УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ РАСПЛАВА ПЛАСТМАССЫ
DEVICE FOR FILTRATION OF MOLTEN PLASTIC

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к полимерной промышленности, а именно к технологическому оборудованию для изготовления изделий из пластмасс.
Уровень техники
Известно устройство для фильтрации расплава полимерных материалов (патент РФ №2523808, опубл. 27.07.2014), содержащее корпус, сменные кассеты.
Сменная кассета представляет собой единый цилиндрический неразборный блок, на поверхности которого фиксируется фильтрующий элемент (сетка). Кассета состоит из дренажного цилиндра, опорной решетки, головки кассеты и резьбового фланца кассеты. Расплав пластической массы, пройдя сменный фильтрующий элемент и опорную решетку, попадает в снабженный сетью каналов дренажный цилиндр. Далее расплав движется сквозь головку кассеты и попадает в камеру низкого давления (очищенного расплава), ограниченную головкой кассеты и торцевым фланцем корпуса.
В указанном патенте приведены две возможные схемы движения расплава полимеров и выхода очищенного материала. В одном варианте выход осуществляется через торцевой фланец корпуса, а в другом отверстие располагается в боковой поверхности самого корпуса, а фланец остается глухим. В обоих вариантах корпус представляет собой полый цилиндр, снабженный сетью внутренних каналов подвода грязного продукта, служит для сдерживания внутреннего давления. Согласно конструкции корпус принимает на себя как радиальное растягивающее усилие, так и осевое, передаваемое через торцевой фланец кассеты с одной стороны и торцевой фланец корпуса с другой.
Жестко зафиксированные глухие торцевые элементы, предназначенные для сдерживания внутреннего давления, не позволяют кассете свободно перемещаться в вдоль оси корпуса, как следствие, автоматизация и механизация процессов втягивания и выталкивания кассеты из корпуса, становятся крайне затруднительными.
Главным недостатком данной конструкции является сложность в обслуживании, выражающаяся:
- в отсутствии автоматизации и механизации процессов втягивания и выталкивания кассеты из корпуса фильтра;
- в наличии ручного труда при демонтаже и извлечении кассеты из корпуса фильтра;
- в необходимости полного извлечения кассеты из корпуса фильтра.
Вышеперечисленные характеристики влияют на производительность, ограниченную скоростью и физическими возможностями оператора, а также на невозможность увеличения технических параметров фильтра путем масштабирования (увеличения габаритов), также связанного с наличием ограничений, накладываемых на ручной труд.
Раскрытие изобретения.
Задачей изобретения является создание высокопроизводительного компактного, эргономичного и надежного устройства для фильтрации расплава пластмассы, обеспечивающего возможность масштабирования фильтра при использовании средств механизации и автоматизации процесса извлечения, фильтрующих элементов при их замене.
Технический результат:
- повышение производительности;
- улучшение эргономичности и эффективности работы устройства;
- облегчение ручного труда при периодической смене фильтрующих элементов;
- обеспечение надежности и безотказности работы базовых элементов фильтра, находящихся под высоким внутренним давлением.
Указанный технический результат достигается за счет использования конструкции, включающей в себя корпус, представляющий собой полый стальной цилиндр с входным А, выходным Б отверстиями, внутренними дренажными каналами, на внешней поверхности которого имеются обогревательные элементы; размещенную (в рабочем состоянии) внутри корпуса кассету, сообщающуюся с внутренними дренажными каналами корпуса. Согласно изобретению, корпус, представляющий собой сквозной цилиндр в виде толстостенной трубы, не ограничен фланцами, либо другими аналогичными торцевыми элементами, обеспечивая тем самым осевую степень свободы при перемещении кассеты. Кассета состоит из:
- дренажного цилиндра, реализованного в виде цельнометаллического кругляка, наружная поверхность которого покрыта опорными элементами;
- опорной решетки, представляющей собой перфорированный стальной лист, скатанный в цилиндрическую обечайку;
- сменного фильтрующего элемента, представляющего собой тканое стальное сито, обернутое и стянутое вокруг опорной решетки;
- головки;
- торцевого поршня.
Дренажный цилиндр соединен с торцевым поршнем кассеты с одной стороны и головкой кассеты - с другой. В состав головки и торцевого поршня входят прижимной диск - уплотнительное кольцо.
