JP2018051783A - 混練押出機 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスクリューエレメントを有するスクリューを備え、スクリューエレメントの長手方向の配置が設計と異なることによって発生する過剰振動の有無を判定できる混練押出機を提供する。【解決手段】複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２と、スクリュー１２を収容するバレル２０と、スクリュー１２を回転させる動力を発生させる回転駆動装置３０と、動力を回転駆動装置３０からスクリューシャフト１８に伝達する動力伝達機構４０と、スクリューの回転軸の長手方向及び径方向の振動を少なくとも測定する振動測定手段６０とを備える混練押出機１０である。【選択図】図１

Description

本発明は、混練押出機に関する。

混練押出機は、回転自在に設けられたスクリューと、スクリューを収容するバレルと、スクリューが回転する動力を発生させる回転駆動装置と、動力を回転駆動装置からスクリューに伝達する動力伝達機構とを有している。 回転駆動装置でスクリューを回転させつつ、バレルの一端に設けられた投入口から樹脂等の被混練物を投入すると、被混練物はスクリューの回転により混練されながら圧送され、バレルの他端にある排出口から排出される。

特許文献１には、材料の投入口及び取出口を有するチャンバ内に、翼を有するロータが回転可能に設けられ、該ロータがその一端側に接続される回転駆動装置によって駆動可能になされた連続混練押出機において、ロータと回転駆動装置との接続間に固有振動調整手段が設けられている連続混練押出機が記載されている。

特許文献２には、モータからの動力が伝達される入力軸部を有し且つ被混練物を混練するスクリュー軸を備えた混練処理装置の負荷監視装置であって、スクリュー軸の入力軸部に設けられて当該入力軸部に対する負荷を検出する負荷検出装置と、検出された負荷を予め定められた時間区間に亘って平均し負荷平均値を求めると共に、当該時間区間における負荷の最大値と最小値との差をとり負荷振幅値を求める特性抽出部と、求めた負荷平均値及び負荷振幅値が、予め定められた正常範囲内にある場合は正常状態と判定し、正常範囲内に無いときは過負荷状態であると判定する判定部と、過負荷状態である場合には過負荷状態に維持されている時間を示す過負荷継続時間を積算する時間積算部と、正常状態である場合には過負荷継続時間をリセットするリセット部と、過負荷継続時間が予め与えられた設定時間を超えたときに、異常警報の報知及び／又はスクリュー軸の回転停止を行う保護部とを有している混練処理装置の負荷監視装置が記載されている。

特許文献３には、バレル内の混練室に挿通され且つ回転駆動装置で回転駆動される第１スクリュー及び第２スクリューとを備えた二軸混練押出機において、第１スクリュー又は第２スクリューに作用するスラスト荷重を検出する軸力検出部と、第１スクリューにスラスト力を付与可能な第１軸力付与部と、軸力検出部が検出したスラスト荷重に抗するスラスト力を第１軸力付与部に発生させる軸力制御部と、を有している二軸混練押出機が記載されている。

特開平１１−１３８５２８号公報 特開２００９−１３１９６５号公報 特開２００９−２２０４３３号公報

混練押出機に用いるスクリューとして、被処理物に対する供給、圧縮、混合（混練）及び計量等の各処理を担当する複数のスクリューエレメントによって構成されているスクリューが知られている。スクリュー全体の外周面の形状は被混練物及び処理内容等に応じて予め設計される。複数のスクリューエレメントのそれぞれは、当該設計に従った外周面（凹凸、溝又は翼等）及び長手方向の長さ等を有している。このようなスクリューにおけるスクリューエレメントの形状及び配置等は、所望の目的及び被混練物の特性等に応じて予め設計されているところ、スクリューエレメントの配置に関して、例えば、スクリューエレメントの取り付け角度が設計と異なる場合及びスクリューエレメント同士の長手方向の間隔が広がる場合等の不具合があると、混練押出機に過剰振動が発生することがあると考えられる。

本発明の目的は、複数のスクリューエレメントを有するスクリューを備え、スクリューエレメントの取り付け角度が設計と異なることによって発生する過剰振動の有無を判定できる混練押出機を提供することにある。また、本発明の目的は、複数のスクリューエレメントを有するスクリューを備え、スクリューエレメント同士の長手方向の間隔が設計された間隔よりも広がることによって発生する過剰振動の有無を判定できる多軸混練押出機を提供することにある。

請求項１に係る発明は、複数のスクリューエレメントを有するスクリューと、前記スクリューを収容するバレルと、前記スクリューを回転させる動力を発生させる回転駆動装置と、前記動力を前記回転駆動装置から前記スクリューに伝達する動力伝達機構と、前記スクリューの回転軸の長手方向及び径方向の振動を少なくとも測定する振動測定手段とを備える、混練押出機である。

請求項２に係る発明は、前記スクリューとして第１スクリュー及び第２スクリューを少なくとも備え、前記振動測定手段が、前記第１スクリューの回転軸の長手方向の振動と、前記第１スクリューの回転軸の径方向であって、前記第１スクリューの回転軸及び前記第２スクリューの回転軸を含む平面に含まれる方向の振動を測定する、請求項１に記載の混練押出機である。

請求項３に係る発明は、前記振動測定手段が互いに直交する３方向の振動を測定する３軸振動計であって、前記３方向の少なくとも一つが、前記スクリューの回転軸の長手方向であるか、又は、前記第１スクリューの回転軸の径方向であって、前記第１スクリューの回転軸及び前記第２スクリューの回転軸を含む第１平面に含まれる方向である、請求項１または２に記載の混練押出機である。

請求項４に係る発明は、前記振動測定手段により得られた振動測定結果が過剰振動を示す場合に、前記スクリューの停止、警告の表示もしくは通知、及び前記スクリューの回転速度の変更からなる群から選択される少なくとも１つを行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の混練押出機である。

