WO2024062860A1

WO2024062860A1 - スクリュ機械及び混練方法

Info

Publication number: WO2024062860A1
Application number: PCT/JP2023/031336
Authority: WO
Inventors: 真伸大石; 賢次安倍; 暢彦岡本
Original assignee: 芝浦機械株式会社
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2023-08-29
Publication date: 2024-03-28
Also published as: KR20240093963A; JP2024046212A; TW202413055A; JP7431297B1

Abstract

押出機（１００）は、バレル（２０）に形成される第一ベント孔（２４）から排出されようとする材料をシリンダ（２１）内に押し戻す第一ベントスタッファ装置と、バレル（２０）に形成される第二ベント孔（２５）から排出されようとする材料をシリンダ（２１）内に押し戻す第二ベントスタッファ装置と、を備え、スクリュ（１０）は、供給口（２２）からシリンダ（２１）内に供給される材料を混練する第一混練部（１３）と、第一混練部（１３）からスクリュ（１０）の先端側に向けて離れた位置に設けられ第一混練部（１３）よりも充満率が高い第二混練部（１４）と、を有し、第一ベントスタッファ装置は、第一混練部（１３）と第二混練部（１４）との間の第一ベント孔（２４）を大気開放するように構成され、第二ベントスタッファ装置は、第二混練部（１４）よりも先端側の第二ベント孔（２５）を通じて真空ポンプにより気体を吸引する。

Description

スクリュ機械及び混練方法

　本発明は、スクリュ機械及び混練方法に関するものである。

　粒状または粉体状の材料をスクリュによって搬送しながら混練・溶融させて吐出するスクリュ機械として種々のものが知られている（例えば特開２０１７－７７６５１号公報）。特開２０１７－７７６５１号公報には、第１端部に吐出口が形成されたシリンダと、シリンダ内で回転するスクリュと、シリンダの第２端部側に取付けられ、当該シリンダ内に被混練物を供給するホッパと、を備え、スクリュの軸方向の中間部には、移送される被混練物を圧縮しつつ発熱させる圧縮部が設けられ、シリンダには、圧縮部の下流側に配置されシリンダの外部と連通する脱気孔が設けられるスクリュ機械が開示されている。

　特開２０１７－７７６５１号公報に記載されるようなスクリュ機械では、材料の供給時に混入する気体や材料に含まれる水分が気化して生じる水蒸気といったバレル内の気体を除去するためのベント孔（脱気孔）がバレルに設けられることがある。

　ベント孔を通じて気体を除去するには、ベント孔を大気開放する方法（いわゆる大気開放ベント）と、真空ポンプによりベント孔を通じて気体を吸引する方法（いわゆる真空ベント）と、が知られている。真空ベントでは、気体の除去量を大きくすることができる一方、材料が溶融されておらず粉体状であると、気体と共に材料も吸引されるおそれがある。

　また、スクリュ機械において、材料に含まれる気体量が多いと、ベント孔から気体と共に材料も排出されるおそれがある。これを抑制するためには、スクリュ機械への材料投入量を減らすことも考えられるが、その場合には、スクリュ機械による材料の吐出量が減少し、生産性の低下を招くおそれがある。

　本発明は、生産性を向上させることが可能なスクリュ機械を提供することを目的とする。

　本発明のある態様によれば、スクリュ機械は、駆動源によって軸線周りに回転駆動され基端側から先端側へ材料を搬送するスクリュと、スクリュが挿入されるシリンダが形成されるバレルと、バレルに形成される第一ベント孔から排出される材料をシリンダ内に押し戻す第一ベントスタッファ装置と、バレルに形成される第二ベント孔から排出される材料をシリンダ内に押し戻す第二ベントスタッファ装置と、を備え、バレルは、シリンダ内へ材料を投入するための供給口と、シリンダ内の材料をバレル外に吐出するための吐出口と、を有し、スクリュは、供給口からシリンダ内に供給される材料を混練する第一混練部と、第一混練部１３からスクリュの先端側に向けて離れた位置に設けられてシリンダ内の材料を混練する第二混練部１４と、を有し、第一ベント孔は、スクリュの軸線方向における第一混練部と第二混練部１４との間においてシリンダに開口し、第二ベント孔は、スクリュの第二混練部よりもスクリュの軸線方向の先端側においてシリンダに開口し、第一ベントスタッファ装置は、第一ベント孔を大気開放するように構成され、第二ベントスタッファ装置は、真空ポンプを有し、第二ベント孔を通じてシリンダ内の気体を真空ポンプにより吸引するように構成される。

図１は、本発明の実施形態に係る押出機の全体構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る押出機を示す断面図であり、図１におけるＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る押出機を示す断面図であり、図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るスクリュ機械について説明する。なお、各図面においては、説明の便宜上、各構成の縮尺を適宜変更しており、必ずしも厳密に図示されたものではない。

　本実施形態のスクリュ機械は、バレル２０のシリンダ２１内に供給される粒状または粉体状の材料をスクリュ１０ａ，１０ｂによって搬送しながら混練し、混練された材料をバレル２０の吐出口２３から押し出して成形する押出機である。以下では、本実施形態のスクリュ機械を「押出機１００」として説明する。本実施形態では、材料は、セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）と樹脂材（例えば、ポリプロピレン）とを混合した複合材料（混合材料）である。

