JP4594564B2 - 押出機ヘッド用の調整可能な流路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エラストマ材料の流れを押出機ヘッドに通過させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック材料であるか、それともエラストマ材料であるかにかかわらず材料のストリップの押出しの分野では、加熱されたバレルと、可塑化すべき材料にせん断エネルギーを与えるスクリューとを有する押出機を使用することが公知である。材料は、加熱されると、一般に、材料を押出機ヘッド内に突き出させるスクリューチップの端部で固体ペレットまたはストリップ形態から可塑化された材料のストリップに変換される。この押出機ヘッドは、可塑化された材料を、押出機ヘッド自体を通して、材料を適切な所定の断面形状に形成する出口または排出金型に向ける１つまたは複数の通路または流路で構成された流路を一般に有している。
【０００３】
押出機システムは、２つ以上の異なる材料を共流延できるようにする複雑な性質を有することが少なくない。一例として、２重トレッドは、各材料が用途向けに特定的に構成された上部キャップ材料および下部ベース材料を用いて作ることができる。ずっと複雑な用途では、キャップ材料およびベース材料が、同時に共流延され他の２つの構成要素に結合されるサイドウォール材料を左右の端部のそれぞれに有する３重押出機を使用することができる。すべてのこれらの材料は、それらが１つまたは複数の固体の単体部片になるように各材料を組み立て結合する流路内に各材料を向ける押出機ヘッド内に突き出される。押出成形品全体にわたって適切な量の材料が与えられるようにこれらの流路内に調整可能な流量制限部材を設けることが望ましいことが多い。このような機構は米国特許第５１４７１９５号に記載されている。この特許には、それぞれの異なる流動特性、すなわち、たとえばそれぞれの異なる粘度および弾性を有する流れを合流させるときに問題が起こることが示されている。たとえば、溶融流が、合流させる溶融流と比べて流れに対する抵抗が高いとき、適切な形状の溶融流接触面を使用することによって合流の前に高抵抗の溶融流の大規模なエッジフローを形成すると有利である。同様に、他の状況では、合流の前に一方の溶融流の大規模なセンターフローを形成しておくと有利である。
【０００４】
米国特許第５１４７１９５号における発明は、ディバイダ部材によって分離されておりかつ合流する第１の流路および第２の流路を備えるユニークな押出装置を提供することに関する。この装置の好ましい特徴は、調整可能な溶融流接触面を形成するセグメント化された流量制限部材である。このセグメント化された流量制限部材は、ディバイダ部材の反対側の壁と協働して一方の流路の出力ギャップを形成する面部を有しており、調整組立体がこの流量制限部材に動作可能に連通しており、この調整組立体を使用してギャップが調整される。このような流量制限部材は、一方または他方の流路で体積の変化が起こるように、可塑化された材料が通過する流路の一部を遮断するに過ぎない。これらの技法は、多材料構成要素で一般的に行われているように様々な材料に対する調整機能を実現するが、材料が均一な材料であるときにその材料の平衡流を形成する手段を備えていない。このことは、エラストマ材料を処理するときに特に厄介である。この場合、材料流は、ゴムが流路を通過する際に流路の断面を横切って様々な流速が形成され、それにより、構成要素が押出機金型から出るときに該構成要素の押出時形状の質量不平衡をもたらす。一般に、金型の一方の側では、材料の流速が金型の反対側の材料の流速よりも高いので、材料が流れ出してより広い面積に広がる。
【０００５】
同じ押出機から複数の形状を同時に押し出すときには他の問題が起こる。この場合、各形状用の金型が同一であっても各形状の質量出力は同じでないことが一般に判明している。複数の空隙部間のこの流量不平衡は流路に関するものであり、不平衡の程度は、エラストマ材料の流動特性、流路内の温度分布、および流路設計に依存する。さらに、不平衡の程度は、押し出される材料の種類を変更するときと、温度分布の変動など、押出機動作条件の避けられない変動が生じたときにいくらか変化する。当技術分野では、工具製造業者は、各形状の等しい出力が得られるように流路の形状および断面を変える必要がある。これには、流路を繰り返し切削する必要があり、特定のエラストマ材料に対してこれが行われると、他の種類のエラストマが押し出されるときや、押出機動作条件が変動したときには調整が不可能になる。
