TW201018564A - Screw elements with improved dispersing action and low energy input - Google Patents

Description

201018564 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於用於具備成對共同旋轉完全刮刷螺桿的多 螺桿擠製器的新穎螺桿元件、此等螺桿元件在多螺桿擠製 器中之使用及一種產生這些螺桿元件的方法。 【先前技術】 具有彼此完全刮刷之轉子的共同旋轉雙螺桿或多螺桿 0 擠製器已為人知許久（舉例來說見德國專利第862,668 號）。基於完全刮刷輪廓之原理的螺旋擠製器被用在聚合物 生產和處理之料中的多樣應用。這主要是因為聚合溶融 物黏附於表面且在一般使用的處理溫度下會隨時間經過而 降解。此問題由完全刮刷螺桿的自清效應防止。產生完全 刮刷螺桿輪廓的規則舉例來說見〔1〕（〔 1〕=幻⑽技似

Kohlgriiber·. Der gleichldufige Doppelschneckenextruder ("共 序灸#雙暴‘濟農器"），出版商：Hanser Verlag, Munich， ❹ 2007, ΡΡ· 96起）’其中亦宣稱一雙螺桿擠製器之第一轴上 的一預先定義螺桿輪廓會決定一雙螺桿擠製器之第二軸上 的螺桿輪廓。因此，雙螺桿擠製器之第一軸上的螺桿輪廓 被稱為原生螺桿輪廓（generating screw profile )。雙螺桿擠 製器之第二軸上的螺榉輪廓係基於雙螺桿擠製器之第一軸 上的螺桿輪廓且因此被稱為衍生螺桿輪廓（generated screw profile)。在多螺桿擠製器中，原生螺桿輪廓和衍生螺桿輪 摩永遠是交替地排歹lj。 現行雙螺桿擠製器係由一模組化系統組成，其中各螺 201018564 桿元件可被安裝在一中心軸上。這允許熟習此技藝者調整 雙螺桿擠製器以配合相關處理工作。 依據習知技藝已知的螺桿元件除偏心排列圓盤外其特 徵在於橫戴面外形輪廓具有發生在螺紋梢與螺紋腹間之過 渡處的至少一彎曲部（舉例來說見圖1)β螺梢係由一具備 一等於輪廓外徑之半徑及一位於輪廓旋轉點之中心點的弧 組成。位在接到輪廓螺腹之過渡處的彎曲部在螺桿元件上 形成一牙頂。 在多螺桿擠製器中進行的主要處理之一者是使無法彼〇 此均勻混合之液相物或熔融物分散或是聚合熔融物中之固 體的分散。從技術文獻（例如見Chang Dae Han: Multiphase Flow in Polymer Processing, Academic Press, New Y〇rk 1981 )已知剪切流和延伸流之一組合是解決難分散問題 最好方法。 此類的流盛行於一螺旋渠道中，其中材料不僅被螺桿 之旋轉剪切，同時還因為該螺旋渠道朝向螺梢之收斂而被 延長。但是在螺梢區域中僅盛行剪切流，這對 ❹ 散問題幾乎沒有幫助。另一方面，導入的二 耗在螺紋梢與筒體之間及螺紋梢與相鄰螺桿之間的間隙 内，這正是此區域為何在聚合物組合物之加熱作用暨潛在 熱傷害作用當中扮演重要角色，對於分散之處理工作沒有 任何助益。已知能夠以一完全刮刷方式配置的偏心配置圓 盤是例外。其沒有全然產生剪切流的末梢區。其以優異的 分散作用為眾所周知，但也會造成一高能源輪入，因為它 4 201018564 們在-大圓周區域當中形成一極窄間隙。 紋（flight)數量2為i。 腳剩為螺 基於習知技藝，因此引發提供用於多螺桿 有相較於習知技藝經改良的分散作用且 =二 入的螺桿元件的問題。 低犯原輪 令人驚奇的是，頃發現此問題藉由外形 有橫截面當中連續可微分的螺桿元件解決。 ’、/、所 ❹ ❹ 【發明内容】 ' 丘二明關於用於具備擁有二或更多螺紋之成對 件，其特徵為原生的和衍生的螺桿輪H 中連續可微分的外形輪穿p。 有在其寺灵截面當 本發明不偏限於具備一當今慣用類 == 桿之模組化設物桿元件，=: 螺此螺桿元件-辭亦係指被設計成 依據本發明之螺桿元件的橫截面輪廊（以 輪廓或螺桿輪廓）可由_弧配置精確地定義^ 0 和衍生螺桿元件的完㈣桿輪廊由 、成’η係-大於或等於四的整數。該η個弧每一者 地魏觸雜和終點切向 —藉此形成依據本發明之連續可微分外形輪廓。 點予：艢到11)的位置可藉由固定住兩個不同的 精確地定義。㈣來錄陳置係藉㈣定住其中 5 201018564 心點及其起點或終點予、— 半徑及繞其令心的大小_ 度來說係大於或等：：小於螺捍間之心距4角：該丰 率。 寻於〇且小於或等於h ^角七就强 、T疋為圓 依據本發明之螺禅元件的特徵為. ° ==和衍生螺捍輪廓處於同-平面， :原生螺柃輪廓之旋轉軸線與衍 中; 線各自經定㈣直於該等螺桿輪廓之平之旋轉輪 «(心距），原生螺桿輪廓之旋轉軸線與該平面^二距離 被稱為原生螺桿輪廊之旋轉點，且衍生螺桿點 線與該平面之_交減稱為衍生螺桿輪紅旋轉點轉轴 _構成整個原生嫘桿輪廓之弧的數量n大於笪， >4)； 、-尺寻於四（n -原生螺桿輪靡之外半徑ra大於零（ra>〇) 線之間的距離（心距）（Μ<α); ；幸由 -原生螺桿輪廓之内半徑W大於零（W>0)且小於或❹ 於 m(W〇a); 、忽 -原生螺桿輪廓之弧全部彼此切向地合併；

