JP2004529009A - 均質化及び／又は分散化を行うためのスクリュ―付き装置 - Google Patents
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Abstract
少なくとも一種の粘性物質及び少なくとも一種の固体物質及び/又は少なくとも一種の粘度の異なる別の物質を均質化及び/又は分散化させるための装置は、ハウジング（１）内の空間（３）において、緊密に嵌合するスクリュ−要素（６）を配設した、等しい中心角間隔で円に沿って配置され、軸に平行に回転可能なシャフト（４）を有する。かかるシャフト（４）には、該ハウジング（１）における該開口部（９，１１，１２）の外側の領域において、該スクリュ−要素（６）の外径（Ｄ）の少なくとも十倍に相当する長さ（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に渉って該シャフト（４）が配設されるが、なお、該スクリュー要素のピッチ（Ｓ）は、該スクリューの外径（Ｄ）の高々四分の三である。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１における包括的区分に記載された、少なくとも一種の粘性物質及び少なくとも一種の固体物質及び/又は少なくとも一種の粘度の異なる別の物質を均質化及び/又は分散化させるための装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
スクリュー押出機は、粘性マトリックス中において固体を均質化し、混練りしまた分散させる場合又は粘度が大幅に異なる物質を混練りする場合、バッチ式の混練りと比較して品質が劣った結果が往往にして得られる、とういう欠点を有している。このことはまた、双スクリュー(twin screw)式押出機についても当てはまる。均質化を改善するために、双スクリュー式押出機の二本のシャフトには従って、通常はスクリュー要素のみならず、回転の速い所謂混練りブロックをも配設されるのである。なお、かかる混練りブロックは、円周方向において一定角度で相互に偏位（オフセット）され且つ複数の円形アークから成る輪郭を有する、二つ又はそれ以上のディスクカムから成る。かかる混練りブロックは、例えばＤＥ ８１３ １５４ Ｂ及びＥＰ ０ ４２２ ２７２ Ｂ１において記載されている。
【０００３】
さらには、ＥＰ ０ ７８８ ８６７ Ｂ１によれば、請求項１の包括的区分に記載された、流動性のある材料を連続的に処理加工するための装置が開示され、公知である。この装置においては、均質化は、やはり実質的に類似した混練りブロックによって行われる。しかしながら、混練りブロックについては、奥行きの深いチャンネルセンター内では低いエネルギーしか、ハウジングに対してウエッジ形にテーパー付けされたチャンネル内に伝達されず、それに対して極めて高いエネルギーが、処理加工される材料に伝達されるため、単位当りのエネルギー消費が極めて高くなることは別にして、当該製品に部分的に過剰ストレスがかかると同時にまた混練りブロック及びハウジングの領域において磨耗が大きくなる、という欠点がある。さらには、かかる混練りブロックの構造が、軸方向に解放しているため、製品断片が、短い工程上でも容易に、エネルギー消費を伴なうことなく、即ち均質化されることなく混練りブロックをすり抜けすることが出来る。
【０００４】
ＤＥ ２８ ５４ ２０７ Ｂ２に基くと、長さが４乃至１２Ｄ（Ｄ＝スクリュー要素の外径）である混練り帯域を有し、ピッチが、送込み帯域で０．５乃至２Ｄであり且つ吐出帯域で０．３乃至１Ｄである、スクリュー式押出機が開示され、公知となっている。
【特許文献１】
ＤＥ ８１３ １５４ Ｂ
【特許文献２】
ＥＰ ０４ ２２ ２７２ Ｂ１
【特許文献３】
ＥＰ ０７ ８８ ８６７ Ｂ１
【特許文献４】
ＤＥ ２８ ５４ ２０７ Ｂ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、完璧な均質化及び/又は分散化のための包括的装置の設計に必要な要件を記述することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題は、本発明に従えば請求項１において特徴づけられる装置によって実現される。これに従属する請求項は、本発明の有利な実施態様を記載するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に従った装置は、ハウジングと等しい中心角度を有する円に沿った内部コアー部との間の空間において、緊密に嵌合するスクリュー要素を少なくとも部分的に配設した軸に平行に回転可能な、少なくとも三つのシャフトを有するのである。このハウジングにはその内側に、又内部コアー部にはその外側に軸に平行な凹状の円形セグメントが設けられ、これらセグメントは、当該スクリュー要素を備えた特定のシャフトを受容する。
【０００８】
シャフトが配置される円は、プロセス空間が設けられるように円形のアークであるか若しくは完全円であり、その結果プロセス空間が、かかる円形アーク上に配置されることになり、即ち環状となる。かかるハウジング及び/又は内部コアー部には、幾つかの開口部、例えば材料供給開口部及び/又は材料及び/又はガス排出開口部が設けられる。
【０００９】
かかる装置におけるスクリュー要素は、当該ハウジング及び/又は内部コアー部が開口部を有する領域では均質化又は分散化効果が顕著に低減するため、前記開口部の外側に位置する軸方向領域は、本発明に従ったスクリュー要素の外径の少なくとも十倍、好ましくは十五倍に相当する長さを有するものでなくてはならない。
【００１０】
この長さはまた、粘性物質が１００％溶融又は液状状態となって存在する領域についても関係する。即ち、溶融させるために必要なスクリュー長さは、本発明に言うプロセス部分には含まれない。
【００１１】
