KR20160023805A - 다중 샤프트 스크류 유형 기계를 위한 스크류 요소 - Google Patents

다중 샤프트 스크류 유형 기계를 위한 스크류 요소 Download PDF

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KR20160023805A
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Abstract

본 발명은 쌍을 이루어 동일한 방향으로 회전하는 스크류 샤프트(W, W')를 갖는 다중 샤프트 스크류 유형 기계를 위한 스크류 요소(10, 10')에 관한 것이고, 여기서 상기 스크류 요소는 정확하게 서로 스크레이핑하고, 상기 스크류 요소로 이루어진 스크류 샤프트는 2개 이상의 스크류 플라이트를 갖는다. 스크류 프로파일(11, 11')은 전체 횡단면에 걸쳐 각각의 프로파일 곡선으로 나타낼 수 있고, 각 프로파일 곡선(11, 11')은 그의 진행에서 프로파일 곡선의 외측 반경(RA, RA') 내부에 있는 적어도 하나의 변곡점(K, K')을 갖는다. 변곡점은 피치의 급변 위치 또는 프로파일 곡선의 피치에서 기하학적 불연속부라고 여긴다. 추가로, 본 발명은 원 호(1-5)들을 곡선으로 조합하여 스크류 프로파일(11, 11')을 형성하고, 곡선이 적어도 하나의 변곡점(K, K') 또는 곡선을 따라 진행하는 동안 곡선의 피치에 적어도 하나의 불연속점을 가지고 상기 점(K, K')이 프로파일 곡선의 외측 반경(RA, RA') 내부에 있는, 스크류 요소(10, 10') 제조 방법에 관한 것이다. 추가로, 본 발명은 본 발명에 따른 스크류 요소를 갖는 스크류 유형 기계에 관한 것이다. 추가로, 본 발명은 플라스틱 물질을 압출하기 위한 본 발명에 따른 스크류 요소의 용도에 관한 것이다.

Description

다중 샤프트 스크류 유형 기계를 위한 스크류 요소 {SCREW ELEMENTS FOR MULTI-SHAFT SCREW-TYPE MACHINES}
본 발명은 쌍을 이루는 동방향 회전 스크류 샤프트를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소, 다중 샤프트 스크류 기계에서의 스크류 요소의 용도 및 이 스크류 요소를 이용한 플라스틱 조성물 압출 방법 및 또한, 스크류 요소 제조 방법에 관한 것이다.
회전자들이 서로 완전 와이핑(wiping)하는 동방향 회전 이중 또는 아마도, 다중 샤프트 기계는 이미 상당한 시간 동안 알려져 있었다 (예를 들어, DP 862 668 참조). 중합체 제조 및 가공에서, 완전 와이핑하는 프로파일의 원리에 기초하는 스크류 기계가 다양하게 이용되었다. 이것은 특히, 중합체 용융물이 표면에 접착하여 통상적 가공 온도 하에서 시간에 따라 열화되고, 이것이 완전 와이핑하는 스크류의 자정 효과에 의해 방지된다는 사실에 기초한다. 완전 와이핑하는 스크류 프로파일을 생성하기 위한 규칙은 예를 들어 [1] ([1] = Klemens Kohlgrueber: "Der gleichlaeufige Doppelschneckenextruder" [the co-running twin-screw extruder], Hanser Verlag Munich 2007 pages 96 - 109)에서 제시된다. 또한, 이축 스크류 압출기의 제1 샤프트의 미리 결정된 스크류 프로파일이 이축 스크류 압출기의 제2 샤프트의 스크류 프로파일을 결정한다고 서술한다 ([1], 97 페이지). 따라서, 제1 샤프트의 스크류 프로파일은 생성시키는 스크류 프로파일이라고 불린다. 제2 샤프트의 스크류 프로파일은 이축 스크류 압출기의 제1 샤프트의 스크류 프로파일로부터 결과가 나오고, 따라서 생성되는 스크류 프로파일이라고 불린다. 다중 샤프트 압출기의 경우에는, 생성시키는 스크류 프로파일 및 생성되는 스크류 프로파일이 항상 인접 샤프트에서 번갈아서 이용된다. 최신 이축 스크류 압출기는 상이한 스크류 요소를 코어 샤프트 상으로 끌어들일 수 있는 모듈러 시스템을 갖는다. 이것은 관련 분야 기술자가 이축 스크류 압출기를 각각의 공정 과업에 맞게 맞추는 것을 허용한다.
선행 기술에서는, 킹크(kink)가 횡단면 프로파일에서 스크류의 플라이트 랜드에 존재하여 플라이트의 플랭크와 급전이부를 형성하고, 플라이트 랜드가 프로파일의 회전점을 중심점으로 갖는, 프로파일의 외경과 같은 반경을 갖은 호를 포함하는 스크류 요소가 알려져 있다. 프로파일의 플랭크로의 전이부에서 이 킹크가 스크류 요소 상에서 가장자리를 형성한다. 다중 샤프트 기계로 수행되는 주된 과업 중 하나는 서로 균질하게 혼합될 수 없는 액체 상들 또는 용융물들의 분산, 또는 중합체 용융물 중에 고체의 분산이다. 어려운 분산 과업에는 전단 흐름 및 신장 흐름의 조합이 최적이라는 것이 기술 문헌 (예를 들어, Chang Dae Han: "Multiphase Flow in Polymer Processing", Academic Press, New York 1981 참조)으로부터 알려져 있다. 그러한 형태의 흐름은 스크류 채널에 존재하고, 스크류 채널에서는 물질이 한편으로는 샤프트의 회전에 의해 전단되고 다른 한편으로는 동시에 플라이트 랜드 쪽으로 스크류 채널의 수렴에 의해 신장된다. 그러나, 스크류의 플라이트 랜드의 영역에서는 오직 전단 흐름만 있고, 이것은 어려운 분산 과업의 경우에는 분산에 거의 기여하지 않을 것이다. 다른 한편, 도입된 에너지의 가장 많은 부분이 스크류의 플라이트 랜드와 배럴 또는 인접 샤프트 사이의 간극에서 소산된다. 따라서, 이 영역은 중합체 조성물의 가열 및 따라서, 잠재적으로 열에 의한 열화에 상당히 기여하고, 분산의 공정 과업에는 어떠한 기여도 제공하지 않는다. 완전 와이핑하는 방식으로 배열될 수 있다고 알려진 편심 배열 원형 디스크는 예외를 나타낸다. 편심 배열 원형 디스크는 오직 전단 흐름만 갖는 플라이트 랜드 영역을 전혀 갖지 않는다. 편심 배열 원형 디스크는 우수한 분산 효과를 갖는 것으로 알려져 있지만, 마찬가지로 그것은 큰 원주 영역에 걸쳐서 매우 좁은 간극을 생성하기 때문에 높은 에너지 투입을 갖는다. 게다가, 편심 배열 원형 디스크는 플라이트 수 Z = 1에 제한된다.
또한, 국제 특허 출원 WO 2009/152968 A1 및 WO 2011/069896 A1은 쌍을 이루는 동방향 회전 스크류 샤프트를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소를 서술하고, 이 출원들의 전문이 본원에 참고로 포함된다. 이 스크류 요소는 위에서 언급한 문제에 대응하기 위해서 연속적으로 미분가능한 프로파일 곡선으로 나타낼 수 있는 축방향 횡단면 프로파일을 갖도록 개발되었다. 그러나, 이것은 아직 모든 응용 영역에서 스크류 요소의 최적 성능을 달성하지는 못한다.
유럽 특허 출원 EP 1093905 A2는 그 중에서도 이축 스크류 압출기를 개시하고, 이미 높은 분산 및 분배 혼합 효과와 함께 압출되는 물질의 소산 가열을 피하는 문제를 다루지만, 불충분한 해법을 제공할 뿐이다.
또한, 독일 특허 출원 DE 102008026862 A1은 다중 샤프트 압출기의 경우에 분산 및 분배 혼합 효과를 개선하는 것에 관련되지만, 압출되는 물질의 소산 가열의 문제를 다루지 않는다.
유럽 특허 출원 EP 087536 A2는 한편으로는 다중 샤프트 압출기의 경우에서의 분산 및 분배 혼합 효과의 개선에 집중하고 다른 한편으로는 온화한 가공에 집중하지만, 이 출원은 온화한 가공과 조합한 분산 및 분배 혼합 효과의 개선에는 집중하지 않는다.
유럽 특허 출원 EP 0002131 A1은 플라스틱에 대해 개선된 니딩(kneading) 작용을 갖는 다중 샤프트 압출기를 개시한다. 그러나, 이 특허 출원은 분산 또는 분배 혼합 효과의 개선도 다루지 않고 압출되는 물질의 소산 가열의 문제도 다루지 않는다.
국제 특허 출원 WO 2001/006516 A1은 개선된 분산 혼합 효과를 갖는 다중 샤프트 압출기를 개시한다. 그러나, 이 특허 출원도 또한 압출되는 물질의 소산 가열의 문제를 다루지 않는다.
따라서, 선행 기술에 근거하여, 목적은 가능한 한 적은 에너지 투입과 함께 선행 기술에 비해 개선된 분산 효과를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소를 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따라서 청구항 1의 특징을 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소 및 청구항 10의 특징을 갖는 이 스크류 요소의 제조 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 세밀한 사항 및 응용은 종속항 및 추가의 독립항에서 명시된다.
