Фильтр кассетный непрерывного действия
CASSETTE FILTER OF CONTINUOUS OPERATION

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  №2581371, кл. МПК B29C 47/68, опубл. 20.04.2016), содержащее корпус, кассету.
Корпус представляет собой полый стальной цилиндр, на внешней поверхности которого имеются обогревательные элементы. В корпусе имеются отверстия входа и выхода продукта. Внутри корпуса имеется сеть каналов перераспределения, как грязного расплава пластической массы, так и очищенного, отфильтрованного.
Кассета представляет собой эргономичный подвижный фильтрующий блок, состоящий из следующих элементов: дренажный цилиндр, головка кассеты, торцевой поршень, опорная решётка. Эти базовые элементы образуют единый фильтрующий блок.
Главным недостатком данного фильтра является цикличность его работы в составе технологической линии, и как следствие, необходимости остановки всей технологической линии при смене загрязнённого фильтрующего элемента.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для фильтрации пластмасс постоянного действия (далее Фильтр), обеспечивающего непрерывность процесса экструзии при смене загрязнённых фильтрующих элементов.
Технический результат:
1) Устраняются простои технологической линии;
2) Повышается производительность технологической линии;
3) Снижается количество технологического отхода;
4) Увеличивается рабочая площадь фильтрации;
5) Повышается технологичность изготовления Фильтра.
Указанный технический результат достигается за счет использования такой конструкции фильтра, которая включает в себя совокупность двух зон фильтрации, объединённых между собой зоной переключения потоков расплава, смонтированный в каждой зоне фильтрации фильтрующий блок, а также смонтированная кассета переключения сообщаются с отверстиями в корпусе, причем корпус представляет собой три полых стальных цилиндра, на внешней поверхности которых имеются обогревательные элементы, дренажный цилиндр каждого фильтрующего блока реализован в виде цельнометаллического цилиндра, наружная поверхность которого покрыта опорными элементами, причем с одной стороны дренажного цилиндра точение опорных элементов не доходит до края и цилиндр в этом месте имеет гладкую поверхность, сменный фильтрующий элемент представляет собой тканое стальное сито, обернутое и стянутое вокруг опорной решетки, которая представляет собой перфорированный стальной лист, скатанный в цилиндрическую обечайку, фильтрующий блок представляет собой кассету, состоящую из сменного фильтрующего элемента, опорной решетки, дренажного цилиндра, головки и торцевого поршня кассеты, при этом все элементы кассеты кроме сменного фильтрующего и уплотняющих элементов собираются в единый неразборный блок, дренажный цилиндр соединен с торцевым поршнем кассеты с одной стороны и головкой кассеты, с другой, уплотняющие элементы состоят из кольцевых прокладок и прижимных дисков с резьбой, которые крепятся на торцевой поршень кассеты с одной стороны и на головку кассеты с другой, головка кассеты 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, камера низкого давления расположена внутри головки и пространстве, ограниченном ею и внутренней поверхностью корпуса, торцевой поршень кассеты представляет собой глухой металлический диск, выполненный таким образом, чтобы кассета, частью которой он является, имела возможность, при замене фильтрующего элемента, многократно выдвигаться и вставляться в корпус, обеспечивая герметичность фильтра, при этом кассета выдвигается не до конца, а именно так, что головка кассеты не покидает пределов корпуса, причем каждая из трёх частей корпуса фильтра представляет собой сквозной цилиндр, в котором имеются только отверстия входа и выхода продукта, кассета переключения потоков выполняет функции подвода, распределения грязного расплава и сбора, отвода очищенного расплава пластической массы между зонами фильтрации фильтрующих кассет и внутри частей и корпуса фильтра, а также их разделение внутри части корпуса фильтра, часть корпуса фильтрующей установки представляет собой полый стальной цилиндр, снабжённый в центральной части ассиметричными каналами, кассета переключающего устройства представляет собой единый симметричный блок в виде стержня, в центральной части снабженного элементами уплотнения, с последовательно расположенными двумя проточными и двумя торцевыми глухими поршнями, наружной поверхностью прилегающих к части корпуса фильтра.
Согласно изобретению, каждый из трёх полых стальных цилиндров, составляющих корпус Фильтра, представляет собой сквозной цилиндр не ограниченный фланцами, либо другими аналогичными торцевыми элементами, обеспечивая тем самым осевую степень свободы при перемещении помещенных внутрь них кассет.
Фильтрующая кассета не претерпела изменений (патент РФ №2581371) и 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 кассеты;
- торцевого поршня;
- торцевых дисков;
- кольцевых элементов уплотнения.
