JP7058542B2

JP7058542B2 - 押出機及び混練押出方法

Info

Publication number: JP7058542B2
Application number: JP2018081294A
Authority: JP
Inventors: 亮太福井; 嘉隆木村; 明久岡本
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: JP2019188638A

Description

本発明は、押出機及び混練押出方法に関する。

押出機は、通常、シリンダと、シリンダの内部に収容されるスクリュと、を備える。押出機に供給される原料は、シリンダの内部でスクリュによって混練され、所定の物性及び形状を有する成形品として押し出される。
特許文献１には、第１スクリュと、第２スクリュと、第１スクリュ及び第２スクリュを内接するシリンダと、シリンダの最上流位置に位置する原料供給用のホッパと、ホッパより下流に位置する副原料供給用のサイドフィーダと、ダイスと、を有する押出機が記載されている。ホッパより供給された原料とサイドフィーダより供給された副原料は混練され、ダイスからストランド状の混練物が吐出される。
特許文献２には、押出されたストランドを切断することでペレットを製造する水中造粒装置が記載されている。水中造粒装置は、ダイスと、ダイスに対向する面に放射状に配設された回転自在な複数のカッターと、を備える。ダイスより押出された細紐状の樹脂材料（ストランド）を、ダイスの表面に沿って回転駆動されるカッターが等間隔に切断することで、ペレットが製造される。

特開２０１０－１８４３７２号公報特開平９－１４１６５２号公報

特許文献１に記載の押出機で製造されるストランド状の混練物は一つ一つの形状が大きく、扱いにくい。ストランド状の混練物に特許文献２のカッターを適用することでペレットを製造できるが、押出機は、別途、回転駆動するカッターを備える必要がある。このため、特許文献１に記載の押出機に特許文献２の技術を適用する場合には、装置が大掛かりなものとなる。
そこで、本発明の目的は、上述した課題を鑑み、取扱いの容易な大きさの混練物を簡便な構成で製造できる押出機及び混練押出方法を提供することにある。

本発明に係る押出機は、端部に開口を有するシリンダと、前記シリンダの内部を前記シリンダの長軸と平行に延び、前記開口側の外周部に螺旋状のフライトが形成された少なくとも１つのスクリュと、を備え、前記スクリュにより生成された混練物を前記シリンダの前記開口から直接外部に吐出する押出機であって、前記スクリュの軸方向において前記スクリュと接触しない位置で前記シリンダに固定された固定部材である切断手段を備え、前記切断手段は、前記シリンダの前記開口のうち実際に前記混練物が吐出される帯状の領域である混練物吐出領域と平行な領域の一部を塞ぎ、前記混練物吐出領域から吐出される前記混練物を切断する。
本発明に係る押出機では、供給された原料はシリンダの内部でスクリュによって混練されて混練物となり、開口から吐出する。スクリュの開口側に螺旋状のフライトが形成されているため、混練物吐出領域における混練物の吐出位置はスクリュの回転に伴い、混練物吐出領域に沿って移動する。混練物吐出領域に沿って吐出位置を変えながら吐出する混練物はシリンダに固定された切断手段に押し当てられる。これにより、吐出される混練物の側面に切断手段からのせん断力が働き、混練物は、間歇的に切断される。すなわち、押出機は、取扱いの容易な大きさの混練物を製造できる。また、切断に必要な切断手段は固定部材であるため、押出機は、簡便な構成である。
本発明に係る混練押出方法は、シリンダの内部を前記シリンダの長軸と平行に延びる少なくとも１つのスクリュが原料を混練して混練物を生成し、該生成した混練物を前記シリンダの開口から直接外部に吐出する工程と、前記シリンダの前記開口のうち実際に前記混練物が吐出される帯状の領域である混練物吐出領域と平行な領域の一部を塞ぎ、前記スクリュの軸方向において前記スクリュと接触しない位置で前記シリンダに固定された固定部材である切断手段が、前記混練物吐出領域から吐出される前記混練物を切断する工程と、を有する。

