JP2011189737A - 突起タイプの押出機スクリュ - Google Patents

Abstract

【課題】押出機を通る高い流速の高粘性の材料の加工において、混合と均質化が得られる突起タイプの押出機スクリュを提供する。
【解決手段】スクリュは、シール端部からノーズコーン２６端部に延びるコアを備えている。少なくとも一つのフライト３４が、前記コアから半径方向にらせん状パターンで延び、互いに隣接するフライト３４がそれらの間に通路を形成している。複数の細長突起５０が、前記コアから半径方向に延び、前記通路内に配設されている。材料流れの大きく乱れた偏りおよび混合のための要求を確実にするために、突起５０の形状および個数は変えることができる。
【選択図】図１

Description

関連出願の参照

本願は、２０１０年３月１１日に出願された米国の仮特許出願Ｎｏ．６１／３１２，８４９の優先権を主張し、この出願の内容は、参照されることにより本願に組み込まれるものとする。

本発明は、単一のスクリュ押出機において、例えば、ゴム混合物などのような高粘性材料の加工または混合のための方法および装置に関する。とりわけ、本発明は、ねじフライトを有し、押出機スクリュのフライトに対して異なる角度および高さを有する複数の混合突起を含む混合領域を含む押出機スクリュに関する。

ハウジング区域内で回転するスクリュを有する押出機において、例えば、ゴムなどのような高粘性材料を加工または混合して、当該材料を練って混ぜる技術が知られている。スクリュは、スクリュねじの単一のまたは複数のフライトを有し得る。フライトのピッチまたはリード（lead）、およびフライト間のスクリュ溝の深さは、一定または可変とし得る。この方法においては、さまざまな混合手段が使用されて、スクリュに沿って供給する間に材料の満足のいく混練が得られるようになっている。

例えば、一定間隔または変動間隔でスクリュフライトのリードまたはピッチを変えること、または、スクリュねじの逆方向に方向づけられるフライトを挿入すること、あるいは、ギャップによってスクリュのねじを割り込ませることが知られている。スクリュを回転させると、材料は渦状のパターンに方向づけられ、これらの混合手段によって引き起こされる種々の不規則な流路の混練をもたらしている。

従来技術による押出機スクリュは、混合を容易にするために、スクリュフライトの間のピンまたは傾斜を使用しているが、これらの形態は、ゴム材料を完全に混合させる能力がいくらか制限されることがわかっている。したがって、ゴムまたは他のポリマー材料の混合を可能にすると共に、材料の流速または材料の分子構造に不利な影響を及ぼすことなく、材料をハウジング区域で容易に流すことができる、突起を有する押出機スクリュを提供することが技術的に必要とされている。

上述の点を考慮し、本発明の第１の態様では、突起（lug）タイプの押出機スクリュが提供される。

本発明の目的は、押出機を通る高い流速の高粘性の材料の加工において、満足のいく混合と均質化の効果を得ることである。本発明によれば、材料の流れは、押出機を通して実質的に前方に方向づけられた移動となる。押出機は、スクリュねじの間の主部エリアに取り付けられる、例えば突起形状等のような複数の障害物を含むハウジング区域内で回転する単一のスクリュを有している。これらの突起の厚さ、形状および個数は、所望の混合度に混合させられる材料により変えられ得る。

このため、押出機を通ってスクリュに沿う材料の流路は、材料の局所的な渦形状になる。材料と、ハウジング区域およびスクリュねじとの間の界面には、それぞれ、接触する材料内の表面に連続的な変化が存在し、材料および熱の激しい交換をもたらす。

さらに、スクリュと協働して、高い圧力勾配の結果として、材料内のせん断流れが、大幅に高まる。また、押し出された加工物の最適な機械的かつ熱的な均質性によって、材料の高い流速が達成され得る。