請求項５に係る発明は、前記振動測定手段により測定された振動加速度データの周波数解析結果が過剰振動を示す場合に、前記スクリューの停止、警告の表示もしくは通知、及び前記スクリューの回転速度の変更からなる群から選択される少なくとも１つを行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の混練押出機である。

請求項１に係る発明によれば、複数のスクリューエレメントを有するスクリューを備え、スクリューエレメントの長手方向の配置が設計と異なることによって発生する過剰振動の有無を判定できる混練押出機が提供される。

請求項２に係る発明によれば、複数のスクリューエレメントを有するスクリューを備え、スクリューエレメントの長手方向の配置が設計と異なることによって発生する過剰振動の有無を判定でき、なお且つ、スクリューエレメントの取り付け角度が設計と異なることによって発生する過剰振動の有無を判定できる混練押出機が提供される。

請求項３に係る発明によれば、部品点数を削減し、且つ、異常部位を特定できる混練押出機が提供される。

請求項４に係る発明によれば、過剰振動を引き起こす要因を速やかに排除できる混練押出機が提供される。

請求項５に係る発明によれば、過剰振動を引き起こす要因をより精度よく且つ速やかに排除できる混練押出機が提供される。

本発明の実施形態に係る混練押出機の一例の概略構成を示す正面図である。 図１に示す混練押出機の概略構成を示す上面図である。 本発明の実施形態に係る混練押出機が備える動力伝達機構の他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る混練押出機が備える動力伝達機構の他の例を示す図である。 図１及び図２に示す混練押出機の振動加速度データの周波数解析結果を示す図である。 図１及び図２に示す混練押出機の振動加速度データの周波数解析結果を示す図である。 図１及び図２に示す混練押出機の振動加速度データの周波数解析結果を示す図である。 図１及び図２に示す混練押出機の振動加速度データを示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る混練押出機１０の一例の概略構成を示す正面図である。図２は、図１に示す混練押出機１０の概略構成を示す上面図である。図１及び図２に示す混練押出機１０は、２軸混練押出機である。図１及び図２に示す本実施形態に係る混練押出機１０は、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２として第１スクリュー１４と第２スクリュー１６と、スクリュー１２を収容するバレル２０と、スクリュー１２を回転させる動力を発生させる回転駆動装置３０と、動力を回転駆動装置３０からスクリューシャフト１８に伝達する動力伝達機構４０と、少なくともスクリュー１２の長手方向の振動を測定する振動測定手段６０とにより、主要部が構成されている。

なお、本明細書における「本実施形態に係る混練押出機」又は「混練押出機」との記載は、特に明示しない限り、１本のスクリューを備える一軸混練押出機、及び、複数（２本以上）のスクリューを備える多軸混練押出機のいずれをも含むものであって、図１等で示す２本のスクリュー１２（第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６）を備える２軸混練押出機等の多軸混練押出機のみに限定されない。

本明細書における「多軸混練押出機」との記載は、特に明示しない限り、図１及び図２に示すような、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２である第１スクリュー１４と、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２である第２スクリュー１６とを少なくとも備える混練押出機を意味する。また、本明細書における「２軸混練押出機」との記載は、図１及び図２に示すような、当該第１スクリュー１４及び当該第２スクリュー１６を備える混練押出機１０を意味する。

振動測定手段６０は、スクリュー１２の回転軸の長手方向及び径方向の振動を少なくとも測定するものであるか、または、第１スクリュー１４の回転軸の径方向であって、第１スクリュー１４の回転軸及び第２スクリュー１６の回転軸を含む第１平面に含まれる方向の振動、並びに、第１スクリュー１４の回転軸の長手方向及び第１平面の法線方向を含む第２平面に含まれるいずれかの方向の振動を少なくとも測定するものである。

本明細書において「長手方向」とは、特に明示しない限り、スクリュー１２の回転軸に沿った方向を意味する。図１〜図４に示すｘ軸方向は長手方向であり、本明細書において「ｘ軸方向」とは長手方向であることを意味する。本明細書において「径方向」とは、特に明示しない限り、スクリュー１２の回転軸（即ち長手方向）と直交する方向を意味する。図１及び図２に示すｙ軸方向及びｚ軸方向は径方向である。

本明細書において「直交する」とは、「スクリュー１２の回転軸と直交する」を例に説明すると、スクリュー１２の回転軸となす角度が８５°以上９５°以下の範囲に含まれる方向であることを意味する。例えば、図１及び図２に示すｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向は、互いに直交している。

［混練押出機の構成］
本実施形態に係る混練押出機１０が備えるスクリュー１２は、回転可能な状態でバレル２０に収容されている。スクリュー１２は、スクリューシャフト１８及び複数のスクリューエレメントによって構成されている。複数のスクリューエレメントはスクリュー１２の長手方向に並んで配置され、スクリューシャフト１８は各スクリューエレメントの内部を貫通している。

スクリュー１２は、回転駆動装置３０からの動力を動力伝達機構４０がスクリューシャフト１８に伝達することにより、スクリューシャフト１８を中心に回転する。スクリュー１２が回転すると、被混練物は、各スクリューエレメントによる処理を受けつつ、下流側へ向けて圧送される。混練押出機１０が多軸混練押出機である場合、複数のスクリュー１２の回転方向は、互いに同じであっても異なっていてもよい。

複数のスクリューエレメントによって形成されるスクリュー１２全体の外周面の形状は、混練押出処理の目的、被混練物の特性及び用途等に応じて予め設計される。複数のスクリューエレメントのそれぞれは、当該設計に従い、被処理物に対して、例えば、供給、圧縮、混合（混練）及び計量等の処理を行うための外周面の形状（凹凸、溝又は翼等）及び長手方向の長さ等を有している。スクリューエレメントの具体例としては、例えば、Ｎディスク、Ｒディスク及びＬディスク等と称される部材が挙げられる。

