JP3824536B2 - 押出機スクリュー - Google Patents

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Description

【0001】
(発明の分野)
本発明は概ね固体樹脂材料を処理する機械に関し、特に前記樹脂材料を混合し、融解する押出機に関する。
【0002】
(発明の背景)
ポリマ樹脂材料の融解、混合および配合に使用する押出機スクリューは通常、3つの区間、つまり供給区間、計量区間、および供給区間と計量区間の間に配置された融解区間を使用する。通常、押出機スクリューは押出機バレル内に回転可能なように配置され、バレルはスクリューの供給区間に隣接するホッパ区間、およびホッパ区間の反対側でスクリューの計量区間に近い排出端を含む。運転中、固体樹脂材料がホッパ・ステーションを通して導入され、スクリューの供給区間に移動し、ここで融解し始める。固体樹脂材料は、次に融解区間に搬送され、ここで供給区間の場合より高速で溶融し、最終的に完全に溶融状態に変態する。溶融材料は、融解区間から計量区間へと移送され、押出機の排出端へと搬送されて、ここで通常はダイを通過する。
【0003】
歴史的に、従来の押出機スクリューは、スクリューの根元または本体区間の周囲に配置され、これと協働して通路を形成する1つの螺旋形フライトを備え、押出機に導入される樹脂材料が、通路に沿って搬送されている。材料は、融解区間に入ると、材料自身内の摩擦によって生じた熱、およびバレルを通して伝達された外部熱源からの熱によって融解し始める。溶融材料は、押出機バレルの内面に付着する融解薄膜を形成する。薄膜の厚さが押出機バレルとフライト間のクリアランスを超えると、フライトの前縁が融解薄膜をバレルの内面から掻き取り、溶融材料がフライトの前進縁に沿ってプールを形成するようにする。材料が融解し続けるにつれ、通常は固体樹脂ベッドと呼ばれ、通路内にある固体の塊が固体材料の集塊へと破壊し、次にこれが溶融材料のプールと混合する。
【0004】
このようなことが発生すると、加熱されたバレルに曝されている固体材料の量が大幅に減少する。固体材料が、溶融材料のプールに混入した集塊の形態になるからである。したがって、混入した固体材料を融解するため、十分な熱が溶融プールを通して固体樹脂に移行しなければならない。大部分のポリマは良好な断熱特性を有し、断熱材として作用するので固体樹脂ベッドが破壊すると、押出機の融解効率が低下する。
【0005】
融解効率を改善しようとして、溶融区間に第2フライトを組み込み、第2フライトが、スクリューの本体部分の周囲に延在して、第2フライトの前進面と1次フライトの後退面との間に固体樹脂の通路を形成する押出機スクリューが開発された。また、第2フライトの後退面と1次フライトの前進面との間には、溶融材料を搬送する融解物通路も形成された。スクリューの根元または本体区間の直径は、固体樹脂通路内で漸進的に増加し、融解区間に沿って通路の深さが減少し、融解通路に沿って減少するので、融解通路の深さが増加する。運転中は、固体樹脂ベッドと加熱バレル表面との境界面に形成された融解薄膜が、第2フライトを越えて融解通路へと移動するので固体樹脂ベッドの破壊が最小になる。
【0006】
このタイプのスクリューでは、固体材料が融解する速度は、加熱バレルの壁と接触した固体樹脂ベッドの表面積、およびバレル壁と固体樹脂ベッドの間に形成された融解薄膜の厚さによって決定された。バレル壁に接触する固体材料の表面積が増加すると、バレルから固体樹脂ベッドの露出表面への熱伝達が改善されるので、融解速度が上昇した。しかし、固体樹脂ベッドとバレル間の融解薄膜の厚さが増加すると、該融解薄膜が断熱材として作用するのでバレルから固体材料への熱伝達が低下し、融解速度が低下した。したがって、固体樹脂材料を溶融状態に変態させるために、これらの押出機スクリューの融解区間非常に長く構成し、その結果、このようなスクリューを使用する押出機の製造費と運転費が双方とも増加した。
【0007】
以上に基づき、先行技術のスクリューの問題および欠点を克服する押出機スクリューを提供することが、本発明の全体的な目的である。
【0008】
スクリューに導入された固体材料が効率的な方法で融解され、混合される押出機スクリューを提供することが、本発明のより特定の目的である。
【0009】
(発明の概要)
本発明は、スクリュー本体および軸方向に延在する押出機部分を含む、軸方向に延在する押出機スクリューに存する。押出機部分は、3つの区間、つまり押出機スクリューの入口端にある供給区間、スクリューの出口端にある計量区間、および供給区間と計量区間の間にあるバリア区間によって形成される。第1螺旋形1次フライトが、押出機スクリューの全長にわたって、スクリュー本体から、スクリュー本体と同軸で延在し、第1前進面および第1後退面を含む。第2螺旋形1次フライト、少なくとも供給区間の一部に沿って、次に押出機スクリューの残りの長手方向に沿って延在し、第2前進面および第2後退面を含む。画定
