JP2006506240A - 流動可能な物質を分散し且つ融解するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、隣接するシャフトと相互に噛み合う、同一ねじ方向のスクリュ−要素が捻れロックされて配設された、軸並行で、同一方向に回転可能である支持シャフト（１、２）を有する、流動性物質を分散し且つ溶融するための装置に係わる。スクリュー要素（３、３’）は、同一回転方向で相互に累進的な偏角において配設され、かくしてフロント面（１５、１６；１５’、１６’）を形成するスクリュー部分（１１、１２、１３、１４；１１’、１２’、１３’、１４’）から構成されるのである。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された、流動可能な物質を分散し且つ融解するための装置に係わる。

このような装置においては、スクリュ−要素のみならず混練りブロック及び類似した処理要素が、支持シャフトに配設され，かくして駆動エネルギーの最適量を混練り動力及び混合動力に変換するのである。

処理工程においてプラスチックスを可能な限り均一・一様にスクリューに沿って分布・分散させるために、ＤＥ ３１ ３４ ４７９ Ａ１によれば、スクリュー押出機において、３条ねじ形状の一本のスクリューが、相互に累進的な変位角・偏角で支持シャフトに配設された複数のディスクに分割されているスクリュー押出機が、公知となっている。その結果ディスク上に形成されるフロント面には、半分の高さにおいて中心段壁が設けられていなければならないのであって、これによってスクリューの回転時には、関係するフロント面同士は、自由に相互に通過することが出来るようになるのである。

このような３条ねじ形状のスクリュー機械は幾何学的な位置関係により、スクリュー外径とスクリューコア径との最大比が僅か１．３６６１以下となる構造・仕様とすることが出来るに過ぎない。この場合、フロント面での有効スクリュー面積にみならず噛合いゾーンの面積も比較的小さくなるため、その結果プロセス工学的な効率は、実際上無視可能なほど小さくなる。

そのうえディスクの数が多くなるため、公知の装置は、製作コストが著しく高くなる。しかしながら、中でも装着組み立て時においてディスクがとり得る角配置が多いため、特により多くのスクリューを同時に取り付け・装着する必要がある場合は、多くの誤差の原因となりやすい。またこのようなディスクによって、半径方向の力を伝達するためのスクリューシャフトの曲げ強度が、検知可能なほどに低下することになり、そのため部分的な磨耗と破断危険性が増大する。
ＤＥ ３１ ３４ ４７９ Ａ１

本発明の課題は、従来公知のスクリュー機械と同じように複数のスクリュー要素を装着することが可能であり、而もその駆動エネルギーを最適に変換して最適の均質分散化を実現するスクリュー機械を提供することである。

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のである。請求項１に従属する請求項においては、本発明の有利な実施態様が記載される。

本発明に従えば、１条又は２条にねじ切りされた、通常の長さのスクリュー要素が、スプラインシャフトとして形成された支持シャフトに装着される。この場合、本装置のプロセス部の長さは、少なくとも当該スクリュー要素の外径の十倍に相当するのであり、またシャフトの回転数は、一分間当り少なくとも１００回転である。

しかしながら貫通したスクリューねじ切りを有するスクリュー要素を備えた通常のスクリュー押出機とは異なって、本発明に従った装置のスクリュー要素の少なくとも一部は、同一回転方向で相互に累進的に捻れたセクションから構成される、１条又は２条ねじ形状のスクリュー要素によって形成される。このことによって、ねじ条の数に相当する数のフロント面が、カクセクションの両側に形成されるが、処理されるべき材料は、該フロント面を貫流する過程において、スクリューのねじ山頂のせん断エッジに沿って障害され且つ分断され、その結果内部混合が行われることになる。

粘稠なマトリックス中に固体物質を分散させるに際しては、粒状物や凝塊物を最適に破砕することは、これまでに成功したことはなかった。そのための幾つかの理由の一つは、部分的に過剰な圧力蓄積が生じて、このためエネルギー消費が高くなると共に相応の温度上昇が惹起されるが、而も凝塊物の破砕は不充分となることである。

