JP5372560B2

JP5372560B2 - 混練装置

Info

Publication number: JP5372560B2
Application number: JP2009068358A
Authority: JP
Inventors: 武志木田; 茂生大石; 直幸小野; 武史飯塚; 嘉則樋口
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP2010221417A

Description

本発明は、混練装置に関するものである。

少なくとも一種の熱可塑性を有する高分子材料に対して、他の高分子材料もしくは無機材料を混練するのに用いる混練装置において、当該装置内での樹脂材料の温度を調整するために樹脂温度制御手段が設けられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の装置は、スクリュー部に貫通孔（冷媒管路）を設け、この貫通孔に水などの冷媒を案内してスクリュー部を冷却し、樹脂材料の発熱を抑えるものである。

特開平１０−２６４２３３号公報

ところで、上述の特許文献１の装置では、貫通孔における吸熱性能が、冷媒導入部で一番高く、貫通孔内を冷媒が進むにつれて吸熱されてしまうため、吸熱性能が低下してしまう。したがって、樹脂の温度を装置内全域において好適に制御することができず、つまり、スクリュー部を高速回転させて高分子材料を混練したときに発生する発熱を制御することができなかった。

そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、高分子材料の温度を好適に制御することができる混練装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は、駆動部に接続されたスクリュー部と、該スクリュー部を囲繞するように配設されたシリンダー部とを備えた混練装置において、前記スクリュー部内に、該スクリュー部の軸方向に沿うようにヒートパイプが設けられ、該ヒートパイプの放熱部が前記スクリュー部の前記駆動部側に配置されるとともに、前記ヒートパイプの吸熱部が前記スクリュー部の先端部側に配置されており、前記シリンダー部に、ヒートパイプがさらに設けられ、前記シリンダー部に設けられたヒートパイプの吸熱部が前記シリンダー部内に配置されるとともに、前記シリンダー部に設けられたヒートパイプの放熱部が前記シリンダー部から突出した位置に配置されていることを特徴としている。
この発明によれば、スクリュー部の好適な位置にヒートパイプを配置することができ、その近傍の樹脂温度を制御することができる。したがって、ヒートパイプの吸熱部をせん断発熱部に対応した位置に配置することによって、混練装置内の樹脂温度を装置内全域に亘って好適に制御することができる。
また、シリンダー部の好適な位置にさらにヒートパイプを配置するだけで、その近傍の樹脂温度をさらに効率よく制御することができる。したがって、ヒートパイプの吸熱部をせん断発熱部に対応した位置に配置することによって、混練装置内の樹脂温度を装置内全域に亘ってより好適に制御することができる。

また、前記スクリュー部内に設けられたヒートパイプの吸熱部が前記スクリュー部の軸方向に適宜配置されるように、長さの異なるヒートパイプが複数設けられていることを特徴としている。
この発明によれば、樹脂の温度分布が混練装置（スクリュー部）の軸方向に顕著に現れるが、複数のヒートパイプをその吸熱部がスクリュー部の軸方向に沿って適切に配置されるように設置することで、より確実に装置内全域に亘って樹脂温度を制御することができる。

また、前記スクリュー部内に設けられたヒートパイプの放熱部に、該放熱部の温度を制御可能な温度制御機構部が設けられていることを特徴としている。
この発明によれば、温度制御機構部によりヒートパイプの作動液をより容易に、かつ、確実に凝縮させて放熱させることができるため、ヒートパイプの放熱性能および吸熱性能を向上させることができる。したがって、スクリュー部を高速回転させた場合に発生する樹脂材料の発熱を好適に制御することができるため、混練性の高い高分子材料溶融混練装置を提供することが可能となる。

本発明によれば、スクリュー部の好適な位置にヒートパイプを配置することで、その近傍の樹脂温度を制御することができる。したがって、ヒートパイプの吸熱部をせん断発熱部に対応した位置に配置することによって、混練装置内の樹脂温度を装置内全域に亘って好適に制御することができる。

本発明の第一実施形態における混練装置の斜視図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の第一実施形態におけるシリンダー部の分解斜視図である。本発明の第二実施形態における混練装置の断面図（図１にＡ−Ａ線に沿う断面図に相当）である。本発明の第二実施形態におけるシリンダー部の分解斜視図である。本発明の第三実施形態における混練装置の斜視図である。本発明の第三実施形態における冷却部の分解斜視図である。本発明の第四実施形態における混練装置の斜視図である。図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

