JP5363577B2 - 押出機および押出機の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、二軸押出機に関し、特に、二軸が同方向に回転する二軸押出機の動作方法に関する。

一端に供給口を、他端に吐出口を有する二軸押出機がよく知られており、材料を混合するという特定の目的のために広く用いられている。特定の目的には、温度の上昇または熱の入力を伴って、あるいは伴わずに、連続的かつ制御された形で、材料を混練する、調合する、均質化する、分配することが含まれる。材料は、入口に接続されたホッパーによって押出機に供給され、押出機は通常、いわゆる「欠乏供給（ｓｔａｒｖｅ ｆｅｅｄｉｎｇ）」法に基づいて動作される。

材料は、１つの相または複数の相で、単一または複数の成分からなる。いくつかの成分は、処理中に相転移を受ける必要がある。押出機によって行われる仕事は、様々な面における剪断作用、圧縮、伸長および折曲げを生じさせる力を加えた結果である。これらの力は、行われる仕事を制限するために、特定の期間だけ、すべての粒子または分子に均一に加えられることが望ましい。なぜなら、過度の仕事は脆い分子を分解し、材料を劣化させるからである。行われる仕事の程度は、処理される材料の性質、押出機が様々なポートで入力として受け入れることができる材料の量、所定の速度で利用可能なトルクの量、押出機の長さ、ならびに押出機の処理ゾーンの要素および部品の構成を含む、多数の要因に依存する。

剪断速度が増大すると混合および均質化の質が向上するが、剪断速度の増大は、比エネルギー要件および温度の増大をまねくと考えられる。この比エネルギー要件および温度の増大を釣り合わせるには、押出機内での材料の滞在時間を減らし、スループットを高めることが極めて重要である。スループットを高めるための手法は、押出機の体積比を高めることであり、最小の比トルク要件を著しく高めることによるものであった。押出機の体積比は、押出機の直径［Ｄ］をスクリューの谷径［ｄ］で割った比として定義される。体積比の増大は押出機の充填能力を高めるが、トルク伝達能力に悪影響を及ぼす。押出機の比トルク［Ｔ／ａ^３］とは、トルク［Ｔ］と二軸押出機の２つの軸間の中心距離［ａ］の３乗との比を指す。比トルク要件を高めるには、より高い出力のモータが必要とされ、それには、ギアボックス内部の他の部品およびトルク伝達システムを強化することが求められる。体積比および比トルクを増大するには、設計、材料、処置およびより高いレベルの安全性の組み合わせを含めて、様々な変更が必要とされる。

本発明は、互いの軸が平行かつ距離ａを隔てて配列された少なくとも２つの円筒形のハウジング穴を有するハウジングと、第１のハウジング穴および第２のハウジング穴の中に配設され、直径がＤで谷径がｄである第１のスクリューおよび第２のスクリューを備える第１のスクリューシャフトおよび第２のスクリューシャフトと、ハウジング穴の近傍に設けられ、ハウジング穴に通じる少なくとも２つの入口ホッパーであって、入口ホッパーの少なくとも１つがハウジング穴への側方入口を有する入口ホッパーとを有し、前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトの各々は前記直径Ｄを前記谷径ｄで割ることによって定められる体積比が１．４以上かつ１．４９以下である押出機の動作方法であって、処理される材料を、少なくとも２つの入口ホッパーを通してハウジング穴に供給し、入口ホッパーから押出機の出口まで材料を運搬し、第１のスクリューシャフトおよび第２のスクリューシャフトのそれぞれを、少なくとも１０００ｒｐｍの速度で、かつ前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトそれぞれにおける軸トルクを前記距離ａの３乗でわることによって定められるトルク密度を少なくとも８．５Ｎｍ／ｃｍ^３のとして駆動する動作方法である。

