KR20080066767A - 다중 스크류 압출기 - Google Patents

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KR20080066767A
KR20080066767A KR1020087010842A KR20087010842A KR20080066767A KR 20080066767 A KR20080066767 A KR 20080066767A KR 1020087010842 A KR1020087010842 A KR 1020087010842A KR 20087010842 A KR20087010842 A KR 20087010842A KR 20080066767 A KR20080066767 A KR 20080066767A
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요제프 아. 블라흐
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블라흐 페르발퉁스 게엠베하 운트 코.카게
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Abstract

푸시온 부재(1)가 푸시온 부재의 최대 직경에 해당하는 원호, 푸시온 부재의 코어 직경에 해당하는 원호 및 푸시온 부재(1)들의 축방향 간격에 해당하는 원호를 포함하는 단면 프로파일을 갖는 압출기에서, 푸시온 부재(1)는 푸시온 부재의 코어 직경에 해당하는 원호의 영역에서 어떠한 샤프트-허브 연결체도 구비하지 않으며, 그리고/또는 푸시온 부재는 그 단부들에서 보강부(13, 14)를 구비한다.
압출기, 다중 스크류

Description

다중 스크류 압출기{MULTI-SCREW EXTRUDER}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 적어도 2개의 지지 샤프트를 구비한 압출기에 관한 것이다.
지지 샤프트를 스크류 또는 그와 유사한 슬립온 부재(slip-on element)에 회전 가능하지 않게 연결하는 여러 가지 샤프트-허브간 연결체(shaft-to-hub connection)들이 공지되어 있다.
독일 특허 공보 DE-C 813 154호는 2개의 샤프트를 구비한 기계를 개시하고 있으며, 이때 샤프트-허브간 연결체로서 페더키(feather key) 또는 정사각형 프로파일(square profile)이 사용된다. 독일 공개 실용신안 공보 DE 77 01 692 U1 호에 따르면, 일체형 스플라인(spline)을 구비한 샤프트-허브간 연결체로서 다중 스플라인 샤프트가 사용되며, 독일 공개 특허 공보 DE 27 50 767 A1 호와 유럽 공개 특허 공보 EP 0 001 970 A1 호는 동일한 피치 각도를 갖는 3개의 별도의 성크키(sunk key)를 구비한 원형 샤프트를 개시하고 있고, 유럽 공개 특허 공보 EP 0 330 308 A1 호는 비동일 피치 각도를 갖는 2개의 키를 개시하고 있다. 하지만, 근래에 주로 사용되는 것은 DIN 5480에 따른 인볼류트 샤프트(involute shaft)이다.
또한, 1984년도에 스프링어-페르라그(Springer-Verlag)에서 발간한 "구조 편 람(Konstruktionsbuecher)"의 210 페이지 및 211 페이지에서는, 기계의 설계에 기본적인 피로 노치 계수(fatigue notch factor) 및 피로 강도를 고려하여 직접 및 간접 형상 클로저(form closure)를 갖는 다양한 형합(form-fitting) 샤프트-허브간 연결체들을 개시하여 비교하고 있다. 하지만, 이러한 경우에 허브는 일정한 벽 두께를 갖는다. 그러나, 스크류 부재나 그와 유사한 슬립온 부재가 전체 외주에서 밀착 치합되는 특허청구범위 제1항의 전제부에 기재된 유형의 압출기에서는, 슬립온 부재의 축방향 프로파일이 스크류 외경, 스크류 코어 직경 및 샤프트들의 중심 거리에 해당하는 3개의 원호에 의해 정해진다(유럽 특허 공보 EP 0 002 131 B1 호 참조).
가장 경제적인 스크류 샤프트는 최대의 이송 체적과 동시에 최고의 입력 토크를 갖는 스크류 샤프트이다. 스크류 이송 시스템의 총 단면은 하우징 보어의 직경과 인접 하우징 보어들 간의 거리에 의해 제한된다. 이러한 총 단면은 기술적 요건 및 구현 가능성뿐만 아니라 요구 사항에 따라 4개의 단면에 걸쳐 비례적으로 분배되어야 한다. 산출물의 이송을 위해서, 우선 스크류 부재의 외경과 플라이트 깊이(flight depth)에 의해 정해지는 자유 이송 표면이 형성된다. 이는 또한 스크류 부재의 코어 직경과 인접 지지 샤프트에 대한 중심 거리를 형성한다. 둘째로, 지지 샤프트는 후속 슬립온 부재에 소요되는 샤프트 토크를 축방향으로 전달하기 위해 연산되는 가용 표면부(usable surface proportion)를 요한다. 셋째로, 슬립온 부재에 대한 비례 토크를 전달하기 위해서 구조적으로 필요한 표면 요건이 고려되어야 하며, 넷째로, 종속적인 슬립온 부재에 대한 지지 샤프트 토크에 대해서 슬 립온 부재의 잔여 단면적이 잔류된다.
