JP7089970B2 - スクリュ、押出機および混練補助エレメント - Google Patents

Description

本発明は、スクリュ、押出機および混練補助エレメントに関する。

熱可塑性樹脂や添加材などが含まれる原料を押出成形して、良好な物性と品質を有する樹脂成形品を得るためには、押出機により原料を十分に混練することが重要である。
特許文献１には、送りねじにより構成された供給域および圧縮域と、送りねじの間にミキシングエレメントが設けられた計量域とを有するスクリュが示されている。このスクリュによると、溶融された原料に位置交換混合作用やせん断作用を与え、添加物を均一に分散混合することができる。

特開２００１－２１２８７０号公報

ところで、特許文献１のスクリュは、計量域において、送りねじとミキシングエレメントとが隣り合って配置されている。
原料を混練する際に、スクリュのミキシングエレメントが設けられた箇所では溶融した原料が充満し、ミキシングエレメントの上流側に向かって原料溜まりが形成される。この原料溜まりが形成された領域は、搬送から混練へと切り替わる際の過渡領域となるが、従来のスクリュではこの過渡領域に送りねじが適用されており、過渡領域となることを考慮して設計されたエレメントを適用したスクリュは見当たらなかった。

そこで、本発明の目的は、原料溜まりが形成されることを考慮して、熱可塑性樹脂や添加材などが含まれる原料の混練性をさらに向上させるスクリュを提供することにある。

このような目的を達成するために、基端から先端に向けて、原料を搬送しつつ混練するスクリュであって、直線状の軸線を有し、前記軸線を中心に回転するスクリュ軸を備え、スクリュ軸には、原料を搬送する搬送エレメントと、原料を混練する混練エレメントと、スクリュの基端側で搬送エレメントと隣接するとともにスクリュの先端側で混練エレメントと隣接する混練補助エレメントとが外嵌され、混練補助エレメントは、複数のエレメント部を有し、それぞれのエレメント部は、同一断面の円環板状のエレメント本体片と、エレメント本体片の外周から突出して形成された同一断面の横断壁片が設けられ、複数のエレメント部を突き合せて一体化することにより、円筒状のエレメント本体と、エレメント本体の外周より突出した横断壁が形成され、横断壁は、スクリュ軸の周方向に面する前面と後面とを有し、横断壁の前面と後面とに開口する通孔が形成されるように、エレメント部の横断壁片の接合面に溝が設けられている。

本発明によれば、原料溜まりが形成されることを考慮して搬送部と混練部との間に混練補助部を設けたスクリュとすることにより、熱可塑性樹脂や添加材などが含まれる原料の混練性をさらに向上させることができる。

第１の実施形態に係る押出機を一部断面にして模式的に示す側面図である。 （Ａ）は、第１の実施形態で用いるスクリュの混練補助部を概略的に示す側面図である。（Ｂ）は、図２ＡのＦ２－Ｆ２線に沿う断面図である。 第２の実施形態に係る押出機を一部断面にして模式的に示す側面図である。 （Ａ）は、第２の実施形態で用いるスクリュの混練補助エレメントを概略的に示す側面図である。（Ｂ）は、図４ＡのＦ４－Ｆ４線に沿う断面図である。 （Ａ）は、第２の実施形態で用いるスクリュの混練補助エレメントの変形例を概略的に示す側面図である。（Ｂ）は、図５ＡのＦ５－Ｆ５線に沿う断面図である。 第３の実施形態に係る押出機を一部断面にして模式的に示す側面図である。

[第１の実施形態]
以下、第１の実施形態について、図１および図２を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態に係る押出機１０を示している。
押出機１０は、スクリュ１１と、スクリュ１１を回転可能に収容するシリンダ１２が形成されたバレル１３と、シリンダ１２の中でスクリュ１１を回転させる駆動機構（図示しない）を備えている。

バレル１３は、シリンダ１２が押出機１０の上流から下流に向けて真っ直ぐに位置するように、長手方向の一端が押出機１０の上流に配置され、長手方向の他端が押出機１０の下流に配置されている。

スクリュ１１は、基端から先端に亘って真っ直ぐに延出し、基端がバレル１３の一端に位置し、先端がバレル１３の他端に位置するように、シリンダ１２の中に収容されている。

押出機１０は、上流に、粒状または粉体状の熱可塑性樹脂や添加材などが含まれる原料を供給する供給口１４を備えている。供給口１４は、バレル１３の一端に設けられ、バレル１３を貫通してシリンダ１２に連通している。

