JP2019093724A - 多軸スクリュー式機械用のスクリューエレメント - Google Patents

多軸スクリュー式機械用のスクリューエレメント Download PDF

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Abstract

【課題】可能な限り少ないエネルギー入力で、分散効果を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントを提供する。【解決手段】同一方向回転多軸スクリュー機械のスクリューエレメントであって、スクリュープロファイルをそれぞれのプロファイル曲線によって断面全体にわたって表すことが可能であるスクリューエレメントにおいて、前記各プロファイル曲線が、前記プロファイル曲線に沿ってその外半径内に位置するキンク位置を有し、キンクは曲率半径が変化するとともに連続微分可能でない位置であり、前記プロファイルの前記外半径に対する前記スクリュープロファイルの曲率半径の比率は、バレルをクリーニングする点PAで0.05〜0.95であり、前記点PAは、前記外半径RAを有する回転点Cを中心とする円上に位置する90°のセグメントのプロファイル部分内にある唯一の点であるスクリューエレメント。【選択図】図1

Description

本発明は、対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント、多軸スクリュー機械におけるスクリューエレメントの使用、およびこれらのスクリューエレメントを使用して、プラスチック組成物を押出成形するための方法、ならびにスクリューエレメントを製造するための方法に関する。
同一方向に回転する2軸あるいは多軸機械であって、そのロータが互いに完全にワイピングする機械は、かなり前から知られている(例えば、ドイツ特許862668号明細書参照)。ポリマー調製および処理では、完全ワイピングプロファイルの原理に基づいているスクリュー機械が、さまざまな用途に利用されてきた。これは、特に、ポリマー溶融物が表面に粘着し、通常の処理温度の下で、時間の経過とともに劣化するということによるものであり、このことは、完全ワイピングスクリューのセルフクリーニング効果によって防がれる。完全ワイピングスクリューのプロファイルを生成するための規則は、例えば刊行物[1]([1]=Klemens Kohlgruber:“Der gleichlaufige Doppelschneckenextruder”[the co−running twin−screw extruder],Hanser Verlag Munich,2007)の96から109ページに記載されている。同書には、2軸押出機の第1軸上の予め決定されたスクリュープロファイルが、2軸押出機の第2軸上のスクリュープロファイルを決定するということも述べられている([1]の97ページ)。したがって、第1軸上のスクリュープロファイルは、生成スクリュープロファイルと称される。第2軸上のスクリュープロファイルは、2軸押出機の第1軸上のスクリュープロファイルに基づいているため、被生成スクリュープロファイルと称される。多軸押出機の場合には、生成スクリュープロファイルおよび被生成スクリュープロファイルは、隣接する軸に常に交互に用いられる。現行の2軸押出機は、異なるスクリューエレメントをコア軸に実装することが可能なモジュールシステムを有する。これにより、当業者は、2軸押出機を各処理タスクに適合させることができる。
キンクが、スクリューのフライト部での断面プロファイルに発生し、フライトのフランクとの急激な変化部を形成するスクリューエレメントが先行技術により知られており、このフライト部は、中心点としてプロファイルの回転点と、プロファイルの半径=外径を有する円弧を含んでいる。プロファイルのフランクへの変化部でのこのキンクは、スクリューエレメントのエッジを形成している。多軸機械で行われる主なタスクの1つは、互いに均質に混合することができない液相または溶融物の分散またはポリマー溶融物中の固体の分散である。せん断流と延伸流の組み合わせが、困難な分散タスクに最適であることは、技術文献(Chang Dae Hanによる“Multiphase Flow in Polymer Processing”,Academic Press,New York 1981を参照)から知られている。流れのこのような形態は、スクリューチャネルに存在し、ここで、材料が、一方で軸の回転によりせん断され、他方でフライト部に向かってスクリューチャネルが収束することにより同時に延伸される。ただし、スクリューのフライト部の領域では、困難な分散タスクが分散にほとんど寄与しない場合に、単なるせん断流が存在する。一方、導入されるエネルギーの大部分は、スクリューのフライト部とバレルまたは隣接する軸との間のギャップで消費される。このように、この領域は、分散の処理タスクに寄与することなく、ポリマー組成物の温度上昇と、その結果として熱分解にかなり寄与する。偏心配置された円形ディスクは例外であり、これを完全にワイピングする方法で配置できることが知られている。これらは、単なるせん断流を伴う任意のフライト部領域を全く有していない。これらの優れた分散効果は既知であるが、大きな円周領域にわたって非常に狭いギャップを作るため、高いエネルギー入力を同様に有する。さらに、これらは、フライトの数Z=1に制限されている。
国際公開第2009/152968号パンフレットおよび国際公開第2011/069896号パンフレットの全内容が、本明細書中に参照により援用されており、このパンフレットには、対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントについても記述されている。上述の問題に対処するために、これらのスクリューエレメントは、連続微分可能プロファイル曲線で表すことができる軸方向の断面におけるプロファイルを有するように開発されている。ただし、これはまだ、すべての応用分野におけるスクリューエレメントの最適な性能を達成していない。
特に2軸押出機が開示されている欧州特許出願第1093905号明細書は、高い分散および分配混合効果で押出成形される材料の散逸した温度上昇を回避する問題にすでに対処しているが、単に不適切な解決策を提供している。
また、ドイツ特許出願第102008026862号明細書は、多軸押出機の場合の分散および分配混合効果の向上に関係しているが、押出成形される材料の散逸した温度上昇の問題を対処していない。
欧州特許出願第087536号明細書は、一方で多軸押出機の場合の分散および分配混合効果の向上に、もう一方で穏やかな処理に焦点を当てているが、分散性の向上および穏やかな処理との組み合わせによる分散および分配混合効果に焦点を当てていない。
欧州特許出願第0002131号明細書には、プラスチック上で改善されたニーディング作用を有する多軸押出機が開示されている。ただし、この特許出願は、分散または分配混合効果の改善に対処することも、押出成形される材料の散逸した温度上昇の問題に対処することもしていない。
国際公開第2001/006516号パンフレットには、改善された散逸した混合効果を有する多軸押出機が開示されている。ただし、この特許出願も、押出成形される材料の散逸した温度上昇の問題に対処していない。
したがって、先行技術に基づいて、本目的は、可能な限り少ないエネルギー入力で、先行技術と比較して改善された分散効果を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントを提供することである。
本発明の目的は、請求項1の特徴を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント、および請求項10の特徴を有するこれらのスクリューエレメントを製造するための方法によって、達成される。本発明の好適な改良および適用は、従属請求項および別の独立請求項に記載されている。
驚くべきことに、プロファイル曲線に沿って連続微分可能ではないが、その外半径内に位置するキンクを有するプロファイル曲線によって断面全体にわたってプロファイルを表すことができるスクリューエレメントによって、本目的が達成されることが分かっており、プロファイルの外半径に対するスクリュープロファイルの曲率半径の比率は、0.05〜0.95である。このことは、特に、バレルをクリーニングする点Pで適用される。キンクは、プロファイル曲線の傾斜部における急激な変化の位置、または傾斜部での幾何学的な不連続部であると考えられる。また、「プロファイル曲線の外半径内」という用語は、キンクがプロファイル曲線の外半径上にあるが、半径位置にないことを意味し、それぞれのスクリューエレメントの回転点から、または回転軸からのこの半径は、プロファイル曲線の外半径よりも小さい。
本発明の好ましい実施形態では、プロファイルの外半径に対するスクリュープロファイルの曲率半径の比率は、0.2〜0.8、好ましくは0.3〜0.7、特に好ましくは0.35〜0.65である。このことは、特に、バレルをクリーニングする点Pで適用される。プロファイル曲線がさまざまな関数から部分的に構成されている場合、曲率半径は、場合によっては、不連続であってもよく、すなわち、回転の一方向での一点に近づいているときの値の曲線の半径の限界値が、回転の反対方向での一点に近づいているときの値と異なる。このような変化部がプロファイルの外半径で特異的である場合、好ましい範囲が、2つの限界値の少なくとも一方に適用されることが好ましい。
