專利名稱：科學設計的分離型螺桿的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于單螺桿擠出機的改進型螺桿設計。
背景技術：
單螺桿擠出機廣泛用于加工塑性材料，用于將固體塑料熔化成適于形成所需形狀的熔融狀態或熔融料。擠出機的性能基本上取決于螺桿的幾何特征。在為改進擠出機性能而研發的各種特殊螺桿中，利用屏障螺紋的分離型螺桿最為成功。具有緊密間隙的屏障螺紋將螺桿槽分為固體料槽和熔融料槽。只有熔融的塑性材料才能夠從固體料槽越過屏障螺紋而流入熔融料槽。雖然分離型螺桿顯著地改進了擠出機的性能，但是所有的分離型螺桿都具有一些不理想的結構特征，并且其結構仍然可以改進。以前的分離型螺桿所遇到的問題包括但不限于對固體床運動的阻塞、塑性材料在死點處或在深熔融料槽內的降解、在端部處固體床小塊從很大深度的固體料槽進入熔融料槽、在端部處在極淺深度的固體料槽端部的熔融料過熱、在端部處極深熔融料槽的很差計量能力以及在與阻力流相反方向上從深熔融料槽進入淺計量槽的不希望的熔融料分配。
發明內容
本發明提供一種用于單螺桿擠出機的螺桿，其包括位于擠出機供料端且具有較深深度的供料段、位于擠出機排出端且具有較淺深度的計量段以及位于所述供料段與所述計量段之間的壓縮段。所述壓縮段具有至少一對與擠出機料筒具有最小間隙的螺旋主螺紋和與所述料筒具有緊密間隙的螺旋屏障螺紋。所述主螺紋起始于所述螺桿的供料端并在所述供料段內保持基本恒定的螺距，并且所述主螺紋在所述供料段內形成具有基本恒定的槽寬度和基本恒定的槽深度的螺旋供料槽。所述主螺紋的螺距在所述供料段端部處或在所述供料段端部附近增加。所述屏障螺紋起始于所述主螺紋的推擠側附近，但是在緊接在所述主螺紋的螺距增加之后的主螺紋下游的點處與所述主螺紋充分分開而不會產生死點，并且所述屏障螺紋在所述壓縮段內形成螺旋固體料槽和螺旋熔融料槽。所述主螺紋的最小間隙或主螺紋間隙是所述螺桿和所述料筒的機械加工和裝配中的可用最小值。所述屏障螺紋的緊密間隙基本上大于所述主螺紋間隙，從而允許熔融料從所述固體料槽流經所述屏障螺紋間隙而流入所述熔融料槽中，并且防止固體塑性材料進入所述熔融料槽。所述供料段的供料槽延續到所述壓縮段并成為具有基本相同的槽深度和槽寬度的所述固體料槽，所述固體料槽的槽面積基本沒有減小，并且不會阻塞緊密裝填的固體塑性材料從所述供料槽到所述固體料槽的運動。通過迅速增加所述主螺紋和所述屏障螺紋的螺距，在所述熔融料槽長度起點的約10 30%內，所述熔融料槽的寬度迅速增加到所述固體料槽寬度的約30 50%，然后在其長度的約70 90%內，保持其寬度基本恒定。所述熔融料槽的起點具有與所述計量段的深度基本相同或更深的深度，顯著大于所述屏障螺紋的緊密間隙，具有朝向所述固體料槽或所述供料槽的開口而不會產生死點。在所述熔融料槽長度的約70 90 %內，所述熔融料槽的深度逐漸增加到所述計量槽深度的約150 200%。在所述熔融料槽長度的約70 90%之后，通過增加所述屏障螺紋的螺距并減小與增加量基本相同量的固體料槽寬度，在所述熔融料槽長度終點的約10 30%內，所述熔融料槽的寬度迅速增加到所述固體料槽與所述熔融料槽的組合槽寬度的約50 80%，同時在同一長度上，所述熔融料槽的深度增加到所述計量槽深度的約170 220%。所述固體料槽的起點具有與所述供料槽寬度基本相同的寬度，并且在所述固體料槽長度的約70 90%內，其寬度保持基本恒定。所述固體料槽的起點具有與所述供料槽深度基本相同的深度，并且在所述固體料槽長度的約70 90%內，其深度逐漸減小到與所述計量槽深度基本相同的深度。在所述固體料槽長度的約70 90%之后，在所述固體料槽的長度終點的約10 30%內，所述固體料槽的寬度迅速減小到所述固體料槽與所述熔融料槽的組合槽寬度的約 20 50%。在基本相同的長度上，所述固體料槽的深度迅速減小到所述計量槽深度的約 20 50%，并且在同一長度上，所述屏障螺紋的間隙顯著增加到所述計量槽深度的約20 50%。