JP2017193097A - スクリュ式押出機 - Google Patents

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Abstract

【課題】混練物の分散混合性を高めることができ且つ製作が容易な構造のスクリュを備えるスクリュ式押出機を提供すること。【解決手段】スクリュ式押出機の一例としてのローラダイ付押出機１は、螺旋状のフライト７が軸部６の外周面に設けられたスクリュ２と、スクリュ２を収容するチャンバ４とを備えている。フライト７の先端部であって且つフライト７の回転方向Ｒ裏側にフライト拡厚部としてのリブ８が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、混練物の押出を行うスクリュ式押出機に関し、特に、混練物を押出しながらシート状に形成するのに好適に用いられるスクリュ式押出機に関する。
自動車用タイヤの製造プロセスにおいて、タイヤの原料であるゴムの混練機の下に設置し、混練機から投入されたゴム（混練物）を連続的に押出しながらシート状に成形する押出成形機が用いられる。この種の押出成形機に関する技術として、例えば下記の特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の技術は、上記した押出成形機を構成するスクリュに関する技術である。スクリュの芯部およびフライト部の内部に、水などの媒体を循環させる流路を設け、温度調整された上記媒体をこの流路に流すことで、フライト部を含むスクリュ全体の温度を均等に制御して、スクリュ面への混練物の付着を防止している。
近年、低燃費タイヤの需要が増加している。低燃費タイヤの原料であるゴムにはシリカが高い割合で配合されることが多い。シリカを高い割合で配合したゴム（混練物）は、押出成形機においてシート状に成形しにくいという問題がある。そのため、上流側プロセスの混練機においてだけでなく、押出成形機においてもゴム（混練物）の分散混合性を高めることが望まれる。ゴム（混練物）の分散混合性を高めるには、混練物により多くのエネルギを加える必要がある。
ゴムの分散混合性を高め得る押出成形機を構成するスクリュに関する技術として、例えば下記の特許文献２に記載のものがある。特許文献２には、スクリュを構成するフライト部のねじれ角度を小さくしたり、フライト部の全体を厚くしたりすることが記載されている。
特開平９−３００４３３号公報 米国特許出願公開第２００８／００６９９１６号明細書
しかしながら、フライト部のねじれ角度を途中で変更するのはその加工が難しい。また、フライト部の全体を厚く設計すると、フライト部の曲げ加工、切削加工などの加工が難しい。このように、フライト部のねじれ角度を小さくしたり、フライト部の全体を厚くしたりすることは、スクリュの製作を難しくする。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、混練物の分散混合性を高めることができ且つ製作が容易な構造のスクリュを備えるスクリュ式押出機を提供することである。
本発明に係るスクリュ式押出機は、螺旋状のフライトが軸部の外周面に設けられたスクリュと、前記スクリュを収容するチャンバとを備える、混練物の押出を行うスクリュ式押出機である。前記フライトの先端部であって且つ前記フライトの回転方向裏側にフライト拡厚部が設けられていることを特徴とする。
この構成によると、フライトの先端部とチャンバの内面との間のフライトの回転方向における隙間の距離が長くなる。これにより、この隙間部分で混練物にせん断力が長く加わるので混練物に加わるエネルギが増加し、混練物の分散混合性が高まる。混練物に従来よりもせん断力を長い時間加えるだけであれば、フライト先端部の回転方向表側にフライト拡厚部を設けてもよい。しかしながら、本発明ではフライト先端部の回転方向裏側にフライト拡厚部を設ける。これにより、フライト先端部の回転方向表側にフライト拡厚部を設ける場合よりも、フライト先端部とチャンバの内面との間の隙間に滑らかに混練物を流れ込ませることができる。その結果、フライト先端部とチャンバの内面との間の隙間に流れ込んでせん断力を受ける（混練される）混練物の量が増加する。
なお、従来技術のようにフライトの全体を厚くするのではなく、フライトの一部のみを厚くするので、従来技術よりも製作が容易である。
また本発明において、前記フライト拡厚部が設けられた前記先端部の外周面は、前記フライトの回転方向において円弧形状に形成されており、前記チャンバの内壁面のうちの少なくとも一部の面は、前記フライト拡厚部を含む前記先端部の外周面との間に一様な寸法の隙間が形成される円弧形状とされていることが好ましい。