本発明の主題は、したがって、対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントであって、これらのスクリューエレメントは、対になって完全にワイピングし、スクリュー軸は、2つ以上のスクリューフライトを有するスクリューエレメントから構成され、生成および被生成スクリュープロファイルをそれぞれ、プロファイル曲線の傾斜部に少なくとも1つのキンクまたは幾何学的な不連続部を有するプロファイル曲線によって断面全体にわたって表すことができるスクリューエレメントにおいて、少なくとも1つのキンクまたは少なくとも1つの不連続部は、プロファイル曲線の外半径に位置しておらず、プロファイルの外半径に対するスクリュープロファイルの曲率半径の比率は、0.05〜0.95であることを特徴としている。このことは、特に、バレルをクリーニングする点Pで適用される。本発明によるスクリューエレメントは、距離aで互いに平行に配置された2つの回転軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、常に少なくとも1つの点で互いに接触していることが意図されている。
同時に、本発明は、スクリューエレメントおよびコア軸によるスクリューの現行の通常のモジュール構造を備えたスクリューエレメントに限定されるものではなく、一体構造のスクリューに適用されることも可能である。したがって、用語「スクリューエレメント」は、一体構造のスクリューを意味するとも理解されるべきである。少なくとも1つのキンクがスクリューエレメントのプロファイルにエッジを形成しているが、そのエッジは、スクリューのフライト部に位置しないが、半径方向内側にオフセットされるため、温度上昇に著しく寄与することなく、ポリマー組成物の分散に寄与することができる。
本発明の好ましい実施形態では、本発明によるスクリューエレメントの断面プロファイル(以下、スクリュープロファイルまたは略してプロファイルと称される)を、前記少なくとも1つのキンクを除くその全長にわたって連続微分可能曲線によって表すことができる。好ましくは、連続微分可能プロファイル曲線の部分は、国際公開第2011/069896号パンフレットに記載された方法によって生成される。
生成および被生成スクリュープロファイルを参照して既に上述したように、一方のスクリューエレメントの断面プロファイルを予め決定することができ、他方のスクリューエレメントの断面プロファイルが、この予め決定されたプロファイルから容易に導出される。また、スクリュープロファイルまたはスクリューエレメントは、対応するプロファイルまたはエレメントとして、簡略化のために、ここに参照される。この場合、生成プロファイルまたは予め決定されるべきプロファイルだけが、いくつかの容易に満たされる基準に従う必要がある。対応するスクリューエレメントのプロファイルの導出または生成は、グラフまたは計算のいずれかの容易な方法で行われる。これにより、さまざまな対応するスクリューエレメントの構築が可能となる。対応するスクリューエレメントの断面プロファイルを曲線から生成することができるように、スクリューエレメントの断面プロファイルを記述する曲線は次の基準:曲線が閉じていること、曲線が連続していること、曲線が凸状であること、曲線が部分的に連続微分可能であること、曲線が各点でスクリューエレメント間の中心線距離a以下である曲率半径を有すること、を満たす必要がある。
本発明の好ましい実施形態では、一方のスクリューエレメントの生成断面プロファイルが、連続した、部分的に連続微分した、閉じた、凸状の曲線
によって平面内に形成され、他方のスクリューエレメントの被生成断面プロファイルが、以下の関係(1)に従って曲線
から形成される:
ここで、
−曲線
は、各点でスクリューエレメント間の中心線距離a以下である曲率半径ρを有し、
−連続微分可能部分内の曲線
の各点に対し、長さ1を有する正規化された法線ベクトル
が存在し、それぞれの点でのベクトルは曲線
の接線に垂直であり、湾曲の中心点の方向にある点は曲線
のそれぞれの点に属し、

は、生成プロファイルの回転点から断面内の被生成プロファイルの回転点の方向に導く、長さaを有するベクトルである。
この関係では、曲線
は、単一の数学関数によって部分的に記述することができる。例として挙げることができる関数は、例えば、円関数または楕円関数、放物線関数または双曲線関数のような、当業者に既知のものである。例えば、次の形式の関数で表現することも可能である:
それにより関数f(s)の形式に応じて、半径rを有するバレルと回転しているスクリューエレメントとの間にスクリューエレメントを実際に設ける場合、自由に選択可能な形式のギャップが得られる。関数f(s)は、例えば、線形関数またはsの2次関数、双曲線関数または指数関数であってもよい。
また、値が、例えば、Bスプライン関数、ベジェ関数、有理ベジェ関数、および非一様有理Bスプライン(NURBS)のような制御点によって決定される関数が挙げられる。CADシステム(CAD=コンピュータ支援設計)での構築に多く使用されるため、ベジェ関数、有理ベジェ関数およびNURBSが好ましく、ここで、これらは、特に、制御点をシフトすることによって、幾何学的図形の形式での任意の所望の形式を画定するために使用される。特に好ましいのは、2次および3次(すなわちここで、n=2およびn=3)のベジェ関数と3次の有理ベジェ関数である。
ベジェ関数は、一例としてここで引用されている。既知のように、ベジェ関数は式
であり、ここで
は制御点の座標であり、
はバーンスタイン多項式である。
既知のように、例えばM.S.Floaterによる“Derivatives of Rational Bezier Curves”,Comp.Aid.Geom.Design 9,1992の161〜174ページに記載されているように、次数nの有理ベジェ関数は式
であり、ここで、
は関数の制御点の座標を表し、
はその重みを表している。
同様に、
を、さまざまな数学関数によって部分的に記述することができ、部分ベースの関数は、好ましくは、前の段落で述べた関数に対応している。数学関数による部分ベースの記述の特殊な場合が、円の弧を使用して記述することによって表現される。すなわち、円弧によって、一部または全体の曲線
と、結果としての一方のスクリューエレメントの一部または生成断面プロファイルを記述することが可能である。上記の関係(1)によると、具体的に
この場合、曲線
と、結果としての他方のスクリューエレメントの被生成断面プロファイルもまた、円の弧で構成されている。
曲線
は、少なくとも部分的に、連続微分可能でなければならない。部分的に画定された曲線
の部分の境界では、個々の部分が、結果として連続微分の方法で互いに合流する必要はない。曲線の2つの部分がキンク点で互いに交わる場合は、接線ベクトルと法線ベクトルは、キンク点やキンク位置に対して画定されない。したがって、上記の関係(1)は、一方のスクリューエレメントのプロファイルのキンク位置に対して、他方のスクリューエレメントの曲線
の対応する部分を与えない。
一方のスクリューエレメントの断面プロファイルの各キンクに対し、他方のスクリューエレメントのプロファイル内の円弧が対応している。円弧の大きさは、その中心角および半径を指定することによって与えられる。以下、円の弧の中心角は、略して、円弧の角度と称する。円弧の位置は、その中心点の位置によって、およびその2つの終点の位置によって与えられる。他方のスクリューエレメントの断面プロファイルにおける一方のスクリューエレメントの断面プロファイルでのキンクに対応する円弧は、常に中心線距離aに対応するサイズの半径を有する。また、キンクに対応する円弧は、常に、曲線部の接線がキンク点で交わるその角度に対応する角度を有する。曲線
のプロファイル部分が半径aを有する円の弧である場合、曲線
の対応するプロファイル部分が「キンク」であることが、同様に逆に適用される。
この点で、半径がゼロに等しい円弧によってキンクを記述することが有利である。キンクでは、半径ゼロの円の弧の角度の周りの回転による、第1の曲線部から第2の曲線部への変化部がある。半径ゼロの円の弧の中心点における第1の曲線部の接線は、円の弧の角度に対応する角度での円の弧の中心点で同様に第2の湾曲部の接線と交差する。円の弧を考慮すると、すべての隣接する曲線部(第1の曲線部→半径ゼロの円弧→第2の曲線部)が互いに接線方向に合流する。半径ゼロの円弧は、便宜上、半径がepsに等しい円弧のように扱われ、ここで、epsは、0に近い非常に小さい正の実数である(eps<<1,eps→0)。対応する断面プロファイルで、同じ角度および半径=中心線距離を有する円弧が生じる。この状況は、国際公開第2011/069896号パンフレット(国際公開第2011/069896号パンフレットの8ページ、5〜11行)に示されている。
したがって、本発明の好ましい実施形態では、スクリューエレメントのプロファイルを、専ら円弧の配置によって説明することもできる。本発明による生成および被生成スクリューエレメントのスクリュープロファイルは、n個の円弧の全体に構成され、ここで、nは4以上である。n個の円弧の各々は、始点と終点を有している。いくつかの円弧は、これらの始点と終点で互いに接線方向に合流することができるため、部分的に連続微分可能プロファイル曲線を形成している。ただし、プロファイル曲線のキンクもしくは傾斜部における急激な変化の位置、または傾斜部での幾何学的な不連続部で、それぞれの円弧は互いに接線方向に合流しないが、互いに交わり、その角度は、好ましくは90°〜180°、より好ましくは120°〜180°、さらに好ましくは140°〜180°である。
各円弧j(j=1〜n)の位置を、異なる2点を指定することによって確実に固定することができる。円弧の位置は、便宜上、中心点および/または始点もしくは終点を指定することによって固定されている。個々の円弧jの大きさは、半径rと、始点と終点との間の中心点の周りの角度αにより固定されており、半径rは、0より大きくかつ軸と角度αとの間の中心線距離aより小さく、この角度αは、ラジアン測定で0以上かつ2π以下であり、ここで、πは円周率である。
