挤出机用过滤器专利分析

徐娟

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州，215000

0 引言

挤出机用过滤器是挤出过程中必不可少的装置。而随着挤出时间的延续，过滤网上的污垢越积越厚，此时熔压升高，熔体流量下降，当超过一定熔压时，过滤网被击破或堵塞而失效，就必须更换过滤网[1]。

塑料挤出机换网器大致可分为两大类[2]，一是非连续型换网器，在换网时熔体料流中断或需停机换网，较为典型的结构为阀式换网器，该结构中的核心部件为双（多）孔阀板，工作时，保证其中一滤网孔处于熔体通道中的过滤工位，其他的滤孔则处于等待工位或清洗、更换工位，但是该类装置的密封极度依赖熔体的熔压，因此在换网时，滤网的移动会影响熔体压力的下降，若熔体能够立即填满新更换的过滤孔则这种压力下降可忽略，然而这种立即填满的需求是不容易实现的，因此这类装置在更换滤网时，通常伴随着料流瞬间中断，这就导致此类装置的适用范围大受影响，其仅仅能应用于对精度、质量要求不高的产品，显然无法满足日益精进的技术发展需求；另一类是连续型换网器，可连续、自动、不停机换网，料流无中断，其中液压滑动式换网器最为典型，该装置包括换网器本体、液压驱动系统和用于放置过滤网的分流过滤板，其中液压系统为过滤网的移动提供动力，来完成连续换网，且该装置进一步辅助风冷装置，可将熔体凝固从而提供自密封功能，因此该结构几乎能同时满足物料不中断，压力不变化以及熔体无泄漏。

在实际发展过程中，不同类型的换网器所面临的技术问题是相似的，因此本文直接以IPC分类B29C47/68、B29C48/69为基础，针对挤出机用过滤器主要存在的技术问题进行研究分析。

1 挤出机用过滤器的发展情况

基于挤出机用过滤器的重要性，挤出机用过滤器几乎随着挤出机的出现就存在了，因此最早的有关挤出机用过滤器的专利申请可追溯至1950年，此时主要为结构简单的旧式过滤器。之后随着技术的发展，出现了停机换网过滤器，其类型主要为长效过滤器和快速换网过滤器。长效过滤器，顾名思义可延长过滤网片的连续工作时长，该类过滤器的换网面积比旧式扩大5~50倍，相应的工作时长也成倍地增长，缺点是换网需要拆卸法兰。而快速换网过滤器，是从停机时间的角度出发的一种改进装置，快速换网过滤器利用人工或机械、液气动装置将滤网快速更换，虽然该过滤器仍然需要停机操作，但是已经省去拆卸法兰的时间。挤出成型是一种快速连续生产工艺，不停机生产才是满足行业的发展的方向，基于此不停机换网过滤器应运而生。不停机换网器可在不停机、不中断正常生产的情况下将滤网更换，其种类主要为阀式、柱塞两种结构，且为了进一步完善过滤器的功能，出现了多功能过滤器，该过滤器具有不停机换网、长效滤网或反向冲洗滤网等多项功能，是高分子熔体过滤研究与发展的方向。挤出机用过滤器的研究并没有形成垄断性研发特性，而是各个主要工业国家均有参与。

2 挤出机用过滤器主要技术问题

德国的KREYENBORG BETEILIGUNGEN&VERW GMBH&C（克赖恩博格持股管理有限责任两合公司）和GNEUSS KUNST GMBH（格诺伊斯塑料技术有限公司）、奥地利的EREMA ENG RECYCLING MASCH & ANLAGEN（奥地利埃瑞玛再生工程机械设备有限公司）和BACHER H（赫尔穆特·贝彻，个人申请）、日本的FUJI PHOTO FILM CO LTD（富士胶片株式会社）是挤出机用过滤器领域重要的申请人，其中德国、日本和奥地利的技术发展具有领先地位，在发展过程中，这些重点申请人以问题为导向，针对挤出机用过滤器在使用过程中存在的技术问题为对象不断地对各自的产品进行改进，以保证其在全球范围内的竞争力。在对挤出机用过滤器的专利申请分析和梳理的基础上，从图1可以看出各国在发展过程中主要致力于解决以下技术问题：①关于换网过程中的密封问题。②关于过滤、换网过程中的压力变化问题。③关于过滤过程中的熔体堵塞、熔体形成死区或降解的问题。

