JP2016522736A - ポリマー材を加工処理するための機械 - Google Patents

Abstract

本願は、ポリマー材を加工処理するための機械（１）を開示し、機械（１）は、回転軸（Ａ）を中心に回動自在に構成された回転子（２）と、回転子（２）とスライド可能に嵌合することにより回転子（２）を密封する固定子（３）と、固定子（３）の内側に３６０°よりも小さな角度範囲にわたって円周方向に延伸する窪み部分（７）であって、ポリマー材の加工処理用チャネル領域（８）を回転子（２）と共に形成する窪み部分（７）と、加工処理用チャネル領域（８）へとポリマー材を供給するための少なくとも一つの材料投入用チャネル（１１）と、加工処理用チャネル領域（８）からポリマー材を排出するための少なくとも一つのポリマー排出用チャネル（１２）と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本開示は、ポリマー材を加工処理するための機械構造と関係する。より具体的には、本開示は、固定子と回転子とを備える機械構造と関係し、当該回転子は、当該回転子と結合された回転軸を中心に回動自在に構成され、当該固定子と当該回転子との間には、ポリマー材を加工処理するための加工処理用チャネル領域が設けられていることを特徴とする。

本開示は、上述したようなタイプの機械構造と関係し、少なくとも２種類の構成材料のうちの一方の構成材料が粘性液体であり、他方の構成材料が別の粘性液体、粒子状の個体、気体、またはこれらの物質を混合した混合物である場合に、当該機械構造は、当該少なくとも２つの構成材料を溶融処理し、混合し、またはガス抜き処理することによって、ポリマー材の加工処理を行うように構成されている。

ポリマー材の加工処理を行うための上述したタイプの機械構造は、スクリュー機構またはスクリュー押し出し機構を備えており、当該機構内では、シリンダー内にスクリューが回動自在に設けられているため、螺旋形状の加工処理チャネルが定義される構造となっている。以下、上述したスクリュー機構が有する技術的欠点について後述する。

第１の欠点として、当該スクリュー機構内を流れるポリマー材の流速度は、以下の２つの事実によって制限されてしまうということである。第１の事実は、ポリマー材が流れる流動チャネル領域の幅がスクリューのピッチ角に依存して決まり、さらに言えば、スクリューのピッチ角とネジ山状に形成されたスクリュー羽根の厚みに依存して決まるという事実である。第２の事実は、ポリマー材が流れる際の２つの流速方向成分のうち、一方の流速方向成分だけが、ポリマー材を排出口へと導く流れに寄与しており、当該一方の流速方向成分のみによってポリマー材の排出流速が決まるという事実である。ポリマー材の流れは、ネジ山状に形成されたスクリュー羽根と並行な向きに沿った流速方向成分およびスクリュー羽根と直交する向きに沿った流速方向成分を有し、スクリュー羽根と並行な流速方向成分は、スクリューのピッチ角のコサイン値の関数として得られ、スクリュー羽根と直交する向きの流速方向成分は、スクリューのピッチ角のサイン値の関数として得られるが、スクリュー羽根と直交する向きの流速方向成分は、流動チャネル領域内でポリマー材を排出口へと導く流れには寄与していない。２つの流速方向成分が上記のように分配されていることに起因して、いずれの流体内粒子が２つの流速方向成分の一方あるいは他方に沿って進むかを事前に知ることは物理的に不可能である。具体的には、いずれの流体内粒子がスクリュー羽根と直交する向きの流速方向成分に対応する円周状の経路に沿って進むかを事前に知ることはできないのであるが、上記の流動軌跡に沿った流体の流速分布と変形状態を制御しようとするならば、幾つかのケースにおいて、これは特に重要な問題となる。

上述したスクリュー機構は、さらに以下のような欠点も持っている。例えば、流体の延伸方向に沿った流体内粒子の拡散が不充分かつ非効率であること、気液二元混合物のガス抜き処理を不充分かつ非効率にしかできないこと、および固形状の熱可塑性物質を不充分かつ非効率にしか溶融処理できないことなどである。

最初の２つのケースでは、幾つかの処理工程上の問題は、スクリュー羽根とシリンダーとの間のギャップ領域を流体内粒子が通り抜けてしまうことと関係している。実際、これらのケースでは、相当な個数の流体内粒子が、スクリュー羽根と直交する方向を向いた円周状の流動軌跡ではなく、スクリュー羽根と並行な流動軌跡に沿って配置されており、その結果、当該流体内粒子が所望の加工処理から逸脱してしまっている。この問題点を解決する一つの解決法は、スクリュー押し出し機構における着目している部分を引き延ばして形成することにより、スクリュー押し出し機構の局所的な円周方向流速を高めてやることである。この方法により、全ての流体内粒子が所望の態様で変形処理される確率が高まる。この場合に必要な流速の増加幅は、通常は極めて大きい増加幅であり、当該増加幅の数値範囲は、理論上の最小値であるポリマー材の排出流速の４．６倍に等しい値から当該排出流速の２０倍以上となる値にまで渡っている。しかしながら、ポリマー材を混合し又はガス抜き処理するための処理領域の設計寸法が必要以上に大きくなることにより、高額な設備投資が必要となったり、機械が占有する設置スペースが大きくなったり、エネルギー効率が低下したり、製造されるポリマー材の品質低下の危険性があったりする等の看過できない問題を結果として引き起こす。