本発明の好ましい実施形態では、スクリューエレメントが以下であることを特徴としている。
−生成スクリュープロファイルおよび被生成スクリュープロファイルが、1つの平面に位置している。
−生成スクリュープロファイルの回転軸および被生成スクリュープロファイルの回転軸は、それぞれの場合において、距離a(中心線距離)でスクリュープロファイルの前記平面に垂直であり、前記平面に対する生成スクリュープロファイルの回転軸の交点が生成スクリュープロファイルの回転点と称され、前記平面に対する被生成スクリュープロファイルの回転軸の交点が被生成スクリュープロファイルの回転点と称される。
−生成スクリュープロファイル全体の円弧の数nが、4以上である(n≧4)。
−生成スクリュープロファイルの外半径raが、0より大きく(ra>0)かつ中心線距離aよりも小さい(ra<a)。
−生成スクリュープロファイルのコア半径riが、0より大きい(ri>0)かつ外半径ra以下である(ri≦ra)。
−円弧が閉じたスクリュープロファイルを形成し、すなわち、円弧jのすべての角度αの合計が2πに等しく、πは円周率(π≒3.14159)である。
−円弧が、凸状のスクリュープロファイルを形成する。
−生成スクリュープロファイルの円弧のそれぞれが、外半径raとコア半径riを有する円形リングの境界内または境界に位置し、その中心点が、生成スクリュープロファイルの回転点に位置している。
−生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも1つが、点Pで生成スクリュープロファイルの外半径raと接触している。
−生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも1つが、点Pで生成スクリュープロファイルのコア半径riと接触している。
−被生成スクリュープロファイルの円弧の数n’が、生成スクリュープロファイルの円弧の数nに等しい。
−被生成スクリュープロファイルの外半径ra’が、中心線距離と生成スクリュープロファイルのコア半径との差に等しい(ra’=a−ri)。
−被生成スクリュープロファイルのコア半径ri’が、中心線距離と生成スクリュープロファイルの外半径との差に等しい(ri’=a−ra)。
−被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の角度α’が、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の角度αに等しく、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
−被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の半径r’と、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の半径rの和が中心線距離aに等しく、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
−被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点が、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点から離れており、その距離は中心線距離aに等しく、被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点が、被生成スクリュープロファイルの回転点から離れており、その距離は、生成スクリュープロファイルの回転点から生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点までの距離に等しく、被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点と生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点との間の接合線が、被生成スクリュープロファイルの回転点と生成スクリュープロファイルの回転点との間の接合線に平行な線であり、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
−被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の始点が、被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点に対する方向に位置し、この方向は、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の始点が生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点に対する方向と反対であり、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
本発明の好ましい実施形態では、本発明によるスクリューエレメントのプロファイルを、三角定規とコンパスで構成することができることを特徴としている。生成スクリュープロファイルのj番目の円弧と(j+l)番目の円弧との間の接線の変化部を、j番目の円弧の終点の周りに半径rj+1を有する円を記述することによって、およびこの円の直線との交点によって構成することができ、この直線は、(j+l)番目の円弧の中心点である生成スクリュープロファイルの回転点の近くに位置するj番目の円弧の中心点と終点によって画定される。より実用的な方法では、三角定規とコンパスの代わりに、コンピュータプログラムを使用してスクリュープロファイルを構築することになる。
本発明によるスクリューエレメントは、対称であっても非対称であってもよいが、本発明によるスクリューエレメントを対称とするのが好ましい。対称のスクリューエレメントは、軸対称であっても点対称であってもよいが、本発明によるスクリューエレメントを軸対称とするのが好ましい。スクリューエレメントは、それぞれの場合において、例えば、プロファイル曲線の周りを180°またはラジアン測定での角度πで互いにオフセットした、プロファイル曲線の外半径内のプロファイル曲線に沿った不連続な2つの位置を有することが好ましい。これらの位置の各々は、プロファイル曲線のフライト部の出口側に位置することが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、本発明によるこのような軸対称のスクリューエレメントのフライトの数Zが、2〜8の範囲であり、特に好ましくは2〜4の範囲である。本発明による対称のスクリューエレメントの断面のプロファイル曲線は、結果として、プロファイル部分に分割されることが可能であり、これらは、プロファイルの中心または対称軸にミラーリングする点または軸線により相互に移動される。プロファイル部分のうちの1つを形成する円弧の数nは、好ましくは2〜8の範囲であり、特に好ましくは3〜6の範囲である。
本発明による非対称のスクリューエレメントの断面のプロファイル曲線は、好ましくは、2・Z個のプロファイル部分に分割されることが可能であり、これらを、プロファイルの対称軸にミラーリングする軸線により相互に移動することができる。その対称性のために、フライトの数Zを有する軸対称のスクリューエレメントのプロファイルを、したがって、プロファイルの2つの対称軸間に位置する360°/(2・Z)のセグメントでのプロファイル部分によって完全に画定することができる。残りのプロファイルは、対称のZ個の軸線にプロファイル部分をミラーリングすることによって得られ、このZ個の軸線は回転点で交差し、回転点の周りの360°の角度を2・Z個の360°/(2・Z)の角度に分割する。軸対称のスクリューエレメントの場合には、さらに、隣接する軸上の対応するスクリュープロファイル(生成プロファイルおよび被生成プロファイル)が同じであるか、またはこれを回転によって一致させることができる。同じことが、点対称のスクリュープロファイルに類似して当てはまり、対称部分を、対称の中心でミラーリングする点によってそれぞれ互いに移動することができる。
本発明の好ましい実施形態では、本発明による軸対称のスクリューエレメントのプロファイル部分が、プロファイルの外半径に位置する点Pと、プロファイルのコア半径に位置する点Pとの間で、円の弧から構成されることを特徴としている。円弧は、相互に合流し、プロファイル部分の一番大きい部分の上に連続微分可能曲線を形成するが、このプロファイル部分は、円弧が相互に接線方向に合流せずに、キンクを形成するかまたは90°〜180°の角度で交わる、少なくとも1つの位置を含む。特に好ましい実施形態では、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル部分は、点Pと点Pとの間で、正確に3つの円弧から構成される。3つの円弧を有して、小さな半径を選択することによって、バレル壁をクリーニングする点Pの領域に、プロファイルをより細長く作製することができ、これにより、エネルギーの消耗がさらに低減される。
本発明の別の実施形態において、フライトの数Zを有する点対象のスクリュープロファイルを、Z個の対称な部分に分割することが可能であり、この対称な部分を、対象の中心またはプロファイルの回転点でミラーリングする点によって相互に移動させることができる。点対称のスクリューエレメントの場合には、隣接する軸上の対応するスクリュープロファイル(生成プロファイルおよび被生成プロファイル)が同じであるか、またはこれを回転によって一致させることができる。
