本公开涉及用于冷却的方法和设备。本公开更具体地涉及用于高性能冷却的方法和设备。
背景技术
制造热塑性吹制薄膜的各种方法在塑料领域中是众所周知的，并且通常涉及形成通常称为“管”或“泡”的连续的、垂直定向的、无缝、环形塑料薄膜。热塑性材料被熔化并由挤出机通过吹制薄膜模具(模具)泵送，作为熔融薄膜的环形流离开，通过一对被驱动的挤压辊被连续地向上拉动。气体通常通过模具被手动注入到离开的熔融薄膜环形流的内部。被驱动的挤压辊用于防止气体逸出，将注入的气体捕获在内部，形成由注入的气体扩张的熔融薄膜管，直到达到期望的尺寸，并且密封模具以防止扩张气体逸出。熔融薄膜管由被驱动的挤压辊向上拉，从模具大体上向上流过冷却系统，在那里它在现在被捕获的注入气体柱周围伸展、扩张和冷却，直到它在冷冻管线处固化成凝固的薄膜管。凝固的薄膜管通过各种稳定剂并进入压扁装置，所述压扁装置将所述管转换成称为“平铺”的扁平双层热塑性薄膜。平铺的薄膜通过被驱动的挤压辊，并传送到下游转换装置，如卷绕机和制袋机进行进一步处理。
为了保持竞争力，吹制薄膜制造商必须最大化吞吐量和质量，但是冷却系统性能是一个重要的限制因素。每单位时间挤出的热塑性塑料的重量除以模具出口的周长提供了通常使用的吞吐量性能测量，并且以pph/inch单位表示，即磅每小时每模具出口周长英寸。已经开发并使用了许多不同的冷却系统，无论是在管的外部还是内部，并且在不同程度上这些系统已经取得了商业上的成功。
吹制薄膜冷却系统通常在外部、但在许多情况下也在熔融薄膜管内部提供冷却气流。冷却系统使用众所周知的伯努利和科恩达原理设计，并且在许多情况下，施加冷却气体以大体上沿着熔融薄膜管的表面流动，以在熔融薄膜管上产生保持力，从而提供熔融薄膜管的稳定性和冷却两者。如果存在过大的保持力，则会在所述过程中引起振动、颤动和高噪音水平，并且可能拉动熔融薄膜管与冷却元件发生不希望的接触，从而在熔融薄膜管中产生阻力并导致痕迹和不稳定性。在其他情况下，冷却气体替代地大体上被施加在熔融薄膜管的表面上，通常产生具有排斥力的湍流冷却，需要单独手段来稳定熔融薄膜管。
外部冷却系统通常提供用于熔融薄膜管的稳定和冷却的主要手段，通常易于操作并且用于大多数吹制薄膜挤出工艺。外部冷却系统提供沿着熔融薄膜管的外部表面的冷却气流，其通常在冷却熔融薄膜管时产生保持力，直到冷却气体消散到周围气氛中。较少见的是，冷却气体的目标是大体上向内，产生排斥力，同时冷却熔融薄膜管，不希望需要单独手段来保持和稳定熔融薄膜管。
现有技术的外部冷却系统由各种类型的冷却元件组成。最早的冷却元件，即所谓的“单流气体环”，如今仍然普遍使用，在熔融薄膜管周围施加单一冷却气流。单流冷却元件通常产生良好的薄膜品质，但是有较低的吞吐量速率。随着时间的推移，额外的冷却气流已被添加到冷却元件中以产生各种多流设计，例如“双流”、“三流”或“四流”设计，并且根据应用，一些外部冷却系统将冷却元件配对成各种配置，形成通常称为的“串联式”气体环。外部冷却系统通常固定在适当位置，但可以在模具上方调节高度，以允许沿着熔融薄膜管延伸冷却表面区域，产生更高的吞吐量，但也导致冷却元件和模具之间更大的无支撑表面积，这是熔融薄膜管中最热和最弱的部分，这会导致稳定性降低，使其更难以操作并可能导致更窄的薄膜尺寸范围。
相比之下，内部冷却系统通常不提供主要稳定性，并且通常选择性地使用以产生超出外部冷却系统的能力的额外吞吐量。内部冷却系统取代手动注气，并通过从模具进入的内部供应气流对熔融薄膜管充气。尽管最近的一些高吞吐量的内部冷却系统施加冷却气体以产生保持力，但更通常的是，冷却气体被引导抵靠熔融薄膜管的内部表面，起到大体上排斥和冷却熔融薄膜管的内部表面的作用。内部供应气流被捕获在气泡内并且不会消散到大气中，因此复杂的控制系统用于平衡通过模具排出的内部排气流以保持恒定的气泡尺寸，这是众所周知的并且如本领域技术人员理解地那样。内部冷却系统可能很难或甚至不可能使用，这取决于诸如操作员技能、热塑性材料特性以及相关模具的物理尺寸和设计等因素。
