擠出機(jī)用過濾器專利分析

徐娟

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州，215000

0 引言

擠出機(jī)用過濾器是擠出過程中必不可少的裝置。而隨著擠出時間的延續(xù)，過濾網(wǎng)上的污垢越積越厚，此時熔壓升高，熔體流量下降，當(dāng)超過一定熔壓時，過濾網(wǎng)被擊破或堵塞而失效，就必須更換過濾網(wǎng)[1]。

塑料擠出機(jī)換網(wǎng)器大致可分為兩大類[2]，一是非連續(xù)型換網(wǎng)器，在換網(wǎng)時熔體料流中斷或需停機(jī)換網(wǎng)，較為典型的結(jié)構(gòu)為閥式換網(wǎng)器，該結(jié)構(gòu)中的核心部件為雙（多）孔閥板，工作時，保證其中一濾網(wǎng)孔處于熔體通道中的過濾工位，其他的濾孔則處于等待工位或清洗、更換工位，但是該類裝置的密封極度依賴熔體的熔壓，因此在換網(wǎng)時，濾網(wǎng)的移動會影響熔體壓力的下降，若熔體能夠立即填滿新更換的過濾孔則這種壓力下降可忽略，然而這種立即填滿的需求是不容易實現(xiàn)的，因此這類裝置在更換濾網(wǎng)時，通常伴隨著料流瞬間中斷，這就導(dǎo)致此類裝置的適用范圍大受影響，其僅僅能應(yīng)用于對精度、質(zhì)量要求不高的產(chǎn)品，顯然無法滿足日益精進(jìn)的技術(shù)發(fā)展需求；另一類是連續(xù)型換網(wǎng)器，可連續(xù)、自動、不停機(jī)換網(wǎng)，料流無中斷，其中液壓滑動式換網(wǎng)器最為典型，該裝置包括換網(wǎng)器本體、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和用于放置過濾網(wǎng)的分流過濾板，其中液壓系統(tǒng)為過濾網(wǎng)的移動提供動力，來完成連續(xù)換網(wǎng)，且該裝置進(jìn)一步輔助風(fēng)冷裝置，可將熔體凝固從而提供自密封功能，因此該結(jié)構(gòu)幾乎能同時滿足物料不中斷，壓力不變化以及熔體無泄漏。

在實際發(fā)展過程中，不同類型的換網(wǎng)器所面臨的技術(shù)問題是相似的，因此本文直接以IPC分類B29C47/68、B29C48/69為基礎(chǔ)，針對擠出機(jī)用過濾器主要存在的技術(shù)問題進(jìn)行研究分析。

1 擠出機(jī)用過濾器的發(fā)展情況

基于擠出機(jī)用過濾器的重要性，擠出機(jī)用過濾器幾乎隨著擠出機(jī)的出現(xiàn)就存在了，因此最早的有關(guān)擠出機(jī)用過濾器的專利申請可追溯至1950年，此時主要為結(jié)構(gòu)簡單的舊式過濾器。之后隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了停機(jī)換網(wǎng)過濾器，其類型主要為長效過濾器和快速換網(wǎng)過濾器。長效過濾器，顧名思義可延長過濾網(wǎng)片的連續(xù)工作時長，該類過濾器的換網(wǎng)面積比舊式擴(kuò)大5~50倍，相應(yīng)的工作時長也成倍地增長，缺點是換網(wǎng)需要拆卸法蘭。而快速換網(wǎng)過濾器，是從停機(jī)時間的角度出發(fā)的一種改進(jìn)裝置，快速換網(wǎng)過濾器利用人工或機(jī)械、液氣動裝置將濾網(wǎng)快速更換，雖然該過濾器仍然需要停機(jī)操作，但是已經(jīng)省去拆卸法蘭的時間。擠出成型是一種快速連續(xù)生產(chǎn)工藝，不停機(jī)生產(chǎn)才是滿足行業(yè)的發(fā)展的方向，基于此不停機(jī)換網(wǎng)過濾器應(yīng)運(yùn)而生。不停機(jī)換網(wǎng)器可在不停機(jī)、不中斷正常生產(chǎn)的情況下將濾網(wǎng)更換，其種類主要為閥式、柱塞兩種結(jié)構(gòu)，且為了進(jìn)一步完善過濾器的功能，出現(xiàn)了多功能過濾器，該過濾器具有不停機(jī)換網(wǎng)、長效濾網(wǎng)或反向沖洗濾網(wǎng)等多項功能，是高分子熔體過濾研究與發(fā)展的方向。擠出機(jī)用過濾器的研究并沒有形成壟斷性研發(fā)特性，而是各個主要工業(yè)國家均有參與。