最後に、スクリュー機構は、ガス抜き処理用の煙道領域において、汚染が生じやすいという問題がある。スクリュー機構において、ガス抜き現象は、シリンダーの内壁面上に形成される流体の薄膜層部分を介して気液界面において現れる。ポリマー材をスクリュー機構内に供給し続けることを可能にするためには、ポリマー材の一部は、たとえ、それが僅かな量であったとしても、スクリューとシリンダーの両者に接触していることが必要となるので、ポリマー材のうち、スクリューとシリンダーの両者に接触している上記部分は、スクリューが一回転するたびに、ガス抜き用の煙道部分の前を通過することが必須となり、その結果、煙道部分を汚染することになる。

上述した複数の技術的欠点を緩和するために、ポリマー材を加工処理するための加工処理チャネル領域を螺旋形状ではなく環状に形成した機械構造が発明されている。

例えば、以下の５件の米国特許公報「ＵＳ５，２００，２０４」、「ＵＳ４，０１２，４７７」、「ＵＳ４，８１３，８６３」、「ＵＳ４，５０１，５４３」および「ＵＳ３，８８０，５６４」には、シリンダー状に形成された回転子、当該回転子を保持するための保持座構造を有する固定子、および当該回転子と当該固定子との間に形成された加工処理用チャネル領域を備える機械構造が開示されている。回転子の外径に比べて固定子の保持座構造の内径の方が大きいことに起因して、環状の加工処理用チャネル領域が形成され、その際、回転子は、環状に形成された固定子の保持座構造の曲率中心から偏った位置にある回転軸を中心に回動自在となるように取り付けられている、又は回転子を保持する固定子側の保持座構造は楕円形状を有する。

また、ポリマー材を加工処理するためのさらに別のタイプの機械構造は、以下の２件の米国特許公報「ＵＳ４，１９４，８４１」および「ＵＳ４，６０６，６４６」と国際公開公報「ＷＯ２００８／０７１７８２」に開示されている。上述した３件の特許文献は、回転子内部に形成された環状の加工処理用チャネル領域を有する押し出し機構を開示している。

上述したタイプの機械構造の主たる技術的欠点は、加工処理用チャネル領域の高さを局所的に変化させることが幾つかのケースでは不可能であり、それ以外のケースでも困難であるという事実にある。すなわち、流体の流動経路に沿った個々の場所における個別の必要性に応じて加工処理チャネル領域の寸法を定義することが幾つかのケースでは不可能であり、それ以外のケースでも困難である。

本発明の目的は、従来技術が有する上述した技術的欠点を克服可能な上述したタイプの機械構造を実現することである。

本発明の一実施形態に従い、ポリマー材を加工処理するための機械は、
回転軸を中心に回動自在に構成された回転子と、
当該回転子が嵌合することにより当該回転子を密封する固定子と、
当該固定子の内側に３６０°よりも小さな角度範囲にわたって円周方向に延伸する窪み部分であって、ポリマー材の加工処理用チャネル領域を当該回転子と共に形成する窪み部分と、
当該加工処理用チャネル領域へとポリマー材を供給するための少なくとも一つの材料投入用チャネルと、
当該加工処理用チャネル領域からポリマー材を排出するための少なくとも一つのポリマー排出用チャネルと、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る上記実施形態によれば、特定の構造的制約を受けずに機械構造を設計可能なタイプの加工処理を行うのに適した幾何学構造上の特徴を有する加工処理用チャネル領域を実現することができる。

本発明の例示的な一実施形態によれば、当該窪み部分は、当該回転軸と直交する円周方向に沿って延伸していることを特徴とする。

このように、ポリマー材が流れる際の流速は、回転子の外周面近傍において単一の流速方向成分のみを有しており、ポリマー材が液状である場合には、当該流速方向成分は、実質的に回転子の回転速度に対応している。

例示的な一実施形態では、当該窪み部分は、回転軸と並行な向きの長さとして測定した場合に、一定の幅を有するのが好ましい。当該窪み部分が上記のように一定の幅を有することにより、ポリマー材が流れる際の流速を一定にすることが可能となる。

しかし、当該窪み部分の幅を回転軸の周りの円周方向に沿って一定ではない幅とすることも問題なく実現可能であり、それにより、流体を２次元的に引き延ばす加工処理を促進することも可能となる。

例示的な一実施形態では、加工処理用チャネル領域の高さを場所に応じて可変となるように定めることができるような態様で、当該窪み部分の底面を回転子外周面から可変の距離を隔てて配置することが好ましい。

加工処理用チャネル領域の高さを場所に応じて可変とすることにより、複数の異なる目的を有する加工処理用チャネル領域を設計することが可能となり、当該複数の目的には、例えば、ポリマー材を溶融処理したりガス抜き処理したりする目的、ポリマー・マトリクス内の構成材料として含まれている固形粒子の集塊体を浸潤処理したり粉砕処理したりする目的、または一つ以上の別の液体に混ぜ込まれた一つ以上の液体を拡散処理したりする目的などが含まれる。

