JP4627785B2

JP4627785B2 - 密閉式混練機

Info

Publication number: JP4627785B2
Application number: JP2008122224A
Authority: JP
Inventors: 則文山田; 政樹直井; 功高倉; 将雄村上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP2008238824A

Description

本発明は、混練室の混練用ロータを回転することで被混練材料を混練する密閉式混練機に関する。詳細には、混練中に上昇する混練室内（被混練材料）の温度を制御する構造に関し、更に混練室内の被混練材料の流動性を向上させる構造に関する。

従来から、密閉式混練機の技術は公知となっている。
例えば、下記特許文献１に開示されるものがある。この特許文献１のものは、断面が連通された２つの円形である筒状密閉な混練室を形成するチャンバーと、前記混練室に収納され回転により被混練材料を混練する２本のロータとを有する密閉式混練機において、チャンバーには各混練用ロータを中心にして混練室の外側に放射状に断面長孔形状として現れ、混練室の軸方向の両端間に延びて制御流体を循環させる第１熱伝達通路を形成するとともに、この熱伝達通路の断面長孔形状が、混練用ロータの回転径方向の長さを混練用ロータの回転周方向の幅より大きくなるようにされているものである。これらの構成により、混練中に上昇する混練室内（被混練材料）の温度を制御することとしていた。

特開平９−２２０７１８号公報

しかし、上記特許文献１の密閉式混練機のチャンバー内壁形状は、チャンバー内径が一定であるため半筒状となり、滑らかなものとなっていた。その結果、混練中の被混練材料はチャンバー内壁との接触面で滑りやすくなり、該接触面が更新され難くなる場合があった。つまり、被混練材料が該接触面付近では一様に混ざりにくくなるために、効率よく被混練材料の温度制御ができないという不具合があった。
また、被混練材料とチャンバー内壁との接触面積に限りがあることからも温度制御には限りがあった。

上記課題を解決するために本発明は、断面が連通された２つの円形である閉じられた筒状密閉な混練室を形成するチャンバーと、前記混練室に収納され回転により被混練材料を混練する２本の混練用ロータとを有する密閉式混練機において、前記混練用ロータの中心に冷却媒体が循環する空間が設けられると共に、前記混練用ロータの回転方向側に面した部分であって、チップ部を除く表面に複数の凹部を設けたことを特徴とする。

また本発明において、前記凹部は、前記混練用ロータの回転方向と交差する方向に延設された溝であることが好ましい。

混練用ロータの中心に冷却媒体が循環する空間を設けるとともに、混練用ロータの表面に凹部を設けて表面積を広げることで、凹部が滑り止めとなって被混練材料を把持することができ、かつ抜熱性能を向上できる。また、凹部による上記把持作用により材料に十分な剪断が与えられて被混練材料の分散性が向上するので、被混練材料温度の制御性能が向上する。

また、凹部を混練用ロータの回転方向と交差する方向に延設された溝とすることにより、混練用ロータの軸方向への被混練材料の流れを促進させることができる。その結果、効果的に被混練材料と混練用ロータとの接触面の更新を行うことができ、抜熱性能の向上と被混練材料の分配性の向上が達成できる。また、凹部は溝形状なので加工しやすいものである。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は密閉式混練機の全体構成を示す断面図である。図２は図１のＺ−Ｚ断面図である。

密閉式混練機Ｘは、断面が連通された２つの円形である筒状密閉な混練室８を形成するチャンバー１と、前記混練室８に収納され回転により被混練材料を混練する２本のロータ４とを有する。

チャンバー１の上方には材料押込み装置Ａが設けられ、チャンバー１の下方には排出機構Ｂが設けられ、チャンバー１の外周には、冷却機構Ｃが設けられている。

材料押込み装置Ａは、混練室８の上方に設けられた供給口７と、供給口７に押し込まれるフローティングウエイト６と、このフローティングウエイト６を混練室８の圧力に応じて昇降自在とするフローティング支持機構とを備えて成る。
図示しない縦長シュートから供給口７に投入された被混練材料（ゴム等）は、フローティングウエイト６の昇降で混練室８内に押し込まれ、混練室８内の圧力で昇降するフローティングウエイト６の下方で混練室８を区画する。