突起は、スクリュの主部通路に沿って、選択的に配置される。突起の全てまたはいずれかの形状は、流れの抵抗を増大または低減させるために、所望の形状などで提供され得る。

本発明の他の態様では、押出機のバレル（barrel）内に設けられた受け取りに適合された押出機スクリュが提供される。当該押出機スクリュは、シール端部からノーズコーン端部に延びるコアと、コアから半径方向にらせん状パターンで延びる少なくとも一つのフライトであって、互いに隣接するフライトがそれらの間に通路を形成する、フライトと、コアから半径方向に延び、通路内に配設された複数の細長突起と、を備えている。

本発明の目的、技術および構造の完全な理解のために、以下の詳細な記述と添付した図面が参照される。

図１は、スクリュが、少なくとも一つの駆動端部と、収集区域と、混合区域と、取替可能な押出区域と、取替可能なノーズコーン端部と、を有する、本発明の概念による押出機スクリュを示す正面図である。 図１Ａは、本発明の概念による押出機スクリュの詳細図であって、収集区域の詳細を示す図である。 図１Ｂは、本発明の概念による押出機スクリュの詳細図であって、混合区域の詳細を示す図である。 図１Ｃは、本発明の概念による押出機スクリュの詳細図であって、取替可能な押出区域の詳細を示す図である。 図２は、本発明の概念による突起がない取替可能な押出区域を示す正面図である。 図３は、本発明の概念による突起を含む取替可能な押出区域を示す正面図である。 図４は、本発明の概念による単一のスクリュの取替可能なノーズ端部を示す正面図である。 図５Ａは、本発明の概念によってなされた押出機スクリュを示す斜視図である。 図５Ｂは、本発明の概念によってなされた押出機スクリュを示す斜視図である。

全ての図面、とりわけ図１には、符号１０によって概略的に指示された押出機スクリュが示されている。スクリュ１０は、典型的には運転中に加熱および／または冷却される押出機のハウジングまたはバレル区域内に保持されている。例えばゴムなどのポリマー材料がハウジングに入ると、材料は、スクリュの回転により、バレル区域を通って加熱されて流れる。材料はバレル区域から出て、チップ／ダイス構造部を通って、あるいは、金型に押し込まれて、所望の最終形状または中間形状を呈する。

押出機スクリュ１０は、複数の区域を有している。とりわけ、スクリュは、押出機システムの駆動機構に結合された駆動端部１２を含んでいる。典型的には、駆動システムまたは駆動機構は、電気モータ、機械式歯車装置および／または油圧システムによって動力を供給するようになっている。駆動端部１２からシール区域１４が延びている。当該シール区域１４は、押出機スクリュの残部から駆動端部１２を分離している。また、シール区域１４は、ポリマー材料が駆動機構に入ることを防止している。シール区域から収集区域１６が延びており、当該収集区域１６は、押出機スクリュを保持するバレル内のホッパー開口部を通った、典型的には細片（strip）、厚板（slab）または他の形状となっているポリマー材料を受け入れるようになっている。収集区域１６から混合区域１８が延びており、ポリマー材料を所望の濃度（consistency）に混合する。スクリュおよび混合区域の構造部を保持するバレルに適用された加熱／冷却に基づいて、ポリマー材料の所望の流れ特性が得られる。混合区域１８は、図２に示された突起なし区域２２または図３に示された突起区域２４が設けられた取替可能な押出区域２０を含んでいても良い。押出区域２０から、取替可能なノーズコーン２６が延びている。ノーズコーン２６は、適切な押出チップ／ダイスまたは金型構造部に嵌合する。スクリュ２０が、単一の完全な部品として設けられてもよいこと、または、さまざまな区域が互いに固定されるように構成されてもよいことは、当業者に理解されるであろう。図２乃至図４において明らかになっているように、押出区域２０は、混合区域１８の適切なねじ受部内に受け入れ可能なねじ延長端部を有している。同様に、コーン２６には、ねじ嵌合部が設けられており、混合区域１８の適切な端部に受け入れられるようになっている。

