JP2010179530A - 樹脂造粒装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹脂造粒装置において、カッタシャフトの異常振動を抑制してペレットを安定して製造する。
【解決手段】本発明の樹脂造粒装置１は、ダイス３から押し出された溶融樹脂の材料Ｍをせん断するカッタナイフ４とカッタナイフ４を先端側に備えたカッタシャフト５とカッタシャフト５を回転自在に支持するドライブハウジング８とを備えており、このカッタシャフト５が軸垂直方向に沿ったカッタシャフト５の断面がカッタシャフト５の軸心回りに回転対称であると共にカッタシャフト５を軸垂直方向に変形させる際の剛性が上下方向に変形させる場合と水平方向に変形させる場合とで互いに異なるような異形断面形状に形成されていることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、混練機や押出機に設けられる樹脂造粒装置に関するものである。

例えば、特許文献１に示されるように、樹脂のペレットを製造する樹脂造粒装置では、ダイスから水中に押し出された溶融状態の樹脂をカッタ（カッタナイフ）が回転しながら切断することで造粒される。このカッタは板状のナイフホルダに取り付けられており、ナイフホルダはカッタシャフトの端部に固定されている。そして、このカッタシャフトのナイフホルダと反対側の端部はカップリングを介して駆動モータに連結されており、カッタシャフトの中途側はベアリングを介してハウジングに回転自在に支持されている。
それゆえ、駆動モータによりカッタシャフトを回転させると、ハウジングに対してカッタシャフトが回転し、カッタシャフトの端部に固定されたナイフホルダ及びこのナイフホルダに取り付けられたカッタがカッタシャフトの軸心回りに回転することになる。

特開平５−１４７０２５号公報

ところで、ベアリングには、カッタシャフトの軸直角方向にクリアランスが生じることがある。つまり、ベアリング取付時の調整不良や、運転中の不慮の調整ずれや、その他熱の影響等によりカッタシャフトはハウジングに対して軸直角方向にわずかに振れが許容されるように取り付けられることが起こり得る。
それゆえ、カッティングの際、何らかの理由によってカッタシャフトに対してカッタシャフトを軸心より上方に振る方向に力が加わると、自由端であるカッタシャフトのダイス側の端部が上方に振られ、カッタシャフトに垂直に取り付けられたナイフホルダがダイス面に対して傾斜することになる。そうすると、ナイフホルダの下側に取り付けられたカッタはダイス面に強く押し付けられるが、反対に上側に取り付けられたカッタはダイス面に弱く押し付けられる。

通常、ダイス面とダイス面に対して回転しているカッタとの間には摩擦力が働いているが、カッタの配置が回転対称であれば複数のカッタに作用する摩擦力は全体としてバランスが保たれている。しかし、カッタとダイス面との間に生じる摩擦力がダイスの上側と下側とでアンバランスになり、カッタシャフトが右方向に曲がったとする。
そうすると、今度はナイフホルダの左側に取り付けられたカッタナイフがダイス側に強く押し付けられ、右側に取り付けられたカッタナイフが弱く押し付けられることになる。そして、カッタとダイス面との間に生じる摩擦力がナイフホルダの左側と右側とでアンバランスになり、カッタシャフトが回転方向に沿って下方向に曲がる。すると今度は、摩擦力がナイフホルダの上側と下側とでアンバランスになり、カッタシャフトが回転方向に沿って左方向に曲がる。このようにして、カッタシャフトに振れ方向と垂直な向きに摩擦力が作用し続けることで、カッタシャフトには「すりこぎ」のような振れ回り運動が生じることになる。