Головка кассеты представляет собой стальной цилиндр, конструктивно выполненный в виде двух последовательно расположенных спаренных поршней, при этом в поршне, прилегающем к дренажному цилиндру, выполнены радиально расположенные сквозные отверстия для прохождения очищенной пластмассы, кроме того, указанные поршни имеют конструктивные элементы (канавки), обеспечивающие герметичность камер высокого и низкого давления. Головка кассеты выполнена таким образом, чтобы кассета, частью которой она является, имела возможность многократно производить обратно-поступательные движения внутри корпуса. Крайний поршень головки кассеты имеет конструктивную особенность для фиксации уплотнительного кольца (прокладки). Торцевой поршень кассеты представляет собой одинарный глухой металлический диск с конструктивными элементами, обеспечивающими герметичность камеры высокого давления, аналогичными тем, что выполнены на поршнях головки кассеты, (выполненный таким образом, чтобы кассета, частью которой он является, имела возможность многократно производить обратно-поступательные движения внутри корпуса). Прижимной диск, представляющий собой резьбовой элемент (гайку большого диаметра), накручиваясь на торцевой поршень кассеты с одной стороны и на головку кассеты с другой, прижимает уплотнительное кольцо, деформация и обтюрация которого и обеспечивает требование герметичности камеры с расплавом пластической массы. При этом все элементы кассеты кроме сменного фильтрующего элемента, уплотнительных колец (прокладок) и прижимных дисков собираются в единый неразборный блок.
Толкатель устройства может быть выполнен в виде ручной винтовой передачи, а также с механической передачей, приводимой в движение электродвигателем или с гидравлическим устройством.
Реализация изобретения стала возможна за счет замены фиксированных торцевых элементов (фланец корпуса, фланец кассеты) подвижными поршнями кассеты, взявшими на себя функцию сдерживания расплава пластической массы и деформирующих нагрузок внутри камер высокого и низкого давлений.
Достижение технического результата обеспечивается за счет использования конструкции, в которой происходит перераспределение нагрузок, вызванных высоким давлением, сопровождающим процесс экструзии пластмассы, новым, технологичным и сбалансированным способом, в частности:
- за счет конструктивных особенностей дренажных каналов корпуса, позволяющих вводить в камеру высокого давления и выводить из камеры низкого давления расплав пластмассы, без использования фиксируемых торцевых элементов;
- за счет использования видоизмененной головки кассеты и наличия торцевого поршня кассеты, как конструктивных элементов сдерживания внутреннего давления (теперь головка кассеты разделяет не только камеру высокого и низкого давления, но и камеру низкого давления с внешней средой, образуя, таким образом, камеру низкого давления);
- за счет конструктивных особенностей устройства в целом обеспечивается свобода осевого перемещения кассеты фильтра, дающая возможность механизации и автоматизации процесса неполного извлечения и последующего втягивания кассеты, что позволяет быстро и удобно менять фильтрующий элемент без полного вынимания сменной кассеты из корпуса фильтра (улучшается производительность и эргономичность использования);
- за счет возможности ухода от ручного, полного извлечения сменной кассеты не возникает никаких ограничений, связанных с физическими возможностями оператора процесса фильтрации (появляется возможность масштабирования элементов фильтра);
- за счет простоты геометрических форм (подавляющее большинство деталей - это фигуры вращения) устройство приобретает высокую технологичность при изготовлении, надежность, ремонтопригодность и низкую себестоимость производства на металлорежущих станках.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображена общая схема устройства для фильтрации пластмассы.
На фиг. 2 показана сборочная схема устройства для фильтрации пластмассы.
Осуществление изобретения
Устройство для фильтрации пластмассы представленное на фиг. 1, содержит корпус 1 с обогревательными элементами 10. Центральная часть устройства фильтрации, именуемая кассетой, представляет собой эргономичный подвижный фильтрующий блок, состоящий из следующих элементов: дренажный цилиндр 2, головка кассеты 3, торцевой поршень 4, опорная решетка 6. Эти базовые элементы образуют единый неразборный блок. Поверх опорной решетки 6 крепится сменный фильтрующий элемент 7. Резьбовые прижимные диски 9 накручиваются на головку кассеты 3 и торцевой поршень 4. Устройство для фильтрации полимерных расплавов имеет две камеры и две зоны, на фиг. 1 зоны маркированы следующим образом:
- зона грязного расплава - 11 (в черную точку);
- зона чистого расплава - 12 (без точек).
Стрелка 13 показывает направление движения расплава пластмассы.
Корпус 1 устройства фильтрации предназначен для формирования камеры высокого и низкого давления, сдерживания давления пластической массы, центрирования собранной кассеты.
