JP2006509669A - 噛み合い素子ミキサ - Google Patents

Abstract

バレル（３２）を持つ押出し機（８）で材料を混合するための混合セクション（１０、５０、６０）である。前記混合セクション（１０、５０、６０）は、中央シャフト（１６）を持つスクリュー（１４）、およびスクリュー（１４）とバレル（３２）との間に設けられていてスクリュー（１４）の一部を取り囲んでいる浮遊環状スリーブ（１２）を備えている。スリーブ（１２）はスクリュー（１４）に向かって半径方向に内側に突出している混合素子（２８）を持っている。中央シャフト（１６）の一部はスリーブ（１２）に向かって半径方向に外側に突出している混合素子（１８）を持っている。スクリュー（１４）およびスリーブ（１２）にある混合素子（１８）は混合される材料に複数の向き変更領域（２）を作り出し、このことで改善された分散的混合が得られる。

Description

本発明は一般に材料を押し出すための機械に関し、より詳細には、プラスチックおよびプラスチック状の材料とともに使用するよう適合されているスクリュー押出し機に関する。発明者は、本発明の主な用途は、カラーコンセントレート、ポリマーブレンド、およびポリマー合金またはポリマーをコンセントレートと混合するによって生産される製品、フィラー、他のポリマー、添加物などの製造であると考えている。

スクリュー押出し機は、通常はプラスチックのなんらかの形状をした材料を加圧した状態で、ある一定の形状が付けられているオリフィスを通じて流すことで材料を成型する機械である。射出成型機は押出し機を利用して材料を加圧した状態で金型キャビティへと押出す。スクリュー押出し機は一般に、通常円筒型バレルセクションであり中央のモータ駆動スクリューを取り囲んでいる筐体からなる。バレルの第１の端部には供給開口部を備えた供給筐体があり、ここを通じて通常プラスチック粒子である新しい材料がバレル内に導入される。スクリューは、スクリューの中央シャフトよりも大きな半径を持ち通常は中央シャフトの周りにらせん状に巻きつけられている、フライトと呼ばれる隆起部を備えている。そして材料はこれらのスクリューフライトによって溶融ゾーンを通ってバレルの第２の端部へと運搬され、ここで材料は慎重に制御された条件下で加熱されてかかる材料が溶融し、そしてポンプゾーンとも呼ばれる溶融−運搬ゾーンを通過する。溶融されたプラスチックは最終的には形状つき開口部または金型を通じてプレス成型されて押出し物を形成する。

金型に向かって材料を運搬して押出す以外に、スクリューは供給材料の混合を行うのに利用される。ごく一般的には、混合は組成物の不均一性を小さくするためのプロセスとして定義することができる。必要とされる基本的なメカニズムは成分中で相対的な物理的運動を引き起こすことである。スクリュー押出し機の動作で重要な２つのタイプの混合としては分配と分散がある。分配的混合は粒子の部分的な分布の無作為性を、これらの粒子の大きさを小さくすることなく、大きくする目的で使われる。分散的混合は凝集粒子の大きさを小さくすると同時にそれらの位置を無作為化するプロセスを指す。分散的混合では、凝集体などの固体成分、または高粘度の液滴は十分に高い圧力にさらされて降伏応力を超えるようにされ、そしてその後より小さな粒子に分解される。凝集体の大きさと形状、および凝集体を保持する結合体の性質はともに凝集体を解体するのに必要な応力の大きさを定義するものとなる。印加される応力はせん断応力または伸張応力であり、一般には伸張応力のほうがせん断応力よりも分散を行うのにより効率的である。分散的混合の一例としてはカラーコンセントレートの製造があげられ、この場合、顔料凝集体をある臨界サイズ未満まで分解することがきわめて重要である。分散的混合の一例としては混和性ポリマーブレンドの製造があげられ、この場合、成分の粘度は互いにかなり近い。従って分散的混合では常に分配的混合が行われることになるが、分配的混合が必ずしも分散的混合をもたらすわけではない。

いくつかの押出しプロセスでは、良好な分散的混合に対する必要性が分配的混合に対する必要性よりもより重要であることがしばしばある。このことは、サイズを小さくしなければならない顔料凝集体を含有している化合物を押出す場合特にあてはまる。

スクリュー押出し機では、有効な混合はポリマーが溶融した後でないと起こらない。従って混合ゾーンは溶融ゾーンの始まりから押出し金型の終わりまで延びているものと考えられる。この領域内ではバレルセクションおよび押出し金型の両方において混合動作の強度および混合動作の継続時間にはかなりの不均一性があると思われる。溶融ポリマーでは、応力はポリマー溶融物粘度および変形速度の生成物よって定義される。従って一般には、分散的混合はできるだけ低温で行って流体の粘度を上げまたこれとともにポリマー溶融物の応力も上げるようにすべきである。

