JP2014534094A - プラスチック材料処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラスチック材料に前処理とそれに続く搬送および可塑化処理を行う装置に関し、この装置は、回転軸（１０）周りに回転可能な混合用および／または粉砕用器具（３）を有する容器（１）を備え、プラスチック材料の取り出し用開口（８）が側壁（９）に形成され、ハウジング（１６）内で回転するスクリュー（６）を有する搬送機（５）が設けられている。本発明は、搬送機（５）の軸線（１５）を搬送方向（１７）の反対方向に仮想的に延長した延長線が回転軸（１０）を通過し、流出側では、軸線（１５）とこの軸線（１５）に平行な半径（１１）との間にオフセット距離（１８）が存在し、アクティブ容器の容積（ＳＶ）と、容器またはカッターコンパクタ（１）の供給量（ＢＶ）との比（Ｖ）、Ｖ＝ＳＶ／ＢＶは、４≰Ｖ≰３０であり、アクティブ容器の容積（ＳＶ）は、下式【数１】によって規定されており、Ｄは容器（１）の内径であり、供給量（ＢＶ）は、下式【数２】によって規定されており、Ｈは取入れ口（８０）の高さであることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の装置に関する。

従来より、設計の異なる同様の装置が数多く開示されている。これらの装置には、リサイクル対象のプラスチック材料に粉砕、加熱、軟化等の処理を行う受け器（受け容器）またはカッターコンパクタと、これに取り付けられて上記調製材料を溶融する搬送機または押出機が備えられている。本発明は、可能な限り高品質の最終品を、主にペレット状で得ることを目的とする。

例えば、ＥＰ１２３７７１やＥＰ３０３９２９に記載の装置が従来技術として知られている。これらの装置は、受け器と、この受け器に取り付けられた押出機を備え、受け器に供されたプラスチック材料を、粉砕・混合用器具を回転させて粉砕することで流体化すると同時に、導入エネルギーで加熱するよう構成されている。このような工程を経て、良好な熱的均質性を有する混合物が形成される。こうして得られた混合物は、適当な滞留時間経過後、受け器からスクリュー型押出機へと排出されて搬送され、この間に、該混合は可塑化されたり、溶融される。これらの装置では、スクリュー型押出機が、粉砕用器具とほぼ同じ高さに配置されている。こうすることで、軟化したプラスチック材料は、混合用器具によって押出機内へと確実に送り込まれる。

しかし、かねてから公知のこうした装置の多くは、スクリューの送出端で得られる処理済みプラスチック材料の質、および／またはスクリューの出力量が十分ではない、という課題がある。容器のスクリュー下流側、主に可塑化用スクリューに求められる性能は装置の作動中に変わるが、これは加工対象の製品のバッチによって、容器滞留時間が長かったり短かったりすることに起因することが、これまでの研究でわかっている。材料の容器内滞留時間の平均は、容器に充填された材料の重量を、単位時間毎のスクリューからの排出量で割ることで求められる。しかし、こうして算出された平均滞留時間は、前述の通り、加工対象材料の大半には概ね有効な数値ではなく、実際には、この平均値を上回るか下回る偏差が不規則に見られる。こういった偏差は、容器に次々と送られてくる製品のバッチの違い、例えば、プラスチック材料の性状や厚みの違い、残留箔等、それ以外の制御不可能な事象に起因することもある。

熱的・機械的に均質の材料では普通、スクリューの計量部におけるねじ山の高さを十分に大きくし、スクリューの回転速度をかなり低く抑えれば、スクリューの送出端で得られる製品において、品質が改善される。スクリューの出力量の増加や、例えば、粉砕機と押出機を組み合わせた装置の性能向上を図りたいのであれば、スクリューの回転速度を上げる必要があり、それはすなわち剪断の程度を上げることである。しかし、そうすると、スクリューにより加工材料に加えられる機械的・熱的応力が大きくなり、プラスチック材料の分子鎖が損なわれる可能性がある。他の問題点としては、特にリサイクル材の加工中に、このリサイクル材に含まれる研磨粒子や金属材等の異物によって、スクリューやそのハウジングがさらに大きく摩耗する可能性である。各金属材は、スクリューやその軸受において、互いを横切るように移動するため、かなりの摩耗につながる。

一方、低速深切りスクリュー（ねじ山の高さが大きい）と高速スクリューのどちらにおいても、上述したように、フレークの大きさの違いやプラスチック材料の温度差等、スクリューに送られる材料の各バッチの品質のばらつきがあり、スクリューの送出端で得られるプラスチック材料が不均質になる問題がある。この不均質性という問題の対処法は、押出機の温度プロファイルを実際に上げることであるが、そうするには、エネルギーをプラスチックに追加供給することが必要になる。その結果、前述したプラスチック材料の熱破損や、所要エネルギー量の増加につながる。また、押出機の送出端で得られるプラスチック材料の粘度の低下にもつながり、プラスチック材料の易流動性が増すことで、該材料の加工を続けることが難しくなる。

これまで説明したように、スクリューの送出端で高品質の材料を得るのに有利な加工パラメータは互いに背反関係にある。

この問題に対しては、カッターコンパクタの直径をスクリューの直径に対して大きくすることが、当初試みられた。このように容器を従来よりサイズアップすることで、容器で前処理されるプラスチック材料の機械的・熱的均質性が改善された。このような改善がもたらされた理由は、次々と供される「常温」の未処理材料の、ある程度容器内で処理が済んだ量に対する質量比が通常の条件下よりも小さく、プラスチック材料の容器滞留時間の平均が実質的に長くなったからである。質量比が小さくなると、容器からスクリューのハウジングに進入する材料の熱的・機械的均質性が改善される。また、押出機のスクリューまたは凝集スクリューの端部で得られる可塑化材料や凝集化材料の品質向上に直接良好な結果をもたらす。スクリューに運ばれた時点では、製品は少なくともほぼ同一の機械的・熱的均質性を有しており、スクリュー自体が均質性を実現する必要がないからである。処理済みプラスチック材料の容器内における理論滞留時間は、ほぼ一定であった。さらに、大型容器を有するこの種のシステムは、従来のシステムより、投入量の正確さに対する感度が低い。