놀랍게도, 이 목적은 전체 횡단면에 걸쳐, 연속적으로 미분가능하지 않고 프로파일 곡선을 따라서 프로파일 곡선의 외측 반경 내에 있는 킹크를 갖는 프로파일 곡선에 의해 나타낼 수 있는 프로파일을 가지고, 프로파일의 외측 반경에 대한 스크류 프로파일의 곡률 반경의 비가 0.05 내지 0.95인 스크류 요소에 의해 달성된다는 것을 발견하였다. 이것은 특히 배럴을 세정하는 점 PA에서 적용된다. 킹크는 기울기의 급변 부위 또는 프로파일 곡선 기울기의 기하학적 불연속부라고 생각한다. 게다가, "프로파일 곡선의 외측 반경 내에"라는 용어는 킹크가 프로파일 곡선의 외측 반경 상에 있는 것이 아니라, 각각의 스크류 요소의 회전점 또는 회전축으로부터, 프로파일 곡선의 외측 반경보다 작은 반경을 갖는 부위에 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서는, 프로파일의 외측 반경에 대한 스크류 프로파일의 곡률 반경의 비가 0.2 내지 0.8, 바람직하게는 0.3 내지 0.7, 특히 바람직하게는 0.35 내지 0.65이다. 이것은 특히 배럴을 세정하는 점 PA에서 적용된다. 프로파일 곡선이 일부분씩 다양한 함수로 구성되면, 곡률 반경은 아마도 불연속일 수 있고, 즉, 한 회전 방향에서 한 점에 접근할 때의 값들에 대해서 곡선의 반경의 한계 값이 반대 회전 방향에서 한 점에 접근할 때와 상이하다. 그러한 전이부가 특히 프로파일의 외측 반경에 있는 경우에는, 바람직한 범위가 바람직하게는 두 한계 값 중 적어도 하나에 적용된다.
따라서, 본 발명의 주제는, 스크류 요소가 쌍으로 완전 와이핑하고 이들 스크류 요소로 구성된 스크류 샤프트는 2개 이상의 스크류 플라이트를 가지며, 생성시키는 스크류 프로파일 및 생성되는 스크류 프로파일이 각 경우에 전체 횡단면에 걸쳐 적어도 하나의 킹크 또는 프로파일 곡선 기울기의 적어도 하나의 기하학적 불연속부를 갖는 프로파일 곡선으로 나타내어질 수 있는, 쌍을 이루는 동방향 회전 스크류 샤프트를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소이며, 적어도 하나의 킹크 또는 적어도 하나의 불연속부가 프로파일 곡선의 외측 반경에 있지 않고 프로파일의 외측 반경에 대한 스크류 프로파일의 곡률 반경의 비가 0.05 내지 0.95인 것을 특징으로 하는 스크류 요소이다. 이것은 특히 배럴을 세정하는 점 PA에서 적용된다. 본 발명에 따른 스크류 요소들은 항상 거리 a를 두고 서로 평행하게 배열되는 두 회전축 둘레로 동일한 방향으로 동일한 회전 속도로 회전할 때 적어도 한 점에서 서로 접촉하도록 의도된다.
동시에, 본 발명은 스크류 요소 및 코어 샤프트로부터 스크류의 요즘의 통상적인 모듈러 구조를 포함하는 스크류 요소에 제한되지 않고, 중실(solid) 구조의 스크류에도 또한 적용될 수 있다. 따라서, 스크류 요소라는 용어가 중실 구조의 스크류도 의미하는 것임을 이해한다. 비록 적어도 하나의 킹크가 스크류 요소의 프로파일에서 가장자리를 형성할지라도, 그것이 스크류의 플라이트 랜드에 있지 않고 방사방향에서 내측으로 오프셋되며, 이렇게 해서 그것이 중합체 조성물의 분산에 기여할 수 있고 중합체 조성물의 가열에는 상당한 기여를 하지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 스크류 요소의 횡단면 프로파일 (이하에서는, 간단히 프로파일 또는 그 밖에, 스크류 프로파일이라고 부름)은 상기 적어도 하나의 킹크를 제외하고는 전체 길이에 걸쳐서 연속적으로 미분가능한 곡선에 의해 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 연속적으로 미분가능한 프로파일 곡선의 부분들은 WO 2011/069896 A1에 서술된 방법에 의해 생성된다.
생성시키는 스크류 프로파일 및 생성되는 스크류 프로파일에 대해서 위에서 이미 언급한 바와 같이, 한 스크류 요소의 횡단면 프로파일은 미리 결정될 수 있고, 다른 한 스크류 요소의 횡단면 프로파일은 이 미리 결정된 프로파일로부터 유도하기 쉽다. 또한, 스크류 프로파일 또는 스크류 요소를 여기서는 간략하게 하기 위해 상응하는 프로파일 또는 요소라고 부른다. 이 경우, 생성시키는 프로파일 또는 미리 결정되는 프로파일은 단지 몇 가지 충족하기 쉬운 기준을 따르기만 하면 된다. 상응하는 스크류 요소의 프로파일의 유도 또는 생성은 그래픽에 의해 또는 컴퓨터에 의해 쉬운 방식으로 일어난다. 이것은 엄청나게 다양한 상응하는 스크류 요소의 제작을 허용한다. 스크류 요소의 횡단면 프로파일을 묘사하는 곡선은 상응하는 스크류 요소의 횡단면 프로파일이 그 곡선으로부터 생성될 수 있도록 하기 위해서 다음 기준을 따라야 한다: 곡선이 닫혀야 하고, 곡선이 연속이어야 하고, 곡선이 볼록해야 하고, 곡선이 일부분씩 연속적으로 미분가능해야 하고, 곡선이 각 점에서 스크류 요소 사이의 중심선 거리 a 이하의 곡률 반경을 가져야 한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 한 스크류 요소의 생성시키는 횡단면 프로파일은 연속적이고 일부분씩 연속적으로 미분가능하고 닫힌 볼록한 곡선
Figure pct00001
로 평면에 형성되고, 다른 한 스크류 요소의 생성되는 횡단면 프로파일은 다음 관계식 (1)에 따라서 곡선
Figure pct00002
으로 형성된다.
Figure pct00003
(1)
여기서,
- 곡선
Figure pct00004
는 각 점에서 스크류 요소 사이의 중심선 거리 a 이하의 곡률 반경 ρ을 가지고,
- 연속적으로 미분가능한 부분 내의 곡선
Figure pct00005
의 각 점에 대해, 각각의 점에서 곡선
Figure pct00006
의 접선에 수직이고, 곡선
Figure pct00007
의 각각의 점에 속하는 곡률의 중심점의 방향을 향하는, 길이 1의 정규화된 법선 벡터
Figure pct00008
가 존재하고,
-
Figure pct00009
는 횡단면에서 생성시키는 프로파일의 회전점으로부터 생성되는 프로파일의 회전점 쪽 방향을 향하는 길이 a를 갖는 벡터이다.
이와 관련해서, 곡선
Figure pct00010
는 일부분씩 단일 수학 함수에 의해 묘사될 수 있다. 예로서 언급될 수 있는 함수는 관련 분야 기술자에게 알려진 함수, 예컨대 원 함수 또는 타원 함수, 포물선 함수 또는 쌍곡선 함수이다. 또한, 예를 들어 다음 형태로 함수를 나타내는 것도 가능하다:
Figure pct00011
이것에 의해서, 함수 f(s)의 형태에 의존하여, 사실상 반경 r0을 갖는 배럴과 회전 스크류 요소 사이에 스크류 요소를 제공할 때, 자유롭게 선택가능한 형태의 간극이 얻어진다. 함수 f(s)는 예를 들어 s의 1차 함수 또는 2차 함수, 쌍곡선 함수 또는 지수 함수일 수 있다.
또한, 값이 제어점에 의해 결정되는 함수, 예컨대, 예를 들어 B-스플라인 함수, 베지어 함수, 유리 베지어 함수 및 비균일 유리 B-스플라인 (NURBS)이 언급된다. 베지어 함수, 유리 베지어 함수 및 NURBS가 바람직하고, 이유는 이 함수들이 CAD 시스템 (CAD = Computer Aided Design)을 이용한 제작에 종종 이용되기 때문이고, CAD 시스템에서는 이 함수들이 특히 제어점을 이동함으로써 기하학적 그래픽 형태로 어떠한 요망되는 형태를 정의하는 데 이용된다. 2차 및 3차 (즉, n = 2 및 n = 3) 베지어 함수 및 3차 유리 베지어 함수가 특히 바람직하다.
여기서는 한 예로서 베지어 함수를 인용할 수 있다. 알려진 바와 같이, 베지어 함수는 다음 형태를 갖는다.
Figure pct00012
여기서,
Figure pct00013
은 제어점의 좌표이고,
Figure pct00014
는 베른스타인 다항식이다.
알려진 바와 같이, 문헌 [M.S. Floater: "Derivatives of Rational Bezier Curves", Comp. Aid. Geom. Design 9, 1992, 161-174]에 서술된 차수 n의 유리 베지어 함수는 다음 형태를 갖는다.
Figure pct00015
여기서,
Figure pct00016
은 함수의 제어점의 좌표를 나타내고, wi는 그의 가중치를 나타낸다.
마찬가지로, 곡선
Figure pct00017
는 일부분씩 다양한 수학 함수로 묘사될 수 있고, 부분 기반 함수는 바람직하게는 앞 문단에서 언급된 함수에 상응한다. 수학 함수에 의한 부분 기반 묘사의 특수한 경우는 원의 호를 이용한 묘사에 의해 나타낸다. 다시 말해서, 일부 또는 전체 곡선
Figure pct00018
- 및 따라서, 한 스크류 요소의 일부 또는 생성시키는 횡단면 프로파일 - 을 호로 묘사하는 것이 가능하다. 상기 관계식 (1), 특히
Figure pct00019
로부터, 이 경우에는 곡선
Figure pct00020
및 따라서, 다른 한 스크류 요소의 생성되는 횡단면 프로파일도 원의 호로 구성된다는 결론이 나온다.
곡선
Figure pct00021
는 적어도 일부분씩 연속적으로 미분가능해야 한다. 따라서, 일부분씩 정의되는 곡선
Figure pct00022
의 부분들의 경계에서, 결과적으로 개개의 부분들은 연속적으로 미분가능한 방식으로 서로 병합되지 않아야 한다. 곡선의 두 부분이 킹크 점에서 서로 만나면, 킹크 점 또는 킹크 부위에 대해서 접선 벡터도 정의되지 않고 법선 벡터도 정의되지 않는다. 따라서, 상기 관계식 (1)은 한 스크류 요소의 프로파일의 킹크 부위에 대해서 다른 한 스크류 요소의 곡선
Figure pct00023
의 상응하는 부분을 직접적으로 주지 않는다.
