JP2016185668A - 多軸混練機 - Google Patents

Abstract

【課題】流路を十分に絞り、それによって十分な混練度の調整幅を確保する。
【解決手段】２本のスクリュは第１の回転軸の周りを回転可能であり、一対のゲート棒５は２本のスクリュ４を挟んで互いに対向して設けられ、第２の回転軸Ａ２の周りを回転可能である。一対のゲート棒の各々は２つの凹部９を有し、互いに対向する凹部９によって２本のスクリュがそれぞれ貫通する空間部が形成されている。一対のゲート棒５の各々は、スクリュ４との間で形成される流路の面積が最小となる最小開度位置に回転したときにスクリュ４に面接触する第１の接触面２１と、シリンダ４の溝に嵌合する大径部２４，２７と、２つの第２の回転軸Ａ２の軸間距離の半分に等しくかつ大径部２４，２７より小さい曲率半径を有する小径部２５と、を有し、一対のゲート棒の小径部２５同士が互いに接している。
【選択図】図３

Description

本発明は多軸混錬機に関し、特にゲート部に用いられるゲート棒の構造に関する。

合成樹脂原料に対して特性の均質化、改質、材料の添加などを目的とした様々な加工処理を行うための多軸混錬機が公知である。特許文献１に記載された、多軸混錬機の一例である二軸混錬機は、内部に空間が設けられたシリンダと、シリンダ内を互いに平行に延びる２本のスクリュとを有している。２本のスクリュが同一方向または反対方向に回転することで、上記の加工処理が行われる。合成樹脂原料は多軸混錬機の供給口から供給され、輸送部で輸送され、混錬部で混錬され、吐出口から排出される。

混錬部の出口側には混錬度を調整するためのゲート部が設けられている。ゲート部は合成樹脂原料が通る流路の断面積を可変に制御することで、混錬部における合成樹脂原料の混錬度を調整する。特許文献１にはゲート棒を備えたゲート部が記載されている。一対のゲート棒が、２本のスクリュを挟んで互いに対向して設けられている。ゲート棒はスクリュの延びる方向と直交する回転軸の周りを回転することができる。ゲート棒は２つの凹部を備えている。一対のゲート棒の互いに対応する凹部同士が対向するとともに、互いに対向する凹部によって２本のスクリュが貫通する空間が形成されている。ゲート棒が回転することで、スクリュの周囲の流路断面が変化する。これによって合成樹脂原料の混錬度を調整することができる。ゲート棒は全体として円筒形の外形を有している。

ゲート棒は、スクリュとの間で形成される流路面積が最小となる最小開度位置と、流路面積が最大となる最大開度位置と、の間を回転することができる。ゲート棒の凹部は、流路の一部を形成する流路形成面と、流路形成面に対して切り欠かれた第１の接触面と、を有している。ゲート棒が最小開度位置に回転したとき、第１の接触面がスクリュの外面に面接触し、流路を絞る。流路形成面はシリンダと同じ曲率半径を有し、第１の接触面はスクリュと同じ曲率半径を有している。

特開２０００−３０９０１８号公報

最小開度位置での流路面積は第１の接触面がスクリュに面接触する範囲によって決まり、その範囲が大きいほど流路面積を絞ることができる。特許文献１に記載された二軸混錬機は、全体として同じ半径の円形断面を有している。そして流路形成面の曲率半径が第１の接触面の曲率半径より大きいため、ゲート棒が最小開度位置に回転したときに第１の接触面同士が十分に近接することができない。この結果、スクリュの両側に流路を閉じることができない領域が生じる。流路を十分に絞ることができないため、十分な混錬度の調整幅を確保することができない。

本発明は、流路を十分に絞ることができ、それによって十分な混錬度の調整幅を確保することができる多軸混錬機を提供することを目的とする。

本発明の多軸混錬機は、内壁に溝を備えるシリンダと、シリンダ内を互いに平行に延び第１の回転軸の周りを回転可能な少なくとも２本のスクリュと、少なくとも２本のスクリュを挟んで互いに対向して設けられ、第１の回転軸と直交するそれぞれの第２の回転軸の周りをシリンダの溝に沿って回転可能な一対のゲート棒と、を有している。一対のゲート棒の各々は少なくとも２つの凹部を有し、互いに対向する凹部によって少なくとも２本のスクリュがそれぞれ貫通する空間部が形成されている。一対のゲート棒の各々は、スクリュとの間で形成される流路の面積が最小となる最小開度位置に回転したときにスクリュに面接触する第１の接触面と、シリンダの溝に嵌合する大径部と、２つの第２の回転軸の軸間距離の半分に等しくかつ大径部より小さい曲率半径を有する小径部と、を有し、一対のゲート棒の小径部同士が互いに接している。

本発明では一対のゲート棒が小径部を有しかつ小径部同士が互いに接している。そのため、ゲート棒が最小開度位置に回転したときに第１の接触面同士が近接することが可能となる。その結果、最小開度位置での流路面積を絞ることが容易となる。

本発明によれば、流路を十分に絞ることができ、それによって混錬度の十分な調整幅を確保することができる多軸混錬機を提供することができる。

本発明の多軸混錬機の概略断面図である。 スクリュとゲート棒の概略斜視図である。 ゲート棒の断面図である。 ゲート棒の開閉動作を示す概念図である。 ゲート棒の開閉動作を示す概念図である。 従来技術のゲート棒の開閉動作を示す概念図である。 従来技術のゲート棒の開閉動作を示す概念図である。

図面を参照して本発明の多軸混錬機の実施形態について説明する。ここでは二軸混錬機の実施形態について述べるが、本発明は、より一般的には、複数のスクリュを有する多軸混錬機に適用することができる。以下の説明及び図面において、スクリュの延びる方向、ないし第１の回転軸Ａ１の方向をｘ方向、ゲート棒５の延びる方向、ないし第２の回転軸Ａ２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向をｚ方向とする。ｚ方向は鉛直方向に一致している。さらに第１の回転軸Ａを内包してｚ方向に法線を待つ平面を基準面Ｐとする。

