JP4204580B2 - 押出機シリンダの熱交換機構および熱交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュ式押出機のシリンダにおける熱交換機構および熱交換方法に関する。

押出機のシリンダの冷却加熱は、シリンダ側に設けられた冷却加熱用ジャケットに媒体を通し、媒体の蒸発潜熱や顕熱を利用した熱交換により行われる。

媒体用ジャケットはスクリュを収納するスクリュ収納穴の外周に設けられており、スパイラル状に形成されたもの（特許文献１、２）や、図５〜図７に示すようにスクリュ収納穴の軸方向に形成されたもの等がある。

図５〜図７に、従来の熱交換機構を備えた小型の二軸押出機の中間シリンダ、ベントシリンダおよびサイドフィードシリンダの各シリンダの正面図および側面図を示す。なお、各図の(ａ)が正面図であり、(ｂ)が側断面図である。

図５に示す中間シリンダ１１０には、２つの円弧が連通した断面形状のスクリュ収納部１００と、その周辺にドリルジャケット１０１が形成されている。さらに、ドリルジャケット１０１の外側にはタイバーボルト用穴１０３が形成されている。

ドリルジャケット１０１は冷却加熱用ジャケットとして用いられるものであり、スクリュ収納部１００の軸長手方向に円周状に複数本形成されている貫通穴であるドリル穴１０６と、シリンダ外部に通じる媒体の流出入口１０４と、各ドリル穴１０６を互いに連通させるバイパス１０５と、中間シリンダ１１０の前後面にてドリル穴１０６の両端部およびバイパス１０５を塞ぐことで媒体の流路、すなわち、ジャケットを形成するジャケット塞ぎ板１０７とからなる。ジャケット塞ぎ板１０７は、溶接によって中間シリンダ１１０の両端面に取り付けられている。

図６に示すベントシリンダ１２０にはベント穴１２１が形成されており、図７に示すサイドフィードシリンダ１３０には、サイドフィード穴１３１が形成されている。よって、これら各シリンダ１２０、１３０はベント穴１２１、サイドフィード穴１３１が形成されていない領域にドリル穴１０６が形成されている。

次に、ドリルジャケット１０１内の媒体の流れについて説明する。媒体は流出入口１０４の一方から供給される。供給された媒体はバイパス１０５をスクリュ収納部１００の周方向に流れてバイパス１０５に連通するドリル穴１０６の一端側からドリル穴１０６内に流れ込む。ドリル穴１０６に流れ込んだ媒体は、スクリュ収納部１００内を冷却あるいは加熱しながらスクリュ収納部１００の軸方向に流れ、ドリル穴１０６の他端側まで流れる。ドリル穴１０６の他端側に到達した媒体はバイパス１０５によって隣接する別のドリル穴１０６内へと誘導される。媒体は、以上のような流れを繰り返し、最終的には流出入口１０４の他方から中間シリンダ１１０の外部へと排出される。

図６に示すベントシリンダ１２０および図７に示すサイドフィードシリンダ１３０におけるドリルジャケット１０１内の媒体の流れ方も基本的に上述したした中間シリンダ１１０のドリルジャケット１０１内と同様である。
特開平１１−１９８２１５号公報 特開平５−０５７７６８号公報

しかしながら、上述した軸方向に貫通する複数のドリル穴１０６とこれらを連通させるバイパス１０５とをシリンダ１１０、１２０、１３０に形成し、ジャケット塞ぎ板１０５にて塞ぐことでドリルジャケットを形成する方式は、構造が複雑で加工や溶接に時間が掛かる。また、この方式は、複雑な構造であるために寸法的な制約も生じてしまい、シリンダ自体の寸法が小さくすることができない。その結果として、大きい加熱容量、あるいは大きな冷却容量が必要となる。

また、中間シリンダ１１０、ベントシリンダ１２０およびサイドフィードシリンダ１３０はそれぞれ構造が異なることからドリル穴１０６の本数や形成位置が異ならざるを得ない。その結果、熱交換効率がシリンダ形状によって左右されてしまう場合がある。