【０００６】
押出機ヘッド内の流速のこのような変動を補償するために、流路が開発されている。押出機の流路は、スクリューチップのすぐ下流側で、かつ押し出される構成要素の形状を形成する金型のすぐ上流側にある押出機の部分である。このような流路は、特に、一様な材料流が生じ、かつ材料が金型に接近したときに材料の分布が流路を横切ってほぼ一様になるように構成される。これを実現するために、工具製造業者は、速度形状ができるだけ一様に金型に接近するように流路の形状および断面を変えなければならないことが少なくない。流速が、金型の面を横切ってほぼ一様になるように最適化されたとき、流路は、その特定の材料に関して平衡していると言う。実際には、この場合、この平衡流を実現するには、流路を何度も切削し金型を何度も調整する必要がある。このような金型は、押し出される材料、材料の基本流動特性、材料の温度、材料が押し出される速度にいくらか依存する。すべてのこれらの技術的要素は、押し出される所与の材料および金型構造に対して適切な流路を形成するには多大な調整が必要であることを意味する。
【０００７】
金型に横切っての質量および速度の不平衡に関係する第２の問題は、押出成形品が金型を離れた後の押出成形品の不要な曲率であり、すなわち、直線状のストリップが得られるのでなく、「バナナ」状に湾曲したストリップが得られる。この問題も、材料が流路を通って流れる際の材料中の速度分布にいくらか関係がある。金型から出る押出成形品を見ることができ、この押出成形品が平坦なシートである場合、金型の左右の縁部に沿った材料は、それぞれの異なる速度で移動する可能性があり、したがって、押し出される材料の一方の側は、他方の側が高速に移動する際に反るか、あるいは湾曲する傾向があり、低速側は、高速に移動する部分が金型からより高速に離れる間、金型の近くに留まる傾向がある。この結果、成形後の構成要素はバナナ状に湾曲する。構成要素が形成される際のこの湾曲は、プロファイル構成要素の寸法特性が正確に見えても、金型の一方の側と他方の側では材料の速度が異なることを示す。この非一様な速度変化によって、構成要素は自然な反りを有する。たとえば、タイヤトレッドを作製する際、この作用により、未加硫タイヤにトレッドを取り付ける際の精度が低下し、成形後のタイヤが、コニシティと呼ばれる非対称性を有することがあるので、結果として得られるタイヤの品質にいくらか悪影響が及ぶことがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、形成後の構成要素の適切な質量平衡が実現されるように複数の空隙部間および各空隙部内で流れを平衡させる簡単な方法を実現する流路を提供することである。本発明の目的は、成形後の構成要素内の質量変動およびコニシティ変動を補償する調整可能な手段を提供することでもある。これらの機能は互いにいくらか関係があるが、それぞれ別々の流路内に設けることも、あるいはエラストマストリップを形成できる適切な流路を実現するように組み合わせて使用することもできる。本発明の一応用例において、全体的な本発明の思想は、流路内に設けられた調整可能な質量平衡機能に関する。関連する第２の応用例において、流路は、流速のためにコニシティの不平衡が生じることがないように成形構成要素が与えられるようにする調整可能なコニシティ堰を備えている。これらの機能はそれぞれ、流路内で別々に使用することができ、それ自体が別々の用途を有することができるが、最適な結果を得るには組み合わせて使用するのが好ましいと考えられる。本出願では、質量平衡機能について詳しく説明し、コニシティ堰機能については、本出願と同時に提出された別の関連出願で説明する。
【０００９】
本出願は、単一の開口部を持つ金型から出るエラストマ材料の押出ストリップを平衡させ、そのコニシティを改善する際にうまく作用するが、このような機能が、材料の２つ以上のストリップを形成する複数の開口部を持つ単一の金型から複数の構成要素を作製する際に最も有益であることが重視されている。このような場合、流れが流路内で分割されて２つの別々の流れが形成され、互いに等しいかあるいは重複した製品を製造するために、これらの流量を完全に平衡させ、かつコニシティを調整し、それにより、ストリップを形成する各金型開口部における流速を一様にするかあるいはできるだけ一様にしなければならないので、質量平衡およびコニシティの問題が重大であることが容易に理解されよう。
