JP2008509831A - エラストマー乾燥用の調節可能なエキスパンダーダイ - Google Patents

Abstract

【課題】エラストマー、その他の材料をフラッシュ乾燥するための調節可能なエキスパンダダイ(110)。
【解決手段】ハウジング(195)内で回転可能なスリーブ(145)を有し、このスリーブ上には狭い間隔で並んだ複数の開口部(155)を形成する。スリーブ(145)を回転させて任意の数の開口部がハウジングの出口と隣接するようにできる。フラッシュ乾燥すべき材料はスリーブ(145)中に流入し、開口部(155)を通り、ハウジング(195)の出口(220)を通って出る。スリーブ(145)をハウジング(195)に対して回転させることによって露出する開口部の数を選択でき、ダイを通る材料の流量を制御できる。回転可能なスリーブ(145)でプロセス変量の動的制御が可能。

Description

本発明はエラストマー、特にタイヤ製造で一般的に使用される水とゴム材料との中間混合物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１９世紀から種々の形態で利用されてきた加工法である。本発明は種々の材料の加工に適用できるが、本発明は特に、ゴム材料と水とが一緒になった（合成および天然の）エラストマーから水を除去するための加工法について述べる。

ゴムから水分を除去するための従来法は２台の押出機を直列に用いる方法である。一般に「エキスペラ、expeller」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の間でゴムを圧縮して、プロセスのこの部分で含水率を一般に約６０％から約１５％に減少させる。

エキスペラによる乾燥プロセスの第１段階に続いて「エキスパンダ、expander」とよばれる第２の押出機に通されてゴム材料には追加の乾燥が行なわれる。この第２の押出機ではゴムに加わる圧力を上げて、ゴムの温度を上げ、過熱された液体を作る。この過熱された液体も押出機を通り（一般にスクリュー駆動法を用いる）、スクリュー端部からダイまたはフィルタースクリーンを通って材料が押出され、ここで水分または揮発性物質はフラッシュ乾燥される。

このフラッシュ乾燥プロセスは、過熱された水／ゴム材料がダイまたはフィルタースクリーンを通って標準気圧へ急速に戻る際の液体から蒸気への急速な状態変化に対応する。すなわち、温度は１００℃よりはるかに高いので、圧力降下によって急速な状態変化が起こる。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中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／水混合物の温度および圧力はダイの所で最大に達するので、スクリュー速度とゴム流量が同じ場合、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。

この圧力は過熱されたゴム／水混合材料がダイを通る時に生じる圧力降下によって決まる。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、上記の圧力はダイの数、ダイの幾何形状および開口寸法に依存する。従来装置ではダイのこれらの構成の全てがある一つの加工シーケンスに固定されていたため、そうした固定・不変の従来装置では製造上に問題が生じることがあった。

過熱されたゴム／水混合材料がダイを通るときに、フラッシュ乾燥プロセスによってゴムが解離（decohesion）し、ゴムの粉末（クラム、crumbs）が生じ、それが次の加工用の梱包機へ送られる。このゴム粉末の寸法制御することが後に続く残りの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、クラムの寸法が過度に小さいとコンベヤーが汚染される。従来装置ではダイ形状が予め設定されているため圧力の調節と粉末寸法の問題に対処するには製造を停止するしかなかった。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方法としては、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なかった。
上記のフラッシュ乾燥プロセスの別の問題は微粉（望ましくないごく小さな微粒子）が生じることにある。この微粉は空気中に浮遊し、設備、構造体および作業員に付着することになるので、フラッシュ乾燥で生じる微粉を除去または少なくとも減量するのが望ましい。各種の押出し−エキスパンダ技術が開発されてきたが、本発明は上記の問題を大幅に改良する方法を提供する。

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せずにダイヘッドの所の圧力を最適化できる方法および装置を提供する。フラッシュ乾燥プロセス中に調節することができる。さらに、本発明では微粉を大幅に減少させることができ、特にある種のゴム材料ではクラム寸法をより良く制御できる。押出−エキスパンダシステムの全動作の動的制御を温度および圧力の制御を含めてシステムを中断せずに達成できる。

本発明の一実施例ではゴムと水を含む材料（ゴム／水混合材料）を加工するための調節可能なダイが提供される。このダイは円筒形のスリーブを有し、このスリーブでは第１側面に沿って複数の互いに隣接した開口部が規定される。さらに、上記第１側面の反対側に位置した第２側面に沿って単一の開口部が規定される。スリーブではさらに、入口端と出口端との間の内部通路が規定される。上記スリーブはハウジング中に収用される。このハウジングは導管を規定する。ハウジングでは片側に沿って開口部が規定される。この開口部は上記導管と連通する。複数の互いに隣接した開口部と単一の開口部をハウジングの上記開口部に選択的に隣接配置することができるようにするために、ハウジングの出口端にリングギアが機械的に連結していて、ハウジングに対してスリーブを回転できるようになっている。

