JP2006526527A - 合成エラストマーの乾燥に使用する可変ダイ - Google Patents

Abstract

【課題】可変ダイを用いて液体材料をフラッシュ乾燥する方法および装置。
【解決手段】ダイおよびダイ本体は材料の流路中に圧力を調整する可変な障害物を備え、この障害物は材料がダイに入るときに材料に加わる圧力を制御し、材料の温度を制御する。圧力および温度を最適化することによってフラッシュ乾燥プロセスを最適化することができる。

Description

本発明は、合成エラストマーを乾燥する方法および装置すなわち合成エラストマーから水分を除去する方法および装置に関するものである。

エキスペラ−エキスパンダ（expeller-expander）技術は古く１９世紀から開発された加工技術で、種々の形態で利用可能である。
本発明の対象は、ゴム材料を水と一緒にし、その後に直ちに水を除去するエラストマー（合成および天然のエラストマーを含む）の加工工程（sequence）にある。

従来の装置では２台の押出機を直列に使用してゴムから水分を除去している。一般に「エキスペラ」とよばれる第１の押出機では一対の互いに噛み合ったスクリュー間でゴムを圧搾する。プロセスのこの部分で含水率を一般に約６０％から約１５％に減少できる。

エキスペラによる乾燥プロセスの第１段階に続いて、ゴム材料は追加の乾燥のために「エキスパンダ」とよばれる第２の押出機に通される。この第２の押出機はゴムに加わる圧力を上げ、従ってゴムの温度を上げて過熱された液体を作る。この過熱された液体も一般にスクリュー駆動法を用いて押出機中を通り、スクリューの端部で材料はダイまたはフィルタースクリーンを通る。ここで水分または揮発性物質がフラッシュ乾燥される。

このフラッシュ乾燥プロセスは、過熱されたゴム材料がダイまたはフィルタースクリーンを通る時に１００℃よりはるかに高い温度にある水が急速に標準気圧へ戻るときの液体から蒸気への急速な状態変化に対応する。このフラッシュ乾燥現象を起こすのに必要なエネルギーはエキスパンダ内のスクリュー駆動機構からゴムに与えられる。このエネルギー移動はダイを通ってエキスパンダから出るゴムの抵抗によって可能となる。過熱されたゴムの温度および圧力はダイの所で最大に達する。従って、所定スクリュー速度およびゴム流量での抵抗（従ってゴムに伝達されるエネルギーの量）はヘッドでの圧力に依存する。

過熱されたゴムがダイを通過すると圧力降下によって圧力は固定される。実際の装置ではエキスパンダの出口に複数のダイが存在するので圧力はダイの数、ダイの幾何形状および開口寸法に依存する。従来の装置ではダイのこれらの全てをある一つの加工工程に固定していた。こうした固定・不変の従来装置では製造上の問題が生じることがある。

過熱されたゴムがダイを通過するときにはフラッシュ乾燥プロセスによってゴムの解離（decohesion）が起り、ゴムの粉末（クラム、crumbs）が生じ、それが次の加工用梱包機へ送られる。このゴム粉末の寸法を制御することが後に続く加工段階を通じてゴムをうまく運搬させる一つのコツであり、後の加工に大きな影響を与える。例えば、小さい寸法の粉末を作ることでコンベヤーの汚染を減らすことができる。現在の装置ではダイ形状は予め設定されているので、圧力の調節と粉末寸法に関する課題に対処するには製造停止する以外にない。さらに、製造を中断せずにゴム加工プロセス全体を最適化する機能としてはエキスペラ−エキスパンダのスクリュー速度を制御する以外に方法はなかった。
各種の押出し−エキスパンダ方法が開発されてきたが、以下に示す本発明の望ましい特徴を全て一般的に包んだ装置はなかった。

