具有溫度控制的擠出系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 120,要求2012年11月30日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列第 13/690, 642號(hào)的優(yōu)先權(quán),本文以該申請(qǐng)為基礎(chǔ)并將其全文通過(guò)引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及擠出系統(tǒng)和方法,具體地,涉及用于擠出陶瓷前體批料材料的此類(lèi)系 統(tǒng)和方法,其中擠出過(guò)程采用溫度控制。
【背景技術(shù)】
[0004] 形成陶瓷蜂窩體和其他基于陶瓷的制品的過(guò)程涉及將陶瓷前體批料材料(本文 也稱(chēng)作"陶瓷批料"、"批料材料"或者"陶瓷批料材料")擠出通過(guò)桶,然后擠出通過(guò)擠出模 頭以形成擠出物。然后對(duì)擠出物進(jìn)行加工(例如,切碎、干燥和燒制)以形成制造的最終制 品。
[0005] 陶瓷前體批料材料具有溫度依賴(lài)的流動(dòng)性。取決于溫度,批料材料可以較快或較 慢地流動(dòng)通過(guò)擠出模頭。因此,批料材料中的溫度差異會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)不均勻性,這會(huì)對(duì)擠出物 的形狀進(jìn)而對(duì)最終制品的形狀造成負(fù)面影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的方面包括用于在緊接材料擠出通過(guò)擠出模頭之前,對(duì)陶瓷批料材料的溫 度進(jìn)行局部控制的系統(tǒng)和方法,以實(shí)現(xiàn)所需的擠出效果,例如均勻成形的擠出物。在一個(gè)例 子中,通過(guò)相對(duì)于擠出機(jī)布置加熱元件從而使得它們圍繞陶瓷批料材料的周界,以實(shí)現(xiàn)該 溫度控制。所使用的加熱元件的數(shù)量限定了陶瓷批料材料所能夠?qū)崿F(xiàn)的溫度控制的程度。 還可以使用冷卻系統(tǒng)對(duì)陶瓷批料材料的溫度進(jìn)行局部調(diào)節(jié)。因此,在一個(gè)例子中,陶瓷批料 材料的局部溫度調(diào)節(jié)同時(shí)采用加熱和冷卻以實(shí)現(xiàn)所需的擠出物擠出效果。
[0007] 可操作地安置第一組溫度傳感器,從而當(dāng)擠出物離開(kāi)擠出模頭時(shí),測(cè)量沿著其外 表面的多個(gè)位置的溫度??刹僮鞯夭贾萌芜x的第二組溫度傳感器以測(cè)量加熱元件或鄰近加 熱元件的區(qū)域的溫度,從而可以對(duì)提供到加熱元件的功率進(jìn)行控制。這實(shí)現(xiàn)了以受控的方 式對(duì)陶瓷批料材料的局部溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0008] 溫度控制器接收擠出物的外表面所測(cè)得的溫度,并對(duì)輸送到各個(gè)加熱元件的功率 的量進(jìn)行控制。所述系統(tǒng)和方法可包括冷卻系統(tǒng),所述冷卻系統(tǒng)對(duì)擠出物和模頭之間的過(guò) 渡區(qū)段進(jìn)行冷卻。在本文中,該過(guò)渡區(qū)段稱(chēng)作擠出物前端。可以在合理的范圍內(nèi)對(duì)冷卻溫 度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)定,例如約-30°c至約30°C,或者約-5°c至約30°C。
[0009] 可以獨(dú)立于溫度控制器操作冷卻系統(tǒng),或者可以在包括溫度控制器的控制回路中 進(jìn)行操作。在一個(gè)例子中,主動(dòng)冷卻和加熱結(jié)合溫度敏感的陶瓷批料組合物的特性,實(shí)現(xiàn)了 所述系統(tǒng)和方法對(duì)擠出物的流動(dòng)速度進(jìn)行控制,這轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)擠出物的形狀進(jìn)行控制。