本発明に係る押出機及び混練押出方法によれば、取扱いの容易な大きさの混練物を簡便な構成で製造することができる。

本発明の第１実施形態である押出機を示す側面図である。図１の押出機の開口の部分を示す図である。図１に示した押出機の開口から吐出する混練物の吐出位置の移動を示す図である。図２（ａ）のＧ部の拡大図である。図１に示した押出機の変形例を示す図である。図１に示した押出機の別の変形例を示す図である。本発明の第２実施形態である押出機を示す図である。図７に示した押出機の開口から吐出する混練物の吐出位置の移動を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
＜構成＞
図１は、本発明の第１実施形態である押出機の側面図である。図２（ａ）は、図１の矢印Ｆ側から見た押出機の開口の正面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面の構成を示す押出機１の断面図である。図１及び図２を参照すると、押出機１は、シリンダ１１と、第１のスクリュ１２と、第２のスクリュ１３と、４つの切断手段１４と、締結ボルト１５と、を備える。押出機１は２軸押出機であり、シリンダ１１の内部に備える第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３を用いて、原料を混練して混練物を生成し、シリンダ１１の開口１１５から混練物を吐出する。以下に押出機１の各構成部品の構成を説明する。
シリンダ１１は、細長い形状を有し、本体部１１１と吐出部１１２とを備える。本体部１１１と吐出部１１２とは、一体となってシリンダ１１の長軸方向に延びる内孔１１３を形成している。内孔１１３は、シリンダ１１の両端間を延び、一端にシリンダ１１の内部で混練された混練物を吐出する開口１１５が形成されている。シリンダ１１の開口１１５が形成されている面を吐出面１１４という。

第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３は、互いに噛合いながら内孔１１３の内部をシリンダ１１の長軸と平行に延びている。第１のスクリュ１２は、図２（ａ）の回転方向１２６に回転し、第２のスクリュ１３は、図２（ａ）の回転方向１３６に回転する。すなわち、第１のスクリュ１２と第２のスクリュ１３とは、同方向に回転する。第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３は、回転することで、内孔１１３の内部の原料を混練して混練物を生成し、開口１１５の方向に移送する。以下に第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３のより詳細な構成を説明するが、第２のスクリュ１３の断面は、第１のスクリュ１２の断面と同一であるため、図２（ｂ）を用いて、第２のスクリュ１３の構成も併せて説明する。図２（ｂ）の括弧内の符号は、第２のスクリュ１３の構成要素を示す符号である。第１のスクリュ１２の開口１１５側の外周部には、螺旋状のフライト１２２が形成されている。第２のスクリュ１３の開口１１５側の外周部には、螺旋状のフライト１３２が形成されている。第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３のフライト１２２，１３２が形成された部分は、内孔１１３に配置されており、開口１１５から突出していない。シリンダ１１の内壁１１６と第１のスクリュ１２のフライト１２２との間、及びシリンダ１１の内壁１１６と第２のスクリュ１３のフライト１３２との間にはそれぞれ間隙１８が形成される。フライト１２２，１３２の溝端部１２５，１３５は、開口１１５と近接する。さらに、第１のスクリュ１２は、スクリュキャップ１２１を備え、第２のスクリュ１３は、スクリュキャップ１３１を備える。それぞれのスクリュキャップ１２１，１３１は円柱形状を有し、その外径は、フライト１２２，１３２の頂部（最大外径部）１２３，１３３の外径よりも小さい。それぞれのスクリュキャップ１２１，１３１は、フライト１２２，１３２の溝端部１２５，１３５と接し、開口１１５より突出している。

第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３は、開口１１５に帯状ないし８の字状の混練物吐出領域２１を形成している。ここで、混練物吐出領域２１とは、開口１１５において、実際に混練物が吐出する領域のことをいう。図３を用いて、より詳細に混練物吐出領域２１を説明する。図３は、開口１１５から吐出する混練物の吐出位置１９の移動を示す図である。押出機１が混練物の混練押出を行う際、押出機１は、開口１１５から細い紐状の混練物を吐出する。図３では、ある時刻における、細い紐状の混練物が吐出する吐出位置１９を示している。吐出位置１９は、時間の経過（第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３の回転）とともに矢印２０が示す方向に移動する。すなわち、細い紐状の混練物の吐出位置１９は、開口１１５の縁に沿って移動する。つまり、混練物吐出領域２１（図３のハッチング部）は、開口１１５において、吐出位置１９が矢印２０に沿って移動するときに、吐出位置１９が通る帯状の領域である。換言すると、混練物吐出領域２１とは、吐出位置１９が開口１１５上で移動できる領域のことである。吐出位置１９が混練物吐出領域２１に沿って移動するのは、第１のスクリュ１２と第２のスクリュ１３が開口１１５側の外周部に螺旋状のフライト１２２，１３２を備えているためである。

