JP6308907B2 - 連続混練機 - Google Patents

Description

本発明は、互いに異方向に回転する混練ロータを用いて樹脂材料の混練を行う連続混練機に関するものである。

一般に、連続混練機は、水平方向に沿って長尺に形成された筒状のバレルと、このバレルの内部に挿入されて材料を混練する一対の混練ロータとを備えている。
連続混練機では、上述したバレルの長手方向の一方側に高分子樹脂のペレットや粉状の添加物などの材料を供給するフィード部が設けられており、フィード部に供給された材料は長手方向の中途側に設けられた混練部に送られる。混練部では、一対の混練ロータ間で材料にせん断力を付与しながら混練が行われ、混練後の材料は長手方向の他方側に設けられた絞り部（混練度調整部）に送られる。絞り部では材料の内圧が高められる。

このようにして、絞り部で内圧が高められた材料は絞り部のさらに下流側に位置する排出部から連続混練機の外部に排出される。そして、特許文献１や特許文献２に示すように、排出部では材料を例えばバレルの下方に引き出し、引き出された材料をギヤポンプなどで昇圧してからペレタイザなどに送っている。

特開平１０−６３３０号公報 特開平１１−２９１３２７号公報

ところで、連続混練機は、押出機などに比べれば材料を押し出す能力は高いものではない。それゆえ、何らかの理由で排出部での排出がスムーズに行われないと、材料が混練部に必要以上に滞留して、混練品質が悪化する原因となる。
特許文献１や特許文献２の如き、排出部に２条や３条の排出翼を用いた連続混練機で混練を行うと、排出部に材料が必要以上に滞留して、排出部から材料がスムーズに排出されなくなることが起こりやすいことが現場の実績として分かっている。

このように排出部で滞留が生じた場合には、混練ロータの出力を高くしてでも材料を強制的に下流側に送って、混練後の材料品質を良好なものに維持する必要がある。ところが、このような混練ロータの出力アップは、連続混練機に対し過負荷となる虞があり、係る過負荷に耐える連続混練機を製造するために、製造コストが高騰する虞があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、排出部で材料の排出をスムーズに行うことができるようにして、良好な混練品質で混練を行うことができる連続混練機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の連続混練機は以下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、当該バレルに収容された一対の混練ロータとを備え、これら一対の混練ロータが異なる回転方向に向かって噛み合い状態で回転する連続混練機であって、前記バレル内には、前記混練ロータの軸方向に沿って、材料を供給するフィード部、材料を混練する混練部、混練された材料をバレル外に排出する排出部が順に設けられており、前記排出部に位置する混練ロータが、周方向に少なくとも１条の排出翼を備えていることを特徴とする。

なお、好ましくは、前記一対の混練ロータのそれぞれに備えられた排出翼が互いに非接触で回転するように、前記一対の混練ロータ間の回転位相差が設定されているとよい。
なお、好ましくは、前記回転位相差は、一対の排出翼同士が干渉し合う位相差より大きい角度であって、且つ９０°より小さい値とされているとよい。
なお、好ましくは、前記バレルの内径（バレル内周の半径）をｒ_ｂとした場合に、前記排出翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径ｒ_ａ（混練ロータの外周の最大半径）が、０．９８５ｒ_ｂより小さくされているとよい。

なお、好ましくは、前記排出翼の先端には、バレルの内周面に正対する頂部が設けられており、前記頂部の周方向に沿った幅が、前記バレルの内径ｒ_ｂの０．０５倍以上とされているとよい。
なお、好ましくは、前記排出部に位置する混練ロータにおける、前記排出翼の設置箇所とは異なる箇所には、前記バレル外への混練された材料の排出を阻害しない排出非阻害翼が少なくとも１条以上設けられており、前記排出非阻害翼は、前記バレルの内径をｒ_ｂとした場合に、前記排出非阻害翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径ｒ_ｃが、０．９５ｒ_ｂ以下となるように形成されているとよい。

なお、好ましくは、前記排出部に位置する混練ロータにおける、前記排出翼の設置箇所とは異なる箇所には、前記バレル外への混練された材料の排出を阻害しない排出非阻害翼が少なくとも１条以上設けられており、前記排出非阻害翼の先端には、バレルの内周面に正対する頂部が設けられており、前記排出翼の頂部からバレルの内周面までのクリアランスに対する、前記排出非阻害翼の頂部からバレルの内周面までのクリアランスの比が、３．０以上とされているとよい。
また、本発明に係る連続混練機の最も好ましい形態は、内部が空洞とされたバレルと、当該バレルに収容された一対の混練ロータとを備え、これら一対の混練ロータが異なる回転方向に向かって噛み合い状態で回転する連続混練機であって、前記バレル内には、前記混練ロータの軸方向に沿って、材料を供給するフィード部、材料を混練する混練部、混練された材料をバレル外に排出する排出部が順に設けられており、前記排出部に位置する混練ロータが、周方向に少なくとも１条の排出翼を備えており、前記排出翼の頂部の最大外径ｒ _ａ と、前記混練ロータの軸心間の距離Ｌとの間に、ｒ _ａ ＞０．５Ｌという関係が成立し、前記一対の混練ロータの排出翼の回転領域が重なっていると共に、前記一対の混練ロータのそれぞれに備えられた排出翼が、互いに接触せずに回転するように、前記一対の混練ロータ間の回転位相差が設定されていることを特徴とする。

