JP5295846B2

JP5295846B2 - 循環式混練機

Info

Publication number: JP5295846B2
Application number: JP2009097011A
Authority: JP
Inventors: 武志木田; 茂生大石; 康平小国
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP2010247025A

Description

本発明は、対象物を混練するための循環式混練機、より詳しくは、混練中における対象物の逆流を好適に抑制できる循環式混練機に関する。

高分子材料同士、あるいは高分子材料と無機材料とを混ぜ合わせて複合材料を製造するための装置として、例えば特許文献１に記載の循環式混練機が知られている。この循環式混練機は、駆動部に接続されたスクリューと、スクリュー外側に配設された加熱部と材料投入部とを有するシリンダと、スクリュー先端面と隙間を介して配置される押出し先端部とを備えている。スクリュー内部には樹脂が循環するための循環経路が形成されており、投入された材料は、シリンダ及びスクリュー内を循環しながら混練されていく。

特開２００５−３１３６０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような循環式混練機を用いて複合材料を調整する際には、特に加工初期段階等において、投入した材料が充分に溶融していない状態でスクリューの先端側に送られることがある。この場合、材料が循環経路に進入しにくくなるため、材料の循環が充分に行われなくなる。そして、材料が先端側に詰まる結果、材料の行き場がなくなり、シリンダの基端側（駆動部側）に材料の一部が逆流することがある。

このような逆流が発生すると、逆流した材料の一部は先端側に戻らず、基端側にとどまって長時間シリンダからの熱を受けたり、スクリューとシリンダとの間の摩擦で生じるせん断発熱を受けたりして、焼付けや変性を起こす。焼付けを起こした材料片や変性した材料片が先端側に移動すると、混練している材料に混入し、複合材料を変色させる等によってその品質を低下させるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、投入した材料の逆流が好適に抑制される循環式混練機を提供することを目的とする。

本発明は、シリンダに投入した材料を、内部に循環経路を有するスクリューを用いて混合する循環式混練機であって、前記スクリューによって、前記スクリューと前記シリンダの内面との間の流路を経由して前記シリンダの先端側に送られる前記材料が前記流路を戻って前記シリンダの基端側に逆流することを防止する逆流防止機構を備え、前記逆流防止機構は、前記シリンダの先端を密封するように前記シリンダに挿通された容積調節部を有し、前記材料によって前記容積調節部に所定値以上の圧力が作用したときに、前記容積調節部が前記シリンダから離間するように移動して前記シリンダの先端側の容積が増加することを特徴とする。

本発明の循環式混練機によれば、逆流防止機構によって、材料がスクリューとシリンダの内壁との間の流路を経由してシリンダの基端側に逆流することが好適に防止され、材料の焼付けや変性等の発生が抑制される。
また、材料の循環が悪くなってシリンダの先端側に材料がたまり、内圧が上昇して所定値以上となると、容積調節部が移動してシリンダ先端側の容積が増加して逆流の発生が抑制される。

前記容積調節部の移動による前記容積の増加量は、前記材料によって前記容積調節部に作用する圧力と関連付けられてもよい。この場合、シリンダ先端側の内圧をより精密に調節することができる。

前記逆流防止機構は、前記シリンダの外側に設けられた補助循環経路を有してもよい。この場合、材料の一部が補助循環経路を通ってシリンダの基端側に移動するため、逆流を起こさずに材料循環を改善することができる。

前記スクリューの基端側に設けられた、前記シリンダの外径よりも径の大きいフランジを有してもよい。この場合、フランジが物理的障壁となって材料がシリンダの外部に漏れ出ることが防止される。

本発明の循環式混練機によれば、投入した材料の逆流を好適に抑制することができる。

本発明の第１実施形態の循環式混練機を示す全体斜視図である。同循環式混練機の混練部及び容積調節部の断面図である。本発明の第２実施形態の循環式混練機を一部断面で示す図である。同循環式混練機のスクリューの基端側の拡大断面図である。本発明の第３実施形態の循環式混練機において、混練部の水平面における断面を示す図である。

本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の循環式混練機（以下、単に「混練機」と称する。）１を示す斜視図である。
図１に示すように、混練機１は、混練を行うシリンダ及びスクリューを備える混練部２と、シリンダの容積を調節するための容積調節部３と、スクリューを回転させるための駆動部４とを備えて構成されている。

