho tlaku. Regulácia tlaku je možná jedine zmenou vlhkosti spracovávanej pasty.

Zo stavu techniky známy radiálny extrudér má matricu v tvare valca, po povrchu ktorej sa pohybuje niekoľko lopatiek, ktoré sú proti vnútornému povrchu sklonené pod určitým uhlom. Medzi matricou a lopatkou sa vytvára zužujúca sa klinová medzera. V nej je vplyvom trenia o povrch matrice a lopatky pasta stláčaná. Keď sa dosiahne potrebný extrúzny tlak, pasta začne pretekať otvormi v matrici a tak vzniká extrudát s tvarom zodpovedajúcim tvaru otvorov v matrici. Výhodou tohto typu zariadenia je skutočnosť, že tvar lopatiek spolu s matricou vytvárajú zužujúcu sa klinovú medzeru, v ktorej je pasta stláčaná a zároveň aj intenzívne namáhaná šmykovými napätiami, ktoré sú z pohľadu Teologických vlastností pasty a samotného procesu extrúzie najvýznamnejšie. Toto riešenie umožňuje veľmi efektívny prechod pasty z komory extrudéra do otvorov matrice.

Nevýhodou je fakt, že nakoľko komora extrudéra nie je uzatvorená, nie je možné vytvoriť v extrudéri iný tlak, ako je atmosférický. Pretláčanie pasty sa uskutočňuje jedine pod vplyvom tlaku vytvoreného v zužujúcej sa klinovej medzere medzi lopatkou a matricou. Ak toto konštrukčné riešenie neumožní vyvodiť potrebný extrúzny tlak, pasta nebude schopná pretiecť cez otvory dýzy. Ďalšou nevýhodou je skutočnosť, že geometria matrice je väčšinou obmedzená na valcové otvory a pomerne tenké matrice, pre ktoré je vyvodený extrúzny tlak s nízkou hodnotou postačujúci.

Princíp jeho činnosti závitovkového radiálneho extrudéra spočíva v doprave pasty do hlavy pomocou závitovky alebo dvojice závitoviek. Na konci závitovky sú umiestnené lopatky, sklonené proti povrchu matrice. Tak vznikne medzi čelom lopatky a povrchom matrice s otvormi zužujúca sa klinová medzera. Pasta, ktorá je vplyvom silového účinku závitovky pod určitým tlakom, sa dostáva pod lopatky, kde vplyv závitovky preberajú lopatky. V tejto zužujúcej sa klinovej medzere sa výrazne mení napätostný stav. Pokiaľ v závitovke prevláda normálové napätie a šmykové napätie je menej výrazné a vzniká v dôsledku rozkladu síl od pôsobenia závitovky, v klinovej medzere vplyvom trenia o povrch matrice a lopatky, ale hlavne v dôsledku toku pasty smerom k otvorom v matrici a cez tieto otvory, klesá normálové napätie a začínajú prevládať šmykové napätia, čo má pozitívny vplyv na Teologické vlastnosti pasty. Výhodou je, že tento princíp je kombináciou extrudérov s dýzou v tvare kupole a radiálnym extrudérom. Závitovka vytvára potrebný extrúzny tlak, zabezpečuje výkon zariadenia, šikmé lopatky zasa zabezpečujú šmykové namáhanie pasty, čím pozitívne vplývajú na jej Teologické vlastnosti. Výsledkom je skutočnosť, že na extrúziu nie sú potrebné také vysoké tlaky, ako pri iných typoch zariadení.