所述固體料槽的端部具有所述計量槽深度的約20 50%的相對較淺深度，以防止大量固體材料進入所述計量槽，同時提供朝向所述計量槽的充分大的開口而不會產生死點， 并且使具有較淺深度的槽面積最小，以避免產生過多熱量。通過將所述主螺紋轉換為第二屏障螺紋以及將所述屏障螺紋轉換為第二主螺紋， 所述主螺紋與所述屏障螺紋在所述壓縮段的端部互換其功能。螺紋互換導致所述熔融料槽和所述固體料槽的位置相對于螺桿旋轉而轉換，并且通過螺桿旋轉的阻力流，在不需要所述熔融料槽中具有高壓的情況下，使熔融料從深熔融料槽分配到淺固體料槽。在約1 3倍螺桿直徑的螺桿軸向長度內，在螺紋互換之后位于第二主螺紋的從動側的熔融料槽的深度從所述計量槽深度的約170 220%迅速減小到所述計量槽深度。 在同一螺桿軸向長度上，在螺紋互換之后位于第二主螺紋的推擠側的固體料槽的深度從所述計量槽深度的約20 50%迅速增加到所述計量槽深度。
圖1是具有常規螺桿的單螺桿擠出機的示意圖。圖2是典型的常規螺桿的示意圖。圖3示出了在熔融過程中常規螺桿槽的理想化橫截面。圖4示出了具有對角線屏障螺紋的分離型螺桿的展開螺桿槽。圖5示出了具有平行屏障螺紋和恒定主螺紋螺距的分離型螺桿的展開螺桿槽。圖6示出了隨著主螺紋螺距和屏障螺紋螺距的增加，在整個供料段和壓縮段具有恒定固體料槽寬度的分離型螺桿的展開螺桿槽。圖7示出了具有敞開的平行屏障螺紋、恒定螺紋螺距和螺紋互換的分離型螺桿的展開螺桿槽。
圖8示出本發明的科學設計的分離型螺桿的展開螺桿槽的示例性實施例。
具體實施例方式對背景技術部分所提及的單螺桿擠出機中螺桿的幾何形狀和功能的一般性理解將有助于理解和認識本發明示例性實施例的新穎結構特征和優點。如要獲得更多的背景信息，請參見技術文獻 Chan I. Chung, Extrusion of Polymers, Theory and Practice (1st ed. 2000)；在此通過引用方式將該文獻的全部內容并入本文作為參考。在下面針對本發明具體實施例的說明書和相關附圖中披露了本發明的幾個方面。 在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以設計出替換實施例。另外，為了不影響對本發明相關細節的理解，本發明示例性實施例中的已知元件將不再進行詳細描述或者將其省略。此外，為了便于理解說明書，下面將就本文所使用的若干術語進行論述。本文所使用的詞語“示例性”是指“用作范例、實例或例證”。本文被描述為“示例性”的任何實施例不一定解釋為比其他實施例優選或有利。同樣，術語“本發明的實施例”、 “實施例”或“發明”不要求本發明的所有實施例都包括所論述的特征、優點或操作模式。圖1示意性地示出了具有常規螺桿102的示例性單螺桿擠出機100。由馬達104 旋轉螺桿102，由加熱器108加熱料筒106。圖2示意性地示出了常規螺桿102的設計。螺桿102具有一條螺旋狀螺紋或螺棱202，從而沿螺桿102形成具有槽深206的連續螺桿槽 204。螺紋202與料筒之間具有最小的間隙。螺紋202行進一圈的軸向距離為螺桿102的節距或螺距208。螺桿102包括三個不同的段位于擠出機供料端且具有恒定深度的供料段 210、位于擠出機排出端且具有恒定深度的計量段212以及位于供料段210與計量段212之間的過渡段或壓縮段214。供料段210的深度遠大于計量段212的深度，通常比計量段212 的深度深2 5倍，過渡段214的深度從供料段210的深度到計量段212的深度減小。螺桿102的螺紋部分的長度L或螺桿長度一般用螺桿直徑D的倍數表示。例如，長度/直徑比為30或30L/D的螺桿長度等于螺桿直徑D的30倍。大多數螺桿的L/D范圍約為20 45，通常在30左右。這三個不同段的長度、深度以及螺桿102的螺距208需要根據塑性材料的具體性質和加工的具體要求來設計。