本発明の幾つかの実施形態では、加工処理用チャネル領域は、第１乃至第３の領域部分を備え、
当該第１の領域部分一定の高さを有し、材料投入用チャネルの側に配置されており、
当該第２の領域部分は、当該第１の領域部分の高さよりも低い一定の高さを有し、ポリマー排出用チャネルの側に配置され、流体圧送効果を有し、
当該第３の領域部分は、当該第１の領域部分と当該第２の領域部分との間に含まれ、当該第１の領域部分と接する側の高さが当該第１の領域部分の高さと等しく、当該第２の領域部分に近づくにつれて高さが漸減し、当該第２の領域部分に接する側の高さが当該第２の領域部分の高さと等しい、
ことを特徴とする。

当該第１の領域部分の上述した構成は、ポリマー材を安定化させるのに寄与し、当該第３の領域部分の上述した構成は、回転子外周面上で固形の材料を圧縮し、流体の材料に引き延ばし方向の作用力をかけながら流体の材料を引き延ばして広げる処理を行うのに寄与し、その一方で、当該第３の領域部分の上述した構成は、排出口における押し出し圧力の損失を解消するために、正方向の圧力傾斜を生成するのに寄与している。

本発明に係る上記実施形態の一変形例においては、当該第１の領域部分と当該第２の領域部分との間に配置された当該第３の領域部分は、連続して並んだ複数の収斂領域を含んでおり、個々の収斂領域の後には発散領域が続いている。この変形実施例における第３の領域部分を上記のような構成とする理由は、直列に並んだ複数の収斂領域を設けることにより、ポリマー材が加工処理用チャネル領域の外に排出される前にポリマー材に強制的に作用させられる引き延ばし処理の回数を増加させるためである。

収斂領域とそれに続く発散領域は、様々な幾何学的構造設計変数に従って、粒子集塊体の粉砕処理および互いに混ざり難い液体同士を混合する処理を促進させ、当該様々な幾何学的構造設計変数の中でもとりわけ、チャネル幅の収斂角度、第３の領域部分の長さおよび回転子の回転速度などの設計変数に依存する。

本発明に係るさらに別の実施形態では、加工処理用チャネル領域は、第１の領域部分と第３の領域部分とを備え、
当該第１の領域部分は、一定の高さを有し、
当該第３の領域部分は、当該第１の領域部分の高さよりも低い一定の高さを有し、流体圧送効果を有する、ことを特徴とする。

上記構成は、気液混合物をガス抜き処理するのに特に好適である。上記構成においては、当該気液混合物は、回転子の外周面上に引き延ばされながら広げられて薄膜層となり、それにより、露出された薄膜層表面とシリンダー上部の壁面との間を隔てる距離が顕著な大きさ（例えば、数ミリメートル程度）となる。上記構成によれば、例えば、加工処理用チャネル領域内の空間を真空引きすることにより、上述した薄膜層の上に一定の高さを有する真空層領域を生成することは、とりわけ容易に実施可能であり、かつ効果的でもある。以下において後述する幾つかの詳細内容において示されるように、上述した薄膜層の厚みは、気液混合物の密度、加工処理用チャネル領域の幅、気液混合物の体積流速度および回転子の回転速度に加え、気体が液体中に拡散する際の拡散係数などを含む他の指標パラメータによって決まる。

回転子は、滑らかな円筒形状の外周面を有するのが好適である。加工処理用チャネル領域は、完全に固定子の内部に設けられる。

本発明に係る例示的な一実施形態に係る機械構造は、供給用チャネルをさらに備え、当該供給用チャネルは、ポリマー材の構成材料となる固形粒子の集塊体を加工処理用チャネル領域内へと供給し、当該固形粒子の集塊体に対してポリマー・マトリクス内における浸潤処理および粉砕処理がそれぞれ行われるように構成されている。この構成により、混成ポリマー材を得ることが可能となる。

好適には、材料投入用チャネルは、構成材料となる粒子の集塊体を供給するための開口部の位置から見て、加工処理用チャネル領域に沿った上流側と下流側に２つの投入口を備えており、これにより、当該粒子集塊体を液状ポリマー材から成る２つの層の間に供給することが可能となる。上記構成によれば、構成材料となる粒子の集塊体を液状ポリマー材から成る２つの層の間にサンドイッチ状に挟み込むことが可能となるので、当該粒子集塊体に対する浸潤処理および粉砕処理を促進させることが可能となる。

本発明に係るさらに別の実施形態に係る機械構造は、ガス抜き処理用チャネルをさらに備え、当該ガス抜き処理用チャネルは、ポリマー材の加工処理を行っている間に生成された気体を排出するように構成されている。ガス抜き処理用チャネルの入口を汚さないように回転子外周面上にポリマー材を引き延ばしながら広げて薄膜層とし、ガス抜き処理用の空間領域を定めるために加工処理用チャネル領域の一部の空間を隙間領域として残しておくことには格別の技術的優位性がある。