流体素子は「混合履歴」を持つと言われており、これは流体素子がさらされた伸張およびせん断応力の大きさ、およびそのさらされた継続時間を指す。溶融ゾーンプロセスで早く溶融するポリマー素子は溶融ゾーンの終わり付近で溶融するポリマー素子よりもより有意義な混合履歴を持つと思われる。

一般に、簡素な運搬スクリューを備えた押出し機では、高い応力にさらされる流体の応力または破面のレベルは良好な分散的混合を行うのに十分なほどは高くない。分配的混合は分散的混合よりは行いやすいが、改良していないスクリューでは多くの用途に不適切な分配的混合が行われてしまうこともわかった。従って、従来の発明ではスクリュー押出し機における配送または分散的混合の量を増加させるためにスクリュー設計の多数の変形が試みられてきた。これらの装置は通常、材料入力ホッパ付近に標準スクリューセクションを、また混合を強化するために１つ以上の特別に設計されたセクションを備えている。これらの混合セクションは、混合装置によっては配送および分散的混合の両方を行うものもあるが、当然ながら配送および分散的混合素子の範疇に入る。

配送および分散的混合の改善を試みてきた従来のミキサを図３〜図６に示す（従来技術）。キャビティトランスファミキサ（ＣＴＭ）、トウェントミキシングリング（ＴＭＲ）、およびニーダという３つのミキサを以下に説明する。

キャビティトランスファミキサ（ＣＴＭ）
図３（従来技術）はＣＴＭの幾何学的形状を示している。ＣＴＭは半球状キャビティを持つスクリュー延長部、および同様に半球状キャビティを備えるバレル延長部からなる。スクリューは回転しバレルは静止している。ミキサを通過する流体はスクリューキャビティからバレルキャビティへと流れ他のスクリューキャビティへと戻る。この動作自体が流体がミキサを通過している最中に数回繰り返す。ＣＴＭは有意義な開発であった、なぜなら単一スクリューの押出し機（ＳＳＥ）の混合能力を著しく改善できたからである。ＣＴＭの効率がよい理由は、流体がスクリュー内のキャビティからバレルのキャビティへと移動したときに複数の向き変更事象が起こるためである。

ＣＴＭにはこのミキサの市場での成功を制限してきたいくつかの実用上の欠点がある。これら欠点のうちいくつかは、
１．混合セクションには前方向へのポンプ能力がない。その結果、これは押出し機の圧力浪費要素でありそのことで押出し機の出力を下げポリマー溶融物の温度が上がりがちになると思われる。

２．バレルがＣＴＭセクションに半球状キャビティを持っている。このことは、別途ＣＴＭバレルセクションを設置しなければならないことを意味する。このことでミキサの費用が実質的に高くなりまたＣＴＭの設置も複雑となる。

３．バレルの表面がもはやスクリューによって完全にはふき取られない。ポリマー溶融物はバレルキャビティに入ることになり、そしてキャビティの底部でのポリマー溶融物の流れは非常に遅くなる可能性がある。その結果、材料の変更が行われると（例えば、白から赤へ）、古い材料が押出された製品から消えるまでに過度に長い時間がかかる可能性がある。従って、多くの場合、ミキサは材料の変更が行われる場合は物理的に清掃されていなければならない。この清掃は非常な時間の浪費となる可能性があり、その結果損失生産になる。このことは材料変更が頻繁に行われる場合、明らかな欠点となる可能性がある。

トウェントミキシングリング（ＴＭＲ）
ＴＭＲ（図４、従来技術）はトウェント大学においてＳｅｍｍｅｋｒｏｔにより開発された。ＴＭＲはＣＴＭと同じ混合原理を使用するが、ただし、バレルのキャビティを使うかわりに、孔のあけられた浮遊環状混合リングまたはスリーブを使う。混合スリーブはスクリューとともに回転するが、回転速度はより遅く、このことによりスクリューキャビティとスリーブキャビティとの間に相対速度が提供される。従って、ＴＭＲはＣＴＭの重大な欠点である、バレルのキャビティを排除している。その結果、ＴＲＭはキャビティのある別のバレルセクションを追加する必要なく通常の押出し機およびＩＭＭに使える。ＴＭＲは数多くの射出成型用途で良好に使われており、この場合ミキサは逆止め弁に組み込まれる。典型的な逆止め弁（ＮＲＶ）は比較的短いため、混合ＮＲＶの混合行動は均一性が良好な製品を生産するためには非常に有効でなければならない。

