专利名称:同向旋转的多螺旋挤出机的螺旋元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有外半径Ra和内半径Ri的螺旋元件，用于具有同向旋转的和相互啮合的螺旋轴的多螺旋挤出机，特别是用于双螺旋挤出机，该螺旋元件在通过其纵轴线的轴向横截面上具有一种外形，该外形在两轴向的端面上分别只具有一个相当于用于相互啮合的螺旋轴的传统的单螺线螺旋元件的螺旋连桥部(Schneckensteg)，其连桥部表面在一左边的与一右边的连桥部边缘之间为一具有外半径Ra的圆柱表面的部分，其中每一端面具有一具有螺旋轴内半径Ri的圆形螺根和一左边的与一右边的牙型面，其将螺根与左边的或右边的连桥部边缘相连接。
背景技术：
制造用于同向旋转的和紧密啮合的多螺旋挤出机的螺旋元件的构造原理多年来是已知的，其也称之为土壤混合器外形(Erdmenger-Profil)。有关的描述记载于例如书籍“双螺旋挤出机，基础与应用领域“中的第10-30页，该书为德国杜塞尔多夫市VDI出版社有限公司(VDI VerlagGmbH)1995年出版。在该出版物的附图1.4(第14页)中例如示出开头所述型式的单螺线螺旋元件在轴向的横截面上的外形。
为了在塑性的物料中分散和分配地混入添加剂和其他的成分通常使用多个混合部件，其由多个轴向接连排列的和相互角位错的具有土壤混合器外形的混合盘构成。各混合盘分别相互成对对置地设置在相应的双螺旋挤出机的两螺旋轴上并相互紧密啮合。在传统的混合部件中的混合过程被认为是静态过程，亦即在各个体积单元内进行的混合操作是大大不同的。因此为了达到高的混合均匀性，必须消耗很多的机械能，以便确保使尽可能每一体积单元还受到剪切。就一单个的混合盘来说，总是待处理物料的较小部分受极强的剪切，而物料的绝大部分偏离混合盘与圆柱壁之间的剪切间隙并从而只受不多的剪切。由于该原因，为了确保高的混合均匀性，或者是已知型式的混合部件必须很长，或者是必须有高的转速。在每一情况下都消耗很多机械能并以热量的形式加入待处理的物料中。特别是在处理橡胶混合物时较大热量的产生是极不符合要求的。
由DE 42 39220A1已知一种具有两个相同的紧密啮合的和同向驱动的螺旋轴的双螺旋挤出机，该两螺旋轴设置于一共同的壳体的孔中。各螺旋轴设有多个混合盘，其具有三螺线的波形横截面，亦即具有三个凸形。各凸形与壳体孔的内表面的距离和各凸形的幅度是不同的。其中具有最大凸形幅度的凸形具有与壳体孔的内表面的最小距离。由该文献已知的螺旋元件沿其整个轴向长度构成三螺线的。
发明内容
本发明的目的是，改进上述这种型式的螺旋元件，使其在同样的均匀化效果的情况下能够明显地降低在待处理物料中的能量消耗。
为此，本发明提供一种具有外半径Ra和内半径Ri的螺旋元件，用于具有同向旋转的和相互啮合的螺旋轴的多螺旋挤出机，该螺旋元件在通过其纵轴线的轴向横截面上具有一种外形，该外形在两轴向的端面上分别只具有一个相当于用于相互啮合的螺旋轴的传统的单螺线螺旋元件的螺旋连桥部，其连桥部表面在一左边的连桥部边缘与一右边的连桥部边缘之间为一具有外半径Ra的圆柱表面的部分，其中每一端面有一具有螺旋轴内半径Ri的圆形螺根和一左边的牙型面与一右边的牙型面，其将螺根与左边的连桥部边缘或右边的连桥部边缘相连接；其特征在于螺旋连桥部的幅度即凸形角从前面端面和相反于螺旋元件的旋向的连桥部边缘起沿纵轴线直到螺旋元件的轴向长度1的部分长度x减到0到达一边缘，其离纵轴线的距离然后首先减小并紧接着又以离纵轴线逐