μ（ミクロン）領域の固体物質、例えば染料は、液体状態では凝塊物を形成するはずであり、破砕するためには圧力差に基因する流動化によって相互に破断・断裂されるのである。本発明に従った装置を用いることによって、混練りブロックなどを配設・装着した公知のスクリュー押出機とは異なって、実質的な温度上昇を伴なうことなく凝塊物に対して作用する膨張流動が生成されるのである。このため本発明に従えば、非生産的なエネルギー部分が、大幅に低減される。

本発明に従えば、スクリュー要素のスクリュー部分のうち搬送作用を有する１条又は２条ねじ形状のスクリューねじは、相対的に短い構造・仕様とされる。即ち、各スクリュー部分のスクリューねじ山の頂は、僅かにピッチの分数であるに過ぎない。各スクリュー部分のスクリューのねじ山頂の間の軸心距離・間隔はかくして、好ましくはスクリューねじの深さを上回ることはないのである。この場合、各スクリュー要素のスクリュー部分についてスクリューねじ山頂の軸方向長さは、種々に異なるように形成すればよい。

各スクリュー要素について同一回転方向で逐次的な偏角で設置されたスクリュー部分によって、階段状に偏角で設置された表面が形成される。

スクリュー要素のスクリュー部は、相互に累進的・累進的に、同一回転方向で角度により変位するため、階段状に偏角するフロント面が形成されるのである。

各スクリュー要素のスクリュー部分の偏角は、好ましくは最大ピッチの三分の二で反復・繰り返される。

スクリュー要素の１条又は２条ねじ形状とした構成・仕様により、相対的に大きな有効フロント面が得られる。

計算の結果、２条ねじ形状のスクリュー及び１条ねじ形状のスクリューは、他の寸法は等しいものとした同一サイズの三条ねじ形状のスクリューと比較して、有効表面がそれぞれ２１パーセント及び４２パーセント以上大きいことが判明した。軸間距離を一定として外径を２８．３から３０ミリメートルに大きくすると、決定的な重要数値（１６）及び（８）は、殆ど倍増させることが出来る。

このようなフロント面の有効性は更には、スクリュー要素のスクリュー部分が相互に変位・オフセットされる角度にも依存して変わる。このような偏角の角度は好ましくは可能な限り大きくなるように選択される。即ち例えば、１条ねじ形状のスクリュー部分の場合はほぼ１８０°であり、また２条ねじ形状のスクリュー部分についてはほぼ９０°である。

このフロント面は更には、湿潤させることによって分散表面とすることが出来る。また均質分散化及び分散化工程の効率は、当該スクリュー機械の二本のスクリューシャフトが相互に噛み合う領域において、あるシャフトのスクリュー部分のフロント面が、別のシャフトのスクリュー要素の隣接するフロント面からとる距離に依存して異なるのである。即ち、二つのフロント面の距離が増大すると、半径方向の自由流れの断面積が増加し、その結果噛合い領域のせん断速度が小さくなる。この噛合い領域における流れ方向は、噛合い領域外とは全く異なって走行するため、当該製品は、本発明に従った装置を用いると噛合い領域内での延伸と圧縮によって高度に効果的な均質分散化と分散化工程に供せられることになる。本発明に従った装置によって実現される、優れた分散結果に決定的に重要なことは、スクリューねじ及び噛合い領域における軸方向の供給を行う自由流れは、粘度低下を伴なうことなく生成させることが出来るのであって、これによって破砕・分散された凝塊物の破断面が、更なる力が凝塊物に有効に作用する前に湿潤化され、かくしてさらに破砕・分散される、ということである。