在簡單設計中，螺桿102的三個不同段的長度大致相同，各段的長度約為螺桿長度L的三分之一，螺桿102的螺距208大致等于螺桿直徑D。參照圖1和圖2，呈小球、碎片、粉末或薄片等形態的固體塑性材料從料斗110供應到螺桿102內。供應到螺桿102內的固體塑性材料從擠出機的供料端到排出端向下游移動，并通過螺桿102的旋轉而被壓實，從而在螺桿槽204中形成致密裝填的固體床。固體床的基本上完全壓實通常出現在距料斗110約4 7L/D處。固體床隨著螺桿102而旋轉，從而以與螺桿102幾乎相同的圓周速度在料筒106上摩擦，并且隨著固體床沿著螺桿槽204 緩慢向下滑落而逐漸熔融。圖3示出了固體床302的熔融機構。在固體床302與熱料筒304之間形成有熔融塑性材料的薄膜或熔融料膜306，并且熔融料膜306被固體床302在料筒304上的摩擦力高度剪切，大量的熱產生在熔融料膜306內。馬達提供摩擦力。利用在熔融料膜306內產生的熱量，熔融主要出現在固體床302的與料筒304接觸的頂部表面上。固體床302的厚度308(不是寬度310)由于熔融而沿著螺桿槽減小。塑性材料具有非常低的導熱性，所以塑性材料因熱料筒304熱傳導所造成的熔融通常極小。實際上，在高螺桿速度下，熔融料膜306內會產生大量的熱，為避免對熔融料過度加熱，必須冷卻料筒304以去除過度的熱量。 形成在料筒304上的熔融料通過螺桿的旋轉螺紋的擦拭作用而被收集到熔池312中。固體床302的量沿著螺桿槽逐漸減少，而熔池312中的量逐漸增加。為了獲得良好的產品質量， 需要固體床302在螺桿102的端部之前完全熔融，從而形成具有相同溫度的均質熔池并且在整個螺桿槽內混合。再次參照圖1，螺桿102通過機頭112泵出或計量熔融料。機頭112通過接頭連接在料筒106上。通過位于螺桿102端部的過濾網組114過濾熔融料以去除大的外來固體顆粒，并且過濾網組114會產生大的壓降。螺桿102端部的壓力或排出壓力P為經由過濾網組114、接頭和機頭112的壓降的總和。擠出機的螺桿執行三個主要功能固體輸送、熔融和計量。螺桿固體輸送能力和計量能力的增加幾乎與螺桿速度的增加成比例，但是螺桿熔融能力的增加遠小于螺桿速度的增加比例。因此，隨著螺桿速度的增加，在沿著螺桿槽更向下的點處出現固體床的完全熔融。最后，隨著螺桿速度的增加，在螺桿內部出現固體床的不完全熔融，從而限制了產量。此外，可以觀察到，當固體床朝螺桿端部變少時，固體床變得不穩定并破碎成被稱為“固體床小塊”的小固體塊。固體床小塊會混入熔池中，使得熔池不均質，從而也限制了產量。為了提高螺桿的熔融能力和/或為了防止固體床小塊混入熔池中，已經研發了多種特殊螺桿設計。最成功的特殊螺桿設計為分離型螺桿，例如在作為背景技術的Maillefer 的美國專利3，358，327,Geyer的美國專利3，375，549,Lacher的美國專利3，271，819,Barr 的美國專利3，698，541、Hsu的美國專利3，858，856、Kim的美國專利3，867，079、Dray和 Lawrence的美國專利3，650，652以及Chung的美國專利4，000, 884中披露的那些設計。除了主螺紋以外，這些分離型螺桿通常在壓縮段內具有屏障螺紋，從而將螺桿槽分成兩個槽， 即固體料槽和熔融料槽。屏障螺紋與料筒之間一般具有緊密間隙，從而僅允許熔融料流過緊密間隙，而防止不完全熔融的塑性材料和固體床小塊從固體料槽越過屏障螺紋進入熔融料槽。雖然這些分離型螺桿比常規螺桿表現得更好，但是所有這些分離型螺桿都具有一些不理想的結構特征，會引起對固體床運動的阻塞、熔融料的停滯或計量能力較差。對固體床運動的阻塞會導致輸出波動，而熔融料的停滯會導致熔融料的降解。計量能力較差會降低每次螺桿旋轉的輸出率，并增大從擠出機排出的熔融料的溫度。如圖4所示，作為背景技術的Maillefer的美國專利3，358，327、Geyer的美國專利3，375，549以及Lacher的美國專利3，271，819披露的分離型螺桿在壓縮段416內大致具有對角線屏障螺紋。