本発明が解決しようとする課題は上記問題を解決することにある。
本発明者は従来法の上記課題を解決した合成エラストマー材料の改良された乾燥方法を開発した。

本発明は製造を中断しなくてもダイまたはフィルタースクリーンの所の圧力を最適化できる方法および装置を提供する。

本発明の一実施例ではシステムの最適化された動作を得るために製造を中断する必要がない、押出−エキスパンダシステムの全動作を動的に最適化するための装置および方法が提供される。
本発明の別の実施例ではダイの設定を変えるためにエキスパンダを停止しなくても製造プロセス中の粉末の寸法を調節することができる方法および装置が提供される。

本発明のさらに別の実施例では、ダイヘッドに加わる圧力および粉末の寸法を自動制御することができる。

本発明の上記以外の目的および利点は以下の詳細な説明の記載から当業者には理解できよう。また、本発明の対象の精神および範囲を逸脱せずに本明細書に図示され、記載され、説明された特徴および要素に対して修正および変更することができるということも理解できよう。本発明の変形例には図示され、記載され、説明されたものと均等な手段、特徴または段階の置換、各種部品、特徴、段階等の機能的、操作的、位置的逆転（これらに限定されるものではない）を含む。

さらに、本発明の各種実施例および好ましい実施例は本明細書に開示した特徴、段階、要素またはその均等物の種々の組合せを含むということも理解できよう（図に明示されていない、または図の詳細な説明で述べられていない特徴、部品または段階または形状の組合せを含む）。本発明の追加の実施例は必ずしも上記のものである必要はなく、上記目的に記載の特徴、部品または段階および／または本出願で説明されたその他の特徴、部品または段階の観点の種々の組合せを含み且つ組み入れることができる。当業者は実施例の特徴および観点等を本明細書の下記の説明からより良く理解できよう。

以下、添付図面を参照して本発明の最良の態様を含む本発明の十分且つ実施可能な説明を当業者に対して行う。なお、本明細書および添付図面の全てにおいて本発明の同一または類似の特徴または構成要素を指すために同一の参照番号を使用する。

［図１］に示すエキスパンダヘッド１００は４つの別個のダイヘッド１１０を収容している。この図には４つのダイヘッド１１０が図示されているが、これは例示であってダイヘッドの数は加工要件、例えば加工される各合成エラストマーのタイプに応じて変えることができるということは理解できよう。この図には安全弁口１２０および操作ハンドル１２２も示されている。これらは製造ラインおよび／またはエキスパンダヘッド１００の使用を中断する必要があるときにエキスパンダ中の圧力が減圧されたことを確認するのに使用される。制御シャフト１３０は制御機構に連結することができる。後で詳細に説明するように、この制御シャフト１３０はダイの設定を動的に調節するのに使用される。制御シャフト１３０とそれに付随する制御機構についは後で詳細に説明するが、これらは特定の加工要件に合わせて本発明の可変ダイの開口寸法を自動制御するもので、自動制御装置（図示せず）と組み合わせることができる。

［図２］および［図３］は本発明の可変ダイの実施例で、［図１］の線２−２に沿った断面図である。［図２］および［図３］は可変ダイの相対的に「閉じた」位置と相対的に「開いた」位置とをそれぞれ示してある。［図２］および［図３］からわかるように、本発明の可変ダイは３つの主要部分すなわちダイ本体２００と、調節スリーブ２２０と、フィルタースクリーン２４０とからなる。ダイ本体２００はネジ部２０２を介してエキスパンダヘッド（押出ヘッド）１００に固定できる。ネジ部２０２は押出ヘッド１００上の対応するネジ付連結手段（図示せず）と螺合する。本発明で特に重要な観点はダイ本体２００に斜面（ベーベル面beveled）または円錐表面２０４を設ける点にある。この円錐表面２０４は後で詳細に説明するようにフィルタースクリーン２４０の円錐表面２４４と協働して圧力調節系を形成する。［図２］および［図３］をさらに参照すると、ダイ本体２００に追加のネジ部２０６を有し、このネジ部２０６は調節スリーブ２２０のネジ部２２６と係合する。