排出機構Ｂは、混練室８の下方に設けられた排出口３と、この排出口３を閉じる開閉自在なドロップドア２と、ドロップドア２を閉鎖状態に維持するためのラッチ５とを備えてなる。
このドロップドア２は、被混練材料の混練時に、混練室８の下方で混練用ロータ４，４の軸方向に延びる排出口３をドアトップ２ａで閉塞して混練用ロータ４，４による被混練材料の混練を可能にし、また、被混練材料の混練後に、支点２ｂを中心に下方向に回転し落ちるように開き被混練材料の排出を可能にするものである。なお、ドロップドア２の開閉は図示しない油圧制御装置のドロップドア制御回路により行われる。
ラッチ５は、ドロップドア２に押し付けられてドロップドア２をチャンバー１側に突き上げて被混練材料の混練中の混練室８内の密閉性を保持するようにクランプし、また被混練材料の混練後にはドロップドア２から退避されてドロップドア２の開放（クランプ開放）を可能にするものである。

冷却機構Ｃは、チャンバー１の外周であって、材料押込み装置Ａと排出機構Ｂとが設けられた部分を除く外周部分に設けられた通路２１により形成されている。通路２１は、チャンバー１の軸方向にジグザグ状に冷却媒体が流れるように配設され、チャンバー１の内周を効率的に冷却する。この通路２１には、通常運転時には冷却媒体が強制的に流通している。但し、この冷却機構Ｃは、加熱媒体を流通させて加熱を行うこともできる。この軸方向にジグザグとなった通路２１は、溶接ジャケット構造、ドリル構造または鋳抜穴構造などで形成される。

このチャンバー１は、図１に示すように、フローティングウエイト（材料押込み装置Ａ）６の下部、及びドロップドア２のドアトップ２ａ（排出機構Ｂ）とともに断面が横に連通する２つの円を形成し、図２に示すように、側面がエンドプレート２１で閉じられた筒状密閉の混練室８を形成している。この混練室８内に回転する２本の混練用ロータ４，４が排置されている。

図２に示すようにチャンバー１内のロータ１５、１６には長翼１５ａ、１６ａと短翼１５ｂ、１６ｂが各々２枚ずつ設けられている。これらの翼１５ａ、１６ａ、１５ｂ、１６ｂは、ロータ１５、１６の両端から中央側にロータ１５、１６の逆転方向に向かって傾斜しており、一方が送り翼となり他方が戻し翼となる。両翼の間は回転方向に位相がずれており、両翼は互いに独立している。
図示例のロータ１５，１６は、異方向回転であって、互いにかみ合わない非かみ合い式となっており、異方向回転の回転速度は一定比率（例えば、１対１．２）で異なっている。なお、本実施形態の密閉式混練機のロータ１５、１６は、上記に限定されるものではない。例えば、ロータ１５、１６は上述した異方向回転に限らず、同じ速度で回転するかみ合い式のものであってもよい。また、ロータ１５、１６の翼の数が１枚のものや３枚のものであってもよいし、この翼の配置が異なっていてもよい。

図２のチャンバー１内においては、ロータ１５、１６は異方向に回転しており、塊となった被混練材料はロータ１５、１６の羽根先端とチャンバー１の内壁とのチップクリアランスで剪断作用を受けながら長翼１５ａ、１６ａと短翼１５ｂ、１６ｂの傾斜方向に流動し、添加剤が被混練材料に均一に混ざりこむ所謂マクロ分散が行われる。
また、一方のロータ１５と他方のロータ１６とでは互いに異方向に回転するため、左右の混練室相互間でも被混練材料は流動する。これにより、被混練材料は図２の▲１▼に示すようにチャンバー１内において全体として徐々に大きく旋回流動し、添加剤が被混練材料に均一に混ざりこむ所謂マクロ分散が行われる。

図１に示すように、チャンバー１の内壁には、混練用ロータ４の回転方向と交差する方向に凹部９が設けられている。

図３はチャンバー１の内壁の展開例を示す図である。
図３（ａ）の凹部９ａのようにロータ４の回転方向に対し垂直（ロータ４の軸方向）に溝を設けることで、ロータ４の軸方向への被混練材料の流れを促進させることができる。その結果、効果的に被混練材料とチャンバー内壁１との接触面の更新を行うことができ、被混練材料の分配性が向上する。