ニーダ
図５〜図６（従来技術）はバスコニーダを示している。これは単一スクリュー配合押出し機であり、スクリューは回転し軸方向に往復運動する。ニーダのバレルには混合ピンが軸方向に３列設けられており、スクリューフライトにはスロットが機械加工により設けられていてピンがスクリューフライトのスロットを通って移動するようになっている。これにより非常に効率的な混合動作が生み出され、従来の配合押出し機よりもニーダ自体を大幅に短くできる。ニーダの典型的な長さは１１Ｄであり、一方ツインスクリュー配合機の典型的な長さは約３５Ｄ〜５０Ｄである。ニーダの効率的な混合動作は平滑なバレル表面よりも大幅に効率的な表面生成を行うバレルピンによって生み出される。しかしながら、内側バレルにピンを設置すると費用がかかると同時に、ピンに直面することなくスクリューをバレル内に導入するのは困難となる。

米国特許第６，３０５，８３１号はポリマー溶融物を混合するための装置を示しており、この装置は内側および外側表面に取り付けられている混合素子を持つ中空の外側シャフトを内側シャフトの混合素子とともに使って材料を混合するものである。中空の外側シャフトは歯車によって駆動されるもので、明らかに通常のスクリュー押出し機または可塑化装置内には後付けするようには利用できない。

上述の理由により、現在利用可能な押出し機よりも良好な配送および分配的混合を提供するスクリュー押出し機に対する要望は大きく、かかるスクリュー押出し機はメインスクリューの混合素子と相互作用する混合素子を持つ浮遊リングを利用するものであり、またメインスクリューとは異なる速度で移動でき、また標準的な押出し機に後付け可能である。

従って、本発明の目的は混合の改善された混合セクションを提供することである。

本発明の他の目的はスクリュー押出し機および射出成型機械系の両方に使用できる混合セクションを提供することである。

本発明のさらに他の目的は優れた混合を提供し単純に製造できる混合セクションを提供することである。

本発明のさらなる目的は多くのタイプのスクリュー押出し機バレルに簡単に後付けできる混合セクションを提供することである。

本発明の別の目的は、この混合セクションにおける圧力低下が小さい混合セクションを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、加工中の材料の向き変更事象を多数行う混合セクションを提供することである。

本発明のさらなる目的は、材料が良好に合理化されており、断面あたりの区画数が多く押出し機のバレルが完全にふき取られている混合セクションを提供することである。

簡単に言うと、本発明の１つの好適な実施態様はバレルを持つ押出し機で材料を混合するための混合セクションである。かかる混合セクションは中央シャフトを持つスクリューと、スクリューおよびバレルの間に配置されておりスクリューの一部を取り囲んでいる浮遊環状スリーブとを備えている。スリーブはスクリューに向かって半径方向に内側に突出している混合素子を持っている。中央シャフトの一部はスリーブに向かって半径方向に外側に向かって突出している混合素子を持っている。スクリューおよび環状スリーブの混合素子が複数の向き変更領域を混合される材料に作り出し、これにより配送混合が改善される。

また、このような混合セクションおよび混合セクション用の浮遊スリーブを持つ押出し機も開示されている。

本発明の利点は、異なる色の材料または組成物の運行間の材料交換時間が非常に早いことである。

本発明の他の利点は、本発明の混合セクションが非常多くの向き変更事象を生み出すため、材料の配送混合が非常に高品質となることである。

そして本発明の他の利点は、混合セクションにおける圧力低下がごくわずかであるため、スループットが非常に高いことである。

本発明のさらなる利点は、材料の主な移送方向が半径方向ではなく軸方向であるため、スループットを高レベルに維持できることである。

さらなる利点は、本発明の混合セクションは既存の押出し機および射出成型機に比較的安価で後付け可能であることである。

別の利点は、混合セクションにこのような向き変更事象が非常に集中しているため、ミキサ全体の長さを短くできる。

さらなる利点は、混合の品質が非常に高いため、大幅により高価な複数のスクリューミキサに匹敵し、従って製造業者に費用上の恩恵をもたらすことである。

本発明のこれらおよび他の目的および利点は、ここで説明しまた図面のいくつかの図に描かれているような本発明を実施するための現時点でもっともよくわかっている形態の説明および好ましい実施態様の産業上の適用を考慮することにより明らかとなるであろう。