非常希望克服现有技术热塑性冷却系统的缺点，并提供一种冷却系统，所述冷却系统显著提高吞吐量速率，最大化空气动力学保持力，允许相对较大的无支撑区域的熔融管具有良好的稳定性，产生宽范围薄膜尺寸，防止在熔融薄膜表面上的阻力，最小化湍流、振动和颤动，不产生高声音功率水平，并且简单且易于控制。
技术实现要素：
鉴于前述内容，本公开的目的是提供一种用于冷却的方法和设备。
本公开的第一示例性实施方式呈现一种用于冷却的设备。所述设备包括至少一个壳体，所述至少一个壳体包括腔体，所述腔体具有由熔融薄膜腔体部分和冷却元件腔体部分进一步限定的操作范围。所述腔体可操作用于接收来自至少一个冷却元件的冷却气体的至少一部分，其中所述至少一个壳体可操作以在熔融薄膜腔体部分的内部表面和外部表面之间维持预定压力差。
第二示例性实施方式包括其中所述预定压力差维持所述熔融薄膜腔体部分的稳定性和所述至少一个冷却元件的冷却效率。
第三示例性实施方式包括其中所述至少一个壳体还包括至少一个端口，所述至少一个端口维持可变排气装置，所述可变排气装置可操作用于将冷却气体的一部分从所述腔体通过所述至少一个端口移动到周围气氛以维持所述预定压力差。
第四示例性实施方式包括其中所述设备还包括流动缓冲器，所述流动缓冲器包括进入到所述腔体中的通道，所述通道将所述腔体与所述周围气氛流体连接。
本公开的第四示例性实施方式呈现一种用于冷却的方法。所述方法包括由至少一个壳体接收来自至少一个冷却元件的冷却气体的至少一部分，所述至少一个壳体包括腔体，所述腔体具有由熔融薄膜腔体部分和冷却元件腔体部分进一步限定的操作范围；以及由所述至少一个壳体维持熔融薄膜腔体部分的内部表面和外部表面之间的预定压力差。
以下将描述本发明的实施方式，但应该理解的是，本发明不限于所描述的实施方式，并且在不脱离基本原理的情况下可以对本发明进行各种修改。因此，本发明的范围仅由所附权利要求确定。
附图说明
图1是适于实践本公开的示例性实施方式的装置的截面图。
图2是适于实践本公开的示例性实施方式的示例性流动缓冲器的放大图。
图3是适于实践本公开的示例性实施方式的可选示例性冷却元件的放大截面图。
图4是适于实践本公开的示例性实施方式的可选装置的截面图。
图5是适于实践本公开的示例性实施方式的又一装置的截面图。
图6是适用于实践本公开的示例性实施方式的又一装置的剖视图。
图7是根据用于执行本公开的示例性实施方式的方法和设备的逻辑流程图。
具体实施方式
本发明的示例性实施方式涉及用于吹制薄膜管挤出工艺的高性能冷却系统，其提供高质量的增加的吞吐量。高性能冷却系统的实施方式包括一个或多个壳体或受控压力壳体，从而在熔融薄膜管周围形成与周围气氛隔离的气体体积腔体(腔体)。腔体直接接收来自一个或多个相关的冷却元件、通常沿着熔融薄膜管的外部表面传出的至少一部分冷却气体。腔体的范围由壳体壁、冷却元件的与腔体接触的部分(也称为冷却元件腔体部分)和熔融薄膜管的与腔体接触的部分(也称为熔融薄膜腔体部分)组合形成。
每个壳体包括可变排气装置，所述可变排气装置可调节地将气体从相关联的腔体通过壳体中的端口传递到周围气氛，从而允许相对于每个壳体内的腔体的周围气氛进行压力调节。当熔融薄膜管拉伸并形成在熔融薄膜管内所包含的所捕获的内部气体体积周围时，产生基本上恒定的内部管压力，通常远低于1”h2o(相对于周围气氛)。产生的腔体压力直接作用在熔融薄膜腔体部分的外部表面上，并且内部管压力直接作用在熔融薄膜腔体部分的内部表面上，以产生跨过熔融薄膜腔体部分的预定压力差。预定压力差被调节以最大化熔融薄膜腔体部分的稳定性和冷却元件腔体部分的冷却效率，以提供更高的吞吐量速率和更好的薄膜品质。