また、本明細書中では、ゲート棒について「第１〜第３の接触面」という用語を用い、ゲート棒とスクリュあるいは上下のゲート棒同士の位置的関係について、「接触」「面接触」「当接」等の用語を用いているが、これらの用語は実際に接触ないし当接する場合のほか、わずかな間隙をもって対向する場合を含んでいる。

図１は多軸混錬機の概略断面図を示している。図２はスクリュとゲート棒の概略斜視図であり、図２（ａ）はゲート棒が最少開度位置に回転した状態を、図２（ｂ）はゲート棒が最大開度位置に回転した状態をそれぞれ示している。多軸混錬機１は、ベース２に支持されたシリンダ３と、シリンダ３内の空間３ａを互いに平行にｘ方向に延びる２本のスクリュ４と、を有している。２本のスクリュ４はｙ方向に配列しており、図１では、２本目のスクリュは図示のスクリュ４の奥にあり図示されていない。２本のスクリュ４は回転駆動手段（図示せず）に連結されており、第１の回転軸Ａ１の周りを同じ方向または互いに異なる方向に回転することができる。２本のスクリュ４は同じ形状と同じ外径を有している。

シリンダ３の一端側に樹脂原料の供給口１１が、他端側に樹脂原料の吐出口１２が設けられている。供給口１１と吐出口１２の間には、供給口１１から吐出口１２に向かって、輸送部１３ａ、混練部１４、ゲート部１５、輸送部１３ｂが設けられている。輸送部１３aは供給口１１から供給された樹脂原料を混錬部１４に移送する。混錬部１４は輸送部１３aから送られた樹脂原料を混錬し、樹脂原料に対して特性の均質化、改質、材料の添加などを目的とした様々な加工処理を行う。ゲート部１５は樹脂原料の流路を可変制御し樹脂原料の混錬度を調整する。ゲート部１５の詳細は後述する。輸送部１３ｂは混錬度の調整された樹脂原料を吐出口１２に移送する。輸送部１３ｂには揮発成分の除去のためのベント口１６が設けられている。ベント口１６は樹脂原料の種類によっては省略することができる。吐出口１２は混錬度の調整された樹脂原料を多軸混錬機の外部に排出する。

各スクリュ４は、第１の回転軸Ａ１を中心軸とするロータ４ａと、ロータ４ａの外周に設けられた突条の形態のフライト４ｂ，４ｃと、を有している。各スクリュ４の輸送部１３ａ，１３ｂに対応する部位には、第１の回転軸Ａ１の周りをロータ４ａの外周に沿って螺旋状に連続的に延びるフライト４ｂが設けられている。各スクリュ４の混練部１４に対応する部位には、第１の回転軸Ａ１の周りをロータ４ａの外周に沿って螺旋状に延びる不連続なフライト４ｃが設けられている。各スクリュ４のゲート部１５に対応する部位はフライト４ｂ，４ｃが設けられておらず、凹凸のない円筒形のロータ４ａのみが設けられている。ゲート部１５において、スクリュ４は以下に述べるゲート棒５とともに樹脂原料の流路１８を形成する。スクリュ４は、輸送部１３ａ，１３ｂ、混練部１４、ゲート部１５等の区間に対応する別々のスクリュエレメントを軸方向に連結することで形成されているが、一体形成することもできる。

ゲート部１５には、２本のスクリュ４を挟んでｚ方向に互いに対向する一対のゲート棒５（以下、上側ゲート棒５ａ、下側ゲート棒５ｂという場合がある）が設けられている。各ゲート棒５はｙ方向に延び、第１の回転軸Ａ１と直交する第２の回転軸Ａ２の周りを回転することができる。シリンダ３のスクリュ４を挟んだｙ方向両側側面に貫通孔（図示せず）が形成されており、各ゲート棒５はこの貫通孔を貫通して、シリンダ３に回転自在に支持されている。シリンダ３の内面には、ｙ方向に延びる溝６が形成されている。溝６は円筒をその中心軸と平行な面で切り取ることで形成される部分円筒形状を有し、曲率半径はほぼゲート棒５の大径部２４，２７（後述）の半径に等しい。ゲート棒５は溝６に嵌合し、溝６の中で回転することができる。

図３はゲート棒の概略図であり、図３（ａ）はゲート棒の正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線に沿った中間部の断面図、図３（ｃ）３Ｃ−３Ｃ線に沿った壁部の断面図を示している。図３は上側ゲート棒５ａを示しているが、下側ゲート棒５ｂも上側ゲート棒５ａと同じ構成を有している。一対のゲート棒５の各々は、第２の回転軸Ａ２ないしｙ方向に沿って配列する３つの壁部７と、互いに隣接する２つの壁部７の間にそれぞれ位置する２つの中間部８と、を有している。２つの中間部８と３つの壁部７は第２の回転軸Ａ２に沿って交互に位置しており、より具体的には、壁部７ａと、中間部８ａと、壁部７ｂと、中間部８ｂと、壁部７ｃが第２の回転軸Ａ２に沿ってこの順で位置している。

２つの中間部８のそれぞれは凹部９を備えている。凹部９は、スクリュ４の第１の回転軸Ａ１と平行なｘ方向に延びる半円柱状の溝の形状を有している。２つのゲート棒５の互いに対応する壁部７同士及び中間部８同士（凹部９同士）は対向している。すなわち、上側ゲート棒５ａの壁部７ａと下側ゲート棒５ｂの壁部７ａが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの壁部７ｂと下側ゲート棒５ｂの壁部７ｂが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの壁部７ｃと下側ゲート棒５ｂの壁部７ｃが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの中間部８ａと下側ゲート棒５ｂの中間部８ａが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの中間部８ｂと下側ゲート棒５ｂの中間部８ｂが互いに対向している。互いに対向する中間部８ａ，８ｂの凹部９によって２本のスクリュ４が貫通する空間１７、あるいは中間部８ａ，８ｂとスクリュ４との間の流路１８が形成される。ゲート棒５は第２の回転軸Ａ２の周りを、最少開度位置と最大開度位置の間を回転することができ、それによって中間部８ａ，８ｂとスクリュ４との間の流路１８の流路面積が変化する。最少開度位置では流路面積（開度）及び流量が最少となり、理想的にはゼロとなる。最大開度位置では流路面積（開度）及び流量が最大となる。

