本发明涉及在不存在水汽的情况下用于冷却挤出的塑料吹制薄膜的内表面的装置和方法，借以提高吹制薄膜的生产率。 用于生产典型厚度在10至300微米之间的塑料膜的吹制薄膜挤压技术是众所周知的。塑料、诸如低密度、线性低密度和高密度的聚乙烯（LDPE，LLDPE，HDPE）都是通过圆形模具挤出成薄膜。空气由模具中心引入用以维持薄膜成泡囊形，泡囊使薄膜直径增大2至6倍，此后将泡囊在一对辊子上压扁。
随着塑料离开模具，由于近处的环境温度的空气吹到泡囊的外表面上且在某些情况中也吹入泡囊的内部塑料被冷却。泡囊的冷却速率是一个限制生产率的因素，因此人们一直在力求增大泡囊冷却速率。
有两种增大现有泡囊内部冷却系统的却冷速率的方法。其一是增加空气吹进泡囊的速率。其二是降低进入泡囊的空气地温度。第一种方法受限于空气流率不致于对泡囊稳定性产生不利影响的程度。
可以预料，太大的空气流率会使得难以保持泡囊的形状，或可能造成泡囊的塌扁。
第二种方法受到空气在低温下会发生物理变化的限制。通过热分析已估计到，要想使吹制薄膜生产率提高20%。必须在保持相同的流率条件下将进入泡囊内部冷却系统的气体冷却到约-100℃。很显然，当空气冷却到这样低的温度时，存在于空气中的水汽将会结冰。当出现结冰情况时，已有的致冷设备将不能有效地发挥功能，且在任何情况下，这种冰通常都会妨碍泡囊表面的光洁度。已经发现，不可能将进入泡囊内部的空气冷却到空气的露点以下（一般约10℃），除非采取特殊步骤来降低空气中的水汽含量。
于是，虽然为了增加产量希望加强气体的冷却作用，但必须开发一种能将极冷空气引入泡囊内部冷却系统的实用方法，使其不受水汽的冷凝和/或结冰的妨碍。
本发明总的目的在于提供一种用于冷却挤出塑料吹制薄膜的内表面的装置和方法，以此获得比用已有技术通常达到的高得多的吹制薄膜生产率。该方法是把一种冷的不含汽的气体（以下称为“无水汽气体”）注入通常为泡囊形的挤出薄膜中，以便冷却气体接触吹制塑料薄膜的内表面。所注入的气体对泡囊产生冷却作用而被排出。然后可以将废气的全部或一部分冷却并循环用于制泡过程。由于不是用空气或任何其它含有水汽的气体注入泡囊内，这就允许使用冷却到以往温度限制以下的气体。
尤其是，本发明包括使泡囊的内表面与无水汽气体在低于10℃的低温下接触的措施。无水汽气体的冷却作用甚至能以很高的供入速率下迅速冷却薄膜。冷却作用从冷却气体向薄膜的传递使产生的气体的温度升高，这些暖的废气被从泡囊中排出且可废弃。
在本发明的一较佳实施例中，废气不完全丢弃。而是设有一个封闭循环系统，在这一系统中将无水汽废气从泡囊内回收并使其全部或一部分再循环到冷却装置。然后将这种被冷却的气体经封闭循环系统送回到生产设备用于冷却挤出的塑料薄膜。在采用本发明的方法时，吹制薄膜的生产率可比已有方法的提高20%或更多。
在本发明的一较佳实施例中，冷却气体是用一种液体冷却剂来产生，这种冷却剂与一部分循环废气混合时产生温度对应于吹制薄膜泡囊入口处的温度的气体（即-100℃）。液体冷却剂最好是制冷液体，诸如液氮、液态二氧化碳，或氟里昂之类的致冷剂。
可以提供用于通过将冷却剂注入循环废气流产生一种吹制薄膜冷却气体的装置，以便为使形成的再冷却气体循环到挤出塑料膜提供原动力。能量被再冷却气体从吹制带膜移出的速率主要取决于冷却剂进入系统的速率。例如可使用喷嘴将冷却剂喷入再循环的废气流中。
将冷却剂注入系统的较好的装置是用一种能使冷却剂雾化且与废气热混合的喷射器。通过阻止空气进入吹制薄膜和循环回路、可以使再循环气体的温度明显降低而又不会产生冷凝或冰晶。
