KR20200120902A - 배합 챔버의 제어된 체적을 규정하기 위한 프레서 본체를 포함하는 2축 스크류 혼합-압출기 - Google Patents

배합 챔버의 제어된 체적을 규정하기 위한 프레서 본체를 포함하는 2축 스크류 혼합-압출기 Download PDF

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KR20200120902A
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pressure chamber
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우발도 콜롬보
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콜멕 에스.피.에이.
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Abstract

플라스틱 재료, 예를 들면 고무계 및 실리콘계 재료의 혼합 및 압출을 위한 장치로서, 폐쇄 수단(4)에 의해 폐쇄되기에 적합한 압출 다이(3)를 향해 수렴하는 2개의 원뿔형 스크류(2)가 장착되는 덤프 압출기 본체를 포함하고, 원뿔형 스크류(2)는 저압 배합 챔버(1) 내부, 및 고압 챔버(2')를 규정하는 한 쌍의 수렴형 원뿔형 채널 내부에 수용되고, 저압 챔버(1)는 압출 방향에 대해 상류 영역에 대응하며, 상기 고압 챔버(2') 및/또는 상기 저압 챔버(1)에는 각각의 챔버(1, 2')의 제어된 체적 변화를 야기하기에 적합한 이동가능한 벽을 규정하는 프레서 본체(5, 5', 6)를 수용하는 장치.

Description

배합 챔버의 제어된 체적을 규정하기 위한 프레서 본체를 포함하는 2축 스크류 혼합-압출기
본 발명은 고무, 실리콘, 플라스틱 및 열 가소성 재료, 또는 그 외 재료를 위한 혼합-압출기에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 배합 챔버를 일시적으로 조정하기 위한 수단이 제공된 혼합-압출기에 관한 것이다.
합성 재료, 특히 고무, 엘라스토머, 플라스틱 및/또는 열 가소성 플라스틱 재료, 또는 실리콘과 같이 탄성 정도가 좋은 재료를 위한 일부 유형의 스크류 압출기에 있어서, 압출 스크류로의 공급은 상부측으로 개방되어 있는 로딩 호퍼(loaidng hopper)를 통해 수행된다는 것이 잘 알려져 있다.
특히 효과적인 것으로 입증된 상업적으로 이용가능한 압출기는 본원에 참조로 포함된 동일 출원인의 명칭으로 WO2005/039847에 기술된 것이고, 여기서 2축 스크류 덤프 압출기 유형의 압출기에 배합 기능이 제공되어 있다.
보다 정확히 말하면, 이러한 선행 기술의 기계를 부분적인 단면으로 도시한 도 1을 참조하면, 배합 챔버(1)는 블라인드 플랜지 또는 폐쇄 커버(4)에 의해 폐쇄될 수 있는 압출 다이(3)를 향해 재료를 밀어내는 한 쌍의 압출 원뿔형 스크류(2)를 수용한다. 배합 챔버(1)에는 공급 호퍼(도시되어 있지 않음)로 개방되어 있는 입구(1a)가 제공된다. 폐쇄 커버(4)는 압출 다이(3)를 폐쇄하고 재료를 배합 챔버(1)로 재순환시켜 2개의 원뿔형 스크류에 의해 배합되게 한다. 재료는 실제로 역방향 회전하는 스크류의 쌍에 의해 전방으로, 즉 압출 다이(3)를 향해 구동되고, 이어서 다이가 커버(4)에 의해 폐쇄되면 되돌아가도록 한다. 특정 적용에 있어서, 배합 효과를 향상시키기 위해 2개의 스크류의 회전이 일시적으로 반전될 수도 있다.
커버(4)는 개방되거나 쉽게 제거될 수 있으므로 소망 시까지 배합 단계 동안 압출 다이(3)를 폐쇄된 상태로 유지시키고, 이어서 혼합이 종료되면 압출된 재료를 유출하도록 개방된 상태로 유지시킨다.
덤프 압출기의 압출 다이(3)가 커버에 의해 폐쇄되면, 호퍼에 의해 도입된 재료를 챔버(1) 내부에서 자체적으로 재순환시킴으로써 균질하게 배합한다.
