JP2014533618A

JP2014533618A - 押出機混合要素

Info

Publication number: JP2014533618A
Application number: JP2014542997A
Authority: JP
Inventors: バブ・パドマナバン
Original assignee: スティアエンジニアリングプライベートリミテッド
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2014-12-15
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: CN104169063B; US10207423B2; WO2013128463A1; US20190105803A1; JP5860973B2; US20140036614A1; EP2747980B1; EP2747980A1; CN104169063A; US11312041B2

Abstract

共回転ツインスクリュー押出機のための要素が開示される。共回転ツインスクリュー押出機のための要素は、らせん状に形成され、リード‘Ｌ’を有する連続的なフライトを備え、フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形するか、またはフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトに戻るように変形する。

Description

本発明は、押出機のスクリュー要素に関する。特に、本発明は、共回転ツインスクリュー押出機のための混合要素に関する。

共回転ツインスクリュー押出機は、プラスチックの製作、合成および加工のみならず、ゴム、食品、塗装および医薬品の加工などの他の産業においても広く使用されている。共回転押出機は、今日スクリューシャフトに取り付けられた異なる加工要素によってモジュール式に組み立てられ、これにより押出機は異なる加工要求に適合することができる。スクリューのフライトがハウジングの内部(間隔を有する)をこする単独スクリュー機械とは対照的に、密接にかみ合う共回転押出機の必須の態様は、必要な間隔を除いてフライトがしっかりかみ合うことであり、スクリューは、互いに清掃するよう設計されたフライトによる「自己払拭」または「自己清掃」と考えられる。共回転ツインスクリュー押出機の旋回、運転原理および設計原理は、よく知られており、かつKlemens Kohlgrubeによる「Co-rotating Twin Screw Extruders- Fundamentals, Technology and Applications」（２００８年、ミュンヘンのCarl Hanser Publishers出版）という本に簡単に説明されている。

材料の吸入および搬送に加え、共回転押出機によって実行される最も重要な作業は、均一な溶融物を生成するための材料の混合である。共回転押出機における混合は、概して分配混合および分散混合の２つのタイプがある。上述のKlemens Kohlgruberによる文献の第９章１５９〜１６９頁を参照すると、分配混合は、成分または粒子の大きさを必ずしも低減することなく、対象の体積内での異なる成分または粒子の分配を指す。純粋な分配混合においては、高い流れの力が必ずしも適用される必要はない。せん断および伸張速度の絶対値ではなく、再配置プロセスのタイプおよび数が混合の質を決定する。無限の混合時間、すなわち無限の再配置によって、理論上は完全に均一な混合物が得られる。分配混合と対照的に、分散混合は、初めに固体粒子、液滴または気泡の分解または分散を伴い、かつ一般的に粒子または成分の大きさの減少を伴う。分散において、塊を砕くため、または溶融物および液体の間の境界面における表面張力に打ち勝つために十分高い流れの力が適用されなければならない。分散混合は、せん断および伸張速度の絶対値、および応力持続期間に依存する。

また特許文献１に記載されているように、分散および分配混合は、Erdmengerプロファイルを有する複数のニーディングディスクを備え、軸方向に並んで配置され、かつ互いに対して角度がオフセットされたニーディングブロックが通常使用される。ニーディングディスクは、それぞれ共回転押出機の２つのスクリューシャフトに互いに対向するように２つ１組で配置され、かつ密接にかみ合っている。従来のニーディングブロックにおける混合プロセスは、ランダムプロセス、すなわち個々の体積要素で行われる混合作業は強度が変化すると考えられている。したがって、混合物の高い均一性を達成するために、各単位体積がせん断力を受けることを可能な限り確実にするために、かなりの力学的エネルギーが消費されなければならない。個々のニーディングディスクに基づいて、いずれの場合でも扱われる材料の比較的少ない割合がきわめて強くせん断されるのに対し、多くの部分の材料は、せん断ディスクおよびバレル壁の間、または２つのニーディングディスクの間、および２つのニーディングディスクの間のせん断間隙から逃れ、結果として少しだけせん断される。この理由により、混合物の高い均一性を確実にするために、既知のタイプの非常に長いニーディングブロック、または高回転速度のいずれかが要求される。いずれの場合も、かなりの力学的エネルギーが消費され、かつ扱われる材料への熱の形で導入される。特に、ゴムの混合処理の間、比較的大量の熱の発生は、きわめて望ましくない。特許文献１はまた、単一ローブから３ローブへ、およびその逆に推移する要素を示す。しかし、開示される要素は、「自己払拭」を提供しない。

