JP4834653B2 - 混練スクリュ及び押出機 - Google Patents

混練スクリュ及び押出機 Download PDF

Info

Publication number
JP4834653B2
JP4834653B2 JP2007327383A JP2007327383A JP4834653B2 JP 4834653 B2 JP4834653 B2 JP 4834653B2 JP 2007327383 A JP2007327383 A JP 2007327383A JP 2007327383 A JP2007327383 A JP 2007327383A JP 4834653 B2 JP4834653 B2 JP 4834653B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
kneading
screw
segment
segments
outer diameter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2007327383A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2009148936A (ja
Inventor
成川　　裕
義光 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kobe Steel Ltd filed Critical Kobe Steel Ltd
Priority to JP2007327383A priority Critical patent/JP4834653B2/ja
Priority to US12/267,902 priority patent/US8167478B2/en
Priority to EP08169021.6A priority patent/EP2072218B1/en
Priority to CN2008101844187A priority patent/CN101462313B/zh
Publication of JP2009148936A publication Critical patent/JP2009148936A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4834653B2 publication Critical patent/JP4834653B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/30—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices
    • B29B7/34—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices
    • B29B7/38—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary
    • B29B7/46—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with more than one shaft
    • B29B7/48—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with more than one shaft with intermeshing devices, e.g. screws
    • B29B7/482—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with more than one shaft with intermeshing devices, e.g. screws provided with screw parts in addition to other mixing parts, e.g. paddles, gears, discs
    • B29B7/483—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with more than one shaft with intermeshing devices, e.g. screws provided with screw parts in addition to other mixing parts, e.g. paddles, gears, discs the other mixing parts being discs perpendicular to the screw axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/30—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices
    • B29B7/34—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices
    • B29B7/38—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary
    • B29B7/46—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with more than one shaft
    • B29B7/48—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with more than one shaft with intermeshing devices, e.g. screws
    • B29B7/488—Parts, e.g. casings, sealings; Accessories, e.g. flow controlling or throttling devices
    • B29B7/489—Screws
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
    • B29C48/40—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders using two or more parallel screws or at least two parallel non-intermeshing screws, e.g. twin screw extruders
    • B29C48/402—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders using two or more parallel screws or at least two parallel non-intermeshing screws, e.g. twin screw extruders the screws having intermeshing parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2948/00—Indexing scheme relating to extrusion moulding
    • B29C2948/92—Measuring, controlling or regulating
    • B29C2948/92504—Controlled parameter
    • B29C2948/9279—Errors or malfunctioning, e.g. for quality control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/03—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor characterised by the shape of the extruded material at extrusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/505—Screws
    • B29C48/52—Screws with an outer diameter varying along the longitudinal axis, e.g. for obtaining different thread clearance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/505—Screws
    • B29C48/57—Screws provided with kneading disc-like elements, e.g. with oval-shaped elements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Description

