JP6167035B2 - 螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法及びそれを備えた熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法及びそれを備えた熱交換装置に関するものである。

従来より、ケーシング内に一対のスクリューシャフトを平行に架設し、一対のスクリューシャフトを互いに反対方向に回転させて外周に設けた螺旋羽根を噛み合わせ、粉体、液体（スラリー状、粘性流体を含む）等の被混練材料を混練する混練機が知られている。

このような混練機のうち、スクリューシャフトの内部に熱媒体が流通する熱媒体流路を設けて被混練材料を加熱又は冷却しながら混練する熱交換装置が知られている。このような熱交換装置に利用される螺旋羽根を有するスクリューシャフト内の熱媒体流路は、螺旋羽根内に熱媒体流路を形成することで、熱交換の効率が向上する。

そこで、例えば、特許文献１の熱交換装置の製造方法では、回転軸と螺旋羽根の側面を一体的に機械加工で削り出し、隣接する側面の頂面同士に跨がる金属製の帯板を巻き回して溶着することにより螺旋羽根を回転軸の外周に設けるようにしている。これにより、螺旋羽根に沿った熱媒体流路を形成することができる。

特許２７３８２９８号公報

しかしながら、特許文献１の螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法では、螺旋羽根の側面を構成する一対の突条を丸棒から削り出さなければならず、その削り出し量が多いことから、非常に加工に時間がかかってしまう。しかも、厚みのある帯板を正確に螺旋状に折り曲げるのは非常に困難であるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単に内部に連続した熱媒体流路を備えた螺旋羽根を有するスクリューシャフトを製造することにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、螺旋羽根を複数の羽根用ブロックを貼り付けて形成するようにした。

具体的には、第１の発明では、ケーシング内に架設される回転軸と、該回転軸の外周上に設けられた螺旋羽根とを備え、該回転軸及び螺旋羽根の少なくとも一部に熱媒体を流通させる連続した熱媒体流路が形成された、螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法を前提とする。

上記製造方法は、
軸心に沿って内部に軸側流路が形成された断面円形の回転軸を形成する軸形成工程と、
底面に上記螺旋羽根に沿う羽根側流路の一部を構成するブロック側凹部が形成され、上記回転軸の外周上に螺旋状に並んで配置されて上記螺旋羽根を構成する複数の羽根用ブロックを形成するブロック形成工程と、
上記複数の羽根用ブロックを上記回転軸の外周に沿って螺旋状に並んで貼り付け、上記ブロック側凹部を上記羽根側流路に連通させる貼付工程とを含む。

上記の構成によると、螺旋羽根の側面を複数の羽根用ブロックを並べて形成できるので、加工前の材料の外径を小さくすることができ、削り出し量を大幅に削減できる。また、複数の羽根用ブロックで螺旋羽根の外周面を構成できるので、帯板を螺旋状に巻いて貼り付ける必要がなく、螺旋羽根の形成が極めて容易となる。

第２の発明では、第１の発明において、
上記軸形成工程において、上記回転軸の外周に上記螺旋羽根に沿うと共に、中央に上記軸側流路に連通した羽根側流路を構成する凹溝が形成された突条を形成し、
上記貼付工程において、上記ブロック側凹部と上記凹溝とが連通して連続した上記羽根側流路を形成する構成とする。

上記の構成によると、凹溝により、羽根側流路のスペースを確保できるので、羽根用ブロックのブロック側凹部に連通させやすい。また、羽根用ブロックが螺旋羽根の側面の大部分を形成するので、突条の高さは最小限でよく、削り出し量を従来に比べて大幅に削減できる。また、凹溝を塞ぐように突条に沿って羽根用ブロックを貼り付けていけばよいので、貼付作業が容易である。

第３の発明では、第１の発明において、
上記軸形成工程において、上記回転軸の外周に上記螺旋羽根に沿うと共に、上記軸側流路に連通した羽根側流路を構成する凹溝を凹陥し、
上記貼付工程において、上記ブロック側凹部と上記凹溝とが連通して連続した上記羽根側流路を形成する。

上記の構成によると、凹溝により羽根側流路のスペースを確保できるので、羽根用ブロックのブロック側凹部に連通させやすい。また、第２の発明に比べると、突条を設けずに凹溝を凹陥するだけなので、削り出し前の材料の外径をさらに削減できる。また、凹溝に沿って羽根用ブロックを貼り付けていけばよいので、貼付作業が容易である。

第４の発明では、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、
上記貼付工程において、上記羽根用ブロックを上記回転軸の外周に溶接し、連続した外表面を有する上記螺旋羽根を形成する。

