JP2009148936A - 混練スクリュ及び押出機 - Google Patents

Abstract

【課題】 混練スクリュ１の軸方向の一部に応力が集中することを回避し、スプライン軸８の折損や混練用フライト１７の異常摩耗を防止する。
【解決手段】本発明の混練スクリュ１は、混練される材料を下流側に送るスクリュセグメント１３からなる送り部９と、材料を混練する混練用セグメント１５からなる混練部１０とが設けられたスクリュ本体１１を備えた混練スクリュ１であって、スクリュ本体１１は、回転外径が軸方向に沿って漸次に変化する多段状部１８を混練部１０に対して連続的に備えている。この多段状部１８は、互いに回転外径が異なる複数のニーディングディスクからなる混練用セグメント１５により構成されているのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、混練スクリュ及びこの混練スクリュを備えた押出機に関するものである。

一般に、プラスチックコンパウンド等の複合樹脂材料は、押出機のバレル内に母材となる高分子樹脂のペレットや粉体状の添加物を供給し、バレル内に挿通された混練スクリュによってを両者を混練しながら下流側へ送ることで製造される。この混練スクリュは、異なる種類のセグメントを軸方向に複数組み合わせて異なった機能を発揮する部分を軸方向に形成している。このような異なった機能を発揮する部分には、例えば材料を下流側に送る送り部や材料を混練する混練部などがある。
ところで、混練部を構成するセグメントには、ロータセグメントや二ーディングディスクセグメントなどの混練セグメントが用いられる。これらの混練セグメントは、混練用フライトを備えており、この混練用フライトにより材料に大きな剪断力を与えて混練できるようになっている。しかし、これらの混練用フライトには材料からも剪断力の反力として大きな力が加わりやすい。

このように混練用フライトを介して混練スクリュに加わる力が大きいと、混練スクリュが撓んだまま回転してしまう可能性があり、混練フライトの翼端がバレルの内壁に接触してかじりと呼ばれる破損が起きやすくなる。このかじりを防止するためには、バレルと混練フライトとの隙間（チップクリアランス）を大きく取ることが有効とされてきた。
例えば特許文献１には、混練部の混練用フライトの回転外径を混練部以外の部分に対して０．９５〜０．９８に形成し、混練部以外の部分よりチップクリアランスを大きくした混練スクリュが開示されている。

また、特許文献２には、ゲルの発生数を低減する目的ではあるが、回転外径が異なる２種類のニーディングディスクセグメントを軸方向に交互に組み合わせた混練スクリュが開示されている。
特開平９−１１７９５４号公報 特開２０００−２９６５１７号公報

ところで、特許文献１や特許文献２では、かじりを回避すべく混練部における混練スクリュの回転外径を混練部以外の部分に対して小さく形成した結果、混練スクリュにおける混練部の上流側と下流側との間に径方向に大きな段差が形成されてしまう。このような段差を混練スクリュに設けると、段差を設けた部分に応力が集中しやすくなり、かえって混練スクリュに折れ曲がりや破断が生じやすくなる。
それゆえ、特許文献１の混練スクリュでは、回転外径に下限を設けてスプライン軸の応力が大きくならないようにする対策を講じているが、このように小さい段差では依然かじりが生じて混練用フライトの異常摩耗が生じる可能性がある。

また、段差を設けた部分に発生する応力は混練スクリュの回転に伴って繰り返しスプライン軸に作用する。それゆえ、段差に加わる力が破断しない程度の大きさであっても、長期間に亘って繰り返し加わることでスプライン軸が疲労破壊して折損する可能性もある。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、混練フライトの異常摩耗だけでなく、応力集中や疲労破壊によるスプライン軸の折損をも防止可能な混練スクリュを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の混練スクリュは次の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の混練スクリュは、混練される材料を下流側に送るスクリュセグメントからなる送り部と、当該材料を混練する混練用セグメントからなる混練部とが設けられたスクリュ本体を備えた混練スクリュであって、前記スクリュ本体は、回転外径が軸方向に沿って漸次に変化する多段状部を前記混練部に対して連続的に備えていることを特徴とする。
このように回転外径が軸方向に沿って漸次に変化する多段状部を設けると、混練スクリュに局部的に加わる力（曲げ応力）は多段状部を構成するそれぞれの段差に分散して作用することになり、１つの段差に過大な力が集中することがなくなり、また疲労破壊も生じ難くなる。その結果、スプライン軸が折損する（破断する）ことを抑制することができる。