再び図２を参照する。切断手段１４は、ブロック状の部材からなり、吐出面１１４上の固定部に締結ボルト１５を用いて固定されている。切断手段１４は、帯状の混練物吐出領域２１（図３参照）の一部を塞いでおり、帯状の混練物吐出領域２１の中心線２６（図３参照）の長さを略等分割（４等分）する４箇所の位置に固定される。また、別の見方をすると、切断手段１４は、開口１１５における第１のスクリュ１２の中心と第２のスクリュ１３の中心とを繋ぐ直線１６と直交し、かつ第１のスクリュ１２の回転軸１２４を通る第１の直線２７又は第２のスクリュ１３の回転軸１３４を通る第２の直線２８上に固定されている。より一般的には、切断手段１４は、第１のスクリュ１２の中心を通る第１の直線２７上と、第１の直線２７と平行で第２のスクリュ１３の中心を通る第２の直線２８上と、に固定されている。切断手段１４の位置及び数はこれに限定されず、混練物を略同一長に切断できる限り様々に変更することができる。例えば混練物をより短く切断したい場合は５以上の切断手段１４を混練物吐出領域２１に沿って設けることができる。各切断手段１４は、第１のスクリュ１２又は第２のスクリュ１３の回転方向１２６，１３６と対向する側、すなわち混練物吐出領域２１に沿って移動する混練物の吐出位置１９と最初に交差する位置に混練物を切断する刃１４１を有している。図４は、図２（ｂ）のＧ部の拡大図である。図４を参照すると、切断手段１４の端部１４２は、スクリュキャップ１２１の側面と近接対向する。なお、端部１４２とスクリュキャップ１２１の間の隙間２５は、第１のスクリュ１２が回転したときに端部１４２とスクリュキャップ１２１が干渉しない程度の長さが必要であるが短いほうが好ましい。

＜混練押出方法＞
次に図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、押出機１を用いた混練押出方法について説明する。
押出機１が混練押出を行う場合、押出機１のシリンダ１１の上流側にある原料供給部１１７（図１参照）に原料が供給される。原料供給部１１７に原料が供給されるときには、第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３は、共に回転をしている。これにより、供給された原料は、混練されて混練物に加工されると共に、シリンダ１１と第１及び第２のスクリュ１２，１３との間の空間を通り、開口１１５の方向へと移送される。混練物は第１及び第２のスクリュ１２，１３の回転と同調して回転しながら、フライト１２２，１３２間の溝に沿って回転軸１２４，１３４と平行な方向に移送され、また、シリンダ１１の内部の混練物は混練物吐出領域２１まで連続している。従って、もし切断手段１４がなければ、混練物は混練物吐出領域２１に沿って吐出位置１９を変えながら、螺旋状に吐出されることになる。
しかし、本実施形態では、上述したように切断手段１４が混練物吐出領域２１の一部を塞いでいる。吐出位置１９が移動して切断手段１４の位置に到達すると、細い紐状の混練物の側面に切断手段１４の刃１４１が押し当てられ、混練物に刃１４１からのせん断力が加わる。これにより、混練物は間歇的に切断され、押出機１は、取扱いの容易な塊状の混練物を製造することができる。より詳細には、切断された混練物は、球又は紐に近い形状を有している。当該球又は当該紐の大きさは同体積の球に換算した時の直径が、押出機１のシリンダ１１の内径（フライト１２２，１３２の頂部１２３，１３３の外径と略等しい径）の１／４倍から数倍程度である。

＜作用・効果＞
本実施形態に係る押出機１は、大型の回転するカッターを備えることなく、上述したように、取扱いの容易な大きさの混練物を製造することができる。すなわち、押出機１は、取扱いの容易な大きさの混練物を簡便な構成で製造することができる。なお、製造された混練物は、後工程の原料として用いることができる。
押出機１は、切断手段１４の混練物を切断する側に刃１４１が設けられている。これにより、混練物を容易に切断でき、かつ切断された混練物の切断面が粗くないきれいな形状とすることができる。
また、第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３の回転速度が一定の場合、単位時間あたりの混練物の吐出量が一定となり、単位時間あたりに吐出する混練物の長さも一定となる。切断手段１４は、混練物吐出領域２１に沿って均等に配置されているため、混練物は、等しい間隔のタイミングで切断される。よって、押出機１は、均等な長さの混練物を製造することができる。
さらに、図４に示したように切断手段１４は、スクリュキャップ１２１と近接している。仮に、切断手段１４とスクリュキャップ１２１とが離れていて、隙間２５が広い場合、刃１４１に切断される混練物が刃１４１に押し当てられたときに混練物の一部が隙間２５に進入して切断されない場合がある。しかし、押出機１は、隙間２５が狭いため、混練物が切断されない不具合が発生しにくい。