同じことが、粘度の異なる複数の材料を本発明の装置で均質化する場合にも当てはまるのであり、先ず前記材料の内の少なくとも一つが、本装置内で溶融されねばならない。次にやはり、該ハウジング及び/又は内部コアー部内に設けられた開口部の外側における該シャフト上でのスクリュー要素の長さも、スクリュー外径の少なくとも十倍、好ましくは十五倍でなくてはならず、即ち全ての材料が液状と成るか又は溶解する領域内に収まらなくてはならない。
【００１２】
液体状即ち溶解した物質中の固体物質部分、又は粘度の異なる物質を均質化する場合は、均質化されるべき全ての物質が、該装置の中で液状又は溶融状態にあり、且つ該開口部の外側に位置する長さは、プロセス長さと称することも出来る。即ち、本発明に従えば、スクリュー外径の少なくとも十倍、好ましくは少なくとも十五倍に相当するプロセス長さに渉るシャフトにスクリュー要素が配設されるのである。
【００１３】
スクリュー要素は、プロセス長さを構成するものであるが、更には所望とする分散化及び均質化を実現するために、スクリュー外径の少なくとも三倍、好ましくは少なくとも五倍に相当する長さに渉って、スクリュー外径の高々四分の三、好ましくは高々半分のピッチを有するものである。
【００１４】
かかる要件が満たされた場合、粘性のマトリックス中の固体が、本発明に従った装置を用いて連続的に分散化され且つ均質化することが出来、而も従来はニーダーを用いてバッチ形式でしか実現可能であるに過ぎなかったような卓越した結果が得られる。同じことが、粘度が異なる物質の均質化にも当てはまる。
【００１５】
かかる状況下においては、隣接するスクリュー要素が相互に嵌合する、即ち隣接するスクリュー要素のねじ山又はランドが重なり合う帯域の数が、倍化するからである。
【００１６】
双スクリュー押出機においては、ハウジングの一側面と他の側面上に形成される凹状の円形セグメントが、ハウジングの断面において交差する転移・遷移状態の数が、併せても二つであるが、ＥＰ ０７８８ ８６７ Ｂ１において記載された三本シャフトの装置においては、ハウジングの内側面及び内部コアーの外側面に形成される凹状の円形セグメントが交差する転移・遷移状態の数は、併せて四つであり、閉じた円の内部に十二本のシャフトを納めた場合は、併せて二十四である。
【００１７】
厳密に機械的な意味では、スクリューが一回回転すると、十二本のシャフトの場合は二十四個のウエッジが移動・進行しまた双スクリューにおいては二つのウエッジが移動・進行する。いずれの場合でもピッチが１ Ｘ （直径）である２０の巻回を２０φの部分的プロセス長さに渉って配置した場合、回転一回当りの移動・進行の個数は、１２本のシャフトの場合は２０ Ｘ ２４ ＝ ４８０にまで増加し、また双スクリューの場合は２ Ｘ ２０ ＝ ４０になる。
【００１８】
三本シャフト押出機においては、四つのウエッジが同時に作動可能であり、このことは、四つのウエッジがスクリューの各回転毎に作動可能となること、即ち２０回回転した場合、８０個のウエッジが移動・進行することを意味するのである。同様に、下記する装置においてピッチをより小さくした場合、同様に相当する結果が得られる：
【００１９】
双スクリューピッチ ３／４φ ５３．３個の移動・進行
３本シャフト １０６．７個の移動・進行
１２本シャフト ６４０個の移動・進行
双スクリューピッチ ２／３φ ６０個のウエッジ移動・進行
３本シャフト １２０個のウエッジ移動・進行
１２本シャフト ７２０個のウエッジ移動・進行
双スクリューピッチ １／２φ ８０個のウエッジ移動・進行
３本シャフト １６０個のウエッジ移動・進行
１２本シャフト ９６０個のウエッジ移動・進行
なお上記において、φは、スクリューの外径である。
【００２０】
粘性マトリックス中における一種又はそれ以上の固体又はその他の材料部分の分散化及び均質化に対して嵌合領域が及ぼす作用・効果は、材料物質が嵌合部分を貫流する際にハウジングの持つ制動効果が実質的に消去されることに本質的に依拠するのであって、かかる制動効果は、物質材料の速度の増大に関連すると同時に関与する材料の膨張をも招来するのである。更には、材料が、円周速度で回転する受容スクリューのねじ山の外径に接触した場合、田畑における畝作りのように、該材料は、送り出しスクリューのスクリュー面から排除され、再配向されて、新しい流れ角度をもって受容スクリューの面積が縮小された断面内に導かれる。連続相の粘度によって引っ張り力及び曲げ力が、湿潤化された固体材料集合体に掛かり、その結果この集合体が破断するに到り得る。ストレスの大きさは、当該粘度により制限されるため、多重に並列取り付けされた嵌合領域がストレス負荷時間に渉って移動・進行するのに応じて、単一回の破断及び/又は反復破断が生起し得る。嵌合領域から嵌合領域への円周長さに基いて、該スクリューは、従来公知の一本シャフト押出機におけると同様に純粋の輸送及び圧力蓄積・発生装置として機能する。
【００２１】
これらの工程が、固体材料の均質化及び分散化において本質的な役割を演じるということは、粘性マトリックス中における粒径がミクロンオーダーである固体粒子についても、ニーダーでのバッチ型の分散化及び均質化に決して劣らない、完璧な分散化及び均質化が、本発明に従った装置を用いることによって実現出来ることから容易に推論され、結論づけされるべきである。
【００２２】
同様の結果が、粘度の異なる材料を均質化する場合においても本発明に従った装置を用いることによって実現することが出来る。
【００２３】
本発明に従った装置のスクリューは、好ましくは単一又は二枚ねじ山の構成とする。単一ねじ山スクリュー要素が特に好ましいのであって、その理由は、ねじ山幅が、ねじ溝幅に対して大きくなるように選択出来る、即ちスクリューのねじ溝の断面狭窄を大きく保持することが出来るためである。
【００２４】
本発明に従った装置のスクリューの輪郭形状は、好ましくは複数の円形状の円弧から成り、外側及び内側においてその都度該当する半径が湾曲部を形成し、またその間に位置するフランクについては、半径としての当該距離・間隔が、最大湾曲を決定するのである。
【００２５】
Ａｘ ＝ Ｄ／２ ＋ ｄ／２
なお上式において；
Ａｘは、２つのスクリューの間隔であり、
Ｄは、外径であり、また
ｄは、コアー径である。
ＧＺ（２アルファ＋ベータ＋ガンマ） ＝ ３６０度
ＧＺは、ねじ溝の数であり、