本発明に係る例示的な一実施形態に係る機械構造は、再循環システムをさらに備える。加工用チャネル領域内においてポリマー材が排出口へと向かう流動経路に沿って正方向の圧力傾斜が作用することなどにより、加工処理用チャネル領域の反対側の端部からポリマー材の一部が漏れ出る場合があるが、その際、当該再循環システムは、好適には、加工処理用チャネル領域の反対側の端部から漏れ出た液状もしくはペースト状のポリマー材の一部を加工処理用チャネルの外側を通って再循環させ、当該再循環させたポリマー材の一部を加工処理用チャネル領域の中央部へと戻すように構成されている。この再循環システムは、ベアリング部材近傍における側面封緘部を介してポリマー材の液漏れの発生を無くすのに優れた効果を奏することが確認されている。何故なら、漏れ出たポリマー材を再循環させる際の循環流速は、側面封緘部を介してポリマー材が液漏れする際の流出速度よりも遥かに大きいからである。

本発明に係る例示的な一実施形態において、固定子は、本体部分と板状構成部材とを備え、当該板状構成部材は、回転子と摺動可能に当接しながら回転子の周りを取り巻くように構成され、本体部分と密着するように一体化されており、上述した少なくとも一つの窪み部分は、当該板状構成部材の内壁面上に形成されている。このような構造を開示する上記実施形態は、特に簡単で技術的優位性を有する。実際、上述した板状構成部材は、固定子の内側において複雑な形状を有する流路構造を実現することを可能にする。好適には、当該板状構成部材は、少なくとも一つの追加的な窪み部分を有し、当該追加的な窪み部分は、当該板状構成部材の毎側表面に沿って形成され、液状の材料が加工処理用チャネル領域内の空間に投入される際に通る流路を部分的に定めるように構成されている。

本発明のさらなる技術的特徴と技術的優位性は、以下において簡単に説明する添付図面に含まれる各図を参照しながら本発明に係る非限定的で例示的な実施形態に関する以下の記述を理解することにより明確となるだろう。

本発明に係る第１の実施形態に従って構成され、ポリマー材を加工処理するための機械の横断線方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 図１に示す機械のさらに詳細な横断線方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 図１に示す機械の一部を平板上に切り出した部分の模式的な構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第１の変形例に従い、第２実施形態に係る機械構造の長手方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第２の変形例に従い、第２実施形態に係る機械構造の長手方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第３の変形例に従い、第２実施形態に係る機械構造の長手方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第４の変形例に従い、第２実施形態に係る機械構造の長手方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 本発明の第２実施形態に係るさらに別の変形例に従い、ポリマー材を加工処理するための機械の横断線方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 図８に示す機械を構成する構成部分の斜視図を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 図８に示す機械の一変形例の横断線方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 ポリマー材を加工処理するための機械に追加的な変形構成を組み込んだ機械の横断線方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 図１１に示す機械の長手方向に沿った断面構造を、明確性を損なわないように一部を省略する形で示す図である。 ポリマー材を加工処理するプラント設備の側面図を、明確性を損なわないように一部を省略する形で模式的に示す図である。

図１を参照すると、機械１は、ポリマー材を連続的に加工処理する機械構造の全体像を示している。この発明の詳細な説明を記述する目的のために、用語「加工処理」とは、ポリマー材を混合物全体として又は組成成分毎に個別に溶融処理し、ポリマー材をガス抜き処理し、ポリマー材を粒子および／または繊維の塊の中に浸潤させ、粒子および／または繊維をポリマー材の中に拡散させ、１種類以上の液状ポリマー材をさらに別の１種類以上の液状ポリマー材を溶媒として溶解拡散させる処理等を意味するものとする。用語「ポリマー材」とは、加工処理の種類毎の必要性に応じて、液状または固形形状をとる熱可塑性の高分子素材（例えば、ＬＤＰＥ、ＬＬＤＰＥ、ＨＤＰＥ、ＰＰ等のポリオレフィン、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド１１、ポリアミド１２等、ポリエチレン・テレフタレート、ＰＢＴ、ＰＥＥＫ、ＰＳ等）および熱硬化性重合体（例えば、フェノール樹脂、尿素、メラミン、エポキシ樹脂、ゴムおよびポリウレタン等）を示す。

機械１は、回転子２と固定子３を備える。回転子２は、回転軸Ａを中心に回動自在な形で回転軸Ａによって支持されており、固定子３と組み合わされている。回転子２は、側面が滑らかな円筒形状で上下の基部が円形の外周面４を備える（すなわち、外周面上には溝、切り込み、窪み等が存在しない）。固定子３は、回転子２を収容するための保持座部分５を有し、保持座部分５の構造は、固定子３の内側に形成された円筒形状（側面が滑らかな円筒形上で上下の基部が円形）の内周面６によって定められる。

図２を参照すると、回転子２の外周面４および固定子３が備える保持座部分５の内周面６は、同心円状に対向しており、外周面４と内周面６との間の遊びが最小化されるように外周面４と内周面６はそれぞれ固有の曲率半径を有し、上述した遊びの最小化は、回転子２が固定子３に対して容易に回動可能となるに必要な許容範囲内となるようにされている。

