JP2010179610A - 循環式混練機 - Google Patents

Abstract

【課題】投入した材料の温度調節を、生産効率を低下させずに適切に行うことができる循環式混練機を提供する。
【解決手段】シリンダ５に投入した材料を、内部に循環経路１０を有するスクリュー６を用いて混練する循環式混練機１は、シリンダ５の壁面に埋設されて、シリンダ５内の材料を加熱する加熱機構と、シリンダ５の周囲に設けられ、冷媒が流されて材料及び加熱機構を冷却するための冷却管路１３とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、対象物を混練するための循環式混練機、より詳しくは、混練中における対象物の温度を好適かつ迅速に調節することができる循環式混練機に関する。

高分子材料同士、あるいは高分子材料と無機材料とを混ぜ合わせて複合材料を製造するための装置として、例えば特許文献１に記載の循環式混練機が知られている。この循環式混練機は、駆動部に接続されたスクリューと、スクリュー外側に配設された加熱部と材料投入部とを有するシリンダ部と、スクリュー先端面と隙間を介して配置される押出し先端部とを備えている。スクリュー内部には樹脂が循環するための循環経路が形成されており、投入された材料（対象物）は、シリンダ及びスクリュー内を循環しながら混練されていく。

このような循環式混練機においては、混練の各工程において、材料を各工程に応じた所定の温度に調節する必要がある。そのため、ヒータ等の加熱機構や、冷媒が流れる冷却管路等が設けられるのが通常である。このうち、冷却管路の配置位置としては、材料の発熱をすばやく奪うという観点から、特許文献２に記載の装置のように、スクリューの内部に設けられることが提案されている。

特開２００５−３１３６０８号公報 特開平１０−２６４２３３号公報

しかしながら、特許文献２に記載の装置のようにスクリュー内部に冷却管路を設けると、スクリューが過度に冷却されることになる。その結果、一連の混練作業が終了した後で再度混練作業を開始するときに、材料を混練初期に必要とされる温度まで加熱するのに長時間を要することになる。したがって、混練作業間における生産リードタイムが長くなる結果、生産効率が低下してしまうという問題がある。

一方、これを解決するために加熱部の加熱温度を上げると、スクリュー以外の部位が過度に加熱される結果、発生する熱量が混練時に発生するせん断発熱の制御に悪影響を及ぼす。したがって、適切な温度調節が困難となるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、投入した材料の温度調節を、生産効率を低下させずに適切に行うことができる循環式混練機を提供することを目的とする。

本発明は、シリンダに投入した材料を、内部に循環経路を有するスクリューを用いて混練する循環式混練機であって、前記シリンダの壁面に埋設されて、前記シリンダ内の前記材料を加熱する加熱機構と、前記シリンダの周囲に設けられ、冷媒が流されて前記材料及び前記加熱機構を冷却するための冷却管路とを備えることを特徴とする。

本発明の循環式混練機によれば、冷却管路を流れる冷媒によってスクリューが過度に冷却されることなく、シリンダ及びシリンダ内の材料が好適かつ迅速に冷却される。

前記冷却管路は、前記シリンダの中心軸線と交差する隔壁によって、互いに連通しないように第１領域と第２領域とに分割されてもよい。この場合、第１領域と第２領域の冷却設定を変化させることができ、シリンダ内の材料の循環が円滑となるように温度調節を行うことができる。

前記第１領域には第１冷媒が流され、前記第２領域には、温度、流量、及び材料の少なくとも１つが前記第１冷媒と異なる第２冷媒が流されてもよい。この場合、第１領域と第２領域とが異なる冷却特性を有するように容易に設定することができる。

前記シリンダの前記壁面には、前記壁面と前記冷媒との接触面積を増加させるための補助管路が形成されてもよい。この場合、シリンダを過度に冷却することなく、効率よく加熱機構を冷却することができる。

