KR101583793B1 - 이방향 다축 압출기 - Google Patents

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KR101583793B1
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Abstract

본 발명은 서로 반대방향으로 회전하는 다수의 스크류가 구비되어 고분자 물질과 첨가제의 분배, 분산, 혼합, 탈기 과정을 거쳐 연속적으로 처리되면서 기존 압출기에 비해 혼련 능력의 향상과 스크류 마모를 감소시킬 수 있는 이방향 다축 압출기에 관한 것으로,
실린더 내부 중앙에서 일방향으로 회전하는 중앙스크류와, 상기 중앙스크류와 맞물려 중앙스크류의 회전방향과 반대 방향으로 회전되는 다수의 소형스크류로 이루어져, 상기 소형스크류 혼련블록의 타원형의 만곡부와 상기 중앙스크류 혼련블록의 반원형의 볼록부 간극 사이에서 압연 작용에 의해 원료에 대한 분산 혼합이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

이방향 다축 압출기{COUNTER-ROTATING MULTI-SHAFT EXTRUDER}
본 발명은 다축 압출기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 서로 반대방향으로 회전하는 다수 개의 스크류가 구비되어 고분자 물질과 첨가제의 분배, 분산, 혼합, 탈기 과정을 거쳐 연속적으로 처리되면서 혼련 능력의 향상과 스크류 마모를 감소시킬 수 있는 이방향 다축 압출기에 관한 것이다.
종래의 이축압출기 또는 다축압출기는 고분자 물질(이하, '원료'로 통칭)과 첨가제가 실린더 내부로 공급되고 한 쌍의 혼련 스크류 또는 다축의 혼련 스크류에 의해 용융, 분산 및 혼련 탈기 과정을 거치면서 제조된다.
종래의 이축압출기는 실린더 내에 한 쌍의 스크류가 장착되고 다축압출기는 2개 이상의 스크류가 맞물려 장착되는 것으로, 상기 스크류는 감속기 축에 연결되고 동력장치에 의해 동일 방향으로 회전한다.
이러한 종래의 이축 내지 다축압출기의 스크류는 통상 압출기 호퍼를 통해 공급된 원료를 벤트구가 설치된 실린더 내부로 이송시키는 이송구간과, 이송된 원료을 가소화하는 가소화구간과 용융시키는 용융구간, 그리고 용융된 원료를 혼련시키는 혼련구간이 형성되고, 분산, 혼합, 탈기 과정을 거친 후 출구 방향으로 이송된다.
그리고 분말 등의 첨가제는 원료의 가소화구간 내지 용융구간으로 공급장치에 의해 공급된다.
상기 언급된 종래의 혼련 스크류에서 원료의 혼련구간에 공급된 첨가제와의 분배, 분산, 혼합의 균일한 농도를 제공하기 위한 혼련블록(Kneading Block)이 알려져 있다.
혼련블록은 일반적으로 5장 내지 7장의 디스크로 구성되고, 대략 타원형의 단면 형상을 갖추고 원료의 이송방향으로 연속적으로 배열된다. 그리고 복수의 디스크로 구성되는 혼련블록에 있어 디스크의 위상각(디스크 상호간의 이동각을 말함)은 45°또는 90°를 이루는 것이 일반적이다.
혼련블록은 원료의 이송능력과 분배 혼합 능력을 갖춘 혼련블록과 원료의 이송능력 없이 분배 혼합 능력만을 갖춘 혼련블록, 그리고 원료 이송방향의 반대 방향으로 역이송시키는 혼련블록으로 구분되고, 원료의 분산혼합은 혼련블록의 선단과 실린더 내벽 사이의 간극에서 이루어진다.
