JP2901336B2 - 横型二軸混練機 - Google Patents

横型二軸混練機

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  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ゴムの混練等に使用する横型二軸混練
機、特にロータ羽根の断面形状に特徴がある横型二軸混
練機に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、ゴムの混練、コンパンドの添加等の操作にはイ
ンテンシブミキサー(バンバリー型)や、羽根の断面形
状が凸レンズ状又はおむすび状であるロータを設けた横
型二軸密閉型のニーダーが使用されている。
そして、ロータ羽根によるゴムの混練作用については
ゴム混練機の中で代表的な前記バンバリーミキサーを中
心として確認されているが、ロータ羽根によるゴムの混
練作用にロータ羽根の断面形状、寸法等、ロータ羽根の
断面形状の各要因(チップクリアランス、ランド幅、先
端前方の食込み角等)がどのように関わるかは明らかに
なっていなかった。
また、ロータ羽根の断面形状が変わると2本のロータ
に挟まれたラム下とブリッジ上の領域でのゴムの混練挙
動がどのように変化するかという観点からの検討はほと
んどなされておらず、このような装置断面の二次元的に
混練挙動よりも、装置全体にわたる三次元的な混練挙動
について検討されてきた。これは、一つの羽根形状でも
回転軸方向に捩じれており、しかも、密閉混合機の二本
のロータは1:1.2前後の回転比で運転されているために
位相差が回転と共に変化するので、ラム下とブリッジ上
の領域での混練挙動は一回転毎に異なり非常に複雑にな
っていることによる。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来、バンバリーミキサーに代表される横型二軸密閉
型のニーダーでは、第10図に示すような位相差になるの
はロータ羽根の1回転当たり1回しかなく、内容物のロ
ータ間受渡し回数が少ない。また、第12図に示すような
羽根の断面形状であり、ロータ羽根先端後方の掻取り角
が小さくてロータ羽根先端後方の混合室内周壁面との間
隔が狭いため、ロータ羽根先端の後方で内容物の剥がれ
に有効な大きい負圧が発生するにもかかわらず、内容物
の移動・混合空間部が小さいから、実際には混合室内周
壁面から付着内容物が剥がれ難く、混合性が非常に悪
い。従って、混合が遅くて性能が悪いという不都合を免
れなかった。
また、ロータ羽根の断面形状をレンズ状とした横型二
軸密閉型のニーダーでは、第10図に示すような位相差に
なるのはロータ羽根の1回転当たり1回しかなく、内容
物のロータ間受渡し回数が少ない。また、第11図に示す
ようにロータ羽根の後側縁が凸形状であり、ロータ羽根
先端後方の掻取り角が大きくてロータ羽根先端後方の混
合室内周壁面との間隔が広いため、ロータ羽根先端後方
に発生する負圧は小さく、しかも、前記おむすび状断面
形状のロータ羽根ほどではないにしても内容物の移動・
混合空間部は大きくないから、混合が非常に悪い。従っ
て、混合が遅くて性能が悪いという不都合を免れなかっ
た。
この発明者等は、高粘度掻取り系攪拌において、高粘
度流体を掻き取る場合、掻取り羽根先端の前後で発生す
る圧力分布を槽内の周壁面における法線応力分布の測定
により求めた結果、第8図に示すように掻取り羽根先端
前方で正圧(正の法線応力)が発生し、後方で負圧(負
の法線応力)が発生し、掻取り羽根先端後方の掻取り角
δが小さくなるほど負圧は大きくなること、及び、掻取
り羽根の消費動力は掻取り羽根先端後方の掻取り角δは
非常に大きく影響され、掻取り角45゜で最小値となるこ
とを見出した。このような知見から、ゴム混練機におい
て、第9図に示すようにロータ羽根先端前方の食込み角
γと後方の掻取り角δにより混合室内の周壁面圧力がか