【００１０】
これらの目的は後述の本発明によって達成される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
所定の断面形状のエラストマストリップを同時に形成する押出機流路について説明する。この流路は、所定の断面積Ａ_iの流量入口端部と、流量入口端部と連通しており各々が所定の断面積Ａ_oの流量出口端部を有する第１および第２の通路と、第１の通路と第２の通路との間に挿入され、これらの通路を分離するフローダムとを有する。フローダムは、流量スプリッタを有する。流量スプリッタは、第１の通路の流量面積を第２の通路の流量面積に対して局所的に増減させる。当業者には、この概念を以下のように拡張することによって２つの押出成形品を同時に作れることが理解されよう。たとえば、上述の２つの通路のそれぞれが、流量スプリッタを有するダムによって細分され、４つの別々の通路が形成される流路によって、４つの押出成形品を作ることができる。
【００１２】
２つの通路を有する例に戻ると、使用時に、流量スプリッタは、流量入口端部に対して非対称的に向けられる。この非対称的な向きのために、第１の流路内のエラストマストリップの質量流量は第２の流路内の質量流量とは異なる。押出機流路は、第１および第２の通路の各通路内または各エラストマストリップ上に質量流量センサを有することが好ましい。
【００１３】
押出機ヘッド流路は、流量スプリッタに取り付けられた流量スプリッタ調整機構を有することが最も好ましい。流量スプリッタ調整機構は、押出機ヘッドの作動中に流量スプリッタを移動させ、第１の流路の流量面積を第２の流路の流量面積に対して相対的に変化させる。押出機流路は、第１および第２の流路内の質量流量センサと、質量流量の差を測定し、流量を等しくするために流量スプリッタが移動しなければならない量および方向を算出するためにセンサに接続された論理回路と、流量スプリッタ調整量を通知する手段と、信号手段から要求された所定の量だけ流量スプリッタ調整機構を移動させるアクチュエータとを有することが好ましい。質量流量センサは流量スプリッタの下流側に位置することが好ましい。また、質量流量センサは、総質量流量を算出できる論理回路と、押出機に押出成形品の流量を増減させる手段とに、各流路の総質量流量値を通知する。このようにして、第１の流路と第２の流路との間の質量流量差を検出できるだけでなく、押出成形品の供給量を調整することもできる。
【００１４】
好ましい実施態様では、流量スプリッタは、頂点を持つほぼ三角形の断面を有している。この頂点は、流量入口端部に近接しており、好ましくは流量入口端部に非常に近接している。流量スプリッタはダムに対してピボット移動可能であることが好ましい。
【００１５】
好ましい実施態様では、第１および第２の通路はそれぞれ、一方向で内側に先細になっており、他の方向では入口端部の下から出口端部まで広がっており、出口端部に隣接するほぼ台形の部分を形成している。各台形部分では、各通路に流量堰が備えられている。一例として、この堰は、流路の全深さよりも小さい高さまで延びるほぼ三角形の形状を有する。この堰の高さは、ピークで流路深さの少なくとも５０％に達し、エラストマ流量質量が押出機ヘッドの最終成形金型に進入する前にこのエラストマ流量質量を再分配するように設定されることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および２を参照するとわかるように、当技術分野でよく知られており図示されていない押出機は、押出機バレル３内に密閉された押出機チップ４を持つ押出機スクリュー２を有している。押出機バレルには押出機ヘッド５が取り付けられている。押出機ヘッドは、可塑化された材料、好ましくはエラストマ材料を受容する流量入口端部３０と、可塑化された材料を、作製すべきエラストマストリップの形状を形成する金型を通して排出する流量出口端部３２とを有する流路１０を備えている。この金型は一般に成形金型６０と呼ばれており、それに対して、エラストマストリップは図８に示されている品目２０である。