原則としては、この種のシステムは効率的に用いることができ、有用である。しかし、大きな直径、例えば、１５００ミリ以上の直径を有する容器やカッターコンパクタを備え、比較的滞留時間が長いシステムは、その優れた機能性や高いリサイクル品質を踏まえても、設置スペースや効率の点からは理想的なシステムとは言えない。

これらのシステムではまた、材料の取入れに関して問題があり、スクリューに適切な量の材料を供給することが困難な場合があった。

これらの公知の装置に共通する他の特徴としては、混合・粉砕用器具の搬送方向や回転方向、材料の粒子が受け器内を循環する方向、搬送機、特に押出機の搬送方向が、基本的に同一もしくは同様の向きを有する。これは、できるだけ多くの材料をスクリューへ送り込んだり、スクリューを強制循環させるために意図的に選択された構成である。また、搬送スクリューや押出機のスクリューにその搬送方向に粒子を送り込むことは自明であり、当業者が精通した考えである。これの意味するところは、粒子はその移動方向を反転する必要はなく、したがって、方向を転換する力を別に加える必要がない、ということである。これまで、また今後の進展においても、その目標は常に、スクリューへの充填量を最大化することと、送り込み作用を向上することである。例えば、押出機の取入れ領域を円錐状に拡大したり、粉砕用器具を鎌の形状に湾曲させ籠手のように用いて軟化材料をスクリューへ供給する等、様々な試みがなされた。押出機が流入側において、容器に対して径方向位置から接線方向位置まで変位すると、さらに送り込み作用が高まり、プラスチック材料を循環用器具から押出機へと運んだり送り込んだりする力が強くなる。

このように構成された装置は原則、その機能や動作は概ね満足のいくものであるが、以下に述べる問題が繰り返し発生している。

例えば、ＰＥＴ繊維やＰＥＴ箔等のエネルギー量の低い材料や、ポリ乳酸（ＰＬＡ）等の低温で粘着したり軟らかくなったりする材料では、同じ向きに各部が移動することで、プラスチック材料が圧力下で押出機や搬送機の取入れ領域に意図的に送り込まれると、材料がその直後押出機やスクリューの取入れ領域で溶融を始めてしまうことが、何度も確認されている。このことによって、まず、スクリューの搬送作用が弱まり、次に、この溶融物がカッターコンパクタや受け器の領域に逆流することもあり、その結果、まだ溶融していないフレークが溶融物に付着する。溶融物は冷却されてある程度固化し、その結果、この固化した溶融物や固形プラスチック材料が凝集したり、団塊が形成される。これにより、混合・粉砕用器具が材料を取入れたり、粘結させたりする作業が妨害されることになる。さらに、スクリューへの充填が十分に行われないことから、搬送機や押出機の出力や処理量が低下する結果にもつながる。また、混合・粉砕用器具の移動が抑えられる可能性もある。その様な場合、通常、システムを停止して徹底的に洗浄する必要がある。

また、すでに溶融域近くまでカッターコンパクタで加熱されているポリマー材料でも問題は起こる。取入れ領域への充填量が過剰であると、材料が溶融して上手く取入れることができない。

また、繊維材料でも問題はある。繊維材料はその多くが配向性を持ち線形であり、例えば、短冊状に切断されたプラスチック箔のように、ある程度縦に長く厚みや剛性が小さかったりする。細長い材料は、スクリューの取入れ口の流出端に留まり、短冊片の一端が受け器に延出し、その他端が取入れ領域に延出する。混合用器具やスクリューは同じ向きに移動しており、材料に対して同じ搬送方向や圧力を付与するため、短冊片は、その両端が同方向に張力や圧力を受け、取り除くのが不可能になる。その結果、前述の領域に材料が集積して取入れ口の断面が狭まり、取入れ性能が低下し、また、最終的に処理量の低下にもつながる。この領域でフィード圧が高まると、さらに溶融が起き、本明細書の冒頭部分で述べた問題につながる。

欧州特許第１２３７７１号明細書 欧州特許第３０３９２９号明細書

本発明は、前述した問題点を解決し、本明細書の冒頭部分で説明した構成の装置を、有感材料や短冊状の材料であっても、スクリューによる材料の取入れを問題なく行え、これらの材料に加工や処理を施して高品質材料を高い処理量で提供し、同時に、時間の有効利用、エネルギーの節約、設置スペースの最小化も達成するように構成することを、目的とする。特に、スクリューへの材料の装入を、最小限の妨害で行うことを目的とする。

請求項１に記載の特徴により、本明細書の冒頭部分で説明した構成の装置において、この目的を達成する。

第一に、搬送機、特に押出機が一つのスクリューを有する場合は搬送機の中心軸線、または搬送機が二つ以上のスクリューを有する場合は取入れ口に最も近いスクリューの軸線を、搬送機の搬送方向の反対方向に仮想的に延長した延長線は、回転軸を通過するが交差はしない。流出側では、搬送機が一つのスクリューを有する場合は搬送機の軸線、または取入れ口に最も近いスクリューの軸線と、該軸線に平行かつ搬送機の搬送方向で混合用および／または粉砕用器具の回転軸から外方へ向かう、容器の半径との間には、オフセット距離が存在する。

したがって、従来技術からわかるように、混合用器具の搬送方向と搬送機の搬送方向は同じ向きではなく、わずかに逆向きであり、本明細書の冒頭部分で述べた送り込み作用は、これによって低下する。公知の装置と比較して、混合・粉砕用器具の回転方向を意図的に反転させることで、取入れ領域のフィード圧は低下し、過剰充填のリスクは下がる。こうして、余分な材料が過度の圧力で搬送機の取入れ領域に送り込まれることがない。一方、取入れ領域に常に十分な材料がある状態で、それ以上の加圧を小さくするかゼロにすることで、むしろ該領域から材料の余剰分が除去されることになる。この方法では、スクリューへの過剰充填や、その結果材料の溶融を引き起こす局所的圧力ピークの発生を抑えることで、スクリューへ適量が充填され、かつスクリューが十分な材料を安定して取入れることが可能になる。