【0010】
スクリュー本体は、第1前進面と第2後退面との間に位置して、該第1前進面と第2後退面と協働し、第1固体樹脂通路を画定する第1螺旋回転面を形成する。スクリュー本体は、第2前進面と第1後退面との間に位置する第2螺旋形回転面も含む。第2前進面と第1後退面は、第2螺旋形回転面と協働して、第2固体樹脂通路を形成する。第1および第2固体樹脂通路は、少なくとも押出機スクリューのバリア区間の全長に沿って延在する。
【0011】
本発明の好ましい実施形態では、バリア区間は第1バリア・フライトを含み、これは第3前進面および第3後退面を有し、バリア区間の長手方向に沿ってスクリュー本体の周囲に、これと同軸で延在する。第1バリア・フライトは、第1前進面と第2後退面との間に位置するので第1螺旋形回転面を第3前進面と第2後退面の間で再画成する。第1バリア・フライトの結果、スクリュー本体は、第1前進面と第3後退面との間にあって、これと協働する第3螺旋形回転面を形成し、バリア区間に沿って延在する第1融解物通路を形成する。
【0012】
第4前進面および第4後退面を有する第2バリア・フライトも、バリア区間に沿ってスクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する。第2バリア・フライトは、第2・1次フライトの第2前進面と第1・1次フライトの第1後退面との間に位置するので第2螺旋形回転面を第4前進面と第1後退面の間で再画成する。
【0013】
第2バリア・フライトは、第2前進面と第4後退面の間に第4螺旋形回転面が生成されるのも促進し、第2前進面と第4後退面と第4螺旋形回転面が協働して、バリア区間に沿って延在する第2融解物通路を形成する。第1および第2・1次フライトのピッチ、さらに第1および第2バリア・フライトのピッチは、少なくともバリア区間の長手方向に沿って変化することが好ましい。本発明の好ましい実施形態では、このようにピッチが変化する結果、バリア区間に沿って下流方向に、固体樹脂通路の幅が減少し、融解物通路の幅が増加する。これによって、固体樹脂通路内の固体樹脂の量が、バリア区間に沿って下流方向に減少し、加熱された押出機バレルに接触して融解する。逆に、融解物通路の幅の増加は、自身内で移送される溶融材料の量の増加を受容する。
【0014】
融解物および固体樹脂通路の幅の変化に加えて、これらの通路の深さも変化する。例えば、固体樹脂通路の深さは、バリア区間に沿って下流方向に減少し、減少し続ける固体樹脂材料の量が適切に剪断され、加熱押出機バレルに暴されるので材料の融解が促進されることを保証する。また、融解物通路の深さは、増加する量の溶融材料を十分に収容するため、バリア区間に沿って下流方向に増加する。
【0015】
本発明は、上述した押出機スクリューが回転自在に結合された押出機ドライブを含む押出機にも存する。押出機スクリューを受けるような構成である延在する軸方向の内腔を含む押出機バレルも、ドライブに装着される。押出機バレルは、押出機への固体樹脂材料の供給を容易にするため、押出機スクリューの供給区間に隣接するホッパ区間を含む。軸方向内腔は内腔壁によって形成され、この内腔壁は供給区間に沿って下流方向に前進している固体樹脂材料の供給速度および圧力を上昇させるため、押出機スクリューの供給区間の周囲に延在する複数の溝を形成する。
【0016】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
図1に示すように、押出機10は、点線で示した概ね円筒形の内腔壁16によって形成された内腔14を有するバレル12を含む。バレル12は、歯車箱18などの適切なドライブに装着され、歯車箱に隣接してバレルに取り付けられたホッパ区間20を含む。軸方向に延在する押出機スクリュー22が、内腔14内に配置され、回転自在に歯車箱18に結合される。押出機スクリュー22は3つの区間に分割される。つまり「F」の参照符号を付けた寸法で示され、押出機スクリューの入口端26に位置する供給区間24、「M」の参照符号を付けた寸法で示され、押出機スクリューの出口端28に位置する計量区間28、および「B」の参照符号を付けた寸法で示され、供給区間と計量区間の間に配置されたバリア区間30である。
【0017】
運転中、固体樹脂材料は、供給ホッパ32を通じて押出機バレル12のホッパ区間20に導入される。固体樹脂材料は、押出機スクリュー22の供給区間24に沿って前進し、ここで融解し始め、バリア区間30に入る。以下で詳細に説明するように、固体樹脂材料は、バリア区間30に沿って前進するにつれ、融解状態に変態し、次に押出機スクリュー22計量区間28に供給される。溶融材料は、計量区間28に入ると、前進して押出機を出るが、これは通常、バレル12の出口端36に装着されたダイ34を通る。
【0018】