アルファは、フランク角度であり、
ベータは、コアー角度であり、また
ガンマは、ねじ山角度である。
【００２６】
標準的設計型式では、ベータがガンマに等しい（ベータ＝ガンマ）ように選択される。
【００２７】
上記した数学的関係式から、Ｄ：ｄとして最大可能な比が得られる。
【００２８】
本発明に従った装置によれば、固体物質粒子集合体の微小粒子化もまた、粘性マトリックスの伸張及び曲げ（再配向）が生起することによって当該材料が送出しスクリューからと受容スクリューへ遷移・変化する工程において行われるのであり、この際、当該材料が暴露されるストレスの大きさが、実質的に嵌合帯域の数、ストレスの負荷時間及びねじ山の幅によって、また極めて微妙にであるが機械力学的変動数値によって、プロセス工学的要件に種々の影響を及ぼすのである。
【００２９】
本発明に従った装置においては、当該材料の部分的な過熱又はそれ以外の過大なストレス負荷は、操作加工工程に関与する大きなスクリュー表面積及びそれに対して相対的に少ない材料量とによって、一切予見され得ないばかりか、寧ろ嵌合帯域におけるストレス負荷は均一となることが期待できるのである。かくして、スクリューの磨耗が低く抑えられつつ、操作加工する材料全体において均一なエネルギー変換が行われるのである。そのうえ、材料流れの一部分が軸方向にバイパスするのが防止される、従って逸出・漏出が不可能となる、という決定的な利点が得られる。
【００３０】
本発明に従った装置を用いると、例えば伝導性のない合成樹脂をカーボンブラックを分散化及び均質化させることによって、ニーダーによっては従来は殆ど実現不可能であったような品質で伝導性を持たせるように加工・調製することが出来る。更には、染料、充填剤、例えばチョコレートなどの食料品を均質化し及び/又は分散化させまた破砕することが出来る。例えばミクロ繊維の紡糸に必要な出発材料を製造することが出来る、即ち防止可能な合成樹脂にμｍ又はナノ領域の着色ピグメント又はその他の固体物質を混練りすることが出来る。かかるミクロ繊維は、着色ピグメント又はその他の固体粒子の直径よりも僅かに大きい直径を有するものである。
【００３１】
固体材料の集合体が微細状態に分散化及び均質化されない場合は、紡糸ノズルが閉塞されるか又は紡糸時に繊維が破断する。更には本発明に従った装置を用いると例えば合成樹脂フィルム又は保護塗料のための材料を製造することが出来る。本発明に従った装置は、ポリマー鎖長が広範に異なる合成樹脂の均質化に適しているので、かかる樹脂を用いて例えば二相又はマルチ相のプラスチックスを変性・製造することが出来る。
【００３２】
本発明に従った装置のシャフトは、一方向に駆動することが出来るが、また反対方向回転可能な構造仕様とすることも出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下において、本発明に従った装置の一つの構造型式を図面に従ってより詳細に記述する。
【００３４】
図１及び図2に従えば、本装置は、ハウジング１及び軸方向の内部コアー２とを一つずつ有する。このハウジング１と内部コアー２との間において、多数の軸に平行に配設されたシャフト４を有する円形リング形状のスクリュー空間３が設けられる。
【００３５】
ハウジング１は、エンドプレート(end-plate)５によって入り口側で閉止されており、なお、図示していないギアーにより同一方向又は反対方向に駆動されるシャフト４が、このエンドプレートを貫通して伸展する。それぞれのシャフト４にも、多数の二枚ねじ山式スクリュー要素６が、回転不能に配設される。
【００３６】
図２から判るように、隣接するシャフト４のスクリュー要素６は、僅かな遊びをもって嵌合状態で、従って充分密な状態で相互にかみ合う。
【００３７】
このハウジング１は、その内側にまたコアー部の外側において軸に平行な凹状の円形セグメント７及び８を備えている。断面において、ハウジング１の内側及び内部コアー部２はかくして、共軸円形セグメント７及び８からバラの花の形状に形成されるが、そのセグメントの円の中心は、円の円筒表面内にあり、その上にシャフト４の軸が位置する。円形セグメント７．８には、スクリュー要素６が僅かな遊びで、従って充分密な状態で嵌合する。
【００３８】
エンドプレート５に向かい合う入り口側の端面において、ハウジング１はその上面に開口部９を有しており、その開口部を通して加工処理されるべき材料（図示していない）がスクリュー空間３に供給されるのである。
【００３９】
当該材料から発生するガスは、ハウジング１内部の開口部１１、１２を経由して外部へ流出する。これらの開口部は、例えば内部コアー２が中空状に形成されている場合は内部コアー部にも設けられる。
【００４０】
シャフト４は、これらの開口部９，１１，１２の外側に位置する領域内において、例えばスクリュー要素６の外径Ｄの２０倍に相当する長さに渉って伸展する。
【００４１】
図２，３及び４に従えば、スクリュー要素６は断面において楕円形状の輪郭を有しており、該輪郭は、円弧形状Ａ，Ｂ及びＡ'，Ｂ'においてＤ／２に相当する湾曲部を有しまた円弧形状Ｅ，Ｆ及びＥ'，Ｆ'においてＡｘ − １／２Ｄに相当する湾曲部を有する。なおここで、Ａｘは、二つのシャフト間の軸方向距離を意味する。角度α、β及びγは、ＢとＥ、ＦとＢ'及びＡ、Ｅ'とＦ'、Ａ'との間の領域の湾曲部であり、例えばＥＰ０ ００２ １３１ Ｂ１において記載されているように解析幾何学の公知の手法によって求めることが出来る。
【００４２】
図２に従えば、本装置は、十二本のシャフト４を介して合計２４個のウエッジ１３、１４、即ち２４の遷移状態を有しており、その遷移状態においては、凹状の円形セグメント７がハウジング１の内側において交差しまた凹状の円形セグメント８がスクリュー空間３の外側で交差する。これら二つの遷移状態１３、１４との間において、隣接するシャフト４のスクリュー要素６が密な状態で相互にかみ合い・嵌合するゾーン１５が存在する。ピッチが１／２Ｄである場合は従って、材料供給開口部９とガス抜き開口部１１との間のスクリュー長さＬ１、二つのガス抜き開口部１１と１２との間のスクリュー長さＬ２及びガス抜き開口部１２とシャフト４の材料吐出端部との間のスクリュー長さＬ３から構成されるスクリュー長さＬに渉って、Ｌ＝２０であれば、合計で９６０個の嵌合帯域１５が形成される。
