JP5906793B2 - 密閉式ゴム混練機を備えた混練システム - Google Patents

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Description

本発明は、密閉式ゴム混練機を備えた混練システムに関し、さらに詳しくは、簡便に精度よく混練機の混練効率の程度を把握できる密閉式ゴム混練機を備えた混練システムに関するものである。
タイヤやゴムホース等のゴム製品を製造する際には、例えば、原料ゴムと、カーボンブラック等の各種配合材料とを含む混練材料を、密閉式ゴム混練機に所定量投入して混練する。この混練により、各種配合材料を原料ゴム中に均一に分散させるとともに、混練材料を一定の粘度に低下させるようにしている。密閉式ゴム混練機は、平行に並置された２本のロータをチャンバーに備えており、これらロータを回転させて混練材料を混練する。混練材料はロータ軸を中心にして回転されることにより、ロータとチャンバーの内壁面との間でせん断力が付与されて混練される。
ところで、密閉式ゴム混練機には、ロータ、ロータ駆動モータ、チャンバーなどの各仕様が異なる様々な混練機が存在している。効率的な混練を行なうには、混練材料に適した混練機を選定して使用し、或いは、既存のゴム混練機を用いる場合は混練材料に適した条件で混練を行なうことが望ましい。
密閉式ゴム混練機の混練状態を評価する手段としては、混練機の電力−時間曲線を用いる方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、この文献の方法は、ある時点の混練状態を把握すること等を主眼にしていて、密閉式ゴム混練機の混練効率を評価することはできない。
例えば、ある混練材料を効率よく混練するには、その混練機は適しているのか、或いは、どのような条件であれば効率よく混練できるか等については、非特許文献１は直接の参考にはならない。それ故、その密閉式ゴム混練機の混練効率がどの程度なのかを簡便に精度よく評価できる混練システムが要望されていた。
西本一夫・占部誠亮・秋山鐡夫、日本ゴム協会誌、１９９２年、第６５巻、第８号、「電力−時間曲線のスペクトル解析」、Ｐ４６５〜４７２
本発明の目的は、簡便に精度よく混練機の混練効率の程度を把握できる密閉式ゴム混練機を備えた混練システムを提供することにある。
上記目的を達成するため本発明の密閉式ゴム混練機を備えた混練システムは、原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を混練する密閉式ゴム混練機と、この混練機のロータの回転数を検知する回転計と、このロータの回転駆動に要する瞬時電力を検知する電力計と、前記回転計および電力計の検知データが入力される演算装置とを備え、これら入力される検知データと、前記ロータの外径のデータと、このロータの外径位置とロータが収容されるチャンバーの内壁面とのクリアランスのデータとに基づいて前記演算装置により、前記ロータが混練材料に与えるせん断速度を混練時間で積算して総せん断量を算出し、前記瞬時電力を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除してユニットワークを算出し、この総せん断量とユニットワークとに基づいて、その混練機の混練効率を評価する評価指数を算出する構成にしたことを特徴とする。
本発明によれば、原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を密閉式ゴム混練機によって混練する際に、回転計の検知データ（ロータ回転数）、ロータの外径のデータ、このロータの外径位置とロータが収容されるチャンバーの内壁面とのクリアランスのデータおよび混練時間に基づいて、ロータによるせん断速度を混練時間で積算した総せん断量を精度よく近似して得ることができる。また、電力計の検知データ（ロータの回転駆動に要する瞬時電力）を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除してユニットワークの実測値を得ることができる。そして、演算装置により、総せん断量とユニットワークとに基づいて、その混練機の混練効率を評価する評価指数を算出する。
総せん断量は、言わば、混練の際に入力した仕事量であり、ユニットワークは、言わば、混練の際に出力した仕事量である。そして、混練効率は混練の際に入力した仕事量に対する出力した仕事量であり、これら仕事量は上記のとおり容易に把握できるので、本発明によれば、簡便に精度よくその混練機の混練効率の程度を把握できる。
