JP2004017417A

JP2004017417A - 二軸押出機のスクリュ構造

Info

Publication number: JP2004017417A
Application number: JP2002174076A
Authority: JP
Inventors: Satoru Watada; 綿田　悟; Akira Kawamoto; 河本　亮
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP3706087B2

Abstract

【課題】直交ニーディングディスクと実質的に同じ混練・混合度合いを得ながら、大きなサイドフォースが生ずることを抑制させたニーディングディスク部を備える二軸押出機のスクリュ構造が提案されていない。大きなサイドフォースが生ずると、スクリュの外径摩耗やシリンダの内径摩耗を生じて、混練・混合性能の低下を生ずるのみならず、スクリュ軸の折損を生ずる。
【解決手段】重ね合わせた４枚のニーディングディスク１の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目及び４枚目のニーディングディスク１の挟角が、それぞれ４５度、１３５度及び９０度に実質的に設定されている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二軸押出機のスクリュ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
従来、ポリマーブレンド、フィラーコンパウンド、マスターバッチコンパウンド等に二軸押出機が使用されている。この種の二軸押出機は、２本のスクリュ２１を備え、図１２に示すように一般的にフィード部１０、混練・混合部１１及び排出部１２を形成している。フィード部１０は、フルフライトのスクリュ形状を有し、押出機に投入された原料を前方つまり混練・混合部１１に向けて送る。混練・混合部１１は、複数枚のニーディングディスク１を重ね合わせて配置させ、処理目的に応じて直交、順送り、逆送り形状で構成したものを適当な形状の組み合わせにして所要の混練・混合を行わせる。排出部１２は、フルフライトのスクリュ形状を有し、原料を押出機のダイスから排出させ、又は次工程に送る。
【０００３】
混練・混合部１１が、複数枚のニーディングディスク１を直交状態で重ね合わせた直交ニーディングディスク部３０を備え、対向するニーディングディスク１同士を噛み合わせるものでは、一対のスクリュ２１，２１の同方向回転により、原料に前後への送り作用を生じさせることなく、比較的強い混練・混合作用が得られる。このとき、前後に隣接するニーディングディスク１同士の挟角が、実質的に９０度に設定されている。しかして、直交ニーディングディスク部３０は、原料の温度上昇を抑制しながら比較的強い混練・混合作用を得る場合などに採用される。
【０００４】
一方、複数枚のニーディングディスクを順送り形状で構成するものも知られている。これは、複数枚のニーディングディスクに順次に等角度の挟角を与えるものであり、両スクリュ軸の同方向回転により、前方つまり排出部に向かう原料の送り作用を生じる。この場合、混練・混合部１１における原料の混練・混合が若干浅くなる。他方、複数枚のニーディングディスクを順送り形状とは逆位相で配置して逆送り形状で構成したものは、両スクリュ軸の同方向回転により、後方つまりフィード部に向かう原料の送り作用を生じる。この場合、原料が混練・混合部１１にせき止められて、強力な混練・混合が得られる。
【０００５】
ところで、２本のスクリュが同方向に同速度で回転すると、対向するニーディングディスクとシリンダとで囲まれた空間が一時的に存在するようになり、このとき、原料が圧縮され、囲まれていない空間部分より高い圧力が発生する。そして、この囲まれた空間部の高い圧力をニーディングディスクの長径部（山頂部）で受けることにより、スクリュにサイドフォースが発生する。ここで、サイドフォースは、スクリュの軸線に直角方向にニーディングディスクに作用する荷重である。
【０００６】