壁部７は、第２の回転軸Ａ２と直交する面内で、大径部２４と、大径部２４の反対側に位置する小径部２５と、大径部２４と小径部２５との間に位置する第２の接触面２２と、大径部２４と小径部２５との間にあって第２の接触面２２の反対側に位置する第３の接触面２３と、を有している。第２の接触面２２と第３の接触面２３は平面であり、大径部２４と小径部２５はｘ−ｚ面で見たときに回転中心Ａ２（第２の回転軸Ａ２）を中心とする円弧である。大径部２４はシリンダ３の溝６に嵌合し、概ねシリンダ３の溝６の曲率半径に等しい半径Ｒ３を有している。小径部２５の半径Ｒ４は大径部２４の半径Ｒ３より小さい。小径部２５は第２の接触面２２と第３の接触面２３を結ぶ曲面であり、第２の接触面２２及び第３の接触面２３と滑らかに接続している。詳細は後述するが、第２の接触面２２は、第１の接触面２１がスクリュ４の外面に当接したとき、すなわちゲート棒５が最少開度位置に回転したとき、他方のゲート棒５の対応する壁部７の第２の接触面２２と面接触する。第３の接触面２３は流路面積が最大になったときに、すなわちゲート棒５が最大開度位置に回転したとき、他方のゲート棒５の対応する壁部７の第３の接触面２３と面接触する。第２の接触面２２と第３の接触面２３は本実施形態では平面であるが、曲面であっても構わない。すなわち、第２の接触面２２同士及び第３の接触面２３同士は面接触しない構成であってもよい。

中間部８は、第２の回転軸Ａ２と直交する面内で、流路形成面２６と、第１の接触面２１と、大径部２７と、を有している。大径部２７はシリンダ３の溝６に嵌合し、概ねシリンダ３の溝６の曲率半径に等しい半径Ｒ３を有している。中間部８の大径部２７は壁部７の大径部２４と連続する曲面であり、大径部２４と同じ半径Ｒ３を有している。流路形成面２６はゲート棒５が最大開度位置に回転したときに他方のゲート棒５の対応する流路形成面２６とともに、シリンダ３の内壁と連続すると円筒形の内壁を形成する半円筒面である。従って、流路形成面２６はシリンダ３の内径と同じ曲率半径Ｒ１を有している。流路形成面２６とシリンダ３の内壁はスクリュ４の外面との間で樹脂原料の流路１８を形成する。

第１の接触面２１は中間部８の凹部９のｘ方向前端または後端に形成された半円筒状の切欠きであり、その中心軸は流路形成面２６の中心軸に対し角度αで傾斜している。第１の接触面２１はスクリュ４の半径と同じ曲率半径Ｒ２を有している。従って、第１の接触面２１は、ゲート棒５が最少開度位置に回転したときにスクリュ４の外面に面接触する。なお、図３（ｂ）において符号（２６）と(２１)を付した変形五角形状とほぼ三角形の白抜きの領域は、それぞれ、３Ｂ−３Ｂ断面より後方に存在する流路形成面２６の曲面と第１の接触面２１の曲面を示している。流路形成面２６の曲率半径Ｒ１（＝シリンダ内径）が第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２（＝スクリュ径）より大きいため、この図のように、流路形成面２６より第１の接触面２１の領域が小さくなる。

先に述べたように小径部２５の半径Ｒ４は大径部２４の半径Ｒ３より小さいが、小径部の半径Ｒ４と第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２の大小関係はＲ4＜Ｒ２であることが望ましい。

次に、ゲート部１５における流路面積を可変制御する方法について説明する。図４はｙ方向から見たゲート棒５の動作を示し、図５はｘ方向から見たゲート棒５の動作を示している。図４（ａ），図５（ａ）は、それぞれが最大開度位置（最大流量位置）にある２つのゲート棒５を示している。最大開度位置では２つのゲート棒５の第３の接触面２３が互いに接触しており、２つの流路形成面２６が円筒形の内壁を形成している。スクリュ４の外面と流路形成面２６の間に円環状の流路１８（図５（ａ）の黒く塗りつぶした領域）が形成されている。ゲート棒５の流路入口側の第１の接触面２１は溝６の内部に収容されている。２つのゲート棒５は、それぞれの第２の回転軸Ａ２が基準面Ｐから小径部２５の半径Ｒ４離れた位置に配されて、基準面Ｐ上で接触部２８を形成して接触している。

流路面積を縮小するときは２つのゲート棒５をそれぞれの第２の回転軸Ａ２の周りで互いに逆方向に回転させる。図４（ｂ）に示すように、２つのゲート棒５は小径部２５に沿って回転し、流路形成面２６は基準面Ｐに対して傾斜していく。流路形成面２６と第１の接触面２１の境界が流路の内側へ移動し（張り出し）、それによって流路面積が縮小する。ゲート棒５をわずかに回転するだけで流路面積を大きく変化させることができるため、開度の調整を迅速に行なうことができる。さらに２つのゲート棒５を互いに逆方向にそれぞれの最小開度位置まで回転させると、図４（ｃ），図５（ｂ）に示すように第１の接触面２１がスクリュ４の外面に面接触し、流路が塞がれる。