なり消費動力や混合に対して影響するものであり、ロー
タ羽根先端前方の食込み角γが小さくなれば大きな正圧
が発生し、一方、ロータ羽根先端後方の掻取り角δが小
さくなれば大きな負圧が発生すると考えた。また、ロー
タ羽根先端の前後でこれだけ大きな圧力差が発生するた
め、ロータ羽根先端が回転してラム下とブリッジ上の領
域に達した時、この領域で発生する圧力は二つのロータ
羽根先端の相対的な位置(位相差)によりかなり変化す
ると考えた。そして、ロータ羽根先端の相対的な位置が
常に一定になるように2本のロータ羽根を等速で互いに
逆方向に回転させて、ロータ羽根の断面形状がゴムの混
練に及ぼす影響を検討し、ロータ羽根の改良を図ったも
のである。
即ち、この発明は前記課題を解決するためになしたも
ので、ロータ羽根後方での内容物の剥がれ及び混合を良
好ならしめると共に、2本のロータに挟まれたラム下と
ブリッジ上の領域を通して内容物のロータ羽根間受渡し
が良好に行える横型二軸混練機を提供することを目的と
する。
〔課題を解決するための手段〕
この発明の第1の横型二軸混練機は、2つの混合室を
並設し、これらの混合空間をラム下とブリッジ上の領域
を介して接続すると共に、前記2つの混合室内に夫々複
数枚のロータ羽根を装着したロータを互いに平行、か
つ、回転可能に配置し、これらのロータを互いに逆方向
に回転させて混合空間で内容物の受渡しを行うようにし
た横型二軸混練機において、各ロータ羽根の羽根形状を
回転中心に対して点対称となるように形成し、各ロータ
羽根先端後方の掻取り角を先端前方の食込み角より大き
くし、かつ食込み角を30〜40゜、掻取り角を45〜90゜と
し、ロータ羽根の後方縁に前記掻取り角で傾斜する直線
部を形成したことを特徴とする(請求項1:第1図
(A)、(B)参照)。
この発明の第2の横型二軸混練機は、2つの混合室を
並設し、これらの混合空間をラム下とブリッジ上の領域
を介して接続すると共に、前記2つの混合室内に夫々複
数のロータ羽根を装着したロータを互いに平行、かつ、
回転可能に配置し、これらのロータを互いに逆方向に回
転させて混合空間で内容物の受渡しを行うようにした横
型二軸混練機において、各ロータ羽根の羽根形状を回転
中心に対して点対称となるように形成し、各ロータ羽根
先端後方の掻取り角を先端前方の食込み角より大きく
し、かつ食込み角を30〜40゜、掻取り角を45〜90゜と
し、ロータ羽根の後方縁に凹状部をその基端における接
線の角度が前記掻取り角と一致するように形成したこと
を特徴とする(請求項2:第1図(C)参照)。
この発明の第3の横型二軸混練機は、2つの混合室を
並設し、これらの混合空間をラム下とブリッジ上の領域
を介して接続すると共に、前記2つの混合室内に夫々複
数枚のロータ羽根を装着したロータを互いに平行、か
つ、回転可能に配置し、これらのロータを互いに逆方向
に回転させて混合空間で内容物の受渡しを行うようにし
た横型二軸混練機において、各ロータ羽根の羽根形状を
回転中心に対して点対称となるように形成し、各ロータ
羽根先端後方の掻取り角を先端前方の食込み角より大き
くし、かつ食込み角を30〜40゜、掻取り角を30〜90゜と
し、ロータ羽根の後方縁に前記掻取り角で傾斜する直線
部とこの直線部に連続する凹状部を形成したことを特徴
とする(請求項3:第1図(D)参照)。
〔実 施 例〕
以下、この発明の一実施例を第1図〜第5図に沿って
説明する。
第1図(A)、(B)、(C)、(D)はロータ1に
装着したロータ羽根の異なる断面形状を示す。
第1図(A)に示すロータ羽根1Aは、羽根形状が回転
中心Oに対して点対称となるように回転中心Oを挟んで
互いに反対側に延在して形成されており、直径92mm、厚
さ19.5mmとなっている。また、その前側縁は先端から延
在する円弧部2に形成され、かつ、後側縁は先端から延
在する直線部3に形成されると共に、先端後方の掻取り
角δは前方の食込み角γより大きく、δ=64゜、γ=40