针对上述技术问题，本文重点研究了这几个技术问题是如何解决的。

3 关于换网过程中的密封问题的技术发展

换网过程中，滤网需要移动，为防止滤网移动过程中熔体的溢出，保持密封一直是研究的热点。针对密封的问题，防止变形、改变加压密封方式是常见的研究和改进方向。

3.1 防止过滤器或者支撑架发生变形

为了防止过滤器或者支撑架发生变形，提高结构刚性是常见的技术手段，提高结构刚性的技术手段包括：从密封装置的角度出发，例如，JP19631995A在锥形的密封套筒内部进一步设置滤网支撑移动支架从而实现密封的效果；CN201320603023中加设了一个加强圈，进一步提高了该过滤装置对滤网本体的锁紧力，以及进一步抑制了杂质从滤网本体的边缘漏料；从接触面的角度出发，例如，JP14781994A在调节环和压力环的接触平面的边缘处设置互相匹配的突起和凹槽，起到防止树脂溢出效果；EP99114059A中的夹紧装置面对阀和过滤室的表面上具有环形边缘并设有凸缘，从而与过滤带匹配；JP20283899A中的压力单元将压力通过棒传递到过滤器的中心通道上，棒具有V槽与中心通道的V形凸体相匹配，通过压力的传递，防止过滤器变形，得到了良好的密封以防止漏料。

3.2 加压密封方式

为了实现密封的效果，提供密封力是必不可少的。密封力的实现方式主要集中于以下两种：①由加压装置提供，例如DE2903773A中设置环形压力室，通过液压气缸提供额外的压力实现液压环密封，从而提供柱塞移动时所需的密封；DE3043217A设置了包括两个同心金属风箱的环向压力室对密封环施加压力，从而实现过滤器的密封；DE3535269A由液压气缸驱动的旋转的挤出机头对板加注密封压力，从而抵靠在板的表面，实现密封；②由熔体提供，例如DE10114335A的流体进入通道垂直于密封件和支撑件，利用流体的压力对密封件和支撑件加压，形成密封；CN200920054359公开了定位圈的上端面与膨胀圈贴在一起，聚合物由定位圈的缝隙进入膨胀圈，膨胀圈受到压力后推动进料密封圈平面紧贴在芯板上实现密封；CN201410126350、CN201420151236中的密封环由多个分离的密封块形成，料对密封环产生压力，密封环受力扩张，密封块分散并抵紧在密封件上。

从1980年密封问题便已经受到关注，并且从防止过滤器或者支架变形和加压方式两个方面进行研究从未间断过，至今然是该领域的研究重点[3]。

4 控制换网、过滤过程中的压力变化的技术发展

熔体在流动过程中压力的变化会导致产品表面上留下波纹，从而影响产品质量。为解决这一技术问题，通常从压力变化或波动的角度入手。

4.1 防止、减小压力降低或损失

过滤器的结构、熔体的流动路径均会影响熔体的流动性能，其与熔体的压力降低或损失息息相关，为彻底解决或者减少压力的降低或者损失，通常对过滤器的构造进行改造：

①过滤器结构的改进，例如JP3770295A通过双向对称过滤系统来防止突然的压力下降；DE29614351U通过让流体预先填入过滤腔，这样熔体不会因为填入空腔太快而导致压力下降；JP23587297A、DE19732458A、DE19939755A分别通过在筒状过滤器内部设置波纹状加强筋、过滤网设置为波纹状来减小压力降低；JP25987899A中的过滤盘两侧支撑有突出过滤介质，过滤介质与过滤盘具有一定的角度过滤器，从而减少压力损失；JP2004160153A在过滤网两侧设置分流支撑体，从而不会产生大的压力下降。②增大过滤面积，例如US20000735915A设置旋转式过滤盘来增加过滤面积，从而降低熔体经过过滤器时的压力下降；CN200920206449中采用板式筛网器结构，增大了过滤面积，同时使全套挤出机的熔体压力降低，间接延长了设备的使用寿命；CN200920206449中采用板式筛网器结构，增大了过滤面积，同时使全套挤出机的熔体压力降低，间接延长了设备的使用寿命。③改进流道构造，例如DE69124396T设置多条平行连续的由固体塞密封的过滤通道来保证无压力下降；US1999000473494通过同心双熔体流道的设计来降低压力下降；DE10358672A中借助于带孔板片克服由于在其上出现的压力下降而在塑料熔体的流动方向上所产生的力而支承住，并且过滤器具有向着过滤元件方向加宽的熔体通道[4]。

