JP2018024252A - 湾曲面を備える押出ダイ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイに加わる圧力を減じ、流量を増加させる流れデバイスの提供。【解決手段】流れの方向に垂直な平面に沿って画成され、互いに対向する入口側及び出口側を有する本体を備え、本体は中心付近に画成され平面に対して垂直な方向に一定の厚さを有する第１の領域８０２、非一定の厚さを有する第２の領域８０４、及び第３の領域８０６を備え、第２の領域は第１の領域と第３の領域との間に画成され、入口側に形成された入口面及び出口側に形成された出口面で、本体は入口面と出口面との間で画成される厚さを有する入口面及び出口面、本体内で入口側と出口側との間に画成され、入口側に材料を受承する様適合した複数の送り孔８０８、出口側に材料を押し出す様適合した複数のスロット８０８を備え、第１の領域の出口側の少なくとも一部が平面から外側に向い延在し、楕円形、円環球体状又は半球状である湾曲を形成する流れデバイス。【選択図】図８

Description

関連出願の説明

本出願は、米国特許法第１２０条の下で、２０１２年５月２９日出願の米国特許出願第１３／４８２４０８号の優先権の利益を主張するものであり、本出願は上記出願の内容に依存するものであり、参照によってその全体を援用する。

本開示は押出ダイに関し、特に湾曲面を備える押出ダイに関する。

押出プロセスにより、複雑な断面を有する物品を作製できる。従来のプロセスでは、バッチ材料を押出器バレルのチャンバ内に挿入する。材料はチャンバ内に入ると、ポンプ、ピストン、スクリュー又はその他の従来の手段等の圧力機構によって加圧される。チャンバ内の圧力は、チャンバ内に配置されたダイが生成する材料の流動抵抗を上回るように、十分に高くなければならない。圧力が流動抵抗を上回ると、材料はチャンバを通って押出器バレルの入口からダイに向かって押圧される。材料は、チャンバ全体に亘って入口とダイとの間に配置されているプレート内に画成された開口又はチャネルを通過できる。材料は、ダイに到達すると、ダイ内に画成された１つ又は複数の送り孔及び吐出スロットを通して押し出され、所望の幾何学形状を有する押出成形物（例えば蜂の巣状本体等）を形成する。

従来のダイは、（例えば、蜂の巣状本体の輪郭及びセル等の）押出成形物の所望の形状を生成するよう設計されているが、そのためには、ダイは押出チャンバ内で生成される超高圧に耐える必要がある。例えば薄壁の蜂の巣状本体を形成するために必要な薄型の吐出スロットは、押出チャンバ内において高圧を必要とする。ダイを不正確に設計すると、圧力によるプレートの屈曲によってダイが変形又は破損し得る。従って、ダイの厚さを、チャンバ内の高圧成形に耐えるように増加させることがある。これは、チャンバ内に配置してよい制限開口を有するその他の要素に関しても同じである。プレートの屈曲に関するいずれの問題と同様に、プレートの直径を大きくするにつれて、材料の収率限界内に収めるためにプレートの厚さも増加させなければならない。結果として、ダイ内の開口を通る流れに対するインピーダンス及び抵抗は、ダイの厚さの増加に伴って不必要に増加してしまう。

従って、ダイを通る流れに対するインピーダンス及び抵抗を低減する、改良されたダイへの需要が存在する。また、ダイに加わる応力を低減しながら押出プロセスのスループットを増加させることが望ましい。

本開示のある例示的実施形態では、プレートを押出装置内に配置する。このプレートは本体を備え、この本体はある平面に沿って画成され、第１の側部及び第２の側部を有する。第２の側部は第１の側部に対向して配置される。このプレートはまた、第１の側部に形成された第１の面及び第２の側部に形成された第２の面を備える。上記本体は、第１の面と第２の面との間で画成される厚さを有する。本体内の第１の側部と第２の側部との間に、複数の開口を画成する。また、第１の面又は第２の面の少なくとも一部は、上記平面から外側に向かって延在する湾曲を形成する。

本実施形態の一態様では、上記複数の開口それぞれを、第１の側部と第２の側部との間において互いに対して平行に画成してよい。また、上記複数の開口はそれぞれ、上記平面に対して略垂直に延在してよい。別の態様では、上記湾曲は、楕円形、円錐形、円環球体状又は半球状であってよい。

更なる態様では、上記プレートは、第１の領域、第２の領域及び第３の領域を備えてよい。第１の領域は上記本体の中心付近に画成でき、これは上記平面に垂直な方向に略一定の厚さを有してよい。第２の領域は上記本体の縁部付近に画成でき、これは上記押出装置に連結するよう適合される。第３の領域は、第１の領域と第２の領域との間に画成できる。第１の領域は、第１の径方向厚さ及び第２の径方向厚さを有してよく、この第１の径方向厚さは第１の領域の中心付近に画成され、第２の径方向厚さは第３の領域付近に画成される。第１の径方向厚さは、第２の径方向厚さよりも大きくてよい。