[0010] 本發(fā)明的一個(gè)方面是一種對(duì)擠出物的形狀進(jìn)行控制的方法,所述擠出物是由從擠 出機(jī)的擠出模頭擠出的陶瓷批料材料制造的。所述方法包括:使得陶瓷批料材料流動(dòng)通過(guò) 擠出腔,所述擠出腔與擠出模頭緊鄰,其中腔具有中心軸并限定了陶瓷批料材料的周界。所 述方法還包括對(duì)擠出批料材料的溫度進(jìn)行局部調(diào)節(jié)。所述方法還包括將溫度調(diào)節(jié)的陶瓷批 料材料擠出通過(guò)擠出模頭以形成擠出物,所述擠出物具有外表面。所述方法額外地包括在 具有不同方位角位置的多個(gè)外表面位置測(cè)量擠出物的溫度。所述方法還包括基于測(cè)得的外 表面溫度,控制陶瓷批料材料的局部溫度調(diào)節(jié),以控制擠出物的形狀。
[0011] 本發(fā)明的另一個(gè)方面是用于對(duì)陶瓷批料材料的擠出進(jìn)行控制以形成具有外表面 和所需形狀的擠出物的擠出系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括擠出機(jī),所述擠出機(jī)具有長(zhǎng)軸和腔(所述 腔配置成含有陶瓷批料材料)以及含有至少一個(gè)擠出螺桿,可操作所述擠出螺桿以引起陶 瓷批料材料的流動(dòng)。所述系統(tǒng)還包括可操作地布置在擠出機(jī)的輸出端的擠出模頭。擠出機(jī) 的前區(qū)段緊靠擠出模頭。多個(gè)加熱元件繞著至少一部分的腔周界以方位角的方式布置在前 區(qū)段,并配置成響應(yīng)功率信號(hào),當(dāng)陶瓷批料材料流過(guò)前區(qū)段時(shí)對(duì)其進(jìn)行局部加熱。多個(gè)第一 溫度傳感器相對(duì)于長(zhǎng)軸以方位角的方式布置在擠出機(jī)前端,并配置成沿著擠出物外表面進(jìn) 行表面溫度的非接觸測(cè)量并產(chǎn)生代表測(cè)得的表面溫度的第一溫度信號(hào)。溫度控制器可操作 地連接到所述多個(gè)加熱元件和所述多個(gè)第一溫度傳感器,并配置成接收第一溫度信號(hào)并通 過(guò)功率信號(hào)控制各個(gè)加熱元件響應(yīng)測(cè)得的表面溫度所產(chǎn)生的熱量。
[0012] 本發(fā)明的另一個(gè)方面是用于對(duì)陶瓷批料材料的擠出進(jìn)行控制以形成具有外表面 和所需形狀的擠出物的擠出機(jī)系統(tǒng)。所述擠出機(jī)系統(tǒng)具有擠出模頭和第一擠出機(jī)區(qū)段,所 述擠出模頭具有第一腔和輸出孔,所述第一擠出機(jī)區(qū)段緊鄰所述擠出模頭布置并且具有對(duì) 于所述第一腔開(kāi)放的第二腔。所述系統(tǒng)還具有緊鄰所述第一擠出機(jī)區(qū)段布置的第二擠出機(jī) 區(qū)段,其配置成引起陶瓷批料材料流動(dòng)通過(guò)第二腔到達(dá)第一腔,并流出擠出模頭輸出端以 形成擠出物。所述系統(tǒng)還包括多個(gè)第一溫度傳感器,所述多個(gè)第一溫度傳感器繞著擠出模 頭輸出孔以方位角的方式布置,并且可以進(jìn)行操作以測(cè)量沿著擠出物外表面的溫度并響應(yīng) 其產(chǎn)生第一溫度信號(hào)。所述系統(tǒng)具有多個(gè)第一加熱元件,所述多個(gè)第一加熱元件繞著第二 腔以方位角的方式布置,并且可以響應(yīng)功率信號(hào)進(jìn)行操作以對(duì)流動(dòng)通過(guò)第二腔的陶瓷批料 材料進(jìn)行局部加熱。所述系統(tǒng)還包括溫度控制單元,所述溫度控制單元與所述第一溫度傳 感器和加熱元件可操作地相連。溫度控制單元配置成接收第一溫度信號(hào)并在第一控制回路 中控制功率信號(hào),從而對(duì)各個(gè)加熱元件響應(yīng)測(cè)得的表面溫度所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行控制。