図2を参照すると、圧力を上昇させることによって押出機1の生産量を増加させるため、押出機バレル12の内腔壁16には押出機スクリュー22の周囲に沿って複数の溝38が形成されている。この溝38は軸方向に延在する。押出機10の運転中、押出機バレル12の溝38は、押出機スクリューの供給区間24に大きい圧力勾配を生成する。この圧力勾配により、押出機内の材料の生産量が増加する。
【0019】
図3を参照すると、押出機スクリュー22は、スクリューの全長に沿って軸方向に延在する押出部分を有する概ね円筒形のスクリュー本体40を含む。第1前進面44および第1後退面46をする第1螺旋形1次フライト42が、スクリュー本体40の周囲に、これと同軸で延在する。図示の実施形態では、第2前進面50および第2後退面52をする第2螺旋形1次フライト48も、スクリュー本体40の周囲で、これと同軸に延在する。図3に示すように、第1および第2螺旋形1次フライト42および48は両方とも、押出機スクリュー22の入口端26で開始し、相互から約180°の間隔がある。しかし、本発明は、その点に制限されるものではない。フライトが相互に対して180°以外の角度で開始できるからである。また、本明細書では、第1および第2螺旋形1次フライト42および48が図示され、説明されているが、本発明はその点に制限されるものではない。本発明のより広義の態様から逸脱することなく、1つ、または3つ以上の1次フライトを使用できるからである。
【0020】
図4に示すように、スクリュー本体40は第1螺旋形回転面54をし、これは第1および第2・1次フライト42および48それぞれの第1前進面44および第2後退面52と協働して、第1固体樹脂通路56を形成する。同様に、スクリュー本体40は第2螺旋形回転面57をし、これは第1および第2・1次フライ42および48それぞれの第2前進面50および第1後退面46と協働して、第2固体樹脂通路58を形成する。
【0021】
図5を参照すると、バリア区間Bで、第1および第2バリア・フライト60および62はそれぞれ、第1および第2・1次フライト42および48それぞれの一方から延在する。各バリア・フライト60および62は、第1および第2固体樹脂通路56および58のそれぞれ1つを再び画定する。したがって、第2・1次フライト48の第2後退面52、第1螺旋回転面54および第1バリア・フライト60の前進面64の協働により第1固体樹脂通路56が形成される。同様に、第2固体樹脂通路58は、第1螺旋形1次フライト42の後退面46、第2螺旋形回転面57、および第2バリア・フライト62の前進面64の協働によって再成される。
【0022】
スクリュー本体40は第3螺旋形回転面66をし、これは前進面44およびバリア・フライト68の第3後退面68と協働して、第1融解物通路70を形成する。同様に、スクリュー本体40は第4螺旋形回転面72をし、これは第2前進面50、および第2バリア・フライト62の第4後退面74と協働して、第2融解物通路76を形成する。固体樹脂材料がバリア区間に沿って下流方向に前進するにつれ、第1および第2固体樹脂通路56および58で、材料が融解し、第1および第2融解物通路70および76それぞれへと移動する。
【0023】
図5から図7で示すように、第1および第2固体樹脂通路56および58はそれぞれ、図3において矢印で示される下流方向に、バリア区間に沿って漸進的に減少する深さds1およびds2を画定する。この現象も、図3に示す固体樹脂通路の深さの概略的表示78で図形的に図示される。固体樹脂通路と同様、第1および第2融解物通路70および76はそれぞれ深さdm1およびdm2を画定するが、この深さは、図3に示す融解物通路の深さの略図80で図形的に示すように、下流方向で増加する。
【0024】
上述した通路深さの変化に加えて、1次フライト42および48、およびバリア・フライト60および62のピッチも、バリア区間で変化する。このピッチの変化により、第1および第2融解物通路70および65によって画定された幅wm1およびwm2が、バリア区間に沿って下流方向に増加する。それと同時に、第1および第2固体樹脂通路によって画定された幅ws1およびws2も変化する。したがって、バリア区間に沿って下流方向に移動するにつれ、第1および第2固体樹脂通路が狭く、かつ浅くなり、第1および第2融解物通路が広く、かつ深くなる。
【0025】
図1から図7を参照し、本発明の押出機スクリーン22の動作について詳細に説明する。固体樹脂材料は、通常は粉砕再生材料、ペレットおよび/または粉末の形態であり、ホッパ32を通して供給され、押出機バレル12のホッパ区間20に入る。固体樹脂材料は、第1および第2固体樹脂通路56および58に収集され、押出機スクリュー22が図において矢印によって示された方向に回転した結果、固体樹脂材料が供給区間「F」に沿ってバリア区間「B」へと搬送される。材料が供給区間「F」に沿って移動するにつれ、1次および第2・1次フライト42および48の第1および第2前進面44および50がこの中の固体材料と係合し、そのため固体樹脂ベッド内に凝縮する。また、押出機バレル内の複数の溝は、通常は温度が制御され、固体樹脂通路内の材料をさらに凝縮して圧迫することによってより高速に搬送し、融解を開始させる。この融解作用は、押出機スクリュー22の供給区間にある1次フライトの前進面に隣接して融解物のプールが形成されるのを促進する。