特に、直交ニーディングディスク部３０は、ニーディングディスク１を９０度づつ位相をずらせた構成であり、例えば５枚のニーディングディスク１の組み合わせでは、図１０，図１１に示すように最初の１枚目のニーディングディスク１の長径部１ａを上下に（０度）、２枚目は長径部１ａを水平に（９０度）、３枚目は０度に、４枚目は９０度に、５枚目は０度に組み合わせた形状である。
【０００７】
これによれば、前述したように原料に前後への送り作用を生じさせることなく、比較的強い混練・混合機能が得られるが、大きなサイドフォースＦが生ずるという技術的課題がある。すなわち、図１３に示す直交ニーディングディスク部３０のＡ’−Ａ’，Ｂ’−Ｂ’，Ｃ’−Ｃ’，Ｄ’−Ｄ’，Ｅ’−Ｅ’断面を示す図１４のように、５対の対向するニーディングディスク１のそれぞれの間に、シリンダ２０とで囲まれた空間（斜線で示す）が一時的かつ同時に存在して、この部分に高い圧力が発生する。これにより、ニーディングディスク１の長径部１ａで高い圧力を同時に受けてサイドフォースＦが発生し、しかも対向するニーディングディスク１の数の積になつてサイドフォースＦが大きく生ずる。
【０００８】
サイドフォースＦが大きくなると、サイドフォースＦが発生する混練・混合部１１のスクリュ２１とシリンダ２０とが強く接触しながら回転することになり、スクリュ２１の外径摩耗やシリンダ２０の内径摩耗の発生原因となる。これらの摩耗が大きくなると、二軸押出機の混練・混合性能の低下を生ずるのみならず、大きな曲げ荷重がスクリュ２１の軸２１ａに作用して、スクリュ軸２１ａに折損を生ずることにもなる。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、原料に前後への送り作用を生じさせることなく、直交ニーディングディスクと実質的に同じ混練・混合度合いを得ながら、大きなサイドフォースが生ずることを抑制させたニーディングディスク部を備える二軸押出機のスクリュ構造とすることにより、スクリュの外径摩耗やシリンダの内径摩耗を抑制させて、混練・混合性能の早期低下を防止すると共に、スクリュ軸の折損を良好に防止することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、一対のスクリュ２１のそれぞれに、長径部１ａと短径部１ｂとを有するニーディングディスク１の４枚以上を重ね合わせて装備させ、両スクリュ２１の同方向回転により、対向するニーディングディスク１同士を噛み合わせる二軸押出機のスクリュ構造において、
重ね合わせた４枚のニーディングディスク１の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目及び４枚目のニーディングディスク１の挟角が、それぞれ４５度、１３５度及び９０度に実質的に設定されていることを特徴とする二軸押出機のスクリュ構造である。
請求項２の発明は、５枚目のニーディングディスク１が、１枚目に対する挟角を０度として配置されていることを特徴とする請求項１の二軸押出機のスクリュ構造である。
請求項３の発明は、一対のスクリュ２１のそれぞれに、長径部１ａと短径部１ｂとを有するニーディングディスク１の５枚以上を重ね合わせて装備させ、両スクリュ２１の同方向回転により、対向するニーディングディスク１同士を噛み合わせる二軸押出機のスクリュ構造において、
重ね合わせた５枚のニーディングディスク１の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目、４枚目及び５枚目のニーディングディスク１の挟角が、回転方向ａと反対方向に、それぞれ９０度、４５度、１３５度及び０度に実質的に設定されていることを特徴とする二軸押出機のスクリュ構造である。
請求項４の発明は、一対のスクリュ２１のそれぞれに、長径部１ａと短径部１ｂとを有するニーディングディスク１の５枚以上を重ね合わせて装備させ、両スクリュ２１の同方向回転により、対向するニーディングディスク１同士を噛み合わせる二軸押出機のスクリュ構造において、