本発明はまた、互いの軸が平行かつ距離ａを隔てて配列された少なくとも２つの円筒形のハウジング穴を有するハウジングと、第１のハウジング穴および第２のハウジング穴の中に配設され、直径がＤで谷径がｄである第１のスクリューおよび第２のスクリューを備える第１のスクリューシャフトおよび第２のスクリューシャフトと、第１のスクリューシャフトに結合され第１のフライトを含む第１の取入口要素、および第１の取入口要素に隣接する第２のスクリューシャフトに結合され第２のフライトを含む第２の取入口要素であって、第１の取入口要素および該第２の取入口要素が同方向に回転している場合に、材料を運ぶための確実な運搬効果をもたらすように適合される第１の取入口要素および第２の取入口要素と、ハウジング穴の近傍に設けられ、前記ハウジング穴に通じる少なくとも２つの入口ホッパーであって、該入口ホッパーの少なくとも１つがハウジング穴への側方入口を有する入口ホッパーとを有し、前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトの各々は前記直径Ｄを前記谷径ｄで割ることによって定められる体積比が１．４以上かつ１．４９以下である押出機の動作方法であって、処理される材料を、前記少なくとも２つの入口ホッパーを通して前記ハウジング穴に供給し、前記入口ホッパーから前記押出機の出口まで前記材料を運搬し、前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトのそれぞれを、少なくとも１０００ｒｐｍの速度で、かつ前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトそれぞれにおける軸トルクを前記距離ａの３乗で割ることによって定められるトルク密度を少なくとも８．５Ｎｍ／ｃｍ^３として駆動する動作方法である。

添付図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、以下の詳細な説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。

二軸が同方向に移動する、二軸押出機の形状を示す図である。 本発明の一実施形態による二軸押出機の平面図である。 本発明の一実施形態による二軸押出機の側面図である。 一実施形態による、高い取り入れ能力を提供する二軸スクリュー要素の断面図である。 一実施形態による、スクリュー要素のフライトによって形成されるアンダーカットを示す図である。

以下の記述では、説明の目的で、様々な実施形態の理解を可能にするために、多くの特定の細部について述べる。しかしながら、これらの特定の細部なしでも、様々な実施形態を実施することが可能であることが当業者には明らかになるであろう。本明細書において論じられる様々な実施形態は、同じ実施形態であることも、そうでないこともあり、また本明細書において明示的に開示されない他の様々な実施形態に分類され得ることが理解されるであろう。

前述の一般的な記述および以下の詳細な記述は、本発明を例示および説明するものであり、本発明を限定するものではないことが当業者には理解されるであろう。本明細書では、添付図面において同じ番号の部品は同じ部品を指すものとする。

二軸押出機における押出機の動作方法が、以下に開示される。図１に断面が示される押出機は、それぞれ平行な軸（３、４）を有する２つの円筒形のハウジング穴（１、２）を含むハウジング（５）を有する。各ハウジング穴は、処理要素で形成されるスクリュー（６、７）を支持するスクリューシャフトを収容している。２つのスクリューシャフトは、それらの軸間の中心距離「ａ」を隔てて互いに平行に配置される。一方のスクリューシャフトの各要素は、同じスクリューシャフトの隣接する要素との連続性を維持すると同時に、他方のスクリューシャフトの対応する接合要素と対をなす。

本発明の一態様による押出機は、材料を押出機に供給するための少なくとも２つのホッパーを有する。追加の材料を押出機に供給するために、少なくとも１つの側方ホッパーが設けられる。図２を参照すると、材料を押出機に供給するための複数のホッパー（１０、１１および１２）を有する、本発明の一実施形態による押出機の入口が示されている。図示される実施形態において、入口で押出機の上に垂直に位置決めされた既存のホッパー（１１）に対して、側方ホッパー（１０および１２）が追加される。他の実施形態によれば、少なくとも２つのホッパーは、どちらも押出機の側方に設けられたホッパー（１０、１２）であっても良い。

図３は、材料を押出機に供給するために、ホッパー（１５）の取り入れ能力を補う強制供給手段（１３）と共に、１つの側方ホッパー（１４）を有する一実施形態による押出機を示す。

一実施形態によれば、１つのホッパーが材料を重力供給しつつ、他の１つのホッパーが材料を強制供給することが可能である。あるいは、押出機内へ所望の供給速度で材料を供給するために、両方のホッパーが材料を強制供給するようにしても良い。図２に示される実施形態において、側方ホッパー（１０および１２）は、材料を押出機に強制供給する。追加のホッパーおよび側方入口を設けることによって、同じ大きさの押出機へのより多くの材料の供給が可能になる。