なお、前記多段状部は回転外径が異なる２つのセグメントの間を補間するように設けられているのが好ましい。
また、前記スクリュ本体が、前記材料を下流側に送る送り部と、前記送り部から送られてきた材料を混練する混練部と、前記混練部で混練された材料を下流側に送り出す押出部とを備えており、前記多段状部が、前記混練部、前記混練部と送り部との連接部分、前記混練部と押出部との連接部分のうち少なくともいずれか１つに設けられているのが好ましい。

さらに、前記多段状部を混練部に設ける場合にあっては、前記多段状部は互いに回転外径が異なる複数のニーディングディスクからなる混練用セグメントより構成されているのが好ましい。
なお、前記多段状部を構成するいずれかのセグメントと、このセグメントに隣り合うセグメントとの間に段部が形成される場合には、前記多段状部を軸通する鋼材からなるスプライン軸の直径をＤとしたときに、前記多段状部における径方向に沿った各段差δが式（１）の関係を満たすのが好ましい。

上述した式（１）の関係を満足する段差に多段状部の各段部を形成する限りは、この段差に加わる力が鋼材で作製されたスプライン軸を疲労破壊させる程度にまで大きくなることがない。それゆえ、鋼材からなるスプライン軸を疲労破壊による折損から保護することが可能となる。
また、前記多段状部と隣り合う２つのセグメントの間にｎ箇所の前記段差が存在する場合には、前記多段状部を軸通する前記スプライン軸の直径をＤとしたときに、前記２つのセグメントの回転外径の差Δが式（２）の関係を満たすことが好ましい。

上述した式（２）の関係を満足する多段状部を用いる限りは、多段状部の全体に加わる力が鋼材で作製されたスプライン軸の設計強度以上となったり応力集中によりスプライン軸が疲労破壊する程度にまで大きくなることがない。それゆえ、このような多段状部を設けることで鋼材で作製されたスプライン軸の疲労破壊を確実に防止することができる。
さらに、上述した混練スクリュを用いた押出機では、混練フライトの異常摩耗やスプライン軸の折損を防止できる。

本発明の混練スクリュにより、混練フライトの異常摩耗だけでなく、疲労破壊によるスプライン軸の折損をも防止することが可能となる。
また、本発明の押出機により、混練フライトの異常摩耗やスプライン軸の折損を防止できる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１実施形態＞
図１に示されるように、第１実施形態の混練スクリュ１は同方向噛合型の２軸押出機２（以降では、単に押出機２ということがある。）に設けられている。混練スクリュ１は、押出機２に設けられた空洞状のバレル３に対して、その内部を軸方向に沿って挿通するように設けられている。この混練スクリュ１がバレル３に対して回転することで、押出機２ではバレル３内に供給された材料が混練されつつ下流側に送られる。

なお、以降の説明において、図１の紙面の左側を押出機２を説明する際の上流側とし、紙面の右側を下流側とする。また、混練スクリュ１の回転軸方向を押出機２を説明する際の軸方向とする。この軸方向は図１の紙面の左右方向と一致する。
バレル３は軸方向に沿って長い筒状に形成されている。バレル３の内部は軸方向に沿って長い空洞状に形成されており、左右一対の混練スクリュ１、１が回転自在に挿通されている。
バレル３は、軸方向の上流側に材料供給口４を有しており、この材料供給口４を介して材料を空洞部（バレル３の内部）に供給可能となっている。バレル３には電気ヒーターや加熱した油を用いた加熱装置（図示略）が備えられており、材料供給口４から供給された材料はこの加熱装置により溶融状態または半溶融状態に加熱される。

バレル３は、材料供給口４の下流側にホッパ５を有しており、このホッパ５を介して添加剤などをバレル３内に供給できるようになっている。また、ホッパ５の下流側には材料を堰き止めて混練度を調整するゲート部６や混練された材料から揮発するガスをバレル３外に排出する開口部７が設けられている。
図１及び図２に示されるように、混練スクリュ１は上述したバレル３の内部を挿通するように左右一対設けられている。それぞれの混練スクリュ１は、軸方向に長いスプライン軸８と、このスプライン軸８により串刺し状に固定される複数のセグメントとで構成されている。