つまり、カッタシャフトには、曲げ振動と摩擦力とが上下方向及び水平方向に連続して作用することで、それに起因して上述の振れ回り運動（不安定振動）が生じる。この振れ回り運動は、カッタシャフトの曲げが大きくなるほど摩擦力のアンバランスが大きくなるため自励的に大きくなりやすく、ペレットを安定して製造することができなくなる異常振動を招く虞があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、カッタシャフトが異常振動を起こすことがなく、ペレットを安定して製造することができる樹脂造粒装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の樹脂造粒装置は、ダイスから押し出された溶融樹脂の材料をせん断するカッタと、該カッタを先端側に備えたカッタシャフトと、前記カッタシャフトを回転自在に支持するハウジングと、を備えた樹脂造粒装置であって、
前記カッタシャフトは、軸垂直方向に沿った該カッタシャフトの断面がカッタシャフトの軸心回りに回転対称であると共に、当該カッタシャフトの軸垂直方向の剛性が直交する２方向で互いに異なるような異形断面形状に形成されていることを特徴とするものである。

このような異形断面形状に形成された部分では、直交する２方向（ここではＸ方向とＹ方向とする）で互いに剛性（曲げ剛性）が異なっているので、カッタシャフトはＸ方向に沿って曲がる場合とＹ方向に沿って曲がる場合とで曲がり方（変形量）が異なってくる。また、ダイス面とカッタとの間に生じる摩擦力もカッタシャフトがＸ方向に沿って曲がる場合とＹ方向に沿って曲がる場合とでは異なる。その結果、カッタシャフトに軸垂直方向に振れが生じても振れが自励的に増大することがなく、カッタシャフトが異常振動を起こすことがない。それゆえ、ペレットを安定して製造することができる。

なお、前記ハウジングには、前記カッタシャフトを回転自在に支持するベアリングが軸方向に距離をあけて一対設けられており、前記カッタシャフトにおける一対のベアリング間が、前記異形断面形状に形成されているのが好ましい。
前記カッタシャフトの異形断面形状に形成された部分は、軸心回りに円筒状に形成された前記カッタシャフトの外周面を軸心と平行な面に沿って切り欠いて形状することができる。
例えば、このような異形断面形状としては、前記軸心を挟んで対称な２箇所で該軸心と平行な平面を有する樽形状の断面や、長方形状の断面や、三角形状の断面が挙げられる。

本発明の樹脂造粒装置により、カッタシャフトが異常振動を起こすことがなく、ペレットを安定して製造することができる。

第１実施形態の樹脂造粒装置の正面断面図である。 （ａ）はカッタナイフの拡大断面図であり、（ｂ）はカッタシャフトの不安定振動を説明するための図である。 各実施形態の異形断面形状を示す説明図である。 その他の異形断面形状を示す説明図である。

以下、本発明の樹脂造粒装置１を図面に基づき説明する。
本発明の樹脂造粒装置１は、押出機や連続混練機の下流側に設けられており、押出機や連続混練機で混練され溶融された樹脂の材料Ｍから樹脂のペレットを造粒する装置である。本実施形態では、押出機の下流側に設けられた樹脂造粒装置１を例に挙げて、本発明の樹脂造粒装置１を説明する。
図１の模式図に示されるように、樹脂造粒装置１は、温水（冷却水）を下側の供給口から上側の排出口に向けて流通させる冷却室２（水室とも言う）を先端側の内部に備えている。この冷却室２内には、溶融された樹脂の材料Ｍを押し出すダイス３と、ダイス３から押し出された材料Ｍをせん断するカッタナイフ４（カッタ）とがある。このカッタナイフ４は長尺のカッタシャフト５の先端側の端部にナイフホルダ６を介して取り付けられており、またカッタシャフト５の基端側にはベアリングハウジング７とこのベアリングハウジング７を軸心方向に移動自在に支持するドライブハウジング８と、ベアリングハウジング７を上流側（ダイス３側）に向かって押圧する押圧手段９とが設けられている。

なお、以降の説明において、図１の紙面においてカッタシャフト５の軸心と平行な方向を樹脂造粒装置１を説明する際の軸心方向とする。また、図１の紙面の左側を樹脂造粒装置１及びカッタシャフト５を説明する際の上流側又は先端側とし、紙面の右側を下流側又は基端側とする。さらに、カッタシャフト５の軸心を中心として径方向に沿って遠ざかる方向を樹脂造粒装置１を説明する際の径外側又は径外方向とし、径外側からカッタシャフト５の軸心に近づく方向を径内側又は径内方向という。
以下、樹脂造粒装置１について詳しく説明する。