図２は、混練部２及び容積調節部３の断面図である。混練部２は、混練される材料が投入されるシリンダ５と、シリンダ５に挿通されたスクリュー６と、シリンダ５の外側を覆う外装部７とを備えて構成されている。

シリンダ５は、略円筒状の内腔を有するように形成されており、先端側には容積調節部３が挿入されており、基端側にはスクリュー６が挿入されている。シリンダ５の内腔は、容積調節部３及びスクリュー６によって気密が保たれており、材料が混練される混練空間として機能する。また、シリンダ６の内面には、材料の焼付けや変性を抑制するために、イオン注入スパッタリング等を用いて窒化被膜８が形成されている。窒化被膜８を形成するための材料としては、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＣＮ等の各種材料を好適に採用することができる。

スクリュー６は、シリンダ５に挿入される本体部９と、本体部９の基端側に設けられたフランジ１０と、駆動部４と接続される接続部１１とを備えている。
本体部９はシリンダ５の内径と略同一の外径を有し、外周面に突起９Ａがらせん状に延設されている。また、本体部９の先端から中心軸とほぼ一致するように循環経路１２が設けられている。循環経路１２は、基端側に設けられた排出孔１３によって本体部９の外周面に連通している。これによって、本体部９の先端側に送られた材料は、循環経路１２及び排出孔１３を通って、再び本体部９の外周面側に送られ、シリンダ５内を循環しつつ混練が行われる。

フランジ１０は、シリンダ５の円筒状の部分の外径よりも大きい径に設定されて形成されている。そして、スクリュー６の本体部９は、フランジ１０がシリンダ５の後端に当接するようにシリンダ５の内腔に挿入されている。
接続部１１は、駆動部４と接続されて、駆動部４の回転駆動を本体部９に伝達する。接続部１１と駆動部４との間には、必要に応じてベアリング１４等が取り付けられてもよい。

外装部７は、シリンダ５の外周を取り囲むように設けられている。図２に示すように、外装部７とシリンダ５の外周面との間には、一定の隙間が設けられており、この隙間は、シリンダ５及びシリンダ５内の材料を冷却するための冷媒管路１５となっている。冷媒管路１５を流れる冷媒は、上部の流入口１６から供給され、下部の流出口１７から排出される。
図１及び図２に示すように、外装部７には、シリンダ５及びシリンダ５内の材料を加熱するためのヒータ１８が複数配置されている。さらに、シリンダ５内に材料を投入するための投入口１９が設けられている。

容積調節部３は、シリンダ５の先端側に挿入された調節ピストン２０と、調節ピストン２０を支持する支持部２１と、調節ピストンをシリンダ側に付勢するバネ２２とを備えて構成されている。
調節ピストン２０は、シリンダ５の内径と略同一の外径を有する略円柱状の部材である。調節ピストンの外周面のうち、シリンダ５内で摺動する領域には、第１被覆層２３と、第２被覆層２４とからなる被覆部２５が設けられている。

シリンダ５の内面と接触する第１被覆層２３は、摩擦を生じにくい材料で形成されている。第１被覆層２３の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の各種フッ素系樹脂を好適に採用することができる。第１被覆層２３と調節ピストン２０の外周面との間に介装される第２被覆層２４は、弾性を有する材料で形成されている。第２被覆層２４の材料としては、フッ素ゴム等を好適に採用することができる。
このように被覆部２５を構成することによって、調節ピストン２０は、シリンダ５内部の材料を外部に漏らすことなく、滑らかにシリンダ５内を摺動することができる。

バネ２２は、一方の端部を支持部２１に支持された状態で、所定の力で調節ピストン２０をシリンダ５側に付勢している。バネ２２に代えて、他の弾性を有する部材等が用いられてもよい。

駆動部４としては、例えばモータ等の回転駆動力を発生する公知の各種機構を採用することができる。

上記のように構成された混練機１の使用時の動作について説明する。
まず、ユーザは、ヒータ１８でシリンダ５を加熱しつつ、駆動部４を作動させてスクリュー６を回転させる。そして、投入口１９から複合部材の材料を投入する。投入する材料は、樹脂等の高分子材料や、無機材料等の各種材料から適宜選択されてよい。

