JP2018122478A - スクリュ式押出機 - Google Patents

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和久 福谷
孝祐 東
Kosuke Azuma
孝祐 東
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Abstract

【課題】材料の分散混合性を高めることができる構成のスクリュ式押出機を提供すること。【解決手段】スクリュ式押出機1は、スクリュ2,3と、スクリュ2,3を収容し上流側に材料の投入口11が設けられたケーシング4と、を備える。スクリュ2,3のフライト部7の下流側端における、フライト部7の頂部12とケーシング4の内壁面との間のクリアランスC2が、投入口11の下流側端11aにおけるクリアランスC1よりも大きくされており、且つ、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間において、上流側から下流側に向かってクリアランスが縮小する領域がない。【選択図】図2

Description

本発明は、混練物の押出を行うスクリュ式押出機に関し、特に、混練物を押出しながらシート状に形成するのに好適に用いられるスクリュ式押出機に関する。
自動車用タイヤの製造プロセスにおいて、タイヤの原料であるゴムの混練機の下に設置し、混練機から投入されたゴム(混練物)を連続的に押出しながらシート状に成形する押出成形機が用いられる。この種の押出成形機に関する技術として、例えば下記の特許文献1に記載のものがある。
特許文献1に記載のシート成形装置は、材料を押出し供給する材料供給部と、押出し供給された材料を一時的に貯留する材料貯留部と、貯留されている材料に押圧力を印加する材料押圧部と、貯留されている材料をシート状に成形して払い出す材料圧延部と、運転を制御する制御部とを備えている。上記材料供給部は、2軸のテーパースクリュを備え、2軸のテーパースクリュはケーシングに収容されている。
特許文献1の図7等によると、上記テーパースクリュの螺旋状のフライト部の頂部と、ケーシングの内壁面との間のクリアランス(隙間寸法)は、上流側から下流側まで一定とされている。
特開2011−73428号公報
近年、低燃費タイヤの需要が増加している。低燃費タイヤの原料であるゴムにはシリカが高い割合で配合されることが多い。シリカを高い割合で配合したゴム(混練物)は、押出成形機においてシート状に成形しにくいという問題がある。そのため、上流側プロセスの混練機においてだけでなく、押出成形機においてもゴム(混練物)の分散混合性を高めることが望まれる。
しかしながら、特許文献1に記載のシート成形装置では、前記したように、テーパースクリュの螺旋状のフライト部の頂部と、ケーシングの内壁面との間のクリアランス(隙間寸法)が、上流側から下流側まで一定とされているので、材料供給部において材料は特に混練されない。すなわち、特許文献1に記載のシート成形装置では、材料の分散混合性を高めることはできない。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、材料の分散混合性を高めることができる構成のスクリュ式押出機を提供することである。
本発明に係るスクリュ式押出機は、スクリュと、前記スクリュを収容し、上流側に材料の投入口が設けられたケーシングと、を備える混練物の押出を行うスクリュ式押出機である。前記スクリュは、軸部と、当該軸部の外周面に設けられた螺旋状のフライト部と、を有する。前記フライト部の下流側端における、前記フライト部の頂部と前記ケーシングの内壁面との間のクリアランスが、前記投入口の下流側端における前記クリアランスよりも大きくされており、且つ、前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間において、上流側から下流側に向かって前記クリアランスが縮小する領域がないことを特徴とする。
この構成によると、材料の投入口の下流側端と、スクリュのフライト部の下流側端との間における下流側において、材料を送るだけでなく混練することができる。すなわち、本発明に係るスクリュ式押出機によれば、材料の分散混合性を高めることができる。
本発明において、前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間における、上流部および下流部のうちの少なくともいずれかにおいて前記クリアランスが一定の領域があることが好ましい。