さらに、押出機１０は、下流に、原料が溶融および混練されることにより生成された混練物を吐出する吐出口１５を備えている。吐出口１５は、バレル１３の他端の開口を覆うように連結されているダイ１６に設けられている。

また、バレル１３には、バレル１３を加熱するためのヒータや、冷却水を流してバレル１３を冷却するための冷却水通路や、バレル１３の温度を検出するための温度センサなど（いずれも図示しない）が設けられている。

次に、スクリュ１１について、その詳細を説明する。
スクリュ１１は、直線状の軸線ＣＬを有し、基端から先端に亘り真っ直ぐに延出したスクリュ本体２０と、スクリュ本体２０の外周に一体的に形成された搬送部２１、混練部２２および混練補助部２３とを有して構成されている。なお、スクリュ１１は、スクリュ本体２０の基端が駆動機構（図示しない）に連結されている。

また、スクリュ１１は、基端から先端に向かって順に、供給区間１７と、圧縮区間１８と、計量区間１９とに区分けされている。
供給区間１７では、スクリュ１１は、円柱状のスクリュ本体２０の外周に、原料を搬送する搬送作用を有する搬送部２１として、順送りフライト２４が一体的に形成されて構成されている。
圧縮区間１８では、スクリュ１１は、円錐台状のスクリュ本体２０の外周に、搬送部２１としての順送りフライト２４が一体的に形成されて構成されている。
計量区間１９では、スクリュ１１は、円柱状のスクリュ本体２０の外周に、搬送部２１としての順送りフライト２４と、混練部２２と、混練補助部２３とが一体的に形成されて構成されている。
なお、計量区間１９におけるスクリュ本体２０の直径は、供給区間１７におけるスクリュ本体２０の直径よりも大きくされている。

混練部２２には、溶融された原料を混練する混練作用を有する逆送りフライトやシールリング等が用いられる。本実施形態においては、混練部２２として逆送りフライト２５を適用している。

次に、混練補助部２３について説明する。
図２は、混練補助部２３の概要を示す図である。
混練補助部２３は、搬送部２１（順送りフライト２４）と混練部２２（逆送りフライト２５）との間に設けられ、スクリュ２０の基端側では搬送部２１と隣接し、スクリュ２０の先端側では混練部２２と隣接する。

構造的には、混練補助部２３は、スクリュ本体２０の外周より突出して、一体的に形成された横断壁２６を有している。
横断壁２６は、長手方向が軸線ＣＬに沿った棒状または略棒状に形成され、その断面は、四角形状、略四角形状、扇状または略扇状に形成されている。

横断壁２６の前面２６ａは、スクリュ本体２０の外周面より軸線ＣＬに沿って立設され、スクリュ本体２０の周方向に面し、スクリュ１１の回転方向の前面となる面である。
横断壁２６の後面２６ｂは、スクリュ本体２０の外周面より軸線ＣＬに沿って立設され、スクリュ本体２０の周方向に面し、スクリュ１１の回転方向の後面となる面である。
横断壁２６の上面２６ｃは、スクリュ本体２０の外周側で前面２６ａと後面２６ｂとをつなぐ面であり、スクリュ本体２０の半径方向に対して先端の面となる。
横断壁２６の高さは、搬送部２１の順送りフライト２４や混練部２２の逆送りフライト２５と同じ高さとされることが好ましいが、低くされていてもよい。

さらに、横断壁２６には、前面２６ａと後面２６ｂとに開口する通孔２７が、長手方向に間隔を空けて２つ設けられている。通孔２７は、前面２６ａの側に設けられた導入孔２７ａと、後面２６ｂの側に設けられ、導入孔２７ａと連通する小孔２７ｂにより形成されている。
導入孔２７ａは、前面２６ａに開口し、前面２６ａから後面２６ｂに向けて先細りとなる円錐筒状の壁面２８ａにより規定される円錐筒状の孔である。
小孔２７ｂは、後面２６ｂに開口し、後面２６ｂから前面２６ａに向けて設けられた円筒状の壁面２８ｂにより規定される円筒状の孔である。そして、小孔２７ｂの断面積は、導入孔２７ａの断面積よりも小さくされている。
なお、通孔２７を、前面２６ａと後面２６ｂとに開口し、前面２６ａから後面２６ｂに向けて先細りとなる円錐筒状の孔としてもよい。

次に、このような構成のスクリュ１１を有する押出機１０によって、原料を混練する動作について説明する。
粒状または粉体状の熱可塑性樹脂や添加材などが含まれる原料は、供給口１４よりシリンダ１２の基端に供給される。そして、供給された原料は、回転するスクリュ１１の供給区間１７、圧縮区間１８を通過することにより、溶融した原料となる。