複数のスクリューエレメントを備えるスクリュー１２の具体例としては、例えば、動力伝達機構４０側から、搬送混合処理、加熱融解処理、乳化分散処理を行うスクリューエレメントがこの順で並んで配置され、動力伝達機構４０側の端部から他方の端部に被処理物を圧送するように設計されているスクリュー１２等が挙げられる。

バレル２０は、シリンダーとも称され、内部にスクリュー１２を収容する混練室を有する筒状部材である。混練室の形状は、スクリュー１２の形状及び本数に対応している。混練押出機１０が多軸混練押出機であるとき、複数のスクリュー１２はいずれもバレル２０に収容されている。バレル２０の長手方向の一方の端部には、被混練物を投入する投入口２２が設けられ、他方の端部には圧送された被混練物が排出される排出口（図示しない）が設けられている。バレル２０は、被混練物を加熱または冷却する公知の加熱・冷却手段を備えていてもよい。加熱・冷却手段としては、例えば、電気式加熱ブロック、加熱ジャケット、バレルに埋め込まれた冷却水通過管等が挙げられる。

スクリュー１２は、その動力伝達機構４０とは反対側の長手方向の端部が、バレル２０の内壁に設けられた軸受け部によって、回転可能に支持されていてもよい。また、スクリュー１２の動力伝達機構４０とは反対側の長手方向の端部は、軸受け部等によって支持されずに自由な状態であってもよい。

回転駆動装置３０は、スクリュー１２を回転させる動力を発生させる装置である限り、特に制限されない。回転駆動装置３０としては、例えば、公知の回転モータ等が挙げられる。

動力伝達機構４０は、回転駆動装置３０が発生させたスクリュー１２を回転させる動力をスクリュー１２のスクリューシャフト１８に伝達する構造を有する限り、その構造は特に限定されない。例えば、図１及び図２に示す動力伝達機構４０は、回転駆動装置３０のシャフト３２と接続する減速部４４と、減速部４４と接続するシャフト４８と、減速部４４及びシャフト４８を収容するギヤボックス４２とを備える。図１及び図２に示す動力伝達機構４０においては、回転駆動装置３０により生じた回転動力は、減速部４４によって回転速度が減速されてトルクを向上させられた上で、シャフト４８及び連結器４６を介してスクリューシャフト１８に伝達される。

図３及び図４は、本実施形態に係る混練押出機１０が備える動力伝達機構４０の他の例を示す概略構成図である。減速部４４の構造は、回転駆動装置３０から得られた回転動力を減速してスクリューシャフト１８に伝達する限り制限されず、図２に示すギヤ構造であってもよいし、図３に示す通り、ベルトを介して回転動力を伝達する構造であってもよい。

混練押出機１０が多軸混練押出機である場合、動力伝達機構４０は、減速部４４により伝達された回転動力を複数のスクリュー１２に分配する連動部を備えていてもよい。連動部の具体例としては、例えば、図２に示す、シャフト４８の回転を第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６に分配する連動用ギヤ部５０が挙げられる。図２に示す混練押出機１０では、連動用ギヤ部５０により、第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６の回転方向が一致する。

混練押出機１０が多軸混練押出機である場合に動力伝達機構４０が備える連動部は、例えば、図４に示す連動用ギヤ部５０であってもよい。図４に示す連動用ギヤ部５０を備える２軸混練押出機では、第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６の回転方向が逆方向になる。

本実施形態に係る混練押出機１０は、複数の方向成分の振動加速度を測定する振動測定手段６０を備える。振動測定手段６０は、例えば、複数の方向の振動を測定する１つの振動計であってもよいし、１つの方向の振動を測定する単軸振動計の組合せであってもよいし、これらの更なる組合せであってもよい。

本実施形態に係る混練押出機１０に使用される振動測定手段６０としては、混練押出機１０に備わる部品点数の削減、及び、異常部位特定の観点から、互いに直交する３方向の振動を測定する３軸振動計を用いることが好ましい。振動測定手段６０として用いられる３軸振動計が振動を計測する３方向の少なくとも一つは、スクリュー１２の回転軸の長手方向であるか、又は、第１スクリュー１４の回転軸の径方向であって、第１スクリュー１４の回転軸及び第２スクリュー１６の回転軸を含む第１平面に含まれる方向である。３軸振動計には、互いに直交する３軸の振動に加えて、当該３軸のそれぞれを回転軸とする回転成分（ねじれ成分）の振動も測定する６軸振動計も含まれる。

振動測定手段６０を設置する位置は、混練押出機１０において標的とする方向の振動を測定できる限りにおいて特に限定されない。振動測定手段６０は、例えば、混練押出機１０において、動力伝達機構４０のギヤボックス４２に設置してもよいし、バレル２０の外周面に設置してもよい。測定する振動方向の位置決めが容易になることから、ギヤボックス４２又はバレル２０の外周面において、振動測定手段６０が測定する振動方向の延長線上にスクリューシャフト１８又はシャフト４８が存在する位置に、振動測定手段６０を設けることが好ましい。

［混練押出機における過剰振動］
混練押出機１０が備えるスクリュー１２が有するスクリューエレメントの形状及び配置等は、所望の目的及び被混練物の特性等に応じて予め設計され、当該設計に従って複数のスクリューエレメントが配置されたスクリュー１２が作製される。一方、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２を備える混練押出機１０において、スクリューエレメントの配置に関する不具合等によって混練押出機１０に過剰振動が発生することがある。本発明者らは、スクリューエレメントの配置に関する不具合または装置の固有振動等によって混練押出機１０に生じる過剰振動が、不具合の内容によっては固有の特徴を有することを見出した。以下、混練押出機１０における、（１）エレメントの緩みの不具合により引き起こされる過剰振動、（２）スクリューの取り付け角度の不具合により引き起こされる過剰振動、及び（３）装置の固有振動により引き起こされる過剰振動のそれぞれについて、発生の有無を判定する例について説明する。