한 스크류 요소의 횡단면 프로파일에서의 각 킹크에 대해서, 다른 한 스크류 요소의 프로파일에서의 호가 상응한다. 호의 크기는 호의 중심각 및 호의 반경을 명시함으로써 주어진다. 이하에서는, 원의 호의 중심각을 간단히 호의 각이라고 부른다. 호의 위치는 호의 중심점의 위치 및 호의 두 끝점의 위치에 의해 주어진다. 다른 한 스크류 요소의 횡단면 프로파일에서 한 스크류 요소의 횡단면 프로파일에서의 킹크에 상응하는 호는 크기가 항상 중심선 거리 a에 상응하는 반경을 갖는다. 게다가, 킹크에 상응하는 호는 항상 곡선 부분들의 접선들이 킹크 점에서 만나는 각도에 상응하는 각도를 갖는다. 역으로, 곡선
Figure pct00024
의 프로파일 부분이 반경 a를 갖는 원의 호이면, 곡선
Figure pct00025
의 상응하는 프로파일 부분이 "킹크"라는 것이 상응하게 적용된다.
이 정도로는, 킹크를 반경이 0인 호로 서술하는 것이 유리하다. 킹크에서, 반경 0을 갖는 원의 호의 각 둘레로 회전에 의해 제1 곡선 부분에서 제2 곡선 부분으로 전이가 일어난다. 반경 0을 갖는 원의 호의 중심점에서 제1 곡선 부분의 접선은 마찬가지로 원의 호의 중심점에서 제2 곡선 부분의 접선과 원의 호의 각에 상응하는 각도로 교차한다. 원의 호를 고려할 때, 인접하는 곡선 부분들 (제1 곡선 부분 → 반경 0을 갖는 호 → 제2 곡선 부분) 모두가 서로 접선으로 병합된다. 반경 0을 갖는 호는 편의상 반경이 eps인 호로 취급하고, 여기서 eps는 0에 가까워지는 매우 작은 양의 실수 (eps << 1, eps → 0)이다. 상응하는 횡단면 프로파일 상에, 동일한 각도, 및 중심선 거리와 같은 반경을 갖는 호가 존재한다. 이 상황은 WO2011/069896 A1 (WO2011/069896 A1, 8 페이지, 5 - 11 줄)에서 예시된다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서는, 따라서, 스크류 요소의 프로파일이 또한 오직 호의 배열에 의해서만 묘사될 수 있다. 본 발명에 따른 생성시키는 스크류 요소 및 생성되는 스크류 요소의 스크류 프로파일은 전체가 n개의 호로 구성되고, 여기서 n은 4 이상이다. n개의 호 각각은 시작점 및 끝점을 갖는다. 호들 중 일부는 그것들의 시작점 및 끝점에서 서로 접선으로 병합될 수 있고, 이렇게 해서 그것들은 연속적으로 미분가능한 프로파일 곡선을 부분적으로 형성한다. 그러나, 킹크 또는 기울기의 급변 또는 프로파일 곡선 기울기의 기하학적 불연속 부위에서는, 각각의 호가 서로 접선으로 병합되지 않고, 각을 이루어, 바람직하게는 90°내지 180°, 더 바람직하게는 120°내지 180°, 및 훨씬 더 바람직하게는 140°내지 180°의 각도로 서로 만난다.
각 호 j (j = 1 내지 n)의 부위는 상이한 두 점을 명시함으로써 명확히 정할 수 있다. 호의 위치는 편의상 중심점 및/또는 시작점 또는 끝점을 명시함으로써 정한다. 개개의 호 j의 크기는 반경 rj 및 시작점과 끝점 사이의 중심점 둘레의 각 αj에 의해 정하고, 반경 rj는 0 초과 및 샤프트간 중심선 거리 a 미만이고, 호도법으로 각 αj은 0 이상 및 2π 이하이고, 여기서 π는 원의 상수이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 스크류 요소는 다음을 특징으로 한다:
- 생성시키는 스크류 프로파일 및 생성되는 스크류 프로파일이 한 평면에 있고,
- 생성시키는 스크류 프로파일의 회전축 및 생성되는 스크류 프로파일의 회전축이 각 경우에서 거리 a (중심선 거리)에서 스크류 프로파일의 상기 평면에 수직이고, 생성시키는 스크류 프로파일의 회전축과 상기 평면의 교점을 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점이라고 부르고, 생성되는 스크류 프로파일의 회전축과 상기 평면의 교점을 생성되는 스크류 프로파일의 회전점이라고 부르고,
- 전체 생성시키는 스크류 프로파일의 호의 수 n이 4 이상이고 (n ≥ 4),
- 생성시키는 스크류 프로파일의 외측 반경 ra가 0 초과 (ra > 0) 및 중심선 거리 a 미만 (ra < a)이고,
- 생성시키는 스크류 프로파일의 코어 반경 ri가 0 초과 (ri > 0) 및 외측 반경 ra 이하 (ri ≤ ra)이고,
- 호가 닫힌 스크류 프로파일을 형성하고, 즉, 호 j 모두의 각 αj의 합이 2π이고, 여기서 π는 원의 상수 (π
Figure pct00026
3.14159)이고,
- 호가 볼록한 스크류 프로파일을 형성하고,
- 생성시키는 스크류 프로파일의 각 호가 외측 반경 ra 및 코어 반경 ri를 갖는 원형 고리의 경계 내에 또는 경계 상에 있고, 호의 중심점이 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점 상에 있고,
- 생성시키는 스크류 프로파일의 호들 중 적어도 하나가 점 PA에서 생성시키는 스크류 프로파일의 외측 반경 ra와 접촉하고,
- 생성시키는 스크류 프로파일의 호들 중 적어도 하나가 점 PI에서 생성시키는 스크류 프로파일의 코어 반경 ri와 접촉하고,
- 생성되는 스크류 프로파일의 호의 수 n'이 생성시키는 스크류 프로파일의 호의 수 n과 같고,
- 생성되는 스크류 프로파일의 외측 반경 ra'이 중심선 거리와 생성시키는 스크류 프로파일의 코어 반경의 차와 같고 (ra' = a - ri),
- 생성되는 스크류 프로파일의 코어 반경 ri'이 중심선 거리와 생성시키는 스크류 프로파일의 외측 반경의 차와 같고 (ri' = a - ra),
- 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 각 αj'이 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 각 αj와 같고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이고,
- 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 반경 rj' 및 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 반경 rj의 합이 중심선 거리 a와 같고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이고,
- 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점이 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점으로부터 중심선 거리 a와 같은 거리를 두고, 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점이 생성되는 스크류 프로파일의 회전점으로부터, 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점으로부터 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점까지의 거리와 같은 거리를 두고, 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점과 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점 사이의 연결선이 생성되는 스크류 프로파일의 회전점과 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점 사이의 연결선에 평행한 선이고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이고,
- 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 시작점이 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점에 대해서, 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 시작점이 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점에 대해서 갖는 방향과 반대인 방향에 있고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 스크류 요소의 프로파일은 그것을 삼각자 및 컴퍼스로 제작할 수 있다는 특징이 있다. 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호와 (j+1) 번째 호 사이의 접선 전이는 j 번째 호의 끝점 둘레로 반경 rj +1을 갖는 원을 그림으로써 및 (j+1) 번째 호의 중심점인 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점에 더 가까이 위치하는, 이 원과 j 번째 호의 중심점 및 끝점에 의해서 정의되는 이 직선의 교점에 의해 제작할 수 있다. 더 실용적인 방식으로는, 스크류 프로파일을 제작하는 데 삼각자 및 컴퍼스 대신 컴퓨터 프로그램을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 스크류 요소는 대칭 또는 비대칭일 수 있고, 바람직하게는 본 발명에 따른 스크류 요소는 대칭이다. 대칭 스크류 요소는 축대칭 또는 점대칭일 수 있고; 바람직하게는, 본 발명에 따른 스크류 요소는 축대칭이다. 스크류 요소는 바람직하게는 각 경우에서 프로파일 곡선의 외측 반경 내에서 프로파일 곡선을 따라서, 예를 들어 프로파일 곡선 둘레에서 180°또는 π (호도법)의 각으로 서로 오프셋되는 2개의 불연속 부위를 갖는다. 이 부위들은 각각 바람직하게는 프로파일 곡선의 플라이트 랜드의 배출 측에 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 그러한 축대칭 스크류 요소의 플라이트 수 Z는 2 내지 8, 특히 바람직하게는 2 내지 4의 범위이다. 따라서, 본 발명에 따른 대칭 스크류 요소의 횡단면의 프로파일 곡선은 프로파일 부분들로 세분될 수 있고, 프로파일 부분들은 프로파일의 대칭 중심 또는 대칭축에서 점 또는 축 미러링(mirroring)에 의해 서로 전이된다. 프로파일 부분들 중 하나를 형성하는 호의 수 n은 바람직하게는 2 내지 8의 범위, 특히 바람직하게는 3 내지 6의 범위에 있다.
본 발명에 따른 축대칭 스크류 요소의 횡단면의 프로파일 곡선은 바람직하게는 2· Z개의 프로파일 부분들로 세분될 수 있고, 이 부분들은 프로파일의 대칭축에서 축 미러링에 의해 서로 전이될 수 있다. 따라서, 대칭성 때문에, 플라이트 수 Z를 갖는 축대칭 스크류 요소의 프로파일은 프로파일의 두 대칭축 사이에 있는 360°/(2·Z)의 세그먼트의 프로파일 부분에 의해 완전히 정의될 수 있다. 나머지 프로파일은 회전점에서 교차하고 회전점 둘레의 360°의 각을 크기 360°/(2·Z)의 2·Z개의 각으로 세분하는 Z개의 대칭축에서 프로파일 부분의 미러링에 의해 얻어진다. 게다가, 축대칭 스크류 요소의 경우, 인접하는 샤프트 상의 상응하는 스크류 프로파일 (생성시키는 프로파일 및 생성되는 프로파일)은 동일하거나, 또는 회전에 의해 일치하게 될 수 있다. 대칭 부분들이 대칭 중심에서 점 미러링에 의해 각각 서로 전이될 수 있는 점대칭 스크류 프로파일에도 유사하게 적용된다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 축대칭 스크류 요소의 프로파일 부분은 그것이 프로파일의 외측 반경 상에 있는 점 PA와 프로파일의 코어 반경 상에 있는 점 PI 사이에서 원의 호들로 구성된다는 특징이 있다. 호들은 서로 병합되어 프로파일 부분의 대부분에서 연속적으로 미분가능한 곡선을 형성하지만, 프로파일 부분은 호들이 서로 접선으로 병합되지 않고 킹크를 형성하거나 또는 90°내지 180°의 각으로 만나는 적어도 하나의 부위를 포함한다. 특히 바람직한 실시양태에서, 점 PA와 PI 사이의 본 발명에 따른 스크류 요소의 프로파일 부분은 정확히 3개의 호로 구성된다. 3개의 호를 갖는 경우, 프로파일은 작은 반경을 선택함으로써 배럴 벽을 세정하는 점 PA의 영역에서 더 가느다랗게 될 수 있고, 이렇게 함으로써 에너지 소산이 추가로 감소된다.