溶融した原料は、計量区間１９に搬送され、混練部２２が設けられた箇所で充満し、混練部２２の上流（基端）側に向かって原料溜りを形成する。このとき、スクリュ１１の回転に伴い、スクリュ２０の基端側では搬送部２１と隣接し、スクリュ２０の先端側では混練部２２と隣接する混練補助部２３の横断壁２６により原料溜りが攪拌される。さらに、溶融した原料が回転する横断壁２６の通孔２７を通過することにより伸長作用が与えられ、分散が促進される。このように、混練補助部２３にて、溶融した原料が予備混練されるため、混練部２２での混練が促進され、この結果、原料の混練の度合いが強化される。

なお、本実施形態では、混練補助部２３の横断壁２６を、スクリュ本体２０の周方向に一か所に設けるものとして説明したが、本発明ではこれに限らず、横断壁２６をスクリュ本体２０の周方向の二か所以上に設けてもよい。

さらに、本実施形態では、混練補助部２３の横断壁２６に２つの通孔２７を設けるものとして説明したが、本発明ではこれに限らず、横断壁２６に１つの通孔２７を設けてもよく、３つ以上の通孔２７を設けてもよい。

また、スクリュ本体２０の半径方向に対して、前面２６ａの高さよりも後面２６ｂの高さを低くし、上面２６ｃが後面２６ｂ側で低くなるようにすると、シリンダ１２と上面２６ｃとの間で、原料に作用するせん断力が小さくなり、原料の不要なせん断発熱を抑えることが可能となる。このとき、上面２６ｃは、後面２６ｂ側に向けて、徐々に傾斜して低くなる面であってもよいし、ステップ状に低くなる面であってもよい。

［第２の実施形態］

次に、第２の実施形態に係る押出機３０について説明する。
図３は、第２の実施形態に係る押出機３０を示している。
第２の実施形態は、スクリュ３１の計量区間３２に関する事項が第１の実施形態と相違している。それ以外の押出機３０の構成は、基本的に第１の実施形態と同様である。そのため、第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

スクリュ３１の計量区間３２は、スクリュ軸にスクリュエレメントを外嵌するセグメント式スクリュとして構成されている。
スクリュ３１の計量区間３２は、スクリュ軸部３３が形成されたスクリュ本体２０に、搬送エレメント３４と、混練エレメント３５と、混練補助エレメント３６とが外嵌されて構成されている。
搬送エレメント３４は、筒状のエレメント本体４０の外周に、順送りフライト２４が一体的に形成されている。
混練エレメント３５は、筒状のエレメント本体４０の外周に、逆送りフライト２５が一体的に形成されている。

図４は、スクリュ３１の混練補助エレメント３６の概要を示す図である。
混練補助エレメント３６は、筒状のエレメント本体４０の外周より突出して、一体的に形成された横断壁２６を有している。横断壁２６には通孔２７が設けられている。混練補助エレメント３６がスクリュ軸部３３に外嵌された状態において、筒状のエレメント本体４０の中心軸線は軸線ＣＬと一致する。横断壁２６は、長手方向が筒状のエレメント本体４０の中心軸線に沿い、筒状のエレメント本体４０の一端から他端に亘り形成されている。
そして、混練補助エレメント３６は、搬送エレメント３４と混練エレメント３５との間に設けられ、スクリュ３１の基端側ではエレメント３４と隣接し、スクリュ３１の先端側では混練エレメント３５と隣接する。

なお、スクリュ軸部３３の外周面、および筒状のエレメント本体４０の内周面には、キー３７が嵌合する溝が形成されている。スクリュ３１の計量区間３２において、搬送エレメント３４、混練エレメント３５、および混練補助エレメント３６は、キー３７を介して、スクリュ軸部３３に外嵌される。そして、ねじ部（図示せず）が形成されたスクリュヘッド３８をスクリュ軸部３３の先端に締め込むことにより、各エレメント３４、３５、３６は、スクリュ本体２０の圧縮区間１８の先端部分とスクリュヘッド３８の間で挟持される。

このような構成のスクリュ３１を有する押出機３０によっても、第１の実施形態と同様に、予め混練補助エレメント３６にて予備混練されるため、混練エレメント３５での混練が促進され、この結果、原料の混練の度合いが強化される。

さらに、スクリュ３１の計量区間３２を、セグメント式スクリュとして構成しているので、搬送エレメント３４、混練エレメント３５、混練補助エレメント３６の組み換えができ、原料の種類等に応じたスクリュを容易に構成することが可能となる。