計量槽402與供料槽404被對角線屏障螺紋406完全分開。因此， 在這些分離型螺桿的計量槽402內不存在固體床小塊。然而，對角線屏障螺紋406使固體料槽408的寬度沿螺桿槽減小，而熔融料槽410的寬度沿螺桿槽增加。固體料槽408的寬度減小迫使固體床沿固體料槽408減小其寬度。因為固體床主要在其與料筒接觸的表面上熔融并且固體床的厚度僅在熔融時減小，所以固體床被緊密裝填并且阻止其寬度的任何變形。因此，固體料槽408的寬度減小引起固體床沿固體料槽408的運動阻塞。此外，因為對角線屏障螺紋406與主螺紋414連接，所以對角線屏障螺紋在其起點和終點處產生死點 412。尤其是對于剛性聚合材料而言，這些具有對角線屏障螺紋的分離型螺桿受到由于對固體床運動的阻塞以及熔融料在死點處的降解所引起的輸出波動的影響。作為背景技術的Barr的美國專利3，698，541和Hsu的美國專利3，858，856披露的分離型螺桿具有與主螺紋平行的屏障螺紋，同時在整個螺桿上保持主螺紋的螺距恒定。一旦形成固體料槽和熔融料槽，它們的寬度就保持恒定。恒定的固體料槽寬度不會引起固體床沿固體料槽運動的任何阻塞。然而，壓縮段504內的屏障螺紋502從主螺紋506的推擠邊 (如圖5所示的Barr的美國專利3，698，541的情況)或者從主螺紋的從動邊(如Hsu的美國專利3，858，856的情況)陡峭地開始，從而在其起點處，供料槽518的面積從供料段508 到壓縮段504內的固體料槽520急劇減小，通常減小約35%，并產生圖5所示的死點510。槽面積的急劇減小引起對固體床運動的嚴重阻塞，從而引起輸出波動。屏障螺紋 502與主螺紋506合并而終止，從而產生另一個死點512。此外，窄的熔融料槽514在端部變得很深，以容納熔融料的增加量。隨著螺桿槽的深度/寬度比增加，螺桿槽的計量能力減小，這是因為附著在螺紋的較大表面上的熔融料并未移動。因此，在端部的窄而深的熔融料槽514具有較差的計量能力。分離型螺桿受到在死點處和在深熔融料槽內的熔融料降解的影響。在主螺紋推擠側的深熔融料槽514內累積的熔融料必須分配到位于壓縮段504端部的計量槽516中。然而，熔融料分配的所需方向與下文描述的由螺桿旋轉驅動的熔融料自然流動的方向相反，并且熔融料的分配要求在熔融料槽514的端部具有高壓。熔融料槽514 端部的高壓還降低了沿著熔融料槽的計量量，從而不利地影響了螺桿的性能。螺桿槽內的熔融料附著在所有螺桿表面和料筒表面上。附著在螺桿表面上的熔融料隨著螺桿旋轉，但是附著在料筒表面上的熔融料不會移動并且與靜止料筒一起不動。因此，如圖5所示，附著在料筒表面上的靜止熔融料在螺桿槽內沿著與螺桿旋轉方向相反的方向從螺紋的從動側移動到推擠側，這稱為“阻力流”。阻力流提供了螺桿的計量能力。圖6示出了作為背景技術的Kim的美國專利3，867，079披露的分離型螺桿。這種螺桿從供料段端部的主螺紋604開始屏障螺紋602，從而形成熔融料槽606。通過增加主螺紋604和屏障螺紋602的螺距，使熔融料槽寬度逐漸增加到供料槽608寬度的約50 100%。供料槽608從供料段起不被屏障螺紋602分割，并且其寬度在壓縮段610內保持恒定。因此，在整個供料段和壓縮段，固體料槽612的寬度保持恒定。這種分離型螺桿的設計消除了對固體床運動的阻塞問題。然而，主螺紋604和屏障螺紋602的螺距朝向壓縮段610 的端部變得極大，并且兩個槽的輸送量都減小。在屏障螺紋602的起點處仍然存在死點614 的問題。在這種設計中，固體料槽612朝向計量槽616敞開。如果固體料槽612的端部比屏障螺紋602的間隙深并且更接近于固體塑性材料的尺寸，那么不完全熔融的塑性材料可以進入計量槽616。如果固體料槽612的端部很淺并且接近于屏障螺紋602的間隙，那么存在極淺槽深度的大固體料槽區域并且在該區域內將出現熔融料過熱。除了在熔融料槽寬度增大到所需寬度之后其便保持恒定的主要差別以外，Dray和Lawrence的美國專利3，650，652 披露的分離型螺桿類似于Kim的美國專利3，867，079披露的分離型螺桿。