JP5159757B2

JP5159757B2 - 混練機

Info

Publication number: JP5159757B2
Application number: JP2009297593A
Authority: JP
Inventors: 和久福谷; 則文山田; 雄介田中
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011136282A

Description

本発明は、混練機に関するものである。

ゴムやプラスチック等の材料を混練する混練機としては、密閉された混練室内に投入された材料を混練ロータを回転させることで混練する密閉型の混練機（バッチ式の混練機ともいう）が知られている。このような混練機では、混練中に発生する熱で混練室内が加熱され過ぎないように、以下のような冷却構造が提案されている。
この冷却構造は、図６に模式的に示すように、混練ロータ１００の内部に設けられており、水などの冷却媒体を循環させる流路から形成されている。この混練ロータ１００は、内部が中空とされた棒状の回転シャフト１０１と、この回転シャフト１０１の先端に嵌合固定されると共に回転シャフト１０１を外周側から取り囲むように設けられたロータ本体１０２（翼の図示は省略してある）とを有している。

回転シャフト１０１の内部には、シャフトの軸心に沿って形成された軸心流路１０５と、この軸心流路１０５を外周側から取り巻く外周流路１０６とが内外二重に形成されている。軸心流路１０５にはロータ本体１０２に向かう冷却媒体が流されており、また外周流路１０６にはロータ本体１０２から排出される冷却媒体が流されている。外周流路１０６におけるロータ本体１０２に挿し込まれた部分には、軸方向に冷却媒体が流通することを規制する区画リング１０７が配備されており、軸心流路１０５から外周流路１０６に流れ込んだ冷却媒体を堰き止めてロータ本体１０２側に送ることができるようになっている。

一方、ロータ本体１０２の内部には、回転シャフト１０１に接する内周面から径方向外方へ向かって伸びる溝部１０３が形成されている。この溝部１０３は、回転シャフト１０１の軸線方向に沿って１条のスパイラルを描くように連続して形成されており、溝内には中子１０４が嵌め入れられている。この中子１０４は、溝部１０３の内周面側（回転シャフト１０１に接する側）のみに配備されていて、中子１０４の奥（外周側）には水などの冷却媒体を流通させる流路が螺旋状に形成される。

つまり、区画リング１０７で堰き止められた冷却媒体は、外周流路１０６の先端側に形成された流入口１０８から溝部１０３内に流入し、ロータ本体１０２の外周面に沿って溝部１０３内を螺旋状に流れつつロータ本体１０２の表面を冷却する。そして、冷却に用いられた冷却媒体は、基端側の流出口１０９から外周流路１０６に戻り、外周流路１０６を介して混練ロータ１００の外部へと排出される。

特開２００５−５９５２８号公報

ところで、混練中に混練ロータの翼に加わる熱は一様ではなく、翼表面の部分ごとで大きく変化する。例えば、一般的な混練機では、混練ロータを回転させる際に材料に剪断力を付与する翼面、言い換えれば回転方向の前面側がそれ以外の部分に比べて高温化し易い。
ところが、特許文献１の冷却構造は、連続的に繋がった１本の溝部１０３に沿って冷却媒体を流すものに過ぎず、ロータ本体１０２を全面に亘ってほぼ均等に冷却することはできても、ロータ本体１０２の特定の箇所、つまり回転方向の前面側だけに冷却媒体を集中的に供給して、高温化した箇所を重点的に冷却することはできない。

また、特許文献１の冷却構造では、一旦流入口１０８から供給された冷却媒体は溝部１０３内の流路に沿って移動するに過ぎず、冷却媒体の温度はロータ本体１０２を冷却するにつれて上昇し、下流になるほどロータの冷却効率が低下する。それゆえ、溝部１０３の終端に近づけば近づくほど熱移動の効率が悪くなり、それ程高い冷却効率を得ることもできない。

当然、このような冷却構造では、ロータ本体１０２の回転方向の前面側は冷却不足のままとなる。また、例えば、冷却媒体の供給量を増加させれば、冷却効率をさらに高めることも可能であるが、供給量を増加させるためにはポンプなどの付帯設備の追加や増強も必要となり、混練機の構造が大型化しやすいという問題を招来することになる。
加えて、特許文献１の冷却構造は、回転シャフト１０１、ロータ本体１０２、中子１０４などが複雑に嵌合し合った構造を採用しているため、各部材の加工やその組み立てが非常に面倒であり、混練機の製造コストが高騰しやすいという欠点もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、混練ロータにおいて冷却したい部分を重点的に冷却することができ、混練ロータの冷却効率をも向上させることができ、構造的にも簡潔であって加工や組み立てが容易で低コスト化も図れるようにした混練機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は次の手段を講じた。
即ち、本発明に係る混練機は、投入材料を収容する混練室と、この混練室内に収容されると共に前記投入材料を混練する翼を備える混練ロータとを有し、前記混練ロータは、外周面に前記翼が設けられると共に内部が空洞とされた外筒体と、この外筒体の内部に外筒体の内面から距離をあけて収納された内筒体とを有しており、前記内筒体は、冷却媒体を流通させる冷媒流路を内部に備えており、前記内筒体の外周壁には、当該外周壁を径方向に貫通すると共に前記冷媒流路により供給される冷却媒体を前記外筒体の内面側に向けて送り出す貫通孔が設けられていることを特徴としている。

