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TWI443005B - 用於連續混合製程之混拌與捏揉機器，以及藉由混拌與捏揉機器實行連續混合製程之方法 - Google Patents

用於連續混合製程之混拌與捏揉機器，以及藉由混拌與捏揉機器實行連續混合製程之方法 Download PDF

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TWI443005B
TWI443005B TW097119855A TW97119855A TWI443005B TW I443005 B TWI443005 B TW I443005B TW 097119855 A TW097119855 A TW 097119855A TW 97119855 A TW97119855 A TW 97119855A TW I443005 B TWI443005 B TW I443005B
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kneading machine
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kneading
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Siegenthaler Hans-Ulrich
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Buss Ag
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Description

用於連續混合製程之混拌與捏揉機器，以及藉由混拌與捏揉機器實行連 續混合製程之方法
本發明係有關於一種混拌與捏揉機器，用於一種混拌與捏揉機器，用於連續混合製程，包括：一螺桿軸於一外盒中旋轉，且同時軸向移動：另外，關於一種藉由上述混拌與捏揉機器進行運作之方法。
一般來說，混拌與捏揉機器特別用於混合黏稠、塑膠麵糊狀物質。例如，用於處理黏稠狀塑膠物質，調和與塑化塑膠粒、混合過濾、強化添加物及食物之開始物質、化學藥物工業通常包括：連續排放、混合、擴張等整合。但不包括用於鋁的生產的碳電極物質的加工、以及氫氟酸的加工。在此情況下，混拌與捏揉機器用作為反應器。
混拌與捏揉機器之工件一般應用螺桿以將製程材料軸向推前。
於習知的混拌與捏揉機器中，工件僅僅產生旋轉運動。此外，混拌與捏揉機器亦為工件於旋轉時同時平向移動；工件的動作模式特徵在於主軸執行正弦方式加上旋轉動作。此種運作允許外殼固定如固定件像是捏揉針或捏揉齒。於此原因下，螺桿形成分離的捏揉葉片，捏揉葉片設置於主軸上，且外殼固定件內作用以產生所需之剪力/混合且揉捏功能在不同之處理區間。上述習知混合與揉捏機器之商標名稱為Buss KO-KNEADER。
於上述習知之混合與揉捏機器中，螺桿軸之直徑最大 至700mm，特別地，螺桿軸直徑指定材料於每一外盒中材料產出。通常，螺桿軸之外徑(Da)與內徑(Di)比近似1.5，且當外徑(Da)對衝程(水平運動構件)(H)比近似6.7，且螺距(T)與衝程(H)比近似於2。隨著混合與揉捏機器尺寸的不同，混合與揉捏機器於5至500rpm之間運轉。
混合與揉捏機器通常運作於幾何相似性之原則，存在於當比值Da/Di、Da/H及T/H固定值時，無須考慮其大小。
參數指示產品被處理好壞的程度，如分散、混合、調和之融化溫度，產品於機器空間之停留時間，剪力率與剪力數量於螺桿之製程空間充滿融化物。
如同應用於許多製程上，接續之製程區間如饋入、融化、混合、分散及排放區間關於傳遞、剪力率及填滿的協調性越佳的話，產品的混合度、分散性、以及協調性亦越佳。於現今於混合與捏揉機器的科技上，標準混合之價值為平均剪力率於融化範圍由15 l/S至150 l/S，且平均製程時間於整個螺桿分布由30s至600s。
