JP6246194B2 - 造粒装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性材料及び／又は製薬材料を粒化するための造粒装置に関する。

一般に、熱可塑性材料、特にポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子、更に製薬材料を粒化する際、造粒装置を使用することが多く、押し出し加工された、溶融プラスチック又は製薬材料をダイヘッド内でストランド状に成形する。この工程は通常、ダイヘッドのノズル装置のノズルを介して、切削チャンバ内に入れられた水や空気等の冷却流体内に溶融状態の熱い材料を押し出すことによって行われる。切削チャンバ内には、刃を備えた刃装置があり、ノズルプレートの開口部上を刃が通過して、ストランド状の材料を切削し、ペレットが形成される。

ダイヘッド側では、ノズルによるストランド成形がなされる前に、溶融物が固くなってしまわないように、その溶融物搬送部をできるだけ熱くしておく必要がある。

ストランド成形後、切削チャンバ内の溶融材料を、冷却することによりできるだけ速やかに硬化状態にしなければない。従って、切削チャンバ側では、切削チャンバの筐体部をできるだけ冷たくしなければならず、これによって顆粒が筐体部に付着するのを防ぐ。

従って、一方のダイヘッドの部品と他方の切削チャンバとの間で大きな温度差が生じる。

ダイヘッドの部品と切削チャンバ筐体の部品とが触れたり接触したりする箇所では、このような大きな温度差により生じる高温度勾配によって、高熱流が起こり、熱いダイヘッドから切削チャンバ筐体の材質へと接触箇所を介して熱が流れる。

このような望ましくない熱流を抑制するために、断熱材料が使用され、接触箇所に挿入されて互いを熱的に絶縁する。

このように、例えば国際公開ＷＯ ０３／０３１１３２によれば、断熱層によって造粒ヘッドを造粒筐体から分離することが知られている。

ドイツ公開特許ＤＥ １０３ ４４ ７９３ Ａ１は、造粒装置において、水チャンバをノズルプレートに固定して接続し、この水チャンバとノズルプレートとの間に封止剤を挿入して冷却水を充填した水チャンバに対して加熱されたノズルプレートを断熱している。

熱流を最小限にするために、できるだけ低い熱浸透率ｂを有する断熱材料を使用するのが理想的であり、熱浸透率ｂは、材料の熱伝導率λ、密度r、及び比熱容量ｃの積の平方根で与えられる。

熱浸透率に加えて、耐熱材料を選択する際に、材料の封止性、製品互換性、耐熱特性、更に特に機械的安定性や接触箇所の定格荷重等の材料に対する技術的要件を追加的に考慮する必要がある。このような様々な要件を通常同時に最適化することはできず、耐熱材料の選択の際には、これらの様々な要件の中で妥協をせざるを得ないことがほとんどである。この結果、ほとんどの場合、耐熱材料として用いられる材料では、所望の低い熱浸透率ｂが得られないことになる。すなわち、耐熱作用は部分的にのみ存在し、残留熱入力は発生し続ける。

この残留熱入力が切削チャンバ筐体に入ると、悪影響が生じ望ましくない。

特に、このことは、空冷式ホットダイフェースペレット化とも称される、プロセス流体として空気を使用するホットカットペレット化に関係する。プロセス流体空気の熱容量が低いことにより、切削チャンバの筐体温度が有効な値を越えないようにするべく、上述の残留熱入力を最小化することができなくなることが多い。従って、切削チャンバの壁に顆粒が付着するおそれがある。

残留熱流はダイヘッドにも好ましくない影響を及ぼす可能性があり、残留熱流によって、ダイヘッドと切削チャンバとの接触箇所において、ダイヘッドから熱が奪われてしまうことになり、このような接触箇所においてダイヘッドが局所的に冷却されてしまうことになる。このような局所的な温度低下はひいては、ダイヘッドの他の箇所や他の要素において、所望の温度プロファイルへの、特に所望の均一な安定した温度への悪影響が起こり、ダイヘッド内での望ましくない温度推移が起こる。このことは特に水中造粒で起こる可能性があり、プロセス流体である水が高熱容量を有するために、比較的高い熱発散をもたらす。この水が有効に作用すると、切削チャンバ筐体内に進行する熱流を奪ってくれるが、同様に、接触箇所を介してダイヘッドからより多くの熱を除くことになり、上述のような接触箇所でのダイヘッドの局所的な冷却を増大させることになる。