＜（１）エレメントの緩みの不具合＞
混練押出機１０に過剰振動を引き起こす要因となるスクリューエレメントの配置に関する不具合の一つの例として、スクリューエレメントの長手方向の設置が設計と異なる事象が挙げられる。

複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２を備える混練押出機１０においては、隣接するスクリューエレメントは密接して配置されるように設計されている。スクリューエレメントをスクリューシャフト１８に取り付ける際は、作製されるスクリュー１２が設計に従ったものとなるよう、例えば、長手方向の端部側のスクリューエレメントから順に、スクリューシャフト１８に取り付けられる。このとき、スクリューシャフト１８の先端にスクリューエレメント（スクリューヘッド）を取り付ける際、トルクを掛けて締め付けることによって、スクリューエレメント同士が密接したスクリュー１２が作製される。

このように、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２において、スクリューエレメントの締め付けに緩みが生じて、隣接するスクリューエレメントとの間隔が広がることにより、スクリューエレメントの長手方向の設置が設計と異なるものとなる事象（本明細書において「エレメントの緩みの不具合」ともいう）が生じることがある。スクリューエレメントの締め付けに緩みが生じる要因としては、例えば、スクリューエレメントを取り付ける際の過誤、及び、スクリュー１２の長期間の使用等が挙げられる。

複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２において生じたエレメントの緩みの不具合が、スクリューエレメント同士の隔たりを目視で判別できないような程度であっても、混練押出機１０に過剰振動が発生するおそれがある。そして、エレメントの緩みの不具合が生じ、過剰振動が発生した混練押出機１０において被混練物の混練押出処理を行うと、例えば、混練時間、せん断力の強度、供給速度、計量等が設計通りに行われず、所望の品質を有する生成物が得られないおそれがある。

複数のスクリュー１２を備える多軸混練押出機においては、エレメントの緩みの不具合の影響は更に深刻である。多軸混練押出機において対向する２つのスクリューエレメントは、互いのスクリュー１２の回転を妨げず、且つ、割り当てられた処理を協力して行うために、各処理を行う長手方向の区間に応じた形状をそれぞれ有している。もし、一方のスクリューエレメントの長手方向の配置がずれれば、ずれたスクリューエレメントが、互いに対向するように設計されていないスクリューエレメントと接触するおそれがある。その場合、２本のスクリュー１２が接触してスクリュー１２の回転が妨げられることによって、過剰振動が発生し、装置が故障するおそれがある。また、スクリュー１２の回転の強制的な停止により混練押出処理が中止され、或いは、スクリュー１２、バレル２０、連動用ギヤ部５０及び回転駆動装置３０等が損傷を受けて交換を余儀なくされるおそれも考えられる。

本発明者らは、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２を備える混練押出機１０において、エレメントの緩みの不具合がある場合に生じる過剰振動について検討した結果、当該過剰振動は、スクリュー１２の回転軸の長手方向において顕著に生じる一方、スクリュー１２の回転軸の径方向には、過剰振動が測定されないか、少なくとも長手方向に生じた振動よりも小さい振動しか測定されないことを見出した。即ち、混練押出機１０において、長手方向の振動と径方向の振動とを測定することにより、エレメントの緩みの不具合の有無を判定することが可能となる。

本実施形態において、混練押出機１０のエレメントの緩みの不具合の測定に使用される振動測定手段６０は、長手方向及び径方向のそれぞれの振動を測定する振動測定手段６０であればよい。混練押出機１０のエレメントの緩みの不具合の測定に使用される振動測定手段６０の具体例としては、図１及び図２に示す多軸混練押出機に設ける場合を例にすると、例えば、長手方向であるｘ方向、並びに、径方向であるｙ方向及びｚ方向で構成される互いに直交する３軸の振動を測定する３軸振動計、並びに、ｘ方向の振動を測定する第１の単軸振動計とｙｚ平面のいずれかの方向の振動を測定する第２の単軸振動計とを少なくとも含む複数の単軸振動計の組合せ等が挙げられる。

振動測定手段６０によって測定された混練押出機１０の振動測定結果に基づいて、過剰振動の有無を判定するための基準は、混練押出機１０の構造、運転条件、過剰振動の許容範囲等によって異なるため、一概には特定できないと考えられる。本実施形態に係る混練押出機１０においては、例えば、振動測定手段６０によって測定されたいずれかの方向の振動加速度データの振動幅の基準値に対して１．５倍以上であるとき、過剰振動が発生したとする判定を行ってもよい。

上記の判定における基準値は、過剰振動が発生していないか、少なくとも過剰振動に基づく振動成分が少ないと考えられる条件下における、振動加速度データの振動幅であってもよい。例えば、スクリュー１２を備えていない混練押出機１０や、設計通りに正しく組み上げられたスクリュー１２を備えている場合等、過剰振動が発生しないことが明らかである条件下での振動測定を予め行い、得られた振動加速度データの振動幅を当該基準値としてもよい。また、エレメントの緩みの不具合を要因とする過剰振動等、過剰振動が発生しない方向又は回転速度等の運転条件が明らかである過剰振動について判定する場合は、当該過剰振動が発生しない条件下での振動加速度データの振動幅を、当該基準値としてもよい。

混練押出機１０の振動測定結果に基づく過剰振動の有無の判定は、例えば、振動測定手段６０によって行われてもよいし、或いは、振動測定手段６０に電気的に接続され、振動測定手段６０から送信された振動測定結果を示す信号を受信することができる制御手段等によって行われてもよい。

＜（２）取り付け角度の不具合＞
混練押出機１０において過剰振動を引き起こす、スクリューエレメントの配置に関する不具合の他の例として、スクリュー１２の回転軸に対する周方向の取り付け位置（本明細書において「取り付け角度」ともいう）が設計と異なる事象が挙げられる。本明細書においては、混練押出機１０につき、少なくとも１つのスクリューエレメントが設計とは異なる取り付け角度で取り付けられている事象を、「取り付け角度の不具合」ともいう。