於習知混合與捏揉機器中，平均剪力率受到螺桿轉速與比值Da/Di影響。但是，增加剪力率亦會需要高能量輸入，相反地，可能會造成高融化溫度。在混合與捏揉機器長平均處理時間中，過高的剪力率或許會造成產品損害(熱侵害或跨連接)而損失了品質。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種混合與捏揉機 器，其單位時間之材料應用率之效率可增加，並不至於損失製程產品之品質。
本發明選擇混合與捏揉機器之幾何形狀，以使得比值Da/Di位於1.5至2.5之間，而Da/H值則位於4至6之間，且T/H值位於1.3至2.5之間，因此，達到基本對於最佳化效能以使最大產出之要求。此混合與捏揉機器於此特定之幾何設定特別適於運作於超過500rpm之轉速，可了解的是轉速越高產出越多。
此定義幾何圖形除了確保製程區間軸向接續，特別是饋入區間、融化區間、混合區間及排放區間，可最佳化彼此調整以處理產能、剪力率及填滿以獲得平均剪力範圍於品質範圍內，同時縮短尖峰溫度作用於產品上。
本發明藉由此選擇幾何形狀，此混合與捏揉機器可直接於螺桿之高旋轉速度，以促進產品單位時間產出運作，而不致於需要高能量輸入。
本發明之另一目的在於提出一種方法應用上述混合與捏揉機器之方法，材料之產出單位時間可增加；為達此目的，螺桿軸於超過每分鐘500轉的轉速下運轉，特別是每分鐘超過800轉。
增加螺桿軸轉速，可縮短產品處理時間。
產品於機器內之作用時間位於1至20秒之間，來自於高轉速及高產品產出，減少產品會受到熱侵害即交互連接損壞之傾向。
本發明之混合與捏揉機器可擴展機器本身之應用範 圍。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。
請參照第1圖，本發明混拌與捏揉機器之縱向剖面圖，混拌與捏揉機器1包括：一工件被一外盒2所環繞，以一螺桿軸3之形式，提供有螺旋狀之複數個螺旋葉片4。如此的混拌與捏揉機器1亦稱為單一螺旋突出器，因為機器僅有一個螺旋軸，螺旋葉片4圓周不連續地設置以產生軸向穿孔以讓捏揉針5設置於外盒2中，使得螺旋軸3除了實際旋轉動作之外亦會產生軸向運動(水平運動)。形成於外盒2內側與螺旋軸3之間為實際的製程空間6，其通常包括複數個順序製程區間8－11。於本實施例中，例如，混拌與捏揉機器1設置有一饋入區間8、一融化區間9、一混合/分散區間10、以及一排放區間11。於饋入區間末端，混拌與捏揉機器1設有送料斗12，且於輸出端則設有一排放開口13，透過此開口，混合材料可如箭頭方向14出去。而此混拌與捏揉機器1之基本組成，例如，由端士專利號CH278,575。雖然於本例中，捏揉針5僅在混合/分散區間10中描述，捏揉針5亦可應用於其他區間。
參考第2圖，本發明混拌與捏揉機器一部分幾何形狀之立體圖；應注意的，螺旋軸模組3a之軸幾何形狀，並非真實尺寸。螺旋軸3用於混拌與捏揉機器1為單一螺旋突 出器，其中，螺旋軸3設置為能同時旋轉與水平運動之工件，如前所述之Buss KO捏揉器。
螺旋軸模組3a設置有8個螺旋葉片，其中6個4a－4f為可見。於兩葉片4a,4b之間，周圍有一穿透孔16，維持打開以讓設置於外盒上之揉捏針(未顯示)延伸進入。螺旋軸3之內徑視為Di，當外徑視為Da；內徑Di由螺旋軸3之外部圓柱殼表面7決定，當外徑Da由直徑空間位於軸向交錯葉片4a,4b之最高或最大部份軸向相反部份。螺距(兩葉片平均距離4b,4e軸向接續)視為T，螺旋葉片決定螺距T，亦可軸向交錯，需要的話。衝程，螺旋軸3軸向確認之距離視為H。
於本實施例中，螺旋葉片4a－4f之邊主表面設置自由形成之表面。自由形成表面為一種表面，其三維幾何圖不具有自然開始點。現在，因為葉片4a－4f主表面及/或捏揉針設置為至少部份自由形成表面，所以可影響靜態或是動態之螺旋軸幾何，例如，關於間隙存在於螺旋葉片與配合的捏揉針。特別地，此間隙之尺寸與方向實際可變化於任何角度，可解釋軸向運動於旋轉運動之上。這使得機械能量輸入及剪力改變及產生於製程空間之延伸流動區域、作用於製程產品上得以最佳化。