ここで、例えば、前記評価指数を逐次算出する構成にすることもできる。前記ロータの上部に設けられて、混練を行なう際には下方移動してロータの上部を覆ってチャンバーを密閉する位置に配置され、混練材料を投入する際には上方移動して待機位置に配置される加圧ウエイトの位置のデータを前記演算装置に入力する構成にすることもできる。混練材料の配合に応じて前記評価指数の限界値を前記演算装置に入力しておき、この限界値と前記算出する評価指数とを比較する構成にすることもできる。
混練材料を混練している密閉式ゴム混練機の内部を縦断面で例示した本発明の混練システムの全体概要図である。 図１の密閉式ゴム混練機の内部構造を例示する縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の複数の混練システムの混練機の評価指数を例示するグラフ図である。 本発明の複数の混練システムの混練機の混練材料の充填率と評価指数との関係を例示するグラフ図である。 本発明の混練システムのある混練機の混練材料の充填率に対する評価指数、混練時間との関係を例示するグラフ図である。 本発明の混練システムのある混練機の評価指数の時系列変化を例示するグラフ図である。 本発明の混練システムの別の混練機の評価指数の時系列変化を例示するグラフ図である。
以下、本発明の密閉式ゴム混練機を備えた混練システムを図に示した実施形態に基づいて説明する。
図１〜図３に例示するように本発明の混練システムは、原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料Ｒを混練する密閉式ゴム混練機１（以下、混練機１という）と、この混練機１のロータ８の回転数Ｎを検知する回転計１０ａと、ロータ８の回転駆動に要する瞬時電力ｐを検知する電力計１０ｂと、回転計１０ａおよび電力計１０ｂの検知データが入力される演算装置１１とを備えている。
ロータ駆動部１０には、回転計１０ａおよび電力計１０ｂは、ロータ軸９を回転駆動するロータ駆動部１０に設けられている。ロータ駆動部１０としては、例えば、駆動モータ等が採用される。
混練機１は、ケーシング２の上下方向中途に材料投入口３を有し、ケーシング３の下部にロータ８を収容するチャンバー７および材料排出口４を有している。チャンバー７には、平行に並置された２本のロータ８が設けられている。並置された２本のロータ８は、平行に並置されたそれぞれのロータ軸９を中心にして互いに反対方向に回転駆動される。
それぞれのロータ８の回転数Ｎは可変であり、任意の回転数Ｎに設定可能になっている。それぞれのロータ８の回転数Ｎは同じに設定されるが、互いのロータ８の回転数Ｎを異ならせることもできる。ロータ８の形式は特に限定されず、接線式や噛合い式等、様々な形式を採用することができる。このロータ８はそれぞれ２枚羽根ロータになっているが、羽根の数、形状は適宜決定される。
ロータ８の上部には、上下移動する加圧ウエイト６が設けられている。加圧ウエイト６は混練材料Ｒがケーシング２の内部に投入される際には、混練材料Ｒの投入を邪魔しない上方の待機位置に配置されている。混練材料Ｒがケーシング２の内部に投入された後は、待機位置から下方移動して、ロータ８の上部を覆ってチャンバー７をほぼ密閉する位置に配置される。混練材料Ｒは原料ゴムおよびカーボンブラックを含み、その他にカーボンブラック以外の補強剤、充填剤、老化防止剤、加工助剤、軟化剤、可塑剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤等の各種配合材料が適宜配合される。
混練材料Ｒを混練する際には、ロータ８の下方位置に設けられた材料排出口４は、排出口フラップ５によって閉口されている。混練された混練材料Ｒを材料排出口４から排出する際には、排出口フラップ５は、混練材料Ｒの排出を邪魔しない待機位置に移動して材料排出口４を開口する。加圧ウエイト６および排出口フラップ５の構造は、例示した構造に限定されるものではない。いわゆるニーダー構造の混合機であってもよい。
回転計１０ａおよび電力計１０ｂにより検知されたデータは、ロータ駆動部１０に接続されたコンピュータ等で構成される演算装置１１に入力される。演算装置１１には、ロータ８の外径Ｄ、ロータ８の外径位置とチャンバー７の内壁面７ａとのクリアランスＨのデータ、混練機１のチャンバー７の容量に対する混練材料Ｒの体積が占める割合を示す充填率のデータも入力されている。