특히 작동 중에는 폐쇄 위치에 배열된 블라인드 플랜지(4)에 의해, 배합될 적재물(load), 예를 들면 다른 기계에서 이미 사전 혼합된 배합물, 또는 고무, 충전재, 가속제와 같은 벌크 성분이 공급 호퍼에 적재되고, 배합 챔버(1)에 공급됨과 아울러, 모터가 원뿔형 스크류를 역방향 회전시키면서 배합될 재료를 다이로 밀어낸다. 그러나, 폐쇄 커버(4)는 혼합물이 챔버로부터 유출되지 않게 하고 혼합물이 챔버로 다시 재순환시킨다. 따라서, 증가하는 압력 구배는 저압 재료 공급 영역과 블라인드 플랜지(4) 부근의 고압 "덕트형(ducted)" 영역 사이에서 결정된다. 다양한 기본 구성요소의 가변 압력을 갖는 영역 간의 재순환은 혼합물의 빠르고 효과적인 배합을 가능하게 한다.
2개의 역방항 회전하는 원뿔형 스크류는 재료가 적재되는 대형 챔버(1) 내부에 부분적으로, 및 수렴하고 교차하는 원뿔형 채널 내부에 부분적으로 수용되고, 스크류 나사산의 둘레 프로파일(peripheral profile)은 채널 표면에 인접하여 연장된다. 따라서, 재료는 스크류의 베인 프로파일에 추종하여 점점 더 좁은 체적으로 강제되어 압력이 증가한다. 원뿔형 채널의 적어도 가장 앞쪽의 영역에서 재료의 재순환을 달성하기 위해(커버(4)가 폐쇄될 때), 둘레벽은 스크류 베인이 벽으로부터 일정 거리만큼 떨어져 있도록 확장부가 제공된다. 일반적으로, 확대부는 수용하는 채널의 상부에 제공된다. 압출 스크류를 수용하기 위한 채널의 이러한 확장부의 존재로 인해, 커버가 폐쇄되면 재료가 후방으로 순환되어 챔버(1)의 저압 영역으로 되돌아가게 되므로, 결과적으로 효과적인 배합이 이루어진다.
이 압출기는 완전히 기능적이지만, 출원인은 개선의 여지가 있음을 발겼했다. 실제로, 배합될 재료는 국부적인 압력에 기초하여 혼합 챔버(1) 내에서 자유롭게 배치되고, 이로 인해 혼합이 정체되거나 지연될 수 있으며, 때로는 재료의 온도 및 압력이 과도하게 상승하는 경우가 있다는 점에 주목했다. 따라서, 배합 단계 동안 공정을 보다 잘 조정하는 것이 바람직할 것이다.
선행 기술에 있어서, 압출기의 일부 단일 구성이 이미 제안되었지만, 여기서 이동형 요소는 적어도 압출기 스크류에의 재료의 투입을 제어하는데 사용된다. 예를 들면, DE102007033355는 압출기의 입구 호퍼에서 작동하는 재료 추력판(material thrusting plate)이 제공되는 압출기가 개시하고 있다. 이와 대조적으로, US2016/0361697는 재료 혼합 챔버를 개폐하는 제거가능한 폐쇄 요소가 제공되는 혼합기에 관한 것이다. 그러나, 이들 선행 기술 시스템 중 어느 것도 공정 동안에, 배합되는 재료의 압력 및 온도 조건을 제어할 수 없어 배합 조건 및 압출 조건 모두에 적합화될 수 없다.
따라서, 발명의 근본적인 문제는 상술한 단점을 극복하고 재료의 혼합 및 온도/압력뿐만 아니라 공정 동안의 배합 시간에 대해 보다 우수한 제어를 가능하게 하는 상술한 바와 같은 고무계 또는 실리콘계 재료의 압출기 및 배합기를 공급하는 것이다.
이러한 목적은 첨부된 특허청구범위에서 필수 용어로 정의된 특징을 통해 달성된다.
특히, 제 1 실시형태에 따르면, 플라스틱 재료, 예를 들면 고무계 및 실리콘계 재료의 혼합 및 압출을 위한 장치가 제공되고, 폐쇄 수단에 의해 폐쇄되기에 적합한 압출 다이를 향해 수렴하는 2개의 원뿔형 스크류가 장착되는 덤프 압출기 본체를 포함하고, 원뿔형 스크류는 저압 배합 챔버 내 및 고압 챔버를 규정하는 한 쌍의 수렴하는 원뿔형 채널 내에 수용되고, 저압 챔버는 압출 방향에 대해 상류 영역에 상응하고, 상기 고압 챔버 및/또는 상기 저압 챔버에는 각각의 챔버의 제어된 체적 변화를 야기하기에 적합한 이동가능한 벽을 형성하는 프레서 본체가 제공된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 적어도 상기 고압 챔버에는 위치가 제어되는 프레서 본체가 제공된다.
