JP4191660B2 - 同方向二軸押出機のシリンダおよびそれを用いた同方向二軸押出機及び樹脂の混練方法 - Google Patents

Description

この発明は、樹脂等を混練する同方向二軸押出機のシリンダ及びそれを用いた同方向二軸押出機、並びに、同方向二軸押出機による樹脂の混練方法に関し、特に、スクリュに対するシリンダ断面形状構造を改良したものに関する。

図４に従来の同方向二軸押出機に用いられる一般的なシリンダの外観を示す。このシリンダ１はその両端に設けられるフランジ２を介して連ねることにより同方向二軸押出機のシリンダ構成が設定される。図５は同方向二軸押出機のシリンダ１の断面４を示している。なお、図５において通常存在する冷却水または熱媒の流路は省略してある。図６はシリンダ内に配置される二本のスクリュ６の配置構造を示す斜視図である。従来の同方向二軸押出機は、図５におけるシリンダ断面側から見ると、図７のような断面となり、シリンダ内円筒部３の中心とスクリュ６の軸の軸心が一致している（例えば特許文献１，２、非特許文献１参照）。

なお、図７において、７はスクリュ６の中心間距離、８はシリンダ中心間距離、９はスクリュ外径、１０はシリンダ内径、１１はシリンダ最小肉厚を示している。
特開２００３−３９５２７号公報 特開平８−２６７５３９号公報 二軸スクリュ押出し−その技術と理論−(Twin Screw Extrusion:Technology and Principles（平成５年３月１日 第１刷発行、著者James L.White 酒井忠基訳）

従来の同方向二軸押出機では、シリンダ内円筒部３の中心とスクリュ６の軸心が一致しているため、被混練物に加わるせん断力を低くしようとすると、スクリュ６とシリンダ１の隙間を広げることとなる。この場合、従来の構造では、スクリュ６の外径を一様に小さく、又はシリンダ１の内径を一様に大きくせざるを得ず、スクリュ軸周辺への被混練物の局所的な圧力分布によって生じる力によって、スクリュが左右方向に力を受けることとなる。

すなわち、２本のスクリュ６がシリンダ１内で回転しているとき、被混練物はシリンダの２つの円筒の交点部分５にてスクリュより掻きとられ、自己清掃機能を発揮しているが、この際にこの位置に高い圧力が一時的に発生して、その圧力はスクリュを左右方向へ押すこととなる。従来の構造においては、この左右方向の変形代（片隙間）を狭くすることによりスクリュをシリンダの壁で支えるようになっているが、これでは圧力発生部分も同様に隙間が狭くなるため、高い圧力が発生することとなる。

従って、特に高い圧力が発生するような被混練物を扱う際には、スクリュ軸またはシリンダが極めて大きな力を受けることなり、それらが損傷する一因となっていた。この問題を解消するためには、シリンダとスクリュの隙間をなるべく小さな隙間とすることが必要であるが、従来の構造においては、隙間を小さくしてもなお圧力が局所的に高くなり、局部発熱が発生するとともに、スクリュにかかる負担が依然大きいという問題があった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたものであり、構造上、シリンダやスクリュに発生する局所的な力を抑えつつ、被混練物に加わるせん断力を小さくし発熱を小さくすることができる同方向二軸混練機のシリンダ及びそれを用いた同方向二軸混練機及びそれによる混練方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、供給された被混練物をスクリュにより混練しながら押出す同方向二軸押出機のシリンダにおいて、前記シリンダ軸と直交する断面において、前記スクリュの回転中心位置７Ｐが前記シリンダの内径中心位置８Ｐからずらして配置されることを特徴とする。

また、本発明の同方向二軸押出機のシリンダにおいて、二軸の中心点７Ｐを結んだ直線上における前記シリンダ１と前記スクリュ６との間の隙間（片）として、
隙間（片）＝（シリンダ内径１０´／２）−（スクリュ外径９´／２）−
（７Ｐと８Ｐの距離）
をスクリュ中心間距離７´の０．１％〜５％の比率とし、これと直角方向のシリンダとスクリュの隙間（片：（シリンダ内径１０´−スクリュ外径９´）の半分）を前記比率の１〜１０倍としたことを特徴とする。

また、本発明は、供給された被混練物をスクリュにより混練しながら押出す同方向二軸押出機のシリンダにおいて、該シリンダ１における肉厚（片）の最も薄い部分１１´における肉厚が二軸の中心間距離７´の４０％以上とされている断面形状を有することを特徴とする。

また、本発明に係る同方向二軸押出機は、上述した同方向二軸押出機のシリンダを備えてなるものである。

また、本発明の同方向二軸押出機において、前記シリンダは、少なくとも押出機の第１混練部に配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、同方向二軸押出機により樹脂を混練するようにした同方向二軸押出機による樹脂の混練方法において、上述した同方向二軸押出機のシリンダにより樹脂を混練するようにしたことを特徴とする。

本発明においては、シリンダとスクリュの左右の隙間を小さくして変形代を無くし、上下方向およびシリンダ内円筒交点部の隙間は大きく取れるため、この部分でせん断力は小さく、高い圧力も発生しないため、機械的な安全性が増し、従来困難であった高負荷を生じる被混練物についても運転が可能となる。

また、シリンダとスクリュの隙間を偏心させているため、隙間の広い部分においてシリンダの肉厚が薄くなり、シリンダの強度が低下する虞があるが、シリンダ肉厚をスクリュ軸間距離の４０％以上とすることによって、シリンダの強度を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、シリンダとスクリュの断面形状を示す断面図であり、従来の技術に示した図７に対応するものである。