本発明の好ましい実施形態において、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル部分は、相互に接線方向に合流し、2つの位置間で連続微分可能曲線を形成するいくつかの円弧により構成されることを特徴とし、ここでは、それぞれの円弧は、隣接するプロファイル部分に接線方向に合流しないが、90°〜180°の角度で交わり、この角度は、より好ましくは約120°〜180°、さらに好ましくは約140°〜180°である。つまり、本実施形態における各プロファイル部分の終点は、プロファイル曲線にキンク位置を形成する。
本発明の好ましい実施形態では、本発明による2条フライトのスクリューでの、中心線距離aに対するスクリューエレメントの外半径raの比率は、0.54〜0.7、特に好ましくは0.58〜0.63であり、3条フライトのスクリューでは、0.53〜0.57、特に好ましくは0.54〜0.56であり、4条フライトのスクリューでは、0.515〜0.535である。
本発明によるスクリューエレメントは、搬送エレメントまたはニーディングエレメントまたは混合エレメントとして形成されてもよい。
既知のように(例[1]の243から237ページ参照)、搬送エレメントは、スクリュープロファイルが連続的に螺旋状に回転され、軸方向に連続しているということによって区別される。この場合には、搬送エレメントは、右回りであっても左回りであってもよい。搬送エレメントのピッチは、例えば、外径の0.1〜10倍の値をとることができ、このピッチは、スクリュープロファイルの完全な回転のために必要とされる軸方向長さを意味するものと理解される。ピッチtは、好ましくは外径の0.3〜3倍の範囲内である。実用的な理由のために、搬送エレメントの軸方向長さは、t/Zの整数倍として設定されることが好ましい。
既知のように(例[1]の237から240ページ参照)、ニーディングエレメントは、スクリュープロファイルがニーディングディスクの形でオフセットする方法で軸方向に連続しているということによって区別される。ニーディングディスクの構成は、右回りであっても左回りであってもよく、中立であってもよい。ニーディングディスクの軸方向長さは、外径の0.02〜2倍の範囲内であることが好ましい。2つの隣接するニーディングディスク間の軸線距離は、外径の0.001〜0.1倍の範囲内であることが好ましい。
既知のように(例[1]の242から244ページ参照)、混合エレメントは、スクリューのフライト部に開口部を設けた搬送エレメントによって形成される。混合エレメントは、右回りであっても左回りであってもよい。これらのピッチtは、好ましくは外径の0.1〜10倍の範囲内である。搬送エレメントと同様に、混合エレメントの軸方向長さは、t/Zの整数倍として設定されることが好ましい。開口部は、好ましくは、U字形またはV字形の溝の形態を有する。混合エレメントが積極的に搬送エレメントに基づいて形成されている場合、溝は、反搬送方向または軸方向に平行に配置されるのが好ましい。
また、本発明の主題は、本発明によるスクリューエレメントを製造するための方法を含み、このスクリューエレメントは、距離aで互いに平行に配置された2つの回転軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、常に少なくとも1つの点で互いに接触している。
この方法の好ましい実施形態では、一方のスクリューエレメントの(生成)断面プロファイルが、連続した、部分的に連続微分した、閉じた、凸状の曲線
によって回転軸に垂直な平面E内に形成され、他方のスクリューエレメントの(被生成)断面プロファイルが、以下の関係(1)に従って曲線
から形成される:
ここで、
−曲線
は、各点でスクリューエレメント間の中心線距離a以下である曲率半径ρを有し、
−連続微分可能部分内の曲線
の各点に対し、長さ1を有する正規化された法線ベクトル
が存在し、それぞれの点でのベクトルは曲線
の接線に垂直であり、湾曲の中心点の方向にある点は曲線
のそれぞれの点に属し、

は、平面Eを有する生成プロファイルの回転軸の交点から平面Eを有する被生成プロファイルの回転軸の交点の方向に導く、長さaを有するベクトルである。
上記式に従って、各プロファイルの生成を、曲線
上の点に基づいて実証することができる。プロファイル曲線
は、スクリューエレメントの回転軸に垂直な平面内に生成される。回転軸は、互いから距離aの位置にある。ベクトルaは、回転軸の一方から他方への方向に長さaと点を有する。一方の(生成)プロファイルのプロファイル曲線
の各点から、他方の(被生成)プロファイルの対応する曲線
上の点を生成することができる。対応する曲線
上の点は、曲線
の点で曲線に接線
を置き、この接線に対して正規化された法線ベクトル
を形成し、係数aによってそれを拡張し(すなわち、
)、最後にこのベクトル
にベクトル
を加えることによって得られる。
既に上述したように、本発明の好適な実施形態におけるスクリューエレメントは、曲線を形成するために円の弧から構成されたプロファイルによって区別され、この曲線は、少なくとも1つのキンク位置または曲線に沿った傾斜部の不連続な位置を有し、この少なくとも1つの位置は、プロファイル曲線の外半径内にある。したがって、2つ以上のスクリューフライトを有し、同一方向に対になって、中心線距離aで対になって完全にワイピングするスクリュー軸を有する、多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントを製造するための本発明による方法では、n個の円弧によって断面全体に形成されたスクリュープロファイルを有するのが好ましく、ここでnは4以上の整数である。
本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法は、好ましくは、以下を特徴とする。
−生成スクリュープロファイルの外半径raが、0より大きく(ra>0)かつ中心線距離aよりも小さく(ra<a)なるように選択される。
−生成スクリュープロファイルのコア半径riが、0より大きく(ri>0)かつ外半径ra以下である(ri≦ra)ように選択される。
−円弧は、位置とサイズを固定することによって、円弧が閉じた、凸状のスクリュープロファイルを形成するような方法で次々に配置され、生成スクリュープロファイルの円弧のそれぞれが、外半径raとコア半径riを有する円形リングの境界内または境界に位置し、その中心点が、生成スクリュープロファイルの回転点に位置し、生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも1つが、点Pで生成スクリュープロファイルの外半径raと接触し、生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも1つが、点Pで生成スクリュープロファイルのコア半径riと接触する。
−被生成スクリュープロファイルのn’個の円弧が、以下の場合に生成スクリュープロファイルのn個の円弧によって生じる。
・被生成スクリュープロファイルの円弧の数n’が、生成スクリュープロファイルの円弧の数nに等しい。
・被生成スクリュープロファイルの外半径ra’が、中心線距離aと生成スクリュープロファイルのコア半径riとの差に等しい(ra’=a−ri)。
・被生成スクリュープロファイルのコア半径ri’が、中心線距離aと生成スクリュープロファイルの外半径raとの差に等しい(ri’=a−ra)。
・被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の角度α’が、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の角度αに等しく、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
・被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の半径r’と、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の半径rとの和が中心線距離aに等しく、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
・被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点が、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点から離れており、その距離は中心線距離aに等しく、被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点が、被生成スクリュープロファイルの回転点C’から離れており、その距離は、生成スクリュープロファイルの回転点Cから生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点までの距離に等しく、被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点と生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点との間の接合線が、被生成スクリュープロファイルの回転点と生成スクリュープロファイルの回転点との間の接合線に平行な線であり、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
・被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の始点が、被生成スクリュープロファイルのj’番目の円弧の中心点に対する方向に位置し、この方向は、生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の始点が生成スクリュープロファイルのj番目の円弧の中心点に対する方向と反対であり、ここで、jおよびj’は、1から円弧の数nまたはn’の範囲内のすべての値を含む整数である。