Дренажный цилиндр соединён с торцевым поршнем кассеты с одной стороны и головкой кассеты – с другой. В состав головки и торцевого поршня входят торцевой диск и кольцевой элемент уплотнения.
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 кольцевого элемента уплотнения. 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). Торцевой диск, представляющий собой элемент крепления на торцевой поршень кассеты с одной стороны и на головку кассеты с другой, прижимает кольцевые элементы уплотнения, деформация и обтюрация которых, обеспечивает требование герметичности камеры с расплавом пластической массы. При этом все элементы кассеты, кроме сменного фильтрующего элемента, кольцевых элементов уплотнения и торцевых дисков, собираются в единый неразборный блок.
Толкатель Фильтра не претерпел видоизменений (патент РФ №2581371) и может быть выполнен в виде ручной винтовой передачи, а также с механической передачей, приводимой в движение электродвигателем или гидравлическим устройством.
Достижение технического результата обеспечивается за счет использования новой конструкции корпуса и кассеты переключения потоков, расположенной внутри одного из полых цилиндров корпуса, в частности:
- простои технологической линии устраняются за счёт непрерывности процесса экструзии расплава во время замены одного из фильтрующих элементов, в свою очередь непрерывность достигается за счет управляющей способности кассеты управления потоками и попеременного использования двух фильтрующих кассет;
- повышается производительность технологической линии за счет устранения простоев по причине смены фильтрующих элементов;
- снижается количество технологического отхода, за счет устранения отходов образуемых в результате остановок и последующих запусков технологической линии;
-  увеличивается рабочая площадь фильтрации за счёт одновременного использования нескольких фильтрующих блоков;
- повышается технологичность изготовления Фильтра за счет простоты геометрических форм (подавляющее большинство деталей Фильтра – это фигуры вращения).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена схема Фильтра в обычном режиме работы.
На фиг. 2 и фиг. 3 изображены схемы Фильтра в режимах попеременной смены фильтрующего элемента.
На фиг. 4 и фиг. 5 изображены варианты компоновки корпуса Фильтра с использованием двух и четырёх кассет фильтрации.
Осуществление изобретения
Три полых стальных цилиндра под номерами 1, 2, 3, наружные поверхности которых снабжены обогревательными элементами 15, объединены между собой патрубками в единый стальной корпус Фильтра с одним входным и одним выходным отверстиями, представлены на фигурах 1, 2, 3.
Кассеты Фильтра под номерами 4, 5, 6 представленные на фигурах 1, 2, 3 вставлены вовнутрь корпуса Фильтра. Кассеты под номерами 4 и 5 производят фильтрацию расплава, кассета под номером 6, в зависимости от одного из трех своих положений, производит управление потоками расплава.
Кассеты под номерами 4 и 5, представляют собой эргономичный подвижный фильтрующий блок, состоящий из следующих элементов: дренажный цилиндр 7, головка кассеты 8, торцевой поршень 9, опорная решётка 11. Эти базовые элементы образуют единый неразборный блок. Поверх опорной решётки 11 крепится сменный фильтрующий элемент 12. Торцевые диски 14 прижимают кольцевые элементы уплотнения 13 к головке кассеты 8 и торцевому поршню 9. Кассета под номером 6 представляет собой единый подвижный управляющий блок, имеющий два проточных поршня 17 и два глухих торцевых поршня 18. Каждая кассета внутри корпуса Фильтра имеет две камеры и две зоны, на фигуре 1 они маркированы следующим образом:
- камера высокого давления - темно-серым;
- камера низкого давления - светло-серым;
- зона грязного расплава - в черную точку;
- зона чистого расплава - без точек.
Фильтрующие кассеты при замене фильтрующего элемента  извлекаются из частей 1 и 2 корпуса Фильтра не полностью.
Дренажный цилиндр 7 реализован в виде цельнометаллического цилиндра с резьбовыми отверстиями с обеих сторон для вкручивания торцевого поршня 9 кассеты и головки кассеты 8. В отдельных случаях может быть предусмотрена частичная выборка металла из центральной части дренажного цилиндра 7 в целях облегчения кассеты. Наружная поверхность дренажного цилиндра 7 покрыта сетью (массивом) опорных элементов, причем с одной стороны дренажного цилиндра 7 точение опорных элементов не доходит до края и цилиндр 7 в этом месте имеет гладкую поверхность («недорез»). Данная гладкая поверхность необходима для плотного прилегания опорной решетки 11 и обеспечения герметичности фильтрующего элемента по краям, ширина ее минимальна.
Дренажный цилиндр 7 воспринимает на себя основную нагрузку от расплава пластической массы на сжатие. Конструктивная особенность, связанная с выполнением «недореза» опорных элементов с одного края дренажного цилиндра 7, обусловлена заданием направленности движения отфильтрованного потока к головке кассеты 8. Таким образом, производится отведение чистого расплава непосредственно из области фильтрации.