樹脂造粒装置１は先端側に冷却室ハウジング１５を備えており、この冷却室ハウジング１５の内部は空洞とされていて冷却室２となっている。冷却室２内には、冷却室２の上流側に樹脂の材料Ｍを押し出すダイス３が設けられている。
ダイス３は、カッタシャフト５と同軸心回りに円板状に形成されている。ダイス３の下流側に面する表面はその一部が下流側に向かって堤状に突出形成されている。この堤状に突出形成された部分の突端にはダイス面３ａが形成されている。
ダイス３には、ダイス３内を貫通するように複数の樹脂押出孔１０が形成されている。この樹脂押出孔１０の上流側の開口は押出機の内部に連通しており、溶融した樹脂を押出機からダイス３側に供給できるようになっている。樹脂押出孔１０の下流側はダイス面３ａに開口しており、この下流側の開口から水中に材料Ｍを押し出せるようになっている。ダイス面３ａは、軸心方向と垂直な方向を向いて平坦に形成されており、後述するカッタナイフ４の刃先が隙間なく接触できるようになっている。

ダイス３に接した状態で回転するカッタナイフ４は、ナイフホルダ６に複数取り付けられている。このナイフホルダ６は、カッタシャフト５の先端側の端部に取り付けられており、カッタシャフト５と同心な円板状に形成されている。ナイフホルダ６の先端側に面する表面にはカッタシャフト５の軸心から互いに等しい距離をあけて複数（本実施形態では１６枚）のカッタナイフ４が周方向に等間隔となるように設けられている。これらのカッタナイフ４は、いずれも軸心方向と垂直な方向に刃先を向けて取り付けられており、ダイス面３ａに刃先を隙間なく接触できるようになっている。それゆえ、カッタシャフト５が軸心回りに回転すると、カッタナイフ４がカッタシャフト５と一体に回転し、水中に押し出された材料Ｍが切断される。そして、切断された材料Ｍがペレットとして温水の流れに乗って搬送され、回収される。

カッタシャフト５は、軸心方向に沿って配備された部材であり、その先端は冷却室２内に伸びている。カッタシャフト５の冷却室２より基端側（カッタシャフト５の中程）は、樹脂造粒装置１の内部に備えられたベアリングハウジング７により回転自在に支持されている。カッタシャフト５の下流端はモータに接続されている。
ベアリングハウジング７は、軸心回りに略円筒状に形成された部材であり、冷却室ハウジング１５の下流側に隣接して配備されている。ベアリングハウジング７の内部にはカッタシャフト５が軸心方向に沿って貫通するように配設されており、ベアリングハウジング７の内周側には軸心方向に間隔をあけて複数（本実施形態では２箇所）のベアリング１１（軸受け）が設けられている。このベアリング１１は、ベアリングハウジング７に対してカッタシャフト５を回転自在に且つ軸心方向に移動を規制するように支持している。

ドライブハウジング８は、ベアリングハウジング７同様に冷却室ハウジング１５の下流側に隣接して配備されている。ドライブハウジング８は、下流側に向かって開口する筒状に形成されており、その内部にはベアリングハウジング７が軸心方向にスライド自在に収容されている。ドライブハウジング８の上流側には軸方向に沿ってドライブハウジング８内部を貫通する貫通孔１２が形成されており、この貫通孔１２にはカッタシャフト５が軸心方向に移動自在に挿通されている。貫通孔１２の孔内周面にはカッタシャフト５の外周面に接して冷却室２側を水密に保持する軸シール１３が設けられており、この軸シール１３により冷却室２に対する水密を維持しながらカッタシャフト５の軸心方向への移動と回転とができるようになっている。