゜に形成されている。更に、ランド部4は混合室内の周
壁面と平行に、一方のランド幅3mm、他方のランド幅4mm
として形成されている。
第1図(B)に示すロータ羽根1Bは、羽根形状が回転
中心Oに対して点対称となるように回転中心Oを挟んで
互いに反対側に延在して形成されており、直径96mm、厚
さ19.5mmとなっている。また、その前側縁は先端から延
在する円弧部2に形成され、かつ、後側縁は先端から延
在する直線部3に形成されると共に、先端後方の掻取り
角δは前方の食込み角γより大きく、δ=63゜、γ=38
゜に形成されている。更に、ランド部4は混合室内の周
壁面と平行に、一方のランド幅3mm、他方のランド幅4mm
として形成されている。
第1図(C)に示すロータ羽根1Cは、羽根形状が回転
中心Oに対して点対称となるように回転中心Oを挟んで
互いに反対側に延在して形成されており、直径96mm、厚
さ19.5mmとなっている。また、その前側縁は先端から延
在する円弧部2に形成され、かつ、後側縁は先端から延
在する凹状部5に形成されると共に、先端後方の掻取り
角δは前方の食込み角γより大きく、δ=90゜、γ=35
゜に形成されている。更に、ランド部4は混合室内の周
壁面と平行に、一方のランド幅3mm、他方のランド幅4mm
として形成されている。
第1図(D)に示すロータ羽根1Dは、羽根形状が回転
中心Oに対して点対称となるように回転中心Oを挟んで
互いに反対側に延在して形成されており、直径は96mm、
厚さ19.5mmとなっている。また、その前側縁は先端から
延在する円弧部2に形成され、かつ、後側縁は先端と凹
状部4との間に直線部6(長さ20mm〜25mm程度)を介在
させて形成されると共に、先端後方の掻取り角δは前方
の食込み角γより大きく、δ=45゜、γ=35゜に形成さ
れている。更に、ランド部4は混合室内の周壁面と平行
に、一方のランド幅3mm、他方のランド幅4mmとして形成
されている。
前記の各ロータ羽根においては、 羽根先端前方の食込み角γを30゜〜40゜としたのは、
羽根前方の鎌状領域でゴムが混練され、かつ、ラム下へ
移動させるに必要な正圧が発生するようにするためであ
る。
羽根先端後方の掻取り角δを45゜〜90゜としたのは、
発生する負圧の大きさが変化してもゴムを混合室内の周
壁面から剥がせるようにするためである。
羽根の後側縁を従来のように凸状部に形成せず、直線
部3若しくは凹状部5又は凹状部5と直線部6との組合
わせに形成したのは、羽根後方の空間を大きくして一方
の羽根がラム下からブリッジ上に至るまでの間に他方の
羽根後方の空間にゴムを移動し易くするためである。
また、羽根形状が回転中心Oに対して点対称となるよ
うに羽根を回転中心Oを挟んで互いに反対側に延在させ
て形成したのは、ゴムのロータ間受渡し回数を増加させ
て、羽根の1回転当たり2回とするためである。
第2図、第3図は横型二軸混練機の二次元モデルミキ
サ及び混合室内周壁面圧力測定位置を示し、第4図、第
5図は同ミキサにおける混合室内側壁面圧力測定位置を
示す。
このミキサは、内径100mm、幅19.7mmである2つの混
合室7を並設し、これらの混合室7間をラム下とブリッ
ジ上の領域8を介して接続すると共に、前記2つの混合
室内に夫々複数枚のロータ羽根1A(1B、1C、1D)を装着
したロータ1を互いに平行、かつ、回転可能に配置し、
これらのロータ1を位相差が90゜となるように組み合わ
せて互いに逆方向に回転させ、混合室7間でゴムの受渡
しを行うようにしたものである。
一方の混合室7内の周壁面には、ロータ羽根の前後の
圧力変化を側面から測定するための圧力センサー9が1
箇所、図示の位置に取り付けられている。また、透明板
で構成した前側の側壁面には、ラム下とブリッジ上の領
域8での圧力変化を測定するための圧力センサー10が3
箇所、図示の位置に取り付けられている。
このようなミキサを使用して、羽根の回転数を10.6r.