このように、取入れ領域の材料が溶融することを防ぎ、作業効率を向上させ、メインテナンス作業の回数を減らし、修理や洗浄による動作不能時間を減らすことができる。

フィード圧が下がることで、可動部位はスクリューの充填度を規制するように用いられてよりきめ細かく作用し、スクリューの充填度をより正確に調整することができる。こうすることで、特に、比較的重量の大きい材料、例えば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）やＰＥＴ等から成る粉砕再生材料の場合、システムを作動する理想点を特定することがより容易になる。

また、本発明では、反対方向に作動することで、すでにほぼ溶融点まで軟化した材料の取入れがより効率的に行える、という利点があることもわかった。特に材料がすでにドウ状または軟化状態にある場合、スクリューは材料を、容器の壁部に隣接するドウ状リングから切断する。スクリューの搬送方向に回転する場合、このリングは前方に押されてスクリューによる外層の除去が不可能になり、その結果、取入れ作業が損なわれる。本発明では、回転方向を反転することで、この問題を回避する。

さらに、上記の短冊状または繊維材料を処理する場合にこれらの材料が留まったり集積したりする現象は、まったく起こらないか、起こっても簡単に解決可能である。その理由としては、流出側または下流側で混合用器具の回転方向に位置する開口縁部では、混合用器具の方向ベクトルや搬送機の方向ベクトルは、ほぼ反対方向またはわずかに逆の方向を指し示し、細長い短冊片は屈曲することなく前記縁部で保持され、受け器内の混合渦に再び同伴されるからである。

本発明による全体的な作用効果としては、取入れ性能が向上し、処理量が著しく増えることである。カッターコンパクタや搬送機を備えるシステム全体の安定性や性能はこうして向上する。

さらに出願人は、実験を通じて、混合用器具によって渦の形状で回転させる材料一式の容量または量と、スクリューへの入り口前の容積とには関係があることを発見した。この入り口前の容積はまた、スクリューの直径によって決まる。なぜなら、この直径は、材料の取入れの態様、さらには単位時間毎の量、を決定する係数の一つだからである。カッターコンパクタの直径によって決まるアクティブカッターコンパクタの容積と、取入れ口の高さまたは領域に位置する容器にある、排出可能な材料の量とには、関係が見られた。材料の量は、取入れ口の高さによって決まり、取入れ性能に実質的に影響を与える。規定された比に従うことで、取入れ性能が実質的に改善される。これは恐らく、スクリューの搬送方向に対する器具の特定の回転方向によるものであり、取入れ口の高さの範囲内であって、容器内の全材料の量の一部分を表す、容器内の供給量からの材料の導入が、結果として改善されたことによるものである。

取入れ口の高さＨは、式Ｈ＝ｋ_１ｄを満たしていることが望ましい。ここで、ｄは取入れ口の領域において測定されたスクリューの平均直径であり、ｋ_１は定数であり、０．３≦ｋ_１≦１．５、好ましくは０．５≦ｋ_１≦１．１５である。したがって、スクリューの直径との関係を確立することができる。容器またはカッターコンパクタの供給量と、取入れ口の領域におけるスクリューの容積との比ＶＳ、ＶＳ＝ＢＶ／ＳＥは、２０≦ＶＳ≦７００、好ましくは５０≦ＶＳ≦４５０であることが望ましい。スクリューの容積は、下式

によって規定され、Ｌは搬送方向に拡大する取入れ口の有効長さであり、Ｔはスクリューのねじ山の高さである。

スクリューの直径との関係を確立するために、Ｌは式Ｌ＝ｋ_２ｄによって規定され、ｋ_２は定数であり、０．５≦ｋ_２≦３．５、好ましくは１≦ｋ_２≦２．８であり、および／または、Ｔは式Ｔ＝ｋ_３ｄによって規定され、ｋ_３は定数であり、０．０５≦ｋ_３≦０．２５、好ましくは０．１≦ｋ_３≦０．２５、特に０．１≦ｋ_３≦０．２であることが可能である。したがって、取入れ性能を最適化できる他の有利な関係を求めることができる。

特定の材料を考慮に入れるために、有効長さに係数をあてることができる。ここで

であり、Ｆ＝０．９である。この係数Ｆは、存在する任意の大きなスクリューのねじ山のらせん角度および特定の材料を考慮している。

本発明の有利な展開の一つとしては、混合用および／または粉砕用器具の径方向最も外方の点で描かれる円、または開口を通過して移送されるプラスチック材料に対して接線方向かつ受け器の半径に対して法線方向であり、混合用および／または粉砕用器具の移動方向または回転方向を指し示す方向ベクトル（回転方向における方向ベクトル）と、開口の全領域または個々の点、または開口の径方向すぐ手前の全領域または個々の点における搬送機の搬送方向における方向ベクトルのスカラー積が、ゼロまたはマイナス値であるように、搬送機が受け器上に配置されている。開口の径方向すぐ手前に位置する領域とは、開口をまさに通過しようとしている未通過材料が位置する開口手前の領域である。本明細書の冒頭部分で挙げた有用性はこのようにして実現され、送り込み作用によって発生する取入れ口の領域での凝集をすべて有効に防ぐことができる。ここで、混合用器具とスクリューを互いに対してどう空間配置するかに依存するものではなく、例えば、回転軸の方向は、基底面や搬送機やスクリューの軸線に対して法線方向である必要はない。回転方向における方向ベクトルや搬送方向における方向ベクトルは、好ましくは、水平面、または回転軸に対して法線方向になるように方向づけられた面内に存在する。

他の有用な形成態様としては、混合用および／または粉砕用器具の回転方向における方向ベクトルと、搬送機の搬送方向における方向ベクトルの間の角度は、回転方向または移動方向に対して上流側に位置する開口における縁部、特に該縁部または開口上にあってさらに上流側に位置する点におけるこの二つの方向ベクトルの交差する点で測定された場合、９０°以上かつ１８０°以下の範囲である。効果を得るには、搬送機を受け器上に配置する際の角度範囲をこのように構成する必要がある。開口の全領域またはその個々の点において、材料に作用する力はわずかに逆向きに作用し、極端な場合、この力の作用の向きは圧力が中和される垂直方向となる。混合用器具とスクリューの方向ベクトルのスカラー積は、開口のどの点においてもプラス値ではなく、開口の領域では、たとえその一部の領域であっても、送り込み作用が過剰になることはない。