図１を参照すると、固定子３内においては、保護座部分５の内側において、窪み部分７が形成されている。具体的には、窪み部分７は、内周面６に沿った円周方向に３６０°よりも小さい角度範囲内にわたって延伸している。図１に示す具体例においては、窪み部分７は、１８０°よりもわずかに大きな角度範囲にわたって延伸している。窪み部分７は、回転子２と対向しており、回転子２と共に、ポリマー材のための加工処理用チャネル領域８を定めている。窪み部分７は、底面９と２つの側面１０を有するが、図１には２つの側面１０のうちの一方のみが示されている。

図３を参照すると、加工処理用チャネル領域８の高さＨは、回転子２の外周面４から窪み部分７の…面９までの径方向の距離により定められ、一方、加工処理用チャネル領域８の幅Ｗは、窪み部分７の一方の側面１０から他方の側面１０までの間の回転軸方向の距離によって定められる。具体的には、２つの側面１０は互いに並行であり、螺旋形状ではなく環状の加工処理用チャネル領域８を定める。

加工処理チャネル領域８全体にわたって、高さＨは場所に応じて可変となっている一方で、２つの側面１０が互いに並行に配置されている結果、幅Ｗは通常は一定に保たれている。図１に示す事例の場合、高さＨは、約１０°の角度範囲にわたって広がる第１の円弧に沿って一定に保たれる第１の値をとり、続いて、高さＨは急速に増加して第２の値となり、続いて、約９０°の角度範囲にわたって広がる円弧に沿ってゆっくりと増加してゆく。続いて、高さＨは、急速に減少し、加工処理用チャネル領域の残りの領域部分にわたって再び一定に保たれたままとなる。

機械１は、ポリマー材を加工処理用チャネル領域８へと供給するための材料投入用チャネル１１および加工処理用チャネル領域８からポリマー材を排出するためのポリマー排出チャネル１２を備えている。加工処理用チャネル領域８は、材料投入用チャネル１１の出口部分からポリマー排出チャネル１２の入口部分までの間にわたって延伸している。

液状のポリマー材を加工処理するのに使用される際に、機械１は、材料投入用チャネル１１の出口部分近傍において加工処理用チャネル領域の高さが低くなるような形状を持つ材料投入用チャネル１１を備えることに留意されたい。上記のように材料投入用チャネル１１の出口部分近傍で加工処理用チャネル領域の高さが低くなる部分は、約１０°の角度範囲にわたって広がる円弧に沿って延伸している。

機械１はさらに、構成材料となる固形状粒子の集合体または集塊体を加工処理用チャネル領域８の中へと供給するように構成された供給用チャネル１３を備え、当該粒子集塊体は、加工処理用チャネル領域内に存在するポリマー材の中において浸潤処理され拡散処理される。

使用中の状態においては、図１において回転子２は、時計回りに回転するので、供給用チャネルの位置において供給されるポリマー材は、材料投入用チャネル１１とポリマー排出用チャネル１２との間を加工処理用チャネル領域８に沿って送り出されるようにして押し出されてゆく。供給用チャネル１３の下流側において加工処理用チャネル領域８の高さが減少していることにより、ポリマー材に加わる圧力の増加分およびポリマー材が液状である場合においてポリマー材自体に対して作用する圧送効果が定められる。一般的には、ポリマー材は、固形状にした状態で機械１に供給され、加工処理用チャネル領域８の内部において溶融処理がされるか、さもなければ、ペースト状の流動体にした状態で供給されることが可能である。

図３は、直交座標系のマス目に合わせて描かれた加工処理用チャネル領域８を示しており、粒度の細かい固形形状にした状態でポリマー材が投入され、矢印によって示される方向に幾らかの部分領域だけ当該ポリマー材が移動した後に溶融処理されて液状となる様子を示している。加工処理用チャネル領域８の第１の部分領域において固形状ポリマー材を送り出すために回転子２によって矢印の方向に沿って作用させられる回転速度およびポリマー材が液状もしくはペースト状である場合に加工処理用チャネル領域８の第２の領域部分においてポリマー材の流れと並行な向きに沿ってポリマー材に分力として作用する速度方向成分は、回転子２の外周面近傍領域において回転子２の回転速度とほぼ同調している。

熱可塑性の固形形状であるポリマー材を溶融処理するのに使用される際に、加工処理用チャネル領域８の高さＨが減少する構造としたのは、以下の２つの目的のためである。第１の目的は、液状に溶融された後のポリマー材の塊と比べて溶融前の固形状態のポリマー材の外観上の密度が小さいことに起因して生じるポリマー材の占有空間量の減少を補填するという目的である。第２の目的は、液状に溶融されて新たに形成された液状ポリマー材が多数の固形状粒子の粒子間に浸潤してゆくのを促進することにより、液状もしくはペースト状のポリマー材と固形状ポリマー材との間の接触界面を増加させ、それにより、ポリマー材の溶融処理の処理効率を向上させるという目的である。収斂チャネルの最適な寸法設計（収斂勾配ｄｈ／ｄＬが線形である場合および非線形である場合のいずれも含む）は、固形状粒子が溶融されたポリマー・マトリクス内に完全に溶け込んだ際に発生する混合消失作用を意図的に発生させることを意識した設計を含んでいる。機械１内部においてこのような状況が生じるのは、チャネル幅Ｗと比べてチャネル高さＨは遥かに小さく設計されているので、同一の流路部分においては、定量的な観点から言って、チャネル幅Ｗの寸法の方が、チャネル高さＨの寸法よりも優越しているからである。このような状況においては、全てのもしくは殆ど全ての熱可塑性固形状粒子は周囲を取り囲む溶融済みの液状ポリマー材からの熱伝導によって相当な量の熱エネルギーを受けることが可能である。

