JP3410561B2 - カオス的混合を生み出すことのできる一軸スクリュー押出機 - Google Patents
カオス的混合を生み出すことのできる一軸スクリュー押出機Info
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- JP3410561B2 JP3410561B2 JP21964494A JP21964494A JP3410561B2 JP 3410561 B2 JP3410561 B2 JP 3410561B2 JP 21964494 A JP21964494 A JP 21964494A JP 21964494 A JP21964494 A JP 21964494A JP 3410561 B2 JP3410561 B2 JP 3410561B2
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- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
- B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
- B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
- B29C48/50—Details of extruders
- B29C48/505—Screws
- B29C48/62—Screws characterised by the shape of the thread channel, e.g. U-shaped
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
- B29C48/03—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor characterised by the shape of the extruded material at extrusion
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
- Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)
Description
【０００１】
【発明の分野】本発明は、カオス的混合の使用によって
実質的に良好な分配混合を達成するような一軸スクリュ
ーを具備した押出機に関するものである。一般に、かか
る押出機は材料線の引伸しおよび折りたたみを繰返して
行うことにより、材料成分間の界面の面積を指数関数的
に増大させると共に、熱伝達および物質移動を大幅に向
上させる。
実質的に良好な分配混合を達成するような一軸スクリュ
ーを具備した押出機に関するものである。一般に、かか
る押出機は材料線の引伸しおよび折りたたみを繰返して
行うことにより、材料成分間の界面の面積を指数関数的
に増大させると共に、熱伝達および物質移動を大幅に向
上させる。
【０００２】
【関連技術の説明】一軸スクリュー押出機は、プラスチ
ック工業界においてミキサーおよびポンプとして広く使
用されている。最も簡単な構造のものは、円筒形のバレ
ルの内部に緊密に嵌合した回転スクリューから成ってい
る。通例、かかるスクリューは供給部、転移部および計
量部を有している。一軸スクリュー押出機に関するほと
んど全ての研究は、スクリュー溝を巻戻して表示した展
開図に基づいて行われる。スクリューおよびバレルの相
対運動は、溝（図１参照）の上方において板が矢印Ｖの
方向に沿って斜めに移動することによって表わされる。
ック工業界においてミキサーおよびポンプとして広く使
用されている。最も簡単な構造のものは、円筒形のバレ
ルの内部に緊密に嵌合した回転スクリューから成ってい
る。通例、かかるスクリューは供給部、転移部および計
量部を有している。一軸スクリュー押出機に関するほと
んど全ての研究は、スクリュー溝を巻戻して表示した展
開図に基づいて行われる。スクリューおよびバレルの相
対運動は、溝（図１参照）の上方において板が矢印Ｖの
方向に沿って斜めに移動することによって表わされる。
【０００３】溝内における流体の流れは、２つの成分
（すなわち、ｘ1 −ｘ2 平面内における横方向流れおよ
びｘ3 方向に沿った軸方向流れ）に分解することができ
る。軸方向流れは材料を前方に推進する一方、横方向流
れは材料を混合する。しかしながら、かかる通常のスク
リューによる混合は不良である。次の図２に関して説明
すれば、スクリューの分散混合能力および（または）分
配混合能力を増大させるため、マドック(Maddock) 混合
部、ピン混合部（図３のｄも参照）、パイナップル形混
合部、ブリスターリングなどのごとき混合部がスクリュ
ーに追加されるのが通例である。とは言え、これらの混
合部はスクリューの全長に比べて比較的短い。図３中の
矢印はシャンクからの測った溝の位置を単位直径を基準
として表わしていることを理解すべきである。
（すなわち、ｘ1 −ｘ2 平面内における横方向流れおよ
びｘ3 方向に沿った軸方向流れ）に分解することができ
る。軸方向流れは材料を前方に推進する一方、横方向流
れは材料を混合する。しかしながら、かかる通常のスク
リューによる混合は不良である。次の図２に関して説明
すれば、スクリューの分散混合能力および（または）分
配混合能力を増大させるため、マドック(Maddock) 混合
部、ピン混合部（図３のｄも参照）、パイナップル形混
合部、ブリスターリングなどのごとき混合部がスクリュ
ーに追加されるのが通例である。とは言え、これらの混
合部はスクリューの全長に比べて比較的短い。図３中の
矢印はシャンクからの測った溝の位置を単位直径を基準
として表わしていることを理解すべきである。
【０００４】混合を引起こすスクリュー部分は、（たと
えば、マドック混合部やブリスターリングのごとく）分
散混合のために必要な大きい剪断応力を生み出すため外
部のバレルに密接しているか、あるいは（たとえば、ピ
ン混合部やパイナップル形混合部のごとく）分配混合の
ためスクリュー溝の底部に取付けられた多数の小さいユ
ニットを有することによって特徴づけられる。