上記の構成によると、溶接による貼付であるので、隙間を生じさせることなく、連続した螺旋羽根の外周面を形成しやすい。

第５の発明では、第１乃至第４のいずれか１つの発明において、
上記ブロック形成工程で、同じ形状の複数の上記羽根用ブロックを鋳造し、
上記貼付工程で同じ形状の複数の上記羽根用ブロックを螺旋状に並んで貼り付けて連続した螺旋羽根を形成する。

上記の構成によると、鋳造であるので、螺旋状に捻られた形状でも、同じ形状の羽根用ブロックを精度よく簡単に製造できる。同じ形状であるので、貼り付ける順番などを気にする必要がなく、貼付工程が容易となる。

第６の発明では、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、
上記の構成によると、簡単かつ低コストで製造した螺旋羽根を有するスクリューシャフトを利用できるので、初期投資及び維持費用を軽減できる。

以上説明したように、本発明によれば、複数の羽根用ブロックを回転軸の外周に沿って螺旋状に並んで貼り付けてブロック側凹部を羽根側流路に連通させるようにしたことにより、簡単に内部に連続した熱媒体流路を備えた螺旋羽根を有するスクリューシャフトを製造することができる。

図２（ｂ）のＩ部周辺を螺旋羽根に沿って切断して示す拡大断面図である。 （ａ）が本発明の実施形態に係る熱交換装置を一部破断して示す側面図であり、（ｂ）は、スクリューシャフトを示す側面図である。 図１のIII−III線拡大断面図である。 羽根用ブロックを示す側面図である。 羽根用ブロックを外周側から見た斜視図である。 羽根用ブロックを内周側から見た斜視図である。 実施形態の変形例に係る羽根用ブロックを示す側面図である。 実施形態の変形例に係る羽根用ブロックを外周側から見た斜視図である。 実施形態の変形例に係る羽根用ブロックを内周側から見た斜視図である。 実施形態の変形例に係る図３相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２（ａ）に本発明の実施形態の螺旋羽根５を有するスクリューシャフト３が取り付けられた熱交換装置１の一部を破断して示す。この熱交換装置１は、筒状のケーシング２内に一対のスクリューシャフト３が架設されている。

ケーシング２は、上方に被混練材料となる粉体、液体（スラリー状、粘性流体を含む）等が投入される材料投入口２ａが形成されている。ケーシング２の下面には、材料排出口２ｂが形成され、混練後の材料が排出されるようになっている（白抜き矢印で材料の流れを示す）。ケーシング２には、ジャケット部２ｃが形成され、ケーシング２の外周に熱媒体を供給して熱交換可能となっている。

本実施形態では、一対のスクリューシャフト３が平行にケーシング２に架設され、異方向に回転させることで、それぞれの螺旋羽根５を噛み合わせながら被混練材料を混練するようになっている。本実施形態では、一対のスクリューシャフト３は、螺旋羽根５の条数が異なり、例えば右側のスクリューシャフト３が２条螺子であるのに対して、左側のスクリューシャフト３を１条螺子とすることで、左側のスクリューシャフト３の回転速度を２倍とすることができる。しかし、一対のスクリューシャフト３の螺旋羽根５の条数を同じとしたり、１対３、２対３等として設けてもよい。

図１及び図２に示すように、それぞれのスクリューシャフト３は、円柱状の回転軸４の外周上に螺旋羽根５が螺旋状に形成されている。回転軸４及び螺旋羽根５の少なくとも一部に熱媒体として、温水、水蒸気、冷却水、油などを流通させる熱媒体流路６が形成されている。熱媒体流路６は、回転軸４の中心に軸方向に直線状に延びる軸側流路６ａと、この軸側流路６ａに半径方向に延びる連結路６ｃを介して連続し、螺旋羽根５に沿って延びる羽根側流路６ｂとを有する。図２に示すように、スクリューシャフト３の右側には、ロータリージョイント７が接続され、このロータリージョイント７が図示しない熱媒体の循環装置に接続されて熱媒体の導入及び排出が可能となっている。軸側流路６ａは、例えば図示しない中空のパイプをロータリージョイント７側の内部から挿通することで、１本の流路で熱媒体の導入と排出とが可能となっている。具体的には、ロータリージョイント７に供給された熱媒体は、図２の右側の軸側流路６ａのパイプ内を通って熱媒体が供給されて左側端部にいたり、連結路６ｃを通って半径方向外側に進み、螺旋羽根５内の羽根側流路６ｂを左側から右側に螺旋状に通過して軸側流路６ａのパイプの外周を通ってロータリージョイント７から排出されるようになっている。

図１に螺旋羽根５に沿って切断した断面を示すように、螺旋羽根５は、複数の羽根用ブロック８を連続して貼り付けることで形成されている。図３にも示すように、羽根側流路６ｂの一部は、この羽根用ブロック８の底面側のブロック側凹部８ａで構成されている。羽根側流路６ｂの大部分は、回転軸４の外周に形成した突条９に形成した凹溝９ａによって形成されている。