본 발명의 또 다른 실시양태에서, 플라이트 수 Z를 갖는 점대칭 스크류 프로파일은 Z개의 대칭 부분으로 나뉠 수 있고, 대칭 부분들이 대칭 중심에서 또는 프로파일의 회전점에서 점 미러링에 의해 서로 전이되는 것이 가능하다. 점대칭 스크류 요소의 경우에서, 인접하는 샤프트 상의 상응하는 스크류 프로파일 (생성시키는 프로파일 및 생성되는 프로파일)은 동일하거나, 또는 회전에 의해 일치할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 스크류 요소의 프로파일 부분은 그것이 서로 접선으로 병합되고, 각 호가 인접하는 프로파일 부분에 접선으로 병합되지 않고 인접하는 프로파일 부분과 각을 이루어, 바람직하게는 90°내지 180°의 각으로, 더 바람직하게는 약 120°내지 180°의 각으로 및 훨씬 더 바람직하게는 약 140°내지 180°의 각으로 만나는 두 부위 사이에서 연속적으로 미분가능한 곡선을 형성하는 다수의 호로 구성된다는 특징이 있다. 다시 말해서, 이 실시양태에서 각 프로파일 부분의 끝점은 프로파일 곡선에서 킹크 부위를 형성한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 중심선 거리에 대한 스크류 요소의 외측 반경 ra의 비는 본 발명에 따른 이중 플라이트 스크류의 경우에 0.54 내지 0.7 및 특히 바람직하게는 0.58 내지 0.63이고, 삼중 플라이트 스크류의 경우에 0.53 내지 0.57 및 특히 바람직하게는 0.54 내지 0.56이고, 사중 플라이트 스크류의 경우에 0.515 내지 0.535이다.
본 발명에 따른 스크류 요소는 운반 요소 또는 니딩 요소 또는 혼합 요소로서 형성될 수 있다.
알려진 바와 같이 (예를 들어, [1], 243 - 237 페이지), 운반 요소는 스크류 프로파일이 나선 방식으로 돌고 축방향으로 연속된다는 사실에 의해 특징지워진다. 이 경우, 운반 요소는 우선성 또는 좌선성일 수 있다. 운반 요소의 피치 t는 예를 들어 외경의 0.1 내지 10 배의 값을 취할 수 있고, 피치는 스크류 프로파일의 완전 회전에 필요한 축방향 길이를 의미하는 것으로 이해한다. 피치 t는 바람직하게는 외경의 0.3 내지 3 배의 범위 내에 있다. 실용적 이유에서, 운반 요소의 축방향 길이는 바람직하게는 t/Z의 정수 배수로서 구성된다.
알려진 바와 같이 (예를 들어, [1], 237 - 240 페이지 참조), 니딩 요소는 스크류 프로파일이 축방향에서 오프셋 방식으로 니딩 디스크 형태로 계속된다는 사실에 의해 특징지워진다. 니딩 디스크의 배열은 우선성 또는 좌선성 또는 중립일 수 있다. 니딩 디스크의 축방향 길이는 바람직하게는 외경의 0.02 내지 2 배의 범위이다. 두 인접 니딩 디스크 사이의 축방향 거리는 바람직하게는 외경의 0.001 내지 0.1 배의 범위 내에 있다.
알려진 바와 같이 (예를 들어, [1], 242 - 244 페이지), 혼합 요소는 스크류의 플라이트 랜드에서 애퍼처가 제공된 운반 요소에 의해 형성된다. 혼합 요소는 우선성 또는 좌선성일 수 있다. 그것의 피치 t는 바람직하게는 외경의 0.1 내지 10 배의 범위 내에 있다. 운반 요소와 유사하게, 혼합 요소의 축방향 길이는 t/Z의 정수 배수로서 구성된다. 애퍼처는 바람직하게는 u형 또는 v형 홈의 형태를 갖는다. 혼합 요소가 능동적으로 운반하는 요소에 기초하여 형성되는 경우, 홈들은 바람직하게는 운반에 거슬리게 또는 축방향으로 평행하게 배열된다.
또한, 본 발명의 주제는 거리 a를 두고 서로 평행하게 배열되는 두 회전축 둘레로 동일한 방향으로 동일한 회전 속도로 회전할 때 항상 적어도 한 점에서 서로 접촉하는 본 발명에 따른 스크류 요소의 제조 방법을 포함한다.
방법의 바람직한 실시양태에서, 한 스크류 요소의 (생성시키는) 횡단면 프로파일은 회전축에 수직인 평면 E에서 연속적이고 일부분씩 연속적으로 미분가능하고 닫힌 볼록한 곡선
Figure pct00027
으로 형성되고, 다른 한 스크류 요소의 (생성되는) 횡단면 프로파일은 다음 관계식 (1)에 따라서 곡선
Figure pct00028
로 형성된다:
Figure pct00029
(1), 여기서
- 곡선
Figure pct00030
는 각 점에서 스크류 요소 사이의 중심선 거리 a 이하의 곡률 반경 ρ을 가지고,
- 연속적으로 미분가능한 부분 내에서 곡선
Figure pct00031
의 각 점에 대해, 각각의 점에서 곡선
Figure pct00032
의 접선에 수직이고, 곡선
Figure pct00033
의 각각의 점에 속하는 곡률의 중심점의 방향을, 향하는 길이 1의 정규화된 법선 벡터
Figure pct00034
가 존재하고,
-
Figure pct00035
는 생성시키는 프로파일의 회전축과 평면 E의 교점으로부터 생성되는 프로파일의 회전축과 평면 E의 교점 쪽 방향을 향하는 길이 a를 갖는 벡터이다.
상기 식에 따라서 각각의 프로파일의 생성은 곡선
Figure pct00036
상의 점에 기초하여 입증될 수 있다. 프로파일 곡선
Figure pct00037
는 스크류 요소의 회전축에 수직인 평면에서 생성된다. 회전축은 서로 거리 a를 두고 떨어져 있다. 벡터
Figure pct00038
는 길이 a를 가지고, 한 회전축으로부터 다른 한 회전축 쪽 방향을 향한다. 한 (생성시키는) 프로파일의 프로파일 곡선
Figure pct00039
의 각 점으로부터, 다른 한 (생성되는) 프로파일의 상응하는 곡선
Figure pct00040
상의 점이 생성될 수 있다. 상응하는 곡선
Figure pct00041
상의 점은 곡선
Figure pct00042
의 점에서 곡선의 접선
Figure pct00043
를 배치하고, 이 접선에 대해서 정규화된 법선 벡터
Figure pct00044
를 형성하고, 그것을 a 배 연장하고 {다시 말해서,
Figure pct00045
}, 마지막으로 이 벡터
Figure pct00046
에 벡터
Figure pct00047
를 더함으로써 얻는다.
위에서 이미 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시양태에서 스크류 요소는 곡선을 따라서 적어도 하나의 킹크 부위 또는 기울기의 불연속 부위를 갖는 곡선을 형성하는 원의 호로 구성되고 이 적어도 하나의 부위가 프로파일 곡선의 외측 반경 내에 있는 프로파일에 의해 특징지워진다. 따라서, 2개 이상의 스크류 플라이트를 갖는 중심선 거리 a를 두고 쌍을 이루는 동방향 및 쌍을 이루는 완전 와이핑 스크류 샤프트를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소를 제조하는 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 전체 횡단면에서 n개 (여기서, n은 4 이상의 정수임)의 호에 의해 형성되는 스크류 프로파일을 갖는다.
본 발명에 따른 스크류 프로파일을 생성하는 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 다음을 특징으로 한다:
- 생성시키는 스크류 프로파일의 외측 반경 ra가 0 초과 (ra > 0) 및 중심선 거리 a 미만 (ra < a)이도록 선택되고,
- 생성시키는 스크류 프로파일의 코어 반경 ri가 0 초과 (ri > 0) 및 외측 반경 ra 이하 (ri ≤ ra)이도록 선택되고,
- 호가 닫힌 볼록한 스크류 프로파일을 형성하고, 생성시키는 스크류 프로파일의 각 호가 외측 반경 ra 및 코어 반경 ri를 갖는 원형 고리의 경계 내에 또는 경계 상에 있고, 호의 중심점이 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점 상에 있고, 생성시키는 스크류 프로파일의 호들 중 적어도 하나가 점 PA에서 생성시키는 스크류 프로파일의 외측 반경 ra와 접촉하고, 생성시키는 스크류 프로파일의 호들 중 적어도 하나가 점 PI에서 생성시키는 스크류 프로파일의 코어 반경 ri와 접촉하고,
- 생성되는 스크류 프로파일의 n'개의 호가 생성시키는 스크류 프로파일의 n개의 호로부터 생기고,
o 생성되는 스크류 프로파일의 호의 수 n'이 생성시키는 스크류 프로파일의 호의 수 n과 같고,
o 생성되는 스크류 프로파일의 외측 반경 ra'이 중심선 거리 a와 생성시키는 스크류 프로파일의 코어 반경 ri의 차와 같고 (ra' = a - ri),
o 생성되는 스크류 프로파일의 코어 반경 ri'이 중심선 거리 a와 생성시키는 스크류 프로파일의 외측 반경 ra의 차와 같고 (ri' = a - ra),
o 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 각 αj'이 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 각 αj와 같고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이고,
o 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 반경 rj' 및 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 반경 rj의 합이 중심선 거리 a와 같고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이고,
o 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점이 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점으로부터 중심선 거리 a와 같은 거리를 두고, 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점이 생성되는 스크류 프로파일의 회전점(C')으로부터, 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점(C)으로부터 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점의 거리와 같은 거리를 두고 떨어져 있고, 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점과 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점 사이의 연결선이 생성되는 스크류 프로파일의 회전점과 생성시키는 스크류 프로파일의 회전점 사이의 연결선에 평행한 선이고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이고,
o 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 시작점이 생성되는 스크류 프로파일의 j' 번째 호의 중심점에 대해서, 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 시작점이 생성시키는 스크류 프로파일의 j 번째 호의 중심점에 대해서 갖는 방향과 반대인 방향에 있고, 여기서 j 및 j'은 공동으로 1 내지 호의 수 n 또는 n'의 범위의 모든 값에 미치는 정수이다.