종래의 이축압출기는 상기한 혼련블록을 구비한 2개의 스크류가 축방향으로 배열되어 서로 맞물려 회전되면서 실린더 내부로 공급된 원료를 혼합, 용융하고 혼련 및 탈기 이송 과정을 거치면서 배출하고,
다축압출기는 이러한 혼련블록을 구비한 다수의 스크류(Sc)가 실린더(C2)와 내부 코어(C1) 사이의 환형의 공간(S)에서 내부 코어(C1)를 중심으로 축방향으로 배열되어 서로 맞물려 회전되면서 실린더 내부로 공급된 원료를 혼합, 용융하고 혼련 및 탈기 이송 과정을 거치면서 배출하는 것으로(참고로 기존 다축압출기의 혼련블록 구성은 도 1을 통해 도시하였다),
상기 언급된 이축압출기 및 다축압출기는 스크류가 서로 맞물려 같은 방향으로 회전하는 동방향 압출기이다.
그러나 기존 이축 내지 다축압출기 혼련블록의 구조로는 업계에서 요구하는 혼련능력의 향상과 스크류 마모 감소를 해결하기에는 불만족스럽다.
최근 플라스틱 제품분야에서 상당한 발전이 이루어졌고 이로 인해 고기능성 첨가제의 사용 증가가 요구되고 있고 고기능성 첨가제 사용 증가로 인해 혼련 능력의 향상이 요구되고 있다. 그리고 혼련능력의 향상을 위하여 많은 수량의 혼련블록을 적용해야하는데, 혼련블록의 수량이 증가 될수록 원료의 이송이 원활하지 않기 때문에 실린더 내부의 압력이 높아지고 실린더 내부 전단 발열에 의한 용융수지의 온도가 높아지고 이로 인한 물성 저하 및 스크류, 실린더의 마모가 촉진된다.
참고로 혼련 능력의 향상을 위해 다양한 구조의 혼련블록이 제안되고 있는데, 가부시키가이샤 고베 세이코쇼의 특허등록 제10-1086079호(2011.11.16) 및 제10-1361433호(2014.02.04)가 개시된 바 있다.
그러나 상기 특허등록 제10-1086079호 및 제10-1361433호에 개시된 혼련블록은 종래의 동방향 이축 내지 다축압출기에 사용되는 혼련블록으로는 혼련 능력의 향상과 스크류의 마모감소에 있어 수요자들의 요구를 충족시키기에는 불만족스럽다.
본 발명의 목적은 제품 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있고, 스크류의 마모를 감소시킬 수 있는 이방향 다축 압출기를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 이방향 다축 스크류 압출기는,
가열 및 냉각 구조를 갖는 실린더와, 상기 실린더 내부 중앙에 구비된 중앙스크류와, 상기 실린더와 실린더 내부 중앙에 위치한 중앙스크류 사이의 환형의 공간에 축 방향으로 구비되어 중앙스크류와 맞물려 반대 방향으로 회전하는 소형스크류를 포함하여 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한 이방향 다축 스크류 압출기에 구비되는 혼련블록에 있어 상기 소형스크류에서 채용되는 니딩디스크는 단면의 정점을 이루는 상단과 하단의 선단부와 상기 상단과 하단의 선단부를 연결하는 만곡진 타원형의 형태이고, 상기 중앙스크류에서 채용되는 캠디스크는 소형스크류 타원형의 만곡부와 접촉되는 반원형의 볼록부와 소형스크류의 선단부와 접촉되는 대응부로 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.
그리고 상기 소형스크류 타원형의 만곡부와 상기 중앙스크류 반원형의 볼록부 간극 사이에서 압연 작용에 의해 원료에 대한 분산 혼합이 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한 상기 이방향 다축 압출기의 중앙스크류와 소형스크류에는 헬리컬기어가 구비되는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기한 구성을 가진 본 발명에 따른 이방향 다축 스크류 압출기에 의하면, 기존 동방향 이축 내지 다축 압출기에 비해 혼련 능력의 향상과 스크류 마모 감소를 기대할 수 있다는 효과를 가진다.