押出機のこの動作方法は、少なくとも押出機の入口端部で押出機に材料を側方供給することを可能にする。入口で押出機に材料を側方供給することによって、押出機が、押出機において利用可能なトルクによって決まる材料の供給速度で作動することができるようになる。本明細書に記載されるように押出機に材料を側方供給する方法により、押出機がより小さい直径比およびより低い比トルクのレベルで受け入れることができる材料の量を完全に制御することができる。

前述の押出機の動作方法においては、押出機が少なくとも１．４の体積比を有し、体積比は、押出機の直径Ｄをスクリューの谷径ｄで割ることによって定められる。押出機は、ハウジング穴の近くに設けられ、ハウジング穴に通じる少なくとも２つの入口ホッパーを含み、入口ホッパーの少なくとも１つは、ハウジング穴への側方入口を有する。材料は、少なくとも１つの側方ホッパーを含むこれらのホッパーを通して押出機に供給される。押出機の動作方法はまた、第１のスクリューシャフトおよび第２のスクリューシャフトのそれぞれが、少なくとも１０００ｒｐｍの速度で、かつ少なくとも８．５Ｎｍ／ｃｍ^３のトルク密度で駆動される。

本発明の他の態様によれば、押出機には、確実な運搬効果をもたらす二軸スクリューのための要素が用いられる。

図４を参照すると、２つの円筒形のハウジング穴（１、２）を有する、本発明の一実施形態による押出機が示されている。押出機は、第１のシャフト（１６）および第２のシャフト（１８）を含み、第１のシャフトに結合され第１のフライト（１７）を含む第１の取入口要素と、第２のシャフトに結合され第２のフライト（１９）を含む第２の取入口要素を含む。

図５に示されるように、第１の取入口要素および第２の取入口要素のフライト（ｆ）によって、アンダーカット（３２）が画定される。第１のフライトおよび第２のフライトの各々が、アンダーカットを画定する。アンダーカットによって、特定の速度またはそれより高い速度で作動すると、取入口要素が押出機システムを通る材料をかきこみ、確実な運搬効果をもたらすことが可能になる。取入口要素は単一のフライトを有することが好ましいが、２つ以上のフライトを有してもよい。フライトの縦断面において、アンダーカットの大きさおよび形状は、好ましくは、取入口要素の軸に対して鋭角を形成する。一般的には、従来型の押出機システムの単一のフライトの取入口要素は、取入口要素のフライトの下で９０度以上の角度を有する。しかしながら、好ましい実施形態の取入口要素は、アンダーカットを作り出すように、好ましくは８５度よりも、より好ましくは７５度よりも小さい角度を有している。

一態様による押出方法は、前述の要素が、少なくとも１０００ｒｐｍの速度で動作する押出機で使用されることを必要とする。さらに、押出機の体積比は少なくとも１．４であり、押出機は少なくとも１つの側方入口から材料の供給を受ける。この動作方法は、操業費用を著しく削減すると同時に、所望の剪断速度およびスループットをもたらす。

Ｄ／ｄ比の数値が１．２７〜１．８９の範囲である、中心距離２１．１ｍｍの押出機を、規定された比トルクにおける容量および最大出力について調査したので、その調査結果を表１に示す。この情報に基づき、充填度５０％における平均滞留時間を計算したので、その計算の結果を表２に示す。一般的には、トルクリミットが適用され、滞留時間はＤ／ｄ＝１．４および１．４９で計算され、Ｄ／ｄ＝１．５５および１．７１と比較される。平均剪断強度（Ｄ／ｆ）が高まるに従って、滞留時間はより低い比トルクでの滞在時間と同等になる。

これまでの段落で説明した特定の要素を使用すると、Ｄ／ｄ＞１．４を有する押出機について、供給制限（フィードリミット）を克服し、さらには表３に示されるＤ／ｄ＞１．５の押出機のトルクリミットを実質的に超えるより高いトルクリミットを得ることにより、押出しに対するさらなる制御を実現することが可能になる。