Корпус 1 представляет собой полый стальной цилиндр (например, отрезок толстостенной трубы), на внешней поверхности которого имеются обогревательные элементы 10. В корпусе 1 имеются отверстия входа и выхода продукта. Внутри корпуса 1 имеется сеть каналов перераспределения как грязного расплава пластической массы, так и очищенного, отфильтрованного.
Кассета как отдельная сборочная единица выполняет функцию объединения отдельных деталей в один эргономичный элемент, удобный при периодическом, неполном извлечении из корпуса 1.
Дренажный цилиндр 2 не претерпел видоизменений (патент РФ №2523808) и реализован в виде цельнометаллического цилиндра с резьбовыми отверстиями с обеих сторон для вкручивания торцевого поршня 4 кассеты и головки кассеты 3. В отдельных случаях может быть предусмотрена частичная выборка металла из центральной части дренажного цилиндра 2 в целях облегчения кассеты. Наружная поверхность дренажного цилиндра 2 покрыта сетью (массивом) опорных элементов, причем с одной стороны дренажного цилиндра 2 точение опорных элементов не доходит до края и цилиндр 2 в этом месте имеет гладкую поверхность («недорез») (см. фиг.2). Данная гладкая поверхность необходима для плотного прилегания опорной решетки 6 и обеспечения герметичности фильтрующего элемента по краям, ширина ее минимальна.
Дренажный цилиндр 2 воспринимает на себя основную нагрузку от расплава пластической массы на сжатие. Конструктивная особенность, связанная с выполнением «недореза» опорных элементов с одного края дренажного цилиндра 2, обусловлена заданием направленности движения отфильтрованного потока к головке кассеты 3. Таким образом производится отведение чистого расплава непосредственно из области фильтрации.
Верхние части опорных элементов дренажного цилиндра 2 служат участками соприкосновения с опорной решеткой 6, воспринимают и распределяют всю нагрузку от давления расплава пластической массы.
Опорная решетка 6 представляет собой перфорированный стальной лист, скатанный в цилиндрическую обечайку и прихваченный продольным прерывистым сварным швом. Данная конструкция опорной решетки 6 обеспечивает формообразующую и поддерживающую функцию для сменного фильтрующего элемента 7, одновременно пропуская сквозь себя очищенный расплав.
Головка кассеты 3 представляет собой стальной цилиндр, конструктивно выполненный в виде двух последовательно расположенных (спаренных) поршней со сквозными отверстиями по кругу в теле поршня, прилегающего к дренажному цилиндру. С одной стороны резьбовым соединением головка кассеты 3 вкручивается в дренажный цилиндр 2. Отверстия, расположенные в одной из торцевых плоскостей, совпадают по уровню с каналами, образованными сетью опорных элементов дренажного цилиндра 2, и выходят непосредственно в камеру низкого давления, расположенную внутри головки и в пространстве, ограниченном ею и внутренней поверхностью корпуса 1. Наружный диаметр головки 3 ограничен внутренним диаметром корпуса 1.
Головка кассеты 3 за счет своего конструктивного решения осуществляет несколько функций.
Во-первых, она предназначена для разделения камеры высокого давления и камеры низкого давления, в которую перетекает чистый расплав пластической массы по отверстиям в головке.
Во-вторых, головка кассеты образует в пространстве, ограниченном ею и внутренней поверхностью корпуса, камеру низкого давления, предназначенную для перераспределения и направления очищенного (отфильтрованного) расплава в сеть каналов корпуса к выходу из него.
В-третьих, выполняет функцию подвижного (отличительный признак) торцевого элемента, уравновешивая и компенсируя сдвигающую силу внутреннего высокого давления, обеспечивая тем самым сдерживание осевого растягивающего усилия, снимаемого с корпуса 1.
Благодаря вышеизложенным конструктивным особенностям в торце головки кассеты 3 возможно закрепление толкателя 5 различными способами (например, резьбовой др.), обеспечивающего приложение усилия для перемещения кассеты механизированным способом.
Ширина наружного диаметра второго поршня головки кассеты 3 имеет конструктивные элементы, аналогичные первому поршню, что также создает необходимую герметичность между камерой низкого давления (чистого продукта) и внешней средой, препятствует выходу расплава наружу за счет уплотнительного кольца 8 и прижимного диска 9.