スクリューエレメントをスクリューシャフト１８に取り付ける際、スクリューエレメントの内周面とスクリューシャフト１８の外周面とで互いに対応する形状を有しており、この形状に合わせてスクリューエレメントがスクリューシャフト１８に嵌め合わせられる。 スクリューエレメントの内周面及びスクリューシャフト１８の外周面が円形又は回転対称性を有する形状等であることから、スクリューエレメントの取り付け角度が設計とは異なる角度であっても取り付け可能となることがある。

スクリューエレメントが設計と異なる取り付け角度で取り付けられても、スクリューエレメントの外周面は通常周方向に周期的な形状であることから、最終的に作製されたスクリュー１２において、複数の中から１つのスクリューエレメントの取り付け角度の誤りを、目視で判別することは困難である。しかしながら、複数のスクリュー１２を備える多軸混練押出機において、スクリュー１２の少なくとも一方に取り付け角度の不具合が生じると、その影響は非常に深刻である。

多軸混練押出機において対向する２つのスクリューエレメントは、互いのスクリュー１２の回転を妨げず、且つ、割り当てられた処理を協力して行うために、各処理を行う長手方向の区間に応じた形状をそれぞれ有している。もし、一方のスクリューエレメントの取り付け角度がずれれば、ずれたスクリューエレメントが、互いに対向するように設計されていないスクリューエレメントと接触するおそれがある。その場合、２本のスクリュー１２が接触してスクリュー１２の回転が妨げられることによって、過剰振動が発生し、装置が故障するおそれがある。また、スクリュー１２の回転の強制的な停止により混練押出処理が中止され、或いは、スクリュー１２、バレル２０、連動用ギヤ部５０及び回転駆動装置３０が損傷を受けて交換を余儀なくされるおそれも考えられる。

本発明者らは、複数のスクリュー１２を備える多軸混練押出機において取り付け角度の不具合によって引き起こされる過剰振動に、固有の特徴があることを見出した。即ち、多軸混練押出機において取り付け角度の不具合がある場合の過剰振動は、取り付け角度の不具合があるスクリュー１２の径方向であって、且つ、取り付け角度の不具合があるスクリュー１２の回転軸と他の１つのスクリュー１２の回転軸とを含む第１平面に含まれる方向に生じ、その一方、取り付け角度の不具合があるスクリュー１２の長手方向、及び、第１平面の法線方向には、取り付け角度の不具合による過剰振動は生じないことが見出された。

第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６を備える多軸混練押出機において、第１スクリュー１４の回転軸及び第２スクリュー１６の回転軸を含む平面を「第１平面」ともいい、第１スクリュー１４の回転軸の径方向であって、第１平面に含まれる方向を「スクリュー軸間方向」ともいい、第１スクリュー１４の回転軸の長手方向と第１平面の法線方向とを含む平面を「第２平面」ともいう。図１及び図２に示す多軸混練押出機においては、第１平面はｘｙ平面であり、スクリュー軸間方向はｙ方向であり、第２平面はｚｘ平面である。

多軸混練押出機において、スクリュー軸間方向（図２のｙ方向）の振動と、第２平面（図１及び図２のｚｘ平面）に含まれる方向の振動とを測定する振動測定手段６０を用いると、取り付け角度の不具合による過剰振動は、スクリュー軸間方向の振動として測定される一方、第２平面に含まれる方向の振動としては測定されない。そのため、第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６、並びに、スクリュー軸間方向の振動と第２平面に含まれる方向の振動とを少なくとも測定する振動測定手段６０を備える多軸混練押出機は、振動測定手段６０によって測定された過剰振動の要因が取り付け角度の不具合にあるか否かを、容易に判別することができる。

多軸混練押出機が、第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６の回転軸の延長線同士が交差するように配置されている斜交型の多軸混練押出機である場合、スクリュー軸間方向は、第１平面内に含まれる、第１スクリュー１４の回転軸の径方向又は第２スクリュー１６の回転軸の径方向であってもよいし、また、第１平面内に含まれる、両回転軸の径方向の直線によってなす角度の範囲に含まれる方向であってもよい。

多軸混練押出機における取り付け角度の不具合の測定に使用される振動測定手段６０としては、図１及び図２に示す多軸混練押出機に設ける場合を例にすると、例えば、ｙ方向（スクリュー軸間方向）を含む互いに直交する３軸方向（ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向）の振動を少なくとも測定する３軸振動計、並びに、ｙ方向の振動を測定する第３の単軸振動計とｚｘ平面に含まれる方向の振動を測定する第４の単軸振動計とを少なくとも含む複数の単軸振動計の組合せ等が挙げられる。

上述の通り、多軸混練押出機の運転中、エレメントの緩みの不具合によって生じる過剰振動は、第１スクリュー１４の長手方向に現れる一方、取り付け角度の不具合によって生じる過剰振動は、スクリュー軸間方向に現れる。よって、第１スクリュー１４の長手方向及びスクリュー軸間方向の２方向の振動を少なくとも測定する振動測定手段６０を備える多軸混練押出機は、当該多軸混練押出機において生じる過剰振動の要因が、エレメントの緩みの不具合及び取り付け角度の不具合のいずれにあるのかを容易に判別することができるため、好ましい。

第１スクリュー１４の長手方向及びスクリュー軸間方向の２方向の振動を少なくとも測定する振動測定手段６０の具体例としては、例えば、図１及び図２に示す多軸混練押出機に設ける場合を例にすると、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の振動を測定する３軸振動計、並びに、ｘ方向の振動を測定する第１の単軸振動計とｙ方向の振動を測定する第３の単軸振動計を少なくとも含む単軸振動計の組合せ等が挙げられる。

＜（３）装置の固有振動＞
混練押出機１０において引き起こされる過剰振動としては、エレメントの緩みの不具合及び取り付け角度の不具合以外に、回転駆動装置３０及び動力伝達装置によって生じる回転駆動と混練押出機１０の装置全体とが共振する、装置の固有振動が知られている。装置の固有振動による過剰振動が生じた状態で運転（被混練物の混練押出処理）を行うと、摩耗又は損傷により各部品の交換時期が早まるおそれがある。