その後、材料の投入を継続しながら、スクリュー６が、例えば２００〜３００回転毎分（ｒｐｍ）程度に高速回転される。すると、材料は、スクリュー６によって粉砕されたり、ヒータ１８の熱で溶融されたりしながら、突起９Ａによって押されて先端側に移動する。

移動した材料は、シリンダ５の内壁と、スクリュー６の先端面と、調節ピストン２０の端面とによって規定される先端領域Ｒ１に進入した後、循環経路１２に進入して、再び本体部９の基端側に循環する。
このとき、材料が完全に溶融されていない等の理由で材料の流動性が低い状態であると、材料が円滑に循環経路１２に進入できない結果、先端領域Ｒ１に材料が蓄積されていく。この状態が長く続くと、材料が行き場を失い、投入口１９よりも基端側のシリンダ５の内腔に逆流する原因となる。

しかし、本実施形態の混練機１においては、材料が先端領域Ｒ１に蓄積されて先端領域Ｒ１内の内圧が所定の値以上となると、材料がバネ２２の付勢力に抗して調節ピストン２０を押圧し、支持部２１側、すなわちシリンダ５から離間する方向に移動させる。その結果、先端領域Ｒ１の容積が増加して内圧が低下し、先端領域Ｒ１内に収容できる材料の量が増加して、材料の逆流が防止される。

材料が充分溶融されて循環経路１２への流れが良好になると、先端領域Ｒ１内の材料が減少する。すると、調節ピストン２０は、再びバネ２２の付勢力によってシリンダ５側に移動し、先端領域Ｒ１の容積が初期状態に戻る。

万一、材料の一部が本体部９の基端側に逆流した場合でも、当該材料はシリンダ５の後端に当接したフランジ１０によってせき止められ、それ以上後端に移動することが抑制される。これによって、逆流した材料がシリンダ５の外部に漏れ出ることが防止される。

本実施形態の混練機１によれば、材料の循環が一時的に悪くなって先端領域Ｒ１に材料が蓄積されても、材料蓄積に伴う先端領域Ｒ１の内圧上昇によって、容積調節部３の調節ピストン２０がシリンダ５から離間するように移動して先端領域Ｒ１の容積が増加し、より多くの材料を収容できるようになる。したがって、容積調節部３が材料の逆流を防止する逆流防止機構として機能し、逆流に伴う材料の焼付けや変性等の発生を好適に抑制することができる。

また、シリンダ５の内面に窒化被膜８が形成されているので、仮に材料の一部が逆流等をおこしても、焼付けや変性等を起こしにくい。
さらに、シリンダ５の後端には、スクリュー６のフランジ１０が当接して物理的障壁となっているので、材料がシリンダ５外に出るような過度の逆流が発生せず、逆流した材料がシリンダ５内に良好にとどまる。とどまった材料は、やがてスクリュー６の突起９Ａによって再び先端側に押し出されて再度循環されるため、焼付け等が好適に防止される。

次に本発明の第２実施形態の混練機について、図３及び図４を参照して説明する。本実施形態の混練機３１と、上記第１実施形態の混練機１との異なるところは、容積調節部の構成である。
なお、上記第１実施形態に既出の各構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図３は、混練機３１を一部断面で示す図である。混練機３１の容積調節部３２は、第１実施形態におけるものと同等の調節ピストン２０と、調節ピストン２０の一方の端部に取り付けられた圧センサ３３と、圧センサ３３と接続されたアクチュエータ３４と、調節ピストン２０の進退方向に一定範囲移動可能に形成された支持部３５とを備えて構成されている。

圧センサ３３は、調節ピストン２０のシリンダ５側の端面に作用する先端領域Ｒ１の内圧を計測するものであり、公知の各種センサを採用することができる。
アクチュエータ３４は、圧センサ３３の検出した内圧に応じて調節ピストンを進退させるものであり、例えばピエゾ素子等を好適に採用することができる。