渐变大的距离在相应于螺旋元件的旋向的连桥部边缘中终止在后端面上；相应地，反过来，螺旋连桥部的幅度即凸形角从后端面和相应于旋向的连桥部边缘起沿纵轴线直到螺旋元件的轴向长度1的一部分长度a减到0到达一边缘，其离纵轴线的距离然后首先减小并紧接着又以离纵轴线逐渐变大的距离在相反于螺旋元件的旋向的连桥部边缘中终止在前端面上；以及一具有恒定剪切连桥部半径Rs的剪切连桥部，半径Rs大于Ri并小于Ra，从相应于螺旋元件的旋向的牙型面起成螺旋线形按螺旋元件旋向延伸到后端面的相反于螺旋元件旋向的牙型面，其中，剪切连桥部沿其轴向长度由一连桥部幅度基本上不变的轴向中段和与其紧接地通向牙型面上的两点的各一个过渡段构成，过渡段的连桥部幅度向相应的端面的一方首先减到0并由此作为在牙型面的相应点上的边缘终止在端面上。
按照本发明的螺旋元件在通过其纵轴线的横截面上具有一前端面和一后端面，其在其形状上相当于用于多螺旋挤出机的相互啮合的螺旋轴的单螺线螺旋元件的那些端面。因此该螺旋元件可以与用于同向旋转的和相互啮合的螺旋轴的相应的传统的单螺线螺旋元件一起毫无困难地组合在一共同的螺旋轴上。优选地，按照各螺旋元件的紧密啮合设计螺旋元件的几何形状。在这种情况下，在螺旋元件与挤出机壳体的内壁之间以及彼此间的制造技术上需要的间隙在十分之几毫米的尺寸范围内。即使选择较大的间隙(在达到几个毫米，例如根据壳体直径选为1-5mm的范围内)，并且各螺旋元件不可能接触，即在严格的意义上说不紧密啮合，也仍然可以基本上达到按照本发明的效果。
为了避免误解，要指出的是，以下各实施形式分别是针对在沿处理方向上右旋的螺旋副而言的。
这种螺旋元件沿前端与后端面之间的轴向长度上的形状当然与已知的单螺线螺旋元件的几何形状明显地不同，但并不丧失相互啮合或紧密啮合的特性。螺旋连桥部的幅度(凸形角)从前端面和相反于螺旋元件的旋向的连桥部边缘起(在右旋时即从左边的连桥部边缘起)沿纵轴线直到螺旋元件的轴向长度1的部分长度x减到0到达一边缘。该边缘离纵轴线的距离首先随着离前端面渐增的距离而减小，不过随后又增加，直到该边缘在相应于螺旋元件的旋向的连桥部边缘(在右旋时即在右边的连桥部边缘)中终止在后端面上。相应地，反过来，螺旋连桥部的幅度从后端面和相应于旋向的连桥部边缘(在右旋时即右边的连桥部边缘)起沿纵轴线直到螺旋元件的轴向长度1的部分长度x减到0到达一边缘，其离纵轴线的距离然后首先减小并紧接着又以连桥部表面离纵轴线逐渐变大的距离在相反于螺旋元件的旋向的连桥部边缘(在右旋时即左边的连桥部边缘)中终止在前端面上。因此这样的螺旋元件代替一单独的具有不变的连桥部幅度和连桥部表面离纵轴线不变的距离的连桥部而具有两个关于纵轴线相互对称延伸的连桥部元件，其在一部分中分别具有一不变的连桥部半径同时逐渐减小的连桥部幅度(凸形角)和在另一部分中连桥部幅度为o(即构成一边缘)以及具有离纵轴线沿纵轴线逐渐变化的距离。此外，按照本发明的螺旋元件还以另一连桥部即一剪切连桥部为特征。该剪切连桥部具有一剪切连桥部半径Rs，即一离螺旋元件的纵轴线的距离，其大于内半径Ri和小于外半径Ra。该剪切连桥部从在前端面的相应于螺旋元件的旋向的牙型面上这样的点出发，该点离纵轴线具有距离Rs，并且成螺旋线形按螺旋元件的旋向延伸到后端面的相反于螺旋元件的旋向的牙型面(在右旋时即左边的牙型面)。该剪切连桥部沿其轴向长度包括一连桥部幅度基本上不变的(即凸形角不变的)轴向中段和各一个从中段至前端或后端面的过渡段。在该过渡段中，连桥部幅度随着逐渐向端面的接近分别优选减到0达到一边缘，该边缘在相应的端面上终止于牙型面中。