より分かり易いように、図１Ａから１Ｄを参照しながら、これらの問題をより詳しく説明する。

図１Ａは、ダイヘッド１のある要素を概略的に示した図であり、断熱要素２を介して切削チャンバ筐体３の要素と接している。上述したように、ダイヘッド１内では高温が優勢であるべきであり、この温度をダイヘッドの設定温度Ｔ_{Ｄ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}と称する。一方、切削チャンバ筐体３はできるだけ冷たくしておくべきである。同様に、切削チャンバ筐体の非常に低い温度、Ｔ_{Ｃ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}を、切削チャンバ筐体３では優勢とすべきである。

理想的な条件下では、断熱要素２は、接触箇所においてダイヘッド１と切削チャンバ筐体３とを互いに完全に熱的に分離し、熱流が発生しないようにする。このような理想条件は、熱浸透率ｂが０である理想的な断熱要素２に対応し、この条件であれば、図１Ｂに示すような温度推移が得られるだろう。断熱材２を介して、ダイヘッド１は、均一で変化しない高い設定温度Ｔ_{Ｄ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}を有し、一方、切削チャンバ筐体３は、均一で変化しない低い設定温度Ｔ_{Ｃ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}を有する。温度変化は、断熱要素２の領域のみに限定されることとなる。

上述のように、このような理想状態は得られない又は十分に得られないことが多く、図１Ｃの熱流F_ｔｈ４に表されるような残留熱入力が発生し続けることになる。このような熱流F_ｔｈ４があると、ダイヘッド１から熱が奪われ、接触箇所の方向に向かってダイヘッドが徐々に冷却されることになる。ダイヘッドの設定温度Ｔ_{Ｄ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}を越えてしまう。切削チャンバ筐体３では、熱入力により逆の状態がもたらされ、つまり、切削チャンバ筐体３が局所的に熱せられて切削チャンバの設定温度Ｔ_{Ｃ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}を越えてしまう。

従って、本発明の目的は、上述のような問題を克服する造粒装置を開示することである。

本発明の別の目的は、ダイヘッドによる切削チャンバ筐体への熱影響及び／又はその逆を効率的に防止し、又は少なくともその影響を減少させる造粒装置を開示することである。

本発明のこれらの及びその他の目的は、請求項１の特徴を備えた造粒装置によって達成される。

その他の好適な実施形態は、その従属項に開示される。

一態様において、本発明は、熱可塑性材料を粒化するための造粒装置に関し、ダイヘッドと、切削チャンバ筐体と、断熱材料からなる少なくとも一つの断熱要素であって、ダイヘッド要素と切削チャンバ筐体要素との間に配置される、断熱要素とを有する。更に、少なくとも一つの温度調節装置を、前記断熱要素と切削チャンバ筐体要素との間、又は前記切削チャンバ筐体要素内であって前記断熱要素に隣接する領域内に設ける。

温度調節装置は、冷却部又は加熱部として機能し得る。

ダイヘッドと切削チャンバとを互いに熱的に絶縁するために、断熱要素に直接又は極隣接した冷却部として温度調節装置を配置することにより、先行するダイヘッド内及びダイヘッドから切削チャンバ筐体へと不可避的に放射される熱を吸収及び発散させることができ、冷たい状態が維持されることとなる。

この結果、高い熱流抵抗によって熱入力を最小限にする断熱要素の受動的な断熱作用が、余分な熱を吸収及び除去する冷却部の能動的な作用によって補助される。

逆に、加熱部としての温度調節装置は、熱の放出を抑制し、即ち冷却を防止する。

少なくとも一つの温度調節装置は、一つ以上の管を有してよく、調節後の熱を伝導させる流体が管を流通可能であるよう設けられる。熱伝導流体は、水、熱伝導油、または気体である。