別の実施形態では、押出成形物を形成するために、押出装置を設ける。この装置はバレルを備えてよく、このバレルはその一端に入口を、その他端に出口を有する。このバレルは、入口側と出口側との間にチャンバを画成する。チャンバを加圧するために、バレルの入口付近に圧力機構を配置し、材料を入口から出口へと移動させるよう構成する。流路は、チャンバ内において入口と出口との間に画成され、流れの方向を画成する。上記装置はまた、バレルの出口に連結されたダイを備える。このダイは、流れの方向に略垂直な平面に沿って画成された本体と、入口側及び出口側とを備えてよい。この本体の厚さは、入口側と出口側との間で画成される。ダイはまた、入口側と出口側との間に画成された複数の送り孔を備えてもよく、これら複数の送り孔は、入口側において材料を受承して、出口側において材料を押し出すよう適合される。また、入口側又は出口側の少なくとも一部は、上記平面から外側に向かって延在する湾曲を形成する。

本実施形態の一態様では、上記複数の送り孔は、互いに対して略平行である。上記複数の送り孔は、本体内において概ね流れの方向に沿って画成してもよい。別の態様では、上記湾曲は、楕円形、円錐形、円環球体状又は半球状であってよい。更なる態様では、上記ダイは第１の領域、第２の領域及び第３の領域を備えてよい。第１の領域は上記本体の中心付近に画成でき、これは上記流れの方向に略一定の厚さを有してよい。第２の領域は上記本体の縁部付近に画成でき、上記押出装置に連結してよい。第３の領域は、第１の領域と第２の領域との間に画成できる。また、上記第１の領域は、第１の領域の中心付近に概ね上記流れの方向に画成される最大径方向厚さと、第１及び第３の領域の境界付近に画成される最小径方向厚さとを備えてよい。上記複数の送り孔は、第１の領域内に画成できる。

関連する態様では、押出装置は、チャンバ内において上記入口と上記ダイとの間に配置されたホモジナイザーを備えてよい。このホモジナイザーは、内側部分及び外側部分を備えてよい。外側部分は上記バレルに連結でき、内側部分は、上記入口に向かって配向された第１の側部と、この第１の側部に対向して配置される第２の側部とを備えてよい。上記内側部分の第１の側部と第２の側部との間に複数の開口を画成し、流れの方向に対して略平行とすることができる。第１の側部及び第２の側部のうちの少なくとも一方は、湾曲した断面を有してよい。あるいは、第１の側部及び第２の側部の両方が、湾曲した断面を有してよい。

押出装置は、チャンバ内の上記入口と上記ダイとの間に配置されたプレートも備えてよい。このプレートは、上記バレルに連結された外側部分と、スクリーン様の材料からなる内側部分とを有してよい。内側部分は少なくとも１つの湾曲面を有してよい。あるいは内側部分は第１の湾曲面及び第２の湾曲面を有してよく、この第１の湾曲面は上記入口に向かって配向され、この第２の湾曲面は上記ダイに向かって配向される。

異なる実施形態では、押出装置において押出成形物を形成するための方法を提供する。この押出装置は：その一端に入口を有し、その他端に出口を有するバレル；バレル内において入口と出口との間に画成されるチャンバ；バレルの入口付近に配置された圧力機構；及びバレルの出口に連結されたダイを備え、このダイは入口側及び出口側を有する。この方法は：入口を通してチャンバ内に材料を挿入するステップ；圧力機構によってチャンバを加圧するステップ；流れの方向に沿ってバレルの入口から出口へと材料を移動させるステップ；ダイの入口側において材料を受承するステップ；ダイの入り口側又は出口側に形成された湾曲した断面内に画成された複数の送り孔を通して材料を流すステップ；及びダイの出口側から材料を押し出して押出成形物を形成するステップを含む。

本実施形態の一態様では、上記方法は、上記流れの方向に略平行な方向に沿って、材料を上記複数の送り孔に通過させるステップを含んでよい。別の態様では、上記方法は、上記バレルの入口と出口との間に配置されたホモジナイザー又はスティッププレート(stip plate)の湾曲した断面内に形成された開口に材料を通過させるステップを含んでよい。

添付の図面と併せて以下の例示的な実施形態の説明を参照することにより、本開示の上述の態様及びそれらを得るための様式はより明らかになり、請求する本発明自体もよりよく理解されるであろう。
押出器の概略図 従来の押出器及び平坦面のダイの概略図 本開示による湾曲したダイを備える押出器の概略図 複数の領域を有する、楕円形状の湾曲したダイの部分等角図 図４のダイの部分的な軸対称の断面図 外側の湾曲表面に垂直な方向に一定の厚さを有する、湾曲したダイ設計の第１の実施形態 押出方向に一定の厚さを有する、湾曲したダイ設計の第２の実施形態 湾曲したダイにおける送り孔及びスロットパターンの部分断面図 基本的な寸法を有する楕円の図 負荷が印加された湾曲したダイの部分的な断面図 ダイ応力に対する湾曲及び厚さの影響を示すグラフ 湾曲したダイの厚さ低減能力を示すチャート ダイの厚さ低減に対応するダイの圧力低減を示すグラフ 押出速度に対するダイの厚さ低減の影響を示すグラフ 湾曲面を有するホモジナイザーの側面図 画成されたチャネルを有する凹面及び凸面の両方を示す、図１５のホモジナイザーの断面側面図 対応する参照番号は、複数の図面を通して対応する部品を示すために使用されている。