混練スクリュ１を構成するセグメントには様々な種類のものがあり、混練スクリュ１では複数種のセグメントをパターンを変えて組み合わすことで材料を送る部分（送り部９）や材料を混練する部分（混練部１０）が軸方向の一定の範囲に亘って形成される。そして、混練スクリュ１では、上述した材料を送る部分や混練する部分を任意に組み合わして、これら全体で成るスクリュ本体１１が構成されている。
図１に示されるように、本実施形態の混練スクリュ１においては、スクリュ本体１１は、上流側から下流側にかけて、供給された材料を溶融しながら下流側に送る送り部９と、送り部９から送られてきた材料を混練する混練部１０と、混練部１０で混練された材料を下流側に送り出す押出部１２とを備えている。

送り部９は軸方向に配備された複数のスクリュセグメント１３で構成されている。スクリュセグメント１３は、軸方向に螺旋状に捩れたスクリュフライト（図示略）を備えており、螺旋状に捩れたスクリュフライトが回転することで材料を溶融しつつ上流側から下流側に送っている。
混練部１０は、複数のニーディングディスクセグメント１５で構成されている。
図２に示すように、ニーディングディスクセグメント１５は、軸方向と垂直な断面が楕円形状に形成された板状のニーディングディスクを軸方向に複数（本実施形態では５枚）連続して並べて構成されている。ニーディングディスクセグメント１５は、混練スクリュ１を回転させた際にニーディングディスクとバレル３内壁との間に材料を導いて、材料を混練できるようになっている。

なお、本実施形態では複数のニーディングディスクセグメント１５で構成された混練部１０を例示していたが、ニーディングディスクセグメント１５に代えて複数のロータセグメントで混練部１０を構成することもできる。
押出部１２は、送り部９同様に螺旋状に捩れたスクリュフライトを備えたスクリュセグメント１３を軸方向に複数有している。押出部１２のスクリュセグメント１３は、セグメント長が下流に位置するスクリュセグメント１３ほど小さくなるように形成されており、下流側に行くほど材料の移動速度を低くして材料を加圧できるようになっている。

本発明の混練スクリュ１は、多段状部１８ａ、１８ｂがスクリュ本体１１の混練部１０の範囲内に備えられていることを特徴としている。この多段状部１８ａ、１８ｂは、回転外径が軸方向に沿って段階的に変化するものであり、回転外径が大幅に異なるセグメント間に挟まれるように設けられている。
なお、回転外径が段階的に変化するとは、スクリュ本体１１を構成するセグメントの回転外径（軸心まわりにセグメントが回転する際に最も外周側で回転する部分が描く円軌跡の径をいう）が軸方向に順次変化する（上流側から下流側に向けて徐々に回転外径が大きく又は小さくなる）ことをいう。本実施形態では、多段状部１８ａ、１８ｂは混練部１０の上流側と下流側とに１箇所ずつ設けられており、それぞれの多段状部１８ａ、１８ｂは複数の回転外径が異なるニーディングディスクを回転外径が漸次変化するように並べて構成されている。以降では、２つの多段状部１８ａ、１８ｂのうち上流側の多段状部１８ａを例示して説明する。

図３（ａ）は上流側の多段状部１８ａの正面図である。
スクリュ本体１１は、混練部１０における上流側に配備された第１ニーディングディスクセグメント１９と、この第１ニーディングディスクセグメント１９より下流側に配備されると共に第１ニーディングディスクセグメント１９より回転外径の小さな第２ニーディングディスクセグメント２０とを有している。
多段状部１８ａは、４つのニーディングディスクからなるセグメントで構成されている。これらのニーディングディスクは、上流側から第１ニーディングディスク２１、第２ニーディングディスク２２、第３ニーディングディスク２３、第４ニーディングディスク２４の順に並んでいる。なお、４つのニーディングディスクは、上流側から見た際に互いのフライトが所定位相角（本実施形態では６０°）をあけるように配置されている。

図３（ｂ）は図３（ａ）の多段状部１８ａを各ディスクの軸方向中途部で切断した断面図である。図３（ｂ）の［Ａ］〜［Ｆ］は、第１ニーディングディスクセグメント１９、第１ニーディングディスク２１〜第４ニーディングディスク２４、第２ニーディングディスクセグメント２０の各端面を示している。
４つのニーディングディスクは、回転外径が大きなものほど上流側に配備されており、それぞれの回転外径ｄ（ｄ₁〜ｄ₄）と第１ニーディングディスクセグメント１９及び第２ニーディングディスクセグメント２０の回転外径ｄ_max、ｄ_minとの間に以下の式（３）の関係が成立する。