本発明の目的および利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明白となるであろう。ここで、図１はスクリュー押出し機８とともに使用中の本発明のミキサ１０を示している。スクリュー押出し機８では、中央スクリュー１４は混合セクション２０内に構成された多数の突出混合素子１８を持つ中央シャフト１６を備えている。スクリュー１４を含み、主に材料の運搬に関連する他のセクションが存在する場合があり、そして存在するのが好ましい点を理解すべきであり、そのようなものの１つに運搬セクション２２の１つが運搬フライト２４を持つ状態で示されている。中央スクリュー１４を含む混合セクション２０の一部はスリーブ１２によって取り囲まれており、スリーブ１２はスリーブ本体２６と、好ましくは中央スクリュー１４に向かって内側に面している突出混合素子２８とを持っている。スクリュー１４およびスリーブの両方にある突出混合素子１８、２８は放射状に互いに噛み合って、スリーブ１２に対してスクリュー１４が相対的に運動することで衝突が起こらないようになっている。ミキサ２０はスクリュー１４にある混合素子１８で構成される円周リングがスリーブ１２の混合素子２８で構成される円周リングと隣接するように構成されている。ミキサ２０は混合素子１８、２８で構成されるいくつかのリングを内蔵して優れた混合性能を提供するようになっている。混合素子１８、２８の形状は円形であってよいが、例えば、楕円形、正方形、ダイアモンド形、三角形など多くの異なる形状であってもよい。混合素子１８、２８は円周方向に配列されていることが好ましいが、他のパターンも同様に使ってよい。

好ましくは、スクリュー１４は突出混合素子１８の形態としてらせん状フライト５２を持っていて混合セクション２０が前方向へのポンプ動作を行えるようになっている。このことは、混合セクションでの圧力低下を最小限にしなければならない場合に有利である。好ましくは、スリーブ１２にある突出混合素子２８は円筒型ピン３０である。らせん状フライト５２およびピン３０は噛み合っていて互いに干渉しないようになっており、また材料を混合するための多くの向き変更領域２も提供するようになっている。

らせん状フライト５２はバレル３２またはスリーブ１２にも同様に設けることができる。このことはスクリュー１６およびスリーブ１４の突出混合素子１８、２８が必ずしもピン３０である必要はないことを明確にしており、実際、突出混合素子１８、２８は噛み合って混合セクションで複数の向き変更領域を生み出す限りどのような数多くの構成および形状であってもよい。

スリーブ１２およびスクリュー１４は両方とも、材料を内蔵しまた相互作用してある程度は材料を混合もする役割をするバレル３２で取り囲まれている。スリーブ１２はスクリュー１４の表面とバレル３２との間で「浮遊」しており、普通はスリーブとバレルとの隙間は非常に小さくなるものである。スリーブ１２とスクリュー１４との間の隙間は比較的大きい、なぜならスリーブ１２のＩＤにある混合素子２８は半径方向内側にかなりの距離突出しており、他方スクリュー１４にある混合素子１８はほぼ同じ距離半径方向に外側に突出している。スリーブ１２とスクリュー１４との間の半径方向の隙間は過度な圧力低下なしにポリマー溶融物の流れがこの環状領域を通れる十分な大きさでなければならない。スクリューとバレルとの間の環状空間が制限されている場合は、局所的にバレルのＩＤを大きくして混合スリーブの空間を大きくするようにできる。バレルにポケットを設計してスリーブの固形部分がポケットに完全にぴったり合うようにすることもできる。

上で述べたように、スリーブ１２は好ましくはバレル３２内で「浮遊」している、言い換えると、駆動メカニズムによって直接は駆動されていない。かわりにスリーブ１２は、スクリューの回転に応じて回転しつつ流れてくる材料によってスリーブ１２に加えられる粘性の流体抵抗力によってバレル３２内を回転させられる。従ってスリーブ１２の回転速度は摩擦力によりスクリュー１４の回転速度よりも遅くなると考えられる。このことにより異なる速度で回転する混合ピン３０で構成される円周リングが多数の構成が得られて、隣接するピンのリング間で相対運動が行われる。ミキサ２０を通過する流体はピン１８、２８で構成される１つのリングから次のリングへと通過するたびに向きが変更され、これにより材料の配送混合に非常に有効な複数の向き変更領域２が作り出される。

向き変更は混合物の成分の境界面の向き変更を伴う。境界面は流れの方向に向きがちでこのことで混合の有効性が低下する。境界面が流れの方向に対して垂直に向けられた場合に最も効率的な混合が起こる。従って、向き変更により大幅に混合の有効性を改善することができる。

配送混合理論より、混合効率はせん断ひずみに比例して大きくなるものの、混合プロセス中に流体境界面が向き変更されると指数的に大きくなることがよく知られている。ピン１８、２８で構成される１つのリングから次のリングへの転移ごとに流体の向き変更が行われるためミキサ１０の長さに沿って複数のリングを持つことで複数の向き変更事象を行うことが可能である。

図２は混合セクション１０の「展開」図を示している。この図面には、スクリューシャフトにある混合素子１８であるらせん状フライト５２、およびスリーブ１２の好ましい混合素子であるピン３０両方の位置が示されている。向き変更２の複数の領域が表示されている。従って、いかに数多くの向き変更領域がこのようにして確立されており、そして本発明１０の配送混合がいかに有効であるかが分かるであろう。