【００４３】
粘性のマトリックス中における固体物質又はその他の物質断片を分散化しまた均質化することに対して嵌合帯域１５が及ぼす効果を、ピッチがＳである、三つの相互に嵌合する単一ねじ山のスクリューを示す図５乃至７に基いてより詳細に説明する。このスクリューの送り出し方向は、矢印１０によって描写されている。（右方向に上昇する）スクリューが、矢印１０に従って搬送するためには、図７において図示される回転方向を有する。
【００４４】
材料は、矢印１６の方向に移動するため、凹状の円形セグメント７及び８（図３）により形成されるチャンバー１８の領域においてハウジング１の制動作用を受ける。粘性のマトリックス中における固体物質又はその他の物質断片を分散化しまた均質化することに対して嵌合帯域１５が及ぼす効果は、ここでは該材料が嵌合帯域１５を貫流することによって、かかるハウジング１の制動作用が実質的に無くなることに本質的に依拠するのであり、このことは、同時に材料速度が増大することと密接に関連し、その結果関与する材料の伸張が生起する。更には、鋤で耕作する場合に類似して、円周速度で回転している受容スクリューＫaufのねじ山Ｋの外径上に当該材料が当ると、当該材料は、送り出しスクリュー６abのスクリュー表面から移動して離れ、再配向され、次いで新たな流れ方向によって１７に位置する狭窄断面に導入されるのである。かくして連続相の粘度を介して、引っ張り力及び曲げ力とが、マトリックス中に包含される湿潤化された固体物質集合体に作用し、その結果遂には破断に到る。
【００４５】
図７においては、チャンバー１８が充分明瞭に認められるが、一方ここでは、受容側６aufは上方にまた送出し側６abは下方に図示されており、最大可能なねじ山幅はＢである。Ｂをより小さくすると、受容及び送出しの双方の貫流面積が同時に大きくなり、その結果転移・伝達抵抗が小さくなる。
【００４６】
従って、ねじ山幅Ｂを変化させることによってかかる機能を左右させることが出来る。ピッチＳを大きくした場合、例えばピッチを二倍にすると、処理生産量は、それだけ高くなり、即ち二倍になる。
【００４７】
図８に従えば、軸領域Ｍにおける単一ねじ山型スクリュー要素６は、当該装置の軸領域Ｎにおけるスクリュー要素６よりもねじ山幅が広い。かくして、このねじ山幅Ｋが大きいスクリュー要素６が、材料出口側となり、ねじ山幅Ｋが小さいスクリュー要素６が材料入り口側となるように配置される。しかしながら、ねじ山幅が大きいスクリュー要素を材料入り口側となりまたねじ山幅が小さいスクリュー要素６を材料出口側となるように配置することも可能である。また、軸領域により大きいねじ山幅のスクリュー要素を配設しまた軸領域にねじ山幅の小さいスクリュー要素を交互に配設することも可能である。ねじ山幅を種々に変化させることによって、嵌合帯域における流れ抵抗を制御することが出来る。ねじ山幅が大きくなればなるほど、それだけこの嵌合帯域へ侵入時に生じる抵抗もより大きくなる。
【実施例】
【００４８】
１２本シャフトを備え、溶融物で充填されたプロセス長さが２３Ｄ（Ｄ＝スクリュー要素の外径）であり、その内の１０．５Ｄのプロセス長さには、ピッチが２／３Ｄ又はそれ以下であるスクリューが備えられる、本発明に従った装置を用いて、一種のポリマーを２５重量％のカーボンブラックと共に均質化した。得られた顆粒物を光学的測定法に供したところ、粒径＜５μｍにおいて完全な分散化が確認された。かかる高品質は従来までは、チャージニーダーによる多段階処理方法においてのみ実現可能であったに過ぎない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
ハウジング（１）内の空間（３）において、緊密に嵌合するスクリュ−要素（６）を配設した、等しい中心角間隔で円に沿って配置され、軸に平行に回転可能なシャフト（４）を有して成る装置は、少なくとも一種の粘性物質及び少なくとも一種の固体物質及び/又は少なくとも一種の粘度の異なる別の物質を均質化及び/又は分散化させるために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本装置の長手方向の断面図である；
【図２】図１における線ＩＩ−ＩＩに沿って切断した本装置の断面図である；
【図３】ハウジング内の円形アーク状のスクリュー空間において嵌合するスクリュー要素を有する三つのシャフトを有する、本装置のさらに別の構造型式を切断した断面図である；
【図４】ハウジングを除いた、図３に相当する断面図である；
【図５】三つの単一ねじ山スクリュー要素を有する、図４に相当する断面図である；
【図６】図５に示す三つのスクリュー要素の透視図である；
【図７】図５に示す三つのスクリュー要素の平面図である；
【図８】異なる軸領域において幅寸が異なるねじ山幅を有する単一ねじ山式スクリュー要素を有する、図１に相当するスクリューシャフトとの側面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ ハウジング
２ 内部コアー
３ スクリュー空間
４ シャフト
５ エンドプレート
６ 二枚ねじ山式スクリュー要素
７、８ 円形セグメント
９、１１，１２ 開口部
１０ スクリュー送出し方向
１３、１４ ウエッジ
１５ 嵌合帯域
１６ 回転方向
１７ 狭断面
１８ チャンバー
Ｂ 最大可能ねじ山幅
Ｄ スクリュー要素の外径
Ｋ ねじ山
Ｋauf 受容スクリューねじ山
Ｋab送出しスクリューねじ山
Ｌ プロセス長さ
Ｍ，Ｎ 軸領域
Ｓ ピッチ
【０００１】
本発明は、請求項１における包括的区分に記載された、少なくとも一種の粘性物質及び少なくとも一種の固体物質及び/又は少なくとも一種の粘度の異なる別の物質を均質化及び/又は分散化させるための装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