図１に示すように、本発明の実施の形態における同方向二軸押出機は、シリンダ内円筒中心８Ｐとスクリュ軸中心７Ｐの位置をずらして機械加工し、二軸の中心点を結んだ直線上におけるシリンダ１とスクリュ６間の隙間（片）（図１のΔ１）として、
（シリンダ内径１０´／２）−（スクリュ外径９´／２）−（７Ｐと８Ｐの距離）
をスクリュ中心間距離の０．１％〜５％の比率とし、これと直角方向のシリンダとスクリュの隙間（片：（シリンダ内径１０´−スクリュ外径９´）の半分）（図１のΔ２）を前記比率の１〜１０倍の比となるように中心位置７Ｐ，８Ｐをずらすことにより、左右方向の発生力・移動を抑えつつ、上下方向の隙間を広く取って被混練物にかかるせん断力を小さくするようにしたものである。

なお、図１において、１´はシリンダ、３´は内円筒部、５´は交点部、６´はスクリュ、７´はスクリュ中心間距離、８´はシリンダ中心間距離、９´はスクリュ外径、１０´はシリンダ内径、１１´はシリンダ最小肉厚を示している。

次に本実施の形態の動作について従来の技術と対比しつつ説明する。

図７に示したように、２本のスクリュがシリンダ内で回転しているとき、被混練物はシリンダの２つの円筒の交点部分にてスクリュより掻きとられ、自己清掃機能を発揮しているが、この際にこの位置に高い圧力が一時的に発生して、その圧力はスクリュを左右方向へ押すこととなる。従来の技術では、この左右方向の変形代（片隙間）を狭くすることによりスクリュをシリンダの壁で支えるようになっているが、これでは圧力発生部分も同様に隙間が狭くなるため、高い圧力が発生してしまう。

本発明では左右の隙間は小さくして変形代を無くすが、上下方向およびシリンダ内円筒交点部の隙間は大きく取れるため、図１のようにシリンダ中央部上下の円筒交点部５´に隙間を形成することができるため、この部分でのせん断力を小さくすることができて、高い圧力発生を防止することができる。このため、機械的な安全性が増し、従来困難であった高負荷を生じる被混練物についても運転が可能となる。

本発明において発生する圧力を図２（ａ）、図３（ａ）に示す。また同様に従来のシリンダにおいて発生する圧力を図２（ｂ）、図３（ｂ）に示す。図２においては、シロヌキで示す部分が最も高い圧力を示している。図２によれば、本発明において円筒交点部において発生する圧力は、従来のものに比較して低く抑えられていることが理解される。また図３によれば、本発明のシリンダを示す図３（ａ）においては、最高圧力は５．８ＭＰａであるのに対して、図３（ｂ）の従来のシリンダにおいては、７．０ＭＰａとなっており、本発明のシリンダにおける最高圧力も低く抑えられることが確認される。

本実施の形態における同方向二軸混練機は、例えば、樹脂材料を混練する場合において、第１混練部で樹脂原料のみを溶融させ、第２混練部において溶融樹脂原料と添加材とを混合することができるが、上述したシリンダ及びスクリュ構造は、まず樹脂原料のみを溶融させるために、高いせん断力が発生する可能性のある第１混練部に設けられることが好ましい。

本発明の実施の形態によるシリンダとスクリュの断面構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態によりスクリュ断面に発生する力を従来技術と比較して示す図である。 本発明の実施の形態によりシリンダ内の樹脂に発生する圧力分布を従来技術と比較して示す図である。 従来の同方向二軸押出機に用いられる一般的なシリンダの外観を示す外観斜視図である。 シリンダの断面を示す斜視図である。 シリンダ内に配置される二本のスクリュの配置構造を示す斜視図である。 従来の同方向二軸押出機におけるシリンダとスクリュの断面構造を示す断面図である。

符号の説明

１´ シリンダ、３´ 内円筒部、５´ 交点部、６´ スクリュ、７´ スクリュ中心間距離、８´ シリンダ中心間距離、９´ スクリュ外径、１０´ シリンダ内径、１１´ シリンダ最小肉厚。

Claims (5)

1. 供給された被混練物を送り機能と混練機能とを有するスクリュにより混練しながら押出す同方向二軸押出機のシリンダにおいて、
   前記シリンダ軸と直交する断面において、前記スクリュの回転中心位置が前記シリンダの内径中心位置からずらして配置され、且つ、二軸の中心点を結んだ直線上における前記シリンダと前記スクリュとの間の隙間（片）をスクリュ中心間距離の０．１％〜５％の比率とし、これと直角方向のシリンダとスクリュの隙間（片）を前記比率の１〜１０倍（但し１を除く）としたことを特徴とする同方向二軸押出機のシリンダ。
2. 請求項１に記載の同方向二軸押出機のシリンダにおいて、
   該シリンダにおける肉厚（片）の最も薄い部分における肉厚が二軸の中心間距離の４０％以上とされている断面形状を有することを特徴とする同方向二軸押出機のシリンダ。
3. 請求項１又は請求項２の同方向二軸押出機のシリンダを備えてなる同方向二軸押出機。
4. 請求項３に記載の同方向二軸押出機において、
   前記シリンダは、第1混練部で樹脂原料のみを溶融させ、第２混練部において溶融樹脂原料と添加材とを混合するシリンダにおける前記第１混練部に配置されていることを特徴とする同方向二軸押出機。
5. 同方向二軸押出機により樹脂を混練するようにした同方向二軸押出機による樹脂の混練方法において、
   請求項１又は請求項２に記載の同方向二軸押出機のシリンダにより樹脂を混練するようにしたことを特徴とする同方向二軸押出機による樹脂の混練方法。

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