図示したように、調節スリーブ２２０はダイ本体２００上に嵌め込まれ、ダイ本体２００と螺合して圧力を密閉状態に維持する。密封能力はダイ本体２００の横方向外側端部２１０と調節スリーブ２２０の内側表面２３０との間に配置されたＯリングシール２０８を使用することで向上する。調節スリーブ２２０の一方の端部２３２は拡大し、内側にネジ２３４が付けられ、このネジ２３４はフィルタースクリーン２４０の外周ネジ２４６と噛み合っている。

このフィルタースクリーン２４０の外周ネジ２４６は調節スリーブ２２０のネジ２３４と噛み合って、調節スリーブ２２０のネジ付拡大部２３２の中にネジ付フィルタースクリーン２４０を密封取付けしたときにフィルタースクリーン２４０を定位置に確実に保持する。［図１］および［図５］で最もよく見えるように、フィルタースクリーン２４０には孔があいており、一定間隔に配置された複数のフラッシュ管路２５０を有している。押出ヘッド１００に４つのダイヘッド１１０を取り付けた［図１］の実施例に示すように、各ダイヘッド１１０に設けたフラッシュ管路２５０の正確な数は被加工材料のタイプに要求される各々の要求に応じて変わる。

本発明の別の重要な特徴は、被加工材料を複数のフラッシュ管路２５０へ分配する分配器の役目をする乱流チャンバ２６８の形をした構造にある。この乱流チャンバ２６８は、ダイ本体２００に対する調節スリーブ２２０の相対位置とは無関係に、少なくとも最小の容積が確保できるように、フィルタースクリーン２４０内に形成されている。加工された合成エラストマーの第１回目のフラッシュ乾燥と解離が行われるのはこの乱流チャンネル２６８である。ダイ本体２００の円錐表面２０４とフィルタースクリーン２４０の円錐表面２４４との間の調節可能な空間に作られる圧力制御系を加工すべき材料が通る際に減圧が生じ、その際に材料中に閉じ込められていた水分の一部が急速に蒸発し、被加工材料が粉砕され、粉末（クラム）を形成する。

被加工材料の第２回目のフラッシュ乾燥は材料が乱流チャンバ２６８から上記の複数のフラッシュ管路２５０に入るときに起こる。まだ過熱された状態の材料がフラッシュ管路２５０を通過して急に大気圧中に曝され、被加工材料中の残りのほとんど全ての水分は瞬時に蒸気状態になる。

既に述べたように、フラッシュ乾燥効果を作るのに必要なエネルギーはエキスパンダ中のスクリューで加工される材料へ伝達される。このエネルギーの一部はダイを通ってエキスパンダから出る材料の抵抗によって与えられ、本発明ではこの抵抗は円錐表面２０４と２４４の間の制御された間隔によって大部分が制御される。

［図３］を参照する。ダイ本体２００に対して調節スリーブ２２０を回転することを示す矢印「Ａ」が示してある。調節スリーブ２２０を矢印「Ａ」方向に回転すると調節スリーブが移動し、その結果それに取り付けられたフィルタースクリーン２４０が矢印「Ｂ」方向へ移動する。すなわち、矢印「Ａ」方向へ回転することによって円錐表面２０４、２４４間の空間が「開口」し、逆に、矢印「Ａ」とは反対の方向へ回転することによって円錐表面２０４、２４４間の空間が「閉じる」ということは理解できよう。
一つの例示的な形状では、調節スリーブ２２０を合計５回完全に回転した時にフィルタースクリーン２４０は略閉位置（すなわちゼロ開口）からほぼ完全開口位置（すなわち１００％開口）まで移動するようにダイ本体のネジ２０６と調節スリーブのネジ２２６とを形成することができる。本発明の可変ダイの通常運転では上記の「ゼロ開口」および「１００％開口」を定義することで通常運転範囲は５％開口〜９５％開口になる。

調節スリーブ２２０の回転はリングギア（歯車）２６０によって効果的に実施できる。これは［図５］のダイヘッド１１０の拡大図で最もよく見える。リングギア２６０はエキスパンダヘッド１００と組み合わされるダイヘッド１１０を全て同時に調節するようにシャフト１３０と連携して動作するエキスパンダヘッド１００の内側にある追加のギアリング（図示せず）と協働する。既に述べたように、ダイヘッド１１０のこの調節は本発明の対象分野における通常の技術を有する人が理解できる図示されていない自動手段で制御することができる。