スクリュー押出機は、粘性マトリックス中において固体を均質化し、混練りしまた分散させる場合又は粘度が大幅に異なる物質を混練りする場合、バッチ式の混練りと比較して品質が劣った結果が往往にして得られる、とういう欠点を有している。このことはまた、双スクリュー(twin screw)式押出機についても当てはまる。均質化を改善するために、双スクリュー式押出機の二本のシャフトには従って、通常はスクリュー要素のみならず、回転の速い所謂混練りブロックをも配設されるのである。なお、かかる混練りブロックは、円周方向において一定角度で相互に偏位（オフセット）され且つ複数の円形アークから成る輪郭を有する、二つ又はそれ以上のディスクカムから成る。かかる混練りブロックは、例えばＤＥ ８１３ １５４ Ｂ及びＥＰ ０ ４２２ ２７２ Ｂ１において記載されている。
【０００３】
さらには、ＥＰ ０ ７８８ ８６７ Ｂ１によれば、請求項１の包括的区分に記載された、流動性のある材料を連続的に処理加工するための装置が開示され、公知である。この装置においては、均質化は、やはり実質的に類似した混練りブロックによって行われる。しかしながら、混練りブロックについては、奥行きの深いチャンネルセンター内では低いエネルギーしか、ハウジングに対してウエッジ形にテーパー付けされたチャンネル内に伝達されず、それに対して極めて高いエネルギーが、処理加工される材料に伝達されるため、単位当りのエネルギー消費が極めて高くなることは別にして、当該製品に部分的に過剰ストレスがかかると同時にまた混練りブロック及びハウジングの領域において磨耗が大きくなる、という欠点がある。さらには、かかる混練りブロックの構造が、軸方向に解放しているため、製品断片が、短い工程上でも容易に、エネルギー消費を伴なうことなく、即ち均質化されることなく混練りブロックをすり抜けすることが出来る。
【０００４】
ＤＥ ２８ ５４ ２０７ Ｂ２に基くと、長さが４乃至１２Ｄ（Ｄ＝スクリュー要素の外径）である混練り帯域を有し、ピッチが、送込み帯域で０．５乃至２Ｄであり且つ吐出帯域で０．３乃至１Ｄである、スクリュー式押出機が開示され、公知となっている。
【特許文献１】
ＤＥ ８１３ １５４ Ｂ
【特許文献２】
ＥＰ ０４ ２２ ２７２ Ｂ１
【特許文献３】
ＥＰ ０７ ８８ ８６７ Ｂ１
【特許文献４】
ＤＥ ２８ ５４ ２０７ Ｂ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、完璧な均質化及び/又は分散化のための包括的装置の設計に必要な要件を記述することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題は、本発明に従えば請求項１において特徴づけられる装置によって実現される。これに従属する請求項は、本発明の有利な実施態様を記載するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に従った装置は、ハウジングと等しい中心角度を有する円に沿った内部コアー部との間の空間において、緊密に嵌合するスクリュー要素を少なくとも部分的に配設した軸に平行に回転可能な、少なくとも三つのシャフトを有するのである。このハウジングにはその内側に、又内部コアー部にはその外側に軸に平行な凹状の円形セグメントが設けられ、これらセグメントは、当該スクリュー要素を備えた特定のシャフトを受容する。
【０００８】
シャフトが配置される円は、プロセス空間が設けられるように円形のアークであるか若しくは完全円であり、その結果プロセス空間が、かかる円形アーク上に配置されることになり、即ち環状となる。かかるハウジング及び/又は内部コアー部には、幾つかの開口部、例えば材料供給開口部及び/又は材料及び/又はガス排出開口部が設けられる。
【０００９】
かかる装置におけるスクリュー要素は、当該ハウジング及び/又は内部コアー部が開口部を有する領域では均質化又は分散化効果が顕著に低減するため、前記開口部の外側に位置する軸方向領域は、本発明に従ったスクリュー要素の外径の少なくとも十倍、好ましくは十五倍に相当する長さを有するものでなくてはならない。
【００１０】
この長さはまた、粘性物質が１００％溶融又は液状状態となって存在する領域についても関係する。即ち、溶融させるために必要なスクリュー長さは、本発明に言うプロセス部分には含まれない。
【００１１】
同じことが、粘度の異なる複数の材料を本発明の装置で均質化する場合にも当てはまるのであり、先ず前記材料の内の少なくとも一つが、本装置内で溶融されねばならない。次にやはり、該ハウジング及び/又は内部コアー部内に設けられた開口部の外側における該シャフト上でのスクリュー要素の長さも、スクリュー外径の少なくとも十倍、好ましくは十五倍でなくてはならず、即ち全ての材料が液状と成るか又は溶解する領域内に収まらなくてはならない。
【００１２】
液体状即ち溶解した物質中の固体物質部分、又は粘度の異なる物質を均質化する場合は、均質化されるべき全ての物質が、該装置の中で液状又は溶融状態にあり、且つ該開口部の外側に位置する長さは、プロセス長さと称することも出来る。即ち、本発明に従えば、スクリュー外径の少なくとも十倍、好ましくは少なくとも十五倍に相当するプロセス長さに渉るシャフトにスクリュー要素が配設されるのである。
【００１３】
スクリュー要素は、プロセス長さを構成するものであるが、更には所望とする分散化及び均質化を実現するために、スクリュー外径の少なくとも三倍、好ましくは少なくとも五倍に相当する長さに渉って、スクリュー外径の高々四分の三、好ましくは高々半分のピッチを有するものである。
【００１４】
かかる要件が満たされた場合、粘性のマトリックス中の固体が、本発明に従った装置を用いて連続的に分散化され且つ均質化することが出来、而も従来はニーダーを用いてバッチ形式でしか実現可能であるに過ぎなかったような卓越した結果が得られる。同じことが、粘度が異なる物質の均質化にも当てはまる。
【００１５】
かかる状況下においては、隣接するスクリュー要素が相互に嵌合する、即ち隣接するスクリュー要素のねじ山又はランドが重なり合う帯域の数が、倍化するからである。
【００１６】