本発明は、混練スクリュ及びこの混練スクリュを備えた押出機に関するものである。
一般に、プラスチックコンパウンド等の複合樹脂材料は、押出機のバレル内に母材となる高分子樹脂のペレットや粉体状の添加物を供給し、バレル内に挿通された混練スクリュによって両者を混練しながら下流側へ送ることで製造される。この混練スクリュは、異なる種類のセグメントを軸方向に複数組み合わせて異なった機能を発揮する部分を軸方向に形成している。このような異なった機能を発揮する部分には、例えば材料を下流側に送る送り部や材料を混練する混練部などがある。
ところで、混練部を構成するセグメントには、ロータセグメントやニーディングディスクセグメントなどの混練セグメントが用いられる。これらの混練セグメントは、混練用フライトを備えており、この混練用フライトにより材料に大きな剪断力を与えて混練できるようになっている。しかし、これらの混練用フライトには材料からも剪断力の反力として大きな力が加わりやすい。
このように混練用フライトを介して混練スクリュに加わる力が大きいと、混練スクリュが撓んだまま回転してしまう可能性があり、混練フライトの翼端がバレルの内壁に接触してかじりと呼ばれる破損が起きやすくなる。このかじりを防止するためには、バレルと混練フライトとの隙間（チップクリアランス）を大きく取ることが有効とされてきた。
例えば特許文献１には、混練部の混練用フライトの回転外径を混練部以外の部分に対して０．９５〜０．９８に形成し、混練部以外の部分よりチップクリアランスを大きくした混練スクリュが開示されている。
また、特許文献２には、ゲルの発生数を低減する目的ではあるが、回転外径が異なる２種類のニーディングディスクセグメントを軸方向に交互に組み合わせた混練スクリュが開示されている。
特開平９−１１７９５４号公報 特開２０００−２９６５１７号公報
ところで、特許文献１や特許文献２では、かじりを回避すべく混練部における混練スクリュの回転外径を混練部以外の部分に対して小さく形成した結果、混練スクリュにおける混練部の上流側と下流側との間に径方向に大きな段差が形成されてしまう。このような段差を混練スクリュに設けると、段差を設けた部分に応力が集中しやすくなり、かえって混練スクリュに折れ曲がりや破断が生じやすくなる。
それゆえ、特許文献１の混練スクリュでは、回転外径に下限を設けてスプライン軸の応力が大きくならないようにする対策を講じているが、このように小さい段差では依然かじりが生じて混練用フライトの異常摩耗が生じる可能性がある。
また、段差を設けた部分に発生する応力は混練スクリュの回転に伴って繰り返しスプライン軸に作用する。それゆえ、段差に加わる力が破断しない程度の大きさであっても、長期間に亘って繰り返し加わることでスプライン軸が疲労破壊して折損する可能性もある。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、混練フライトの異常摩耗だけでなく、応力集中や疲労破壊によるスプライン軸の折損をも防止可能な混練スクリュを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の混練スクリュは次の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の混練スクリュは、混練される材料を下流側に送る複数のスクリュセグメントからなる送り部と、当該材料を混練する複数の混練用セグメントからなる混練部と、前記混練部で混練された材料を下流側に送り出す複数のスクリュセグメントからなる押出部とが設けられたスクリュ本体を備えた混練スクリュであって、
前記スクリュ本体は、前記各セグメントがスプライン軸により串刺し状に固定されると共に、他のセグメントよりも回転外径の小さな混練用セグメントと、該回転外径の小さな混練用セグメントの上流側と下流側でそれぞれ隣り合い、当該上流側においては回転外径が軸方向に沿って漸次小さくなるように変化し当該下流側においては回転外径が軸方向に沿って漸次大きくなるように変化する多段状部を構成するセグメントとを備えており、
前記多段状部は、該多段状部を構成するセグメントの上流側と下流側でそれぞれ隣り合う回転外径が異なる２つのセグメントの間の当該外径の差を補うべく当該回転外径が異なる２つのセグメントの間に挟まれるように設けられており、
前記多段状部を構成するセグメントと、このセグメントに隣り合うセグメントとの間に段部が形成される場合に、前記多段状部を軸通する鋼材からなるスプライン軸の直径をＤとしたときに、前記多段状部における径方向に沿った各段差δが式（１）の関係を満たすことを特徴とする。
Figure 0004834653
このように回転外径が軸方向に沿って漸次に変化する多段状部を設けると、混練スクリュに局部的に加わる力（曲げ応力）は多段状部を構成するそれぞれの段差に分散して作用することになり、１つの段差に過大な力が集中することがなくなり、また疲労破壊も生じ難くなる。その結果、スプライン軸が折損する（破断する）ことを抑制することができる。
また、上述した式（１）の関係を満足する段差に多段状部の各段部を形成する限りは、この段差に加わる力が鋼材で作製されたスプライン軸を疲労破壊させる程度にまで大きくなることがない。それゆえ、鋼材からなるスプライン軸を疲労破壊による折損から保護することが可能となる。
また、前記多段状部が、前記混練部、前記混練部と送り部との連接部分、前記混練部と押出部との連接部分のうち少なくともいずれか１つに設けられているのが好ましい。
さらに、前記多段状部を混練部に設ける場合にあっては、前記多段状部は互いに回転外径が異なる複数のニーディングディスクからなる混練用セグメントより構成されているのが好ましい。