なお、本実施形態では、２つのゲート棒５それぞれの第２の回転軸Ａ２の基準面Ｐから距離、すなわち小径部の半径Ｒ4を、第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２（＝スクリュ径）に対してＲ４＜Ｒ２となる様に設定しているので、ゲート棒５の操作中にゲート棒５とスクリュ４が干渉することはない。Ｒ４＞Ｒ２とする場合は、流路形成面２６と第１の接触面２１の境界がスクリュ４と干渉するようになるため、この部分を適宜、面取り加工する必要が有る。よって、小径部の径Ｒ４はスクリュ径Ｒ２より若干小さい方が好ましい。

図６，７は特許文献１に記載の構成（以下、比較例という）に基づく図４，５と同様の図であり、本発明との比較のために、２つのゲート棒５それぞれの第２の回転軸Ａ２の基準面Ｐからの距離や、スクリュ4の外径とそれに対応する第１の接触面２１の曲率半径、シリンダ3の内径とそれに対応する流路形成面２６の曲率半径、第１の接触面２１と流路形成面２６のなす角度αの大きさは図４，５と同様としている。図６（ａ），図７（ａ）は最大開度位置にあるゲート棒５を示している。最大開度位置では２つのゲート棒５の流路形成面２６は円筒形の流路壁を形成している。スクリュ４の外面と流路形成面２６の間に円環状の流路１８（図７（ａ）の黒く塗りつぶした領域）が形成されている。ゲート棒５の流路入口側の第１の接触面２１は溝６の内部に収容されている。

流路面積を縮小するときは２つのゲート棒５をそれぞれの第２の回転軸Ａ２の周りで互いに逆方向に回転させる。図６（ｂ）に示すように、２つのゲート棒５は円筒状の外周部に沿って回転し、流路形成面２６は基準面Ｐに対して傾斜していく。流路形成面２６と第１の接触面２１の境界が流路の内側へ移動し（張り出し）、それによって流路面積が縮小する。さらに２つのゲート棒５を互いに逆方向に回転させると、図６（ｃ），図７（ｂ）に示すように第１の接触面２１がスクリュ４の外面に面接触し、流路が塞がれる。

図４（ｃ）、図６（ｃ）に、流路形成面２６と第１の接触面２１の境界の端部２１ａ間の間隔Ｃを示している。端部２１ａは、第１の接触面２１のうち接触部２８に最も近接する部位である。間隔Ｃは、第１の接触面２１がスクリュ４に接触しない領域、すなわち流路が閉塞できない領域１９に対応する。比較例では間隔Ｃが大きく、流路の両側に大きな領域１９（図７（ｂ）の黒く塗りつぶした領域）が発生する。これは流路形成面２６の曲率半径Ｒ１が第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２より大きいために、流路形成面２６の方が第１の接触面２１よりも大きくなり、一律に基準面Ｐら第２の回転軸Ａ２の距離を半径とする円筒形のゲート棒では図７（ｂ）に示すように、第１の接触面２１スクリュ4の基準面Ｐの近傍を蔽うことができないためである。

本実施形態においても、基準面Ｐと第２の回転軸Ａ２との距離は小径部２５の半径Ｒ４であり、流路形成面２６の半径Ｒ１が第１の接触面２１の半径Ｒ２より大きいために、流路形成面２６の方が第１の接触面２１よりも大きくなることに変わりはない。しかし、本実施形態では大径部２４と小径部２５を設けていることで、第１の接触面２１の端部２１ａの位置を基準面Ｐの近傍に配することが可能となる。このため、第１の接触面２１の端部２１ａがより接触部２８に近接する。その結果、間隔Ｃが縮小し、接触部２８の近傍の流路１９が絞られる。

本発明の他の利点を以下にまとめる。

（１）比較例では、流路の両側の閉塞できない領域１９をできるだけ限定するため、スクリュ４はある程度の径を有している必要がある。これに対し本実施形態ではスクリュ４の径の制約がないため、スクリュ４の強度の範囲内で径を小さくすることができる。このことはスクリュ４の材料コストの低減になるだけでなく、流路が広がることによる実質的な流路調整幅の拡大につながる。

（２）比較例で接触部の近傍の流路１９を絞るためには、第１の接触面２１と流路形成面２６の角度αを大きくすることも考えられる。これによって第１の接触面２１の端部２１ａをより接触部２８に近づけることができる。しかし、角度αを大きくすると中間部８の断面が減少するためゲート棒の強度の確保が難しくなる。また、角度αは最大開度位置から最少開度位置までの回転角に等しいため、角度αの増加はすばやく開閉できるというゲート棒のメリットを損なうことにつながる。図４と６の対比から分かるように、本実施形態は比較例と同等の中間部８の断面を確保することができ、角度αも同等であるため、すばやく開閉できるというゲート棒のメリットを損なうこともない。

（３）また本実施形態では、最大開度位置で２つのゲート棒５の第３の接触面２３が互いに面接触している。第３の接触面２３は最大開度位置でゲート棒５に対するストッパとして機能し、ゲート棒５が最大開度位置を超えてさらに回転することを防止する。同様に第２の接触面２２は最小開度位置でゲート棒５に対するストッパとして機能する。このため、ゲート棒５が最大開度位置と最小開度位置の間だけを確実に回転することができる。

本発明は、同径多軸混錬機に限らず、異径多軸混錬機にも適用できる。

１ 多軸混錬機
４ スクリュ
５ ゲート棒
６ 溝
７ 壁部
８ 中間部
９ 凹部
２１ 第１の接触面
２２ 第２の接触面
２３ 第３の接触面
２４ 大径部
２５ 小径部
２６ 流路形成面
Ａ１ 第１の回転軸
Ａ２ 第２の回転軸

本発明は多軸混練機に関し、特にゲート部に用いられるゲート棒の構造に関する。

合成樹脂原料に対して特性の均質化、改質、材料の添加などを目的とした様々な加工処理を行うための多軸混練機が公知である。特許文献１に記載された、多軸混練機の一例である二軸混練機は、内部に空間が設けられたシリンダと、シリンダ内を互いに平行に延びる２本のスクリュとを有している。２本のスクリュが同一方向または反対方向に回転することで、上記の加工処理が行われる。合成樹脂原料は多軸混練機の供給口から供給され、輸送部で輸送され、混練部で混練され、吐出口から排出される。