圖7示出了作為背景技術的Chimg的美國專利4，000, 884披露的分離型螺桿。這種分離型螺桿具有平行于主螺紋704的屏障螺紋702，并且與Barr的美國專利3，698，541 披露的分離型螺桿類似，主螺紋螺距保持恒定，但是屏障螺紋702在起點和終點處不與主螺紋704連接。因此，熔融料槽706朝向供料槽708敞開而沒有死點，并且固體料槽710朝向計量槽712敞開而沒有死點。在壓縮段714的端部，主螺紋704終止，而屏障螺紋702轉換為新的主螺紋716。螺紋的這種互換使熔融料槽706和固體料槽710的位置相對于螺桿旋轉而發生轉換，從而通過螺桿旋轉的阻力流使熔融料從端部的深熔融料槽706分配到淺的計量槽712中，而不需要在深熔融料槽706中的高壓。然而，與Barr的美國專利3，698，541 披露的分離型螺桿類似，供料槽708的寬度在壓縮段的起始處被熔融料槽706急劇地減小。 因此，在壓縮段714的起始處出現了對固體床運動的阻塞。因為固體料槽710朝向計量槽 712敞開，所以這種分離型螺桿也受到針對Kim的美國專利3，867，079披露的分離型螺桿所論述的相同問題的影響。本發明的目的是消除所有之前的分離型螺桿所遇到的全部問題，例如對固體床運動的阻塞、塑性材料在死點處或在深熔融料槽內的降解、在端部處固體床小塊從很大深度的固體料槽進入熔融料槽、在端部處在極淺深度的固體料槽端部的熔融料過熱、在端部處極深熔融料槽的很差計量能力以及在與阻力流相反方向上從深熔融料槽進入淺計量槽的不希望的熔融料分配。本發明的另一個目的是實現具有一致溫度及從擠出機釋放混合的均質熔融料質量，以獲得良好的產品質量和提高的生產率。前述目的的從屬目的是教導和提供一種實現所述目的的新穎的分離型螺桿。在下面針對本發明具體實施例的說明書和相關附圖中披露了本發明的幾個方面。 一些示例性實施例包括用于說明的示例性范圍或尺寸。在不脫離本發明的范圍的情況下， 本領域技術人員可以利用額外實施例、范圍、尺寸或類似的說明性特征。圖8是本發明的示例性實施例。位置1至位置6表示從螺桿的供料端起沿著螺桿軸的六個特定位置。與料筒具有最小間隙的主螺紋802起始于螺桿的供料端，從而形成供料槽804。主螺紋802的螺距在供料段內保持基本恒定，并且其螺距在位置1的供料段端部處或在供料段端部附近增加。位置2與位置4之間的與料筒具有緊密間隙的第一屏障螺紋806起始于位置2，位置2位于緊接在主螺紋802的螺距增加之后的主螺紋802的推擠側附近。位置2位于位置1下游的供料槽寬度的約5 15%的位置。第一屏障螺紋806的起點與主螺紋802分開而不會產生死點，并且第一屏障螺紋在壓縮段812內形成固體料槽 808和熔融料槽810。第一屏障螺紋806的間隙大于主螺紋802的間隙，從而允許熔融料從固體料槽808流經間隙而流入熔融料槽810中，并且防止固體塑性材料進入熔融料槽810。在位置1的供料槽804延續并成為具有與位置1處基本相同的槽深度和槽寬度的固體料槽808，固體料槽808的槽面積基本沒有減小，因此不會阻塞固體床的運動。熔融料槽810的起點具有與計量槽深度相同或更深的深度，因此在位置1與位置2之間對固體料槽808和/或供料槽804提供開口而不會產生死點。以下示例性結構特征是本發明示例性實施例的新特征屏障螺紋806起始于主螺紋802下游并與主螺紋802分開，從而在熔融料槽810的起點不會產生死點，同時在基本不減小寬度和深度的情況下使供料槽804轉換成固體料槽808以避免對固體床運動的阻塞。通過迅速增加主螺紋802和第一屏障螺紋806的螺距，在熔融料槽810從位置1到位置3的長度起點的約10 30%內，熔融料槽810的寬度迅速增加到固體料槽808的寬度約30 50 %，然后在其從位置3到位置4的長度起點的約70 90 %內，保持其寬度基本恒定。在熔融料槽從位置1到位置4的長度起點的約70 90%內，熔融料槽深度逐漸增加到計量槽深度的約150 200%。然后，通過增加第一屏障螺紋806的螺距并減小與增加量基本相同量的固體料槽寬度，在熔融料槽從位置4到位置5的長度終點的約10 30%內，熔融料槽的寬度迅速增加到固體料槽808與熔融料槽810的組合槽寬度的約50 80%。在