일반적으로 하우징 보어 직경의 적어도 20배에 해당하는 길이를 갖는 각각의 지지 샤프트는 그 지지 샤프트 상에서 상호 인접하여 활주되는 다수의 슬립온 부재들을 구비한다. 연산된 가용 최대 지지 샤프트 직경(dTi)부로 전달될 수 있는 최고 가능한 토크는 압출기의 경제적인 사용을 판단하는 결정적인 요인이 된다.
따라서, 압출기의 효율 및 경제성은 최고 허용가능한 장기간의 토크 및 압출기의 최대 체적 산출량(volume yield)에 의해 정해진다.
2005년 2월자 "플라스틱(Kunststoffe)"의 75페이지에는, 이중 스크류 압출기의 성능 제한 기계 부재가 주로 스크류 코어 직경부인 구성을 개시하고 있다. 하지만, 스크류 부재의 절단 깊이가 깊어질수록, 즉 스크류 부재의 자유 체적 증가분이 커질수록, 스크류 코어 직경부 및 해당 샤프트-허브간 연결체에 대한 잔여 단면이 작아지게 된다. 이때 DIN 또는 이와 유사한 프로파일의 치근부(tooth root) 강도에서 문제점이 발생되며, 따라서 보다 우수한 힘 전달 및 응력 분포를 위해 비대칭 치형부가 제시되어 있다. 이러한 비대칭 치형부의 정교한 가공은 별도로 하고, 이러한 압출기의 성능도 또한 더욱 증가될 수 있다.
본 발명의 목적은 동일한 토크에서 압출기의 체적 산출량을 현저히 증가시키는 데 있다.
이러한 목적은 본 발명의 특허청구범위 제1항의 특징을 갖는 압출기에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 종속항들에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 이송 슬립온 부재 혹은 이와 유사한 슬립온 부재의 플라이트 깊이는 샤프트-허브간 연결체의 높은 토크 전달시 증가된다. 즉, 동일한 중심 간격에서, 슬립온 부재의 외경은 커지고, 슬립온 부재의 코어 직경은 동일한 크기만큼 줄어들며, 이는 이송 부재의 자유 이송 표면이나 작동 부재의 작동 표면을 상당히 증대시켜 압출기의 성능을 상당히 향상시킨다.
이를 위해서, 단면이 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 3개의 원호를 포함하는 슬립온 부재는, (1) 지지 샤프트에 대한 평탄한 접촉 상태로 샤프트-허브간 연결체 없이 슬립온 부재 코어 직경에 해당하는 원호의 영역에 형성되며, 그리고/또는 (2) 그 슬립온 부재의 단부들에서 보강부(reinforcement segment)를 구비한다.
슬립온 부재는 슬립온 부재 코어 직경에 해당하는 원호의 영역에서 최소 벽 두께를 갖는다. 샤프트가 토크를 전달하는 경우에, 샤프트는 그 샤프트보다 경도가 크고 비틀림 강성이 큰 슬립온 부재보다 더욱 비틀려진다. 따라서, 슬립온 부재는 이러한 힘을 샤프트의 특정 영역에서 흡수한다. 이러한 힘의 전달시, 슬립온 부재의 최소 두께의 단부들은 가장 강한 부하에 노출된다.
즉, 적어도 슬립온 부재 코어 직경을 갖는 원호의 영역에서 슬립온 부재의 최소 벽 두께를 유지시키는 것이 필요하다.
이는, 본 발명에 따르면, 이러한 영역에서 어떠한 샤프트-허브간 연결체의 힘 전달도 제공하지 않음으로써 달성된다. 따라서, 그렇지 않을 경우 이러한 영역에서 샤프트-허브간 연결체가 점유할 수 있었던 단면적이 이러한 영역에서 슬립온 부재의 단면적에 합해질 수 있어, 지지 샤프트의 강도를 저해하지 않고서 플라이트 깊이가 상응하게 증가될 수 있다.
가용 지지 샤프트 직경(dTi)이 변경되지 않기 때문에, 전달가능한 토크의 어떠한 감소도 없다.
본 발명에 따라 형성되는 지지 샤프트는, 슬립온 부재의 가장 얇은 영역이 슬립온 부재 코어 직경의 원호에 해당하는 상태로 슬립온 부재가 놓인 영역에서, 일례로 DIN 5480에 따른 인볼류트 샤프트와 같은 종래의 지지 샤프트로부터 일례로 연삭 가공에 의해 샤프트의 치형부(toothing)를 제거함으로써 간단한 방식으로 형성될 수 있다.