所述剪切连桥部的变化原则上设置成使其对待处理的物料起回输的作用。然而，当人们在螺旋元件的形状上至少沿其轴向长度的一分段叠加一附加的升程时可以明显影响这种特性，为此人们扭绞螺旋元件的形状，亦即相对扭转各接连的横截面。就螺旋元件的一部分的轴向长度来说，其扭绞的大小在需要时在各个部分中可以选择成不同的。为了加强剪切连桥部的回输效果，附加的升程可以通过横截面相对于前端面向设定的螺旋元件旋向的方向的扭转来实现。回输效果的减小或者甚至反向为特别有利的前输效果可以这样来达到，即，附加的升程通过横截面相对于前端面向相反于设定的螺旋元件旋向的方向的扭转来实现。该实施形式在本发明的范围内是特别优选的。
合乎目的的是，附加的升程沿螺旋元件的全长叠加在螺旋元件上。但也有可能，在多个轴向接连的螺旋元件的横截面上叠加不同的附加的升程。
按照本发明的螺旋元件的作用在于，通过相应的多螺旋挤出机输送的物料被吸入螺旋通道中，即被吸入在螺旋元件与包围螺旋元件的挤出机圆筒之间的相应空腔中，该空腔由一剪切连桥部在阻挡的意义上限定并且其横截面容积向输送方向减到0，从而物料完全地由剪切连桥部强制输送。因此对待处理物料的每一体积单元都产生一确定的剪切和伸展。不需要特别的回流元件来确保足够的通体混合。因此配备有本发明的螺旋元件的挤出机设备无疑可以卸空地运行。此外，当设计成紧密啮合的螺旋元件时，本发明的这种螺旋元件的外形是支持自动净化的。由于这些特征，在配备有本发明的螺旋元件的挤出机设备中可以特别快速地和以最少的费用实现物料变换以及颜色变换。
以下借助于附图中所示的实施例更详细地说明本发明。其中图1、2按照本发明的螺旋元件的透视图；图3按照图1和2的螺旋元件的侧视图；图4-10按照图3的轴向剖面；以及图11-12按照本发明的具有附加的叠加升程的螺旋元件的透视图。
具体实施方式
图1和2中以由右前面或由左前面示出的本发明的螺旋元件的透视图(图1a和图2a中作为线式模式和图1b和图2b中作为面式模式)是为一右旋的螺旋轴设置的，如标在前端面8上的粗箭头所示。端面8的外形在选择的实施例中是按照土壤混合器的一个紧密啮合的单螺线螺旋元件。轴向长度为1的螺旋元件的纵轴线以10标记。在点5、6之间，它们也称之为连桥部边缘，延伸连桥部1，其具有圆柱外表面形状的表面并在端面的剖面内构成为具有绕通过纵轴线10确定的中心的半径Ra的圆孤。连桥部幅度由凸形角φ确定，该凸形角φ包括在两通过左边的或右边的连桥部边缘5、6的半径Ra之间。螺根2位于连桥部1的径向对面，其同样具有圆柱外表面形状的外形并因此在端剖面内是圆形的。螺根的半径以Ri标记并且对应于所属的螺旋轴的内径(内半径为Ri)。端面8的螺根2如连桥部1一样沿圆周方向延伸一角度φ。在连桥部1与螺根2之间具有两牙型面3、4，它们在端面8内分别相当于具有半径Ra+Ri的圆孤。牙型面4的圆心位于对置的左边的连桥部边缘5上，而左边的牙型面3的圆心位于对置的右边的连桥部边缘6上。原则上有可能将连桥部1的凸形角φ选成不同于螺根2的凸形角。但在这种情况下与相应的螺旋元件相啮合的配对元件必须具有一相应互补的其他的形状。特别是由于制造技术的原因，推荐将两凸形角如按照图1所示的实施例中那样选成相同的，以便总是2个同种的螺旋元件可以相互啮合。