Nevýhodou je opäť fakt, že lopatky sú umiestnené na konci závitovky, ich frekvencia otáčania je rovnaká ako frekvencia otáčania závitovky. To znamená, že lopatky môžu pretlačiť len toľko pasty, koľko dopraví závitovka. Tak môžu nastať dva prípady prevádzky výrazne odlišné od optimálnej prevádzky zariadenia. V prvom prípade ide o pastu s dobrými tokovými vlastnosťami, kedy pasta dopravená závitovkou ľahko prúdi otvormi v matrici, t. j. nie je potrebný veľký extrúzny tlak. Ak závitovka nestačí dopravovať pastu do hlavy, lopatky ju pretierajú cez matricu, pričom nie je zaplnená hlava extrudéra, v zariadení nie je dostatočný tlak, čo môže spôsobiť, že výsledný produkt za matricou nemá požadované vlastnosti. Opačná situácia nastane, ak sa vytláča pasta, ktorá má zlé tokové vlastnosti. Ak vtedy závitovka dopravuje rovnaké množstvo pasty ako v predchádzajúcom prípade, ale Teologické vlastnosti neumožňujú potrebný prietok otvormi matrice, hlava sa zapĺňa pastou, narastá extrúzny tlak, zvyčajne nastane únik kvapalnej fázy, zastavenie extrúzie a odstavenie alebo havária zariadenia.

Zo stavu techniky je najbližšie známe riešenie opísané v zverejnenom dokumente US 200391710 Al. Riešenie pozostáva zo statickej komory extrudéra a rotujúcej hlavy, pričom hlava sa otáča nezávisle od pravdepodobne závitovky alebo piesta extrudéra. Pričom ich vzájomná poloha vytvára zužujúci sa medzikužeľový priestor, ktorý je výstupom smerovaný k vonkajšiemu priemeru statickej komory extrudéra, t. j. smerovanie od osi rotácie, čím vytláčaný materiál nadobúda tvar plášťa valca rozrezávaného nožom. Týmto sa dosiahne, že vytláčaný materiál prúdi cez rozširujúci sa priestor a teda môže akoby expandovať. Toto riešenie je vhodné pre tzv. kontinuum, teda látky, ktoré držia ako celok spolu vďaka medzimolekulovým väzbám. Teda hmota je viaczložková a viacfázová, ale tvoriaca kontinuum, teda látku, kde nie je možné jednotlivé zložky jednoducho oddeliť, napr. vysušením a vytriedením. Toto zariadenia spôsobuje to, že takéto kontinuum je v zariadení homogenizované a v priestore kužeľovej hlavy a je expandované a formované.

Pre pretrvávajúce problémy s extrúziou vznikol priestor na vytvorenie takej konštrukcie extrudéra, ktorý by zabezpečil potrebnú napätosť, t. j. vhodný pomer medzi normálovými a šmykovými napätiami, ktoré musia byť vyvodené v paste, aby táto mohla tiecť celým extrudérom. Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisovaná konštrukcia axiálneho extrudéra s rotujúcou hlavou v predloženom vynáleze.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky sú odstránené konštrukciou axiálneho extrudéra s rotujúcou hlavou podľa tohto vynálezu. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou vychádza z konštrukcie, ktorá obsahuje puzdro závitovky s násypkou a pohon závitovky uložených na ráme spolu s ložiskovým domčekom, kde medzi rotujúcu kužeľovú hlavu a kužeľovým koncom závitovky je vytvorený zužujúci sa medzikužeľový priestor. Podstata vynálezu spočíva v tom, že zužujúci sa medzikužeľový priestor je nasmerovaný k dýze umiestnenej v osi rotácie rotujúcej kužeľovej hlavy. V zužujúcom sa medzikužeľovom priestore je pasta pod silným vplyvom pôsobenia šmykových napätí a to v dôsledku buď zužujúceho sa medzikužeľového priestoru, alebo aj vplyvom rozdielnej obvodovej šmykovej rýchlosti, vyplývajúcej z rôznej frekvencie otáčania závitovky s kužeľovým koncom a rotujúcej kužeľovej hlavy. Kužeľový koniec závitovky a aj vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy sú vybavené sústavou drážok. Pri kužeľovom konci závitovky je to napríklad sústava striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok a/alebo krátkych drážok. Taktiež vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy má sústavu striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok a/alebo krátkych drážok, a/alebo dlhých drážok. Drážky zabraňujú vzniku kvapalinového filmu medzi pastou a povrchom kužeľa a povrchom hlavy.