　押出機１００は、図１及び図２に示すように、一対のスクリュ１０ａ，１０ｂと、一対のスクリュ１０ａ，１０ｂが挿入されるシリンダ２１を有するバレル２０と、一対のスクリュ１０ａ，１０ｂをシリンダ２１内で回転させる駆動源としての第一モータ３０と、を備える。このように、押出機１００は、一対のスクリュ１０ａ，１０ｂを備える、いわゆる二軸混練押出機である。なお、押出機１００は、二軸混練押出機に限定されず、例えば、一軸（単軸）又は三軸以上の多軸の押出機でもよい。

　バレル２０は、図１に示すように、複数のバレルユニット２０ａを一方向に沿って連結することで形成される。バレル２０は、一方向に延びるように形成され、その長手方向に沿って一対の挿通孔２１ａ，２１ｂ（図２参照）が形成される筒状部材である。一対の挿通孔２１ａ，２１ｂは、互いに連通しており、一対の挿通孔２１ａ，２１ｂによってシリンダ２１が形成される。

　バレル２０の長手方向の一端にあるバレルユニット２０ａには、シリンダ２１内に材料を供給するための供給口２２がシリンダ２１に開口して形成される。本実施形態では、ＣＮＦと樹脂材とが予め混ぜ合わされた状態の材料が、供給口２２を通じて供給される。図示は省略するが、材料を供給するフィーダからホッパを通じて供給口２２に材料が供給される。

　バレル２０の長手方向の他端にあるバレルユニット２０ａには、溶融及び混練された材料により生成された混練物を吐出するための吐出口２３がシリンダ２１に開口して形成される。以下では、シリンダ２１において供給口２２側（図１中右側）をシリンダ２１の「上流」、吐出口２３側（図１中左側）をシリンダ２１の「下流」とも称する。供給口２２を通じてシリンダ２１内に供給された材料は、スクリュ１０ａ，１０ｂによって下流に向けて搬送され、吐出口２３を通じてバレル２０外に吐出される。

　また、バレル２０には、図１から図３に示すように、シリンダ２１内の気体をシリンダ２１外へ排出し除去するための第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５が形成される。なお、本実施形態では、第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５以外に、例えばオープンベントを行うベント孔は設けられていない。つまり、バレル２０は、シリンダ２１をバレル２０の外部に連通して気体の通過を許容する孔としては、供給口２２、吐出口２３、第一ベント孔２４、及び第二ベント孔２５のみが形成される。

　また、図示は省略するが、バレル２０には、バレル２０を加熱する加熱装置、バレル２０を冷却する冷却装置、バレル２０の温度を検出する温度センサなどが設けられる。

　一対のスクリュ１０ａ，１０ｂは、図２に示すように、互いに同様の形状を有して平行に延びて設けられており、互いに噛み合った状態でバレル２０のシリンダ２１内に挿入される。一対のスクリュ１０ａ，１０ｂは、減速部３５を介して第一モータ３０（図１参照）によって、それぞれの中心軸（軸線）回りに同一方向に回転される。つまり、一対のスクリュ１０ａ，１０ｂは、互いに同期して回転される。以下では、一対のスクリュ１０ａ，１０ｂを総称して単に「スクリュ１０」とし、具体的構成について説明する。

　スクリュ１０は、図１に示すように、第一モータ３０に連結される基端から先端に向けて、バレル２０の長手方向に沿って設けられる軸部材である。スクリュ１０の基端が、シリンダ２１の上流に位置し、先端がシリンダ２１の下流に位置する。

　スクリュ１０は、シリンダ２１内の材料を下流に向けて移送する第一移送部１１ａ、第二移送部１１ｂ、及び第三移送部１１ｃと、シリンダ２１内の材料を混練する第一混練部１３及び第二混練部１４と、バレル２０の外部に突出する端部１５と、を有する。本実施形態では、シリンダ２１の上流から下流に向けて第一移送部１１ａ、第一混練部１３、第二移送部１１ｂ、第二混練部１４、及び第三移送部１１ｃの順で設けられる。なお、以下では、第一移送部１１ａ、第二移送部１１ｂ、及び第三移送部１１ｃを区別しないときは、「移送部１１」として総称する。

　移送部１１は、外周に螺旋状のフライト１２（スクリュ羽根）を有する。供給口２２からシリンダ２１に供給された材料は、回転するスクリュ１０の第一移送部１１ａによって下流側の第一混練部１３に向けて移送される。つまり、供給口２２は、第一移送部１１ａに臨むようにバレル２０に形成される。

　第二移送部１１ｂは、第一混練部１３と第二混練部１４との間に設けられるものであり、第一混練部１３によって混練された材料を第二混練部１４に向けて搬送する。

　第三移送部１１ｃは、第二混練部１４によって混練・溶融された材料を吐出口２３へ向けて搬送する。

　第一混練部１３及び第二混練部１４は、互いにスクリュ１０の軸線方向に離間して設けられる。第二混練部１４が、相対的に下流側（スクリュ１０の先端側）に設けられる。第一混練部１３は、長手方向（スクリュ１０の軸方向）に並ぶ複数のディスク（ニーディングディスク）１３ａによって構成される。同様に、第二混練部１４は、長手方向に並ぶ複数のディスク１４ａによって構成される。