押出機の全区域にわたって、概略的に符号３０によって指示された主部またはコアが、シール端部１４からノーズコーン２６に延びている。主部３０は、ポリマー材料の混合を容易にさせるために、さまざまな区域を通して直径を変えている。主部３０は、駆動機構によって回転される場合に押出機スクリュの回転軸となる中心線３２を含んでいる。適切なベアリングとサポートが押出機スクリュに設けられて、押出機スクリュが押出機のハウジングまたはバレル区域内で適切な方式で回転することは理解されるであろう。

主部３０から半径方向に、符号３４によって概略的に指示された少なくとも一つのフライトが延びている。実際は、１つ以上のフライトがらせん状パターンでコアから延びている。図示した実施の形態においては、２つのフライトが設けられ、符号３４ａおよび３４ｂによって指示されている。フライトは、同じ外径を有し、バレルの内径よりわずかに小さいサイズとなっており、バレル内で押出機スクリュの回転を可能にしている。フライトの外径とバレルの内径とは、ぴったりと嵌合し、溶融したポリマー材料が所定の速度でスクリュから押し出されることは理解されるであろう。図示した実施の形態においては、２つのフライトは互いに約１８０°間隔をあけており、均一な混合が提供されるようになっている。さらに、１つのフライトまたは２つ以上のフライトが押出機スクリュによって使用されても良いことは理解されるであろう。各フライト３４は、押出機システムのスリーブまたはバレルの内径にとても近接しているフライト尾根３６を含んでいる。尾根３６には、スクリュが回転する場合にポリマー材料の逆流を可能にするノッチ３８が設けられていても良い。各フライトは、ノーズコーン２６の方向に向かって材料を押し込むが、ノッチは、他の材料との追加的な混合のために、一部の材料の後戻りさせることを可能にする。各フライト尾根３６の間には、通路４０が形成されている。

主部３０から半径方向に複数の突起５０が延びている。当該突起５０は、フライト３４の間に配設されている。言い換えると、各突起５０は、主部３０から上方に通路４０へと延びている。突起５０は、収集区域に隣接する混合領域内に設けられており、ノーズコーンに延びていても良い。図面に示されたように、突起は、主部に対して、９０°の放射間隔で位置付けられている。当然のことながら、この放射間隔は、必要に応じて変えることもできる。

各フライト３４は、ポリマー材料の混合を容易にする角度方向を有している。とりわけ、各フライト３４に、フライト角度５２が関連付けられている。フライト角度５２は、各尾根の傾斜に沿った線を延ばして、中心線３２を含む線を交差させることにより決定される。図示した実施の形態においては、フライト角度は、個々の区域および所望の混合パラメータに応じて、シール端部からノーズコーンまで変化している。図１Ａおよび図１Ｂに示されたように、フライト角度は、シール端部に近接した約１２０°からノーズコーンに近接した約１００°までの範囲となっていても良い。

各突起５０には、細長区域６０が設けられており、当該細長区域６０は、対向する端部６４によって連結された対向する側部６２により形成されている。側部６２及び端部６４は、各突起５０の頂部を形成する冠部６６で終端するようになっている。突起の外観の寸法は、スクリュの長さに沿ったそれぞれの位置に応じて変化し、合成物の適切な混合を確実にするために合成物の評価（evaluation）に基づいている。各突起５０に突起角度５４が関連付けられ、各冠部の傾斜または角度方向に沿った線を延ばして、中心線３２を含む線に交差させることによって決定される。図１Ｂに最も良く示されているように、突起には、突起角度５４が設けられており、当該突起角度５４は、収集区域の端部で始まる約１２０°から押出区域における約１５５°の角度までの範囲となっている。図１に示されているように、突起角度５４は、突起に直接隣接しているフライトのフライト角度５２とはわずかに異なっている。さらに、細長区域６０に沿った突起の中間点は、ノッチ３８に位置合わせされても良いことが理解されるであろう。