【００１７】
流路１０の流量入口端部３０と流量出口端部３２との間に第１の通路４０および第２の通路５０がある。第１の流路４０と第２の流路５０との間にフローダム１２が挿入されている。フローダム１２は第１の流路４０を第２の流路５０から分離している。フローダムの先端に流量スプリッタ１４がある。図のように、流量スプリッタ１４は頂点１５を有している。図のように、流量スプリッタは、頂点１５が流量入口端部３０に対して対称的に向けられた「中立」位置にあるほぼ三角形の形状を有している。流量スプリッタは、流量入口端部３０に対して非対称的に向けられることによって、第１の通路４０の流量面積を第２の通路５０の流量面積に対して局所的に増減させる。流量スプリッタ１４を質量流量に対してこのように非対称的に位置決めすることによって、ゴムが入口領域Ａ_iから流れる際にゴムの体積が再分配される。流量スプリッタ１４の頂点をこのように非対称的に位置決めすると、通路４０、５０の一方が他方の通路４０、５０よりも制限され、したがって、第１および第２の流路のそれぞれでゴムの質量を再分配する局所的な背圧が生成される。入口領域Ａ_iに対する流量スプリッタ１４の頂点のずれ量を適切に選択することにより、各通路４０、４０を通って流れるゴム塊の量を、各通路４０、５０を通って移送されるゴムのポンド質量がほぼ等しくなるように効果的に平衡させることができる。この機能は、図３に示されているように成形金型６０から単一のエラストマストリップ２０を作製する際に有益であるが、図４に示されているように、単一の金型６０から複数のストリップ２０を作製する際の方がずっと有益であり、この場合、金型は、２つのストリップを同時に形成する２つの開口部６２を有し、各ストリップは、ゴム塊が通路および成形金型６０を通って分配される際に各流路４０、５０から形成される。フローダム１２は、流路１０の流量出口端部３２の方へ延びているので、図のように再び排出頂点１６に収束している。図２を見るとわかるように、フローダム１２および通路４０、５０は内側に先細になっている。通路４０、５０は、エラストマ流が成形金型６０に進入する前に、流路１０の流量出口端部３２に接近していくにつれて、断面積が平らになるように横方向に細長くなっている。必ずしも必要ではないが、フローダム１２は流路１０のほぼ全長Ｗにわたって延びて、妨害物を形成し、流量出口端部３２で第１の流路４０を第２の流路５０から完全に分離することができる。
【００１８】
図５および６を参照するとわかるように、流路１０内の流速形状は不平衡状態に示されており、より高速の流れは、この図５の例では流路４０で起こっている。対称流路設計ではある種の不平衡がよく起こる。この不平衡条件は、流量スプリッタ１４を、より高速の流れを受ける通路内の流量面積が小さくなるように向けることによってなくすことができる。図５に示されている例では、この条件は、図６に示されているように流量スプリッタの頂点を通路４０上に向けることによって補正される。
【００１９】
図１では、流路１０の流量出口端部３２に第１の通路４０内の第１の流量堰２２および第２の通路５０内の第２の流量堰２４が示されている。図のように、これらの流量堰２２、２４は流路内に非対称的に位置決めされており、それぞれ、先端に頂部２５を有するほぼ三角形の形状を有しており、頂部は質量流量ダイバータ２８を形成している。
【００２０】
図６に示されているように、エラストマ流が押出機バレル３から出て流路１０の入口３０に入ると、この質量流量は２つの部分６、７に分離される。各部分６、７は、ゴムがそれぞれ通路４０、５０を流れるときにゴムのそれぞれの異なる流速形状を有する。エラストマストリップ２０が流量堰２２、２４の先端にある質量流量ダイバータ２８にぶつかると、流速形状は一様になるが、その目的は、ゴムが、流路の流量出口端部で押出機金型に進入する際に、金型の横方向の長さを横切ってほぼ一定の流速形状を有することである。図２に示されているように、各流量堰２２、２４は、それが位置決めされている位置で通路４０、５０の全深さよりも小さい高さまで延びている。流量堰２２、２４は、質量流量ダイバータが位置する領域で通路４０、５０の全深さの４０％以上を占めるのが好ましい。
【００２１】
