KR20100059886A - 탈기 압출기의 구동 장치 - Google Patents

탈기 압출기의 구동 장치

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요아힘 하이트
하인츠 페테르
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에보니크 룀 게엠베하
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Abstract

본 발명은 중합체 물질의 탈기를 위한 탈기 압출기(1)에 관한 것이다. 탈기 압출기(1)는 하나 이상의 구동기(4), 하나 이상의 기어(5), 하나 이상의 회전 구동되는 압출기 스크류(3), 하나 이상의 제1 물질 공급기(6) 및 하나 이상의 압출기 배출구(13)를 포함한다. 본 발명에 따르는 탈기 압출기(1)는 중합체의 운반 방향에 대해 하류에 있는 압출기 스크류(3)의 말단에 구동기(4) 및 기어(5)를 포함하는 구동장치가 제공됨을 특징으로 한다.

Description

탈기 압출기의 구동 장치{DRIVE ARRANGEMENT IN A DEGASSING EXTRUDER}
본 발명은, 하나 이상의 구동기, 하나 이상의 압출기 배럴, 압출기 배럴 내에 장착된, 하나 이상의 회전 구동되는 회전 압출기 스크류, 하나 이상의 제1 물질 공급기, 하나 이상의 압출물 배출구, 하나 이상의 탈기 대역 및 하나 이상의 기체 배출구를 포함하는, 중합체 물질의 탈휘발화(devolatilization)를 위한 탈기 압출기에 관한 것이다.
중합 공정에서는 중합은 종종 용매 중에서 수행된다. 여기서 용매는 우선 단량체 용액 그 자체일 수 있거나, 불활성 용매일 수도 있다. 용어를 단순화하기 위해서, "용매"라는 용어는 단량체를 포함한다. 중합체를 수득하기 위해서는, 예를 들면 증발을 통해, 잔여 단량체 또는 용매를 제거해야 한다. 이러한 탈휘발화는 통상적으로 탈기 압출기에서 일어난다.
공지된 탈기 압출기의 구조는, 통상적으로, 탈휘발될 물질 스트림이 압출기 스크류의 구동기 쪽에서 도입되고 탈휘발된 압출물이 스크류 선단을 향해 운반되는 구조이다. 여기서는 압출기 내의 압력이 증가한 후에, 물질 공급기의 하류에서 물질의 감압이 일어나서, 물질은 대기압에서 또는 흡입의 도움을 받아 탈휘발된다.
서론에서 언급된 유형의 단일-스크류 압출기는 예를 들면 EP 0 490 359에 기술되어 있다. 이러한 참고문헌에 기술된 압출기는 압출기 배렬을 형성하는 압출기 케이스를 포함하고, 압출기 배럴 내에 회전가능하게 장착된 압출기 스크류를 포함한다. 투입구 호퍼의 형태의 물질 공급기는 통상적으로 압출기 케이스의 구동기 쪽에 제공된다. 탈휘발화는 물질 공급기의 하류에서 일어난다. 압출기 스크류의 탈휘발화 구역은 현저하게 감소된 날개 개수를 갖고, 따라서 그 자체로 공지된 방식으로 압출물 팽창을 위한 추가의 공간을 제공한다. 탈기 대역 뒤, 압출물 배출구 바로 앞에, 압출기 스크류는 증가된 날개 개수를 갖는 구역을 갖고, 이것은 또한 배출구 개구 영역 내에서 압력 상승을 일으킨다.
EP 0 490 359 A1에 따르는 압출기는, 잔여 단량체에 대해 특정 한계값을 초과하는 것이 허용되지 않는 식품 포장의 제조를 위한 폴리스티렌의 탈휘발화에 사용된다. 압출기에 공급되는 물질은 비교적 높은 점도를 갖는다.