上述したように、各細長突起５０は、中心線に対する突起角度５４を有し、当該突起角度は、シール端部からノーズコーン端部に向かって徐々に増大している。突起角度は、必要に応じて変化し得るけれども、最適な実施の形態においては、突起角度は、中心線３２に対して９５°から１７５°の範囲となっている。同様にして、フライト角度は、シール端部からノーズコーン端部に徐々に減少するように変化してもよく、９５°から約１７５°の範囲とし得る。さらに、各突起角度が隣接するフライトのフライト角度より大きくなるようにフライト角度が構成されていることは理解されるであろう。言い換えると、フライトの間に配設された各突起角度は、最も近接しているフライト角度よりも大きい角度を有している。さらに、突起の細長側部は、これに隣接するフライトに、実質的に角度を付けて位置合わせされていることが理解されるであろう。とりわけ、細長側部および隣接するフライト角度は、中心線に対して互いに約２５°以内に位置合わせされている。

押出機スクリュ１０の更なる特徴は、突起の高さがフライトから所定距離オフセットされていることである。特に、オフセット値７０は、突起とこれに隣接するフライトに関連付けられていることが、図１Ｂから見ることができる。特に、フライトのオフセット値は、冠部６６とフライト尾根３６の外径との間で測定された距離となっている。オフセット値距離は、材料がノーズコーンに向かって流れるように、押出機スクリュの長さに沿って徐々に小さくなっている。特に、収集区域に最も近接した初期位置におけるオフセット値７０が、突起区域２２内に設けられた突起のオフセット値よりもかなり大きくなっていることがわかる。

運転中、ポリマー材料は、混合区域１６に供給されて、フライト３４によって前方に押される。フライト３４内に設けられたノッチ３８において、合成物のごく一部が、より広いまたはより初期のフライト区域に逆流し、ホッパーから比較的最近受け入れられたポリマー材料と更に混合される。材料は、フライトによって前方に押されて、混合区域１８および突起５０に入る。理解されるように、突起の角度配置は、フライトにやや平行になっているが、厳密な平行ではない。このわずかな角度の相違が、押出機スクリュが回転するにつれて材料の更なる混合を可能にする。理解されるように、突起の高さは、初期的には干渉が無いが、突起の高さが増大するにつれて干渉が徐々に増大するようになり、冠部とバレルの内径との間に来る材料を更に混合させる。突起の角度方向は、材料が収集区域からノーズコーン端部３２に向かって移送されるにつれて変化する。この更なる混合は、ノーズコーン端部に存在するポリマー材料の特性を容易にする。また、混合を更に容易にさせるために、コアの直径が突起の変化する構造に伴って変化しても良いことが理解されるであろう。

所望の実施の形態においては、突起は交換可能であっても良く、突起のさまざまな角度構造が利用されても良いことが理解されるであろう。このことは、スクリュを通って流れるポリマー材料に突起の有利または不利な効果を決定するためになされ得る。望ましい構造が得られると、ある実施の形態においては、突起は押出機スクリュに一体にされることが理解されるであろう。同様にして、適切と考えられる場合には、混合区域１８において、突起なし区域２２が突起区域２４に代わって使用されても良いことは理解されるであろう。

上述したように、本発明の利点は、すでに明らかになっている。突起の角度およびオフセットパラメータを選択的に制御および調整することにより、スクリュによるポリマー材料の所望の混合を得ることができる。このような構造における突起の使用が、従来技術によるスクリュと比較して、スクリュの長さを短くすることを可能にすることがわかる。さらに、開示されたスクリュ構造は、低温供給原料スクリュ構造に適合可能になっている。低温供給原料押出機は、押出機のホッパー／スクリュのエリアに、室温の合成物を直接受け入れるものである。高温供給原料押出機は、押出機に入る前に合成物が他の手段によって加熱されることを必要とするものである。結果として、この構造は、合成物が従来技術による構造よりも短い時間で最適な押出状態を得ることを可能にする。このことは、特に熱に弱い合成物が使用されるという点において利点になると考えられる。ポリマー材料が長期間上昇した温度で維持される場合には、その分子構造および特定の最終使用のための適切性が低減する可能性があるということは、当業者に理解されるであろう。従って、本構造は、ポリマー材料が最小の熱的損傷で押出機ハウジングを通って迅速に移動することを可能にする。材料がスクリュバレルを通ってより一層容易に流れるため、本構造は、運転に必要な動力を低減すると考えられる。