さらに、混練材料Ｒの配合および量に応じた混練時間Ｔが予め設定されていて、その混練時間Ｔのデータが演算装置１１に入力されている。或いは、混練時間Ｔは、混練している際の混練材料Ｒの粘度に基づいて決定され、予め設定した所定の粘度に到達した際に混練が完了し、混練開始から混練完了までの時間が混練時間Ｔのデータとして演算装置１１に入力される。ここで、混練中の混練材料Ｒの粘度は、混練ゴムの温度とロータ駆動電力によって把握することができる。
この実施形態では、演算装置１１には加圧ウエイト６の位置のデータも入力される構成になっている。また、混練材料Ｒの配合に応じた評価指数Ｅの計測するタイミング、評価指数Ｅの限界値Ｅｍのデータも演算装置１１に入力されている。
評価指数Ｅを混練終了の判定に用いる場合、混練初期のいわゆる予備混練の情報は用いない方がよい。その理由は、予備混練の電力量には原料や混合機の温度による外乱が多く含まれるからである。即ち、評価指数Ｅを計測するのは原料ゴムとカーボンブラックを混練する段階および混練ゴムを均一化させる段階についてである。したがって、評価指数Ｅの計測を開始するタイミングを入力データとして与えている。
限界値Ｅｍは、その配合の混練材料Ｒを混練する際に混練機１が正常に混練していると判断できる評価指数Ｅの限界値（下限値）であり、それぞれの配合に対して試験練りを行なって予め把握されている値である。そして、演算装置１１によって限界値Ｅｍと算出される評価指数Ｅとが比較される構成になっている。
混練材料Ｒを混練する際に、演算装置１１によって下記（１）式に示す総せん断量Ｊが算出される。即ち、回転駆動されるロータ８が混練材料Ｒに与えるせん断速度γを、混練時間Ｔで積算することにより総せん断量Ｊが算出される。
総せん断量Ｊ＝∫（γ）ｄｔ・・・（１）
ここで、せん断速度γ＝せん断係数Ｋ×ロータ回転数Ｎ、せん断係数Ｋ＝π×ロータ外径Ｄ／クリアランスＨである。
また、演算装置１１によって下記（２）式に示すユニットワークＵＷが算出される。即ち、ロータ８の回転駆動に要する瞬時電力ｐを、混練時間Ｔで積算した積算電力量Ｗを混練材料Ｒの質量Ｍで除すことによりユニットワークＵＷが算出される。
ユニットワークＵＷ＝積算電力量Ｗ／混合材料質量Ｍ・・・（２）
ここで、積算電力量Ｗ＝∫（ｐ）ｄｔである。
そして、下記（３）式に示すように、演算装置１１によって、ユニットワークＵＷを総せん断量Ｊで除すことにより評価指数Ｅが算出される。
評価指数Ｅ＝ユニットワークＵＷ／総せん断量Ｊ・・・（３）
総せん断量Ｊは、言わば、混練の際に入力した仕事量である。そして、総せん断量Ｊは、ロータ外径Ｄ、クリアランスＨ（或いはチャンバー７の内径）、ロータ回転数Ｎおよび混練時間Ｔを（１）式に代入することより、精度よく近似して求めることができる。また、ユニットワークＵＷは、言わば、混練の際に出力した仕事量である。ユニットワークＵＷは、電力計１０ｂによって実測して把握することができる。
したがって、評価指数Ｅの値は、混練の際の入力した仕事量に対する出力した仕事量である。ここで、総せん断量Ｊは近似して算出した仮想の値であり、実際の総せん断量Ｊｒは、Ｊｒ＝混練効率β×総せん断量Ｊである。混練効率βはロータ８の仕様等によって変化する値であり０超〜１以下となる。そして、（３）式を変形すると以下の（４）式となる。
評価指数Ｅ＝混練効率β×（ユニットワークＵＷ／実際の総せん断量Ｊｒ）・・・（４）
混練材料Ｒの配合が同じであれば、所定の入力の混練によって得られる混練後の混練材料Ｒは同じものとなるので、「ユニットワークＵＷ／実際の総せん断量Ｊｒ」の値は、混練材料Ｒの配合によって一定（固有値）になると考えられる。それ故、評価指数Ｅは、混練効率の程度を示し、数値が大きい程、混練効率が良いことを意味する。この評価指数Ｅは、上記（１）式、（２）式、（３）式によって容易に算出できるので、混練機１の混練効率の程度を簡便に精度よく把握することが可能になる。
例えば、ゴムホースのチューブゴム（内層ゴム）となる材料は、原料ゴムと同等の質量のカーボンブラックを配合する場合があり、混練中に、一般的なゴムの混練材料Ｒに比して非常に硬くなる。そのため、混練機１には過大な負荷がかかり、混練効率にも大きく影響することがある。本発明の混練システムを使用すると、このようなチューブゴムとなる混練材料Ｒであっても、混練機１の混練効率の程度を把握できるので、適切な混練条件を設定し易くなる、混練機１の故障を未然に防止できるなどの利点がある。