スクリュープロファイルが円の弧から構成されている好ましい変形例では、本発明による方法を、驚くべきことに、単に三角定規とコンパスを用いて紙上で実行することができる。このため、単に手動で一方のスクリューエレメントの断面プロファイルを作製し、グラフィカルに予め定められたプロファイルから対応するスクリューエレメントの断面プロファイルをグラフィカルに導出することも原理的には可能である。
ただし、スクリュープロファイルを作製するための方法をコンピュータ上で実行することが推奨される。プロファイルの座標および寸法は、コンピュータでさらに処理可能な形態であるため、コンピュータシステム上で本発明による方法を実行することが好適である。また、スクリューエレメントの寸法は、スクリューエレメントを製造するために、CADフライス盤にスクリューエレメントを後で供給することができる形である。
このように、本発明の主題は、コンピュータ上で本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法を実行するためのコンピュータシステムも含む。コンピュータシステムは、好ましくは、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)を有し、このGUIにより、ユーザが、例えばマウスおよび/またはキーボードなどの入力デバイスにより、プロファイルを作製するための自由に選択可能な変数を、簡単な方法で入力することが可能になる。特に好ましくは、例えば、Bスプライン関数、ベジェ関数、有理ベジェ関数、および非一様有理Bスプライン(NURBS)のような制御点によって値が画定される関数の場合に、コンピュータシステムが、制御点と、おそらく重み付けを用いて、プロファイルの輪郭を特定する可能性があり、グラフィカルにまたはグラフと数値入力の組み合わせで、数の形式(座標)でこれを実行することが可能である。また、コンピュータシステムは、グラフィック出力を有するのが好ましく、これにより、例えば、スクリーンおよび/またはプリンタのようなグラフィック出力デバイスに計算されたプロファイルを表示することができる。
コンピュータシステムは、好ましくは、計算されたプロファイルをエクスポートする可能性があり、すなわち、これを計算されたスクリューエレメントの幾何学的寸法を含む格納可能なデータレコードの形でデータキャリア上に格納するか、または使用のさらなる目的のために接続されたデバイスに転送するかのどちらかである。コンピュータシステムは、断面プロファイルと断面プロファイルから生成されたスクリューエレメントの両方を計算することができ、実際のスクリューエレメントを製造するために、例えばフライス盤のような工作機械のボディなどを製造するための機械で使用することができるフォーマットで計算された形状を出力することができるように、設計されるのが好ましい。このようなフォーマットは、当業者に知られている。
本発明の主題は、本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法をコンピュータ上で実行するためのプログラムコード手段を用いた、コンピュータプログラム製品も含む。
本発明の好ましい実施形態では、コンピュータプログラム製品のユーザは、選択されるべきパラメータ(生成および被生成スクリュープロファイルの円弧の数、半径、角度)を入力することができるように、ユーザインタフェース、好ましくはグラフィカルユーザインターフェスを備えている。ユーザはコンピュータシステムによって支援されることが好ましく、このコンピュータシステムは、選択したパラメータ値が完全に対になってワイピングしないスクリュープロファイルを作製することになる場合を、ユーザに示す。前記ユーザは、好ましくは、表示されている許容可能なパラメータ値の範囲によって、パラメータ値の入力を支援される。許容可能なパラメータ値は、完全に対になってワイピングするスクリュープロファイルをもたらすパラメータ値の組み合わせを意味するものとして理解される。
本発明の好ましい実施形態では、単にプロファイルだけでなく、スクリューエレメント全体が、コンピュータ上の仮想現実に構成されている。この構成の結果として、画面上またはプリンタ上に構造図の形で出力されることが好ましい。電子ファイルとして結果を出力することも同様に考えられ、好ましい実施形態では、これを対応するスクリューエレメントを製造するためにCADフライス盤に渡すことができる。
3次元プロファイルが記載の方法で製造された後、例えば、フライス盤、旋盤、または旋回機によって、スクリューエレメントを製造することができる。ボディが押出機のスクリューである場合、このようなボディを製造するための好適な材料は、特に、窒化鋼、クロム鋼、工具鋼、および特殊鋼などの鋼や、鉄、ニッケル、コバルトまたは例えば酸化ジルコニウムまたは炭化ケイ素のようなエンジニアリングセラミック材料ベースの粉末冶金的に作製された金属複合材料、である。
本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法は、スクリューのプロファイルが、特定のタスクに最適であるように最初から設計されることを可能にする。先行技術から知られているスクリューエレメントは、大部分が、実際のタスクに最適に設計されていない。むしろ、メーカーは、実際のタスクから独立した固定モジュラーシステムにより、スクリューエレメント(搬送エレメント、ニーディングエレメント、混合エレメント)を供給している。本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法は、セルフクリーニングするスクリューエレメントのプロファイルが、実質的に完全に自由に設計され、その結果、それぞれのアプリケーションのパラメータの微小な変化によって、アプリケーションを視野に入れて最適化されることを可能にする。この関連において、スクリュープロファイルを生成するための円弧の数が限定されないことを、指摘しておく。結果として、円弧から構成されず、その結果、セルフクリーニングしないスクリュープロファイルが可能であり、十分な数の円弧により所望の精度で近似されることになる。この場合には、円弧の手段により近似されたプロファイルは、もちろんセルフクリーニングである。
また、対応する縦断面プロファイルを(生成または被生成)スクリュープロファイルから計算することができることを指摘しておく。スクリュープロファイルの各円弧は、明確な関数によって、その円弧に属する縦断面の一部を計算するために使用されるのが好ましい。スクリュープロファイルの円弧の点の距離sを計算するために、第1段階では、直線gの交点(Sx,Sy)は、前記直線がスクリュープロファイルの平面内に位置し、スクリュープロファイルの回転点を通過することを特徴とし、この直線の向きは、その半径rと中心点(Mx,My)により特徴づけられる円弧kbにより決定される角度φで与えられる。第2段階では、スクリュープロファイルの回転点から交点(Sx,Sy)の距離が計算される。円弧と直線との交点の計算を、明確な関数で表すことができる。同じことは、距離の計算に適用される。したがって、距離についてs=s(φ,r,Mx,My)が真になる。スクリューエレメントの既知のピッチtを用いて、角度φをφ/2π*tによって軸線位置z_axに変換することができ、このため、距離についてs=s(z_ax,r,Mx,My)=s(φ/2π*t,r,Mx,My)が真になる。関数s(z_ax,r,Mx,My)は、スクリュープロファイルの円弧について求められる縦断面を記述している。
本発明の主題は、多軸スクリュー機械での本発明によるスクリューエレメントの使用をさらに含む。本発明によるスクリューエレメントは、2軸スクリュー機械で使用されるのが好ましい。多軸スクリュー機械では、スクリューエレメントは、ニーディング、搬送、または混合エレメントの形であってもよい。スクリュー機械において、ニーディング、搬送、および混合エレメントを互いに組み合わせることが、同様に可能である。また、本発明によるスクリューエレメントは、例えば、先行技術により既知の他のスクリューエレメントと組み合わせることもできる。
同一方向に対になった多軸スクリュー機械および対になった完全ワイピングスクリュー軸において、本発明によるスクリューエレメントは、その全周にわたって延伸するチャネルを形成する。この場合には、チャネルは、交互に増減するチャネル幅を有する。このようなチャネルは、ここでは、収束発散チャネルと称される。この収束発散チャネルでは、動作時に、せん断流と延伸流の組み合わせが、その全長にわたって発生し、これは非常に良好な分散効果がある。エネルギー入力は、先行技術により既知の従来のスクリューエレメントと比較して低減される。偏心配置された円形ディスクは、同様に、収束発散チャネルを形成する。ただし、本発明によるスクリューエレメントは、偏心配置された円形ディスクよりも、非常に狭いギャップが存在する、より小さな円周領域を有する。したがって、多軸スクリュー機械で本発明によるスクリューエレメントを用いた場合のエネルギー入力は、偏心配置された円形ディスクを使用した場合と比較して低減される。スクリューエレメントのプロファイルは、バレル内径の中心に位置する回転点に対して対に変位されるのが好ましい。
本発明によるスクリューエレメントは、例えば、懸濁液、ペースト、ガラス、セラミック組成物、溶融形態での金属、プラスチック、ポリマー溶融物、ポリマー溶液、エラストマ、およびゴム組成物である、プラスチックおよび粘弾性組成物を押出成形するのに適している。