位于前端面8的对面的后端面8’具有完全同种的外形形式。为了区别于前端面8的各点或各外形线，后端面8’的相应的各点和各外形线在保留编号的情况下用一附加的撇号标记，如这由图1和2中可看出的。图2以由左前面示出图1中的螺旋元件的透视图。在两端8、8’之间螺旋元件具有以下形状沿轴向方向从前端面8向后端面8’连桥部1的幅度从左边的连桥部边缘5起直到一轴向部分长度x减到0值。因此两连桥部边缘5、6在部分长度x的位置重合为一点并然后延伸为一共同边缘11，其终止于后端面8’的右边的连桥部边缘6’。其中边缘11离纵轴线10的距离首先沿轴向长度的另一分段减小并随后又增大到在点6’处的原来的值Ra。相应地，反过来，连桥部幅度1’从右边的后连桥部边缘6’起向前端面8的方向直至达到一轴向部分长度x减到0值。在这里两连桥部边缘6’和5’再次重合为一点并延伸为一边缘11’直至达到在前端面8上的左边的连桥部边缘5。边缘11’具有相当于边缘11的变化，亦即随着逐渐向端面8的接近其离纵轴线10的距离首先从原来的值Ra沿轴向长度的某一分段减小并然后又增大到原来的值Ra。除了在连桥部1和边缘11或连桥部1’和边缘11’的外形上的两个彼此间相似的螺旋元件外，本发明的螺旋元件还具有以剪切连桥部7的外形的第三连桥部元件，其以离纵轴线10不变的距离(剪切连桥部半径Rs)从前端面8上的右边的牙型面4起沿为本发明的螺旋元件设定的旋向(即在这里右旋的方向)一直延伸到在后端面8’上的左边的牙型面3’上的一相应点9’。该连桥部幅度(作为从纵轴线起的剪切连桥部凸形角测量的，图1和2中未示出)在轴向长度1的中间部分是不变的。但这种情况不是必定需要的。在前端面8与后端面8’之间剪切连桥部7的中段分别延伸为直到两端面8、8’的一过渡段。在该过渡段上到纵轴线的距离(剪切连桥部半径Rs)保持总是不变的。从相应的端面8、8’起剪切连桥部7的幅度沿第一轴向分段首先为o，亦即为一边缘，并在第二轴向分段中从o扩展到剪切连桥部7的中段的剪切连桥部幅度。
图3示出本发明的螺旋元件的侧视图。该螺旋元件沿轴向长度1分成多个分段，其轴向长度以字母a-g标记。在选择的实施例中分段a和g或b和f或c和e的轴向长度彼此间是成对相等的。通过各个分段设置分别横向于纵轴线的总共7个剖面，其以字母A-A至G-G标记。该7个剖面分别示于图4至10中。各横剖面的可比较的特征点分别以P和相同的不变的数标标记。为了区别各个剖面，数标再补充一相应于有关的剖面(例如A-A)附加的小写字母(例如a)。通过各个剖面的比较可以一一跟踪各个连桥部元件的变化，其按照图1-3中的标记也可以进行说明。对于7个外形剖面关于各个圆孤的参数值可由表1得出(端点、半径、中点)，由这些参数值分别构成外形剖面A-A至G-G，从而可以省去详尽的书面描述。
对于其余的剖面图(图5至10)，有代表性的是图4中标出的对结构重要的四个圆弧的半径，亦即外半径Ra、剪切连桥部半径Rs、内半径Ri和半径Ri+Ra-Rs。此外定出连桥部1的凸形角φ。以角度α标记右边的连桥部边缘6’绕纵轴线10(＝相应的外形剖面的中心)相对于垂直线扭转的角度。但该角度α对外形横剖面的结构没有影响。以β标记剪切连桥部7的扭转角，该角度β是这样的角度，即，朝横截面看去剪切连桥部7总是包含点标记P3(即P3a-P3g)的右边的连桥部边缘相对于右边的连桥部边缘6或6’绕纵轴线10扭转的角度。对于按图3确定的外形部分a-g的每一部分列入表2中，其具有相应的外形部分在开始(开始极限角)和最后(最后极限角)的那一角度β值。在相应的外形部分内，角度β在该两极限角之间连续变化。此外在表2中对每一外形部分还定出，在这些外形部分中分别具有那一数值的剪切连桥部凸形角δ。在外形部分a和g中，角度δ分别恒等于0°，即剪切连桥部幅度为o(边缘)。在外形部分c，d和e中剪切连桥部凸形角分别处于值δsoll，即其具有一恒定的剪切连桥部幅度。在两部分b和f中剪切连桥部幅度或剪切连桥部凸形角δ从0°连续增到要求的值δsoll或从该值δsoll减到0。