本発明の循環式混練機によれば、投入した材料の温度調節を、生産効率を低下させずに適切に行うことができる。

本発明の第１実施形態の循環式混練機を示す全体斜視図である。 同循環式混練機の混練部及び冷却部の断面図である。 図２のＡ−Ａ線における断面図である。 図２のＢ−Ｂ線における断面図である。 同混練部のシリンダの先端側を示す拡大断面図である。 本発明の第２実施形態の循環式混練機を、冷却部を分解して示す斜視図である。 同循環式混練機の混練部及び冷却部の断面図である。 本発明の実施例の循環式混練機及び比較例の循環式混練機を用いて連続混練作業を行った結果を示す図である。

本発明の第１実施形態について、図１から図５を参照して説明する。図１は、本実施形態の循環式混練機（以下、単に「混練機」と称する。）を示す全体斜視図である。
図１に示すように、混練機１は、混練を行うシリンダ及びスクリューを有する混練部２と、混練部２を冷却するための冷却管路を有する冷却部３と、スクリューを回転させるための駆動部４と、を備えて構成されている。

図２は、混練部２及び冷却部３の断面図である。混練部２は、混練される材料が投入されるシリンダ５と、シリンダ５に挿通されたスクリュー６とを備えて構成されている。
シリンダ５は、略円筒状の内腔を有するように形成されている。シリンダ５の先端部５ｂには、シリンダ５の内部温度を調節するための温調部７が挿入されており、基端部５ｃから中間部５ａに向かってスクリュー６が挿入されている。シリンダ５の内腔は、温調部７及びスクリュー６によって気密が保たれており、材料が混練される混練空間として機能する。温調部７の構成や取付け態様については後述する。

なお、シリンダ６の内面には、材料の焼付けや変性を抑制するために、必要に応じてイオン注入スパッタリング等を用いて窒化被膜が形成されてもよい。窒化被膜を形成するための材料としては、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＣＮ等の各種材料を好適に採用することができる。

スクリュー６は、シリンダ５の中間部５ａに挿入される本体部８と、本体部８の基端側に設けられたフランジ９とを備えている。
本体部８はシリンダ５の中間部５ａの内径と略同一の外径を有し、外周面に突起８Ａがらせん状に延設されている。また、本体部８の先端からスクリュー６の中心軸とほぼ一致するように循環経路１０が設けられている。循環経路１０は、基端側に設けられた排出孔１１によって本体部８の外周面に連通している。これによって、本体部８の先端側に送られた材料は、循環経路１０及び排出孔１１を通って、再び本体部８の外周面側に送られ、循環しつつ混練が行われる。

フランジ９は、シリンダ５の中間部５ａの外径よりも大きい径に設定されて形成されている。そして、スクリュー６の本体部８は、フランジ９がシリンダ５の後端に当接するようにシリンダ５の基端部５ｃの内腔に挿入されている。
スクリュー６の基端は、駆動部４と接続されており、駆動部４の回転によって軸線回りに回転される。

冷却部３は、シリンダ５の外側を取り囲むように取り付けられた外装部材１２と、外装部材１２とシリンダ５の外周面との隙間に設けられた冷却管路１３とを備えて構成されている。図２に示すように、外装部材１２の内面とシリンダ５の外周面との間には、一定の隙間が設けられており、シリンダ５の周囲に設けられたこの隙間は、シリンダ５及びシリンダ５内の材料を冷却するための冷却管路１３となっている。

図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。外装部材１２の上部の壁面１２Ａには、冷却管路１３に冷媒を導入するための流入口１４が設けられており、壁面１２Ａと対向する下部の壁面１２Ｂには、冷却管路１３内を流れた冷媒が排出されるための流出口１５が設けられている。流入口１４には図示しないバルブ等が取り付けられており、冷媒の流入の有無や流量等を制御可能である。