上記上流部は、材料の送り機能が発揮される部分であり、上記下流部は、材料を混練する混練機能が発揮される部分である。この構成によると、材料の送り機能、および/または混練機能を安定させることができる。また、材料の投入口の下流側端と、スクリュのフライト部の下流側端との間において、クリアランスが全長にわたって連続的に変化する場合よりも、スクリュのフライト部の製作、またはケーシングの製作が容易である。
また本発明において、前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間における、上流部および下流部のそれぞれにおいて前記クリアランスが一定の領域があることが好ましい。
この構成によると、材料の送り機能、および混練機能の両方を安定させることができる。また、スクリュのフライト部の製作、またはケーシングの製作がより容易である。
さらに本発明において、前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間において、上流側から下流側に向かって前記クリアランスが階段状に拡大するクリアランス段差部があり、且つ当該クリアランス段差部の上流側および下流側の前記クリアランスがそれぞれにおいて一定とされていることが好ましい。
この構成によると、クリアランスが連続的に変化する場合よりも、スクリュのフライト部の製作、またはケーシングの製作が容易である。
さらに本発明において、前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間において、上流側から下流側に向かって前記クリアランスが直線的に拡大するクリアランス拡大部があり、且つ当該クリアランス拡大部の上流側および下流側の前記クリアランスがそれぞれにおいて一定とされていることが好ましい。
この構成によると、クリアランスが変化する位置での材料の滞留を防止することができる。
さらに本発明において、前記軸部の軸方向における、前記フライト部の下流側端と前記投入口の下流側端との間の距離をL、前記フライト部の下流側端と前記クリアランス段差部との間の距離をLm、としたとき、0.25<Lm/Lとされていることが好ましい。
この構成によると、クリアランス部を通過する材料の量が増え、材料の均一な混練を促進することができる。
上記本発明において、0.25<Lm/L≦0.4とされていることが好ましい。
この構成によると、昇圧能力(送り能力)を高く維持しつつ、クリアランス部を通過する材料の量を増やして、材料の均一な混練を促進することができる。
さらに本発明において、前記軸部の軸方向における、前記フライト部の下流側端と前記投入口の下流側端との間の距離をL、前記フライト部の下流側端と前記クリアランス拡大部の軸方向中心位置との間の距離をLm、としたとき、0.25<Lm/Lとされていることが好ましい。
この構成によると、クリアランス部を通過する材料の量が増え、材料の均一な混練を促進することができる。
上記本発明において、0.25<Lm/L≦0.4とされていることが好ましい。
この構成によると、昇圧能力(送り能力)を高く維持しつつ、クリアランス部を通過する材料の量を増やして、材料の均一な混練を促進することができる。
さらに本発明において、前記フライト部の頂部の外径によって、前記クリアランスが変化させられていることが好ましい。
この構成によると、ケーシングの形状・寸法によってクリアランスを変化させる場合よりも、クリアランス変化部における材料の滞留を防止することができる。また、フライト部の頂部の外径によって、クリアランスを変化させた方が、スクリュ式押出機の製作が容易である。
さらに本発明において、前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間における下流側の前記クリアランスが一定の領域の前記ケーシングの内部の圧力を計測する圧力センサを有し、前記圧力センサにより計測された圧力に応じて前記スクリュの回転数が制御されていることが好ましい。
この構成によると、材料の混練を容易に制御することができる。
本発明に係るスクリュ式押出機によると、供給された材料の分散混合性を当該スクリュ式押出機において高めることができる。
