JP4662349B2 - 植物性原料の可塑化装置 - Google Patents

Description

本発明は、植物性原料を射出成形又は押出し成形する可塑化装置に関する。

近年、天然素材を用いた射出成形が実用化されつつある（例えば、特許文献１参照。）。天然素材とは、例えば、木粉と、その繊維を相互に接着し強化させる植物性の結合剤と、可塑性と流動性を現出させる可塑剤としての水とを適宜な割合で混合し混錬した粉末状のものである（以下植物性原料という。）。この植物性原料は、結合剤の量が最少に制限されかつ水分が加えられているので、従来のプラスチック原料のようにペレット化することは困難であって、かさばりが大きくふわふわとした粉末状である。そのため、植物性原料を従来の漏斗状のホッパにより自然落下させて加熱筒に供給することは困難で不安定であった。そこで、特許文献１では、漏斗状容器によっては自然落下しない原料を強制的に射出装置へ搬送する搬送手段として横断面積が一定かもしくは下方に拡大する垂直な有底筒形状のホッパと、該ホッパの底部に設けた搬送スクリュとを備えたのである。しかしながら、その効果は十分ではなかった。

また、特許文献１におけるような１以上の圧縮比を有するスクリュにより可塑化する場合は、加熱筒内でのスクリュによる植物性原料のいわゆる原料の食込みが十分ではないとともに発熱が過大となって、極端な場合、植物性原料が加熱筒内で滞留して劣化・分解することもあった。
特開２００４−１１４５０９号公報

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、植物性原料の可塑化を安定して実行させる可塑化装置を提供することを目的とする。

すなわち、請求項１の発明は、植物性原料を射出成形又は押出し成形する可塑化装置であって、植物性原料を攪拌して加熱筒内へ押出す原料供給装置と、前記加熱筒内に嵌挿されサーモパイプにより前部の温度を降下させるようにしたスクリュとを有することを特徴とする可塑化装置に係る。

請求項２の発明は、請求項１において、前記原料供給装置は、押出し手段の上方に攪拌手段を設けたものである可塑化装置に係る。

請求項３の発明は、請求項１において、前記スクリュに設けられた前記サーモパイプは、スクリュの先端に設けた突出部材の中心穿孔まで延長して挿入される可塑化装置に係る。

請求項４の発明は、請求項１において、前記スクリュは、デコンプレッションゾーンを備える可塑化装置に係る。

請求項５の発明は、請求項４において、前記スクリュのデコンプレッションゾーンの圧縮比は、０．８５〜０．９５の範囲である可塑化装置に係る。

請求項６の発明は、請求項１において、前記スクリュのリード部分における全長（Ｌ）と直径（Ｄ）との比は、射出成形では１７〜２５、押出し成形では２０〜３５の範囲である可塑化装置に係る。

請求項７の発明は、請求項１において、前記加熱筒の温度制御は、加熱筒に設けた通路に熱媒体を循環させて行われる可塑化装置に係る。

請求項８の発明は、請求項１において、前記加熱筒の温度制御は、３〜５ゾーンに分割して行われる可塑化装置に係る。

請求項１の発明は、植物性原料を射出成形又は押出し成形する可塑化装置であって、植物性原料を攪拌して加熱筒内へ押出す原料供給装置と、前記加熱筒内に嵌挿されサーモパイプにより前部の温度を降下させるようにしたスクリュとを有するので、植物性原料の可塑化を安定して速く実行させることができる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記原料供給装置は、押出し手段の上方に攪拌手段を設けたので、植物性原料を効果的に加熱筒へ供給することができる。

請求項３の発明は、請求項１において、前記スクリュに設けられた前記サーモパイプは、スクリュの先端に設けた突出部材の中心穿孔まで延長して挿入されるので、植物性原料の加熱筒前部での発熱を効果的に低下させることができる。

請求項４の発明は、請求項１において、前記スクリュは、デコンプレッションゾーンを備えるので、植物性原料の可塑化に際して、発熱を防止するとともに可塑化の時間が短縮される。