2 擠出機(jī)用過濾器主要技術(shù)問題

德國的KREYENBORG BETEILIGUNGEN&VERW GMBH&C（克賴恩博格持股管理有限責(zé)任兩合公司）和GNEUSS KUNST GMBH（格諾伊斯塑料技術(shù)有限公司）、奧地利的EREMA ENG RECYCLING MASCH & ANLAGEN（奧地利埃瑞瑪再生工程機(jī)械設(shè)備有限公司）和BACHER H（赫爾穆特·貝徹，個人申請）、日本的FUJI PHOTO FILM CO LTD（富士膠片株式會社）是擠出機(jī)用過濾器領(lǐng)域重要的申請人，其中德國、日本和奧地利的技術(shù)發(fā)展具有領(lǐng)先地位，在發(fā)展過程中，這些重點申請人以問題為導(dǎo)向，針對擠出機(jī)用過濾器在使用過程中存在的技術(shù)問題為對象不斷地對各自的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以保證其在全球范圍內(nèi)的競爭力。在對擠出機(jī)用過濾器的專利申請分析和梳理的基礎(chǔ)上，從圖1可以看出各國在發(fā)展過程中主要致力于解決以下技術(shù)問題：①關(guān)于換網(wǎng)過程中的密封問題。②關(guān)于過濾、換網(wǎng)過程中的壓力變化問題。③關(guān)于過濾過程中的熔體堵塞、熔體形成死區(qū)或降解的問題。

針對上述技術(shù)問題，本文重點研究了這幾個技術(shù)問題是如何解決的。

3 關(guān)于換網(wǎng)過程中的密封問題的技術(shù)發(fā)展

換網(wǎng)過程中，濾網(wǎng)需要移動，為防止濾網(wǎng)移動過程中熔體的溢出，保持密封一直是研究的熱點。針對密封的問題，防止變形、改變加壓密封方式是常見的研究和改進(jìn)方向。

3.1 防止過濾器或者支撐架發(fā)生變形

為了防止過濾器或者支撐架發(fā)生變形，提高結(jié)構(gòu)剛性是常見的技術(shù)手段，提高結(jié)構(gòu)剛性的技術(shù)手段包括：從密封裝置的角度出發(fā)，例如，JP19631995A在錐形的密封套筒內(nèi)部進(jìn)一步設(shè)置濾網(wǎng)支撐移動支架從而實現(xiàn)密封的效果；CN201320603023中加設(shè)了一個加強(qiáng)圈，進(jìn)一步提高了該過濾裝置對濾網(wǎng)本體的鎖緊力，以及進(jìn)一步抑制了雜質(zhì)從濾網(wǎng)本體的邊緣漏料；從接觸面的角度出發(fā)，例如，JP14781994A在調(diào)節(jié)環(huán)和壓力環(huán)的接觸平面的邊緣處設(shè)置互相匹配的突起和凹槽，起到防止樹脂溢出效果；EP99114059A中的夾緊裝置面對閥和過濾室的表面上具有環(huán)形邊緣并設(shè)有凸緣，從而與過濾帶匹配；JP20283899A中的壓力單元將壓力通過棒傳遞到過濾器的中心通道上，棒具有V槽與中心通道的V形凸體相匹配，通過壓力的傳遞，防止過濾器變形，得到了良好的密封以防止漏料。

3.2 加壓密封方式

為了實現(xiàn)密封的效果，提供密封力是必不可少的。密封力的實現(xiàn)方式主要集中于以下兩種：①由加壓裝置提供，例如DE2903773A中設(shè)置環(huán)形壓力室，通過液壓氣缸提供額外的壓力實現(xiàn)液壓環(huán)密封，從而提供柱塞移動時所需的密封；DE3043217A設(shè)置了包括兩個同心金屬風(fēng)箱的環(huán)向壓力室對密封環(huán)施加壓力，從而實現(xiàn)過濾器的密封；DE3535269A由液壓氣缸驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)的擠出機(jī)頭對板加注密封壓力，從而抵靠在板的表面，實現(xiàn)密封；②由熔體提供，例如DE10114335A的流體進(jìn)入通道垂直于密封件和支撐件，利用流體的壓力對密封件和支撐件加壓，形成密封；CN200920054359公開了定位圈的上端面與膨脹圈貼在一起，聚合物由定位圈的縫隙進(jìn)入膨脹圈，膨脹圈受到壓力后推動進(jìn)料密封圈平面緊貼在芯板上實現(xiàn)密封；CN201410126350、CN201420151236中的密封環(huán)由多個分離的密封塊形成，料對密封環(huán)產(chǎn)生壓力，密封環(huán)受力擴(kuò)張，密封塊分散并抵緊在密封件上。