在本发明的一个方面中，将废气冷却到一所需要的冷却温度所需要的冷却量由为把冷却的气体再循环到挤出薄膜和把废气循环到注射装置所需的原动力的大小来平衡。喷射器最好是供以高压液体制冷剂，例如液氮或液态二氧化碳、或混合的液体/气体制冷剂。混合的液体气体制冷剂可明显地增大可供系统用于使气体再循环的动能，而对可用冷却作用的影响却不大。
于是，按照本发明的一较佳形式，通过注入一种低温气体使吹制薄膜的内部迅速冷却，这样，可使薄膜的生产率提高达20%或更高。另外，由于从系统中根本上消除了含水汽的一切气体，冷凝和结冰和由其造成的对吹制薄膜的损坏问题减少或消除了。
下面的各附图，除与已有技术相同的以外，用于说明本发明的实施例，而不是用于限定由构成这一申请的一部分的各项权利要求所总括的本发明。
图1是一典型吹制薄膜挤压装置的示意图;
图2是与图1所示那种型式的吹制薄膜挤出装置一起显示本发明的一实施例的示意图;
图3是本发明中用于将再循环废气与液体冷却剂或液体/气体混合物进行热混合并循环的喷射器的侧视剖面图;
图4是与图1所示那种型式的吹制薄膜挤出装置一起显示本发明的另一实施例的示意图;
图5是本发明的又一实施例的示意图，其中，喷射器置于薄膜泡囊中;和
图6是对于一给定的进入冷却剂能级冷却气体的温度与废气/冷却剂的质量比之间的关系曲线图。
参见各附图尤其是图1，其中显示了一个已知的吹制薄膜挤出装置2，它包括一泡囊形成部分4、一控制部分6、和一薄膜形成部分8。
泡囊形成部分4包括一用于接收熔化的如高或低密度聚乙烯之类的适当塑料树脂的入口10。通路14用于使熔化的树脂从入口10流到窄的环形出口16，当空气被吹入该环形出口16的圆周内的熔化树脂时，该出口16使熔化的树脂形成连续的泡囊18。形成泡囊的厚度一般在10至300微米之间。
控制部分6控制着泡囊的尺寸。控制部分6设有传感器20，它们检测泡囊18的直径并将一可检测的信息传送到气流调节器21，以调节决定泡囊尺寸的泡囊内的压力。
薄膜形成部分8包括框架24，该框架向里抽拉泡囊18的两侧，以便使泡囊的两侧相互塌扁到一起而形成两层的薄膜26。该两层薄膜通过挤压辊28，两辊子28向上拉薄膜的两层并将压紧的薄膜送入储存设备（未示）。
一旦熔化的树脂被挤出环形出口16，就必须对形成的泡囊18进行冷却。冷却作用至少应作用在泡囊的外表面上，而且在某些吹制薄膜系统中也作用于其内表面。外部冷却空气是通过管道30供入具有多个喷气孔的喷嘴32，各喷气孔使冷却空气能够绕泡囊18的圆周接触其表面。
内部冷却由一开口冷却系统34提供，该系统34包括一个用于从一气源（未示）通过管道38接收冷却过的或常温空气的入口36。用一鼓风机（未示）施加一个正压，并用一气流调节器（未示）来控制流动。该正压足以把冷却空气送至设置在从出口16挤出的树脂的圆周内的一喷嘴或扩散板42。在那里气流沿泡囊的内表面导入。
冷却空气在泡囊18内环流并将其冷却作用丧失于泡囊的内表面。变成的暖空气（废气）经出口46流出泡囊18并经管道48再通过气流调节器21和鼓风机（未示）离开泡囊形成装置。
从泡囊移出能量的速率（即冷却作用）决定着薄膜的挤出速率。能量移出量可看作是塑料的质量流量与每单位塑料质量必须移出的能量的乘积。例如，在图1的已有技术系统中的塑料的能量移出速率，按照塑料质量流量为0.075Kg/sec（600磅/小时）和每单位塑料质量的能量移出量为约400KJ/Kg来计算，可能达30KW。
假定被移出的能量的约1/3（10KW）是来自泡囊内部而其余的2/3（20KW）来自泡囊外部。由于外部冷却负荷基本上保持相同而不管采用何种内部冷却系统，所以任何增大塑料质量流率的企图都将需要明显加强进入泡囊内的气体的冷却作用。