混練部の出口側には混練度を調整するためのゲート部が設けられている。ゲート部は合成樹脂原料が通る流路の断面積を可変に制御することで、混練部における合成樹脂原料の混練度を調整する。特許文献１にはゲート棒を備えたゲート部が記載されている。一対のゲート棒が、２本のスクリュを挟んで互いに対向して設けられている。ゲート棒はスクリュの延びる方向と直交する回転軸の周りを回転することができる。ゲート棒は２つの凹部を備えている。一対のゲート棒の互いに対応する凹部同士が対向するとともに、互いに対向する凹部によって２本のスクリュが貫通する空間が形成されている。ゲート棒が回転することで、スクリュの周囲の流路断面が変化する。これによって合成樹脂原料の混練度を調整することができる。ゲート棒は全体として円筒形の外形を有している。

ゲート棒は、スクリュとの間で形成される流路面積が最小となる最小開度位置と、流路面積が最大となる最大開度位置と、の間を回転することができる。ゲート棒の凹部は、流路の一部を形成する流路形成面と、流路形成面に対して切り欠かれた第１の接触面と、を有している。ゲート棒が最小開度位置に回転したとき、第１の接触面がスクリュの外面に面接触し、流路を絞る。流路形成面はシリンダと同じ曲率半径を有し、第１の接触面はスクリュと同じ曲率半径を有している。

特開２０００−３０９０１８号公報

最小開度位置での流路面積は第１の接触面がスクリュに面接触する範囲によって決まり、その範囲が大きいほど流路面積を絞ることができる。特許文献１に記載された二軸混練機は、全体として同じ半径の円形断面を有している。そして流路形成面の曲率半径が第１の接触面の曲率半径より大きいため、ゲート棒が最小開度位置に回転したときに第１の接触面同士が十分に近接することができない。この結果、スクリュの両側に流路を閉じることができない領域が生じる。流路を十分に絞ることができないため、十分な混練度の調整幅を確保することができない。

本発明は、流路を十分に絞ることができ、それによって十分な混練度の調整幅を確保することができる多軸混練機を提供することを目的とする。

本発明の多軸混練機は、内壁に溝を備えるシリンダと、シリンダ内を互いに平行に延び第１の回転軸の周りを回転可能な少なくとも２本のスクリュと、少なくとも２本のスクリュを挟んで互いに対向して設けられ、第１の回転軸と直交するそれぞれの第２の回転軸の周りをシリンダの溝に沿って回転可能な一対のゲート棒と、を有している。一対のゲート棒の各々は少なくとも２つの凹部を有し、互いに対向する凹部によって少なくとも２本のスクリュがそれぞれ貫通する空間部が形成されている。一対のゲート棒の各々は、スクリュとの間で形成される流路の面積が最小となる最小開度位置に回転したときにスクリュに面接触する第１の接触面と、シリンダの溝に嵌合する大径部と、２つの第２の回転軸の軸間距離の半分に等しくかつ大径部より小さい曲率半径を有する小径部と、を有し、一対のゲート棒の小径部同士が互いに接している。

本発明では一対のゲート棒が小径部を有しかつ小径部同士が互いに接している。そのため、ゲート棒が最小開度位置に回転したときに第１の接触面同士が近接することが可能となる。その結果、最小開度位置での流路面積を絞ることが容易となる。

本発明によれば、流路を十分に絞ることができ、それによって混練度の十分な調整幅を確保することができる多軸混練機を提供することができる。

本発明の多軸混練機の概略断面図である。 スクリュとゲート棒の概略斜視図である。 ゲート棒の断面図である。 ゲート棒の開閉動作を示す概念図である。 ゲート棒の開閉動作を示す概念図である。 従来技術のゲート棒の開閉動作を示す概念図である。 従来技術のゲート棒の開閉動作を示す概念図である。

図面を参照して本発明の多軸混練機の実施形態について説明する。ここでは二軸混練機の実施形態について述べるが、本発明は、より一般的には、複数のスクリュを有する多軸混練機に適用することができる。以下の説明及び図面において、スクリュの延びる方向、ないし第１の回転軸Ａ１の方向をｘ方向、ゲート棒５の延びる方向、ないし第２の回転軸Ａ２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向をｚ方向とする。ｚ方向は鉛直方向に一致している。さらに第１の回転軸Ａを内包してｚ方向に法線を待つ平面を基準面Ｐとする。

また、本明細書中では、ゲート棒について「第１〜第３の接触面」という用語を用い、ゲート棒とスクリュあるいは上下のゲート棒同士の位置的関係について、「接触」「面接触」「当接」等の用語を用いているが、これらの用語は実際に接触ないし当接する場合のほか、わずかな間隙をもって対向する場合を含んでいる。

図１は多軸混練機の概略断面図を示している。図２はスクリュとゲート棒の概略斜視図であり、図２（ａ）はゲート棒が最少開度位置に回転した状態を、図２（ｂ）はゲート棒が最大開度位置に回転した状態をそれぞれ示している。多軸混練機１は、ベース２に支持されたシリンダ３と、シリンダ３内の空間３ａを互いに平行にｘ方向に延びる２本のスクリュ４と、を有している。２本のスクリュ４はｙ方向に配列しており、図１では、２本目のスクリュは図示のスクリュ４の奥にあり図示されていない。２本のスクリュ４は回転駆動手段（図示せず）に連結されており、第１の回転軸Ａ１の周りを同じ方向または互いに異なる方向に回転することができる。２本のスクリュ４は同じ形状と同じ外径を有している。