流入口１４及び流出口１５の位置に特に制限はないが、シリンダ５を均一に冷却する観点からは、それぞれが対向する壁面に設けられるのが好ましい。また、冷媒の循環に重力を利用できるという観点からは、本実施形態のように、流入口１４を上部に、流出口１５を下部に形成するのが好ましい。
冷却管路１３に流される冷媒としては水を初めとする各種の公知の冷媒を適宜選択することができる。また、その流量についても適宜設定されてよい。

図４は、図２のＢ−Ｂ線における断面図である。このＢ−Ｂ線は後述する材料投入口１６のある位置にある。図３及び図４に示すように、外装部材１２の一部は内腔側に延びてシリンダ５の外壁と接続されている。そして、接続された部分の内腔が、シリンダ内に混練される樹脂材料を投入するための材料投入口１６となっている。

図５は、温調部７を示す拡大断面図である。温調部７は、シリンダ５を加熱するための複数（本実施例では４本）のヒータ（加熱機構）１７と、シリンダ５内部の温度を計測するためのセンサ１８とを備えて構成されている。

ヒータ１７は、図５に示すように、シリンダ５の先端側からシリンダ５の中間部５aの壁面内に延びるように埋設されており、シリンダ５の内部及び投入された混練樹脂材料を加熱する。図３に示すように、ヒータ１７はシリンダ５の壁面内に埋設されているので、シリンダ５の内壁よりもヒータ１７の方がより冷却管路１３に近い位置関係となっている。

センサ１８は、循環経路に流れる混練樹脂材料の温度を計測可能に配置されている。センサ１８は、混練中の樹脂材料の温度に耐えられるものであれば、公知のものが適宜選択されてよい。
ヒータ１７及びセンサ１８は、図示しない制御部に接続されており、センサ１８の検出する温度の値に基づいて、シリンダ内の温度がヒータ１７を介して所定範囲に保たれる。

駆動部４としては、例えばモータ等の回転駆動力を発生する公知の各種機構を採用することができる。

上記のように構成された混練機１の使用時の動作について説明する。
まず、ユーザは、材料投入口１６から混練する材料を投入する。投入する材料は、樹脂等の高分子材料や、無機材料等の各種材料から適宜選択されてよい。その後、ヒータ１７によって、シリンダ５の内部が設定された温度まで加熱される。

その後、スクリュー６が、例えば１０００〜１５００回転毎分（ｒｐｍ）程度に高速回転される。すると、混練機１内の材料のうち、スクリュー６の本体部８の外周面とシリンダ５の中間部５aの内周面との間に位置する材料は、スクリュー６によって粉砕されたり、ヒータ１７の熱で溶融されたりしながら、本体部８の突起８Ａによって押されて先端側に移動する。

移動した材料は、シリンダ５内の先端側に進入した後、循環経路１０に進入して、再び本体部８の基端側に送られ、排出孔１１を通って再びスクリュー６の外周面側に循環する。当該循環を繰り返すことによって材料が混練されていく。混練中は、スクリュー６の回転によるせん断発熱と冷却管路１３内を流れる冷媒の冷却効果がほぼ釣り合った状態となり、シリンダ内の温度はほぼ一定に保たれるが、材料の温度が所定の温度より低くなった場合は、制御部が流入口１４に設けられた図示しないバルブ等を閉じるよう制御して冷媒の供給を停止する。

混練が終了したら、材料を取り出してからヒータ１７を停止し、冷媒によってシリンダ５を冷却する。冷却管路１３はシリンダ５の外側に配置されているため、シリンダ５の壁面及び埋設されたヒータ１７は、効率よく冷却されていくが、シリンダ５に挿入されたスクリュー６は冷媒によって直接冷却されないので、スクリュー６が過度に冷却されることはない。

続けて混練を行う場合は、再度材料投入口１６から材料を投入してシリンダ５を加熱するが、このときもスクリュー６が過度に冷却されていないので、短時間で所望の設定温度までシリンダが加熱される。