　ディスクとしては、移送部１１のフライト１２のねじれと同方向のねじれを有する順送りディスク、移送部１１のフライト１２のねじれとは反対方向のねじれを有する逆送りディスク、及びねじれを有していない中立ディスクを利用することができる。

　順送りディスクは、移送部１１と同様に、シリンダ２１の上流から下流に向けて（言い換えると、スクリュ１０の基端側から先端側に向けて）材料を搬送するものである。逆送りディスクは、移送部１１及び順送りディスクとは反対方向に材料を搬送するものである。よって、逆送りディスクは、上流から下流に向けて搬送される材料流れを制動するように機能する。中立ディスクは、ねじれがないため、材料を混練する能力のみを有し材料を搬送させる能力を持たないディスクである。

　第一混練部１３を構成する各ディスク１３ａは、順送りディスク及び中立ディスクのいずれかであって、少なくとも一つの順送りディスクが第一混練部１３には含まれる。つまり、第一混練部１３には、逆送りディスクが含まれていない。また、第一混練部１３は、順送りディスクのみによって構成されてもよい。

　第二混練部１４を構成する各ディスク１４ａは、順送りディスク、逆送りディスク、及び中立ディスクのいずれかであって、少なくとも一対の順送りディスク及び逆送りディスクが第二混練部１４に含まれる。

　第一混練部１３は、搬送された材料を混練する一方で、完全には溶融させない程度の充満率となるように構成される。第二混練部１４は、第一混練部１３よりも充満率が大きくなるように構成され、搬送された材料を混練し、バレル２０から伝達される熱や混練により生じる熱によって材料を溶融させる。

　なお、充満率とは、スクリュ１０とシリンダ２１との間の空間に対してスクリュ１０が搬送する材料が占める体積の割合を表すものである。例えば、第一混練部１３の充満率は、スクリュ１０の径方向において第一混練部１３とシリンダ２１との間に形成される空間の体積(第一混練部１３を収容する部分のシリンダ２１の体積と第一混練部１３全体の体積の差)によって、当該空間内に実際に含まれる材料の体積を除したものである。

　スクリュ１０の端部１５は、スクリュ１０の軸線方向において第一混練部１３とは反対側において第一移送部１１ａに接続される。端部１５は、バレル２０の上流側の端部におけるバレルユニット２０ａを挿通し、後述する減速部３５を介して第一モータ３０のモータ軸３１に連結される。

　第一モータ３０は、電動モータであり、図示しないコントローラによって作動が制御される。第一モータ３０のモータ軸３１は、減速部３５に連結され、モータ軸３１の回転は、減速部３５を介して一対のスクリュ１０ａ，１０ｂに伝達される。これにより、一対のスクリュ１０ａ，１０ｂが第一モータ３０によって回転駆動される。

　減速部３５は、複数の歯車によって構成される歯車機構（図示省略）によって第一モータ３０のモータ軸３１の回転を減速して一対のスクリュ１０ａ，１０ｂに伝達する。減速部３５には、スクリュ１０の端部１５が連結される。減速部３５の歯車機構の構成は、公知の構成を採用できるため、詳細な説明及び図示は省略する。

　押出機１００は、図２及び図３に示すように、第一ベント孔２４から排出されようとする材料をシリンダ２１に押し戻す第一ベントスタッファ装置４０と、第二ベント孔２５から排出されようとする材料をシリンダ２１に押し戻す第二ベントスタッファ装置４１と、をさらに備える。

　第一ベント孔２４は、図１に示すように、スクリュ１０の軸線方向における第一混練部１３と第二混練部１４との間の中央に設けられる。より具体的には、第一ベント孔２４は、第一混練部１３と第二混練部１４との間の中央に位置するバレルユニット２０ａに形成されるものであり、第一ベント孔２４の中心が、第一混練部１３と第二混練部１４との間の中央位置と略一致する。

　第二ベント孔２５は、第二混練部１４を収容する最も下流側のバレルユニット２０ａに対して、下流側から隣接するバレルユニット２０ａに設けられる。これにより、スクリュ１０の軸線方向において、第二ベント孔２５は、第二混練部１４に対して隣接するように設けられる。

　第一ベントスタッファ装置４０と第二ベントスタッファ装置４１とは、第一ベントスタッファ装置４０が第一ベント孔２４を通じて大気開放ベントするのに対し、第二ベントスタッファ装置４１が第二ベント孔２５を通じて真空ベントするものである点で相違し、その他の構成は同様である。よって、第一ベントスタッファ装置４０と第二ベントスタッファ装置４１とで共通の構成については、第一ベントスタッファ装置４０を例に説明し、第二ベントスタッファ装置４１については第一ベントスタッファ装置４０と同一の符号を付して説明を適宜省略する。

　第一ベントスタッファ装置４０は、図２に示すように、一対のスクリュ部材としてのサイドスクリュ４５ａ，４５ｂと、サイドスクリュ４５ａ，４５ｂが挿入されるサイドシリンダ４７ａが形成されるハウジング４７と、一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂを軸線周りに回転させる駆動源としての第二モータ４８と、を有する。

　詳細な図示は省略するが、一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂは、互いに同様の形状を有して平行に延びて設けられており、スクリュ１０の軸線方向において並んでいる。一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂは、互いに噛み合った状態でハウジング４７のサイドシリンダ４７ａに挿入される。一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂは、第二モータ４８によって、それぞれの中心軸（軸線）回りに同一方向に回転される。つまり、一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂは、互いに同期して回転される。以下では、一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂを総称して単に「サイドスクリュ４５」とし、具体的構成について説明する。