さらにドリルジャケット１０１はシリンダ内部の密閉構造であるため、ジャケットが詰まった時の清掃が困難という問題があった。

そこで、本発明は、シリンダ構造の違いによることなく冷却加熱を同等に行うことができる、簡単な構造で清掃が容易な、スクリュ式押出機用の熱交換機構および熱交換方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の熱交換機構は、シリンダに形成されたスクリュ収納部内の溶融材料と媒体との間における熱交換機構において、スクリュ収納部と交差する方向に直線的に形成されたドリル穴が形成されたシリンダと、各ドリル穴のそれぞれに対応する貫通穴と、各貫通穴を連通させる連通部が形成され、各ドリル穴に各貫通穴が対応するようにシリンダに着脱可能に取り付けられたフランジと、フランジの貫通穴のそれぞれを挿通し、ドリル穴のそれぞれに挿入される着脱可能なサイフォンパイプとを有し、各サイフォンパイプとフランジの各貫通穴との間には隙間が形成され、各サイフォンパイプの外周と各ドリル穴の内周との間には隙間が形成され、かつ各サイフォンパイプの先端部と各ドリル穴の最深部との間に先端空間部が形成されていることを特徴とする。

本発明の熱交換機構は、ドリル穴、連通部といった媒体が流れる流路がいずれも直線的に形成されているため、内部の清掃が容易である。また、本発明の熱交換機構は構成が簡単であるため、中間シリンダ、ベントシリンダ、サイドフィードシリンダのようにシリンダ形状が異なったとしてもいずれにも適用可能で、かつ、その形状によって熱交換効率が大きく左右されることもない。

また、本発明の熱交換機構は、各サイフォンパイプの外周には、各ドリル穴の内周に当接する振動防止体が設けられているものであってもよい。この場合、各サイフォンパイプは振動防止体がドリル穴の内周に当接することでパイプが片持ち支持になってしまうのを防止している。これにより、パイプが繰り返し振動による疲労破壊や、その先端部がドリル穴内部に当たって破損してしまうといったことを防止することができる。

また、本発明の熱交換機構は、フランジが、シリンダにボルトによって固定されているものであってもよい。この場合、フランジの着脱が容易であるため、フランジに形成された連通部内の清掃が容易となる。また、従来のジャケット塞ぎ板のような溶接作業が不要であるため、熱交換機構をシリンダに持たせることが容易となる。

本発明の熱交換方法は、本発明の熱交換機構を用いた熱交換方法であって、媒体をサイフォンパイプ内に、一端側から供給して他端側から先端空間部へと排出させ、排出された媒体を先端空間部から隙間へと流し込ませ、隙間を通った媒体を隙間を介して連通部へと流入させ、連通部を流れた媒体を隙間を介して隙間へと流入させ、隙間を通った媒体を先端空間部へと流し込ませ、先端空間部に流れ込んだ媒体をサイフォンパイプの一端側からその内部に流し込ませて他端側から排出させる熱交換方法である。

本発明によれば、媒体が流れる流路がいずれも直線的に形成されているため、内部の清掃が容易である。また、本発明の熱交換機構は構成が簡単であるため、コスト低減が可能であるだけでなく、シリンダ形状によって熱交換効率が左右されにくいものとすることができる。

図１(ａ)および図１(ｂ)に本実施形態の熱交換機構の断面図および側面図をそれぞれ示す。図１(ａ)は図１(ｂ)のＢ−Ｂ線における断面図である。

本実施形態の熱交換機構は、溶融材料が混練されるシリンダ１と、シリンダ１内の溶融材料と蒸発潜熱、顕熱の授受による熱交換を行うための媒体を供給するための第１および第２のサイフォンパイプ２０ａ、２０ｂと、媒体の流路の一部を構成するフランジ３０とを有する。

シリンダ１は概ね立方形状で２つの円弧が連通した断面形状のスクリュ収納部５が形成されている。また、シリンダ１には、スクリュ収納部５の上側に第１のドリル穴１０ａと加熱体用穴１１ａが形成され、スクリュ収納部５の下側に第２のドリル穴１０ｂと加熱体用穴１１ｂが形成されている。また、第１のドリル穴１０ａと第２のドリル穴１０ｂとは図１（ｂ）に示すようにシリンダ１の対角線上に形成されている。第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂは側面２側から空けられておりシリンダ１を貫通していない。第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂは直線的にドリル加工によって形成されたものであるため、簡単に形成することができる。加熱体用穴１１ａ、１１ｂもドリル加工によるものであり、シリンダ１を貫通して形成されていてもよいし、非貫通であってもよい。

第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂはそれぞれ第１および第２のサイフォンパイプ２０ａ、２０ｂとが着脱可能に挿入され、加熱体用穴１１ａ、１１ｂにはシースヒータ等の加熱体５０が着脱可能に挿入される。第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂ内の清掃、第１および第２のサイフォンパイプ２０ａ、２０ｂの清掃といったメンテナンスを行う場合、第１および第２のサイフォンパイプ２０ａ、２０ｂは第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂから抜き取られてメンテナンスは実施される。