流量堰２２、２４の頂点２５を、それがそれぞれの通路４０、５０の流動するエラストマストリップ２０の流速形状に垂直にぶつかるように位置決めすることが重要であると考えられる。図のように、エラストマストリップ２０は、流量堰２２、２４に斜めにぶつかり、したがって、流量堰２２、２４が、図６に示されているように流路内の最大流速時に流れを妨害するように非対称的に位置決めされることが重要であると考えられる。各通路４０および５０内のエラストマ流の流速形状が対称的になるように流路１０が設けられている場合、この構成では、通路４０、５０の中点またはそれに近接した位置で最大流速が生じるものと仮定されるので、流量堰は流路内で対称的に位置決めできるものと仮定される。しかし、図１に示されているように、流れは流量出口端部３２に対してわずかに斜めに移動し、このことは、フローダム１２に最も近いエラストマストリップ２０の材料塊は、流量出口端部３２に到達するまでに走行する距離がより短いのでより高速に動くことを意味する。したがって、質量流量ダイバータ２８の頂点が、フローダム１２のより近くの、図１および図５に示すような最大流速が起こる点に位置することが重要であると考えられる。流量スプリッタ１４はフローダム１２に取り付けられており、質量流量ダイバータ２８は第１の流量堰２２と第２の流量堰２４の両方に取り付けられている。流量スプリッタおよび質量流量ダイバータはそれぞれ、流路に対して動かないように剛性に取り付けることができる。これは、流量スプリッタ１４および質量流量ダイバータ２８を流路１０に直接固定することによって行うことができる。これを行うときは、頂点１５、２５または各構成要素の先端の位置を、最適な位置になるように事前に選択しておかなければならない。質量流量が正しく平衡しないか、あるいは形成後のエラストマストリップ２０にコニシティ問題が起こるものと仮定した場合、頂点１５、２５の向きを調整し、流路４０、５０の一方の側または他方の側にわずかに移動させ、それによって、通路内の流れを制限するか、あるいは流量堰２２、２４で流れをそらすことができる。流量を調整し平衡させるこの方法は、それぞれが異なる頂角を有するこれらの構成要素１４および２８の在庫を必要とする経験的な方法で行われる。コニシティまたは質量不平衡は、構成要素を在庫内の構成要素と交換することによって補正される。当業者には容易に理解できるように、この反復プロセスは、従来技術よりも好ましいがいくらか時間がかかることがある。
【００２２】
したがって、エラストマストリップ２０が流れる際に流量スプリッタ１４および質量流量ダイバータ２８が通路４０、５０内で移動可能であることが好ましい。このように、これらの要素が流路に対してピボット移動できる場合、測定および分析を行い、必要な調整を要求するのに適切なセンサおよび論理回路が使用可能であると仮定する場合には、リアルタイムでただちに調整を施し、それによって、必要に応じて通路４０、５０内の流れを制限または開放し、必要な平衡またはコニシティ調整を行うことができる。
【００２３】
図９に示されている流量スプリッタ調整機構３５は、流量スプリッタ１４をピボットピン１７の周りで移動させ、それによって頂点１５を入口領域Ａ_iに対して移動させ、必要に応じて流れ６、７の一部の方向を一方の側の通路４０または他方の側の通路５０に変更することのできるアクチュエータ３６を備えている。図のように、これらは、流路４０、５０内を移送される質量流量６、７を測定し、論理回路９０に信号を送り返すセンサ手段８０を各流路４０、５０に設け、論理回路９０が、データを分析し、ピボット回転するピボットピン１７を所定の量だけ移動させるようにアクチュエータ３６の向きを変え、流量スプリッタ１４の頂点１５を通路４０、５０の開口に対して調整することによって行うことが好ましい。
【００２４】
同様に、それぞれ、ピボットピン１７と、アクチュエータ３６と、質量流量ダイバータ２８が通路４０、５０に対してピボット回転できるようにし、それによって質量流速を調整して下流側でコニシティ問題が起こるのを防止する質量流量調整機構３４とを有する同じ種類の機構が、各流量堰２２、２４内の質量流量ダイバータ２８上で使用される。
【００２５】
この種の機構にセンサ手段８０を備えることによって、通路４０、５０を自動的にリアルタイムで調整し、流れ６、７が成形金型６０から出るときの流れ６、７内の変動を補償することが可能になる。また、センサ手段８０が論理回路９０に信号を送り返し、論理回路９０が押出機１とも通信し、押出機１が、流路１０の流量入口端部３０で排出される総質量流量を増減できることが望ましいと考えられる。このようにして、押出成形品が形成されるときに総質量を変動させることができる。