本発明に係るスクリュ式押出機の一実施形態としてのローラダイ付押出機の平断面図である。 図1のA−A断面図であり、本発明の一実施形態に係るローラダイ付押出機の縦断面図である。 図1,2に示すローラダイ付押出機の、フライト部の頂部とケーシングの内壁面との間のクリアランスのスクリュ軸方向の変化を模式的に示す図である。 図1,2に示すローラダイ付押出機において、フライト部の混合部比率(大小のクリアランスの比率)と、クリアランス部分を材料が逆方向に漏れる量との関係を流動解析により調べた結果を示すグラフである。 図1,2に示すローラダイ付押出機において、フライト部の混合部比率(大小のクリアランスの比率)と、昇圧能力との関係を流動解析により調べた結果を示すグラフである。 フライト部の頂部とケーシングの内壁面との間のクリアランスの第2実施形態を示す、図3に対応する図である。 フライト部の頂部とケーシングの内壁面との間のクリアランスの第1変形例を示す、図3に対応する図である。 フライト部の頂部とケーシングの内壁面との間のクリアランスの第2変形例を示す、図3に対応する図である。 フライト部の頂部とケーシングの内壁面との間のクリアランスの第3変形例を示す、図3に対応する図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。以下の実施形態で示すスクリュ式押出機は、ゴムなどの高分子材料の混練物をシート状に押出成形するローラダイ付スクリュ押出機(以下、「ローラダイ付押出機」と呼ぶ)である。なお、本発明のスクリュ式押出機は、高分子材料の混練物を多数の円形孔を有するダイスから押出した後に円筒状のペレットに切断成形するペレタイザと呼ばれる機械にも用いることができる。
(第1実施形態)
図1〜3を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るローラダイ付押出機1について説明する。ローラダイ付押出機1は、混練物の押出を行う左右一対の計2本のスクリュ2,3と、スクリュ2,3を収容するケーシング4とを有する。ケーシング4の前方には上下一対の計2個のローラ8,9が配置される。ケーシング4とローラ8,9との間の部分は、バンク部10と呼ばれ、スクリュ2,3により押出された混練物は、このバンク部10に溜まる。ローラ8,9は、互いに逆方向に回転するように連結されており、図示を省略する1つの駆動手段により同一の回転数で回転させられる。ローラ8,9は、混練物を圧延してシート状(シート50)に成形するためのものであり、ローラダイと呼ばれている。
スクリュ2,3は、それぞれ、軸部6と、軸部6の外周面に設けられた螺旋状のフライト部7とを有する。スクリュ2とスクリュ3とは、フライトの捩れ角度が互いに逆であることを除いて同じ形状・寸法のスクリュである。また、スクリュ2,3は、互いに逆方向に回転するように連結されており、図示を省略する1つの駆動手段により同一の回転数で回転させられる。
ケーシング4は、先細りの形状であって、材料(混練物)の投入口11が上部に設けられたケーシング上流部13と、周囲が壁面で囲われたケーシング下流部14とを有する。投入口11にその上方から供給されたゴムなどの混練物は、互いに逆方向に回転するスクリュ2,3によりバンク部11へ押出され、その後、ローラ9,10の間を通ることでシート状に成形される。
図2に示したように、周囲が壁面で囲われたケーシング下流部14の底部には、圧力センサ5が取り付けられている。圧力センサ5により、ケーシング下流部14の内部の圧力(混練物の圧力)が計測される。なお、回転するスクリュ2,3のフライト部7と接触しないように、圧力センサ5は、その先端部(圧力検出部)がケーシング4の内壁面から突出しないように取り付けられる。
ここで、本発明では、ローラダイ付押出機1自体にて、材料の分散混合性を高めるために、フライト部7の頂部12とケーシング4の内壁面との間のクリアランス(隙間)について、フライト部7の下流側端におけるクリアランスC2を、投入口11の下流側端11aにおけるクリアランスC1よりも大きくし、且つ、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間において、上流側から下流側に向かってクリアランスが縮小する領域がないようにする。
これにより、材料の投入口11の下流側端11aと、スクリュ2,3のフライト部7の下流側端との間における下流側において、材料を送る(昇圧する)だけでなく混練することができる。
図1〜3に示す実施形態では、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間において、上流側から下流側に向かってクリアランスが階段状に拡大するクリアランス段差部21が設けられている(図3参照)。そして、このクリアランス段差部21を境にして、クリアランス段差部21の上流側のクリアランスがC1で一定とされ、クリアランス段差部21の下流側のクリアランスがC2(C2>C1)で一定とされている。
