JP4059182B2 - 密閉式混練機 - Google Patents

Description

本発明は、ゴム、樹脂等の被混練物（可塑性物質）の混練に使用する密閉式混練機に関する。ここでは、密閉式混練機として、かみ合い式ロータを備えた密閉式混練機でゴムを混練する場合を例に採り説明するが、他の、非かみ合い式ロータを備えた密閉式混練機で混練する場合、さらには、樹脂混練の場合にも本発明は適用可能である。

ゴム原料に多量の配合剤を混練する混練機として、密閉式混練機が多用されている。

密閉式混練機は、基本的には、混練チャンバーと、該混練チャンバー内に水平並列される混練ロータと、該混練ロータの間に混練材料を誘導落下させる筒状の投入ホッパと、該投入ホッパ内を上下動するフローティングウェイト（以下「ウェイト」という。）と、該ウェイトを駆動させるシリンダとを備えたものである。

そして、被混練物である原料ゴムのウェイトによる押圧は、通常、空圧シリンダ（エアシリンダ）の駆動によっていた。

しかし、空圧シリンダによるウェイトの上下駆動では、被混練物に対する押圧力が不足して、ロータ上でスリップして混練効率が低下する、混練時間が嵩む等の問題点が発生する。

このため、昨今、被混練物に十分な押圧力を付与できるように、油圧シリンダでウェイトを上下駆動させる技術が提案されている（特許文献１・２）。

特許文献１には、混練機本体と連接して、ウェイトを昇降させる油圧シリンダを設け、本体とは別置きに油圧側と空圧側との間で圧力変換する空油圧変換手段を設けた密閉式混練機に係る技術が記載されている。

特許文献２は、油圧式の昇降シリンダと二重構造をなすクッションシリンダを有する密閉式混練機に係る技術が記載されている。
特開平９−２０６５８１号公報 特公平５−７６４０７号公報

しかし、上記ウェイトと油圧シリンダ駆動させる技術では、1)混練機本体の両サイドに油圧シリンダを取付けたり、2)クッション用シリンダ又はタンクを設置したり、する必要があり、構成部品が増大した。

さらに、特許文献２に記載の混練機においてウェイトと空圧シリンダで上下駆動させたい場合もあるが、そのためには、ウェイトの駆動装置全体を入れ替える必要があった。

本発明の課題は、上記問題点を解決できる新規な構成の、油圧・空圧シリンダによる独立駆動ないし、油圧シリンダ駆動時の併用による油圧シリンダへのクッション機能付与可能な密閉式混練機を提供することにある。

本発明に係る密閉式混練機は、下記構成により上記課題を解決するものである。

ゴム、樹脂等の被混練材料を混練するための密閉式混練機であって、
混練チャンバーと、該混練チャンバー内に水平並列される混練ロータと、該混練ロータの間に混練材料を誘導落下させる筒状の投入ホッパと、該投入ホッパ内を上下動するフローティングウェイトと、該ウェイトを駆動させるシリンダとを備え、
該シリンダが、油圧、空圧又は油圧／空圧併用の三態様で前記ウェイトを駆動が可能な構成を備えたテレスコープ形であることを特徴とする。

ウェイトの上下駆動を、油圧、空圧又は油圧／空圧併用の三態様で行うてテレスコープ形（同軸シリンダ）で行うため、ウェイトの駆動機構の構造が簡単で小型となる。また、同理由により、材料特性に合わせて混練ステップ毎に、油圧、空圧のみ、ないし、油圧／空圧の併用の切り替えが可能となり、最適な混練が可能となる。さらに、既存の密閉式混練機におけるウェイト駆動用の空圧シリンダと、テレスコープ形シリンダの外径を同寸法とすれば、既存の密閉式混練機に組み込み可能となる。