混練押出機１０において、回転駆動装置３０を運転させて、その回転速度を変化させると、特定の回転速度において振動が相対的に大きくなることがあり、このときの回転速度を固有振動回転速度という。混練押出機１０における固有振動回転速度は、混練押出機１０が備える各装置の材料、大きさ及び厚さ等によって異なるため、一概に言うことはできない。

混練押出機１０において装置の固有振動により生じる過剰振動は、回転駆動装置３０の回転速度を変化させながら、振動測定手段６０として互いに直交する３方向の振動を測定する３軸振動計を用いることによって測定される。この測定により、固有振動回転速度においては、当該３方向のいずれの振動についても、固有振動回転速度以外の回転速度における振動に対して相対的に大きくなることが見出された。なお、混練押出機１０における固有振動回転速度は、スクリュー１２の有無により変化しないため、スクリュー１２が連結器４６に接続していない状態で固有振動回転速度の測定を行ってもよい。

よって、スクリュー１２の回転軸の長手方向及び径方向のそれぞれの振動を測定する振動測定手段６０を備える本実施形態の混練押出機１０は、混練押出機１０の運転中に過剰振動が生じた場合に、各方向の振動測定結果を比較することにより、過剰振動の要因が、取り付け角度の不具合及び装置の固有振動のいずれにあるのかを容易に判別できる。

また、スクリュー軸間方向の振動と、第２平面に含まれる方向の振動とを測定する振動測定手段６０を備える本実施形態の多軸混練押出機は、多軸混練押出機の運転中に過剰振動が生じた場合に、各方向の振動測定結果を比較することにより、過剰振動の要因が、エレメント間隔の不具合及び装置の固有振動のいずれにあるのかを容易に判別できる。

さらに、第１スクリュー１４の長手方向の振動と、スクリュー軸間方向の振動とを測定する振動測定手段６０を備える本実施形態の多軸混練押出機は、多軸混練押出機の運転中に過剰振動が生じた場合に、各方向の振動測定結果を比較することにより、過剰振動の要因が、取り付け角度の不具合、エレメント間隔の不具合及び装置の固有振動のいずれにあるのかを容易に判別できる。

混練押出機１０において過剰振動が発生した場合、過剰振動の要因が判明しなければ、混練押出機１０からスクリュー１２を取り出して、スクリュー１２に取り付け角度の不具合又はエレメント間隔の不具合が無いか、目視等によって確認することになる。しかし、上述の通り、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２において、１つのスクリューエレメントの取り付け角度の誤りを目視で判別することは困難であり、また、スクリューエレメントのエレメント間隔の不具合についても目視での判別は困難である。

従って、長手方向及び径方向のそれぞれの振動を測定する振動測定手段６０を備える本実施形態の混練押出機１０、並びに、第１スクリュー１４の長手方向の振動と、スクリュー軸間方向の振動とを測定する振動測定手段６０を備える本実施形態の多軸混練押出機は、判別が困難である過剰振動の発生要因を、特定の方向の振動を測定する振動測定手段６０を用いることで容易に判別できる点で、顕著に優れた利便性を有する。

［周波数解析］
本実施形態に係る混練押出機１０において、振動測定手段６０が測定した各方向の振動加速度データに対して、周波数解析を行ってもよい。混練押出機１０において過剰振動が発生した場合、振動加速度データについて高速フーリエ変換による周波数解析を行うと、各過剰振動に対応する方向の振動加速度データに基づく当該周波数解析結果において、過剰振動の発生を示すピークが特定の周波数領域に出現するためである。

周波数解析は、特に、振動測定手段６０で測定された振動加速度データにおける振動幅の、基準振動の振動幅に対する差異が大きくなく、過剰振動の判定が困難である場合に有用である。振動加速度データの振動幅では差異が大きくなくても、振動加速度データの周波数解析を行うことにより、特定の周波数領域に過剰振動を示す明らかなピークが出現するためである。即ち、本実施形態の混練押出機１０において、振動測定手段６０が測定した振動加速度データの周波数解析を行うことは、取り付け角度の不具合、エレメント間隔の不具合及び装置の固有振動の少なくとも一つの事象が要因となる過剰振動の有無を、より精度よく判定できるため、好ましい。

周波数解析により解析できる周波数の範囲は、振動測定手段６０を用いた振動測定のサンプリング周期（測定間隔）によって異なる。例えば、振動測定のサンプリング周期（測定間隔）が１ミリ秒であれば１Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲の周波数解析が可能となり、サンプリング周期が０．５ミリ秒であれば１Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲の周波数解析が可能となり、サンプリング周期が０．２５ミリ秒であれば１Ｈｚ以上２０００Ｈｚ以下の範囲の周波数解析が可能となる。

過剰振動を示すピークが出現する周波数領域は、混練押出機１０が備える各装置の材料及びサイズ等、混練押出機１０の運転条件及びスクリューエレメントの構成等によって異なるため、一概に範囲を特定することはできない。過剰振動を示すピークが出現する周波数領域の具体例としては、例えば、１００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲が挙げられる。

本実施形態に係る混練押出機１０における、振動測定手段６０を用いた振動測定のサンプリング周期は、上記の過剰振動を示すピークが出現する周波数領域を含有させる観点から、０．２５ミリ秒以上２ミリ秒以下が好ましく、０．２５ミリ秒以上１ミリ秒以下がより好ましい。

周波数解析結果に基づいて行う過剰振動の有無の判定は、上記の振動加速度データに基づいて行う過剰振動の有無の判定に準じて行ってもよい。例えば、振動測定手段６０によって測定されたいずれかの方向の振動加速度データについて行った周波数解析結果が、基準周波数データに対して１．５倍以上であるときに過剰振動が発生したとする判定を行ってもよい。