本発明の混練システムを用いて混練材料Ｒを混練する手順は以下のとおりである。
まず、所定量の原料ゴムおよびカーボンブラック等の各種配合材料を材料投入口３を通じてケーシング２の内部に投入する。そして、加圧ウエイト６を待機位置から下方移動させてロータ８の上部を密閉して覆うように配置する。
この状態で、投入された混練材料Ｒは、チャンバー７の内壁面７ａ、排出口フラップ５および加圧ウエイト６で囲まれたスペースにおいて、回転駆動される２つのロータ８によって混練される。また例えば、最初に原料ゴムを素練した後、順次、軟化剤や可塑剤、カーボンブラックをケーシング２の内部（チャンバー７）に投入して混練する。混練材料Ｒが所定の状態に混練されて混練が完了した後は、排出口フラップ５を待機位置に移動させることにより材料排出口４を開口して、混練材料Ｒを混練機１の外部へ排出する。
混練材料Ｒが混練開始される時点から混練が完了する時点まで、回転計１０ａによりロータ８（ロータ軸９）の回転数Ｎが逐次検知され、電力計１０ｂによりロータ８の回転駆動に要する瞬時電力ｐが逐次検知される。回転計１０ａおよび電力計１０ｂにより検知されたデータは演算装置１１に入力される。そして、演算装置１１によって評価指数Ｅが逐次算出される。
図４は、仕様の異なる８種類の混練機１（Ｃ１機〜Ｃ８機）をそれぞれ備えた本発明の混練システムによって同一の混練材料Ｒを同一の条件で同一の状態に混練した際の評価指数Ｅを示している。尚、同一の条件とは充填率が同じであり、混練材料の投入順序、タイミングが同じであることを意味する。図４のそれぞれの混練機１における充填率は略６０％である。
図４の結果から、８種類の内でＣ３機の混練機１が最も混練効率が良く、Ｃ８機の混練機が最も混練効率が悪いことが把握できる。混練効率のみを重視して混練する場合は、Ｃ３機の混練機１を備えた混練システムを選択することになる。
図５は、仕様の異なる２種類の混練機１（Ｃ７機、Ｃ８機）をそれぞれ備えた本発明の混練システムによって同一の混練材料Ｒを、同一の投入順序、タイミングで、充填率を異ならせて同一の状態に混練した際の評価指数Ｅを示している。図５の結果から、Ｃ７機およびＣ８機の混練機１では、充填率の違いに起因して評価指数Ｅが大きく変化することはなく、ほぼ一定の範囲になることが把握できる。そして、Ｃ７機の混練機１がＣ８機の混練機１よりも混練効率が良いことが把握できる。
図６は、Ｃ１０機の混練機１を備えた本発明の混練システムによって、ある混練材料Ｒを異なる充填率で所定の状態に混練した際の評価指数Ｅ（曲線ａ）を示している。曲線ｂは、その際の充填率と混練時間Ｔとの関係を示している。
この評価指数Ｅを比較することにより、Ｃ１０機の混練機１における複数の充填率での混練効率を比較できる。即ち、同一仕様の混練機１によって同一の混練材料Ｒを異なる充填率で同一の状態に混練した際に、最も効率よく混練できる充填率を把握できる。このＣ１０機の混練機１では、充填率を５０％程度に設定すると混練に要する時間を最小限にすることができ、最も混練効率が良くなることが把握できる。
図７は、Ｃ１０機の混練機１を備えた混練システムによって、ある混練材料Ｒをある充填率（６０％）で所定の状態に混練した際の評価指数Ｅの時系列変化を示している。また、その際の瞬時電力ｐ、積算電力量Ｗ、混練材料Ｒの温度ＴＰの時系列変化も示している。図７の混練工程では、混練開始から混練完了までに各種配合材料の投入や加圧ウエイト６の操作などのため、間欠的に５回の混練作業が行われているが、最初の混練作業は、すべての配合材料が投入れていない状態での予備的な混練である。そのため、本発明では、２回以降の混練作業（すべての配合材料が投入された混練作業）を対象にする。演算装置１１には加圧ウエイト６の位置のデータが入力されるので、この位置データから、評価指数Ｅの時系列データにおいて加圧ウエイト６がロータ８の上部を覆ってチャンバー７を密閉する位置にあるのか、或いは、待機位置にあるのかが把握できる。
図７の結果から、Ｃ１０機の混練機１による混練では、評価指数Ｅが混練完了まで増大し続けていて、長時間にわたって混練材料Ｒがゆっくりと混練され、混練効率が良くないことが分かる。また、混練時の混練材料Ｒの発熱は少ないことが分かる。