그러나, 공지된 압출기는 중합 공정에서 사용되기에 매우 적합하지는 않다. 서론에서 이미 언급된 바와 같이, 중합은 종종 용매 중에서 수행된다. 압출기에 공급되는 물질은 비교적 점도가 낮고, 제거된 단량체 및/또는 용매와 관련하여 스크류 구동기의 씰은 적당한 디자인을 가져야 한다. 이러한 목적을 위한 복잡한 디자인의 슬라이딩-링 씰이 있다. 탈휘발화 공정 동안, 샤프트 씰과 중합체 시럽의 투입점 사이의 영역을 통과하는 중합체가 스크류의 코어와 접촉한다면, 이것은 다시 이러한 위치로부터 멀리 단지 천천히 운반된다. 스크류 구동기의 씰과 물질 공급기 사이의 영역에서의 중합체의 체류시간이 긴 경우, 온도가 높을 때, 중합체의 분해가 초래된다. 다시 중합체의 주 스트림으로 들어가는 분해된 중합체 잔사는 생성물 품질의 손상을 초래한다.
슬라이딩-링 씰과 함께, 기어박스의 방향으로의 씰링의 문제를 해결하기 위해 제안된 또다른 해법은, 기어박스 앞의 공간을 불활성 기체로써 플러싱하는 것이다. 이러한 실시양태는 예를 들면 JP 2003 348300에 기술되어 있다. 그러나, 이러한 제안된 해법의 단점은 단량체 및/또는 용매의 스트림이 큰 경우, 큰 불활성 기체 스트림이 필요하다는 것이다. 따라서 이러한 실시양태는 높은 운영 비용 및 자본 지출을 초래하는데, 왜냐하면 단량체 및/또는 용매 기체 내의 불활성 기체는 상기 기체의 응축 동안에 열전달을 감소시키기 때문이다. 따라서 큰 열전달 표면이 필요하다.
단량체 및/또는 용매 증기와 관련하여 기어박스를 씰링하는 또다른 방식은 탈휘발화와 기어박스 사이의 영역 내로 용융물을 복귀시키는 것이다. DE 40 17 724 C1에는 이러한 실시양태가 기술되어 있다. 탈휘발된 중합체 스트림의 부분스트림(substream)은 압출기의 비교적 긴 길이에 걸쳐 외부적으로, 또는 압출기 배럴 내에서, 구동기와 탈기부 사이의 영역 내로 흐르고, 이러한 위치는 스크류에 적용된다. 또한 스크류는 부분스트림을 이러한 영역 하류에 운반한다. 따라서 구동기는 용융물에 의해 저-점도 증기로부터 분리된다. 상기 실시양태의 단점은 탈휘발된 부분스트림이 비교적 긴 경로에 걸쳐 압출기의 또다른 말단까지 흐른다는 것이다. 일단 탈휘발된 생성물은 다시 전체 압출 공간을 통해 배출구로 흐른다. 이렇게 중합체에 응력이 반복적으로 가해짐으로써, 일반적으로는 연장된 열적 응력으로 인해, 생성물의 광학적 성질이 손상된다.
따라서 본 발명은, 이와 관련하여, 서론에서 언급된 유형의 탈기 압출기를 개선하는 목적을 기반으로 한다.
이러한 목적은 하나 이상의 구동기, 하나 이상의 압출기 배럴, 압출기 배럴 내에 장착된 하나 이상의 회전 구동되는 압출기 스크류, 하나 이상의 제1 물질 공급기, 하나 이상의 압출물 배출구, 하나 이상의 탈기 대역 및 하나 이상의 기체 배출구를 포함하는, 중합체 물질의 탈휘발화를 위한 탈기 압출기에 의해 달성되는데, 여기서 본 발명에 따르는 탈기 압출기의 특징은, 중합체의 운반 방향에 대해 하류에 있는 압출기 스크류의 말단 영역에 구동기가 제공된다는 것이다.
이러한 탈기 압출기는, 구동기가, 단량체 및 용매의 점도보다 높은 점도를 갖는 중합체성 물질에 대해 씰링된다는 장점을 갖는다. 더욱이, 구동기의 씰링은, 사용되는 용매에 대해 저항하지 않는다.