また、前記多段状部と隣り合う２つのセグメントの間にｎ箇所の前記段差が存在する場合には、前記多段状部を軸通する前記スプライン軸の直径をＤとしたときに、前記２つのセグメントの回転外径の差Δが式（２）の関係を満たすことが好ましい。
Figure 0004834653
上述した式（２）の関係を満足する多段状部を用いる限りは、多段状部の全体に加わる力が鋼材で作製されたスプライン軸の設計強度以上となったり応力集中によりスプライン軸が疲労破壊する程度にまで大きくなることがない。それゆえ、このような多段状部を設けることで鋼材で作製されたスプライン軸の疲労破壊を確実に防止することができる。
さらに、上述した混練スクリュを用いた押出機では、混練フライトの異常摩耗やスプライン軸の折損を防止できる。
本発明の混練スクリュにより、混練フライトの異常摩耗だけでなく、疲労破壊によるスプライン軸の折損をも防止することが可能となる。
また、本発明の押出機により、混練フライトの異常摩耗やスプライン軸の折損を防止できる。
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１実施形態＞
図１に示されるように、第１実施形態の混練スクリュ１は同方向噛合型の２軸押出機２（以降では、単に押出機２ということがある。）に設けられている。混練スクリュ１は、押出機２に設けられた空洞状のバレル３に対して、その内部を軸方向に沿って挿通するように設けられている。この混練スクリュ１がバレル３に対して回転することで、押出機２ではバレル３内に供給された材料が混練されつつ下流側に送られる。
なお、以降の説明において、図１の紙面の左側を押出機２を説明する際の上流側とし、紙面の右側を下流側とする。また、混練スクリュ１の回転軸方向を押出機２を説明する際の軸方向とする。この軸方向は図１の紙面の左右方向と一致する。
バレル３は軸方向に沿って長い筒状に形成されている。バレル３の内部は軸方向に沿って長い空洞状に形成されており、左右一対の混練スクリュ１、１が回転自在に挿通されている。
バレル３は、軸方向の上流側に材料供給口４を有しており、この材料供給口４を介して材料を空洞部（バレル３の内部）に供給可能となっている。バレル３には電気ヒーターや加熱した油を用いた加熱装置（図示略）が備えられており、材料供給口４から供給された材料はこの加熱装置により溶融状態または半溶融状態に加熱される。
バレル３は、材料供給口４の下流側にホッパ５を有しており、このホッパ５を介して添加剤などをバレル３内に供給できるようになっている。また、ホッパ５の下流側には材料を堰き止めて混練度を調整するゲート部６や混練された材料から揮発するガスをバレル３外に排出する開口部７が設けられている。
図１及び図２に示されるように、混練スクリュ１は上述したバレル３の内部を挿通するように左右一対設けられている。それぞれの混練スクリュ１は、軸方向に長いスプライン軸８と、このスプライン軸８により串刺し状に固定される複数のセグメントとで構成されている。
混練スクリュ１を構成するセグメントには様々な種類のものがあり、混練スクリュ１では複数種のセグメントをパターンを変えて組み合わすことで材料を送る部分（送り部９）や材料を混練する部分（混練部１０）が軸方向の一定の範囲に亘って形成される。そして、混練スクリュ１では、上述した材料を送る部分や混練する部分を任意に組み合わして、これら全体で成るスクリュ本体１１が構成されている。
図１に示されるように、本実施形態の混練スクリュ１においては、スクリュ本体１１は、上流側から下流側にかけて、供給された材料を溶融しながら下流側に送る送り部９と、送り部９から送られてきた材料を混練する混練部１０と、混練部１０で混練された材料を下流側に送り出す押出部１２とを備えている。
送り部９は軸方向に配備された複数のスクリュセグメント１３で構成されている。スクリュセグメント１３は、軸方向に螺旋状に捩れたスクリュフライト（図示略）を備えており、螺旋状に捩れたスクリュフライトが回転することで材料を溶融しつつ上流側から下流側に送っている。
混練部１０は、複数のニーディングディスクセグメント１５で構成されている。
図２に示すように、ニーディングディスクセグメント１５は、軸方向と垂直な断面が楕円形状に形成された板状のニーディングディスクを軸方向に複数（本実施形態では５枚）連続して並べて構成されている。ニーディングディスクセグメント１５は、混練スクリュ１を回転させた際にニーディングディスクとバレル３内壁との間に材料を導いて、材料を混練できるようになっている。
なお、本実施形態では複数のニーディングディスクセグメント１５で構成された混練部１０を例示していたが、ニーディングディスクセグメント１５に代えて複数のロータセグメントで混練部１０を構成することもできる。
押出部１２は、送り部９同様に螺旋状に捩れたスクリュフライトを備えたスクリュセグメント１３を軸方向に複数有している。押出部１２のスクリュセグメント１３は、セグメント長が下流に位置するスクリュセグメント１３ほど小さくなるように形成されており、下流側に行くほど材料の移動速度を低くして材料を加圧できるようになっている。
本発明の混練スクリュ１は、多段状部１８ａ、１８ｂがスクリュ本体１１の混練部１０の範囲内に備えられていることを特徴としている。この多段状部１８ａ、１８ｂは、回転外径が軸方向に沿って段階的に変化するものであり、回転外径が大幅に異なるセグメント間に挟まれるように設けられている。