この構成によると、フライト先端部とチャンバの内面との間の隙間を、混練物が滑らかに流れるので、フライト先端部とチャンバの内面との間の隙間に流れ込んでせん断力を受ける（混練される）混練物の量をより増加させることができる。
さらに本発明において、前記フライト拡厚部は、前記軸部の中心側に向かうにつれて厚みが減少させられていることが好ましい。
この構成によると、フライトの回転方向裏側に混練物が滞留することを防止することができる。これにより、混練物の劣化を防止できる。
さらに本発明において、前記チャンバは、上部に混練物供給口が設けられたチャンバ上流部と、周囲が壁面で囲われたチャンバ下流部と、を有し、前記フライトのうちの前記フライト拡厚部が設けられた部分が、前記チャンバ下流部に配置されていることが好ましい。
この構成によると、混練物供給口が上部に設けられたチャンバ上流部よりも、周囲が壁面で囲われたチャンバ下流部のほうが混練物の逃げる空隙が少ないので、フライトのうちのフライト拡厚部が設けられた部分を上記のチャンバ下流部に配置することで、混練効果を高めることができる。
さらに本発明において、前記フライトのうちの前記チャンバ下流部に配置されている部分が、複数条のフライト部とされていることが好ましい。
この構成によると、フライト部を複数条にすることで、それにほぼ比例してスクリュのトルク（混練エネルギ）が増加するので、混練効果をより高めることができる。
本発明によると、混練物の分散混合性を高めることができ且つ製作が容易な構造のスクリュを備えるスクリュ式押出機を提供することができる。
本発明に係るスクリュ式押出機の一実施形態としてのローラダイ付押出機の平断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図であり、本発明の一実施形態に係るローラダイ付押出機の縦断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面のうちの第１スクリュ側の模式断面図である。 流動解析の解析条件を説明するための図３に相当する図である。 フライト拡厚部の変形例を示すための図３に相当する図である。 フライトの変形例を示すための図３に相当する図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。以下の実施形態で示すスクリュ式押出機は、ゴムなどの高分子材料の混練物をシート状に押出成形するローラダイ付スクリュ押出機（以下、「ローラダイ付押出機」と呼ぶ）である。なお、本発明のスクリュ式押出機は、高分子材料の混練物を多数の円形孔を有するダイスから押出した後に円筒状のペレットに切断成形するペレタイザと呼ばれる機械にも用いることができる。
（ローラダイ付押出機の構成）
図１〜３を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るローラダイ付押出機１について説明する。ローラダイ付押出機１は、混練物の押出を行う２本のスクリュ２，３と、スクリュ２，３を収容するチャンバ４とを有する。チャンバ４の前方には上下一対のローラ９，１０が配置される。チャンバ４とローラ９，１０との間には、スクリュ２，３により押出された混練物の溜まり部１１が設けられている。ローラ９，１０は、互いに逆方向に回転するように連結される。なお、ローラ９，１０は、ローラダイと呼ばれている。
チャンバ４は、上部に混練物供給口１４ａが設けられたチャンバ上流部１４と、周囲が壁面で囲われたチャンバ下流部２４とを有する。混練物供給口１４ａにその上方から供給されたゴムなどの混練物は、互いに逆方向に回転するスクリュ２，３により溜まり部１１へ押出され、その後、ローラ９，１０の間を通ることでシート状に形成される。
スクリュ２，３について説明する。なお、第１スクリュ２と第２スクリュ３とは、フライトの捩れ角度が互いに逆であることを除いては同じスクリュであるため、代表して第１スクリュ２について説明する。
第１スクリュ２は、軸部６と、軸部６の外周面に設けられた螺旋状のフライト７とを有する。図３に示したように、フライト７の先端部であって且つフライト７の回転方向Ｒ裏側には、フライト拡厚部としてのリブ８が設けられている。フライト７の先端部の外周面７ａとリブ８の先端部の外周面８ａとは相互間に段差がない面一の面とされ、且つ回転方向Ｒにおいては面一の円弧形状の面とされている。なお、リブ８はフライト７の裏面に溶接などにより固定されるものであってもよいし、フライト７との一体成形品であってもよい。図１，２では、リブ８の図示を省略している。