본 발명을 요약하면, 압출기 스크류의 구동기가, 중합체성 물질만이 존재하는 스크류 영역에 제공됨으로써, 씰의 디자인을 상응하게 보다 단순하게 하는 것이 허용된다. 따라서 본 발명은, 압출기 내의 추진 유동(drag flow)에 의해 압력 상승이 최고조가 될 것이 기대된다는 사실에도 불구하고, 중합체가 미리 매우 현저하게 탈휘발화된 압출기 내의 한 지점에서의 구동기를 디자인하는 방식을 기술한다.
특히 바람직한 변형양태에서는 압출기 스크류의 하류 말단으로부터 압출기 스크류의 구동기가 제공된다. 여기서는 압출물 배출구가, 압출기의 종방향 축에 대해 방사상으로 및/또는 접선방향으로(tangentially) 제공되는 것이 바람직하다.
압출물 배출구가, 구동기의 상류에, 그러나 탈휘발되는 중합체 시럽의 계량 지점의 하류에 존재하는 것도 마찬가지로 유리하다.
탈기 압출기의 한 바람직한 변형양태에서는, 압출기 스크류가 서로 반대로 운반하는 채널 프로필의 둘 이상의 영역을 가져서, 구동기에 인접한 압출기 스크류의 영역에서, 압출기의 구동기 쪽의 씰링을 보장하는 역-운반 스크류 쓰레드가 존재한다. 이러한 역-운반 스크류 쓰레드는 용융물을 복귀시켜, 압출물 배출구의 하류에 있는 압출기 배럴의 영역에서의 물질의 유동이 제한되는 것을 억제한다.
압출물 배출구는 바람직하게는 제1 물질 공급기의 하류에 있는 압출기 스크류의 하류-운반 구역(17)의 말단에 제공되어서, 주 운반 스트림과 복귀된 용융물 둘 다는 압출물 배출구를 통과하게 된다.
제한 링(restrictor ring) 및/또는 스크류 코어의 직경 변화가, 서로 반대로 절단 및 운반하는 스크류 프로필들 사이의 영역에 제공된다.
본 발명에 따르는 탈기 압출기의 한 변형양태에서는, 하류 말단 영역에 있는 압출기 배럴에 제2 물질 공급기가 제공된다. 이 때, 이러한 지점에서 도입되는 용융물이 압출물 배출구와 구동기 사이의 압출기 스크류의 하류 말단을 주 스트림에 대해 역류로 중합체로써 계속 플러싱시키도록, 미리 탈휘발된 중합체를 압출기에 공급하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 압출기 스크류의 상기 구역 내의 중합체 침적물이 제거된다. 이러한 침적물이 갑자기 제거되면, 압출물 배출구 내에 위치한 주 물질 스트림이 변색될 수 있다.
이러한 압출기 스크류 영역에는, 이러한 영역 내의 용융물의 점도를 유리하게 조절하기 위해서, 스크류 및/또는 압출기 배럴의 별도의 냉각 및/또는 가열이 제공될 수 있다. 예를 들면, 이러한 압출기 스크류 영역을 통과하고 휘발성 액체에 의해 부분적으로 충전된 폐쇄된 증기 채널이 있을 수 있다. 추가의 증기 채널이 반대 피치를 갖는 압출기 스크류의 영역에 제공될 수 있음은 물론이다. 압출기 스크류가 냉각되는 영역에서, 증기 채널 내의 증기의 응축은 응축에 의해 유리되는 열로 인해 가열을 제공하는 반면에, 증발은 과도한 온도로 인해 냉각을 유도한다.
스크류의 반대 피치 영역에서는, 냉각제 및/또는 뜨거운 유체가, 축의 구멍을 통해 외부로부터 스크류 내로 도입되고, 스크류를 내부적으로 통과할 수 있다.
본 발명에 따르는 탈기 압출기의 특히 바람직한 변형 양태에서는, 제2 물질 공급기가 압출물 배출구의 하류에 있는 압출기 배럴, 즉 중합체의 운반 방향으로의 압출물 배출구 뒤에 부착된다. 이러한 공급 지점에서는 압출물 배출구의 영역에서 방향전환된 부분스트림 및/또는 압출물 배출구의 상류에 있는 압출기 배럴로 방향전환되는 부분스트림을 통해 바람직하게 탈휘발된 용융물이 수득된다. 따라서 탈휘발된 중합체 스트림의 일부는 압출기의 한 지점에서 방향전환되며 용융물의 복귀 영역에서 재공급된다. 또다른 가능성은 제2 물질 공급 지점에, 제2 압출기로부터 나온 중합체가 공급되는 것이다.