或いは又は追加的に、少なくとも一つの温度調節装置は、電気的ペルチェ素子であってよい。

切削チャンバ筐体要素は、切削チャンバ筐体の連結フランジ部であってよい。この場合、少なくとも一つの断熱要素は、断熱材料からなるリングとして、連結フランジ部の環状表面上に設けられてよく、連結フランジ部を連結フランジ部とダイヘッド部との間に存在する環状間隙に対して少なくとも部分的に熱的に絶縁するためのものである。

ダイヘッドがノズルプレートと、ノズルプレートへ溶融材料を供給するためのユニットと、ノズルプレートをユニットに固定する、環状間隙内に配置されるスナップリングとを有してもよい。

連結フランジ部をユニットのフランジに固定してもよい。

或いは又は追加的に、連結フランジ部とユニットのフランジとの間に少なくとも一つの断熱要素を配置してもよい。

連結フランジ部内の温度調節装置が、断熱要素の一方の側と隣接する、少なくとも一つの環状管又は少なくとも一つの環状溝として実現されることが好ましい。

少なくとも一つの温度調節装置が、断熱要素を介した熱流により切削チャンバ筐体要素内に導入される熱エネルギーを吸収及び発散させるための冷却部として機能するよう実現され、導入される熱による切削チャンバ筐体要素の加熱が防止される又は減少することが好ましい。この場合、冷却部が特に切削チャンバ筐体要素内を設定温度に維持するよう制御可能であってもよい。

造粒装置が空冷式ホットダイフェースペレット化法又は水中造粒方法を使用する造粒装置であってもよい。

造粒装置は、製薬材料を粒化するよう実現されるのが好ましい。

以下の図面を参照しながら、好適な実施形態において本発明を以下に記載する。
図１Ａは、理想条件を前提としたダイヘッドと切削チャンバ筐体との接触箇所を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａにおける接触箇所の温度推移を示す図である。 図１Ｃは、従来技術のダイヘッドと切削チャンバ筐体との接触箇所を示す図である。 図１Ｄは、図１Ｃにおける接触箇所の温度推移を示す図である。 図２Ａは、実施形態１に係るダイヘッドと切削チャンバ筐体との接触箇所を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａにおける接触箇所の温度推移を示す図である。 図３Ａは、実施形態２に係るダイヘッドと切削チャンバ筐体との接触箇所を示す図である。 図３Ｂは、図３Ａにおける接触箇所の温度推移を示す図である。 図４は、本発明の実施態様に係る造粒装置を示す図である。

図２Ａは、本発明の実施形態１を示す図である。図２Ａは、ダイヘッド１０の要素が断熱要素２０を介して切削チャンバ筐体３０の要素に接触する様子を示す概略図である。

それぞれの要素は例えば、周囲を取り巻く円形締結フランジであって、それによって切削チャンバ筐体とダイヘッドとが機械的に互いに固定されるような要素であり得る。ダイヘッドは、ノズルプレート、ノズルプレート用の止め輪（スナップリング）、又はダイヘッドの他の要素であってもよい。同様に、切削チャンバは、切削チャンバ壁等の他の要素であってよい。

これに関連して、ダイヘッドのある要素が切削チャンバ筐体のある要素に接続される箇所は、直接的な接触又は断熱材料からなる断熱要素を用いた部分的又は完全な分離のいずれの場合でも、接触箇所と称する。

図２Ａに示す実施形態１の接触箇所において、切削チャンバ３０は、温度調節装置３２を備え、この素子は、図２Ａのように調節後の熱を伝導させる流体用の一つ以上の管３２として実現可能である。熱伝導流体としては、水、熱伝導油、または気体を使用可能である。管３２は、切削チャンバ要素３０内の耐熱要素２０に隣接した領域に配置する。管３２を構成する温度調節装置は、冷却部として使用可能であり、熱伝導流体を低温、好ましくは実質的に切削チャンバ筐体３０の設定温度Ｔ_{Ｃ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}に調節する。