스크류 프로파일이 원의 호로 이루어지는 바람직한 변형에서, 본 발명에 따른 방법은 놀랍게도 종이 상에서 삼각자 및 컴퍼스만으로 수행될 수 있다. 그것과 관련해서, 심지어, 한 스크류 요소의 횡단면 프로파일을 단지 수작업으로 생성하고, 그래픽에 의해 미리 결정된 프로파일로부터 그래픽에 의해 상응하는 스크류 요소의 횡단면 프로파일을 유도하는 것이 원리적으로 가능하다.
그러나, 컴퓨터로 스크류 프로파일을 생성하는 방법을 수행하는 것이 권장할만한다. 프로파일의 좌표 및 치수가 컴퓨터에 의해 추가로 처리될 수 있는 형태이기 때문에, 본 발명에 따른 방법을 컴퓨터 시스템으로 수행하는 것이 유리하다. 게다가, 그래서 또한 스크류 요소의 치수는 그것들이 스크류 요소를 제조하기 위한 CAD 밀링 기계로 공급될 수 있는 형태이다.
따라서, 또한, 본 발명의 주제는 본 발명에 따른 스크류 프로파일을 컴퓨터로 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 시스템을 포함한다. 컴퓨터 시스템은 바람직하게는 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 가지고, 그래픽 사용자 인터페이스는 사용자가 프로파일을 생성하기 위한 자유롭게 선택할 수 있는 변수를 입력 장치, 예컨대, 예를 들어 마우스 및/또는 키보드에 의해 입력하는 것을 허용한다. 특히 바람직하게는, 컴퓨터 시스템은 값이 제어점에 의해 정의되는 함수, 예컨대, 예를 들어 B-스플라인 함수, 베지어 함수, 유리 베지어 함수 및 비균일 유리 B-스플라인 (NURBS)의 경우에 제어점 및 아마도 가중치를 이용해서 프로파일의 윤곽선을 명시하는 가능성을 가지고, 이것은 숫자 (좌표) 형태로, 그래픽으로 또는 그래픽 및 수치 입력의 조합으로 일어나는 것이 가능하다. 게다가, 컴퓨터 시스템은 바람직하게는 그래픽 출력을 가지고, 그래픽 출력에 의해서 계산된 프로파일이 그래픽 출력 장치, 예컨대, 예를 들어 스크린에 및/또는 프린터로 표시될 수 있다.
컴퓨터 시스템은 바람직하게는 계산된 프로파일을 익스포트하는, 즉, 계산된 프로파일을 데이터 캐리어에 계산된 스크류 요소의 기하학적 치수를 포함하는 저장가능한 데이터 레코드 형태로 저장하거나 또는 계산된 프로파일을 추후 사용 목적으로 연결된 장치에 전송하는 가능성을 갖는다. 컴퓨터 시스템은 바람직하게는 그것이 횡단면 프로파일 및 횡단면 프로파일로부터 생성되는 스크류 요소 둘 모두를 계산할 수 있고, 계산된 기하학적 구조를 실제 스크류 요소를 제조하기 위해서 이러한 물체를 제조하기 위한 기계, 예를 들어 기계 공구, 예를 들어 밀링 기계에 의해 이용될 수 있는 포맷으로 출력할 수 있도록 하는 방식으로 설계된다. 그러한 포맷은 관련 분야 기술자에게 알려져 있다.
또한, 본 발명의 주제는 본 발명에 따른 스크류 프로파일을 컴퓨터로 생성하기 위해 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 프로그램 코드 수단을 갖는 컴퓨터 프로그램 제품을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 컴퓨터 프로그램 제품 사용자에게 사용자 인터페이스, 바람직하게는 그래픽 사용자 인터페이스가 제공되고, 사용자는 선택되는 매개변수 (생성시키는 스크류 프로파일 및 생성되는 스크류 프로파일의 호의 수, 반경, 각)를 사용자 인터페이스를 이용해서 입력할 수 있다. 사용자는 바람직하게는 이것을 하는 데 컴퓨터 시스템에 의해 도움을 받고, 컴퓨터 시스템은 매개변수 값의 선택이 쌍으로 완전 와이핑하지 않는 스크류 프로파일을 생성할 때를 사용자에게 지시한다. 상기 사용자는 바람직하게는 표시되는 허용가능 매개변수 값의 범위에 의해서 매개변수 값의 입력에 도움을 받는다. 허용가능 매개변수 값은 쌍으로 완전 와이핑하는 스크류 프로파일에 이르는 매개변수 값의 조합을 의미하는 것으로 이해한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서는, 프로파일 뿐만 아니라 전체 스크류 요소도 컴퓨터로 가상 현실로 제작된다. 제작의 결과는 바람직하게는 스크린에 또는 프린터로 제작 도면 형태로 출력된다. 마찬가지로, 그 결과를 전자 파일로서 출력하는 것도 고려될 수 있고, 바람직한 실시양태에서는 전자 파일을 상응하는 스크류 요소를 제조하기 위한 CAD 밀링 기계에 전할 수 있다.
3 차원 프로파일이 서술된 방식으로 생성되었을 때, 스크류 요소는 예를 들어 밀링(milling) 기계, 터닝(turning) 기계 또는 훨링(whirling) 기계에 의해 제조될 수 있다. 그러한 물체를 제조하기 위한 바람직한 물질은 물체가 압출기 스크류인 경우에는 강(steel), 특히, 질화강, 크로뮴강, 공구강 및 특수강, 철, 니켈 또는 코발트를 기재로 하는 분말야금법으로 제조된 금속성 복합재, 또는 엔지니어링 세라믹 물질, 예컨대, 예를 들어 산화지르코늄 또는 탄화규소이다.
본 발명에 따른 스크류 프로파일을 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법은 스크류의 프로파일을 그것이 주어진 과업에 최적으로 적합하도록 하는 방식으로 스크래치로부터 설계하는 것을 허용한다. 선행 기술로부터 알려진 스크류 요소는 대부분은 실제 과업에 최적으로 설계되어 있지 않다. 오히려, 제조업체는 실제 과업과 관계없이 고정된 모듈러 시스템으로부터 스크류 요소 (운반, 니딩 및 혼합 요소)를 공급한다. 본 발명에 따른 스크류 프로파일을 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법은 자정 스크류 요소의 프로파일이 거의 완전히 자유롭게 설계되는 것을 허용하고, 따라서 각각의 응용을 위한 매개변수의 극미한 변화에 의한 응용 목적으로 최적화되는 것을 가능하게 한다. 이와 관련해서, 스크류 프로파일을 생성하기 위한 호의 수가 제한되지 않는다는 것이 지적되어야 한다. 따라서, 호로부터 제작되지 않고 따라서 자정성이 없는 스크류 프로파일이 적절히 많은 수의 호에 의해 요망되는 정확도로 근사화되는 것이 가능하다. 이 경우, 호에 의해 근사화된 프로파일은 물론 자정성이 있다.
또한, 상응하는 종단면 프로파일이 (생성시키는 또는 생성되는) 스크류 프로파일로부터 계산될 수 있다는 것도 지적되어야 한다. 바람직하게는, 스크류 프로파일의 각 호를 이용해서 이 호에 속하는 종단면의 일부를 양함수에 의해서 계산한다. 스크류 프로파일의 호의 점의 거리 s를 계산하기 위해, 제1 단계에서는, 직선이 스크류 프로파일의 평면에 있고 스크류 프로파일의 회전점을 지나고, 직선의 배향이 반경 r 및 중심점 위치 (Mx, My)에 의해 특징짓는 호 kb로 결정되는 각
Figure pct00048
에 의해 주어진다는 점에서 직선 g의 교점 (Sx, Sy)의 특성을 밝힌다. 제2 단계에서는, 스크류 프로파일의 회전점으로부터 교점 (Sx, Sy)의 거리를 계산한다. 직선과 호의 교점의 계산은 양함수로 나타낼 수 있다. 거리 계산에도 동일하게 적용된다. 따라서, 거리에는 s = s(
Figure pct00049
, r, Mx, My)이 적용된다. 스크류 요소의 공지된 피치 t를 이용해서, 각
Figure pct00050
을
Figure pct00051
에 의해 축방향 위치
Figure pct00052
로 전환할 수 있고, 이렇게 해서 거리에는 s = s(
Figure pct00053
, r, Mx, My) = s(
Figure pct00054
, r, Mx, My)가 적용된다. 함수 s(
Figure pct00055
, r, Mx, My)는 스크류 프로파일의 호를 위해 구하는 종단면을 묘사한다.
추가로, 본 발명의 주제는 다중 샤프트 스크류 기계에서의 본 발명에 따른 스크류 요소의 용도를 포함한다. 본 발명에 따른 스크류 요소는 바람직하게는 이중 샤프트 스크류 기계에서 이용된다. 다중 샤프트 스크류 기계에서는, 스크류 요소가 니딩, 운반 또는 혼합 요소 형태일 수 있다. 마찬가지로, 스크류 기계에서 니딩, 운반 및 혼합 요소를 서로 조합하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 스크류 요소는 공지된, 예를 들어 선행 기술에 따르는 다른 스크류 요소와 조합될 수 있다.