プラスチック組成物は、変形可能な組成物を意味すると理解される。プラスチック組成物の例は、ポリマー溶融物、特に、熱可塑性プラスチック、ならびにエラストマ、ポリマー溶融物の混合物、または固体、液体、もしくは気体でのポリマー溶融物の分散体である。
熱可塑性ポリマー、またはポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、特にポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ならびにポリエーテル、熱可塑性ポリウレタン、ポリアセタール、フッ素重合体、特にポリビニリデンフルオリド、ならびにポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、特にポリエチレンやポリプロピレン、ならびにポリイミド、ポリアクリル、特にポリ(メチル)メタクリレート、ならびにポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、スチレンポリマー、特にポリスチレンや、スチレン共重合体、特にスチレンアクリロニトリル共重合体や、アクリロニトリルブタジエンスチレンブロック共重合体ならびにポリ塩化ビニル、などの一連のポリマーの混合物が使用されるのが好ましい。記載されたプラスチックのいわゆるブレンドが使用されるのが同様に好ましく、これらは、2つ以上のプラスチックの組み合わせとして当業者に理解されている。
粘弾性組成物は、時間、温度、および振動数に依存する弾性を有するこれらの物質や混合物を意味すると理解される。粘弾性は、部分的に弾性であること、部分的に粘性挙動があることによって区別される。材料は、外力を除去した後に単に不完全に緩和され、残りのエネルギーは、フロープロセスの形態で消費される(リターデーション)。
粘弾性材料の例としては、スチレンブタジエンゴム、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブタジエンアクリロニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ブチルゴム、ハロブチルゴム、クロロプレンゴム、エチレンビニルアセテートゴム、ポリウレタンゴム、熱可塑性ポリウレタン、ガッタパーチャ、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴム、硫化ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴムが挙げられる。記載されたゴムの2以上の組み合わせや1つまたは複数のプラスチックを有する1つまたは複数のゴムの組み合わせも、もちろん可能である。
押出成形されるプラスチックまたは粘弾性ポリマーは、純粋な形態で、または充填剤および特にガラス繊維などの補強材の混合物として使用することができ、この混合物は、互いの混合物もしくは他のポリマーとの混合物または慣例のポリマー添加剤との混合物などである。
添加剤を、ポリマーと一緒に固体、液体または溶液として押出機に導入することができ、あるいは、少なくともいくつかの添加剤またはすべての添加剤が、副流を介して押出機に供給される。
添加剤は、ポリマーにさまざまな特性を与えることができる。これらは、例えば、可塑剤、着色剤、顔料、加工助剤、充填剤、酸化防止剤、補強材、紫外線吸収剤および光安定剤、エキステンダー油、金属不活性化剤、過酸化物スカベンジャ、塩基性の安定化剤、核化剤、安定剤または酸化防止剤としてのベンゾフランおよびインドリノンアクティブ、離型剤、難燃添加剤、帯電防止剤、色素製剤、および溶融体の安定剤であってもよい。充填剤および補強材の例は、カーボンブラック、ガラス繊維、粘土、雲母、グラファイト繊維、二酸化チタン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、イオン液体および天然繊維が挙げられる。
上述のように、本発明によるスクリューエレメントは、粘弾性組成物の押出成形に特に適している。これらのエレメントを用いて実行することができる方法のステップは、例えば、固体または液体または気体の混合または分散である。固体は、例えば、上述した固体の添加剤であってもよい。液体は、例えば、上述した液状の添加剤だけでなく、例えば水であってもよい。気体は、例えば、窒素または二酸化炭素であってもよい。本発明の主題は、したがって、本発明によるスクリューエレメントを使用して、2軸または多軸押出機で粘弾性組成物を押出成形するための方法も含む。
本発明は、好ましい例示的な実施形態に基づいて添付の図面を参照して以下に例として説明され、以下に提示されている特徴は、個々の場合および組み合わせの両方で、本発明の態様を表すことが可能である。
本発明の例示的な実施形態による多軸スクリュー機械における、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル曲線を示す図である。 本発明の別の例示的な実施形態による多軸スクリュー機械における、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル曲線を示す図である。 図2の例示的な実施形態の修正形態による多軸スクリュー機械における、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル曲線を示す図である。
実用的な理由のために、さらなる説明は、原点がスクリューエレメントの回転点Cによって形成されたデカルト座標系に基づくものとする。デカルト座標系のx軸は点Pを通過し、y軸は回転点Cでx軸に垂直である。このような座標系は、図1に示されている。
異なる押出機のサイズへの変換を容易にするために、無次元特性値を使用することが望ましい。例えば長さや半径のような幾何学的変数のための基準値は、中心線距離Aが適当であり、なぜなら、この値を押出機によって変更することができないからである。
座標xおよびyが、軸の一方の回転点にその原点を有するという規則が、図面に適用されている。指定角度はすべてラジアン測定値で与えられている。他のすべての仕様は、中心線距離に正規化され、A=a/a;R=r/a;RA=ra/a;RJ=ri/a;T=t/aなどの大文字で表される。MxおよびMyはプロファイル生成円弧の円の中心点のxおよびy座標であり、Rは中心線距離aに正規化された半径であり、αは円弧の角度である。また、RG=正規化されたバレル半径、RV=正規化された実質的なバレル半径、RA=完全ワイピングプロファイルの正規化された外半径、RF=作製されるスクリューの正規化された外半径、S=互いに対するスクリューの正規化されたクリアランス(ギャップ)、D=バレルに対するスクリューの正規化されたクリアランス、VPR=プロファイル変位の正規化された量、VPW=ラジアン測定でのプロファイル変位の角度、VLR=左側の軸の変位の正規化された量、VLW=左側の軸の変位の角度、VRR=右側の軸の変位の正規化された量、VRW=右側の軸の変位の角度、である。
図1に示すのは、本発明による2つの完全ワイピングの2条フライトのスクリューエレメント10,10’の断面であり、これらは互いから距離Aに配置され、それぞれ生成プロファイル11および被生成プロファイル11’を有している。CおよびC’で特定される点が、プロファイル11,11’の回転点またはスクリューエレメントが配置されている軸の回転軸W,W’を示している。生成スクリューエレメント10の回転点Cは、対応する(被生成)スクリューエレメント10’の回転点C’から距離Aに配置されている。この図および他のすべての図において、座標原点は、軸Wの回転点Cを示している。スクリューエレメント10のコア半径RIを有する円(内円)および外半径RAを有する円(外円)を、回転点Cの周りに描画することができる。内円と外円は、円形リングを形成している。外半径RAを用いて、プロファイルの周りに円を描画することができる。バレル内径12は、クリアランスDの分だけ外半径RAに対して増加される半径RGを有する同心円で表現される(すなわち、RG=RA+D)。
スクリューエレメント10は、フライトの数Z=2、およびいくつかの円弧で形成された凸状のプロファイル曲線11を有している。プロファイル曲線11を2・Z個に分割することができ、すなわち、4つのプロファイルの部分になり、これを、プロファイルの対称軸でミラーリングする軸により相互に移動させることができる。このようにして、スクリューエレメント10のプロファイル11を、360°/(2・Z)のセグメントでのプロファイル部分によって完全に画定することができ、すなわち、プロファイルの対称の2軸間が90°である。図1に示した生成プロファイル11は、x軸およびy軸に関して軸対称であるため、全体のプロファイル11は、x軸およびy軸で点Pと点Pとの間の4分の1をミラーリングすることによって得られることになる。点Pと点Pとの間のプロファイル部分のすべての点、および結果として得られるスクリューエレメント10の全体のプロファイル11は、コア半径RIと外半径RAとの間の円形リング内にある。プロファイル11は、90°のセグメントでのプロファイル部分内に単一の点Pのみが存在するということによって区別され、この点Pは、スクリューエレメント10の外半径RAに対応する回転点Cから離れている。別の言い方をすると、外半径RA(外円)を有する回転点Cを中心とする円上に位置するプロファイル部分に、単一の点Pのみが存在する。点CとPを通る直線(すなわち、x軸)上および点CとPを通る直線(すなわち、y軸)上に、点PとPとの間のプロファイル部分を連続的にミラーリングすることにより、(生成)スクリューエレメント10の全体のプロファイル11を構成することができる。対応する(被生成)スクリューエレメント10’のプロファイル11’は、その後、90°の角度だけスクリューエレメント10のプロファイル11を回転させることによって得られる。
