JP2912021B2 - モジュール混合要素を有する多軸スクリュー押出配合機 - Google Patents

モジュール混合要素を有する多軸スクリュー押出配合機

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、同時回転し互いにかみ合う、プラスチック
材料用の多軸スクリュー押出配合機に関する。
より詳細には、本発明は、比較的大きな翼端隙間をも
つ、非対称形体のモジュール混合要素の組を備えた同時
回転スクリューを有する、多軸スクリュー押出配合機に
関し、非対称のモジュール混合要素のこのような組は、
それぞぞれのスクリュー軸に沿った適当な軸線方向位置
に取付けられ、混練ブロック又は混練ディスクの使用が
回避されている。
発明の背景 公知のように同時回転し互いにかみ合う二軸スクリュ
ー押出配合機は、押出機が実施する一連の加工機能に応
じて、それぞれの押出軸に沿って取付けられた多数の異
なる要素を利用している。
一般に、このような押出機のスクリューは、プラスチ
ック材料と添加剤を受け入れ、かつ、プラスチック材料
を添加剤を含む熱的に均質な配合溶融体に変えるべく押
出機の特別の部分に搬送するように設計された多数の搬
送用（前方移送用）のスクリュー要素を有している。押
出機のこの特別の部分は普通、添加剤を含むプラスチッ
ク材料に単位容積当たり高エネルギを加えるように設計
された、通常はブロック又はディスクの形態の、多数の
混練要素を有している。押出機のスクリューの混練要素
に加えられる回転駆動エネルギがプラスチック材料に散
逸させられて熱を発生させ、種々の添加剤をプラスチッ
ク配合溶融体に混合させる。
これらの混練要素は普通、隣接する混練要素間（ミリ
メートル以下のような微小隙間）で“効果的なスクレー
ピング”を行い、混練要素の外径とバレルの内壁との間
でも効果的なスクレーピングを行うように設計された特
別の横断面の輪郭を使用している。この微小隙間の形状
寸法の結果として、強力なエネルギが押出機の混練部分
に散逸され、局部的な大きな熱が生ずる。このような熱
エネルギを、迅速かつ継続的に除去しなければ、配合溶
融体が過熱しプラスチック材料が劣化してしまう。
混練ディスクと関連した別の問題は一般に、特に混練
ディスク先端の近傍において局部的な高圧を発生させる
能力である。このような局部的な高圧は、軸変形力を生
じさせ、スクリュー軸をバレル壁の内面の方へ押して押
出機の磨耗を加速させる。加工の観点から見ると、この
ような局部的な高圧は、予め砕かれた固体粒子を再溶融
させ凝集させ、これにより均質な配合溶融体を得るとい
う目的に反するように作用する。さらに、このような従
来の機械では、分散すなわち広範な混合を行うとき、種
々の異なる流体粒子は、大きな非均一混練剪断速度に曝
されることとなる。したがって、全ての流体粒子を均一
なレベルの剪断および／又は熱履歴に確実に曝そうとす
るには、幾度も混練剪断作用を繰り返さなければならな
い。
発明の概要 本発明は、比較的大きな隙間をもつ同一の形体のモジ
ュール混合要素を備えた、同時回転し互いにかみ合うス
クリューを有する押出配合機に具体化されるものとして
示されており、モジュール混合要素の非対称の形体が、
大きな剪断隙間を通してプラスチック材料の比較的大き
な円周方向流を駆動させるための動的な楔加圧を提供す
る。かくして、有利には、プラスチック材料の大きな円
周方向流は、大きな剪断隙間を繰り返し通過するよう
に、動的な楔加圧作用によって繰り返し駆動される。こ
のような比較的大きな剪断隙間により、プラスチック材
料は、典型的な従来技術の混練要素の使用において通常
発生するよりも、均一かつ低い温度で混合される。殆ど
のプラスチック材料において、粘度は、高温で減少す
る。したがって、このような低温により、プラスチック
材料を、従来技術の押出配合機において典型的に発生す
るよりも大きな粘度で処理することができる。低温のプ
ラスチック材料の大きな粘度のため、プラスチック材料
の剪断応力は大きく、これにより、比較的大きな隙間を
利用しているにもかかわらず、分散混合が高められる。
本発明の例示的な実施例に関する別の利点の中には、
モジュール混合要素の種々の組を使用し、これらをスク
リューの長さに沿って選択可能な位置に取付けることに
よって、押出配合機を特定のプラスチック材料および配
合される特定の添加剤に関連した最適の性能に適合させ
る際に、オペレータに所望の融通性が与えられるという
事実から生ずるという利点がある。モジュール混合要素
は、処理特性、帯域温度レベル、対のバレル内の動的楔
剪断作用の大きさと軸線方向位置を向上させ、かつ、こ
れらの動的作用をプラスチック材料および配合される添
加剤の所望の性質と合致させるように、広範な軸線方向
位置および形体において種々の組に配列され組み立てら
れる。
図面の簡単な説明 本発明、並びに、その目的、特徴、利点、及び観点
は、強調した縮尺で描くのではなく本発明の原理を明瞭
に示すように配置されている添付図面に関連して以下の
詳細な説明から明瞭に理解されるであろう。同一の参照
符号は、種々の図面全体を通して、同一の要素、同一の
成分、又は同様な形状寸法の形態を表している。
本明細書に組み込まれ、明細書の一部を構成する添付
図面は、本発明の好ましい実施例を示しており、上述の
一般的な説明および後述の好ましい実施例の詳細な説明
は、本発明の原理を説明するのに役立つ。
第１図は、比較的大きな翼端隙間をもつ非対称モジュ
ール混合要素が組み込まれ同時回転し互いにかみ合う二
軸スクリュー（第１図には、スクリューの一方のみが示
されている）を有する多軸スクリュー押出配合機の長手
方向の略側面図である。
第1A図および第1B図は、それぞれの組のモジュール混
合要素が示されている、第１図の一部の拡大図である。
第２図は、それぞれのモジュール混合要素の上流端に
近接して、第１図の面２−２、或いは第1A図の面２−２
又は第1B図の面２−２に沿って下流を見た、拡大横断面
図である。