쌍을 이루는 동방향 회전 및 쌍을 이루는 완전 와이핑 스크류 샤프트를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계에서, 본 발명에 따른 스크류 요소는 그의 전체 원주에 미치는 채널을 형성한다. 이 경우, 채널은 번갈아서 증가 및 감소하는 채널 폭을 갖는다. 그러한 채널을 본원에서는 수렴-발산형 채널이라고 부른다. 그러한 수렴-발산형 채널에서는, 작업 동안에 전단 흐름 및 신장 흐름의 조합이 그의 전체 길이에 걸쳐서 발생하고, 이것은 매우 좋은 분산 효과를 갖는다. 선행 기술에 따라서 알려진 통상적인 스크류 요소에 비해 에너지 투입이 감소된다. 편심 배열 원형 디스크도 마찬가지로 수렴-발산형 채널을 형성한다. 그러나, 본 발명에 따른 스크류 요소는 더 작은 원주 영역을 가지고, 이 영역에서는 편심 배열 원형 디스크보다 매우 좁은 간극이 있다. 따라서, 다중 샤프트 스크류 기계에서 본 발명에 따른 스크류 요소를 이용할 때 에너지 투입이 편심 배열 원형 디스크 이용에 비해서 감소된다. 스크류 요소의 프로파일은 바람직하게는 배럴 보어에서 중심에 위치하는 회전점에 대해서 쌍으로 변위된다.
본 발명에 따른 스크류 요소는 가소성 조성물 및 점탄성 조성물, 예를 들어 현탁액, 페이스트, 유리, 세라믹 조성물, 용융된 형태의 금속, 플라스틱, 중합체 용융물, 중합체 용액, 엘라스토머 및 고무 조성물의 압출에 적당하다.
가소성 조성물은 변형가능한 조성물을 의미하는 것으로 이해한다. 가소성 조성물의 예는 중합체 용융물, 특히 열가소성 물질, 뿐만 아니라 엘라스토머, 중합체 용융물의 혼합물 또는 중합체 용융물과 고체, 액체 또는 기체의 분산물이다.
다음 계열로부터의 열가소성 중합체 또는 중합체 혼합물이 바람직하게 이용된다: 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리에스테르, 특히 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 뿐만 아니라 폴리에테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리아세탈, 불소중합체, 특히 폴리비닐리덴 플루오라이드, 뿐만 아니라 폴리에테르 술폰, 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 뿐만 아니라 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 특히 폴리(메틸)메타크릴레이트, 뿐만 아니라 폴리페닐렌 옥시드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르 케톤, 폴리아크릴에테르 케톤, 스티렌 중합체, 특히 폴리스티렌, 및 스티렌 공중합체, 특히 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 뿐만 아니라 폴리비닐 클로라이드. 열거된 플라스틱의 이른바 블렌드도 마찬가지로 바람직하게 이용되고, 관련 분야 기술자는 이것이 둘 이상의 플라스틱의 조합이라고 이해한다.
점탄성 조성물은 시간, 온도 및 주파수 의존 탄성을 갖는 물질 및 혼합물을 의미하는 것으로 이해한다. 점탄성은 부분적으로 탄성, 부분적으로 점성 거동에 의해 특징지워진다. 물질은 외력 제거 후 단지 불완전하게 이완되고, 남은 에너지는 흐름 공정 (지연) 형태로 소산된다.
점탄성 물질의 예는 스티렌-부타디엔 고무, 천연 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 부타디엔-아크릴로니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 부틸 고무, 할로부틸 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌-비닐 아세테이트 고무, 폴리우레탄 고무, 열가소성 폴리우레탄, 구타페르카, 아릴레이트 고무, 플루오로고무, 실리콘 고무, 술피드 고무, 클로로술포닐-폴리에틸렌 고무이다. 물론, 또한, 열거된 고무 중 둘 이상의 조합 또는 하나 이상의 고무와 하나 이상의 플라스틱의 조합도 가능하다.
압출되는 가소성 또는 점탄성 중합체는 순수한 형태로 또는 충전제 및 보강 물질, 예컨대, 특히 유리 섬유와 혼합물로서, 서로간 또는 다른 중합체와의 혼합물로서 또는 통상적인 중합체 첨가제와의 혼합물로서 이용될 수 있다.
첨가제는 중합체와 함께 고체, 액체 또는 용액으로서 압출기에 도입될 수 있거나, 또는 그 밖에, 첨가제들 중 적어도 일부 또는 모든 첨가제가 사이드스트림에 의해서 압출기에 급송된다.
첨가제는 중합체에 다양한 성질을 부여할 수 있다. 첨가제는 예를 들어 가소제, 착색제, 안료, 가공 조제, 충전제, 항산화제, 보강 물질, UV 흡수제 및 빛 안정제, 증량제 오일, 금속 불활성화제, 과산화물 스캐빈저, 염기성 안정제, 핵생성제, 안정제 또는 항산화제로서 유효한 벤조푸란 및 인돌리논, 이형제, 난연 첨가제, 대전방지제, 염료 제제 및 용융물 안정제일 수 있다. 충전제 및 보강 물질의 예는 탄소 블랙, 유리 섬유, 점토, 운모, 흑연 섬유, 이산화티탄, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 이온성 액체 및 천연 섬유이다.
위에서 진술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스크류 요소는 점탄성 조성물의 압출에 특히 적당하다. 이 요소를 이용해서 수행될 수 있는 방법 단계는 예를 들어 고체 또는 액체 또는 기체의 혼합 또는 분산이다. 고체는 예를 들어 위에서 언급한 고형 첨가제일 수 있다. 액체는 예를 들어 위에서 언급한 액체 형태의 첨가제일 수 있지만, 또한 예를 들어 물일 수도 있다. 기체는 예를 들어 질소 또는 이산화탄소일 수 있다. 따라서, 또한, 본 발명의 주제는 본 발명에 따른 스크류 요소를 이용하는 이축 스크류 또는 다중 샤프트 압출기에서 점탄성 조성물을 압출하는 방법을 포함한다.
아래에서 본 발명을 바람직한 예시 실시양태에 기초하여 첨부 도면과 관련해서 예로서 설명하고, 아래에서 제시되는 특징들이 각 경우에서 독립적으로 뿐만 아니라 조합해서 본 발명의 측면을 나타내는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 예시 실시양태에 따르는 다중 샤프트 스크류 기계에서의 본 발명에 따른 스크류 요소의 프로파일 곡선을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 추가의 예시 실시양태에 따르는 다중-샤프트 스크류 기계에서의 본 발명에 따른 스크류 요소의 프로파일 곡선을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 예시 실시양태의 변형에 따르는 다중 샤프트 스크류 기계에서의 본 발명에 따른 스크류 요소의 프로파일 곡선을 나타낸 도면이다.
실용적 이유 때문에, 추가의 서술은 스크류 요소의 회전점(C)에 의해 원점이 형성되는 데카르트 좌표계에 기초하는 것이다. 데카르트 좌표계의 x 축은 점 PA를 지나고; y 축은 회전점(C)에서 x 축에 수직이다. 그러한 좌표계를 도 1에 나타낸다.
상이한 압출기 크기에의 이전성을 더 쉽게 하기 위해 무차원 특성 값을 이용하는 것이 권할만하다. 기하학적 변수, 예컨대, 예를 들어 길이 또는 반경의 기준값으로는 중심선 거리 A가 적당하고, 이유는 이 값은 압출기에서 변할 수 없기 때문이다.
다음 규정이 도면에 적용된다: 좌표 x 및 y는 샤프트 중 하나의 회전점에서 원점을 갖는다. 모든 명시된 각은 호도법으로 주어진다. 모든 다른 규격은 중심선 거리로 정규화되고, 대문자로 나타낸다: A = a/a; Rj = rj/a; RA = ra/a; RJ = ri/a; T = t/a 등. Mx 및 My는 프로파일 생성 호의 원의 중심점의 x 및 y 좌표이고, R은 중심선 거리 a로 정규화된 반경이고, α는 호의 각이다. 게다가, RG = 정규화된 배럴 반경, RV = 정규화된 가상 배럴 반경, RA = 완전 와이핑하는 프로파일의 정규화된 외측 반경, RF = 제조될 스크류의 정규화된 외측 반경, S = 스크류 상호간의 정규화된 틈새 (간극), D = 배럴에 대한 스크류의 정규화된 틈새, VPR = 프로파일 변위의 정규화된 양, VPW = 호도법으로 나타내는 프로파일 변위의 각도, VLR = 왼쪽 샤프트 변위의 정규화된 양, VLW = 왼쪽 샤프트 변위의 각도, VRR = 오른쪽 샤프트 변위의 정규화된 양, VRW = 오른쪽 샤프트 변위의 각도.
도 1은 서로 거리 A를 두고 배열되고 각각 생성시키는 프로파일(11) 및 생성되는 프로파일(11')을 갖는 본 발명에 따른 2개의 완전 와이핑하는 이중 플라이트 스크류 요소(10, 10')의 횡단면을 나타낸다. C 및 C'으로 식별되는 점은 프로파일(11, 11')의 회전점 또는 스크류 요소가 배열된 샤프트(W, W')의 회전축을 나타낸다. 생성시키는 스크류 요소(10)의 회전점(C)은 상응하는 (생성되는) 스크류 요소(10')의 회전점(C')으로부터 거리 A를 두고 위치한다. 이 도면 및 모든 다른 도면에서, 좌표 원점은 샤프트(W)의 회전점(C)을 표시한다. 회전점(C) 둘레로 코어 반경(RI)을 갖는 원(내부 원) 및 스크류 요소(10)의 외측 반경(RA)을 갖는 원(외측 원)을 그릴 수 있다. 내부 원 및 외측 원은 원형 고리를 형성한다. 외측 반경(RA)을 이용해서, 프로파일 둘레로 원을 그릴 수 있다. 배럴 보어(12)는 외측 반경(RA)에 대해서 틈새 D만큼 증가된 반경(RG) (다시 말해서, RG = RA + D)를 갖는 동심원으로 나타낸다 .