支持部３５は、アクチュエータ３４の圧センサ３３と接続された面と反対側の面に接触しており、容積調節部３２全体を支持している。支持部３５は、可動シャフト３６に取り付けられており、モータ等で形成されるシャフト駆動部３７の駆動力によって、調節ピストン２０の進退方向に一定範囲、例えば、２センチメートル程度移動可能となっている。したがって、支持部３５が可動シャフト３６によって移動すると、支持部３５に支持された調節ピストン２０も連動して移動し、シリンダ５の先端領域Ｒ１の容積が変化する。
なお、圧センサ３３、アクチュエータ３４、及びシャフト駆動部３７は、図示しない制御部に接続されており、圧センサ３３の検出値に基づいてアクチュエータ及びシャフト駆動部３７を動作させることができる。

図４は、混練機３１のスクリュー３８の基端側の拡大断面図である。本体部３９の排出孔１３よりもフランジ１０側の領域は、フランジ１０に近づくにしたがって徐々に拡径するテーパ状に形成されている。したがって、この領域では、フランジ１０に近づくにしたがって、本体部３９とシリンダ５の内壁との間隙が狭くなり、シリンダ５内に投入された材料が進入しにくくなっている。また、突起６Ａと同様に形成された突起３９Ａは、フランジ１０に接触するまで延設されている。

上記のように構成された混練機３１の使用時の動作について、以下に説明する。
ユーザは、第１実施形態と同様の手順で、材料をシリンダ５内に投入して混練を開始する。材料の循環が一時的に悪くなって先端領域Ｒ１に材料が蓄積されると、先端領域Ｒ１の内圧が上昇し、調節ピストン２０の端面に作用する。作用した圧力は、圧センサ３３によって検知され、検出値が制御部に送られる。

制御部は受信した圧センサ３３の検出値に基づいて、先端領域Ｒ１の内圧を適切な値に修正するための調節ピストン２０の移動量を、予め入力されたプログラムやテーブル等に従って決定し、当該移動量に応じてアクチュエータ３４やシャフト駆動部３７を動作させて調節ピストン２０を動かし、先端領域Ｒ１の容積を調節して内圧を所定の範囲に制御する。

このとき、例えば、移動量が２ミリメートル（ｍｍ）以下の少ない量であればアクチュエータ３４を動作させて調節ピストン２０を移動させ、それ以上であれば、シャフト駆動部３７を動作させて支持部３５を移動させることによって調節ピストン２０を動かすといったように、移動量に応じて動作させる機構を使い分けるように制御してもよい。

材料の循環が改善され、圧センサ３３が検出する先端領域Ｒ１の内圧が所定値以下となると、制御部は当該内圧をモニターしながら調節ピストン２０をシリンダ５側に移動させ、先端領域Ｒ１の容積を初期状態に近づけるように制御する。

本実施形態の混練機３１においては、シリンダ５の先端領域Ｒ１に材料が蓄積することによる内圧を圧センサ３３が検知し、その検出値に関連付けられて決定された移動量だけ容積調節部３２の調節ピストン２０が移動することによって、先端領域Ｒ１の容積が調節される。これにより、材料の逆流が好適に防止されると共に、先端領域Ｒ１の容積が常時混練に適した値に調節されるため、良好な混練を行うことができる。

また、スクリュー３８の本体部３９のフランジ１０側は徐々に拡径するテーパ状に形成されているため、仮に逆流が起こっても、焼付けや変性等を起こしやすいシリンダ５のより後端側に材料が移動しにくい。そして、万一材料がこのような領域に進入した場合でも、当該材料は、フランジ１０に接触するまで延設された突起３９Ａによって速やかに先端側に押し出されて再度循環されるため、焼付けや変性等を好適に抑制することができる。

次に本発明の第３実施形態の混練機について、図５を参照して説明する。本実施形態の混練機４１と、上記第１実施形態の混練機１との異なるところは、補助循環経路が設けられている点である。
なお、上述の各実施形態に既出の各構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図５は、混練機４１の混練部４２の水平面における断面図である。外装部４３には、両端部がシリンダ５と連通して略水平に延びる補助循環経路４４が逆流防止機構の一部として設けられている。補助循環経路４４とシリンダ５との連通部位のうち、先端領域Ｒ１に開口する第１開口４４Ａは、初期状態において、容積調節部３の調節ピストン２０によってほぼ塞がれている。また、もう一方の第２開口４４Ｂ付近には、材料が第２開口４４Ｂから補助循環経路４４内に流入することを防ぐための逆止弁４５が設けられている。