슬립온 부재 코어 직경에 해당하는 원호를 구비한 슬립온 부재의 영역에 지지 샤프트 및 슬립온 부재가 설치되도록 하는 표면은 원호로 만곡된 표면 혹은 평표면, 즉 단면이 직선에 해당하는 표면일 수 있다.
또한, 한줄 슬립온 부재(single-start slip-on element)의 경우에, 슬립온 부재는 토크 전달시 슬립온 부재의 단부들에 발생하는 상술한 큰 힘을 흡수하기 위해서 그 슬립온 부재의 단부들에서 바람직하게는 환형 보강부에 의해 보강될 수 있다.
이러한 보강부에 의해 산출물 유동이 감속되나, 이러한 효과는 부분적인 효과일 뿐만 아니라 실제로는 어떠한 역할도 행하지 않을 정도로 미약하다.
연산 결과와 실험 결과가 보여주듯이, 본 발명의 압출기는 동일 토크에서 대략 30%만큼 체적 산출량을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 재료가 슬립온 부재와 샤프트 사이로 침투되어 균열시키는 현상을 방지하는 밀봉 표면을 증대시킨다.
본 발명의 압출기에서 샤프트-허브간 연결체는 바람직하게는 인볼류트형, 톱니형 혹은 스플라인형 샤프트 연결체에 의해 형성된다. 특히 슬립온 부재의 키웨이(keyway)와 샤프트의 치형부가 둥근 구성을 갖는 연결체가 적합한 연결체로 판명되었다.
본 발명의 압출기는 적어도 2개의 지지 샤프트를 구비하나, 그보다 상당히 많은 수의 지지 샤프트도 구비할 수 있다. 따라서, 압출기는, 일례로 압출기 축에 평행하고 동일한 중심 각거리(central-angle distance)에서 원 혹은 원호를 따라 압출기 하우징의 캐비티 내에 배치되는 적어도 3개의 샤프트를 구비할 수 있으며, 압출기 하우징은 캐비티의 반경 방향 내측 및 외측에서 압출기 축에 평행한 오목한 원형부를 구비할 수 있고, 이때 슬립온 부재는 이러한 원형부에서 안내된다. 캐비티는 또한 환형 구성을 가질 수 있다. 이러한 압출기가 일례로 유럽 특허 공보 EP 0 788 867 B 호에 기재되어 있다.
이송 슬립온 부재는 특히 스크류 부재에 의해 형성되며, 작동 슬립온 부재는 일례로 대향 방향의 스레드(thread)를 구비한 역이송 스크류 부재(backfeeding screw element), 니더 블록(kneader block), 블리스터(blister), 또는 치형 디스크에 의해 형성된다. 또한, 이송부 및 작동부를 구비한 슬립온 부재를 마련하는 것도 가능하다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 실시예들을 중심으로 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도1은 트윈 샤프트 압출기에서 외주에서 밀착 치합된 2개의 스크류 부재의 횡프로파일을 도시한 도면이다.
도2 및 도3은 제1 실시예에 따른 슬립온 부재의 측면도 및 정면도이다.
도4 및 도5는 제2 실시예에 따른 슬립온 부재의 사시도 및 정면도이다.
도6, 도7 및 도8은 제3 실시예에 따른 슬립온 부재의 측면도, 정면도 및 사시도이다.
도1에 도시한 바와 같이, 2개의 상호 치합 슬립온 부재(1)는 원호(A-B, E-F, A-E)에 의해 제한되는 횡프로파일 영역 혹은 단면 프로파일 영역(2)을 구비한다. 원호(A-B)는 슬립온 부재 최대 직경(DA)에 해당하는 직경을 가지고, 원호(E-F)는 슬립온 부재 코어 직경(Dk)에 해당하는 직경을 가지며, 원호(A-E)는 반경이 최대 2개의 조합된 슬립온 부재(1)들의 중심 거리(Ax)에 해당하는 직경을 갖는다.
슬립온 부재(1)는 지지 샤프트(4)의 외치(external toothing)(5)와 치합되는 내치(internal toothing)(3)를 구비한다. 따라서, 슬립온 부재는 직경(DA) 및 플라이트 깊이에 의해 정해지는 자유 이송 표면(6)을 구비한다. 또한, dTA 및 dTi로부터 산출되는 샤프트-허브간 연결체에 대한 표면부(7)가 필요하다.
도2 및 도3에 따르면, 스크류 부재로서 형성된 슬립온 부재(1)는 지지 샤프트(4)의 외치(5) 주위로 모두 치합되는 내치(3)를 구비한다. 본 명세서에서는 인 볼류트 치형부가 제공된다. 슬립온 부재(1)의 양단부에는 각각 환형 보강부(8, 9)가 구비된다.