第３図は、第２図のモジュール混合要素の別の拡大図
であって、これらのモジュール混合要素に形成された有
利な非対称の形体関係を説明するための図である。
第3A図は、別の説明をするため、第３図の上半部を示
している。
第3B図は、第３図および第3A図の上半部の別の拡大図
である。
第4A図と第4B図は、右捩れ（“RH"）を各々有する２
つの軸線方向に延びた翼を備えた非対称モジュール混合
要素の端面図と側面図である。RH捩れは、前方圧送用捩
れであって、下流圧送用捩れとも呼ばれる。第4A図は、
第4B図において矢印4A−4Aで示されるように、上流から
見た混合要素の端面図である。第4B図は、第4A図におい
て矢印4B−4Bで示されるように混合要素の側面図であ
る。
第5A図と第5B図は、２つの軸線方向に延びた翼が左捩
れ（“LH"）を各々有している点を除いて、第4A図およ
び第4B図に示したものと同様の別の非対称モジュール混
合要素の端面図と側面図である。LH捩れは、逆圧送用捩
れであって、上流圧送用捩れとも呼ばれる。第5A図は、
第5B図において矢印5A−5Aで示されるように、上流から
見た混合要素の端面図である。第5B図は、第5A図におい
て矢印5B−5Bで示されるように混合要素の側面図であ
る。
第6A図と第6B図は、第４図に示した要素の軸線方向長
さの2/3の長さを有している点を除いて、第4A図および
第4B図に示したものと同様のRH捩れの非対称モジュール
混合要素の端面図と側面図である。第6A図は、第6B図に
おいて矢印6A−6Aで示されるように、上流から見た混合
要素の端面図である。第6B図は、第6A図において矢印6B
−6Bで示されるように混合要素の側面図である。
第7A図と第7B図は、第５図に示した要素の軸線方向長
さの2/3の長さを有している点を除いて、第5A図および
第5B図に示したものと同様のLH捩れの非対称モジュール
混合要素の端面図と側面図である。第7A図は、第7B図に
おいて矢印7A−7Aで示されるように、上流から見た混合
要素の端面図である。第7B図は、第7A図において矢印7B
−7Bで示されるように混合要素の側面図である。
第８図は、第4B図、第5B図、第6B図、第7B図において
面８−８に沿った非対称モジュール混合要素の横断面輪
郭図である。モジュール混合要素のこの輪郭図は、（ハ
ッチングで示した）“二軸スクリューの理想的なセルフ
ワイピングの輪郭”に重ねて示されている。このような
“二軸スクリューの理想的なセルフワイピングの輪郭”
は、スクリューが同時回転する対のスクリューと連続的
にワイピング接触状態のままであり且つ押出機ハウジン
グの円筒形のバレル壁内面とも連続的にワイピング接触
状態のままである、同時回転し互いにかみ合う二軸スク
リュー押出機において利用することができるセルフワイ
ピングの輪郭の最大領域である。第８図における輪郭の
比較は、これらの非対称モジュール混合要素のまわりに
形成される比較的大きな隙間を強調するのに役立つ。
好ましい実施例の説明 第１図、第２図、第３図、及び第3A図は、互いにかみ
合い同時回転する対になったスクリュー21、22を有する
多軸スクリュー押出配合機20を示している。第１図は側
面図であるので、一方のスクリュー21のみが図示されて
いる。配合機20を通る下流方向が、矢印23によって示さ
れている。配合機20において、スクリュー21、22のため
のハウジング24が、複数のバレルセグメント26−１〜26
−９を備えており、これらのバレルセグメントは、公知
の適当な分離可能な締結手段によって、軸線方向に整列
した位置で取り外し可能に相互に連結されている。
第１のバレルセグメント26−１は、矢印27で示される
処理すべき適当な材料をハウジングに供給するための入
口開口25を有するものとして示されている。第１図の左
側に示されるハウジング24の上流端のところに、適当な
駆動機構28が示されており、スクリュー21、22を同じ速
度で同じ方向に回転させるように両方のスクリューのそ
れぞれの丸い軸30（第２図）との破線29で示される機械
的連結が設けられている。このような駆動機構28、及
び、適当なスラスト軸受を備えた機械的連結29は、公知
である。例えば、スクリュー21、22の各軸線31、33を中
心とした回転の方向は、スクリューの軸線31、32に沿っ
て下流方向に見たとき、矢印34′で示されるように、反
時計回りである。軸線方向31、32に沿って下流方向に見
たときに見られるような、矢印34′で示される反時計回
りの回転は、軸線31、32に沿って上流方向に見たときに
見られるような、34で示される時計回りの回転と同じ回
転方向である。
第７のバレルセグメント26−７は、矢印37で示される
揮発分を解放するためのガス抜き口36を有するものとし
て示されている。第９のバレルセグメント26−９は、ハ
ウジング24の下流端に、ハウジングの出口開口38を形成
しており、出口開口38から、矢印39で示される配合され
た押出物が出る。スクリュー21の軸30の下流側の先端33
が、第１図の右側に示されている。通常、出口開口38に
は適当なダイ（図示せず）が取付けられ、押出物39は、
このようなダイを通って配合機20から出る。
丸いスクリュー軸30は各々、それぞれの軸線31、32と
平行な軸の長手方向に延びた１又はそれより多くのキー
溝40（第２図）を有しており、キー溝は、軸に取付けら
れた要素の対応するキー溝44に係合するキー42を受け入
れ、各スクリュー軸30とスクリュー軸に取り外し可能に
取付けられた要素との確実な回転駆動連結を提供する。
入口開口25の領域において（第１図）、各スクリュー2
1、22は、それぞれの軸に両端を突き合わせて取付けら
れキー止めされた、かみ合い、同時回転する複数の搬送
スクリュー要素45、46を有している。搬送スクリュー要
素46は、搬送スクリュー要素45よりも長く、要素46の螺
旋ねじ山は、供給された材料27を入口開口25から下流に
迅速に搬送するため、要素47の螺旋ねじ山よりも比率的
にみて長いリードを有している。搬送スクリュー要素4