支持シャフトに取り付け・装着されたスクリュー要素には、動力伝達及び位置決めのためにスプラインを一本だけ配設する。この場合、２条ねじ形状のスクリュー要素のスクリュー部分の軸長さは、ピッチの半分の整数倍とすればよい。即ち、例えばピッチが３０ｍｍである場合は、スクリュー部分の軸長さは、１５ｍｍ又はその整数倍であればよいのである。しかしながら、最新の支持シャフトは、動力伝達をよくするため多数の刃、例えば２４本の刃を備えたスプラインを装着している。このような場合は、１条ねじ形状のスクリュー要素のスクリュー部分の軸長さは、ピッチの２４分の１となればよく、即ちピッチが例えば３０ｍｍの場合，スクリュー部分の軸長さは、１．２５ｍｍ又はその整数倍であればよい。即ち、スクリュー部分の軸長さは、好ましくは以下の公式から得られる：ねじ山数とスプライン噛合いの刃の数との積でピッチを除した数か、又はその整数倍。

ねじ山の数が小さい場合及び/又はスプライン噛合いの刃数が多い場合は、スクリュー部分は、より短くすることが出来ることが判る。しかしながら、スクリュー要素のスクリュー部分の偏角は、好ましくは最大ピッチの四分の三に従って反復・繰り返される。

しかしながらかかるスクリュー要素は、軸長さがピッチの長さに相当するか又はそれ以上であるようなスクリュー部分を一つ又はそれ以上有していてもよい。スクリュー要素のスクリュー部分が有するスクリューねじ山頂の軸長さも従って、種々に変えて形成することが出来る。好ましくは、スクリュー要素のスクリュー部分のピッチは、スクリューの外径に等しいか又はこれより大きいのである。あるスクリュー要素の隣接する二つのスクリュー部分間における変位角度は、すべてのスクリュー部分について等しくしても良いか又は種々に異なる変位角度を用いてもよい。

本発明に従ったスクリュー機械は、スクリュー要素が一回転した場合一ピッチだけ固体を加圧することなく軸方向に搬送し、一方同時に粘ちゅうな物質は、スクリュー要素が一回転した場合高々半ピッチだけ搬送する。本発明に従った装置のスクリュー要素の搬送挙動は従って、粘ちゅうな物質においては搬送物質の内部摩擦、従ってその粘度に決定的に依存して異なるのである。

先行するスクリュー要素に対して後続スクリュー要素が有する変位角度によって、自由スクリューねじにおいては一つの自由なフロント側面が生成し、これによって軸方向の物質流れが実質的に変化することになる。

即ち、当該物質は、この自由フロント面によって先ず軸方向にせき止められ、次いで実質的にスクリューシャフトの新たな半径方向の回転方向において再び加速されるか又は伸長・伸展されるのである。スクリュー/ハウジングの共同相互作用に引き続いて、対象スクリューと対向スクリューとの共同相互作用が、噛合い領域内で円周方向に発生するのであるが、この共同相互作用は、実質的にハウジングの作用・影響を伴なうことなく生起するものであり、強力な材料加速によって特徴ずけられるものである。同時に一部は材料流れの急激な転回及び関与するスクリューの自由フロント面の対向滑動通過とが生起し、その結果再度、強力な伸長・伸展プロセスとせん断プロセスが惹起されるに到る。重要なことは、このような場合には単に部分的領域ではなく、全体の材料流れが関与してくるということである。

このような効率を上げるためまたかかるプロセス工程を反復させるために、本発明に従ったスクリュー要素は、何れの場合にも少なくとも三つのスクリュー部分を有する。

スクリュー要素のスクリュー部分間の変位角・偏角としてはねじ山頂角度のほぼ半分であるのが好ましいのであるが、その理由は、かかる偏角とすることによって表面積の大きなフロント面、従って湿潤可能な表面積の大きなフロント面が生成し、可能な限り大きな作用を実現することが出来るからである。

スクリューの半径方向クリアランスにおいて回転軸に対して垂直となるスクリュー要素に均一な開口断面を設けることによって、さらに２条ねじ形状のスクリューの個別のねじ山頂において均一な流れ分布を得ることが可能となるのである。