스크류 요소(10)는 플라이트 수 Z = 2 및 다수의 호에 의해 형성되는 볼록한 프로파일 곡선(11)을 갖는다. 프로파일 곡선(11)은 2·Z개, 다시 말해서 4개의 프로파일 부분으로 세분될 수 있고, 프로파일 부분들은 프로파일의 대칭축에서 축 미러링에 의해 서로 전이될 수 있다. 이러한 방식으로, 스크류 요소(10)의 프로파일(11)은 프로파일의 두 대칭축 사이에 있는 360°/(2·Z), 다시 말해서 90°의 세그먼트에서의 프로파일 부분에 의해 완전히 정의될 수 있다. 도 1에 나타낸 생성시키는 프로파일(11)은 x 축 및 y 축에 대해 축대칭이고, 이렇게 해서 전체 프로파일(11)은 x 축 및 y 축의 점 PA와 PI 사이에 있는 1/4을 미러링함으로써 얻어질 것이다. 점 PA 및 PI 사이의 프로파일 부분 및 또한, 스크류 요소(10)의 결과적인 전체 프로파일(11)의 모든 점은 코어 반경(RI)과 외측 반경(RA) 사이의 원형 고리 내에 있다. 프로파일(11)은 90°의 세그먼트에서의 프로파일 부분 내에 회전점(C)으로부터 스크류 요소(10)의 외측 반경(RA)에 상응하는 거리를 두는 단일의 점 PA가 있다는 사실에 의해 특징지워진다. 다시 말해서, 외측 반경(RA)을 갖는 회전점(C) 둘레의 원(외측 원) 상에 있는 오직 하나의 점 PA가 프로파일 부분에 있다. 점 C와 PA를 지나는 직선 (다시 말해서, x 축) 및 점 C와 PI를 지나는 직선 (다시 말해서, y 축) 상의 PA와 PI 사이의 프로파일 부분의 연속 미러링에 의해, (생성시키는) 스크류 요소(10)의 전체 프로파일(11)을 제작할 수 있다. 그 다음, 스크류 요소(10)의 프로파일(11)을 90°회전시킴으로써 상응하는 (생성되는) 스크류 요소(10')의 프로파일(11')을 얻는다.
점 PA와 PI 사이의 프로파일 부분을 생성하기 위해, 점 PA는 반경 R1 < RA, 및 연결선 C-PA 상에 있는 중심점 M1을 갖는 제1 호(1)의 시작점을 식별한다. 점 PA는 외측 원 상에 있다. 점 PI는 반경 R3 = A - R1을 갖는 호(3)의 시작점을 식별한다. 그의 중심점 M3은 선 C-PI 상에 있다. 호(1)와 호(3) 사이에, 호(2)가 호(3)에 접선으로 병합되지만 호(1)와 각 θ에서 킹크 부위(K)를 형성하는 방식으로 반경 R2 = A 및 중심점 M2를 갖는 호(2)가 인접하고, 이렇게 해서 킹크 부위(K)는 프로파일 곡선(11)의 기울기에서 기하학적 불연속부를 나타낸다. 각 θ는 바람직하게는 140°내지 180°의 범위 내에 있다.
이제, 도 2와 관련해서, 서로 거리 A를 두고 배열되고, 프로파일 부분들이 축 미러링에 의해 일치하게 될 수 없고, 프로파일 부분들이 회전점(C, C')에 대해서 점대칭이고, 이렇게 함으로써 전체 스크류 프로파일(11, 11')이 회전점(C) 또는 (C')에서 1/2을 미러링함으로써 얻어지는 본 발명에 따른 2개의 완전 와이핑하는 이중 플라이트 스크류 요소(10, 10')의 횡단면을 나타낸다. 따라서, 스크류 요소(10, 10')는 생성시키는 프로파일 및 생성되는 프로파일 형태로 동일한 점대칭 스크류 프로파일(11, 11')을 갖는다. 오른쪽 스크류 요소(10')를 왼쪽 스크류 요소(10)에 대해서 90°돌린다. 나타낸 스크류 프로파일(11, 11') 각각은 2개의 대칭 프로파일 부분으로 구성되고, 그 부분들의 전이부에 화살표로 식별되는 킹크(K, K')가 있다.
프로파일 부분을 생성하기 위해, 점 PA는 반경 R1 < RA, 및 연결선 C-PA 상에 있는 중심점 M1을 갖는 제1 호(1)의 시작점을 식별할 수 있다. 점 PA는 외측 원 상에 있다. 점 PI는 반경 R2 및 선 C-PI 상에 있는 중심점 M2를 갖는 호(2)의 시작점을 식별한다. 호(1, 2)가 각 θ로 서로 만나고, 프로파일 곡선(11)의 기울기에서 기하학적 불연속부를 나타내는 킹크 부위(K)를 형성하는 방식으로 호(2)가 호(1)에 인접한다. 각 θ는 바람직하게는 140°내지 180°의 범위 내에 있다. 또한, 점 PI는 반경 R3 = A - R1 및 마찬가지로 선 C-PI 상에 있는 중심점 M3을 갖는 호(3)의 시작점을 식별하고, 이렇게 해서 호(2)는 호(3)에 접선으로 병합된다. 그 다음, 호(3)가 반경 R4 = A 및 중심점 M4를 갖는 추가의 호(4)에 접선으로 병합되고, 프로파일 곡선(11)의 1/2은 외측 원 상의 정반대 점 PA에 대한 최종 호(5)에 의해 보충된다. 호(5)는 반경 R5 = A - R2 및 선 PA-C 상에 있는 중심점 M5를 가지고, 호(4) 밖으로 접선으로 점 PA까지 이어진다.
점 PA-PA 사이에서 이어지고 일련의 호 1-2-3-4-5에 의해 형성되는 프로파일 곡선(11)의 위쪽 1/2은 회전점(C)에서 다른 한 1/2의 점 미러링에 의해 생성될 수 있는 프로파일 곡선(11)의 아래쪽 1/2에 상응한다. 그럼에도 불구하고, 이 예시 실시양태에서 스크류 프로파일(11, 11')은 a) 서로 접선으로 병합되는 일련의 호 2-3-4-5-1을 각각 포함하고 각각의 킹크 부위(K, K')에서 만나는 2개의 연속적으로 미분가능한 절반을 포함하는 프로파일 곡선으로서 상상될 수 있다. 다시 말해서, 킹크 부위(K, K')는 또한 각각의 프로파일 부분의 끝점으로 간주될 수 있다. 이것은 도 2에서 생성되는 스크류 프로파일(11')의 킹크 부위(K') 및 회전점(C')을 지나는 점선에 기초하여 더 잘 상상될 수 있다. 그와 같이, 각 프로파일 부분은 서로 접선으로 병합되고 두 킹크 부위(K, K') 사이에서 연속적으로 미분가능한 곡선을 형성하는 다수의 호 1 - 5로 이루어질 수 있다. 킹크 부위(K, K')에서는, 각각의 호가 인접하는 프로파일 부분에 접선으로 병합되지 않고, 서로 각 θ를 이룬다.
도 3에서는 본 발명에 따른 스크류 요소의 추가의 실시양태를 예로서 나타낸다. 그것은 약간 상이한 치수를 갖는 도 2의 예시 실시양태의 변형이지만, 원리적으로는 5개의 호 1 - 5 및 2개의 킹크 부위(K, K')를 갖는 동일한 점대칭 구조를 갖는다.
스크류 기계용 또는 이축 스크류 또는 다중 샤프트 압출기용 스크류 요소는 보통은 배럴 내에 설치된다. 이 경우, 스크류 요소 및 배럴은 스크류 요소의 회전에 의해 쌍을 이루는 인접하는 스크류 요소의 와이핑이 야기될 뿐만 아니라 스크류 요소의 회전의 결과로서 배럴의 내부 벽의 세정도 일어나도록 하는 방식으로 구성된다. 지금까지, 완전 와이핑하는 스크류 프로파일만 논의하였다. 그러나, 기술적으로 구성되는 기계의 경우에는, 정확히 정의된 간극 S 및 D가 세정 동안 유지된다면, 완전 와이핑하는 기하학적 구조에서 벗어나는 것이 필요하고, 세정이라는 용어는 본 발명의 맥락에서 와이핑과 동의어로 사용된다. 이것은 금속 "시이징"(seizing)을 방지하기 위해, 제조 허용오차를 보상하기 위해 및 간극에서 과다한 에너지 소산을 피하기 위해 필요하다.
나타낸 바와 같이, 예를 들어, 발행물[1], 27 내지 30 페이지에서, 스크류 요소 및 배럴을 포함하는 배열은 항상 실제로 틈새라고 알려진 것을 갖는다. 관련 분야 기술자에게 알려진 바와 같이, 스크류와 배럴 사이 및 스크류와 스크류 사이의 틈새는 상이한 크기 또는 동일한 크기를 가질 수 있다. 스크류와 배럴 사이의 틈새는 "δ"로 나타내고, 스크류와 스크류 사이의 틈새는 "s"로 나타낸다. 또한, 틈새는 명시된 한계 내에서 일정할 수 있거나 또는 가변적일 수 있다. 또한, 틈새 내에서 스크류 프로파일을 변위시키는 것이 가능하다. 따라서, 존재하는 틈새 때문에, 실제로 사용되는 스크류 요소는 엄밀히 말해서 그것들이 서로 평행하게 배열되는 축 둘레로 동일한 방향으로 동일한 회전 속도로 회전할 때 적어도 한 점에서 서로 접촉한다는 성질을 갖지 않는다. 그럼에도 불구하고, [1]에서 서술한 바와 같이, 실제로 스크류 요소를 제조하기 위해서, 보통은 완전 와이핑하는 윤곽 (프로파일)을 기준으로 삼고, 그 다음에 틈새를 도입한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 처음에는 서로 평행하게 배열되는 축 둘레로 동일한 방향으로 동일한 회전 속도로 회전할 때 항상 적어도 한 점에서 서로 접촉하는 스크류 요소를 바람직하게 가상으로 제조한다. 이 바람직하게 가상 기하학적 구조에 기초하여, 틈새를 제공하여, 실제로 사용되는 스크류 요소를 "시이징", 즉, 스크류 요소들이 서로 스크레이핑하고 동시에 표면을 파괴하는 것으로부터 방지한다.