円錐表面２０４と２４４の間の空間を上記のようにして開口および閉鎖することの重要な観点は、被加工材料に加わる圧力およびこの材料内で生じる温度をリアルタイムで調節ができる新規な機構が与えられるという点にある。本発明より前では、このような制御は製造ラインを停止するか、ダイ設定を手動で変更することでしかできなかった。こうした従来の変更方法は押出−エキスパンダシステムの効率的な運転に不利であることは明らかである。円錐表面２０４と２４４との間の空間、従って、被加工材料の圧力および温度の調節をマイクロコントローラ、コンピュータ、マイクロプロセッサ、その他の自動プロセス装置によって自動制御できることは当業者には理解できるので、上記の押出−エキスパンダシステムの運転方法をさらに改良することも可能である。

［図４］を簡単に参照する。［図４］は本発明の運転例が示されている。図示したように、水分を多量に含んだ被加工材料３００は運搬機構（図示せず、スクリューコンベヤー装置を備えることができる）によって矢印「Ｃ」方向へ送られ、ダイヘッド１１０を通る。この材料３００をダイヘッド１１０に通すのに必要なエネルギー量の一部は円錐表面２０４と２４４との間隔を調節する圧力によって決まる。材料３００が圧力調節空間に入り、次いで乱流チャンネル２６８中に流入すると、材料３００は乱流チャンネル２６８に入ったときの圧力降下によって材料３００中に含まれる水分の一部が放出される。乱流チャンネル２６８内の圧力降下と、それに続く水分の放出によって材料３００の解離が生じ、粉末（クラム）状態の材料３００が形成される。最後にフラッシュ管路２５０を通るときに材料に加わる圧力が急に大気圧に下がるので、クラム化した材料からさらに水分が除去され、残りの水分のほとんど全てが蒸気に変わる。

以上、特定な実施例を用いて本発明を詳細に説明したが、上記実施例を変更、変形し、均等物に置換できるということは当業者には理解できよう。例えば、本発明をエラストマー粒子を含む混合物の乾燥での使用について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記の開示は単なる例であって本発明がそれに限定されるものではなく、それを変更、変形および／または追加したものを除外するものではないということは当業者には理解できよう。

４つの別体のダイヘッドをセットしたエキスパンダヘッドを示す図。 本発明のダイヘッドを示す、図１の線２−２による断面図。 本発明の調節機能を示す、図２のダイヘッドの別の断面図。 運転状態での本発明のダイヘッドの断面図。 本発明のダイヘッドの分解図。

Claims (23)