このように、温度調節装置３２は、余分な熱のヒートシンクとして機能し得るものであり、この余分な熱は、ダイヘッド１０からの熱流５１が断熱要素２０を介して切削チャンバ筐体３０に導入されるのであって、この熱によって理想的な断熱が得られなくなる。この余分な熱は、熱流の矢印５２で示すように、管３２内の熱伝導流体によって吸収、外側へと発散される。これによって余分な熱が管３２を介して切削チャンバ筐体３０内に浸透できなくなり、（断熱要素２０から見て）管３２の後ろに位置する切削チャンバ筐体３０の部分は、熱入力を受けず、結果として、設定温度を超える加熱がこの部分では起こらない。これによって、図２Ｂに概略的に示す温度推移が得られる。

図３Ａに示すような別の実施形態において、ダイヘッド側にも温度調節装置１２を設ける。この温度調節装置１２は同様に、調節後の熱を伝導させる流体用の一つ以上の管３２として実現可能であり、管は、断熱要素２０の近傍に配置する。この場合の温度調節装置１２は、加熱部として設けることができ、熱伝導流体を高温、好ましくは実質的にダイヘッドの設定温度Ｔ_{Ｄ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}に調節する。この場合の温度調節装置１２は、熱流６１で示されるような、ダイヘッド要素１０に導入される熱源として機能し得る。熱流６１によって、断熱要素２０を介して熱流６２として切削チャンバ筐体３０内に導入され、熱流６３として管３２により外部に発散される熱量が導入されるのが好ましい。従って、熱流６２によって断熱要素２０を介してダイヘッド要素から奪われた熱量が、熱流６１によりダイヘッド要素１０に補充されることになる。要するに、これによってダイヘッド要素１０から放出される熱がなくなり、ダイヘッド要素１０の局所的な冷却は起こらない。このことについて、図３Ｂに温度推移を概略的に示す。

図３Ｂに示す温度推移により示されるように、一方の温度調節装置がダイヘッド要素１０に設けられ、もう一方の温度調節装置が切削チャンバ筐体３０に設けられ、各温度調節装置が断熱要素２０に隣接した、二つの温度調節装置を用いることにより、図１Ｂに示す理想的な温度推移にかなり近い状態が実現可能である。

図４は、本発明の好ましい実施形態に係る造粒装置１００を示す図である。造粒装置１００は、特に、空冷式ホットダイフェースペレット化原理に応じて機能する造粒装置であり、特に製薬材料を粒化するための装置であり得る。

造粒装置１００は、ノズルプレート１１６を備えるダイヘッドと、流れの方向においてノズルプレート１１６の上流に位置するユニット１１０とを有する。ユニット１１０において、溶融材料をノズルプレート１１６に搬送するための流路１１４が設けられる。ユニット１１０は、溶融材料を造粒装置のノズルプレートに搬送するための当業者には公知の、引張アンカープレート、溶融物ディストリビュータ、連結プレート等のユニットであり得る。

ユニット１１０において、加熱部が設けられ、流体対流加熱用の環状管１１２として実現される。或いは、電気加熱要素を設けてもよく、ユニット１１０内部に又はその上に配置する。加熱部は、ユニット１１０とノズルプレート１１６とをＴ_{Ｄ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}温度に加熱し、溶融材料を必要な溶融状態に維持するよう機能する。

図４の造粒装置は更に、切削チャンバを有し、その内部には少なくとも一つのカッタ１４２を備えたカッタヘッド１４０が配置され、動作中にノズルプレート１１６内に設けられるノズル開口部上を通過して、開口部を介して現れる材料ストランドを切削し、ペレットが形成される。