Jednotlivé diely zariadenia sú uložené na spoločnom ráme. Závitovka sa nachádza v puzdre s násypkou. Závitovka je rotačné uložená v ložiskovom domčeku. Je poháňaná motorom s možnosťou regulácie frekvencie otáčania. Motor je spojený spojkou s prvým snímačom krútiaceho momentu a frekvencie otáčania závitovky. Prvý snímač krútiaceho momentu a frekvencie otáčania závitovky je spojený so závitovkou prostredníctvom poistnej spojky, ktorá zabezpečuje ochranu zariadenia v prípade havarijných situácií. Závitovka je na druhom konci uložená v puzdre závitovky a je klzné podopretá v kríži. Závitovka je ukončená kužeľovým koncom s drážkovaním v axiálnom smere. Na konci puzdra závitovky sa nachádza ložiskový domček hlavy, v ktorom je ložisko. V ložisku je uložená kužeľová hlava s vnútornými drážkami v axiálnom smere a dýza. Na vonkajšej strane rotujúcej kužeľovej hlavy je umiestnené vonkajšie ozubenie, ktoré spolu s ozubeným kolesom umožňuje rotáciu kužeľovej hlavy okolo jej axiálnej osi. Ozubené koleso je uložené na hriadeli druhého snímača krútiaceho momentu, ktorý je spojený s motorom. Druhý snímač krútiaceho momentu umožňuje merať frekvenciu otáčania kužeľovej hlavy a zároveň aj veľkosť krútiaceho momentu potrebného na jej pohon. Motor umožňuje plynulú zmenu jeho frekvencie otáčania. Frekvencia otáčania rotujúcej kužeľovej hlavy je nezávislá od frekvencie otáčania závitovky. Meracia a regulačná jednotka zaznamenáva hodnoty frekvencie otáčania závitovky, veľkosť krútiaceho momentu potrebného na pohon závitovky, veľkosť krútiaceho momentu potrebného na pohon kužeľovej hlavy, frekvencie otáčania kužeľovej hlavy a extrúzny tlak v hlave, snímaný snímačom tlaku. O vzájomnej polohe kužeľového konca závitovky a kužeľovej hlavy vypovedá parameter „L“, ktorý je potrebné experimentálne nastaviť podľa rozmerov dýzy a charakteru pasty. Kužeľový koniec závitovky a vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy majú rozdielne kužeľovitosti.