【0026】
供給区間の材料は、押出機スクリュー22のバリア区間に入ると、材料の剪断と押出機バレル12からの熱との組合せにより、融解し続ける。溶融材料は、バリア・フライト60および62上で第1および第2固体樹脂通路56および58から移動して第1および第2融解物通路70および76に入る。このプロセスは、バリア区間に沿って下流方向にその端部まで続き、そこで押出機スクリュー22の計量区間がダイ34を通して溶融材料を供給する。
【0027】
好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および置換を実行することができる。したがって、本発明は例示的に説明されたのであり、制限的ではないことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による押出機バレルおよびスクリューを使用する押出機の側面断面図である。
【図2】 押出機バレルの供給区間によって形成された溝を示す、図1の押出機バレルの部分断面図である。
【図3】 本発明の押出機スクリューの部分側面図であり、スクリューの長手方向に沿った固体樹脂および融解物通路の深さの略図も含む。
【図4】 図3の押出機スクリューの供給区間にある2本の固体樹脂通路を示す、図3の線に沿って切り取った部分断面図である。
【図5】 図3の押出機スクリューバリア区間の冒頭にある2本の固体樹脂通路および2本の融解物通路を示す、図3の線に沿って切り取った部分断面図である。
【図6】 図3の押出機スクリューのバリア区間に沿ってほぼ中間で2本の固体樹脂通路および2本の融解物通路を示す、図3の線に沿って切り取った部分断面図である。
【図7】 図3の押出機スクリューの供給区間からさらに離れたバリア区間の最後で、2本の固体樹脂通路および2本の融解物通路を示す、図3の線に沿って切り取った部分断面図である。

Claims (8)

  1. 軸方向に延在する押出機スクリューで、前記スクリューの入口端にある供給区間、前記スクリューの出口端にある計量区間、および前記供給区間と計量区間との間にあるバリア区間によって形成された軸方向に延在するスクリュー本体を含み、
    第1前進面および第1後退面を有し、前記押出機スクリューの軸方向に沿って前記スクリュー本体の周囲に、該スクリュー本体と同軸で延在する第1螺旋形1次フライトと、
    少なくとも前記供給区間の一部から前記押出機スクリューの前記出口端まで延在し、第2前進面および第2後退面を有する第2螺旋形1次フライトとを備え、
    前記スクリュー本体が、前記第1前進面と第2後退面との間に第1螺旋形回転面を形成し、前記第1前進面と第2後退面と第1螺旋形回転面が協働して第1固体樹脂通路を形成し、
    前記スクリュー本体が、前記第2前進面と第1後退面との間に第2螺旋形回転面を形成し、前記第2前進面と第1後退面と第2螺旋形回転面が協働して第2固体樹脂通路を形成し、
    前記バリア区間が、
    第3前進面および第3後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲にスクリュー本体と同軸で延在する第1バリア・フライトを含み、前記第1バリア・フライトが、前記第1前進面と第2後退面との間に配置されることによって前記第1螺旋回転面が前記第3前進面と第2後退面との間で再形成され、
    前記スクリュー本体が、前記第1前進面と第3後退面との間に第3螺旋形回転面を形成し、前記第1前進面と第3後退面と第3螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第1融解物通路を形成し、さらに、
    第4前進面および第4後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第2バリア・フライトを含み、前記第2バリア・フライトが、前記第2前進面と前記第1後退面との間に配置されることによって前記第2螺旋形回転面が前記第4前進面と第1後退面との間で再形成され、
    前記スクリュー本体が、第2前進面と第4後退面との間で第4螺旋形回転面を形成し、第2前進面と第4後退面と第4螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第2融解物通路を形成する、軸方向に延在する押出機スクリュー。