切削チャンバは、切削チャンバ筐体により規定される。切削チャンバ筐体は、一つの部品又は複数の部品により実現可能である。図４に示す実施形態では、切削チャンバ筐体は、切削チャンバ主筐体１３０とこれに接続される連結フランジ部１３４とで構成される。連結フランジ部１３４は、切削チャンバ筐体をユニット１１０の対応するフランジ表面に機械的に固定する役割を有する。

切削チャンバには、ギャップスリーブ１３６が設けられる。ギャップスリーブ１３６は、プロセス流体管１３８から切削チャンバへとプロセス流体が移動可能なような間隙を開けておくための偏り分（オフセット）となり得る。

図４に示すように、ノズルプレート１１６は、スナップリング１１８によりユニット１１０に固定可能である。この場合のスナップリング１１８は、環状間隙１２２内に配置可能であり、ユニット１１０と連結フランジ部１３４との間に配置する。連結フランジ部１３４上に耐熱材料からなる環状断熱要素１２４を配置し、間隙１２２に向いた連結フランジ部１３４の表面の少なくとも一部を、間隙１２２から、及び即ち加熱部１１０及び／又はノズルプレート１１６によって間隙１２２内に導入される間隙内に広がる熱から熱的に絶縁する。

連結フランジ部１３４には、断熱要素１２４と隣接する、二つの溝状の環状管１３２がある。溝状の管１３２は、熱伝導流体を搬送するのに使用され、温度調節装置として機能する。特に、管１３２は、冷却部として使用され、断熱要素１２４を移動する熱エネルギーを吸収及び発散させ、図２Ａから３Ｂにおいて温度調節装置３２と関連して上述したように、連結フランジ部の加熱を防止する。

或いは又は追加的に、断熱要素１２５を設けてもよく、連結フランジ部１３４のフランジとユニット１１０との間に挿入する。断熱要素１２５に隣接して、ユニット１１０と連結フランジ部１３４とにそれぞれ環状の溝状管１１９、１３５を設けてもよい。図３Ａ及び３Ｂに関して上述したように、この場合の管１１９は、加熱部として機能し、熱源としての役割を有し得るもので、一方、管１３５は、冷却部として機能し、ヒートシンクとしての役割を有し得る。

このように、環状の管１３２及び／又は１３５を使用して、ノズルヘッドと切削チャンバ筐体との間の、特にユニット１１０、ノズルプレート１１６、及び／又はスナップリング１１８を一方とし連結フランジ部１３４を他方としたその間の優勢な温度勾配による熱エネルギーが、連結フランジ部１３４の断熱要素１２５を介して及び／又は間隙１２２及び断熱要素１２４を介して導入され、冷却部として機能する環状管１３５及び／又は１３２により運び去られる。このように、連結フランジ部１３４において望ましくない加熱が防止される。このように、連結フランジ部１３４は、連結フランジ部１３４の所望設定温度Ｔ_{Ｃ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ}に効率的に維持可能である。

連結フランジ部１３４の望ましくない加熱を防止することにより、ひいては（望ましくなく加熱された）連結フランジ部１３４によってプロセス流体管１３８内を搬送中のプロセス流体が影響を受けたり望ましくなく加熱されたりするのを防止可能ともなる。

これまで温度調節装置は熱伝導流体搬送管として説明してきたが、他の実施形態を使用してもよい。

即ち、温度調節装置は例えば、電気的ペルチェ素子として実現可能であり、一方の側が断熱要素と接し、もう一方の側がダイヘッド要素又は切削チャンバ筐体の表面と接するようにする。この場合のペルチェ素子は、その一方の側が加熱されもう一方の側が冷却されるよう動作し、従って、断熱要素を介した熱流とは逆向きの方向となる、ペルチェ素子を介した熱流がもたらされる。

熱源として機能する温度調節装置としては、抵抗加熱ユニット、ヒータコイル等の電気的な加熱要素を使用することも可能である。

Claims (15)