다른 실시형태에 따르면, 저압 챔버의 프레서 본체는 덤프 압출기의 입구 호퍼와 같은 플라스틱 재료 적재 개구를 폐쇄하도록 배치된다.
일반적으로, 프레서 본체는 슬라이딩가능하게 움직일 수 있도록 장착되지만, 하나 이상의 회전 각도를 갖도록 장착될 수도 있다. 프레서 본체는 바람직하게는 제어된 액추에이터의 작용 하에 상승(또는 홈) 위치 및 하강(또는 작동) 위치 사이에서 이동할 수 있다. 변형에 따르면, 액추에이터는 혼합 동안 상기 프레서의 일정한 위치를 결정한다.
바람직한 실시형태에 따르면, 프레서 본체는 2개의 스크류의 베인의 프로파일에 적합화되고 추종하도록 2개의 교차하는 원뿔면 부분으로 형성된 이동가능한 벽을 갖는다.
프레서 본체는 적어도 배합 단계 동안 위치가 변위되고, 상기 폐쇄 수단은 플라스틱 재료가 상기 압출 다이를 통과하는 것을 방지하는 것으로 이해된다.
또한, 폐쇄 수단은 정지되어 상기 다이의 출구를 폐쇄하는 인출 기어 펌프의 형태일 수 있다.
본 발명의 추가의 특징 및 이점은 단지 비제한적인 예에 의해 제시되고, 첨부된 도면에 도시된 일부 바람직한 실시형태에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해진다.
도 1은 이미 언급된 바와 같이 선행 기술의 압출/혼합기 시스템의 측면 부분 단면도이다.
도 2A는 도 1의 단일 배합 챔버의 상세에 대한 개략 확대도이지만, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 압출기 시스템에 관한 것이다.
도 2B는 도 2A의 것과 유사한 도면이지만, 제 1 실시형태의 변형에 관한 것이다.
도 3A는 도 2A의 것과 유사한 도면이지만, 본 발명의 바람직한 제 2 실시형태에 관한 것이다.
도 3B는 도 3A의 III-III선을 따라 취한 단면도이다.
도 4A는 재순환 챔버의 확장 단계에 있어서의 도 3A와 유사한 도면이다.
도 4B는 도 4A의 IV-IV선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 2A의 것과 유사한 도면이지만, 제 3 실시형태에 관한 것이다.
압출 및 혼합기는 도 1에 도시되고, 본원에 참조로 포함된 WO2005/039847 문서를 참조하여 서론 부분에서 이미 설명된 기본 요소들로 구성된다.
특히, "덤프 압출기"는 압출 다이(3)를 향해 수렴하는 교차 나선형 베인 스파이럴 및 축으로 배열된 한 쌍의 원뿔형 압출 스크류(2)를 수용하는 배합 챔버(1)를 규정하는 기계 본체를 갖는다.
압출 다이(3)는 제거가능한 커버와 같은 적절한 폐쇄 수단(4)(도면에 개략적으로 도시되어 있음)에 의해, 또는 단순히 정지되어 다이의 출구를 폐쇄하는 인출 기어 펌프에 의해 폐쇄될 수 있다.
배합 챔버(1)는 처리될 고무계 또는 실리콘계 재료와 같은 재료가 도입되는 상부 입구(1a)를 갖는다.
챔버(1)의 전방부에 있어서, 압출 다이(3)의 부근에 원뿔형 스크류(2)의 쌍이 원뿔형 스크류의 베인 엣지에 거의 접촉하는 내벽을 가진 수렴하는 원뿔형 채널 내에 수용된다. 따라서, 이러한 원뿔형 채널의 단면 프로파일은 2개의 교차하는 원으로 형성된다. 이러한 단면 프로파일의 적어도 하나의 영역에 있어서, 채널의 내벽은 확장부를 가짐으로써 원뿔형 스크류(2)의 베인으로부터 분리하여 재료 재순환 챔버를 규정한다. 일반적으로, 이러한 확장부는 원뿔형 스크류(2)(도 4B의 영역 2' 참조)의 상부에 제공된다.
다음에 도 2A 및 도 2B를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 따르면 배합 챔버(1)의 입구(1a)에는 이하에서 프레서라고 불리는 상승 및 하강하도록 장착된 폐쇄체(5)가 제공된다는 점에 주목해야 한다.
