JPH08511218A - 単軸押出機用ケイオススクリュー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 楕造が単純であり、かつ既存の構造を大きく変えることなく優れた撹拌能力を有し、それにより改良されたケイオティック撹拌特性を実現する単軸押出機を開示する。このケイオススクリューは、押出材料を前方へ移動する複数のスクリューフライト；周期的に繰り返されるバリヤー存在領域ａおよびバリヤー不存在領域ｂで（ａ）（ｂ）−（ａ）（ｂ）……の周期的構造を有するバリヤー；および該スクリューフライトが設けられている全溶融搬送領域に設けられているバリヤーと、これにより該押出材料のケイオティック撹拌を実現することからなるケイオススクリュー。本発明によれば、構造の僅かな変化で優れた材料撹拌特性が得られるという効果が奏される。

Description

【発明の詳細な説明】 単軸押出機用ケイオススクリュー 技術分野 本発明は単軸押出機用スクリューに関する。さらに詳しくは、単軸押出機用ケ イオススクリューに関し、構造が単純であり、該スクリューは既存の構造を大き く変えることなく優れた撹拌能力を有し、これにより改良されたケイオテイック 撹拌特性を実現する。 背景技術 種々の工業分野に使用される高分子材料、組成材料および粉末材料のような新 規な材料の発展に従い、これらの材料の撹拌用として二軸スクリュー押出機と共 に単軸スクリュー押出機も広く使用されている。単軸スクリュー押出機は二軸ス クリュー押出機に比して安価であるが、撹拌能力が二軸スクリュー押出機よりも 低い。しかしながら、工業分野においては、単軸スクリュー押出機は経済上の理 由により、二軸スクリュー押出機よりもより広く使用されている。それ故、単軸 スクリュー押出機の欠点である撹拌能力の不十分さが改良されるならば、安価で あり、かつ撹拌能力の優れている単軸スクリュー押出機は発展することができる 。 第１図に示すように、従来の単軸スクリュー押出機１００は円筒１１０内のス クリュー１２０、円筒１１０の一端近傍の側部に形成されたホッパー１３０、円 筒１４０の他端に形成された押出用ダイ１４０を含んでいる。 ペレット化された押出用材料をホッパー１３０内に入れると、スクリュー１２ ０は回転し、ペレット化された材料を押出用ダイ１４０の方向へ押し、これによ り押出用材料を吐出する。この工程において、ペレット化された材料は流体状に 溶融する。 単軸スクリュー押出機１００のスクリュー１２０の構造を第２図で説明する。 スクリュー１２０は、通常遅延溶融あるいは固体搬送領域１５０、溶融あるいは 圧縮あるいは転移領域１６０、および溶融搬送あるいは計量領域１７０に分けら れる。それぞれの領域の幾何学的輪郭（contour）について多くの研究があり、 多くの関連特許がある。特許の多くは、エネルギーロス減少のために、固体搬送 領域、転移領域多くは溶融搬送領域の幾何学的輪郭の改良を、意図している。 一方、通常のラミナー撹拌により均一撹拌を容易ならしめることを意図した多 くの特許が発行されている。 米国特許明細書4,178,104によれば、円筒内にピンを備え、そしてスクリュー 回転用の溝を設け、これによりピン型スクリューを形成している。より最近の米 国特許明細書4,696,575によれば、同様に円筒内にピンを挿入し、ピンの位置変 更を容易ならしめるように、円筒の組立、解体ができるようにしている。 さらに米国特許明細書4,425,044、4,642,138、4,779,989、5,141,426および5, 178,458がある。これらは、ピン型以外の方法による撹拌を促進する試みを記載 している。 大韓民国特許91-5195号公報は、スクリューにアンダーカットを形成し、そし てスクリューの断面積を軸方向に連続して減少させている。 しかしながら、上記従来の技術では、幾何学的輪郭は非常に複雑であり、円筒 はスクリューと共に再加工されねばならず、製造コストは高いものとなる。 一方、スクリュー設計において、撹拌能力と同様に重要な要求はスクリュー特 性である。スクリュー特性はスクリュー内の圧力勾配およびスクリューの回転速 度の一機能としての処理量である。