可变排气装置优选为风扇构件，所述风扇构件选择为具有下述操作特性，即不会产生足够大的预定压力差以拉伸熔融薄膜管的流动并因此拉伸冷却元件之间的熔融薄膜腔体部分以及在相关的冷却元件上暂停导致熔融薄膜管的流动中断。典型的风扇设计具有明确定义和广泛的操作特性(公布为“风扇曲线”)，其由本领域技术人员容易地选择。为了简化预定压力差的调节，允许更广泛地选择可变排气装置，并进一步防止暂停，流动缓冲器被优选地添加到每个壳体，以允许气体在腔体和周围气氛之间进行交换。流动缓冲器的最简单形式是流体连接腔体与周围气氛的通过壳体壁的通道。当通过可变排气装置的气流相对于冷却气体腔体部分被调节时，产生通过通道的气流。通过通道的气流产生相对于周围大气压力的相关通道压降，所述相关通道压降建立腔体压力以产生期望的预定压力差。可变排气装置和通道的尺寸设定为在冷却气流的整个预期范围内产生期望范围的预定压力差，所述可变排气装置和通道共同作用以形成快速作用腔体压力调节器。
有利地，自由摆动的挡板通常通过重力悬挂在流动缓冲器通道内。当腔体压力等于大气压力时，没有气体流过通道，并且挡板垂直向下悬挂，从而在通道中形成最大阻挡。当进行预定的压力差调节时，通过通道的气流改变，导致挡板的可变偏转，所述可变偏转沿着通过通道的气流方向可变地阻挡通道。挡板的位置提供了易于解释的视觉指示，指示通过通道的气流的方向和大小。
通过给挡板预定的重量和几何形状，可以容易地设定流动缓冲器的压力调节特性。通道的几何形状也可以采用多种形式(即形状)以实现非常平滑、快速作用的压力调节，通过可变排气装置容易地调节。流动缓冲器的实施方式包括更复杂的设计，只要它们允许与腔体和周围气氛之间的相关的限定压降的可变气体交换。
本公开的实施方式和本文所述的发散冷却元件可以可操作地布置在顶部具有双流气体环的四(4)元件短堆叠构造中，如以代理人档案号100646.000005提交的第一发明人为roberte.cree的于2016年1月1日提交的名为“highperformancecoolingelement”的共同未决申请所述，其内容在此通过引用并入。本公开的实施方式的稳定操作可以通过冷却元件之间的大于4英寸的间隔开的尺寸来实现。此外，可以实现熔融薄膜管内的零内压，从而提供稳定的直立(从最终冷却元件的)管形成。另外，可以增加内部管压力，从而产生通常能够生产的更大的薄膜尺寸的完整范围。与传统的双流冷却手段相比，吞吐量速率可提高超过65％。
图1示出了利用短堆叠冷却系统的采用本发明的壳体28的典型吹制薄膜挤出过程的截面图。在图1中-图6中，指示方向的所有细箭头仅用于说明目的，例如标记为af，并指示流体(例如冷却气体)的方向流动。此外，指示方向的粗箭头仅用于说明目的，例如标记为mf，并指示塑料薄膜材料(例如熔融薄膜管)的方向流动。通过进料斗2将热塑性树脂引入挤出机4中，在挤出机4中树脂熔化、混合并加压。熔融树脂通过熔融管6输送到模具构件8中，所述模具构件形成为作为熔融薄膜管12大体上从模具构件8的上表面排出的环形熔融流。
内部气体供应管道10将内部冷却/充气气体穿过模具构件8可操作地提供到熔融薄膜管12和固化薄膜管16的内部。内部排气管道9根据需要将内部冷却/充气气体穿过模具构件8可操作地移除，以维持熔融薄膜管12和固化薄膜管16内的气体的所需捕获管体积，并进一步由夹辊20包含。穿过内部气体供应管道10和内部排气管道9的气流由本领域技术人员通常理解的方法控制。熔融薄膜管12围绕气体的捕获管体积向外扩张，并且被夹辊20向上拉，同时在冷冻管线14处被冷却以固化，形成固化薄膜管16。固化薄膜管16在穿过夹辊20形成扁平膜22之前由压平导向件18压平。扁平膜22接下来被输送到下游设备以根据需要转化成可用产品。