双スクリュー押出機においては、ハウジングの一側面と他の側面上に形成される凹状の円形セグメントが、ハウジングの断面において交差する転移・遷移状態の数が、併せても二つであるが、ＥＰ ０７８８ ８６７ Ｂ１において記載された三本シャフトの装置においては、ハウジングの内側面及び内部コアーの外側面に形成される凹状の円形セグメントが交差する転移・遷移状態の数は、併せて四つであり、閉じた円の内部に十二本のシャフトを納めた場合は、併せて二十四である。
【００１７】
厳密に機械的な意味では、スクリューが一回回転すると、十二本のシャフトの場合は二十四個のウエッジが移動・進行しまた双スクリューにおいては二つのウエッジが移動・進行する。いずれの場合でもピッチが１ Ｘ （直径）である２０の巻回を２０φの部分的プロセス長さに渉って配置した場合、回転一回当りの移動・進行の個数は、１２本のシャフトの場合は２０ Ｘ ２４ ＝ ４８０にまで増加し、また双スクリューの場合は２ Ｘ ２０ ＝ ４０になる。
【００１８】
三本シャフト押出機においては、四つのウエッジが同時に作動可能であり、このことは、四つのウエッジがスクリューの各回転毎に作動可能となること、即ち２０回回転した場合、８０個のウエッジが移動・進行することを意味するのである。同様に、下記する装置においてピッチをより小さくした場合、同様に相当する結果が得られる：
【００１９】
双スクリューピッチ ３／４φ ５３．３個の移動・進行
３本シャフト １０６．７個の移動・進行
１２本シャフト ６４０個の移動・進行
双スクリューピッチ ２／３φ ６０個のウエッジ移動・進行
３本シャフト １２０個のウエッジ移動・進行
１２本シャフト ７２０個のウエッジ移動・進行
双スクリューピッチ １／２φ ８０個のウエッジ移動・進行
３本シャフト １６０個のウエッジ移動・進行
１２本シャフト ９６０個のウエッジ移動・進行
なお上記において、φは、スクリューの外径である。
【００２０】
粘性マトリックス中における一種又はそれ以上の固体又はその他の材料部分の分散化及び均質化に対して嵌合領域が及ぼす作用・効果は、材料物質が嵌合部分を貫流する際にハウジングの持つ制動効果が実質的に消去されることに本質的に依拠するのであって、かかる制動効果は、物質材料の速度の増大に関連すると同時に関与する材料の膨張をも招来するのである。更には、材料が、円周速度で回転する受容スクリューのねじ山の外径に接触した場合、田畑における畝作りのように、該材料は、送り出しスクリューのスクリュー面から排除され、再配向されて、新しい流れ角度をもって受容スクリューの面積が縮小された断面内に導かれる。連続相の粘度によって引っ張り力及び曲げ力が、湿潤化された固体材料集合体に掛かり、その結果この集合体が破断するに到り得る。ストレスの大きさは、当該粘度により制限されるため、多重に並列取り付けされた嵌合領域がストレス負荷時間に渉って移動・進行するのに応じて、単一回の破断及び/又は反復破断が生起し得る。嵌合領域から嵌合領域への円周長さに基いて、該スクリューは、従来公知の一本シャフト押出機におけると同様に純粋の輸送及び圧力蓄積・発生装置として機能する。
【００２１】
これらの工程が、固体材料の均質化及び分散化において本質的な役割を演じるということは、粘性マトリックス中における粒径がミクロンオーダーである固体粒子についても、ニーダーでのバッチ型の分散化及び均質化に決して劣らない、完璧な分散化及び均質化が、本発明に従った装置を用いることによって実現出来ることから容易に推論され、結論づけされるべきである。
【００２２】
同様の結果が、粘度の異なる材料を均質化する場合においても本発明に従った装置を用いることによって実現することが出来る。
【００２３】
本発明に従った装置のスクリューは、好ましくは単一又は二枚ねじ山の構成とする。単一ねじ山スクリュー要素が特に好ましいのであって、その理由は、ねじ山幅が、ねじ溝幅に対して大きくなるように選択出来る、即ちスクリューのねじ溝の断面狭窄を大きく保持することが出来るためである。
【００２４】
本発明に従った装置のスクリューの輪郭形状は、好ましくは複数の円形状の円弧から成り、外側及び内側においてその都度該当する半径が湾曲部を形成し、またその間に位置するフランクについては、半径としての当該距離・間隔が、最大湾曲を決定するのである。
【００２５】
Ａｘ ＝ Ｄ／２ ＋ ｄ／２
なお上式において；
Ａｘは、２つのスクリューの間隔であり、
Ｄは、外径であり、また
ｄは、コアー径である。
ＧＺ（２アルファ＋ベータ＋ガンマ） ＝ ３６０度
ＧＺは、ねじ溝の数であり、
アルファは、フランク角度であり、
ベータは、コアー角度であり、また
ガンマは、ねじ山角度である。
【００２６】
標準的設計型式では、ベータがガンマに等しい（ベータ＝ガンマ）ように選択される。
【００２７】
上記した数学的関係式から、Ｄ：ｄとして最大可能な比が得られる。
【００２８】
本発明に従った装置によれば、固体物質粒子集合体の微小粒子化もまた、粘性マトリックスの伸張及び曲げ（再配向）が生起することによって当該材料が送出しスクリューからと受容スクリューへ遷移・変化する工程において行われるのであり、この際、当該材料が暴露されるストレスの大きさが、実質的に嵌合帯域の数、ストレスの負荷時間及びねじ山の幅によって、また極めて微妙にであるが機械力学的変動数値によって、プロセス工学的要件に種々の影響を及ぼすのである。
【００２９】
本発明に従った装置においては、当該材料の部分的な過熱又はそれ以外の過大なストレス負荷は、操作加工工程に関与する大きなスクリュー表面積及びそれに対して相対的に少ない材料量とによって、一切予見され得ないばかりか、寧ろ嵌合帯域におけるストレス負荷は均一となることが期待できるのである。かくして、スクリューの磨耗が低く抑えられつつ、操作加工する材料全体において均一なエネルギー変換が行われるのである。そのうえ、材料流れの一部分が軸方向にバイパスするのが防止される、従って逸出・漏出が不可能となる、という決定的な利点が得られる。
【００３０】