しかしながら、従来のスクリューの複雑な輪 郭はスクリュー特性を悪化させ、一方ダイおよびスクリューの回転速度との間の 関係に基づく処理量の調整を困難ならしめる。それ故、スクリューの最適設計は 、複雑なジオメトリー（geometry）により極めて困難である。 発明の要約 本発明は、従来技術における上記した欠点を解決することを意図している。 それ故、本発明の目的は既存の単軸スクリュー押出機の構造を大きく変更する ことなく、撹拌能力を大きく促進した単軸スクリュー押出機用のケイオス（chao s）スクリューを提供し、これにより改良されたケイオス撹拌特性を提供するこ とにある。 上記目的を達成するために、本発明の単軸スクリュー押出機用ケイオススクリ ューは、円筒の一端近傍の側部に設けたホッパー、円筒の他端に設けた押出用ダ イ、およびホッパーから押出用材料を押出用ダイへ向けて押し、該材料を吐出す るための円筒内に設けたスクリューを含んでいる。 ケイオススクリューはさらに、押出用材料を前進させるための複数のスクリュ ーフライト、上記スクリューフライト問に設けた複数のバリヤー、周期的に繰り 返されるバリヤー存在領域およびバリヤー非存在領域で周期的構造を有する上記 バリヤー、およびスクリューフライトが形成される全溶融搬送領域で形成されて いる上記バリヤーを含み、これにより押出用材料のケイオスな撹拌が達成される 。 さらに、本発明のケイオススクリューにおいては、バリヤーはスクリューフラ イトの形状と同じに形成されている。 図面の簡単な説明 本発明の上記目的および他の利益は、添付した図面を参照した本発明の好まし い態様の詳細な記載により明らかとなるであろう。 第１図は一般的な単軸スクリュー押出機の全構成を示す断面図である。 第２図は従来技術のスクリューを説明している。 第３図は従来のスクリューの溶融搬送領域における粒子軌道を説明している。 第３Ａ図はスクリューチャンネルに沿った場合を説明し、そして第３Ｂ図はス クリューチャンネルの断面図である。 第４図は本発明のケイオススクリューの構成を示している。 第５図は本発明のケイオススクリューの基本的な概念を説明している。 第５Ａ図はチャンネルに沿った第４図の領域Ａの展開（unfolding）を示す平 面図であり、第５Ｂ図は第５Ａ図の線Ｂ−Ｂから見た断面図である。 第６図は第４図の領域Ａの詳細な説明である。 第７図は第６図の線Ｃ−Ｃから見た断面図である。 第８図は従来のスクリューによる撹拌能力試験の結果である粒子移動状態を視 覚化した写真である。 第９図は本発明のスクリューによる撹拌能力試験の結果である粒子移動状態を 視覚化した写真である。 第１０図は従来のスクリューによる撹拌能力試験を実施した後の数値分析に基 づいて得られた撹拌能力を示す粒子軌道である。 第１１図は本発明のスクリューによる撹拌能力試験を実施した後の数値分析に 基づいて得られた撹拌能力を示す粒子軌道である。 好ましい態様の説明 本発明のケイオススクリュー１を第４図に示す。ケイオススクリュー１を説明 する前に、本発明と関係のあるケイオス撹拌の概念を従来のスクリューの一般的 流動状態と共に説明する。 押出機内の溶融搬送領域における流動状態を理解するためには、一般的に押出 機の軸方向で形成されたスパイラルチャンネルをプレインに変換した後に速度分 布は計算される。この変換に基づいて、材料粒子の軌道を得ることができ、そし て材料粒子の典型的軌道は第３Ａ図、第３Ｂ図で説明される。 材料粒子Ｐの軌道ｔが第３Ａ図のように観察されるならば、粒子Ｐは円筒とス クリューとの間で形成された３次元チャンネルＫ内でスパイラル方向に移動する ことが分かる。Ｘ−Ｙプレインに投影される軌道は、第３Ｂ図に示される閉じた 流線を形成する。 本発明者は閉じた流線ａをシェルＳと言う。シェルＳＷ内に存在する材料粒子 Ｐは他のシェルに移動することはできない。さらに任意のシェルＳ内に存在する 材料粒子Ｐは変形（deformation）を受ける。変形を通して撹拌の程度は、押出 機の長さ方向において直線的に増加する。このことは、単軸スクリュー押出機内 における撹拌は通常のラミナー撹拌により生ずるという事実の証拠である。