　サイドスクリュ４５は、図２に示すように、基端が第二モータ４８に連結され、先端がバレル２０の第一ベント孔２４に挿入されるように設けられる軸部材である。サイドスクリュ４５は、スクリュ１０と略同一水平面上において、スクリュ１０に対して略垂直となるように設けられる。

　スクリュ１０と同様に、サイドスクリュ４５の外周には、螺旋状のフライト４６（スクリュ羽根）が設けられる。フライト４６は、サイドスクリュ４５の軸方向の一部領域に設けられる。なお、これに限定されず、フライト４６は、サイドスクリュ４５の軸方向の全体にわたって設けられてもよい。

　第二モータ４８によってサイドスクリュ４５が回転することにより、第一ベント孔２４からシリンダ２１外に排出された材料は、サイドスクリュ４５によってシリンダ２１内に押し戻される。つまり、サイドスクリュ４５は、回転されることで材料をシリンダ２１に向けて搬送させる能力を発揮する。第二モータ４８は、電動モータであり、図示しないコントローラによって作動が制御される。

　ハウジング４７は、第一ベント孔２４を覆うようにボルト等（図示省略）によってバレル２０に取り付けられる。ハウジング４７は、バレル２０に接触（メタルタッチ）しており、これにより、ハウジング４７とバレル２０との間は、材料が流出しないようにシールされている。バレル２０のシリンダ２１と同様、図示は省略するが、ハウジング４７のサイドシリンダ４７ａは、それぞれ一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂが挿入され互いに連通する挿通孔によって構成される。ハウジング４７がバレル２０に取り付けられた状態で、ハウジング４７のサイドシリンダ４７ａは、第一ベント孔２４に連通する。ハウジング４７には、サイドシリンダ４７ａに連通するように通気口４７ｂが形成される。通気口４７ｂは、大気開放される孔である。通気口４７ｂは、サイドスクリュ４５のフライト４６が形成されていない部分に臨むように形成されている。

　第一ベントスタッファ装置４０においては、スクリュ１０の基端側におけるバレルユニット２０ａの端部からスクリュ１０の軸線方向における第一ベントスタッファ装置４０の中心位置Ｏ１までのスクリュ１０の軸線方向に沿った長さをＬ１、スクリュ１０の径をＤとしたとき、Ｌ１／Ｄは、２１以上３２以下となるように設定される。スクリュ１０の軸線方向における第一ベントスタッファ装置４０の中心位置Ｏ１とは、互いに平行な第一ベントスタッファ装置４０の一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂの中心軸に対する、スクリュ１０の軸線方向に沿った中央位置に相当する。本実施形態では、第一ベントスタッファ装置４０の中心位置Ｏ１は、第一ベント孔２４の中心位置と略一致する。なお、第一ベントスタッファ装置４０の中心位置は、第一ベントスタッファ装置４０が単軸の場合は、サイドスクリュ４５の中心軸の位置に相当し、三軸以上の多軸の場合にはサイドスクリュ４５のうち最も軸間距離が離れた二軸の中央位置に相当する。中心位置については、後述する第二ベントスタッファ装置４１も同様である。また、スクリュ１０の径Ｄは、例えば、φ４８［ｍｍ］のものが利用できる。

　第二ベントスタッファ装置４１は、図３に示すように、第一ベントスタッファ装置４０の構成に加えて、気体を吸引する真空ポンプ４９を有している。

　第二ベントスタッファ装置４１のハウジング４７に形成される通気口４７ｂは、大気開放されず、図示しない配管を通じて真空ポンプ４９に接続される。よって、バレル２０の第二ベント孔２５も、大気開放されずに真空ポンプ４９に接続される。

　真空ポンプ４９は、図示しない駆動源によって駆動され、第二ベントスタッファ装置４１のハウジング４７の通気口４７ｂを通じてハウジング４７内のサイドシリンダ４７ａの気体を吸引する。これにより、ハウジング４７内のサイドシリンダ４７ａに連通する第二ベント孔２５を通じてバレル２０のシリンダ２１内の気体が、真空ポンプ４９により吸引される。真空ポンプ４９は、公知の構成を採用できるため、詳細な説明及び図示は省略する。

　第二ベントスタッファ装置４１においては、スクリュ１０の先端側におけるバレル２０の端部からスクリュ１０の軸線方向における第二ベントスタッファ装置４１の中心位置Ｏ２までのスクリュ１０の軸線方向に沿った長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｄは、５以上１１以下となるように設定される。スクリュ１０の軸線方向における第二ベントスタッファ装置４１の中心位置Ｏ２とは、互いに平行な第二ベントスタッファ装置４１の一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂの中心軸に対する、スクリュ１０の軸線方向に沿った中央位置に相当する。なお、本実施形態では、第二ベントスタッファ装置４１の中心位置は、第二ベント孔２５の中心位置と略一致する。

　次に、押出機１００の作用について説明する。

　押出機１００を稼働させると、第一モータ３０は、一対のスクリュ１０が同一方向に同一速度で回転するように制御される。また、第一ベントスタッファ装置４０及び第二ベントスタッファ装置４１のサイドスクリュ４５が第二モータ４８によって回転されると共に、第二ベントスタッファ装置４１の真空ポンプ４９が稼働される。