p.m、ゴムの充填率0.7とし、かつ、ゴムにトレーサーを
入れて透明板を通して各ロータ羽根の混合挙動を観察検
討した。
第6図(A)はロータ羽根1Aを使用した場合、同図
(B)はロータ羽根1Bを使用した場合、同図(C)はロ
ータ羽根1Cを使用した場合、同図(D)はロータ羽根1D
を使用した場合の混合室6内の側壁面上におけるラム下
左側(図示実線)、ラム下右側(図示破線)及びブリッ
ジ左側(図示一点鎖線)の各位置の圧力変化を示す。縦
軸は圧力(MPa)、横軸は時間(秒)である。
第7図(A)はロータ羽根1Aを使用した場合、同図
(B)はロータ羽根1Bを使用した場合、同図(C)はロ
ータ羽根1Cを使用した場合、同図(D)はロータ羽根1D
を使用した場合の、混合室7内の周壁面上における圧力
変化を示す。縦軸は圧力(MPa)、横軸は時間(秒)で
ある。
第7図(A)、(B)、(C)、(D)から分かるよ
うに、各ロータ羽根では、いずれも混合室7内の周壁面
からのゴムの剥がれが良く、圧力は同様な変化を示し
た。
実験中、混合室7内周壁面でのゴム温度は32゜から46
゜位になり、ブリッジ部のゴム温度が一番高かった。
以上の結果から次のことが分かる。
ロータ羽根1Aはロータ羽根1Bとほぼ同じ形状である
が、羽根先端と混合室7内の周壁面とのクリアランスが
4mmと大きいため、第6図(A)に示すようにラム下左
側の圧力と右側の圧力との差、即ち、ラム下での圧力勾
配が小さく、ゴムの受渡しが少ないので、混合は良い
が、その進行がやや遅い。
しかし、ロータ羽根1Bの場合、クリアランスが2mmと
小さいので、第6図(B)に示すようにラム下での圧力
勾配がロータ羽根1Aの場合よりも大きくなる。このた
め、1回転に2回ずつ、例えば180゜や360゜において、
左側ロータ羽根の前方領域のゴムが右側ロータ羽根の後
側縁(直線部3)近傍まで押し出される。このことは、
ロータ羽根1Aの場合よりもこの領域でのトレーサーゴム
の左右への移動が大きいこと、及び、ロータ羽根1Bの後
側縁(直線部3)近傍で直線状の空隙が発生しているこ
とから伺えた。このロータ羽根1Bの場合、ロータ羽根1A
の場合よりも混合が良好で、その速度も速かった。
一方、ロータ羽根1Bの場合と同じクリアランスで、ロ
ータ羽根1Bの場合よりもゴムの受渡し量を多くする目的
で羽根の後側縁に凹状部5を設けたロータ羽根1Cの場
合、実際、トレーサーゴムの左右への移動が大きく、ま
た、移動量が多いことが分かった。しかも、180゜では
トレーサーゴムがロータ羽根の後側縁(凹状部5)とブ
リッジとの間まで押しやられ、次の270゜ではトレーサ
ーゴムの一部が左側の混合室に入り、ロータ羽根1Bの場
合と後述するロータ羽根1Dの場合よりもゴムの受渡しが
良いことが分かった。各混合室において羽根後方の周壁
面上のゴムは、羽根後方で長さ10mmほど周壁面に付着し
ているが、その後から剥がれて羽根後側縁の凹状部4に
近づき、途中から切れて次の羽根前方の鎌状領域のゴム
と混合するので、ロータ羽根1Cの場合は混合がかなり良
く、しかもその速度は速かった。
ロータ羽根1Dの場合、ロータ羽根1B、1Cの特徴を兼ね
備えた羽根であり、各混合室内の周壁面上に付着したゴ
ムの剥がれを良くするために羽根先端前方の掻取り角δ
を45゜として負圧を大きくした羽根である。ラム下とブ
リッジ上の領域8における空隙は、ロータ羽根1B、1Cの
場合と比較して少なく、ゴムの受渡しは良好であり、こ
の領域8でのトレーサーゴムの挙動はロータ羽根1Cの場
合と類似していた。
しかし、180゜と360゜での状態から羽根後側縁の直線
部6が長く、凹状部5が少ないので、次の羽根の前側縁
の影響がロータ羽根1A、1B、1Cよりも少なかった。これ
は、第6図(D)においてラム下左側圧力が高い時にブ
リッジ左側の圧力がロータ羽根1A、1B、1Cの場合よりも
低いことから分かる。
しかしながら、各混合室7内の周壁面上のゴムは羽根
後方からすぐ羽根面に平行に剥がれて切れ、次の羽根前
方の鎌状領域のゴムと混合するので、この羽根の混合も