Výhody konštrukcie axiálneho extrudéra s rotujúcou hlavou podľa vynálezu sú zjavné z jeho účinkov, ktorými sa prejavuje navonok. Podstatným znakom je konštrukčné riešenie hlavy extrudéra, ktoré umožní vniesť do pasty doplnkové šmykové napätia. Doplnkové šmykové napätia majú iný pôvod, ako takéto napätia vznikajúce pôsobením extrúzneho tlaku v dôsledku vzniku napätosti partikulárnej látky pri prechode zónou redukcie voľného prierezu. Doplnkové šmykové napätia vznikajú ako dôsledok doplnkovej napätosti, vyvodenej ďalším konštrukčným prvkom, ako je závitovka alebo piest extrudéra. Ak by sa napätosť v paste v zóne prechodu z puzdra do dýzy analyzovala ako rovinná, tak rovina hlavnej napätosti leží v osi zariadenia. Rovina doplnkovej napätosti je kolmá na túto rovinu. V obidvoch prípadoch je predmetom jej skúmania zóna prechodu z puzdra do dýzy. Ich výsledné pôsobenie sa dosiahne vektorovým spočítaním, čím vznikne priestorová napätosť, ako spolupôsobenie normálových a šmykových napätí od hlavného konštrukčného elementu, napr. závitovky a od doplnkového konštrukčného elementu, napr. lopatiek. Ak sú tieto dva elementy poháňané nezávisle, teda je možné ich frekvencie otáčania alebo rýchlosť regulovať nezávisle, dosiahne sa vysoká variabilita v možnostiach nastavenia pomerov medzi hlavnou a doplnkovou napätosťou. Ak sa navyše konštrukcia doplnkového deformačného elementu vhodne zvolí, tento element bude v prechodovej zóne do pasty vnášať prevažne šmykové napätia. Ak bude možné regulovať aj jeho rýchlosť, tak sa takto bude ovplyvňovať aj rýchlosť šmykovej deformácie pasty, čo sú podstatné parametre Teologických vlastností pasty. Prvoradou funkciou deformačného prvku je regulovať doplnkovú napätosť v paste, hlavne šmykové napätia, a taktiež regulovať rýchlosť šmykovej deformácie, čo sa v tomto prípade plne dosahuje. Dôsledok jeho pôsobenia sa prejavuje účinkom ovplyvňovania napätosti v paste v mieste redukcie prierezov medzi puzdrom a dýzou, pričom táto napätosť spôsobí zmenu Teologických vlastností pasty, čo sa v konečnom dôsledku prejavuje ako zmena extrúzneho tlaku pri zachovaní konštantného výkonu zariadenia. Tento deformačný prvok v plnej miere zabezpečuje zmenu charakteru prúdenia v zóne prechodu z puzdra do dýzy takým spôsobom, že sa zvyšuje rýchlosť šmykovej deformácie a šmykové napätia vložením energie z okolia okolo tejto zóny a to prostredníctvom rotácie deformačného prvku prostredníctvom motora.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Konštrukcia axiálneho extrudéra s rotujúcou hlavou podľa vynálezu bude bližšie objasnená na priložených výkresoch, kde na obrázku 1 je v bočnom pohľade zobrazené jeho optimálne riešenie. Na obrázku 2 je v hornom pohľade a čiastočnom reze zobrazené konštrukčná zostava. Na obrázku 3a je zobrazený detail kužeľového konca závitovky s pozdĺžnou priebežnou drážkou a krátkou drážkou. Na obrázku 3b je zobrazený detail kužeľovej hlavy s pozdĺžnou priebežnou drážkou dlhou drážkou a krátkou drážkou. Na obrázku 3c je zobrazená vzájomná poloha kužeľového konca závitovky a rotujúcej kužeľovej hlavy.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Jednotlivé uskutočnenia vynálezu sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenia technických riešení. Odborníci poznajúci stav techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam technického riešenia podľa vynálezu, ktoré sú tu špeciálne opísané. Aj takéto ekvivalenty budú spadať do rozsahu nasledujúcich patentových nárokov. Odborníkom poznajúcim stav techniky nemôže robiť problém dimenzovanie takého zariadenia a vhodná voľba jeho materiálov a konštrukčných usporiadaní, preto tieto znaky neboli detailne riešené.