-該等弧形成一封閉螺桿輪廓，亦即所有弧j之角α 的總和為2^，其中宂為圓周率（π Θ.ΙΜ59) ; J -該等弧形成一凸形螺桿輪廓； -原生螺桿輪廓之弧全部被定位在一環狀區域 (annulus)的邊界環之間及/或邊界環上，該環狀區域具有 201018564 一外半徑ra和一內 之旋轉點； ^且其中心點係位在; 仕原生螺桿輪廓 、、生螺桿輪廊之弧的 輪廓之外半徑Μ 纟在點PA碰觸原生螺桿 -原生螺桿輪廓之弧的至 輪摩之内半徑W’· 者在Pl碰觸原生螺桿 m ⑩ 衍生螺桿輪摩 相同； R弧數量n與原生螺桿輪廓之弧數量n 衍生螺桿輪廓之外篝 之内-半徑"之間的差(V:二於·讀與原生 之外^生螺*輪叙内半後於心賴々生螺和 卜+值Μ之間的差（"、—〜)；’、原生螺梓輪廓 量η之範圍内之所有整數的指數*；代表在從1到弧數 第之半徑1與原生螺桿輪靡之 1到弧數豢等距"’其中j係一代表在從 η之範圍内之所有整數的指數，且』·，係一 :弧數量η，之範_之所有整數的指數； -何生螺桿輪廓之第』，個弧的中心點與原生螺桿輪 之i固丨：的中心點之間的距離等於心距且衍生螺桿輪廓 相同於原桿輪^旋轉點之間的距離 螺桿輪廟之第J個弧的中心點與原生螺桿輪庵 201018564 = 且衍生螺桿輪廓之第】，個孤的中心 平行於衍生；桿j個弧的中心點之間的連接線係- =連ί = Π 轉點與原生螺桿輪廓之旋轉點之 間的連接線的線，其中j係一代表 =所有整數的指數，且』，係-代表在從 範圍内之所有整數的指數； 〗弧數里η之 ❹ 第^:触螺桿輪靡之 二起點關於原生螺桿輪靡之第二=== 且j，係-代表11 從到丨弧f量n之範圍内之所有整數的指數， 數。 纟從1舰數量n，之範_之所有整數的指 用-角規ί:二:柃冗件之輪廓的特徵為其可僅藉由使 個弧和建構。因此’原生螺桿輪紅第』 個弧之終_成-57=向過㈣建構方式為繞第j 之中心點和終點通過第j個弧· 的直線的交點即Μ 靠相生螺桿輪廓之旋轉點）❹ 使用-電腦程式取代角：^固弧之中心點。實務上來說會 依據本路日1角 建構螺桿輪廓。 本發明句捍桿元件㈣雜稱的讀依據 對稱的或對稱的。對稱螺桿元件得為2 軸向對稱的。、’較佳來說依據本發明之螺桿元件是 一具備螺紋數量z的轴向對稱螺桿輪廊可被劃分成 201018564 〇 ❹ 2· Ζ個對稱部分，有可能這些對稱部分係藉由以對稱袖線 為中心鏡射獲得。因為其對稱性，—具備2_紋之袖向 對稱螺桿7L件的輪廓因此係完全由該輪廓之兩對稱轴線間 之- 360。/ (2· Ζ)的扇形區中所含之一輪廓片段定義。 ，餘輪廓係藉由以Ζ個對稱軸線為中心鏡射該輪廓片段獲 得’該等對稱⑽在旋轉點彼此交會且將環繞旋轉轴線之 360。角劃分成36(Γ/(2·Ζ)大小的2·ζ個角。在轴向對 稱螺桿it件⑽況+，_轉上㈣應轉_ (原生 輪廓和衍生輪廓）亦為相同或可藉由旋轉重疊〔丨〕。 =樣剌於闕_桿_，其帽稱部分係藉由 以對稱中心為中心點鏡射獲得。 苴特明依據本發明之螺桿元件之-特殊實施例， 郿之對稱軸線為中心軸向鏡射獲得。 ％ 且特段之一者―佳是…個 的特對稱螺桿元件之輪靡 單-點Pa離旋轉點之麟相當===段内僅有 句話說’在輪摩片段内僅有-個點 9 201018564 徑⑺環繞旋轉點的圓（外圓/環）上。 儘管在習知螺桿輪廓中（例 區域中的所有點用一窄小中F==)在梢角KW之 明之轴向㈣刮刷《體’在依據本發 此(例=:牛的輪廊中僅有外半捏上的心會如 其中原It::元::::2基於一笛卡兒坐標系統’ -坐標系統。 坐㈣X軸。圖23不出此 同播==序無：參數r簡化將該方法應用於不 幾何尺寸的二值::::::於:如長度或半徑等 本說明書之圖式。坐標X和y的原 點被疋位在螺桿之一者的旋。 =幻原 :寫所有其他尺寸係經相對於該心距歸一化並:：= 曰寫·乂n A=必；似;似=咖等。 z)的角。 ^ϋρΑ和 DP!圈出一 36〇v (2 · 在一特殊實施例中，依據本發明 段精確地由點^與的二健組成。這P 彼此合併，且依據本發明形‘在整個段當中連續p 201018564 可微分的外形輪廓。在點Pfp該等弧碰觸直線FP。直線FP 被定位在離旋轉點相當於心距A —半的距離之處且具有 -l/tan(TT/(2 · Z))的梯度（就强度計算）。點PFP離外半徑上 點Pa處之一切線與直線FP之間的交點有一等於此交點與 PA間之距離的距離。一始於點PFP垂直於直線FP的垂直線 與直線DPA相交且與直線ϋΡϊ相交，其中直線DPA係通過 點PA及位於第一輪廓生成弧1之中心點處的旋轉點， 直線0卩！係通過點卩！及位於另一輪廓生成弧Γ之中心點 ，處的旋轉點（見圖2a)。輪廓生成弧1的半徑埒&因此相 當於與PA間之距離；弧Γ的半徑相當於ΜΓ與P!間 之距離。 在一附加特殊實施例中，依據本發明之螺桿元件的輪 廓片段係精確地由三個點？八與P〖之間的弧組成。這提供一 額外的自由度，且藉由選擇一小半徑，刮刷筒壁之點PA區 域中的輪廓可被製作成更窄，從而進一步減小能源消散。 圖2b示出依據本發明之一雙螺紋螺桿元件之一由三個 弧組成的輪廓片段的實例。始於點PA之弧1的半徑心係 可在0<&<#£的範圍内自由選擇。其中心點定位在 D與PA間之連接線上。 始於點P〗之弧3的半徑為R3 = A —R〗。其中心點M3 被定位在通過D和Pi的線上。 在此二弧之間，半徑為R2 = A/2的弧2係以一連續可 微分方式形成。其中心點M2被定位在離點P!有一 A/2 — R】之距離且離點P3有一 R3 —A/2之距離之處。 11 201018564 弧1之一端被定位在點p 和p2之直線的交點。 A且另-端位在其與通過卩】 弧3之一端被定位在點且 和M3之直線的交點。 1且另—端位在其與通過吣 藉由能夠自由地選擇半庐 -給定心距A建構出依據：：1或I之-者’有可能就 靡。因此亦有可能=以:同的完全刮刷螺桿輪 對應螺桿輪廓片段中使用相螺同^於實測赠（2 _ Z)之 用不同方鍵構實測勒（2=料、㈣在，桿中❿ 發明之非對稱螺桿輪廓。此之片段而建構出依據本 待輸送的材料上加諸特殊變形作=在出於分散之目的欲在 快速膨脹的時候很有用。 用、例如在緩慢壓縮之後 的4=:。成(:發^段内由三一組成 這些和終點切向地彼：併攸據本發明’ 螺杯7L件之外半徑阳與 斤 :據本發明之雙螺紋螺桿來說較佳係對於❹ 曰1 ’特佳係介於〇.58與〇 63之間 :.4與0.7之 佳係介於G.53與〇.57 ，* 料螺桿來說較 且對:__ 介二 ==56之間； 件或：本:明之螺桿元件可被設計成輸揉元 如已知（例如見〔1〕之第227-248頁），輪 特徵為-連續旋轉且以一螺旋之樣式在一軸向方向=伸 12 201018564 6¾ 虫亨 rf- t、亦于靡。輸送元件可為右旋或左旋。輸送元件之螺距 M 卩螺桿輪廓完整旋轉所需之軸向長度得為外徑之0.1 =10 ^較佳來說，螺距t係在外徑之0.3倍至3倍的 I巳圍内。盘每^ , 貧務理由’輸送元件之軸向長度較佳係t/z的整 数借。 特已知（例如見〔n之第22孓248頁），搓揉元件的 ❹ ⑩ 於’、、、以搓揉盤之樣式分段在一軸向方向中延伸的螺桿 之^握揉盤得以—右旋、左旋或中立方式設置。搓揉盤 搓掠Ξ長度較佳在外徑之〇·02倍至2倍的範圍内。兩相鄰