以下に説明する実施形態は、網羅的なものであることも、本発明を以下の詳細な説明において開示される形態に厳密に制限することも意図していない。むしろこれらの実施形態は、本明細書中で請求される本発明の原理及び実践を当業者が確認し理解できるように選択及び説明されるものである。

本開示は、改良された押出装置と、気泡セラミック基板等の押出生成物を作製するプロセスにおける上記押出装置の使用方法を提供する。バッチ材料の形態のセラミック材料を用意し、ツインスクリュー押出装置を通過させることにより、上記バッチ材料を混合し、ふるいにかけ、脱気し、搬送し、ダイ組立体を通るように押圧する。

本開示の目的のために、本明細書中で使用される用語「押出フェーズ」又は「押出」は、押出器のバレルを通してバッチ材料を搬送又は移送して、ダイ組立体を通るように押圧することを意味する。用語「流れの方向」及び「押出方向」は、相互交換可能であることを意図したものであり、バレルを通してバッチ材料を搬送し、ダイ組立体を通るように押圧する方向を意味する。また、用語「押出器」及び「押出装置」は、相互交換可能であることを意図したものである。

本明細書中で使用される用語「バッチ材料」は、粘土、タルク、アルミナ及びムライト等の乾燥セラミック原料、ポリビニルアルコール等のバインダ／可塑剤及び／又は水の湿性混合物であってよい。例としてバッチ材料中には、約５０〜７０重量％の乾燥原料及び約２５〜５０重量％の湿性原料が存在してよい。バッチ材料が反応すると、カーバイド又は耐火性酸化物等のセラミック材料を形成できる。

図１を参照すると、ツインスクリュー押出器１００の例示的な実施形態が示されている。この押出器１００は、内部チャンバ１０６を画成する外側ハウジング又はバレル１０２を備える。バッチ材料１３０は、押出器１００の入口１０８付近に配置されたホッパ１０４を介して押出器１００へと挿入できる。バッチ材料１３０が押出器１００に入ると、チャンバ１０６内に配置された１対のスクリュー１１０、１１２がバッチ材料１３０を受け取る。スクリュー１１０、１１２は、長手方向に沿ってバレル１０２内に位置決めされている。長手方向は、図１の矢印１１４で表される押出方向と呼ぶこともできる。

スクリュー１１０、１１２は、チャンバ１０６を加圧してバッチ材料１３０を押出方向１１４に沿って押圧するための圧力機構を、バレル１０２内に形成できる。スクリュー１１０、１１２は、共回転又は逆回転してよく、また噛合してもしなくてもよい。一実施形態では、スクリュー１１０、１１２は、共回転し、噛合し、自己洗浄するスクリューである。スクリュー１１０、１１２は、本実施形態では、チャンバ１０６を加圧するために使用できる圧力機構の一種として示されている。しかしながら他の実施形態では、押出方向１１４に沿ってバッチ材料を押圧するためのラム押出プロセスに、ピストンを用いることもできる。他の公知の圧力機構を、押出プロセスに用いることができる。

スクリュー１１０、１１２が回転し、チャンバ１０６内の圧力が増加するにつれ、バッチ材料１３０を、バレル１０２の入口１０８と出口１２８との間に画成された流路に沿って押圧できる。チャンバ１０６内の圧力もまた、バレル１０２内の１つ又は複数の流れデバイスを通るように材料を押圧でき、この流れデバイスは、混合用スクリュー１１０、１１２の端部を出発するバッチ材料１３０の流れを変更又は制限する。例えば、このような流れデバイスの１つは、１つ又は複数の制限開口を備えてよい静止プレート１１８である。この１つ又は複数の制限開口のサイズ及び形状は、用途及びバッチ材料１３０の所望の流れ又は圧力プロファイルに応じたものであってよい。静止プレート１１８等の流れデバイスの例は、２０１０年１１月２４日に出願された米国公開特許第２０１１／０２９１３１９号明細書に更に記載されており、この特許はその全体が参照により本明細書に援用される。

図１では、静止プレート１１８は、バッチ材料１３０を濾過するためのメッシュ又はスクリーン様の材料を含んでよい。静止プレート１１８を含む１つ又は複数の流れデバイスは、複数の開口又はチャネルを有してよく、これらを通るようにバッチ材料１３０をスクリュー１１０、１１２により押圧する。一実施形態では、１つ又は複数の流れデバイスは、バッチ材料１３０の局所的な混合及び均質化を容易にするために使用される別のプレート１２０も備えてよい。バッチ材料１３０の複数の部分は様々な粘度を有し得るため、プレート１２０は、材料を混合することで押出流速を改善できる。図１に示すように、プレート１２０は、流れを促進する湾曲面１２２を備えてよい。これについて、以下に更に詳細に説明する。