　供給口２２を通じてシリンダ２１内に供給される材料は、スクリュ１０の第一移送部１１ａによって下流に向けて長手方向に移送される。

　第一移送部１１ａによって下流に搬送された材料は、第一混練部１３によって混練される。第一混練部１３は、充満率が第二混練部１４よりも低く、材料を完全に溶融させない程度に設定される。このため、第一混練部１３に導かれる材料は、第一混練部１３によって混練されることで加熱される一方、その多く（少なくとも一部）が溶融されずに固体（粉体）の状態のままとなる。

　第一混練部１３によって混練された材料は、第二移送部１１ｂによって第二混練部１４に向けて下流側へ搬送される。

　第二混練部１４では、材料が混練されて完全に溶融される。第二混練部１４によって溶融された材料は、第三移送部１１ｃによって吐出口２３に向けて搬送され、吐出口２３を通じて吐出される。

　ここで、供給口を通じてシリンダ内に材料を供給するのに伴い、材料と共に気体（エア）がシリンダ内に混入することがある。また、材料に含まれる水分が、加熱されることで蒸気化する。このようにして材料内に気体が含まれると、その分材料をシリンダ内に供給できなくなる。つまり、シリンダからのエアの戻りによって材料の供給が阻害される。

　特に、ＣＮＦと樹脂材との複合材料は、水分量が低いとＣＮＦの凝集が生じるおそれがあることから、比較的水分量が多い。本実施形態に係る押出機１００で使用される材料としては、例えば、ＣＮＦの配合比率が５０～７０％、材料の水分率が３～７％のものが想定される。このような場合には、材料中の気体の量が特に多くなる。

　このため、本実施形態では、バレル２０に形成される第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５を通じて材料内の気体の除去が行われる。

　しかしながら、材料に含まれる気体の量が多い場合、気体と共に材料も第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５から排出される、いわゆるベントアップやフレークアップと呼ばれる現象が生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５には、それぞれ第一ベントスタッファ装置４０及び第二ベントスタッファ装置４１が設けられる。第一ベントスタッファ装置４０及び第二ベントスタッファ装置４１は、サイドスクリュ４５が回転することで、第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５からシリンダ２１外に排出される材料をシリンダ２１内に押し戻す。その一方で、シリンダ２１内の気体は、サイドスクリュ４５間の噛み合い隙間やサイドスクリュ４５とサイドシリンダ４７ａとの間の小さな隙間を通じて、通気口４７ｂまで導かれ、シリンダ２１外に排出される。このため、特に水分量が多い材料であっても、第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５からのベントアップを防止しつつ、効果的にシリンダ２１内の気体を除去することができる。

　また、材料に含まれる水分量（ひいては気体量）が多い場合、供給口から供給された材料を第一混練部において充分に溶融させるように構成すると、材料に含まれる気体が混練部を通過しにくくなる。つまり、材料を完全に溶融させるために第一混練部の充満率を比較的高く設定すると、それに伴い材料中の水分（水蒸気）が第一混練部を通過しにくくなる。これにより、材料に含まれる気体や水蒸気が供給口に向けて逆流し、供給口からシリンダへの材料の供給が阻害されるおそれがある。

　本実施形態では、第一混練部１３では、充満率が第二混練部１４よりも低く、材料を完全には溶融させない程度に構成される。これにより、材料中の水蒸気が第一混練部１３を通過し第一ベント孔２４に導かれやすくなり、供給口２２への水蒸気の逆流が抑制される。

　さらに、第一混練部１３で材料を完全に溶融させないため、第一ベントスタッファ装置４０は、真空ベントではなく大気開放ベントを行うように構成される。材料は、第一混練部１３では完全に溶融されないため、固体（粉体）状態で第二移送部１１ｂにより搬送される。第一ベント孔２４を通じて真空ベントした場合には、固体状態の材料が気体と共に真空ポンプ４９によって吸引されるおそれがある。したがって、第一ベント孔２４では、大気開放ベントを行うように構成することで、第一ベント孔２４を通じた材料の排出を抑制しつつ、気体の除去を行うことができる。

　また、第一混練部１３及び第二混練部１４付近は、混練に伴って他部よりも圧力が高くなるため、第一混練部１３及び第二混練部１４付近に第一ベント孔２４を設けると、圧力によって気体と共に材料も第一ベント孔２４から排出されるおそれがある。このため、第一ベント孔２４をスクリュ１０の軸線方向において第一混練部１３と第二混練部１４との略中央に位置するように設けることで、混練による圧力によって材料が第一ベント孔２４から排出されることを抑制できる。

　第二混練部１４では、材料が完全に溶融されるため、第二ベント孔２５では、真空ベントを行っても溶融した材料は吸引されにくい。よって、第二ベント孔２５では、真空ベントを行う構成とすることで、シリンダ２１内の気体を効果的に除去することができる。

　なお、第一ベント孔２４の位置は、少なくともスクリュ１０の軸線方向において第一混練部１３と第二混練部１４との間であればよく、第一混練部１３と第二混練部１４との間のシリンダ２１に対して少なくとも一部が臨んでいればよい。また、第二ベント孔２５は、第二混練部１４よりも下流のシリンダ２１に対して少なくとも一部が臨んでいればよい。