특히, 제 1 변형에 따르면, 프레서(5)는 상승 위치와 챔버(1) 내부의 재료와 접촉하는 위치 사이를 선형적로 슬라이딩가능하게 장착되고(도 2A와 같이), 이 경우에 프레서(5)는 본질적으로 피스톤과 유사하게 만들어지고, 이는 입구(1a)를 폐쇄하고 스크류(2)의 쌍의 가로로 놓인 평면에 실질적으로 수직인 축을 따라 그 안에서 실질적으로 이동할 수 있으므로 챔버(1)를 가변적으로 폐쇄하기 위한 요소가 된다.
제 2 변형에 따르면, 프레서(5')는 위쪽으로 회전된 위치와 아래쪽으로 회전된 위치 사이에서 힌지(5a)를 중심으로 피버팅하여 장착되어(도 2B에서와 같이) 챔버 내부의 재료와 접촉한다.
프레서(5 또는 5')는 입구(1a)에 대해 일정 클리어런스를 가지고 장착되므로 챔버(1)로의 진입구를 밀봉할 필요가 없으며, 챔버 내부에서 배합되는 재료 위에 얹어 챔버(1)의 저압 영역에서 재료 자체에 압력을 국부적으로 가하기 위한 것이다. 즉, 프레서(5 또는 5')는 제어된 방식으로 챔버(1)의 체적을 감소시켜 제어된 방식으로 소망대로 재료의 압력 및 온도를 조절할 수 있도록 하기 위한 것이다.
프레서(5)에 의한 국부화된 압력 작용은 원뿔형 스크류의 쌍에 의해 배합되는 재료에 유리한 효과를 발휘한다. 특히, 고압 영역에서 저압 영역으로 되돌아가는 재료는 프레서에 의해 원뿔형 스크류의 베인 내부에 유지되어 혼합 효과를 향상시킨다.
챔버(1)의 이러한 저압 영역에 있어서의 압력은 재료의 환류량을 보다 잘 제어하여 재료의 균질화 효과를 촉진하고 가속화하는 것을 허용한다.
이를 위해, 프레서는 재료에 항상 동일 압력(중력의 영향을 받는 그 자체 중량으로 인해)이 가해지는 방식으로 상기에 보여진 바와 같이 이동가능하게 장착된 무거운 본체의 형태로 간단히 제작되거나, 또는 유압식, 전기식 또는 공압식 잭과 같은 제어된 액추에이터(도시되어 있지 않음)의 작용 하에 이동가능한 피스톤의 형태로 제작될 수 있다.
제 2 경우에 있어서, 액추에이터는 일정한 힘을 가하여 중량과 유사한 효과를 발생시키도록, 또는 피스톤을 고정된 위치에 유지시킴으로써 압력이 주기적으로 변할 수 있는 소망의 체적을 실제 설정하도록 제어될 수 있다. 또한, 프레서(5, 5')의 위치 및 가압력은 배합 및 압출 사이클 동안에 변경 및 설정될 수 있다.
프레서(5)는 반드시 원형 단면 형상을 가질 필요는 없지만, 임의의 다른 형상, 예를 들면 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 원형 단면 형상을 취할 수 있다. 명백하게는. 입구(1a)의 윤곽에 맞는 형상을 갖기만 하면 된다.
도 2A 및 도 2B의 제 1 실시형태의 두가지 변형에 있어서, 프레서(5, 5')는 챔버(1)의 소위 저압 영역, 즉 로딩 입구(1a) 바로 옆의 영역에 적용된다.
이와 대조적으로, 바람직한 실시형태(도 3A~도 4B)에 있어서, 프레서(6)는 압출 챔버(1)의 고압 영역, 즉 2개의 원뿔형 스크류가 각각의 원뿔형 채널 내에 수용된 영역에서 작동한다. 고압 챔버에 있어서, 압력은 통상 5~200bar의 범위 내이다. 이 경우, 호퍼의 입구(1a)는 일정한 체적을 규정하는 간단한 커버에 의해 개폐될 수 있고, 배합된 재료에 대한 압력 제어는 프레서(6)에 의해서만 발휘된다.
특히, 도 3B와 도 4B의 비교에 의해 잘 나타내어진 바와 같이, 이러한 바람직한 실시형태에 있어서 프레서(6)는 고압 배합 챔버(2')를 규정하는 원뿔형 채널의 확장부의 이동가능한 벽을 구성한다. 따라서, 프레서(6)를 변위시킴으로써 고압 배합 챔버(2')의 체적 변화를 제어하는 것이 가능하므로 처리되는 재료의 압력 변화 및 간접적으로는 온도 변화를 결정할 수 있다.