ここで、図３に示したように、チャンバ４（チャンバ下流部２４）の内壁面４ａのうちの一部の面は、リブ８を含むフライト７の先端部の外周面７ａ，８ａとの間に一様な隙間Ｓが形成される円弧形状とされている。
また、リブ８の裏面８ｂは、軸部６の中心Ｏ側に向かうにつれてリブ８の厚みが連続的に減少するように斜面とされている。
なお、リブ８（フライト拡厚部）は、フライト７が螺旋状に延びる方向においては、フライト７の回転方向Ｒ裏面に連続的に設けられている。すなわち、リブ８（フライト拡厚部）は、断面形状が図３に示す形状の帯状体のような部材である。
フライト７のうちのリブ８が設けられている部分は、周囲が壁面で囲われたチャンバ下流部２４の内部に配置される。なお、チャンバ上流部１４の内部に配置されるフライト７部分にも、その先端部の裏面にリブ８が設けられてもよい。さらには、チャンバ上流部１４の内部に配置されるフライト７部分のみに、その先端部の裏面にリブ８が設けられてもよい。
図１，２に示す実施形態では、フライト７は軸方向において端から端まで１条のフライトとされているが、チャンバ下流部２４の内部であって、フライト７のうちのリブ８が設けられている部分は、例えば２条など、複数条のフライトとされることが好ましい。
（混練物の流動解析）
フライト７の先端部であって且つフライト７の回転方向Ｒ裏側に、フライト拡厚部としてのリブ８が設けられたスクリュ２に関し、二次元の流動解析を行った。
図４を参照しつつ、流動解析の解析条件について説明する。まず、前記したようなツインスクリュ、すなわち２本のスクリュ２，３ではなく、１本のスクリュ２が断面円形のチャンバ４内に収容されていることとした。
共通の解析条件は、下記の通りである。
チャンバ４の内径：Ｄｍｍ
スクリュ２の軸部６の直径：０．５Ｄｍｍ
リブ８が設けられていない部分のフライト７の厚みＴ：０．０５Ｄｍｍ
スクリュ２の回転数：１５ｒｐｍ
混練物の粘性および密度：１０００Ｐａ・ｓ、１０００ｋｇ／ｍ
なお、比較例にかかるフライト（フライト拡厚部が先端部に設けられていないフライト）についても、本発明にかかるフライトについても、その先端部の外周面（本発明にかかるフライトについてはリブ部を含む）は、チャンバ４の内壁面４ａの円弧に沿う同心の円弧形状とした。
フライト７とチャンバ４の内壁面４ａとの間の隙間Ｓ、およびフライト７の先端部の厚みＷ、およびチャンバ４内部の混練物の充満率を変化させて、混練物に加わるエネルギを調べた。なお、混練物に加わるエネルギの大小は、スクリュ２が２回転したときのスクリュ２の平均回転トルクで評価した。トルクが大きい（または小さい）ということは、混練物に加わるエネルギが大きい（または小さい）ということである。解析結果を、表１、２に示す。なお、表１，２には、フライト拡厚部が先端部に設けられていない比較例に係るフライト（フライト先端部厚みＷ：０．０５Ｄ、）についての、隙間Ｓ：０．０１Ｄ、充満率：１００％のときの平均回転トルクを１．０００とした場合の比で、各条件のフライトについての平均回転トルクを示している。
Figure 2017193097
Figure 2017193097
表１、２からわかるように、フライト７の先端部の厚みＷが大きいほど、平均回転トルク（混練物に加わるエネルギ）が大きくなった。このことから、フライト先端部にリブ８（フライト拡厚部）を設けて、フライト先端部厚みＷを大きくすると、混練物の分散混合性が向上することがわかる。
混練物の充満率については、表１と表２の隙間Ｓ：０．０１Ｄｍｍでの解析結果の比較から、充満率が高い方が、混練物に加わるエネルギが大きくなることがわかる。このことから、混練物の充満率が高い条件で、フライト７の先端部の厚みＷが大きいスクリュ２を使うことが、混練物の分散混合性を向上させるのにより有効である。すなわち、混練物供給口１４ａが設けられたチャンバ上流部１４よりも、周囲が壁面で囲われたチャンバ下流部２４の方が混練物の充満率が高くなるので、前記したように、フライト７のうちのリブ８が設けられている部分を、周囲が壁面で囲われたチャンバ下流部２４の内部に配置することが好ましい。
さらには、混練物の充満率が高くなるチャンバ下流部２４の内部に、フライト７のうちのリブ８が設けられている部分を複数条で配置する（フライトを複数にする）ことで、混練物に加わるエネルギをより大きなものとすることができ、混練物の分散混合性をより向上させることができる。