本発明の他の有用な形成態様としては、回転方向または移動方向における方向ベクトルと、搬送方向における方向ベクトルの間の角度は、開口の中間位置にある二つの方向ベクトルが交差する点で測定された場合、１７０°から１８０°の範囲である。これは、搬送機がカッターコンパクタ上に接線方向に配置される場合の構成例である。

送り込み作用が必要以上に大きくならないように、軸線と径方向の間の距離またはオフセットは、搬送機またはスクリューのハウジングの内径の２分の１以上とするのが望ましい。

上記目的を達成するには、軸線と径方向の間の距離またはオフセットを、受け器の半径の５％または７％以上とするのがさらに望ましく、２０％以上とするのが特に望ましい。長い取入れ領域や溝付きブッシュや延長ホッパーを有する搬送機の場合、この距離またはオフセットを、受け器の半径と同等かそれ以上とすることが望ましい。この構成は、特に、搬送機が受け器に対して接線方向に取り付けられるか、容器の断面に対して接線方向に沿っている場合にも、当てはまる。

スクリューの最も外側のねじ山は、容器内に突出していないことが望ましい。

本明細書の特に有利な実施形態においては、搬送機またはスクリューの軸線、または取入れ口に最も近いスクリューの軸線は、容器の側壁の内側、またはハウジングの内壁、またはスクリューの包絡端に対して接線方向に沿っている。好ましくは、スクリューの端部に駆動機が接続され、スクリューがその反対端において、ハウジングの端部に設けられた排出口、具体的には、押出機のヘッド部へ搬送を行う。

径方向にオフセットされているが、接線方向に設けられていない搬送機の場合、搬送機の軸線を搬送方向の反対方向に仮想的に延長した延長線が、受け器内部のスペースを、少なくともその一部において、正割状に通過することが望ましい。

開口と取入れ口との間を、互いから分離したり搬送スクリュー等の移送部をその間に介在させずに、直接接続することが望ましい。こうすることで、材料を効果的かつ非侵襲的に移送することができる。

容器内を循環する混合・粉砕用器具の回転方向は、無作為な行為や過失で反転するものではない。混合・粉砕用器具は一定方向に非対称または方向性をもって配置されており、これらの器具は一方側または一方向のみに作用する。そのため、公知の装置や本発明の装置であっても、混合用器具を単に反対方向に回転させるのは可能ではない。仮に、このように構成された装置を間違った方向に意図して回転させた場合、良好な混合渦が形成されず、材料の粉砕や加熱が十分に行われない。したがって、各カッターコンパクタでは、混合・粉砕用器具は所定の回転方向が変更不可となっている。

このことに関連して、混合用および／または粉砕用器具における、プラスチック材料に作用し、回転方向または移動方向を指し示す前方領域または前方縁部の形成、構成、曲率および／または配置の態様は、回転方向または移動方向後部に位置する各領域と比較して違っていることが、特に望ましい。

この場合、混合用および／または粉砕用器具上に、プラスチック材料を回転方向または移動方向に加熱、粉砕、および／または切断する器具および／またはブレードを設けることが、望ましい。これらの器具および／またはブレードは、軸に直接締結されるか、好ましくは、回転可能な器具搬送機、またはそれぞれ基底面に平行に配置された搬送ディスクに設けられるか、またはこれらの内部に、例えば、一体成形して設けられる。

原則として、こういった効果は、圧縮用押出機や凝集器だけでなく、圧縮を行わないか圧縮作用が小さい搬送スクリューからも得られる。繰り返して言うが、局所的な過剰供給の発生が抑えられる。

他の有用な形成態様として、受け器が、基本的に円筒であり、受け器は、基底水準面と、これに対して垂直方向のシリンダージャケットの形状を有する側壁を有する。他の基本的な設計として、回転軸が受け器の中心軸線と一致している。他の有用な形成態様として、容器の回転軸または中心軸線が、基底面に対して垂直方向および／または法線方向である。これらの配置構成により、安定した簡単な構造を有する装置により、取入れ性能が最適化される。

これに関連して、混合用および／または粉砕用具、または混合用および／または粉砕用具が互いに重ねて載置されて複数設けられる場合は基台の最も近くに位置する最下位の混合用および／または粉砕用具が、特に受け器の高さ寸法の下から４分の１の領域に、基底面から小さな距離を置いて配置され、開口が同様に配置されることが、望ましい。上記の距離は、開口または取入れ口の最下位の縁部から、容器の縁部における容器台まで測定された距離である。隅にある縁部は幾分丸められており、したがって、該距離は、開口の最下位の縁部から、側壁を下方へ仮想的に延長した延長線に沿って、容器台を仮想的に外方へ延長した延長線までの距離を測定する。該距離の適切な範囲は、１０〜４００ｍｍである。

また、処理工程の他の有用な実施形態としては、混合用および／または粉砕用器具の径方向最も外側の縁部が側壁にほぼ達するように構成する。

断面を円形とする円筒形状は、実用性や製造技術の観点から有用な形状ではあるが、容器は必ずしもこの形状である必要はない。容器の形状として、断面を円形とする円筒形状の変形、例えば、円錐台の形状や平面視で楕円形の円筒形状を採用する場合、例示した形状容器の高さ寸法はその直径と同等であると想定の上、容積が同じで断面が円形の円筒状容器に換算・計算する必要がある。混合渦（安全上必要な距離を考慮した）を上回る容器の高さ寸法は、材料の加工に貢献することがなく不必要であるため、除外する。

搬送手段とは、主に、非圧縮または減圧作用を有するスクリュー、すなわち、搬送作用のみを有するスクリューを備えるシステムを意味するが、圧縮作用を有するスクリューを備えるシステム、すなわち、凝集化または可塑化作用を有する押出機のスクリューを備えるシステムのことも指す。