[0013] 應(yīng)理解,前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述給出了本發(fā)明的實(shí)施方式,用來(lái)提 供理解要求保護(hù)的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評(píng)述或框架。包括的附圖提供了對(duì)本發(fā)明的 進(jìn)一步的理解,附圖被結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分。附圖以圖示形式說(shuō)明了 本發(fā)明的各種實(shí)施方式,并與說(shuō)明書(shū)一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理和操作。
[0014] 在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn),其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì) 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言根據(jù)所作描述即容易理解,或者通過(guò)實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、 權(quán)利要求書(shū)以及附圖在內(nèi)的本文所述的本發(fā)明而被認(rèn)識(shí)。
[0015] 如下所附的權(quán)利要求書(shū)結(jié)合在下文的【具體實(shí)施方式】中并構(gòu)成其一部分。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖IA是根據(jù)本發(fā)明的擠出系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施方式的示意圖;
[0017] 圖IB是具有圓形截面的示例性擠出物的升高圖(elevatedview);
[0018] 圖2A至2C是根據(jù)本發(fā)明的擠出系統(tǒng)的示意圖,并且顯示溫度控制系統(tǒng)的更多細(xì) -K- T;
[0019] 圖3A是擠出機(jī)前區(qū)段的一個(gè)示例性前區(qū)段的截面圖,其顯示形成在前區(qū)段壁中 的加熱元件鉆孔,并且顯示了桶腔及其周界;
[0020] 圖3B與圖3A類(lèi)似,顯示填充了陶瓷批料材料的擠出機(jī)桶腔,并且每個(gè)加熱元件鉆 孔分別包含加熱元件和溫度傳感器;
[0021] 圖3C與圖3B類(lèi)似,額外地顯示了布置在前區(qū)段外側(cè)上的冷卻夾套的一個(gè)示例性 實(shí)施方式;
[0022] 圖4A是擠出機(jī)腔的示例性前區(qū)段的截面圖,顯示形成在擠出機(jī)桶壁中的冷卻鉆 孔;
[0023] 圖4B與圖4A類(lèi)似,同時(shí)顯示形成在擠出機(jī)桶壁中的冷卻鉆孔和加熱元件鉆孔;
[0024] 圖5A是擠出機(jī)的前區(qū)段的特寫(xiě)側(cè)視圖,顯示兩組溫度傳感器和加熱元件組的示 例性配置;
[0025] 圖5B是圖5A中所示的擠出機(jī)的前區(qū)段的前視圖,顯示用于在不同位置測(cè)量擠出 物的外表面溫度的非接觸式溫度傳感器的示例性配置;以及
[0026] 圖6是模頭壓力(psi)與批料溫度TbCC)(芯和表面溫度)的關(guān)系圖,顯示批料 溫度如何影響模頭壓力,所述模頭壓力由批料流速?zèng)Q定。
[0027] 在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn),其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言由所述內(nèi)容就容易理解,或按下面的描述和權(quán)利要求書(shū)以及附圖中 所述實(shí)施本發(fā)明而被認(rèn)識(shí)。
[0028] 出于參考的緣故在某些附圖中顯示笛卡爾坐標(biāo),它們并不旨在相對(duì)于方向或朝向 進(jìn)行限制。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 圖IA是根據(jù)本發(fā)明的示例性擠出系統(tǒng)("系統(tǒng)")10的示意圖。系統(tǒng)10包括批料 供給單元20,其供給了陶瓷批料材料22。批料供給單元20可包括例如,混合器(其混合了 批料原材料(原材料、水、油等))、旋轉(zhuǎn)錐形體、運(yùn)輸器以及斜槽(未示出),這是本領(lǐng)域眾 所