えば、マドック混合部やブリスターリングのごとく）分
散混合のために必要な大きい剪断応力を生み出すため外
部のバレルに密接しているか、あるいは（たとえば、ピ
ン混合部やパイナップル形混合部のごとく）分配混合の
ためスクリュー溝の底部に取付けられた多数の小さいユ
ニットを有することによって特徴づけられる。
【０００５】計量部に沿った輸送時における固体−溶融
液の分配状態に基づき、バリヤースクリュー（図３のａ
およびｂ参照）のごとき各種の混合スクリューが設計さ
れている。かかるバリヤースクリューは、固体から溶融
液を分離するため、切下げられたバリヤーねじ山によっ
て隔離された幅の異なる２本の溝を有している。溝の幅
は固体または溶融液の量に比例している。最初、ペレッ
トが融解し始めた時、溶融液プールは幅の狭い溶融液溝
の内部に押込まれる。より多くの溶融液が集まるに従っ
て溶融液溝の幅は次第に大きくなる。バーＥＴスクリュ
ー〔すなわち、アメリカ合衆国バージニア州バージニア
ビーチ所在のロバート・バー・インコーポレーテッド(R
obert Barr Incorporated)によって製造されたバーＥＴ
バリヤースクリュー(Barr ET Barrier screw) 〕は、ペ
レットと新鮮な溶融液との混合によって融解速度を３０
〜５０％も向上させると言われている。
液の分配状態に基づき、バリヤースクリュー（図３のａ
およびｂ参照）のごとき各種の混合スクリューが設計さ
れている。かかるバリヤースクリューは、固体から溶融
液を分離するため、切下げられたバリヤーねじ山によっ
て隔離された幅の異なる２本の溝を有している。溝の幅
は固体または溶融液の量に比例している。最初、ペレッ
トが融解し始めた時、溶融液プールは幅の狭い溶融液溝
の内部に押込まれる。より多くの溶融液が集まるに従っ
て溶融液溝の幅は次第に大きくなる。バーＥＴスクリュ
ー〔すなわち、アメリカ合衆国バージニア州バージニア
ビーチ所在のロバート・バー・インコーポレーテッド(R
obert Barr Incorporated)によって製造されたバーＥＴ
バリヤースクリュー(Barr ET Barrier screw) 〕は、ペ
レットと新鮮な溶融液との混合によって融解速度を３０
〜５０％も向上させると言われている。
【０００６】また、二重波形スクリューも使用されてい
る。従来の二重波形スクリュー〔たとえば、アメリカ合
衆国オハイオ州マウントギリード所在のエイチピーエム
・コーポレーション(HPM Corporation) によって製造さ
れたもの〕は、図３のｃに示されるごとく、切下げられ
たバリヤーねじ山によって隔離された幅の等しい２本の
溝を有している。各々の溝の底部には波状の起伏が設け
られている。一方の溝は浅いのに対し、他方の溝は深く
なっている。その結果、溶融した重合体はバリヤーを横
切って絶えず前後に移動することになる。溝内の材料は
大きい剪断力および小さい剪断力に交互に暴露される。
このような二重波形混合部は、既に融解したプラスチッ
クが約３〜４個の波形に沿って流動する計量部に配置さ
れるのが通例である。かかる二重波形スクリューも混合
状態を向上させるが、混合状態をなお一層向上させるこ
とはやはり望ましいわけである。
る。従来の二重波形スクリュー〔たとえば、アメリカ合
衆国オハイオ州マウントギリード所在のエイチピーエム
・コーポレーション(HPM Corporation) によって製造さ
れたもの〕は、図３のｃに示されるごとく、切下げられ
たバリヤーねじ山によって隔離された幅の等しい２本の
溝を有している。各々の溝の底部には波状の起伏が設け
られている。一方の溝は浅いのに対し、他方の溝は深く
なっている。その結果、溶融した重合体はバリヤーを横
切って絶えず前後に移動することになる。溝内の材料は
大きい剪断力および小さい剪断力に交互に暴露される。
このような二重波形混合部は、既に融解したプラスチッ
クが約３〜４個の波形に沿って流動する計量部に配置さ
れるのが通例である。かかる二重波形スクリューも混合
状態を向上させるが、混合状態をなお一層向上させるこ
とはやはり望ましいわけである。
【０００７】最近の研究結果は、三次元的な連続流れの
中における幾何学的形状の時間周期的変化が混合に際し
てカオスを生み出し得ることを示している。現存する流
線に摂動を起こさせ、持続的な材料の再配列を誘起し、
それによって折りたたみを達成するため、空間周期性を
付与することが目標とされている。かかる周期的な再配
列を受ける材料線の引伸し速度を時間積分すると、リア
プノフ指数として知られる正の数が得られる。（なお、
引伸しおよび折りたたみに加え、正のリアプノフ指数も
カオスを表わす指標の１つである。）また、周期的な時
間強制を伴う二次元ハミルトン系もカオスを生み出すこ
とができる。たとえば、粘稠な流体で満たされた（深い
水槽のごとき）密閉空間においていずれか１つの壁が運
動する場合（たとえば、上部の壁が左から右に移動する
場合）、それは二次元ハミルトン系を成す。その場合、
１つの壁（たとえば、上部の壁）をある時間（ｔ1 ）に
わたって運動させてから停止し、次いで別の壁（たとえ
ば、底部の壁）をある時間（ｔ2 ）にわたって運動させ
てから停止すれば、カオスが起こり得るのである。
中における幾何学的形状の時間周期的変化が混合に際し
てカオスを生み出し得ることを示している。現存する流
線に摂動を起こさせ、持続的な材料の再配列を誘起し、
それによって折りたたみを達成するため、空間周期性を
付与することが目標とされている。かかる周期的な再配
列を受ける材料線の引伸し速度を時間積分すると、リア
プノフ指数として知られる正の数が得られる。（なお、
引伸しおよび折りたたみに加え、正のリアプノフ指数も
カオスを表わす指標の１つである。）また、周期的な時
間強制を伴う二次元ハミルトン系もカオスを生み出すこ
とができる。たとえば、粘稠な流体で満たされた（深い
水槽のごとき）密閉空間においていずれか１つの壁が運
動する場合（たとえば、上部の壁が左から右に移動する
場合）、それは二次元ハミルトン系を成す。その場合、
１つの壁（たとえば、上部の壁）をある時間（ｔ1 ）に
わたって運動させてから停止し、次いで別の壁（たとえ
ば、底部の壁）をある時間（ｔ2 ）にわたって運動させ
てから停止すれば、カオスが起こり得るのである。