他方、熱可塑性を有する液状のポリマー材が使用される際に、加工処理用チャネル領域８の高さＨが減少する構造としたのは、以下の目的のためである。すなわち、液状ポリマー材の拡散処理と液状ポリマー材の中に拡散される固形状粒子の集塊体に対する浸潤処理を促進するために、液状ポリマー材に対して延伸方向に引き延ばす作用力を加えるという目的である。

図４および図７を参照すると、固定子３は、本体部分１４と板状構成部材１５を備え、板状構成部材１５は、回転子２の外周面４と摺動可能に当接した状態で外周面４の周囲に配置されており、本体部分１４と結合されている。板状構成部材１５は、互いに並行な複数の窪み部分７を有し、当該複数の窪み部分７の各々は、それぞれ固有の加工処理用チャネル領域８を定めている。

図５は、本発明に係る一実施形態に従い、２つの隣接する加工処理用チャネル領域８が仕切用部材１６によって隔てられており、２つの隣接する加工処理用チャネル領域８の間にはポリマー部材の流通経路を確立するための開口部１７が設けられている一変形例を示している。図６は、本発明に係る一実施形態に従い、２つの隣接する加工処理用チャネル領域８の間におけるポリマー材の流通が板状構成部材１５の内部を貫通するように設けられた接続チャネル１８によって実現される一変形例を示している。図５および図６を参照すると、２つの隣接する加工処理用チャネル領域８は、互いに異なる形状を有することが可能であり、それぞれ異なる目的のために使用することが可能である。

図８を参照すると、ポリマー材を加工処理する機械１は、固定子３を備え、固定子３は、一つ以上の構成部材を備える本体部分１９と、本体部分１９に結合された板状構成部材２０と、構成部材２１とを備えている。構成部材２１の内部には、ポリマー排出用チャネル２２が形成されており、構成部材２１は、本体部分１９および板状構成部材２０と結合されている。板状構成部材２０は、回転子２の外周面４との間で動的に密封状態を生じさせるような態様で回転子２の外周面４と当接しており、板状構成部材２０は、回転子２の外周面４と共に加工処理用チャネル領域８を定める窪み部分７を有している。板状構成部材２０は、固定子３の内周面６と密着した状態で結合されている。

板状構成部材２０は、構成部材２１を収容するための開口部を有し、構成部材２１は、回転子２の外周面４と部分的にだけ当接することによって加工処理用チャネル領域８を途中で遮蔽し、部分的に、加工処理用チャネル領域８の終端部を定めている。実際、構成部材２１の構造は、内部にポリマー排出用チャネルが形成された平行六面体として定められる。構成部材２１は、その一方の端面上において円筒形状に窪んだ外面２３を備えており、円筒形状に窪んだ外面２３は、回転子２の外周面４と摺動可能に当接するように構成されている。構成部材２１は、別の一端面上において凹形状に窪んだ外面２４を備えており、凹形状に窪んだ外面２４は、加工処理用チャネル領域８の終端部分を定めるように構成されている。

図９を参照すると、板状構成部材２０は、さらに追加の開口部２５を有しており、開口部２５は、供給用チャネル１３の一部分を定めており、開口部２５の上流側と下流側には、ポリマー材を加工処理用チャネル領域８へと供給するための２つの投入口２６と２７がそれぞれ設けられている。２つの投入口２６および２７は、それぞれ対応する材料投入用チャネル１１Ａおよび１１Ｂと連通し、材料投入用チャネル１１Ａおよび１１Ｂは、それぞれ、板状部材の外壁面上に沿って設けられた対応する窪み部分２８および２９によって部分的に定められ、固定子３の本体部分３０に設けられた複数の投入口によって部分的に定められるが、本体部分３０に設けられた複数の投入口は、簡単のため、図面から省略されている。

２つの投入口２６および２７と、供給用チャネル１３のために設けた開口部２５について上述した上記機械構造は、ポリマー材の一方の層、構成材料となる固形状粒子の集塊体から成る層およびポリマー材の他方の層が加工処理用チャネル領域８内へと順番に投入されてゆくことによって、固形粒子の集塊体が浸潤処理され、拡散処理される処理フェーズを促進することが可能なサンドイッチ構造を定めることとなる。

図１０に示す一変形例を参照すると、機械１は固定子３を備え、固定子３は、本体部分３０、板状構成部材３１およびガス抜き処理用チャネル３２を備えている。図１０に示す事例においては、板状構成部材３１は、ポリマー材を供給するための投入口３３、加工処理用チャネル領域８の入口部分において液状ポリマー材をフィルム状に形成した際の厚みを低減するための薄層状領域３３ａ、ガス抜き処理用チャネル３２の入口部分を定めるガス抜き用開口部３４およびポリマー排出チャネル１２の一部を定める排出口３５を備えている。