本明細書に記載する押出機や押出機のスクリューは、材料の完全溶融もしくは部分溶融に用いられる押出機やスクリューを意味するが、軟化材料を溶融ではなく凝集させるのに用いられる押出機のことも指す。凝集化作用を有するスクリューは、材料を短時間で大きく圧縮・剪断するが、スクリューによって材料が可塑化されることはない。したがって、凝集スクリューの送出端は、完全溶融はしていないが、その表面でのみ溶融し始めた、焼結固化されたような粒子から成る材料を送り出す。しかしどちらの場合も、スクリューは材料を加圧して圧縮する。

後続の図面の例示はすべて、例えば一軸スクリュー押出機のような、単一のスクリューを備えた搬送機を示す。別の選択肢として、二つ以上のスクリューを備えた搬送機、例えば、少なくとも同等の直径ｄを有する同一のスクリューを複数備えた、二軸・多軸スクリュー搬送機や二軸・多軸スクリュー押出機を用いることもできる。

本発明の他の特徴や作用効果は、本発明主題の実施例の記述から明らかであるが、これらの実施例は本発明に何ら限定を加えるものではなく、図面は原寸表示ではない。

図１は、ほぼ接線方向に取り付けられた押出機を備える本発明の装置の縦断面図である。 図２は図１の実施形態の横断面図である。 図３は、オフセットが最小化された別の実施形態を示す。 図４は、オフセットが比較的大きい別の実施形態を示す。

各図面では、容器、スクリュー、混合用器具はいずれも、それ単体または互いと比較して原寸での図示ではく、ほとんどの場合、容器やスクリューの実寸は図示より大きい。

図１と図２に示す、プラスチック材料の処理またはリサイクルに有用なカッターコンパクタと押出機が組み合わされた装置は、断面が円形の円筒形状を有する容器、カッターコンパクタ、または粉砕機１と、水平方向基底水準面２と、これに対して法線方向のシリンダージャケットの形状を有する垂直側壁９を備える。

器具搬送機１３または基底面２に平行な基準搬送ディスクが、基底面２から若干離間して設けられている。その離間距離は、基底面２から側壁９の最も外側の縁部まで測定した場合、側壁９の高さ寸法の最大約１０〜２０％またはそれ以下の小さな距離である。この搬送機またはディスクは、矢印１２で示す回転方向または移動方向１２に、容器１の中心軸線でもある回転中心軸線１０周りに回転可能とされている。容器１の下に設置されたモーター２１によって、搬送ディスク１３が駆動される。搬送ディスク１３の上側に、カッターブレード等のブレードまたは器具１４が配置され、搬送ディスク１３とともに混合用および／または粉砕用器具３を構成する。

図に示すように、搬送ディスク１３上に設けられるブレード１４は対称配置ではなく、プラスチック材料に対して特定の機械的作用を発揮できるように、回転方向または移動方向１２に面したその前方縁部２２において、特定の態様で形成、構成、配置が行われる。混合用・粉砕用器具３の径方向最も外側の縁部は、側壁９の内面に比較的近い点、この内面から容器１の半径１１の約５％程度離間した点に到達する。

容器１は、その頂部近くに、例えばプラスチック箔の部位等の加工対象製品が、矢印で示す方向に搬送機で装入される装入用開口を有する。容器１は密閉された容器であってもよく、この場合、バルブシステムを介して導入された材料を少なくとも産業用真空機で排出可能であればよい。前記製品は、循環している混合用および／または粉砕用器具３で受け取られて上昇し、混合渦３０を形成する。該製品は垂直側壁９に沿って上昇し、有効な容器高さ寸法Ｈの領域のあたりで、容器の内部かつ下方へ、その中心領域に向かって重力により後退する。容器１の有効高さ寸法Ｈは、その内径Ｄとほぼ同等である。容器１では、混合渦３０が上記のように形成され、材料はこの渦内を、上下方向かつ回転方向１２に循環される。混合用・粉砕用器具３またはブレード１４をこのように配置することで、この構成の装置は所定の回転方向または移動方向１２のみに作動し、回転方向１２は何らかの変更を加えない限りは、容易に反転することはない。

循環している混合用・粉砕用器具３は、導入されたプラスチック材料を粉砕・混合し、導入された機械的摩擦エネルギーを用いてこのプラスチック材料を加熱・軟化するが、溶融はしない。容器１で一定の滞留時間が経過後、均質化かつ軟化されてドウ状になってはいるが溶融はしていない材料は、以下に詳しく説明するように、開口８を介して容器１から取り出され、押出機５の取入れ領域へ運ばれて、そこでスクリュー６で受け取られ、その後溶融される。

本例では、前記開口８は、容器１の側壁９に、混合用・粉砕用器具３と同じ高さ位置に形成され、前処理の済んだプラスチック材料はこの開口を介して容器１の内部から取り出される。該材料は容器１上に接線方向に配置された一軸スクリュー押出機５へと運ばれる。押出機５のハウジング１６は、そのジャケット壁に取入れ口８０を有し、この取入れ口８０を介して材料がスクリュー６によって受け取られる。この実施形態の有利な点は、図に示すスクリュー６の上端が駆動機の影響を受けないように、スクリュー６が駆動機によって図に示す下方端から駆動される、ことである。可塑化または凝集化したプラスチック材料は、排出用開口を介してスクリュー６により搬送されるが、この排出用開口は、例えば、図示されない押出機のヘッド部として、押出機の上端に配置される。したがって、スクリュー６は、この排出用開口を介して、プラスチック材料を屈折させることなく搬送することができる。この構成は、図３と４に示す実施形態では実現しにくい。

取入れ口８０と開口８の間は、材料の搬送や移送をするために接続されており、本例では、取入れ口８０は、分離しないように、延長部材を介在させずに直接開口８と接続されている。非常に短い移送領域が設けられているだけである。

ハウジング１６には、圧縮作用を有するスクリュー６が設けられ、その軸線１５周りに回転可能に取り付けられている。スクリュー６の軸線１５と押出機５の軸線は一致する。押出機５は、材料を矢印１７の方向に搬送する。押出機５は、従来より周知の押出機であり、軟化されたプラスチック材料を圧縮・溶融し、溶融物は反対側端の押出機ヘッド部において排出される。