本発明の連続混練機によれば、排出部で材料の排出をスムーズに行うことができるようにして、良好な混練品質で混練を行うことができる。

本発明に係る連続混練機の正面断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は排出部の混練ロータの斜視図、（ｂ）は排出部の混練ロータの正面図、（ｃ）は排出部の混練ロータの断面図である。 （ａ）は実施例１の連続混練機で混練した後の材料粒子の分布を示した図であり、（ｂ）は左側の排出翼の排出能力が最大となった場合における混練後の材料粒子の流動方向を示した図であり、（ｃ）は右側の排出翼の排出能力が最大となった場合における混練後の材料粒子の流動方向を示した図である。 （ａ）は実施例２の連続混練機で混練した後の材料粒子の分布を示した図であり、（ｂ）は左側の排出翼の排出能力が最大となった場合における混練後の材料粒子の流動方向を示した図であり、（ｃ）は右側の排出翼の排出能力が最大となった場合における混練後の材料粒子の流動方向を示した図である。 （ａ）は従来例の連続混練機で混練する前の材料粒子の分布を示した図であり、（ｂ）は同連続混練機で混練した後の材料粒子の分布を示した図であり、（ｃ）は混練後の材料粒子の流動方向を示した図である。 （ａ）は、材料の流量がバレル内直径の３乗の０．０００３２倍であるときに、排出部での材料の充填率を実施例、従来例で比較したグラフであり、（ｂ）は、材料の流量がバレル内直径の３乗の０．０００６４倍であるときに、排出部での材料の充填率を、実施例、従来例で比較したグラフである。 実施例５、実施例６、及び比較例３に用いた排出非阻害翼が１条の混練ロータの断面図である。 図８Ａの混練ロータを図８Ａの場合とは異なる回転位相で示した断面図である。 「３翼の例」に用いた排出非阻害翼が１条の混練ロータを示した断面図である。 排出非阻害翼の翼長を変化させた場合に、バレルの充填率がどのように変化するかを示した図である。

以下、本発明に係る連続混練機１の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、本発明の連続混練機１の実施形態を示している。本実施形態の連続混練機１は、内部が空洞に形成されたバレル２と、バレル２の内部を軸心方向に沿って挿通する一対の混練ロータ３、３とを有している。連続混練機１では、一対の混練ロータ３、３は互いに異方向に向かって噛み合い状態で回転しており、一対の混練ロータ３、３間で樹脂などの材料を混練を行う構成とされている。

なお、以降の説明において、図１の紙面の左側を連続混練機１を説明する際の上流側とし、紙面の右側を下流側とする。また、図１の紙面の左右方向を連続混練機１を説明する際の軸方向とする。
バレル２は軸方向に沿って長い筒状に形成されており、その内部は軸垂直方向の断面が２つの円が円周の一部同士を介して互いに重なっためがね形状の空洞となっている。バレル２は、上流側から軸方向に沿って複数の部分（図１の例では４つの部分）に分かれている。これら４つの部分は、上流側から順に、材料を供給するフィード部４、材料を混練する混練部５、材料の内圧を高める絞り部６、材料をバレル外に排出する排出部７で構成されている。

フィード部４は、バレル２の内外を連通するように上方に向かって開口した材料供給口８を備えている。この材料供給口８は、バレル２の下側（底側）の壁面を上下に貫通するように形成されており、バレル２内に材料を供給できるようになっている。また、材料供給口８には、材料を投入しやすくするために、上方に向かって漏斗状に広がるホッパ９が設けられている。

混練部５は、バレル２の軸方向の中途側、正確にはフィード部４の下流側に設けられた部分である。この混練部５に対応した位置の混練ロータ３には後述する混練フライト１０が用いられており、混練部５はフィード部４からバレル２内に供給された材料を混練フライト１０を用いて混練する部分となっている。
絞り部６は、混練部５のさらに下流側に配備された部分であり、混練部５に材料を滞留させて材料の混練度を調整する機能を備えている。絞り部６は、バレル２内を流通する材料の流れを遮断したり変化させたりすることができるゲート部材１１を備えており、ゲート部材１１で材料の流通速度を変化させることで混練度を調整できるようになっている。この絞り部６のさらに下流側、言い換えればバレル２の最も下流側には、混練された材料をバレル２の外部に排出する排出部７が設けられている。

混練ロータ３は、上述したバレル２の内部を挿通するように左右一対設けられている。各混練ロータ３は、それぞれの回転中心がバレル２の空洞をなす上記した２つの円の各中心と一致するように設けられている。各混練ロータ３は、バレル２の両端のさらに外側でそれぞれ軸受１２により支持されている。一対の混練ロータ３、３は、上述したフィード部４、混練部５、排出部７のそれぞれに対応して、互いに機能が異なる複数種のフライトを軸方向に備えている。

すなわち、フィード部４には螺旋状にねじれた翼形を利用して材料を下流側に送り出すスクリュフライト１３が設けられており、混練部５には材料にせん断力を付与することで材料を混練する混練フライト１０が設けられており、絞り部６には混練部５で混練された材料をバレル２外に排出する排出翼１４が設けられている。
図２は、図１の連続混練機１を排出部７の位置で切断した断面図（Ａ−Ａ線断面図）である。