板状構成部材３１は、投入口３３から排出口３５まで延伸する窪み部分７を備え、窪み部分７は、加工処理用チャネル領域８を定める。窪み部分７は、円周方向に延伸するにつれて高さが変化するような構造を有する。具体的には、窪み部分７は、加工処理用チャネル領域の構造が以下のとおりになるような形状を有する。まず、ポリマー材を薄膜形状に形成することを可能にするように高さＨが一定に保たれる第１の領域部分３６ａがあり、続いて、ガス抜き用開口部３２の下流側において一定の高さＨを保って延伸する第２の領域部分３６ｂがあり、続いて、排出用開口部３５の上流側に隣接して設けられ、一定の高さを保ちながら延伸する第３の領域部分３７があり、第２の領域部分３６ｂと第３の領域部分３７との間に第４の領域部分３８があり、第４の領域部分３８は、３つ並んだ収斂／発散部分と、それに続いて第３の領域部分に向かって収斂する領域部分とを定める。

投入口３３は、ポリマー材を回転子２の外周面４上に引き延ばして広げることにより薄膜状に形成する機能を有する。上記のように形成されたポリマー材の薄膜層は、加工処理用チャネル領域８の領域部分３６ｂの高さＨよりも明らかに低いので、ガス抜き用開口部３４が汚されることがなく、領域部分３６ｂに沿ってガス抜き処理用の空間領域を定めることを可能にし、ガス抜き処理される液状のポリマー材とガス抜き用開口部３４の位置における加工処理用チャネル領域８は、相互に完全に分離されている。

図１１を参照すると、機械１は、再循環システム３９を備え、再循環システム３９は、ポリマー材の液漏れを低減するか、場合によっては完全に無くすことを目的として設けられ、当該液漏れは、回転子２と固定子３との間に設けることが必要な遊び幅を介して、加工処理用チャネル領域８の２つの側端部に沿って発生する可能性がある。再循環システム３９は、加工処理用チャネル領域８の外部において、ポリマー材の緩慢な再循環フローを生じさせるように構成され、当該再循環フローは、加工処理用チャネル領域８の高圧領域部分において、加工処理用チャネル領域８の互いに反対側に位置する両側端部から漏れ出て来たポリマー材を集め、当該集めたポリマー材が加工処理用チャネル領域８の低圧領域部分に入ってゆくように導く。

図１１を参照すると、再循環用チャネル４０は、回転軸Ａの周囲を取り巻くように、加工処理用チャネル領域８の高圧領域部分と加工処理用チャネル領域８の低圧領域部分との間を結ぶ円弧領域に沿って延伸している。再循環用チャネル４０は、加工処理用チャネル領域８と並行な向きに沿って設けられ、加工処理用チャネル領域８の側端部から漏れ出た溶融済みの液状ポリマー材を受け取り、回転子２の回転によって駆動され、回転子２が回転した際に生じる引き摺り力により、上述した溶融済みの液状ポリマー材を引っ張ることで、当該液状ポリマー材を同じ加工処理用チャネル領域８の低圧領域部分へと運んで戻す。

図１２を参照すると、再循環用チャネル４０は、上述した高圧領域部分において、加工処理用チャネル領域８の互いに反対側に位置する両側端部において加工処理用チャネル領域８を挟んで回転軸方向に沿って離間されて配置されている。加工処理用チャネル領域８の低圧領域部分においては、再循環用チャネル４０は、加工処理用チャネル領域８に向かって収斂し、液漏れを加工処理用チャネル領域８自体に流し戻すために結合する。

図１３は、ポリマー材を加工処理するためのプラント設備を示している。図１３に示すプラント設備は、ポリマー材を加工処理するための３台の機械１、１００および２００が直列接続されたものを備えている。例えば、第１の機械１は、ポリマー材を溶融処理し、溶融済みのポリマー材を第２の機械１００へと圧送する。第２の機械１００は、固形状粒子又は液状粒子の集塊体をポリマー材の中に拡散し、上記拡散処理したポリマー材を第３の機械２００へと圧送する。第３の機械２００では、ポリマー材に対してガス抜き処理が行われる。以上から明らかなとおり、図１乃至図１２を使用して上述したタイプの機械は、上流側および／または下流側に設けた他のタイプの機械と連携動作可能に接続され得る。

従来技術よりも優位性のある点として、図１乃至図１２を使用して上述したタイプの機械は、後続して実施される射出成形処理のために使用される化学合成顆粒を製造し、さらに、一直線上に押し出し成型された３次元形状、チューブ形状またはシート形状を有し、マイクロロード処理もしくはナノロード処理されもしくは炭素ガラス繊維、アラミド繊維、天然繊維などの繊維類によって強化されたポリマー製品を製造するために使用可能である。

図１乃至図１２を使用して上述したタイプの機械を、従来式のスクリュー型押し出し機、射出成型機、吹き込み成形器、圧縮成形用の圧縮機などとカスケード接続やバイパス接続により機能的に接続して成る形態は、実用上特に興味深い実施形態である。最後に、上述した実施形態を変形して実施可能な様々な変形例は、本明細書に添付した特許請求の範囲によって規定される発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の実施のために成すことができるのは明らかである。