上記テレスコープ形シリンダの一態様として、第一ピストンと、該第一ピストンが上下動する第一シリンダを兼ねる第二ピストンと、該第二ピストンが上下動する第二シリンダ（本体シリンダ）とを備え、第一シリンダの押し側・戻し側室を油圧室とし、第二シリンダの押し側室を空圧室とし、同戻し側室を油圧室とする構成が考えられる。

より具体的には、第二シリンダの上端壁中央及び周辺には、それぞれ、第一ピストンの押し側室及び戻し側室に連通する押し油ポート及び戻り油ポートを形成し、押し油ポートには、第二ピストン３２が前死点位置にあるとき、前記第一シリンダの押し側室に連通可能な長さの油送込パイプ備えるとともに、前記第一シリンダの戻し側室に連通可能な油戻りパイプを備えている構成とする。

そして、上記各構成において、第一ピストン、さらには、必要により第二ピストン３２の移動距離検出器を装着することが望ましい。各ピストンが前死点位置を越えて誤作動を阻止することを確実に防止するためである。

上記各構成の密閉式混練機の運転（使用）方法は、混練材料投入後、フローティングウェイトを、油圧、空圧又は油圧／空圧併用のいずれかを単独又は適宜組み合わせて作動させる構成となる。

例えば、混練材料投入後、前記フローティングウェイトを空圧でクッションを付与しながら油圧で、素練り及び混練前段を行った後、混練後段を空圧で行うことにより、ＢＩＴ（Blackcarbon Incoporation Time：ブラックカーボン練りこみ完了時間）を短縮することができると共に、カーボンブラックの均一分散度を高めたり、混練材料の温度上昇を抑制したりすることが可能となり、生産性及び混練性の双方の向上を期待できる。

以下、本発明の一実施形態を図例に基づいて、説明する。

図１に本発明を適用する密閉式混練機（かみ合い式ロータ型）の一例を示す。

本密閉式混練機は、基本的には、混練チャンバー１２と、該混練チャンバー１２内に水平並列される混練ロータ対１４と、該混練ロータ対１４の間に被混練物を誘導落下させる筒状の投入ホッパと、該投入ホッパ１６内を上下動するフローティングウェイト（ウェイト）１８と、該ウェイト１８を駆動させるウェイト用シリンダ２０とを備えている。

より具体的には、混練チャンバー１２は、断面ひょうたん型で、混練チャンバー１２内に配設された一対の混練ロータ対１４の下側に、ドロップドア（ディスチャージドア）２２を備えている。また、混練チャンバー１２の上方に配される投入ホッパ１６は、筒状で、ウェイト１８が上下動可能に配され、また、一側面には、被混練物（原料ゴム及び配合剤）を投入可能にホッパドア（チャージドア）２４を備えた被混練物投入口２５が形成されている。なお、２６は、ドロップドア駆動用レバーである。

そして、ホッパドア２４を開いてから投入された被混練物は、ウェイト１８で押圧されながら、混練チャンバー１２内へ導入される。そして、混練チャンバー１２の内壁およびウェイト１８の下面壁と混練ロータ対１４との間で主として混練された後、混練完了後のゴム配合物は、ドロップドア２２をレバー駆動して開くことにより、排出する。なお、ウェイト１８は、ウェイト用シリンダ２０により押圧して、混練中の被混練物の浮き上がりを抑制する作用を奏する。

そして、本実施形態では、ウェイト用シリンダが、油圧、空圧又は油圧／空圧併用の三態様でウェイト１８の駆動が可能な構成を備えた複動テレスコープ形シリンダ（同軸型）２０Ａとされている。なお、以下の説明で「送入」、「送り」又は「排出」、「戻り」は、各ピストンが押し出し（前進）時を、基準にしており、各ピストンの戻し時は、作用的には逆となる。

このテレスコープ形シリンダ２０Ａの外径は、既存設備における空気圧シリンダの外径と同外径のものを採用すれば、既存設備のウェイト駆動装置（空気圧シリンダ）を取り替えるだけで、本発明の構成を備えた密閉式混練機とすることができる。