プレート１２０を通るように押圧すると、チャンバ１０６の内圧は、押出ダイ１２４の形態の別の流れデバイスに対してバッチ材料１３０を押圧する。ダイ１２４はバレル１０２の出口１２８付近に配置されており、これにより矢印１３２で示す押出方向に沿って、ダイ１２４を通してバレル１０２から所望の成形製品を押し出す。図１には示していないが、ダイ１２４は、ダイ１２４の入り口側と出口側との間に画成された複数の送り孔及びスロットを備えてよい。図１では、ダイ１２４の入口側は、１対のスクリュー１１０、１１２に対向して配向された面１２６を有してよい。ダイ１２４の出口側は、出口面を有してよく、この出口面は、バレル１０２の出口１２８に相当する。図示したように、ダイ１２４の湾曲した入口面１２６は、押出プロセスに関して望ましい効果を提供できる。これら効果のいくつかを以下に説明する。ダイの出口面を略平坦に示したが、出口面は平坦以外の形状に形成してよい（例えば湾曲を含んでよい）。

図２を参照すると、従来の押出装置２００が示されている。この装置２００は、外側ハウジング又はバレル２０２を備え、これを通してバッチ材料が押し出される。バッチ材料は入口（図示せず）を通ってバレル２０２へと入り、出口２１２において従来のダイ２０４を通して押し出される。材料は矢印２０６で表される押出方向に沿ってバレル２０２を通って流れ、矢印２１４で表される方向に沿ってダイ２０４を通して押し出される。バレル２０２は、圧力機構によって加圧される内部チャンバを画成する。チャンバ内で形成される圧力は、バレル２０２及びダイ２０４に対して矢印２０８で表される力を加える。

図２では、従来のダイ２０４は、平坦な入口面２１０及び平坦な出口面２１２を備える。この出口面２１２もまた、バレル２０２の出口に相当する。ダイ２０４の厚さは、これらの面の間で画成される。上述のように、チャンバ内圧は、ダイ２０４に対して有意な力を加え得るので、変形又は破損を避けるためにダイ２０４の厚さを増加させなければならない。しかしながら、ダイ２０４の厚さが増加すると、押出方向２０６の流れに対するインピーダンス及び抵抗もまた不必要に増加し得る。

改良された押出装置３００の例示的な実施形態を図３に示す。この装置３００は外側ハウジング又はバレル３０２を備え、バッチ材料はこのバレル３０２を通るように入り、このバレル３０２から押し出される。バレル３０２は、一方の端部に入口（図示せず）を備え、反対の端部に出口３１２を備える。ダイ３０４は、バレル３０２の出口に配置される。バレル３０２はまた、押出スクリュー又はピストン等の圧力機構により加圧される内部のチャンバを画成する。圧力は、矢印３０８で表されるようにバレル３０２及びダイ３０４に対して力を加える。バッチ材料は、矢印３０６で表される押出方向に沿って流れ、矢印３１４で表される方向に沿ってダイの出口３１２を通して押し出される。図２の従来のダイ２０４の平坦な面とは異なり、図３のダイ３０４は、湾曲した入口面３１０及び湾曲した出口面３１２を備える。入口面３１０及び出口面３１２はどちらも、湾曲しているように示されているが、代替実施形態では、これら２面のうちの一方のみが湾曲している。

図４、５を参照すると、湾曲したダイ４００の例示的な実施形態がより詳細に示されている。ダイ４００は、第１の湾曲面又は湾曲表面４０８及び第２の湾曲面又は湾曲表面４１０を形成してよい。第１の湾曲表面４０８は凸状の湾曲を画成し、第２の湾曲表面４１０は凹状の湾曲を画成する。第１の湾曲表面４０８がダイ４００の出口側を形成し、第２の湾曲表面４１０がダイ４００の入口側を形成するよう、ダイ４００を図３に示すような押出器内に配置してよい。異なる構成では、第１の湾曲表面４０８がダイ４００の入口側を形成し、第２の湾曲表面４１０がダイ４００の出口側を形成してよい。このようにして、ダイ４００はその湾曲した形状により、より効率的に押出プロセス中の圧力に耐えることができ、これによって押出器内の比較的高い圧力に耐えるか、又は厚さを低減できる。図３に示すのと同様に、押出方向は、ダイの厚さを通過するよう配向され、いずれの方向でもよい（即ち、ダイは凹状又は凸状のいずれかであると考えてよい）。

図４に示すように、ダイ４００は、中心点４１２と外縁部４１４との間で画成される半径を有する円形の断面を形成してよい。ダイ４００は、押出器に応じて異なる断面形状をとってもよい。従って、図４、５のダイ４００の円形の断面は例示的なものであり、他の実施形態では、球体状、矩形、楕円形又は多角形の断面形状であってよい。

ダイ４００はまた、複数の画成された領域を備えてよい。図４、５の実施形態では、ダイ４００は３つの別個の領域に区分けされる。第１の領域４０２は、ダイ４００の中心付近に画成される。第１の領域４０２では、蜂の巣形状を形成する送り孔及びスロット（図８を参照）等の、ダイの特徴部分を画成してよい。第１の領域４０２は、中心点４１２と第１の遷移点５００との間で画成される区域であってよい。また、第１の領域４０２は、ダイ４００の少なくとも湾曲部分を含むので、「湾曲した領域」と呼ぶことができる。