环形冷却元件23、24a-d和26设置成与熔融薄膜管12的流动方向同轴并且沿着熔融薄膜管12的流动方向。冷却元件23、24a-d和26分别由合适的外部源来供应冷却气体，引导相关冷却气体在熔融薄膜管12的旁边，大体上沿着与熔融薄膜管12的流动相同和/或相反的方向，用于稳定和冷却熔融薄膜管12。
大体上沿着熔融薄膜管12的流动方向从冷却元件23和24a-c行进的向上冷却气体以及大体上沿着与熔融薄膜管12的流动方向相反地从冷却元件24a-d行进的向下冷却气体直接流动到熔融薄膜管12周围的腔体c中。腔体c由壳体28容纳并与周围气氛隔离，其中由冷却元件23和24a-d的与腔体c接触的部分(冷却元件腔体部分)和熔融薄膜管12的与腔体c接触的部分(熔融薄膜腔体部分)形成附加范围。进入腔体c的冷却气体在熔融薄膜管12旁边流动并且冷却熔融薄膜管12，并在冷却元件23和24a-d之间排出，并被收集以由壳体28进一步处理。来自冷却元件26的大体上向上指向的冷却气体受周围气氛的直接影响，沿着熔融薄膜管12不受限制地流动，同时冷却熔融薄膜管12并允许熔融薄膜管12自由扩张。
安装在通过壳体28的端口中的可变排气装置30将气体从腔体c传送到周围气氛。可变排气装置30的选择很重要。如果可变排气装置30太大或功率太强，则可能在壳体28内产生过高的腔体c压力，足以导致熔融薄膜管12的暂停。可变排气装置30优选地选择为低压、高流动设计，足以提供所需的压力和流量。腔体c相对于周围气氛的压力由可变排气装置30使用可变控制器构件32来调节，以产生跨过熔融膜腔体部分的预定压力差，所述预定压力差使熔融薄膜腔体部分的稳定性和冷却元件腔体部分的冷却效率最大化，以提供更高的吞吐量速率和更好的薄膜品质。
壳体28的实施方式可以包括流动缓冲器34，所述流动缓冲器最小限度地包括将腔体c流体连接到周围气氛的穿过壳体28的壁的通道。当通过可变排气装置30的气流相对于进入腔体c的冷却气体进行调节时，通过流动缓冲器34的气流改变。气体流动缓冲器34的流动产生相对于周围大气压力的相关压降，所述相关压降建立腔体c压力和跨过熔融膜腔体部分的相关预定压力差。
选择性地添加的自由摆动挡板36，大体上通过重力悬挂在流动缓冲器34的通道内。当腔体c压力等于大气压力时，没有气体流过流动缓冲器34，并且挡板垂直向下悬垂，从而在通道中产生最大阻挡。当进行预定压力差调节时，气体流过流动缓冲器34，引起挡板36的可变偏转，所述可变偏转沿着通过通道的气流方向可变地阻挡流动缓冲器34。挡板36的位置提供易于解释的通过流动缓冲器34的气流的方向和大小的视觉指示。取决于可变排气装置30的选择，可选的流动缓冲器34的特性可以容易地通过预先确定挡板36的重量和几何形状和流动缓冲器34的通道几何形状来设定，以便实现由可变控制器构件32可调节的在跨过熔融薄膜腔体部分的预定压力差的整个期望范围内的腔体c压力的非常平稳、快速作用的调节。
图2示出了壳体28的放大的局部截面，所述壳体具有包括挡板36的可选的流动缓冲器34。壳体28设置有作为穿过壳体28的壁的通道而最小限度地安装的可选的流动缓冲器34，并且包括由重力大体上悬挂在流动缓冲器34的通道内部并围绕枢轴37自由摆动的自由摆动的挡板36。气体被允许在壳体28的内部部分(腔体c)与周围气氛之间沿着任一方向通过流动缓冲器34，从而产生跨过流动缓冲器34的相关压力差。当气体沿着任一方向流过流动缓冲器34时，自由摆动的挡板36围绕枢轴37旋转以在重力的影响下移动，沿着气体流动方向或在无流动状态下垂直向下悬挂，从而在形成在通道范围和挡板36之间形成的在流动缓冲器34内的依赖于流动的可变截面。流动缓冲器34的压力调节特性通过调节相关的通道几何形状和自由摆动的挡板36的几何形状和重量可以容易地设定，以实现包含在壳体28内的腔体c的非常平滑、快速作用的压力调节。