図３〜図６は上で説明した従来技術のさまざまな混合セクションを示している。

図７〜図８は本発明１０の混合セクション２０の変形例のさらなる展開図を示している。図７では、スクリューシャフトにある混合素子１８であるらせん状フライト５２は前に示したものよりも長さが短く、そしてスリーブ１２の好ましい混合素子であるピン３０は互いにより近くなっている。複数の向き変更領域２もまた互いに近くなっており、これにより前の実施態様よりも混合セクション２０の長さ単位ごとにより多くを利用できる。

この傾向が続くのにつれて、らせん状フライトはますます近くなって４つのすべての側面の長さが等しくなり得るといったようにダイアモンド形状となる。またこの傾向が続くにつれて上述のらせん状フライトによってもたらされる運搬特性は小さくなる。ここで前向きの運搬を単位長さごとの多数の向き変更領域を提供することに重点を置くために置き換える。図８では、スクリューシャフトにある混合素子の形状はここでは自由であり他の形状をとってもよく、そのうちの１つは円筒型ピンであるため、展開図はスクリューシャフトからの混合素子１８の列とスリーブからの混合素子２８との間に交互になっているピン３０の列を示している。これにより向き変更の領域２の構成が非常に密度の高いものとなり、これにより非常に高品質の配送混合を生み出すことが期待できる。矩形、ひし形、六角形など多くの他の形状を使えることは明白なはずである。

図９は中央スクリュー１４およびスリーブ１２の両方に噛み合いピンを持つミキサの実施態様５０の側面破断図であり、図１０は図９の１０−１０の線に沿った断面図である。以前中央スクリュー１４が持っていたように、スクリュー押出し機８は混合セクション２０内に構成されている多数の突出混合素子１８を持つ中央シャフト１６を備えている。中央スクリュー１４の混合セクション２０の一部はスリーブ１２によって取り囲まれており、スリーブ１２はスリーブ本体２６および突出混合素子２８を持っている。ミキサ２０はスクリュー１４にある混合素子１８で構成される円周リング１８がスリーブ１２にある混合素子２８で構成される円周リングに隣接するように構成されている。ミキサ２０は混合素子１８、２８のいくつかのリングを内蔵して良好な混合性能を提供するようになっている。上述のように、混合素子１８、２８の形状は円形であってよいが、数多くの形状をとってもよく、好ましくは円周方向に配列されているが、他のパターンも同様に使うことができる。運搬セクションはこれらの図面には示されていないが、これらが備えられていてもよいことを理解すべきである。

やはり上述したように、スリーブ１２およびスクリュー１４は両方ともバレル３２によって取り囲まれており、スリーブ１２はスクリュー１４の表面とバレル３２との間で「浮遊」していて、この場合スリーブ１２はスクリュー１４の回転に応じて回転している流れてくる材料によってスリーブ１２に加えられる粘性の流体抵抗力によってバレル３２内を回転させられる。

図１１はミキサの他の実施態様６０の側面破断図であり、図１２は図１１の１２−１２の線に沿った断面図であり、この場合、ミキサは射出成型機６４の可塑化ユニット内の混合セクション２０として使われている逆止め弁６２に設けられている。逆止め弁６２のスリーブ１２はバレル３２内部でスクリュー１４に対して軸方向に移動することができ、その結果、スリーブ本体２６の一部はスリーブ１２がもっとも後方位置にあるときには遮断作用を提供できるようになっている。上述のように、スリーブ１２は浮遊できるようになっていて、スクリュー１４にある噛み合い混合素子１８、２８およびスリーブ１２は複数の材料向き変更領域２を作り出し、これにより混合が改善される。この軸方向の運動は混合素子、この場合はピン３０が上述の押出し機バージョンでの場合よりもわずかにより離れて間隔があけられている必要があることが予想される。もし材料をさらに前向きに運搬することが望ましい場合は、スクリュー１４にある混合素子１８もまたらせん状フライトであってよい。

本発明のミキサは射出成型機の単一スクリュー押出し機および可塑化ユニットに使えるのみならず、複数スクリュー押出し機および混合装置にも使うことができる点に留意することが重要である。本発明のミキサは連続ミキサならびにバッチミキサに使うことができる。通常の用途では、本発明のもっとも簡単な位置はスクリューの最端部であろう。しかしながら、スクリューに取り外し可能なセクションを設けるかまたはミキサのスリーブを分割型としてスクリューの特定のセクションに渡って設置できるようにするかによってミキサをより上流に配置することが可能である。

本発明のミキサ１０は簡素な単一スクリュー押出し機がピンバレル押出し機の混合行動を行えるようにするものである。この混合行動は実際には典型的なツインスクリュー配合押出し機の混合行動よりも良好である。このことで非常に興味深い可能性が開ける、なぜならこれにより従来の単一スクリュー押出し機よりもほんのわずか高いだけの費用でツインスクリュー押出し機よりも混合能力のよい単一スクリュー押出し機の製造が可能となるからである。