スリーブの出口端に連結したプラグを設けることができる。プラグは内部通路と流体連通した少なくとも１つのチャネルを規定する。リングギアと機械的に連通したウォームギアを設けることができ、このウォームギアは上記の複数の互いに隣接した開口部と単一の開口部をハウジングの開口部に選択的に隣接配置するのに用いられる。プラグは対応するネジによってスリーブの出口端に連結することができるが、プラグとスリーブとを連結するのにその他の方法を用いることもできる。リングギアはコネクタによってスリーブの出口端に連結することができ、このコネクタはリングギアに機械的に固定され、このコネクタはスリーブの出口端を嵌合するように形成される。ある実施例では、ハウジングがエキスパンダに取り付けられ、入口端がエキスパンダからの材料、例えばタイヤ製造で用いるゴム中間体を受けるように形成される。

別の実施例では、本発明はハウジングを備えるタイヤ構造材を加工するための調節可能なダイを提供する。上記ハウジングは導管と、タイヤ構成材料の放出用のハウジング出口とを規定する。入口端と出口端とを有する圧縮機が設けられる。この圧縮機はハウジングの導管中に収容される。この圧縮機は狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部を有する。この圧縮機はさらに、上記の狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部とは別に少なくとも１つのオープンフロー開口部を有する。圧縮機と機械的に連通した駆動機構が設けられ、この駆動機構は上記の狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部と少なくとも１つのオープンフロー開口部をハウジング出口と選択的に連通状態に配置できるように圧縮機を移動させる。

さらに別の実施例はゴム／水混合材料を加工するためのエキスパンダと一緒に使用する調節可能なダイを提供する。この実施例は内部通路によって互いに連結された第１端と第２端を規定する内側スリーブを備える。このスリーブはスリーブの一面に沿って狭い互いに間隔で並んだ複数の開口部を規定する。このスリーブはさらに、狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部とは別に、スリーブの別の面に沿って配置された単一の開口部を規定する。内側スリーブを回転可能に受ける導管は外側要素によって規定される。この外側要素はさらに内側スリーブの回転によって内部通路と選択的に流体連通状態に配置できる出口を規定する。内側スリーブの第２端と機械的に連通した位置決め要素が設けられる。この位置決め要素は、狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部と単一の開口部を外側要素の出口と選択的に流体連通状態に配置できるように、外側要素に対して内側スリーブを回転させる。

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、本発明の精神および範囲を逸脱せずに本明細書に図示し、記載し、説明した特徴および要素を修正、変更ができるということも理解できよう。本発明の変形例に図示し、記載し、説明し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、操作、位置の逆転（これらに限定されるものではない）も本発明の範囲に含まれる。

さらに、本発明の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したその他の特徴、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。

以下、本発明の実施の態様を参照する。図示した実施例は本発明を説明するためのもので、本発明を限定するものではない。例えば、一つの実施例の態様の一部として図示または説明された特徴を別の実施例の態様と一緒に用いてさらに別の実施例の態様とすることができる。本発明には上記およびその他の変更および変形が含まれる。

［図１］に示すエキスパンダヘッド１００は３つの別個のダイヘッド１１０から成るエキスパンダヘッド１０５を備えている。［図１］には３つのダイヘッド１１０が図示してあるが、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も示されている。この安全弁口１２０は圧力超過時に設備を保護し、必要時にエキスパンダヘッド１００中の圧力を手動で減圧するためのものである。

各ダイヘッド１１０は複数の歯１２０を有するリングギア１１５を有し、各リングギア１１５は歯１２０を介して他のリングギア１１５と機械的に連結している。従って、任意のギア１１５を回転すると、他のリングギア１１５も同時に回転される。さらに、この実施例では、リングギア１１５の回転がエキスパンダ１００からの流量を調節し、従って、エキスパンダ１００内の圧力および温度を調節する。より具体的には、ウォームギア１２５の回転でトランスファギア１３０、１３５、１４０が回転し、さらにリングギア１１５が回転し、それによって、以下で説明する各要素の動作を通じてダイヘッド１１０が調節される。ウォームギア１２５は手動で回転するか、電源、例えば電動機または液圧原動機を連結ウォームギア１２５に連結して回転できる。エキスパンダ１００の運転中に選択的または自動的に調節できるようにするために自動制御することもできる。例えば、エキスパンダ１００と付随する制御機構とを組み合わせて所望の加工要件に合わせてダイヘッド１１０を通る流量を自動制御することができる。図示した実施例では本発明の上記の調節を動的に行なうことができ、エキスパンダ１００の運転中に行うことができる。