Фильтрующий элемент 7 представляет собой тканое стальное сито, обернутое и стянутое вокруг опорной решетки 6. Фильтрующий элемент 7 предназначен для разделения грязного расплава за счет разности его давления с обеих сторон и способности фильтрующих ячеек удерживать механические примеси, имеющие более твердую структуру, чем расплав с одной стороны, а очищенный расплав пропускать на другую.
Торцевой поршень 4 аналогично головке кассеты 3 представляет собой металлический диск, который соединен с дренажным цилиндром 2 и уплотняется кольцом 8 под действием прижимного диска 9.
Устройство для фильтрации расплавов пластмассы работает следующим образом.
Расплав пластической массы, движущийся из экструдера по технологической линии, попадает в камеру высокого давления через отверстие в корпусе «А». Далее происходит заполнение камеры высокого давления пластической массой. В процессе заполнения пластмасса равномерно обжимает фильтрующий элемент 7 вокруг опорной решетки 6. Далее, по мере роста давления начинается продавливание грязного расплава сквозь фильтрующий элемент 7 и отверстия в опорной решетке 6. В момент прохождения расплава пластической массы через фильтрующий элемент 7 все механические загрязнения более размеров фильтрующей ячейки задерживаются на поверхности фильтрующего элемента 7. После прохождения опорной решетки 6 очищенный расплав попадает в сеть опорных элементов, сформированных на поверхности дренажного цилиндра 2. Находясь в зоне опорных элементов, за счет разницы давлений пластическая масса перераспределяется в направлении основного потока, направленного на выход, к камере низкого давления. Основной поток пластической массы движется вдоль дренажного цилиндра 2 по образованным массивом опорных элементов каналам. Пройдя дренажный цилиндр 2, расплав попадает в кольцевой зазор между дренажным цилиндром 2 и вкрученной в него головкой кассеты 3, где происходит его разделение и распределение по отдельным отверстиям в головке и дальнейшее его движение в камеру низкого давления. В камере низкого давления происходит смешивание и перераспределение отдельных потоков и их движение по внутренним дренажным каналам корпуса 1 в направлении к выходу через отверстие «Б».
По мере загрязнения фильтрующего элемента приближается время для замены кассеты. После полного засорения фильтрующего элемента производится остановка линии, посредством толкателя 5 отработанная кассета частично извлекается из корпуса, заменяется фильтрующий элемент 7 и затягивается обратно в корпус 1. Далее цикл повторяется.
Заявленное устройство отличается принципиально от устройства, описанного в патенте №2523808, тем, что нагрузки от внутреннего давления распределяются новым, оптимальным образом: всю осевую нагрузку теперь сдерживает кассета, тогда как корпус удерживает только радиальную, в то время как в прототипе корпус сдерживал нагрузки во всех направлениях.
Как следствие, в изобретении появляется возможность механизации и автоматизации процесса извлечения и втягивания сменной кассеты.
Благодаря вышеизложенным конструктивным особенностям при закреплении толкателя 5 в торце головки кассеты 3 (фиг. 1) становится возможным приложение усилия к кассете и свободного осевого перемещения внутри корпуса.
Уход от полного вынимания отработанной кассеты при смене фильтрующего элемента, увеличение скорости его замены, улучшение качества и условий работы оператора на линии.
Возможность масштабирования фильтра и соответственно увеличение производительности установки фильтрации не только за счет количества фильтров, но и за счет увеличения фактической площади фильтрации.
Отсутствие резьбовых и других устройств фиксации кассеты внутри корпуса во время работы фильтра с внутренним избыточным давлением.
Простота и ремонтопригодность при замене уплотнительных колец - основных элементов износа в процессе эксплуатации в отличие от сопутствующего износа резьбового соединения у прототипа.
Таким образом, предложено решение конструкции устройства для фильтрации расплава пластмассы, а именно то, что корпус вместе с фильтрующим элементом реализован в виде цилиндра. В результате производительность устройства для фильтрации повышается за счет скорости и удобства смены фильтрующего элемента (сетки). Появляется возможность механизации и частичной автоматизации процесса фильтрации. Повышается качество работы оператора линии фильтрации и условия его труда.
Разработанная конструкция обеспечивает возможность значительного повышения производительности и эффективности работы устройства для фильтрации расплавов пластмассы за счет масштабирования элементов фильтра и увеличения поверхности фильтрации.
Сопоставительный анализ изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства для фильтрации расплавов пластмассы не известна из уровня техники и значит соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого устройства для фильтрации расплава пластмассы в полимерной промышленности и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».