ところで、カッタシャフト５やベアリング１１を高精度に設計したとしても、ベアリング取付時の調整不良や、当初に適正な調整を行っていた場合でも不慮の調整ずれや、熱の影響等により、ベアリング１１には内外輪と転動体との間に軸受け隙間分だけクリアランスが生じることがある。このクリアランスはカッタシャフト５の径外側に生じるので、このクリアランスのためにカッタシャフト５はドライブハウジング８に対して軸直角方向に若干量の振れが許容される。
図２（ａ）に示されるように、ダイス面３ａとカッタシャフト５との直角度の調整が十分でなかったり、その他何らかの偶発的な理由等でカッタシャフト５が軸心より上方に振れ角θだけ振られると、このカッタシャフト５と垂直に取り付けられたナイフホルダ６がダイス面３ａに対して傾斜することになる。

ナイフホルダ６には上述のように周方向に複数のカッタナイフ４が取り付けられており、通常は、それぞれのカッタナイフ４にはダイス面３ａとの間に略等しい摩擦力が接線方向に作用している。これらのカッタナイフ４はカッタシャフト５の軸に対して回転対称に配置されており、カッタナイフ４に加わる摩擦力のバランスをナイフホルダ６面上で保つことでカッタナイフ４に加わる摩擦力がカッタシャフト５に影響しないようになっている。
ところが、上方（図２（ｂ）の３側）に傾斜したカッタシャフト５の先端に取り付けられたナイフホルダ６を押圧手段９を用いてダイス面３ａに押し付けると、ナイフホルダ６の下側（図２（ｂ）の１側）に取り付けられたカッタナイフ４は、ナイフホルダ６の傾斜によってダイス面３ａに近づいているのでダイス面３ａに向かって強く押し付けられる。一方、カッタシャフト５の軸心を挟んで反対側に取り付けられた上側のカッタナイフ４は、ナイフホルダ６の傾斜によってダイス面３ａから離れているのでダイス面３ａに向かって弱く押し付けられる。その結果、下側のカッタナイフ４に生じる摩擦力の方が、上側にあるカッタナイフ４に加わる摩擦力より大きくなる。

例えば、ナイフホルダ６（カッタシャフト５）がダイス面３ａに対して図２（ｂ）の矢印の方向に回転している場合には、カッタシャフト５には右方向を向く摩擦力が優位に作用し、カッタシャフト５が右方向（図２（ｂ）の４の方向）に曲がる。
そうすると、今度はナイフホルダ６の左側に取り付けられたカッタナイフ４がダイス３側に強く押し付けられ、右側に取り付けられたカッタナイフ４が弱く押し付けられることになる。そして、カッタナイフ４とダイス面３ａとの間に生じる摩擦力がナイフホルダ６の左側と右側とでアンバランスになり、カッタシャフト５が回転方向に沿って下方向（図２（ｂ）の１の方向）に曲がる。

すると今度は、摩擦力がナイフホルダ６の上側と下側とでアンバランスになり、カッタシャフト５が回転方向に沿って左方向（図２（ｂ）の２の方向）に曲がる。このようにして、カッタシャフト５が曲がる方向とカッタナイフ４とダイス面３ａとの間に発生する摩擦力が作用する方向とは、図中の１から４の順に連続して変化する。そして、それに起因してカッタシャフト５がすりこぎのように振れ回る振れ回り運動（不安定振動）が起きる。
この振れ回り運動は、カッタシャフト５の曲げが大きくなるほど摩擦力のアンバランスも大きくなるので自励的に大きくなりやすく、ペレットを安定して製造することができなくなるような異常振動を招く虞がある。

そこで、本発明の樹脂造粒装置１では、カッタシャフト５を、直交する２方向で剛性が異なるような断面形状、言い換えれば軸垂直方向に変形させる際の剛性が上下方向に変形させる場合と水平方向に変形させる場合とで互いに異なるような異形断面形状に形成している。このようにすれば、例えばカッタシャフト５はその上下方向には変形しやすいが、その水平方向には変形しにくくなる（言い換えれば、上下方向と左右方向とで変形の度合いが異なる）。そして、カッタシャフト５の上下に配置されたカッタナイフ４がダイス面３ａに接触したときの摩擦力と左右に配置されたカッタナイフ４がダイス面３ａに接触したときの摩擦力との大きさが異なることになる。