Верхние части опорных элементов дренажного цилиндра 7 служат участками соприкосновения с опорной решеткой 11, воспринимают и распределяют всю нагрузку от давления расплава пластической массы.
Опорная решетка 11 представляет собой перфорированный стальной лист, скатанный в цилиндрическую обечайку и прихваченный продольным прерывистым сварным швом. Данная конструкция опорной решетки 11 обеспечивает формообразующую и поддерживающую функцию для сменного фильтрующего элемента 12, одновременно пропуская сквозь себя очищенный расплав.
Головка кассеты 8 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 8 вкручивается в дренажный цилиндр 7. Отверстия, расположенные в одной из торцевых плоскостей, совпадают по уровню с каналами, образованными сетью опорных элементов дренажного цилиндра 7, и выходят непосредственно в камеру низкого давления, расположенную внутри головки и в пространстве, ограниченном ею и внутренней поверхностью частей 1 и 2 корпуса Фильтра. Наружный диаметр головки 8 ограничен внутренним диаметром частей 1 и 2.
Головка кассеты 8 за счет своего конструктивного решения осуществляет несколько функций. Функцию разделения камеры высокого давления и камеры низкого давления, в которую перетекает чистый расплав пластической массы по отверстиям в головке. Функцию подвижного торцевого элемента, уравновешивая и компенсируя сдвигающую силу внутреннего высокого давления, обеспечивая тем самым сдерживание осевого растягивающего усилия, снимаемого с частей 1 и 2 корпуса Фильтра.
Благодаря вышеизложенным конструктивным особенностям в торце головки кассеты 8 возможно закрепление толкателя 10 различными способами (например, резьбовой др.), обеспечивающего приложение усилия для перемещения кассеты механизированным способом.
Ширина наружного диаметра второго поршня головки кассеты 8 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 кольцевого элемента уплотнения 13 и торцевого диска 14.
Фильтрующий элемент 12 представляет собой тканое стальное сито, обернутое и стянутое вокруг опорной решетки 11. Фильтрующий элемент 12 предназначен для разделения грязного расплав 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 9 аналогично головке кассеты 8 представляет собой металлический диск, который соединен с дренажным цилиндром 7 и уплотняется кольцевым элементом 13 под действием торцевого диска 14.
Кассета управления 6 вставлена в часть 3 корпуса Фильтра с наружными обогревательными элементами 15 и возможностью подключения толкателя 16 различными способами (например, резьбовой др.), обеспечивающего приложение усилия для перемещения механизированным способом.
Часть 3 корпуса Фильтра представляет собой один из трёх полых стальных цилиндров, снабжённый в центральной части ассиметричными каналами подвода-отвода общих потоков расплавов и обеспечивающих разделение зон грязного и чистого расплава, камер высокого и низкого давления. Слева и справа от центральной части расположены отверстия подвода-отвода расплава к частям 1 и 2 корпуса Фильтра.
Кассета управления потоков 6 представляет собой симметричный стержень с последовательно расположенными поршнями, наружной поверхностью прилегающими к части 3 корпуса Фильтра и обеспечивающими герметичность отдельных участков. Конструктивно, внутренние  поршни 17 являются проточными и имеют сквозные отверстия для прохождения расплава. Торцевые (наружные) поршни 18 – глухие.
Кассета 6 выполняет несколько функций:
- разделение зон грязного и чистого расплавов
- разделение камер высокого и низкого давления
- разделение потока грязного материала
- объединение потока чистого материала
- включение и выключения тока расплава в патрубках корпуса Фильтра.
Фильтр кассетный непрерывного действия работает следующим образом.