重ね合わせた５枚のニーディングディスク１の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目、４枚目及び５枚目のニーディングディスク１の挟角が、回転方向ａと反対方向に、それぞれ９０度、１３５度、４５度及び０度に実質的に設定されていることを特徴とする二軸押出機のスクリュ構造である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施の形態について図１〜図７を参照して、従来と同一機能部分には同一符号を付して説明する。
先ず、ニーディングディスク１が装備される二軸押出機の概略について説明する。二軸押出機は、図６に示すように、シリンダ２０内に回転自在に配置した２本のスクリュ２１をモータ等の回転駆動装置２２及び減速機２３を介して回転させ、シリンダ２０の上流側の供給部２４から供給させた原料であるプラスチック原料をスクリュ２１によつて溶融・混練させ、下流部のダイス２６からコンパウンドとして押し出す。２７は、脱揮口である。
【００１２】
一対のスクリュ２１は、図３に示すようにフルフライトのフィード部１０と排出部１２との間に、混練・混合部１１を備えている。混練・混合部１１は、楕円形状のニーディングディスク１を複数枚重ね合わせて構成され、４枚以上のニーディングディスク１を重ね合わせたニーディングディスク部１３を有している。ニーディングディスク部１３は、各スクリュ２１においてニーディングディスク１のピースを中心軸線Ｘ−Ｘ回りの角度を適当に変えて、周方向に位相をずらせて組み合わせてあり、長径部１ａ（山頂部）は不連続をなしている。このニーディングディスク部１３は、一対のスクリュ２１で９０度の位相差を与えて噛み合い可能としてニーディングディスク１を対向させて、シリンダ２０内に位置している。なお、２本のスクリュ２１の中心軸線Ｘ−Ｘはシリンダ２０内で平行である。
【００１３】
実際には、図１に示すようにニーディングディスク１の中心部にはスプラインを有する貫通孔１ｃが形成され、ニーディングディスク１は、スクリュ軸２１ａの凹部にスプラインを係合させて相対回転不可能に取付けられ、スクリュ２１と共に一方向（回転方向ａ）に同方向回転する。このスクリュ軸２１ａは、スプライン状に形成させ、或いは貫通孔１ｃに多角形断面等の円形以外の異形断面形状を与えて形成される。
【００１４】
ニーディングディスク１は、図１に示す側面視によりほぼ楕円形状をなし、長径部１ａ及び長径部１ａと直交方向の短径部１ｂを有し、平面図である図２にも表れるように、長径部１ａの先端部がそれぞれ山頂部を形成している。この長径部１ａが、スクリュ２１の中心軸線Ｘ−Ｘから最も突出している。
【００１５】
そして、混練・混合部１１の一部（図上で排出部１２側）となるニーディングディスク部１３は、実際には５枚のニーディングディスク１を配置して構成され、フィード部１０側となる一端に位置する１枚目を０度として、回転方向ａと反対方向に順次に４５度、１３５度、９０度及び０度に実質的に設定されている。すなわち、図７からも分かるように１枚目のニーディングディスク１の長径部１ａの方向を基準つまり０度として、回転方向ａと反対方向に、１枚目と２枚目との間の挟角が４５度、２枚目と３枚目との間の挟角が９０度、３枚目と４枚目との間の挟角が４５度、４枚目と５枚目との間の挟角が９０度になつている。
【００１６】
従つて、１枚目のニーディングディスク１の長径部１ａの方向を基準つまり０度として、ニーディングディスク１の２枚目の挟角は回転方向ａに１３５度であり、３枚目の挟角は回転方向ａに４５度であり、４枚目の挟角は回転方向ａに９０度であり、５枚目の挟角は０度である。なお、一対のスクリュ２１に設けられて対向するニーディングディスク１，１同士は、位相が９０度ずれて噛み合いが可能である。
【００１７】
かくして、中心軸線方向に隣接するニーディングディスク１の挟角が４５度をなすのは、図７からも分かるように１枚目▲１▼と２枚目▲２▼との間及び３枚目▲３▼と４枚目▲４▼との間のみで、かつ、逆向きであり、他の挟角は９０度であるから、原料に前後への送り作用を事実上生じさせない。
【００１８】