（第一実施形態）
次に、本発明の第一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１、図２に示すように、混練装置１０は、モータなどで構成された駆動部１１と、駆動部１１に接続されて軸方向に回転可能に構成されたスクリュー部１３と、スクリュー部１３の外側を囲繞するように配設されたシリンダー部１５と、シリンダー部１５に配設され、混練装置１０内に供給された高分子樹脂材料を加熱可能に構成されたヒータ１７と、を備えている。

スクリュー部１３は、例えばステンレスで形成された断面略リング状の中空棒状部材で構成されている。スクリュー部１３の表面には、軸方向に沿って連続的に山部１４が螺旋状に略全長に亘って形成されている。

シリンダー部１５は、例えばステンレスで形成された略直方体の部材にスクリュー部１３を挿入可能な穴部２７が形成されたものである。穴部２７の断面形状はスクリュー部１３の外径よりも若干大きい略円形形状である。穴部２７の奥行（軸方向）寸法は、スクリュー部１３の山部１４が全て囲繞される長さを有している。穴部２７の先端部には混練された高分子樹脂材料が押し出される押出貫通孔２９が形成されている。また、シリンダー部１５における駆動部１１側（押出貫通孔２９と反対側）の上面１５ａには、高分子樹脂材料を穴部２７内に供給するための原料投入口３１が形成されている。

シリンダー部１５におけるスクリュー部１３の上方および下方には、ヒータ１７がそれぞれ複数（本実施形態では４個ずつ）設けられている。ヒータ１７は、シリンダー部１５の両側面１５ｃ，１５ｄの間を貫通するように、かつ、スクリュー部１３の軸方向に沿って略等間隔になるように設けられている。また、ヒータ１７は、スクリュー部１３の上方および下方において、それぞれ対向するように配されている。このように配置することで、ヒータ１７はシリンダー部１５全体を加熱することができるようになっている。なお、複数のヒータ１７は、それぞれ個別に加熱することができるように構成されている。

図３はスクリュー部１３の分解斜視図である。図３に示すように、スクリュー部１３には軸方向に沿って長穴２１が形成されている。長穴２１は、スクリュー部１３をシリンダー部１５内に配置したときの先端部２２（押出貫通孔２９側）から後端部２３（駆動部１１側）に向かって形成されている。長穴２１は、スクリュー部１３をシリンダー部１５内に配置したときに原料投入口３１の位置より後方まで形成されている。また、スクリュー部１３の後端部２３には軸方向に突出した連結部２４が設けられている。連結部２４は駆動部１１の回転軸１２に連結可能に構成されており、回転軸１２が回転することでスクリュー部１３も同じように回転できるようになっている。

ここで、スクリュー部１３の長穴２１内にはヒートパイプ２５が挿入され、配置されている。このヒートパイプ２５は、一般的なヒートパイプであり、中空の棒状部材で中に作動液が封入されたものである。また、ヒートパイプ２５には、吸熱部３５、熱輸送部３６、放熱部３７がその軸方向に沿って構成されており、本実施形態では、吸熱部３５がスクリュー部１３の先端部２２側になるように配置されている。そして、ヒートパイプ２５を長穴２１内に配置した後、スクリュー部１３の先端部２２を栓２６により封着している。

上述ように構成したスクリュー部１３をシリンダー部１５内に配置した混練装置１０では、スクリュー部１３の好適な位置（高分子樹脂材料を混練する際に、高温になる位置）にヒートパイプ２５を配置することで、その近傍の樹脂温度を制御することができる。つまり、ヒートパイプ２５の吸熱部３５をせん断発熱部に対応した位置に配置することによって、混練装置１０内の樹脂温度を装置内全域に亘って好適に制御することができる。そして、混練装置１０内の高分子樹脂材料温度を略均一にすることで、混練装置１０内で複数種類の高分子樹脂材料を確実に混ぜることができる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態を図４〜図５に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態とヒートパイプの配置構成が異なるのみであり、その他の構成については第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図４は本実施形態の混練装置の断面図であり、図５はスクリュー部の分解斜視図である。図４、図５に示すように、混練装置１１０のスクリュー部１１３には軸方向に沿って長穴１２１が複数形成されている（本実施形態では、５個）。