【０００８】最後に、周期的な時間強制の代りに周期的
な幾何学的変化を加えてもカオスを生み出すことができ
る。上記のごとき密閉空間を例に挙げれば、上部の壁を
移動させると共に残りの空間の幾何学的形状を変化させ
ることによってカオス的混合が実現されるのである。幾
何学的形状を変化させる方法の１例は、バッフルを挿入
することである。とは言え、現行のスクリュー構造にお
いては、５つ以上の連続した周期または反復単位にわた
って周期的な時間強制または周期的な幾何学的変化が加
えられた例は存在しないことに注意されたい。このよう
なわけで、現行のスクリューにカオス的混合が応用され
れば、より有利なスクリューが得られるはずである。
な幾何学的変化を加えてもカオスを生み出すことができ
る。上記のごとき密閉空間を例に挙げれば、上部の壁を
移動させると共に残りの空間の幾何学的形状を変化させ
ることによってカオス的混合が実現されるのである。幾
何学的形状を変化させる方法の１例は、バッフルを挿入
することである。とは言え、現行のスクリュー構造にお
いては、５つ以上の連続した周期または反復単位にわた
って周期的な時間強制または周期的な幾何学的変化が加
えられた例は存在しないことに注意されたい。このよう
なわけで、現行のスクリューにカオス的混合が応用され
れば、より有利なスクリューが得られるはずである。
【０００９】上記の説明から明らかなごとく、分配混合
を達成し得ると共に、公知スクリューの混合特性に少な
くとも匹敵する混合特性を有しながら、カオス的混合の
使用によって優れた熱伝達および物質移動をも可能にす
るような押出機が当業界において要望されている。本発
明の目的は、以下の説明を読んだ当業者には容易に理解
し得るやり方で当業界における上記およびその他の要望
を満たすことにある。
を達成し得ると共に、公知スクリューの混合特性に少な
くとも匹敵する混合特性を有しながら、カオス的混合の
使用によって優れた熱伝達および物質移動をも可能にす
るような押出機が当業界において要望されている。本発
明の目的は、以下の説明を読んだ当業者には容易に理解
し得るやり方で当業界における上記およびその他の要望
を満たすことにある。
【００１０】
【発明の概要】本発明に従って一般的に述べれば、上記
のごとき要望を満たすため、(a) 供給部、転移部および
計量部を有する一軸スクリュー手段、(b) スクリュー手
段に機能し得る状態で取付けられたバッフル手段、並び
に(c) スクリュー手段およびバッフル手段を実質的に包
囲する円筒形の包囲体手段を含んでいて、バッフル手段
は所定の長さ（ＬB ）および高さ（ＨB ）を有するよう
に形成され、かつ所定の周期的配列状態を成しながらス
クリュー手段上に配置されていることを特徴とする、カ
オス的混合を生み出すための一軸スクリュー押出機が提
供される。
のごとき要望を満たすため、(a) 供給部、転移部および
計量部を有する一軸スクリュー手段、(b) スクリュー手
段に機能し得る状態で取付けられたバッフル手段、並び
に(c) スクリュー手段およびバッフル手段を実質的に包
囲する円筒形の包囲体手段を含んでいて、バッフル手段
は所定の長さ（ＬB ）および高さ（ＨB ）を有するよう
に形成され、かつ所定の周期的配列状態を成しながらス
クリュー手段上に配置されていることを特徴とする、カ
オス的混合を生み出すための一軸スクリュー押出機が提
供される。
【００１１】特定の好適な実施の態様に従えば、溝の内
部空間のアスペクト比〔幅（Ｗ）／高さ（Ｈ）〕は約４
〜６である。また、所定の周期的配列状態は中央−右側
−中央−左側の順序でバッフル手段を配置することから
成っている。別の好適な実施の態様に従えば、かかる一
軸スクリュー押出機は実質的に良好な分配混合をもたら
すことができるばかりでなく、材料線の引伸しおよび折
りたたみを繰返して行うことにより、材料成分間の界面
の面積を指数関数的に増大させると共に熱伝達および物
質移動を大幅に向上させることもできる。
部空間のアスペクト比〔幅（Ｗ）／高さ（Ｈ）〕は約４
〜６である。また、所定の周期的配列状態は中央−右側
−中央−左側の順序でバッフル手段を配置することから
成っている。別の好適な実施の態様に従えば、かかる一
軸スクリュー押出機は実質的に良好な分配混合をもたら
すことができるばかりでなく、材料線の引伸しおよび折
りたたみを繰返して行うことにより、材料成分間の界面
の面積を指数関数的に増大させると共に熱伝達および物
質移動を大幅に向上させることもできる。
【００１２】本発明に基づく好適な一軸スクリュー押出
機は様々な利点を有するが、それらの利点としては優れ
た混合特性、優れた熱伝達および物質移動、優れた融解
特性、優れた引伸しおよび折りたたみ特性、優れた流れ
特性、良好な経済性、並びに安全のための高い強度が挙
げられる。実際、多くの好適な実施の態様においては、
混合特性、熱伝達、物質移動、融解特性、引伸し特性、
折りたたみ特性および流れ特性のごとき因子は従来公知
の一軸スクリュー押出機においてこれまで達成されてい
たレベルよりもかなり高いレベルにまで最適化される。
機は様々な利点を有するが、それらの利点としては優れ
た混合特性、優れた熱伝達および物質移動、優れた融解
特性、優れた引伸しおよび折りたたみ特性、優れた流れ
特性、良好な経済性、並びに安全のための高い強度が挙
げられる。実際、多くの好適な実施の態様においては、
混合特性、熱伝達、物質移動、融解特性、引伸し特性、
折りたたみ特性および流れ特性のごとき因子は従来公知
の一軸スクリュー押出機においてこれまで達成されてい
たレベルよりもかなり高いレベルにまで最適化される。
【００１３】説明の進行に伴って一層明らかとなる本発
明の上記およびその他の特徴は、添付の図面を参照しな
がら以下の詳細な説明を考察することによって最も良く
理解されよう。なお、図面全体を通じ、同じ構成要素は
同じ符号によって示されている。
明の上記およびその他の特徴は、添付の図面を参照しな
がら以下の詳細な説明を考察することによって最も良く
理解されよう。なお、図面全体を通じ、同じ構成要素は
同じ符号によって示されている。
【００１４】
【発明の詳細な開示】前述のごとく、図１は先行技術に
基づくスクリューおよびバレルの相対運動を示してい