r固^之間的軸向距離較佳在外半徑之0.001倍至0.1倍的 範圍内。 J 葬由^知（例如見⑴之第227-248頁），混合元件係 二人輸迗元件設計成在螺紋梢中具備開口的方式形成。 =立7M牛得為右旋或左旋。其螺距（較佳在外徑之w倍至 較佳Τ’。混合元件之軸向長度如同輸送元件心況 ^為t/Z的整數倍。開口較佳被設計成U形或V形溝槽之 往若混合元件係錢送元件之赋，溝槽較佳以一 在後輪送方式設置或係平行於軸線。 本發明亦關於一種產生依據本發明之螺桿元件的方 t依據本發明之螺桿元件㈣徵為具有連續可微 =)外形的輪廓。依據本發明產生用於擁有成對具備一心 f器更多敎之共同旋轉完全刮㈣桿的多螺桿擠 翩件的方法的特徵為螺桿輪廓之整個橫截面由 η η個弧組成’其中n/n’係—大於或等於]的整數。 201018564 依據本發明之方法的特徵為·· •原生螺桿輪靡具有—外半徑％，其大於〇(ra>〇)且 小於心距（m<a); 社螺知輪靡具有一内半徑W，其大於 小於或等於M); -孤係藉由以一>f* IS , , ^ 便原生螺桿輪廓之私全部切向地彼此 三併的方式決位置和大何以依序設置，該等狐形威 : = = 輪廓，原生螺桿輪靡之弧全部被定位在- 圓)之間及/或邊界環⑷上，制 狀區域具有一外半徑知 生螺桿輪廓之旋轉點，::：半徑似中心點係蝴 ΡΑ碰觸原生螺桿輪廓之外生螺桿輪廊之弧之至少一者在親 至少-者在點Η碰^ 且社螺桿輪廓之孤之 -衍生螺桿輪^原生螺桿輪廓之内半徑心 弧，致使：、 MSI_基於原生螺桿輪#之n値 •何生螺桿輪廊之弧數量η，相同於原生 之 螺桿輪廓 •何生螺桿輪廓之外半徑〜，等於 心距禮时徑η· 、^螺椁輪廓之 j係一代表 201018564 在從1到弧數量n，之範圍内之所有整數的指數， 桿?之第j’個弧之半^，與原生螺桿 輪摩之第J娜之半徑rj的總和等於心距… 二代ί在，1到弧數量η之範圍内之所有整數的指 ί數代表在從1到弧數^，之範圍内之所有 e 輪廟二二叙第j，個弧財心點與原生螺桿 轉點之間與触螺桿輪廓之旋 心點與原生螺桿輪廓之旋轉弧的中 桿輪叙第Γ個㈣之間的距離’且衍生螺 弧的中心點之間點與原生螺桿輪廓之第』個 旋轉點與原生係—平行於衍生螺桿輪麼之 數的指數，ϊϋ從1到弧數量11之範圍内之所有整 之所有整數的指數，代表在從1到弧數量η，之範圍内 廓之第j個弧之起丨=的方向係相反於原生螺桿輪 心點的方向，其中關於原生螺桿輪廓之第j個弧之中 圍内之所有整數的代表在從1雜數量n之範 h，之範圍内之且j，係一代表在從1到弧數 依據本發明之方數的指數。 去的特徵為其可僅藉由使用—角規及 15 201018564 一圓規予以執& 個狐之間的切=因此’原生螺椁輪廟之第j個弧和第（j+l ) 一半禮為k的圓 構方式為繞第j個弧之終點形成 (其經定位心 圓與—通择第j個弧之中心點和終點 即為第近原生螺桿輪廓之旋轉點）的直線的交點 螺桿元件電，，執行產生螺桿輪廓之方法。然後 銑床的形式m糸呈一可送到一用於製造螺桿元件之CAD 備用於在發明亦關於—種電腦程式產品，其具© 明之螺桿輪廓的:依:亡:明之方法以產生依據本發 產品之使用^ 在較佳實施例中，該電腦程式 她可在該圖:::者一= 和衍生螺科叙錄量 下輪人7料數（原生 得到來自干么及角度）。較佳來說他/她會 :::::參:值範圍之指令的幫助許== 解為：成對之完全刮刷螺桿輪廓的參數值組合。❹ 全在ΐ腦廊’整個螺桿元件完 擬地建構。建構結果較佳以構造圖之形式： 腦螢幕或印表機。亦有可能此等結果係以-i子 貝料槽案的形式送出’在-較佳實施例中此檔案可被= 一 CAD銑床以製造對應螺桿元件。 适到 在已依上述方式產生輪廓之後，依據本發明 件舉例來說可用-銑床製造。製造螺桿元件的較佳 16 201018564 ’ 特 _ 、 Α έ之為氮化鋼、鉻、工具鋼和不銹鋼，以及由粉 /口金術製得之鐵、錄絲基金屬複合材料。 於據本發明之方法使得螺桿輪廓之設計有可能從一開 ^,最理想地適合於一指定任務的方式進行。從習知 務螺桿元件在大錄情況中都以針對—具體任 的設計。相反地，製造商係從一與具體任務無關 核組化系統供應螺桿元件（輸送、揉捏及混人元 ^。本發明有可能幾乎完全自由地設計自清螺桿元件之輪 二可能針對相關應用優化此等輪廓之參數達到最 變異。就此而論，在此要特別表明用於產 廓之弧數看屿古职庄， 呀杆掏 弧遥、片有制。因此有可能用必要精度利用夠多個 疋由弧組成且因此不具備自清能力的螺桿輪廓。 镥由弧逼近的輪扉當然是自清的。 干㈣ 較佳原每生4衍生)螺桿輪麻之縱向輪靡。 隸屬於此弧騎剖面^—^均被祕#由—顯函數計算 與一弧吐間的交點了—步驟中，決定—直線g 平面中且其通過螺桿財被定位在螺桿輪廓之 切給出。 掏郿之旋轉點❶該直線之方位係由角 弧kb的特徵為其半徑^ 在一第二步驟中，計算兮 其中心點位置（Mx，My)。 的距離s。一直線與—弧的_^ (Sx，sy)到螺桿輪廓旋轉點 用於距離之計算。因此距可用一顯函數算出。這也適 一螺桿元件之已知螺距t為( φ，r，Mx，My)。給出 ' 切可藉由p/2 7r*t被轉換成一 17 201018564 角位置 z_ax ’ 故距離為 s=s (z一ax，r, Mx，My) =s ( φ/2 7Γ *t，r，Mx，My)。函數 s ( z_ax，r，Mx，My)定義螺桿輪廓 之一弧的縱向輪廊。