まず、第一長穴１２１ａは、スクリュー部１１３をシリンダー部１５内に配置したときの先端部１２２から後端部１２３（駆動部１１側）に向かって形成され、かつ、正面視においてスクリュー部１１３の軸心に対応した位置に形成されている。第一長穴１２１ａは、スクリュー部１１３の軸方向略中間部に第一ヒートパイプ１２５ａが配置されるように形成され、かつ、スクリュー部１１３をシリンダー部１５内に配置したときに原料投入口３１の位置と側面視において略同一の位置に第一ヒートパイプ１２５ａの後端部が配置されるように形成されている。なお、第一ヒートパイプ１２５ａは、吸熱部３５がスクリュー部１１３の先端部１２２側になるように配置されている。また、第一ヒートパイプ１２５ａを第一長穴１２１ａ内に配置した後、スクリュー部１１３の先端部１２２を栓１２６ａにより封着している。

第二長穴１２１ｂ、第三長穴１２１ｃは、スクリュー部１１３をシリンダー部１５内に配置したときの先端部１２２から後端部１２３に向かって形成され、かつ、正面視において第一長穴１２１ａを介して略対称な位置に形成されている。第二長穴１２１ｂ、第三長穴１２１ｃは、スクリュー部１１３の軸方向先端部１２２側に第二ヒートパイプ１２５ｂおよび第三ヒートパイプ１２５ｃが配置されるように形成され、かつ、スクリュー部１１３をシリンダー部１５内に配置したときに側面視において第二ヒートパイプ１２５ｂおよび第三ヒートパイプ１２５ｃの後端部が第一ヒートパイプ１２５ａと重なるように形成されている。なお、第二ヒートパイプ１２５ｂおよび第三ヒートパイプ１２５ｃは、吸熱部３５がスクリュー部１１３の先端部１２２側になるように配置されている。また、第二ヒートパイプ１２５ｂおよび第三ヒートパイプ１２５ｃを第二長穴１２１ｂおよび第三長穴１２１ｃ内に配置した後、スクリュー部１１３の先端部１２２を栓１２６ｂおよび１２６ｃにより封着している。

次に、第四長穴１２１ｄ、第五長穴１２１ｅは、スクリュー部１１３をシリンダー部１５内に配置したときの後端部１２３から先端部１２２に向かって形成され、かつ、正面視において第一長穴１２１ａを介して略対称な位置に形成されている。第四長穴１２１ｄ、第五長穴１２１ｅは、スクリュー部１１３の軸方向後端部１２３側に第四ヒートパイプ１２５ｄおよび第五ヒートパイプ１２５ｅが配置されるように形成され、かつ、スクリュー部１１３をシリンダー部１５内に配置したときに側面視において第四ヒートパイプ１２５ｄおよび第五ヒートパイプ１２５ｅの先端部が第一ヒートパイプ１２５ａと重なるように形成されている。なお、第四ヒートパイプ１２５ｄおよび第五ヒートパイプ１２５ｅは、吸熱部３５がスクリュー部１１３の先端部１２２側になるように配置されている。また、第四ヒートパイプ１２５ｄおよび第五ヒートパイプ１２５ｅを第四長穴１２１ｄおよび第五長穴１２１ｅ内に配置した後、スクリュー部１１３の後端部１２３を栓１２６ｄおよび１２６ｅにより封着している。

上述ように構成したスクリュー部１１３をシリンダー部１５内に配置した混練装置１１０では、スクリュー部１１３の好適な位置（高分子樹脂材料を混練する際に、高温になる位置）に第一〜第五ヒートパイプ１２５ａ〜１２５ｅを配置することで、その近傍の樹脂温度を制御することができる。つまり、第一〜第五ヒートパイプ１２５ａ〜１２５ｅの吸熱部３５をせん断発熱部に対応した位置に配置することによって、混練装置１１０内の樹脂温度を装置内全域に亘ってより好適に制御することができる。そして、混練装置１１０内の高分子樹脂材料温度を略均一にすることで、混練装置１１０内で複数種類の高分子樹脂材料を確実に混ぜることができる。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態を図６〜図７に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態に冷却部を追加配置した構成が異なるのみであり、その他の構成については第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、混練装置２１０は、駆動部１１と、駆動部１１に接続されて軸方向に回転可能に構成されたスクリュー部１３と、スクリュー部１３の外側に配設されたシリンダー部１５と、混練装置２１０内に供給された高分子樹脂材料を加熱可能に構成されたヒータ１７と、を備えている。