なお、前記貫通孔は、前記冷却媒体を外筒体の内面に噴射させて衝突させる構成とされているのが好ましい。
このような構成であると、内筒体の外周壁に設けられた貫通孔から送り出された冷却媒体は、径方向外方に向かって外筒体の内面付近まで流れ、外筒体の内面付近の冷却媒体を攪拌するようになる。その結果、外筒体の内面付近の冷却媒体に乱流が起こって、冷却媒体と外筒体の内面との間での熱移動が活発化され、冷却媒体を送り出した部分だけを効率的に冷却することが可能になる。つまり、混練ロータにおいて冷却したい部分に冷却媒体が優先的に送り出されるように上述の貫通孔の位置を調整したり孔径や分布を調整すれば、外筒体の内面の一部分だけを重点的に冷却することが可能となる。

なお、上述のように冷却したい部分だけを重点的に冷却するためには、具体的には、前記貫通孔は、前記内筒体の外周壁に複数形成されており、当該外周壁における貫通孔の分布状態を変えることで、前記外筒体の外周面に対する冷却効率を局部的に制御する構成とされているのが好ましく、例えば前記外筒体の翼に対応した内筒体の外周壁での前記貫通孔の分布をそれ以外の部分に比べて密にすることにより、前記翼が形成された外筒体の外周面をそれ以外の部分より冷却することが可能となる。

このように内筒体の外周壁に対して貫通孔を設ける位置や分布を種々様々に考慮すれば、外筒体（即ち、混練ロータ）の中でも高温化しやすい箇所（回転方向を向く翼面など）を重点的に冷却させることが可能になり、混練ロータにおいて冷却不足となる箇所の発生を防止して混練ロータを効率的に冷却することが可能になる。
更に、上述の構成であれば、従来の混練機に採用されていた中子などは不要となるので、構造的にも簡潔になり、また部材の加工やその組み立ても容易になるので、混練機の低コスト化も図れるようになる。
なお、本発明に係る混練機の最も好ましい形態は、投入材料を収容する混練室と、この混練室内に収容されると共に前記投入材料を混練する翼を備える混練ロータとを有し、前記混練ロータは、外周面に軸心方向にねじれた翼が設けられると共に内部が空洞とされた外筒体と、この外筒体の内部に外筒体の内面から距離をあけて収納された内筒体とを有しており、前記内筒体は、冷却媒体を流通させる冷媒流路を内部に備えており、前記内筒体の外周壁には、当該外周壁を径方向に貫通すると共に前記冷媒流路により供給される冷却媒体を前記外筒体の内面側に向けて送り出す貫通孔が設けられていて、前記貫通孔は、前記冷却媒体を外筒体の内面に噴射させて衝突させる構成とされており、前記貫通孔は、前記外筒体の内面であって、ねじれた翼が存在する領域のみに対応して、内筒体の外周壁に軸方向及び周方向に面状に分布させて複数形成することで、当該外周壁における貫通孔の分布状態を変え、前記外筒体の外周面に対する冷却効率を局部的に制御する構成とされていることを特徴とする。

本発明に係る混練機であれば、混練ロータにおいて冷却したい部分を重点的に冷却することができ、混練ロータの冷却効率をも向上させることができ、構造的にも簡潔であって加工や組み立てが容易で低コスト化も図れるようになる。

本発明に係る混練機の主要部を模式的に示した側断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。混練機の全体図である。本発明に係る混練機に備えられる混練ロータの側面図である。本発明に係る混練機に備えられる混練ロータの側断面図である。従来の混練機に対して提案されていた冷却構造を模式的に示した側断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図３乃至図５は、本発明に係る混練機１の一実施形態を示しており、また図１及び図２は本発明の主要部を模式的に示している。なお、本実施形態では、内部が空洞とされたバレル２をフローティングウエイト３で密閉し、密閉されたバレル２内を混練室３３とし、この混練室３３内で混練ロータ４を回転させるようにしたバッチ式の密閉型混練機を例示している。