なお、回転外径が段階的に変化するとは、スクリュ本体１１を構成するセグメントの回転外径（軸心まわりにセグメントが回転する際に最も外周側で回転する部分が描く円軌跡の径をいう）が軸方向に順次変化する（上流側から下流側に向けて徐々に回転外径が大きく又は小さくなる）ことをいう。本実施形態では、多段状部１８ａ、１８ｂは混練部１０の上流側と下流側とに１箇所ずつ設けられており、それぞれの多段状部１８ａ、１８ｂは複数の回転外径が異なるニーディングディスクを回転外径が漸次変化するように並べて構成されている。以降では、２つの多段状部１８ａ、１８ｂのうち上流側の多段状部１８ａを例示して説明する。
図３（ａ）は上流側の多段状部１８ａの正面図である。
スクリュ本体１１は、混練部１０における上流側に配備された第１ニーディングディスクセグメント１９と、この第１ニーディングディスクセグメント１９より下流側に配備されると共に第１ニーディングディスクセグメント１９より回転外径の小さな第２ニーディングディスクセグメント２０とを有している。
多段状部１８ａは、４つのニーディングディスクからなるセグメントで構成されている。これらのニーディングディスクは、上流側から第１ニーディングディスク２１、第２ニーディングディスク２２、第３ニーディングディスク２３、第４ニーディングディスク２４の順に並んでいる。なお、４つのニーディングディスクは、上流側から見た際に互いのフライトが所定位相角（本実施形態では６０°）をあけるように配置されている。
図３（ｂ）は図３（ａ）の多段状部１８ａを各ディスクの軸方向中途部で切断した断面図である。図３（ｂ）の［Ａ］〜［Ｆ］は、第１ニーディングディスクセグメント１９、第１ニーディングディスク２１〜第４ニーディングディスク２４、第２ニーディングディスクセグメント２０の各端面を示している。
４つのニーディングディスクは、回転外径が大きなものほど上流側に配備されており、それぞれの回転外径ｄ（ｄ1〜ｄ4）と第１ニーディングディスクセグメント１９及び第２ニーディングディスクセグメント２０の回転外径ｄmax、ｄminとの間に以下の式（３）の関係が成立する。
Figure 0004834653
式（３）に示されるように、多段状部１８ａを設けることにより、第１ニーディングディスクセグメント１９と第２ニーディングディスクセグメント２０との間には全部で５つの段部２５が形成される。これらの段部２５には、スプライン軸８を中心として径方向に等しい段差δがそれぞれ形成されている。それゆえ、各段差δと回転外径ｄとの間には以下の式（４）の関係が成立する。
Figure 0004834653
なお、式（４）においては、上述した５つの段差を、上流側から順にδ1〜δ5と示している。
一方、スプライン軸８と各セグメントとを鋼材としてそれぞれの段部２５に作用する応力振幅を計算し、計算された応力振幅がスプライン軸８が疲労破壊されない強度にあるものとして以下の式（１’）が求められる。
Figure 0004834653
上述の式（１’）をそれぞれの段差δ1〜δ5が満足するように、第１ニーディングディスク２１〜第４ニーディングディスク２４を配備することで、それぞれの段部２５を曲げ方向の力が繰り返し作用してもスプライン軸８が疲労破壊しない段差に形成することが可能となり、鋼材よりなるスプライン軸８を疲労破壊による折損から保護することが可能となる。
さらに、多段状部１８ａの上流側に設けられる第１ニーディングディスクセグメント１９と下流側に設けられる第２ニーディングディスクセグメント２０との間には回転外径の差Δが存在する。この回転外径の差Δは、多段状部１８ａに形成される５つの段差の和であって、以下の式（２’）の関係を満足する。
Figure 0004834653
上述の式（２’）を満足するように多段状部１８ａにおける段差数を定めることで、多段状部１８ａの全体に加わる力をスプライン軸８を疲労破壊させない範囲に抑えることが可能となり、スプライン軸８の疲労破壊を防止することができる。
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の混練スクリュ１の第２実施形態を示している。第２実施形態の混練スクリュ１が上述した第１実施形態と異なるところは、多段状部１８ａ、１８ｂを構成するニーディングディスクが第１実施形態より多い１０個設けられている点にある。つまり、第２実施形態では、上流側より１０番目のニーディングディスクと第２ニーディングディスクセグメント２０と間には段部２５（段差）がないため、多段状部１８ａには全部で１０箇所の段部２５が形成されていることになる。
それゆえ、第２実施形態の混練スクリュ１においては、１０箇所の段部２５のそれぞれについて上述の式（１）や式（２）の関係を満足させることで、混練スクリュ１の折損や混練スクリュ１の折れ曲がりに伴うバレル３の異常摩耗が抑制乃至防止される。
なお、第２実施形態の混練スクリュ１におけるその他構成及び作用効果については、第１実施形態と同様である。
＜第３実施形態＞
図５は、本発明の混練スクリュ１の第３実施形態を示している。第３実施形態の混練スクリュ１が上述した第１実施形態と異なるところは、第１実施形態のスクリュ本体１１では混練部１０が１箇所であったのに対し第２実施形態のスクリュ本体１１では混練部１０が２箇所（複数）設けられている点、及び第２実施形態では多段状部１８ａ、１８ｂが複数の混練部１０のそれぞれに設けられている点にある。
このように多段状部１８ａ、１８ｂを複数の混練部１０のそれぞれに設けることにより、複数の混練部１０を備えた混練スクリュ１についても、それぞれの混練部１０においてスプライン軸８に局部的に加わる曲げ方向の力を各々の多段状部１８ａ、１８ｂで受けるため、スプライン軸８の折損やバレル３の異常摩耗を抑制乃至防止できる。
なお、第３実施形態の混練スクリュ１におけるその他構成及び作用効果については、第１実施形態と同様である。