このため、カッタシャフト５の曲がり方や摩擦力の発生が単調に繰り返される状況を回避することができ、その結果、カッタシャフト５の振れの自励的な増幅が抑制され、カッタシャフト５の異常振動を確実に防止することができる。
ただし、直交する２方向（例えば、上下方向と水平方向）で曲げ剛性が異なるような異形断面形状であっても、偏心回転を誘発するような異形断面形状にカッタシャフト５を形成するのは好ましくない。そこで、本発明の樹脂造粒装置１では、カッタシャフト５の軸心回りに回転対称な異形断面形状にカッタシャフト５を形成している。このようにすれば、カッタシャフト５が偏心回転をすることがない。

上述のような異形断面形状は、言い替えれば上下方向に変形した場合の断面２次モーメント（断面係数）と水平方向に変形した場合の断面２次モーメント（断面係数）とが異なるような形状であって、且つカッタシャフト５の軸心回りに回転対称な形状ということもできる。
このような異形断面形状にカッタシャフト５を形成するには、例えば軸心回りに円筒状に形成されたカッタシャフト５の外周面をその軸心と平行な面に沿って切り取れば良い。その際、図３（ａ）に示されるように円筒状の外周面の一部が軸心を挟んで対称な２箇所を切り取って、軸心と平行な平面を有する樽形状の断面にカッタシャフト５を形成したり、図３（ｂ）に示されるように外周面を軸心回りに４箇所に亘って切り取って長方形状の断面にカッタシャフト５を形成したり、図３（ｃ）に示されるように外周面を軸心回りに３箇所に亘って切り取って多角形状（図例では三角形状）の断面にカッタシャフト５を形成することができる。

このように上下方向の幅に比べて左右方向の幅が長い異形断面形状にカッタシャフト５を形成すれば、水平方向に沿ってカッタシャフト５を曲げる際の曲げ剛性（断面２次モーメント）が上下方向に沿ってカッタシャフト５を曲げる際の曲げ剛性に比べて大きくなり、上下方向に比べて水平方向に曲がり難くなる。
それゆえ、カッタシャフト５は上下方向には変形しやすいが、水平方向には変形しにくくなる。そして、ダイス面３ａに対してナイフホルダ６が傾斜している状態でカッタシャフト５を回転させた際、カッタシャフト５の上下側に配置されたカッタナイフ４がダイス面３ａに接触したときの摩擦力と左右側に配置されたカッタナイフ４がダイス面３ａに接触したときの摩擦力とに強弱が発生することになる。その結果、カッタシャフト５に一定の大きさのアンバランスな力が連続して加わらなくなり、カッタシャフト５の振れが自励的に増大することが防止でき、カッタシャフト５の不安定振動（異常振動）を抑制することができる。

また、異形断面形状に形成する部分は、カッタシャフト５のどの部分であっても良いが、あまりモータ側に近い部分を異形断面形状にするとかえってカッタシャフト５が振動する可能性があるため、カッタシャフト５におけるモータ（固定端）側よりはダイス３（自由端）側に形成されるのが好ましい。また、カッタシャフト５のブレを抑制するために上流側のベアリング１１がナイフホルダ６の近くに設けられた樹脂造粒装置１にあっては、カッタシャフト５の長さがダイス３側に限られているため、カッタシャフト５を異形断面形状に形成することが困難となる。それゆえ、この場合には、特にカッタシャフト５における一対のベアリング１１、１１間を異形断面形状に形成するのが好ましい。