從1980年密封問題便已經(jīng)受到關(guān)注，并且從防止過濾器或者支架變形和加壓方式兩個方面進(jìn)行研究從未間斷過，至今然是該領(lǐng)域的研究重點[3]。

4 控制換網(wǎng)、過濾過程中的壓力變化的技術(shù)發(fā)展

熔體在流動過程中壓力的變化會導(dǎo)致產(chǎn)品表面上留下波紋，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。為解決這一技術(shù)問題，通常從壓力變化或波動的角度入手。

4.1 防止、減小壓力降低或損失

過濾器的結(jié)構(gòu)、熔體的流動路徑均會影響熔體的流動性能，其與熔體的壓力降低或損失息息相關(guān)，為徹底解決或者減少壓力的降低或者損失，通常對過濾器的構(gòu)造進(jìn)行改造：

①過濾器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，例如JP3770295A通過雙向?qū)ΨQ過濾系統(tǒng)來防止突然的壓力下降；DE29614351U通過讓流體預(yù)先填入過濾腔，這樣熔體不會因為填入空腔太快而導(dǎo)致壓力下降；JP23587297A、DE19732458A、DE19939755A分別通過在筒狀過濾器內(nèi)部設(shè)置波紋狀加強(qiáng)筋、過濾網(wǎng)設(shè)置為波紋狀來減小壓力降低；JP25987899A中的過濾盤兩側(cè)支撐有突出過濾介質(zhì)，過濾介質(zhì)與過濾盤具有一定的角度過濾器，從而減少壓力損失；JP2004160153A在過濾網(wǎng)兩側(cè)設(shè)置分流支撐體，從而不會產(chǎn)生大的壓力下降。②增大過濾面積，例如US20000735915A設(shè)置旋轉(zhuǎn)式過濾盤來增加過濾面積，從而降低熔體經(jīng)過過濾器時的壓力下降；CN200920206449中采用板式篩網(wǎng)器結(jié)構(gòu)，增大了過濾面積，同時使全套擠出機(jī)的熔體壓力降低，間接延長了設(shè)備的使用壽命；CN200920206449中采用板式篩網(wǎng)器結(jié)構(gòu)，增大了過濾面積，同時使全套擠出機(jī)的熔體壓力降低，間接延長了設(shè)備的使用壽命。③改進(jìn)流道構(gòu)造，例如DE69124396T設(shè)置多條平行連續(xù)的由固體塞密封的過濾通道來保證無壓力下降；US1999000473494通過同心雙熔體流道的設(shè)計來降低壓力下降；DE10358672A中借助于帶孔板片克服由于在其上出現(xiàn)的壓力下降而在塑料熔體的流動方向上所產(chǎn)生的力而支承住，并且過濾器具有向著過濾元件方向加寬的熔體通道[4]。

4.2 防止壓力流串、不穩(wěn)或波動

為了防止壓力流串、不穩(wěn)或波動，通過分析可以發(fā)現(xiàn)解決該技術(shù)問題的技術(shù)手段大體上與降低壓力下降基本一致，CN201310079704中改進(jìn)過濾器的結(jié)構(gòu)，公開了在換網(wǎng)立柱上設(shè)置輔助過濾孔，從而使整個換網(wǎng)過程中熔體通暢，壓力波動較小。CN201210057648中采用雙滑動柱，每根滑動柱上安裝兩片過濾網(wǎng)，并在兩片過濾網(wǎng)間安裝多孔板，從而達(dá)到增加過濾面積、減小換網(wǎng)壓力波動的效果；WO2004026432涉及流道的改進(jìn)，通過設(shè)置多通道，因此濾網(wǎng)架移動換網(wǎng)時過濾器上的流體壓力保持不變，避免過程壓力波動。

壓力變化問題的研究晚于密封問題的研究，但是目前卻鮮有關(guān)于壓力變化的研究，這可能是壓力變化的涉及因素多而雜，且熔體的種類對壓力的變化至關(guān)重要，普適性較低，因此在發(fā)展的過程中逐漸被排出研究熱點的范疇，而這一發(fā)展趨勢與密封性能的經(jīng)久不息形成了鮮明的對比，進(jìn)一步突出了密封性能研究的重要性和必要性。