図２に示すように、排出部７は、バレル２の最も下流側の端部に設けられた部分である。排出部７には、バレル２内の材料を排出する排出翼１４が設けられている。また、排出部７に軸方向に対応したバレル２の下側の外周壁には排出口１５が形成されており、排出部７では排出口１５を介して材料をバレル２外に送り出すことができるようになっている。

また、排出部７の先には、排出口１５から抜き出された材料を圧送するギアポンプ１６と、ギアポンプ１６から圧送されてきた材料から異物を除去するスクリーンチェンジャ１７と、スクリーンチェンジャ１７で異物が除去された材料を粒状のペレットに加工するペレタイザ１８とが設けられている。
ところで、本実施形態の連続混練機１は、排出部７に位置する混練ロータ３の排出翼１４が、周方向に少なくとも１条であることを特徴としている。

例えば、周方向に排出翼１４が１条だけとされている場合、排出部７から材料を排出する際に排出翼１４同士が干渉し合うことが無くなり、材料の排出が効率良く行われる。つまり、本実施形態の連続混練機１は、排出部７からの材料の排出性を高めるために、通常は複数条設けられる排出翼１４をあえて１条としたものとなっている。
なお、排出翼１４の設置数は１条を基本とするが、図３（ｃ）、図３（ｄ）の二点鎖線で示すような、翼の反対側に突起形状のような形で混練に影響を与えない程度の短い翼形状の部分が存在していても構わない。

具体的には、本実施形態の連続混練機１は、それぞれの混練ロータ３に設けられる排出翼１４を少なくとも１条とした上で、排出翼１４同士の配置関係、つまり排出翼１４の形状や位相差を、この連続混練機１に供給される材料の総流量に合わせて最適な数値に調整している。
つまり、上述した排出翼１４は、一方の混練ロータ３の排出翼１４と、他方の混練ロータ３の排出翼１４とが互いに接触しない程度の位相差δであって、材料の排出が最も効率良くなる位相差δをあけて回転するようになっている。この排出翼１４同士の間に形成される位相差δは、一対の排出翼１４が互いに干渉しない位相差δ_interfere（δ_interfereは翼形状により変化する、例えば５７°）より大きくするとよい。特に好ましくは、総流量がバレル２の内直径（直径）Ｄ_ｂの３乗の０．０００６４倍と大きい場合には、位相差δは、δ_interfere〜９０°および -δ_interfere〜 -９０°の範囲に設定すると良く、さらにこの範囲内でもできる限りδ_interfereに近い値とするのが好ましい。また、総流量がバレル２の内直径Ｄ_ｂの３乗の０．０００３２倍と小さい場合には、位相差δは、δ_interfere〜１８０°および -δ_interfere〜 -１８０°の範囲に設定しても良い。

また、排出翼１４の最大外径ｒ_ａ、言い換えれば混練ロータ３の軸心Ｃから排出翼１４の先端までの距離は、バレル２の内径（半径）をｒ_ｂとした場合に、０．９８５ｒ_ｂより小さい寸法とされている。そして、排出翼１４の先端には、バレルの内周面に正対する平面状に形成された頂部１９が設けられており、頂部１９の周方向に沿った幅Ｗは、バレル２の内径ｒ_ｂの０．０５倍以下とされている。

上記した排出翼１４の形状や位相差、及び材料の総流量との関係について詳しく説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、排出翼１４は、円筒形状とされた混練ロータ３の外周面から径外側に向かって突出するように形成されており、軸垂直方向に沿った断面が略三角形状とされている。排出翼１４は、混練ロータ３の外周面に少なくとも１条に亘って形成されていて、混練ロータ３の軸心Ｃの周りを螺旋を描くように捻れている。

また、図３（ｃ）に示すように、排出翼１４の先端にはバレル２の内周面に正対する頂部１９（ランド部）が形成されている。この頂部１９は、混練ロータ３の軸心Ｃから径方向に最大外径ｒ_ａだけ距離をあけて形成されており、バレル２の内径をｒ_ｂとした場合に、排出翼１４の頂部１９の最大外径ｒ_ａは、次の式（１）を満足する。

また、上述した排出翼１４の頂部１９は、周方向に沿った幅がＷとされていて、この頂部１９の幅Ｗはバレル２の内径ｒ_ｂを用いて式（２）のように示される。

上述した式（２）を満足することで、機械的強度の不足に起因する排出翼１４の破損を防止することが可能となる。なお、Ｗを極端に大きくする（Ｗ≫０．０５ｒ_ｂ）と、排出翼１４でのせん断エネルギが大きくなり過ぎるため、Ｗをできる限り０．０５ｒ_ｂに近づけた方がよい。
さらに、本実施形態の連続混練機１は上述したように噛み合い型とされており、排出翼１４の頂部１９の最大外径ｒ_ａと、混練ロータ３の軸心間の距離Ｌとの間に、次の関係が成立する。

そして、本実施形態の連続混練機１は、上述した式（１）〜式（３）に加えて、さらに一方の混練ロータ３の排出翼１４が、他方の混練ロータ３の排出翼１４に対して、位相差δ（回転位相差δ）だけずれて回転するようになっている。この位相差δは、一方の混練ロータ３の排出翼１４と、他方の混練ロータ３の排出翼１４とが互いに接触しない値とされており、また一方の混練ロータ３の排出翼１４が材料を排出している際に、この材料の排出を他方の排出翼１４の回転が阻害しない（干渉し合わない）ような値とされている。