本発明に従った装置を用いると、例えば伝導性のない合成樹脂をカーボンブラックを分散化及び均質化させることによって、ニーダーによっては従来は殆ど実現不可能であったような品質で伝導性を持たせるように加工・調製することが出来る。更には、染料、充填剤、例えばチョコレートなどの食料品を均質化し及び/又は分散化させまた破砕することが出来る。例えばミクロ繊維の紡糸に必要な出発材料を製造することが出来る、即ち防止可能な合成樹脂にμｍ又はナノ領域の着色ピグメント又はその他の固体物質を混練りすることが出来る。かかるミクロ繊維は、着色ピグメント又はその他の固体粒子の直径よりも僅かに大きい直径を有するものである。
【００３１】
固体材料の集合体が微細状態に分散化及び均質化されない場合は、紡糸ノズルが閉塞されるか又は紡糸時に繊維が破断する。更には本発明に従った装置を用いると例えば合成樹脂フィルム又は保護塗料のための材料を製造することが出来る。本発明に従った装置は、ポリマー鎖長が広範に異なる合成樹脂の均質化に適しているので、かかる樹脂を用いて例えば二相又はマルチ相のプラスチックスを変性・製造することが出来る。
【００３２】
本発明に従った装置のシャフトは、一方向に駆動することが出来るが、また反対方向回転可能な構造仕様とすることも出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下において、本発明に従った装置の一つの構造型式を図面に従ってより詳細に記述する。
【００３４】
図１及び図2に従えば、本装置は、ハウジング１及び軸方向の内部コアー２とを一つずつ有する。このハウジング１と内部コアー２との間において、多数の軸に平行に配設されたシャフト４を有する円形リング形状のスクリュー空間３が設けられる。
【００３５】
ハウジング１は、エンドプレート(end-plate)５によって入り口側で閉止されており、なお、図示していないギアーにより同一方向又は反対方向に駆動されるシャフト４が、このエンドプレートを貫通して伸展する。それぞれのシャフト４にも、多数の二枚ねじ山式スクリュー要素６が、回転不能に配設される。
【００３６】
図２から判るように、隣接するシャフト４のスクリュー要素６は、僅かな遊びをもって嵌合状態で、従って充分密な状態で相互にかみ合う。
【００３７】
このハウジング１は、その内側にまたコアー部の外側において軸に平行な凹状の円形セグメント７及び８を備えている。断面において、ハウジング１の内側及び内部コアー部２はかくして、共軸円形セグメント７及び８からバラの花の形状に形成されるが、そのセグメントの円の中心は、円の円筒表面内にあり、その上にシャフト４の軸が位置する。円形セグメント７．８には、スクリュー要素６が僅かな遊びで、従って充分密な状態で嵌合する。
【００３８】
エンドプレート５に向かい合う入り口側の端面において、ハウジング１はその上面に開口部９を有しており、その開口部を通して加工処理されるべき材料（図示していない）がスクリュー空間３に供給されるのである。
【００３９】
当該材料から発生するガスは、ハウジング１内部の開口部１１、１２を経由して外部へ流出する。これらの開口部は、例えば内部コアー２が中空状に形成されている場合は内部コアー部にも設けられる。
【００４０】
シャフト４は、これらの開口部９，１１，１２の外側に位置する領域内において、例えばスクリュー要素６の外径Ｄの２０倍に相当する長さに渉って伸展する。
【００４１】
図２，３及び４に従えば、スクリュー要素６は断面において楕円形状の輪郭を有しており、該輪郭は、円弧形状Ａ，Ｂ及びＡ'，Ｂ'においてＤ／２に相当する湾曲部を有しまた円弧形状Ｅ，Ｆ及びＥ'，Ｆ'においてＡｘ − １／２Ｄに相当する湾曲部を有する。なおここで、Ａｘは、二つのシャフト間の軸方向距離を意味する。角度α、β及びγは、ＢとＥ、ＦとＢ'及びＡ、Ｅ'とＦ'、Ａ'との間の領域の湾曲部であり、例えばＥＰ０ ００２ １３１ Ｂ１において記載されているように解析幾何学の公知の手法によって求めることが出来る。
【００４２】
図２に従えば、本装置は、十二本のシャフト４を介して合計２４個のウエッジ１３、１４、即ち２４の遷移状態を有しており、その遷移状態においては、凹状の円形セグメント７がハウジング１の内側において交差しまた凹状の円形セグメント８がスクリュー空間３の外側で交差する。これら二つの遷移状態１３、１４との間において、隣接するシャフト４のスクリュー要素６が密な状態で相互にかみ合い・嵌合するゾーン１５が存在する。ピッチが１／２Ｄである場合は従って、材料供給開口部９とガス抜き開口部１１との間のスクリュー長さＬ１、二つのガス抜き開口部１１と１２との間のスクリュー長さＬ２及びガス抜き開口部１２とシャフト４の材料吐出端部との間のスクリュー長さＬ３から構成されるスクリュー長さＬに渉って、Ｌ＝２０であれば、合計で９６０個の嵌合帯域１５が形成される。
【００４３】
粘性のマトリックス中における固体物質又はその他の物質断片を分散化しまた均質化することに対して嵌合帯域１５が及ぼす効果を、ピッチがＳである、三つの相互に嵌合する単一ねじ山のスクリューを示す図５乃至７に基いてより詳細に説明する。このスクリューの送り出し方向は、矢印１０によって描写されている。（右方向に上昇する）スクリューが、矢印１０に従って搬送するためには、図７において図示される回転方向を有する。
【００４４】
材料は、矢印１６の方向に移動するため、凹状の円形セグメント７及び８（図３）により形成されるチャンバー１８の領域においてハウジング１の制動作用を受ける。粘性のマトリックス中における固体物質又はその他の物質断片を分散化しまた均質化することに対して嵌合帯域１５が及ぼす効果は、ここでは該材料が嵌合帯域１５を貫流することによって、かかるハウジング１の制動作用が実質的に無くなることに本質的に依拠するのであり、このことは、同時に材料速度が増大することと密接に関連し、その結果関与する材料の伸張が生起する。更には、鋤で耕作する場合に類似して、円周速度で回転している受容スクリューＫaufのねじ山Ｋの外径上に当該材料が当ると、当該材料は、送り出しスクリュー６abのスクリュー表面から移動して離れ、再配向され、次いで新たな流れ方向によって１７に位置する狭窄断面に導入されるのである。かくして連続相の粘度を介して、引っ張り力及び曲げ力とが、マトリックス中に包含される湿潤化された固体物質集合体に作用し、その結果遂には破断に到る。