5 防止熔體堵塞、降解的技術(shù)發(fā)展

為了清潔沉積于過濾網(wǎng)上的殘渣，防止熔體堵塞形成死區(qū)、熔體發(fā)生降解，該領(lǐng)域的解決方式比較分散，可大致分為反向沖洗過濾網(wǎng)、設(shè)置清潔裝置、其他方式等三類。反向沖洗過濾一直是研究的熱點。而在過濾器內(nèi)設(shè)置刮環(huán)或刮刀的形式，國外的文獻(xiàn)多出現(xiàn)于1990-2000之間，而中國集中在近幾年。國外如今為了防止熔體的堵塞和降解，從2000年以后提出了很多新的方法，但是這些方式并沒有很好的延續(xù)性。

（1）關(guān)于反向沖洗過濾網(wǎng)，例如，DE19615679公開了設(shè)置偏置的反沖洗通道，熔體中的雜質(zhì)無需經(jīng)過換網(wǎng)可排除；US19980049038A公開了設(shè)置反向流道從而防止熔體的停滯和降解；JP2001277030A中公開了在圓筒上設(shè)計圓錐形的小圓孔，當(dāng)過濾器35在清洗時，熔化樹脂的流向與原來流向相反孔徑變小了，可以很好地清除堵塞在圓孔的異物；AT16292002A設(shè)置分配器與分離的篩選部匹配，通過分配器的移動實現(xiàn)反沖洗；AT1152004A利用回流實現(xiàn)沖洗，從而防止堵塞；US2008197061A1中提出同時實現(xiàn)反沖洗和排污功能；WO2011AT00288中公開了濾網(wǎng)架由旋轉(zhuǎn)柱形的核心部件穿過并且可旋轉(zhuǎn)地支承在該核心部件上，其中該核心部件和罩殼相對于可旋轉(zhuǎn)的濾網(wǎng)架構(gòu)造成固定的且抗扭的，從而提高了反向沖洗的效果。

（2）關(guān)于設(shè)置起清潔作用的裝置，例如AT136198A公開的活塞可相對于刮環(huán)產(chǎn)生偏移位移，從而環(huán)刮一直以一偏壓方式配合在活塞段，可以可靠地刮除粘附于活塞上的泄露材料；ATA46597A公開了設(shè)置間隔器保持導(dǎo)軌和濾網(wǎng)架之間的空隙，從而減小材料分解和過濾器腐蝕的概率；AT136198A公開了刮環(huán)一直以一偏壓方式配合在活塞段上，因此當(dāng)活塞移出殼體時，一直可靠地刮除了粘附至活塞的泄漏材料；AT17499A公開了在過濾器的入流側(cè)面上靠置在殼體中保持的刮刀，其在過濾器回轉(zhuǎn)時將粗的雜質(zhì)從該過濾器上刮下并導(dǎo)送到一個與殼體內(nèi)腔連通的積累腔中；DE50308656A公開了在轉(zhuǎn)動的過濾器內(nèi)設(shè)置清潔裝置，清潔裝置包括用于沿徑向清除存留在過濾器上的污染物的刮除件，以盡可能快速地將分離出來的殘余物從過濾器表面上除去；US20060353294A公開了包括低輪廓表面安裝過濾器的表面安裝過濾器，從而減小流路中密封件的數(shù)量，從而減小過濾器內(nèi)部的受潮表面面積和死區(qū)。這樣就節(jié)省了烘干過濾器所需的時間（即減少干燥的時間），并可以使偏離的顆粒從死區(qū)中移出并進(jìn)入氣流的可能性最小化[5]。

6 結(jié)語

擠出機(jī)用過濾器屬于塑料加工領(lǐng)域的傳統(tǒng)工業(yè)，在20世紀(jì)50年代就迎來了萌芽期。在之后的發(fā)展中，德國、日本、美國等技術(shù)大國均投入了大量的研究。由于我國發(fā)展擠出機(jī)用過濾器技術(shù)較晚，因而具有自主知識產(chǎn)權(quán)的擠出機(jī)用過濾器的申請量很少，這嚴(yán)重影響了我國在該方面的專利布局，可從理論和實際兩個方面加以研究來提高自主研發(fā)能力，一方面可深入熔體的變化理論研究，為過濾過程提供理論支撐，另一方面可以參照重點申請人的發(fā)展模式，以問題為導(dǎo)向，持續(xù)研究。