以下に実施例と比較例とを用いて本発明を説明する。なお、説明の便宜上、比較例から先に説明する。
＜比較例＞
比較例は、従来の２軸完全噛合型の押出機２の例である。
表１に示されるように、押出機２は内径７５ｍｍのめがね孔状にくり抜かれたバレル３を備え、このバレル３の内部には軸径３６ｍｍのスプライン軸８（ＳＮＣＭ鋼製）を有する混練スクリュ１が一対挿入されている。混練スクリュ１には軸方向の中途に混練部１０が設けられており、この混練部１０には互いに回転外径が異なる第１ニーディングディスクセグメント１９（回転外径７４．７ｍｍ）と第２ニーディングディスクセグメント２０（回転外径７４．３ｍｍ）で構成された段差（０．２ｍｍ）が形成されている。
Figure 0004834653
ここで、この段差が、上述した式（１）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
δ／Ｄ3＝０．２／３６3＝４．２９×１０-6＞４．０×１０-6
それゆえ、比較例では式（１）の関係が成立しないことがわかる。また、上述した段差が式（２）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
Δ／Ｄ3＝０．２×１／３６3＝４．２９×１０-6＞（４．０×１０-6）×１
それゆえ、比較例では式（２）の関係も成立しないことがわかる。
次に、上述したように式（１）及び式（２）の関係を満足していない比較例の混練スクリュ４に疲労破壊が生じるかどうかを検証する。
まず、上述のような２軸の押出機２において、混練スクリュ１を出力９０ｋＷ、回転数３６０ｒｐｍで回転させる場合を想定して考えると、これらの出力及び回転数から混練スクリュ１に加わるねじりトルク及び伝達トルクを求めることができる。比較例の場合、混練スクリュ１へのねじりトルク：１２１．８ｋｇｆｍ、伝達トルク：４９ｋｇｆｍである。
このねじりトルク及び伝達トルク、並びにスプライン軸８の歯元にかかる応力のＦＥＭ（有限要素法）を用いた数値計算から、スプライン軸８のねじり応力τ（せん断応力τ）、スプライン軸８の歯の曲げ応力σｂ、スプライン軸８の曲げ応力σＭを求めることができる。なお、実施例１ではτ＝２３．０６ｋｇｆ／ｍｍ2、σｂ＝１９．９６ｋｇｆ／ｍｍ2、σＭ＝±４０ｋｇｆ／ｍｍ2である。
曲げとねじりとの組み合わせ応力については、モールの応力円を用いた手法が知られており、先に求めた応力によると以下の通りとなる。
Figure 0004834653
次に、モールの応力円を用いて引張時及び圧縮時の平均応力及び応力振幅を求めると以下のようになる。
（引張時）
σ1m＝２７．１８ｋｇｆ／ｍｍ2 σ1a＝２７．８９ｋｇｆ／ｍｍ2
σ2m＝−７．２２ｋｇｆ／ｍｍ2 σ2a＝１２．０４ｋｇｆ／ｍｍ2
（圧縮時）
σ1m＝３１．９７ｋｇｆ／ｍｍ2 σ1a＝４．１５ｋｇｆ／ｍｍ2
σ2m＝−１２．００ｋｇｆ／ｍｍ2 σ2a＝３５．７８ｋｇｆ／ｍｍ2
一方で、スプライン軸８を構成するＳＮＣＭ鋼の平均応力σmにおける許容応力振幅σa1を疲れ限度線図から求める。なお、この疲れ限度線図は、引き張り強さσBを１１０ｋｇｆ／ｍｍ2、降伏応力σyを９０．３ｋｇｆ／ｍｍ2、両振疲労限度σwを３７ｋｇｆ／ｍｍ2とした場合の修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図に基づいて作成している。
まず、引張時においては、疲れ限度線図から、上述のように平均応力σmが２７．１８ｋｇｆ／ｍｍ2のときの許容応力振幅σa1は、σa1＝２７．８６ｋｇｆ／ｍｍ2となる。それゆえ、σａ＝２７．８９ｋｇｆ／ｍｍ2≧２７．８６ｋｇｆ／ｍｍ2＝σa1となり、疲労破壊を起こす可能性があることが分かる。
一方、圧縮時には、同様に疲れ限度線図から、上述のように平均応力σmが−１３．９０ｋｇｆ／ｍｍ2のときの許容応力振幅σa1は、σa1＝３７ｋｇｆ／ｍｍ2となる。それゆえ、σａ＝３３．８７ｋｇｆ／ｍｍ2＜３７ｋｇｆ／ｍｍ2＝σa1となり、疲労破壊を起こさないことが分かる。
以上のことから、式（１）及び（２）の関係が成り立たない比較例では混練スクリュの疲労破壊が生じると判断される。
＜実施例１＞
実施例１が比較例と異なっている点は、スクリュ本体１１が多段状部１８ａ、１８ｂを有していることである。実施例１では、表２に示されるように、多段状部１８ａ、１８ｂは４枚の回転外径が異なるニーディングディスクセグメントから構成されており、多段状部１８ａの上流側の第１ロータセグメント１９と下流側の第２ロータセグメント２０との間には全部で５箇所の段差が形成されている。なお、実施例１における他の構成や実験条件は、比較例と同じであるため、説明を省略する。
Figure 0004834653
実施例１の多段状部１８ａでは段差の大きさが５つの段差で全て等しいため、段差１つ１つについては段差の大きさは比較例の場合の１／５になる。つまり、式（１）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
δ／Ｄ3＝０．０４／３６3＝８．５７×１０-7≦４．０×１０-6
それゆえ、実施例１では式（１）の関係を満足している。また、上述した式（２）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
Δ／Ｄ3＝０．０４×５／３６3＝４．２９×１０-6≦２．０×１０-5＝（４．０×１０-6）×５
それゆえ、実施例１では式（２）の関係も満足している。
一方、比較例同様にして実施例１の引張時及び圧縮時における平均応力及び応力振幅を求めると以下のようになる。
（引張時）