특히 본 발명의 혼련블록에서 분배 혼합 및 분산 혼합 능력을 향상시킬 수 있어 종래의 압출기에 비해 혼련블록의 수량을 줄여 실린더 내부 압력을 줄일 수 있어 용융물의 체류 시간을 줄이는 효과가 있고 이로 인해 물성 향상과 스크류 및 실린더의 마모를 줄일 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 기존의 동방향 다축 압출기에서의 혼련블록들의 작동 관계 설명을 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 이방향 다축 압출기에서 중앙스크류의 혼련블록(캠디스크) 및 소형스크류의 혼련블록(니딩디스크)의 작동 관계(특히 도 2의 A) 및 헬리컬 기어의 작동 관계(특히 도 2의 B) 설명을 위한 도면.
도 3은 및 4는 본 발명에 따른 중앙스크류의 혼련블록(캠디스크) 및 소형스크류의 혼련블록(니딩디스크)을 도시한 도면.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이방향 다축 압출기에 대하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
도 1은 종래의 동방향 다축 압출기에 있어서 혼련블록들의 작동 관계 설명을 위한 도면으로, 전술된 바와 같이 종래의 일방향 다축 압출기는 혼련블록을 구비한 다수의 스크류(Sc)가 실린더(C2)와 내부 코어(C1) 사이의 환형의 공간(S)에서 내부 코어(C1)를 중심으로 축방향으로 배열되어 서로 맞물려 동방향으로 회전되면서 실린더 내부로 공급된 원료를 용융하고 혼련 및 탈기 이송 과정을 거치면서 배출한다.
이 경우 혼련블록의 적용 수에 있어서 동방향 다축 압출기(이축 압출기 포함)에서는 혼련 능력 즉, 분배 혼합 및 분산 혼합의 향상을 위하여 많은 수량의 혼련블록을 적용해야하는 문제점이 있고, 혼련블록의 수가 증가 될수록 실린더 내부의 압력과 용융물의 온도가 높아지고 이로 인한 물성저하 및 스크류, 실린더의 마모가 촉진된다는 문제가 발생된다.
특히 분산 혼합 작용의 경우 종래의 동방향 다축 압출기(이축 압출기 포함)에서는 혼련블록의 디스크 선단(Sc')과 실린더 내벽(C2') 사이의 간극에서 이루어지게 된다.
반면 본 발명에서는 실린더 내부 중앙에서 일방향으로 회전하는 중앙스크류(10)와, 상기 중앙스크류와 맞물려 반대 방향으로 회전하는 다수의 소형스크류(20)로 이루어진 소위 이방향 다축 압출기를 제공하는 것을 기술적 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 중앙스크류와 소형스크류는 서로 맞물려서 일방향으로 회전되는 자전만이 이루어지는 구조이다.
본 발명에 따른 이방향 다축 압출기는 가열 및 냉각이 가능한 실린더(30)와, 상기 실린더 내부 중앙에 축방향으로 삽입된 중앙스크류(10)와, 상기 중앙스크류 외곽에 둘러쌓여 중앙스크류와 맞물려 반대방향으로 회전되고 원형으로 배치된 다수의 소형스크류(20)로 이루어진다. 그리고 상기 중앙스크류(10)도 가열 및 냉각이 가능한 구조이다.
중앙스크류(10) 1회전시 상기 중앙스크류와 맞물려 반대방향으로 회전하는 다수의 소형스크류(20)는 3회전하는 구조로, 소형스크류(20)는 중앙스크류(10) 주변으로 세 개 이상 원형으로 배치될 수 있으나 여덟 개 구비되는 것이 바람직하다. 중앙스크류(10)와 소형스크류(20)의 회전비는 1:3이다.
본 발명에 따른 이방향 다축 압출기에서는 원료가 실린더 호퍼를 통해 실린더 내부로 공급되고, 스크류(혼련블록 포함)가 회전되면서 원료가 혼련과정을 거쳐 배출구로 배출된다.
그리고 실린더(30)와, 실린더 내부 중앙에 구비된 중앙스크류(10)는 원료를 용융시킬 수 있도록 전기 히터 또는 가열된 오일을 공급할 수 있는 장치를 구비한다.
또한 가소화구간 또는 용융구간에 첨가제를 공급할 수 있는 공급장치와, 휘발성분 및 가스 등을 배출하기 위한 벤트구가 구비된다.