図２に本シリンダの構造を示す。

上記テレスコープ形シリンダ（二段シリンダ）２０Ａは、第一ピストン３０と、第一ピストン３０が往復移動する第一シリンダ（副シリンダ）を兼ねる第二ピストン３２と、第二ピストン３２が往復移動する第二シリンダ（本体シリンダ）３４とを備えている。

そして、第一ピストン３０の押し側・戻し側における第二ピストン（第一シリンダ）３２の各押し側・戻し側室３２ａ、３２ｂが共に油圧室とされている。第二ピストン３２の押し側・戻し側における第二シリンダ３４の各押し側・戻し側室３４ａ、３４ｂが、空圧室及び油圧室とされている。すなわち、第一ピストン３０は、押し側、戻し側ともに油圧で作動し、第二ピストン３２は、押し側が空圧で、戻し側が油圧でそれぞれ作動するようになっている。

そして、第二シリンダ（本体シリンダ）３４の上端壁中央及び周辺には、それぞれ、第一シリンダ（第二ピストン）３２の押し側室３２ａ及び戻し側室３２ｂに連通する油送入ポート３８及び油排出ポート（ドレンポート）４０が形成されている。

前記油送入ポート３８には、第二ピストン（第一シリンダ）３２が前死点位置にあるとき、第一ピストン３０の押し側室３４ａに連通可能な長さの油送込パイプ４２が接続されている。当然、第一ピストン３０は、第二ピストン３２が後死点位置にあるとき、油送入パイプ４２が収納可能なパイプ収納孔３０ａが形成されている。

また、油排出ポート４０には、同第二ピストン（第一シリンダ）３４が前死点位置にあるとき、前記第一シリンダ３２の戻し側室３２ｂと連通可能な油排出パイプ（油ドレンパイプ）４４が接続されている。すなわち、第一シリンダ（第二ピストン）３２の周壁に第一シリンダ３２の戻し側室３２ｂの下端と連通する縦長の油排出連通孔４６が形成され、該油排出連通孔４６と相対的にシール摺動可能に油排出パイプ４４が嵌合されている。

他方、第二シリンダ３４の押し側室３４ａ及び戻し側室３４ｂは、第二シリンダ３４の側壁の上端及び下端にそれぞれ形成された空気送入ポート５０及び油排出ポート５２と直接的に接続されている。

ここで、各ピストンの移動量は、それぞれ、移動量検出器が組み付けられている。移動量検出器としては、例えば、構造が簡単で汎用性を有する電位差計（ポテンショメータ）５４を使用する。

図３に上記テレスコープ形シリンダ２０Ａの油圧・空気圧回路図の一例を示す。

油圧回路は、基本的には、油送りポンプ（可変容量形）５６を備えた油槽５８と、第一油圧電磁切替弁（以下「第一油圧電磁弁」という。）６０と、第二油圧電磁切替弁（以下「第二油圧電磁弁」という。）６２とを備えている。

油送りポンプ５６の吐出側は、途中で分枝した第一・第二油送り路６４、６６を介して第一・第二油圧電磁弁６０、６２の各第一ポート６０ａ、６２ａと接続されている。なお、第二油送り管路６６は、パイロット操作される第一減圧弁６８を備えている。この第一減圧弁６８は、空気圧とのバランスを採るための圧力設定を行う。

第一油圧電磁弁６０は、第一絞り弁（一方向）７０を備えた第一油送入路７２を介して第一油挿入ポート３８と接続され、第一ピストン３０の押し側に対する油送り可能とされている。

第二油圧電磁弁６２の第三ポート６２ｃは、パイロット操作される逆止め弁７４を備えた第二油排出路７６を介して第二油排出ポート５２と接続され第二ピストン３２の押し時の油排出可能とされている。なお、油排出時、逆止め弁７４は、第二油圧電磁弁６２の戻し側で作動をする。