Príklad

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísané optimálne konštrukčné riešenie axiálneho extrudéra s rotujúcou hlavou znázornené na priložených obrázkoch 1 a 2. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou podľa technického riešenia je riešený tak, že rotujúca kužeľová hlava 2 extrudéra spolu s kužeľovým koncom J_ závitovky 4 vytvára zužujúci sa medžikužeľový priestor 23. Zužujúci sa medzikužeľový priestor 23 je nasmerovaný k dýze 3 umiestnenej v osi rotácie rotujúcej kužeľovej hlavy 2. Kužeľový koniec J_ závitovky 4 je vybavený sústavou striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok 24 a krátkych drážok 25, ako je to znázornené na obrázku 3a. Taktiež vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy 2 má sústavu striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok 24, krátkych drážok 25 a dlhých drážok 26, ako je to znázornené na obrázku 3b. Jednotlivé diely zariadenia sú uložené na spoločnom ráme 18. Závitovka 4 sa nachádza v puzdre 9 s násypkou. Závitovka 4 je rotačné uložená v ložiskovom domčeku 15 a je poháňaná motorom 13 s možnosťou regulácie frekvencie otáčania. Motor 13 je spojený spojkou 17 s prvým snímačom 14 krútiaceho momentu a frekvencie otáčania závitovky 4. Prvý snímač 14 krútiaceho momentu a frekvencie otáčania závitovky 4 je spojený so závitovkou 4 prostredníctvom poistnej spojky 16. Závitovka 4 je na druhom konci uložená v puzdre 9 závitovky 4 a je klzné podopretá v kríži 5. Závitovka 4 je ukončená kužeľovým koncom j_ s drážkovaním v axiálnom smere. Na konci puzdra 9 závitovky 4 sa nachádza ložiskový domček 8 hlavy, v ktorom je ložisko 7. V ložisku 7 je uložená kužeľová hlava 2 s vnútornými drážkami v axiálnom smere a dýza 3. Na vonkajšej strane rotujúcej kužeľovej hlavy 2 je umiestnené vonkajšie ozubenie. Ozubené koleso 12 je uložené na hriadeli druhého snímača 11 krútiaceho momentu, ktorý je spojený s motorom 10 s plynulou zmenou jeho frekvencie otáčania. Frekvencia otáčania rotujúcej kužeľovej hlavy 2 je nezávislá a je rozdielna od frekvencie otáčania závitovky 4. Na meraciu a regulačnú jednotku 19 je pripojené signálne vedenie 20 s hodnotou krútiaceho momentu pre závitovku a otáčkami závitovky, signálne vedenie 21 hodnoty krútiaceho momentu pre kužeľovú hlavu a frekvenciu otáčania kužeľovej hlavy a signálne vedenie 22 hodnoty extrúzneho tlaku. Kužeľový koniec 1 závitovky 4 a kužeľová hlava 2 sú od seba vzdialené o parameter „F“, ako je to zobrazené na obrázku 3c. Kužeľový koniec 1 závitovky 4 a vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy 2 majú rozdielne kužeľovitosti.

Priemyselná využiteľnosť

Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou nachádza využiteľnosť v potravinárskom, chemickom, farmaceutickom priemysle, ale aj pri technológiách spracovania recyklovaných materiálov/odpadov a spracovaní plastov.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (6)

1. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou pozostávajúci z puzdra závitovky s násypkou a pohonom závitovky uložených na ráme spolu s ložiskovým domčekom, kde medzi rotujúcu kužeľovú hlavu (2) a kužeľovým koncom (1) závitovky (4) je vytvorený zužujúci sa medzikužeľový priestor (23), vyznačujúci sa tým, že zužujúci sa medzikužeľový priestor (23) je nasmerovaný k dýze (3) umiestnenej v osi rotácie rotujúcej kužeľovej hlavy (2), pričom kužeľový koniec (1) závitovky (4) má sústavu striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok (24) a krátkych drážok (25), a vnútorná plocha rotujúcej kužeľovej hlavy (2) má sústavu striedavo usporiadaných axiálnych priebežných drážok (24), krátkych drážok (25) a dlhých drážok (26), pričom frekvencia otáčania rotujúcej kužeľovej hlavy (2) je rozdielna od frekvencie otáčania závitovky (4).

2. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že rotujúca kužeľová hlava (2) s vonkajším ozubením je uložená na konci puzdra (9) závitovky s ložiskom (7) v ložiskovom domčeku (8) hlavy.

3. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou podľa nárokov la 2, vyznačujúci sa tým, že do vonkajšieho ozubenia rotujúcej kužeľovej hlavy (2) je cez ozubené koleso (12) pripojený druhý snímač (11) krútiaceho momentu, ktorý je spojený s motorom (10) na pohon rotujúcej kužeľovej hlavy (2).

4. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou podľa aspoň jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že druhý snímač (11) krútiaceho momentu je napojený na meraciu a regulačnú jednotku (19) spolu s prvým snímačom (14) krútiaceho momentu a snímačom tlaku (6) v rotujúcej kužeľovej hlave (2).

5. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou podľa aspoň jedného z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že frekvencia otáčania rotujúcej kužeľovej hlavy (2) je nezávislá od frekvencie otáčania závitovky (4).

6. Axiálny extrudér s rotujúcou hlavou podľa aspoň jedného z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že kužeľový koniec (1) závitovky (4) je od vnútorného čela rotujúcej kužeľovej hlavy (2) vzdialený o parameter (L).

3 výkresy