5、46は各々、２つの螺旋ねじ山47、49をそれぞれ有す
るものとして示されている。このような螺旋ねじ山は各
々、それぞれのスクリューの軸線31、32のまわりに１回
転、即ち、360゜、延びている。
各搬送スクリュー要素45の螺旋ねじ山47が一回転の形
体を有しているので、搬送スクリュー要素が第１図に示
されるように両端を突き合わせた状態でスクリュー軸30
に連続して取付けられてキー止めされたとき、隣接して
組み立てられた搬送スクリュー要素45、46の全ての軸線
方向長さ全体にわたって延びた、途切れていない螺旋ね
じ山が得られる。
供給材料27は、適当なプラスチック材料と、配合機20
内で配合され混合される適当な添加剤とを含んでいる。
各スクリュー21、22の搬送スクリュー要素45、46は、処
理すべき供給材料27を、それぞれの軸30に両端を突き合
わせて取付けられたモジュール混合要素51、52の第１の
組50−１に搬送する。このような混合要素の組は、LH−
捩じれ非対称モジュール混合要素52と隣接し、この要素
52のすぐ上流に位置決めされた、RH−捩じれ非対称モジ
ュール混合要素51を有している。第1A図に最も明瞭に示
されるように、モジュール混合要素51のすぐ上流に位置
決めされた搬送スクリュー要素45の２つの螺旋ねじ山47
は、モジュール混合要素51の翼62（第２図、第4A図、第
4B図）のそれぞれの翼端60（第２図、第4A図、第4B図）
と整列している。かくして、モジュール混合要素51の２
つの翼端60は、２つの螺旋ねじ山47の下流側の連続部を
効果的に形成するが、翼端60の捩れ角およびリードは、
ねじ山47の捩れ角およびリードと相違する。換言する
と、それぞれの螺旋ねじ山47がそれぞれの翼端60と出合
う接合部のところで、螺旋捩れが急激に変化（減少）す
る。
それぞれのスクリュー21、22の第１の混合組50−１の
下流側に、別の混合組50−２が設けられており（第1B
図）、混合組50−２は、非対称モジュール混合要素53、
54を有するものとして第6A図、第6B図と第7A図、第7B図
にそれぞれ示されている。混合組50−１と混合組50−２
との間には、複数の隣接して連続的に組み立てられた搬
送スクリュー要素45が設けられており、これらの搬送ス
クリュー要素45は、それぞれの軸30に取付けられてキー
止めされている。４つの搬送スクリュー要素45、及びそ
れぞれの軸線31、32のまわりに螺旋ねじ山47が1/2回転
（即ち、180゜）延びている短い搬送スクリュー要素48
が、示されている。第1A図に最も明瞭に示されるよう
に、モジュール混合要素52のすぐ下流に位置決めされた
搬送スクリュー要素45の２つの螺旋ねじ山47は、混合要
素52の２つの翼64（第5A図、第5B図）の翼端60と整列し
ている。かくして、この下流の隣接する搬送スクリュー
要素45の２つの螺旋ねじ山は、混合要素52の翼64の２つ
の翼端60の下流側の連続部を効果的に形成するが、下流
の搬送用の螺旋ねじ山47と上流の圧送用の翼64の翼端60
の接合部のところで、螺旋捩れが急に逆転する。
短い搬送スクリュー要素48の２つの螺旋ねじ山47は、
モジュール混合要素53の翼66（第２図、第6A図、第6B
図）の翼端60と整列しており、従って、これらの翼端
は、螺旋ねじ山47の下流側の連続部を効果的に形成する
が、これらの螺旋ねじ山と隣接する下流の翼端60との接
合部のところで、螺旋捩れが急に変化（減少）する。
第２の混合組50−２と押出機の出口38との間に、搬送
スクリュー要素の最終列が設けられており、搬送スクリ
ュー要素の最終列は、順に、２つのスクリュー要素45
と、螺旋ピッチが小さくリードが長いねじ山49をもち、
ベント36に近接して配置された、２つの長いスクリュー
要素46と、７以上のスクリュー要素45とを備えている。
この最終列の７つのスクリュー要素45は、出口開口38の
ところでダイ（図示せず）から押出物39を排出する圧力
を形成するのに役立つ。長いリードをもつ長いスクリュ
ー要素46は通常、揮発分37の解放を容易にするため、ガ
ス抜き口36付近でのバレルの完全な充填を阻止するため
に、下流の搬送の速度を増大させる。軸端33は各々、そ
れぞれの軸30に取付けられた一連の組み立てられた要素
45、46、51、52、45、48、53、54、45、46、45を捕捉し
保持してスクリュー21、22を形成するため、軸端に螺合
されるワッシャ付きリテーナナットのような適当な締結
手段を有している。
各スクリュー21、22において、第２の混合組50−２の
モジュール混合要素54のすぐ下流に位置決めされた搬送
スクリュー要素45の２つの螺旋ねじ山47は、第1B図に最
も明瞭に示されるように、翼68の翼端60の下流の連続部
を効果的に形成するこの混合要素の翼68（第7A図、第7B
図）の翼端60と整列している。下流の搬送スクリューの
ねじ山47がモジュール混合要素54の上流の圧送用の翼端
60と出合う接合部のところで、螺旋捩れが急に逆転す
る。
種々の非対称モジュール混合要素51、52、53、54の特
徴を説明するために、以下のように定義した用語を使用
するのが便利である。ここで使用される用語、寸法、係
数、及び比率は、以下のような意味を有することを意図
している。
“水平”、“垂直”、“頂部”、“底部、”、
“上”、“下”、“上方”、及び“下方”は、各図面が
普通の立てた向きに配置されていると仮定して、各図面
を参照して示される成分、要素、部分、或いは方向を便
利かつ明瞭に表示するのに使用される用語である。配合
機20の作動の際、配合機の成分、要素、部分、或いは方
向が移動したり或いは図示したものとは異なる配向又は
角度位置に回転することがあるので、これらの用語は、
限定することを意図していないことを理解すべきであ
る。
“材料”は、単一と複数の両方を含むことを意図して
いる。
“プラスチック材料”は、押出配合機20内で配合され
る適当な添加剤を含んでいても良い適当なプラスチック
材料を含むことを意図している。