シリンダ１の側面２にはガスケット４０を挟んで、両端部に貫通穴３１ａ、３２ａが形成されたフランジ３０が取り付けられている。貫通穴３１ａ、３１ｂの両側にはボルト４１が挿通する挿通穴が形成されており、フランジ３０は、これら挿通穴を通したボルト４１にてシリンダ１に固定される。フランジ３０は貫通穴３１ａと貫通穴３１ｂとを連通させる連通部３３が形成されている。本実施形態のフランジ３０は、フランジ３０の貫通穴３１ｂ側の端部からドリル加工によって連通部３３が形成されている。よって、フランジ３０の貫通穴３１ｂ側の開口端を塞ぐために当該開口端には塞ぎプラグ３４が嵌め込まれている。この塞ぎプラグ３４は取り外し可能である。

第１のサイフォンパイプ２０ａは、その外径が第１のドリル穴１０ａおよび加熱体用穴１１ａの内径より小さく、先端部であってその外周に９０度毎に４つの振動防止体２２が設けられている。振動防止体２２は点溶接で肉盛りすることで設けるものであってもよい。また、本実施形態では４つの振動防止体が設けられた例を示したが、その個数はこれに限定されるものではない。

４つの振動防止体２２は第１のサイフォンパイプ２０ａが第１のドリル穴１０ａに挿入された状態で第１のドリル穴１０ａの内壁面に当接する。振動防止体２２の機能については後述する。第２のサイフォンパイプ２０ｂの構造も第１のサイフォンパイプ２０ａと同じ構造である。

次に、サイフォンパイプが取り付けられた状態における媒体の流れについて説明する。

第１のサイフォンパイプ２０ａの一端側の媒体入り口２３ａから媒体が供給される。供給された第１のサイフォンパイプ２０ａ内を通り、他端側から先端部空間１２ａへと排出される。先端部空間１２ａは第１のサイフォンパイプ２０ａの先端部と第１のドリル穴１０ａの穴の先端部との間に形成された空間であり、ドリル加工によって形成された最深部である。媒体は先端部空間１２ａでその流れ方向を供給された方向と反対方向に変え（Ｕターン）、第１のサイフォンパイプ２０ａの外周と第１のドリル穴１０ａの内周との間に形成された隙間１１ａを通り、フランジ３０の連通部３３へと向かう。媒体が隙間１１ａを流れる際にシリンダ１を介してスクリュ収納部５内の溶融材料を冷却、あるいは加熱する。

熱交換しながら隙間１１ａをフランジ３０の方向へと向かって流れた媒体はフランジ３０の連通部３３へと流れ込む。シリンダ１とフランジ３０との間にはガスケット４０が挟み込まれているのでシリンダ１からフランジ３０側へと媒体が流れていく際にシリンダ１とフランジ３０との間から媒体が漏洩することはない。フランジ３０の貫通穴３１ａと第１のサイフォンパイプ２０ａとの間にも隙間３１ａ１、３１ａ２が形成されている。媒体は隙間３１ａ１を介して連通部３３へと流れ込む。一方、隙間３１ａ２はシーリング（図示せず）が施されており、この隙間３１ａ２から媒体が漏洩することはない。

連通部３３に流れ込んだ媒体は、第２のサイフォンパイプ２０ｂの外周と第２のドリル穴１０ｂの内周との間に形成された隙間１１ｂを通り、先端部空間１２ｂへと流れ込む。フランジ３０とシリンダ１との間にはガスケット４０が挟み込まれているのでシリンダ１とフランジ３０との間から媒体が漏洩することはない。フランジ３０の貫通穴３１ｂと第２のサイフォンパイプ２０ｂとの間にも隙間３１ｂ１、３１ｂ２が形成されている。媒体は隙間３１ｂ１を介して連通部３３から隙間１１ｂへと流れ込む。一方、隙間３１ｂ２はシーリング（図示せず）が施されており、この隙間３１ａ２から媒体が漏洩することはない。

熱交換を行いながら隙間１１ｂを流れた媒体は、先端部空間１２ｂへと流れ込む。先端部空間１２ｂは第２のサイフォンパイプ２０ｂの先端部と第２のドリル穴１０ｂの穴の先端部との間に形成された空間である。なお、連通部３３の第２のサイフォンパイプ２０ｂ側は塞ぎプラグ３４が嵌め込まれているため媒体がフランジ３０から外部へと漏洩することはない。

媒体は先端部空間１２ｂでその流れ方向を供給された方向と反対方向に変え、第２のサイフォンパイプ２０ｂの先端の開口から第２のサイフォンパイプ２０ｂ内へと流入する。第２のサイフォンパイプ２０ｂ内へと流入した媒体は、媒体出口２３ｂから外部へと排出される。