また、上記した流動解析の結果から、フライト拡厚部をフライトの先端部裏面側に有さない比較例にかかるスクリュでは、回転するフライト先端部の裏側に混練物が滞留し易いことがわかった。混練物が滞留すると混練物の冷却が阻害されて、長い時間、高温状態となる。高温状態の継続は、混練物の劣化の原因となり、混練品質が低下してしまう。このことから、前記した実施形態のように、スクリュ軸の中心側に向かうにつれて厚みが連続的に減少するリブ８（フライト拡厚部）が、フライト先端部の裏側に設けられることで、この部分での混練物の滞留を防止することができる。これにより混練物の劣化を抑制することができる。
（変形例）
図５に、フライト拡厚部の変形例を示している。図３，４に示したフライト拡厚部としてのリブ８は、スクリュの軸部６の中心Ｏ側に向かうにつれてリブ８の厚みが連続的に減少するように形成されている。これに代えて図５に示すリブ１２（フライト拡厚部）のように、ほぼ一様な厚みのリブであってもよい。
図６に、フライトの変形例を示している。図３〜５に示したフライト７（フライト本体部）は、その厚みが、軸部６の中心Ｏ側部分である基端部から先端部にかけて一様とされている。これに代えて、図６に示すフライト１３のように、基端部が太くて、基端部から先端部にかけて細くなるフライトであってもよい。言い換えれば、先端部から基端部にかけて太くなる（厚みが増す）フライトであってもよい。このようなフライトとすることで、フライトの強度を高めることができるとともに、フライト間での混練物の滞留をより防止することができる。
また、図３，４，５に示す、リブ８，１２を含むフライト７の先端部の外周面は、いずれも、フライト７の回転方向において円弧形状とされているが、円弧形状でなくてもよい（図６に示すフライト１３についても同様）。すなわち、フライト拡厚部を含むフライト先端部の外周面と、チャンバの内壁面との間の隙間は、一様な寸法でなくてもよい。
図１，２に示すローラダイ付押出機１は、ツインスクリュ、すなわち２本のスクリュ２，３を備えるスクリュ式押出機であるが、スクリュを１本だけ備えるスクリュ式押出機でもよいし、スクリュを３本以上備えるスクリュ式押出機でもよい。
その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行える。
１：ローラダイ付押出機（スクリュ式押出機）
２：第１スクリュ
３：第２スクリュ
４：チャンバ
４ａ：内壁面
６：軸部
７：フライト
８：リブ（フライト拡厚部）
７ａ、８ａ：外周面
９、１０：ローラ
１４：チャンバ上流部
１４ａ：混練物供給口
２４：チャンバ下流部
Ｓ：隙間

Claims (5)

  1. 螺旋状のフライトが軸部の外周面に設けられたスクリュと、
    前記スクリュを収容するチャンバと、
    を備える、混練物の押出を行うスクリュ式押出機において、
    前記フライトの先端部であって且つ前記フライトの回転方向裏側にフライト拡厚部が設けられていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  2. 請求項１に記載のスクリュ式押出機において、
    前記フライト拡厚部が設けられた前記先端部の外周面は、前記フライトの回転方向において円弧形状に形成されており、
    前記チャンバの内壁面のうちの少なくとも一部の面は、前記フライト拡厚部を含む前記先端部の外周面との間に一様な寸法の隙間が形成される円弧形状とされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  3. 請求項１または２に記載のスクリュ式押出機において、
    前記フライト拡厚部は、前記軸部の中心側に向かうにつれて厚みが減少させられていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載のスクリュ式押出機において、
    前記チャンバは、
    上部に混練物供給口が設けられたチャンバ上流部と、
    周囲が壁面で囲われたチャンバ下流部と、
    を有し、
    前記フライトのうちの前記フライト拡厚部が設けられた部分が、前記チャンバ下流部に配置されていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  5. 請求項４に記載のスクリュ式押出機において、
    前記フライトのうちの前記チャンバ下流部に配置されている部分が、複数条のフライト部とされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
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