かなり良く、その速度も速かった。
以上のように、ゴムの混合は、ミキサ内の2本のロー
タ1に挟まれたラム下とブリッジ上の領域8で2本のロ
ータ羽根間のゴム受渡しに左右されることが分かった。
この発明は、ゴムの良好な混合が図れる羽根形状とし
て、一方の混合室7内のロータ羽根により羽根先端前方
の正圧領域(鎌状領域)に存在するゴムをラム下とブリ
ッジ上の領域8に押しやった後、この領域8の圧力勾配
を利用して他方の混合室7内のロータ羽根先端後方のゴ
ム移動・混合空間部(圧力ゼロや負圧領域)に押し込む
ことにより、一方の混合室から他方の混合室へゴムの一
部をロータ羽根の回転毎に受け渡すことができる羽根形
状を見出したものである。
そして、ロータ羽根1Cとロータ羽根1Dを比較した場
合、ゴムの剥がれという点ではロータ羽根1Dの方が良
く、移動空間を利用したゴムの受渡しという点ではロー
タ羽根1Cの方が良かったので、この点を考慮すれば、ロ
ータ羽根1Dにおける羽根の後側縁を形成する直線部6の
長さを20mm〜25mm程度から10mm程度に短くして凹状部5
を大きくすると共に、羽根先端後方の掻取り角δを45゜
〜90゜から30゜〜45゜に変えることによって、できるだ
けロータ羽根1Cに近づけることが考えられる。この場合
も、ロータ羽根先端後方の掻取り角δは前方の食込み角
γより大きくする。
また、ロータ羽根の断面形状の各要因の内、クリアラ
ンス、ランド幅については、ロータ羽根によるゴムの混
練作用にどのように関わるか明確ではないが、ただ、混
合室7内の周壁面圧力測定の結果(第7図参照)から、
クリアランスはロータ羽根1Aの場合だけが4mmで他のロ
ータ羽根1B、1C、1Dの場合は2mmであるにも関わらず、
圧力のピークはあまり変わらなかったので、圧力はクリ
アランスにはそれほど依存しないのではないかと考えら
れる。むしろ、ロータ羽根1Aの場合、一方のランド幅3m
m、他方のランド幅4mmとなっており、幅の広い方が大き
な圧力を呈していた。このことに、第11図に示す従来の
断面形状がレンズ状である羽根の場合、クリアランス3m
m、ランド幅6mm程度であり、周壁面圧力のピークは5MPa
で、ロータ羽根1A、1B、1C、1Dの場合の2倍程度と大き
くなっていることを併せて考えると、ランド幅は正圧領
域(鎌状領域)の圧力を上昇させるものと考えられる。
また、ロータ羽根1Cの場合、周壁面圧力のピークは同じ
クリアランスであるロータ羽根1B、1Dの場合よりも若干
高さなっているが、これは、ロータ羽根1Cのランド部が
他のロータ羽根1B、1Dのランド部とは異なり、正確には
混合室内の周壁面と平行ではなく、羽根先端前方に若干
持ち上がって傾斜していたためと考えられる。このこと
から言えば、ランド部4を羽根先端後方に若干持ち上が
って傾斜させれば負圧の発生が大きくなり、付着ゴムの
剥がれが良くなると考えられる。
〔発明の効果〕
以上の通り、この発明は、ロータ羽根先端後方の掻取
り角を先端前方の食込み角より大きくしたから、羽根の
後方に内容物の移動・混合空間部を確保できると共に、
一方の混合室のロータ羽根により該羽根先端前方の正圧
領域に存在する内容物をラム下とブリッジ上の領域に押
し、この領域の圧力勾配を利用して他方の混合室6内の
ロータ羽根先端後方の前記空間部(圧力ゼロや負圧領
域)に押し込むことができ、ロータ羽根の回転毎に混合
室間での内容物のロータ間受渡しが可能となる。このよ
うな断面形状のロータ羽根を装着したロータを軸方向に
捩じれば実装置への適用が充分可能であり、実用上有効
である。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)、(B)、(C)、(D)は異なるロータ
羽根を示す断面図である。第2図、第3図は横型二軸混
練機の二次元モデルミキサの正断面図、平面図で、混合
室内周壁面圧力測定位置を示す。第4図、第5図は同ミ
キサの正面図、平断面図で、混合室内側壁面圧力測定位
置を示す。第6図(A)、(B)、(C)、(D)は各