撹拌 あ るいは変形は直線的に増加するという事実は、単軸スクリュー押出機の撹拌能力 に対する限界を示している。 第４図に示すケイオススクリュー１は単軸スクリュー押出機の撹拌能力を改良 するケイオティックな撹拌特性を有している。 本発明のケイオススクリューの基本的な概念を第５Ａ図、第５Ｂ図に基づいて 説明する。 第５Ａ図は第４図の領域Ａのチャンネル（channel）を示し、第５Ｂ図は第５ Ａ図の線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示す。スクリューチャンネル内の流線を乱すよ うに、スクリューフライト８のような形状をした複数のバリヤー（あるいはブレ ーカ）を周期的に設置し、バリヤーの無い領域における典型的な流れをバリヤー を有する領域で周期的に変形するのが本発明の基本的な概念である。 すなわち、バリヤー９を有する部分ａおよびバリヤーを有しない部分ｂが周期 的に繰り返される楕造である（例えば、（ａ）（ｂ）−（ａ）（ｂ）−（ａ）（ ｂ）……）。周期的に繰り返されるときには、（ａ）（ｂ）−（ａ）（ｂ）−（ ａ）（ｂ）……の形状は必ずしも必要ではない。すなわち、（ａ）（ｂ）−（ａ ）（ｂ）−（ａ）（ｂ）……を繰り返すと、繰り返された（ａ）および（ｂ）の 寸法が変化する場合を含むことになる。さらに、第５Ｂ図に示すフライト８とス クリュー９間の問隙ｃは原理上ゼロ（０）よりも大きくそしてチャンネル幅ｗよ りも小さい。しかしながら、通常この間隙を周期的に変化させることができる。 第６図は第４図の領域Ａを拡大してケイオススクリューの基本的概念を示してい る。第７図は第６図の線Ｃ−Ｃから見た断面図を示し、そしてｃ，ｄ，ｈおよび Ｈは最適撹拌特性が得られるように調整される。すなわち、第７図において、ス クリューフライト８とバリヤー９間の間隙ｃは、ゼロよりも大きくそしてチャン ネル幅よりも小さい全ての範囲を含んでいる。さらにバリヤー９の高さｈはゼロ よりも大きくそしてスクリューフライトの高さＨよりも小さい全ての範囲を含ん でいる。間隙ｃおよび高さｈはチャンネル幅Ｗおよび高さＨ内で変えることがで きる全ての範囲を含んでいる。さらに、バリヤー９の厚さｄはスクリューフライ トの厚さと同じか小さい。 本発明のケイオススクリュー１において、あるシェルＳ内に存在する材料粒子 Ｐは他のシェルに搬送されることができ、そしてこのような搬送の周期的繰り返 しがケイオティックな撹拌を生じせしめる。 さらに、上記原理に基づくケイオススクリューにおいては、フライト８の構造 は変化されず、そしてそれ故にスクリュー特性は維持される。同時に、バリヤー ９の形状はスクリューフライト８と同じ形状を有し、そのために、数値制御（Ｎ Ｃ）旋盤を使用して形成することができ、同時に機械加工することができ、製造 コストを節約することができる。 本発明を実際の例に基づいて説明する。 〈実施例１〉 染料で着色した少量の高分子材料を大量の透明な高分子材料と撹拌し、押出機 に入れ、ついで押出を実施した。ついで冷却されたバレルを開き撹拌過程を観察 した。 通常のスクリューのチャンネルに沿って処理された材料を抽出し、スライス状 に切ると、着色された高分子材料のそれぞれの部分での変形状態を容易に認識す ることができる。この試験の典型的な結果を第８図に示す。一方、本発明のケイ オススクリューのチャンネルに沿って処理した材料を試験のためにスライス状に 切った。第９図は試験結果を示す写真である。写真から明らかなように、チャン ネル末端における撹拌の度合いは、ケイオススクリューの場合がはるかに優れて いる。 第８図の通常のスクリューにおいては、シェルの形状はスタート部分から末端 部分まで変わっていないことが確認された。これは、単軸スクリュー押出機内の 撹拌は通常のラミナー撹拌に依存するという事実の証拠である。 他方、第９図のケイオススクリューにおいては、ケイオティック撹拌が生じて いることを確認できた。第８図において、透明な高分子材料の層（白色）および 着色された高分子材料の層（黒色）を明瞭に区別することができる。