4.2 防止压力流串、不稳或波动

为了防止压力流串、不稳或波动，通过分析可以发现解决该技术问题的技术手段大体上与降低压力下降基本一致，CN201310079704中改进过滤器的结构，公开了在换网立柱上设置辅助过滤孔，从而使整个换网过程中熔体通畅，压力波动较小。CN201210057648中采用双滑动柱，每根滑动柱上安装两片过滤网，并在两片过滤网间安装多孔板，从而达到增加过滤面积、减小换网压力波动的效果；WO2004026432涉及流道的改进，通过设置多通道，因此滤网架移动换网时过滤器上的流体压力保持不变，避免过程压力波动。

压力变化问题的研究晚于密封问题的研究，但是目前却鲜有关于压力变化的研究，这可能是压力变化的涉及因素多而杂，且熔体的种类对压力的变化至关重要，普适性较低，因此在发展的过程中逐渐被排出研究热点的范畴，而这一发展趋势与密封性能的经久不息形成了鲜明的对比，进一步突出了密封性能研究的重要性和必要性。

5 防止熔体堵塞、降解的技术发展

为了清洁沉积于过滤网上的残渣，防止熔体堵塞形成死区、熔体发生降解，该领域的解决方式比较分散，可大致分为反向冲洗过滤网、设置清洁装置、其他方式等三类。反向冲洗过滤一直是研究的热点。而在过滤器内设置刮环或刮刀的形式，国外的文献多出现于1990-2000之间，而中国集中在近几年。国外如今为了防止熔体的堵塞和降解，从2000年以后提出了很多新的方法，但是这些方式并没有很好的延续性。

（1）关于反向冲洗过滤网，例如，DE19615679公开了设置偏置的反冲洗通道，熔体中的杂质无需经过换网可排除；US19980049038A公开了设置反向流道从而防止熔体的停滞和降解；JP2001277030A中公开了在圆筒上设计圆锥形的小圆孔，当过滤器35在清洗时，熔化树脂的流向与原来流向相反孔径变小了，可以很好地清除堵塞在圆孔的异物；AT16292002A设置分配器与分离的筛选部匹配，通过分配器的移动实现反冲洗；AT1152004A利用回流实现冲洗，从而防止堵塞；US2008197061A1中提出同时实现反冲洗和排污功能；WO2011AT00288中公开了滤网架由旋转柱形的核心部件穿过并且可旋转地支承在该核心部件上，其中该核心部件和罩壳相对于可旋转的滤网架构造成固定的且抗扭的，从而提高了反向冲洗的效果。

（2）关于设置起清洁作用的装置，例如AT136198A公开的活塞可相对于刮环产生偏移位移，从而环刮一直以一偏压方式配合在活塞段，可以可靠地刮除粘附于活塞上的泄露材料；ATA46597A公开了设置间隔器保持导轨和滤网架之间的空隙，从而减小材料分解和过滤器腐蚀的概率；AT136198A公开了刮环一直以一偏压方式配合在活塞段上，因此当活塞移出壳体时，一直可靠地刮除了粘附至活塞的泄漏材料；AT17499A公开了在过滤器的入流侧面上靠置在壳体中保持的刮刀，其在过滤器回转时将粗的杂质从该过滤器上刮下并导送到一个与壳体内腔连通的积累腔中；DE50308656A公开了在转动的过滤器内设置清洁装置，清洁装置包括用于沿径向清除存留在过滤器上的污染物的刮除件，以尽可能快速地将分离出来的残余物从过滤器表面上除去；US20060353294A公开了包括低轮廓表面安装过滤器的表面安装过滤器，从而减小流路中密封件的数量，从而减小过滤器内部的受潮表面面积和死区。这样就节省了烘干过滤器所需的时间（即减少干燥的时间），并可以使偏离的颗粒从死区中移出并进入气流的可能性最小化[5]。

6 结语

挤出机用过滤器属于塑料加工领域的传统工业，在20世纪50年代就迎来了萌芽期。在之后的发展中，德国、日本、美国等技术大国均投入了大量的研究。由于我国发展挤出机用过滤器技术较晚，因而具有自主知识产权的挤出机用过滤器的申请量很少，这严重影响了我国在该方面的专利布局，可从理论和实际两个方面加以研究来提高自主研发能力，一方面可深入熔体的变化理论研究，为过滤过程提供理论支撑，另一方面可以参照重点申请人的发展模式，以问题为导向，持续研究。