“キー溝”、“キー”、及び“キー止め”は、回転駆
動軸とこの軸に取り外し可能に取付けられ、軸によって
回転駆動される搬送スクリュー要素又は非対称モジュー
ル混合要素との確実な回転駆動関係を提供するための、
例えばスプラインのような他の等価手段を含むように広
範に解釈されることを意図している。
以下の記号は、それぞれ記載したような意味を有して
いる。
D :バレル壁内径（ID）（バレルボア径又はバレル内
径ともいう） δ :翼端隙間 e :第３図、第3A図、第3B図における円周方向の翼端
幅 φ :翼端幅角度 φ1:円周方向における前側翼端幅角 φ2:円周方向における後側翼端幅角 RB :バレル内側半径 R0 :翼端半径 x0 :基部の半分幅 R1 :前面半径 x1 :翼と直交する、前面中心点の座標 y1 :基部と直交する、前面中心点の座標 α :前面楔角 R2 :後面半径 x2 :翼と直交する、後面中心点の座標 y2 :基部と直交する、後面中心点の座標 β :後面楔角 後述する式における直線距離は全て、バレル内側半径
RBに関連している。比率は、以下のように定義される。
ａ＝e/δ ：翼端隙間アスペクト比 ｂ＝x0/R0 :翼アスペクト比 ε＝φ1/φ：翼端対称係数 18個の無次元の幾何学的変数（距離比率が15個、角度
５個、角度比率が１個）がある。６個の変数（δ/RB、
ａ、ｂ、ε、α、β）は、主要な、即ち独立設計変数と
みなされ、特別の非対称モジュール混合要素について選
定される。他の12個の変数は、従属変数とみなされ、以
下の12の式を同時に解くことによって計算される。“at
an"は、“arctan"の省略記号である。
６個の独立変数について範囲を選定すると、従属変数
の範囲を計算することができる。６個の独立変数は任意
に選定することができず、φ≧０のようなパラメータに
よって制限され、その結果、独立変数の全てについて一
連の複雑な範囲となることに留意すべきである。さら
に、本発明によれば、種々のプラスチック材料及び配合
される添加剤を取り扱う際に押出配合機の処理特性を高
めるため、後述するように、６個の独立変数についての
好ましい範囲、より好ましい範囲、最も好ましい範囲が
存在する。
さらに第２図を参照すると、ハウジング組立体24は、
互いに交差する実質的に円筒形の内壁表面（バレルの内
面）81、82をそれぞれ備えた、２つの隣接するバレル部
分83、84を有するものとして示されている。これらの内
壁表面81、82は、第２図に横断面で示されるように、
“8"の字の形態の２つの交差する円のようにみえる。
非対称モジュール混合要素51、52、53、54は各々、軸
30に取付けるための軸線方向ボア56を有している。搬送
スクリュー要素45、46、48は、モジュール混合要素につ
いて第２図に示されるものと同様な、ボア及びキー溝
（図示せず）を有している。
非対称モジュール混合要素51、52、53、54の輪郭57
が、第３図、第3A図、第3B図に最も明瞭に示されてい
る。各モジュール混合要素51、52、53、54は、２つの非
対称翼62、64、66、68をそれぞれ有するものとして第３
図に示されている。また、第３図には、ハウジング組立
体24内の、バレル部分83、84の円筒形の内壁表面81、82
の直径Ｄが示されている。混合要素の種々の構成部品の
寸法は、このバレル内面の直径Ｄに関連して後述されて
いるが、これらの寸法は、種々の寸法の押出配合機に適
用できるようにＤに対して普遍的な項で記載されたり、
或いは、普遍的な項での記載と同様な理由のためバレル
内側半径RBの関数として表現されている。
翼62、64、66、68は各々、隅71に沿って翼端60の表面
に出合う、半径R1の凸状の前面70を有している。この凸
状の前面70は、非対称輪郭57の真っ直ぐな接線部分73
（“フラット”と呼ばれる）と、点72のところで合体す
る。第3A図に示されるように、この合体接線点72は、前
面中心点74が基線ｘの上方に配置されている。座標距離
y1と同じ距離だけ基線ｘの上方に配置されている。対の
基部の半分幅x0が、基線ｘに沿って軸線31、32の両側に
位置している。
翼62、64、66、68は各々、隅77に沿って翼端60の表面
に出合う半径R2の凸状の後面76を有している。後面の半
径R2は、後述する理由のため、前面の半径R1よりも常に
大きいのが好ましい。後面の半径R2の中心点78が、基線
ｘの上方に僅かな座標距離y2間隔を隔てている。前面中
心点74に関する座標距離x1と後面中心点78に関する座標
距離x2は、各モジュール混合要素51、52、53、54の２つ
の非対称翼62、64、66、68の中心線（主弦）75と直交方
向に測定される。この中心線主弦75は、“中心線”と呼
ばれる。何故ならば、中心線主弦75が軸線31、32を通っ
て延びているからである。座標x2は常に座標x1よりも大
きく、座標y2は常に座標y1よりも小さい。後面中心点78
が基線Ｘより上に僅かに間隔を隔てているので、フラッ
ト73は、基線ｘを超えて僅かな距離延び、合体接線点79
のところで凸状の後面76と合体している。
非対称翼62、64、66、68の凸状の前面70とバレル内壁
の表面81、82との間の有利な楔角αを説明するために、
次に第3B図に言及しよう。第２の半径R1を参照する。第
２の半径R1は、前面中心点74から、前面70の輪郭57が翼
端60の表面と交差する隅71まで延びる線分86である。点
74から隅71まで延びる線分86が弧状の前面70の半径であ
るので、線分86は、隅71における凸状前面70との接線に
対して、隅71で直交している。軸線31、32から隅71まで
延びた線90が示されており、線90は、破線91によって、
バレル内面81、82上の点92まで延長された状態で示され
ている。この延長された線90、91が（バレル内面の軸
線、又はスクリュー組立体21、22の軸線でもある）軸線
31、32から放射状に延びているので、この延長された線
90、91は、バレル内面の半径であり、したがって、点92