본 발명에 따른 이방향 다축 압출기의 경우 중앙스크류(10) 및 소형스크류(20) 모두에 혼련작용이 일어나는 혼련블록이 채용되는데,
혼련블록에 있어서 실린더 내부 중앙에 구비된 중앙스크류(10)에는 캠디스크(15)가 구비되고, 소형스크류(20)에는 니딩디스크(25)가 구비된다.
다음으로 도 2 및 도 3을 참조하여 소형스크류 혼련블록인 니딩디스크(25)는 전체적으로 대략 타원형태를 이루는데, 보다 구체적으로 단면이 정점을 이루는 상단과 하단의 선단부(251)와, 상기 상단과 하단의 선단부를 연결하는 타원형의 만곡부(253)로 이루어진다.
그리고 도 2 및 도 4를 참조하여 중앙스크류 혼련블록인 캠디스크(15)는 단면 형태가 소형스크류 니딩디스크의 타원형의 만곡부(253)와 맞물리고 외측으로 돌출된 만곡진 형상을 하는 반원형의 볼록부(153)와 상기 소형스크류 니딩디스크의 선단부(251)와 맞물리는 대응부(151)로 이루어진다. 그리고 상기 반원형의 볼록부(153)와 대응부(151)는 6회 반복 배열됨으로써 캠디스크가 형성된다.
상기한 니딩디스크(25) 및 캠디스크(15)의 구조를 취함에 따라 본 발명에 따른 이방향 다축 압출기에서는 도 2를 참조하여,
소형스크류 니딩디스크의 선단부(251)와 실린더 내벽(30t) 사이의 간극에서 분산 혼합 작용이 이루어짐과 더불어,
소형스크류 니딩디스크의 타원형의 만곡부(253)와 중앙스크류 캠디스크의 반원형의 볼록부(153) 간극(h) 사이에서 상기 만곡부와 볼록부가 맞물리는 과정에서 압연 작용에 의한 분산 혼합 작용이 이루어진다.
그리고 소형스크류 니딩디스크의 타원형의 만곡부(253)와 중앙스크류 캠디스크의 반원형의 볼록부(153)를 통과하는 과정에서 분배 혼합 작용도 이루어진다.
즉 기존 동방향 이축 내지 다축 압출기에서는 혼련블록 선단의 좁은 폭과 실린더 내벽 사이에서 분산 혼합이 이루어지는 효과에 비해,
본 발명에 따른 소형스크류 니딩디스크의 만곡부(253)와 중앙스크류 캠디스크의 반원형의 볼록부(153)의 경우 니딩디스크와 캠디스크가 서로 맞물려 반대방향으로 회전됨에 따라 타원형의 만곡부(153)에 형성된 길이만큼의 긴 구간에 걸쳐서 압연이 이루어지고 이로 인해 분산 혼합 작용이 이루어지면서 분배 혼합 작용이 함께 진행되어 기존 동방향 이축 내지 다축 압출기와 비교시 월등한 혼련 능력을 기대할 수 있다.
다음으로 캠디스크(15) 반원형의 볼록부(153)와 이웃하는 볼록부(153')간의 각도(θ)는 60°를 형성한다(도 4 참조).
그리고 캠디스크(15)와 니딩디스크(25)의 회전비는 1:3인 것으로, 소형스크류의 니딩디스크(25)가 타원형의 만곡부-선단부-타원형의 만곡부-선단부를 거쳐 1회전 즉 360°회전할 때, 중앙스크류의 캠디스크(15)는 반원형의 볼록부-대응부-반원형의 볼록부-대응부를 거쳐 120°만큼 회전한다.
그리고 이 경우 니딩디스크(25) 및 캠디스크(15)는 5장의 디스크로 구성되고 니딩디스크의 각 디스크간의 위상각은 45°가 되고, 캠디스크의 각 디스크간 위상각은 15°로 형성된다(도 3 및 도 4 참조).