本発明の大きな利点は、機械を大規模に再加工する必要なしにスクリューおよび浮遊スリーブを既存の押出し機および射出成型機のバレルに挿入できることである。従って、これらの機械を後付けして本発明の混合部を備えるようにするのは簡単である。機械が「コンバーチブル」、すなわちスクリューおよびスリーブを再び取り外して機械を標準的な構成に変換することを意味する、とすることさえも可能である。バレルの内壁に永久ピンを設置した後スクリューを所定の位置に通すよう試みる場合とは反対に、バレル外部で作成された後挿入されるスリーブおよびスクリューの製造費用が削減されると予想される。本発明のミキサ１０は簡素な形状寸法を持っており、その結果、簡単に製造することができる。

射出成型機の試験から得られた最初の結果から、ミキサ１０の混合動作が非常に効率的であり、また複数の向き変更事象により軸の長さがかなり短いミキサ１０において非常に良好な混合品質が達成できることが確認されている。試験ではミキサ１０は軸の長さが約１直径しかない逆止め弁に組み込んだ。押出し用途ではミキサは通常、長さが２Ｄから３Ｄである。その結果、混合は射出成型でよりも押出しでより大幅に顕著に改善できる傾向がある。

以上さまざまな実施態様を説明してきたが、これらは例示的な意味で提示されたにすぎず限定ではないことを理解すべきである。従って、好ましい実施態様の精神および範囲は上で説明した例示的な実施態様によって制限されるべきではなく、特許請求の範囲およびそれらの等価物に従ってのみ定義されるべきである。

本発明のスクリュー押出し機１０は一般に、固体または液体または気体成分を粘性の流体に混合する必要があるどのような混合プロセスにも十分適している。これは固体凝集体を粘性の流体に混合したり液体の液滴を粘性の流体に混合したりすることであり得る。本発明のスクリュー押出し機１０はポリマーのブレンドの混合または押出し成型前に添加剤をポリマーに混合するのに特によく適している。

ポリマー分野での用途としては、ポリマー中へ固体顔料を分散させて着色プラスチック製品を作成することが挙げられる。特に色の均一性が重要な場合は、色粒子が良好に分散すること、および有効な配送混合によって色粒子が均一にポリマーマトリックス中に分配されることが非常に有利である。

本発明１０は不相溶のポリマー成分のポリマーマトリックスへの分散を改善してポリマーブレンドおよび合金を製作するためにも使うことができる。引っ張り強度、耐性などといった均一な材料特性を得るには良好な混合が重要となり得る。本発明１０を使ってより向上した剛性とともにより大きな均一性をもたらすために強化フィラーをポリマーマトリックスに添加してよい。

導電性または半導体材料を製造する場合、本発明１０を使うことでポリマーマトリックスでの導電性フィラーの混合を向上させることができる。改善されたミキサ１０を使った場合、プラスチック磁気への磁気フィラーの混合、および耐酸化性を高めるための固体フィラーの混合を両方とも改善できる。本発明１０はゴム接着剤の製造にも有用である。

混合すべき粘性流体はかならずしもプラスチックまたはポリマー系である必要はない。練り粉、マッシュポテト、食用油、ぶどうまたは果実濃縮液のスラリ、はちみつまたはピーナッツバターといった食品を混合することも可能である。油またはロケット燃料などの石油製品でもあり得る。これらの材料はすべて本発明１０によって提供される改善された混合からの恩恵物である。

混合を改善することが望ましいとする他の理由は、混合がより良好となることで溶融物の温度変化が小さくなることである。熱的均質性の望ましいレベルをより短い長さで達成することができる。このことでより小型で効率的な押出し機が設計できる。工場床空間も大幅に縮小できるであろう。また、混合が改善されるのにともなって押出し機８のスループットも大きくすることができると同時に押出し物の品質も維持でき、その結果、全体の効率性が高まり人員費用が削減できる。

本発明のミキサ１０は、複数の向き変更領域２を生み出す噛み合い混合素子１８、２８の構成によって改善された混合を提供する。配送混合理論より、混合効率はせん断ひずみに比例して大きくなるものの、混合プロセス中に流体境界面が向き変更されると指数的に大きくなることがよく知られている。向き変更された、とは境界面の向きが元々の向きから変わっていることを意味する。境界面の元々の向きは流れの方向である、しかしながらこれは混合に好ましい最低限の向きである。