におけるバレル内面との接線に対して、点92で直交して
いる。
破線93が、隅71のところで前面70に接して引かれてい
る。別の破線94が隅92のところでバレル内面81、82に接
して引かれている。接線93と接線94との間の角度αは、
前面楔角と呼ばれている。何故ならば、角度αが、直線
−曲線合体点72付近で始まり前側翼端隅71に至る、実質
的に一定かつ均一な楔作用を提供するからである。それ
ぞれの接線93、94と直交しているので、第3B図に示され
るように、線分86と線90との間にも、同じ前面楔角αが
構成される。幾何学的な原理によって、２つの交差する
線（接線93、94）とそれぞれ直交している線86、90は、
それらの間に、交差する線間と同じ角度を構成してい
る。
同様の理由により、後面中心点78から後側翼端点77ま
で延びた線分87が、弧状の後面76のもう１つの半径R2で
あることが分かる。それ故、線分87は、隅点77における
後面曲線との（破線で示した）接線95と直交している。
軸線31、32が隅点77まで放射状に延びた線分96が、破線
97で示されるように、バレル内径81、82上の点まで延長
されている。かくして、点98におけるバレル内面81、82
との（破線で示した）接線99は、線96、97と直交してい
る。接線95と接線97との間の角度βは、後面楔角と呼ば
れており、前面楔角αよりも常に大きい。線87と線96と
の間にも、角度αについて上述したのと同じ幾何学的原
理により、接線95と接線97とのなす角と同じ角度βが構
成される。
前面70とバレル内面81、82との間の楔帯域85（第3B
図）において楔角αによって作り出される動的楔作用に
より、配合されるプラスチック材料は、帯域85において
動的な楔状の加圧を受け、矢印88で示されるように、翼
端60のところでの比較的大きな剪断隙間δを通って、こ
のプラスチック材料の比較的大きな円周方向流れを進ま
せる。かくして、プラスチック材料の大きな円周方向流
れ88は、大きな剪断隙間δを繰り返し通過するように、
動的な楔状の加圧によって繰り返し動かされる。これら
の比較的大きな剪断隙間δのため、プラスチック材料
は、典型的な従来技術の混練要素の使用時に通常発生す
る温度よりも、より均一かつ低い温度で混合される。殆
どのプラスチック材料の粘度が高温では減少するので、
得られる低い温度により、従来の押出配合機において典
型的に生ずる粘度よりも高い粘度でプラスチック材料を
処理することができる。低温のプラスチック材料の高い
粘度のため、プラスチック材料の剪断応力は大きく、か
くして、比較的大きな隙間δが利用されるにもかかわら
ず、分散混合が高められる。
また、後面楔角βが前面楔角αよりも大きな角度とな
るように選定されているという事実のため、プラスチッ
ク材料は、後側翼端隅77を通過した後、突然の解放、即
ち円周方向流速と剪断速度の減少を受ける。隅77の通過
後の後楔解放帯域89におけるプラスチック材料の突然の
解放は、殆どプラスチック材料がバレル内面81、82から
“跳ね返った”かのように、プラスチック材料をバレル
内面81、82から実質的に分離させる。その結果、この後
楔角帯域89においてエネルギが不必要に伝えられず、こ
れによりエネルギを保存し、プラスチック材料を、対称
混練ブロック又は混練ディスクを用いたときよりも低温
に維持する。
ASTM D1238の試験法（230℃（446゜F）、ピストン重
量2.16kg）に従って測定して2.5のメルトフローインデ
ックス（MFI）を有するポリプロピレン材料について、
一連の７つの実験を行った。使用した押出配合機には、
第１図、第1A図、第1B図、第２図、第３図、第3A図、第
3B図に示されるように構成されたスクリュー組立体21、
22が組み込まれている。これらの７つの実験の結果が、
次頁の第Ｉ表のコラム１〜７に要約されている。“SEI"
は、比エネルギ入力（ポンド／時）であり、測定された
エネルギ入力を合計主流量で除すことによって計算され
る。８個の連続したバレルセグメント26−２〜26−９の
温度を、それぞれのバレルセグメントの温度に応答する
ようにバレルセグメント26−６に挿入されたセンサ100
をもつ適当な温度センサ（そのうちの１つをＴで示す）
で測定した。出口温度と出口圧力はそれぞれ、ダイから
押し出される押出物39の温度と圧力である。頭部温度
は、最後のバレルセグメント26−９の下流端のところの
出口頭部の温度である。ダイ温度は、押出物39を排出す
るダイ（図示せず）の温度である。
各コラムには、８つのバレルセグメントと頭部につい
て２つの温度が記載されている。各コラムの左側の温度
値は、設定値（目標値）であり、右側の温度値は、測定
された温度によって示されるように実際に得られた温度
である。７つの実験の全てにおいてバレルの全体長さに
沿って、比較的低く比較的均一な温度が得られた。
第4A図と第4B図は、第１図および第1A図を参照して説
明した非対称モジュール混合要素51の端面図と側面図で
ある。スクリュー軸線31、32に対して直径方向に対向し
た角度位置に配置された２つの翼62が示されている。翼
端60をもつ翼62は、要素51の軸線方向長さＬ内に90゜の
RH−捩れを有するものとして示されている。バレルセグ
メント26−３を示した第1A図を詳細に見ると分かるよう
に、軸線方向長さＬは、バレルセグメントの軸線方向長
さの1/2として示されている。２つの対向したキー溝44
と90゜の捩れのため、両端を突き合わせた接合部のとこ
ろで途切れない螺旋を形成するように翼端60を整列させ
た状態で、要素51を、多数の組および組合せをなすよう
に組み立てることができる。
第5A図と第5B図は、第１図および第1A図を参照して説
明した非対称モジュール混合要素52の端面図と側面図で
ある。混合要素52は、スクリュー軸線31、32に対して直
径方向に対向した角度位置に配置された２つの翼64を有
するものとして示されている。翼端60をもつ翼64は、軸
線方向長さＬ（バレルセグメントの軸線方向長さの1/