また、カッタシャフト５における一対のベアリング１１、１１間を異形断面形状に形成する場合にあっては、一対のベアリング１１、１１間の一部を異形断面形状としても良いが、好ましくは少なくとも一対のベアリング１１、１１間距離の半分以上を異形断面形状にするのが良く、より好ましくは一対のベアリング１１、１１間を軸方向全長に亘って異形断面形状とするのが良い。
一方、上述のような異形断面形状に形成されたカッタシャフト５は、断面の図心（重心）がカッタシャフト５の軸心上に位置しており、また軸心回りに回転対称に形成されている。それゆえ、カッタシャフト５を偏心回転させることなく安定して回転させることができ、良形状のペレットを安定して製造することができる。

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、上記実施形態では丸棒状に形成されたカッタシャフト５に対して、一対のベアリング１１、１１間の外周面を軸心と平行な平面に沿って切り欠くことで形成された異形断面形状を例示した。しかし、切り欠く部分にかえて例えば図５（ａ）に示されるようにカッタシャフト５の外周面の一部を突出させて左右方向の曲げ剛性を上下方向の剛性より大きくすることもできる。また、切り欠く部分にかえて図５（ｂ）に示されるように、カッタシャフト５の外周面に、カッタシャフト５の曲げ剛性を変化させるような補強材を取り付けて、左右方向の曲げ剛性を上下方向の剛性より大きくすることもできる。さらに、外周面に突起を形成したり補強材を取り付けることは、上述のようにカッタシャフト５を樽形状、長方形状、又は三角形状の異形断面形状に形成するのに加えて行うこともできる。

また、上記実施形態では多角形状の異形断面を備えたカッタシャフト５として、長方形状や三角形状の異形断面を備えたものを例示した。しかし、カッタシャフト５に適用される多角形の異形断面形状としては、上下方向と左右方向との曲げ剛性を大きく異ならすことができるため長方形や三角形が好ましいが、それ以外の多角形状を適用しても良い。
さらに、上記実施形態のように円筒状の外周面を切り取る（切り欠く）際には、切り取りによって角や隅が鋭角にならないように曲面状や平面状に面取りを行っても良い。この場合、カッタシャフト５の異形断面形状は厳密な意味での樽形状、長方形状、又は三角形状等にならないこともあるが、本発明の異形断面形状にはこのような面取りによって僅かに変化した形状も含まれる。

１ 樹脂造粒装置
２ 冷却室
３ ダイス
３ａダイス面
４ カッタナイフ
５ カッタシャフト
６ ナイフホルダ
７ ベアリングハウジング
８ ドライブハウジング
９ 押圧手段
１０ 樹脂押出孔
１１ ベアリング
１２ 貫通孔
１３ 軸シール
１５ 冷却室ハウジング
Ｍ 材料

Claims (6)

1. ダイスから押し出された溶融樹脂の材料をせん断するカッタと、該カッタを先端側に備えたカッタシャフトと、前記カッタシャフトを回転自在に支持するハウジングと、を備えた樹脂造粒装置であって、
   前記カッタシャフトは、軸垂直方向に沿った該カッタシャフトの断面がカッタシャフトの軸心回りに回転対称であると共に、当該カッタシャフトの軸垂直方向の剛性が直交する２方向で互いに異なるような異形断面形状に形成されていることを特徴とする樹脂造粒装置。
2. 前記ハウジングには、前記カッタシャフトを回転自在に支持するベアリングが軸方向に距離をあけて一対設けられており、
   前記カッタシャフトにおける一対のベアリング間が、前記異形断面形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂造粒装置。
3. 前記カッタシャフトの異形断面形状に形成された部分は、軸心回りに円筒状に形成された前記カッタシャフトの外周面を軸心と平行な面に沿って切り欠いて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂造粒装置。
4. 前記カッタシャフトの異形断面形状に形成された部分は、前記軸心を挟んで対称な２箇所で該軸心と平行な平面を有する樽形状の断面を備えていることを特徴とする請求項３に記載の樹脂造粒装置。
5. 前記カッタシャフトの異形断面形状に形成された部分は、長方形状の断面を備えていることを特徴とする請求項３に記載の樹脂造粒装置。
6. 前記カッタシャフトの異形断面形状に形成された部分は、三角形状の断面を備えていることを特徴とする請求項３に記載の樹脂造粒装置。

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