本方法は、より高いトルク伝達能力を有する、より高いスループットの機械を提供する。本方法は設計上の制限を必要とせず、より小さいサイズの機械が、混合の効率に影響を与えることなくより高いスループットを与えることを可能にし、それによって所要床面積を減じ、操作性を容易にする。前述の要素は、追加的な側方供給と共に押出機の供給限界を克服し、体積比またはトルク密度条件を高める必要なしに、より高いスループットを可能にする。

本方法は、１７Ｎｍ／ｃｍ^３以上という比トルクでの最高のトルク密度によって押出機を使用することも可能にする。この結果として、より高い出力、より優れた製品品質、およびより適切な資源の利用が得られるようになる。

Claims (7)

1. 互いの軸が平行かつ距離ａを隔てて配列された少なくとも２つの円筒形のハウジング穴を有するハウジングと、
   第１の前記ハウジング穴および第２の前記ハウジング穴の中に配設され、直径がＤで谷径がｄである第１のスクリューおよび第２のスクリューを備える第１のスクリューシャフトおよび第２のスクリューシャフトと、
   前記ハウジング穴の近傍に設けられ、前記ハウジング穴に通じる少なくとも２つの入口ホッパーであって、該入口ホッパーの少なくとも１つが前記ハウジング穴への側方入口を有する入口ホッパーとを有し、
   前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトの各々は前記直径Ｄを前記谷径ｄで割ることによって定められる体積比が１．４以上かつ１．４９以下である押出機の動作方法であって、
   処理される材料を、前記少なくとも２つの入口ホッパーを通して前記ハウジング穴に供給し、
   前記入口ホッパーから前記押出機の出口まで前記材料を運搬し、
   前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトのそれぞれを、少なくとも１０００ｒｐｍの速度で、かつ前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトそれぞれにおける軸トルクを前記距離ａの３乗で割ることによって定められるトルク密度を少なくとも８．５Ｎｍ／ｃｍ^３として駆動する押出機の動作方法。
2. 前記材料が、少なくとも１つの側方ホッパーから前記押出機の中に供給される請求項１に記載の方法。
3. 前記材料が、前記側方ホッパーから前記押出機の中に強制的に供給される請求項２に記載の方法。
4. 互いの軸が平行かつ距離ａを隔てて配列された少なくとも２つの円筒形のハウジング穴を有するハウジングと、
   第１の前記ハウジング穴および第２の前記ハウジング穴の中に配設され、直径がＤで谷径がｄである第１のスクリューおよび第２のスクリューを備える第１のスクリューシャフトおよび第２のスクリューシャフトと、
   前記第１のスクリューシャフトに結合され第１のフライトを含む第１の取入口要素、および前記第１の取入口要素に隣接する前記第２のスクリューシャフトに結合され第２のフライトを含む第２の取入口要素であって、前記第１の取入口要素および前記第２の取入口要素が同方向に回転している場合に、材料をかきこんで運搬効果を引き起こす第１の取入口要素および第２の取入口要素と、
   前記ハウジング穴の近傍に設けられ、前記ハウジング穴に通じる少なくとも２つの入口ホッパーであって、該入口ホッパーの少なくとも１つが前記ハウジング穴への側方入口を有する入口ホッパーとを有し、
   前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトの各々は前記直径Ｄを前記谷径ｄで割ることによって定められる体積比が１．４以上かつ１．４９以下である押出機の動作方法であって、
   処理される材料を、前記少なくとも２つの入口ホッパーを通して前記ハウジング穴に供給し、
   前記入口ホッパーから前記押出機の出口まで前記材料を運搬し、
   前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトのそれぞれを、少なくとも１０００ｒｐｍの速度で、かつ前記第１のスクリューシャフトおよび前記第２のスクリューシャフトそれぞれにおける軸トルクを前記距離ａの３乗で割ることによって定められるトルク密度を少なくとも８．５Ｎｍ／ｃｍ^３として駆動する押出機の動作方法。
5. 前記第１のフライトおよび前記第２のフライトの各々がアンダーカットを画定する請求項４に記載の動作方法。
6. 前記アンダーカットが前記取入口要素の軸に対して形成する角度は８５°未満である請求項５に記載の動作方法。
7. 前記押出機が、少なくとも１７Ｎｍ／ｃｍ^３のトルク密度で動作する請求項１または４に記載の動作方法。

Images