点Pと点Pとの間のプロファイル部分を作製するために、点Pは、接合線C−P上にある半径R<RAと中心点Mを有する第1の円弧1の始点を特定する。点Pは外円上に位置している。点Pは、半径R=A−Rを有する円弧3の始点を特定する。その中心点Mは、直線C−P上に位置している。円弧2が円弧3に接線方向に合流するが円弧1との角度θでキンク位置Kを形成するような方法で、円弧1と円弧3との間に、半径R=Aと中心点Mを有する円弧2が隣接し、キンク位置Kは、プロファイル曲線11の傾斜部に幾何学的な不連続部を表す。この角度θは、140°と180°との間の範囲にあるのが好ましい。
ここで図2を参照すると、本発明による2つの完全ワイピングの2条フライトのスクリューエレメント10,10’の断面が示されており、これらは互いから距離Aに配置され、ここでは、プロファイル部分をミラーリングする軸により一致させることができないが、プロファイル部分は、回転点C,C’に関して点対称である。このため、全体のスクリュープロファイル11,11’は、回転点CまたはC’の半体をミラーリングすることによって得られる。この結果、スクリューエレメント10,10’は、生成プロファイルと被生成プロファイルの形で、同じ点対称のスクリュープロファイル11,11’を有する。右側のスクリューエレメント10’は、左側のスクリューエレメント10に対して90°回転している。示されている各スクリュープロファイル11,11’は、2つの対称なプロファイル部分から構成され、これらの部分の変化部に、矢印で特定されるキンクK,K’が存在する。
プロファイル部分を作製するために、点Pは、接合線C−P上にある半径R<RAと中心点Mを有する第1の円弧1の始点を特定することができる。点Pは外円上に位置している。点Pは、接合線C−P上にある半径Rと中心点Mを有する円弧2の始点を特定する。円弧1,2が互いに角度θで交わりキンク位置Kを形成するような方法で、円弧2が円弧1に隣接し、このキンク位置Kは、プロファイル曲線11の傾斜部に幾何学的な不連続部を表す。この角度θは、140°と180°との間にあるのが好ましい。また、点Pは、同じく直線C−P上にある半径R=A−Rと中心点Mを有する円弧3の始点を特定し、円弧2は円弧3に接線方向に合流している。円弧3は、さらに、半径R=Aと中心点Mを有する円弧4に接線方向に合流し、プロファイル曲線11の半体は、外円上の対向する点Pに関して最終的な円弧5によって補完されている。円弧5は、直線P−C上にある半径R=A−Rおよび中心点Mを有し、円弧4から点Pに接線方向に延びている。
点P−P間を延び、一連の円弧1−2−3−4−5によって形成されているプロファイル曲線11の上半体は、回転点Cでもう片方の半体をミラーリングする点によって生成することができるプロファイル曲線11の下半体に対応している。ただし、この例示的な実施形態におけるスクリュープロファイル11,11’を、2つの連続微分可能な半体を含むプロファイル曲線として推測することができ、この2つの半体はそれぞれ、a)相互に接線方向に合流する一連の円弧2−3−4−5−1、を含み、それぞれのキンク位置K,K’で交わる。すなわち、キンク位置K,K’を、それぞれのプロファイル部分の終点と見なすこともできる。図2の被生成スクリュープロファイル11’のキンク位置K’と回転点C’を通る破線に基づいて、これを十分に推測することができる。このように、各プロファイル部分は、相互に接線方向に合流し、かつ2つのキンク位置K,K’間の連続微分可能曲線を形成する複数の円弧1〜5で構成され得る。キンク位置K,K’で、それぞれの円弧は、隣接するプロファイル部分に接線方向に合流しないが、互いに角度θを成す。
本発明によるスクリューエレメントのさらなる実施形態は、図3に例として示されている。図3は、多少異なる寸法を有する図2の例示的な実施形態の修正形態であるが、原理的には、5つの円弧1〜5と2つキンク位置K,K’を有する同じ点対称構造を有している。
スクリュー機械もしくは2軸スクリューのためのスクリューエレメントまたは多軸押出機は、通常、バレル内に取り付けられている。この場合、スクリューエレメントおよびバレルは、対になって隣接するスクリューエレメントのワイピングだけが、スクリューエレメントの回転によってもたらされるような方法で構成されるが、スクリューエレメントの回転の結果としてバレルの内壁もクリーニングされる。これまでは、完全ワイピングスクリューのプロファイルのみが議論されてきた。ただし、技術的に構成された機械の場合には、正確に画定されたギャップSおよびDがクリーニング中に維持される条件で、完全ワイピング形状から逸脱する必要があり、ここでの用語「クリーニング」は、本発明の文脈において「ワイピング」と同義で使用されている。製造公差を補償し、ギャップでの過剰なエネルギー消費を回避するために、金属の「焼き付き」を防止する必要がある。
例えば、刊行物[1]の27〜30ページに示されるように、スクリューエレメントおよびバレルを備えた構成は、常にクリアランスとして知られているものを実際に有する。当業者に既知のように、スクリューとバレルとの間およびスクリューとスクリューとの間のクリアランスは、異なるサイズであっても同じサイズであってもよい。スクリューとバレルとの間のクリアランスは“δ”で示され、スクリューとスクリューとの間のクリアランスは“s”で示されている。また、クリアランスは、指定された制限内で、一定であっても可変であってもよい。クリアランス内のスクリュープロファイルを変位させることも可能である。その結果、存在するクリアランスの都合上、厳密ではないが実際に使用されるスクリューエレメントは、互いに平行に配置された軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、少なくとも1つの点で互いに接触しているという特性を有している。ただし、[1]に記載したように、実際にスクリューエレメントを製造するために、完全ワイピングの輪郭(プロファイル)が、通常は基礎として適用され、その後、クリアランスが導入される。したがって、本発明によれば、互いに平行に配置された軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、常に少なくとも1つの点で互いに接触しているスクリューエレメントが、最初に実質的に作製されることが好適である。これらの好適な実質的な形状に基づいて、クリアランスが設けられることにより、実際に使用されるスクリューエレメントの「焼き付き」、すなわち、スクリューエレメントが互いに擦れ合うと同時にその表面を破壊することを防ぐ。
所定の完全ワイピングスクリューのプロファイルからクリアランスを有するスクリュープロファイルを導出するための方法は、当業者に知られている。この既知の方法は、例えば、[1]の28ページ以下に記載の、中心線距離の増加、等距離の縦断面、および等距離の空間が可能である。中心線距離を増加させる場合には、より小さな直径のスクリュープロファイルが構築され、スクリュー間のクリアランスの分だけ離さられる。縦断面を等距離にする方法の場合には、縦断面のプロファイル曲線(各エレメントの回転軸に平行)が、回転軸方向に、スクリュー間のクリアランスの半分だけ、プロファイル曲線に内向きに垂直に変位される。空間を等距離にする方法の場合には、スクリューエレメントが互いにクリーニングする空間曲線から始まって、スクリューエレメントは、完全ワイピングプロファイルの表面に垂直な方向に、スクリュー間のクリアランスの半分だけサイズが縮小される。また、バレルワイピングを保持し、対になってワイピングしている間に、バレル内のスクリューエレメントが偏心位置決めされることは、押出技術の当業者に知られている(例えば、[1]の108、246、および249ページを参照)。画定されたギャップSを有するスクリュープロファイルを作製するための規則やバレルの使用、クリアランスおよび/または偏心位置決めを、本発明によるスクリューエレメント10,10’に対応する方法で適用することができ、このスクリューエレメント10,10’は、常に、少なくとも1つの点で互いに接触しているような方法で互いに平行に配置された2つの軸線の周りを同じ方向に回転する際に、互いに擦れ合う。
図1から図3において、2条フライトのスクリューエレメント10,10’は、排他的に扱われた。ただし、同じ原理を、3つ以上のフライトを有するスクリューエレメントに適用することもできる。3条フライトのスクリューエレメントの場合の手順は、2条フライトのプロファイルの場合の手順と類似している。プロファイルの外半径はバレル半径と比較して小さくなり、プロファイルは対になって変位され、回転点はバレルに関して中心に維持される。3条フライトのプロファイルの場合、偏心的に回転するプロファイルを構築することもできる。スクリューが互いに完全にクリーニングする場合のスクリュープロファイルに、特に関心があり、ここでバレルは、3つのフライト部のうちの1つだけによってクリーニングされる。プロファイルの相互クリーニング、およびバレルのクリーニングでのギャップの作製は、2条フライトのプロファイルの場合の手順と完全に一致する方法で行われる。3条フライトのプロファイルを、連続搬送スレッドとしてまたはニーディングディスクとして、本発明に従って使用することができる。
軸対象の4条フライトのスクリューを、スクリュープロファイルの45°の部分だけ完全に画定することができる。偏心プロファイルの生成およびクリーニングでのギャップの作製は、2条フライトのおよび3条フライトのプロファイルの場合と同様に行われ、ここでは示されていない。4条フライトのプロファイルを、連続搬送スレッドとしてまたはニーディングディスクとして、同様に使用することができる。5つ以上のフライトを有する本発明によるプロファイルを、類似の方法で作製することができる。同様に、ギャップは可変であり、偏心プロファイルを、類似の方法で作製することができる。