スリーブ１２は好ましくはバレル３２内で「浮遊」しており、スクリュー１４の回転に応じて回転している流れてくる材料によってスリーブ１２に加えられる流体抵抗力によってバレル３２内を回転させられる。従って、スリーブ１２の回転速度は摩擦力によりスクリュー１４の回線速度よりも遅くなると思われる。このことにより異なる速度で回転する混合ピン３０で構成される円周リングが多数の構成が得られて、隣接するピンで構成されるリング間で相対運動が行われる。ピン１８、２８で構成される１つのリングから次のリングへの転移のたびに流体の向き変更が行われるため、ミキサ１０の長さに沿って複数のリングまたは向き変更領域２を持つことによって複数の向き変更事象を行うことが可能である。混合セクション２０にこのような向き変更事象が非常に集中しているため、ミキサ１０の全体の長さを短縮することができる。本発明のミキサ１０では混合の品質が非常に高いため、大幅により高価な複数のスクリューミキサに匹敵するかそれを超え、従って製造業者に費用上の恩恵をもたらす。

スクリュー押出し機および射出成型機の両方で使える混合セクション１０、５０、６０は単純に製造できるため、多くの既存のタイプのスクリュー押出し機バレルに簡単に後付けできる。

本発明１０の他の利点は、異なる色の材料または組成物の運行間の材料交換時間が非常に早いことである。これは、例えば赤いプラスチックと白いプラスチックの運行間の切り替えを行う場合に、清掃する必要がほとんどないことを意味する。バレル３２は完全にふき取られるため、次の運行の材料を汚染する可能性のある残留物がほとんどない。本発明のミキサ１０は材料の主な転送方向が半径方向ではなく軸方向となるように設計されているため混合セクションにおける圧力低下がほとんどなく、その結果スループットが非常に高い。

図４に示すトウェントミキシングリング（ＴＭＲ）と本発明１０との比較が本発明１０の産業上の利用可能性を示すのに役立つであろう。

ＴＭＲでは、流体がスクリューキャビティからスリーブキャビティへそしてその逆向きに通過するのに従って向き変更が起こる。この状況では、流体は半径方向に移動しスクリューとスリーブとの間の相対運動によって向き変更される。本発明１０では、向き変更はピンを備える１つのリングから次のリングへと流体が通過するのにつれて起こる。主な流れは軸方向でありピンが流れを環状部分に分割すると同時に、向き変更が主に円周方向に起こる。

ＴＭＲでは強制的な半径方向運動があるがこれは本発明１０にはあてはまらない。本発明１０の実質的な恩恵は、ピンの大きさをＴＭＲのキャビティの大きさよりも実質的に小さくできることである。その結果、本発明１０は同じ物理的空間ではＴＭＲよりも大きな境界成長をもたらすことができる。このことで混合がより効率的となる。また、本発明１０はスリーブ１２とスクリュー１４との間に大きな環状チャネルを持っているため圧力低下が小さい。ＴＭＲはスリーブとスクリューとの間に比較的薄い環状チャネルを持っているため圧力低下が比較的大きくなる。

表１はＴＭＲと本発明１０との違いをまとめている。

上述のように、本発明のミキサ１０は簡素な単一スクリュー押出し機がピンバレル押出し機の混合動作をできるようにしている。この混合動作は典型的なツインスクリュー配合押出し機の混合動作よりも実際に良好であるため、従来の単一スクリュー押出し機よりもほんのわずか高いだけの費用でツインスクリュー押出し機よりも混合能力のよい単一スクリュー押出し機の製造が可能となる。

本発明１０の大きな利点は、機械を大規模に再加工する必要なしにスクリュー１４および浮遊スリーブ１２を既存の押出し機および射出成型機のバレルに挿入できることである。従って、これらの機械を後付けして本発明の混合部を備えるようにするのは簡単である。機械が「コンバーチブル」、すなわちスクリューおよびスリーブを再び取り外して機械を標準的な構成に変換することを意味する、とすることさえも可能である。バレルの内壁に永久ピンを設置した後スクリューを所定の位置に通すよう試みる場合とは反対に、バレル外部で作成された後挿入されるスリーブおよびスクリューの製造費用が削減されると予想される。本発明のミキサ１０は簡素な形状寸法を持っており、その結果、簡単に製造することができる。

射出成型機の試験から得られた最初の結果から、ミキサ１０の混合動作が非常に効率的であり、また複数の向き変更事象により軸の長さがかなり短いミキサ１０において非常に良好な混合品質が達成できることが確認されている。試験ではミキサ１０は軸の長さが約１直径しかない逆止め弁に組み込んだ。押出し用途ではミキサは通常、長さが２Ｄから３Ｄである。その結果、混合は射出成型でよりも押出しでより大幅に顕著に改善できる傾向がある。

このように、本発明には数多くの費用上の恩恵、効率性および改善された性能が含まれている上述のおよび他の理由により、本発明のミキサ１０は広範囲の産業上の利用可能性を持つと思われる。従って、本発明の商業的有用性は広範囲でありまた長持ちすると予想される。