まず混練機１の概要を説明する。図３に示すように、バレル２は内部にめがね孔２ａを有して形成され、このめがね孔２ａ内の混練室３３に、回転軸心を水平方向に向けた状態で左右一対の混練ロータ４が設けられている。両混練ロータ４は、互いに同一方向又は逆方向に回転駆動されるものとなっている。
バレル２には、両混練ロータ４の隣接間上方に材料投入口５が設けられ、この材料投入口５に対してフローティングウエイト３がガイド筒６にガイドされつつ、上下動自在な状態に設けられている。フローティングウエイト３の上部には、ガイド筒６内を上方へ突き抜けるようにして軸部材７が立設されており、この軸部材７の上端部がガイド筒６の上部に連結された油圧シリンダ等の昇降装置８により昇降駆動されるようになっている。

ガイド筒６には、側方に開口する材料供給口９が形成され、この材料供給口９を取り囲むようにしてホッパ１０が設けられている。このホッパ１０には、油圧シリンダ等により揺動駆動されるホッパードア１１が設けられ、必要に応じて材料供給口９を開閉可能となっている。
従ってこの混練機１では、昇降装置８により軸部材７を介してフローティングウエイト３を上昇させ、材料投入口５及び材料供給口９を共に開口させ且つ相互連通させた状態で、ホッパ１０からゴムやプラスチック等の材料を投入する。そして昇降装置８により軸部材７を介してフローティングウエイト３を下降させて材料投入口５を閉止させ、またホッパードア１１で材料供給口９を閉止させ、そのうえで両混練ロータ４を回転させる。これにより、フローティングウエイト３の先端部でバレル２内（混練室３３内）の材料を押圧しつつ、材料の混練を行うというものである。

次に混練ロータ４について詳説する。図４及び図５に示すように、混練ロータ４は、回転軸１５を中心として回転可能とされたもので、外周面に翼１６を備え且つ内部が空洞とされた外筒体１７と、この外筒体１７の内部に周隙間１８を生じさせて収納された内筒体１９とを有している。外筒体１７及び内筒体１９は互いに一体的に結合されており（その結合構造の図示は省略した）、回転軸１５を中心として互いに一体回転するようになっている。

図５に示すように、外筒体１７は、回転軸１５に対してその外側から嵌め込まれており、回転軸１５と一体に回転可能となっている。図例では、回転軸１５は外筒体１７の左側と右側とにそれぞれ配備されており、外筒体１７は左右のいずれの回転軸１５とも一体に結合している。なお、このような外筒体１７と回転軸１５とは予め一体物として形成することもできる。例えば、左右にある回転軸１５のうち、少なくとも一方の回転軸１５と外筒体１７とが一体成形されていても良い。

回転軸１５には、その軸心に沿って貫通する内部孔２０が形成されており、この内部孔２０には、一端側を外筒体１７の外部へと延出させ、他端側を外筒体１７の内部で内筒体１９に連結させた連絡管２１が挿通されている。この連絡管２１の管内通路により、外筒体１７の外部から内筒体１９の内部へ水等の冷却媒体を供給するための入側の冷媒流路２３が形成されている。

また、連絡管２１は回転軸１５の内部孔２０よりも一回り径小に形成されており、これによって内部孔２０の内周面と連絡管２１の外周面との周間に環状通路が生じるようになっている。この環状通路により、外筒体１７と内筒体１９との周隙間１８から外筒体１７の外部へ冷却媒体を排出するための出側の冷媒流路２４が形成されている。
内筒体１９の外周壁１９ａには、入り側の冷媒流路２３により内筒体１９の内部へ供給された冷却媒体を、径方向外方へ送り出すための貫通孔２５が外周壁１９ａを内外に貫通するように設けられている。貫通孔２５は、内筒体１９の軸方向及び周方向に距離をあけるようにして複数配置されており、また冷却媒体を外筒体１７の内面１７ａに噴射させて衝突させることができるように例えば５〜１０ｍｍ程度の径に形成されている。

混練ロータ４は、このような構成を具備しているから、図１及び図２に示すように、入側の冷媒流路２３を介して内筒体１９内へ冷却媒体を供給すると、貫通孔２５から径方向外方へ向けて勢いよく送り出される（噴射される）。そして、貫通孔２５から送り出された冷却媒体は、径方向外方に向かって外筒体１７の内面１７ａ付近まで流れ、外筒体１７の内面１７ａに対して略垂直に衝突し、外筒体１７の内面１７ａ付近で冷却媒体を攪拌するようになる。

その結果、外筒体１７の内面１７ａ付近の冷却媒体に乱流が起こって、冷却媒体と外筒体１７の内面との間での熱移動が活発化され、外筒体１７の内面１７ａの一部で熱伝達率が局所的に高くなり、外筒体１７の内面１７ａの一部だけを効率的に冷却することが可能となる。
このようにして冷却に用いられた冷却媒体は、徐々に出側の冷媒流路２４へ向けて流れるようになり、最終的にこの出側の冷媒流路２４を介して外筒体１７内から外筒体１７の外部、即ち、混練ロータ４の外部へ排出され、冷却媒体の排出に伴って混練ロータ４の熱も外部に排熱される。