이에 대해 대안적으로, 예를 들면 병행 중합 공정으로부터 나온 탈휘발된 중합체가 방향전환되고, 이것이 압출기 내의 적당한 지점에 공급될 수도 있다.
제2 물질 공급 스트림의 크기는 공급 배관의 직경 및/또는 공급 횡단면 및/또는 방향전환 횡단면의 적합한 선택에 의해 조절될 수 있다. 대안적으로, 제2 물질 공급 스트림의 크기가 밸브 및/또는 펌프 및/또는 기타 조절 장치 및/또는 제2 압출기에 의해 조절될 수 있다.
압출기의 기체 배출구는 다양한 지점에 제공될 수 있고, 예를 들면 증발되는 성분들이 중합체의 운반 방향으로 위로 또는 옆으로 소산될 수 있다. 물질 공급기의 하류에 기체 배출구가 제공될 필요가 있을 수 있다. 대안적으로, 탈휘발화 공정 동안에 발생한 기체의 일부가 제1 물질 공급기의 상류에서 소산될 수도 있다. 기체 배출구는 제1 물질 공급기의 상류에 제공된다. 이는 특히 본 발명의 압출기 디자인과 관련하여 특히 유리하다고 생각된다.
본 발명은 첨부된 도면의 도움을 받아 본 발명의 실시예의 사용을 통해 하기에 예시된다.
도 1은 응축 챔버가 부착되어 있으나 구동기를 갖지 않는, 탈기 압출기의 일부의 단면도이다.
도 2는 기어박스 및 모터를 갖지만 응축 챔버가 부착되어 있지 않는, 본 발명에 따르는 탈기 압출기의 도면이다.
도 1은 탈기 압출기(1)의 일부만을 보여준다. 탈기 압출기(1)는 압출기 배럴(2) 및 압출기 배럴(2) 내에 회전가능하게 장착된 압출기 스크류(3)를 포함한다. 압출기 스크류(3)는 중간 기어박스(5)에 의해 구동기(4)에 의해 회전한다.
예를 들면, 구동기(4)로서 제공된 전기 모터가 있을 수 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 도 1에는 도면의 오른쪽에 있는 구동기(4) 또는 기어박스(5)가 도시되어 있지 않다. 중합체/단량체 혼합물은, 공급 밸브(7)에 의해 압출기 배럴(2) 상의 둘 이상의 정반대되는 지점에서 분기 공급 배관(6)에 의해 압출기 배럴(2)에 도입된다.
본 발명에 따르는 탈기 압출기(1)는 단일-스크류 압출기로서 디자인되지만, 이것은 트윈-스크류 압출기로서 디자인될 수도 있다.
압출기 배럴(2)의 횡단면은 공급 밸브(7)의 영역에서 확대되는데, 즉 상기 내경은 상기 영역 외부의 압출기 배럴(2)의 표준 내경의 약 1.01 내지 3 배 만큼 더 크다. 이러한 지점에서의 압출기 배럴(2)의 내경은 (임의의 허용도를 고려하면) 압출기 스크류(3)의 스크류 날개의 외경에 대략 상응한다. 압출기 배럴(2)의 내경이 보다 큰 영역은 탈기 대역을 한정한다. 단량체/중합체 혼합물 및/또는 용매/중합체 혼합물은 압력 및 열의 조건 하에서 공급 배관(6)을 통해 압출기 배럴(2) 내로 공급된다. 현저한 압력 강하가 탈기 대역(9)에서 일어나고, 따라서 단량체 및/또는 용매는 탈휘발화에 의해 중합체로부터 제거될 수 있다. 더욱이, 물질의 유속은 동일한 영역에서 감소된다. 도면에서, 중합체는 구동기의 방향으로 오른쪽으로 운반된다. 이와 관련하여 사용된 "하류" 및 "상류"라는 용어는 항상 중합체의 운반 방향을 지칭한다.
