擠出機用過濾器專利分析

徐娟

國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州，215000

0 引言

擠出機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，過濾網上的污垢越積越厚，此時熔壓升高，熔體流量下降，當超過一定熔壓時，過濾網被擊破或堵塞而失效，就必須更換過濾網[1]。

塑料擠出機換網器大致可分為兩大類[2]，一是非連續型換網器，在換網時熔體料流中斷或需停機換網，較為典型的結構為閥式換網器，該結構中的核心部件為雙（多）孔閥板，工作時，保證其中一濾網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，因此在換網時，濾網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的，因此這類裝置在更換濾網時，通常伴隨著料流瞬間中斷，這就導致此類裝置的適用范圍大受影響，其僅僅能應用于對精度、質量要求不高的產品，顯然無法滿足日益精進的技術發展需求；另一類是連續型換網器，可連續、自動、不停機換網，料流無中斷，其中液壓滑動式換網器最為典型，該裝置包括換網器本體、液壓驅動系統和用于放置過濾網的分流過濾板，其中液壓系統為過濾網的移動提供動力，來完成連續換網，且該裝置進一步輔助風冷裝置，可將熔體凝固從而提供自密封功能，因此該結構幾乎能同時滿足物料不中斷，壓力不變化以及熔體無泄漏。

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

1 擠出機用過濾器的發展情況

基于擠出機用過濾器的重要性，擠出機用過濾器幾乎隨著擠出機的出現就存在了，因此最早的有關擠出機用過濾器的專利申請可追溯至1950年，此時主要為結構簡單的舊式過濾器。之后隨著技術的發展，出現了停機換網過濾器，其類型主要為長效過濾器和快速換網過濾器。長效過濾器，顧名思義可延長過濾網片的連續工作時長，該類過濾器的換網面積比舊式擴大5~50倍，相應的工作時長也成倍地增長，缺點是換網需要拆卸法蘭。而快速換網過濾器，是從停機時間的角度出發的一種改進裝置，快速換網過濾器利用人工或機械、液氣動裝置將濾網快速更換，雖然該過濾器仍然需要停機操作，但是已經省去拆卸法蘭的時間。擠出成型是一種快速連續生產工藝，不停機生產才是滿足行業的發展的方向，基于此不停機換網過濾器應運而生。不停機換網器可在不停機、不中斷正常生產的情況下將濾網更換，其種類主要為閥式、柱塞兩種結構，且為了進一步完善過濾器的功能，出現了多功能過濾器，該過濾器具有不停機換網、長效濾網或反向沖洗濾網等多項功能，是高分子熔體過濾研究與發展的方向。擠出機用過濾器的研究并沒有形成壟斷性研發特性，而是各個主要工業國家均有參與。

2 擠出機用過濾器主要技術問題

德國的KREYENBORG BETEILIGUNGEN&VERW GMBH&C（克賴恩博格持股管理有限責任兩合公司）和GNEUSS KUNST GMBH（格諾伊斯塑料技術有限公司）、奧地利的EREMA ENG RECYCLING MASCH & ANLAGEN（奧地利埃瑞瑪再生工程機械設備有限公司）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）是擠出機用過濾器領域重要的申請人，其中德國、日本和奧地利的技術發展具有領先地位，在發展過程中，這些重點申請人以問題為導向，針對擠出機用過濾器在使用過程中存在的技術問題為對象不斷地對各自的產品進行改進，以保證其在全球范圍內的競爭力。在對擠出機用過濾器的專利申請分析和梳理的基礎上，從圖1可以看出各國在發展過程中主要致力于解決以下技術問題：①關于換網過程中的密封問題。②關于過濾、換網過程中的壓力變化問題。③關于過濾過程中的熔體堵塞、熔體形成死區或降解的問題。

針對上述技術問題，本文重點研究了這幾個技術問題是如何解決的。

3 關于換網過程中的密封問題的技術發展

換網過程中，濾網需要移動，為防止濾網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方向。

3.1 防止過濾器或者支撐架發生變形

為了防止過濾器或者支撐架發生變形，提高結構剛性是常見的技術手段，提高結構剛性的技術手段包括：從密封裝置的角度出發，例如，JP19631995A在錐形的密封套筒內部進一步設置濾網支撐移動支架從而實現密封的效果；CN201320603023中加設了一個加強圈，進一步提高了該過濾裝置對濾網本體的鎖緊力，以及進一步抑制了雜質從濾網本體的邊緣漏料；從接觸面的角度出發，例如，JP14781994A在調節環和壓力環的接觸平面的邊緣處設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形邊緣并設有凸緣，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