10熔融料槽810的長度起點的約70 90%之后，在熔融料槽從位置4到位置5的長度終點的約10 30%內，熔融料槽810的深度迅速增加到計量槽深度的約170 220%。固體料槽 808起點的寬度和深度與供料槽804的寬度和深度基本相同，并且在固體料槽808從位置1 到位置4長度的約70 90%內，保持基本相同的寬度，同時在同一長度上，其深度逐漸減小到與計量槽深度基本相同的深度。然后，在固體料槽808從位置4到位置5的長度終點的約10 30%內，固體料槽808的寬度迅速減小到固體料槽808與熔融料槽810的組合槽寬度的約20 50%，并且在同一長度上，其深度也迅速減小到計量槽深度的約20 50%。 位置4與位置5之間的第二屏障螺紋816具有比第一屏障螺紋806更大的螺紋間隙，以適應由于固體料槽面積迅速減小而導致的從固體料槽808流入熔融料槽810的更高的熔融料流速。雖然固體料槽808的端部具有相對較淺的深度以防止固體床塊進入計量槽814，但是固體料槽808的端部朝向計量槽814充分敞開而不會產生死點，并且使在位置5附近具有相對較淺深度的固體料槽面積相對較小，從而基本上避免產生過多熱量。固體料槽808與熔融料槽810的組合寬度在位置3與位置5之間基本恒定。雖然固體料槽808的寬度和深度朝向位置4與位置5之間的壓縮段812的端部迅速減小，但是由于固體床變得很小且不牢固，所以基本防止了對固體床運動的阻塞，并且在到達位置4之后便基本上破碎了。以下結構特征是本發明示例性實施例的另一新特征迅速改變固體料槽808和熔融料槽810的槽面積，并且利用朝向壓縮段812端部的第二屏障螺紋816。在位置5的壓縮段812的端部，主螺紋802轉換成位于位置5與位置6之間的第三屏障螺紋818，第二屏障螺紋816轉換成第二主螺紋820。螺紋的這種互換導致熔融料槽 810和固體料槽808的位置相對于螺桿旋轉而轉換。熔融料槽810在位置5的螺紋互換之前位于原主螺紋802的推擠側，但是熔融料槽810在位置5的螺紋互換之后位于第二主螺紋820的從動側。在位置5與位置6之間，現在位于第二主螺紋820的從動側的熔融料槽 810的深度從計量槽深度的約170 220%迅速減小到計量槽深度，而在同一位置之間，現在位于第二主螺紋820的推擠側的固體料槽808的深度從計量槽深度的約20 50%迅速增加到計量槽深度。整個螺桿槽的深度在位置6變得與計量槽深度基本相同。通過螺桿旋轉的阻力流，在不需要深熔融料槽810中具有高壓的情況下，基本上可以有效地在位置5與位置6之間使熔融料從深熔融料槽810分配到淺固體料槽808。位置5與位置6之間的軸向距離通常約為螺桿直徑的1 3倍。第三屏障螺紋818的螺紋間隙被設計成足夠大，從而幾乎通過阻力流就可以實現熔融料分配，但是其也要設計成足夠小，從而在熔融料分配過程中進一步提高熔融料質量。可以取消位置5與位置6之間的第三屏障螺紋818，以簡化設計或者縮短位置5與位置6之間的螺桿長度。在改進性能的實踐中，使用至少兩個本發明示例性實施例的螺桿。其中一個使用直徑為120mm、長度約30L/D的螺桿，用于在螺桿速度約95rpm、排出壓力約160kg/cm2下以約450kg/hr的輸出率非常穩定地擠出聚丙烯，而沒有任何明顯的排出壓力波動。其中另一個使用直徑為120mm、長度約30L/D的螺桿，用于在螺桿速度約85rpm、排出壓力約63kg/ cm2下以約750kg/hr的輸出率非常穩定地擠出無定形聚對苯二甲酸乙二醇酯，而沒有任何明顯的排出壓力波動。前述的說明書和附圖闡明了本發明的原理、優選實施例和操作模式。然而，本發明不應當解釋為限制于上述具體實施例。本領域技術人員將會理解上述實施例的額外變化形