シリンダ３の一端側に樹脂原料の供給口１１が、他端側に樹脂原料の吐出口１２が設けられている。供給口１１と吐出口１２の間には、供給口１１から吐出口１２に向かって、輸送部１３ａ、混練部１４、ゲート部１５、輸送部１３ｂが設けられている。輸送部１３aは供給口１１から供給された樹脂原料を混練部１４に移送する。混練部１４は輸送部１３aから送られた樹脂原料を混練し、樹脂原料に対して特性の均質化、改質、材料の添加などを目的とした様々な加工処理を行う。ゲート部１５は樹脂原料の流路を可変制御し樹脂原料の混練度を調整する。ゲート部１５の詳細は後述する。輸送部１３ｂは混練度の調整された樹脂原料を吐出口１２に移送する。輸送部１３ｂには揮発成分の除去のためのベント口１６が設けられている。ベント口１６は樹脂原料の種類によっては省略することができる。吐出口１２は混練度の調整された樹脂原料を多軸混練機の外部に排出する。

各スクリュ４は、第１の回転軸Ａ１を中心軸とするロータ４ａと、ロータ４ａの外周に設けられた突条の形態のフライト４ｂ，４ｃと、を有している。各スクリュ４の輸送部１３ａ，１３ｂに対応する部位には、第１の回転軸Ａ１の周りをロータ４ａの外周に沿って螺旋状に連続的に延びるフライト４ｂが設けられている。各スクリュ４の混練部１４に対応する部位には、第１の回転軸Ａ１の周りをロータ４ａの外周に沿って螺旋状に延びる不連続なフライト４ｃが設けられている。各スクリュ４のゲート部１５に対応する部位はフライト４ｂ，４ｃが設けられておらず、凹凸のない円筒形のロータ４ａのみが設けられている。ゲート部１５において、スクリュ４は以下に述べるゲート棒５とともに樹脂原料の流路１８を形成する。スクリュ４は、輸送部１３ａ，１３ｂ、混練部１４、ゲート部１５等の区間に対応する別々のスクリュエレメントを軸方向に連結することで形成されているが、一体形成することもできる。

ゲート部１５には、２本のスクリュ４を挟んでｚ方向に互いに対向する一対のゲート棒５（以下、上側ゲート棒５ａ、下側ゲート棒５ｂという場合がある）が設けられている。各ゲート棒５はｙ方向に延び、第１の回転軸Ａ１と直交する第２の回転軸Ａ２の周りを回転することができる。シリンダ３のスクリュ４を挟んだｙ方向両側側面に貫通孔（図示せず）が形成されており、各ゲート棒５はこの貫通孔を貫通して、シリンダ３に回転自在に支持されている。シリンダ３の内面には、ｙ方向に延びる溝６が形成されている。溝６は円筒をその中心軸と平行な面で切り取ることで形成される部分円筒形状を有し、曲率半径はほぼゲート棒５の大径部２４，２７（後述）の半径に等しい。ゲート棒５は溝６に嵌合し、溝６の中で回転することができる。

図３はゲート棒の概略図であり、図３（ａ）はゲート棒の正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線に沿った中間部の断面図、図３（ｃ）３Ｃ−３Ｃ線に沿った壁部の断面図を示している。図３は上側ゲート棒５ａを示しているが、下側ゲート棒５ｂも上側ゲート棒５ａと同じ構成を有している。一対のゲート棒５の各々は、第２の回転軸Ａ２ないしｙ方向に沿って配列する３つの壁部７と、互いに隣接する２つの壁部７の間にそれぞれ位置する２つの中間部８と、を有している。２つの中間部８と３つの壁部７は第２の回転軸Ａ２に沿って交互に位置しており、より具体的には、壁部７ａと、中間部８ａと、壁部７ｂと、中間部８ｂと、壁部７ｃが第２の回転軸Ａ２に沿ってこの順で位置している。

２つの中間部８のそれぞれは凹部９を備えている。凹部９は、スクリュ４の第１の回転軸Ａ１と平行なｘ方向に延びる半円柱状の溝の形状を有している。２つのゲート棒５の互いに対応する壁部７同士及び中間部８同士（凹部９同士）は対向している。すなわち、上側ゲート棒５ａの壁部７ａと下側ゲート棒５ｂの壁部７ａが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの壁部７ｂと下側ゲート棒５ｂの壁部７ｂが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの壁部７ｃと下側ゲート棒５ｂの壁部７ｃが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの中間部８ａと下側ゲート棒５ｂの中間部８ａが互いに対向し、上側ゲート棒５ａの中間部８ｂと下側ゲート棒５ｂの中間部８ｂが互いに対向している。互いに対向する中間部８ａ，８ｂの凹部９によって２本のスクリュ４が貫通する空間１７、あるいは中間部８ａ，８ｂとスクリュ４との間の流路１８が形成される。ゲート棒５は第２の回転軸Ａ２の周りを、最少開度位置と最大開度位置の間を回転することができ、それによって中間部８ａ，８ｂとスクリュ４との間の流路１８の流路面積が変化する。最少開度位置では流路面積（開度）及び流量が最少となり、理想的にはゼロとなる。最大開度位置では流路面積（開度）及び流量が最大となる。

壁部７は、第２の回転軸Ａ２と直交する面内で、大径部２４と、大径部２４の反対側に位置する小径部２５と、大径部２４と小径部２５との間に位置する第２の接触面２２と、大径部２４と小径部２５との間にあって第２の接触面２２の反対側に位置する第３の接触面２３と、を有している。第２の接触面２２と第３の接触面２３は平面であり、大径部２４と小径部２５はｘ−ｚ面で見たときに回転中心Ａ２（第２の回転軸Ａ２）を中心とする円弧である。大径部２４はシリンダ３の溝６に嵌合し、概ねシリンダ３の溝６の曲率半径に等しい半径Ｒ３を有している。小径部２５の半径Ｒ４は大径部２４の半径Ｒ３より小さい。小径部２５は第２の接触面２２と第３の接触面２３を結ぶ曲面であり、第２の接触面２２及び第３の接触面２３と滑らかに接続している。詳細は後述するが、第２の接触面２２は、第１の接触面２１がスクリュ４の外面に当接したとき、すなわちゲート棒５が最少開度位置に回転したとき、他方のゲート棒５の対応する壁部７の第２の接触面２２と面接触する。第３の接触面２３は流路面積が最大になったときに、すなわちゲート棒５が最大開度位置に回転したとき、他方のゲート棒５の対応する壁部７の第３の接触面２３と面接触する。第２の接触面２２と第３の接触面２３は本実施形態では平面であるが、曲面であっても構わない。すなわち、第２の接触面２２同士及び第３の接触面２３同士は面接触しない構成であってもよい。