ところで、本実施形態のシリンダ１は、スクリュ収納部５内における不図示のスクリュによる材料の混練や隙間１１ａ、１１ｂを媒体が流れる際に媒体の脈動などに起因する振動してしまう場合がある。このような振動が継続的に発生すると、各サイフォンパイプ２０ａ、２０ｂにもその振動が伝達され各ドリル穴１０ａ、１０ｂ内で振動することとなる。振動が繰り返し印加されると各サイフォンパイプ２０ａ、２０ｂが疲労破壊してしまうおそれや、その振幅が大きい場合各サイフォンパイプ２０ａ、２０ｂの先端部が各ドリル穴１０ａ、１０ｂ内壁面に当たって破損してしまう場合がある。振動防止体２２は第１および第２のサイフォンパイプ２０ａ、２０ｂの先端部を第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂに押し付けている。つまり、振動防止体２２は各サイフォンパイプ２０ａ、２０ｂが片持ち支持とならないようにし、サイフォンパイプの先端部が振動するのを防止し、上述したような疲労破壊やパイプの先端部が衝突破壊を防ぐためのものである。

次に、図２〜図４に、本実施形態の中間シリンダ、ベントシリンダおよびサイドフィードシリンダの各シリンダの正面図および側面図を示す。なお、各図の(ａ)が正面図であり、(ｂ)が側断面図である。

図２に示す中間シリンダ６０は、図１に示したシリンダ１と同じ構造である。すなわち、中間シリンダ６０は、スクリュ収納部５が概ね中央部分に形成されており、第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂがそれぞれ対角線上に形成されており、２つの加熱体用穴１１ａが形成されている。図３に示すベントシリンダ７０には、以上の構成の他、ベント穴７１が形成されており、また、図４に示すサイドフィードシリンダ８０にはサイドフィード穴８１が形成されている。

以上説明したように、本実施形態の簡単な構造でシリンダ1を冷却加熱することが可能である。すなわち、本実施形態の熱交換機構は、スクリュ収納部５内の溶融材料との熱交換を行う媒体の流路が複数の非貫通の第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂが形成されたシリンダ１と、これら第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂを連通させるためにシリンダ１にボルト４１によって固定されたフランジ３０と、第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂに差し込まれる第１および第２のサイフォンパイプ２０ａ、２０ｂとのみからなるものである。

本実施形態の熱交換機構は、流路が真直ぐの第１および第２のドリル穴１０ａ、１０ｂと第１および第２のサイフォンパイプ２０ａ、２０ｂとで形成されているため、シリンダの製作が簡単である。

また、従来例で示した構成のシリンダは、媒体用の流路を構成するためジャケット塞ぎ板を溶接で取り付けていた。これに対して本実施形態の熱交換機構は、シリンダ１をフランジ３０でボルト４１によって固定する構成を採用している。このように本実施形態の熱交換機構を製作する過程において溶接工程が不要となり、容易に製作することができるので、コストを低減させることができる。また、このような簡単な構成とすることで装置自体の小型化も容易となる。

また、本実施形態の熱交換機構の清掃は、サイフォンパイプをドリル穴から引き抜き、ドリル穴内を清掃する、また、取り出したサイフォンパイプの外周、内周を清掃するだけでよい。また、これらドリル穴およびパイプは真直ぐのものであるため、清掃も極めて簡単である。

従来例で示した構成のシリンダは、媒体用の流路を構成するためジャケット塞ぎ板を溶接で取り付けていた。これに対して本実施形態の熱交換機構は、シリンダ１をフランジ３０でボルト４１によって固定する構成を採用している。フランジ３０に形成された連通部３３は、ドリル加工によって形成された真直ぐのものであり、取り外し可能な塞ぎプラグ３４で塞ぐことで閉じた流路の一部を構成する。よって、連通部３３内を清掃は、塞ぎプラグ３４を取り外すことで容易に行うことができる。また、フランジ３０はシリンダ１から取り外すことができるため、作業性もよい。

なお、上述した説明では、シリンダに形成されたドリル穴、フランジに形成された連通部３３はいずれもドリル加工により形成されることで直線状の穴形状をしているが、これに限定されるものではなく、本発明の目的とする穴内の清掃等のメンテナンスが容易な穴形状であれば、長手方向に多少曲がって形成されているものであってもよい。また、各穴はドリル加工により形成されることでその断面形状は円形となるが、周知の技術であって他の加工方法によって形成することで円形以外の断面形状を有するものとなってもよい。