本發明亦關於依據本發明之螺桿元件在多螺桿擠製器 中的使用。較佳來說依據本發明之螺桿元件係用在雙螺桿 擠製器中。螺桿元件得以揉捏、混合或輸送元件的形式包 容於多螺桿擠製器中。亦有可能在一擠製器中組合揉捏、 輸送及混合元件。依據本發明之螺桿元件亦可與其他螺桿 元件例如習知技藝已知的螺桿元件組合。 在具備成對的共同旋轉完全到刷螺桿的多螺桿播製器 中’依據本發明的螺桿元件於其全周形成一渠道。此渠道 具有一交替地加大和減小的渠道寬度且在本文中被稱為匯 聚/發散渠道。在此一匯聚/發散渠道中，具有非常有效之分 散作用的剪切流和延伸流組合會在操作期間於該渠道之全 長中產生。能源輸入低於在輪廓中彎曲之傳統習知螺桿元 件。偏心配置圓盤亦形成一匯聚/發散渠道。但依據本發明 之螺桿元件相較於偏心配置圓盤卻有一具備一極窄中間間❹ 隙之較小周圍區域。因此相較於在多螺桿擠製器中使用偏 心配置圓盤，在多螺桿擠製器ΐ使用依據本發明之螺桿元 件的能源輸入較低。 、 以下藉由圖式更詳細地例示本發明，但不以此為限。 了建§義使用無因次參數以便簡化將該方法應用於不同 擠製器大小的程序。心距β係一用於諸如長度或半徑等幾 何尺寸的有用參考值，因為此值在一擠製器中係無^被改 201018564