なお、セグメント式スクリュを備えた二軸押出機に、本実施形態の混練補助エレメント３６を適用してもよい。二軸押出機のスクリュに配されたニーディングディスクや逆送りフライトなどの混練エレメントと隣接するように、混練補助エレメント３６を設けてもよい。

［第２の実施形態の変形例］
図５は、第２の実施形態の変形例を示している。
図５に示される変形例は、混練補助エレメント５０の構成が第２の実施形態と異なっている。

混練補助エレメント５０は、第１エレメント部５０ａ、第２エレメント部５０ｂおよび第３エレメント部５０ｃを有している。第１エレメント部５０ａ、第２エレメント部５０ｂおよび第３エレメント部５０ｃは、それぞれ、同一断面の円環板状のエレメント本体片５１と、エレメント本体片５１の外周の同じ位相の位置から突出して一体的に形成された同一断面の横断壁片５２とを有している。

混練補助エレメント５０は、第３エレメント部５０ｃ、第２エレメント部５０ｂおよび第１エレメント部５０ａをこの順でスクリュ軸部３３に外嵌し、スクリュヘッド３８をスクリュ軸部３３の先端に締め込んだときに、一体化されて構成される。なお、一体化された混練補助エレメント５０には、３つのエレメント本体片５１が突き合わされて、筒状のエレメント本体４０が形成され、３つの横断壁片５２が突き合わされて、横断壁２６が形成される。

第１エレメント部５０ａの横断壁片５２と第２エレメント部５０ｂの横断壁片５２の接合面５２ａ、５２ａには、それぞれ、突き合わせたときに横断壁２６の前面２６ａと後面２６ｂとに開口する通孔５３を形成する溝５４が設けられている。
通孔５３は、前面２６ａから後面２６ｂに向けて、順に、前面２６ａに開口する導入孔５５と、導入孔５５と連通する第１の小孔５７と、第１の小孔５７と連通する中間孔５９と、中間孔５９と連通し、後面２６ｂに開口する第２の小孔６１により形成されている。なお、小孔５７，６１の断面積は、導入口５５および中間孔５９の断面積よりも小さい。
通孔５３を形成する溝５４は、前面２６ａから後面２６ｂに向けて、順に、導入孔５５を形成する第１の広幅溝５６と、第１の小孔５７を形成する第１の狭幅溝５８と、中間孔５９を形成する第２の広幅溝６０と、第２の小孔６１を形成する狭幅溝６２により形成されている。
同様に、第２エレメント部５０ｂの横断壁片５２と第３エレメント部５０ｃの横断壁片５２の接合面５２ａ、５２ａにも、それぞれ、通孔５３を形成する溝５４が設けられている。

したがって、第３エレメント部５０ｃ、第２エレメント部５０ｂおよび第１エレメント部５０ａを、この順で突き合わせると、横断壁２６に形成される２つの通孔５３には、それぞれ、２つの小孔５７、６１が形成される。これにより、通孔５３を通過する原料に対して、伸長作用を２回付与することができ、原料の分散がさらに促進される。

なお、本実施形態では、混練補助エレメント５０を３つのエレメント部５０ａ、５０ｂ、５０ｃを突き合せて構成し、２つの通孔５３を形成するものとして説明したが、本発明ではこれに限らず、２つのエレメント部を突き合せて、１つの通孔を形成するものとしてもよいし、４つ以上のエレメント部を突き合せて、３つ以上の通孔を形成するものとしてもよい。

また、本実施形態では、混練補助エレメント５０の横断壁２６を、スクリュ軸部３３の周方向に一か所に設けるものとして説明したが、本発明ではこれに限らず、横断壁２６をスクリュ軸部３３の周方向の二か所以上に設けてもよい。

さらに、本実施形態では、通孔５３に２つの小孔５７、６１を形成するものとして説明したが、本発明ではこれに限らず、通孔５３に１つの小孔を形成するものとしてもよいし、３つ以上の小孔を形成するものとしてもよい。

［第３の実施形態］

次に、第３の実施形態に係る押出機７０について説明する。
図６は、第３の実施形態に係る押出機７０を示している。
第３の実施形態は、スクリュ７１に関する事項が第２の実施形態と相違している。それ以外の押出機７０の構成は、基本的に第２の実施形態と同様である。そのため、第３の実施形態において、第２の実施形態と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