本発明の熱交換機構の一例の断面図および側面図である。 本発明の熱交換機構を適用可能な、小型押出機の中間シリンダの正面図および側面図である。 本発明の熱交換機構を適用可能な、小型押出機のベントシリンダの正面図および側面図である。 本発明の熱交換機構を適用可能な、小型押出機のサイドフィードシリンダの正面図および側面図である。 従来の熱交換機構を適用可能な、小型押出機の中間シリンダの一例の正面図および側面図である。 従来の熱交換機構を適用可能な、小型押出機のベントシリンダの一例の正面図および側面図である。 従来の熱交換機構を適用可能な、小型押出機のサイドフィードシリンダの一例の正面図および側面図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ 側面
５ スクリュ収納部
１０ａ 第１のドリル穴
１０ｂ 第２のドリル穴
１１ａ、１１ｂ 加熱体用穴
１１ａ １１ｂ隙間
１２ａ、１２ｂ 先端部空間
２０ａ 第１のサイフォンパイプ
２０ｂ 第２のサイフォンパイプ
２２ 振動防止体
２３ａ 媒体入り口
２３ｂ 媒体出口
３０ フランジ
３１ａ、３１ｂ 貫通穴
３１ａ１、３１ａ２、３１ｂ１、３１ｂ２ 隙間
３３ 連通部
３４ プラグ
４０ ガスケット
４１ ボルト
５０ 加熱体
６０ 中間シリンダ
７０ ベントシリンダ
７１ ベント穴
８０ サイドフィードシリンダ
８１ サイドフィード穴

Claims (4)

1. シリンダ（１）に形成されたスクリュ収納部（５）内の溶融材料と媒体との間における熱交換機構において、
   前記スクリュ収納部（５）と交差する方向に直線的に形成されたドリル穴（１０ａ、１０ｂ）が形成された前記シリンダ（１）と、
   前記各ドリル穴（１０ａ、１０ｂ）のそれぞれに対応する貫通穴（３１ａ、３１ｂ）と、前記各貫通穴（３１ａ、３１ｂ）を連通させる連通部（３３）が形成され、前記各ドリル穴（１０ａ、１０ｂ）に前記各貫通穴（３１ａ、３１ｂ）が対応するように前記シリンダ（１）に着脱可能に取り付けられたフランジ（３０）と、
   前記フランジ（１０）の貫通穴（３１ａ、３１ｂ）のそれぞれを挿通し、前記ドリル穴（１０ａ、１０ｂ）のそれぞれに挿入される、着脱可能なサイフォンパイプ（２０ａ、２０ｂ）とを有し、
   前記各サイフォンパイプ（２０ａ、２０ｂ）と前記フランジ（１０）の前記各貫通穴（３１ａ、３１ｂ）との間には隙間（３１ａ１、３１ｂ１）が形成され、前記各サイフォンパイプ（２０ａ、２０ｂ）の外周と前記各ドリル穴（１０ａ、１０ｂ）の内周との間には隙間（１１ａ、１１ｂ）が形成され、かつ前記各サイフォンパイプ（２０ａ、２０ｂ）の先端部と前記各ドリル穴（１０ａ、１０ｂ）の最深部との間に先端空間部（１２ａ、１２ｂ）が形成されていることを特徴とする熱交換機構。
2. 前記各サイフォンパイプ（２０ａ、２０ｂ）の外周には、前記各ドリル穴（１０ａ、１０ｂ）の内周に当接する振動防止体（２２）が設けられている、請求項１に記載の熱交換機構。
3. 前記フランジ（３０）は、前記シリンダ（１）にボルト（４１）によって固定されている、請求項１または２に記載の熱交換機構。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱交換機構を用いた熱交換方法であって、
   媒体を、前記サイフォンパイプ（２０ａ）内に、一端側から供給して他端側から前記先端空間部（１２ａ）へと排出させ、
   排出された媒体を、前記先端空間部（１２ａ）から前記隙間（１１ａ）へと流し込ませ、
   前記隙間（１１ａ）を通った媒体を、前記隙間（３１ａ１）を介して連通部（３３）へと流入させ、
   前記連通部（３３）を流れた媒体を、前記隙間（３１ｂ１）を介して前記隙間（１１ｂ）へと流入させ、
   前記隙間（１１ｂ）を通った媒体を、前記先端空間部（１２ｂ）へと流し込ませ、
   前記先端空間部（１２ｂ）に流れ込んだ媒体を、前記サイフォンパイプ（２０ｂ）の一端側からその内部に流し込ませて他端側から排出させる熱交換方法。

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