以下規則適用於本說明書之圖式。坐標x和y的原點 被定位在螺桿之一者的旋轉點。所有的角係以强度表示。 所有其他尺寸係經相對於該心距歸一化並以大寫字母書 寫.d A = r/fl ;凡4 = ; j?/ = π/β ; Ρ ί/α 等。Μχ 和

My疋一輪摩生成弧之圓心的χ和y坐標’ r是相對於心距 α歸一化的半徑，且α是一弧的角度。此外，RG==歸—化 ❹ 筒體半徑’ RV==歸一化虛擬筒體半徑，RA=完全到刷輪摩 之歸一化外半徑，RF=待製造螺桿之歸一化外半徑，s==個 別螺桿間之歸一化間距（間隙），D=螺桿與筒體間之歸一 化間距，vpR==輪廓之歸一化偏移度，VPW==以强度表示 之輪廓偏移角，VLR=左側螺桿之歸一化偏移度，VLW== 左侧螺杯之偏移角，VRR=右侧螺桿之歸一化偏移度，VRW =右侧螺桿之偏移角。 【實施方式】 ❹ a 疋〜彼此以一距離A設置之二個完全刮刷雙螺紋 ' 累桿元件的剖面圖。該等螺桿元件具有相同的轴向對 稱輪廊•右側螺桿元件相對於左侧螺桿元件旋轉經過- 9〇 角。&不為M的點是上面設置著螺桿元件之軸的旋轉 點。=中所不輪廓係由多個對稱片段組成。彎曲部被形成 的、過渡處（彎曲部之一者被標示$ 1_2)。在梢 之區域中，該產品在使用此等螺桿元件的多螺桿擠 時遭受—沒有延伸作用的高剪切度。 此缺點由依據本發明具備依據圖2之輪廓的螺桿元件 201018564 避免。圖2a示出一铮嫂分·* 件）之輪廓之四分之-的^彳刷螺桿元件（衫螺桿= 為軸向對稱，使得整個圖。此輪廓係對X軸和y轴 軸為中心鐘：:：係由所示四分之-以X軸和y ^為中鏡射形成。然後藉由將該原生螺尸元件之輪腐旋 圖另所右盆从m (何生）螺桿元件之輪#。在本 半炉RA孫 '一工，坐標之原點為螺桿之旋轉點…外 -㈣環繞該輪廓之虛線圓的樣式示出。筒搪孔 ，以-，繞該外半徑RA具備一半搜Rg之同心圓的樣式示❹ 出’該半控RG比該外半徑RA大間足巨s (rg = ra+s)。 依據圖2a之螺桿輪廓係由彼此合併且無彎曲部的二個孤組 成。該等弧的坐標示於圖…弧丨之中心點％被定位在一 通過旋轉點的水平線上，且弧丨，之中心點％被定位在一通 過旋轉點的垂直線上（Mly = G;Ml，D。從弧！到弧Γ 的過渡係發生在點Pfp，在該點該二弧皆碰觸直線Fp。 所示輪廓片段可藉由下述方式建構： 將一點PA固定在-離螺桿元件旋轉點D相當於螺桿 元件外半徑RA的距離之處， ◎ -將-點P』定在〆離螺桿元件旋轉點D相當於螺桿 元件内半徑R!的距離之處，將點&被定位在—通過點D 的直線DP山該直線⑽連同-通過點D的直線 DPA 圈出一 3607 (2 · Z)的角， 相當於螺捍元件心距 &度计算為_l/tan( π

-將直線FP固定在一離旋轉點D A之一半的距離之處，FP的斜率以 /(2 · Z))， 20 201018564 -將圍繞旋轉點D具有半徑RA之外圓上之點PA的切 線TA與直線FP之間的交點固定，將直線FP上之點PFP固 定在離該交點與該交點離PA相同距離且離該旋轉點一小於 半徑RA的距離之處* -將中心點M!固定在始於點PFP垂直於FP之垂直線與 直線DPA之間的交點，’ -將中心點，固定在始於點PFP垂直於FP之垂直線與 通過D和之直線之間的交點， -繞中心點Mi在點PA與PFP之間產生一弧1， -繞中心點ΜΓ在點卩1與PFP之間產生一弧Γ。 圖2b示出一依據本發明之雙螺紋螺桿元件由三個弧組 成之輪廓片段的實例。點D是該螺桿元件（原生螺桿元件） 之旋轉點。對應螺桿元件（衍生螺桿元件）之旋轉點係離 旋轉點D —距離A。一具備一内半徑RI的圓（内邊界環） 及一具備一外半徑RA的圓（外邊界環）被示為環繞旋轉 點D。該内圓和外圓形成一環狀區域。該輪廓片段及依據 本發明之螺桿元件之所得整體輪廓的點全部被定位在此環 狀區域之内圓與外圓（邊界環）之間或其上。點PA是半徑 為1^之第一弧1的起點，且該第一弧之中心點被定位 在D與PA間之直線上。點PA被定位在外圓上。點PI是半 徑為R3 = A —R!之弧3的起點。其中心點M3被定位在通過 Pjn D的垂直線上。半徑為R2 = A/2的弧2在弧1與弧3 之間連續可微分地（亦即平滑地）延伸。其中心點M2被定 位在離點Ρϊ —距離（A/2) —&且離點M3 —距離R3 — ( A/2) 21 201018564 之處。藉由 D和P之吉通過點〇和Pa之直線為中心且以一通過點 依據本發日^為中"連續地鏡射所示輪廓片段，可建構出 對應（衍生hi原生）螺桿元件之整體㈣。在此例中， 元件之給^螺桿兀件的輪廓係藉^簡單祕該原生螺桿 輪廓繞旋轉點D旋轉一 9〇。角獲得。 圖2c干山 線示出的Μ Γ依據本發明之螺桿元件的實例，其中以虛 廓片段段無法藉由轴向鏡射到以連續線示出的輪 ❹ 。事實上，其輪廓係相對於旋轉點成點對稱。 之實例ί發明之螺桿元件之—特殊實施例被示為圖3中 且成對為筒搪孔具有Α_桿㈣外半經的半徑 點（用Γ:相對於筒搪孔之中心點偏移，同時旋轉 輪入保持在筒搪孔之中心。這驚奇地在能源 不结白Γ 可觀職。所得偏心旋轉螺桿元件、亦即 螺椁Ϊ杜的輪靡之中心自轉而是繞筒搪孔之中心點旋轉的