例如，如果要将薄膜的产量增加30%（对上例来说相当于能量移出速率为39KW），则从泡囊内部移出的能量将必须从上述已有技术系统中的10KW增加到19KW（增加了90%）。这种较大的能量移出率可以通过用工作在比常用温度更低的温度下的泡囊内部冷却系统来达到。另外，用一个其中不存在水汽的系统，最好是一个封闭的循环系统，来消除伴随已知的工作在低温下的泡囊内部冷却系统产生的冷凝和/或结冰问题。因此，本发明能以变化的生产速率生产吹制薄膜，而不必担心泡囊内会有水滴或冰晶形成。
参看图2和图3，其中显示了本发明的泡囊内部冷却装置的一实施例，该装置采用了用于在泡囊内分布气体冷却剂的喷射器。与图1的已有技术一起显示和描述的一相同类型的挤出装置52有一用标号54总括表示的封闭循环系统形式的冷却系统。冷却系统54包括一个用于将冷却气体注入泡囊58的入口56和一个用于排出废气的出口60，废气已经将其冷却作用传给了泡囊58的内表面。
经管道62送到泡囊58的冷却气体在喷射器64中产生。喷射器64将来自第一入口66的诸如液体制冷剂（例如液氮或液态二氧化碳）之类的液体冷却剂或液体和气体制冷剂的混合物以把冷却作用和原动力两者提供给废气的方式与废气综合起来。于是产生具有足够压力的冷却气体流以进入泡囊58并冷却其内表面。
参看图3，喷射器64包括用于接收诸如液氮的冷却剂的第一入口66和用于接收经管道70来自泡囊58被再循环的废气（如氮气）的第二入口68。腔室72接收来自第一入口66的液体冷却剂和来自第二入口68的废气并让两者在其中进行热混合。液体冷却剂汽化并把冷却作用和原动力提供给废气，以此形成冷却气体的压力气流送到入口56。
喷射器64有一平行流动区74，其用来增强液体冷却剂和废气的密切的热混合和动量混合。然后混合的气体送到扩散器部分76，扩散器76使混合气体在通过出口78流出喷射器之前增高其压力。
最好喷射器64能提供尽可能多的再循环能量（即一特定流量下的抽力）。因此必须考虑喷射器64产生的抽力。抽力是用由第二入口68进入腔室72的废气和经出口78流出的混合气体之间的压差来度量。
泡囊内部冷却系统的大多数抽力要求与进入和流出泡囊的压降相关。对于图1所示的已有技术系统，进入泡囊的压降可达20英寸水柱（5000pa），而流出泡囊的压降可达30英寸（水柱（7500pa）。然而，从理论上可知，压降与空气流量的平方成比例地且正比于空气温度绝对值地增大。因此，使用本发明之方法的泡囊内部冷却系统与已有技术相比可有明显不同的抽力要求。例如，-125℃气体入口温度（而已有技术为约20℃）和约为已有技术流量的60%的冷却气体流量，则总抽力从50英寸水柱（12500pa）下降到16英寸水柱（4000pa），然而却能使产量增加20-30%。
再看图2，这一系统从封闭循环系统排出的废气量等于经喷射器64进入系统的冷却剂量。因此，这一系统备有排气装置80。它包括经气流调节器84将气体从管道70排出的管道82和鼓风机86。
气流调节器84耦连于泡囊大小传感器20，如图1清楚地所示。传感器20维持泡囊的内压力以便维持所需要的吹胀比。对于图2所示的实施例，不使用气流调节器84和鼓风机86就不可能平衡泡囊的排气和压力要求。主管道70上也设置一气流调节器，以便控制废气再循环回到喷射器64的流率。按照本发明，很明显，与已有技术的泡囊内部冷却系统相比，所需要的鼓风机的数量由两个减少到一个且鼓风机必须鼓的流量也大大地减小了（例如减小到1/2至1/4）。