なお、混練・混合部１１のニーディングディスク部１３となる５枚のニーディングディスク１以外のニーディングディスク１は、任意に、順送り、逆送り形状として組み合わせることができ、これらのニーディングディスク１を設けることなく、５枚のニーディングディスク１のみでニーディングディスク部１３の全部を構成することも可能である。
【００１９】
次に作用について説明する。
供給部２４からシリンダ２０に投入させた原料は、回転駆動装置２２によつて回転されるスクリュ２１のフィード部１０によつて移送され、混練・混合部１１において複数枚のニーディングディスク１によつて混練される。混練・混合部１１を通過した原料は、スクリュ２１の排出部１２によつて下流に送られ、ダイス２６から外部へと流出する。
【００２０】
そのとき、混練・混合部１１の一部を構成するニーディングディスク部１３では、５枚のニーディングディスク１が原料に前後への送り作用を事実上生じさせないため、混練・混合強さについては直交ニーディングディスクとほとんど同じに得られながら、サイドフォースＦの発生が抑制される。５枚のニーディングディスク１の内、同時にサイドフォースＦが発生するのは、９０度づつずれているものである。
【００２１】
すなわち、５対の対向するニーディングディスク１の内、図５に斜線で示す箇所に、シリンダ２０とで囲まれた空間が一時的かつ同時に存在して、この部分に高い圧力が発生し、ニーディングディスク１の長径部１ａで高い圧力を同時に受けて、サイドフォースＦが生ずる。従つて、サイドフォースＦは、１枚目、４枚目及び５枚目のニーディングディスク１に同時に生じ、また、直交する２枚目及び３枚目のニーディングディスク１にも、同時にサイドフォースＦが生ずる。
【００２２】
このため、サイドフォースＦは、最大で、３対の対向するニーディングディスク１の間に同時に生じる。従つて、サイドフォースＦが５対のニーディングディスクの間に同時に生じる直交ニーディングディスクと比較して、サイドフォースの最大値が４０％低減する。これにより、スクリュ２１の外径摩耗やシリンダ２０の内径摩耗を抑制させて、ニーディングディスク部１３における混練・混合性能の低下を防止すると共に、スクリュ２１の軸２１ａの折損を防止することが可能になる。
【００２３】
表１に、二軸押出機において、直交ニーディングディスク部（３０）とニーディングディスク部１３とを交換し、ニーディングディスク部１３及び直交ニーディングディスク部（３０）の入口（供給部２４付近）及び出口（ダイス２６付近）の原料である溶融樹脂の温度差及び圧力差を測定した結果の１例を示す。同表から分かるように、ニーディングディスク部１３と直交ニーディングディスク部（３０）とで、温度差及び圧力差は同程度であり、ニーディングディスク部１３の５枚のニーディングディスク１による混練・混合強さが、同じ枚数の直交ニーディングディスクによるものと同程度であることが分かる。
【００２４】
【表１】

【００２５】
なお、上記第１実施の形態にあつては５枚目のニーディングディスク１を装備させたが、５枚目のニーディングディスク１を省略し、４枚のニーディングディスク１によつてニーディングディスク部１３を構成しても、挟角が９０度をなす部分が１箇所減少するのみであり、原料に前後への送り作用を事実上生じさせない点では変化がない。このため、４枚のニーディングディスク１を備える直交ニーディングディスク部（３０）と比較して、ニーディングディスク部１３における混練・混合性能の低下を防止しながら、サイドフォースＦの低減化が可能である。従つて、５枚目のニーディングディスク１を省略し、上記第１実施の形態とほぼ同様の作用を得ることが可能である。
【００２６】
また、上記第１実施の形態のニーディングディスク部１３は、混練・混合部１１の排出部１２側に配置したが、フィード部１０側にニーディングディスク部１３を配置して同様の作用を得ることもできる。更に、ニーディングディスク部１３のニーディングディスク１は、前後を逆にして配置することも可能であり、排出部１２側の端部のものを１枚目として配置しても、同様の作用を得ることができる。
【００２７】