上記の判定における基準周波数データは、過剰振動が発生していないか、少なくとも過剰振動に基づく振動成分が少ないと考えられる条件下での振動加速度データについて行った周波数解析結果であってもよい。例えば、スクリュー１２を備えていない混練押出機１０や、設計通りに正しく組み上げられたスクリューを備えている場合等、過剰振動が発生しないことが明らかである条件下での振動測定を予め行い、得られた振動加速度データに対して行った周波数解析結果を当該基準周波数データとしてもよい。また、過剰振動が発生しない方向又は回転速度等の運転条件が明らかである過剰振動について判定する場合は、当該過剰振動が発生しない条件下での振動加速度データに対して行った周波数解析結果を当該基準周波数データとしてもよい。

［過剰振動発生対応］
本実施形態に係る混練押出機１０は、振動測定手段６０による振動測定結果が過剰振動を示す場合、例えば、回転駆動装置３０への通電等を停止することによって、スクリュー１２の回転を停止することが好ましい。上記の場合、混練押出機１０は、スクリュー１２の回転を停止するとともに、或いは、それに代えて、過剰振動が発生した旨の警告を表示手段に表示させるか、又は、ユーザーもしくは管理者等に通知してもよい。これらの措置により、混練押出機１０における過剰振動の要因の排除をユーザー等に促すことができる。また、振動測定手段６０が検知した過剰振動の要因が装置の固有振動である場合、混練押出機１０は、スクリュー１２の回転を停止することに代えて、スクリュー１２の回転速度を変更してもよい。

なお、振動測定手段６０による振動測定結果とは、振動測定手段６０が測定した混練押出機１０における各方向の振動加速度データ、及び、当該データについて行った周波数解析の結果を含む。また、振動測定手段６０による振動測定結果が過剰振動を示す場合とは、当該各方向の振動加速度データのいずれかが過剰振動を示す場合、及び、当該周波数解析の結果のいずれかが過剰振動を示す場合を含む。

振動測定手段６０による振動測定結果が過剰振動を示す場合に、混練押出機１０がスクリュー１２の停止、警告の表示もしくは通知、及びスクリュー１２の回転速度の変更からなる群から選択される少なくとも１つを行うことにより、過剰振動を引き起こす要因を速やかに排除して、スクリュー１２、バレル２０、連動用ギヤ部５０及び回転駆動装置３０等の摩耗及び損傷を抑制することができ、これらの部材の寿命を延長することができる。特に振動加速度データの周波数解析と組み合わせることにより、過剰振動を引き起こす要因をより精度よく、且つ、速やかに排除することができる。

振動測定手段６０が過剰振動を測定した場合における、スクリュー１２の停止、警告の表示もしくは通知又はスクリュー１２の回転速度の変更等は、例えば、振動測定手段６０によって行われてもよいし、或いは、振動測定手段６０に電気的に接続され、振動測定手段６０から送信された過剰振動を示す信号を受信することができる制御手段等によって行われてもよい。

以下、実施例に基づき、本実施形態をさらに具体的に説明する。なお、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例において、図１及び図２に示す混練押出機１０を用いた。混練押出機１０において、ギヤボックス４２の上部及びバレル２０の排出口付近のそれぞれに、振動測定手段６０を設けた。振動測定手段６０としては、長手方向（ｘ方向）、スクリュー軸間方向（ｙ方向）、及び、複数のスクリュー１２の回転軸を含む平面の法線方向（ｚ方向）の振動を測定する３軸振動計（高速３チャンネル小型無線振動記録計「ＭＶＰ−ＲＦ３−ＨＣ」、マイクロストーン株式会社製）を用いた。

各実施例に記載の条件に設定した混練押出機１０を運転しながら、混練押出機１０に備えられた３軸振動計を用いて、図１及び図２に示すｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の振動加速度を測定した。各方向のいずれについても、振動測定のサンプリング周期を１ミリ秒に設定し、１秒間（サンプリング数１０００個）の測定を１回として６０００回の振動測定を繰り返し行った。

［参考例］
図１及び図２に示す第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６を備える多軸混練押出機を用いた。第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６として、複数のスクリューエレメントを有し、対向するスクリューエレメントの組が互いに対応する形状を有しているスクリュー１２を使用した。

参考例の多軸混練押出機を、６０ｒｐｍのスクリュー回転速度で運転したときのｘ方向、ｙ方向及びｚ方向のそれぞれの振動加速度Ａｘ、Ａｙ及びＡｚを、３軸振動計を用いて測定した。次いで、各方向の振動加速度データについて、高速フーリエ変換による周波数解析を行った。図５に周波数解析結果を示す。図５から明らかな通り、参考例の多軸混練押出機においては、過剰振動を示す波形はＡｘ、Ａｙ及びＡｚのいずれの周波数解析結果においても測定されなかった。

［実施例１：エレメントの緩みの不具合に基づく過剰振動の測定］
図１及び図２に示す第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６を備える多軸混練押出機を用いた。第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６として、複数のスクリューエレメントを有し、対向するスクリューエレメントの組が互いに対応する形状を有しているスクリュー１２を使用した。但し、第１スクリュー１４の作製においては、スクリューヘッドを締め付ける際、規定量の６０％のトルクで締め付けて、エレメントの緩みの不具合を有する第１スクリュー１４を作製した。

エレメントの緩みの不具合がある実施例１の多軸混練押出機を、６０ｒｐｍのスクリュー回転速度で運転したときのｘ方向、ｙ方向及びｚ方向のそれぞれの振動加速度Ａｘ、Ａｙ及びＡｚを、３軸振動計を用いて測定した。次いで、各方向の振動加速度データについて、高速フーリエ変換による周波数解析を行った。図６に周波数解析結果を示す。図６から明らかな通り、実施例１の多軸混練押出機においては、Ａｙの周波数解析結果には過剰振動を示す波形が測定されなかったが、Ａｘの周波数解析結果には２００Ｈｚ以上４００Ｈｚ以下の範囲に過剰振動を示す波形が出現した。Ａｘの周波数解析結果に出現した波形の高さは、Ａｙの周波数解析結果における２００Ｈｚ以上４００Ｈｚ以下の範囲の波形の高さと比較して２倍以上も大きく、エレメント間隔の不具合を要因とする過剰振動を明らかに示すものであった。