【００４５】
図７においては、チャンバー１８が充分明瞭に認められるが、一方ここでは、受容側６aufは上方にまた送出し側６abは下方に図示されており、最大可能なねじ山幅はＢである。Ｂをより小さくすると、受容及び送出しの双方の貫流面積が同時に大きくなり、その結果転移・伝達抵抗が小さくなる。
【００４６】
従って、ねじ山幅Ｂを変化させることによってかかる機能を左右させることが出来る。ピッチＳを大きくした場合、例えばピッチを二倍にすると、処理生産量は、それだけ高くなり、即ち二倍になる。
【００４７】
図８に従えば、軸領域Ｍにおける単一ねじ山型スクリュー要素６は、当該装置の軸領域Ｎにおけるスクリュー要素６よりもねじ山幅が広い。かくして、このねじ山幅Ｋが大きいスクリュー要素６が、材料出口側となり、ねじ山幅Ｋが小さいスクリュー要素６が材料入り口側となるように配置される。しかしながら、ねじ山幅が大きいスクリュー要素を材料入り口側となりまたねじ山幅が小さいスクリュー要素６を材料出口側となるように配置することも可能である。また、軸領域により大きいねじ山幅のスクリュー要素を配設しまた軸領域にねじ山幅の小さいスクリュー要素を交互に配設することも可能である。ねじ山幅を種々に変化させることによって、嵌合帯域における流れ抵抗を制御することが出来る。ねじ山幅が大きくなればなるほど、それだけこの嵌合帯域へ侵入時に生じる抵抗もより大きくなる。
【実施例】
【００４８】
１２本シャフトを備え、溶融物で充填されたプロセス長さが２３Ｄ（Ｄ＝スクリュー要素の外径）であり、その内の１０．５Ｄのプロセス長さには、ピッチが２／３Ｄ又はそれ以下であるスクリューが備えられる、本発明に従った装置を用いて、一種のポリマーを２５重量％のカーボンブラックと共に均質化した。得られた顆粒物を光学的測定法に供したところ、粒径＜５μｍにおいて完全な分散化が確認された。かかる高品質は従来までは、チャージニーダーによる多段階処理方法においてのみ実現可能であったに過ぎない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
ハウジング（１）内の空間（３）において、緊密に嵌合するスクリュ−要素（６）を配設した、等しい中心角間隔で円に沿って配置され、軸に平行に回転可能なシャフト（４）を有して成る装置は、少なくとも一種の粘性物質及び少なくとも一種の固体物質及び/又は少なくとも一種の粘度の異なる別の物質を均質化及び/又は分散化させるために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本装置の長手方向の断面図である；
【図２】図１における線ＩＩ−ＩＩに沿って切断した本装置の断面図である；
【図３】ハウジング内の円形アーク状のスクリュー空間において嵌合するスクリュー要素を有する三つのシャフトを有する、本装置のさらに別の構造型式を切断した断面図である；
【図４】ハウジングを除いた、図３に相当する断面図である；
【図５】三つの単一ねじ山スクリュー要素を有する、図４に相当する断面図である；
【図６】図５に示す三つのスクリュー要素の透視図である；
【図７】図５に示す三つのスクリュー要素の平面図である；
【図８】異なる軸領域において幅寸が異なるねじ山幅を有する単一ねじ山式スクリュー要素を有する、図１に相当するスクリューシャフトとの側面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ ハウジング
２ 内部コアー
３ スクリュー空間
４ シャフト
５ エンドプレート
６ 二枚ねじ山式スクリュー要素
７、８ 円形セグメント
９、１１，１２ 開口部
１０ スクリュー送出し方向
１３、１４ ウエッジ
１５ 嵌合帯域
１６ 回転方向
１７ 狭断面
１８ チャンバー
Ｂ 最大可能ねじ山幅
Ｄ スクリュー要素の外径
Ｋ ねじ山
Ｋauf 受容スクリューねじ山
Ｋab送出しスクリューねじ山
Ｌ プロセス長さ
Ｍ，Ｎ 軸領域
Ｓ ピッチ
Claims (5)
- 等しい中心角間隔で円に沿ってハウジング内のスクリュ−空間内に配置され且つ緊密に嵌合するスクリュ−要素を少なくとも部分的に配設した少なくとも三つの、軸に平行に回転可能なシャフトを有する、少なくとも一種の粘性物質及び少なくとも一種の固体物質及び/又は少なくとも一種の粘度の異なる別の物質を均質化及び/又は分散化させるための装置であって、
該ハウジングが、該スクリュ−空間の放射状の外側と内側の側面に配設され、軸に平行な凹面状の円形セグメントが、特定のシャフト及び該スクリュー空間への開口部とを受容するものである該装置において、
該シャフト（４）には、該スクリュ−要素（６）の外径（Ｄ）の少なくとも十倍に相当する長さ（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に渉って該開口部（９，１１，１２）の外側の領域においてスクリュー要素（６）が配設されるが、該スクリュー要素（６）のピッチ（Ｓ）が、該スクリュ−要素（６）の外径（Ｄ）の少なくとも三倍の長さに渉って該スクリューの外径の高々四分の三であるとすることを特徴とする前記装置。 - 該ピッチ（Ｓ）が、スクリューの外径（Ｄ）の高々三分の二に相当することを特徴とする、請求項１において記載された装置。
- 該スクリュー要素（６）が、単一ねじ山構造であることを特徴とする、請求項１又は２において記載された装置。
- 該スクリュー要素（６）の断面が、楕円形の輪郭であり、該湾曲部が、長軸（Ａ，Ｂ，Ａ'，Ｂ'）の領域において該スクリュー外径（Ｄ）の半分に相当し且つ短軸頂点（Ｅ，Ｆ，Ｅ'，Ｆ'）の領域においては二つのシャフト（４）の軸距離（Ａｘ）から該スクリュー外径（Ｄ）の半分を減じた距離に相当することを特徴とする、上記請求項の内のいずれか一項において記載された装置。
- 該スクリュー要素（６）のねじ山幅（Ｋ）は、ピッチ（Ｓ）が一定であっても個別の軸方向領域（Ｍ，Ｎ）において異なることを特徴とする、請求項３において記載された装置
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