分配混合および分散混合の両方がより均一な溶融のために望ましいが、押出機要素の最適化は、一般的に両方のタイプの混合の長所と短所の妥協である。特許文献２は、分配混合および分散混合において既知の様々なタイプの押出機要素を記載している。共回転押出機要素における分配混合性能の向上は、典型的には押出機の払拭性能の損失または低下につながる。

米国特許第６９７４２４３号明細書米国特許第５９３２１５９号明細書

したがって、材料が受けるピークせん断力を除去または低減し、より均一な混合、かつより良い溶融温度制御のための分配混合を向上させ、かつ押出機の自己払拭性を維持する共回転押出機の押出機要素が長年の要望である。

共回転ツインスクリュー押出機の要素が開示される。共回転ツインスクリュー押出機の要素は、リード‘Ｌ’を有するらせん状に形成された連続的なフライトを備え、フライトはリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形するか、またはフライトがリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトに戻るように変形する。

添付図面は、本発明好ましい実施形態を示し、かつ以下の詳細な説明と共に本発明の原理を説明する。

組み立てられた本発明の実施形態による一対の共回転押出機要素を示す。本発明の実施形態による図１の要素の要素軸に沿った要素輪郭の変化を示す。本発明の実施形態による要素の立体等角図を示す。本発明の実施形態による図２の要素の別の立体等角図を示す。要素軸Ｘ１−Ｘ２に沿った図２および図３の要素の等角線図を示す。図４の要素の左側面図を示す。図４の要素の右側面図を示す。軸Ｘ１−Ｘ２に沿って反時計回りに要素を回転した図４の要素の右側面図を示す。軸Ｘ１−Ｘ２に沿って反時計回りに要素を回転した図４の要素の、要素軸Ｘ１−Ｘ２の端部Ｘ２から見た右側面図を示す。図８の要素の立体要素図である。図４の要素の正面図を示す。図４の要素の背面図を示す。

共回転押出機は、２つの筒状ハウジング穴を有するハウジングを備え、各ハウジング穴は、他方の軸に平行に配置された軸を有する。第１スクリューシャフトおよび第２スクリューシャフトは、第１および第２ハウジング穴にそれぞれ配置される。押出機加工要素は、第１および第２スクリューシャフトに取り付けられ、かつ押出機内に混合ゾーンを形成する。押出機要素は、スクリューシャフトのスプラインが係合される溝付き軸方向穴、またはスクリューシャフトの取り付けのための他の手段を備えることができる。

押出機要素は、要素上にフライトを形成する１または複数のローブを有する。ローブの数は、通常整数であり、かつ典型的には１から３のローブの間で変形する。このような押出機要素は、本願では「整数ローブ要素」と呼ばれる。ローブの数はまた、非整数とすることができ、このような要素は、「非整数ローブ要素」または推移ローブ要素と呼ばれる。

共回転ツインスクリュー押出機のための要素が開示される。要素は、リード‘Ｌ’を有し、かつ要素上にらせん状に形成されたフライトを有する。形成されたフライトは、中断または割り込みなく連続的である。フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形するか、またはフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトに戻るように変形する。要素輪郭のこの変形は、一対の要素アセンブリにおいて、一方の要素のピンの輪郭が他方の要素の溝の輪郭に係合するように、要素上に少なくとも１つのピンまたは１つの溝またはその両方を形成する。

図１（ａ）を参照すると、本発明の実施形態による組立体での一対の共回転押出機要素が示されている。各要素は、長さ４０ｍｍであり、かつリード‘Ｌ’もまた４０ｍｍである。点Ａにおいて、要素の輪郭は、整数ローブ要素であり、示された例においては２ローブである。点Ａにおける要素の輪郭は、輪郭１として図１（ｂ）に示されている。輪郭２〜４０は、非整数ローブ輪郭である。要素は、輪郭１から輪郭２に、そして連続的に輪郭４０まで変形する。整数ローブ要素輪郭の輪郭１から非整数ローブ要素輪郭の輪郭４０への要素の変形は、リード‘Ｌ’の何分の１かの間、開示の実施形態においては５ｍｍ内で起こる。そして要素は、次の５ｍｍで輪郭４０から輪郭１へ戻るように変形する。輪郭４０から輪郭１への要素の変形により、‘Ｌ’の何分の１かの間で非整数ローブ要素輪郭が整数ローブ要素輪郭に変形するようになる。図１の実施形態において、輪郭１は、２−ローブ要素であるのに対し、輪郭４０は、１：２：５０フラクショナルローブ要素である。