具体的には、上述した位相差δは、一対の排出翼１４が互いに干渉しない位相差δ_interfereより大きくするとよい。特に好ましくは、総流量がバレル２の内直径Ｄ_ｂの３乗の０．０００６４倍と大きい場合には、位相差δは、δ_interfere〜９０°および -δ_interfere〜 -９０°の範囲に設定すると良く、さらにこの範囲内でもできる限りδ_interfereに近い値とするのが好ましい。また、総流量がバレル２の内直径Ｄ_ｂの３乗の０．０００３２倍と小さい場合には、位相差δは、δ_interfere〜１８０°および -δ_interfere〜 -１８０°の範囲に設定しても良い。

上述した式（１）〜式（３）の関係を満足した上で、このような位相差δで排出翼１４を噛み合わせれば、一方の混練ロータ３の排出翼１４が材料を排出している際に、もう一方の排出翼１４が材料をバレル２側に引き戻すことがなくなり、材料の総流量が0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）と多い場合にも、0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）と小さい場合にも排出部１４での材料の排出をスムーズに行うことが可能となる。

なお、排出翼１４同士の位相差δが上述した角度範囲となるのは、次のような実験結果に基づいている。
図４〜図６は、初期状態においてバレル２内の混練ロータ３の周囲に存在していた材料の流体が、混練ロータ３が回転するに連れて、バレル２内でどのように拡散していくかを、コンピュータシミュレーションで計算したものであり、排出部７から材料の流体がどのように排出されるかを示している。

なお、シミュレーションは２次元モデルで行った。そのため、実際の混練では軸方向の上流側から流れ込んできた材料の流体が排出口１５から排出されるが、本シミュレーションでは、バレル２の内部に上方から材料の流体を取り入れ、排出口１５から材料の流体が排出されるといった境界条件下で計算を行っている。
さらに、シミュレーションに用いた設定条件は、材料の流体の総流量が単位時間当たりの質量で0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）、または0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合であり、また材料の流体の密度が750kg/m³、さらに排出口１５付近の圧力が0.25MPaで、左側の混練ロータ３が軸方向の下流側から見て時計回り、右側の混練ロータ３が反時計回りに回転するというものである。

なお、図４は本実施形態の排出翼１４が設けられた排出部７であって、排出翼１４同士が位相差δ＝９０°とされている場合（実施例１）の結果を示している。また、図５は、本実施形態の排出翼１４を備えた混練ロータ３であるが、排出翼１４同士の位相差δが１８０°とされている場合（実施例２）の結果を示している。さらに、図６は、排出翼が３翼とされた従来の混練ロータを用いた場合（従来例）の結果を示している。

まず、図６の従来例の結果から説明する。
［従来例］
図６（ａ）は、従来例の連続混練機において、混練開始前のバレル内での材料分散状態を示したものである。図６（ａ）に示すように、混練開始前のバレル内には、材料の流体を示す要素が上下方向及び左右方向に規則正しく並んでいる。具体的には、これらの要素は、混練ロータの表面近傍を除く領域に配備されており、バレルの内部で上下方向及び左右方向に等しい間隔をあけて並んでいる。

また、バレル内には、上流側から一定の供給速度で新たな材料の流体が供給されるため、この新たに供給される材料の流体の挙動を予測するために、バレルの上側から新たな要素が単位時間当たりの質量で0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の流量で供給されているものとして、バレル内で各要素がどのように移動するかを計算した。
図６（ｂ）は、混練開始後に混練ロータが２０回転した場合に、材料の流体を示す各要素がバレル内のどの位置まで分散するかを分布図として示したものである。材料の流体を示す各要素は、図６（ａ）の状態に比べれば広範囲に分散しているものの、分散範囲はバレル内の混練ロータの周辺に限定されており、どの要素も排出部の外側に達しておらず、未だ排出が行われていないことが分かる。つまり、混練ロータが２０回転した後でも、材料の排出能力に乏しい従来の連続混練機では、材料の排出が十分に行われていないことが分かる。

図６（ｃ）は、混練ロータが２０回転した時点で、バレル内の各位置にある材料の流体がどの方向に移動しつつあるかを、矢印の向きで示したものである。排出口に近い側に配備された混練ロータ（図６の紙面における左側の混練ロータ）に着目した場合、混練ロータのすぐ下側では、矢印の向きはいずれもバレルの外側を向いており、材料を排出する向きに材料が流れつつあることが分かる。

ところが、混練ロータから下方に離れるにつれて、矢印の向きはバレルの内側を向くようになり、材料をバレル内に引き戻す向きに材料が流れていることが分かる。また、排出口から遠い側に配備された混練ロータ（図６の紙面における右側の混練ロータ）の周囲では、矢印の向きは殆どがバレルの内側を向いており、材料をバレル内に引き戻す流れが支配的であることが分かる。