本実施形態の混練機１においては、冷媒が流される冷却管路１３がシリンダ５の周囲に設けられているため、シリンダ５を冷却する際にスクリュー６が過度に冷却されることがない。したがって、数回継続して混練作業を行う際に各回の混練作業間におけるシリンダ５の冷却及び再加熱に要するリードタイムを短縮して、混練作業トータルの効率を著しく向上させることができる。

次に本発明の第２実施形態の混練機について、図２、図６、及び図７を参照して説明する。本実施形態の混練機２１と、上記第１実施形態の混練機１との異なるところは、冷却管路の形状である。
なお、上記第１実施形態に既出の各構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図６は、混練機２１の冷却部２２を分解して示す図である。外装部材１２とシリンダ５との間に形成された冷却管路２３は、シリンダ５の中心軸線１９（図２参照）方向に交差する隔壁２４によって、先端側の第１管路２３Ａ及び基端側の第２管路２３Ｂとに分割されている。各管路２３Ａ、２３Ｂは、それぞれ独立した流入口２５Ａ、２５Ｂ及び流出口２６Ａ、２６Ｂを有し、互いに連通しないように構成されている。隔壁２４は、中心軸線１９と直交するように形成されてもよい。

図７は、混練部２７及び冷却部２２の断面図である。ヒータ１７が埋設された付近のシリンダ５の外面には、シリンダ５の中心軸線１９方向に延びる溝２８が複数設けられている。溝２８には冷媒が進入可能であり、冷却管路２３と連通する補助管路として機能する。溝２８によってヒータ１７付近を流れる冷媒の量がより多くなり、ヒータ１７から所定値以内の範囲、例えば１センチメートル（ｃｍ）以内における冷媒とシリンダ５の壁面との接触面積が増加されている。

本実施形態の混練機２１においても、上述の混練機１と同様の効果を得ることができる。
また、シリンダ５の外面には、補助管路として機能する溝２８が設けられているため、ヒータ１７の近くをより多くの冷媒が流れてヒータ１７がすばやく冷却される。したがって、連続して混練を行う際のリードタイムをさらに短縮することができる。

さらに、隔壁２４によって冷却管路２３が互いに連通しない第１管路２３Ａ及び第２管路２３Ｂに分割されているので。第１管路２３Ａと第２管路２４Ａで冷却条件を変えることができ、よりきめ細かい温度調整を行うことができる。
例えば、混練が充分に行われるようにシリンダ５の先端側の内腔を狭く設定した場合は、基端側と同じ条件で先端側を冷却すると、材料が冷却されすぎることによって粘度が上昇し、循環経路１０を介した循環が円滑に行われなくなる場合がある。このような場合、第１管路２３Ａの冷却設定を第２管路２３Ｂの冷却設定よりも弱くすることで、材料の循環に影響を与えずに効率よくシリンダ５内の温度調節を行うことができる。

なお、冷却設定の変更については、冷媒の温度や材料を変えてもよいし、冷媒の流量を変えてもよい。さらにこれらを適宜組み合わせて冷却設定を異ならせても構わない。
また、本実施形態においては、冷却管路に隔壁２４及び補助管路としての溝２８が設けられた例を示したが、いずれか一方のみが設けられた場合でも一定の効果を奏するため、そのように構成されても構わない。

上述してきた各実施形態の混練機について、それぞれ混練機１及び混練機２１に対応する実施例1及び２と比較例とを用いてさらに説明する。

（実施例１）
混練する材料としてポリカーボネート及びポリエチレンの顆粒を１：１の割合で用意し、スクリュー６を１５００ｒｐｍで回転させて混練を行った。冷媒としては２５℃の水を使用し、毎分５リットルで冷却管路１３に流した。混練中の材料の温度は２３０℃に設定し、センサ１８の検出値が２３０℃未満となったときにバルブを閉めて冷媒の流れを止めるように制御した。