同時に本発明に従ったスクリュー要素は、従来公知のスクリュー要素と同様に支持シャフトに何らの問題も無く取り付け・装着することが出来る。

当該相互噛合い領域において回転及びせん断による可能な限り効果的なエネルギー消費を達成・実現させるために、ある一本のシャフトのスクリュー要素のフロント面は、二本のスクリューシャフトの相互噛合い領域において別のシャフトもスクリュー要素の隣接フロント面からは相互に一定の距離をおいて配設されるのである。このために、これらスクリュー部分のフロント面は、好ましくは回転軸に対して共軸である円錐表面部分として形成されるが、この際一つのスクリュー部分について二つのフロント面の円錐表面部分とも、共通台を有する二重円錐の上に位置するか、又は隣接するスクリュー部分の相互に対向するフロント面は、一本の共通軸を有する二重円錐の上に位置することになる。この円錐角度は、従って回転軸とフロント面が位置する円錐表面との角度は、好ましくは少なくとも５０°であり、特に６０と８０°との間である。

本発明に従った装置は、少なくとも二本の相互に噛合うスクリューシャフトを有するのであるが、さらに多くの相互に噛合うスクリューシャフトを有していてもよい。例えばＥＰ−０７８８８６７Ｂ１に記載されたように、ハウジング内部の空間において一つの円に沿って等しい中心角距離をおいて配設された多くのシャフトを有していてもよい。

以下において、本発明を例として図面に言及してより詳細に説明する。

図面に従えば、軸に平行する二本の支持シャフト１，２は、矢印Ａ，Ａ’に従って同一方向にギア―（図示していない）によって駆動される。何れの支持シャフト１、２においても、複数のスクリュー要素が装着されるのであるが、一つのスクリュー要素３、３’のみを各支持シャフト１、２において示す。

スクリュー要素３、３’を回転不能に連結するために、当該支持シャフト１，２には、多数のリブ又は歯４、４’を有するスプラインを設けるが、このリブ又は歯は、スプラインハブを形成するスクリュー要素３、３’の中核部に設けた穿孔部において相当する数の長手方向のグルーブ５、５’と係合する。

ハウジング６の内部においては、二つの穿孔部７、７’が設けられ、これによってスクリュー要素３、３’を備えたシャフト１、２を受容・収納する。この穿孔部７、７’は、断面において交差し、その結果スクリュー要素３、３’は、領域８内において相互に噛合い把持する。

スクリュー要素３、３’は、一体となっており、何れも一つの部品のみから形成され、スクリュー部分１１、１２、１３、１４又は１１’、１２’、１３’、１４’を有する。各スクリュー要素３、３’のスクリュー部分１１、１２、１３、１４又は１１’、１２’、１３’、１４’は、同一回転方向において同一角度で累進的に相互に偏角する。

各スクリュー部分１１、１２、．．．は従って、前部フロント面及び後部フロント面１５、１６又は１５’、１６’を有しており、これらのスクリュー部分は同一である。即ち、これらは、２条ねじ形状であり、ピッチ角度及び軸長が同一である。

図１においてシャフト１に装着したスクリュー要素３について示すように、各スクリュー要素３、３’のねじ山頂１７、１８、１９、２０は、一本のスクリューラインに沿って走行・伸展するのではなく、相互に平行して走行するスクリューライン２１、２２、．．．に沿って走行・伸展するのである。

２条ねじ形状のスクリュー部分１１、１２、．．．の軸長ａｌ、従ってスクリュー部分１１、１２、．．．の偏角は、ピッチの同一分数に従って反復・繰り返すのである。

各スクリュー部分１１、１２、．．．のスクリューねじ山頂２１、２２、．．．の軸間距離ａｋは、スクリューねじ山の深さｔよりも上回ることはない。

全てのスクリュー部分１１、１２、．．．のフロント面１５、１６、１５’、１６’は、シャフトと共軸である円錐上に位置するのであるが、この場合スクリュー部分１２、１１’の二つのフロント面１５、１６又は１５’、１６’とも、一つの共通の台を有する二重円錐上に位置する。この円錐角は、何れの場合も同一であり、例えば７０°であればよい。