混合用および／または粉砕用器具３またはブレード１４は、押出機５の中心軸線１５とほぼ同じ高さに設けられている。ブレード１４の最も外側の端部はスクリュー６のねじ山から十分離間している。

図１と２に示す実施形態では、前述したように、押出機５は、容器１に対して接線方向に取り付けられているか、その断面に対して接線方向に沿っている。図面では、押出機５またはスクリュー６の中心軸線１５の、押出機５の搬送方向１７の反対方向から後方へ向かう仮想的延長線は、回転軸１０を通過するが、この軸と交差しない。流出側では、押出機５またはスクリュー６の軸線１５と、軸線１５に平行かつ混合用・粉砕用器具３の回転軸１０から押出機５の搬送方向１７に外方へ向かう容器１の半径１１との間に、オフセット距離１８が存在する。本例では、押出機５の軸線１５の後方へ向かう仮想的延長線は、容器１内部のスペースを完全には通過せず、その通過は短い距離にとどまる。

距離１８は、容器１の半径より多少大きくなっている。したがって、押出機５は外方に若干オフセットしているか、または、取入れ領域の深さ寸法が多少大きくなっている。

本明細書の「反対」や「反〜」「逆向き」の表現は、以下に詳細に説明するように、ベクトルの方向の内、互いに対して非鋭角なベクトル方向を指す。

言い換えれば、回転方向１２における、その向きが混合用および／または粉砕用器具３の最も外側の点により描かれる円または開口８を通過するプラスチック材料に対して接線方向にあり、混合用および／または粉砕用器具３の移動方向または回転方向１２を指し示す方向ベクトル１９と、押出機５の搬送方向における、中心軸線１５に平行な搬送方向に向かう方向ベクトル１７のスカラー積が、開口８の個々の点、また開口８の径方向すぐ手前の領域ではどの地点においてもすべてゼロまたはマイナス値であり、プラス値ではない。

図１と２に示す取入れ口の場合、回転方向１２の方向ベクトル１９と搬送方向の方向ベクトル１７の前記スカラー積が、開口８の各点において、すべてマイナスである。

開口８の回転方向１２に対して上流側に位置する点２０、または開口８における回転方向１２に対してさらに上流側に位置する縁部のどちらかで測定される、搬送方向の方向ベクトル１７と回転方向１９の方向ベクトルの間の角度αは、最大で約１７０°である。

図２に示す開口８に沿って下方、すなわち回転方向１２へ進むにつれて、二つの方向ベクトル間の傾斜角は次第に大きくなる。開口８の中心部では、方向ベクトル間の角度は約１８０°であり、上述のスカラー積は最大のマイナス値を示す。そこからさらに下方では、該角度は１８０°より大きくなり、スカラー積は小さくなるが、依然マイナス値のままである。しかし、これらの角度は、点２０で測定されたものではないため、角度αとは呼ばれない。

図２の図示にはないが、開口８の中心部で測定される、回転方向１９の方向ベクトルと搬送方向１７の方向ベクトルの間の角度βは、約１７８°〜１８０°である。

図２の装置は、第１の極限例または極値を表す。この配置構成により、かなり非侵襲的な送り込み作用や非常に有意な材料供給が可能になり、このように構成された装置は、溶融温度範囲近くで処理される有感材料や長い短冊状の材料には特に有用な装置である。

図３に示す別の実施形態では、押出機５が、容器１に対して接線方向に取り付けられていないが、その端部７を介して取り付けられている。押出機５のスクリュー６とハウジング１６は、開口８の領域において、容器１の内壁形状に合わせた形状をしており、同一平面になるように後方にオフセットされている。押出機５は、どの部分も一切、開口８を介して容器１内部のスペースに突出していない。

本例の距離１８は、容器１の半径１１の約５〜１０％であり、ハウジング１６の内径ｄの約２分の１である。したがって本実施形態は、最小オフセット値あるいは距離１８の第２の極限例または極値を表しており、混合用および／または粉砕用器具３の回転方向または移動方向１２は、押出機５の搬送方向１７に対して若干逆の向きであり、詳しくは開口８の全領域を横断している。

さらに上流側に位置する閾値点２０における図３のスカラー積は丁度ゼロになっており、この場合、この点は、さらに上流側の開口８における縁部２０’に位置する。図３の点２０で測定された、搬送方向の方向ベクトル１７と回転方向１９の方向ベクトルの間の角度αは、丁度９０°になっている。開口８に沿ってさらに下方、すなわち、回転方向１２に進むと、該方向ベクトル間の角度は次第に大きくなって、９０°より大きい傾斜角となり、同時にスカラー積はマイナス値になる。開口８のどの点や領域においても、スカラー積がプラス値を示すことはなく、該角度が９０°より小さくなることもない。したがって、開口８では、たとえその一部の領域であっても、局所的に過剰供給が発生することはなく、また開口８の領域では悪影響をもたらす過剰な送り込み作用につながることもない。

押出機５を正確に径方向に配置した場合、点２０または縁部２０’において角度αは９０°より小さく、図示における開口８の半径１１の上方、その上流側、または流入側に位置する開口８の各領域では、スカラー積はプラス値になる。このように径方向の配置だけを見ても決定的な差異が生まれる。したがって、局所的に溶融したプラスチック製品をこれらの領域に集積することができる。

図４は別の実施形態を示し、押出機５は、流出側で図３の図示よりも多少オフセットが大きいが、図１と２に示すように、依然として接線方向ではない。本例では、図３に示すように、押出機５の軸線１５を仮想的に後方に伸ばした延長線が、容器１内部のスペースを正割状に通過する。この結果、容器１の周方向に測定すると、開口８は図３の実施形態よりも幅寸法が大きくなる。これに対応して、距離１８もまた図３よりも大きくなるが、半径１１よりは多少小さい。点２０で測定された角度αは約１５０°であり、送り込み作用は図３の装置と比較して小さくなる。これは、特定の有感材料には有利な構成である。ハウジング１６の内壁または右手方向の内側縁部は、容器１から見て、容器１に対して接線方向である。したがって、図３とは違い、漸次傾斜する縁部はない。