第１の遷移点５００から径方向外向きに移動すると、第２の領域４０４である。第２の領域４０４は、第１の領域４０２の湾曲とダイ４００のクランプ留め／取付け部分との間の区域を画成するので、「遷移領域」と呼ぶことができる。第２の領域４０４はまた、ダイ４００の第１の領域４０２に対して、支持及び構造的完全性を付与できる。第２の領域４０４は、送り孔又はスロットが画成されていない剛性材料からなってよい。あるいは、ダイ４００の第２の領域４０４内に画成された、１つ又は複数の送り孔及びスロットが存在してもよい。第２の領域４０４の区域は、第１の遷移点５００と第２の遷移点５０２との間に画成できる。

第２の遷移点５０２と外縁部４１４との間の区域は、第３の領域４０６を画成する。第３の領域４０６は、押出器に対するダイ４００のフランジ固定及び取付けに使用できる。第３の領域４０６は、実質的に平坦であってよく、一般にはいずれの送り孔又はスロットを備えない。

図４、５の湾曲したダイ４００の１つの特徴は、第１の領域４０２と第２の領域４０４の一部との湾曲形状である。第３の領域４０６は、軸Ａ−Ａが通過する平面を画成できる。第１の領域４０２と第２の領域４０４の一部との湾曲した平面以外の形状は、楕円形、円錐形、円環球体状、半球状又は全体的に湾曲した形状であってよい。この形状は、用途によって様々であってよい。図５では、第１の領域４０２と第２の領域４０４の一部とは、平面以外の湾曲した形状を形成するが、他の実施形態では、第１の領域４０２のみが湾曲した形状を形成している。この場合、第２の領域４０４及び第３の領域４０６は略平坦となり、同一平面内に画成される。

湾曲したダイの別の態様を図６、７に示す。図６では、中心点６０６から画成される第１の半径Ｒ_１を有する、湾曲したダイ６００が示されている。第１の湾曲６０２は、中心点６０６から第１の半径Ｒ_１と径方向に同じ距離に配置されている。ダイ６００は、中心点６０６から第２の半径Ｒ_２と径方向に同じ距離に配置された第２の湾曲６０４を備えてよい。図６に示すように、ダイ厚さｔは、第２の湾曲６０４に対して直交する方向において一定である。しかしながら、押出方向（即ち、矢印６０８で表される方向）では、厚さｔは第２の湾曲６０４と直交する一点においてのみ一定であり、この一点は、中心点６０６と整列している。

ダイを横断する流れに対するよりバランスの取れた均一なインピーダンスを可能にするために、押出方向（即ち、垂直方向）においてダイ厚さを略一定に維持してよい。この実施形態を図７に示す。ここで、湾曲したダイ７００は、第１の湾曲７０２及び第２の湾曲７０４を備えてよい。ダイ厚さｔは、押出方向（矢印７０６で表される）において第１の湾曲７０２と第２の湾曲７０４との間で一定である。押出方向７０６におけるダイ７００を通るバッチ材料の流れ特性は改善されるが、直交方向の厚さはダイ７００の縁部付近でゼロに近づく。従って、図４に示す第２の領域４０４は、この位置においてダイ７００に対して構造的完全性を付与できるが、そうすると（例えば押出方向における）水平厚さは一定ではなくなる。

図８を参照すると、例示的な湾曲したダイ８００を示している。ダイ８００は、図４、５と同様の、第１の領域８０２、第２の領域８０４及び第３の領域８０６を備えてよい。湾曲したダイ８００は、第１の湾曲側８１０及び第２の湾曲側８１２を備えてよい。第１の湾曲側８１０を入口、第２の湾曲側８１２を出口として、（矢印８１４で表される）押出方向に流れる材料が、第１の湾曲側８１０を通ってダイ８００へと入り、第２の湾曲側８１２から出るようにしてよい。押出断面又はパターンを形成するために、ダイ８００は、内部に画成された複数の送り孔及びスロット８０８を備えてよい。図示したように、複数の送り孔及びスロット８０８を押出方向８１４に対して略平行に整列させる。複数の送り孔８０８の深さは、従来の送り孔の深さよりも浅く設計してよく、そうすると、複数の送り孔及びスロット８０８を機械で加工するために必要な時間を低減できる。

公知の製造方法により、湾曲したダイを製造できる。例えば、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）法を用いて、湾曲したダイを製造できる。穿孔及び溝削り方法ではＺ軸調整が必要になり得る。例えば、スロットは、プランジ放電加工（ＥＤＭ）により機械加工できる。ダイのブランクは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）、プレス加工、機械加工又は熱間成形等のいくつかの方法によって形成できる。

第１のケーススタディ実施例
図９〜１４を参照すると、図４、５、８に示すダイと同様に、略半楕円形のダイ１０００を形成した。ダイ１０００は、中心付近に配置された第１の領域１００２、第１の領域１００２を取り囲む第２の領域１００４、及び押出器に連結するための第３の領域１００６を備える。第１の領域１００２は、第１の湾曲１０１０及び第２の湾曲１０１２を備えてよく、このダイ１０００の厚さは、第１の湾曲１０１０と第２の湾曲１０１２との間で画成される。図１０に示すように、第１の湾曲１０１０は、ダイの入口側、即ち圧力１００８によってダイ１０００に力が加えられるダイ１０００の一部分である。このように、バッチ材料は、ダイ１０００内に画成された複数の送り孔及びスロットを通って、入口側（即ち、第１の湾曲１０１０）から出口側（即ち、第２の湾曲１０１２）へと通過する。