図８は、Ｃ１１機の混練機１を備えた混練システムによって、ある混練材料Ｒをある充填率（５０％）で所定の状態に混練した際の評価指数Ｅの時系列変化を示している。また、その際の瞬時電力ｐ、積算電力量Ｗ、混練材料Ｒの温度ＴＰの時系列変化も示している。図８の混練工程では、混練開始から混練完了までに各種配合材料の投入や加圧ウエイト６の操作などのため、混練開始から混練完了まで間欠的に３回の混練作業が行われている。最初の混練作業は、すべての配合材料が投入れていない状態での予備的な混練である。そのため、本発明では、２回以降の混練作業（すべての配合材料が投入された混練作業）を対象にする。
図８の結果から、Ｃ１１機の混練機１を備えた混練システムによる混練では、評価指数Ｅが途中の混練作業で急激に増大し、その後、ほぼ一定水準になっていて、短時間で混練材料Ｒが一気に混練され、混練効率が良いことが分かる。また、混練時の混練材料Ｒの発熱が多いことが分かる。
図７と図８の結果から、例えば、発熱が多くても品質に支障が生じ難い混練材料Ｒを混練する場合は、Ｃ１１機の混練機１を備えた混練システムを用いて混練することで、短時間で効率の良い混練が可能になる。一方、発熱が多いと品質に支障が生じ易い混練材料Ｒを混練する場合は、Ｃ１０機の混練機１を備えた混練システムを用いて混練することで、品質を低下させずに混練を完了させることができる。
発熱が多いと品質に支障が生じ易い混練材料ＲをＣ１１機の混練機１を備えた混練システムを用いて混練する場合は、例えば、発熱を抑えるためにロータ８の回転数Ｎを低減させて混練効率を低くする。即ち、評価指数Ｅが小さくなるように混練条件を設定する。このように評価指数Ｅを逐次算出して、混練効率の時系列変化を把握することで、最適な混練条件を設定し易くなる。
また、算出した評価指数Ｅの値が、限界値Ｅｍを逸脱した場合（限界値Ｅｍ未満になった場合）は、混練機１に異常（故障）が生じていると判断することができる。そのため、算出した評価指数Ｅの値が、限界値Ｅｍを逸脱した場合に確実に異常を作業者に知らせることができる異常通知手段を設けるとよい。
さらに、ある混練機１を備えた混練システムを用いて同一の混練材料Ｒを同一の条件で同一の状態に混練した際の評価指数Ｅを混練バッチ（ロット）間で比較することにより、混練状態の安定性を把握することができる。即ち、それぞれの混練バッチ（ロット）の評価指数Ｅのばらつきが小さい程、混練バッチ（ロット）間で安定した混練が行なわれていると判断することができる。
１ 密閉式ゴム混練機
２ ケーシング
３ 材料投入口
４ 材料排出口
５ 排出口フラップ
６ 加圧ウエイト
７ チャンバー
７ａ 内壁面
８ ロータ
９ ロータ軸
１０ ロータ駆動部
１０ａ 電力計
１０ｂ 回転計
１１ 演算装置
Ｒ 混練材料

Claims (4)

  1. 原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を混練する密閉式ゴム混練機と、この混練機のロータの回転数を検知する回転計と、このロータの回転駆動に要する瞬時電力を検知する電力計と、前記回転計および電力計の検知データが入力される演算装置とを備え、これら入力される検知データと、前記ロータの外径のデータと、このロータの外径位置とロータが収容されるチャンバーの内壁面とのクリアランスのデータとに基づいて前記演算装置により、前記ロータが混練材料に与えるせん断速度を混練時間で積算して総せん断量を算出し、前記瞬時電力を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除してユニットワークを算出し、この総せん断量とユニットワークとに基づいて、その混練機の混練効率を評価する評価指数を算出する構成にしたことを特徴とする密閉式ゴム混練機を備えた混練システム。
  2. 前記評価指数を逐次算出する請求項１に記載の密閉式ゴム混練機を備えた混練システム。
  3. 前記ロータの上部に設けられて、混練を行なう際には下方移動してロータの上部を覆ってチャンバーを密閉する位置に配置され、混練材料を投入する際には上方移動して待機位置に配置される加圧ウエイトの位置のデータを前記演算装置に入力する構成にした請求項１または２に記載の密閉式ゴム混練機を備えた混練システム。
  4. 混練材料の配合に応じて前記評価指数の限界値を前記演算装置に入力しておき、この限界値と前記算出する評価指数とを比較する構成にした請求項１〜３のいずれかに記載の密閉式ゴム混練機を備えた混練システム。
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