중앙스크류의 캠디스크 반원형의 볼록부(153)와 소형스크류의 니딩블록 타원형의 만곡부(253) 사이의 간극(h)이 형성되고, 간극은 0.5mm 이상 3mm 이내인 것으로, 상기 간극의 거리는 1mm 이내로 하는 것이 바람직하다.
다음으로 캠디스크와 니딩디스크의 길이(l)는 소형스크류 직경의 1 내지 1.5배이다(도 3 및 도 4 참조).
한편 본 발명에 의한 이방향 다축 압출기에서 가소화구간 내지 용융구간에서의 분배혼합 및 분산혼합의 향상을 위하여 한 쌍의 맞물림 헬리컬 구조를 지닌 기어를 적용할 수 있다(도 2 참조).
그리고 중앙스크류에 구비된 헬리컬기어(41)와 소형스크류에 구비된 헬리컬기어(42)의 간극(h)은 0.5mm 이상 3mm 이내인 것으로, 이 간극의 거리는 1mm 이내로 하는 것이 바람직하다.
헬리컬기어(41, 42)의 길이(l)는 소형스크류 직경의 1 내지 1.5배이고, 역방향 헬리컬 기어(41', 42')의 길이(l)는 소형스크류 직경의 0.5 내지 1배인 것이 바람직하다.
결국 캠디스크와 니딩블록 사이의 간극 및 중앙스크류의 헬리컬기어와 소형스크류의 헬리컬 기어 사이의 간극에서 압연작용에 의해 재료의 광범위한 교환이 일어나고 집중적으로 분산되는바, 이로써 용융물의 분산 혼합을 위한 표면 영역이 최대 확보되고 실린더 내부 압력이 감소되어 기존의 동방향 이축 내지 다축압출기보다 혼련능력의 향상과 실린더 마모 감소를 기대할 수 있다.
이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 "이방향 다축 스크류 압출기"를 설명하였으나 본 발명은 이하 기술되는 청구범위를 변경하지 않는 범위 내에서 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 중앙스크류 15: 캠디스크
151: 대응부 153: 반원형의 볼록부
20: 소형스크류 25: 니딩디스크
251: 선단부 253: 타원형의 만곡부
30: 실린더
41, 42: 헬리컬기어

Claims (6)

  1. 실린더 내부 중앙에서 일방향으로 회전하는 중앙스크류와, 상기 중앙스크류와 맞물려 중앙스크류의 회전방향과 반대 방향으로 회전되는 다수의 소형스크류로 이루어지면서 혼력블록을 가지는 이방향 다축 압출기에 있어서,
    상기 중앙스크류와 소형스크류는 서로 맞물려서 일방향으로의 자전만이 이루어지는 구조인 것을 특징으로 하고,
    상기 소형스크류에서 채용되는 혼력블록인 니딩디스크는 단면의 정점을 이루는 상단과 하단의 선단부와 상기 상단과 하단의 선단부를 연결하는 만곡진 타원형의 형태이고,
    상기 중앙스크류에서 채용되는 혼련블록인 캠디스크는 소형스크류 타원형의 만곡부와 접촉되는 반원형의 볼록부와 소형스크류의 선단부와 접촉되는 대응부가 6회 반복 배열된 형태로,
    상기 소형스크류 타원형의 만곡부와 상기 중앙스크류 반원형의 볼록부 간극 사이에서 압연 작용에 의해 원료에 대한 분산 혼합이 이루어지는 것을 특징으로 하고,
    상기 니딩디스크와 캠디스크는 5장의 디스크로 구성되고,
    니딩디스크의 각 디스크간의 위상각은 45°이고, 캠디스크의 각 디스크간 위상각은 15°로 형성되는 것을 특징으로 하는 이방향 다축 압출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    중앙스크류와 소형스크류의 회전비는 1:3인 것을 특징으로 하는 이방향 다축 압출기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소형스크류는 3개 이상 구비되어 각각 중앙스크류와 맞물려 회전하는 것을 특징으로 하는 이방향 다축 압출기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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