このことから、従来例の混練ロータでは、一方の混練ロータで材料を排出しようとしても、他方の混練ロータで材料をバレル内に引き戻す方向に材料が流れ、バレル内を全体で見れば図６（ｂ）に示すように材料が殆ど分散せずバレル内に停滞してしまうことが分かる。
なお、この図６（ａ）〜図６（ｂ）の結果は流量が0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合のものであるが、流量が0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合にも同様な結果が得られることを発明者は確認している。つまり、上述したように３翼の排出翼を用いた場合に材料が殆ど分散せずバレル内に停滞してしまうという結果は、流量が0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合にも0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合にも同様に得られる。
［実施例１］
図４（ａ）は、図６（ｂ）と同様に実施例１（位相差が９０°）の連続混練機１において、混練ロータ３が２０回転した場合の材料の流体の分布状態を、材料の総流量が0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合について分布図として示したものである。図４（ａ）では、各要素（材料の流体）が、図６（ｂ）の場合に比べてバレル２内で広範囲に分散しており、上述した従来例の排出翼に比べると材料を排出する能力が高いことがわかる。

図４（ｂ）は、図６（ｃ）と同様に２０回転後にバレル２内の各位置で材料がどの方向に移動しつつあるかを、矢印の向きで示したものである。排出口１５に近い混練ロータ３（図４の紙面の左側の混練ロータ）に着目した場合、混練ロータ３の左側〜下側にかけての広い範囲で、矢印の向きはいずれもバレル２の外側を向いており、材料を排出する向きに材料が流れていることが分かる。

一方、排出口１５から遠い混練ロータ３（図４の紙面の右側の混練ロータ３）の下側では、図６（ｃ）と同様に矢印の向きはいずれもバレル２の内側を向いており、材料をバレル２内に引き戻す向きに材料の流れが生じている。しかし、図４（ａ）の排出口１５の下側に位置する部分では、材料の流れ方向はいずれも排出側を向いており、材料を引き戻す流れは生じているものの、排出口１５に近い混練ロータ３の流れには殆ど影響しておらず、図６（ｃ）の場合に比べればバレル２内に材料を引き戻す作用が弱いことが分かる。

なお、混練ロータ３の回転状態によっては、図４（ｃ）に示すように、右側の混練ロータ３で排出しようとする材料を左側の混練ロータ３が引き戻すといった流れが生じる場合もある。この図４（ｃ）の状態においても、排出口１５に遠い側の混練ロータ３の近傍でバレル２の外側を向いて流れる材料に生じており、排出口１５に近い側の混練ロータ３の近傍でバレル２の内側を向く流れが材料に生じているが、材料の流れはバレル２全体で見
れば排出方向を向いている。

このことから、実施例１の連続混練機１では、一方の混練ロータ３で材料を排出しようとする材料の流れが生じ、他方の混練ロータ３では材料をバレル内に引き戻す方向に材料の流れが生じるが、バレル２内全体で見れば材料は排出側に向かって流れており、材料を排出する能力が従来の連続混練機に比して優れていることが分かる。
また、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す実施例１は、流量が0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合の結果であるが、流量が0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）とされた場合（図７に示す実施例３の場合）にも同様な結果が得られることを発明者は確認している。つまり、上述した結果は0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）または0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）のいずれの流量についても同様に成立する。
［実施例２］
最後に、実施例２の連続混練機１での結果を説明する。

図５（ａ）は、実施例２（位相差が１８０°）の連続混練機１において、図４（ａ）や図６（ｂ）と同様に混練ロータ３の回転数が２０回転の場合に、バレル２内における各要素（材料の流体）の位置を分布図として示したものである。図５（ａ）に示す各要素は、図６（ｂ）の場合に比べればバレル２内で広範囲に分散しているが、図４（ａ）の場合に比べれば分散している範囲は狭くなっており、従来例の排出翼に比べれば材料を排出する能力は高いものの、実施例１ほど排出能力は高くないことが分かる。

また、図５（ｂ）は、図４（ｂ）や図６（ｃ）と同様に２０回転後にバレル２内の各位置で材料がどの方向に移動しているかを、矢印の向きで示したものである。排出口１５に近い混練ロータ３（図５の紙面の左側の混練ロータ３）の下側では、混練ロータ３の近傍の位置では矢印の向きはいずれもバレル２の外側を向いているものの、混練ロータ３から離れた位置では材料を引き戻す向きに材料が流れている。

また、排出口１５から遠い混練ロータ３（図５の紙面の右側の混練ロータ３）の下側では、図４（ｂ）や図６（ｃ）と同様に矢印の向きはいずれもバレル２の内側を向いており、材料をバレル２内に引き戻す向きに材料の流れが生じている。
図５（ｃ）は、右側の混練ロータ３で排出しようとする材料を左側の混練ロータ３が引き戻すといった流れが生じる場合についてのものである。この図５（ｃ）でも、排出口１５から遠い側の混練ロータ３の近傍でバレル２の外側を向く流れが材料に生じているものの、排出口１５に近い側の混練ロータ３の近傍で生じるバレル２の内側を向く流れの方が強い。

つまり、実施例２の連続混練機１では、一方の混練ロータ３で生じる材料を排出しようとする流れに比して、他方の混練ロータ３で生じる材料をバレル２内に引き戻す方向の流れの方がやや優勢であり、材料を排出する能力は従来例よりは良好であるものの、実施例１ほど強くないことが分かる。
なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す実施例２は流量が0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合の結果であるが、流量が0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合（図７に示す実施例４の場合）には、実施例２とは異なり高い排出能力が発揮されることを発明者は確認している。つまり、位相差が１８０°の排出翼１４を用いる場合、材料の流量が0.00064×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合には排出能力が低くくなるが、材料の流量が0.00032×(Ｄ_ｂ)^３（kg/h）の場合には、高い排出能力を発揮し、両者は異なる結果となる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、上述した従来例、実施例１〜実施例４について、排出部１５における材料の充填率の推移を比較して示した図である。図７の横軸は混練ロータ３の累積回転数であり、縦軸は充填率である。また、図７（ａ）は、材料の流量がバレル内直径Ｄ_ｂが０．０００６４倍とされた実施例１、実施例２及び従来例１の充填率を示しており、図７（ｂ）は、材料の流量がバレル内直径Ｄ_ｂの０．０００３２倍とされた実施例３、実施例４及び従来例２の充填率を示している。

