JP5444021B2

JP5444021B2 - 連続混練機

Info

Publication number: JP5444021B2
Application number: JP2010015549A
Authority: JP
Inventors: 成川　　裕; 浩一本家; 智徳中下
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: JP2011152705A

Description

本発明は、連続混練機に関するものである。

例えば、特許文献１〜３に示す連続混練機は、樹脂を内部に収容するバレルと、このバレル内に回転自在に挿入された混練ロータ（混練スクリュともいう）とを備えており、駆動部で発生した回転駆動力をカップリングを介して混練ロータに伝達してこの混練ロータを回転させることで樹脂などの材料を混練する構成となっている。
このような連続混練機の混練ロータは、支持フレームに設けられた複数の軸受でバレルとの間に適度な隙間を保ちつつ回転自在に支持されている。上述の文献の連続混練機でも、混練ロータを支持するために減速機側（ドライブエンド側）の端部に２個、反減速機側（ウォータエンド側）の端部に１個の軸受（ラジアル荷重軸受）がそれぞれ配備されている。

ところで、上述の連続混練機では、混練を行う際は混練ロータに回転方向とは逆方向に大きなねじり荷重が加わるため、ねじれ荷重が大きくなり過ぎると混練ロータの破損が起こる可能性もある。また、連続混練機を運転する際に混練ロータの回転数が高くなり過ぎると、混練ロータの回転数やその整数倍がねじれ固有振動数と一致して共振が発生し、共振が原因となって混練ロータの破損が起きやすくなる。

ただ、混練ロータはねじり荷重が加わっても破損が起きないような剛性を備えたものとして設計されているし、運転条件も共振が発生しないような回転数に設定されているため、上述の連続混練機ではねじれ荷重によって混練ロータが破損することはないし、通常の運転条件であれば混練ロータに共振が発生することもない。

特開２００１−１２９８２３号公報実開平５−２６３１６号公報特開平１０−１３８２３５号公報

ところが、近年は連続混練機に対して高生産量化を望むニーズが高まりつつあり、連続混練機はより大型化され且つ高回転の運転条件を実現可能なものになりつつある。その場合、連続混練機を大型化すると混練ロータに大きなねじり荷重が加わり、また運転条件をより高回転なものにすると混練ロータの回転数やその高調波がねじれ固有振動値に近づくので、混練ロータが破損する可能性も高まることになる。

かかる観点から特許文献１〜３を鑑みるに、これらの文献の連続混練機は軸受を混練ロータのドライブエンド側端部に２個備えているため、軸受の設置数の分だけ駆動部と混練用セグメントとの間隔が大きくなりやすく、混練ロータの長さも長くなる。また、混練ロータには軸受の位置決めを行うため段差が形成してあり、混練ロータの軸径は端部に向かうにつれて徐々に細くなる。

つまり、ラジアル軸受を２個備える上述の文献の連続混練機では、ドライブエンド側の混練ロータの長さが長く、カップリングに接続される部分では混練ロータの軸径も非常に細いため、ねじり剛性値やねじり振動固有値が小さなものとなりやすい。そして、このようにねじり剛性値が小さい連続混練機を大型化する、あるいはねじり振動固有値が小さな連続混練機を高回転で運転させると、破損や共振が発生する可能性がさらに高まることになる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ドライブエンド側の混練ロータのねじり剛性やねじり振動固有値を大きくして、混練機の大型化や運転条件の高回転化が可能となる連続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、本発明は次の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の連続混練機は、内部が空洞とされたバレルと、当該バレル内に挿入されると共に軸方向の中途側に材料を混練する混練部が設けられた混練ロータと、当該混練ロータを回転させる駆動部とを備え、前記混練ロータを回転自在に支持するラジアル軸受が、当該混練ロータの軸方向に少なくとも３個備えられた連続混練機であって、前記混練部と駆動部との距離を短くするべく、前記少なくとも３個のラジアル軸受のうち、１個のラジアル軸受が前記混練部より駆動部側に配備され、残りのラジアル軸受が前記混練部より反駆動部側に配備されていることを特徴とするものである。

本発明者は、混練ロータのドライブエンド側に配備されるラジアル軸受の設置数を少なくすれば、混練ロータの長さが短くなり軸径も大きくなって、ねじり剛性やねじり振動固有値を高くできるのではないかと考えた。そして、混練部より駆動部側に配備されるラジアル軸受の設置数を１個とし、混練部より反駆動部側に残りのラジアル軸受をすべて配備することにより、混練機の大型化や運転条件の高回転化が可能となることを知見して、本発明を完成させたのである。