ここで、本実施形態の混練装置２１０では、駆動部１１とシリンダー部１５（スクリュー部１３）との間に、冷却部２４０が設けられている。冷却部２４０は、ヒートパイプ２５の放熱部３７に対応した位置に設けられ、ヒートパイプの２５から効率よく放熱することを目的に設けられたものである。

図７に示すように、冷却部２４０は、シリンダー部１５の後端面１５ｅに密着するように取り付けられる断熱部材２４１と、断熱部２４１に当接され、ヒートパイプ２５の放熱部３７および冷却配管２４２が配置される管路部２４３と、管路部２４３の上面および下面に密着して、管路部２４３に形成された冷却配管２４２の配管用溝部２４４を閉塞する上蓋部２４５および下蓋部２４６と、を備えている。

断熱部材２４１は、例えばステアタイトやアルミナなどのセラミックで形成されている。また、断熱部材２４１には、スクリュー部１３（ヒートパイプ２５）を挿通させるための貫通孔２５１が形成されている。断熱部材２４１とシリンダー部１５とは、焼結接合法や摩擦接合法を用いて接合されている。なお、断熱部材２４１のシリンダー部１５との接合面にシリンダー部１５と同じ材料からなる金属膜を成膜法を用いて成膜してから焼結接合法により接合するとなおよい。

管路部２４３は、例えばステンレスで形成されている。管路部２４３には、スクリュー部１３（ヒートパイプ２５）を挿通させるための貫通孔２５３が形成されている。また、貫通孔２５３の周囲には、冷却配管２４２を配するための配管用溝部２４４が形成されている。配管用溝部２４４は、貫通孔２５３の上方から側面を経由して下方へ繋がっている。また、配管用溝部２４４は、貫通孔２５３の上方および下方において、貫通孔２５３の軸方向略全長に亘って形成されている。そして、配管用溝部２４４には冷却配管２４２が配され、冷却配管２４２に冷却水などを流すことにより貫通孔２５３内に配置されたヒートパイプ２５の放熱部３７からの熱を吸熱してヒートパイプ２５の熱効率を向上させることができる。

また、管路部２４３の上面２４３ａおよび下面２４３ｂには上蓋部２４５および下蓋部２４６がそれぞれ接合され、配管用溝部２４４を閉塞している。なお、管路部２４３、上蓋部２４５、および下蓋部２４６は同一材料で形成されていることが好ましく、焼結接合法や摩擦接合法により接合されている。また、管路部２４３は、アルミ合金、銅合金、超鋼などで形成してもよい。

本実施形態によれば、冷却部２４０によりヒートパイプ２５の作動液をより容易に、かつ、確実に凝縮させて放熱させることができるため、ヒートパイプ２５の放熱性能および吸熱性能を向上させることができる。したがって、スクリュー部１３を高速回転させた場合に発生する樹脂材料の発熱を好適に制御することができるため、混練性の高い混練装置２１０を提供することが可能となる。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態を図８〜図９に基づいて説明する。なお、本実施形態は第三実施形態とシリンダー部の構成が異なるのみであり、その他の構成については第三実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示すように、混練装置３１０は、駆動部１１と、駆動部１１に接続されて軸方向に回転可能に構成されたスクリュー部１３と、スクリュー部１３の外側に配設されたシリンダー部３１５と、混練装置３１０内に供給された高分子樹脂材料を加熱可能に構成されたヒータ１７と、を備えている。