図4は、Erdmengerプロファイル([1]の227〜228ページ)として知られている先行技術の、対になって完全にワイピングするスクリューエレメントのプロファイルを概略的に示している。キンク位置(K1〜K4)がプロファイル曲線の外半径RA上に位置することは、明らかである。このような構成により、ポリマー組成物が加熱され、分散の処理タスクに寄与することなく熱分解に寄与する可能性があるという重要な効果を有する。
驚くべきことに、プロファイル曲線に沿って連続微分可能ではないが、その外半径内に位置するキンクを有するプロファイル曲線によって断面全体にわたってプロファイルを表すことができるスクリューエレメントによって、本目的が達成されることが分かっており、プロファイルの外半径に対するスクリュープロファイルの曲率半径の比率は、0.05〜0.95である。このことは、特に、バレルをクリーニングする点Pで適用される。キンクは、プロファイル曲線の傾斜部における急激な変化の位置、または傾斜部での幾何学的な不連続部であると考えられる。また、「プロファイル曲線の外半径内」という用語は、キンクがプロファイル曲線の外半径となる位置ないが、それぞれのスクリューエレメントの回転点から、または回転軸から、プロファイル曲線の外半径よりも小さい半径となる位置にあることを意味する
既知のように(例[1]の234から237ページ参照)、搬送エレメントは、スクリュープロファイルが連続的に螺旋状に回転され、軸方向に連続しているということによって区別される。この場合には、搬送エレメントは、右回りであっても左回りであってもよい。搬送エレメントのピッチは、例えば、外径の0.1〜10倍の値をとることができ、このピッチは、スクリュープロファイルの完全な回転のために必要とされる軸方向長さを意味するものと理解される。ピッチtは、好ましくは外径の0.3〜3倍の範囲内である。実用的な理由のために、搬送エレメントの軸方向長さは、t/Zの整数倍として設定されることが好ましい。

Claims (15)

  1. 対になって同一方向に回転するスクリュー軸(W,W’)を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント(10,10’)であって、前記スクリューエレメントが、対になって完全にワイピングし、前記スクリュー軸が、2つ以上のスクリューフライトを有する前記スクリューエレメントから構成され、スクリュープロファイル(11,11’)をそれぞれのプロファイル曲線によって断面全体にわたって表すことが可能であるスクリューエレメント(10,10’)において、前記各プロファイル曲線(11,11’)が、前記プロファイル曲線に沿ってその外半径(RA,RA’)内に位置するキンク位置(K,K’)を有し、前記プロファイルの前記外半径に対する前記スクリュープロファイルの曲率半径の比率は、0.05〜0.95であることを特徴とする、スクリューエレメント(10,10’)。
  2. 連続し、閉じている、凸状の曲線である前記各プロファイル曲線が、前記少なくとも1つのキンク位置(K,K’)を除いてさらに連続微分可能である、請求項1に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  3. 前記一方のスクリューエレメント(10)の前記プロファイル(11)が、曲線
    によって形成され、前記他方のスクリューエレメント(10’)の前記プロファイル(11’)が、以下の関係(1)に従って曲線
    から形成され:
    ここで、
    前記曲線
    が、各点で、前記スクリューエレメント(10,10’)間の中心線距離a以下である曲率半径ρを有し、
    連続微分可能部分内の前記曲線
    の各点に対し、長さ1を有する正規化された法線ベクトル
    が存在し、前記それぞれの点での前記ベクトルは前記曲線
    の接線に垂直であり、湾曲の中心点の方向にある点が前記曲線
    の前記それぞれの点に属し、
    は、前記生成プロファイル(11)の回転点(C)から前記被生成プロファイル(11’)の回転点(C’)の方向に導く、長さaを有するベクトルである、
    請求項2に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  4. 前記各スクリュープロファイルまたは前記各プロファイル曲線(11,11’)が円の複数の円弧(1〜5)から構成され、前記それぞれの円弧(1〜5)が、前記少なくとも1つのキンク位置(K,K’)で互いに90°〜180°、好ましくは140°〜180°の角度(θ)を成している、請求項1〜3のいずれか一項に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  5. 前記各スクリュープロファイルまたは前記各プロファイル曲線(11,11’)が、ミラーリングする点または軸線によって相互に移動させることができるプロファイル部分に分割されることが可能である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  6. 前記各プロファイル部分が円の複数の円弧(1〜5)から構成され、前記プロファイル部分のうちの1つを形成する前記円弧(1〜5)の数が、好ましくは2〜8の範囲であり、特に好ましくは3〜6の範囲である、請求項5に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  7. 前記プロファイル部分のうちの1つが、前記プロファイル(11,11’)の外半径(RA,RA’)に位置する点(P,P’)と、前記プロファイル(11,11’)のコア半径(RI,RI’)に位置する点(P,P’)との間に延びるとともに、前記少なくとも1つのキンク位置(K,K’)を含む、請求項5または6に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  8. 前記各プロファイル部分が、2つのキンク位置(K,K’)間に連続微分可能曲線を含む、請求項5または6に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  9. 前記プロファイルの前記外半径に対する前記スクリュープロファイルの曲率半径の比率が、好ましくはバレルをクリーニングする点Pにおいて、0.2〜0.8、好ましくは0.3〜0.7、特に好ましくは0.35〜0.65である、請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリューエレメント(10,10’)。
  10. 対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント(10,10’)を製造するための方法であって、前記スクリューエレメントが、対になって完全にワイピングし、前記スクリュー軸が、2つ以上のスクリューフライトを有する前記スクリューエレメントから構成され、前記スクリュープロファイル(11,11’)を作製するために、プロファイル曲線が回転軸(C,C’)に垂直な平面内に形成され、前記プロファイル曲線が少なくとも1つのキンク位置(K,K’)または前記曲線に沿った傾斜部の不連続な位置を有し、前記キンク位置(K,K’)が前記プロファイル曲線の外半径(RA,RA’)内に位置している、方法。
  11. 対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント(10,10’)を製造するための方法であって、前記スクリューエレメントが、対になって完全にワイピングし、前記スクリュー軸が、2つ以上のスクリューフライトを有する前記スクリューエレメントから構成される、スクリューエレメント(10,10’)を製造するための方法において、前記スクリュープロファイル(11,11’)を作製するための第1段階で、プロファイル曲線が回転軸(C,C’)に垂直な平面内に形成され、前記プロファイル曲線が少なくとも1つのキンク位置(K,K’)または前記曲線に沿った傾斜部の不連続な位置を有し、前記キンク位置(K,K’)が前記プロファイル曲線の外半径(RA,RA’)内に位置し、第2段階で、クリアランスが導入されることを特徴とする、方法。
  12. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の、または請求項10もしくは11に記載の方法で製造されたスクリューエレメント(10,10’)の、スクリュー機械における使用。
  13. 全周にわたって一定のギャップを伴い対になってクリーニングする前記スクリューエレメント(10,10’)、または前記全周にわたって一定ではないギャップを伴い対になってクリーニングする前記スクリューエレメント(10,10’)の、請求項12に記載の使用。
  14. 対になって同一方向に回転するスクリュー軸(W,W’)を有する、特に押出機におけるスクリュー機械であって、前記スクリュー軸が、請求項1〜9のいずれか一項に記載の、または請求項10もしくは11に記載の方法で製造されたスクリューエレメント(10,10’)を有する、スクリュー機械。
  15. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の、もしくは請求項13または14に記載の方法で製造されたスクリューエレメント、または請求項14に記載のスクリュー機械が使用されることを特徴とする、プラスチック組成物を押出成形するための方法。
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