［実施例２：取り付け角度の不具合に基づく過剰振動の測定］
図１及び図２に示す第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６を備える多軸混練押出機を用いた。第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６として、複数のスクリューエレメントを有し、対向するスクリューエレメントの組が互いに対応する形状を有しているスクリュー１２を使用した。但し、第１スクリュー１４としては、１つのスクリューエレメント（搬送混合処理用）を設計とは異なる角度に取り付けて作製したスクリュー１２を使用した。

取り付け角度の不具合がある実施例２の多軸混練押出機を、６０ｒｐｍのスクリュー回転速度で運転したときのｘ方向、ｙ方向及びｚ方向のそれぞれの振動加速度Ａｘ、Ａｙ及びＡｚを、３軸振動計を用いて測定した。次いで、各方向の振動加速度データについて、高速フーリエ変換による周波数解析を行った。図７に周波数解析結果を示す。図７から明らかな通り、実施例２の多軸練押出機においては、Ａｘの周波数解析結果には過剰振動を示す波形が測定されなかったが、Ａｙの周波数解析結果には２００Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲に過剰振動を示す波形が出現した。Ａｙの周波数解析結果に出現した波形の高さは、Ａｘの周波数解析結果における２００Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲の波形の高さと比較して２倍以上も大きく、取り付け角度の不具合を要因とする過剰振動を明らかに示すものであった。

［実施例３：装置の固有振動の測定］
図１及び図２に示す多軸混練押出機から、第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６を連結器４６から外した装置について、スクリュー回転速度を１００ｒｐｍから１０００ｒｐｍまで１００ｒｐｍ刻みで上昇させながら、運転を行った。各回転速度におけるｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の振動を３軸振動計を用いて振動加速度を測定した。

図８に示す通り、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向のそれぞれの振動加速度データＡｘ、Ａｙ及びＡｚの振動幅は、回転速度が６００ｒｐｍであるとき、３００ｒｐｍ及び９００ｒｐｍ等の他の回転速度と比較していずれも１．５倍以上も大きく、装置の固有振動を要因とする過剰振動を示した。なお、図示しないが、３００ｒｐｍ、６００ｒｐｍ及び９００ｒｐｍ以外の振動加速度データは、３００ｒｐｍ及び９００ｒｐｍと大差ないものであった。これにより、実施例３で使用した混練押出機１０における固有振動回転速度は６００ｒｐｍであることが判明した。

実施例１が示すように、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２と、バレル２０と、回転駆動装置３０と、動力伝達機構４０と、スクリュー１２の回転軸の長手方向及び径方向の振動を少なくとも測定する振動測定手段６０とを備える混練押出機１０により、スクリューエレメントの長手方向の配置が設計と異なることによって発生する過剰振動の有無を判定することができた。

また、実施例２が示すように、複数のスクリューエレメントを有するスクリュー１２である第１スクリュー１４及び第２スクリュー１６と、バレル２０と、回転駆動装置３０と、動力伝達機構４０と、第１スクリュー１４の回転軸の径方向であって、第１スクリュー１４の回転軸及び第２スクリュー１６の回転軸を含む第１平面に含まれる方向の振動、並びに、第１スクリュー１４の回転軸の長手方向及び第１平面の法線方向を含む第２平面に含まれるいずれかの方向の振動を少なくとも測定する振動測定手段６０とを備える混練押出機１０により、スクリューエレメントの取り付け角度が設計と異なることによって発生する過剰振動の有無を判定することができた。

１０ 混練押出機、１２ スクリュー、１４ 第１スクリュー、１６ 第２スクリュー、１８ スクリューシャフト、２０ バレル、２２ 投入口、３０ 回転駆動装置、３２，４８ シャフト、４０ 動力伝達機構、４２ ギヤボックス、４４ 減速部、４６ 連結器、５０ 連動用ギヤ部、６０ 振動測定手段。

Claims (5)

1. 複数のスクリューエレメントを有するスクリューと、前記スクリューを収容するバレルと、前記スクリューを回転させる動力を発生させる回転駆動装置と、前記動力を前記回転駆動装置から前記スクリューに伝達する動力伝達機構と、前記スクリューの回転軸の長手方向及び径方向の振動を少なくとも測定する振動測定手段とを備えることを特徴とする、混練押出機。
2. 前記スクリューとして第１スクリュー及び第２スクリューを少なくとも備え、前記振動測定手段が、前記第１スクリューの回転軸の長手方向の振動と、前記第１スクリューの回転軸の径方向であって、前記第１スクリューの回転軸及び前記第２スクリューの回転軸を含む平面に含まれる方向の振動を測定することを特徴とする、請求項１に記載の混練押出機。
3. 前記振動測定手段が互いに直交する３方向の振動を測定する３軸振動計であって、前記３方向の少なくとも一つが、前記スクリューの回転軸の長手方向であるか、又は、前記第１スクリューの回転軸の径方向であって、前記第１スクリューの回転軸及び前記第２スクリューの回転軸を含む第１平面に含まれる方向であることを特徴とする、請求項１または２に記載の混練押出機。
4. 前記振動測定手段により得られた振動測定結果が過剰振動を示す場合に、前記スクリューの停止、警告の表示もしくは通知、及び前記スクリューの回転速度の変更からなる群から選択される少なくとも１つを行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の混練押出機。
5. 前記振動測定手段により測定された振動加速度データの周波数解析結果が過剰振動を示す場合に、前記スクリューの停止、警告の表示もしくは通知、及び前記スクリューの回転速度の変更からなる群から選択される少なくとも１つを行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の混練押出機。