탈기 대역(9) 내에서 발생하는 기체 또는 이러한 지점에서 발생하는 증기는 도면의 왼쪽으로, 즉 공급 밸브(7)의 상류로 운반된다.
압출기 배럴(2)의 상류 말단(10)은 개방되어 있고, 탈기 대역(9) 내에서 발생하는 기체가 과열된 증기의 형태로 흘러들어가는 응축 챔버(11) 내로 개방되어 있다.
(12)는 응축 챔버에서 기체 및/또는 증기를 냉각 및 응축시키는 역할을 하는 액체가 분무에 의해 도입되는 것을 나타낸다. 사용되는 액체는 유리하게는 중합체와 혼화성이어서, 임의의 비말동반된 중합체가 액체에 용해되는 것을 허용한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기타 수단, 예를 들면 열교환기 및/또는 응축기가 응축을 위해 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 구동기(4)는 공급 밸브(7)의 하류에 있는데, 이는 중합체가 압출기의 말단/스크류 선단으로부터 구동기 쪽의 방향으로 운반됨을 의미한다.
또한 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 탈기 압출기(1)는, 공급 지점(6)의 하류에 위치한 말단에, 접선방향의 또는 방사상의 압출물 배출구(13)를 갖는다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 압출기 스크류를 축방향으로 관통하는, 휘발성 액체에 의해 부분적으로 충전된, 폐쇄된 증기 채널(15)이 존재한다. 용매 또는 단량체의 증발은 압출기의 공급 영역에서 중합체의 현저한 냉각을 초래한다. 휘발성 액체는 예를 들면 물 또는 불활성 휘발성 액체, 예를 들면 증발성 오일일 수 있다. 또한 현저하게 냉각된 중합체는, 증기 채널(15) 내의 액체가 상기 지점에서 응축되면, 짧은 경로를 따라 증기 채널의 도움을 받아 가열될 수 있다. 공급 영역에서의 압출기 배럴의 가열 및 압출기 스크류(3)의 마찰열과 함께, 증기 채널(15)은 시럽의 공급 영역 내의 (부분적으로) 탈휘발된 용융물을 위한 추가의 열원을 나타낸다. 따라서 이러한 실시양태에서는 압출기의 처리량이 최대화될 수 있다. 압출물 배출구(13)의 영역에서는, 압출기 스크류 내에서의 증발로 인해 용융물 또는 압출물이 냉각된다.
과도한 마찰열이 소산됨으로써, 생성물의 열화가 감소될 수 있다.
본 발명에 따르는 탈기 압출기(1)에서는, 구동기(4) 및 기어박스(5)가, 중합체의 운반 방향으로 하류에 위치하는 탈기 압출기(1)의 말단에, 즉 제1 물질 공급기(6)와 반대되는 쪽에 제공된다.
압출기 스크류(3)는, 채널 프로필의 배향으로 인해 용융물이 압출기 배럴(2) 내에서 제1 물질 공급기(6)로부터 압출물 배출구(13) 쪽으로 운반되는 제1 스크류-쓰레드 구역(17)을 포함한다.
탈기 압출기(1)의 압출물 배출구(13)의 배향은 압출기 스크류(3)의 종방향 축에 대해 접선방향 또는 방사상이고, 따라서 중합체는 기어박스(5) 및 구동기(4)의 상류에서 배출된다.
더욱이, 압출기 스크류(3)는, 제1 스크류-쓰레드 구역(17)의 운반 방향과 반대로 역-운반을 달성하도록 채널 프로필이 배향된, 제2 스크류-쓰레드 구역(18)을 포함한다. 따라서 제2 스크류-쓰레드 구역(18)은 중합체의 주 유동물에 대해 압출기의 구동기 쪽에서의 씰링의 역할을 한다.