式（３）に示されるように、多段状部１８ａを設けることにより、第１ニーディングディスクセグメント１９と第２ニーディングディスクセグメント２０との間には全部で５つの段部２５が形成される。これらの段部２５には、スプライン軸８を中心として径方向に等しい段差δがそれぞれ形成されている。それゆえ、各段差δと回転外径ｄとの間には以下の式（４）の関係が成立する。

なお、式（４）においては、上述した５つの段差を、上流側から順にδ₁〜δ₅と示している。
一方、スプライン軸８と各セグメントとを鋼材としてそれぞれの段部２５に作用する応力振幅を計算し、計算された応力振幅がスプライン軸８が疲労破壊されない強度にあるものとして以下の式（１’）が求められる。

上述の式（１’）をそれぞれの段差δ₁〜δ₅が満足するように、第１ニーディングディスク２１〜第４ニーディングディスク２４を配備することで、それぞれの段部２５を曲げ方向の力が繰り返し作用してもスプライン軸８が疲労破壊しない段差に形成することが可能となり、鋼材よりなるスプライン軸８を疲労破壊による折損から保護することが可能となる。
さらに、多段状部１８ａの上流側に設けられる第１ニーディングディスクセグメント１９と下流側に設けられる第２ニーディングディスクセグメント２０との間には回転外径の差Δが存在する。この回転外径の差Δは、多段状部１８ａに形成される５つの段差の和であって、以下の式（２’）の関係を満足する。

上述の式（２’）を満足するように多段状部１８ａにおける段差数を定めることで、多段状部１８ａの全体に加わる力をスプライン軸８を疲労破壊させない範囲に抑えることが可能となり、スプライン軸８の疲労破壊を防止することができる。
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の混練スクリュ１の第２実施形態を示している。第２実施形態の混練スクリュ１が上述した第１実施形態と異なるところは、多段状部１８ａ、１８ｂを構成するニーディングディスクが第１実施形態より多い１０個設けられている点にある。つまり、第２実施形態では、上流側より１０番目のニーディングディスクと第２ニーディングディスクセグメント２０と間には段部２５（段差）がないため、多段状部１８ａには全部で１０箇所の段部２５が形成されていることになる。

それゆえ、第２実施形態の混練スクリュ１においては、１０箇所の段部２５のそれぞれについて上述の式（１）や式（２）の関係を満足させることで、混練スクリュ１の折損や混練スクリュ１の折れ曲がりに伴うバレル３の異常摩耗が抑制乃至防止される。
なお、第２実施形態の混練スクリュ１におけるその他構成及び作用効果については、第１実施形態と同様である。
＜第３実施形態＞
図５は、本発明の混練スクリュ１の第３実施形態を示している。第３実施形態の混練スクリュ１が上述した第１実施形態と異なるところは、第１実施形態のスクリュ本体１１では混練部１０が１箇所であったのに対し第２実施形態のスクリュ本体１１では混練部１０が２箇所（複数）設けられている点、及び第２実施形態では多段状部１８ａ、１８ｂが複数の混練部１０のそれぞれに設けられている点にある。

このように多段状部１８ａ、１８ｂを複数の混練部１０のそれぞれに設けることにより、複数の混練部１０を備えた混練スクリュ１についても、それぞれの混練部１０においてスプライン軸８に局部的に加わる曲げ方向の力を各々の多段状部１８ａ、１８ｂで受けるため、スプライン軸８の折損やバレル３の異常摩耗を抑制乃至防止できる。
なお、第３実施形態の混練スクリュ１におけるその他構成及び作用効果については、第１実施形態と同様である。

以下に実施例と比較例とを用いて本発明を説明する。なお、説明の便宜上、比較例から先に説明する。
＜比較例＞
比較例は、従来の２軸完全噛合型の押出機２の例である。
表１に示されるように、押出機２は内径７５ｍｍのめがね孔状にくり抜かれたバレル３を備え、このバレル３の内部には軸径３６ｍｍのスプライン軸８（ＳＮＣＭ鋼製）を有する混練スクリュ１が一対挿入されている。混練スクリュ１には軸方向の中途に混練部１０が設けられており、この混練部１０には互いに回転外径が異なる第１ニーディングディスクセグメント１９（回転外径７４．７ｍｍ）と第２ニーディングディスクセグメント２０（回転外径７４．３ｍｍ）で構成された段差（０．２ｍｍ）が形成されている。