る。図２は一軸スクリュー押出機における各種の混合部
を示している。図４には、一軸スクリュー押出機２のｘ
1 −ｘ2 横断面（図１参照）が示されている。押出機２
は供給部、転移部および計量部を有することを理解すべ
きである。図４の横断面は溝の内部空間４およびバッフ
ル６を部分的に示している。一定の不連続な長さを有し
かつ溝の底面上に周期的に配置されたバッフル６を使用
することによって空間周期性が生み出される。図４には
また、溝の内部空間の高さ（Ｈ）および幅（Ｗ）並びに
バッフルの高さ（ＨB ）も示されている。
基づくスクリューおよびバレルの相対運動を示してい
る。図２は一軸スクリュー押出機における各種の混合部
を示している。図４には、一軸スクリュー押出機２のｘ
1 −ｘ2 横断面（図１参照）が示されている。押出機２
は供給部、転移部および計量部を有することを理解すべ
きである。図４の横断面は溝の内部空間４およびバッフ
ル６を部分的に示している。一定の不連続な長さを有し
かつ溝の底面上に周期的に配置されたバッフル６を使用
することによって空間周期性が生み出される。図４には
また、溝の内部空間の高さ（Ｈ）および幅（Ｗ）並びに
バッフルの高さ（ＨB ）も示されている。
【００１５】図５のａおよびｂは、最初の２つのバッフ
ル位置（すなわち、図４のａおよびｂにそれぞれ示され
た位置）に対応した微細素子シミュレーションによる定
常流（流線）実験の結果を示している。なお、第３の位
置は第１の位置の鏡像に過ぎない。カオス的混合を生み
出すために最適のバッフル配置を求めるため、様々な位
置において底面から長方形のブロックを周期的に挿入し
かつ除去しながら溝内の二次元的な流れについて実験的
研究を行った。様々な位置においてこれらのブロック挿
入および除去を行えば、溝の内部空間の幾何学的形状の
時間依存性変化が生み出される。かかる研究の結果は下
記の通りであって、これらが空間周期性スクリューの設
計のための基礎として使用される。
ル位置（すなわち、図４のａおよびｂにそれぞれ示され
た位置）に対応した微細素子シミュレーションによる定
常流（流線）実験の結果を示している。なお、第３の位
置は第１の位置の鏡像に過ぎない。カオス的混合を生み
出すために最適のバッフル配置を求めるため、様々な位
置において底面から長方形のブロックを周期的に挿入し
かつ除去しながら溝内の二次元的な流れについて実験的
研究を行った。様々な位置においてこれらのブロック挿
入および除去を行えば、溝の内部空間の幾何学的形状の
時間依存性変化が生み出される。かかる研究の結果は下
記の通りであって、これらが空間周期性スクリューの設
計のための基礎として使用される。
【００１６】１．バッフル６が中央−右側−中央−左側
の順序で配置された場合にカオス的混合が最も良く実現
される。この順序が１つの周期を構成する。 ２．溝の内部空間のアスペクト比（Ｗ／Ｈ）が約４〜５
である場合にカオス的混合が最も良く実現される。この
ような制約は、２つの相異なる幾何学的図形からの流線
を十分に大きい角度で交差させ、それによって顕著な材
料の再配列をもたらす。
の順序で配置された場合にカオス的混合が最も良く実現
される。この順序が１つの周期を構成する。 ２．溝の内部空間のアスペクト比（Ｗ／Ｈ）が約４〜５
である場合にカオス的混合が最も良く実現される。この
ような制約は、２つの相異なる幾何学的図形からの流線
を十分に大きい角度で交差させ、それによって顕著な材
料の再配列をもたらす。
【００１７】３．バッフルは、上部の壁が内部空間の幅
（Ｗ）（図４）に相当する長さだけ移動するまで同じ位
置に留まる必要がある。このような時間的制約は折りた
たみおよび引伸しを起こさせると同時に、材料を内部空
間の一方の側から他方の側に移動させる。 ４．左側および右側のバッフルは、バッフルと（移動す
る）上部の壁との間の双曲的点が破壊されるほどねじ山
に接近してはならない。（なお、双曲的点とは図５のａ
およびｂに示された定常流実験においてバッフルと上部
の壁との間に生じる鞍部点である。）他方、流線の顕著
な交差をもたらすため、左側および右側のバッフルは中
心から遠く離れていなければならない。実際には、左側
および右側のバッフルはそれぞれ左側および右側の壁面
から内部空間の幅の約1/4 だけ離れた位置に配置され
る。
（Ｗ）（図４）に相当する長さだけ移動するまで同じ位
置に留まる必要がある。このような時間的制約は折りた
たみおよび引伸しを起こさせると同時に、材料を内部空
間の一方の側から他方の側に移動させる。 ４．左側および右側のバッフルは、バッフルと（移動す
る）上部の壁との間の双曲的点が破壊されるほどねじ山
に接近してはならない。（なお、双曲的点とは図５のａ
およびｂに示された定常流実験においてバッフルと上部
の壁との間に生じる鞍部点である。）他方、流線の顕著
な交差をもたらすため、左側および右側のバッフルは中
心から遠く離れていなければならない。実際には、左側
および右側のバッフルはそれぞれ左側および右側の壁面
から内部空間の幅の約1/4 だけ離れた位置に配置され
る。
【００１８】５．バッフル６の高さ（ＨB ）は、溝の内
部空間の高さ（Ｈ）の少なくとも０．５０倍に等しいこ
とが必要である。バッフル配置状態の最適化は、混合す
べき成分、流体の流動学的性質、スクリュー速度および
その他の様々な処理パラメーターに強く依存することを
理解すべきである。とは言え、材料の再配列が起こらな
い場合に比べれば、持続的な材料の再配列によって混合
状態の改善が得られることは疑う余地が無い。
部空間の高さ（Ｈ）の少なくとも０．５０倍に等しいこ
とが必要である。バッフル配置状態の最適化は、混合す
べき成分、流体の流動学的性質、スクリュー速度および
その他の様々な処理パラメーターに強く依存することを
理解すべきである。とは言え、材料の再配列が起こらな
い場合に比べれば、持続的な材料の再配列によって混合
状態の改善が得られることは疑う余地が無い。
【００１９】図６は障害物を含まない溝（ａ〜ｅ）そし
て図７は中央−右側−中央−左側の順序で周期的に配置
されたバッフルを含む溝（ａ〜ｅ）内における混合状態
の比較結果を示している。いずれの実験においても、上
部の壁は上端の図から下端の図に向かってそれぞれ０
Ｗ、５Ｗ、９Ｗ、１３Ｗおよび１７Ｗだけ移動した。エ
ネルギー消費量（すなわち、壁の変位）が同じであるに
もかかわらず、図７のａ〜ｅに示された混合状態の方が
遥かに良好である。
て図７は中央−右側−中央−左側の順序で周期的に配置
されたバッフルを含む溝（ａ〜ｅ）内における混合状態
の比較結果を示している。いずれの実験においても、上
部の壁は上端の図から下端の図に向かってそれぞれ０
Ｗ、５Ｗ、９Ｗ、１３Ｗおよび１７Ｗだけ移動した。エ
ネルギー消費量（すなわち、壁の変位）が同じであるに
もかかわらず、図７のａ〜ｅに示された混合状態の方が
遥かに良好である。
【００２０】図８について説明すれば、このような空間
周期性を有する部分は、プラスチックの融解が進行中で
あるかもしくは完了しているようなスクリュー部分に配
置される。溝の内部空間のアスペクト比は約５であるこ
とが好ましいから、かかる部分には２条のねじ山（一方
を「主ねじ山」と呼びかつ他方を「副ねじ山」と呼ぶ）
が設けられており、またかかる部分は平方ピッチを有し
ている。主ねじ山と副ねじ山との間に１個のバッフルが
配置されている。すなわち、主ねじ山同士の間には、後
方の主ねじ山から測って４５°および３１５°、または
９０°および２７０°、または１３５°および２２５°
だけ離れた位置に２個のバッフルが配置されている。
周期性を有する部分は、プラスチックの融解が進行中で
あるかもしくは完了しているようなスクリュー部分に配
置される。溝の内部空間のアスペクト比は約５であるこ
とが好ましいから、かかる部分には２条のねじ山（一方
を「主ねじ山」と呼びかつ他方を「副ねじ山」と呼ぶ）
が設けられており、またかかる部分は平方ピッチを有し
ている。主ねじ山と副ねじ山との間に１個のバッフルが
配置されている。すなわち、主ねじ山同士の間には、後
方の主ねじ山から測って４５°および３１５°、または
９０°および２７０°、または１３５°および２２５°
だけ離れた位置に２個のバッフルが配置されている。
【００２１】バッフルの高さは、図９に示されるごと
く、主ねじ山の高さの1/2 に等しい。主ねじ山から１８
０°だけ離れた位置に配置された副ねじ山は、バッフル
が４５°および３１５°の位置に存在する場合、溝の間
における物質移動を可能にするために切下げられてい
る。かかる２条のねじ山を設けた部分においては、各々
のバッフルはスクリューの１回転の長さの1/2 に等しい
長さを有しており、従って周期数が増加している。
く、主ねじ山の高さの1/2 に等しい。主ねじ山から１８
０°だけ離れた位置に配置された副ねじ山は、バッフル
が４５°および３１５°の位置に存在する場合、溝の間
における物質移動を可能にするために切下げられてい
る。かかる２条のねじ山を設けた部分においては、各々
のバッフルはスクリューの１回転の長さの1/2 に等しい
長さを有しており、従って周期数が増加している。
【００２２】図１０に示されるごとく、本発明に基づく
カオススクリュー（ｃ）の性能が従来の計量型スクリュ
ー（ａ）およびバースクリュー（ｂ）の性能と比較され
た。この場合には、スクリューの先端に位置するダイ取
付装置が除去された。使用した押出材料は透明なポリス
チレンであった。高濃度のカーボンブラックを予め添加
したポリカーボネートペレットが（ほとんど空の）供給
ホッパー内に２分間隔で投入された。このようにすれ
ば、押出物中における１個の黒色ペレットの混合状態を
分離し、それにより流れ状態を可視化して調べることが
できた。この実験において使用された直径２．５インチ
のスクリューは５０ｒｐｍの速度で回転され、そして流
量は毎時約１１０ポンドであった。図１０から明らかな
ごとく、本発明のカオススクリュー（ｃ）を使用した場
合には良好な混合状態が得られた。
カオススクリュー（ｃ）の性能が従来の計量型スクリュ
ー（ａ）およびバースクリュー（ｂ）の性能と比較され
た。この場合には、スクリューの先端に位置するダイ取
付装置が除去された。使用した押出材料は透明なポリス
チレンであった。高濃度のカーボンブラックを予め添加
したポリカーボネートペレットが（ほとんど空の）供給
ホッパー内に２分間隔で投入された。このようにすれ
ば、押出物中における１個の黒色ペレットの混合状態を
分離し、それにより流れ状態を可視化して調べることが
できた。この実験において使用された直径２．５インチ
のスクリューは５０ｒｐｍの速度で回転され、そして流
量は毎時約１１０ポンドであった。図１０から明らかな
ごとく、本発明のカオススクリュー（ｃ）を使用した場
合には良好な混合状態が得られた。
【００２３】図１１には、図１０に示された各々の押出
物をカーボントレーサーが最初に導入された上端からそ
れぞれ約１．０、２．５、４．０、５．５および７．０
インチの位置で切断することによって得られた断片（厚
さ約8/1 インチ）が示されている。これら３種の押出物
のいずれにおいても、カーボントレーサーは最初は（初
めの数インチについては）かなり高い濃度で出て来る
が、それの濃度は急速に低下する。計量型スクリュー
（ａ〜ｅ）においては、トレーサーは押出物に沿って巻
かれたやや太い螺旋状のパターンを示している。バース
クリュー（ｆ〜ｊ）においては混合状態が多少改善され
ているが、トレーサーの多くは押出機から出る時点にお
いてやはり幾つかの太い筋の内部に閉込められている。
本発明のカオススクリュー（ｋ〜ｏ）においては、混合
状態が劇的に改善されている。カオス的混合は、トレー
サー領域の引伸しおよび折りたたみによってそれを非常
に細い筋状に変えることができる。なお、押出物のへり
付近にはトレーサーが浸透していない部分が存在する
が、これは実験が一過的なものだからである。押出材料
が黒色のペレットと予め混合されかつ定常流が実現され
た場合には、これらの部分も充填されることになる。
物をカーボントレーサーが最初に導入された上端からそ
れぞれ約１．０、２．５、４．０、５．５および７．０
インチの位置で切断することによって得られた断片（厚
さ約8/1 インチ）が示されている。これら３種の押出物
のいずれにおいても、カーボントレーサーは最初は（初
めの数インチについては）かなり高い濃度で出て来る
が、それの濃度は急速に低下する。計量型スクリュー
（ａ〜ｅ）においては、トレーサーは押出物に沿って巻
かれたやや太い螺旋状のパターンを示している。バース
クリュー（ｆ〜ｊ）においては混合状態が多少改善され
ているが、トレーサーの多くは押出機から出る時点にお
いてやはり幾つかの太い筋の内部に閉込められている。
本発明のカオススクリュー（ｋ〜ｏ）においては、混合
状態が劇的に改善されている。カオス的混合は、トレー
サー領域の引伸しおよび折りたたみによってそれを非常
に細い筋状に変えることができる。なお、押出物のへり
付近にはトレーサーが浸透していない部分が存在する
が、これは実験が一過的なものだからである。押出材料
が黒色のペレットと予め混合されかつ定常流が実現され
た場合には、これらの部分も充填されることになる。
【００２４】上記の説明に基づけば、それ以外にも様々
な変更態様が可能であることは当業者にとって自明であ
ろう。それ故、かかる変更態様も本発明の一部と見なさ
れるのであって、本発明の範囲はもっぱら前記特許請求
の範囲によって規定されることを理解すべきである。
な変更態様が可能であることは当業者にとって自明であ
ろう。それ故、かかる変更態様も本発明の一部と見なさ
れるのであって、本発明の範囲はもっぱら前記特許請求
の範囲によって規定されることを理解すべきである。
【図１】先行技術に基づく一軸スクリュー押出機の直方
体溝モデルを示す略図である。
体溝モデルを示す略図である。
【図２】先行技術に基づく各種の一軸スクリューの混合
部を示す側面図である。
部を示す側面図である。
【図３】各種の二段３２Ｌ／Ｄ一軸スクリューを示す写
真であって、ａは分散混合部を有するバリヤースクリュ
ーを示し、ｂはバリヤースクリューを示し、ｃは二重波
形スクリューを示し、ｄはピンスクリューを示し、そし
てｅは本発明に基づくカオススクリューを示している。
真であって、ａは分散混合部を有するバリヤースクリュ
ーを示し、ｂはバリヤースクリューを示し、ｃは二重波
形スクリューを示し、ｄはピンスクリューを示し、そし
てｅは本発明に基づくカオススクリューを示している。
【図４】カオス的混合を生み出すことのできる本発明の
一軸スクリュー押出機に関して３つの相異なるバッフル
位置ａ、ｂおよびｃを示す略図である。
一軸スクリュー押出機に関して３つの相異なるバッフル
位置ａ、ｂおよびｃを示す略図である。
【図５】本発明に従ってバッフルを追加した図４のａお
よびｂの溝内における幾何学的流線の輪郭ａおよびｂを
示す写真である。
よびｂの溝内における幾何学的流線の輪郭ａおよびｂを
示す写真である。
【図６】障害物を含まない通常の溝に関する色素変形パ
ターンａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅを示す写真である。
ターンａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅを示す写真である。
【図７】中央−右側−中央−左側の順序で周期的に配置
されたバッフルを含む本発明の溝に関する色素変形パタ
ーンａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅを示す写真である。
されたバッフルを含む本発明の溝に関する色素変形パタ
ーンａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅを示す写真である。
【図８】本発明に基づく二条ねじスクリューの溝内に中
央−右側−中央−左側の順序で設けられたバッフルの１
周期分を示す略図である。
央−右側−中央−左側の順序で設けられたバッフルの１
周期分を示す略図である。
【図９】バッフルを追加した溝の横断面図である。
【図１０】従来の計量型スクリュー（ａ）、バースクリ
ュー（ｂ）および本発明に基づくカオススクリュー
（ｃ）からそれぞれ得られた典型的な押出物を示す写真
である。
ュー（ｂ）および本発明に基づくカオススクリュー
（ｃ）からそれぞれ得られた典型的な押出物を示す写真
である。
【図１１】図１０のａ、ｂおよびｃの押出物を一定の間
隔で切断した断片を示す写真であって、ａ、ｂ、ｃ、ｄ
およびｅは図１０のａの押出物に関するものであり、
ｆ、ｇ、ｈ、ｉおよびｊは図１０のｂの押出物に関する
ものであり、そしてｋ、ｌ、ｍ、ｎおよびｏは図１０の
ｃの押出物に関するものである。
隔で切断した断片を示す写真であって、ａ、ｂ、ｃ、ｄ
およびｅは図１０のａの押出物に関するものであり、
ｆ、ｇ、ｈ、ｉおよびｊは図１０のｂの押出物に関する
ものであり、そしてｋ、ｌ、ｍ、ｎおよびｏは図１０の
ｃの押出物に関するものである。
【符号の説明】
２ 一軸スクリュー押出機
４ 溝の内部空間
６ バッフル
Ｈ 溝の内部空間の高さ
ＨB バッフルの高さ
ＬB バッフルの長さ
Ｗ 溝の内部空間の幅
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ロバート・ウイリアム・フォスター
アメリカ合衆国、インディアナ州、エバ
ンスビル、サウス・ラストン・アベニュ
ー、558番
(56)参考文献 米国特許4201481（ＵＳ，Ａ)
西独国特許402879（ＤＥ，Ｂ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B29C 47/00 - 47/96
B29B 7/00 - 7/94
Claims (5)
- 【請求項１】 (a) 供給部、転移部および計量部を有す
るスクリューであって、連続ねじ山を有するスクリュ
ー、 (b) 前記スクリューに取付けられ、前記転移部および前
記計量部において所定の周期的配列で前記スクリュー上
に配置されたバッフル、並びに (c) 前記スクリューおよび前記バッフルを実質的に包囲
する円筒形の包囲体手段を含む、カオス的混合を生み出
すための一軸スクリュー押出機であって、前記ねじ山に
よって区画される溝の幅（Ｗ）と／高さ（Ｈ）との比が
４〜６であることを特徴とする、押出機。 - 【請求項２】 前記バッフルの長さ（ＬB ）が前記スク
リューの１回転の長さの少なくとも１／２である、請求
項１記載の押出機。 - 【請求項３】 前記所定の周期的配列状態が、前記スク
リューに沿った一定の軸方向距離にわたって前記バッフ
ルを中央−右側−中央−左側の順序で配置することか
ら、請求項１記載の押出機。 - 【請求項４】 前記バッフルの高さが前記溝の内部空間
の高さ（Ｈ）の少なくとも１／２である、請求項１記載
の押出機。 - 【請求項５】 前記スクリューが、前記連続ねじ山から
１８０°離れた位置に配置された連続副ねじ山をさらに
有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の押
出機。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US12147393A | 1993-09-16 | 1993-09-16 | |
| US121473 | 2002-04-12 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07148822A JPH07148822A (ja) | 1995-06-13 |
| JP3410561B2 true JP3410561B2 (ja) | 2003-05-26 |
Family
ID=22396950
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21964494A Expired - Fee Related JP3410561B2 (ja) | 1993-09-16 | 1994-09-14 | カオス的混合を生み出すことのできる一軸スクリュー押出機 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5551777A (ja) |
| EP (1) | EP0644034B1 (ja) |
| JP (1) | JP3410561B2 (ja) |
| DE (1) | DE69421870T2 (ja) |
| ES (1) | ES2139713T3 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5066298B1 (ja) * | 2012-05-11 | 2012-11-07 | 積水化学工業株式会社 | 押出機用スクリュー |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR950003362A (ko) * | 1993-07-21 | 1995-02-16 | 마에다 가츠노스케 | 섬유강화 열가소성수지구조물과 그 제조방법 및 압출기 |
| ZA9510847B (en) * | 1994-12-23 | 1997-06-20 | Unilever Plc | Process for the production of liquid compositions |
| US5993186A (en) * | 1997-08-29 | 1999-11-30 | General Electric Company | Single screw extruder |
| US5932159A (en) * | 1997-11-07 | 1999-08-03 | Rauwendaal Extrusion Engineering, Inc. | Screw extruder with improved dispersive mixing |
| US6136246A (en) * | 1997-11-07 | 2000-10-24 | Rauwendaal Extrusion Engineering | Screw extruder with improved dispersive mixing elements |
| US6234659B1 (en) | 1998-09-25 | 2001-05-22 | Hpm Corporation | Surge suppressor for vented injection molding machine screw |
| US6056430A (en) * | 1998-09-25 | 2000-05-02 | Hpm Corporation | Plasticating apparatus having a multichannel wave screw with a cross channel solids transition |
| US6132075A (en) * | 1998-09-25 | 2000-10-17 | Hpm Corporation | Multichannel wave screw with a slush channel barrier section |
| US6132076A (en) * | 1998-12-09 | 2000-10-17 | General Electric Company | Single extruder screw for efficient blending of miscible and immiscible polymeric materials |
| US6179461B1 (en) * | 1999-09-03 | 2001-01-30 | Davis-Standard Corporation | Extruder screw |
| US6176606B1 (en) * | 1999-09-03 | 2001-01-23 | Davis-Standard Corporation | Extruder screw |
| AU2001294715A1 (en) * | 2000-09-26 | 2002-04-08 | Clemson University | Chaotic mixing method and structured materials formed therefrom |
| KR20030012725A (ko) * | 2001-08-04 | 2003-02-12 | 학교법인 포항공과대학교 | 나선 유동을 이용한 카오스 혼합용 마이크로 채널 및 그제조 방법 |
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| US20050236734A1 (en) * | 2004-04-22 | 2005-10-27 | Rauwendaal Extrusion Engineering, Inc. | Screw extruder and extruder screw for improved heat transfer |
| DE102008051973A1 (de) * | 2008-10-16 | 2010-04-22 | Vmi - Az Extrusion Gmbh | Extrusions-Fördervorrichtung |
| EP2449075B1 (en) | 2009-07-01 | 2013-05-01 | The Procter and Gamble Company | Single screw extruder for dryer bar manufacture |
| EP2449165A1 (en) | 2009-07-01 | 2012-05-09 | The Procter & Gamble Company | Dryer bar having void volumes |
| US8962756B2 (en) * | 2009-07-29 | 2015-02-24 | Toray Industries, Inc. | Polymer alloy, process for producing same, and molded article |
| MY160163A (en) | 2009-08-28 | 2017-02-28 | Toray Industries | Polylactic acid stereocomplex, method for production thereof, and nucleating agent for polylactic acid resin |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE402879C (de) * | 1924-09-20 | Horst Ahnhudt | Knetschraube fuer Maschinen zum Kneten von plastischen Massen | |
| US1626675A (en) * | 1924-02-26 | 1927-05-03 | Jr William Lee Hanley | Clay tempering and expressing apparatus |
| US2484506A (en) * | 1946-06-10 | 1949-10-11 | Elwin A Hawk | Apparatus for measuring and controlling pug mill output |
| DE1233130B (de) * | 1962-03-13 | 1967-01-26 | Willi Mueller | Schneckenstrangpresse fuer Kunststoffe |
| GB1266136A (ja) * | 1968-03-21 | 1972-03-08 | ||
| US3989941A (en) * | 1972-09-28 | 1976-11-02 | Midland-Ross Corporation | Extruder and screw therefor for effecting transverse currents in work material handled thereby |
| JPS49130953A (ja) * | 1973-04-07 | 1974-12-16 | ||
| US3901482A (en) * | 1974-05-20 | 1975-08-26 | Marion Corp | Dough mixer |
| DE2542515C3 (de) * | 1975-09-24 | 1980-09-04 | Paul Troester Maschinenfabrik, 3000 Hannover | Extruderschnecke für die Verarbeitung von Kunststoffen und Kautschuk |
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| US4215978A (en) * | 1978-07-14 | 1980-08-05 | Ube Industries, Ltd. | Resin moulding screws |
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-
1994
- 1994-09-02 ES ES94306480T patent/ES2139713T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1994-09-02 EP EP94306480A patent/EP0644034B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-09-02 DE DE69421870T patent/DE69421870T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-09-14 JP JP21964494A patent/JP3410561B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1995
- 1995-11-16 US US08/558,380 patent/US5551777A/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE69421870D1 (de) | 2000-01-05 |
| EP0644034B1 (en) | 1999-12-01 |
| US5551777A (en) | 1996-09-03 |
| DE69421870T2 (de) | 2000-06-15 |
| JPH07148822A (ja) | 1995-06-13 |
| EP0644034A1 (en) | 1995-03-22 |
| ES2139713T3 (es) | 2000-02-16 |
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