請求項５の発明は、請求項４において、前記スクリュのデコンプレッションゾーンの圧縮比は、０．８５〜０．９５の範囲であるので、植物性原料の加熱筒での発熱をより効果的に低減できるとともに可塑化の時間をより短縮することができる。

請求項６の発明は、請求項１において、前記スクリュのリード部分における全長（Ｌ）と直径（Ｄ）との比は、射出成形では１７〜２５、押出し成形では２０〜３５の範囲であるので、植物性原料の加熱筒での搬送が速く安定して行われる。

請求項７の発明は、請求項１において、前記加熱筒の温度制御は、加熱筒に設けた通路に熱媒体を循環させて行われるので、均一な温度制御と吸熱作用により植物性原料の可塑化が安定して行われる。

請求項８の発明は、請求項１において、前記加熱筒の温度制御は、３〜５ゾーンに分割して行われるので、植物性原料の可塑化が安定して行われる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を実施する可塑化装置の縦断面図、図２は図１におけるスクリュの説明図、図３は図１における逆止弁部分の拡大部分断面図である。

図１に示すように、可塑化装置１０は、ハウジング２４と、ハウジング２４の貫通孔に挿通して固着された加熱筒１２と、加熱筒１２の内孔に回転・往復動自在に嵌挿されたスクリュ１４と、加熱筒の後部に設けた原料落下口３６に連通するようにハウジング２４の上面に立設した原料供給装置２６とを備える。

ハウジング２４は、可塑化装置１０が射出成形機として用いられるときは、加熱筒１２の前方に設けた図示しない型締装置に近接・離隔移動可能に構成されるとともに、加熱筒１２から突出したスクリュ１４の後端部は、図示しないスクリュ回転駆動装置とスクリュ前後進駆動装置に接続される。また、ハウジング２４は、可塑化装置１０が押出し成形機として用いられるときは、固定的に設置されるとともに、加熱筒１２から突出したスクリュ１４の後端部は、図示しないスクリュ回転駆動装置に接続される。

加熱筒１２は、その前端面に螺着したノズル１１を有する。ノズル１１は、図３に示すように、ノズルチップと本体に二分してもよい。加熱筒１２は、その外周面に多条の溝が刻設され、その溝を円筒状のカバー１５，１６，１７，１８，１９で液密に覆うことにより形成される熱媒流路２２を有する。但し、加熱筒１２の最前部においては、軸方向に穿孔した複数の熱媒孔２０が連通するように形成されている。これらカバー１５，１６，１７，１８，１９で区分された熱媒孔２０と熱媒流路２２は、それぞれ二の熱媒口２１を有しており、一方の熱媒口２１から他方の熱媒口２１へ熱媒体が流通するように構成されている。熱媒口２１には図示しない熱媒温調器が、カバー１５，１６，１７，１８，１９で区分された区分毎に接続されて、区分毎に任意の温度設定がなされ、フィードバック制御により温度制御が行われる。このため、バンドヒータによる加熱制御と比較して、局部加熱が回避できるとともに、スクリュ１４の回転により発生する植物性原料の発熱を吸収することができ、安定な可塑化に寄与する。また、熱硬化性プラスチック原料の可塑化装置で常用されている上記熱媒体による温度制御の制御区分数は２〜３であるのに対し、本発明の可塑化装置の温度制御区分数は５である。温度制御区分数は、多いほどきめ細かい制御が可能となるが、コストとの兼ね合いによりこの区分数は３〜５であることが好ましい。なお、この区分数には加熱筒１２の後部におけるハウジング２４に挿入された部分は含んでいない。この部分は、ハウジング２４に穿孔された冷却通路２５に水等の熱媒体を流通させて別途に温度制御される。