  2. 前記第1および第2・1次フライトがそれぞれ、前記押出機スクリューの長手方向に沿って変化するピッチを規定する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
  3. 前記第1および第2融解物通路が、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に増加するピッチを形成する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
  4. 前記第1および第2融解物通路がそれぞれ、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に増加する深さを規定する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
  5. 前記第1および第2固体樹脂通路がそれぞれ、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に減少するピッチを形成する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
  6. 前記第1および第2固体樹脂通路がそれぞれ、融解物通路に沿って下流方向に漸進的に減少する深さを規定する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
  7. 前記第1および第2融解物通路がそれぞれ、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に増加するピッチを形成する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
  8. 押出機であって、
    押出機ドライブと、
    前記押出機ドライブに装着され、内腔壁によって形成された内腔を含む延在する押出機バレルとを備え、前記バレルが、前記押出機ドライブに隣接するホッパ区間を有し、それによって固体樹脂材料を前記内腔に導入することができ、さらに、
    軸方向に延在する押出機スクリューを備え、前記スクリューが、前記スクリューの入口端で供給区間、前記スクリューの出口端にある計量区間、および前記供給区間と計量区間の間にあるバリア区間を有するスクリュー本体を含み、
    前記押出機スクリューが、さらに、
    前記第1前進面および第1後退面を有し、前記押出機スクリューの長手方向に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第1螺旋形1次フライトと、
    少なくとも前記供給区間の一部から前記押出機スクリューの前記出口端まで延在し、第2前進面および第2後退面を有する第2螺旋形1次フライトとを備え、
    前記スクリュー本体が、前記第1前進面と第2後退面との間で第1螺旋形回転面を形成し、前記第1前進面と第2後退面と第1螺旋形回転面が協働して第1固体樹脂通路を形成し、
    前記スクリュー本体が、前記第2前進面と第1後退面との間で第2螺旋形回転面を形成し、前記第2前進面と第1後退面と第2螺旋形回転面が協働して第2固体樹脂通路を形成し、
    前記バリア区間が、
    第3前進面および第3後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第1バリア・フライトを含み、前記第1バリア・フライトが、前記第1前進面と第2後退面との間に配置され、それによって前記第1螺旋形回転面が、前記第3前進面と第2後退面との間で再成され、
    前記スクリュー本体が、前記第1前進面と第3後退面との間で第3螺旋形回転面を形成し、前記第1前進面と第3後退面と第3螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第1融解物通路を形成し、さらに、
    第4前進面および第4後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第2バリア・フライトを含み、前記第2バリア・フライトが、前記第2前進面と前記第1後退面との間に配置され、それによって前記第2螺旋形回転面が、前記第4前進面と第1後退面との間で再成され、
    前記スクリュー本体が、前記第2前進面と第4後退面との間で第4螺旋形回転面を形成し、前記第2前進面と第4後退面と第4螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第2融解物通路を形成し、さらに、
    前記バレルの前記ホッパ区間に隣接して、前記内腔によって形成され、前記押出機の運転中に、前記供給区間にある固体樹脂材料の供給速度および圧力を上昇させるため、前記押出機スクリューの前記供給区間に延在する複数の溝を備える押出機。
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