補助循環経路４４には、外装部４３の外面に開口する取出口４４Ｃが形成されており、混練後の複合材料を取り出したり、図示しないパイプ等を接続して成形等の次工程を行う装置等に送ったりすることができる。取出口４４Ｃは、通常は図５に示すようにプラグ４６によって塞がれている。

上記のように構成された混練機４１の使用時の動作について説明する。
ユーザは、第１実施形態と同様の手順で、材料をシリンダ５内に投入して混練を開始する。材料の循環が一時的に悪くなって先端領域Ｒ１に材料が蓄積されると、先端領域Ｒ１の内圧が上昇し、第１実施形態と同様に容積調節部３が作動して調節ピストン２０がシリンダ５から離間するように後退し、先端領域Ｒ１の容積が増加する。

調節ピストン２０が後退するのに伴い、補助循環経路４４の第１開口４４Ａが開放され、先端領域Ｒ１内の材料が補助循環経路４４内に進入可能になる。そして、先端領域Ｒ１に収容しきれない材料は、随時補助循環経路４４を通ってシリンダ５の基端側内腔に戻るように循環される。これによって、材料の焼付けや変性の原因となるような逆流が抑制される。

材料が充分溶融される等によって循環経路１２を通る循環が良好となると、先端領域Ｒ１内の内圧が低下して、調節ピストン２０が再びシリンダ５側に移動し、第１開口４４Ａがふさがれる。これによって補助循環経路４４に材料が流入しなくなり、その後の混練が良好に行われる。

本実施形態の混練機４１によれば、先端領域Ｒ１への材料の蓄積が著しい場合でも、収容限界を超えた材料が補助循環経路４４を通ってシリンダ５の基端側に戻るので、好適に逆流を抑制することができる。

また、補助循環経路４４の第１開口４４Ａが、初期状態において、容積調節部３の調節ピストン２０によってふさがれているので、材料が良好に循環する通常時においては、補助循環経路４４に材料が流入することがない。したがって、逆流を好適に抑制しつつ、混練を良好に行うことができるように混練機４１を構成することができる。

なお、補助循環経路４４は、本来の循環経路１２を経由する循環が良好に行われないときに動作するものであるため、その径は、循環経路１２の径よりも大きく設定されるのが好ましい。また、補助循環経路４４の一部に、超音波振動等によって軸線方向に振動するパイプ等を配置して、より材料が円滑に流れるようにしてもよい。さらに、循環を良好にし、かつ初期状態に戻って第１開口４４Ａが閉じられた際に補助循環経路４４内に残留した材料をシリンダ５内に戻すことができるように、強制的に循環をさせるためのギヤードモータ等の機構が取り付けられても構わない。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の各実施形態において、容積調節部やスクリューについて複数の構成が示されているが、これらの組み合わせは、上述の各実施形態に限定されず、適宜組み合わせることが可能である。したがって、第２実施形態の混練機３１に補助循環経路４４が形成されてもよいし、第３実施形態の混練機４１に容積調節部３２が組み合わされても構わない。

１、３１、４１循環式混練機
３、３２容積調節部
５シリンダ
６、３８スクリュー
１０フランジ
１２循環経路
４４補助循環経路

Claims

シリンダに投入した材料を、内部に循環経路を有するスクリューを用いて混合する循環式混練機であって、
前記スクリューによって、前記スクリューと前記シリンダの内面との間の流路を経由して前記シリンダの先端側に送られる前記材料が前記流路を戻って前記シリンダの基端側に逆流することを防止する逆流防止機構を備え、
前記逆流防止機構は、
前記シリンダの先端を密封するように前記シリンダに挿通された容積調節部を有し、
前記材料によって前記容積調節部に所定値以上の圧力が作用したときに、前記容積調節部が前記シリンダから離間するように移動して前記シリンダの先端側の容積が増加する
ことを特徴とする循環式混練機。
前記容積調節部の移動による前記容積の増加量は、前記材料によって前記容積調節部に作用する圧力と関連付けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の循環式混練機。
前記逆流防止機構は、
前記シリンダの外側に設けられた補助循環経路を有する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の循環式混練機。
前記スクリューの基端側に設けられた、前記シリンダの外径よりも径の大きいフランジを有する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の循環式混練機。