관련 분야 기술자는 미리 결정된 완전 와이핑하는 스크류 프로파일로부터 틈새를 갖는 스크류 프로파일을 유도하는 방법을 안다. 이것에 대해서 알려진 방법은 예를 들어 중심선 거리 증가, 종단면 등거리 및 공간 등거리의 [1]의 28 페이지 이하에 서술된 가능성이다. 중심선 거리 증가의 경우, 더 작은 직경의 스크류 프로파일을 제작하고, 스크류 사이의 틈새의 양만큼 당겨서 분리시킨다. 종단면 등거리 방법의 경우에는, 종단면 프로파일 곡선 (각각의 요소의 회전축에 평행함)을 회전축 방향에서 프로파일 곡선에 수직으로 안쪽으로 스크류-스크류 틈새의 절반만큼 변위시킨다. 공간 등거리 방법의 경우에는, 스크류 요소가 서로 세정하는 공간 곡선에서부터 시작하여, 완전 와이핑하는 프로파일의 표면에 수직인 방향에서 스크류-스크류 틈새의 절반만큼 스크류 요소의 크기를 감소시킨다. 또한, 배럴 와이핑을 보유하고 쌍으로 와이핑하는 동안에 배럴에서 스크류 요소의 편심 위치설정은 압출기 기술 (예를 들어, [1], 108, 246 및 249 페이지 참조)로부터 관련 분야 기술자에게 알려져 있다. 확정된 간극 S를 갖는 스크류 프로파일을 생성하는 규칙 및 배럴, 틈새 및/또는 편심 위치설정의 이용은 상응하는 방식으로 스크류 요소들이 항상 적어도 한 점에서 서로 접촉하도록 하는 방식으로 서로 평행하게 배열되는 두 축 둘레로 동일한 방향으로 회전할 때 서로 스크레이핑하는 본 발명에 따른 스크류 요소(10, 10')에 적용될 수 있다.
도 1 내지 3에서는, 오직 이중 플라이트 스크류 요소(10, 10')만 다루었다. 그러나, 동일한 원리가 또한 3개 이상의 플라이트를 갖는 스크류 요소에도 적용될 수 있다. 삼중 플라이트 스크류 요소의 경우의 절차는 이중 플라이트 프로파일의 경우의 절차와 유사하다. 프로파일의 외측 반경을 배럴 반경에 비해 감소시키고, 프로파일을 쌍으로 변위시키고, 회전점이 배럴에 대해서 중심에서 유지된다. 삼중 플라이트 프로파일의 경우에는, 또한 편심 회전 프로파일을 제작할 수 있다. 특히 관심을 끄는 것은 스크류가 서로 완전히 세정하고 배럴이 3개의 플라이트 랜드 중 오직 하나에 의해서만 세정되는 스크류 프로파일이다. 프로파일의 상호 세정 및 배럴의 세정에서 간극의 발생이 이중 플라이트 프로파일의 경우의 절차와 완전히 일치하는 방식으로 일어난다. 삼중 플라이트 프로파일은 본 발명에 따라서 연속 운반 쓰레드로서 또는 니딩 디스크로서 이용될 수 있다.
축대칭 사중 플라이트 스크류 프로파일은 스크류 프로파일의 45°부분에 의해 완전히 확정될 수 있다. 편심 프로파일의 생성 및 세정에서 간극의 발생은 이중 플라이트 프로파일 및 삼중 플라이트 프로파일의 경우와 유사한 방식으로 일어나고, 여기에서는 나타내지 않는다. 마찬가지로, 사중 플라이트 프로파일은 연속 운반 쓰레드로서 또는 니딩 디스크로서 이용될 수 있다. 4개 초과의 플라이트를 갖는 본 발명에 따른 프로파일은 유사한 방식으로 생성될 수 있다. 마찬가지로, 간극이 달라질 수 있고, 편심 프로파일이 유사한 방식으로 생성될 수 있다.
도 4는 에르드멩거(Erdmenger) 프로파일로 알려진, 선행 기술로부터의 쌍으로 완전 와이핑하는 스크류 요소의 프로파일을 개략적으로 나타낸다 ([1], 227-228 페이지). 킹크 부위(K1-K4)가 프로파일 곡선의 외측 반경(RA) 상에 있다는 것을 분명히 알 수 있다. 그러한 배열은 중합체 조성물이 가열되는 효과를 결정적으로 가지고, 따라서 열에 의한 열화에 잠재적으로 기여하고, 분산의 공정 과업에는 어떠한 기여도 제공하지 않는다.

Claims (15)

  1. 스크류 요소(10, 10')가 쌍으로 완전 와이핑하고 이들 스크류 요소로 구성된 스크류 샤프트는 2개 이상의 스크류 플라이트를 가지며, 스크류 프로파일(11, 11')이 전체 횡단면에 걸쳐 각각의 프로파일 곡선으로 나타내어질 수 있는, 쌍을 이루는 동방향 회전 스크류 샤프트(W, W')를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소(10, 10')이며, 각 프로파일 곡선(11, 11')은 그를 따라 적어도 하나의 킹크 부위(K, K')를 가지며, 킹크 부위는 프로파일 곡선의 외측 반경(RA, RA') 내에 있고, 프로파일의 외측 반경에 대한 스크류 프로파일의 곡률 반경의 비가 0.05 내지 0.95인 것을 특징으로 하는 스크류 요소(10, 10').
  2. 제1항에 있어서, 각 프로파일 곡선이 연속적이며 닫힌 볼록한 곡선이고, 이 곡선은 또한 적어도 하나의 킹크 부위(K, K')를 제외하고는 연속적으로 미분가능한 것인 스크류 요소(10, 10').
  3. 제2항에 있어서, 한 스크류 요소(10)의 프로파일(11)이 곡선
    Figure pct00056
    로 형성되고, 다른 한 스크류 요소(10')의 프로파일(11')이 다음 관계식 (1)에 따라 곡선
    Figure pct00057
    로 형성되는 것인 스크류 요소(10, 10').
    Figure pct00058
    (1)
    여기서,
    - 곡선
    Figure pct00059
    는 각 점에서 스크류 요소(10, 10') 사이의 중심선 거리 a 이하의 곡률 반경 ρ을 가지며,
    - 연속적으로 미분가능한 부분 내의 곡선
    Figure pct00060
    의 각 점에 대해, 각각의 점에서 곡선
    Figure pct00061
    의 접선에 수직이고, 곡선
    Figure pct00062
    의 각각의 점에 속하는 곡률의 중심점의 방향을 향하는, 길이 1의 정규화된 법선 벡터
    Figure pct00063
    가 존재하고,
    -
    Figure pct00064
    는 생성시키는 프로파일(11)의 회전점(C)으로부터 생성되는 프로파일(11')의 회전점(C') 쪽 방향을 향하는 길이 a를 갖는 벡터이다.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각 스크류 프로파일 또는 각 프로파일 곡선(11, 11')이 원의 다수의 호(1-5)로 구성되고, 각각의 호(1-5)는 적어도 하나의 킹크 부위(K, K')에서 서로 90°내지 180°, 바람직하게는 140°내지 180°의 각(θ)을 이루는 것인 스크류 요소(10, 10').
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 스크류 프로파일 또는 각 프로파일 곡선(11, 11')은 그 자체가 프로파일 부분으로 세분되는 것을 허용하고, 프로파일 부분들은 점 또는 축 미러링에 의해 서로 전이될 수 있는 것인 스크류 요소(10, 10').
  6. 제5항에 있어서, 각 프로파일 부분이 원의 다수의 호(1-5)로 구성되고, 프로파일 부분들 중 하나를 형성하는 호(1-5)의 수가 바람직하게는 2 내지 8, 특히 바람직하게는 3 내지 6인 스크류 요소(10, 10').
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 프로파일 부분들 중 하나가 프로파일(11, 11')의 외측 반경(RA, RA') 상에 있는 점(PA, PA')과 프로파일(11, 11')의 코어 반경(RI, RI') 상에 있는 점(PI, PI') 사이에서 연장되고, 적어도 하나의 킹크 부위(K, K')를 포함하는 것인 스크류 요소(10, 10').
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 각 프로파일 부분이 두 킹크 부위(K, K') 사이에 연속적으로 미분가능한 곡선을 포함하는 것인 스크류 요소(10, 10').
  9. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 프로파일의 외측 반경에 대한 스크류 프로파일의 곡률 반경의 비가, 바람직하게는 배럴을 세정하는 점 PA에서 0.2 내지 0.8, 바람직하게는 0.3 내지 0.7, 특히 바람직하게는 0.35 내지 0.65인 스크류 요소(10, 10').
  10. 프로파일 곡선이 회전축(C, C')에 수직인 평면에 생성되고, 상기 프로파일 곡선은 적어도 하나의 킹크 부위(K, K') 또는 프로파일 곡선을 따라서 곡선 기울기의 불연속 부위를 가지며, 이 부위(K, K')는 프로파일 곡선의 외측 반경(RA, RA') 내에 있는, 스크류 프로파일(11, 11')을 생성하기 위한,
    스크류 요소(10, 10')가 쌍으로 완전 와이핑하고 이들 스크류 요소로 구성된 스크류 샤프트는 2개 이상의 스크류 플라이트를 갖는 것인, 쌍을 이루는 동방향 회전 스크류 샤프트를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소(10, 10')의 제조 방법.
  11. 스크류 프로파일(11, 11')을 생성하기 위한 제1 단계에서, 적어도 하나의 킹크 부위(K, K') 또는 프로파일 곡선을 따라서 곡선 기울기의 불연속 부위를 가지며 이 부위(K, K')는 프로파일 곡선의 외측 반경(RA, RA') 내에 있는 것인 프로파일 곡선을 회전축(C, C')에 수직인 평면에 생성하고, 제2 단계에서, 틈새를 도입하는 것을 특징으로 하는,
    스크류 요소(10, 10')가 쌍으로 완전 와이핑하고 이들 스크류 요소로 구성된 스크류 샤프트는 2개 이상의 스크류 플라이트를 갖는 것인, 쌍을 이루는 동방향 회전 스크류 샤프트를 갖는 다중 샤프트 스크류 기계를 위한 스크류 요소(10, 10')의 제조 방법.
  12. 스크류 기계에서의, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 또는 제10항 또는 제11항에 따라 제조된 스크류 요소(10, 10')의 용도.
  13. 제12항에 있어서, 스크류 요소(10, 10')가 그의 전체 원주에 걸쳐 일정한 간극으로 쌍으로 세정하거나, 또는 스크류 요소(10, 10')가 전체 원주에 걸쳐 일정하지 않은 간극으로 쌍으로 세정하는 것인 용도.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 또는 제10항 또는 제11항에 따라 제조된 스크류 요소(10, 10')를 갖는, 쌍을 이루는 동방향 회전 스크류 샤프트(W, W')를 갖는 스크류 기계, 특히 압출기.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 또는 제13항 또는 제14항에 따라 제조된 스크류 요소 또는 제14항에 따른 스크류 기계를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 조성물의 압출 방법.
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