スクリュ７１は、スクリュ軸７２に、搬送エレメント３４と、混練エレメント３５と、混練補助エレメント３６を外嵌して構成される。スクリュ７１は、搬送エレメント３４の間に、混練エレメント３５と、スクリュ７１の基端側では搬送エレメント３４と隣接し、スクリュ７１の先端側では混練エレメント３５と隣接する混練補助エレメント３６の対が２組設けられて構成されている。

そして、押出機７０の前段には、原料を溶融する押出機８０が設けられ、押出機８０より、供給口１４を通じて押出機７０のシリンダ１２に溶融した原料が供給される。シリンダ１２に供給された原料はスクリュ７１により混練および計量されて、吐出口１５より混練物が吐出される。

このような構成のスクリュ７１を有する押出機７０によっても、第２の実施形態と同様に、予め混練補助エレメント３６にて予備混練されるため、混練エレメント３５での混練が促進され、この結果、原料の混練の度合いが強化される。

さらに、押出機８０により原料を溶融し、押出機７０により混練および計量するので、押出機８０のスクリュ回転速度、バレル設定温度等の運転条件と、押出機７０のスクリュ回転速度、バレル設定温度等の運転条件をそれぞれ調節することができる。これにより原料の種類等に応じた最適の運転条件にて、原料を溶融混練することが可能となる。

なお、本実施形態では、スクリュ７１に混練エレメント３５と混練補助エレメント３６の対を２組設けるものとして説明したが、本発明ではこれに限らず、１組設けるものとしてもよいし、３組以上の設けるものとしてもよい。

また、押出機７０は、単軸押出機であっても、二軸押出機であってもよい。押出機８０は、単軸押出機であっても、二軸押出機であってもよいし、さらに、多軸スクリュ押出機、バンバリーミキサ、ニーダ、オープンロールなどの各種の混練機を用いてもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

１０，３０，７０…押出機、１１，３１，７１…スクリュ、１２…シリンダ、
１３…バレル、１７…供給区間、１８…圧縮区間、
１９，３２…計量区間、２０…スクリュ本体、２１…搬送部、
２２…混練部、２３…混練補助部、２６…横断壁、
２７，５３…通孔、３３…スクリュ軸部、３４…搬送エレメント、
３５…混練エレメント、３６，５０…混練補助エレメント、
３８…スクリュヘッド、７２…スクリュ軸

Claims (3)

1. 基端から先端に向けて、原料を搬送しつつ混練するスクリュであって、
   直線状の軸線を有し、前記軸線を中心に回転するスクリュ軸を備え、
   前記スクリュ軸には、原料を搬送する搬送エレメントと、原料を混練する混練エレメントと、前記スクリュの基端側で前記搬送エレメントと隣接するとともに前記スクリュの先
   端側で前記混練エレメントと隣接する混練補助エレメントとが外嵌され、
   前記混練補助エレメントは、
   複数のエレメント部を有し、
   それぞれのエレメント部は、同一断面の円環板状のエレメント本体片と、前記エレメント本体片の外周から突出して形成された同一断面の横断壁片が設けられ、
   前記複数のエレメント部を突き合せて一体化することにより、円筒状のエレメント本体と、前記エレメント本体の外周より突出した横断壁が形成され、
   前記横断壁は、前記スクリュ軸の周方向に面する前面と後面とを有し、
   前記横断壁の前記前面と前記後面とに開口する通孔が形成されるように、前記エレメント部の横断壁片の接合面に溝が設けられていることを特徴とするスクリュ。
2. 請求項１に記載のスクリュを備え、前記スクリュで原料を混練し、混練物を吐出する押出機であって、
   前記スクリュが回転可能に挿通されたシリンダを有するバレルと、
   前記バレルに設けられ、前記シリンダ内に原料を供給する供給口と、
   前記バレルに設けられ、混練物を吐出する吐出口と、を備えていることを特徴とする押出機。
3. スクリュ軸に外嵌される混練補助エレメントであって、
   複数のエレメント部を有し、
   それぞれのエレメント部は、同一断面の円環板状のエレメント本体片と、前記エレメント本体片の外周から突出して形成された同一断面の横断壁片が設けられ、
   前記複数のエレメント部を突き合せて一体化することにより、円筒状のエレメント本体と、前記エレメント本体の外周より突出した横断壁が形成され、
   前記横断壁は、前記スクリュ軸の周方向に面する前面と後面とを有し、
   前記横断壁の前記前面と前記後面とに開口する通孔が形成されるように、前記エレメント部の横断壁片の接合面に溝が設けられていることを特徴とする混練補助エレメント。

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