なお、前記ラジアル軸受は前記混練ロータに３個備えられているのが好ましい。耐荷重性能や寿命を考慮すればラジアル軸受は混練ロータ毎に３個備えられているのが妥当であるからである。
また、ラジアル軸受が混練ロータの軸方向に３個備えられている場合にあっては、前記駆動部側に配備される１個のラジアル軸受が許容するラジアル荷重をＤＥ、前記反駆動部側に配備される２個の軸受のうち、前記混練部から遠いラジアル軸受が許容するラジアル荷重をＷＥ１、前記混練部に近いラジアル軸受が許容するラジアル荷重をＷＥ２とした場合に、ＷＥ２≧ＤＥ＞ＷＥ１の関係が成立するのが好ましい。

このようにすれば、ラジアル軸受全体で受け持つことのできるラジアル荷重値を損なうことなくドライブエンド側に許容荷重が大きなラジアル軸受、言い換えれば比較的軸穴の径が大きな軸受を用いることが可能となる。その結果、ドライブエンド側の混練ロータの長さをより短くできると共に軸受部の軸径が細くなることもないため、混練ロータのねじり剛性やねじり振動固有値をさらに大きくすることも可能となる。

本発明の連続混練機によれば、ドライブエンド側の混練ロータのねじり剛性やねじり振動固有値を大きくして、混練機の大型化や運転条件の高回転化が可能となる。

本発明の連続混練機の正面断面図である。（ａ）は本発明の連続混練機のドライブエンド側の拡大断面図であり、（ｂ）は従来の連続混練機のドライブエンド側の拡大断面図である。従来の連続混練機の正面断面図である。

本発明の連続混練機１は、混練ロータ２を支持する少なくとも３個のラジアル軸受（ラジアル荷重を受けられる軸受、以下単に軸受３という）のうち、１個の軸受３を混練部４より駆動部側（ロータ２のドライブエンド側）に配備し、残りの軸受３を混練部４より反駆動部側（ロータ２のウォータエンド側）に配備したものであり、３個の軸受３が許容するラジアル荷重値を損なうことなく混練ロータ２上で混練部４と駆動部５との距離を短くすることができるように配置されていることを特徴とするものである。以降では、まず連続混練機１の構成を説明した上で、特徴である軸受３の配置について詳述する。
＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態の連続混練機１を図面に基づき説明する。

図１に模式的に示されるように、第１実施形態の連続混練機１（以降、単に混練機１という）は、異方向回転型の２軸連続混練機である。混練機１は、内部が空洞状に形成されたバレル６と、バレル６の内部を軸方向に沿って挿通する一対の混練ロータ２、２とを有している。混練機１は、混練ロータ２の回転軸が水平方向を向くように基礎７の上に配備されていて、混練ロータ２とこの混練ロータ２を収容するバレル６とは基礎７に対して複数の支持フレーム８を用いて支持されている。

なお、以降の説明において、図１の紙面の左側を混練機１を説明する際の上流側又はドライブエンド側（駆動部５側）とし、紙面の右側を下流側又はウォータエンド側（反駆動部側）とする。また、混練ロータ２の回転軸に沿った方向を混練機１を説明する際の軸方向と呼び、図１の紙面の上側及び下側を混練機１を説明する際の上側及び下側と呼ぶ。
バレル６は軸方向に沿って長い筒状に形成されている。バレル６の内部には断面がめがね孔状の空洞部９が軸方向に沿って形成されており、この空洞部９に一対の混練ロータ２、２が回転自在に挿通されている。また、バレル６は、ドライブエンド側に材料供給用のホッパ１０を有しており、軸方向の中途部にゲート式の混練度調整部１１を備えている。

混練ロータ２は、バレル６の内部（空洞部９）を軸方向に貫通するように一対設けられている。それぞれの混練ロータ２は、軸方向の中途側に混練翼部１２とスクリュ翼部１３とを有している。混練翼部１２は材料を混ぜ合わせるのに適した翼を有しており、混練ロータ２はこの混練翼部１２が設けられた混練部４でバレル６内の材料を混練する構成となっている。また、スクリュ翼部１３は、混練翼部１２の上流側と下流側とに配備されており、材料を下流側に向かって送り出せるように軸方向に沿ってねじれた翼を有している。混練ロータ２は、スクリュ翼部１３を用いて混練部４に材料を送る、あるいは混練部４で混練された材料を混練部４の下流側に送る構成となっている。