11式。 因此，上述實施例應當被認為是說明性而不是限制性的。因此，應當理解，在不脫離所附權利要求書限定的本發明范圍的情況下，本領域技術人員可以對上述實施例進行變化。
權利要求
1. 一種用于單螺桿擠出機的螺桿，其包括位于擠出機供料端且具有較深深度的供料段、位于擠出機排出端且具有較淺深度的計量段以及位于所述供料段與所述計量段之間的壓縮段；所述壓縮段具有至少一對與擠出機料筒具有最小間隙的螺旋主螺紋和與所述料筒具有緊密間隙的螺旋屏障螺紋；所述主螺紋起始于所述螺桿的供料端并在所述供料段內保持基本恒定的螺距，并且所述主螺紋在所述供料段內形成具有基本恒定的槽寬度和基本恒定的槽深度的螺旋供料槽；所述主螺紋的螺距在所述供料段端部處或在所述供料段端部附近增加； 所述屏障螺紋起始于所述主螺紋的推擠側附近，但是在緊接在所述主螺紋的螺距增加之后的主螺紋下游的點處與所述主螺紋充分分開而不會產生死點，并且所述屏障螺紋在所述壓縮段內形成螺旋固體料槽和螺旋熔融料槽；所述主螺紋的最小間隙或主螺紋間隙是所述螺桿和所述料筒的機械加工和裝配中的可用最小值；所述屏障螺紋的緊密間隙或屏障螺紋間隙基本上大于所述主螺紋間隙，從而允許熔融料從所述固體料槽流經所述屏障螺紋間隙而流入所述熔融料槽中，并且防止固體塑性材料進入所述熔融料槽；所述供料段的供料槽延續到所述壓縮段并成為具有基本相同的槽深度和槽寬度的所述固體料槽，所述固體料槽的槽面積基本沒有減小，并且不會阻塞緊密裝填的固體塑性材料從所述供料槽到所述固體料槽的運動；通過迅速增加所述主螺紋和所述屏障螺紋的螺距，在所述熔融料槽長度起點的約 10 30%內，所述熔融料槽的寬度迅速增加到所述固體料槽寬度的約30 50%，然后在其長度的約70 90%內，保持其寬度基本恒定；所述熔融料槽的起點具有與所述計量段的深度基本相同或更深的深度，具有朝向所述固體料槽或所述供料槽的開口而不會產生死點，并且在所述熔融料槽長度的約70 90% 內，所述熔融料槽的深度逐漸增加到所述計量槽深度的約150 200% ；在所述熔融料槽長度的約70 90%之后，通過增加所述屏障螺紋的螺距并減小與增加量基本相同量的固體料槽寬度，在所述熔融料槽長度終點的約10 30%內，所述熔融料槽的寬度增加到所述固體料槽與所述熔融料槽的組合槽寬度的約50 80%，同時在同一長度上，所述熔融料槽的深度增加到所述計量槽深度的約170 220% ；所述固體料槽的起點具有與所述供料槽寬度基本相同的寬度，并且在所述固體料槽長度的約70 90%內，其寬度保持基本恒定；所述固體料槽的起點具有與所述供料槽深度基本相同的深度，并且在所述固體料槽長度的約70 90%內，其深度逐漸減小到與所述計量槽深度基本相同的深度；在所述固體料槽長度的約70 90%之后，在所述固體料槽的長度終點的約10 30% 內，所述固體料槽的寬度減小到所述固體料槽與所述熔融料槽的組合槽寬度的約20 50%，同時在基本相同的長度上，所述固體料槽的深度減小到所述計量槽深度的約20 50%，并且在同一長度上，還顯著增大了所述屏障螺紋的間隙；所述固體料槽的端部具有所述計量槽深度的約20 50%的相對較淺深度，以防止大量固體材料進入所述計量槽，同時提供朝向所述計量槽的充分大的開口而不會產生死點， 并且使具有較淺深度的槽面積最小，以避免產生過多熱量；通過將所述主螺紋轉換為第二屏障螺紋以及將所述屏障螺紋轉換為第二主螺紋，所述主螺紋與所述屏障螺紋在所述壓縮段的端部互換其功能；螺紋互換導致所述熔融料槽和所述固體料槽的位置相對于螺桿旋轉而轉換，并且通過螺桿旋轉的阻力流，在不需要所述熔融料槽中具有高壓的情況下，使熔融料從深熔融料槽分配到淺固體料槽；在約1 3倍螺桿直徑的螺桿軸向長度內，在螺紋互換之后位于第二主螺紋的從動側的熔融料槽的深度從所述計量槽深度的約170 220%迅速減小到所述計量槽深度，而在同一螺桿軸向長度上，在螺紋互換之后位于第二主螺紋的推擠側的固體料槽的深度從所述計量槽深度的約20 50%迅速增加到所述計量槽深度。