図１〜図４は、容器またはカッターコンパクタ１の直径Ｄ、スクリュー６の直径ｄ、および、取入れ口８０の有効長さＬを示している。これらのパラメータＤ、ｄ、Ｌが、単なる例示であり、縮尺通りではない、実際の状態に相当していない態様において示されていることに留意されたい。

一連の実験は以下を示す。アクティブ容器の容積ＳＶ、つまり容器１のアクティブ容積と、容器１の供給量ＢＶ、特に、取入れ口（８０）の前にある容積との比Ｖ、Ｖ＝ＳＶ／ＢＶは、４≦Ｖ≦３０であり、好ましくは５≦Ｖ≦２５である。アクティブ容器の容積ＳＶは下式

によって規定されており、Ｄは容器１の内径であり、供給量ＢＶは下式

によって規定されており、Ｈは取入れ口８０の高さである。パラメータＨは、Ｈが式Ｈ＝ｋ_１ｄを満たすように選択されており、ｄはスクリュー６の直径であり、ｋ_１は定数であり、０．３≦ｋ_１≦１．５、好ましくは０．５≦ｋ_１≦１．１５である。

さらに、容器１の供給量ＢＶと取入れ口８０の領域におけるスクリューの容積ＳＥとの比ＶＳ、ＶＳ＝ＢＶ／ＳＥは、２０≦ＶＳ≦７００であり、好ましくは５０≦ＶＳ≦４５０である。スクリューの容積ＳＥは下式

によって規定されており、Ｌは搬送方向１７に拡大している取入れ口８０の有効長さであり、式Ｌ＝ｋ_２ｄによって規定することができ、ｋ_２は定数であり、０．５≦ｋ_２≦３．５、好ましくは１≦ｋ_２≦２．８であり、Ｔはスクリュー６のねじ山の高さであり、式Ｔ＝ｋ_３ｄによって規定されており、ｋ_３は定数であり、０．０５≦ｋ_３≦０．２５、好ましくは０．１≦ｋ_３≦０．２である。

最後に、有効長さＬに係数Ｆがあてられており、

であり、０．８５≦Ｆ≦０．９５、好ましくはＦ＝０．９であることが有利である。

規定された定数によって、妨害を回避し、処理量を増加させるために、装置を様々な材料あるいは、様々な材料との供給合成物に適合することが可能になる。

容器１は、押出機が搬送機として取り付けられているカッターコンパクタであることが好ましい。

断面が円形ではない容器１の場合、直径Ｄは、容器の断面領域を円形領域と関連させた計算によって決定され、この円の直径は容器の直径である。したがって、Ｄは、円筒形状の断面を有する容器１の内径（ｍｍ）であり、同一の容量を有するように計算された同一の高さの円筒形状の断面を有する仮想的な容器の内径（ｍｍ）である。

Claims (18)

1. プラスチック材料、特にリサイクルを目的とする熱可塑性プラスチック廃棄物に、前処理とそれに続く搬送、可塑化、または凝集処理を行う装置であって、前記装置は前記材料を加工するための容器（１）を備え、前記容器（１）には、回転軸（１０）周りに回転し、前記プラスチック材料を混合および加熱、さらに任意に粉砕するための少なくとも一つの混合用および／または粉砕用器具（３）が配置され、
   前処理後の前記プラスチック材料を前記容器（１）の内部から取り出すための開口（８）が、容器（１）の側壁（９）に、前記混合用および／または粉砕用器具（３）と同じ高さまたは基台に最も近い最下位に位置する前記混合用および／または粉砕用器具（３）の領域に形成されており、
   少なくとも一つの搬送機（５）、特に一つの押出機（５）が前処理後の前記材料を受け取るために設けられ、ハウジング（１６）内で回転し、特に可塑化作用または凝集作用を有する少なくとも一つのスクリュー（６）を備え、ハウジング（１６）は、その端部（７）またはジャケット壁に、前記スクリュー（６）が前記材料を受け取るための取入れ口（８０）を有し、前記取入れ口（８０）と開口（８）は接続されている、装置において、
   前記搬送機（５）の中心軸線（１５）または前記取入れ口（８０）に最も近い前記スクリュー（６）の中心軸線を、前記搬送機（５）の搬送方向（１７）の反対方向に仮想的に延長した延長線が、前記回転軸（１０）を通過するが交差はせず、前記混合用および／または粉砕用器具（３）の回転方向または移動方向（１２）の流出側では、前記搬送機（５）の軸線（１５）または前記取入れ口（８０）に最も近い前記スクリュー（６）の軸線と、前記軸線（１５）に平行かつ前記搬送機（５）の搬送方向（１７）で前記混合用および／または粉砕用器具（３）の回転軸（１０）から外方へ向かう前記容器（１）における半径（１１）との間にはオフセット距離（１８）が存在し、
   アクティブ容器の容積（ＳＶ）と、前記容器または前記カッターコンパクタ（１）の供給量（ＢＶ）との比（Ｖ）、Ｖ＝ＳＶ／ＢＶは、４≦Ｖ≦３０であり、好ましくは５≦Ｖ≦２５であり、前記アクティブ容器の容積（ＳＶ）は、下式
   

   

   によって規定されており、Ｄは前記容器（１）の内径であり、前記供給量（ＢＶ）は、下式
   

   

   によって規定されており、Ｈは前記取入れ口（８０）の高さであることを特徴とする装置。
2. 前記取入れ口（８０）の前記高さＨは、式Ｈ＝ｋ_１ｄを満たし、ｄは前記スクリュー（６）の直径であり、ｋ_１は定数であり、０．３≦ｋ_１≦１．５であり、好ましくは０．５≦ｋ_１≦１．１５であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、前記容器（１）の前記供給量（ＢＶ）と、前記取入れ口（８０）の領域におけるスクリューの容積（ＳＥ）との比（ＶＳ）、ＶＳ＝ＢＶ／ＳＥは、２０≦ＶＳ≦７００、好ましくは５０≦ＶＳ≦４５０であり、前記スクリューの容積（ＳＥ）は、下式
   

   