混練ロータ２は、上流側に混練ロータ２を回転駆動する駆動部５を有している。この駆動部５の内部には、図示は省略するが、回転駆動力を発生させる駆動モータで発生した回転駆動力を減速しつつ２つの混練ロータ２へ向けて二分する減速機が設けられている。駆動部５は内部で二分した駆動力を２本の動力伝達軸１４から出力する構成となっており、動力伝達軸１４と混練ロータ２との間には駆動力を伝達するカップリング１５がそれぞれ設けられている。

混練ロータ２におけるウォータエンド側及びドライブエンド側の端部は、混練翼部１２やスクリュ翼部１３が設けられていない円筒状の軸部１６として形成されている。この円筒状の軸部１６には、混練ロータ２を回転自在に支持する複数の軸受３が設けられている。また、混練ロータ２のウォータエンド側の端部には混練ロータ２の内部に冷却水を送る冷却水供給部１７が備えられている。

軸受３は、支持フレーム８に設けられて混練ロータ２を回転自在に支持するものであり、混練ロータ２から加わるラジアル方向の荷重を受けられる構成となっている。これらの軸受３は、ウォータエンド側の軸部１６とドライブエンド側の軸部１６とに分かれて少なくとも３個設けられている。なお、本実施形態では、耐荷重性能や寿命を考慮して３個の軸受３が配備された連続混練機１を例示している。

また、これらの軸受３の上流側にはスラスト荷重を受けられる軸受１８（スラスト軸受１８）がそれぞれ設けられている。本実施形態の連続混練機１ではラジアル荷重を受ける軸受３とスラスト荷重を受ける軸受１８とが軸方向に隣接して配備されたものを例示しているが、両軸受３、１８は互いに隣接していても良いし離れて配備されていても良い。
それぞれの軸受３の下方には、基礎７に対して混練ロータ２を支持する支持フレーム８が設けられている。本実施形態では、これらの支持フレーム８はウォータエンド側の端部とドライブエンド側の端部とに３個設けられている。

本発明の連続混練機１は、上述した軸受３の配置を特徴とするものであり、１個の軸受３が混練部４より駆動部５側に配備され、残りの軸受３が混練部４より反駆動部側に配備されるものである。
図１に示される本実施形態の場合では、ドライブエンド側の端部（駆動部５側）に１個（以降、ドライブエンド軸受１９という）、またウォータエンド側の端部（反駆動側）に２個（以降、混練部４から遠い側に設けられたものを第１ウォータエンド軸受２０、近い側に設けられたものを第２ウォータエンド軸受２１という）の軸受３が配備されている。このように従来の混練ロータ２で２個とされていたドライブエンド軸受１９の設置数を１個にすれば、後述するように混練ロータ２のドライブエンド側の軸部１６の長さが従来の連続混練機の“ｂ”よりもはるかに短い“ａ”となって、ドライブエンド側の混練ロータ２のねじり剛性やねじり振動固有値を大きくすることが可能となる。

次に、本実施形態の連続混練機１に用いられるラジアル軸受３及びそれらの配置について詳しく説明する。
混練部４（混練用セグメント１２）より上流側に配備されたドライブエンド軸受１９は、テーパローラを有するラジアル軸受３である。ドライブエンド軸受１９は混練ロータ２のドライブエンド側の軸部１６に段差２２を設けて位置決めされており、ドライブエンド側の軸部１６は下流側から上流側に向かうにつれて軸径が小さくなる構成なっている。

混練部４（混練用セグメント１２）より下流側に配備された第１ウォータエンド軸受２０及び第２ウォータエンド軸受２１は、テーパローラを有するラジアル軸受３であり、混練ロータ２のウォータエンド側の軸部１６に設けられた段差の２つにそれぞれ位置決めされている。つまり、下流側の段差２４には第１ウォータエンド軸受２０が、また段差２４より上流側の段差２３には第２ウォータエンド軸受２１が取り付けられていて、これらの段差２３、２４を有することによりウォータエンド側の混練ロータ２は上流側から下流側に向かうにつれて（軸端に向かって）軸径が小さくなる構成になっている。