ダイ１０００の第１の領域１００２の設計は、図７、８に示したものと同様である。換言すると、送り孔及びスロット（図示せず）を、押出方向に対して略平行に整列させる。このケーススタディでは、関心対象となる主要な変数は、図７、９に示すように楕円９００の短径「ｂ」として表されるダイの反り量、及びダイ厚さ「ｔ」であった。分析においてその他の値はおおよそ一定に維持された。

この実施例では、直径１１．５インチ（２９．２１０１センチメートル）、厚さ２．４インチ（６．０９６センチメートル）の従来のダイも分析した。図２に示すように、従来のダイは、平坦な入口面及び出口面を備えていた。このスタディから、ダイの入口面及び出口面に付与された湾曲は、ダイの厚さの低減又はより強い内圧に耐える能力をもたらした。

分析により、湾曲したダイと平坦面のダイとを比較して、いくつかの重要な観測結果が立証された。まず、ダイの最大偏向はダイの中心付近で発生する。次に、応力を制限する特徴部分となり得る２つの設計区域が存在する。第１の設計区域は、図１０の軸Ｃ−Ｃに沿って配置された中心線１０１４である。つまり、この位置におけるミーゼス応力のピークを最小化するのが望ましいことがある。第１の領域１００２の多くの部分は、第２の領域１００４及び第３の領域１００６と比較して高い応力に暴露されるが、最大偏向及びほとんどの応力は、この中心線１０１４において又はこの付近で発生する。第２の領域１００４の折れ角又は隅肉の部分１０１６において、妥当な応力レベルを維持することも望ましいことがある。

このケーススタディでは、従来のダイ、即ち平坦なダイと比較して、湾曲したダイの効果をより理解するために、反り量（即ち、楕円９００の短径「ｂ」）を変化させた。図１１を参照すると、チャート１１００は、ダイの中心線におけるミーゼス応力のピークに対して、湾曲がもたらす効果を示している。第１の曲線１１０２は、厚さ約１．４インチ（３．５５６センチメートル）の第１のダイに設けられており、第２の曲線１１０４は、厚さ約２．４インチ（６．０９６センチメートル）の第２のダイに設けられている。図１１では、第１のデータポイント１１０６は、従来通りに（平坦面のダイで）構成された第１のダイを表している。換言すると、短径「ｂ」はゼロである。同様に、第２のデータポイント１１０８は、従来通りに（平坦面のダイで）構成された第２のダイを表している。厚さの差異から予想されるように、第１の従来のダイの第１のデータポイント１１０６におけるピーク応力は約２．８であり、第２の従来のダイの第２のデータポイント１１０８におけるピーク応力が約１であるのと比較して高い。

しかしながら、半径「ｂ」を変化させると、結果としてピーク応力又はダイ厚さが約４２％低減されることが立証された。例えば、第１のダイ曲線１１０２に関して第３のデータポイント１１１０を示す。ここで、ダイの中心線に加えられる一定の応力により、半径約３．５インチ（８．８９センチメートル）のダイの厚さを４２％低減できる（即ち、厚さ約１．４インチ（３．５５６センチメートル）となり、これは第２のより薄いダイの第２のデータポイント１１０８に相当する）。第２のダイ曲線１１０４に沿った第４のデータポイント１１１２は、厚さ約２．４インチ（６．０９６センチメートル）の湾曲したダイを表している。ここでは厚さは一定に保持され、中心線における応力は約４２％（例えば図１１では１．０から０．５８まで）減少した。従って、湾曲面を備えたダイを設計することにより、厚さを低減できるか、又はダイに加わる応力を低減できる。

図１２は、ダイ厚さの低減結果を立証している。図１２では、チャート１２００は、従来の平坦なダイ１２０２及び湾曲したダイ１２０４を示している。第１のダイ１２０２及び第２のダイ１２０４の直径は、約１１．５インチ（２９．２１０１センチメートル）であった。図示したように、第１のダイ１２０２は、厚さ約２．４インチ（６．０９６センチメートル）であり、一定の応力に暴露した際に構造的完全性を維持した。第２のダイ１２０４は、第１のダイ１２０２と同じ一定の応力に暴露した際に、構造的完全性を維持したが、第２のダイ１２０４の厚さは、第１のダイ１２０２より約４２％薄かった（例えば厚さ約１．４インチ（３．５５６センチメートル）であった）。

第２のケーススタディ実施例
第２のケーススタディ実施例では、圧力及び押出速度に対するダイの湾曲の効果を更に分析した。このスタディでは、厚さ約２．３７インチ（６．０１９８センチメートル）の高負荷用ステンレス鋼製ダイのタイプＮＧを使用した。この第１の従来の（即ち平坦な入口面及び出口面を有する）ダイを、全体の厚さと送り孔及びスロット深さとを約４０％低減した第２の湾曲したダイと比較した。コーディエライト組成物のレオロジーパラメータをこの分析に使用し、基準のケースとして約１．０インチ（２．５４センチメートル）／秒の押出速度を選択した。