   によって規定されており、Ｌは前記搬送方向（１７）に拡大する前記取入れ口（８０）の有効長さであり、Ｔは前記スクリュー（６）のねじ山の高さであることを特徴とする装置。
4. Ｌは式Ｌ＝ｋ_２ｄによって規定されており、ｋ_２は定数であり、０．５≦ｋ_２≦３．５、好ましくは１≦ｋ_２≦２．８であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれかの請求項に記載の装置。
5. Ｔは式Ｔ＝ｋ_３ｄによって規定されており、ｋ_３は定数であり、０．０５≦ｋ_３≦０．２５、好ましくは０．１≦ｋ_３≦０．２５、特に０．１≦ｋ_３≦０．２であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれかの請求項に記載の装置。
6. 請求項１から５までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記有効長さ（Ｌ）に係数（Ｆ）があてられており、
   

   

   であり、０．８５≦Ｆ≦０．９５、好ましくはＦ＝０．９であることを特徴とする装置。
7. 請求項１から６までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記容器（１）と接している搬送機（５）において、前記混合用および／または粉砕用器具（３）の径方向最も外方の点で描かれる円または前記開口（８）を通過して搬送される前記プラスチック材料に対して接線方向であり、前記容器（１）の半径（１１）に対して法線方向であり、前記混合用および／または粉砕用器具（３）の移動方向または回転方向（１２）を指し示す回転方向（１９）における方向ベクトルと、前記開口（８）の個々の点または全領域、または前記開口（８）の径方向すぐ手前の各点または全領域における前記搬送機（５）の搬送方向における方向ベクトル（１７）のスカラー積が、ゼロまたはマイナス値であることを特徴とする装置。
8. 請求項１から７までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記混合用および／または粉砕用器具（３）の径方向最も外側の点の回転方向（１９）における方向ベクトルと、前記搬送機（５）の搬送方向における方向ベクトル（１７）の間の角度（α）は、前記混合用および／または粉砕用器具（３）の回転方向または移動方向（１２）に対して上流側の前記開口（８）における流入側縁部で二つの前記方向ベクトル（１７、１９）が交差する点、特に前記縁部または開口（８）上にあってさらに上流側に位置する点（２０）で測定された場合、９０°以上かつ１８０°以下の範囲であることを特徴とする装置。
9. 請求項１から８までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記回転方向または移動方向（１２）における方向ベクトル（１９）と、前記搬送機（５）の搬送方向における方向ベクトル（１７）の間の角度（β）は、前記開口（８）の中間位置にある二つの前記方向ベクトル（１７、１９）が交差する点で測定された場合、１７０°から１８０°の範囲であることを特徴とする装置。
10. 請求項１から９までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記距離（１８）は、前記搬送機（５）またはスクリュー（６）のハウジング（１６）内径の２分の１と同等またはそれよりも大きく、および／または、前記容器（１）の半径の７％以上、好ましくは２０％以上であり、前記距離（１８）は、前記容器（１）の半径と同等またはそれより大きいことを特徴とする装置。
11. 請求項１から１０までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記搬送機（５）の軸線（１５）を、前記搬送方向の反対方向に仮想的に延長した延長線は、前記容器（１）内部のスペースを、少なくとも一部において、前記容器（１）の断面に対して正割状に通過することを特徴とする装置。
12. 請求項１から１１までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記搬送機（５）は、前記容器（１）に対して接線方向に取り付けられているか、または前記容器（１）の断面に対して接線方向に沿っており、または、前記搬送機（５）またはスクリュー（６）の軸線（１５）、または前記取入れ口（８０）に最も近い前記スクリュー（６）の軸線は、容器（１）の側壁（９）の内側、または前記ハウジング（１６）の内壁、または前記スクリュー（６）の包絡端に対して接線方向に沿っており、前記スクリュー（６）の端部（７）に駆動機が接続され、前記スクリューが、その反対端において、具体的には押出機のヘッド部である、前記ハウジング（１６）の端部に設けられた排出口へ搬送を行うことを特徴とする装置。
13. 請求項１から１２までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記開口（８）と取入れ口（８０）との間を、分離しないように、移送部または搬送スクリューを介在させずに直接接続することを特徴とする装置。
14. 請求項１から１３までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記混合用および／または粉砕用器具（３）は、前記回転方向または移動方向（１２）に前記プラスチック材料に粉砕、切断および加熱作用を有する器具および／またはブレード（１４）を備え、好ましくは、前記器具および／またはブレード（１４）は、具体的には基底面（１２）に平行に配置される搬送ディスク（１３）である、回転可能な器具搬送機（１３）に配置または形成されることを特徴とする装置。
15. 請求項１から１４までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記混合用および／または粉砕用器具（３）またはブレード（１４）おける、前記プラスチック材料に作用し、前記回転方向または移動方向（１２）を指し示す前方領域または前方縁部（２２）の形成、構成、曲率および／または配置の態様は、前記回転方向または移動方向（１２）後部に位置する各領域と比較して違っていることを特徴とする装置。
16. 請求項１から１５までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記容器（１）は基本的に、その断面が円形の円筒形状を有し、基底水準面（２）とこれに対して垂直方向のシリンダージャケットの形状を有する側壁（９）を有し、および／または前記混合用および／または粉砕用器具（３）の回転軸（１２）が前記容器（１）の中心軸線と一致し、および／または前記回転軸（１０）または中心軸線が前記基底面（２）に対して、垂直および／または法線方向であることを特徴とする装置。
17. 請求項１から１６までのいずれかの請求項に記載の装置であって、最下位に位置する前記器具搬送機（１３）または最下位に位置する前記混合用および／または粉砕用器具（３）および／または前記開口（８）は、特に前記容器（１）の高さ寸法の下から４分の１の領域において、前記基底面（２）から小さい距離を置いて、好ましくは、前記基底面（２）から１０ｍｍ〜４００ｍｍの距離を置いて、前記基台に近接して配置されることを特徴とする装置。
18. 請求項１から１７までのいずれかの請求項に記載の装置であって、前記搬送機（５）は一つの圧縮スクリュー（６）を有する一軸スクリュー押出機（６）、または二軸／多軸スクリュー押出機であり、各前記スクリュー（６）の直径ｄはすべて同一であることを特徴とする装置。

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