原料供給装置２６は、漏斗状であってその下部先端部に設けた円筒状部が原料供給口３６に連通するようにハウジング２４に立設された容器２９と、容器２９の上部開口面を閉鎖するように固着された蓋３２と、蓋３２の上面中央部に出力回転軸が位置するように設けられた減速機付きのモータ３１と、蓋の上面に設けられ下部開口が容器２９の内部に向かうホッパ３０と、モータ３１の出力回転軸に固着され蓋３２を貫通して容器２９の内部へ延長する駆動軸３３と、駆動軸３３に二箇所で支持され容器２９の漏斗状の傾斜面に近接して漏斗状の軌跡を描いて回転する攪拌棒３４と駆動軸３３に二箇所で支持され容器２９の漏斗状の傾斜面と駆動軸３３との中間域で漏斗状の軌跡を描いて回転する攪拌棒３５とからなる攪拌手段２７と、駆動軸３３の下部端面に固着され容器２９の下部先端部に設けた円筒状部に嵌挿される押出し手段２８とからなる。押出し手段２８は、図１に示すように、スクリュ形状のものが好適に用いられるが、往復動するプランジャ等で構成してもよい。また、攪拌手段２７として攪拌棒３４，３５を例示したが、その断面形状は丸に限らず多角形やＬ字状等を採用してもよく、それらの数や容器２９内の位置は任意に変更可能である。

図１及び図２に示すように、スクリュ１４は、貫通孔３９を有する丸棒であるスクリュ軸３８の外周面に螺旋状に連続するリード３７を立設させた形態のものである。リード３７は、原料供給口３６に近い側の始端から、ノズル１１に近い側の終端まで全長Ｌの長さを有する。リード３７の直径Ｄは、加熱筒１２の内孔の直径より僅か小さく形成されている。スクリュ軸３８の直径は、リード３７の始端から長さＬ１までは連続して縮径され、長さＬ１を越してリード３７の終端までの長さＬ２の間はＬ１の終端と同一の直径である。すなわち、リード３７の始端における高さＨ１は、リード３７のＬ１の終端における高さＨ２よりも僅か小さくなっている。したがって、従来のプラスチック等の原料を可塑化する可塑化装置におけるスクリュは、リードの始端から終端に向かってリードの高さが次第に低くなるようにし、フィードゾーン、コンプレッションゾーン及びメータリングゾーンが形成されるのに対して、本発明の可塑化装置におけるスクリュ１４は、デコンプレッションゾーンを備えたものといえる。高さＨ１と高さＨ２との比は、圧縮比と称されるものであるが、本発明のスクリュ１４においては１以下となり、効果の良好な実施例では、０．９１であった。圧縮比の好ましい範囲は、０．８５〜０．９５である。なお、長さＬ１と長さＬ２との比は任意であり、長さＬ２部分を有しない場合もある。また、長さＬ２に相当する部分をリードの始端側に設けるように構成してもよい。また、デコンプレッションゾーンは、植物性原料の可塑化に際しては、発熱を防止するとともに、可塑化時間を短縮する効果も有する。

ところで、スクリュ１４の全長Ｌとリード３７の直径Ｄとの比は、スクリュの可塑化における能力の指標として従来から重要視されている。一般に熱可塑性プラスチック原料では、スクリュが長くてＬ／Ｄの値が大きい程原料の食込みが良好となり可塑化に要する時間が短縮されるので、Ｌ／Ｄは射出成形では１７以上、押出し成形では２０以上が採用されている。一方、熱硬化性プラスチック原料では、原料の可塑化特性の相違と加熱筒内での硬化を防ぐため、Ｌ／Ｄは１６〜１７と比較的小さい。本発明に用いる植物性原料は、熱硬化性プラスチック原料の可塑化温度とほぼ同等の７０〜１２０℃で可塑化可能であるにもかかわらず、熱可塑性プラスチック原料の特性に類似した特性を有するので、押出し効率の向上と経済性との兼ね合いも考慮して、本発明のスクリュ１４のＬ／Ｄは、射出成形では１７〜２５、押出し成形では２０〜３５が好ましい。