2.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述壓縮段具有多于一對的主螺紋和屏障螺紋。
3.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述供料槽的深度和/或寬度在所述供料段內不是恒定的，而是逐漸地或階梯式地變化。
4.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述屏障螺紋的緊密間隙沿著屏障螺紋起點的約70 90%不是恒定的，而是逐漸地或階梯式地變化。
5.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述屏障螺紋的緊密間隙沿著屏障螺紋終點的約10 30%不是恒定的，而是逐漸地或階梯式地變化。
6.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述固體料槽的深度或所述熔融料槽的深度沿著所述壓縮段非逐漸式地變化。
7.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述固體料槽的深度或所述熔融料槽的深度沿著所述壓縮段以多于兩個的不連續階梯方式變化。
8.根據權利要求6所述的螺桿，其中，所述固體料槽的深度或所述熔融料槽的深度沿著所述壓縮段以多于兩個的不連續階梯方式變化。
9.根據權利要求1所述的螺桿，其中，在所述壓縮段的端部處，所述固體料槽的終點深度與所述屏障螺紋的終點間隙基本相同。
10.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述熔融料槽在所述壓縮段端部的寬度明顯大于所述固體料槽與所述熔融料槽的組合寬度的80%或者明顯小于所述固體料槽與所述熔融料槽的組合寬度的50%。
11.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述固體料槽與所述熔融料槽在所述壓縮段端部的組合寬度小于或大于在所述熔融料槽的寬度增加之前的值。
12.根據權利要求1所述的螺桿，其中，在多于一個的不連續階梯內，在所述熔融料槽長度終點的約10 30%內，所述熔融料槽的寬度迅速增加，所述固體料槽的寬度相應減
13.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述主螺紋終止于所述壓縮段的端部，并且在熔融料分配過程中，螺紋互換之后不存在屏障螺紋。
14.根據權利要求13所述的螺桿，其中，在小于一個螺桿直徑的螺桿軸向長度內進行螺紋互換之后的熔融料分配。
15.根據權利要求1所述的螺桿，其中，在所述壓縮段的端部不進行螺紋互換。
16.根據權利要求1所述的螺桿，其中，使所述螺桿與具有特殊設計的計量段或具有特殊設計的混合段組合，以進一步改進擠出機的性能。
17.根據權利要求1所述的螺桿，其中，所述螺桿用作多級螺桿的第一級，所述多級螺桿具有由供料段或排出段、壓縮段和計量段組成的至少一個級。
全文摘要
本發明公開了一種具有新結構特征的科學設計的新穎的分離型螺桿，其消除了以前分離型螺桿的缺點并進一步改進了其性能。這些重要的新結構特征包括在不產生任何死點的情況下開始屏障螺紋同時保持恒定的固體料槽寬度的結構；在不產生任何死點的情況下終止屏障螺紋同時保證良好熔融料質量的結構；避免過深的槽深度同時保證足夠的熔融料輸送能力的熔融料槽結構；以及避免具有淺的槽深度的槽面積過大同時保證良好熔融料質量的固體料槽結構。
文檔編號B29C47/60GK102189665SQ201010576639
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年3月5日
發明者鄭燦一 申請人:鄭燦一