流体の総流量を、単位時間当たりの質量で、バレルの内直径Ｄ_ｂの３乗の０．０００６４倍とした図７（ａ）の結果では、位相差が９０°の実施例１の結果からも明らかなように、混練ロータ３の累積回転数が大きくなっても、充填率は８０％前後のままであり、十分な排出能力を備えていることがわかる。ところが、実施例２の結果を見ると、混練ロータ３の累積回転数が大きくなるに連れ、充填率は徐々に大きくなり、９２％前後のままで上昇する。このことから、実施例２の排出能力は実施例１ほど大きいものではないことがわかる。さらに、従来例１の結果を見ると、混練ロータ３の累積回転数が大きくなるに連れ、充填率は９７％まで急激に大きくなり、その後も上昇し続ける。このことから、１翼の排出翼は、３翼の排出翼よりも高い排出能力があり、排出ロータ形状として適していると考えられる。

一方、材料の流量が、単位時間当たりの質量で、バレル２の内直径Ｄの３乗の０．０００３２倍とされた図７（ｂ）の結果では、排出翼１４が１翼の場合は、位相差が９０°の実施例３でも、位相差が１８０°の実施例４でも、累積回転数が大きくなると充填率が８０％以下で安定し、十分な排出能力があることがわかる。
一方、３翼ロータの従来例２については、累積回転数が大きくなると、充填率が９３％程度まで大きくなりバレル内が材料でほぼ完全に充満していることがわかる。このことから、従来例２の排出能力は従来例１と同様に非常に小さいものと考えられる。

また、以上のことから、排出翼１４の位相差δを一対の排出翼１４が互いに干渉しない位相差δ_interfere〜９０°の範囲とすれば、排出部７で材料の排出をスムーズに行って、良好な混練品質を維持しつつ効率良く混練を行うことができると判断される。
ところで、上述した図３（ｃ）、図３（ｄ）中で二点鎖線で示したように、排出翼１４の反対側に突起形状のような形で混練に影響を与えない程度の短い翼形状の部分が存在していても、本願発明が有する優れた混練材料の排出性の作用効果を得ることができる。このような短い翼形状の部分は排出翼１４の排出性を阻害しないものとなっており、本願明細書では排出非阻害翼２０と称する。以降では、排出非阻害翼２０について説明する。

なお、本願発明の排出非阻害翼２０は、排出翼１４の排出性を阻害しないという意味で「排出非阻害翼」と呼称しているが、バレル２内の混練材料の吸込み作用を生じない「非吸込み翼」ということもできる。
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、排出非阻害翼２０は、上述した排出翼１４と同様に、排出部７に位置する混練ロータ３に形成されるものとなっている。具体的には、この排出非阻害翼２０は、排出翼１４の設置箇所とは異なる箇所に、少なくとも１条以上設けられている。この排出非阻害翼２０の設置数は１翼であっても良いし、２翼以上であっても良い。なお、図８Ａ及び図８Ｂでは、１条の排出翼１４と１条の排出非阻害翼２０とが設けられ、外観上は２条とされた連続混練機を例に挙げている。また、図９では、１条の排出翼１４と２条の排出非阻害翼２０とが設けられ、外観上は３条とされた連続混練機を例に挙げている。

この排出非阻害翼２０は、混練ロータ３の外周面に、排出翼１４と均等な間隔をあけて配備されている。そのため、排出非阻害翼２０の設置数が１翼の場合には、排出翼１４と混練ロータ３の軸心Ｃを挟んで反対側の位置に、つまり軸心Ｃを中心に１８０°の位相差をあけて排出非阻害翼２０が形成されることとなる。また、排出非阻害翼２０の設置数が２翼の場合には、混練ロータ３の軸心Ｃを中心として排出翼１４と排出非阻害翼２０とがほぼ１２０°の位相差をあけて形成されることとなる。

ただし、これらの排出非阻害翼２０と排出翼１４の位置関係は一例を示すものであり、排出非阻害翼２０と排出翼１４とは均等な間隔を有していなくとも良い。
排出非阻害翼２０は、排出翼１４と同様に外周側に向かって突出した断面形状を備えている。バレル２の内径をｒ_ｂとした場合に、排出非阻害翼２０が設けられた部分の混練ロータ３の最大外径ｒ_ｃが、０．９５ｒ_ｂ以下となるように形成されたものとなっている。詳しくは、排出非阻害翼２０は、混練ロータ３の軸心Ｃから頂部２０ａまでの長さ（以降、翼長という）が、上述した排出翼１４より若干短く形成された翼であるが、このわずかな翼長の差により混練材料に対する排出性を大きく変化可能なものとなっている。