ここで、本実施形態の混練装置３１０では、シリンダー部３１５にもヒートパイプ３２５が設けられている。ヒートパイプ３２５は、シリンダー部３１５に複数設けられている。

図９に示すように、ヒートパイプ３２５は、シリンダー部３１５の両側面３１５ｃ，３１５ｄにそれぞれ配されており、スクリュー部１３の軸方向に沿うように略等間隔で配設されている。また、ヒートパイプ３２５は、吸熱部３３５がシリンダー部３１５内に位置して、樹脂材料を混練する際に発生する熱を吸熱部３３５で吸熱できるようになっている。また、放熱部３３７は、シリンダー部３１５の外部に位置するように配されており、吸熱部３３５で吸収された熱をシリンダー部３１５の外部で放熱できるように構成されている。

本実施形態によれば、シリンダー部３１５の好適な位置にさらにヒートパイプ３２５を配置するだけで、その近傍の樹脂温度をさらに効率よく制御することができる。したがって、ヒートパイプ３２５の吸熱部３３５をせん断発熱部に対応した位置に配置することによって、混練装置３１０内の樹脂温度を装置内全域に亘ってより好適に制御することができる。

次に、本実施形態の混練装置を用いて樹脂材料を混練した際の穴部２７内（樹脂材料）の温度を複数箇所で同時に測定し、スクリュー部に沿う方向（軸方向）に温度分布がどのようになるか、また、そのときの温度を測定した。なお、樹脂材料の温度は穴部２７内に設置した３個の温度センサ５１，５２，５３により測定した（図２参照）。
まず、第一実施形態の混練装置１０を用いて測定した結果を表１に示す。なお、樹脂材料の設定温度は２７０℃、使用した樹脂材料はＰＣとＰＰである（以下、全て同じ条件）。

また、第二実施形態の混練装置１１０を用いて測定した結果を表２に示す。

また、第三実施形態の混練装置２１０を用いて測定した結果を表３に示す。

さらに、第四実施形態の混練装置３１０を用いて測定した結果を表４に示す。

そして、従来のようにヒートパイプを設けない混練装置を用いて測定した結果を表５に示す。

表１〜表５に示すように、混練装置にヒートパイプを設けることで樹脂材料の温度および穴部の先端側と後端側との間の温度差を小さくすることができる。また、第一実施形態より第二実施形態の方が先端側と後端側との間の温度差を小さくすることができることがわかる。また、第二実施形態より第三実施形態の方がスクリュー部の回転数が大きくなっても樹脂材料の温度上昇を抑えることができることが分かる。さらに、第四実施形態を採用することで、樹脂材料の温度上昇をほぼ無くすことができるとともに、先端側と後端側との間の温度差をほぼ無くすことができることが分かる。

尚、本発明の技術範囲は、上述した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、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
また、本実施形態では、冷却配管に冷却水を流して熱を吸収する場合の説明をしたが、冷却配管に冷媒や空気を供給してヒートパイプから放熱される熱を吸熱できるように構成してもよい。

１０…混練装置１１…駆動部１３…スクリュー部１５…シリンダー部２２…先端部２３…後端部２５…ヒートパイプ３５…吸熱部３７…放熱部１１０…混練装置１１３…スクリュー部１２５ａ〜１２５ｅ…ヒートパイプ２１０…混練装置２４０…冷却部（温度制御機構部）３１０…混練装置３１５…シリンダー部３２５…ヒートパイプ３３５…吸熱部３３７…放熱部

Claims

駆動部に接続されたスクリュー部と、該スクリュー部を囲繞するように配設されたシリンダー部とを備えた混練装置において、
前記スクリュー部内に、該スクリュー部の軸方向に沿うようにヒートパイプが設けられ、
該ヒートパイプの放熱部が前記スクリュー部の前記駆動部側に配置されるとともに、前記ヒートパイプの吸熱部が前記スクリュー部の先端部側に配置されており、
前記シリンダー部に、ヒートパイプがさらに設けられ、
前記シリンダー部に設けられたヒートパイプの吸熱部が前記シリンダー部内に配置されるとともに、前記シリンダー部に設けられたヒートパイプの放熱部が前記シリンダー部から突出した位置に配置されている
ことを特徴とする混練装置。
前記スクリュー部内に設けられたヒートパイプの吸熱部が前記スクリュー部の軸方向に適宜配置されるように、長さの異なるヒートパイプが複数設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の混練装置。
前記スクリュー部内に設けられたヒートパイプの放熱部に、該放熱部の温度を制御可能な温度制御機構部が設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の混練装置。