　また、第二ベント孔２５は、軸線方向において第二混練部１４に対して下流側から隣接する位置に設けられるため、第二混練部１４を通過した直後の材料に臨む。このため、第二混練部１４による混練の圧力によって気体が第二ベント孔２５を通じて排出されやすくなり、気体を効果的に除去することができる。

　また、押出機１００では、第一ベントスタッファ装置４０が設けられる第一ベント孔２４と、第二ベントスタッファ装置４１が設けられる第二ベント孔２５と、を通じてシリンダ２１内の気体を充分に除去できるため、これら以外のベント孔は、バレル２０に形成されていない。気体の除去をより効果的に行うためには、ベント孔の数を増加させることも考えられるが、ベント孔の数を増加させると、バレル２０の全長が長くなり、これにより、材料の搬送距離も長くなる。材料の搬送距離が長くなることで、材料に含まれる樹脂材への熱影響が大きくなり、品質に対して影響を及ぼすおそれがある。本実施形態では、第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５以外のベント孔を設けないことで、バレル２０の寸法の大型化を抑制し、シリンダ２１内の気体を除去しつつ、材料への熱影響を抑制することができる。

　以下、本実施形態の作用効果について説明する。

　押出機１００は、第一モータ３０によって軸線周りに回転駆動され基端側から先端側へ材料を搬送するスクリュ１０と、スクリュ１０が挿入されるシリンダ２１が形成されるバレル２０と、バレル２０に形成される第一ベント孔２４から排出されようとする材料をシリンダ２１内に押し戻す第一ベントスタッファ装置４０と、バレル２０に形成される第二ベント孔２５から排出されようとする材料をシリンダ２１内に押し戻す第二ベントスタッファ装置４１と、を備え、バレル２０は、シリンダ２１内へ材料を投入するための供給口２２と、シリンダ２１内の材料をバレル２０外に吐出するための吐出口２３と、を有し、スクリュ１０は、供給口２２からシリンダ２１内に供給される材料を混練する第一混練部１３と、第一混練部１３からスクリュ１０の先端側に向けて離れた位置に設けられ第一混練部１３よりも充満率が高い第二混練部１４と、を有し、第一ベント孔２４は、スクリュ１０の軸線方向における第一混練部１３と第二混練部１４との間においてシリンダ２１に開口し、第二ベント孔２５は、スクリュ１０の第二混練部１４よりもスクリュ１０の軸線方向の先端側においてシリンダ２１に開口し、第一ベントスタッファ装置４０は、第一ベント孔２４を大気開放するように構成され、第二ベントスタッファ装置４１は、真空ポンプ４９を有し、第二ベント孔２５を通じてシリンダ２１内の気体を真空ポンプ４９により吸引するように構成される。

　また、本実施形態に係る混練方法は、押出機１００によってセルロースナノファイバーと樹脂材とが混合された材料を混練するものである。本実施形態の混練方法は、回転によって軸線方向の先端側に向けて材料を搬送するスクリュ１０が挿入されるバレル２０のシリンダ２１に対しバレル２０に設けられる供給口２２を通じて材料を供給する工程と、供給口２２から供給された材料をスクリュ１０の第一混練部１３に導いて第一混練部１３によって材料を混練する工程と、第一混練部１３によって混練された材料をスクリュ１０の第二混練部１４に導いて第二混練部１４によって材料を混練する工程と、第二混練部１４によって混練された材料をバレル２０に形成される吐出口２３を通じて吐出する工程と、スクリュ１０の軸線方向において第一混練部１３と第二混練部１４との間においてシリンダ２１に開口する第一ベント孔２４を通じて、第一ベントスタッファ装置４０によって第一ベント孔２４から排出されようとする材料をシリンダ２１内に押し戻しつつシリンダ２１内の気体を除去する工程と、スクリュ１０の第二混練部１４よりもスクリュ１０の軸線方向の先端側においてシリンダ２１に開口する第二ベント孔２５を通じ、第二ベントスタッファ装置４１によって第二ベント孔２５から排出されようとする材料をシリンダ２１内に押し戻しつつシリンダ２１内の気体を除去する工程と、を含み、第一ベント孔２４を通じて気体を除去する工程では、第一ベントスタッファ装置４０が第一ベント孔２４を大気開放することで気体を除去し、第二ベント孔２５を通じて気体を除去する工程では、第二ベントスタッファ装置４１の真空ポンプ４９によって第二ベント孔２５を通じて気体を吸引することで気体を除去する。

　これらの構成によれば、また、第二混練部１４に達していない第一混練部１３と第二混練部１４との間に粉体状の材料が存在していても、第一ベント孔２４では真空ベントではなく大気開放ベントが行われるため、粉体状の材料が真空ポンプ４９によって吸引されることも回避できる。さらに、第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５では、それぞれ第一サイドスタッファ装置及び第二サイドスタッファ装置によって材料の排出が抑制される。したがって、供給口２２への気体の逆流を抑制しつつ、第一ベント孔２４及び第二ベント孔２５での材料の排出も抑制されるため、スクリュ機械による生産性を向上させることができる。