各スクリュー部分１１、１２、．．．の表面は、二つのフロント面１５、１６、．．．二つのスクリューねじ山頂１７、１８、．．．及び二つのスクリューねじ山頂の間のスクリュー表面２５、２６とから構成される。

相互噛合い領域８においては、シャフト１の上のスクリュー要素３のフロント面１５、１６、．．．は、シャフト2の上のスクリュー要素３’の隣接するフロント面からは一定の距離・間隔Ａをおく。

隣接するシャフトと相互に噛み合う、同一ねじ方向のスクリュ−要素が捻れロックされて配設された、軸並行で、同一方向に回転可能である支持シャフトを少なくとも二本有する、流動性物質を分散し且つ溶融するための装置において、少なくとも一対の相互に噛み合うスクリュー要素について、各スクリュー要素が、同一回転方向で相互に累進的な角変位・偏角において配設され且つ１条ねじ又は２条ねじ形状に形成されたスクリュー部分から構成され、かくしてフロント面を形成することを特徴とする前記装置は、その駆動エネルギーを材料の均質な加工及び処理に最適に転換することが出来るので、産業上極めて有用である。

二つの相互に噛合うスクリュー要素の側面図である。 ハウジング内に配設されたスクリュー要素を図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って切断した断面図である。

Claims (10)

1. 隣接するシャフトと相互に噛み合う、同一ねじ方向のスクリュ−要素が捻れロックされて配設された、軸並行で、同一方向に回転可能である支持シャフトを少なくとも二本有する、流動性物質を分散し且つ溶融するための装置において、少なくとも一対の相互に噛み合うスクリュー要素（３、３’）について、各スクリュー要素（３、３’）が、同一回転方向で相互に漸進・累進的な角変位・偏角において配設され且つ１条ねじ又は２条ねじ形状に形成されたスクリュー部分（１１、１２、１３、１４；１１’、１２’、１３’、１４’）から構成されて、かくしてフロント面（１５、１６；１５’、１６’）を形成することを特徴とする前記装置。
2. 各スクリュ−部分（１１、１２、．．．）の軸長さ（ａｌ）が、各スクリュー部分（１１、１２）のスクリューねじ山の頂（２１、２２、．．．；２１’、２２’、．．．）のピッチの分数であることを特徴とする、請求項１において記載された装置。
3. 各スクリュ−部分（１１，１２、．．．）の軸長さ（ａｌ）が、各該ピッチの高々２／３であることを特徴とする、請求項２において記載された装置。
4. 各スクリュー要素（３、３’）のスクリュー部（１１、１２、．．．）におけるスクリューねじ山の頂の軸長さ（ａｋ）が、種々に異なることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項において記載された装置。
5. あるスクリュー要素（３、３’）の隣接するスクリュー部分（１１、１２、．．．）が、異なる変位角・偏角を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項において記載された装置。
6. スクリュー部分（１１、１２、．．．）のピッチが、スクリュー径（Ｄ）と等しいか又はこれより大きいことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項において記載された装置。
7. 該スクリュー部分（１１、１２、．．．）のフロント面（１５、１６；１５’、１６’）が、回転軸と共軸である円錐上に位置するに際して、スクリュー部分（１１、１２、．．．）のフロント面（１５、１６；１５’、１６’）が位置する円錐が、一つの共通台を有する二重円錐を形成することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項において記載された装置。
8. 該スクリュ−部分（１１、１２、．．．）のスクリューねじ山の頂（２１、２２、．．．）の軸距離が、スクリューねじ山の高さ（ｔ） ｘ ｔｇ（フロント面（１５、１６；１５’、１６’）の９０°円錐角度）ｘ ２を上回らないことを特徴とする、請求項７において記載された装置。
9. 該円錐角が、少なくとも５０°であることを特徴とする、請求項７又は８において記載された装置。
10. スクリュー要素（３、３’）が、軸長さがスクリュー径の二倍に相当するスクリュー部分を少なくとも一つ有することを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項において記載された装置。