さらに、第一油圧電磁弁６０及び第二油圧電磁弁６２の各第二ポート６０ｂ、６２ｂには、それぞれ、油槽５８に先端（排出口：ドレン口）が臨む第一・第二油排出路８２、８３が接続されている。なお、第一油配排出路８２は、パイロット操作される第二リリーフ弁８０を備えている。

また、第一油圧電磁弁６０の第四ポート６０ｄは、第一ピストン３０の戻し側と接続される油排出ポート４０と第四油排出路８４を介して接続されている。第四油排出路８４は、第二絞り弁（一方向）８５を備えている。

空圧回路は、基本的には、空気源（例えば、エアポンプ）８６と空圧電磁切替弁（以下「空圧電磁弁」という。）９２とを備えている。空気源８６の吐出口は、空圧リリーフ弁８８を備えた第一空圧送り路９０を介して空圧電磁弁９２の第二ポート９２ｂと接続されている。また、第二ピストン３２の押し側の接続される空気送入ポート５０は、第二空気送り路９１を介して空圧電磁弁９２の第一ポート９２ａと接続されている。

上記において、(1)空圧作動のみ、(2)油圧作動のみ、(3)油圧に空圧のクッションを付加してそれぞれ使用（運転）する、各場合について以下に説明をする。

(1)空圧作動のみを使用する場合（図４（ａ））：
第一ピストン３０を戻した状態で、第二ピストン３２のみを使用する。ここで、第一油圧電磁弁６０は、中立位置にあるとともに、第一・第二絞り弁７０、８４で絞られて、第一ピストン３０の押し側及び戻し側にはそれぞれ油が封じ込められている。

また、第二電磁切替弁６２も中立位置にあるとともに、パイロット操作により逆止弁７４が開とされ、第二油排出ポート５２が、中立位置（ノルマル）にある第二油圧電磁弁６２を介して第三油排出路８３と接続されて、第二ピストン３２の戻り側の油を排出可能とされている。この状態で空圧電磁切替弁９２を押し作動位置（図例下側位置）とすると、第一空気送り路９０と第二空気送り路９１が空圧電磁切替弁９２を介して接続される。こうして、空気源８６と第二ピストン３２の押し側が導通して、第二ピストン３２が押し出される。

この場合、ウェイト１８は、押し側の空圧により押し付けられる。このとき、空気には圧縮性があるため、ウェイト１８の被混練物の押圧力より大きな力が被混練物側から発生した場合、ウェイト１８は押し上げられることとなる。

(2)油圧作動のみを使用する場合（図４（ｂ））：
第二ピストン３２を戻した状態で、第一ピストン３０のみを使用する。ここで、第一油圧電磁弁６０を押し作動位置（図例上側位置）として、第一油送り路６４と第三油送り路７２とを導通させる。このとき、第二電磁切替弁６２及び空圧用電磁切替弁９２はそれぞれ中立位置（ノルマル）にある。このため、第一ピストン３０の押し側は油圧ポンプ５６の吐出口と接続されるとともに、同３０の戻し側は第四油排出路８４と接続されて排出（ドレン）可能とされている。なお、第二ピストン３２の押し側は、空圧電磁弁９２が中立位置にあって、同戻し側は逆止弁７４の作用により、第二ピストン３２の押し側には空気が、戻し側には油がそれぞれ封じこめられている。

この場合、ウェイト１８は被圧縮性の油圧で加圧されるため、被混練物が押し上げられることはない。

(3)油圧に空圧のクッションを付加して使用する場合：
前記空圧作動と同様にして、空圧用電磁切替弁９２を電磁操作により押し作動位置（図例下側位置）として（第二電磁切替弁６２は中立位置）、第二クッション長さ分だけ、第二ピストン３２を下降させて停止する。そして、空圧電磁切替弁９２を中立位置に戻す。すると、第二ピストン３２の押し側は空気、戻し側は油がそれぞれ封じ込められた状態で、その場に停止する。次に、第一油圧電磁切替弁６０を押し作動位置（図例上側位置）として、第一ピストン３０を油圧で必要な長さだけ下降させる。こうして、一定量のクッションを確保可能となる。
＜試験例＞