σ1m＝３１．４７ｋｇｆ／ｍｍ2 σ1a＝７．０９ｋｇｆ／ｍｍ2
σ2m＝−１１．５１ｋｇｆ／ｍｍ2 σ2a＝２．８９ｋｇｆ／ｍｍ2
（圧縮時）
σ1m＝３２．０５ｋｇｆ／ｍｍ2 σ1a＝０．４４ｋｇｆ／ｍｍ2
σ2m＝−１２．０９ｋｇｆ／ｍｍ2 σ2a＝１０．４２ｋｇｆ／ｍｍ2
さらに、スプライン軸８を構成するＳＮＣＭ鋼の平均応力σmにおける許容応力振幅σa1を疲れ限度線図から求める。
まず、引張時においては、疲れ限度線図から、上述のように平均応力σmが３１．４７ｋｇｆ／ｍｍ2のときの許容応力振幅σa1は、σa1＝２６．４１ｋｇｆ／ｍｍ2となる。それゆえ、σａ＝７．０９ｋｇｆ／ｍｍ2≦２６．４１ｋｇｆ／ｍｍ2＝σa1となり、疲労破壊を起こさないことが分かる。
また、圧縮時においては、上述のように平均応力σmが−１２．０９ｋｇｆ／ｍｍ2のときの許容応力振幅σa1を、σm＝０ｋｇｆ／ｍｍ2の許容応力振幅と同じσa1＝３７ｋｇｆ／ｍｍ2とする。それゆえ、σa＝１０．４２ｋｇｆ／ｍｍ2＜３７ｋｇｆ／ｍｍ2＝σa1となり、疲労破壊を起こさないことが分かる。
以上のことから、式（１）及び（２）の関係が成り立つ実施例１では混練スクリュの疲労破壊が生じないと判断される。
＜実施例２＞
実施例２も、実施例１同様に、スクリュ本体１１が多段状部１８ａ、１８ｂを有している点で比較例と異なっている。実施例２が実施例１と異なっている点は、表３に示されるように、多段状部１８ａ、１８ｂが１０枚の回転外径が異なるニーディングディスクから構成されている点である。つまり、実施例２の多段状部１８ａには、上流側の第１ニーディングディスクセグメント１９と下流側の第２ニーディングディスクセグメント２０との間に全部で１０箇所の段差が形成されている。なお、実施例２における他の構成や実験条件は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
Figure 0004834653
実施例２の多段状部１８ａでも段差の大きさは全て等しいため、各段差の大きさは比較例の場合の１／１０（０．０２ｍｍ）になる。それゆえ、式（１）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
δ／Ｄ3＝０．０２／３６3＝４．２９×１０-7≦４．０×１０-6
このように、実施例２でも式（１）の関係を満足している。
また、上述した式（２）の関係を満たすかどうかを計算すると、以下のようになる。
Δ／Ｄ3＝０．０２×１０／３６3＝４．２９×１０-6≦４．０×１０-5＝（４．０×１０-6）×１０
それゆえ、実施例２では式（２）の関係も満足している。
一方、実施例２においても、実施例１と同様に平均応力σmを求めて、疲れ限度線図の許容応力振幅σa1との比較を行うことで混練スクリュが疲労破壊を起こさないことがわかる。なお、詳細は実施例１と同様であるため割愛する。
このことから、式（１）及び式（２）の関係を満足する実施例２でも疲労破壊が生じないことが分かる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。
例えば、第１実施形態〜第３実施形態は２軸完全噛合型の押出機２のものであった。しかし、本発明の混練スクリュ１は単軸または３軸以上の押出機２や完全噛合型でない２軸押出機２、あるいは連続混練機にも用いることができる。
多段状部１８ａ、１８ｂにおける段部２５は、上記実施形態においてはいずれの段部２５もスプライン軸８の径方向に等しい大きさの段差を備えていた。しかし、上述した式（１）や式（２）の関係を満足するものであれば、段部２５の段差をそれぞれ異なる値に形成することもできる。
上記実施形態では、多段状部１８ａ、１８ｂは混練部１０に設けられた複数のニーディングディスクが個別に分けられた分割型のニーディングディスクセグメントで構成されていた。しかし、多段状部１８ａ、１８ｂは外周面が多段状に形成された一体型のセグメントであっても良いし、多段状部１８ａ、１８ｂを構成するセグメントにはニーディングディスクセグメント以外のセグメントを用いることもできる。例えば、複数のロータセグメント１５の回転外径を順次変化させることで多段状部１８ａ、１８ｂを構成することもでき、また１つのロータセグメントの回転外径を連続的に変化させることで∞段の多段状部を構成することもできる。また、混練部１０に設ける場合であれば、さらに多段状部１８ａ、１８ｂを、例えば図６に示すように軸方向に径を異ならせた複数の円板２６を積層して形成しても良く、円錐台形状のスペーサとして形成しても良い。
また、スプライン軸８（スクリュシャフト）の材料には、ＳＮＣＭ鋼だけでなくＳＣＭ鋼を用いても良い。
第１実施形態の混練スクリュを有する押出機の正面図である。 図１のＡ−Ａ線切断端面図である。 （ａ）は多段状部の正面図である。（ｂ）は（ａ）の各セグメントの断面図である。 第２実施形態の混練スクリュを有する押出機の正面図である。 第３実施形態の混練スクリュを有する押出機の正面図である。 多段状部の他の実施形態を示す図である。
１ 混練スクリュ
２ 押出機
３ バレル
４ 材料供給口
５ ホッパ
６ ゲート部
７ 開口部
８ スプライン軸
９ 送り部
１０ 混練部
１１ スクリュ本体
１２ 押出部
１３ スクリュセグメント
１５ 混練用セグメント
１７ 混練用フライト
１８ 多段状部
１９ 第１ニーディングディスクセグメント（混練用セグメント）
２０ 第２ニーディングディスクセグメント（混練用セグメント）
２１ 第１ニーディングディスク
２２ 第２ニーディングディスク
２３ 第３ニーディングディスク
２４ 第４ニーディングディスク
２５ 段部
２６ 円板