（実施例２）
実施例２では、冷却管路２３のシリンダ５の先端側から６ｃｍの位置に隔壁２４を形成し、さらにシリンダ５のヒータ１７付近の外壁に、補助管路として深さ５ミリメートル（ｍｍ）の溝２８を、シリンダ５の外壁面と略直交するように各ヒータについてそれぞれ２箇所形成した。
隔壁２４によって分割された冷却管路２３のうち、シリンダ５の先端側の第１管路２３Ａには、冷媒として２５℃の水（第１冷媒）を毎分１リットルで流し、基端側の第２管路２３Ｂには、冷媒として１０℃の水（第２冷媒）を毎分４リットルで流した。混練する材料、スクリューの回転数、混練中の材料の設定温度、及びセンサ１８による制御態様は実施例１と同様とした。

（比較例）
比較例の混練機としては、従来のようにスクリュー６の内部に冷媒が流れる冷却管路が形成されているものを使用した。その他の条件については、実施例１と同様とした。

実施例１及び２、並びに比較例の混練機を用いて、連続４回の混練作業を行った。各混練作業の間には、一旦シリンダ内を冷却してから新しい材料を投入し、設定温度まで再加熱してからその後の混練作業に移行した。混練作業終了後から次の混練作業開始までのリードタイムを温調時間とした。結果を図８に示す。

図８に示すように、各混練作業における加工前後の樹脂材料の温度については、各実施例１、２及び比較例の間で大きな差はなく、概ね良好な温度調整が行われた。混練された樹脂の品質にも大きな差はなかった。

しかし、各混練作業間の温調時間について見ると、比較例では３回の温調時間がそれぞれ８分程度かかっているのに対し、実施例１及び実施例２では、それぞれ約３分及び約２．５分で温調が終了しており、リードタイムが著しく短縮されていた。その結果、４回の混練作業に要した総時間は比較例では約４５分であったのに対し、実施例１では約２９分、実施例２ではさらに短い約２７．５分と、いずれも比較例に対して総時間を大きく短縮することができた。
比較例においてより長い温調時間を要したのは、スクリューを水冷する方式であるために、スクリューが過度に冷却されて再加熱により長い時間がかかったことによるものと推測された。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の第２実施形態においては、シリンダ５の外面に溝２８を設けることによって補助管路が形成される例を説明したが、これに代えて、断面が略ドーナツ状の補助管路が、埋設されたヒータを周方向に取り巻くようにシリンダ５の壁面内部に設けられてもよい。また、隔壁を２箇所以上設けることによって冷却管路が３以上の領域に分割されてもよい。

１、２１ 循環式混練機
５ シリンダ
６ スクリュー
１０ 循環経路
１３、２３ 冷却管路
１７ ヒータ（加熱機構）
２３Ａ 第１管路（第１領域）
２３Ｂ 第２管路（第２領域）
２４ 隔壁

Claims (4)

1. シリンダに投入した材料を、内部に循環経路を有するスクリューを用いて混練する循環式混練機であって、
   前記シリンダの壁面に埋設されて、前記シリンダ内の前記材料を加熱する加熱機構と、
   前記シリンダの周囲に設けられ、冷媒が流されて前記材料及び前記加熱機構を冷却するための冷却管路と、
   を備えることを特徴とする循環式混練機。
2. 前記冷却管路は、前記シリンダの中心軸線と交差する隔壁によって、互いに連通しないように第１領域と第２領域とに分割されていることを特徴とする請求項１に記載の循環式混練機。
3. 前記第１領域には第１冷媒が流され、前記第２領域には、温度、流量、及び材料の少なくとも１つが前記第１冷媒と異なる第２冷媒が流されることを特徴とする請求項２に記載の循環式混練機。
4. 前記シリンダの前記壁面には、前記壁面と前記冷媒との接触面積を増加させるための補助管路が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の循環式混練機。

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