出願人所有のラボ用の密閉式混練機を用いて、下記混練条件で、ウェイトを空圧のみ（押し付け力：３．６ｋＮ）又は油圧のみ（１１．８ｋＮ）で駆動して、混練試験を行った。

＜混練条件＞
混練容量： １．３Ｌ
ロータ回転数： ４０ｍｉｎ^-1
チャンバー温度： ６０℃
原料ゴム充填率： ７０％
ポリマー： ＥＰＤＭ
カーボン配合量： ５５ｐｈｒ
配合剤投入：ポリマー素練り後、配合剤一括投入。

それらの結果を示す図５から、油圧のみの場合は、空圧のみの場合に比して、混練時間が短縮されることが分かる。なお、「ＢＩＴ」は、ブラックカーボン練りこみ完了時間（Black carbon Incorporation Time）を意味し、モータ負荷（電力負荷）がピークとなる時間で判定し、ＢＩＴから所定時間でゴム混練を終了する。

本発明を適用する密閉式混練機の一例を示す概略断面図である。 同じくウェイト作動用の複動テレスコープ形シリンダの一例示すモデル断面図である。 図２に示す複動テレスコープ形シリンダを作動させるための油圧・空圧回路図の一例である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、図２に示す多段シリンダの作動説明図である。 本実施形態の混練機で、油圧のみ又は空圧のみでウェイトを駆動してゴム配合物を混練したときの混練時間と混練駆動モータの電力値の関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１２…混練チャンバー
１４…混練ロータ対
１６・・・投入ホッパ
１８・・・フローティングウェイト
２０・・・ウェイト駆動用シリンダ
３０…第一ピストン
３２…第二ピストン（第一シリンダ）
３４・・・第二シリンダ（本体シリンダ）

Claims (4)

1. ゴム、樹脂等の被混練材料を混練するための密閉式混練機であって、
   混練チャンバーと、該混練チャンバー内に水平並列される混練ロータ対と、該混練ロータ対の上に被混練材料を誘導落下させる筒状の投入ホッパと、該投入ホッパ内を上下動するフローティングウェイト（以下「ウェイト」という。）と、該ウェイトを駆動させるシリンダとを備え、
   該シリンダが、油圧、空圧又は油圧空圧併用の三態様で前記ウェイトの駆動が可能な構成を備えたテレスコープ形シリンダである密閉式混練機において、
   前記テレスコープ形シリンダは、第一ピストンと、該第一ピストンが上下動する第一シリンダを兼ねる第二ピストンと、該第二ピストンが上下動する第二シリンダ（本体シリンダ）とを備え、
   前記第一シリンダの押し側・戻り側室が油圧室とされ、第二シリンダの押し側室が空圧室とされ、同戻り側室が油圧室とされており、さらに、
   前記第二シリンダの上端壁中央及び周辺には、それぞれ、第一シリンダの押し側室及び戻り側室に連通する油送入ポート及び油排出ポートが形成され、
   前記油送入ポートには、前記第二ピストン（第一シリンダ）が前死点位置にあるとき、前記第一シリンダの押し側室に連通可能な長さの油送込パイプを備えるとともに、前記第一シリンダの戻し側室に連通可能な油戻りパイプを備えている、ことを特徴とする密閉式混練機。
2. 前記第一ピストンに移動量検出器が組み付けられていることを特徴とする請求項１記載の密閉式混練機。
3. さらに、第二ピストンにも移動量検出器が組み付けられていることを特徴とする請求項２記載の密閉式混練機。
4. 請求項１〜３のいずれか一記載の密閉式混練機の運転方法であって、混練材料投入後、前記フローティングウェイトを、油圧、空圧又は油圧／空圧併用のいずれかを単独又は適宜組み合わせて作動させることを特徴とする密閉式混練機の運転方法。