2）内に90゜のLH−捩れを有するものとして示されてい
る。２つの対向したキー溝44と90゜の捩れのため、両端
を突き合わせた接合部のところで途切れない螺旋を形成
するように翼端60を整列させた状態で、要素52を、多数
の組および組合せをなすように組み立てることができ
る。また、要素51と52を、上述のように、組50−１（第
１図、第1A図）に組み立てることができる。翼端は、接
合部104（第1A図）のところで整列されるが、この接合
部104のところで、尖端を形成する捩れが急に逆転す
る。
第6A図と第6B図は、第１図および第1A図に示される非
対称モジュール混合要素53の端面図と側面図である。混
合要素53は、２つの直径方向に対向した翼66を有するも
のとして示されている。翼端60をもつ翼66は2/3Lの軸線
方向長さ内に90゜のRH−捩れを有するものとして示され
ている。かくして、要素53の長さは、バレルセグメント
の長さの1/3として示される。２つの対向したキー溝44
と90゜の捩れのため、両端を突き合わせた接合部のとこ
ろで途切れない螺旋を形成するように翼端60を整列させ
た状態で、要素53を、多数の組および組合せをなすよう
に組み立てることができる。また、要素51と53を、接合
部のところでRH螺旋ピッチを変化させるように翼端を整
列させて組み立てることができる。RH−捩れ混合要素5
1、53を、翼端を整列させてLH−捩れ混合要素52の上流
で組み立てることができるが、この接合部のところで、
尖端を形成する捩れが急に逆転する。
第7A図と第7B図は、90゜捩れの非対称LH−捩れモジュ
ール混合要素54の端面図と側面図である。この混合要素
54は、第１図および第1B図にも示されている。混合要素
54は、2/3Lの軸線方向長さを有しており、螺旋捩れが等
しいピッチであるが向きが反対であることを除いて、混
合要素53と同様のものである。かくして、第1B図に示さ
れるように、両端を突き合わせて組50−２をなすように
取付けられると、尖端104（第1A図）よりも急勾配のＶ
形状を有する尖端106を形成する。何故ならば、軸線方
向長さが短く、これにより、長い混合要素51、52の翼端
60の螺旋角よりも、翼端60において大きな螺旋角（短い
リード）を形成するからである。
第８図には、（ハッチングで示した）二軸スクリュー
の理想的なセルフワイピングの輪郭107に重ねて、非対
称モジュール混合要素の輪郭57が示されている。上述の
ように、このような二軸スクリューの理想的なセルフワ
イピングの輪郭は、スクリューが同時回転する対のスク
リューと連続的にワイピング接触状態のままであり且つ
円筒形のバレル内壁表面81、82とも連続的にワイピング
接触状態のままである、同時回転し互いにかみ合う二軸
スクリュー押出機において利用することができるセルフ
ワイピングの輪郭の最大領域である。輪郭107と輪郭57
との間のハッチング領域の実質的な量は、これらのモジ
ュール混合要素の非対称輪郭57のまわりに形成される比
較的大きな隙間を示している。
配合機20の作動の際、下流の流れが、主として、搬送
スクリュー要素45、46、48が互いにかみ合うバレルに沿
った領域における、チャンネル流である。このチャンネ
ル流は、連続したねじ山47の間の谷に沿って発生する。
このチャンネル流とは別に、非対称モジュール混合要素
51、52、53、54の組が取付けられているバレルに沿った
領域に生ずる比較的多量の円周方向流がある。これらの
動的楔作用と比較的大きな剪断隙間により、第3B図にお
いて矢印88で示されるような、比較的多量の円周方向流
が発生する。バレル内のプラスチック材料の塊全体は下
流に進むが、上述のような非対称形体は、比較的多量の
円周方向流を発生させ、これにより比較的大きな翼端隙
間δを通して材料を繰り返し通過させ、プラスチック材
料の均一な配合物を効率的かつ有効に作り出す。
分析により、上述の非対称輪郭57についての独立設計
変数の好ましい範囲を以下のように選定した。
第II表 翼端隙間δのバレル内半径RBに対する比率：約0.01〜約
0.15 翼端隙間アスペクト比a:約１〜約８ 翼アスペクト比b:約0.5〜約0.8 翼端対称係数ε：約０〜約１ 前面楔角α：約５゜〜約25゜ 後面楔角β：約10゜〜約90゜、かつ、αよりも少なくと
も１゜大きい 非対称輪郭57についてのこれらの独立設計変数のより
好ましい範囲は以下の通りである。
第III表 δ/RB:約0.02〜約0.12 a:約1.5〜約６ b:約0.55〜約0.75 ε：約0.25〜約0.75 α：約10゜〜約20゜ β：約20゜〜約30゜、かつ、αよりも少なくとも５゜大
きい 非対称輪郭57についてのこれらの独立設計変数の最も
好ましい範囲は以下の通りである。
第IV表 δ/RB:約0.03〜約0.10 a:約２〜約５ b:約0.6〜約0.7 ε：約0.4〜約0.6 α：約12゜〜約16゜ β：約22゜〜約28゜、かつ、αよりも少なくとも７゜大
きい 再び第4A図、第4B図、第5A図、第5B図、第6A図、第6B
図、第7A図、及び第7B図を参照すると、モジュール混合
要素の翼端60の螺旋角は、約20゜〜約60゜であるのが好
ましい。翼端のリードは、約2D〜約8Dであるのが好まし
い。
また、モジュール混合要素51、52、53、54についての
図示した90゜の捩れは、２つのキー溝の形体に関連した
ものであることに留意すべきである。３つのキー溝の形
体については、両端を突き合わせた接合部のところで翼
端60を整列させるため、60゜の捩れ角が使用される。４
つのキー溝の形体については、接合部のところで翼端60
を整列させるため、45゜又は90゜の捩れ角が使用され
る。
特定の押出成形機の作動条件および環境に適合するよ
うに変えた他の変形や修正が当業者によって実現される
ので、本発明は、例示のために選定した実施例に限定さ
れるものではなく、請求の範囲に記載した本発明の精神
と範囲から逸脱しない、押出配合機のあらゆる変形と修