　また、押出機１００では、第一混練部１３は、第二混練部１４よりも充満率が低い。

　また、押出機１００では、スクリュ１０は、螺旋状のフライト１２が外周に形成されて材料を先端側へ向けて搬送する移送部１１をさらに有し、第一混練部１３を構成する複数のディスク１３ａには、移送部１１のフライト１２のねじれと同方向のねじれを有する順送りディスクが含まれる一方、移送部１１のフライト１２とは反対方向のねじれを有する逆送りディスクは含まれず、第二混練部１４を構成する複数のディスク１４ａには、順送りディスク及び逆送りディスクの両方が含まれる。

　これらの構成によれば、第一混練部１３の充満率が第二混練部１４よりも低いため、第一混練部１３での材料の溶融は抑えられ、供給口２２に向けた気体の逆流が抑制される。

　また、押出機１００では、バレル２０は、スクリュ１０の軸線方向に沿って連結される複数のバレルユニット２０ａによって構成され、第一ベント孔２４は、第一混練部１３と第二混練部１４との間の中央に位置するバレルユニット２０ａに形成され、第二ベント孔２５は、第二混練部１４が収容されるバレルユニット２０ａに対してスクリュ１０の先端側に隣接するバレルユニット２０ａに形成される。

　また、押出機１００では、スクリュ１０の基端側におけるバレル２０の端部からスクリュ１０の軸線方向における第一ベントスタッファ装置４０の中心位置Ｏ１までのスクリュ１０の軸線方向に沿った長さをＬ１、スクリュ１０の径をＤとしたとき、Ｌ１／Ｄが２１以上３２以下であり、スクリュ１０の先端側におけるバレル２０の端部からスクリュ１０の軸線方向における第二ベントスタッファ装置４１の中心位置Ｏ２までのスクリュ１０の軸線方向に沿った長さをＬ２、スクリュ１０の径をＤとしたとき、Ｌ２／Ｄが５以上１１以下である。

　これらの構成では、第一ベント孔２４が第一混練部１３と第二混練部１４との間の中央に設けられるため、混練による圧力によって溶融されていない材料が第一ベント孔２４から排出されることを抑制することができる。また、第二ベント孔２５は、第二混練部１４の下流側に隣接して設けられるため、材料中の気体だけを混練の圧力により効果的に排出することができる。このように、これらの構成では、材料の排出を抑制しつつ材料中の気体を効果的に除去することができる。

　次に、本実施形態の変形例について説明する。以下のような変形例も本発明の範囲内であり、以下の変形例と上記実施形態の各構成とを組み合わせたり、以下の変形例同士を組み合わせたりすることも可能である。また、各変形例において、上記実施形態と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

　上記実施形態では、押出機１００は、材料に含まれる水分量が多いＣＮＦと樹脂材の複合材料の混練・溶融に用いられる。押出機１００が利用できる材料は、これに限定されるものではなく、種々の材料に対して適用が可能であるが、上述のように、水分量が多い材料に対して特に有用である。

　また、上記実施形態では、材料は、ＣＮＦと樹脂材とが混合された状態で一つのフィーダから供給口２２を通じてバレル２０のシリンダ２１内に供給される。これに対し、ＣＮＦを供給口２２のホッパに供給するフィーダと樹脂材を供給口２２のホッパに供給するフィーダとをそれぞれ設けて、供給口２２のホッパ内又はシリンダ２１内でＣＮＦと樹脂材とを混合するようにしてもよい。

　また、上記実施形態では、真空ポンプ４９の構成を除き、第一ベントスタッファ装置４０と第二ベントスタッファ装置４１とは、互いに同様の構成である。これに対し、第一ベントスタッファ装置４０と第二ベントスタッファ装置４１とは、同様の構成でなくてもよい。例えば、第一ベントスタッファ装置４０及び第二ベントスタッファ装置４１のサイドスクリュ４５は、同一の形状でなくてもよい。

　サイドスクリュ４５は、外周のフライト４６のピッチを小さくする、又は、フライト４６が設けられる部分の長さ（フライト長さ）を長くすることで、材料を押し戻す能力（搬送能力）が向上する。サイドスクリュ４５のフライト４６のピッチ又は長さは、材料の性状等に応じて任意に設定することができる。また、通気口４７ｂは、サイドスクリュ４５のフライト４６に臨む位置に設けられていてもよい。

　また、第一ベントスタッファ装置４０及び第二ベントスタッファ装置４１のサイドスクリュ４５は、互いに異なる作動条件（回転速度）で作動されるものでもよい。サイドスクリュ４５の回転速度を増加させることで、材料を押し戻す能力を向上させることができる。

　また、第一ベントスタッファ装置４０及び第二ベントスタッファ装置４１は、それぞれ一対のサイドスクリュ４５ａ，４５ｂを有する二軸のものであるが、押出機１００と同様、一軸又は三軸以上の多軸のものでもよい。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims

　スクリュ機械であって、
　駆動源によって軸線周りに回転駆動され基端側から先端側へ材料を搬送するスクリュと、
　前記スクリュが挿入されるシリンダが形成されるバレルと、
　前記バレルに形成される第一ベント孔から排出されようとする前記材料を前記シリンダ内に押し戻す第一ベントスタッファ装置と、
　前記バレルに形成される第二ベント孔から排出されようとする前記材料を前記シリンダ内に押し戻す第二ベントスタッファ装置と、を備え、
　前記バレルは、
　前記シリンダ内へ前記材料を投入するための供給口と、
　前記シリンダ内の前記材料を前記バレル外に吐出するための吐出口と、を有し、
　前記スクリュは、
　前記供給口から前記シリンダ内に供給される前記材料を混練する第一混練部と、
　前記第一混練部から前記スクリュの前記先端側に向けて離れた位置に設けられる第二混練部と、を有し、
　前記第一ベント孔は、前記スクリュの軸線方向における前記第一混練部と前記第二混練部との間において前記シリンダに開口し、
　前記第二ベント孔は、前記スクリュの前記第二混練部よりも前記スクリュの軸線方向の前記先端側において前記シリンダに開口し、
　前記第一ベントスタッファ装置は、前記第一ベント孔を大気開放するように構成され、
　前記第二ベントスタッファ装置は、真空ポンプを有し、前記第二ベント孔を通じて前記シリンダ内の気体を前記真空ポンプにより吸引するように構成される、
スクリュ機械。
　請求項１に記載のスクリュ機械であって、
　前記第一混練部は、前記第二混練部よりも充満率が低い、
スクリュ機械。
　請求項２に記載のスクリュ機械であって、
　前記スクリュは、螺旋状のフライトが外周に形成されて前記材料を前記先端側へ向けて搬送する移送部をさらに有し、
　前記第一混練部を構成する複数のディスクには、前記移送部の前記フライトのねじれと同方向のねじれを有する順送りディスクが含まれる一方、前記移送部の前記フライトとは反対方向のねじれを有する逆送りディスクは含まれず、
　前記第二混練部を構成する複数のディスクには、前記順送りディスク及び前記逆送りディスクの両方が含まれる、
スクリュ機械。
　請求項１に記載のスクリュ機械であって、
　前記スクリュの前記基端側における前記バレルの端部から前記第一ベントスタッファ装置の中心位置までの前記スクリュの軸線方向に沿った長さをＬ１、前記スクリュの径をＤとしたとき、Ｌ１／Ｄが２１以上３２以下であり、
　前記スクリュの前記先端側における前記バレルの端部から前記第二ベントスタッファ装置の中心位置までの前記スクリュの軸線方向に沿った長さをＬ２、前記スクリュの径をＤとしたとき、Ｌ２／Ｄが５以上１１以下である、
スクリュ機械。
　請求項１に記載のスクリュ機械であって、
　前記材料としてセルロースナノファイバーと樹脂材との混合材料を混練し吐出する、
スクリュ機械。
　スクリュ機械によってセルロースナノファイバーと樹脂材とが混合された材料を混練する混練方法であって、
　回転によって軸線方向の先端側に向けて前記材料を搬送するスクリュが挿入されるバレルのシリンダに対し前記バレルに設けられる供給口を通じて前記材料を供給する工程と、
　前記供給口から供給された前記材料を前記スクリュの第一混練部に導いて前記第一混練部によって前記材料を混練する工程と、
　前記第一混練部によって混練された前記材料を前記スクリュの第二混練部に導いて前記第二混練部によって前記材料を混練する工程と、
　前記第二混練部によって混練された前記材料を前記バレルに形成される吐出口を通じて吐出する工程と、
　前記スクリュの軸線方向において前記第一混練部と前記第二混練部との間において前記シリンダに開口する第一ベント孔を通じて、第一ベントスタッファ装置によって前記第一ベント孔から排出されようとする前記材料を前記シリンダ内に押し戻しつつ前記シリンダ内の気体を除去する工程と、
　前記スクリュの前記第二混練部よりも前記スクリュの軸線方向の前記先端側において前記シリンダに開口する第二ベント孔を通じ、第二ベントスタッファ装置によって前記第二ベント孔から排出されようとする前記材料を前記シリンダ内に押し戻しつつ前記シリンダ内の気体を除去する工程と、を含み、
　前記第一ベント孔を通じて気体を除去する工程では、前記第一ベントスタッファ装置が前記第一ベント孔を大気開放することで気体を除去し、
　前記第二ベント孔を通じて気体を除去する工程では、前記第二ベントスタッファ装置の真空ポンプによって前記第二ベント孔を通じて気体を吸引することで気体を除去する、
混練方法。
　請求項６に記載の混練方法であって、
　前記第一混練部は、前記第二混練部よりも充満率が低い、
混練方法。
　請求項７に記載の混練方法であって、
　前記スクリュは、螺旋状のフライトが外周に形成されて前記材料を前記先端側へ向けて搬送する移送部を有し、
　前記第一混練部を構成する複数のディスクには、前記移送部の前記フライトのねじれと同方向のねじれを有する順送りディスクが含まれる一方、前記移送部の前記フライトとは反対方向のねじれを有する逆送りディスクは含まれず、
　前記第二混練部を構成する複数のディスクには、前記順送りディスク及び前記逆送りディスクの両方が含まれる、
混練方法。
　請求項６に記載の混練方法であって、
　前記スクリュの基端側における前記バレルの端部から前記第一ベントスタッファ装置の中心位置までの前記スクリュの軸線方向に沿った長さをＬ１、前記スクリュの径をＤとしたとき、Ｌ１／Ｄが２１以上３２以下であり、
　前記スクリュの前記先端側における前記バレルの端部から前記第二ベントスタッファ装置の中心位置までの前記スクリュの軸線方向に沿った長さをＬ２、前記スクリュの径をＤとしたとき、Ｌ２／Ｄが５以上１１以下である、
混練方法。