図１の実施形態において、整数ローブフライトから非整数ローブフライトへの変形、および非整数ローブフライトから整数ローブフライトへの変形は、１０ｍｍ、またはリード‘Ｌ’の何分の１かの間に起こる。

さらに実施形態によると、整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ、および戻る、または逆の変形は、複数回行うことができる。図１の実施形態において、整数ローブフライトから非整数ローブフライトへの、および戻る変形は、要素の長さに沿って４回繰り返されて４０ｍｍの要素が得られる。

図１の実施形態は、‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトリードへの、およびリード‘Ｌ’の何分の１かの間に戻る変形を示しているが、要素は、‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトリードへ、および‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトリードへ戻るように同様に変形することができる。

実施形態によると、要素は、多数のフライトおよびリード‘Ｌ’を有する。少なくとも１つのフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ変形する、およびリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトへ戻るように変形するか、またはフライトは、少なくとも一度リード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトへ変形し、かつ‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトリードへ戻るように変形する。別の実施形態によると、要素は、多数のフライトおよびリード‘Ｌ’を有し、各フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ変形し、かつ‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトリードへ戻るように変形するか、またはフライトは、‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトリードへ少なくとも一度変形し、かつ‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトリードへ戻るように変形する。

非整数ローブ要素は、フラクショナルローブ要素とすることができる。フラクショナルローブ要素は、Ｎ／ｎが整数になるような所定のフラクションによる第１整数要素（ｎ）および第２整数要素（Ｎ）の中間の要素であり、かつフラクションは、第１整数および第２整数の間での推移の度合いを決定する。単一のフライトローブおよび２−ローブは、１．２．ｘｘなどのフラクショナルローブを形成することができ、ここでｘｘは、１〜９９の任意の数とすることができる。１〜９９の数は、フラクショナルローブが単一のライト要素または２−ローブ要素のどちらのように見えるかを定める。表記１．２．ｘｘの数字１および２は、単一のフライト要素（１）および２−ローブ要素それぞれ（２）の中間のローブ要素であることを表す。単独ローブおよび２−ローブ要素から形成されたフラクショナルローブ要素の例は、図１に示され、かつより完全には、米国特許第６７８３２７０号明細書に記載されている。

単一のフライト要素および４ローブ要素は、また１．４．ｘｘによって示されるフラクショナル要素を形成することができ、ここでｘｘは、１〜９９の任意の数とすることができる。したがって、１．４．５０として表されるフラクショナルローブ要素は、単一フライトおよび４ローブ要素の中ほどの要素を表している。同様に、単一のローブ要素および３−ローブ要素［１．３．ｘｘ］、または２−ローブおよび４ローブ要素［２．４．ｘｘ］も組み合わせることができる。これらの組み合わせが、数多くのフラクショナルローブ要素をもたらす。

非整数ローブ要素は、無理数ローブ要素とすることができる。無理数ローブ要素は、ＷＯ２０１１／０７３１２１に記載されており、かつその教示はここに組み込まれる。

したがってこの開示によって教示されるような要素は、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に標準または整数ローブフライトからフラクションナルローブフライトに、かつ戻るように変形することができ、またはリード‘Ｌ’の何分の１かの間に標準または整数ローブフライトから無理数ローブフライトへ、かつ戻るように変形することができる。

図２〜図９を参照すると、本発明の実施形態による要素（１００）の異なる図が示されている。図２および図３は、押出機のスクリューシャフトに要素を取り付けるために、形成されたスプラインを有する中央穴（１０１）を有する要素（１００）の立体等角図を示している。中央穴は、要素軸Ｘ１−Ｘ２に沿って延在する。図２は、要素軸の端部Ｘ２から要素を見ているのに対し、図３は、要素軸の端部Ｘ１から要素を見ている。要素は、整数ローブ要素から非整数ローブ要素、フラクション１：２：５０のフラクションナルローブ要素に、および整数ローブ要素に戻るように、軸Ｘ１−Ｘ２に沿って４回変形する。ピン（１０２）および溝（１０３）は、要素上に形成される。

図４は、要素軸Ｘ１−Ｘ２に沿った図２および図３の要素の等角線図を示す。図５は、左側面図または図４の切断軸Ａ−ＢのＡ側からの図を示すのに対し、図６は、右側面図または図４の切断軸Ａ−ＢのＢ側からの図を示す。