＜変形例＞
図５（ａ）は、押出機１の変形例を示す正面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ－Ａ断面の構成を示す押出機１の断面図である。図５に示すように、押出機１は、吐出面１１４と切断手段１４との間に薄板状のスペーサ２２を備えてもよい。すなわち、切断手段１４は、開口１１５と平行な面の一部ないし混練物吐出領域２１と平行な領域の一部を塞いでいてもよい。なお、図５では、押出機１はスペーサ２２を２枚備えるが、１枚又は３枚以上のスペーサ２２を備えてもよい。原料の混練時には、シリンダ１１の内部は、原料の圧縮とヒータによる加熱で高温となる場合がある。このため、第１のスクリュ１２及び第２のスクリュ１３が熱膨張し、フライト１２２，１３２の溝端部１２５，１３５が開口１１５の方向に移動する場合がある。スペーサ２２を備えることで、溝端部１２５，１３５と切断手段１４の接触を防止することができる。
また、切断手段１４は、ブロックに限られない。例えば、切断手段１４は、板状や、線状の部材でもよい。板状や、線状の部材を上記のブロックと同様に吐出面１１４に固定した場合でも、混練物は、板状や、線状の部材に押し付けられ、切断される。

図６（ａ）は、押出機１の別の変形例を示す正面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ａ断面の構成を示す押出機１の断面図である。図６に示すように、押出機１は、切断手段１４の代わりに、切断手段２４を備えてもよい。切断手段２４は、細長いブロック形状を有し、長軸が第１のスクリュ１２の回転軸１２４の中心又第２のスクリュ１３の回転軸１３４の中心を通るように配置され、長軸の両端がシリンダ１１の吐出面１１４に固定されている。切断手段２４は、切断部２４１と切断部２４２を有する。各切断部２４１，２４２に混練物が押当てられることで、各切断部２４１，２４２は、混練物を切断することができる。すなわち、１つの切断手段２４は、切断部２４１と切断部２４２との２箇所で混練物を切断することができる。これにより、切断手段１４を用いる場合と比べて部品点数を減らすことができる。また、切断手段２４は、両端が固定されているため、切断手段１４と比較して剛性が高められ、がたつきを抑制することもができる。なお、切断手段２４が第１のスクリュ１２の回転軸１２４の中心又第２のスクリュ１３の回転軸１３４の中心を通る場合、図に示すように、スクリュキャップ１２１，１３１は開口１１５から突出していない。

［第２実施形態］
＜構成＞
本発明の第２実施形態である押出機は、第１実施形態の押出機１と異なり単軸の押出機である。図７（ａ）は、第２実施形態である押出機の開口の正面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ－Ａ断面の構成を示す押出機の断面図である。図７を参照すると、本実施形態に係る押出機３は、シリンダ３１と、螺旋状のフライト３２２が形成された第１のスクリュ３２と、２つの切断手段３４と、締結ボルト３５と、を備える。
押出機３は、単軸の押出機であるため、押出機１と異なり１本のスクリュを備えている。これにより、吐出面３１４上の開口３１５は、円形状をしている。また、フライト３２２とシリンダ３１の内壁３１６との間に形成される間隙３８は螺旋形状をしている。
さらに、第１のスクリュ３２は、シリンダ３１の開口３１５に帯状ないしリング状の混練物吐出領域４１を形成している（図８参照）。図８は、開口３１５から吐出する混練物の吐出位置３９の移動を示す図である。図８は、ある時刻における、細い紐状の混練物が吐出する吐出位置３９を示している。吐出位置３９は、時間の経過（第１のスクリュ３２の回転）とともに矢印４０が示す方向に移動する。つまり、混練物吐出領域４１（図８のハッチング部）は、開口３１５において、吐出位置３９を矢印４０に沿って移動させたときに、吐出位置３９が通る帯状の領域である。
切断手段３４は、帯状の混練物吐出領域２１の一部を塞いでいる。