ここで、この段差が、上述した式（１）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
δ／Ｄ³＝０．２／３６³＝４．２９Ｅ−６＞４．０Ｅ−６
それゆえ、比較例では式（１）の関係が成立しないことがわかる。また、上述した段差が式（２）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
Δ／Ｄ³＝０．２×１／３６³＝４．２９Ｅ−６＞（４．０Ｅ−６）×１
それゆえ、比較例では式（２）の関係も成立しないことがわかる。

次に、上述したように式（１）及び式（２）の関係を満足していない比較例の混練スクリュ４に疲労破壊が生じるかどうかを検証する。
まず、上述のような２軸の押出機２において、混練スクリュ１を出力９０ｋＷ、回転数３６０ｒｐｍで回転させる場合を想定して考えると、これらの出力及び回転数から混練スクリュ１に加わるねじりトルク及び伝達トルクを求めることができる。比較例の場合、混練スクリュ１へのねじりトルク：１２１．８ｋｇｆｍ、伝達トルク：４９ｋｇｆｍである。

このねじりトルク及び伝達トルク、並びにスプライン軸８の歯元にかかる応力のＦＥＭ（有限要素法）を用いた数値計算から、スプライン軸８のねじり応力τ（せん断応力τ）、スプライン軸８の歯の曲げ応力σｂ、スプライン軸８の曲げ応力σＭを求めることができる。なお、実施例１ではτ＝２３．０６ｋｇｆ／ｍｍ²、σｂ＝１９．９６ｋｇｆ／ｍｍ²、σＭ＝±４０ｋｇｆ／ｍｍ²である。
曲げとねじりとの組み合わせ応力については、モールの応力円を用いた手法が知られており、先に求めた応力によると以下の通りとなる。

次に、モールの応力円を用いて引張時及び圧縮時の平均応力及び応力振幅を求めると以下のようになる。
（引張時）
σ1_m＝２７．１８ｋｇｆ／ｍｍ² σ1_a＝２７．８９ｋｇｆ／ｍｍ²
σ2_m＝−７．２２ｋｇｆ／ｍｍ² σ2_a＝１２．０４ｋｇｆ／ｍｍ²
（圧縮時）
σ1_m＝３１．９７ｋｇｆ／ｍｍ² σ1_a＝４．１５ｋｇｆ／ｍｍ²
σ2_m＝−１２．００ｋｇｆ／ｍｍ² σ2_a＝３５．７８ｋｇｆ／ｍｍ²
一方で、スプライン軸８を構成するＳＮＣＭ鋼の平均応力σ_mにおける許容応力振幅σ_a1を疲れ限度線図から求める。なお、この疲れ限度線図は、引き張り強さσ_Bを１１０ｋｇｆ／ｍｍ²、降伏応力σ_yを９０．３ｋｇｆ／ｍｍ²、両振疲労限度σ_wを３７ｋｇｆ／ｍｍ²とした場合の修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図に基づいて作成している。

まず、引張時においては、疲れ限度線図から、上述のように平均応力σ_mが２７．１８ｋｇｆ／ｍｍ²のときの許容応力振幅σ_a1は、σ_a1＝２７．８６ｋｇｆ／ｍｍ²となる。それゆえ、σａ＝２７．８９ｋｇｆ／ｍｍ²≧２７．８６ｋｇｆ／ｍｍ²＝σ_a1となり、疲労破壊を起こす可能性があることが分かる。
一方、圧縮時には、同様に疲れ限度線図から、上述のように平均応力σ_mが−１３．９０ｋｇｆ／ｍｍ²のときの許容応力振幅σ_a1は、σ_a1＝３７ｋｇｆ／ｍｍ²となる。それゆえ、σａ＝３３．８７ｋｇｆ／ｍｍ²＜３７ｋｇｆ／ｍｍ²＝σ_a1となり、疲労破壊を起こさないことが分かる。

以上のことから、式（１）及び（２）の関係が成り立たない比較例では混練スクリュの疲労破壊が生じると判断される。
＜実施例１＞
実施例１が比較例と異なっている点は、スクリュ本体１１が多段状部１８ａ、１８ｂを有していることである。実施例１では、表２に示されるように、多段状部１８ａ、１８ｂは４枚の回転外径が異なるニーディングディスクセグメントから構成されており、多段状部１８ａの上流側の第１ロータセグメント１９と下流側の第２ロータセグメント２０との間には全部で５箇所の段差が形成されている。なお、実施例１における他の構成や実験条件は、比較例と同じであるため、説明を省略する。