可塑化装置１０が射出成形機に用いられる場合、スクリュ１４の先端面には、図１及び図３に示すように、突出部材としての逆止弁１３が螺着されている。逆止弁１３は、ノズル１１の内部円錐状面に倣った円錐状の先端とそれから突設した軸部を備え該軸部から円錐状の先端近傍まで穿孔した中心穿孔４３を有するスクリュヘッド４２と、スクリュヘッド４２の軸部を遊貫するリングバルブ４１と、スクリュヘッド４２の軸部をスクリュ１４の前端部に螺着するときリングバルブ４１との間に介在されるウエアプレート４０とからなる。リングバルブ４１は、スクリュヘッド４２の円錐状部とウエアプレート４０との間を移動可能である。可塑化工程では、溶融原料の圧力により、リングバルブ４１がスクリュヘッド４２の円錐状部側に移動し、溶融原料は容易にスクリュヘッド４２の前方へ流動する。スクリュヘッド４２の前方へ流動した溶融原料は、ノズル１１の先端が図示しない金型に当接して閉塞されているので、圧力が発生してスクリュヘッド４２を押圧しスクリュ１４を後退させる。そして、加熱筒１２内孔の逆止弁１３前方には溶融原料が貯留される。射出工程では、図示しないスクリュ前後進駆動装置によりスクリュ１４が前進駆動され、前記の溶融原料が加圧されてリングバルブ４１がウエアプレート４０に当接するように移動し、溶融原料の逆流が阻止されて溶融原料の射出が良好に行われる。

逆止弁１３はリングバルブ４１のような可動部を有し、この可動部が過熱されて植物性原料に焼けを生じさせることがある。そのため、逆止弁１３に代えて可動部を有しないスミヤヘッドを採用する場合がある。スミヤヘッドは、逆止弁１３の外形に類似した形状の突出部材であり、その外周面は、加熱筒１２の内壁との間に適宜な間隙を形成し、溶融原料に対する絞り効果と混錬効果を有するとともに、実質的に十分な逆流防止効果を有する。なお、可塑化装置１０が押出し成形機として用いられる場合は、逆止弁１３は必要としないが、スクリュ１４の先端面には、ノズル１１に代えて設けたダイス等の内面形状に応じて形成される逆止弁１３の外形に類似した突出部材が設けられる。このときも、前記突出部材の先端近傍まで中心穿孔４３のように穿孔を設けることが好ましい。

スクリュ１４の貫通孔３９とスクリュヘッド４２の中心穿孔４３とは同一の内径を有し、スクリュヘッド４２をスクリュ１４の先端部に螺着したとき、両者は直線状に連通する。この連通孔には、スクリュ１４の後端面からサーモパイプ２３が挿入されている。サーモパイプ２３の長さは、中心穿孔４３の底からリード３７の始端近傍までの距離に相当するものである。リード３７の始端近傍からスクリュ１４の後端面まではサーモパイプ２３ではない他の適宜な棒部材が挿入され、スクリュ１４の後端面においてプラグ等で封止される。サーモパイプ２３の挿入部分には熱媒油等が封入され、サーモパイプ２３の表面と中心穿孔４３・貫通孔３９との熱伝導が均一かつ良好に行われるようにしている。サーモパイプ２３は、熱量の伝導を極めて速く行うため、スクリュ１４の前部、特には突出部材において多く発生する熱量をスクリュ１４の後部へ速やかに伝導して、植物性原料の過熱を抑制して植物性原料の劣化や分解を防止する。

次に、可塑化工程の作動について詳述する。まず別途用意した植物性原料をホッパ３０に投入する。植物性原料は、木粉等と、その繊維を相互に接着し強化させる澱粉等の植物性の結合剤と、可塑性と流動性を現出させる水とを適宜な割合で混合し混錬した粉末状の天然素材のものである。植物性原料は、容易に自然落下しないので、原料供給装置２６では、攪拌手段２７により効果的に攪拌されて下方に搬送される。そして、植物性原料は、攪拌手段２７の下方に設けられた押出し手段２８により原料供給口３６から加熱筒１２の内孔へ強制的に搬送される。

加熱筒１２の内孔に供給された植物性原料は、スクリュ１４のリード３７により前方へ可塑化されつつ搬送されるが、このときの発熱により、植物性原料に含有されている水分のガス化が促進される。この現象は、水分量を最適に制御することによりある程度抑制できるが、皆無にはできない。また、加熱筒１２の温度制御区分の温度設定が加熱筒１２の後部から前部にかけて、例えば、７０℃、８０℃、９０℃、１００℃、１２０℃のようになされるので、前記のガス化は加熱筒１２の前部において多く発生する。