Claims (18)

1. ポリマー材を加工処理するための機械であって、
   回転軸を中心に回動自在に構成された回転子と、
   前記回転子とスライド可能に嵌合することにより前記回転子を密封する固定子と、
   前記固定子の内側に３６０°よりも小さな角度範囲にわたって円周方向に延伸する窪み部分であって、前記ポリマー材の加工処理用チャネル領域を前記回転子と共に形成する窪み部分と、
   前記加工処理用チャネル領域へと前記ポリマー材を供給するための少なくとも一つの材料投入用チャネルと、
   前記加工処理用チャネル領域から前記ポリマー材を排出するための少なくとも一つのポリマー排出用チャネルと、
   を備えることを特徴とする機械。
2. 前記窪み部分は、前記回転軸と直交する円周方向に沿って延伸していることを特徴とする、請求項１記載の機械。
3. 前記窪み部分は、前記回転軸と並行な向きの長さとして測定した場合に、一定のチャネル幅を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の機械。
4. 前記加工処理用チャネル領域の高さを場所に応じて可変となるように定めることができるような態様で、前記窪み部分の底面を回転子外周面から可変の距離を隔てて配置することを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された機械。
5. 前記加工処理用チャネル領域は、第１乃至第３の領域部分を備え、
   前記第１の領域部分一定の高さを有し、前記材料投入用チャネルの側に配置されており、
   前記第２の領域部分は、前記第１の領域部分の高さよりも低い一定の高さを有し、前記ポリマー排出用チャネルの側に配置され、流体圧送効果を有し、
   前記第３の領域部分は、前記第１の領域部分と前記第２の領域部分との間に含まれ、前記第１の領域部分と接する側の高さが前記第１の領域部分の高さと等しく、前記第２の領域部分に近づくにつれて高さが漸減し、前記第２の領域部分に接する側の高さが前記第２の領域部分の高さと等しい、
   ことを特徴とする、請求項４に記載された機械。
6. 前記第３の領域部分は、前記第１の領域部分と前記第２の領域部分との間に配置され、場所に応じて可変の高さを有することによって、少なくとも一つの収斂領域を定めていることを特徴とする、請求項５に記載の機械。
7. 前記第３の領域部分は、複数の収斂／発散領域を有することを特徴とする、請求項６に記載の機械。
8. 前記回転子は、円筒形状でほぼ滑らかな外周面を有することを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載された機械。
9. 供給用チャネルをさらに備え、
   前記供給用チャネルは、前記ポリマー材の構成材料となる固形粒子の集塊体を前記加工処理用チャネル領域内へと供給し、前記固形粒子の集塊体に対してポリマー・マトリクス内における浸潤処理および粉砕処理がそれぞれ行われるように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載された機械。
10. 前記材料投入用チャネルは、前記加工処理用チャネル領域に沿って連続して並んだ状態で、構成材料となる粒子の集塊体を供給するための供給口の上流側と下流側にそれぞれ設けられた２つの投入口を備え、
    前記２つの投入口は、前記粒子集塊体を液状ポリマー材から成る２つの層の間に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の機械。
11. ガス抜き処理用チャネルをさらに備え、
    前記ガス抜き処理用チャネルは、前記ポリマー材の前記加工処理を行っている間に生成された気体を排出するように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載された機械。
12. 前記加工処理用チャネル領域の互いに反対側に位置する両側端部から漏れ出て来た液状もしくはペースト状の前記ポリマー材を集め、前記集めたポリマー材が加工処理用チャネル領域に戻ってゆくように導くように構成された再循環システムをさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載された機械。
13. 前記再循環システムは、前記加工処理用チャネル領域の互いに反対側に位置する両側端部において、前記固定子の内部を延伸しながら、前記集めたポリマー材を前記加工処理用チャネル領域内へと流し込むように構成された少なくとも２つの再循環用チャネルを備える
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の機械。
14. 互いに隣接する複数の前記加工処理用チャネル領域を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載された機械。
15. 前記互いに隣接する複数の前記加工処理用チャネル領域は、互いに異なる形状を有することを特徴とする、請求項１３に記載の機械。
16. 前記固定子は、
    一つ以上の構成部材を備える本体部分と、
    前記回転子と摺動可能に当接しながら前記回転子の周囲を取り囲むように構成され、前記本体部分と密着して結合されている板状構成部材と、
    を備え、前記少なくとも一つの窪み部分は、前記板状構成部材の内壁面に沿って形成されている、
    ことを特徴とする、請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載された機械。
17. 前記板状構成部材は、前記板状構成部材自体の外壁面に沿って形成され、部分的に前記材料投入用チャネルを定めるように構成されている少なくとも一つの追加的な窪み部分を有することを特徴とする、請求項１６に記載の機械。
18. ポリマー材を加工処理するための複数の機械であって、各々が請求項１乃至請求項１７のいずれか一項にそれぞれ記載された複数の機械を備え、前記複数の機械が互いに直列に接続されて構成される、
    ポリマー材を加工処理するためのプラント設備。