Claims (5)

  1. 混練される材料を下流側に送る複数のスクリュセグメントからなる送り部と、当該材料を混練する複数の混練用セグメントからなる混練部と、前記混練部で混練された材料を下流側に送り出す複数のスクリュセグメントからなる押出部とが設けられたスクリュ本体を備えた混練スクリュであって、
    前記スクリュ本体は、前記各セグメントがスプライン軸により串刺し状に固定されると共に、他のセグメントよりも回転外径の小さな混練用セグメントと、該回転外径の小さな混練用セグメントの上流側と下流側でそれぞれ隣り合い、当該上流側においては回転外径が軸方向に沿って漸次小さくなるように変化し当該下流側においては回転外径が軸方向に沿って漸次大きくなるように変化する多段状部を構成するセグメントとを備えており、
    前記多段状部は、該多段状部を構成するセグメントの上流側と下流側でそれぞれ隣り合う回転外径が異なる２つのセグメントの間の当該外径の差を補うべく当該回転外径が異なる２つのセグメントの間に挟まれるように設けられており、
    前記多段状部を構成するセグメントと、このセグメントに隣り合うセグメントとの間に段部が形成される場合に、前記多段状部を軸通する鋼材からなるスプライン軸の直径をＤとしたときに、前記多段状部における径方向に沿った各段差δが式（１）の関係を満たすことを特徴とする混練スクリュ。
    Figure 0004834653
  2. 前記多段状部が、前記混練部、前記混練部と送り部との連接部分、前記混練部と押出部との連接部分のうち少なくともいずれか１つに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の混練スクリュ。
  3. 前記多段状部が、互いに回転外径が異なる複数のニーディングディスクからなる混練用セグメントにより構成されていることを特徴とする請求項２に記載の混練スクリュ。
  4. 前記多段状部と隣り合う２つのセグメントの間にｎ箇所の前記段差が存在する場合には、前記多段状部を軸通する前記スプライン軸の直径をＤとしたときに、前記２つのセグメントの回転外径の差Δが式（２）の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の混練スクリュ。
    Figure 0004834653
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の混練スクリュを備えた押出機。
JP2007327383A 2007-12-19 2007-12-19 混練スクリュ及び押出機 Active JP4834653B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007327383A JP4834653B2 (ja) 2007-12-19 2007-12-19 混練スクリュ及び押出機
US12/267,902 US8167478B2 (en) 2007-12-19 2008-11-10 Kneading screw and extruder
EP08169021.6A EP2072218B1 (en) 2007-12-19 2008-11-13 Kneading screw and extruder
CN2008101844187A CN101462313B (zh) 2007-12-19 2008-12-19 混合搅拌用螺杆以及挤出机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007327383A JP4834653B2 (ja) 2007-12-19 2007-12-19 混練スクリュ及び押出機