本發明中關於螺旋軸3之比值如下：Da/Di＝1.5至2.0，螺桿軸之外徑與內徑比Da/Di介於1.5至2.0之間；Da/H＝4至6，螺桿軸外徑Da與衝程H比Da/H介於4 至6之間；T/H＝1.3至2.5，螺距T與衝程H之比值介於1.3至2.5之間。
本發明之螺旋軸測試於揉捏器Buss Ko(旋轉與平移同時移動且單一螺桿突出器)，離開機器結構(製程區間的設置)，主要與以前相同，用於混合塑膠材料且通常轉速介於100至500rpm之間。
很驚訝地，於超過500轉時，並無材料溫度實質地增加(產品溫度在製程區間受機器處理時，如遞送、剪力率及填補協調性)。
於實際運作時，此螺旋軸較佳運轉於速度超過500轉的情形下，且速度若高於800轉及2000轉，亦不會讓產品受到損傷。
較佳地，葉片之螺距4a－4f適於製程空間6(第1圖)之長度，因此，當螺旋軸3運作於超過500轉時，運轉於機器內最大之產品處理時間為20秒。
參考第3圖，描述螺旋軸之簡諧運動之水平運動，顯示外盒之內邊與工作空間全長度之殼表面，僅顯示螺旋葉片4a,4b,4c。為求簡單化，揉捏針5以圓形表示。由圖上來看，顯示每一個螺旋葉片4a,4b,4c，運動相對於邊界揉捏針5。為求整個全觀順序，其為動態相反，葉片4a,4b,4c假設為靜態，當揉捏針5為正弦運動路徑時，由於來自於旋轉加上平移。很明顯地，由圖上所示，維持與葉片4c兩邊主表面及穿越揉捏針5以間隙方式形成一自由空間S， 寬度與傾向則由葉片4c幾何形狀、配合揉捏針5與旋轉工件之軸向放置影響。螺距T對應於兩軸向並列揉捏針5之空間及葉片4c，同時亦指出螺旋軸之衝程H。
接著參考第4圖，描述產出G(kg/h)為於本發明機器中處理時間t(秒)之函數圖。由圖可知，於增加產出的情況下，曝露於高溫的處理時間顯著減少。
測試表示即使於高溫度之下，為確保品質則必須將處理時間減少。
混合產品之產出與品質與所使用之螺桿幾何形狀、轉速、與傳遞特性相關。
任何混合材料要達到最終協調產品，如與添加物混合。那就是為何所有添加物與缺乏協調性皆須分散及於機器內混合分布。剪應力公式如下：
其中，η 是材料黏濁度；剪力率
影響產品如何被分散、混合及調和製作之因子，除了融化溫度及作業時間外，剪力率(l/秒)亦為其中一項因素。
考慮使用此簡單式作得出商數之平均值，螺桿周邊速度/剪力間隙(假定100%填補螺旋頻道)。
很多製程被下面主導：一平衡剪力率程度導致混合、分散及調和可理想地達 到。於現今混拌與捏揉機器標準合成值平均剪力率在於20 l/秒至150 l/秒且平均產品製程時間於整個螺桿是30至600秒。
於習知混拌與捏揉機器中，由方程式(2)中可知，平均剪力率受限於螺桿轉速與Da/s。
但是，增加剪力率，會導致高能量輸入，而造成不預期之融化溫度，由於：
由於融化溫度與下列方程式有關：
其中，cp 焓；換言之，與長平均時間相關聯之混拌與捏揉機器，過高之剪力率會導致產品之損害(熱損害與交互連結)，使得品質下降。
本發明之混拌與捏揉機器之螺旋軸可於轉速500至2000轉，並採平行與旋轉同時運作，在所提出的Da/Di、Da/H、及T/H值，因為平均剪力率增加品質以達到同時縮短產品之間之尖峰溫度。
使用符號：e spec ：平均特殊能量輸入(KWh /kg )t ：平均於突出器之作用時間(s) P：融化密度(kg/m^3)γ ：平均剪力率(l/sec)η ：平均動態黏度(Pa*sec)Da ：螺桿軸外徑(mm)Di ：螺桿軸內徑(mm)S ：平均剪力間隙位於葉片與捏揉器齒n s ：轉速(rpm or l/s)v u ：螺旋軸周邊速度τ ：剪應力(N/mm^2)c p ：焓G ：產出 △T ：材料溫度增加
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧混拌與捏揉機器
2‧‧‧外盒
3‧‧‧螺桿軸
4‧‧‧螺桿葉片