Q 搪孔内自由地偏移。®3示出-特別強烈 移相同❹兩輪廓係沿—通過兩旋轉點之直線平行地偏 觸筒俨A : ’如同此二輪廓相對於該線垂直地偏移直到碰 备二^ 。因此，螺桿彼此完全刮刷，然在任何情況中 之:個螺梢僅有一者完全到刷筒體。此配置提供 为表面之元全到刷同時減低能源輸入。 ^目前為止本說明書僅只說明完㈣卿桿輪廊。作 以^設計擠製器中，有必要使用不完全刮刷的幾何形狀 ，在刮刷過程中獲得精確定義的_。此為防止 、顧及製造容差及避免間隙中能量過度消散所必需。有 22 201018564 多種不同策略可用於產生—致間隙。最為常用的策略係產 生在擠製器之縱剖面全體具有相同寬度的間隙。產生此等 螺桿輪廓的方法見於〔丨〕之第103頁起。 用於產生具備明確定義間隙之螺桿麵的規則亦可應 用於依據本發明之螺桿·元件。

圖4示出依據本發明具有間隙（間距）之螺桿元件之 輪廓的實例。在圖4a中，往復刮刷螺桿之間的間隙s與螺 桿刮刷筒體之區域中的間隙D -樣大。在圖4b中間隙S 丄於D且在圖4C和4d係相反、亦即D小於s。圖$顯 本發明當―螺桿輪廓被建構為具有間隙且隨後此等 偏移時也會獲得偏心麵。圖5a_d之輪廓與 / is s之二相同。相對於一通過螺桿元件旋轉點之直線， 在® 角的偏移，在圖北中發生30。角的偏移， 移。 6〇角的偏移，且在圖5d中發生90。角的偏 來說兩螺桿以相同偏移向量偏移的實例。基本上 獲得在螺桿在間距内用—不同向量偏移。然後 廓。 、累衿之一轉當中變化的中間間隙彼此刮刷的輪 如已知 連續地旋轉的輸送效果係藉由在—軸向方向中 輸送螺紋 麵㈣。藉此麟―例域圖6a所示之 相 將由自 輪送螺紋具有加大分散能力的揉捏元件係藉由 /月两靡組成之稜柱形盤環繞軸線設置成一彼此旋轉 23 201018564 交錯關係獲得。圖6b示出-具備七個揉捏盤之揉捏元件的 實例，每個馳盤以每H的純繞軸線錯開。 ❹ 圖1至6僅關於雙螺紋螺桿元件。然相同原理亦可應 用於具有三個及更多螺紋的螺椁元件。圖7係—依據習知 技藝之雙螺紋螺桿元件（例如見⑴之第1()3頁）的剖面 圖。圖7之三螺紋輪廓由三個對稱片段組成。彎曲部及彎 曲部之間的螺紋梢構成這些片段之間的過渡區。在圖7中 14些過渡區之-者被標為7·1。在此區中輪雜筒體一窄小 距離旋轉’且帶著前述缺點在聚合熔融物上施加純剪力。 相較之下’圖8不出一依據本發明之三螺紋螺桿元件 的^廓片段。由於此輪廊係以三條直線（si，”, S3)為中 此Sit ^稱’ 14三條直線彼此成6(Γ設置且通過坐標原點， ==一個6(r片段。完整輪廓係藉由使所示外形輪 厚P以鏡射直線Sl、知ς 輪廊由二個弧細二里中心連續地鏡射形成。外形 道在待混人‘、成。所俩桿具有—匯聚/收斂渠道，該渠 #生成_全周上施加剪切流和延伸流之—組合。輪 點處。就-:1’間之切㈣渡發生在該輪廓碰觸直線FP之 直：有輪廓來說，離旋轉點-心距-半之距離的 在螺椁外ij73的斜率° ®8所核態可被類比地應用 的^ 與心距間之所有比係在Μ至0.⑺之範圍内 示於圖9^Γ輪輪建構用於三螺紋輪磨。此等螺桿輪靡 法。輪廓之々k此種建構方法類似於用於雙螺紋輪廓之方 輪庵之外半徑小於財徑且朗螺桿之輪廓經偏移， 24 201018564 ，於，中心的旋轉點被維持。特別要注意的是螺桿輪 f，其中螺桿彼此完全地刮刷且其中筒體僅被三個螺梢之 :者刮刷。圖9a例示此一輪廓的產生，其中該輪廓被水平 =右偏移直到右_.紋梢到達•為止。在此配置中， ^冉螺旋渠道形成於該輪賴筒趙之間。若使輪廓相斜於 :通過旋轉點之直線以一 2(Γ角（圖％)或4〇β角偏移則會 Ο