1. 内側部分と外側部分とを有するダイ本体と、内側部分と外側部分とを有する調節スリーブと、この調節スリーブ内に固定され且つ上記ダイ本体に対して移動可能な、ダイを通る材料に加わる圧力を動的に制御可能するためのフィルタースクリーンとを含む可変ダイ組立体。
2. ダイ本体の外側部分の少なくとも一部と調節スリーブの内側部分の一部が円筒形で且つ互いに対応するネジが付けられている請求項１に記載の可変ダイ組立体。
3. フィルタースクリーンが外側表面と内側表面とを有し、内側表面をダイ本体の端部に向けた状態で調節スリーブ内に固定され、フィルタースクリーンの内側表面とダイ本体の端部とが互いに当接面を有する請求項１に記載の可変ダイ組立体。
4. 上記の当接面が截頭台形である請求項３に記載の可変ダイ組立体。
5. 調節スリーブの外側表面の一部に取り付けられた歯車をさらに有し、ダイ本体に対して調節スリーブを移動させてフィルタースクリーンを通る材料に加わる圧力を動的に制御する請求項１に記載の可変ダイ組立体。
6. 上記歯車がリングギアである請求項５に記載の可変ダイ組立体。
7. フィルタースクリーンがその外側表面から内側表面へ向かって貫通した所定数の貫通孔と、内側表面に外接し且つ上記貫通穴と連通したチャンネルとをさらに有する請求項１に記載の可変ダイ組立体。
8. フィルタースクリーンが調節スリーブの端部に螺合されている請求項１に記載の可変ダイ組立体。
9. ダイ本体と、調節スリーブと、フィルタースクリーンとを含む動的に調節可能なダイ組立体を設ける段階と、このダイ組立体に乾燥すべき材料を通す段階とを含むことを特徴とする材料をフラッシュ乾燥する方法。
10. 動的に調節可能なダイ組立体を設ける段階が、複数のフラッシュ管路と各フラッシュ管路と連通した１つの乱流チャンネルとを有するフィルタースクリーンを設ける段階を含む請求項９に記載の方法。
11. 動的に調節可能なダイ組立体を設ける段階が、フィルタースクリーンとダイ本体の一部との間に可変に調節可能な障害物を設ける段階をさらに含む請求項９に記載の方法。
12. 可変に調節可能な障害物を設ける段階が、フィルタースクリーンの内側表面に突出部を設け、ダイ本体の一部に当接面を設ける段階を含む請求項１１に記載の方法。
13. 突出部を設ける段階が截頭台形の突出部を設ける段階を含む請求項１２に記載の方法。
14. フィルタースクリーンと、ダイ本体と、ダイとダイ本体との間の動的に可変な圧力調節器とを含む動的に調節可能なダイ組立体を設ける段階と、材料をダイ本体、動的に可変な圧力調節器およびフィルタースクリーンに制御可能な流量で通す段階と、制御可能な流量および圧力調節器を変更する段階とを含み、制御可能な流量および圧力調節器を調節することによって材料に加わる圧力および材料内で発生する圧力と温度を最適制御することを特徴とする材料のフラッシュ乾燥を最適化する方法。
15. 動的に調節可能なダイ組立体を設ける段階が、フィルタースクリーンの一部およびダイ本体の一部に当接面を設ける段階をさらに含む請求項１４に記載の方法。
16. 動的に調節可能なダイ組立体を設ける段階が、フィルタースクリーンの一部およびダイ本体の一部に截頭台形の当接面を設ける段階をさらに含む請求項１４に記載の方法。
17. フィルタースクリーンに複数のフラッシュ管路を設ける段階と、複数のフラッシュ管路を連通させる乱流チャンネルを設ける段階とをさらに含み、材料がダイ本体、圧力調節器、乱流チャンネルおよびフラッシュ管路の中を続けて流れるときに乱流チャンネル内で材料の第１回目のフラッシュ乾燥が起こり、材料の第２回目のフラッシュ乾燥がフラッシュ管路中で起こる請求項１４に記載の方法。
18. 動的に調節可能なダイ組立体を設ける段階が、ダイ本体および調節スリーブに整合ネジ部を設ける段階をさらに含む請求項１４に記載の方法。
19. ダイ本体の第１端に沿って位置する第１表面を規定するダイ本体と、第２表面を規定する内側を有し、第１表面および第２表面がダイ組立体の運転中に混合物の流路を規定する、ダイ本体の第１端の最も近くに配置されたダイと、ダイをダイ本体に対して相対移動させてダイ組立体の運転中に流路の寸法の調節を可能にするダイおよびダイ本体と機械的に連通した調節要素とを含む、混合物から液体を除去するのに用いる調節可能なダイ組立体。
20. 上記の第１表面および第２表面の形状が截頭台形である請求項２０に記載の調節可能なダイ組立体。
21. ダイが調節要素に着脱自在に取り付けられている請求項２１に記載の調節可能なダイ組立体。
22. ダイ本体が調節要素に着脱自在に取り付けられている請求項２２に記載の調節可能なダイ組立体。
23. ダイ組立体の運転中に混合物をフラッシングするように形成されたチャンバと流体連通した複数の穴をダイが規定している請求項２３に記載の調節可能なダイ組立体。

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