本発明のスクリュー押出し機の混合セクションの側面破断図を示す。 本発明のスクリュー押出し機の混合セクションの展開図を示す。 従来技術のキャビティトランスファミキサの側面破断図を示す。 従来技術のトウェントミキシングリングミキサの側面破断図を示す。 従来技術のニーダミキサの側面破断図を示す。 従来技術のニーダミキサの端面図を示す。 混合素子として短縮らせん状フライトを使っている本発明の混合セクションの展開図を示す。 混合素子としてピンを使っている本発明の混合セクションの展開図を示す。 混合素子としてピンを使っている本発明のミキサの側面破断図を示す。 混合素子としてピンを使っている本発明のミキサの断面図を示す。 射出成型機で逆止め弁として使われている本発明のミキサの側面破断図を示す。 射出成型機で逆止め弁として使われている本発明のミキサの、図１１の１２−１２の線に沿った断面図を示す。

Claims (20)

1. バレルと、
   中央シャフトを持つスクリューと、
   前記スクリューと前記バレルとの間に設けられており前記スクリューの一部を取り囲んでいる浮遊環状スリーブであって、前記スクリューに向かって半径方向に内側に突出している混合素子を持つスリーブと、
   を備えており、
   前記スクリューは前記スリーブに向かって半径方向に外側に突出している混合素子を持つ前記中央シャフトの一部を含んでおり、前記スクリューおよび前記環状スリーブにある前記混合素子は前記混合される材料に複数の向き変更領域を作り出す役割を果たすことを特徴とする押出し機。
2. 前記中央シャフトにある前記混合素子はらせん状フライトであることを特徴とする、請求項１に記載の押出し機。
3. 前記中央シャフトにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項１に記載の押出し機。
4. 前記スリーブにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項１に記載の押出し機。
5. 前記中央シャフトが運搬フライトを持つ運搬セクションをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の押出し機。
6. 前記押出し機は射出成型機の可塑化ユニットであることを特徴とする、請求項１に記載の押出し機。
7. 前記スクリューの一部が逆止め弁であることを特徴とする、請求項６に記載の押出し機。
8. 前記押出し機がスクリュー押出し機であることを特徴とする、請求項１に記載の押出し機。
9. バレルを持つ押出し機で材料を混合するための混合セクションであって、
   中央シャフトを持つスクリューと、
   前記スクリューと前記バレルとの間に設けられており前記スクリューの一部を取り囲んでいる浮遊環状スリーブであって、前記スクリューに向かって半径方向に内側に突出している混合素子を持つスリーブと、
   を備えており、
   前記スクリューは前記スリーブに向かって半径方向に外側に突出している混合素子を持つ前記中央シャフトの一部を含んでおり、前記スクリューおよび前記環状スリーブにある前記混合素子は、前記材料を混合するための複数の向き変更領域を作り出していることを特徴とする混合セクション。
10. 前記中央シャフトにある前記混合素子はらせん状フライトであることを特徴とする、請求項９に記載の混合セクション。
11. 前記中央シャフトにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項９に記載の混合セクション。
12. 前記スリーブにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項９に記載の混合セクション。
13. バレルを持つ押出し機で材料を混合するためのミキサであって、
    中央シャフトを持つスクリューであって、前記中央シャフトの一部は半径方向に外側に突出している混合素子を持っており、
    前記スクリューと前記バレルとの間に同軸状に設けられて浮遊しているスリーブであって、前記スリーブは前記スクリューに向かって半径方向に内側に突出している混合素子を持っており、
    前記スリーブはスリーブに作用する前記材料の粘性力により前記スクリューとともに回転し、前記スリーブの回転速度はスクリューの回転速度よりも遅く、それにより複数の向き変更領域を作り出していることを特徴とするミキサ。
14. 前記中央シャフトにある前記混合素子はらせん状フライトであることを特徴とする、請求項１３に記載のミキサ。
15. 前記中央シャフトにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項１３に記載のミキサ。
16. 前記スリーブにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項１３に記載のミキサ。
17. バレルおよび半径方向に外側に突出しているピンを備えた中央スクリューを持つスクリュー押出し機で材料を混合するための浮遊混合スリーブであって、
    前記スクリューと前記バレルとの間に浮遊しており前記スクリューの一部を取り囲んでいる環状スリーブであって、前記スリーブは前記スクリューに向かって半径方向に内側に突出しているピンを持っており、これらは前記中央スクリューにある前記ピンと噛み合うことにより、混合される前記材料に複数の向き変更領域を作り出すことを特徴とする混合スリーブ。
18. 前記中央シャフトにある前記混合素子はらせん状フライトであることを特徴とする、請求項１７に記載の浮遊混合スリーブ。
19. 前記中央シャフトにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項１７に記載の浮遊混合スリーブ。
20. 前記スリーブにある前記混合素子はピンであることを特徴とする、請求項１７に記載の浮遊混合スリーブ。

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