图3示出了采用本发明的多个壳体28的利用短堆叠冷却系统的典型吹制薄膜挤出工艺的截面图。每个壳体28由作用在相关的可变排气装置30上的相关的可变控制器构件32以及具有另外的可选自由摆动挡板36的相关的可选流动缓冲器34调节，每个壳体28独立地作用在如前所述的一个或多个相关的冷却元件上。此外，冷却元件23和24a之间的区域示出为没有相关的壳体28，形成受周围气氛直接影响的不受控制的区域。可以以任何顺序使用任何数量的壳体28和不受控制的区域，每个壳体包括任何数量的冷却元件。另外，堆叠中存在的冷却元件的数量不受限制，并且可以根据需要包括多个或更少，包括现有技术中充分描述的全堆叠冷却系统。
所描绘的短堆叠冷却系统优选地包括在以代理人档案号100646.000005提交的第一发明人为roberte.cree的于2016年1月1日提交的名为“highperformancecoolingelement”的共同未决申请中描述的高性能、分散冷却元件，所述共同未决申请的内容在此通过引用并入。大体上在冷却元件23、24a、24b和24c的内部及周边周围间隔开的冷却气体供应管道60形成冷却气体的共同供应，并允许废气在相邻的冷却气体供应管道60之间流动，例如众所周知的并且在现有技术的可堆叠冷却系统中描述的。冷却气体供应管道60还起到将相关的冷却元件23、24a、24b和24c中的每个间隔开的作用并且与相关的冷却元件23、24a、24b和24c同心地设置在熔融薄膜管12上。冷却元件24d有利地显示为与冷却元件26共同提供有冷却气体，从而形成堆叠顶部处的高性能三流气体环。冷却元件26被描绘为单流气体环，但是可以包括多于一个冷却气流，形成多流气体环，离开以不受限制地流动，通常向上和沿着熔融薄膜管12，受周围气氛直接影响，同时冷却熔融薄膜管12并允许熔融薄膜管12自由扩张。冷却元件26也可以省略，允许冷却气体从位于最上方的高性能分散冷却元件24d离开，其中冷冻管线14位于最上方的分散冷却元件24d上方并允许熔融薄膜管12的自由扩张，或位于最上方的分散冷却元件24d下方并约束熔融薄膜管12。
图4示出了利用采用本发明的壳体28的串联气体环冷却系统的典型吹制薄膜挤出过程的截面图。冷却元件23被描绘为但不限于单流设计，将冷却气体直接提供到与壳体28相关的腔体c的下部中。冷却元件26被描绘为但不限于三流设计，在此种情况下，将其冷却气体的一部分直接提供到壳体28的腔体c的上部中。壳体28内的腔体c压力由作用在可变排气装置30上的相关可变控制器构件32和具有自由摆动挡板36的可选的流动缓冲器34调节，促使熔融薄膜管12进入到相关冷却元件23，24d和26附近的优化冷却中，从而提高了吞吐量速率和薄膜品质。
图5示出了采用本发明的壳体28的利用升高的三流冷却系统的典型吹制薄膜挤出过程的截面图。壳体28的下部优选地如图所示密封到模具8的顶部，或者可选地可以在中间模具8和冷却元件26之间间隔开，形成围绕但不接触熔融薄膜管12的环形屏障。冷却元件26被描绘为但不限于三流设计，使得其相关冷却气体的至少一部分被直接提供到与壳体28相关的腔体c的上部中。壳体28内的压力如前所述通过作用在可变排气装置30上的相关的可变控制器构件32和具有另外可选的自由摆动挡板36的可选的流动缓冲器34来调节，促使熔融薄膜管12进入到相关冷却元件24d和26附近的优化冷却中，从而提高了吞吐量速率和薄膜品质。