つまり、排出翼１４と同じ翼長を持つような翼を排出部７に新たに１条設けると、新たな翼によってバレル２の外部に排出された混練材料を再びバレル２内に戻すような逆流（例えば、図６（ｃ）の○内に示すような流れ）が発生する。そのため、排出翼１４と同じ翼長の翼を排出翼１４の他に設けると混練材料の排出性が悪化する。しかし、排出翼１４より翼長が短い翼を排出非阻害翼２０として排出翼１４に加えて設けるのであれば、上述した混練材料の逆流は殆ど発生せず、混練材料の排出性を良好な状態に保持することが可能となる。

次に、混練材料に対する排出性に殆ど影響を及ぼさないような排出非阻害翼２０の翼長について説明する。
本願発明の連続混練機１においては、排出非阻害翼２０の翼長は、混練ロータ３の軸心Ｃから排出非阻害翼２０の頂部２０ａまでの長さであり、「ｒ_ｃ」で示される。この排出非阻害翼２０の翼長ｒ_ｃは、混練ロータ３の軸心Ｃからバレル２の内周面までの長さ（バレル２の内径）をｒ_ｂとした場合に、０．９５ｒ_ｂ以下、より好ましくは０．９２ｒ_ｂ以下となるように形成されたものとなっている。排出非阻害翼２０を０．９５ｒ_ｂ以下、より好ましく０．９２ｒ_ｂ以下の長さとすれば、混練材料の排出性が排出翼１４に比べて低下するため、排出部７から一旦排出された混練材料をバレル２内に引き戻すような逆流を生起することがなくなり、バレル２内の混練材料をスムーズに排出することが可能となる。

また、排出翼１４に対する排出非阻害翼２０の特徴を示すのに翼長を用いるのではなく、各翼の頂部からバレル２の内周面までのクリアランスを用いることもできる。
つまり、上述した排出翼１４の頂部１９からバレル２の内周面までのクリアランスをＣＬ１、また排出非阻害翼２０の頂部２０ａからバレル２の内周面までのクリアランスをＣＬ２とした場合に、これらのクリアランス比（ＣＬ２／ＣＬ１）が以下の式（４）に示されるような関係を満足する場合に、本願発明の排出非阻害翼２０が設けられていると考えることもできる。

言い換えれば、式（４）の関係は、上述したバレル２の内径をｒ_ｂ、排出非阻害翼２０の翼長をｒ_ｃとし、さらに混練ロータ３の軸心Ｃから排出翼１４の頂部１９までの距離をｒ_ａとした場合に、式（５）のように示すこともできる。

上述のような式（４）及び式（５）を満足する翼長に排出非阻害翼２０を形成すれば、混練ロータ３の回転に合わせて排出非阻害翼２０が移動しても、バレル２内の混練材料に逆流が発生し難くなる。その結果、排出翼１４に加えて排出非阻害翼２０を排出部７に設けても、１翼の排出翼１４により得られた排出性が損なわれることがない。そのため、排出翼１４が１条だけのときと同様な優れた排出性を得ることが可能となる。

次に、実施例及び比較例を用いて、上述した排出非阻害翼２０の翼長と排出性との関係、つまり排出翼１４に加えて排出非阻害翼２０を設けた場合の作用効果を更に詳しく説明する。
実施例及び比較例は、いずれも排出非阻害翼２０の翼長を変えた混練ロータ３が挿入されたバレル２内において、バレル２内の混練材料がどのように分散していくかをコンピュータシミュレーションを用いて解析したものである。

なお、「実施例５」、「実施例６」、及び「比較例３」は、いずれも排出翼１４が１条、排出非阻害翼２０が１条の２翼の混練ロータ３を用いている。また、「３翼の例（実施例７）」は、排出翼１４が１条、排出非阻害翼２０が２条の３翼の混練ロータ３を用いた例である。
さらに、これらの実施例５、実施例６、実施例７（３翼の例）及び比較例３は、表１に示すように、クリアランス比（排出翼１４の頂部からバレル２の内周面までのクリアランスに対する、排出非阻害翼２０の頂部からバレル２の内周面までのクリアランスの比（ＣＬ２／ＣＬ１））を２４８〜１６３０％の範囲で変化させたものとなっている。

このようにして排出非阻害翼２０の翼長を変化させた場合に、バレル２内の混練材料がどのように分散していくかを充填率の変化として評価した。結果を図１０に示す。

図１０の実施例５（バツ印の凡例）の結果を見ると、累積回転数が増加するにつれて、充填率は徐々に小さくなっており、バレル２内の混練材料が排出されていることが分かる。また、このような累積回転数の増加に伴って充填率が低下する傾向は、実施例５より排出非阻害翼２０の翼長が大きい実施例６（白抜きの四角の凡例）に対しても、同様に見受けられる。しかし、バレル内径ｒ_ｂに対する比率で表現すれば、この比率が７５．６８％の実施例５や９２．１２％の実施例６では、充填率が低下する傾向が見られるが、さらに排出非阻害翼２０の翼長が大きい比較例３（実線の凡例）では、異なったものとなる。つまり、排出非阻害翼２０の翼長がバレル内径ｒ_ｂに対する比率で９６．３０％となる比較例では、累積回転数が増加しても充填率は上昇したまま低下することがなく、混練材料がバレル２外に排出されるどころか、バレル２内に充填されたまま排出されないことになる。