［図２］はダイヘッド１１０の拡大図である。円筒形スリーブまたは圧縮機（constrictor）１４５がエキスパンダヘッド１０５の凹部１５０中に嵌め込まれている。圧縮機１４５の片側には狭い間隔で互いに並んで形成された複数の開口部１５５があり、それに対向して単一の大きな開口部１６０が形成されている。圧縮機１４５の入口端１７０にはフランジ１６５がなり、このフランジ１６５は上記凹部１５０に当接し且つこの凹部１５０内で回転可能である。この凹部１５０はフランジ１６５の横方向変位を防止する役目もする。圧縮機１４５の出口端１７５には外部六角形機構１８０と内部ネジ部１８５とが形成されている。これらの目的は後で説明する。

圧縮機１４５はハウジング１９５によって規定される導管１９５の内部に収容されている。このハウジング１９５は圧縮機１４５とハウジング１９５とが一体回転できるように形成されている。ハウジング１９５はハウジング出口２００を有し、このハウジング出口２００は１９５の導管の長さ方向に対して垂直な流路を規定している。ハウジング１９５は４本のボルト２０５でエキスパンダヘッド１０５に固定されている。この４本つのボルト２０５は開口部２１０を貫通し、ネジ付開口部２１５に螺合定されている。

ハウジング１９５とコネクタ２２０との間にはリングギア１１５が配置されている。コネクタ２２０は４本のボルト２２５でリングギア１１５に機械的に固定され且つ圧縮機１４５の出口端１７５を受けるように形成された六角形開口部２３０を有している。従って、リングギア１１５が回転すると、コネクタ２２０を介して圧縮機１４５がハウジング１９５に対して回転する。

圧縮機１４５の出口端１７５にはプラグまたはインサート２３５が入る。このインサート２３５のネジ部２４０は圧縮機１４５の上記内部ネジ部１８５に対応するように形成されている。出口端１７５へのインサート２３５の挿入または取外しを行うためにインサート２３５には六角形凹部２４５が形成されている。

［図３Ａ］［図３Ｂ］［図３Ｃ］は［図１］の線３−３によるダイヘッド１１０の斜視図であり、［図４Ａ］および［図４Ｂ］は［図１］の線４−４によるダイヘッド１１０の断面図である。
［図３Ａ］に示すダイヘッド１１０では、互いに狭い間隔で並んで形成された複数の上記開口部１５５がハウジング出口２００の隣りに位置した状態にある。この位置では、エキスパンダ１００から出た材料が圧縮機１４５の入口端１７０に入り、開口部１５５を通って圧縮機１４５から出た後、ハウジング出口２００を通ってハウジング１９５から出る。［図４Ａ］の矢印Ｃはダイヘッド１１０を通るゴム／水混合材料２５０の運動を示している。

ゴム／水混合材料２５０が開口部１５５を通って出る際に大きな圧力降下が起こり、ゴム／水混合材料２５０中の過熱された水が大気圧に曝されて蒸発し、フラッシュ乾燥する。既に述べたように、フラッシュ乾燥効果に必要なエネルギーは加工されるゴム／水混合材料２５０にエキスパンダ１００内のスクリュー駆動力によって伝えられる。このエネルギーは、エキスパンダ１００が圧力を加え続けるときに、ダイヘッド１１０を出るゴム／水混合材料２５０に対する抵抗によって生じる圧力と温度の上昇という形で与えられる。ゴム／水混合材料２５０の抵抗量すなわち圧力および温度は主としてエキスパンダ１００から出る流量を調節することによって制御される。