実施例１の多段状部１８ａでは段差の大きさが５つの段差で全て等しいため、段差１つ１つについては段差の大きさは比較例の場合の１／５になる。つまり、式（１）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
δ／Ｄ³＝０．０４／３６³＝８．５７Ｅ−７≦４．０Ｅ−６
それゆえ、実施例１では式（１）の関係を満足している。また、上述した式（２）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
Δ／Ｄ³＝０．０４×５／３６³＝４．２９Ｅ−６≦２．０Ｅ−５＝（４．０Ｅ−６）×５
それゆえ、実施例１では式（２）の関係も満足している。

一方、比較例同様にして実施例１の引張時及び圧縮時における平均応力及び応力振幅を求めると以下のようになる。
（引張時）
σ1_m＝３１．４７ｋｇｆ／ｍｍ² σ1_a＝７．０９ｋｇｆ／ｍｍ²
σ2_m＝−１１．５１ｋｇｆ／ｍｍ² σ2_a＝２．８９ｋｇｆ／ｍｍ²
（圧縮時）
σ1_m＝３２．０５ｋｇｆ／ｍｍ² σ1_a＝０．４４ｋｇｆ／ｍｍ²
σ2_m＝−１２．０９ｋｇｆ／ｍｍ² σ2_a＝１０．４２ｋｇｆ／ｍｍ²
さらに、スプライン軸８を構成するＳＮＣＭ鋼の平均応力σ_mにおける許容応力振幅σ_a1を疲れ限度線図から求める。

まず、引張時においては、疲れ限度線図から、上述のように平均応力σ_mが３１．４７ｋｇｆ／ｍｍ²のときの許容応力振幅σ_a1は、σ_a1＝２６．４１ｋｇｆ／ｍｍ²となる。それゆえ、σａ＝７．０９ｋｇｆ／ｍｍ²≦２６．４１ｋｇｆ／ｍｍ²＝σ_a1となり、疲労破壊を起こさないことが分かる。
また、圧縮時においては、上述のように平均応力σ_mが−１２．０９ｋｇｆ／ｍｍ²のときの許容応力振幅σ_a1を、σ_m＝０ｋｇｆ／ｍｍ²の許容応力振幅と同じσ_a1＝３７ｋｇｆ／ｍｍ²とする。それゆえ、σ_a＝１０．４２ｋｇｆ／ｍｍ²＜３７ｋｇｆ／ｍｍ²＝σ_a1となり、疲労破壊を起こさないことが分かる。

以上のことから、式（１）及び（２）の関係が成り立つ実施例１では混練スクリュの疲労破壊が生じないと判断される。
＜実施例２＞
実施例２も、実施例１同様に、スクリュ本体１１が多段状部１８ａ、１８ｂを有している点で比較例と異なっている。実施例２が実施例１と異なっている点は、表３に示されるように、多段状部１８ａ、１８ｂが１０枚の回転外径が異なるニーディングディスクから構成されている点である。つまり、実施例２の多段状部１８ａには、上流側の第１ニーディングディスクセグメント１９と下流側の第２ニーディングディスクセグメント２０との間に全部で１０箇所の段差が形成されている。なお、実施例２における他の構成や実験条件は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。

実施例２の多段状部１８ａでも段差の大きさは全て等しいため、各段差の大きさは比較例の場合の１／１０（０．０２ｍｍ）になる。それゆえ、式（１）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
δ／Ｄ³＝０．０２／３６³＝４．２９Ｅ−７≦４．０Ｅ−６
このように、実施例２でも式（１）の関係を満足している。
また、上述した式（２）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
Δ／Ｄ³＝０．０２×１０／３６³＝４．２９Ｅ−６≦４．０Ｅ−５＝（４．０Ｅ−６）×１０
それゆえ、実施例２では式（２）の関係も満足している。

一方、実施例２においても、実施例１と同様に平均応力σ_mを求めて、疲れ限度線図の許容応力振幅σ_a1との比較を行うことで混練スクリュが疲労破壊を起こさないことがわかる。なお、詳細は実施例１と同様であるため割愛する。
このことから、式（１）及び式（２）の関係を満足する実施例２でも疲労破壊が生じないことが分かる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。