图6显示了采用本发明的壳体28的利用串联气体环冷却系统的典型吹制薄膜挤出过程的截面图。冷却元件23被描绘为但不限于单流设计，将冷却气体直接提供到与壳体28相关的腔体c的下部中。冷却元件26被描绘为但不限于双流设计，优选地与在此种情况下设置的壳体28的上方间隔开，以形成围绕但不接触熔融薄膜管12的环形屏障，用于隔离壳体28对冷却元件26的影响。或者，如果需要，冷却元件26可形成壳体28的上部范围，类似于图4的冷却系统，但是作为没有发散冷却元件(图4中的24d)的双流气体环。与壳体28相关的腔体c内的压力如前所述通过作用在可变排气装置30上的相关的可变控制器构件32和具有可选的自由摆动挡板36的可选的流动缓冲器34来调节，促使熔融薄膜管12进入到相关的冷却元件23和在较小程度上冷却元件26(由于远程)附近的优化冷却中，导致提高的吞吐量速率和薄膜品质。
本发明以向上吹制薄膜挤出过程呈现，但同样适用于吹制薄膜挤出过程的水平或向下版本，没有限制。
参照图7，呈现的是根据用于执行本公开的示例性实施方式的方法和设备的逻辑流程图。方框702呈现由至少一个壳体接收来自至少一个冷却元件的冷却气体的至少一部分，所述至少一个壳体包括腔体，所述腔体具有由熔融薄膜腔体部分和冷却元件腔体部分进一步限定的操作范围；以及由所述至少一个壳体维持熔融薄膜腔体部分的内部表面和外部表面之间的预定压力差。接下来，方框704呈现其中预定压力差维持熔融薄膜腔体部分的稳定性和所述至少一个冷却元件的冷却效率。
以上详述的一些非限制性实施方式也总结在图7中的方框704之后。方框706涉及其中所述至少一个壳体包括至少一个端口，所述至少一个端口维持可变排气装置，所述可变排气装置可操作用于将冷却气体的一部分从所述腔体通过所述至少一个端口移动到周围气氛以维持所述预定压力差。接下来，方框708表示其中可变排气装置不能操作以超过预定压力差，从而导致熔融薄膜管的流动暂停。接下来，方框710进一步规定所述至少一个壳体还包括至少一个流动缓冲器，所述至少一个流动缓冲器包括进入到腔体中的通道，所述通道将腔体流体连接到周围气氛允许气体流入和流出腔体。
在方框710之后，方框712涉及其中所述至少一个流动缓冲器包括挡板，所述挡板可操作以(i)可变地阻挡通过通道的气流，以及(ii)指示通过通道的气流的方向和大小。接下来，方框714表示其中挡板具有预定的重量和几何形状。接下来，方框716规定其中冷却元件腔体部分包括多个冷却元件，所述多个冷却元件中的每一个提供由腔体接收的冷却气体的至少一部分。
接下来，方框718涉及其中所述至少一个冷却元件是单流气体环或双流气体环。方框720表示其中至少一个冷却元件是三流气体环。接下来，方框722规定其中所述至少一个冷却元件是发散冷却元件，所述发散冷却元件具有可操作用于排出冷却气体的发散冷却界面。最后，方框724指示其中所述至少一个壳体包括多个壳体，所述多个壳体中的每一个可操作用于接收冷却气体的至少相关的部分以维持相关的预定压力差。
逻辑流程图可以被认为是说明方法的操作。逻辑流程图也可以被认为是特定的方式，其中装置的部件被配置为致使所述装置运行，不管这种装置是否是吹制薄膜管挤出装置、受控压力壳体、或发散冷却元件或其一个或多个组件。
已经具体参照特定实施例详细描述了本发明的实施例，但是应该理解，可以在本发明的精神和范围内进行变化和修改。因此，目前公开的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求表示，并且落入其等同物的含义和范围内的所有变化都旨在被包含在其中。