正を包含する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペレイラ ホセ エム アメリカ合衆国 コネチカット州 06606 ブリッジポート リンカーン アベニュー 30 (72)発明者 ポシーク ダグラス ヴィー アメリカ合衆国 コネチカット州 06424 イースト ハンプトン ウェス ト ポイント ロード ４ (56)参考文献 特開 平５−50425（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−8220（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−147205（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B29B 7/48

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】多軸スクリュー押出配合機20であって、 内壁表面81、82を各々もつ、２つの隣接し実質的に円筒
    形のバレル部分83、84を有するハウジング組立体24と、 互いに軸線方向に隣接し且つ回転軸線32、33のまわりを
    同じ方向に回転されるように、隣接するバレル部分83、
    84の各々の内部に配置された押出配合スクリュー21、22
    とを備え、 各スクリュー21、22が、回転駆動される軸30に取り外し
    可能に取付けられキー止めされた、複数の搬送スクリュ
    ー要素45、46、48を有し、 搬送スクリュー要素45、46、48が互いにかみ合い、 各スクリュー21、22が、非対称モジュール混合要素51、
    52、53、54の少なくとも１つの組50を有し、 各モジュール混合要素51、52、53、54が、シャフト30に
    取り外し可能に取付けられキー止めされており、 各モジュール混合要素51、52、53、54が、複数の非対称
    な翼62、64、66、68を有し、 モジュール混合要素51、52、53、54が互いにかみ合い、 非対称モジュール混合要素51、52、53、54の各組50が、
    右捩れをもつ少なくとも１つのモジュール混合要素51、
    53のすぐ下流に隣接して設けられた、左戻れをもつ少な
    くとも１つのモジュール混合要素52、54を有しており、 各翼62、64、66、68が、前面70および後面76を有し、前
    面70と後面76との間に、翼端60が位置決めされ、前面70
    が、バレルの内壁表面81、82と前面楔角αを構成し、後
    面76が、バレルの内壁表面81、82と後面楔角βを構成
    し、後面楔角βが、前面楔角αよりも少なくとも約５゜
    以上大きいことを特徴とする押出配合機。
  2. 【請求項２】前面楔角αが、約５゜〜約25゜の範囲にあ
    り、後面楔角βが、約10゜〜約50゜の範囲にあることを
    特徴とする請求の範囲第１項に記載の押出配合機。
  3. 【請求項３】翼端60が、バレル内壁表面81、82から翼端
    隙間δを有し、バレル内壁表面81、82が、バレル内側半
    径RBを有し、翼端隙間δのバレル内側半径RBに対する比
    率が、約２％〜約15％であることを特徴とする請求の範
    囲第２項に記載の押出配合機。
  4. 【請求項４】翼端60が、円周方向範囲ｅを有し、翼端隙
    間アスペクト比が、翼端の円周方向範囲ｅの翼端隙間δ
    に対する比率として定義され、翼端隙間アスペクト比
    が、約１〜約８の範囲にあることを特徴とする請求の範
    囲第３項に記載の押出配合機。
  5. 【請求項５】バレル内壁表面81、82が、回転軸線31、32
    について同心であり、翼端の円周方向範囲ｅが、回転軸
    線31、32について同心であり、翼端隙間δが、円周方向
    範囲ｅに沿って一定であることを特徴とする請求の範囲
    第４項に記載の押出配合機。
  6. 【請求項６】前記楔角αが、約12゜〜約18゜の範囲にあ
    り、後面楔角βが、約20゜〜約36゜の範囲にあり、後面
    楔角βが、前面楔角αよりも少なくとも約６゜大きいこ
    とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の押出配合機。
  7. 【請求項７】翼端60が、バレル内壁表面81、82から翼端
    隙間δを有し、バレル内壁表面81、82が、バレル内側半
    径RBを有し、翼端隙間δのバレル内側半径RBに対する比
    率が、約３％〜約14％であることを特徴とする請求の範
    囲第２項に記載の押出配合機。
  8. 【請求項８】翼端60が、円周方向範囲ｅを有し、翼端隙
    間アスペクト比が、翼端の円周方向範囲ｅの翼端隙間δ
    に対する比率として定義され、翼端隙間アスペクト比
    が、約1.5〜約6.0の範囲にあることを特徴とする請求の
    範囲第７項に記載の押出配合機。
  9. 【請求項９】翼端の円周方向範囲ｅの翼端隙間δに対す
    るアスペクト比が、約1.5〜約6.0の範囲にあることを特
    徴とする請求の範囲第５項に記載の押出配合機。
  10. 【請求項１０】内壁表面81、82が、内径Ｄを有し、複数
    の非対称翼62、64、66、68が、軸線方向に延び、回転軸
    線31、32のまわりに角度の付いた捩れを有しており、翼
    62、64、66、68の角度の付いた捩れが、約2D〜約8Dの範
    囲のリードを有していることを特徴とする請求の範囲第
    １項に記載の押出配合機。
  11. 【請求項１１】非対称モジュール混合要素51、52、53、
    54が各々、軸線方向長さを有し、非対称モジュール混合
    要素51、52、53、54が各々、複数のキー路40、44が形成
    された軸線方向ボア56を有し、各モジュール混合要素5
    1、52、53、54の翼62、64、66、68が、回転軸線31、32