中間部８は、第２の回転軸Ａ２と直交する面内で、流路形成面２６と、第１の接触面２１と、大径部２７と、を有している。大径部２７はシリンダ３の溝６に嵌合し、概ねシリンダ３の溝６の曲率半径に等しい半径Ｒ３を有している。中間部８の大径部２７は壁部７の大径部２４と連続する曲面であり、大径部２４と同じ半径Ｒ３を有している。流路形成面２６はゲート棒５が最大開度位置に回転したときに他方のゲート棒５の対応する流路形成面２６とともに、シリンダ３の内壁と連続すると円筒形の内壁を形成する半円筒面である。従って、流路形成面２６はシリンダ３の内径と同じ曲率半径Ｒ１を有している。流路形成面２６とシリンダ３の内壁はスクリュ４の外面との間で樹脂原料の流路１８を形成する。

第１の接触面２１は中間部８の凹部９のｘ方向前端または後端に形成された半円筒状の切欠きであり、その中心軸は流路形成面２６の中心軸に対し角度αで傾斜している。第１の接触面２１はスクリュ４の半径と同じ曲率半径Ｒ２を有している。従って、第１の接触面２１は、ゲート棒５が最少開度位置に回転したときにスクリュ４の外面に面接触する。なお、図３（ｂ）において符号（２６）と(２１)を付した変形五角形状とほぼ三角形の白抜きの領域は、それぞれ、３Ｂ−３Ｂ断面より後方に存在する流路形成面２６の曲面と第１の接触面２１の曲面を示している。流路形成面２６の曲率半径Ｒ１（＝シリンダ内径）が第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２（＝スクリュ径）より大きいため、この図のように、流路形成面２６より第１の接触面２１の領域が小さくなる。

先に述べたように小径部２５の半径Ｒ４は大径部２４の半径Ｒ３より小さいが、小径部の半径Ｒ４と第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２の大小関係はＲ4＜Ｒ２であることが望ましい。

次に、ゲート部１５における流路面積を可変制御する方法について説明する。図４はｙ方向から見たゲート棒５の動作を示し、図５はｘ方向から見たゲート棒５の動作を示している。図４（ａ），図５（ａ）は、それぞれが最大開度位置（最大流量位置）にある２つのゲート棒５を示している。最大開度位置では２つのゲート棒５の第３の接触面２３が互いに接触しており、２つの流路形成面２６が円筒形の内壁を形成している。スクリュ４の外面と流路形成面２６の間に円環状の流路１８（図５（ａ）の黒く塗りつぶした領域）が形成されている。ゲート棒５の流路入口側の第１の接触面２１は溝６の内部に収容されている。２つのゲート棒５は、それぞれの第２の回転軸Ａ２が基準面Ｐから小径部２５の半径Ｒ４離れた位置に配されて、基準面Ｐ上で接触部２８を形成して接触している。

流路面積を縮小するときは２つのゲート棒５をそれぞれの第２の回転軸Ａ２の周りで互いに逆方向に回転させる。図４（ｂ）に示すように、２つのゲート棒５は小径部２５に沿って回転し、流路形成面２６は基準面Ｐに対して傾斜していく。流路形成面２６と第１の接触面２１の境界が流路の内側へ移動し（張り出し）、それによって流路面積が縮小する。ゲート棒５をわずかに回転するだけで流路面積を大きく変化させることができるため、開度の調整を迅速に行なうことができる。さらに２つのゲート棒５を互いに逆方向にそれぞれの最小開度位置まで回転させると、図４（ｃ），図５（ｂ）に示すように第１の接触面２１がスクリュ４の外面に面接触し、流路が塞がれる。

なお、本実施形態では、２つのゲート棒５それぞれの第２の回転軸Ａ２の基準面Ｐから距離、すなわち小径部の半径Ｒ4を、第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２（＝スクリュ径）に対してＲ４＜Ｒ２となる様に設定しているので、ゲート棒５の操作中にゲート棒５とスクリュ４が干渉することはない。Ｒ４＞Ｒ２とする場合は、流路形成面２６と第１の接触面２１の境界がスクリュ４と干渉するようになるため、この部分を適宜、面取り加工する必要が有る。よって、小径部の径Ｒ４はスクリュ径Ｒ２より若干小さい方が好ましい。

図６，７は特許文献１に記載の構成（以下、比較例という）に基づく図４，５と同様の図であり、本発明との比較のために、２つのゲート棒５それぞれの第２の回転軸Ａ２の基準面Ｐからの距離や、スクリュ4の外径とそれに対応する第１の接触面２１の曲率半径、シリンダ3の内径とそれに対応する流路形成面２６の曲率半径、第１の接触面２１と流路形成面２６のなす角度αの大きさは図４，５と同様としている。図６（ａ），図７（ａ）は最大開度位置にあるゲート棒５を示している。最大開度位置では２つのゲート棒５の流路形成面２６は円筒形の流路壁を形成している。スクリュ４の外面と流路形成面２６の間に円環状の流路１８（図７（ａ）の黒く塗りつぶした領域）が形成されている。ゲート棒５の流路入口側の第１の接触面２１は溝６の内部に収容されている。