=二個螺紋梢之—者卿筒體_外配置（圖如）。在這 ς輪廟中’所得螺旋渠道是非對稱的，著偏移量加大， 會形成—具備較強剪切作用的區域（在圖％和9c之頂部） ，一具備較弱剪切作用的區域（在圖％和9小在使輪廟 巧於—通過旋轉點之直線以6G、偏移時（圖⑹，可獲 侍三個螺梢之二者刮刷筒體的一種配置。在此配置中，非 對稱性為最大。會獲得二個具備極強剪應力的區域（在圖 知之頂部）及一個具備低剪應力的區域（在圖9d之底部）。 待處理材料因此暴露於變動劇烈的應力，這對於分散處理 很有用。 輪廓之往復到刷及筒體之刮刷當中的間隙的產生與用 於雙螺紋輪廓的方法彼像。三螺紋輪廓依據本發明得以一 依據圖10a之連續輸送螺紋的樣式或以一依據圖1〇b之揉 捏盤的樣式運用。 。軸向對稱四螺紋螺桿輪廓係完全藉由螺桿輪廓之一 45 片段定義。圖11示出—依據本發明之四螺紋螺桿元件的 二麻片段’其係由二個圓線段組成。此種構造類似地適用 ;從0.5到0.541之螺桿外半徑對心距的所有比。 25 201018564 輪廓之產生及到刷期間之間隙之產生與用於雙螺 、’’二螺紋輪廓的手段相似且在本案例中不提及。 螺故輪廓得以一依據圖12a之連續輸送螺紋的樣式 或以一依據圖12b之揉捏盤的樣式運用。 依據本發明具備四以上之螺紋的輪廓得以一類似方式 圖間隙可經改變且偏心輪廓得以一類似方式產生。 例。原13&例示一對依據本發明之螺桿元件的剖面簡圖實 Ο 係由右生螺椁輪廓係由左方螺桿輪廓例示。衍生螺桿輪廓 μ艘ΐ螺桿輪廓例示。此二螺桿輪㈣由16個弧組成。 二絡桿輪絲衍生螺桿輪廓祕藉由經相躲編號標示 莖續袓線例示。該等弧的中心線係藉由小圓圈例示。該 :的中讀藉由連續細線（邊界線）連接到其相應起點 =點。原生和衍生螺桿輪廓的螺桿外半徑二者相同。螺 =外半徑在螺㈣體之區域中由—細纽例示且在互嗜區 中=細點線例示。因為大量的弧及藉由—電腦程式之圖 在—些情況中個別弧的編號叠在邊界線上且因此 難以閱讀。儘管有些編號不易辨識 關說明内容及圖13b中之坐標_清=^K相 圖…之依據本發明的螺桿輪靡對係點對稱作不 疋轴向對稱。直線FP (以—點虛線 仁不 成切線。此-轉元件為分散效應提供特高自^狐上形 對於分散效應來說很重要位於螺梢上、 又，因為 精確地調適⑽合即將到㈣任務^的H寻經 而有之幾何約束條件。圖13b列出圖13a所 26 201018564 和y坐標（Mx和My)、半徑R及角α。這些角係以强度 表示；所有其他尺寸經相對於心距歸一化且因此是無因次 的。 【圖式簡單說明】 圖1是一彼此以一距離Α設置之二個完全刮刷雙螺紋 習知螺桿元件的剖面圖。 圖2a示出一雙螺紋完全刮刷螺桿元件之輪廟之四分之 一的剖面圖。 圖2 b示出一依據本發明之雙螺紋螺桿元件由三個弧組 成之輪廓片段的實例。 圖2c示出一依據本發明之螺桿元件的實例，其中以虛 線示出的輪廓片段無法藉由軸向鏡射到以連續線示出的輪 廓片段上重疊。 圖3示出一特別強烈的案例，其中兩輪廓係沿一通過 兩旋轉點之直線平行地偏移相同程度，如同此二輪廓相對 於該線垂直地偏移直到碰觸筒體為止。 圖4a-4d示出依據本發明具有間隙之螺桿元件之輪廓 的實例。 圖5a-5d示出兩螺桿以相同偏移向量偏移的實例。 圖6a示出輸送螺紋。 圖6b示出一具備七個揉捏盤之揉捏元件的實例。 圖7係一依據習知技藝之雙螺紋螺桿元件的剖面圖。 圖8示出一依據本發明之三螺紋螺桿元件的輪廓片段。 圖9a-9d示出三螺紋之輪廓的實例。 27 201018564 圖10a示出連續輸送螺紋的樣式的實例。 圖10b示出揉捏盤的樣式運用的實例。 圖11示出一依據本發明之四螺紋螺桿元件的輪廓片 段，其係由二個圓線段組成。 圖12a示出連續輸送螺紋的樣式的實例。 圖12b示出揉捏盤的樣式運用的實例。 圖13a例示一對依據本發明之螺桿元件的剖面簡圖實 例。 圖13b列出圖13a所有弧之中心點X和y坐標、半徑R 及角α。 【主要元件符號說明】 1 孤 V 弧 2 弧 3 弧 1-1 設置著螺桿元件之軸的旋轉點 1-2 彎曲部 7-1 過渡區 A 距離 D 旋轉點 KW 梢角 Ml 中心點 μγ 中心點 RA 外半徑 RG 半徑 SI 鏡射直線 S2 鏡射直線 28 201018564 鏡射直線 S3

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Claims (1)