図７は、要素を軸Ｘ１−Ｘ２に沿って反時計回りに回転することにより、図４の切断軸Ａ−ＢのＢ側から見た要素を示す。図８はまた、図４の軸Ｘ１−Ｘ２に沿って要素を反時計回りに回転することにより切断軸Ａ−ＢのＢ側から、かつ要素軸Ｘ１−Ｘ２の端部Ｘ２から見た要素を示す。図９は、図８の要素の立体要素図である。

図１０および図１１は、図４の要素の正面図および背面図である。正面図および背面図からわかるように、要素は、端部では２つのローブ要素であり、かつ要素軸Ｘ１−Ｘ２に沿って非整数要素に、および戻るように変形する。

特定の実施形態が以下に記載される。

共回転ツインスクリュー押出機の要素が開示される。共回転ツインスクリュー押出機のための要素は、リード‘Ｌ’を有するらせん状に形成された連続的なフライトを備え、フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブに戻るように変形するか、またはフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつ‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトリードに戻るように変形する。

共回転ツインスクリュー押出機のためのこのような要素において、非整数ローブフライトがフラクショナルローブフライトである。

共回転ツインスクリュー押出機のためのこのような要素において、非整数ローブフライトは無理数ローブフライトである．

共回転ツインスクリュー押出機のためのこのような要素において、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトへのフライトの変形、およびリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトへ戻る変形、またはリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトへのフライトの変形、およびリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトへ戻る変形は、要素上にピンおよび溝を形成する。

共回転ツインスクリュー押出機のためのこのような要素において、要素は、多数のフライトおよびリード‘Ｌ’を有し、少なくとも１つのフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形するか、またはフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトへ少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトに戻るように変形する。

共回転ツインスクリュー押出機のためのこのような要素において、要素は、多数のフライトおよびリード‘Ｌ’を有し、各フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトへ戻るように変形するか、またはフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトへ少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトへ戻るように変形する。

共回転ツインスクリュー押出機のこのような要素において、フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ複数回変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形する。

共回転ツインスクリュー押出機のためのこのような要素において、フライトは、整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトへ戻るように変形する。

開示により教示されたような要素は、共回転ツインスクリュー押出機での使用に適した混合要素である。要素は、均一な溶融物の混合を達成し、かつ過度のせん断による材料の劣化を低減することに適している。教示されたような要素はまた、共回転押出機の自己払拭性能について妥協しない。

１００要素
１０１中央穴
１０２ピン
１０３溝

Claims

共回転ツインスクリュー押出機のための要素であって、該要素は、らせん状に形成された、リード‘Ｌ’を有する連続的なフライトを備え、前記フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトへ少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形するか、または前記フライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトへ少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトへ戻るように変形する、要素。
前記非整数ローブフライトがフラクショナルローブフライトである請求項１に記載の要素。
前記非整数ローブフライトが無理数ローブフライトである、請求項１に記載の要素。
リード‘Ｌ’の何分の１かの間の整数ローブフライトから非整数ローブフライトへの前記フライトの変形、および‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトリードへ戻る変形、または‘Ｌ’の何分の１かの間の非整数ローブフライトから整数ローブフライトリードへの前記フライトの変形、および‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトリードへ戻る変形が、前記要素上にピンおよび溝を形成する、請求項１に記載の要素。
前記要素が多数のフライトおよびリード‘Ｌ’を有し、少なくとも１つのフライトは、リード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトに変形し、かつ‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトリードに戻るように変形するか、または前記フライトが、非整数ローブフライトから整数ローブフライトリードに‘Ｌ’の何分の１かの間に少なくとも一度変形し、かつおよびリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトに戻るように変形する、請求項１に記載の要素。
前記要素が多数のフライトおよびリード‘Ｌ’を有し、各フライトは、‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトリードに変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形するか、または前記フライトがリードに‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトから整数ローブフライトに少なくとも一度変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に非整数ローブフライトに戻るように変形する、請求項１に記載の要素。
前記フライトが複数回、‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトから非整数ローブフライトリードに変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形する、請求項１に記載の要素。
前記フライトが整数ローブフライトから非整数ローブフライトに変形し、かつリード‘Ｌ’の何分の１かの間に整数ローブフライトに戻るように変形する、請求項１に記載の要素。