また、突起の幾何学的配置および形状を使用者が変えて、押出機の作業特性を修正し、特定の基準または規格に適合させ得ることは、押出機スクリュ２０の他の利点である。興味深い規格または基準は、例えば、（スクリュの端部において好適に測定される）材料温度、流速および混合の品質（粘度、収縮度および均質性）である。

本発明の好適な実施の形態を述べてきたが、本発明から逸脱することなくさまざまな変形および修正がなされることは当業者にとって明らかである。このため、このような変形および修正は、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内にある。

Claims (12)

1. 押出機のバレル内に設けられた受け取りに適合された押出機スクリュにおいて、
   シール端部からノーズコーン端部に延びるコアと、
   前記コアから半径方向にらせん状パターンで延びる少なくとも一つのフライトであって、互いに隣接するフライトがそれらの間に通路を形成する、フライトと、
   前記コアから半径方向に延び、前記通路内に配設された複数の細長突起と、を備えたことを特徴とする押出機スクリュ。
2. 前記コアは中心線を有し、
   前記細長突起の各々は、前記中心線に対する突起角度を有し、
   前記突起角度は、前記シール端部から前記ノーズコーン端部に向かって徐々に増大することを特徴とする請求項１に記載の押出機スクリュ。
3. 前記中心線に対する前記突起角度は、９５°から１７５°の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の押出機スクリュ。
4. 前記フライトの各々によって設けられたフライト尾根を更に備え、
   前記フライト尾根は、複数のノッチを有していることを特徴とする請求項２に記載の押出機スクリュ。
5. 前記突起の各々は、前記フライト尾根からのオフセット寸法を有する冠部を含み、
   前記オフセット寸法は、前記シール端部から前記ノーズコーン端部に向かって徐々に減少することを特徴とする請求項４に記載の押出機スクリュ。
6. 前記突起の各々は、対向する端部によって互いに連結された対向する細長側部を有し、
   前記細長側部は、これらに隣接する前記フライトに対して、実質的に角度を付けて位置合わせされていることを特徴とする請求項５に記載の押出機スクリュ。
7. 前記細長側部および隣接する前記フライトの角度は、前記中心線に対して互いに約２５°以内に位置合わせされていることを特徴とする請求項６に記載の押出機スクリュ。
8. 前記フライト尾根の各々は、フライト角度を有し、
   前記突起角度の各々は、隣接するフライトの前記フライト角度より大きいことを特徴とする請求項４に記載の押出機スクリュ。
9. 前記シール端部に隣接した収集区域と、
   前記収集区域と前記ノーズコーン端部との間に配設された混合区域と、を更に備えたことを特徴とする請求項４に記載の押出機スクリュ。
10. 前記混合区域は、前記収集区域の端部から前記ノーズコーン端部に向かって、約９０°の放射方向増分で前記通路内に配設された前記突起を有していることを特徴とする請求項９に記載の押出機スクリュ。
11. 前記混合区域は、前記収集区域に隣接した突起区域と、前記突起区域に隣接した押出区域と、を有し、
    前記押出区域は、前記突起を含むことを特徴とする請求項９に記載の押出機スクリュ。
12. 前記混合区域は、前記収集区域に隣接した突起区域と、前記突起区域に隣接した押出区域と、を有し、
    前記押出区域は、突起がないことを特徴とする請求項９に記載の押出機スクリュ。

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