【００２６】
あるいは、必要なフィードバック機構が構成されるように、エラストマストリップ２０が形成されるときに、押し出されたエラストマストリップ２０の形状を測定しかつ重量を測定することもできる。この代替測定方法は、実現するのはかなり容易であるが、コニシティおよび質量不平衡の補正に関するある固有の遅延時間を有し、したがって、図の通路４０、５０自体内で行われるリアルタイム測定よりもいくらか望ましくないと考えられる。
【００２７】
図７（Ａ）および（Ｂ）を参照するとわかるように、通路４０、５０の流量出口端部または流量出口端部３２にある流量堰２２、２４は、エラストマ流またはゴム流６、７の流速ベクトル形状を形成する。図７（Ａ）に示されているように、この形状はフローダム１２に最も近い位置で速度が高くなる。流量堰２２上に質量流量ダイバータ２８をピボット回転することによって、フローダム１２に最も近い位置で流れが収縮する。この収縮によって、流れ６がダム１２の近くで効果的に減速され、最も好ましい実施形態では、押出成形品が成形金型６０に接近する際に一様な流速ベクトル形状が示されるように流速形状が一様になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】材料流の上流側で押出機に連結され、流路の下流側で成形金型に連結された押出機流路の平面図である。
【図２】図１の線２−２に沿った断面端面図である。
【図３】単一の開口部を有する、エラストマストリップを形成する例示的な仕上げ型を示す図である。
【図４】同様な断面形状を持つ２つのエラストマストリップを形成する、２つのプロファイル開口部を有する例示的な金型を示す図である。
【図５】不平衡状態の流路を示す図である。
【図６】流量スプリッタを調整することによって得られた理想的な流速平衡状態を示す図である。
【図７】図（A)は押し出されたストリップが金型から出るときの該ストリップの不平衡状態の流速を示す図である。図（B)は形成後の構成要素が仕上げ型から出るときの該構成要素の理想的な流速を示す図である。
【図８】エラストマストリップの断面図である。
【図９】流量スプリッタ調整機構の断面図である。
【符号の説明】
２ 押出機スクリュー
３ 押出機バレル
４ 押出機チップ
５ 押出機ヘッド
６、７ 流れ
１０ 流路
１２ フローダム
１４ 流量スプリッタ
１５ 頂点
１６ 排出頂点
１７ ピボットピン
２０ エラストマストリップ
２２、２４ 流量堰
２８ 質量流量ダイバータ
３０ 流量入口端部
３２ 流量出口端部
３４ 質量流量調整機構
３５ 流量スプリッタ調整機構
３６ アクチュエータ
４０、５０ 流路
６０ 成形金型
６２ 開口部
８０ センサ手段
９０ 論理回路

Claims (3)

1. 所定の断面形状の１つまたは複数のエラストマストリップを同時に形成する押出機ヘッド用の押出機流路であって、前記押出機流路が、
   所定の断面積Ａiの流量入口端部と、
   前記流量入口端部と連通している第１および第２の流路であって、各流路が所定の断面積Ａｏの流量出口端部を有する、前記第１および第２の流路と、
   前記第１の流路と前記第２の流路との間に挿入されており、前記第１の流路と前記第２の流路を分離するフローダムであって、前記フローダムは、前記入口端部に近接して流量スプリッタを有する前記フローダムと、
   第１の堰が、前記第１の出口端部に近接した前記第１の流路内に位置しており、第２の堰が、前記第２の出口端部に近接した前記第２の流路内に位置しており、第１および第２の堰がそれぞれ、前記堰の先端に装着された質量流量ダイバータを有する、一対の堰とを有し、前記第１の堰および前記第２の堰がそれぞれの前記流路に対して非対称的に向けられている、押出機流路。
2. 各堰の前記質量流量ダイバータは、各流路内の前記質量流量の方向に対して測定したときに、前記質量流量に対して非対称的に向けられている、請求項１に記載の押出機流路。
3. 各質量流量ダイバータは、押出機流路内で前記流路に対して移動可能である、請求項１に記載の押出機流路。

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