＜作用・効果＞
混練押出時に、押出機３は、開口３１５から細い紐状の混練物を吐出する。このとき、混練物の吐出位置３９は、混練物吐出領域２１に沿って移動する（図８参照）。上述したように切断手段３４は、混練物吐出領域４１の一部を塞いでいる。よって、吐出位置３９が移動して切断手段３４の位置に到達すると、細い紐状の混練物の側面に切断手段３４が押し当てられることで、混練物は間歇的に切断される。これにより、塊状となった混練物が製造される。すなわち、押出機３は、押出機１と同様に、取扱いの容易な塊状の混練物を簡便な構成で製造できる。

１：押出機、１１：シリンダ、１１１：本体部、１１２：吐出部、１１３：内孔、１１４：吐出面、１１５：開口、１１６：内壁、１１７：原料供給部、１２：第１のスクリュ、１２１：スクリュキャップ、１２２：フライト、１２３：山部、１２４：回転軸、１２５：溝端部、１２６：回転方向、１３：第２のスクリュ、１３１：スクリュキャップ、１３２：フライト、１３４：回転軸、１３５：溝端部、１３６：回転方向、１４：切断手段、１４１：刃、１４２：端部、１５：締結ボルト、１６：直線、１８：間隙、１９：吐出位置、２０：矢印、２１：混練物吐出領域、２２：スペーサ、２４：切断手段、２４１：切断部、２４２：切断部、２５：隙間、２６：中心線、２７：第１の直線、２８：２８：第２の直線、３：押出機、３１：シリンダ、３１３：内孔、３１４：吐出面、３１５：開口、３１６：内壁、３２：第１のスクリュ、３３２：フライト、３４：切断手段、３５：締結ボルト、３８：間隙、３９：吐出位置、４０：矢印、４１：混練物吐出領域

Claims

端部に開口を有するシリンダと、
前記シリンダの内部を前記シリンダの長軸と平行に延び、前記開口側の外周部に螺旋状のフライトが形成された少なくとも１つのスクリュと、を備え、
前記スクリュにより生成された混練物を前記シリンダの前記開口から直接外部に吐出する押出機であって、
前記スクリュの軸方向において前記スクリュと接触しない位置で前記シリンダに固定された固定部材である切断手段を備え、
前記切断手段は、前記シリンダの前記開口のうち実際に前記混練物が吐出される帯状の領域である混練物吐出領域と平行な領域の一部を塞ぎ、前記混練物吐出領域から吐出される前記混練物を切断する、押出機。
請求項１に記載の押出機において、
前記切断手段は、前記スクリュの回転方向と対向する側に前記混練物を切断する刃を有する、押出機。
請求項１又は２に記載の押出機において、
前記スクリュは、前記開口側の端部に前記フライトの外径よりも外径が小さいスクリュキャップをさらに備え、
前記スクリュキャップは、前記開口から突出し、
前記切断手段は、前記スクリュキャップの側面と近接する、押出機。
請求項１又は２に記載の押出機において、
前記切断手段は、細長い形状を有し、長軸が前記スクリュの回転軸の中心を通るように配置され、前記長軸の両端の位置が前記シリンダに固定されている、押出機
請求項１から４のいずれか１項に記載の押出機において、
前記切断手段は、前記シリンダの前記開口と同一面上にある前記シリンダの吐出面に固定され、
前記吐出面と、前記切断手段との間に薄板状のスペーサをさらに備える、押出機。
請求項１から５に記載の押出機において、
前記切断手段は、帯状の前記混練物吐出領域の中心線を略等分割する位置に固定されている、押出機。
請求項６に記載の押出機において、
互いに噛み合う第１のスクリュと第２のスクリュを備え、
前記切断手段が、前記開口と平行な面内で、前記第１のスクリュの中心を通る第１の直線上と、前記第１の直線と平行で前記第２のスクリュの中心を通る第２の直線上と、に固定されている、押出機。
シリンダの内部を前記シリンダの長軸と平行に延びる少なくとも１つのスクリュが原料を混練して混練物を生成し、該生成した混練物を前記シリンダの開口から直接外部に吐出する工程と、
前記シリンダの前記開口のうち実際に前記混練物が吐出される帯状の領域である混練物吐出領域と平行な領域の一部を塞ぎ、前記スクリュの軸方向において前記スクリュと接触しない位置で前記シリンダに固定された固定部材である切断手段が、前記混練物吐出領域から吐出される前記混練物を切断する工程と、を有する、混練押出方法。