図３（ｂ）のように所定のねじれ角をもって螺旋状に凹部９ｂのような溝を設けても同様である。従って、被混練材料温度の制御性能を向上させることができるので、規定排出温度までに被混練材料に投入できる混練エネルギーを大きくすることができ、混練品質を向上することができる。図３（ａ）、（ｂ）の凹部は溝形状なので加工しやすいものである。

図４に示すように、凹部９は、半径Ｒ１の円弧溝であり、チャンバー１の内径Ｄ１に対して、距離Ｈだけ大きな内接径Ｄ２に接するように、円周上に等分角α毎に配設される。距離Ｈは、機械サイズで異なるが、例えばラボサイズでは、１．０〜２．０ｍｍと浅い。一方、半径Ｒ１は、距離Ｈの３倍以上と大きい。そのため、凹部９は浅くて広い溝として形成されている。これらにより、凹部９内に被混練材料が滞留しない。なお、等分角度αを狭くし、半径Ｒ１を大きくすると、凹部９が、半径Ｄ１の残り凸部（堤状突出部など）より広くなるものとすることができる。

図５に示すように、凹部９の軸方向両端は、エンドプレート２１から所定距離Ｌ１，Ｌ２だけ離れて設けられている。Ｌ１はＬ２より長く、Ｌ１はロータ１５、１６の短翼側に位置し、Ｌ２はロータ１５、１６の長翼側に位置する。また、凹部９の軸方向両端は、半径Ｒ２の球形状で滑らかに混練室８の内周につながるようになっている。

上記構造の密閉式混練機は、供給口７に取り付けられた上記縦長シュートから被混練材料が供給され、それをフローティングウエイト６が下降して、ラッチ５によりクランプされてドロップドア２で密閉された混練室８内に押し込む。押し込まれた被混練材料は、凹部９を有するチャンバー１の内壁を掃くようにして回転している各混練用のロータ４，４により混練される。混練終了後は、ラッチ５がドロップドア２から退避してクランプを解除し、ドロップドア２が支点２ｂと中心に回転し落ちるようにして開き、排出口３から被混練材料が排出される。そして、被混練材料の排出後は、次の混練に備えてドロップドア２が支点２ｂを中心に上方に回転し、混練室８の排出口３を閉塞する。ドロップドア２が閉じると、ラッチ５でドロップドア２を押し付けて混練室８内の密閉性を保持するようにクランプする。そして、再び、供給口７からフローティングウエイト６により被混練材料が混練室８内に押し込まれ混練が始まる。このような混練サイクルを上記構造の密閉式混練機Ｘは繰り返す。

本実施形態における密閉式混練機のチャンバー１に設けた凹部９により、チャンバー１内壁の面積が広くなるとともに、溝状の凹部９が滑り止めとなって被混練材料を把持することができる。また、溝状の凹部９をチャンバー１の軸方向に設けることで、軸方向の材料流を促進させることができる。これらにより、チャンバー１の内面に接触する材料面の更新が加速され、チャンバー１の冷却機構Ｃによる抜熱性能が向上する。この抜熱性能を向上させることで、規定排出温度までの被混練材料に投入できる混練エネルギーを大きくすることができ、混練品質が向上する。

また、溝状の凹部９による上記把持作用により材料に十分な剪断が与えられて、分散性が向上するとともに、溝状の凹部９による材料流の促進作用により分配性が向上するため、混練品質がさらに向上する。

なお、図１では凹部９の断面が円弧となっているが、この円弧の半径を適宜変更したり、円弧の数を増加させたりしても上記と同様の効果がある。また、図示しないが、該断面をＶ字状のものや任意の曲線（例えば、波型形状）としても、チャンバー内壁面積が広くできるので被混練材料温度の制御性能は向上する。また、凹部９は溝状が好ましいが、くぼみ状の独立した凹部を散在させるものであっても上記と同様の効果が得られる。また、図示していないが、広い凹部の中に凸部が散在するような形状であってもチャンバー内壁の面積が広くできるので被混練材料温度の制御性能は向上する。
また、上記では凹部のみについて説明したが、凹部９を凸部（堤状突出部など）としても上記と同様の効果が得られる。