次いで、本実施形態のスクリューシャフト３の製造方法について詳しく説明する。

まず、例えば炭素鋼、ステンレス鋼などの円柱状の棒鋼を用意する。そして、軸形成工程において、棒鋼の外周面を削って回転軸４を形成する。回転軸４の両端部の外径は、中間よりも小さな外径に切削してロータリージョイント７を接続したり、スプライン加工を施して図示しない回転装置に接続したりできるようにする。回転軸４の中心には、キリ孔等により、軸心に沿って直線状の軸側流路６ａを形成する。例えば図示しない適度な長さの円筒パイプをこの軸側流路６ａを構成するキリ孔に挿入することで、熱媒体の往路と復路とを形成する。この軸形成工程において、棒鋼を切削加工する際に螺旋羽根５に沿う突条９を形成する。突条９の中央に突条９に沿って凹溝９ａを形成しておく。図１に拡大して示すように、例えば、軸側流路６ａの先端が凹溝９ａの一端に連続するように軸側流路６ａの先端を例えば２本の連結路６ｃで半径方向につなぐ。

これとは別に鋳造工程において、螺旋羽根５を形成する複数の羽根用ブロック８を鋳造する。例えば精密鋳造によって精度よく鋳造させるとよい。図３〜図６に示すように、羽根用ブロック８は、４つの側面を有し、底面には外周面に向かって凹陥されたブロック側凹部８ａが形成されており、全体が螺旋状に捻れている。鋳造であるので、同じ形状の鋳型を用いれば、このような捻れた外形を有し、底側に凹部を有する複雑な形状であっても、同じ形状のものを大量に精度よく製造することができる。

次いで、貼付工程において、複数の羽根用ブロック８を回転軸４の外周に沿って螺旋状に並べて貼り付ける。このとき、羽根用ブロック８は、凹溝９ａに沿って貼り付ければよいので、位置決めが容易である。図３に断面を示すように、羽根用ブロック８を、突条９の上面に沿って貼り付けて溶接する。

羽根用ブロック８は、同じスクリューシャフト３のものは、どれも同じ形状であるので、貼り付ける順番などを気にする必要がなく、突条９の一対の上面に沿って羽根用ブロック８を並べて貼り付けていけばよいので、貼付工程が極めて容易である。貼付により、羽根用ブロック８の底面側に形成したブロック側凹部８ａが凹溝９ａに連通して螺旋状の羽根側流路６ｂが形成される。羽根用ブロック８の両端部に面取り８ｂを形成しているので、隣り合う羽根用ブロック８を突き合わせたときに双方の面取り８ｂが溶接用の開先のようになって溶接しやすく、溶接後の螺旋羽根５の外表面を隙間のない滑らかに連続したものとしやすい。また、溶接により密着させることができるので、羽根側流路６ｂが外部に連通せず、熱媒体が外部に漏れないように構成しやすい。また、溶接時の熱影響は主として突条９が受けるため、回転軸４全体としての剛性が低下したり、変形したりし難い。

また、複数の羽根用ブロック８で螺旋羽根５の外周面を構成できるので、従来のように帯板を螺旋状に巻いて貼り付ける必要がなく、螺旋羽根５の形成が極めて容易となる。

また、凹溝９ａにより羽根側流路６ｂのスペースを確保でき、羽根用ブロック８のブロック側凹部８ａに連通させて連続した羽根側流路６ｂを形成できる。

また、羽根用ブロック８が螺旋羽根５の側面の大部分を形成するので、突条９の高さは最小限でよく、削り出し量を従来に比べて大幅に削減できる。

したがって、本実施形態に係る螺旋羽根５を有するスクリューシャフト３の製造方法によると、複数の羽根用ブロック８を回転軸４の外周に沿って螺旋状に並んで貼り付けてブロック側凹部８ａを羽根側流路６ｂに連通させるようにしたことにより、簡単に内部に連続した熱媒体流路６を備えた螺旋羽根５を有するスクリューシャフト３を製造することができる。

また、熱交換装置１は、簡単かつ低コストで製造した螺旋羽根５を有するスクリューシャフト３を利用できるので、初期投資及び維持費用を軽減できる。

−変形例−
図７〜図１０は、本発明の実施形態の変形例を示し、螺旋羽根５の構成が異なる点で上記実施形態と異なる。なお、以下の本変形例では、図１〜図６と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

本変形例では、まず、軸形成工程において、棒鋼から削り出しを行う際に、図１０に示すように、上記実施形態とは異なって突条９を設けず、回転軸４側には、凹溝９ａのみを凹陥する。そうすれば、上記実施形態に比べて棒鋼の外径をさらに小さくすることができ、材料費が安くなるだけでなく、削り出し量が大幅に減って工程が容易となる。