ところで、上記第１実施の形態のニーディングディスク部１３は、重ね合わせた５枚のニーディングディスク１の挟角を、一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に４５度、１３５度、９０度及び０度に実質的に設定させたが、これに代えて挟角を次の角度にすることも可能である。すなわち、図８に示す構造例のように、重ね合わせた５枚のニーディングディスク１の挟角を、一端に位置する１枚目を０度として、回転方向ａと反対方向に順次に１３５度、４５度、９０度及び０度に実質的に設定させる。
【００２８】
これによつても、図５に示す５対の対向するニーディングディスク１と比較して、２枚目と３枚目とを位置交換した点のみが相違するので、斜線で示す箇所に生ずるサイドフォースＦが同様の数で発生する。これにより、上記第１実施の形態と同様の作用を得ることができる。この場合でも、４枚目と５枚目との間の挟角は９０度であるから、５枚目のニーディングディスク１を省略し、上記第１実施の形態とほぼ同様の作用を得ることができる。但し、複数枚のニーディングディスク１の挟角を０度、１３５度、４５度、９０度及び０度に設定するものは、挟角を回転方向ａに測定すれば、上記第１実施の形態と同じ数値配列である０度、４５度、１３５度、９０度及び０度になる。
【００２９】
従つて、挟角の測定方向を問わず、重ね合わせた４枚のニーディングディスク１の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目及び４枚目のニーディングディスク１の挟角を、それぞれ４５度、１３５度及び９０度に実質的に設定させることにより、上記第１実施の形態と同様の作用を得ることができる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施の形態について図９を参照して説明する。第２実施の形態にあつては、重ね合わせた５枚のニーディングディスク１の挟角を、一端に位置する１枚目を０度として、回転方向ａと反対方向に順次に９０度、４５度、１３５度及び０度、又は９０度、１３５度、４５度及び０度に実質的に設定させてある。１枚目は、フィード部１０側又は排出部１２側のいずれにも配置することができる。
【００３１】
これによれば、図５に示す５対の対向するニーディングディスク１において、１枚目（▲１▼）、４枚目（▲４▼）、２枚目（▲２▼）、３枚目（▲３▼）、５枚目（▲５▼）の順に配置したもの（以下、これを第１構造例という。）、又は１枚目（▲１▼）、４枚目（▲４▼）、３枚目（▲３▼）、２枚目（▲２▼）、５枚目（▲５▼）の順に配置したもの（以下、これを第２構造例という。）に相当する。
【００３２】
第１構造例によれば、中心軸線方向に隣接するニーディングディスク１の挟角が、図７からも分かるように順次に９０度、＋４５度、９０度、−４５度になる。第２構造例によれば、中心軸線方向に隣接するニーディングディスク１の挟角が順次に９０度、−４５度、９０度、＋４５度になる。かくして、第１，２構造例において、隣接するニーディングディスク１の挟角が４５度をなすのは、２枚目と３枚目との間及び４枚目と５枚目との間のみで、かつ、逆向きであり、他の挟角は９０度であるから、原料に前後への送り作用を事実上生じさせない。
【００３３】
一方、サイドフォースＦは、図５に示す上記１実施の形態と同様の数で発生する。これにより、上記１実施の形態と同様の作用を得ることができる。但し、４枚目と５枚目との間の挟角は４５度であるから、５枚目のニーディングディスク１を省略した場合には、原料に前後への送り作用を生じてしまう。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明によつて理解されるように、本発明に係る二軸押出機のスクリュ構造によれば、次の効果を奏する。
請求項１の発明によれば、重ね合わせた４枚のニーディングディスクによる送り作用を生じさせることなく、混練・混合強さを直交ニーディングディスクと同程度に得ながら、大きなサイドフォースが生ずることを抑制させることにより、スクリュの外径摩耗やシリンダの内径摩耗を抑制させると共に、スクリュ軸の折損を防止することができる。