5‧‧‧捏揉針
6‧‧‧製程空間
8‧‧‧饋入區間
9‧‧‧融化區間
10‧‧‧混合/分散區間
11‧‧‧排放區間
12‧‧‧送料斗
13‧‧‧排放開口
14‧‧‧箭頭方向
3a‧‧‧螺旋軸模組
4a-4f‧‧‧螺旋葉片
T‧‧‧螺距
H‧‧‧衝程
S‧‧‧自由空間
第1圖係表示本發明混拌與捏揉機器之縱向剖面圖；第2圖係表示本發明混拌與捏揉機器一部分幾何形狀之立體圖；第3圖係表示捏揉針相對於習知螺桿葉片運作之輪廓圖；以及第4圖係表示本發明混拌與捏揉機器產量與平均處理時間之圖表。
3‧‧‧螺桿軸
3a‧‧‧螺旋軸模組
4a－4f‧‧‧螺旋葉片
5‧‧‧捏揉針
7‧‧‧外部圓柱殼表面
Da‧‧‧螺旋桿外徑
Di‧‧‧螺旋桿內徑
T‧‧‧螺距
H‧‧‧衝程

Claims (12)

  1. 一種混拌與捏揉機器(1)，用於連續混合製程，包括：一螺桿軸(3)於一外盒(2)中旋轉，且同時軸向移動，其特徵在於：該螺桿軸之外徑與內徑比Da/Di介於1.5至2.0之間，且螺桿軸外徑Da與衝程H比Da/H介於4至6之間，且螺距T與衝程H之比值介於1.3至2.5之間，其中，該螺桿軸(3)於超過每分鐘500轉的轉速下運轉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之混拌與捏揉機器(1)，其中，螺桿軸(3)於超過每分鐘800轉的轉速下運轉。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之混拌與捏揉機器(1)，更包括：複數個區間於作業方向接續形成一製程空間(6)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之混拌與捏揉機器(1)，其中，該製程空間(6)由至少一饋入區間(8)、一融化區間(9)、一混合/分散區間(10)及一排放區間(11)。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所述之混拌與捏揉機器(1)，其中，螺桿軸(3)之轉速適於該製程空間(6)之長度，以使產品於機器(1)內之作用時間位於1至20秒之間。
  6. 如申請專利範圍第3或4項所述之混拌與捏揉機器(1)，其中，螺桿葉片(4)螺距適於該製程空間(6)之長度，以使產品於機器內之作用時間於超過每分鐘500轉的轉速下運轉，最大為20秒。
  7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之混拌與捏揉機器(1)，其中，該混拌與捏揉機器(1)設有複數個捏 揉針(5)固接於盒子(2)上，突出於製程空間(6)且其中螺桿葉片(4)之主表面且/或該捏揉針(5)設定至少部份自由形成之表面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之混拌與捏揉機器(1)，其中，螺桿葉片(4)之主表面之三維幾何圖及/或該捏揉針(5)設定至少部份沒有自然開始點。
  9. 一種應用上述申請專利範圍第1項之連續混合製程混拌與捏揉機器(1)的方法，其特徵在於：螺桿軸(3)於超過每分鐘500轉的轉速下運轉。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，螺桿軸(3)之轉速調整於使得產品於機器(1)內之作用時間位於1至20秒之間。
  11. 如申請專利範圍第9或10項所述之方法，其中，大而流動、塑膠、且/或糊團狀物質準備以應用。
  12. 如申請專利範圍第9或10項所述之方法，其中，螺桿軸(3)於超過每分鐘800轉的轉速下運轉。
TW097119855A 2007-07-25 2008-05-29 用於連續混合製程之混拌與捏揉機器，以及藉由混拌與捏揉機器實行連續混合製程之方法 TWI443005B (zh)

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