この調節はハウジング出口２００と流体連通した開口部１５５の数を制御することによって行われる。［図３Ｂ］および［図３Ｃ］の矢印ＡおよびＢで示されるようにリングギア１１５が回転すると、ハウジング出口２００に向かって開口する開口部１５５の数が変り、ダイヘッド１１０を出るゴム／水混合材料２５０の量を制御できる。矢印ＡおよびＢはハウジング出口２００と流体連通した開口部１５５の数を減らした場合の圧縮機１４５の回転状態を示している。上記の数を減らすことによってエキスパンダ１００から出るゴム／水混合材料２５０の流量が減り、その結果、一般には運転中のゴム／水混合材料２５０の温度と圧力とが上がる。ゴム／水混合材料２５０の流量を増大させ、従って温度と圧力を下げる時にはハウジング出口２００に露出している開口部１５５の数を増やす。既に述べたように、［図１］に示す複数のダイヘッド１１０を有するエキスパンダ１００では、これらの動作は上記ウォームギア１２５の回転によって各ダイヘッド１００で同時に行うことができる。本出願人は、圧縮機１４５を回転させることによって他のダイ組立体で必要とされる力より少ない力を用いてダイヘッド１１０を閉じることができるということを見出した。この回転はエキスパンダ１００の運転中に動的に行うことができ、それによって運転中のプロセス変量を動的に制御することができる。

多くの用途で、本出願人は、直径が約１／８インチの狭い間隔で互いに並んだ２４セットの開口部１５５を有する圧縮機を用いて有利な結果を得ている。さらに、本出願人は、ある種のゴム材料２５０では上記ダイヘッド１１０を用いると微粉の量をより有効に減らすことができ、より有利な粒径を得ることができることを見出した。さらに、現在のエキスパンダで使用されている既存のダイと交換できるようにハウジング１９５およびフランジ１６５を設計するのは容易である。

ある用途では、ダイヘッド１１０からの材料の連続流が常に必要になる。この場合には、［図４Ａ］および［図４Ｂ］に示すように、圧縮機１４５によって形成される内部流路２６０と流体連通した一つまたは複数のチャネル２５５をインサート２３５に形成することができる。これらのチャネル２５５はエキスパンダ１００からのゴム／水混合材料２５０の連続流を可能にする。インサート２３５は容易に交換でき、任意の数の開口部を有するまたは全く開口部のない種々のインサートを設けることができる。

エキスパンダ１００の始動時または掃除時にはハウジング出口２００を通るゴム／水混合材料２５０のオープンフローにするのが望ましい。この用途のために、圧縮機１４５には単一の開口部１６０を設け、この単一の開口部１６０をハウジング出口２００と隣接する位置まで回転して内部通路２６０をハウジング出口２００と流体連通状態にする。例えば［図４Ｂ］に示すように、上記開口部１６０の寸法は複数の開口部１５５を形成する個々の開口より大きく、ハウジング出口２００と同一の寸法を有している。従って、この開口部１６０は、エキスパンダ１００から材料を除去する時やエキスパンダ１００の清掃時、さらには多量のオープンフローが望まれる時に、ダイヘッド１１０の最大流量に設定できる。

要約すると、本発明ダイヘッド１１０はリングギア１１５を回転することでエキスパンダ１００の運転の融通性を大きくする。特に、ハウジング出口２００を通る流れは開口部１６０を通して完全に開閉でき、また、出口２００と流体連通した開口部１５５の数を選択することによって制限できる。この操作は動的に行うことができる。本出願人は上記のダイヘッド１１０を用いると、エキスパンダ１００を動的に制御するのに必要な力が従来構造より著しく少なくなるということを見出した。本発明は手動、動力および／または自動制御システムに適している。

以上、特定の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。さらに単なる例として［図１］はエキスパンダ１００と一緒に使用する３つのダイヘッド１１０を示しているが、一つまたは複数のダイヘッド１１０を用いることができることは理解できよう。さらに、リングギア１１５を回転させるための形状は種々容易に考えることができる。従って、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、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。

３つの別体のダイヘッドと１つの安全弁とを用いたエキスパンダヘッドとダイヘッドの実施例の図。 本発明の調節可能なダイヘッドの拡大斜視図。 図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の実施例の（図１の線３−３による）斜視図で、矢印ＡおよびＢは調節法を示す。 図４Ａ〜図４Ｃは、図１の線４−４による本発明の実施例の断面図で、図４Ｂの矢印Ｃは内部を通る材料の流れを示す。

Claims (20)