従来のダイについて算出したダイ圧力は、約２０９９ｐｓｉ（約１４．５ＭＰａ）であった。湾曲したダイについては、算出したダイ圧力は、２３％近く低減しており、約１６１８ｐｓｉ（約１１．２ＭＰａ）であった。これは図１３のチャート１３００に示されている。第１のデータポイント１３０２は、厚さ約２．３７インチ（６．０１９８センチメートル）、ダイ圧力約２０９９ｐｓｉ（約１４．５ＭＰａ）の従来のダイを表している。第２のデータポイント１３０４は、厚さと送り孔及びスロット深さとが４０％低減された、湾曲したダイを表している。１インチ（２．５４センチメートル）／秒の同じ押出速度において、湾曲したダイに関して算出されたダイ圧力は１６１８ｐｓｉ（約１１．２ＭＰａ）であり、これは従来のダイよりも２３％近く小さかった。

この第２の実施例では、押出速度に対する効果についても分析した。分析のために、湾曲したダイに関する押出速度入力パラメータを、そのダイ圧力が、１インチ（２．５４センチメートル）／秒（即ち２０９９ｐｓｉ（約１４．５ＭＰａ））における従来のダイのダイ圧力と等しくなるまで増加させた。そうすると、押出速度は、湾曲ダイについて、２０９９ｐｓｉ（約１４．５ＭＰａ）のダイ圧力において、約３．３インチ（８．３８２センチメートル）／秒まで増加した。これにより、スループットが３倍以上に増加した。これも図１４のチャート１４００に示されている。チャート１４００では、第１のデータポイント１４０２は、従来のダイの１．０インチ（２．５４センチメートル）／秒の押出速度を表している。第２のデータポイント１４０４は、同じダイ圧力（即ち２０９９ｐｓｉ（約１４．５ＭＰａ））における湾曲したダイの、３．３インチ（８．３８２センチメートル）／秒という増加した押出速度を表している。つまり、ダイに湾曲を付与して、厚さと送り孔及びスロット深さとを低減すると、ダイを通した押出速度は３倍以上改善された。

ホモジナイザー及びその他の押出プレート
図１に関して説明したように、押出器は、静止プレート１１８及びホモジナイザープレート１２０等の追加の流れデバイスを備えてよい。従来のホモジナイザープレートは、上述の従来のダイと同様に、平坦な入口面及び平坦な出口面を備える。しかしながら、図１５、１６では、異なるホモジナイザープレート１５００は、入口面１５０６において画成された湾曲、及び出口面１６０２において画成された湾曲を備えてよい。ホモジナイザープレート１５００は、押出器に連結するための外側のフランジ部材１５０２を備えてよい。フランジ部材１５０２は、ホモジナイザープレート１５００を形成するスクリーン様の材料１５０４を取り囲んでいる。フランジ部材１５０２をある平面上に配置して、この平面から外側に向かって入口面１５０６が湾曲するようにしてよい。図１５にこれがよく示されている。しかしながら、異なるホモジナイザープレートでは、入口面と出口面の一方が平坦面であってよい。

スクリーン様の材料１５０４は、複数のチャネル又は送り孔１６００を画成できる。バッチ材料は、入口側１５０６から出口側１６０２へと複数のチャネル１６００を通して通過できる。この場合、バッチ材料はホモジナイザー１５００を通って、矢印１５０８で表される押出方向に沿って流れることができる。図示したように、複数のチャネル１６００は、押出方向１５０８に対して実質的に平行に整列している。異なる実施形態では、入口が面１６０２に対応しかつ出口が面１５０６に対応するように、押出方向は図１５に示した方向と反対であってよい。

ホモジナイザープレート１５００の設計と同様に、押出器内で配置された静止プレート又はいずれの他の流れデバイスは、少なくとも１つの湾曲面を備えてよい。湾曲面を、押出器の入口側又は出口側に向かって配向してよい。湾曲面は、流れデバイスに亘る圧力降下を低減し、押出器を通るバッチ材料の流れ特性を改善できる。

請求する本発明の方針を組み込んだ例示的な実施形態を上記で開示してきたが、本開示は開示された実施形態に制限されない。むしろこの開示は、その一般原理を用いて、本出願が請求する発明のいずれの変形例、使用例、又は適用例を網羅することを意図している。更に本出願は、本出願が請求する発明が関連している及び添付の請求項の範囲内である技術分野における公知の又は慣用の技法の範囲内である、本開示からの逸脱を網羅することが意図されている。