    のまわりに両端間に捩れを有し、両端間の捩れの量が、
    180゜をキー路40、44の数で除した値に等しいことを特
    徴とする請求の範囲第10項に記載の押出配合機。
  12. 【請求項１２】第１の複数の搬送スクリュー要素45、46
    が、非対称モジュール混合要素51、52の各組50から上流
    に配置された軸30に取り外し可能に取付けられキー止め
    されており、第２の複数の搬送スクリュー要素45、46、
    48が、非対称モジュール混合要素51、52の各組50から下
    流に配置された軸30に取り外し可能に取付けられキー止
    めされており、組の右捩れ非対称モジュール混合要素5
    1、53の上流端と隣接した搬送スクリュー要素45、48の
    ねじ山47の下流端が、前記組の右捩れ非対称モジュール
    混合要素51、53の翼62、66の上流端と整列していること
    を特徴とする請求の範囲第10項に記載の押出配合機。
  13. 【請求項１３】左捩れ非対称モジュール混合要素52、54
    の下流端と隣接した搬送スクリュー要素45のねじ山47の
    上流端が、前記左捩れ非対称モジュール混合要素52、54
    の翼64、68の下流端と整列していることを特徴とする請
    求の範囲第12項に記載の押出配合機。
  14. 【請求項１４】押出配合機20の回転駆動スクリュー軸30
    に、軸とキー止め関係をなして取り外し可能に取り付け
    るための非対称モジュール混合要素であって、 非対称モジュール混合要素51、52、53、54が、軸30を受
    け入れるための軸線方向ボア56を有し、軸線方向ボア56
    が、少なくとも１つのキー路40、44を有し、非対称モジ
    ュール混合要素51、52、53、54が、複数の非対称翼62、
    64、66、68を有し、各翼62、64、66、68が、間に翼端60
    を備えた前面70と後面76を有し、前面70が、後面76より
    も小さな曲率半径を有していることを特徴とする混合要
    素。
  15. 【請求項１５】押出配合機20の回転駆動スクリュー軸30
    に、軸とキー止め関係をなして取り外し可能に取り付け
    るための非対称モジュール混合要素であって、 非対称モジュール混合要素51、52、53、54が、軸30を受
    け入れるための軸線方向ボア56と、軸線方向ボア56と同
    心の回転軸線31、32とを有し、 軸線方向ボア56が、少なくとも１つのキー路40、44を有
    し、 非対称モジュール混合要素51、52、53、54が、バレル表
    面内側半径RBを各々有する２つの隣接し実質的に円筒形
    のバレル部分のそれぞれのバレル部分82、84に２つの同
    時回転し互いにかみ合うスクリュー21、22を位置決めす
    るように設計された押出配合機20に設置するため、スク
    リュー軸30に取り外し可能に取付けるように構成されて
    おり、 非対称モジュール混合要素51、52、53、54が、回転軸線
    31、32の両側に配置された２つの非対称翼62、64、66、
    68を有し、 各翼62、64、66、68が、間に翼端60を備えた前面70と後
    面76を有し、 前面70が、翼端60に隣接する凸状部分を有し、 前面70の凸状部分が、前面中心点74から延びた半径R1を
    有し、 前面中心点74から前面70の凸状部分上の点71まで延びた
    半径R1の一部が、回転軸線31、32から前面70の凸状部分
    上の前記点まで延びた第１の半径方向線90に対して角度
    αを構成し、 後面76が、隅77に沿って翼端60と出合い、 隅77のところで後面76から延長され、後面の前記隅のと
    ころでのバレル内面81、82上の点への真っ直ぐな延長部
    である幾何学的な直線が、前記点のところでのバレル内
    面との接線に対して角度βを構成し、 角度βが、角度αよりも大きい、 ことを特徴とする混合要素。
  16. 【請求項１６】角度βが、角度αよりも少なくとも約５
    ゜大きいことを特徴とする請求の範囲第15項に記載の混
    合要素。
  17. 【請求項１７】翼端60が、回転軸線31、32から半径方向
    距離R0のところにあり、非対称モジュール混合要素が、
    翼端隙間δのバレル表面内径RBに対する比率が約0.01〜
    約0.15である翼端隙間δだけ、半径方向距離R0がバレル
    表面内径RBよりも小さくなるように構成されていること
    を特徴とする請求の範囲第16項に記載の混合要素。
  18. 【請求項１８】前面70の凸状部分が、前記点71のところ
    の第１の隅に沿って翼端に隣接しており、前面中心点74
    から延びた前記第１の半径方向線が、第１の隅71まで延
    びており、角度αが、約５゜〜約25゜の範囲にあり、角
    度βが、約10゜〜約90゜の範囲にあることを特徴とする
    請求の範囲第15項に記載の混合要素。
  19. 【請求項１９】翼端60が、回転軸線31、32から半径方向
    距離R0のところにあり、非対称モジュール混合要素51、
    52、53、54が、半径方向距離R0と直交方向に測定して基
    部の半分幅x0を有し、非対称モジュール混合要素51、5
    2、53、54が、約0.5〜約0.8の範囲の翼アスペクト非x0/
    R0を有していることを特徴とする請求の範囲第18項に記
    載の混合要素。
  20. 【請求項２０】前面中心点74が、半径方向距離R0と直交
    方向に測定して距離x1オフセットしており、前記基部の
    半分幅x0が、前面の凸状部分の半径R1から前記オフセッ
    ト距離x1を引いた値と等しいことを特徴とする請求の範
    囲第19項に記載の混合要素。
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