1. 下記（１）〜（３）を有する調節可能なゴム／水混合材料の加工用ダイ：
   （１）第１側面に沿って複数の互いに隣接した開口部を有し、第１側面の反対側に位置した第２側面に沿って単一の開口部を有し、入口端と出口端との間に内部通路を規定する円筒形のスリーブ、
   （２）上記スリーブを収用する導管を規定し、この導管と連通した開口部を片側に沿って有するハウジング、
   （３）上記スリーブを上記ハウジングに対して相対回転させて、上記の複数の互いに隣接した開口部および単一の開口部を上記ハウジングの開口部の近傍に選択的に位置決めする、上記ハウジングの出口端に機械的に連結したリングギア。
2. 上記スリーブの出口端に連結したプラグをさらに有し、このプラグは上記内部通路と流体連通した少なくとも１つのチャネルを有する請求項１に記載のダイ。
3. 複数の互いに隣接した開口部と単一の開口部をハウジングの開口部に近傍に選択的に位置決めするのウォームギアが上記リングギアと機械的に連結している請求項２に記載のダイ。
4. 上記プラグが対応ネジによってスリーブの出口端に連結されている請求項３に記載のダイ。
5. 上記リングギアを円筒形のスリーブの出口端に機械的に連結するためのコネクタをさらに有し、このコネクタはリングギアに機械的に締付けられ、このコネクタがスリーブの出口端を受ける請求項４に記載のダイ。
6. 上記ハウジングがエキスパンダに取り付けられ、上記入口端がエキスパンダからの上記材料を受ける請求項５に記載のダイ。
7. 下記（１）〜（３）を有する調節可能なタイヤの構成材料の加工用ダイ：
   （１）導管を規定し且つ材料放出用のハウジング出口を有するハウジング、
   （２）上記導管中に収容された圧縮機であって、この圧縮機は入口端と出口端とを有し、狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部とこの狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部とは別の少なくとも１つのオープンフロー開口部とを有する圧縮機、
   （３）上記の狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部と少なくとも１つのオープンフロー開口部とを上記ハウジング出口と選択的に連通状態に配置する、上記圧縮機と機械的に連結し、圧縮機を運動させる駆動機構。
8. 上記圧縮機の出口端の内部に配置されるインサートをさらに有し、このインサートは圧縮機の出口端からの材料を流すための少なくとも１つの開口部を規定する請求項７に記載のダイ。
9. 上記駆動機構が、圧縮機の出口端と機械的に連結したリングギアを有する請求項８に記載のダイ。
10. 上記駆動機構が、リングギアと、圧縮機の出口端を受け且つリングギアに機械的に締付けられたコネクタと、リングギアに機械的に連結したウォームギアとを有する請求項８に記載のダイ。
11. ウォームギアに動力を供給するモータをさらに有する請求項１０に記載のダイ。
12. オープンフロー開口部を通る流れが、入口端から出口端への流れに対して直角である請求項７に記載のダイ。
13. 圧縮機の入口端が、タイヤの構成材料を加工するためのエキスパンダと流体連通している請求項７に記載のダイ。
14. エキスパンダと一緒に使用する下記（１）〜（３）を有する調節可能なゴム／水混合材料を加工するためのダイ：
    （１）内部通路によって互いに連結された第１端と第２端とを有し、片側に沿って配置された狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部と、この狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部とは別の側に沿って配置された単一の開口部とを有する内側スリーブ、
    （２）導管を規定する外側要素であって、上記内側スリーブを回転自在な状態で収用し、内側スリーブが回転した時に上記内部通路との流体連通状態を選択的に配置できる出口を規定する外側要素、
    （３）上記の狭い間隔で互いに並んだ複数の開口部と単一の開口部とを外側要素の出口との流体連通状態を選択的に配置できるように上記外側要素に対して上記内側スリーブを回転させる、内側スリーブの第２端に機械的に連結された位置決め要素。
15. エキスパンダが受けるフランジを内側スリーブの第１端に有する請求項１４に記載の、エキスパンダと一緒に使用するゴム／水混合材料を加工するための調節可能なダイ。
16. 内側スリーブの第２端中に配置された着脱自在なプラグをさらに有する請求項１５に記載のエキスパンダと一緒に使用するゴム／水混合材料を加工するための調節可能なダイ。
17. 着脱自在なプラグが、上記内部通路と流体連通した少なくとも１つの開口部を有する請求項１６に記載のエキスパンダと一緒に使用するゴム／水混合材料を加工するための調節可能なダイ。
18. 位置決め要素と内側スリーブの第２端とを機械的に固定するコネクタをさらに有し、位置決め要素が回転した時に内側スリーブが外側要素に対して回転する請求項１７に記載のエキスパンダと一緒に使用するゴム／水混合材料を加工するための調節可能なダイ。
19. 位置決め要素を回転させるための電源をさらに有する請求項１８に記載のエキスパンダと一緒に使用するゴム／水混合材料を加工するための調節可能なダイ。
20. 内側スリーブを所定位置まで選択的に回転させるための電源を制御する制御装置をさらに有する請求項１９に記載のエキスパンダと一緒に使用するゴム／水混合材料を加工するための調節可能なダイ。

Images