しかしなが ら、第９図においては、透明な高分子材料層（白色）と着色された高分子材料層 （黒色）とを区別することができない程度に、撹拌が均一に実施されている。さ らに第９図においては、スクリュー底部中心のくぼみ部分は、バリヤー９によっ て形成されたものである。 〈実施例２〉 この実施例では、ケイオティック撹拌を数値解析により確認した。通常のスク リューおよび本発明のケイオススクリューにおける粒子の流れを理解するために 、有限要素解析を実施した。数値解析の結果として得られた速度分布に基づいた 典型的な粒子軌道を第１０図および第１１図に示す。 通常のスクリュー１２０においては、第１０図に示すように、粒子軌道Ｔが一 定の形を維持する程度に、シェルＳ内で粒子進行（advancement）が実現したの みであった。他方、本発明のケイオススクリューにおいては、粒子Ｐの進行方向 は、粒子がチャンネルの全領域を通って押し流され、一定の形を有しないという 程度のものであった。それ故、粒子Ｐの軌道を追跡することによって、本発明の ケイオススクリューの撹拌遂行能力は通常のスクリューのそれよりもはるかに優 れていることを確認できた。 上記したように、本発明によれば、ケイオティック撹拌を達成できる程度に、 フライト８の形状を有する周期的に繰り返されるバリヤー９が設置される。それ 故、撹拌の改良がシンプルな構造で達成できる。幾何学的輪郭（contour）が単 純であるため、スクリューは数値制御旋盤で機械加工することができる。さらに 、円筒を変形することなく、スクリューのみを本発明のケイオススクリューと置 き変えればよく、経済的である。さらに、幾何学的輪郭が通常のスクリューとは それほど変わっていないので、スクリュー特性が良い条件に維持される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者 クウオン、タイ フン 大韓民国、キョングサングブック−ド790 ―330、ポハングシティ、ヒョジャ−ドン グ、サン32 リサーチ インスティチュー ト オブ インダストリアル サイエンス アンド テクノロジー内 (72)発明者 キム、セー ジョ 大韓民国、キョングサングブック−ド790 ―330、ポハングシティ、ヒョジャ−ドン グ、サン32 リサーチ インスティチュー ト オブ インダストリアル サイエンス アンド テクノロジー内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 円筒１１０の一端側部近傍に設けたホッパ−１３０；該円筒１１０の他端 に設けた押出用ダイ１４０；および押出用材料を該ホッパー１３０から押出用ダ イ１４０へ押して該材料を吐出する該円筒内に設置されたスクリューとを有する 単軸スクリュー押出機用ケイオススクリューであって、 該ケイオススクリューは 該押出用材料を前方へ移動するための複数のスクリューフライト８； 該スクリューフライト間に設けられた複数のバリヤー９； 該バリヤーが、周期的に繰り返されるバリヤー存在領域ａおよびバリヤー不存 在領域ｂで（ａ）（ｂ）−（ａ）（ｂ）……の周期的構造を有し；および 該バリヤーが、該スクリューフライトが設けられている全溶融搬送領域１７０ に設けられていることからなり、これにより該押出用材料のケイオティック撹拌 を実現するケイオススクリュー。 ２． バリヤー９が、スクリューフライト８の輪郭および構造と同じ輪郭および 構造を有する請求の範囲第１項記載のケイオススクリュー。 ３． バリヤー在領域ａおよびバリヤー不存在領域ｂが、サイズ可変である請求 の範囲第１項記載のケイオススクリュー。 ４． スクリューフライト８およびバリヤー９間の間隙Ｃが、ゼロ（０）よりも 大きくチャンネル幅ｗよりも小さい請求の範囲第１項記載のケイオススクリュー 。 ５． 間隙ｃが、各バリヤー９について可変である請求の範囲第４項記載のケイ オススクリュー。 ６． バリヤー９の高さが、ゼロ（０）よりも大きくスクリューフライト８の高 さＨよりも小さい請求の範囲第１項記載のケイオススクリュー。 ７． バリヤー９の厚さが、ゼロ（０）よりも大きく、スクリューフライト８の 厚さと等しいかまたは小さい請求の範囲第１項記載のケイオススクリュー。