本変形例では、ブロック形成工程において、図７〜図９に示すように、実施形態よりも外形の大きな羽根用ブロック８’を鋳造する。

貼付工程において、凹溝９ａに沿って羽根用ブロック８’を溶接等にて貼り付ける。そして、図１０に示すように、羽根用ブロック８’の貼付面の面取りを利用して溶接を行えば、凹溝９ａと面取り８ｂとで内部に水密の羽根側流路６ｂを形成することができる。この羽根側流路６ｂは、上記実施形態よりも断面の大きいものとすることもできる。ただし、回転軸４の外周における溶接時の熱影響についての対策は必要である。

本変形例では、凹溝９ａにより羽根側流路６ｂのスペースを確保できるので、羽根用ブロック８’のブロック側凹部８ａに連通させやすい。なお、ブロック側凹部８ａで十分なスペースを確保できる場合は凹溝９ａを設けなくともよい。

また、上記実施形態に比べると、突条９を設けずに凹溝９ａを凹陥するだけなので、削り出し前の材料の外径をさらに削減できる。

また、凹溝９ａに沿って羽根用ブロック８を貼り付けていけばよいので、位置決めをしやすく、貼付作業が容易である。

したがって、本変形例に係る螺旋羽根５を有するスクリューシャフト３の製造方法においても、簡単に内部に連続した熱媒体流路６を備えた螺旋羽根５を有するスクリューシャフト３を製造することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、一対のスクリューシャフト３を平行にケーシング２に架設して互いに向かい合う方向に回転させるようにしているが、いずれも同方向に回転させてもよい。

上記実施形態では、鋳造にて羽根用ブロック８，８’を形成したが、それに限定されず、他の方法でもよい。例えばスクリューシャフト３を樹脂成形品で形成するような場合は、羽根用ブロック８，８’も樹脂成形品で構成するとよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ 熱交換装置
２ ケーシング
２ａ 材料投入口
２ｂ 材料排出口
２ｃ ジャケット部
３ スクリューシャフト
４ 回転軸
５ 螺旋羽根
６ 熱媒体流路
６ａ 軸側流路
６ｂ 羽根側流路
７ ロータリージョイント
８，８' 羽根用ブロック
８ａ ブロック側凹部
８ｂ 面取り
９ 突条
９ａ 凹溝

Claims (6)

1. ケーシング内に架設される回転軸と、該回転軸の外周上に設けられた螺旋羽根とを備え、該回転軸及び螺旋羽根の少なくとも一部に熱媒体を流通させる連続した熱媒体流路が形成された、螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法において、
   軸心に沿って内部に軸側流路が形成された断面円形の回転軸を形成する軸形成工程と、
   底面に上記螺旋羽根に沿う羽根側流路の一部を構成するブロック側凹部が形成され、上記回転軸の外周上に螺旋状に並んで配置されて上記螺旋羽根を構成する複数の羽根用ブロックを形成するブロック形成工程と、
   上記複数の羽根用ブロックを上記回転軸の外周に沿って螺旋状に並んで貼り付け、上記ブロック側凹部を上記羽根側流路に連通させる貼付工程とを含む
   ことを特徴とする螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法。
2. 請求項１に記載の螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法において、
   上記軸形成工程において、上記回転軸の外周に上記螺旋羽根に沿うと共に、中央に上記羽根側流路を構成する凹溝が形成された突条を形成し、
   上記貼付工程において、上記ブロック側凹部と上記凹溝とが連通して連続した上記羽根側流路を形成する
   ことを特徴とする螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法。
3. 請求項１に記載の螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法において、
   上記軸形成工程において、上記回転軸の外周に上記螺旋羽根に沿うと共に、上記軸側流路に連通した羽根側流路を構成する凹溝を凹陥し、
   上記貼付工程において、上記ブロック側凹部と上記凹溝とが連通して連続した上記羽根側流路を形成する
   ことを特徴とする螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法において、
   上記貼付工程において、上記羽根用ブロックを上記回転軸の外周に溶接し、連続した外表面を有する上記螺旋羽根を形成する
   ことを特徴とする螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法において、
   上記ブロック形成工程で、同じ形状の複数の上記羽根用ブロックを鋳造し、
   上記貼付工程で同じ形状の複数の上記羽根用ブロックを螺旋状に並んで貼り付けて連続した螺旋羽根を形成する
   ことを特徴とする螺旋羽根を有するスクリューシャフトの製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の複数の螺旋羽根を有するスクリューシャフトと、
   上記複数のスクリューシャフトが互いに平行に並ぶように該複数のスクリューシャフトの回転軸を回転可能に支持するケーシングと、
   上記熱媒体を上記熱媒体流路に循環させる循環装置とを備えている
   ことを特徴とする螺旋羽根を有するスクリューシャフトを備えた熱交換装置。

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