1. 201018564 七、申請專利範圍： 1. 一種用於具備擁有二或更多個螺紋之成對共同旋轉完全刮 刷擠製器螺桿之多螺桿擠製器的螺桿元件，其特徵為該螺 桿輪廓在其所有橫截面當中具有連續可微分外形輪廓。 2. 如申請專利範圍第1項之螺桿元件，其特徵為每一螺桿輪 廓在其完整橫截面當中由四或更多個弧組成，該等弧在其 起點和終點彼此切向地合併。 3. 如申請專利範圍第1或2項之螺桿元件，其特徵為 一原生螺桿輪廓與一衍生螺桿輪廓之間的心距是α ; 該原生螺桿輪廓之弧的數量是η ; 該原生螺桿輪廓之外半徑似大於零（m>0)且小於該 心距（m ); 該原生螺桿輪廓之内半徑W大於零（W>0)且小於或 等於 ( r/ ; 該原生螺桿輪廓之弧全部彼此切向地合併； 該等弧形成一封閉螺桿輪廓，亦即所有弧j之角q的總 和為2ττ，其中π為圓周率（ττ«3·14159); 該等弧形成一凸形螺桿輪廓； 該原生螺桿輪廓之弧全部被定位在一環狀區域 (annulus)的邊界環之間及/或該等邊界環上，該環狀區 域具有一外半徑na和一内半徑W且其中心點係位於該原 生螺桿輪廓之旋轉點； 30 201018564 該原生螺桿輪廓之弧的至少一者在點pA碰觸該原生螺 桿輪靡之外半徑μ; 該原生螺桿輪廓之弧的至少一者在點碰觸該原生螺 桿輪廓之内半徑W ; 該衍生螺桿輪廓之弧數量η’與該原生螺桿輪廓之弧數 量η相同； 該衍生螺桿輪廓之外半徑等於該心距與該原生螺桿 輪廓之内半徑W之間的差（r/); 該衍生螺桿輪廓之内半徑等於該心距與該原生螺桿 輪廓之外半徑Μ之間的差（W ’= β — Μ ); 該衍生螺桿輪廓之第j’個弧的角與該原生螺桿輪廓 之第j個弧的角aj相同，其中j係一代表在從1到弧數量 η之範圍内之所有整數的指數，且j’係一代表在從1到弧 數量η’之範圍内之所有整數的指數； 該衍生螺桿輪廓之第j’個弧之半徑η’與該原生螺桿輪廓 之第j個弧之半徑η的總和等於該心距其中j係一代表 在從1到弧數量n之範圍内之所有整數的指數，且j’係一 代表在從1到弧數量n’之範圍内之所有整數的指數； 該衍生螺桿輪廓之第j’個弧的中心點與該原生螺桿輪廓 之第j個弧的中心點之間的距離等於該心距fl，且該衍生 螺桿輪廓之第j’個弧的中心點與該衍生螺桿輪廓之旋轉點 之間的距離等於該原生螺桿輪廓之第j個弧的中心點與該 原生螺桿輪廓之旋轉點之間的距離，且該衍生螺桿輪廓之 第j’個弧的中心點與該原生螺桿輪廓之第j個弧的中心點 31 201018564 之間的連接線係一平行於該衍生螺桿輪廓之旋轉點與該 原生螺桿輪廓之旋轉點之間的連接線的線，其中j係一代 表在從1到弧數量η之範圍内之所有整數的指數，且j’係 一代表在從1到弧數量η’之範圍内之所有整數的指數； 該衍生螺桿輪廓之第j’個弧之起點關於該衍生螺桿輪廓 之第j ’個弧之中心點的方向係相反於該原生螺桿輪廊之第 j個弧之起點關於該原生螺桿輪廓之第j個弧之中心點的 方向，其中j係一代表在從1到弧數量η之範圍内之所有❹ 整數的指數，且j’係一代表在從1到弧數量η’之範圍内之 所有整數的指數。 4.如申請專利範圍第1至3項中任一項之螺桿元件，其特徵 為該等螺桿元件係點對稱的且一 360°/ (2 · Ζ)之扇形區 中的外形輪廓係由至少二個弧組成，其中Ζ是該等螺桿元 件之螺紋數。 5.如申請專利範圍第1至3項中任一項之螺桿元件，其特徵 為該等螺桿元件係軸向對稱的且一 360°/ (2 · Ζ)之扇形 區中的外形輪廓係由至少二個弧組成，其中Ζ是該等螺桿 元件之螺紋數。 6.如申請專利範圍第5項之螺桿元件，其特徵為該片段中之 外形輪廓係由二個弧組成，該等弧在點Pfp以一連續可微 分方式彼此合併，其中點Pfp被定位在一直線FP上且在點 32 201018564 Ppp垂直於FP的垂直線通過該二弧之中心點。 7. 如申請專利範圍第6項之螺桿元件，其具有一旋轉點D、 一被定位在一環繞該旋轉點具有該螺桿元件之外半徑μ 的圓上的點ΡΑ、一被定位在一環繞該旋轉點具有該螺桿元 件之内半徑W的圓上的點Ρ!、一通過點ΡΑ和D的直線DPa 及一通過點Pjp D的直線DP!，且使用一以點D作為原點 @ 且點PA係在X軸上的笛卡兒坐標系統，該等螺桿元件的特 徵為該垂直線在該等弧之一者的中心點與直線DPA相交且 通過點〇和P!的該直線與另一弧之中心點相交，且該直線 FP被定位在一離該旋轉點相當於該心距α—半的距離之處 且就强度計算具有-l/tan(TT/(2 . Ζ))的梯度。 8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之螺桿元件，其中該 等螺桿元件係以混合元件或輸送元件的形式設計。 9. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之螺桿元件，其中該 等螺桿元件係以揉捏元件的形式設計。 10. —種依據申請專利範圍第1至9項中任一項之螺桿元件在 多螺桿擠製器中的使用。 11. 如申請專利範圍第10項之使用，其特徵為該等成對螺桿元 件用一在其全周當中係恆定的中間間隙彼此刮刷。 i 33 201018564 12. 如申請專利範圍第10項之使用，其特徵為該等成對螺桿元 件用一在其全周當中係非恆定的中間間隙彼此刮刷。 13. 如申請專利範圍第1G項之使用’其特徵為料成對螺桿元 件之輪廓經相對於位於筒搪孔中心之該旋轉點偏移。 製共螺桿之多螺桿擠❹ 個弧以形成-連續可微分外=Γ廊係藉由結合多

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