【００３５】
請求項３，４の発明によれば、重ね合わせた５枚のニーディングディスクによる送り作用を生じさせることなく、混練・混合強さを直交ニーディングディスクと同程度に得ながら、大きなサイドフォースが生ずることを抑制させることにより、スクリュの外径摩耗やシリンダの内径摩耗を抑制させると共に、スクリュ軸の折損を防止することができる。
【００３６】
そして、スクリュの外径摩耗量やシリンダの内径摩耗量の減少により、スクリュ又はシリンダ材料に高価な耐摩耗材料を使用することなく、良好な混練・混合性能を長期間維持することができると共に、摩耗した金属粉の原料への混入量が著しく減少し、後工程の異物ろ過スクリーンの交換頻度が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態に係るニーディングディスク部を示す側面図。
【図２】同じく平面図。
【図３】同じくスクリュを示す平面図。
【図４】同じくニーディングディスク部を示す図。
【図５】同じく図４に示す各部の断面図。
【図６】同じく二軸押出機を一部切開して示す正面図。
【図７】同じくニーディングディスク部を模式的に示す図。
【図８】同じく他の構造例に係るニーディングディスク部を示す側面図。
【図９】本発明の第２実施の形態に係るニーディングディスク部を示す側面図。
【図１０】従来のニーディングディスク部を示す側面図。
【図１１】同じく正面図。
【図１２】同じくスクリュを示す平面図。
【図１３】同じくニーディングディスク部を示す図。
【図１４】同じく図１１に示す各部の断面図。
【符号の説明】
１：ニーディングディスク、１ａ：長径部、１ｂ：短径部、１０：フィード部、１１：混練・混合部、１２：排出部、１３：ニーディングディスク部、２０：シリンダ、２１：スクリュ、ａ：回転方向、Ｘ−Ｘ：中心軸線、Ｆ：サイドフォース。

Claims

一対のスクリュ（２１）のそれぞれに、長径部（１ａ）と短径部（１ｂ）とを有するニーディングディスク（１）の４枚以上を重ね合わせて装備させ、両スクリュ（２１）の同方向回転により、対向するニーディングディスク（１）同士を噛み合わせる二軸押出機のスクリュ構造において、
重ね合わせた４枚のニーディングディスク（１）の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目及び４枚目のニーディングディスク（１）の挟角が、それぞれ４５度、１３５度及び９０度に実質的に設定されていることを特徴とする二軸押出機のスクリュ構造。
５枚目のニーディングディスク（１）が、１枚目に対する挟角を０度として配置されていることを特徴とする請求項１の二軸押出機のスクリュ構造。
一対のスクリュ（２１）のそれぞれに、長径部（１ａ）と短径部（１ｂ）とを有するニーディングディスク（１）の５枚以上を重ね合わせて装備させ、両スクリュ（２１）の同方向回転により、対向するニーディングディスク（１）同士を噛み合わせる二軸押出機のスクリュ構造において、
重ね合わせた５枚のニーディングディスク（１）の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目、４枚目及び５枚目のニーディングディスク（１）の挟角が、回転方向（ａ）と反対方向に、それぞれ９０度、４５度、１３５度及び０度に実質的に設定されていることを特徴とする二軸押出機のスクリュ構造。
一対のスクリュ（２１）のそれぞれに、長径部（１ａ）と短径部（１ｂ）とを有するニーディングディスク（１）の５枚以上を重ね合わせて装備させ、両スクリュ（２１）の同方向回転により、対向するニーディングディスク（１）同士を噛み合わせる二軸押出機のスクリュ構造において、
重ね合わせた５枚のニーディングディスク（１）の一端に位置する１枚目を０度として、中心軸線方向に順次に位置する２枚目、３枚目、４枚目及び５枚目のニーディングディスク（１）の挟角が、回転方向（ａ）と反対方向に、それぞれ９０度、１３５度、４５度及び０度に実質的に設定されていることを特徴とする二軸押出機のスクリュ構造。