例えば、第１実施形態〜第３実施形態は２軸完全噛合型の押出機２のものであった。しかし、本発明の混練スクリュ１は単軸または３軸以上の押出機２や完全噛合型でない２軸押出機２、あるいは連続混練機にも用いることができる。
多段状部１８ａ、１８ｂにおける段部２５は、上記実施形態においてはいずれの段部２５もスプライン軸８の径方向に等しい大きさの段差を備えていた。しかし、上述した式（１）や式（２）の関係を満足するものであれば、段部２５の段差をそれぞれ異なる値に形成することもできる。

上記実施形態では、多段状部１８ａ、１８ｂは混練部１０に設けられた複数のニーディングディスクが個別に分けられた分割型のニーディングディスクセグメントで構成されていた。しかし、多段状部１８ａ、１８ｂは外周面が多段状に形成された一体型のセグメントであっても良いし、多段状部１８ａ、１８ｂを構成するセグメントにはニーディングディスクセグメント以外のセグメントを用いることもできる。例えば、複数のロータセグメント１５の回転外径を順次変化させることで多段状部１８ａ、１８ｂを構成することもでき、また１つのロータセグメントの回転外径を連続的に変化させることで∞段の多段状部を構成することもできる。また、混練部１０に設ける場合であれば、さらに多段状部１８ａ、１８ｂを、例えば図６に示すように軸方向に径を異ならせた複数の円板２６を積層して形成しても良く、円錐台形状のスペーサとして形成しても良い。

また、スプライン軸８（スクリュシャフト）の材料には、ＳＮＣＭ鋼だけでなくＳＣＭ鋼を用いても良い。

第１実施形態の混練スクリュを有する押出機の正面図である。 図１のＡ−Ａ線切断端面図である。 （ａ）は多段状部の正面図である。（ｂ）は（ａ）の各セグメントの断面図である。 第２実施形態の混練スクリュを有する押出機の正面図である。 第３実施形態の混練スクリュを有する押出機の正面図である。 多段状部の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 混練スクリュ
２ 押出機
３ バレル
４ 材料供給口
５ ホッパ
６ ゲート部
７ 開口部
８ スプライン軸
９ 送り部
１０ 混練部
１１ スクリュ本体
１２ 押出部
１３ スクリュセグメント
１５ 混練用セグメント
１７ 混練用フライト
１８ 多段状部
１９ 第１ニーディングディスクセグメント（混練用セグメント）
２０ 第２ニーディングディスクセグメント（混練用セグメント）
２１ 第１ニーディングディスク
２２ 第２ニーディングディスク
２３ 第３ニーディングディスク
２４ 第４ニーディングディスク
２５ 段部
２６ 円板

Claims (7)

1. 混練される材料を下流側に送るスクリュセグメントからなる送り部と、当該材料を混練する混練用セグメントからなる混練部とが設けられたスクリュ本体を備えた混練スクリュであって、
   前記スクリュ本体は、回転外径が軸方向に沿って漸次に変化する多段状部を前記混練部に対して連続的に備えていることを特徴とする混練スクリュ。
2. 前記多段状部は、回転外径が異なる２つのセグメントの間を補間するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の混練スクリュ。
3. 前記スクリュ本体が、前記材料を下流側に送る送り部と、前記送り部から送られてきた材料を混練する混練部と、前記混練部で混練された材料を下流側に送り出す押出部とを備えており、
   前記多段状部が、前記混練部、前記混練部と送り部との連接部分、前記混練部と押出部との連接部分のうち少なくともいずれか１つに設けられていることを特徴とする請求項２に記載の混練スクリュ。
4. 前記多段状部が、互いに回転外径が異なる複数のニーディングディスクからなる混練用セグメントにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の混練スクリュ。
5. 前記多段状部を構成するいずれかのセグメントと、このセグメントに隣り合うセグメントとの間に段部が形成される場合に、
   前記多段状部を軸通する鋼材からなるスプライン軸の直径をＤとしたときに、前記多段状部における径方向に沿った各段差δが式（１）の関係を満たすことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の混練スクリュ。
   

   
6. 前記多段状部と隣り合う２つのセグメントの間にｎ箇所の前記段差が存在する場合には、前記多段状部を軸通する前記スプライン軸の直径をＤとしたときに、前記２つのセグメントの回転外径の差Δが式（２）の関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の混練スクリュ。
   

   
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の混練スクリュを備えた押出機。

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