流路面積を縮小するときは２つのゲート棒５をそれぞれの第２の回転軸Ａ２の周りで互いに逆方向に回転させる。図６（ｂ）に示すように、２つのゲート棒５は円筒状の外周部に沿って回転し、流路形成面２６は基準面Ｐに対して傾斜していく。流路形成面２６と第１の接触面２１の境界が流路の内側へ移動し（張り出し）、それによって流路面積が縮小する。さらに２つのゲート棒５を互いに逆方向に回転させると、図６（ｃ），図７（ｂ）に示すように第１の接触面２１がスクリュ４の外面に面接触し、流路が塞がれる。

図４（ｃ）、図６（ｃ）に、流路形成面２６と第１の接触面２１の境界の端部２１ａ間の間隔Ｃを示している。端部２１ａは、第１の接触面２１のうち接触部２８に最も近接する部位である。間隔Ｃは、第１の接触面２１がスクリュ４に接触しない領域、すなわち流路が閉塞できない領域１９に対応する。比較例では間隔Ｃが大きく、流路の両側に大きな領域１９（図７（ｂ）の黒く塗りつぶした領域）が発生する。これは流路形成面２６の曲率半径Ｒ１が第１の接触面２１の曲率半径Ｒ２より大きいために、流路形成面２６の方が第１の接触面２１よりも大きくなり、一律に基準面Ｐら第２の回転軸Ａ２の距離を半径とする円筒形のゲート棒では図７（ｂ）に示すように、第１の接触面２１スクリュ4の基準面Ｐの近傍を蔽うことができないためである。

本実施形態においても、基準面Ｐと第２の回転軸Ａ２との距離は小径部２５の半径Ｒ４であり、流路形成面２６の半径Ｒ１が第１の接触面２１の半径Ｒ２より大きいために、流路形成面２６の方が第１の接触面２１よりも大きくなることに変わりはない。しかし、本実施形態では大径部２４と小径部２５を設けていることで、第１の接触面２１の端部２１ａの位置を基準面Ｐの近傍に配することが可能となる。このため、第１の接触面２１の端部２１ａがより接触部２８に近接する。その結果、間隔Ｃが縮小し、接触部２８の近傍の流路１９が絞られる。

本発明の他の利点を以下にまとめる。

（１）比較例では、流路の両側の閉塞できない領域１９をできるだけ限定するため、スクリュ４はある程度の径を有している必要がある。これに対し本実施形態ではスクリュ４の径の制約がないため、スクリュ４の強度の範囲内で径を小さくすることができる。このことはスクリュ４の材料コストの低減になるだけでなく、流路が広がることによる実質的な流路調整幅の拡大につながる。

（２）比較例で接触部の近傍の流路１９を絞るためには、第１の接触面２１と流路形成面２６の角度αを大きくすることも考えられる。これによって第１の接触面２１の端部２１ａをより接触部２８に近づけることができる。しかし、角度αを大きくすると中間部８の断面が減少するためゲート棒の強度の確保が難しくなる。また、角度αは最大開度位置から最少開度位置までの回転角に等しいため、角度αの増加はすばやく開閉できるというゲート棒のメリットを損なうことにつながる。図４と６の対比から分かるように、本実施形態は比較例と同等の中間部８の断面を確保することができ、角度αも同等であるため、すばやく開閉できるというゲート棒のメリットを損なうこともない。

（３）また本実施形態では、最大開度位置で２つのゲート棒５の第３の接触面２３が互いに面接触している。第３の接触面２３は最大開度位置でゲート棒５に対するストッパとして機能し、ゲート棒５が最大開度位置を超えてさらに回転することを防止する。同様に第２の接触面２２は最小開度位置でゲート棒５に対するストッパとして機能する。このため、ゲート棒５が最大開度位置と最小開度位置の間だけを確実に回転することができる。

本発明は、同径多軸混練機に限らず、異径多軸混練機にも適用できる。

１ 多軸混練機
４ スクリュ
５ ゲート棒
６ 溝
７ 壁部
８ 中間部
９ 凹部
２１ 第１の接触面
２２ 第２の接触面
２３ 第３の接触面
２４ 大径部
２５ 小径部
２６ 流路形成面
Ａ１ 第１の回転軸
Ａ２ 第２の回転軸

Claims (4)

1. 内壁に溝を備えるシリンダと、前記シリンダ内を互いに平行に延び第１の回転軸の周りを回転可能な少なくとも２本のスクリュと、前記少なくとも２本のスクリュを挟んで互いに対向して設けられ、前記第１の回転軸と直交するそれぞれの第２の回転軸の周りを前記シリンダの前記溝に沿って回転可能な一対のゲート棒と、を有し、
   前記一対のゲート棒の各々は少なくとも２つの凹部を有し、互いに対向する前記凹部によって前記少なくとも２本のスクリュがそれぞれ貫通する空間部が形成され、
   前記一対のゲート棒の各々は、前記スクリュとの間で形成される流路の面積が最小となる最小開度位置に回転したときに前記スクリュに面接触する第１の接触面と、前記シリンダの前記溝に嵌合する大径部と、２つの前記第２の回転軸の軸間距離の半分に等しくかつ前記大径部より小さい曲率半径を有する小径部と、を有し、前記一対のゲート棒の前記小径部同士が互いに接している、多軸混錬機。
2. 前記一対のゲート棒の各々は、前記凹部を備えた２つの中間部と、前記２つの中間部と交互に位置する３つの壁部と、を有し、前記一対のゲート棒の前記中間部同士及び前記壁部同士が互いに対向している、請求項１に記載の多軸混錬機。
3. 前記壁部は、前記大径部と前記小径部の間にある第２の接触面を有し、前記第２の接触面は、前記ゲート棒が前記最小開度位置に回転したときに、前記対向する壁部の前記第２の接触面と面接触する、請求項２に記載の多軸混錬機。
4. 前記壁部は、前記大径部と前記小径部の間であって前記第２の接触面の反対側に位置する第３の接触面を有し、前記第３の接触面は、前記ゲート棒が前記流路の面積が最大となる最大開度位置に回転したときに、前記対向する壁部の前記第３の接触面と面接触する、請求項２または３に記載の多軸混錬機。

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