そこで、上記のように、スクリュ１４においてはそのＬ／Ｄを熱可塑性プラスチック原料用に相当する程度に大きくしデコンプレッションゾーンを設けるとともにサーモパイプを設け、加熱筒１２においてはその温度制御を熱媒体により行うとともに熱可塑性プラスチック原料用に相当する程度の多区分に分割したのである。これらの総合効果により、植物性原料は加熱筒１２内で過熱することなく安定して可塑化され溶融原料となる。

このようにして得られた溶融原料は、射出成形であれば加熱筒１２の前部に貯留され、次の射出工程で逆止弁１３により逆流が阻止されてプランジャとして作用するスクリュ１４により、図示しない金型へ射出・充填される。また、可塑化中の溶融原料は、押出し成形であればノズル１１に代えて設けられたダイス等から押出されて賦形される。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

本発明を実施する射出装置の縦断面図である。 図１におけるスクリュの説明図である。 図１における逆止弁部分の拡大部分断面図である。

符号の説明

１０ 可塑化装置
１２ 加熱筒
１３ 逆止弁
１４ スクリュ
２０ 熱媒孔
２２ 熱媒流路
２３ サーモパイプ
２４ ハウジング
２６ 原料供給装置
２７ 攪拌装置
２８ 押出し装置
３７ リード
３８ スクリュ軸
３９ 貫通孔
４３ 中心穿孔
Ｌ リードの全長
Ｌ１ デコンプレッションゾーンの長さ
Ｄ リードの直径
Ｈ１ リード始端の高さ
Ｈ２ リード終端の高さ

Claims (8)

1. 植物性原料を射出成形又は押出し成形する可塑化装置であって、
   植物性原料を攪拌して加熱筒内へ押出す原料供給装置と、
   スクリュ軸と該スクリュ軸の外周面に螺旋状に連続して立設した長さＬのリードとを含み、該加熱筒内に嵌挿されサーモパイプにより前部の温度を降下させるようにしたスクリュと、
   を有してなり、
   該スクリュは、スクリュ軸の直径がリードの始端側から終端側に向けて連続して縮径される長さＬ１のデコンプレッションゾーンを備え、（ａ）デコンプレッションゾーンの終端側に備えられる長さＬ２（＝Ｌ−Ｌ１）のデコンプレッションゾーンの終端と同一の直径の部分をスクリュ軸が備えるか、（ｂ）Ｌ１＝Ｌであるか、そして（ｃ）デコンプレッションゾーンの始端側に備えられる長さＬ２（＝Ｌ−Ｌ１）のデコンプレッションゾーンの始端と同一の直径の部分をスクリュ軸が備えるか、の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいずれかである可塑化装置。
2. 上記（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいずれかが（ａ）であり、スクリュ軸の直径がリードの始端から長さＬ１までは連続して縮径され、長さＬ１を越してリードの終端までの長さＬ２の間はＬ１の終端と同一の直径である、請求項１に記載の可塑化装置。
3. 前記原料供給装置は、押出し手段の上方に攪拌手段を設けたものである、請求項１又は２に記載の可塑化装置。
4. 前記スクリュに設けられた前記サーモパイプは、スクリュの先端に設けた突出部材の中心穿孔まで延長して挿入される、請求項１乃至３のいずれか１に記載の可塑化装置。
5. 前記スクリュのデコンプレッションゾーンの圧縮比は、０．８５〜０．９５の範囲である、請求項１乃至４のいずれか１に記載の可塑化装置。
6. 前記スクリュのリード部分における全長（Ｌ）と直径（Ｄ）との比は、射出成形では１７〜２５、押出し成形では２０〜３５の範囲である、請求項１乃至５のいずれか１に記載の可塑化装置。
7. 前記加熱筒の温度制御は、加熱筒に設けた通路に熱媒体を循環させて行われる、請求項１乃至６のいずれか１に記載の可塑化装置。
8. 前記加熱筒の温度制御は、３〜５ゾーンに分割して行われる、請求項１乃至７のいずれか１に記載の可塑化装置。

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