ロータ羽根を使した場合の混合室内の側壁面上における
ラム下左側(図示実線)、ラム下右側(図示破線)及び
ブリッジ左側(図示一点鎖線)の各位置の圧力変化を示
す線図である。また、第7図(A)、(B)、(C)、
(D)は各ロータ羽根を使用した場合の混合室内の周壁
面上における圧力変化を示す線図である。第8図は高粘
度掻取り系攪拌における掻取り羽根の掻取り状態及び該
羽根先端の前後で発生する圧力分布を示す図である。第
9図はロータ羽根先端前方の食込み角γと後方の掻取り
角δを示す図である。第10図は内容物のロータ間受渡し
が可能なロータ羽根の位相差を示す概要図である。第11
図、第12図は従来例のロータ羽根を示す断面図である。 1……ロータ、 1A、1B、1C、1D……ロータ羽根、 2……円弧部、3……直線部、4……ランド部、 5……凹状部、6……直線部、7……混合室、 8……ラム下とブリッジ上の領域、 9、10……圧力センサー.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−47107(JP,A) 特開 昭51−148860(JP,A) 特公 昭55−5974(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01F 7/00 - 7/14 B29B 7/18 - 7/22

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2つの混合室を並設し、これらの混合空間
    をラム下とブリッジ上の領域を介して接続すると共に、
    前記2つの混合室内に夫々複数枚のロータ羽根を装着し
    たロータを互いに平行、かつ、回転可能に配置し、これ
    らのローラを互いに逆方向に回転させて混合空間で内容
    物の受渡しを行うようにした横型二軸混練機において、
    各ロータ羽根の羽根形状を回転中心に対して点対称とな
    るように形成し、各ロータ羽根先端後方の掻取り角を先
    端前方の食込み角より大きくし、かつ食込み角を30〜40
    ゜、掻取り角を45〜90゜とし、ロータ羽根の後方縁に前
    記掻取り角で傾斜する直線部を形成したことを特徴とす
    る横型二軸混練機。
  2. 【請求項2】2つの混合室を並設し、これらの混合空間
    をラム下とブリッジ上の領域を介して接続すると共に、
    前記2つの混合室内に夫々複数枚のロータ羽根を装着し
    たロータを互いに平行、かつ、回転可能に配置し、これ
    らのロータを互いに逆方向に回転させて混合空間で内容
    物の受渡しを行うようにした横型二軸混練機において、
    各ロータ羽根の羽根形状を回転中心に対して点対称とな
    るように形成し、各ロータ羽根先端後方の掻取り角を先
    端前方の食込み角より大きくし、かつ食込み角を30〜40
    ゜、掻取り角を45〜90゜とし、ロータ羽根の後方縁に凹
    状部をその基端における接線の角度が前記掻取り角と一
    致するように形成したことを特徴とする横型二軸混練
    機。
  3. 【請求項3】2つの混合室を並設し、これらの混合空間
    をラム下とブリッジ上の領域を介して接続すると共に、
    前記2つの混合室内に夫々複数枚のロータ羽根を装着し
    たロータを互いに平行、かつ、回転可能に配置し、これ
    らのロータを互いに逆方向に回転させて混合空間で内容
    物の受渡しを行うようにした横型二軸混練機において、
    各ロータ羽根の羽根形状を回転中心に対して点対称とな
    るように形成し、各ロータ羽根先端後方の掻取り角を先
    端前方の食込み角より大きくし、かつ食込み角を30〜40
    ゜、掻取り角を30〜90゜とし、ロータ羽根の後方縁に前
    記掻取り角で傾斜する直線部とこの直線部に連続する凹
    状部を形成したことを特徴とする横型二軸混練機。
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