1. 熱可塑性材料を粒化するための造粒装置（１００）であって、ダイヘッドと、切削チャンバ筐体と、断熱材料からなる少なくとも一つの断熱要素（２０、１２４、１２５）であって、前記ダイヘッドの要素であるダイヘッド要素（１０、１１０）と切削チャンバ筐体要素（３０、１３４）との間に配置される、断熱要素とを有し、前記ダイヘッドの要素（１０、１１０）内の温度、及び前記切削チャンバ筐体要素（３０、１３４）内の温度のうち少なくとも一つの温度を調節する温度調節装置（１２、３２、１１９、１３２、１３５）を、前記ダイヘッド要素（１０、１１０）内であって前記断熱要素（１２４）に隣接する領域内、及び前記切削チャンバ筐体要素（３０、１３４）内であって前記断熱要素（１２４）に隣接する領域内の少なくともいずれかに設ける、造粒装置。
2. 前記温度調節装置（１２、３２、１１９、１３２、１３５）が一つ以上の管を備え、熱伝導流体が前記管を流通可能であるように設けられる、請求項１に記載の造粒装置（１００）。
3. 前記熱伝導流体が、水、熱伝導油、または気体である、請求項２に記載の造粒装置（１００）。
4. 前記温度調節装置（１２、３２、１１９、１３２、１３５）が少なくとも一つの電気的ペルチェ素子を備える、請求項１に記載の造粒装置（１００）。
5. 前記切削チャンバ筐体要素が前記切削チャンバ筐体の連結フランジ部（１３４）である、請求項１から４のいずれかに記載の造粒装置（１００）。
6. 前記少なくとも一つの断熱要素が断熱材料からなるリング（１２４）として、前記連結フランジ部（１３４）の環状表面上に設けられ、前記連結フランジ部（１３４）を前記連結フランジ部（１３４）とダイヘッド部（１１０）との間に存在する環状間隙（１２２）に対して少なくとも部分的に熱的に絶縁するためのものである、請求項５に記載の造粒装置（１００）。
7. 前記ダイヘッドがノズルプレート（１１６）と、前記ノズルプレート（１１６）へ溶融材料を搬送するためのユニット（１１０）と、前記ノズルプレート（１１６）を前記ユニット（１１０）に固定する、前記環状間隙（１２２）内に配置されるスナップリング（１１８）とを有する、請求項６に記載の造粒装置（１００）。
8. 前記連結フランジ部（１３４）が前記ユニット（１１０）のフランジに固定される、請求項７に記載の造粒装置（１００）。
9. 前記連結フランジ部（１３４）と前記ユニット（１１０）の前記フランジとの間に前記少なくとも一つの断熱要素（１２５）が配置される、請求項８に記載の造粒装置（１００）。
10. 前記連結フランジ部（１３４）内の前記温度調節装置が、前記断熱要素（１２４、１２５）の一方の側と隣接する、少なくとも一つの環状管又は溝（１３２、１３５）として実現される、請求項５から９のいずれかに記載の造粒装置（１００）。
11. 前記温度調節装置が、前記断熱要素（２０、１２４、１２５）を介した熱流により前記切削チャンバ筐体要素（３０、１３４）内に導入される熱エネルギーを吸収及び発散させるための冷却部として機能するよう実現され、前記導入される熱による前記切削チャンバ筐体要素（３０、１３４）の加熱が防止される又は減少する、請求項１から１０のいずれかに記載の造粒装置（１００）。
12. 前記切削チャンバ筐体要素（３０、１３４）内を設定温度（Ｔｓ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ）に維持するよう前記冷却部を制御可能である、請求項１１に記載の造粒装置（１００）。
13. 前記造粒装置（１００）が空冷式ホットダイフェースペレット化法を使用する造粒装置である、請求項１から１２のいずれかに記載の造粒装置（１００）。
14. 前記造粒装置（１００）が水中造粒方法を使用する造粒装置である、請求項１から１２のいずれかに記載の造粒装置（１００）。
15. 前記熱可塑性材料が製薬材料である、請求項１から１４のいずれかに記載の造粒装置（１００）。

Images