１００ 押出器
１０２ ハウジング、バレル
１０４ ホッパ
１０６ チャンバ
１０８ 入口
１１０、１１２ スクリュー
１１４ 押出方向
１１８ 静止プレート
１２０ プレート、ホモジナイザープレート
１２２ 湾曲面
１２４ 押出ダイ
１２８ 出口
１３０ バッチ材料
１３２ 矢印（押出方向）
２００、３００ 押出装置
２０２、３０２ バレル
２０４、３０４、４００、６００、７００、８００、１０００ ダイ
２０６、３０６、７０６ 矢印（押出方向）
２１０、３１０ 入口面
２１２、３１２ 出口、出口面
２１４、３１４ 矢印（押し出す方向）
３０８、６０８ 矢印（押圧の方向）
４０２、８０２、１００２ 第１の領域
４０４、８０４、１００４ 第２の領域
４０６、８０６、１００６ 第３の領域
４０８ 第１の湾曲面、湾曲表面
４１０ 第２の湾曲面、湾曲表面
４１２、６０６ 中心点
４１４ 外縁部
５００ 第１の遷移点
５０２ 第２の遷移点
６０４ 第２の湾曲
７０２、１０１０ 第１の湾曲
７０４、１０１２ 第２の湾曲
８０８ 送り孔、スロット
８１０ 第１の湾曲側
８１２ 第２の湾曲側
８１４ 押出方向
９００ 楕円
１００８ 圧力
１０１４ 中心線
１０１６ 関節又は隅肉部分
１１００ チャート
１１０２ 第１の曲線
１１０４ 第２の曲線
１１０６ 第１のデータポイント
１１０８ 第２のデータポイント
１１１０ 第３のデータポイント
１１１２ 第４のデータポイント
１２００ チャート
１２０２ 第１のダイ
１２０４ 第２のダイ
１３０２ 第１のデータポイント
１３０４ 第２のデータポイント
１４００ チャート
１４０２ 第１のデータポイント
１４０４ 第２のデータポイント
１５００ ホモジナイザープレート
１５０２ フランジ部材
１５０４ スクリーン様の材料
１５０６ 入口面
１５０８ 押出方向
１６００ チャネル
１６０２ 出口面

Claims (6)

1. 押出装置内に配置するよう適合された本体であって、該本体は流れの方向に垂直な平面に沿って画成され、入口側及び出口側を有し、前記出口側は前記入口側に対向し、前記本体は第１の領域、第２の領域及び第３の領域を備え、前記第２の領域は前記第１の領域と前記第３の領域との間に画成されている、本体；
   前記入口側に形成された入口面及び前記出口側に形成された出口面であって、前記本体は前記入口面と前記出口面との間で画成される厚さを有する、入口面及び出口面；並びに
   前記本体内において前記入口側と前記出口側との間に画成された、複数の送り孔および複数のスロットであって、前記複数の送り孔は前記入口側において材料を受承するよう適合され、前記複数のスロットは前記出口側において前記材料を押し出すよう適合された、複数の送り孔および複数のスロット；
   を備える、流れデバイスであって、
   前記第１の領域が、前記本体の中心付近に画成され、
   前記第１の領域の出口側の少なくとも一部が、前記平面から外側に向かって延在する湾曲を形成し、
   前記第１の領域が、前記平面に対して垂直な方向に一定の厚さを有し、
   前記第２の領域の厚さが非一定であり、
   前記湾曲が、楕円形、円環球体状又は半球状である、流れデバイス。
2. 前記湾曲は前記平面から前記流れの方向に沿って凸状を成す、請求項１記載の流れデバイス。
3. 前記複数の送り孔及び前記複数のスロットはそれぞれ、前記平面に対して垂直に延在し、
   前記複数の送り孔及び前記複数のスロットによって蜂の巣状構造が形成される、請求項１または２記載の流れデバイス。
4. 前記第３の領域が、前記本体の縁部付近に画成され、前記押出装置に連結するよう適合されてなる、請求項１から３のいずれか１項記載の流れデバイス。
5. 押出成形物を形成するための押出装置において、
   一端に入口を、他端に出口を有するバレルであって、前記入口と前記出口との間にチャンバを画成する、バレルと；
   前記チャンバを加圧するための、前記入口から前記出口へと材料を移動させるよう構成された圧力機構と；
   前記チャンバ内において前記入口と前記出口との間に画成された、流れの方向を決定する流路と；
   前記バレルの前記出口に連結されたダイであって：
   前記流れの方向に対して垂直な平面に沿って画成された本体であって、該本体は第１の領域、第２の領域及び第３の領域を備え、前記第２の領域は前記第１の領域と前記第３の領域との間に画成されている、本体；
   入口側及び出口側であって、前記本体の厚さは前記入口側と前記出口側との間で画成される、入口側及び出口側；並びに
   前記入口側と前記出口側との間に画成された複数の送り孔及び複数のスロットであって、前記複数の送り孔は前記入口側において材料を受承するよう適合され、前記複数のスロットは前記出口側において前記材料を押し出すよう適合された、複数の送り孔及び複数のスロット；を備え、
   前記第１の領域が、前記本体の中心付近に画成され、
   前記出口側の少なくとも一部が、前記平面から外側に向かって延在する湾曲を形成し、
   前記第１の領域が、前記平面に対して垂直な方向に一定の厚さを有し、
   前記第２の領域の厚さが非一定であり、
   前記湾曲が、楕円形、円環球体状又は半球状である、ダイと；
   を備える、押出装置。
6. 前記湾曲は前記平面から前記流れの方向に沿って凸状を成す、請求項５記載の押出装置。

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