しかも、内筒体１９内へ供給された冷却媒体は、その軸方向で分散配置されたいずれの貫通孔２５からも略均一な温度を有して噴出されるから、外筒体１７の内面１７ａに対してもその軸方向で略均一な温度の冷却媒体が衝突されることになる。すなわち、冷却媒体による冷却効果が外筒体１７の軸方向で徐々に低下するといったことはない。
また、上述の構造であれば、中子の嵌合などは不要となるので構造的に簡潔であり、外筒体１７に対して内筒体１９を収納させるだけで組み立てられるので、組み立ても容易となり、混練機の低コスト化も図れるという利点がある。

図４及び図５に示すように、外筒体１７の外周面には、翼１６と翼１６との間に、相対的に凹溝部分を形成するようになった翼無し領域３０が設けられている。このような翼無し領域３０では、混練ロータ４の回転によって材料を混練する際に、材料の押圧作用を余り強くは生じず、従って翼１６がある部分３１に比べれば、それほど高温化するものではない。

このようなことから、内筒体１９において、外筒体１７の内面１７ａのうち翼１６がある部分（翼面に対応する領域）３１では貫通孔２５の分布を密配置とし、その他の領域３２（前記翼無し領域３０に対応する領域など）では、翼面に対応する領域３１に比べて貫通孔２５の分布を疎配置（貫通孔２５が設けられない場合を含む）となるように配置させるとよい。

このように貫通孔２５の分布に疎密を設ければ、翼面に対応する領域３１では冷却媒体の噴射量（流量）や流速が翼無し領域３０より大きくなり、翼１６だけを局所的に効率よく冷却させることができる。
なお、冷却媒体の噴流速度を速くする手段としては、貫通孔２５の分布以外にも、貫通孔２５の孔径、開口形状や貫通孔２５から外筒体１７の内面１７ａまでの距離などを変化させる手段も考えられる。例えば、内筒体１９において、外筒体１７の内面１７ａのうち翼面に対応する領域３１では貫通孔２５の孔径を相対的に径大化し、その他の領域３２（前記翼無し領域３０に対応する領域など）では貫通孔２５の孔径を相対的に径小化させるようにすると、翼面に対応する領域３１において冷却媒体の噴流速度（流速）を速くさせることができ、内筒体１９の外周面から翼１６の内面までの距離が離れている場合でも、冷却媒体を外筒体１９の内面１９ａに確実に衝突させて、高温になりやすい翼１６に対応した箇所などを効率よく冷却させることが可能となる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、本発明に係る混練機１は、バレル２をフローティングウエイト３で密閉するバッチ式に適用することが限定されるものではなく、密閉型でもバッチ式でもない例えば連続式の混練機や押出機に適用することもできる。

また混練ロータ４については翼１６の形状や回転方向などが限定されるものではない。例えば、混練ロータ４の条数は２条以上でも良い。また、冷却媒体も水に限定されるものではない。
更に、内筒体１９の外周壁１９ａにおいて貫通孔２５の配置や形成数、孔径などは例示したものに限定されるものではない。冷媒流路２３，２４を形成させる構造についても、特に限定されるものではないし、必ずしも入側と出側とで２本の冷媒流路を必要とするわけでもない。

１混練機
２混練室
４混練ロータ
１５回転軸
１６翼
１７外筒体
１７ａ内面
１８周隙間
１９内筒体
１９ａ外周壁
２３入側の冷媒流路
２４出側の冷媒流路

Claims

投入材料を収容する混練室と、この混練室内に収容されると共に前記投入材料を混練する翼を備える混練ロータとを有し、
前記混練ロータは、外周面に軸心方向にねじれた翼が設けられると共に内部が空洞とされた外筒体と、この外筒体の内部に外筒体の内面から距離をあけて収納された内筒体とを有しており、
前記内筒体は、冷却媒体を流通させる冷媒流路を内部に備えており、
前記内筒体の外周壁には、当該外周壁を径方向に貫通すると共に前記冷媒流路により供給される冷却媒体を前記外筒体の内面側に向けて送り出す貫通孔が設けられていて、
前記貫通孔は、前記冷却媒体を外筒体の内面に噴射させて衝突させる構成とされており、
前記貫通孔は、前記外筒体の内面であって、ねじれた翼が存在する領域のみに対応して、内筒体の外周壁に軸方向及び周方向に面状に分布させて複数形成することで、当該外周壁における貫通孔の分布状態を変え、前記外筒体の外周面に対する冷却効率を局部的に制御する構成とされていることを特徴とする混練機。
前記外筒体の翼に対応した内筒体の外周壁での前記貫通孔の分布をそれ以外の部分に比べて密にすることにより、前記翼が形成された外筒体の外周面をそれ以外の部分より冷却することを特徴とする請求項１に記載の混練機。