さらに、図６に示すように混練用ロータに凹部を設けることもできる。すなわち、断面が連通された２つの円形である筒状密閉な混練室を形成するチャンバーと、前記混練室に収納され回転により被混練材料を混練する２本のロータとを有する密閉式混練機において、前記混練用ロータの表面に複数の凹部を設けることもできる。この凹部を、前記混練用ロータの回転方向と交差する方向に延設された溝とすることもできる。

図６のように、混練用ロータ４１の中心Ｐには、冷却媒体が循環する空間４５が設けられている。この混練用ロータ４１の表面に凹部４２を設けて表面積を広げることで、凹部４２が滑り止めとなって被混練材料を把持することができ、抜熱性能を向上できる。凹部４２は、ロータ４１の先端（チップ部）４４を除く面で、ロータ４１の回転方向側に面した部分に設けられている。
また、凹部４２による上記把持作用により材料に十分な剪断が与えられて、被混練材料の分散性が向上するので、被混練材料温度の制御性能が向上する。
なお、図６では凹部４２の断面が円弧となっているが、この円弧の半径を適宜変更したり、円弧の数を増加させたりしても上記と同様の効果がある。また、図示しないが、該断面をＶ字状のものや任意の曲線（例えば、波型形状）としても、チャンバー内壁の面積が広くできるので被混練材料温度の制御性能は向上する。

また、図示しないが、混練用ロータ４１の回転方向に対し垂直に溝を設けることで、混練用ロータ４１の軸方向への被混練材料の流れを促進させることができる。その結果、効果的に被混練材料と混練用ロータ４１との接触面の更新を行うことができ、抜熱性能の向上と被混練材料の分配性の向上が達成できる。
また、所定のねじれ角をもって螺旋状に溝を設けても同様である。従って、被混練材料温度の制御性能を向上させることができるので、規定排出温度までに被混練材料に投入できる混練エネルギーを大きくすることができ、混練品質を向上することができる。凹部は溝形状なので加工しやすいものである。
また、上記では凹部のみについて説明したが、凹部４２を凸部（堤状突出部など）としても上記と同様の効果が得られる。

（検証例）
次に、図１で示した構成であるチャンバー内壁に溝の設けられている密閉式混練機とチャンバー内壁に溝の設けられていない従来の密閉式混練機との比較検証を行った。
図４において、検証に用いた密閉式混練機のチャンバー内壁には凹部９（円弧状）が溝深さ（Ｈ）１ｍｍとして設けられている。本検証では、隣接する凹部９同士は混練用ロータ４の軸心Ｐを中心として、混練用ロータ４の軸方向と垂直方向に１０度（α）ごとに設けられ、円弧の半径（Ｒ１）は６ｍｍである。

本検証において、従来の密閉式混練機と凹部９が設けられた密閉式混練機には、チャンバー内径が同一のものを使用し、被混練材料の排出温度を一定として行った。

チャンバーの統括伝熱係数を計測した結果、従来の密閉式混練機では０．０１０ｃａｌ／ｍ・ｈ・℃であるのに対し、凹部９が設けられた密閉式混練機は０．０１６ｃａｌ／ｍ・ｈ・℃以上となり、１．６倍以上の伝熱係数の向上が確認できた。

図７に、本検証における従来の密閉式混練機と凹部９が設けられた密閉式混練機の、被混練材料の温度と比エネルギー供給量の関係を示す。

図７より、同一の比エネルギー供給量であれば、従来の密閉式混練機の被混練材料温度に比べて、凹部９が設けられた密閉式混練機の被混練材料温度は低くなっていることがわかる。従って、凹部９が設けられた密閉式混練機による被混練材料温度の制御性能の向上が確認できた。

品質として評価されるムーニ粘度及びカーボン分散度についても測定した。図８に、本検証における従来の密閉式混練機と凹部９が設けられた密閉式混練機の、ムーニ粘度と比エネルギー供給量の関係、図９に、本検証における従来の密閉式混練機と凹部９が設けられた密閉式混練機の、カーボン分散度と比エネルギー供給量の関係を示す。