そこで、本願発明の連続混練機では、良好な排出性が得られる９２．１２％と、排出性が悪くなる９６．３０％との間である９５％を排出非阻害翼２０の翼長の境界値（上限値）として採用し、排出非阻害翼２０の翼長がバレル内径ｒ_ｂの９５％以下、より好ましくはバレル内径ｒ_ｂの９２％以下とした場合に、バレル２内から混練材料が良好に排出されるものと判断している。

なお、この排出非阻害翼２０の翼長と排出性との関係は、排出非阻害翼２０の翼数が１条以上の場合にも成立する。
すなわち、実施例７として示す「３翼の例（黒塗りの三角形の凡例）」は、翼長がバレル内径ｒ_ｂの８８．６６％の排出非阻害翼２０が２条設けられたものである。図１０を見ると、この実施例７の充填率も、翼数が１条の実施例５や実施例６と同様に累積回転数の増加に伴って低下する傾向を示しており、翼数が実施例５や実施例６より多い実施例７でも排出性を良好にできる作用効果が得られていることが分かる。

以上のことから、排出翼１４に比べて翼長が若干短い程度の排出非阻害翼２０であっても、翼長をバレル内径ｒ_ｂの９５％以下、より好ましくはバレル内径ｒ_ｂの９２％以下にすれば、混練材料の排出性を阻害しないものとなり、さらにこのような排出非阻害翼２０が２条以上設けられていても良好な排出性には影響がないと判断される。
また、上述した排出非阻害翼２０の特徴は、バレル２の内周面との間のクリアランスを用いても規定することができる。すなわち、排出翼１４の頂部からバレル２の内周面までのクリアランスをＣＬ１、排出非阻害翼２０の頂部からバレル２の内周面までのクリアランスをＣＬ２とした場合に、クリアランス比（ＣＬ２／ＣＬ１）を百分率を用いて表１のように示すことができる。

この表１のクリアランス比では、クリアランス比が２４８％の場合が比較例３、クリアランス比が１６３０％、３３７％、７０４％の場合が実施例５、６、７となっている。このことから、クリアランス比を用いた場合、クリアランス比が３００％以上、言い換えれば排出翼１４のクリアランスの３．０倍以上のクリアランスとなるように排出非阻害翼２０の翼長を設定した場合、より好ましくは排出翼１４の３．４倍以上のクリアランスとなるように排出非阻害翼２０の翼長を設定した場合に、良好な排出性を保持することが可能
になると考えられる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 連続混練機
２ バレル
３ 混練ロータ
４ フィード部
５ 混練部
６ 絞り部
７ 排出部
８ 材料供給口
９ ホッパ
１０ 混練フライト
１１ ゲート部材
１２ 軸受
１３ スクリュフライト
１４ 排出翼
１５ 排出口
１６ ギアポンプ
１７ スクリーンチェンジャ
１８ ペレタイザ
１９ 頂部
２０ 排出非阻害翼
２０ａ 排出非阻害翼の頂部

Claims (6)

1. 内部が空洞とされたバレルと、当該バレルに収容された一対の混練ロータとを備え、これら一対の混練ロータが異なる回転方向に向かって噛み合い状態で回転する連続混練機であって、
   前記バレル内には、前記混練ロータの軸方向に沿って、材料を供給するフィード部、材料を混練する混練部、混練された材料をバレル外に排出する排出部が順に設けられており、
   前記排出部に位置する混練ロータが、周方向に少なくとも１条の排出翼を備えており、
   前記排出翼の頂部の最大外径ｒ _ａ と、前記混練ロータの軸心間の距離Ｌとの間に、ｒ _ａ ＞０．５Ｌという関係が成立し、前記一対の混練ロータの排出翼の回転領域が重なっていると共に、
   前記一対の混練ロータのそれぞれに備えられた排出翼が、互いに接触せずに回転するように、前記一対の混練ロータ間の回転位相差が設定されていることを特徴とする連続混練機。
2. 前記回転位相差は、一対の排出翼が干渉し合う位相差より大きい角度であって、且つ９０°より小さい値とさ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。
3. 前記バレルの内径をｒ_ｂとした場合に、前記排出翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径ｒ_ａが、０．９８５ｒ_ｂより小さくされていることを特徴とする請求項１または２に記載の連続混練機。
4. 前記排出翼の先端には、バレルの内周面に正対する頂部が設けられており、
   前記頂部の周方向に沿った幅が、前記バレルの内径ｒ_ｂの０．０５倍以上とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の連続混練機。
5. 前記排出部に位置する混練ロータにおける、前記排出翼の設置箇所とは異なる箇所には、前記バレル外への混練された材料の排出を阻害しない排出非阻害翼が少なくとも１条以上設けられており、
   前記排出非阻害翼は、前記バレルの内径をｒ_ｂとした場合に、前記排出非阻害翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径ｒ_ｃが、０．９５ｒ_ｂ以下となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の連続混練機。
6. 前記排出部に位置する混練ロータにおける、前記排出翼の設置箇所とは異なる箇所には、前記バレル外への混練された材料の排出を阻害しない排出非阻害翼が少なくとも１条以上設けられており、
   前記排出非阻害翼の先端には、バレルの内周面に正対する頂部が設けられており、
   前記排出翼の頂部からバレルの内周面までのクリアランスに対する、前記排出非阻害翼の頂部からバレルの内周面までのクリアランスの比が、３．０以上とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の連続混練機。