為了實現密封的效果，提供密封力是必不可少的。密封力的實現方式主要集中于以下兩種：①由加壓裝置提供，例如DE2903773A中設置環形壓力室，通過液壓氣缸提供額外的壓力實現液壓環密封，從而提供柱塞移動時所需的密封；DE3043217A設置了包括兩個同心金屬風箱的環向壓力室對密封環施加壓力，從而實現過濾器的密封；DE3535269A由液壓氣缸驅動的旋轉的擠出機頭對板加注密封壓力，從而抵靠在板的表面，實現密封；②由熔體提供，例如DE10114335A的流體進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入膨脹圈，膨脹圈受到壓力后推動進料密封圈平面緊貼在芯板上實現密封；CN201410126350、CN201420151236中的密封環由多個分離的密封塊形成，料對密封環產生壓力，密封環受力擴張，密封塊分散并抵緊在密封件上。

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

4 控制換網、過濾過程中的壓力變化的技術發展

熔體在流動過程中壓力的變化會導致產品表面上留下波紋，從而影響產品質量。為解決這一技術問題，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

過濾器的結構、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，為徹底解決或者減少壓力的降低或者損失，通常對過濾器的構造進行改造：

①過濾器結構的改進，例如JP3770295A通過雙向對稱過濾系統來防止突然的壓力下降；DE29614351U通過讓流體預先填入過濾腔，這樣熔體不會因為填入空腔太快而導致壓力下降；JP23587297A、DE19732458A、DE19939755A分別通過在筒狀過濾器內部設置波紋狀加強筋、過濾網設置為波紋狀來減小壓力降低；JP25987899A中的過濾盤兩側支撐有突出過濾介質，過濾介質與過濾盤具有一定的角度過濾器，從而減少壓力損失；JP2004160153A在過濾網兩側設置分流支撐體，從而不會產生大的壓力下降。②增大過濾面積，例如US20000735915A設置旋轉式過濾盤來增加過濾面積，從而降低熔體經過過濾器時的壓力下降；CN200920206449中采用板式篩網器結構，增大了過濾面積，同時使全套擠出機的熔體壓力降低，間接延長了設備的使用壽命；CN200920206449中采用板式篩網器結構，增大了過濾面積，同時使全套擠出機的熔體壓力降低，間接延長了設備的使用壽命。③改進流道構造，例如DE69124396T設置多條平行連續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的壓力下降而在塑料熔體的流動方向上所產生的力而支承住，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、不穩或波動

為了防止壓力流串、不穩或波動，通過分析可以發現解決該技術問題的技術手段大體上與降低壓力下降基本一致，CN201310079704中改進過濾器的結構，公開了在換網立柱上設置輔助過濾孔，從而使整個換網過程中熔體通暢，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，并在兩片過濾網間安裝多孔板，從而達到增加過濾面積、減小換網壓力波動的效果；WO2004026432涉及流道的改進，通過設置多通道，因此濾網架移動換網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重要，普適性較低，因此在發展的過程中逐漸被排出研究熱點的范疇，而這一發展趨勢與密封性能的經久不息形成了鮮明的對比，進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、降解的技術發展

為了清潔沉積于過濾網上的殘渣，防止熔體堵塞形成死區、熔體發生降解，該領域的解決方式比較分散，可大致分為反向沖洗過濾網、設置清潔裝置、其他方式等三類。反向沖洗過濾一直是研究的熱點。而在過濾器內設置刮環或刮刀的形式，國外的文獻多出現于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性。

（1）關于反向沖洗過濾網，例如，DE19615679公開了設置偏置的反沖洗通道，熔體中的雜質無需經過換網可排除；US19980049038A公開了設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計圓錐形的小圓孔，當過濾器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設置分配器與分離的篩選部匹配，通過分配器的移動實現反沖洗；AT1152004A利用回流實現沖洗，從而防止堵塞；US2008197061A1中提出同時實現反沖洗和排污功能；WO2011AT00288中公開了濾網架由旋轉柱形的核心部件穿過并且可旋轉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的濾網架構造成固定的且抗扭的，從而提高了反向沖洗的效果。

（2）關于設置起清潔作用的裝置，例如AT136198A公開的活塞可相對于刮環產生偏移位移，從而環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公開了設置間隔器保持導軌和濾網架之間的空隙，從而減小材料分解和過濾器腐蝕的概率；AT136198A公開了刮環一直以一偏壓方式配合在活塞段上，因此當活塞移出殼體時，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面上靠置在殼體中保持的刮刀，其在過濾器回轉時將粗的雜質從該過濾器上刮下并導送到一個與殼體內腔連通的積累腔中；DE50308656A公開了在轉動的過濾器內設置清潔裝置，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量，從而減小過濾器內部的受潮表面面積和死區。這樣就節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中移出并進入氣流的可能性最小化[5]。

6 結語

擠出機用過濾器屬于塑料加工領域的傳統工業，在20世紀50年代就迎來了萌芽期。在之后的發展中，德國、日本、美國等技術大國均投入了大量的研究。由于我國發展擠出機用過濾器技術較晚，因而具有自主知識產權的擠出機用過濾器的申請量很少，這嚴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展模式，以問題為導向，持續研究。