図８より、同一の比エネルギー量であれば、従来の密閉式混練機の被混練材料のムーニ粘度に比べて、凹部９が設けられた密閉式混練機の被混練材料のムーニ粘度は低くなっていることがわかる。ムーニ粘度の低い被混練材料の方が品質は良好であるため、凹部９が設けられた密閉式混練機による被混練材料の品質向上が確認できた。

図９より、同一の比エネルギー量であれば、従来の密閉式混練機の被混練材料のカーボン分散度に比べて、凹部９が設けられた密閉式混練機の被混練材料のカーボン分散度は高くなっていることがわかる。カーボン分散度の高い被混練材料の方が品質は良好であるため、凹部９が設けられた密閉式混練機による被混練材料の品質向上が確認できた。

以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。

即ち、断面が連通された２つの円形である筒状密閉な混練室を形成するチャンバーと、前記混練室に収納され回転により被混練材料を混練する２本のロータとを有する密閉式混練機において、前記チャンバー内壁に複数の凹部または凸部を設けたので、チャンバー内壁の面積が大きくなるとともに、凹部または凸部が滑り止めとなって被混練材料を把持しながらの材料流の更新も行われる。その結果、チャンバーによる抜熱性能が向上し、規定排出温度までに被混練材料に投入できる混練エネルギーを大きくして混練品質を向上させることができる。また、凹部または凸部による上記把持作用により被混練材料に十分な剪断が与えられて分散性が向上するので、混練品質が向上する。

また、前記凹部は、前記チャンバー内で回転して被混練材料を混練する混練用ロータの回転方向と交差する方向に延設された溝であるので、混練用ロータ軸方向への被混練材料の流れを促進させ、効果的に被混練材料とチャンバー内壁との接触面の更新を行うことができる。つまり、チャンバー内面に接触する被混練材料面の更新が促進され、抜熱作用が向上できるとともに、凹部による被混練材料の流れの促進作用により分配性が向上する。よって、被混練材料温度の制御性能を向上させることができるので、規定排出温度までに被混練材料に投入できる混練エネルギーを大きくすることができ、混練品質が向上する。

さらに、前記凸部は、前記チャンバー内で回転して被混練材料を混練する混練用ロータの回転方向と交差する方向に延設された突起であるので、混練用ロータ軸方向への被混練材料の流れを促進させ、効果的に被混練材料とチャンバー内壁との接触面の更新を行うことができる。つまり、チャンバー内面に接触する被混練材料面の更新が促進され、抜熱作用が向上できるとともに、凹部による被混練材料の流れの促進作用により分配性が向上する。よって、被混練材料温度の制御性能を向上させることができるので、規定排出温度までに被混練材料に投入できる混練エネルギーを大きくすることができ、混練品質が向上する。

密閉式混練機の全体構成を示す断面図。図１のＺ−Ｚ断面図。密閉式混練機のチャンバー内壁の展開を示す図。凹部の周方向の断面を示す図。凹部の軸方向の断面を示す図。ロータに凹部を設けた例を示す図。検証における被混練材料の温度と比エネルギー供給量の関係を示す図。検証におけるムーニ粘度と比エネルギー供給量の関係を示す図。検証におけるカーボン分散度と比エネルギー供給量の関係を示す図。

符号の説明

１チャンバー
４、４１混練用ロータ
８混練室
９、９ａ、９ｂチャンバー内壁の凹部
４２混練用ロータ表面の凹部
Ｐ混練用ロータの軸心
Ｃ冷却機構
Ｘ密閉式混練機

Claims

断面が連通された２つの円形である閉じられた筒状密閉な混練室を形成するチャンバーと、前記混練室に収納され回転により被混練材料を混練する２本の混練用ロータとを有する密閉式混練機において、
前記混練用ロータの中心に冷却媒体が循環する空間が設けられると共に、前記混練用ロータの回転方向前側に面した部分であって、チップ部を除く表面に、当該表面の表面積を広げることで滑り止めとなる複数の凹部を設けたことを特徴とする密閉式混練機。
前記凹部は、前記混練用ロータの回転方向と交差する方向に延設された溝であることを
特徴とする請求項１に記載の密閉式混練機。