图4至6示出，从剖面A-A至剖面C-C，连桥部1位于点P7至P1之间的幅度明显地减小。图7中不再存在连桥部1，而只是仍可看出由其产生的边缘11，其上点P1(P1d)继续转移(图8-10)为点P1e至P1g的形状。直到其最后在后端面8’上与后面的右边的连桥部边缘6’重合(图3)。相应地，在后端面8’上由两连桥部边缘5’和6’限定的连桥部1’也是这样，只要人们向后顺序观察图4至10并同时跟踪点P10(P10g、P10f)和P6(P6g-P6a)的转移就会得知。
关于剪切连桥部7确定如下图4中只在螺旋元件的未剖的后面的部分上可看到剪切连桥部。在剖面A-A中剪切连桥部7的幅度为0，亦即其只作为边缘体现于点P3a上。在下一图5中剪切连桥部7，如这由图3中的外形部分b也可看出的，已达到其额定值的约一半，这通过剪切连桥部凸形角δ示出。图3中的剖面C-C示出具有其完全的额定幅度的剪切连桥部7，该幅度在点P2c与P3c之间延伸。剪切连桥部7的该额定幅度也出现于两个接着的剖面D-D(图7)和E-E(图8)中。图9(剖面F-F)中两点P2和P3再次相互移近，即剪切连桥部7的幅度在剪切连桥部凸形角δ的外形上再次减小。在这方面图9相当于图5中的图示。图10中剪切连桥部7再次收缩到一边缘，其由点P2g体现。在这方面图10相当于图4的图示。大体上图4至10中的各个外形点P1至P12在图3的侧视图中是可见的，在那里标出了这些点。
图11和12中，由左前面或由右前面示出按照图1-3的螺旋元件的一种改变(图11a中作为线式模式和图12b中作为面式模式)。其区别只在于，在螺旋元件上叠加一附加的升程。在该实例中这样的附加的升程相当于一个扭绞，即后端面8’的外形相对于前端面8向相反于设定的螺旋外形的旋向扭转360°的扭转角(即向左扭转)。在该情况下，外形横截面的扭转沿螺旋外形的轴向全长均匀地实现。因此右边的连桥部边缘不再如图3中那样平行于纵轴线10延伸，而是以一左扭包绕纵轴线10。左边的连桥部边缘5不再如图2中那样以一右扭包绕纵轴线，而也是具有一左扭。相应地，适用于左边的和右边的连桥部边缘5、6延伸的边缘11。此外，人们从图11中可看出剪切连桥部7的变化。其不再绕大于180°右旋地包绕纵轴线10，而现在是左旋地经由小于180°的角度从前端的右边的连桥部边缘6的邻近区域的牙型面4起一直延伸到在后端面8’的左边的连桥部边缘5’的邻近区域的左边的牙型面3’。
在该实施例中总是基于角度β的线性变化，亦即其正比于一个外形剖面离前端面的相应的轴向距离。当然也有可能规定角度β的另外一种作为轴向长度的函数的可变的增加。相应地，角度δ从0°到要求的额定值的增加也是这样。对于后者，应指出的是，该额定值，亦即在螺旋元件的轴向中间区域的剪切连桥部幅度，不一定是严格不变的。一恒定的剪切连桥部幅度味着一沿剪切连桥部的轴向长度的恒定的剪切值。
附图标记清单1、1’螺旋连桥部2、2’螺根3、3’左边的牙型面4、4’右边的牙型面5、5’左边的连桥部边缘6、6’右边的连桥部边缘7剪切连桥部8、8’前端面或后端面9、9’点10纵轴线11、11’边缘x轴向部分长度l轴向长度α外形的扭转角β剪切连桥部的扭转角δ剪切连桥部凸形角φ凸形角Ra外半径Ri内半径Rs剪切连桥部半径P1a-P12g外形剖面A-A至G-G中的点a-g沿轴向方向的外形部分表1