1
2
1
2
Расплав пластической массы, движущийся из экструдера по технологической линии, через отверстие общего входа «А» (фиг. 1) попадает в часть 3 корпуса Фильтра. Далее происходит заполнение камеры высокого давления пластической массой, образованной пространством между каналами подвода расплава внутри части 3 корпуса и кассетой переключения 6. В процессе заполнения, грязный расплав движется вдоль кассеты переключения потоков 6, сквозь проточный поршень 17 до упора в глухой торцевой поршень 18. Далее расплав через патрубок «А» и «А» распределяется между частями 1 и 2 корпуса Фильтра, образующими зону фильтрации фильтрующей кассеты 4 и зону фильтрации фильтрующей кассеты 5. В процессе заполнения камер высокого давления, пластмасса равномерно обжимает фильтрующий элемент 12 вокруг опорной решетки 11. Далее, по мере роста давления начинается продавливание грязного расплава сквозь фильтрующий элемент 12 и отверстия в опорной решетке 11. В момент прохождения расплава пластической массы через фильтрующий элемент 12, все механические загрязнения более размеров фильтрующей ячейки, задерживаются на поверхности фильтрующего элемента 12. После прохождения опорной решетки 8 очищенный расплав попадает в сеть опорных элементов, сформированных на поверхности дренажного цилиндра 7. 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 7, по образованным массивом опорных элементов каналам. Пройдя дренажный цилиндр 7, расплав попадает в кольцевой зазор между дренажным цилиндром 7 и вкрученной в него головкой кассеты 8, где происходит его разделение и распределение по отдельным отверстиям в головке и дальнейшее его движение в камеру низкого давления. В камере низкого давления каждой зоны фильтрации внутри частей 1 и 2 корпуса Фильтра происходит смешивание и перераспределение отдельных потоков, и их движение по патрубкам «Б» и «Б» на выход из зон фильтрации фильтрующих кассет 4 и 5 к камере низкого давления внутри части 3 корпуса Фильтра, ограниченному глухим 18 и проточным 17 поршнями кассеты переключения 6. Далее очищенный расплав, двигаясь вдоль кассеты переключения 6, направляется к через отверстие к общему выходу «Б».
По мере загрязнения фильтрующих элементов, приближается время их замены.
Замена фильтрующего элемента кассеты 4.
1
1
После засорения фильтрующего элемента кассеты 4, производится осевое перемещение кассеты управления 6 внутри части 3 корпуса Фильтра в  крайне левое положение (фиг. 2). Перемещение посредством толкателя 16 рассчитано и производится таким образом, чтобы поршни кассеты управления 6 одновременно перекрыли собой патрубки «А» и «Б», останавливая подачу расплава в зону фильтрации фильтрующей кассеты 4. Кассета 4 частично извлекается из части 1 корпуса Фильтра, заменяется фильтрующий элемент 12. Затем затягивается обратно в  корпус Фильтра.
Замена фильтрующего элемента кассеты 5.
2
2
После засорения фильтрующего элемента кассеты 5, производится осевое перемещение кассеты управления 6 внутри части 3 корпуса Фильтра в крайне правое положение (Фиг. 3). Перемещение посредством толкателя 16 рассчитано и производится таким образом, чтобы поршни кассеты управления 6 одновременно перекрыли собой патрубки «А» и «Б», останавливая подачу расплава в зону фильтрации фильтрующей кассеты 5. Кассета 5 частично извлекается из части 2 корпуса Фильтра, заменяется фильтрующий элемент 12. Затем затягивается обратно в корпус Фильтра.
Отличительные признаки
Заявленный  фильтр кассетный непрерывного действия отличается от устройства, описанного в патенте №2581371 тем, что имеет такую конструкцию, в составе которой есть: единый корпус, состоящий, как минимум, из трех полых стальных цилиндра, объединённых между собой, как минимум, четырьмя патрубками; как минимум три кассеты две, из которых выполняют функции очистки, а одна функцию управления потоками расплава, при этом у управляющей кассеты есть три собственных положения внутри корпуса, посредством которых происходит:
- разделение зон грязного и чистого расплавов;
- разделение камер высокого и низкого давления;
- разделение потока грязного материала;
- объединение потока чистого материала;
- включение и выключения тока расплава в патрубках корпуса Фильтра.
Кроме вышесказанного отличительной особенностью корпуса Фильтра, по сравнению с патентом №2581371, является упрощение конструкции, отсутствие внутренних каналов внутри частей 1 и 2 корпуса Фильтра, сделало возможным значительно сократить толщину их стенок, необходимой для сдерживания только радиального усилия от расплава пластмассы. В полых стальных цилиндрах предусмотрены только отверстия с каналами подвода расплава в зону грязного материала, сбора и отвода материала из зоны чистого материала.
Преимуществами нового корпуса Фильтра состоящего из трёх частей являются простота изготовления и меньшая металлоёмкость.  Это позволяет дополнительно снизить энергопотребление при прогреве корпуса наружными элементами 15 при выходе в рабочий режим.
При использовании нового Фильтра полностью исключается зависимость всего технологического процесса экструзии расплава от необходимости периодической остановки линии для смены загрязнённой фильтрующей поверхности. Имеется возможность механизации и частичной автоматизации всего процесса фильтрации. Повышается качество работы оператора линии фильтрации и условия его труда.
Разработанная конструкция обеспечивает возможность значительного повышения производительности и эффективности работы Фильтра за счёт масштабирования элементов фильтра и увеличения поверхности фильтрации.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного Фильтра кассетного непрерывного действия, не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого фильтра кассетного непрерывного действия в полимерной промышленности, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».