도4 및 도5에 따른 실시예에서, 두줄 슬립온 부재(two-start slip-on element)(1)는 원호(E-F)에 해당하는 얇은 영역(11, 12)에서 샤프트-허브간 연결체 없이 형성된다. 즉, 슬립온 부재(1)와 지지 샤프트(4) 모두가 평활한 구성을 가지며, 원호(E-F)에 해당하는 영역에서 모두 상호 조합된다. 따라서, 인볼류트 치형부(3)의 키웨이는 단부들에서 단지 원호(A-E, A-B)에 해당하는 슬립온 부재(1)의 두꺼운 벽의 영역으로 연장된다. 즉, 영역(11, 12)은 단부들에서 키웨이에 의해 약화되지 않는다. 치형부(3)들의 각각은 얇은 영역(11, 12), 즉 원호(A-B)에 대향된 영역의 양측에서 4개의 치(tooth)를 구비하며, 지지 샤프트(4)의 5개의 스플라인이 2개의 치형부(3)들의 각각에 치합된다. 즉, 각각 4개의 치 및 5개의 스플라인의 두 그룹에 의해서 토크 전달이 행해지며, 하나의 그룹으로부터 다른 하나의 그룹까지의 거리는 어느 한 그룹의 치로부터 치까지의 거리 혹은 스플라인으로부터 스플라인까지의 거리보다 크다.
도6 내지 도8에 따른 실시예에서, 원호(E-F)에 해당하는 한줄 슬립온 부재의 영역은 우선 샤프트-허브간 연결체 없이 형성되고, 보강 링(13, 14)이 단부들에 추가로 구비되며, 이러한 보강 링(13, 14)은 동심 링으로서 형성된다. 또한, 샤프트-허브간 연결체는 도4 및 도5에 도시한 바와 같이 지지 샤프트의 축에 동심으로 형성된다. 지지 샤프트(4)는 슬립온 부재(1)의 평활하게 형성된 영역이 그 지지 샤프트에 대응되도록 형성된다.

Claims (9)

  1. 최소한 2개의 축방향으로 평행한 지지 샤프트(4)들을 구비하고, 상기 지지 샤프트 상에서 샤프트-허브간 연결체에 의해 회전가능하지 않게 활주되는 이송 부재 및/또는 작동 부재로서 형성되는 슬립온 부재(1)들을 구비하는 압출기로서, 상기 슬립온 부재는 인접 샤프트(4)와 치합되고, 상기 슬립온 부재(1)들의 최소한 일부는 슬립온 부재 최대 직경(D), 슬립온 부재 코어 직경(d) 및 최대로 슬립온 부재(1)들의 중심 거리(Ax)에 해당하는 원호(A-B, E-F, A-E)들을 포함하는 단면 프로파일(2)을 갖는 압출기에 있어서,
    상기 슬립온 부재(1)는, 슬립온 부재 코어 직경(d)에 해당하는 원호(E-F)의 영역에서, 지지 샤프트(4)에 대한 평탄한 또는 부분적으로 평탄한 접촉 상태로 샤프트-허브간 연결체의 토크 전달 없이 형성되고, 최소한 2개의 스플라인들 또는 치들의 두 그룹들은 각각 토크 전달을 위해 제공되며, 상기 그룹들 간의 거리는 치들 간의 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 압출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 그룹들의 각각은 최소한 3개의 치들을 구비하는 것을 특징으로 하는 압출기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬립온 부재(1)는 샤프트-허브간 연결체가 없는 영역에서 원호 또는 직선 형태로 지지 샤프트(4)에 대해 평탄하게 또는 부분적으로 평탄하게 놓이는 것을 특징으로 하는 압출기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보강부(8, 9; 13, 14)는 환형 구성인 것을 특징으로 하는 압출기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보강부는 동심 링(8, 9)으로서 또는 캠형 플레어링 링(flaring ring)(13, 14)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 압출기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트-허브간 연결체는 인볼류트형, 톱니형 또는 스플라인형 샤프트 연결체인 것을 특징으로 하는 압출기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이송 부재는 스크류 이송 부재에 의해 형성되며, 상기 작동 부재는 대향 방향의 스레드를 구비한 스크류 부재, 니더 블록, 블리스터 또는 치형 디스크에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 압출기.
  8. 제1항에 있어서,
    단지 외주에서 부분적으로 유효한 다중 스플라인 샤프트 연결체가 토크 전달을 위해 구비되는 것을 특징으로 하는 압출기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보강부(8, 9; 13, 14)는, 슬립온 부재 코어 직경(Dk)보다 크고 최대로 중심 거리(Ax)에 해당하는 직경을 가지고서 형성되는 것을 특징으로 하는 압출기.
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