表2
权利要求
1.具有外半径Ra和内半径Ri的螺旋元件，用于具有同向旋转的和相互啮合的螺旋轴的多螺旋挤出机，该螺旋元件在通过其纵轴线(10)的轴向横截面上具有一种外形，该外形在两轴向的端面(8，8’)上分别只具有一个相当于用于相互啮合的螺旋轴的传统的单螺线螺旋元件的螺旋连桥部(1、1’)，其连桥部表面在一左边的连桥部边缘(5、5’)与一右边的连桥部边缘(6、6’)之间为一具有外半径Ra的圆柱表面的部分，其中每一端面(8、8’)有一具有螺旋轴内半径Ri的圆形螺根(2、2’)和一左边的牙型面(3、3’)与一右边的牙型面(4、4’)，其将螺根(2、2’)与左边的连桥部边缘(5、5’)或右边的连桥部边缘(6、6’)相连接；其特征在于-螺旋连桥部(1)的幅度即凸形角()从前面端面(8)和相反于螺旋元件的旋向的连桥部边缘起沿纵轴线(10)直到螺旋元件的轴向长度l的部分长度x减到0到达一边缘(11)，其离纵轴线(10)的距离然后首先减小并紧接着又以离纵轴线(10)逐渐变大的距离在相应于螺旋元件的旋向的连桥部边缘中终止在后端面(8’)上；-相应地，反过来，螺旋连桥部(1’)的幅度即凸形角()从后端面(8’)和相应于旋向的连桥部边缘(6’)起沿纵轴线直到螺旋元件的轴向长度l的一部分长度a减到0到达一边缘(11’)，其离纵轴线(10)的距离然后首先减小并紧接着又以离纵轴线(10)逐渐变大的距离在相反于螺旋元件的旋向的连桥部边缘(5)中终止在前端面(8)上；以及-一具有恒定剪切连桥部半径Rs的剪切连桥部(7)，半径Rs大于Ri并小于Ra，从相应于螺旋元件的旋向的牙型面(4)起成螺旋线形按螺旋元件旋向延伸到后端面(8’)的相反于螺旋元件旋向的牙型面(3’)，其中，剪切连桥部(7)沿其轴向长度由一连桥部幅度基本上不变的轴向中段和与其紧接地通向牙型面(4、3’)上的两点(9、9’)的各一个过渡段构成，过渡段的连桥部幅度向相应的端面(8、8’)的一方首先减到0并由此作为在牙型面(4、3’)的相应点(9、9’)上的边缘终止在端面(8、8’)上。
2.按照权利要求
1所述的螺旋元件，其特征在于，按螺旋元件的紧密啮合设计其外形。
3.按照权利要求
2所述的螺旋元件，其特征在于，螺旋元件的形状至少沿其轴向长度l的一分段叠加一附加的升程，即横截面扭转。
4.按照权利要求
3所述的螺旋元件，其特征在于，用于加强螺旋元件的回输效果的附加的升程通过横截面相对于前端面向设定的螺旋元件旋向的方向进行扭转来产生。
5.按照权利要求
3所述的螺旋元件，其特征在于，用于减小回输效果或用于产生前输效果的附加的升程通过横截面相对于前端面向相反于设定的螺旋元件的旋向的方向进行扭转来产生。
6.按照权利要求
4至5之一项所述的螺旋元件，其特征在于，附加的升程沿螺旋元件的轴向全长叠加在螺旋元件上。
7.按照权利要求
1至5之一项所述的螺旋元件，其特征在于，在螺旋元件的多个轴向部分上叠加不同的附加的升程。
专利摘要
本发明涉及一种具有外半径Ra和内半径R
文档编号B29C47/40GKCN1239309SQ02805939
公开日2006年2月1日 申请日期2002年3月8日
发明者莱因哈德·厄普斯, 马蒂亚斯·诺尔廷 申请人:贝斯托夫有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan