JP3712762B2 - 押出機運転シミュレーションシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は押出機運転シミュレーションシステムに関し、さらに詳しくは押出機を開発する際に、樹脂組成物の物性の向上や品質の安定化、生産性の向上や生産技術の開発を短縮化するために、押出機内部の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素の定量化計算、サイドフィード計算をシミュレーションするシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
単軸押出機の運転状態を予測計算するシミュレションシステムとしては、カナダ国ＭｃＭａｓｔｅｒ大学 Ｖｌａｃｈｏｐｏｕｌｏｓらが作った「ＥＸＴＲＵＣＡＤ」が知られている。この技術では、スクリュ軸に対し平行方向に温度分布、圧力分布、ソリッドベッド分布および剪断速度分布が計算でき、半径方向の剪断速度分布および温度分布が計算できる。
【０００３】
二軸押出機の運転状態を予測計算するシミュレーションシステムとしては、米国アクロン工科大学のＷｈｉｔｅらが作った商品名「ＡＫＲＯ−ＣＯ−ＴＷＩＮＳＣＲＥＷ」が公知である。この技術では、スクリュ軸と平行方向での圧力分布と充満率分布が計算できる。
また、二軸同方向回転押出機のシミュレーションでスクリュ軸に対し平行方向の樹脂圧力分布、温度分布および充満率分布の計算結果が開示されている（Ｈ．Ｐｏｔｅｎｔｅ（Ｉｎｔｅｒｎ．Ｐｏｌｍ．Ｐｒｏｃ．ＩＸ，ｐ１１（１９９４）））。
【０００４】
また、スクリュ一個一個の押出機のスクリュネジの流動解析は、スクリュネジについては、Ｍ．Ｌ．Ｂｏｏｙ（Ｐｏｌｙｍ．Ｅｎｇ．Ｓｉｃ．，２０、１２２０（１９８０））、Ｃ．Ｄ．Ｄｅｎｓｅｎ（Ｐｏｌｙｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．，２０，９６５，（１９８０））、Ｊ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ（Ａｄｖ．Ｐｏｌｙｍ．Ｔｅｃｈ．，７，１７７，（１９８７））の文献が公知である。
【０００５】
ニィーディングディスクについては、Ｊ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ（Ｉｎｔ．Ｐｏｌｙｍ．Ｐｒｏｃ．，１，２０７（１９８７）、Ｊ．Ｎｏｎ−Ｎｅｗｔ．ＦｌｕｉｄＭｅｃｈ．，２８、２９（１９８８））の文献が公知である。
スクリュネジの充満率についてはＨ．Ｗｅｒｎｅｒ（ＳＰＥ３７ｔｈ ＡＮＴＥＣ １９７９ Ｐ１８１）の文献が公知である。
【０００６】
また、ステーブンス工科大学のＲＡＫＯＳらは、ＰＭＳ（１９８９〜１９９５）の資料で３次元流動解析ソフトで剪断速度分布、圧力分布および発熱量分布の計算法を示している。
押出機の混合の指標については、Ｈ．Ｗｅｒｎｅｒ（ＳＰＥ ３７ｔｈ ＡＮＴＥＣ、ｐ１８１（Ｍａｙ１９８１）とＪ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ（Ｉｎｔｅｒ．Ｐｏｌｍ．Ｐｒｏｃ．４，Ｐ２０７（１９８７）が、バックフロ−と前進流の比とトレーサーの濃度で、滞留時間分布を計算しており、混合の指標とする技術を開示している。
【０００７】
押出機の剪断力は、Ｂｅｒｎｈａｒｄｔ（Ｐｒｏｃｅｓｓ．ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏ．Ｍａｔｅｒ，Ｐ１１２（１９６３））が溶融粘度と剪断速度の２乗と滞留時間の積を指標とする概念の技術を開示している。
混合と練り（剪断力）を同時に計算する技術として Ｊ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅは、Ｉｎｔｅｒｎ．Ｐｏｌｍ．Ｐｒｏｃｅ．２，Ｐ１５６（１９９１）にバックフローと押出流量の比と剪断速度を組み合わせた計算技術を開示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
「ＥＸＴＲＵＣＡＤ」は、圧力、温度および剪断速度についてスクリュ軸方向と半径方向の分布を計算しているが、押出加工中で最も知りたい混合、剪断のそれぞれについては計算されていないという点で不十分である。また、サイドフィ−ドの計算機能がなく、実際の押出機の運転状況をシミュレーションしているとはいいがたい。
【０００９】
アクロン工科大学のＷｈｉｔｅらが作った「ＡＫＲＯ−ＣＯ−ＴＷＩＮ ＳＣＲＥＷ」では、スクリュ軸と平行方向での圧力分布と充満率分布の計算が開示されているだけであり、樹脂の混合、剪断、温度が計算されていないという点で不十分である。また、サイドフィードの計算機能がないので、実際の押出機の運転状況をシミュレーションできないという点で不十分であった。
【００１０】
押出機スクリュの流動解析ソフトは、圧力分布および剪断速度分布は計算できるが、混合分布、剪断力分布、充満率分布の計算ができない。この計算法は、スクリュをスクリュ軸方向および半径方向に細かく分割して、数多くのセルを作り、行列で解を求めているので、膨大な計算時間やメモリを必要とするので、この計算法により押出機全体の計算をすることは実質的に不可能であった。
【００１１】
また、Ｗｅｒｎｅｒの技術は混合というより混練の指標であり、練りの指標も含んだ技術である。さらに、押出機のニィーディングディスクの羽根の枚数やスクリュ回転数、押出量の効果を定量化できなかった。さらに、剪断力の計算方法が開示されていない。すなわち、実質的に粘度を計算するための温度計算や剪断速度の計算法、滞留時間の厳格な範囲が開示されておらず、計算が困難であった。
【００１２】
Ｈ．Ｐｏｔｅｎｔｅの技術は、充満率、圧力、温度の計算はできるが、押出機の仕様で重要な剪断力、混合は計算できていない。また、サイドフィード計算法も開示されていない。
Ｗｈｉｔｅの混練のシミュレーション技術は、混合と練り（剪断力）が一体で計算されるため、混合と練り（剪断力）を分けて、解析することが困難であった。また、練り（剪断力）については、剪断速度で計算しているため、粘度や滞留時間の効果を明確に知ることができなかった。
【００１３】
混練要素を解析する場合、混合と練り（剪断力）は、個々に評価する必要がある。すなわち、混合とは位置交換による混合であり、例えば、スクリュネジでは位置交換による混合はほぼゼロであり、ニィーディングディスクでは羽根の角度および羽根枚数で位置交換による混合の程度が異なる。
このように、混合と練り（剪断力）を一体で計算した技術では、スクリュの種類の性能を解析できなかった。
【００１４】
押出機の実際の運転状態をシミュレーションし、混練要素データを解析するには、押出機内部の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク比エネルギー、平均滞留時間の混練要素のそれぞれをスクリュ軸と平行方向に連続的に計算できることが必要であり、サイドフィード計算機能も必要であった。以上の点に鑑み、本発明は混練要素のそれぞれを計算できる押出機運転シミュレーションシステムを提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る押出機運転シミュレーションシステムは、メインホッパーから下流に向かって最初の第一フィードと、樹脂、フィラー、ファイバーまたは液体のサイドフィードとを行う押出機の装置条件と押出運転条件から、押出機内部の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素の状態を演算する押出機運転シミュレーションシステムにおいて、前記押出機の全長を、スクリュ軸の流れ方向に対し、垂直方向にＬ／Ｄ＝０．０１〜０．５の幅で第一フィードからダイ出口まで分割するセル分割設定手段と、前記分割されたセル中の溶融樹脂の混練要素を各フィードについて演算すると共に、混合および剪断力の指標についてそれぞれ前記第一フィードからダイ出口まで連続的に演算する樹脂混練要素演算手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２に係る押出機運転シミュレーションシステムは、セル分割設定手段および樹脂混練要素演算手段の他に、バレル構成条件データ、スクリュ構成条件データ、フィード条件に関する入力データ（フィード回数、各フィード位置、各フィード量、各フィード温度条件、ベント回数とそのベント圧力）、バレル温度データとスクリュ回転数データを入力する押出機条件設定入力手段、物性データを入力する押出機条件入力手段、スクリュ種類に対応する混練要素データを記憶する流動解析データベースおよび表示手段を有し、押出機条件設定入力手段および押出機条件入力手段で入力したデータから、前記セル分割設定手段で分割したセル中の溶融樹脂の混練要素を樹脂混練要素演算手段で演算し、得られた混練要素と押出量、回転数との関係を関数化して流動解析データベースに記憶し、当該流動解析データベースに記憶したデータを再び樹脂混練要素演算手段に出力して他のセルの混練要素の演算に用いると共に、樹脂混練要素演算手段で演算した混練要素を表示手段で表示または印字することを特徴とする。さらに、請求項３に係る押出機運転シミュレーションシステムは、混合および剪断力の指標についてそれぞれ下記式に従ってフィードから出口ダイまで連続的に演算することを特徴とする。
【００１７】
【数３】
【００１８】
【数４】
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の押出機運転シミュレーションシステムのブロック図である。
図において、押出機条件設定入力手段１には、押出機の形状やスクリュのデザイン、運転条件が入力される。
【００２０】
例えば、スクリュデザインとしてスクリュ構成、バレル構成が入力される。運転条件としては、バレル温度、回転数、フィード量、フィード温度、フィード位置、ベント圧、ベント位置、フィード回数、ベント回数が入力される。押出機としては、単軸押出機、二軸同方向回転押出機または二軸異方向回転押出機の形状や運転条件を入力することができ、これらの押出機のシミュレーションを行うことができる。
【００２１】
具体的な例として、単軸押出機ではｂｕｓｓ社コニーダー、二軸同方向回転押出機としてはＷ＆Ｐ社ＺＳＫシリ−ズ、東芝機械社ＴＥＭシリーズ、日本製鋼所ＴＥＸシリーズ等、二軸異方向回転押出機としては日本製鋼所ＴＥＸシリーズ等が挙げられる。
押出条件入力手段２には、押出される樹脂等の物性データが入力される。物性データとして、押出される樹脂や混入されるフィラー等の溶融粘度、密度、比熱が入力される。
【００２２】
セル分割設定手段３は、押出機の全長を、スクリュ軸の流れ方向に対し、垂直方向にＬ／Ｄ＝０．０１〜０．５（Ｌは全長、Ｄは直径）の巾でフィードからダイ出口まで分割する。
例えば、図２に示すように、メインホッパー１１とダイ１４を有し、第一フィード１２、第二フィード１３を有する押出機１０において、樹脂流れに対し、垂直方向に複数のセル（ここでは、幅０．０５Ｄ）に分割する。
【００２３】
セルは、Ｌ／Ｄ＝０．０１より巾が狭いと計算時間がかかり過ぎ、メモリー量を消費する。また、Ｌ／Ｄ＝０．５より巾が広いと温度の計算の誤差が大きい。なお、第一フィード位置は、メインホッパー１１から下流に向かって最初のフィード位置をいう。
また、サイドフィードとは、第一フィードより下流の第二フィード、第三フィ−ド、第四フィード、第五フィード等のことである。
【００２４】
樹脂混練要素演算手段４は、押出機の条件と押出条件から、押出機内部の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合のトルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素の状態を演算する。
流動解析データベース５は、樹脂混練要素演算手段４で演算された混練要素と押出量、回転数との関係を関数化して記憶する。記憶されたデータは再び樹脂混練要素演算手段４に出力され、他のセルの混練要素を演算する際に用いられる。
【００２５】
表示手段６は、演算された樹脂混練要素を所定のフォーマットで出力するものであり、ディスプレイに表示したり、あるいは印字される。
セル分割設定手段３および樹脂混練要素演算手段４について、さらに詳細に説明するが、その前に使用される演算式を以下に示す。
充満率は式（１）で求められる。
【００２６】
【数５】
【００２７】
また、圧力は式（２）で求められる。
【００２８】
【数６】
【００２９】
無次元圧力勾配ｄＰ／ｄｚは、１次元、２次元または３次元のスクリュパーツ１個の流動解析ソフトの平均値を使用しても良い。
温度は式（３）で求められる。
【００３０】
【数７】
【００３１】
剪断力は式（４）で求められる。
【００３２】
【数８】
【００３３】
混合は式（５）で求められる。
【００３４】
【数９】
【００３５】
バックフローの流量と前進流の流量とは、図３に示す流量で、二次元流動解析ソフトおよび三次元流動解析方法を用いて、バックフロー流量と前進流の流量の計算値を使っても良い。
ポリマーの入力物性値は、比熱、密度および溶融粘度で、データは、
【００３６】
【数１０】
【００３７】
【数１１】
【００３８】
【数１２】
【００３９】
に示すように温度との関数にすることが好ましい。関数式は、温度に対し１次の線形でも良いし、２次、３次、対数の非線形になっても構わない。温度が変化すると物性は、温度の関数となっているので、変化する。それとともに充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間が変化する。
トルクは式（６）で求められる。
【００４０】
【数１３】
【００４１】
比エネルギー（ＥＳＰ）は式（７）で求められる。
【００４２】
【数１４】
【００４３】
平均滞留時間は式（８）で求められる。
【００４４】
【数１５】
【００４５】
また、流量解析データベース５には、充満率、圧力、混合およびトルクをＦ（Ｑ，Ｎ）とし、回転数と押出量の関数化にして記憶する。
すなわち、式（１）、式（２）、式（５）、式（６）の式をＱ、Ｎで整理し、各スクリュ種類に対しＤ０、Ｄ１、Ｄ２の係数を求め、関数化して、式（１２）として記憶する。
【００４６】
【数１６】
【００４７】
このように、充満率、トルク、圧力の混練要素を１次元、２次元または３次元、もしくはこれらの組み合わせた流動解析手段で計算し、混練要素と押出量および回転数との関係を関数化したデータベース５を作成し、データベース５を用いてセル中の混練要素を計算することにより、計算時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００４８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
図５、図６および図７は、セル分割設定手段３および樹脂混練要素演算手段４の動作を示すフローチャートである。以下、各ステップについて説明する。
（ａ）ステップ１０１
バレル構成、スクリュ構成、運転条件、物性条件が入力される。
【００４９】
図８〜１０は、入力プログラムの画面であり、図８はバレル構成、図９はスクリュ構成、図１０は運転条件を入力するための画面である。
以下は実際に入力した値や条件である。
（１）バレル
バレルは１〜５、７〜１１、１３を１６５ｍｍの長さのバレルとし、バレル６、１２を４０ｍｍバレルとした。
（２）スクリュ構成
スクリュ構成は順送りスクリュとニィーディングディスクの組み合わせからなる混練ゾーンとからなるとした。
（３） 混練ゾーン
▲４▼第一混練ゾーン、▲５▼第二混練ゾーン、▲６▼第三混練ゾーン、▲７▼第四混練ゾーン、▲８▼第五混練ゾーンの５箇所を設定した。
（４）フィード位置、フィード温度、フィード量
さらに、フィード位置、フィード温度、フィード量を表１に示すように設定した。
【００５０】
【表１】
【００５１】
（５）ベント位置、ベント圧
さらに、ベント位置、ベント圧を表２に示すように設定した。
【００５２】
【表２】
【００５３】
（６）バレル温度
さらに、バレル温度を表３に示す値として設定した。
【００５４】
【表３】
【００５５】
（７）回転数
回転数を２９５ｒｐｍに設定した。
（８）物性条件
押出条件入力手段２には物性値として下記に示す以下の条件を入力した。
【００５６】
【数１７】
【００５７】
（９）セルの分割巾
セルの分割巾を入力する。Ｌ／Ｄ＝０．０５とした。
（ｂ）ステップ１０２
ステップ１０２において、セル分割手段３が押出機をスクリュ長さ方向にＬ／Ｄ＝０．０５で分割される。
【００５８】
スクリュ軸の長さＬ＝４７．３７５、分割巾Ｌ／Ｄ＝０．０５であるので、セルの分割数は９４８＋ダイ部＝９４９である。
（ｃ）ステップ１０３
スクリュの軸長さ方向のスクリュ種類による形状の違いおよびポリマーの指数違いによる充満率（式１）、圧力（式２）、混合（式５）、トルク（式６）を式（１２）にまとめ、各係数の配列を下記のように宣言する。
【００５９】
Ｄ０（４、９４９）
Ｄ１（４、９４９）
Ｄ２（４、９４９）
さらに、計算結果の配列の宣言をする。
充満率 ＦＤ（９４９）
圧力Ｐ （９４９）
温度 （９４９）
混合 （９４９）
トルク （９４９）
剪断力Ｓ （９４９）
比エネルギー ＥＳＰ（９４９）
平均滞留時間 ＲＴ（９４９）
充満率、平均滞留時間、圧力、温度、トルク、比エネルギー、練り、混合であり、初期値の設定：各セルのスクリュ構成に応じた式（１）、式（２）、式（５）、式（６）を式（１２）に示す混練要素の各係数を設定する。
【００６０】
式（１）、式（２）、式（５）、式（６）に示す各混練要素は、回転数と容積流量の値を読み込むことで計算できる。
さらに、バレルのセルのメモリ配列を宣言する。
ＢＴ（９４９）
さらに、バレルのセルの温度を設定する。
【００６１】
さらに、第一から第三のフィードセルの番号、フィード質量流量、フィード温度を設定し、第一から第四のベントセル番号、ベント圧を設定する。
（ｄ）ステップ１０４
充満率の初期値が設定される。順送りスクリュは充満率＝０．４、逆送りスクリュおよびニィーディングディスクは、充満率＝１とし、第一フィードセルからダイまでのセルに対応するスクリュ種を読み取り、ＦＤ（Ｉ）に初期値を与える。
【００６２】
混練ゾーンと混練ゾーンに挟まれた順送りスクリュの圧力Ｐ（Ｉ）は、ベント圧とする。第一フィードの位置が順送りスクリュなら第一混練ゾーンと第二混練ゾーンの全ての順送りスクリュ部の圧力Ｐ（Ｉ）は、大気圧と仮定する。
第二ベントでは、第二混練ゾーンと第三混練ゾーンの間の全ての順送りスクリュは、第二ベント圧と仮定する。
【００６３】
第二フィードセルから第三フィードセル−１番目までの質量流量は、第一フィード質量流量と第二フィード質量流量の和である。
第三フィードセルからダイまでの質量流量は、第一フィード質量流量と第二フィード質量流量と第三フィード質量流量の和である。
（ｅ）ステップ１０５
第一フィードセルの温度計算をＴｉ＝第一フィード温度とし、Ｔｉで比熱Ｃｐ（Ｔ）、密度ＲＯＵ（Ｔ）から容積流量が計算される。式（６）のトルクをＱ、Ｎから計算し、式（３）に代入し、Ｔｏが計算される。
（ｆ）ステップ１０６
式（３）のＴｐの値を比熱Ｃｐ（Ｔ）、密度ＲＯＵ（Ｔ）から容積流量を計算し、再度Ｔｏが計算される。
（ｇ）ステップ１０７
先に計算したＴｏと後に計算したＴｏが収束するまで計算が繰り返される。収束条件は、誤差０．０１℃以内である。
（ｈ）ステップ１０８
セルの充満率が１であるか判断される。
（ｉ）ステップ１０９
図１０より第一フィードセルは、充満率が初期値０．４であるので、式（１）より、充満率を計算する。
（ｊ）ステップ１１１
ステップ１０９で計算された充満率が初期値と誤差０．０１以上であるならステップ１０１〜１０８を繰り返し、もう一度充満率を計算し、収束するまで、繰り返す。
（ｋ）ステップ１１２
充満率が収束したとき、式（４）、式（５）、式（７）、式（８）でセルの各混練要素を計算する。
（ｌ）ステップ１１０
充満率が１の時は、圧力を式（２）を使って計算し、ステップ１１２の式（４）、式（５）、式（７）、式（８）でセルの各混練要素を計算する。
（ｍ）ステップ１１３
次に、次のセルが第二混練ゾーンの終わりかどうか判断する。また、充満率１のセルの終わりか判断する。次のセルは、充満率０．４なので、次のセルのＴｉ＝Ｔｏ（前のセルの出口温度）とし、ステップ１０１〜１１３の計算を繰り返す。
（ｎ）ステップ１１４
第二混練ゾーンの最後のセルならば、圧力が第二混練ゾーン最後のセル＋１番目の圧力（第一ベント圧）と誤差１０Ｐａ以内かどうか判断する。圧力が一致しないときは、▲３▼に進む。
（ｏ）ステップ２０１
第二混練ゾーン最後のセル＋１番目の圧力をセル出口圧力として、第一フィードセルまで上流方向に逆計算する。
（ｐ）ステップ２０２
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高いかどうか判断する。
（ｑ）ステップ２０３
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）＝１とする。
（ｒ）ステップ２０４
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より低い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）の値は変えない。
（ｓ）ステップ２０５
下流側のセルの圧力計算をする。
（ｔ）ステップ２０６
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高いかどうか判断する。
（ｕ）ステップ２０７
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）＝１とする。
（ｖ）ステップ２０８
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より低い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）の値は変えない。
（ｗ）ステップ２０９
セルが第一フィードセルに達したら、▲２▼に戻り、計算を繰り返し、ステップ１１４で収束したら、次の第二混練ゾーン＋１番目のセルから第三混練混練ゾーン最後のセルまで同様に計算を繰り返す。
【００６４】
第二フィードセルの温度計算の入力温度計算は後述する計算法で計算する。また、物性値は、第二フィード物性に変える。
（ｘ）ステップ１１５
ダイまで計算が終了したら、計算結果をモニター画面に表示する（図１０）。
（ｙ）ステップ１１７
計算結果をハードディスクやフロッピーディスク、光磁気ディスク等の記録媒体に記録する。
【００６５】
次に、サイドフィード計算の概要と計算方法を説明する。
図４はサイドフィード計算の概要を示す図であり、サイドフィードセルに入る温度Ｔｉは下記の式（１３）で表され、Ｔi とＣＰmix が誤差±０．０１℃で収束するまで計算する。
【００６６】
【数１８】
【００６７】
セルＳi の出口温度計算は以下の式（１４）で表される。
【００６８】
【数１９】
【００６９】
図１１は上記のシミュレーションを行った結果を表示した例である。この図より、サイドフィード（第二フィード、第三フィード）セルの値が顕著に変わるのが明白である。
また、充満率は上がり、温度は急激に下がり、剪断力も温度が低下した分、急激に上がっている。このように、サイドフィード時、サイドフィード量、サイドフィード温度、バレル温度との関係から、サイドフィード時の樹脂の未溶融物の検討、混・練の過不足を検討することができる。
【００７０】
図１２は他のシミュレーション結果を示す演算結果であり、押出量を１．２５倍にし、全押出量を１００ｋｇ／Ｈとしたものである。
上記の実施例と比べ、押出量が８０から１００ｋｇ／Ｈに増えた分、充満率が上がり、ダイ圧が上がり、平均滞留時間は短くなる。また、ダイ出口温度は下がり、全剪断量は下がり、全混合は下がるのがわかる。
【００７１】
図１３は上記の実施例と比べ、押出量を０．７５倍にした例であり、全押出量を６０ｋｇ／Ｈとしたものである。
上記の実施例と比べ、押出量が８０から６０ｋｇ／Ｈに減った分、充満率は下がり、ダイ圧が下がり、平均滞留時間は長くなる。また、ダイ出口温度は上がり、全剪断量は上がり、全混合は上がるのがわかる。
【００７２】
図１４は上記の実施例の回転数を５００ｒｐｍにしたものであり、上記の実施例と比べ、回転数が２９５から５００ｒｐｍに増えた分、充満率が下がり、ダイ圧は下がり、平均滞留時間は短くなる。また、ダイ出口温度は上がり、全剪断量は上がり、全混合は上がるのがわかる。
図１５は上記の実施例の回転数を２００ｒｐｍにしたものであり、上記の実施例と比べ、回転数が２９５から２００ｒｐｍに減った分、充満率が上がり、ダイ圧は上がり、平均滞留時間は長くなる。また、ダイ出口温度は下がり、全剪断量は下がり、全混合は下がるのがわかる。
【００７３】
【発明の効果】
請求項１に係る押出機運転シミュレーションシステムによれば、押出機内部の樹脂の運転条件、スクリュ構成、バレル構成の条件を変えた時の混練要素のそれぞれをシミュレーションすることができる。また、計算時間を速くし、メモリーの容量を小さくし、押出機のフィードするセルからダイ出口まで分割したセル中の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素を計算することができる。
【００７４】
従って、運転状況を定量化できるので、樹脂組成物の物性の向上、品質の安定化、生産性の向上、生産技術開発の短縮化等が図れる。
請求項２に係る押出機運転シミュレーションシステムによれば、複数のフィードについて混練要素を演算するので、実際の押出機のシミュレーションを実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの概要図である。
【図２】押出機の全体図およびセルを示す図である、
【図３】ニィーディングディスクの混合の概念図である。
【図４】サイドフィード計算法を示す概要図である。
【図５】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの動作を示すフローッチャートである。
【図６】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの動作を示すフローッチャートである。
【図７】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの動作を示すフローッチャートである。
【図８】バレル構成の入力画面である。
【図９】スクリュ構成の入力画面である。
【図１０】押出機の設定条件入力画面である。
【図１１】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１２】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１３】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１４】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１５】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【符号の説明】
１ 押出機条件設定入力手段
２ 押出条件入力手段
３ セル分割手段
４ 樹脂混練要素演算手段
５ 流動解析データベース
６ 表示手段
１１ メインホッパー
１２ 第一フィード
１３ 第二フィード
１４ ダイ出口
１５ セル
【発明の属する技術分野】
本発明は押出機運転シミュレーションシステムに関し、さらに詳しくは押出機を開発する際に、樹脂組成物の物性の向上や品質の安定化、生産性の向上や生産技術の開発を短縮化するために、押出機内部の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素の定量化計算、サイドフィード計算をシミュレーションするシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
単軸押出機の運転状態を予測計算するシミュレションシステムとしては、カナダ国ＭｃＭａｓｔｅｒ大学 Ｖｌａｃｈｏｐｏｕｌｏｓらが作った「ＥＸＴＲＵＣＡＤ」が知られている。この技術では、スクリュ軸に対し平行方向に温度分布、圧力分布、ソリッドベッド分布および剪断速度分布が計算でき、半径方向の剪断速度分布および温度分布が計算できる。
【０００３】
二軸押出機の運転状態を予測計算するシミュレーションシステムとしては、米国アクロン工科大学のＷｈｉｔｅらが作った商品名「ＡＫＲＯ−ＣＯ−ＴＷＩＮＳＣＲＥＷ」が公知である。この技術では、スクリュ軸と平行方向での圧力分布と充満率分布が計算できる。
また、二軸同方向回転押出機のシミュレーションでスクリュ軸に対し平行方向の樹脂圧力分布、温度分布および充満率分布の計算結果が開示されている（Ｈ．Ｐｏｔｅｎｔｅ（Ｉｎｔｅｒｎ．Ｐｏｌｍ．Ｐｒｏｃ．ＩＸ，ｐ１１（１９９４）））。
【０００４】
また、スクリュ一個一個の押出機のスクリュネジの流動解析は、スクリュネジについては、Ｍ．Ｌ．Ｂｏｏｙ（Ｐｏｌｙｍ．Ｅｎｇ．Ｓｉｃ．，２０、１２２０（１９８０））、Ｃ．Ｄ．Ｄｅｎｓｅｎ（Ｐｏｌｙｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．，２０，９６５，（１９８０））、Ｊ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ（Ａｄｖ．Ｐｏｌｙｍ．Ｔｅｃｈ．，７，１７７，（１９８７））の文献が公知である。
【０００５】
ニィーディングディスクについては、Ｊ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ（Ｉｎｔ．Ｐｏｌｙｍ．Ｐｒｏｃ．，１，２０７（１９８７）、Ｊ．Ｎｏｎ−Ｎｅｗｔ．ＦｌｕｉｄＭｅｃｈ．，２８、２９（１９８８））の文献が公知である。
スクリュネジの充満率についてはＨ．Ｗｅｒｎｅｒ（ＳＰＥ３７ｔｈ ＡＮＴＥＣ １９７９ Ｐ１８１）の文献が公知である。
【０００６】
また、ステーブンス工科大学のＲＡＫＯＳらは、ＰＭＳ（１９８９〜１９９５）の資料で３次元流動解析ソフトで剪断速度分布、圧力分布および発熱量分布の計算法を示している。
押出機の混合の指標については、Ｈ．Ｗｅｒｎｅｒ（ＳＰＥ ３７ｔｈ ＡＮＴＥＣ、ｐ１８１（Ｍａｙ１９８１）とＪ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ（Ｉｎｔｅｒ．Ｐｏｌｍ．Ｐｒｏｃ．４，Ｐ２０７（１９８７）が、バックフロ−と前進流の比とトレーサーの濃度で、滞留時間分布を計算しており、混合の指標とする技術を開示している。
【０００７】
押出機の剪断力は、Ｂｅｒｎｈａｒｄｔ（Ｐｒｏｃｅｓｓ．ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏ．Ｍａｔｅｒ，Ｐ１１２（１９６３））が溶融粘度と剪断速度の２乗と滞留時間の積を指標とする概念の技術を開示している。
混合と練り（剪断力）を同時に計算する技術として Ｊ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅは、Ｉｎｔｅｒｎ．Ｐｏｌｍ．Ｐｒｏｃｅ．２，Ｐ１５６（１９９１）にバックフローと押出流量の比と剪断速度を組み合わせた計算技術を開示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
「ＥＸＴＲＵＣＡＤ」は、圧力、温度および剪断速度についてスクリュ軸方向と半径方向の分布を計算しているが、押出加工中で最も知りたい混合、剪断のそれぞれについては計算されていないという点で不十分である。また、サイドフィ−ドの計算機能がなく、実際の押出機の運転状況をシミュレーションしているとはいいがたい。
【０００９】
アクロン工科大学のＷｈｉｔｅらが作った「ＡＫＲＯ−ＣＯ−ＴＷＩＮ ＳＣＲＥＷ」では、スクリュ軸と平行方向での圧力分布と充満率分布の計算が開示されているだけであり、樹脂の混合、剪断、温度が計算されていないという点で不十分である。また、サイドフィードの計算機能がないので、実際の押出機の運転状況をシミュレーションできないという点で不十分であった。
【００１０】
押出機スクリュの流動解析ソフトは、圧力分布および剪断速度分布は計算できるが、混合分布、剪断力分布、充満率分布の計算ができない。この計算法は、スクリュをスクリュ軸方向および半径方向に細かく分割して、数多くのセルを作り、行列で解を求めているので、膨大な計算時間やメモリを必要とするので、この計算法により押出機全体の計算をすることは実質的に不可能であった。
【００１１】
また、Ｗｅｒｎｅｒの技術は混合というより混練の指標であり、練りの指標も含んだ技術である。さらに、押出機のニィーディングディスクの羽根の枚数やスクリュ回転数、押出量の効果を定量化できなかった。さらに、剪断力の計算方法が開示されていない。すなわち、実質的に粘度を計算するための温度計算や剪断速度の計算法、滞留時間の厳格な範囲が開示されておらず、計算が困難であった。
【００１２】
Ｈ．Ｐｏｔｅｎｔｅの技術は、充満率、圧力、温度の計算はできるが、押出機の仕様で重要な剪断力、混合は計算できていない。また、サイドフィード計算法も開示されていない。
Ｗｈｉｔｅの混練のシミュレーション技術は、混合と練り（剪断力）が一体で計算されるため、混合と練り（剪断力）を分けて、解析することが困難であった。また、練り（剪断力）については、剪断速度で計算しているため、粘度や滞留時間の効果を明確に知ることができなかった。
【００１３】
混練要素を解析する場合、混合と練り（剪断力）は、個々に評価する必要がある。すなわち、混合とは位置交換による混合であり、例えば、スクリュネジでは位置交換による混合はほぼゼロであり、ニィーディングディスクでは羽根の角度および羽根枚数で位置交換による混合の程度が異なる。
このように、混合と練り（剪断力）を一体で計算した技術では、スクリュの種類の性能を解析できなかった。
【００１４】
押出機の実際の運転状態をシミュレーションし、混練要素データを解析するには、押出機内部の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク比エネルギー、平均滞留時間の混練要素のそれぞれをスクリュ軸と平行方向に連続的に計算できることが必要であり、サイドフィード計算機能も必要であった。以上の点に鑑み、本発明は混練要素のそれぞれを計算できる押出機運転シミュレーションシステムを提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る押出機運転シミュレーションシステムは、メインホッパーから下流に向かって最初の第一フィードと、樹脂、フィラー、ファイバーまたは液体のサイドフィードとを行う押出機の装置条件と押出運転条件から、押出機内部の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素の状態を演算する押出機運転シミュレーションシステムにおいて、前記押出機の全長を、スクリュ軸の流れ方向に対し、垂直方向にＬ／Ｄ＝０．０１〜０．５の幅で第一フィードからダイ出口まで分割するセル分割設定手段と、前記分割されたセル中の溶融樹脂の混練要素を各フィードについて演算すると共に、混合および剪断力の指標についてそれぞれ前記第一フィードからダイ出口まで連続的に演算する樹脂混練要素演算手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２に係る押出機運転シミュレーションシステムは、セル分割設定手段および樹脂混練要素演算手段の他に、バレル構成条件データ、スクリュ構成条件データ、フィード条件に関する入力データ（フィード回数、各フィード位置、各フィード量、各フィード温度条件、ベント回数とそのベント圧力）、バレル温度データとスクリュ回転数データを入力する押出機条件設定入力手段、物性データを入力する押出機条件入力手段、スクリュ種類に対応する混練要素データを記憶する流動解析データベースおよび表示手段を有し、押出機条件設定入力手段および押出機条件入力手段で入力したデータから、前記セル分割設定手段で分割したセル中の溶融樹脂の混練要素を樹脂混練要素演算手段で演算し、得られた混練要素と押出量、回転数との関係を関数化して流動解析データベースに記憶し、当該流動解析データベースに記憶したデータを再び樹脂混練要素演算手段に出力して他のセルの混練要素の演算に用いると共に、樹脂混練要素演算手段で演算した混練要素を表示手段で表示または印字することを特徴とする。さらに、請求項３に係る押出機運転シミュレーションシステムは、混合および剪断力の指標についてそれぞれ下記式に従ってフィードから出口ダイまで連続的に演算することを特徴とする。
【００１７】
【数３】
【数４】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の押出機運転シミュレーションシステムのブロック図である。
図において、押出機条件設定入力手段１には、押出機の形状やスクリュのデザイン、運転条件が入力される。
【００２０】
例えば、スクリュデザインとしてスクリュ構成、バレル構成が入力される。運転条件としては、バレル温度、回転数、フィード量、フィード温度、フィード位置、ベント圧、ベント位置、フィード回数、ベント回数が入力される。押出機としては、単軸押出機、二軸同方向回転押出機または二軸異方向回転押出機の形状や運転条件を入力することができ、これらの押出機のシミュレーションを行うことができる。
【００２１】
具体的な例として、単軸押出機ではｂｕｓｓ社コニーダー、二軸同方向回転押出機としてはＷ＆Ｐ社ＺＳＫシリ−ズ、東芝機械社ＴＥＭシリーズ、日本製鋼所ＴＥＸシリーズ等、二軸異方向回転押出機としては日本製鋼所ＴＥＸシリーズ等が挙げられる。
押出条件入力手段２には、押出される樹脂等の物性データが入力される。物性データとして、押出される樹脂や混入されるフィラー等の溶融粘度、密度、比熱が入力される。
【００２２】
セル分割設定手段３は、押出機の全長を、スクリュ軸の流れ方向に対し、垂直方向にＬ／Ｄ＝０．０１〜０．５（Ｌは全長、Ｄは直径）の巾でフィードからダイ出口まで分割する。
例えば、図２に示すように、メインホッパー１１とダイ１４を有し、第一フィード１２、第二フィード１３を有する押出機１０において、樹脂流れに対し、垂直方向に複数のセル（ここでは、幅０．０５Ｄ）に分割する。
【００２３】
セルは、Ｌ／Ｄ＝０．０１より巾が狭いと計算時間がかかり過ぎ、メモリー量を消費する。また、Ｌ／Ｄ＝０．５より巾が広いと温度の計算の誤差が大きい。なお、第一フィード位置は、メインホッパー１１から下流に向かって最初のフィード位置をいう。
また、サイドフィードとは、第一フィードより下流の第二フィード、第三フィ−ド、第四フィード、第五フィード等のことである。
【００２４】
樹脂混練要素演算手段４は、押出機の条件と押出条件から、押出機内部の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合のトルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素の状態を演算する。
流動解析データベース５は、樹脂混練要素演算手段４で演算された混練要素と押出量、回転数との関係を関数化して記憶する。記憶されたデータは再び樹脂混練要素演算手段４に出力され、他のセルの混練要素を演算する際に用いられる。
【００２５】
表示手段６は、演算された樹脂混練要素を所定のフォーマットで出力するものであり、ディスプレイに表示したり、あるいは印字される。
セル分割設定手段３および樹脂混練要素演算手段４について、さらに詳細に説明するが、その前に使用される演算式を以下に示す。
充満率は式（１）で求められる。
【００２６】
【数５】
また、圧力は式（２）で求められる。
【００２８】
【数６】
無次元圧力勾配ｄＰ／ｄｚは、１次元、２次元または３次元のスクリュパーツ１個の流動解析ソフトの平均値を使用しても良い。
温度は式（３）で求められる。
【００３０】
【数７】
剪断力は式（４）で求められる。
【００３２】
【数８】
混合は式（５）で求められる。
【００３４】
【数９】
バックフローの流量と前進流の流量とは、図３に示す流量で、二次元流動解析ソフトおよび三次元流動解析方法を用いて、バックフロー流量と前進流の流量の計算値を使っても良い。
ポリマーの入力物性値は、比熱、密度および溶融粘度で、データは、
【００３６】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
に示すように温度との関数にすることが好ましい。関数式は、温度に対し１次の線形でも良いし、２次、３次、対数の非線形になっても構わない。温度が変化すると物性は、温度の関数となっているので、変化する。それとともに充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間が変化する。
トルクは式（６）で求められる。
【００４０】
【数１３】
比エネルギー（ＥＳＰ）は式（７）で求められる。
【００４２】
【数１４】
平均滞留時間は式（８）で求められる。
【００４４】
【数１５】
また、流量解析データベース５には、充満率、圧力、混合およびトルクをＦ（Ｑ，Ｎ）とし、回転数と押出量の関数化にして記憶する。
すなわち、式（１）、式（２）、式（５）、式（６）の式をＱ、Ｎで整理し、各スクリュ種類に対しＤ０、Ｄ１、Ｄ２の係数を求め、関数化して、式（１２）として記憶する。
【００４６】
【数１６】
このように、充満率、トルク、圧力の混練要素を１次元、２次元または３次元、もしくはこれらの組み合わせた流動解析手段で計算し、混練要素と押出量および回転数との関係を関数化したデータベース５を作成し、データベース５を用いてセル中の混練要素を計算することにより、計算時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００４８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
図５、図６および図７は、セル分割設定手段３および樹脂混練要素演算手段４の動作を示すフローチャートである。以下、各ステップについて説明する。
（ａ）ステップ１０１
バレル構成、スクリュ構成、運転条件、物性条件が入力される。
【００４９】
図８〜１０は、入力プログラムの画面であり、図８はバレル構成、図９はスクリュ構成、図１０は運転条件を入力するための画面である。
以下は実際に入力した値や条件である。
（１）バレル
バレルは１〜５、７〜１１、１３を１６５ｍｍの長さのバレルとし、バレル６、１２を４０ｍｍバレルとした。
（２）スクリュ構成
スクリュ構成は順送りスクリュとニィーディングディスクの組み合わせからなる混練ゾーンとからなるとした。
（３） 混練ゾーン
▲４▼第一混練ゾーン、▲５▼第二混練ゾーン、▲６▼第三混練ゾーン、▲７▼第四混練ゾーン、▲８▼第五混練ゾーンの５箇所を設定した。
（４）フィード位置、フィード温度、フィード量
さらに、フィード位置、フィード温度、フィード量を表１に示すように設定した。
【００５０】
【表１】
（５）ベント位置、ベント圧
さらに、ベント位置、ベント圧を表２に示すように設定した。
【００５２】
【表２】
（６）バレル温度
さらに、バレル温度を表３に示す値として設定した。
【００５４】
【表３】
（７）回転数
回転数を２９５ｒｐｍに設定した。
（８）物性条件
押出条件入力手段２には物性値として下記に示す以下の条件を入力した。
【００５６】
【数１７】
（９）セルの分割巾
セルの分割巾を入力する。Ｌ／Ｄ＝０．０５とした。
（ｂ）ステップ１０２
ステップ１０２において、セル分割手段３が押出機をスクリュ長さ方向にＬ／Ｄ＝０．０５で分割される。
【００５８】
スクリュ軸の長さＬ＝４７．３７５、分割巾Ｌ／Ｄ＝０．０５であるので、セルの分割数は９４８＋ダイ部＝９４９である。
（ｃ）ステップ１０３
スクリュの軸長さ方向のスクリュ種類による形状の違いおよびポリマーの指数違いによる充満率（式１）、圧力（式２）、混合（式５）、トルク（式６）を式（１２）にまとめ、各係数の配列を下記のように宣言する。
【００５９】
Ｄ０（４、９４９）
Ｄ１（４、９４９）
Ｄ２（４、９４９）
さらに、計算結果の配列の宣言をする。
充満率 ＦＤ（９４９）
圧力Ｐ （９４９）
温度 （９４９）
混合 （９４９）
トルク （９４９）
剪断力Ｓ （９４９）
比エネルギー ＥＳＰ（９４９）
平均滞留時間 ＲＴ（９４９）
充満率、平均滞留時間、圧力、温度、トルク、比エネルギー、練り、混合であり、初期値の設定：各セルのスクリュ構成に応じた式（１）、式（２）、式（５）、式（６）を式（１２）に示す混練要素の各係数を設定する。
【００６０】
式（１）、式（２）、式（５）、式（６）に示す各混練要素は、回転数と容積流量の値を読み込むことで計算できる。
さらに、バレルのセルのメモリ配列を宣言する。
ＢＴ（９４９）
さらに、バレルのセルの温度を設定する。
【００６１】
さらに、第一から第三のフィードセルの番号、フィード質量流量、フィード温度を設定し、第一から第四のベントセル番号、ベント圧を設定する。
（ｄ）ステップ１０４
充満率の初期値が設定される。順送りスクリュは充満率＝０．４、逆送りスクリュおよびニィーディングディスクは、充満率＝１とし、第一フィードセルからダイまでのセルに対応するスクリュ種を読み取り、ＦＤ（Ｉ）に初期値を与える。
【００６２】
混練ゾーンと混練ゾーンに挟まれた順送りスクリュの圧力Ｐ（Ｉ）は、ベント圧とする。第一フィードの位置が順送りスクリュなら第一混練ゾーンと第二混練ゾーンの全ての順送りスクリュ部の圧力Ｐ（Ｉ）は、大気圧と仮定する。
第二ベントでは、第二混練ゾーンと第三混練ゾーンの間の全ての順送りスクリュは、第二ベント圧と仮定する。
【００６３】
第二フィードセルから第三フィードセル−１番目までの質量流量は、第一フィード質量流量と第二フィード質量流量の和である。
第三フィードセルからダイまでの質量流量は、第一フィード質量流量と第二フィード質量流量と第三フィード質量流量の和である。
（ｅ）ステップ１０５
第一フィードセルの温度計算をＴｉ＝第一フィード温度とし、Ｔｉで比熱Ｃｐ（Ｔ）、密度ＲＯＵ（Ｔ）から容積流量が計算される。式（６）のトルクをＱ、Ｎから計算し、式（３）に代入し、Ｔｏが計算される。
（ｆ）ステップ１０６
式（３）のＴｐの値を比熱Ｃｐ（Ｔ）、密度ＲＯＵ（Ｔ）から容積流量を計算し、再度Ｔｏが計算される。
（ｇ）ステップ１０７
先に計算したＴｏと後に計算したＴｏが収束するまで計算が繰り返される。収束条件は、誤差０．０１℃以内である。
（ｈ）ステップ１０８
セルの充満率が１であるか判断される。
（ｉ）ステップ１０９
図１０より第一フィードセルは、充満率が初期値０．４であるので、式（１）より、充満率を計算する。
（ｊ）ステップ１１１
ステップ１０９で計算された充満率が初期値と誤差０．０１以上であるならステップ１０１〜１０８を繰り返し、もう一度充満率を計算し、収束するまで、繰り返す。
（ｋ）ステップ１１２
充満率が収束したとき、式（４）、式（５）、式（７）、式（８）でセルの各混練要素を計算する。
（ｌ）ステップ１１０
充満率が１の時は、圧力を式（２）を使って計算し、ステップ１１２の式（４）、式（５）、式（７）、式（８）でセルの各混練要素を計算する。
（ｍ）ステップ１１３
次に、次のセルが第二混練ゾーンの終わりかどうか判断する。また、充満率１のセルの終わりか判断する。次のセルは、充満率０．４なので、次のセルのＴｉ＝Ｔｏ（前のセルの出口温度）とし、ステップ１０１〜１１３の計算を繰り返す。
（ｎ）ステップ１１４
第二混練ゾーンの最後のセルならば、圧力が第二混練ゾーン最後のセル＋１番目の圧力（第一ベント圧）と誤差１０Ｐａ以内かどうか判断する。圧力が一致しないときは、▲３▼に進む。
（ｏ）ステップ２０１
第二混練ゾーン最後のセル＋１番目の圧力をセル出口圧力として、第一フィードセルまで上流方向に逆計算する。
（ｐ）ステップ２０２
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高いかどうか判断する。
（ｑ）ステップ２０３
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）＝１とする。
（ｒ）ステップ２０４
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より低い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）の値は変えない。
（ｓ）ステップ２０５
下流側のセルの圧力計算をする。
（ｔ）ステップ２０６
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高いかどうか判断する。
（ｕ）ステップ２０７
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より高い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）＝１とする。
（ｖ）ステップ２０８
セルの圧力値Ｐ（Ｉ）がフィード位置の圧力（大気圧）より低い時は、充満率ＦＤ（Ｉ）の値は変えない。
（ｗ）ステップ２０９
セルが第一フィードセルに達したら、▲２▼に戻り、計算を繰り返し、ステップ１１４で収束したら、次の第二混練ゾーン＋１番目のセルから第三混練混練ゾーン最後のセルまで同様に計算を繰り返す。
【００６４】
第二フィードセルの温度計算の入力温度計算は後述する計算法で計算する。また、物性値は、第二フィード物性に変える。
（ｘ）ステップ１１５
ダイまで計算が終了したら、計算結果をモニター画面に表示する（図１０）。
（ｙ）ステップ１１７
計算結果をハードディスクやフロッピーディスク、光磁気ディスク等の記録媒体に記録する。
【００６５】
次に、サイドフィード計算の概要と計算方法を説明する。
図４はサイドフィード計算の概要を示す図であり、サイドフィードセルに入る温度Ｔｉは下記の式（１３）で表され、Ｔi とＣＰmix が誤差±０．０１℃で収束するまで計算する。
【００６６】
【数１８】
セルＳi の出口温度計算は以下の式（１４）で表される。
【００６８】
【数１９】
図１１は上記のシミュレーションを行った結果を表示した例である。この図より、サイドフィード（第二フィード、第三フィード）セルの値が顕著に変わるのが明白である。
また、充満率は上がり、温度は急激に下がり、剪断力も温度が低下した分、急激に上がっている。このように、サイドフィード時、サイドフィード量、サイドフィード温度、バレル温度との関係から、サイドフィード時の樹脂の未溶融物の検討、混・練の過不足を検討することができる。
【００７０】
図１２は他のシミュレーション結果を示す演算結果であり、押出量を１．２５倍にし、全押出量を１００ｋｇ／Ｈとしたものである。
上記の実施例と比べ、押出量が８０から１００ｋｇ／Ｈに増えた分、充満率が上がり、ダイ圧が上がり、平均滞留時間は短くなる。また、ダイ出口温度は下がり、全剪断量は下がり、全混合は下がるのがわかる。
【００７１】
図１３は上記の実施例と比べ、押出量を０．７５倍にした例であり、全押出量を６０ｋｇ／Ｈとしたものである。
上記の実施例と比べ、押出量が８０から６０ｋｇ／Ｈに減った分、充満率は下がり、ダイ圧が下がり、平均滞留時間は長くなる。また、ダイ出口温度は上がり、全剪断量は上がり、全混合は上がるのがわかる。
【００７２】
図１４は上記の実施例の回転数を５００ｒｐｍにしたものであり、上記の実施例と比べ、回転数が２９５から５００ｒｐｍに増えた分、充満率が下がり、ダイ圧は下がり、平均滞留時間は短くなる。また、ダイ出口温度は上がり、全剪断量は上がり、全混合は上がるのがわかる。
図１５は上記の実施例の回転数を２００ｒｐｍにしたものであり、上記の実施例と比べ、回転数が２９５から２００ｒｐｍに減った分、充満率が上がり、ダイ圧は上がり、平均滞留時間は長くなる。また、ダイ出口温度は下がり、全剪断量は下がり、全混合は下がるのがわかる。
【００７３】
【発明の効果】
請求項１に係る押出機運転シミュレーションシステムによれば、押出機内部の樹脂の運転条件、スクリュ構成、バレル構成の条件を変えた時の混練要素のそれぞれをシミュレーションすることができる。また、計算時間を速くし、メモリーの容量を小さくし、押出機のフィードするセルからダイ出口まで分割したセル中の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素を計算することができる。
【００７４】
従って、運転状況を定量化できるので、樹脂組成物の物性の向上、品質の安定化、生産性の向上、生産技術開発の短縮化等が図れる。
請求項２に係る押出機運転シミュレーションシステムによれば、複数のフィードについて混練要素を演算するので、実際の押出機のシミュレーションを実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの概要図である。
【図２】押出機の全体図およびセルを示す図である、
【図３】ニィーディングディスクの混合の概念図である。
【図４】サイドフィード計算法を示す概要図である。
【図５】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの動作を示すフローッチャートである。
【図６】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの動作を示すフローッチャートである。
【図７】本発明の押出機運転シミュレーションシステムの動作を示すフローッチャートである。
【図８】バレル構成の入力画面である。
【図９】スクリュ構成の入力画面である。
【図１０】押出機の設定条件入力画面である。
【図１１】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１２】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１３】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１４】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【図１５】本発明の押出機運転シミュレーションシステムによってシミュレートされた結果を示す表示図面の例である。
【符号の説明】
１ 押出機条件設定入力手段
２ 押出条件入力手段
３ セル分割手段
４ 樹脂混練要素演算手段
５ 流動解析データベース
６ 表示手段
１１ メインホッパー
１２ 第一フィード
１３ 第二フィード
１４ ダイ出口
１５ セル
Claims (3)
- メインホッパーから下流に向かって最初の第一フィードと、樹脂、フィラー、ファイバーまたは液体のサイドフィードとを行う押出機の装置条件と押出運転条件から、押出機内部の樹脂の充満率、圧力、温度、剪断力、混合、トルク、比エネルギー、平均滞留時間の混練要素の状態を演算する押出機運転シミュレーションシステムにおいて、前記押出機の全長を、スクリュ軸の流れ方向に対し、垂直方向にＬ／Ｄ＝０．０１〜０．５の幅で第一フィードからダイ出口まで分割するセル分割設定手段と、前記分割されたセル中の溶融樹脂の混練要素を各フィードについて演算すると共に、混合および剪断力の指標についてそれぞれ前記第一フィードからダイ出口まで連続的に演算する樹脂混練要素演算手段を備えたことを特徴とする押出機運転シミュレーションシステム。
- セル分割設定手段および樹脂混練要素演算手段の他に、バレル構成条件データ、スクリュ構成条件データ、フィード条件に関する入力データ（フィード回数、各フィード位置、各フィード量、各フィード温度条件、ベント回数とそのベント圧力）、バレル温度データとスクリュ回転数データを入力する押出機条件設定入力手段、物性データを入力する押出機条件入力手段、スクリュ種類に対応する混練要素データを記憶する流動解析データベースおよび表示手段を有し、押出機条件設定入力手段および押出機条件入力手段で入力したデータから、前記セル分割設定手段で分割したセル中の溶融樹脂の混練要素を樹脂混練要素演算手段で演算し、得られた混練要素と押出量、回転数との関係を関数化して流動解析データベースに記憶し、当該流動解析データベースに記憶したデータを再び樹脂混練要素演算手段に出力して他のセルの混練要素の演算に用いると共に、樹脂混練要素演算手段で演算した混練要素を表示手段で表示または印字することを特徴とする請求項１に記載の押出機運転シミュレーションシステム。
- 混合および剪断力の指標についてそれぞれ下記式に従ってフィードから出口ダイまで連続的に演算することを特徴とする請求項１または２に記載の押出機運転シミュレーションシステム。
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