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009148936A JP2009148936A (ja) 2009-07-09
JP4834653B2 true JP4834653B2 (ja) 2011-12-14

Family

ID=40521388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007327383A Active JP4834653B2 (ja) 2007-12-19 2007-12-19 混練スクリュ及び押出機

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8167478B2 (ja)
EP (1) EP2072218B1 (ja)
JP (1) JP4834653B2 (ja)
CN (1) CN101462313B (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5832172B2 (ja) 2010-08-05 2015-12-16 株式会社神戸製鋼所 連続混練装置
US8556621B2 (en) * 2011-02-09 2013-10-15 Pepsico, Inc. Extrusion blow molding apparatus for preparing polyester articles
CN102416695A (zh) * 2011-12-08 2012-04-18 浙江华业塑料机械有限公司 一种用于挤出机内的螺杆
CN112733297B (zh) * 2021-01-13 2022-07-19 上海理工大学 用于分段式挤出螺杆连接的花键设计方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09117954A (ja) 1995-10-25 1997-05-06 Toshiba Mach Co Ltd ２軸押出機
JPH11300737A (ja) * 1998-04-23 1999-11-02 Japan Steel Works Ltd:The 二軸異径の混練押出機
JP2000296517A (ja) 1999-04-15 2000-10-24 Japan Steel Works Ltd:The ニーディングスクリュピース体
DE10050295A1 (de) * 2000-10-10 2002-04-11 Buehler Ag Mehrwellen-Extruder und Verfahren zur Aufbereitung und/oder Vorarbeitung von mit Füllstoff versetzten Elastomeren
EP1316399B1 (en) * 2001-11-29 2010-10-06 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) Kneading apparatus
JP2004202871A (ja) * 2002-12-25 2004-07-22 Japan Steel Works Ltd:The 混練押出機用のスクリュ
DE102006014692B3 (de) * 2006-03-28 2007-08-02 Berstorff Gmbh Schneckenelement

Also Published As

Publication number Publication date
CN101462313B (zh) 2012-12-05
EP2072218B1 (en) 2017-03-22
JP2009148936A (ja) 2009-07-09
EP2072218A3 (en) 2014-05-21
US8167478B2 (en) 2012-05-01
CN101462313A (zh) 2009-06-24
EP2072218A2 (en) 2009-06-24
US20090161476A1 (en) 2009-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5137613B2 (ja) ニーディングディスクセグメント及び２軸押出機
JP4205127B2 (ja) 混練スクリュー、２軸押出機、及び混練スクリューの組み立て方法
US8434928B2 (en) Extruder having parallel shafts with combined elements
JP4907366B2 (ja) 押出機用スクリュ、これに用いられる軸受セグメント、および押出機用スクリュを備える２軸押出機
EP2792462B1 (en) Dispersion kneading method
JP4834653B2 (ja) 混練スクリュ及び押出機
JP2007237679A (ja) プラスチック原料の可塑化混練押出機
WO2012017619A1 (ja) 連続混練機及び混練方法
WO2000047393A1 (en) Multi-shaft extruder kneading discs, kneading disc blocks and extruder
EP2484505B1 (en) Kneading segment and kneading equipment
US20160279828A1 (en) Element for a co-rotating twin screw processor
JP3963042B2 (ja) 連続混練機及び連続混練機のロータ
RU2442688C2 (ru) Червячный элемент
JP4083183B2 (ja) 混練押出機用スクリュ
JP3207055B2 (ja) ポリマー中に含まれるゲルの消去方法及びその装置
JP5361704B2 (ja) 混練用セグメント及び混練設備
JP2024022510A (ja) スクリューマシンを用いて材料を処理するための処理要素
WO2012161286A1 (ja) 連続混練機
EP3446850A1 (en) Screw-type extruder
JP2012192560A (ja) ２軸押出機
JPH1016033A (ja) 二軸混練押出機
JP5771414B2 (ja) ゴム押出機
JP2010036540A (ja) 同方向回転二軸混練機

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090929

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100309

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100510

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20110111

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110408

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20110419

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110830

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110926

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4834653

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140930

Year of fee payment: 3