上述のようにドライブエンド側に配備される軸受３を１個、ウォータエンド側に配備される軸受３を２個とすれば、以下に示すような従来に比して著しい効果が得られる。
図３は、従来の連続混練機の正面断面図である。この従来の連続混練機では、３個の軸受３のうち、ドライブエンド側の端部に２個の軸受３が、またウォータエンド側の端部に１個の軸受３が配備されている。従来の連続混練機がこのような軸受配置を採用するのは、混練ロータ２のドライブエンド側の端部にタイミングギアを設ける場合があったからであり、タイミングギアの前後２箇所で混練ロータ２を支持することを想定していたからである。

具体的には、図３の拡大図である図２（ｂ）に示すように、従来の連続混練機における混練ロータ２のドライブエンド側には、混練部４に近い側に第１ドライブエンド軸受２５が、また混練部４から遠い側に第２ドライブエンド軸受２６が配備される。これらの第１ドライブエンド軸受２５及び第２ドライブエンド軸受２６の下方には、第１ドライブエンド軸受２５に対応して第１フレーム部材２８が、また第２ドライブエンド軸受２６に対応して第２フレーム部材２９が設けられており、従来の連続混練機は混練ロータ２のドライブエンド側を軸方向に離れた２箇所で支持する構成となっている。

図２（ａ）に示すように、本実施形態の連続混練機１における混練ロータ２のドライブエンド側では、従来の連続混練機１に対してラジアル軸受３は１箇所だけとなる。
つまり、本実施形態の連続混練機１では、従来の連続混練機のように２個のラジアル軸受３を距離をあけてドライブエンド側の２箇所に設ける必要はなく、ドライブエンド側の軸部１６の長さは従来の連続混練機の“ｂ”より小さい“ａ”となる。また、ドライブエンド側のラジアル軸受３を位置決めする段差２２も１箇所で良いので、段差の数も従来のものより１箇所少なくなり、カップリング１５との接続位置での軸径は従来の軸径ｒより大きなＲとなる。つまり、本発明のドライブエンド側の混練ロータ２は従来の連続混練機より太く且つ短くでき、混練ロータ２のねじり剛性が大きくなり、またねじり振動固有値も高くなるため、混練機を大型化して駆動部５（駆動モータ）の出力を高めても、あるいは運転条件をより高回転なものに変更しても共振が発生する可能性が低く、混練ロータ２の破損も起こりにくくなるのである。

上述の作用効果を具体的な数値を挙げて説明すれば、ドライブエンド軸受２５、２６を２個備えた従来の連続混練機では、例えばドライブエンド側の軸部１６の長さｂは２１５６ｍｍ、カップリングに接続される混練ロータ２の軸径ｒは３００ｍｍとなり、混練ロータの固有振動数は３５．８４Ｈｚとなる。
例えば混練ロータ２の混練翼部１２が３条の翼を備えている場合であれば、混練ロータ２の回転数の３倍や６倍の周波数がねじれ固有振動値と一致すると共振が発生しやすい。それゆえ、上述のように固有振動数が３５．８４Ｈｚの場合には共振を起こしやすい混練ロータ２の回転数は約３５０ｒｐｍや約７００ｒｐｍとなる。

一方、同種の連続混練機で比較した場合、本発明の連続混練機１のようにドライブエンド側のラジアル軸受３を１個とすれば、混練部４とカップリング１５との距離ａは８８３ｍｍと５９％も短縮でき、またカップリング１５に接続される混練ロータ２の軸径Ｒは３１０ｍｍと３％程度太くできる。その結果、混練ロータ２のねじり固有振動数は４１．６４Ｈｚと１６％も高くなり、共振を起こしやすい混練ロータ２の回転数も約４００ｒｐｍや約８００ｒｐｍと高くなる。

このような状況下で、例えば今まで５００ｒｐｍで運転していた混練ロータ２の回転数を７００ｒｐｍ（４０％アップ）まで上げたとすると、従来の連続混練機では混練ロータ２の６次高調波がねじれ固有振動値と一致して共振が発生する可能性が高いが、本発明の連続混練機１では混練ロータ２の６次高調波がねじれ固有振動値と一致することはなく、共振が発生する虞もない。それゆえ、本発明の連続混練機１では従来の連続混練機より運転条件の高回転化や混練機の大型化が確実に行えるのである。