이 경우, 프레서(6)는 원뿔형 채널의 벽이 스크류의 베인 엣에 인접해 있는 고압 영역에서 작동하기 때문에, 프레서(6)는 2개의 교차하는 원뿔면 부분으로 형성되는 이동가능한 벽을 규정하고, 이는 사실상 각각의 원뿔형 채널의 일부를 구성한다(도 4B에서 명확하게 보여지는 바와 같이).
고압 영역의 크기가 저압 영역의 크기보다 훨씬 더 작기 때문에, 프레서(6)는 보다 작은 프레서에 작용하면서 재료에 충분한 전체 압력을 가할 수 있는 액추에이터에 의해 제어되는 것이 확실히 바람직하다. 게다가 이러한 영역, 즉 고압 배합 챔버의 체적 변화는 높은 비율의 변화를 야기하므로 재료의 거동에 중대한 영향을 미치기 때문에 매우 효과적임이 입증되었다.
제 3 실시형태에 따르면, 저압 영역에는 프레서(5, 5')가, 고압 영역에는 제어된 프레서(6)가 모두 제공된다. 제어 작용은 최대의 개입 유연성을 갖도록 두 프레서 모두에 대해 수행되는 것이 바람직하다.
이해될 수 있는 바와 같이, 고압 챔버(2') 및/또는 저압 챔버(1)의 체적을 변화시키는 이동형 프레서(5, 5') 및/또는 프레서(6)를 사용함으로써, 혼합 정도 및 공정 속도/성능을 최적으로 조절하도록 하는 제어 요소를 추가 배치하는 것이 가능하다.
또한 압출 단계 동안, 즉 폐쇄 커버(4)가 개방되어 재료가 다이(3)를 통해 압출될 때에도 프레서의 개입을 제어하는 것이 간편한 것으로 밝혀졌다. 따라서 이 단계에 있어서, 필요하다면 재료에 공기가 포함되는 것을 회피하면서 재료 유출 압력을 보다 잘 조절하고 배합 챔버의 비우기를 개선하는 것이 가능하다.
그러나, 본 발명은 단지 그것의 일부 예시적인 구현만을 나타내는 상기 도시된 특정 배열로 한정되는 것으로 간주되어서는 안 되지만, 하기 특허청구범위에 의해 규정된 바와 같이 본 발명 자체의 범위로부터 벗어나는 일 없이 당업자의 권한 내에서 모든 상이한 변형이 가능하다는 것으로 이해된다.

Claims (9)

  1. 플라스틱 재료, 예를 들면 고무계 및 실리콘계 재료의 혼합 및 압출을 위한 장치로서,
    폐쇄 수단(4)에 의해 폐쇄되기에 적합한 압출 다이(3)를 향해 수렴하는 2개의 원뿔형 스크류(2)가 장착되는 덤프 압출기 본체를 포함하고, 원뿔형 스크류(2)는 저압 배합 챔버(1) 내부, 및 고압 챔버(2')를 규정하는 한 쌍의 수렴하는 원뿔형 채널 내부에 수용되고, 저압 챔버(1)는 압출 방향에 대해 상류 영역에 대응하며,
    상기 고압 챔버(2') 및/또는 상기 저압 챔버(1)에는 각각의 챔버(1, 2')의 제어된 체적 변화를 규정하기에 적합한 이동가능한 벽을 형성하는 프레서 본체(5, 5')가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 고압 챔버(2')에는 위치가 제어되는 프레서 본체(6)가 제공되는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압 챔버(1)의 상기 프레서 본체(5, 5')는 플라스틱 재료 적재 개구(1a)를 폐쇄하도록 배열되는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레서 본체(5, 6)는 슬라이딩가능하게 이동할 수 있도록 장착되는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레서 본체(5, 6)는 제어된 액추에이터의 작용 하에 상승 위치 및 하강 위치 사이에서 이동가능한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 프레서(5, 6)의 일정한 위치를 결정하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레서(6)는 2개의 교차하는 원뿔면 부분으로 형성된 이동가능한 벽을 갖는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레서(5, 5', 6)는 적어도 배합 단계 동안에 위치가 변위되고, 상기 폐쇄 수단(4)은 플라스틱 재료가 상기 압출 다이(3)를 통과하는 것을 방지하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 폐쇄 수단(4)은 정지되어 상기 다이(3)의 출구를 폐쇄하는 인출 기어 펌프의 형태인 장치.
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