由于喷射器的工作特性，随着废气对进入喷射器的冷却剂的质量比增加，由喷射器产生的压力升或抽力减小。这种特性与某些吹制薄膜装置中的大抽力要求一起可能导致出现喷射器64不能提供总压升的情况。在这种情况下，鼓风机86最好设置在再循环流动的主流中，以帮助喷射器64达到抽力要求。
参看图4，其显示了本发明的一实施例，其中，鼓风机86以能帮助喷射器64提供循环废气所必需的压升的方式设置在封闭循环系统中，因此鼓风机86沿管道70设置。气流调节器84和88起如图2中所描述的作用。
对本发明的这一实施例，与已有技术相比，也减少了一个鼓风机。然而，在该实施例中，鼓风机必须鼓送来自泡囊的全流量，而不只是排入大气的气量。在图4所示的实施例中，由于可适当地选取鼓风机86的规格以提供需要的全压升，所以不需要喷射器用于循环。在这种情况中，喷射器可以用被供以冷却剂并将其喷入管道70的喷嘴来替代。
在本发明的另一实施例中，通过将喷射器设置在泡囊中从根本上取消了对喷射器的压升要求。结果，喷射器可以提供一更宽的废气与冷却剂的质量比范围（至少达3G∶1）而与压升无关。
参看图5，其表示喷射器64在泡囊58中。冷却剂经管道90送给喷射器64。管道90延伸到喷射器64的上部并为冷却剂流至第一入口92提供通路。废气经第二入口68进入喷射器64，同时用于冷却泡囊的混合冷却气流经出口96离开喷射器64。混合气流一离开出口96就流向一喷嘴或扩散板42（如图1所示的已有技术中那样）。在那里，气流沿泡囊的内表面流动直至它被抽进第二入口68。气流调节器88设置在第二入口68中用以控制废气再循环回到喷射器64的流率。
排气经管道98从泡囊58除去，管道98向上伸进泡囊，以确保暖的废气由风机102抽出。如已有技术中那样，泡囊的内压用耦连于泡囊大小传感器20（见图1）的气流调节器100来控制。经管道98从系统排出的排气量基本上等于经管道90添加到系统中的冷却剂量。
如前面所述，由于冷却剂与废气混合，至吹制薄膜的实际气体进口温度将随废气与进入的冷却剂的质量比而变化。由冷的气体对塑料薄膜产生的能量移出速率由进入喷射器的冷却剂流率来控制，然而，冷的气体在其进入泡囊时的进口温度和总的进口流率都由再循环并在喷射器中与冷却剂相混合的废气量来控制。
参看图6，其中表示出液氮冷却剂的一个典型曲线图，该曲线表明，混合气流的出口温度是废气与喷入的冷却剂的质量比的函数。对于一给定的冷却作用量（由冷却剂的流率决定），进入泡囊的冷的气体的质量流率乘以入口和出口气流之间的温差所得的乘积将是常数。因此，小的质量比（对应于小的混合气体流率）会有相当冷的入口温度，而大的质量比（对应于大的混合气体流率）会有相当暖的入口温度。以低的流率运行泡囊内部冷却系统有几个优点，这些优点包括提高了泡囊的稳定性和降低了抽吸要求。然而，由于运行在极低温度下（例如低于-100℃）机械上会有一些问题，以低达1∶1的质量比运行系统总是不可能的。
本发明的系统能使挤出薄膜迅速冷却，它足以使生产率比已有空气冷却系统提高达20%或更高。由质量流率的变化引起的压降的变化可以或者只用一喷射器或者再借助于将在管路上的一鼓风机来处理。
举例
该例采用图2所示的本发明的实施例。将压力为0.31-1.24MPa流率为0.057Kg/s的液氮和流率为0.114Kg/s的废氮气供入图3所示并结合图3描述的那种类型的一喷射器。温度为从-134℃--118℃的0.71Kg/s总混合供气送到图1所示类型的一标准吹制薄膜泡囊内部冷却系统的入口。这一喷射器将产生7到15英寸水柱（1，750至3，750pa）的抽力。废气从出口排出时的温度为0℃。薄膜的生产率是0.0975Kg/s（774磅·/小时），这一生产率超过已知空气冷却系统约20～30%。