また、上述した従来の連続混練機では、第１ドライブエンド軸受２５が許容するラジアル荷重をＤＥ１、第２ドライブエンド軸受２６が許容するラジアル荷重をＤＥ２、ウォータエンド軸受２７が許容するラジアル荷重をＷＥとすると、これらの間には以下の式（１）で示される関係が成立していた。

ＤＥ１＞ＤＥ２≧ＷＥ・・・（１）

この式（１）からも分かるように、従来の連続混練機ではドライブエンド側に配備される２つの軸受２５、２６は、上流側の方が許容できるラジアル荷重が小さい軸受、言い換えればサイズがより小さく支持する軸の径も小さい軸受となっている。そのため、このようにより小さな軸受をドライブエンド側に配備するものでは、ねじり固有振動数を高くすることができず、更に大型化により増大したトルクを伝達することに対しても不利になってしまう。

そこで、本発明の連続混練機１では、ドライブエンド軸受１９が許容するラジアル荷重をＤＥ、第１ウォータエンド軸受２０が許容するラジアル荷重をＷＥ１、第２ウォータエンド軸受２１が許容するラジアル荷重をＷＥ２とした場合に、以下の式（２）で示される関係が成立するようなラジアル軸受３を配備している。

ＷＥ２≧ＤＥ＞ＷＥ１・・・（２）

このようにすれば、ドライブエンド側の軸受３に対して許容するラジアル荷重が小さいものを用いることがなくなり、この軸受３の設置も１箇所だけにすることが可能となる。その結果、ドライブエンド側の混練ロータ２の軸部１６の太さを細くすることなく、その長さが従来の“ｂ”より短い“ａ”となって、混練ロータ２のねじり剛性やねじり振動固有値を従来の連続混練機よりさらに大きくすることが可能となるのである。

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。
上記実施形態では、連続混練機１として異方向回転型の２軸連続混練機を例示した。しかし、本発明の軸受配置は、同方向回転型の連続混練機や２軸以外の連続混練機にも用いることができる。

上記実施形態では、ラジアル軸受３が混練ロータ２に３個備えられた連続混練機１を例示したが、混練ロータ２に対するラジアル軸受３の設置数は必要に応じて３個以上であっても良い。

１連続混練機（混練機）
２混練ロータ
３ラジアル軸受
４混練部
５駆動部
６バレル
７基礎
８支持フレーム
９空洞部
１０ホッパ
１１混練度調整部
１２混練翼部
１３スクリュ翼部
１４動力伝達軸
１５カップリング
１６軸部
１７冷却水供給部
１８スラスト軸受
１９ドライブエンド軸受
２０第１ウォータエンド軸受
２１第２ウォータエンド軸受
２２ドライブエンド側の段差
２３ウォータエンド側の段差（混練部に近い側）
２４ウォータエンド側の段差（混練部から遠い側）
２５従来の連続混練機の第１ドライブエンド軸受
２６従来の連続混練機の第２ドライブエンド軸受
２７従来の連続混練機のウォータエンド軸受
２８従来の連続混練機のフレーム部材
２９従来の連続混練機のフレーム部材

Claims

内部が空洞とされたバレルと、当該バレル内に挿入されると共に軸方向の中途側に材料を混練する混練部が設けられた混練ロータと、当該混練ロータを回転させる駆動部とを備え、前記混練ロータを回転自在に支持するラジアル軸受が、当該混練ロータの軸方向に少なくとも３個備えられた連続混練機であって、
前記混練部と駆動部との距離を短くするべく、前記少なくとも３個のラジアル軸受のうち、１個のラジアル軸受が前記混練部より駆動部側に配備され、残りのラジアル軸受が前記混練部より反駆動部側に配備されていることを特徴とする連続混練機。
前記ラジアル軸受は、前記混練ロータに３個備えられていることを特徴とする請求項１に記載の連続混練機。
前記駆動部側に配備される１個のラジアル軸受が許容するラジアル荷重をＤＥ、前記反駆動部側に配備される２個のラジアル軸受のうち、前記混練部から遠いラジアル軸受が許容するラジアル荷重をＷＥ１、前記混練部に近いラジアル軸受が許容するラジアル荷重をＷＥ２とした場合に、ＷＥ２≧ＤＥ＞ＷＥ１の関係が成立することを特徴とする請求項２に記載の連続混練機。