(19)는, 우회로(14) 및 제2 물질 공급기(20)에 의해 압출기 배럴(2)의 제2 스크류-쓰레드 구역(18)의 영역 내로 공급되는, 중합체의 주 유동물로부터 분기된, 유동 분기물을 나타낸다. 우회로는 압출기 배럴의 외부 또는 내부에 있을 수 있다. 주 유동물로부터 분기된 중합체 유동 분기물은, 압출기 스크류(3)의 제2 스크류-쓰레드 구역(18)의 영역 내에서, 신선한 중합체에 의한 꾸준한 백-플러싱을 일으킨다. 이러한 영역에서, 중합체는 기어박스(5)의 방향으로부터 압출물 배출구(13)의 방향으로 운반된다. 따라서, 이로 인해, 임의의 중합체 잔사가 압출물 배출구(13)의 하류 지점에 남아있지 않게 된다.
도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 압출물 배출구(13)는 제1 스크류-쓰레드 구역(17)의 하류 말단의 영역 내에 존재한다.
공지된 유형의 가열이, 본 발명에 따르는 탈기 압출기를 가열하는데 유리하게 사용된다. 도면에 도시된 바와 같이, 사용시의 압출기의 위치는 수평적이다.
1 탈기 압출기
2 압출기 배럴
3 압출기 스크류
4 구동기
5 기어박스
6 공급 배관
7 공급 밸브
8 응축물 유출
9 탈기 대역
10 탈기 압출기의 상류 말단
11 응축 챔버
12 분무 도입
13 압출물 배출구
14 우회로
15 증기 채널
16 기체 배출구
17 제1 스크류-쓰레드 구역
18 제2 스크류-쓰레드 구역
19 중합체 유동물로부터 분기된 분기물
20 제2 물질 공급기

Claims (12)

  1. 하나 이상의 구동기, 하나 이상의 압출기 배럴(2), 압출기 배럴(2) 내에 장착된, 하나 이상의 회전 구동되는 압출기 스크류(3), 하나 이상의 제1 물질 공급기(6), 하나 이상의 압출물 배출구(13), 하나 이상의 탈기 대역(9) 및 하나 이상의 기체 배출구(16)를 포함하고, 중합체의 운반 방향에 대해 하류에 있는 압출기 스크류(3)의 말단 영역에 구동기가 제공됨을 특징으로 하는, 중합체 물질의 탈휘발화를 위한 탈기 압출기(1).
  2. 제1항에 있어서, 구동기가 압출기 스크류(3)의 하류 말단을 구동시킴을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압출물 배출구(13)가 압출기의 종방향 축에 대해 방사상으로 및/또는 접선방향으로 제공됨을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 압출물 배출구(13)가 구동기의 상류에 있음을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 압출기 스크류(3)가 반대로 운반하는 채널 프로필의 둘 이상의 영역을 가짐을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  6. 제1항에 있어서, 압출물 배출구(13)가 공급 지점(6)의 하류에 있는 하류-운반 스크류-쓰레드 구역(17)의 말단에 제공됨을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 물질 공급기(20)가 하류 말단 영역 내에서 압출기에 제공됨을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  8. 제7항에 있어서, 압출기 내의 제2 물질 공급기(20)의 위치가 압출물 배출구(13)의 하류이고, 이러한 공급 지점에서는 압출물 배출구(13)의 영역에서 방향전환된 부분스트림 및/또는 압출물 배출구(13)의 상류에 있는 압출기 배럴(2)에서 방향전환되는 부분스트림 및/또는 압출물-배출구 배관으로부터 방향전환된 부분스트림을 통해, 바람직하게 탈휘발된 용융물이 수득됨을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 제2 물질 공급기(20)가 제2 압출기로부터 공급됨을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 물질 공급기(20)와 관련된 물질의 스트림이 조절가능함을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 탈휘발화 공정 동안에 발생하는 기체의 적어도 일부를 위한 기체 배출구(16)가 제1 물질 공급기(6)의 상류에 제공됨을 특징으로 하는 탈기 압출기.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제한 링 및/또는 스크류 코어의 직경 변화가 반대로 절단 및 운반하는 스크류 프로필들 사이의 영역에 제공됨을 특징으로 하는 탈기 압출기.
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