なお、フライト部7は、前記したように螺旋状である。そのため、フライト部7の頂部12とケーシング4の内壁面との間のクリアランスも螺旋状となる。図3は、このクリアランスのスクリュ軸方向の変化を模式的に示す図であり、スクリュ2,3およびケーシング4を断面で視たときのクリアランスの形態を示すものではない(図6〜9についても同様)。スクリュ2,3およびケーシング4を断面で視たときのクリアランスの形態は、図1,2のようになる。
本実施形態では、上記クリアランスは、フライト部7の頂部12の外径を変化させることにより変化させられている。フライト部7の頂部12と対向するケーシング4の内壁面は、その断面視において直線とされている。クリアランス段差部21においては、フライト部7の頂部12の外径が、クリアランスC2とクリアランスC1との差分、階段状に変化させられている。
フライト部7の頂部12の外径を変化させることにより、当該頂部12とケーシング4の内壁面との間のクリアランスを変化させることで、ケーシング4の形状・寸法によってクリアランスを変化させる場合よりも押出機の製作が容易となる。また、クリアランス変化部における材料の滞留を防止することもできる。
また、前記した圧力センサ5は、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間における下流側のクリアランスがC2で一定の領域のケーシング4内部の圧力を計測するものであり、圧力センサ5により計測された圧力(混練物の圧力)に応じてスクリュ2,3の回転数が制御されるように、ローラダイ付押出機1は制御構成されている。例えば、圧力センサ5により計測された圧力が、所定の圧力(Pmin)よりも低いと、スクリュ2,3の回転数は上昇され、所定の圧力(Pmax)よりも高いと、スクリュ2,3の回転数は低下される。圧力が、PmaxとPminとの間であるときは、その時点でのスクリュ2,3の回転数はそのまま維持される。クリアランスがC2(C2>C1)で一定の領域のケーシング4内部下流側の圧力を計測し、計測されたた圧力に応じてスクリュ2,3の回転数を制御することで、材料の混練を容易に制御することができる。
スクリュ2,3(軸部6)の軸方向における、フライト部7の下流側端と投入口11の下流側端11aとの間の距離をL、フライト部7の下流側端とクリアランス段差部21との間の距離をLmとしたとき、Lm/Lを大きくすると、クリアランスが大きい領域が広くなり、この部分を材料の押出方向とは逆方向に、材料が漏れる量が増加する。材料の押出方向とは逆方向に材料が漏れる量が増加すると、材料の分配混合が促進される。すなわち、クリアランスがC2の領域(軸方向では、長さLmの領域)は、材料の混合(分配混合)が促進される領域である。一方、材料の押出方向とは逆方向に材料が漏れる量が増加すると、材料の昇圧能力は低下する。なお、クリアランスがC1(C1<C2)の領域は、材料の押出(昇圧)がなされる領域である。
本発明者らは、Lm/Lと材料の漏れ量との関係、およびLm/Lと昇圧能力との関係を、流動解析により調べた。解析条件とその結果を表1に示す。
Figure 2018122478
表1において、Cは、フライト部7の下流側端におけるクリアランスであり、Dは、ケーシング4の先端部の内径である(図3参照)。条件1A〜1C、2A〜2Cに関し、表1中のCは、図3におけるC2である。また、Qは、押出方向とは逆方向にクリアランス部を材料が漏れる量(流量)である。ΔPは、投入口11の下流側端11aにおけるケーシング4内の圧力と、ケーシング4の先端部のケーシング4内の圧力との差(圧力差)である。また、条件0は、ケーシング4の上流側から下流端までクリアランスがC(=C1(C1<C2))で常に一定とされている基準の条件である。Q0は、条件0におけるクリアランス部を材料が漏れる量(流量)であり、ΔP0は、条件0における上記圧力差である。
Q/Q0は、その値が大きい程、材料の分散混合性が高いことを示す。これに対して、ΔP/ΔP0に関しては、その値が小さい程、昇圧能力が高いことを示す。ΔP(圧力差)が小さいということは、抵抗が小さいということである。同じ量の材料を送るということを共通の解析条件としており、同じ量の材料を小さな抵抗で送れる方が昇圧能力が高いということである。すなわち、ΔP/ΔP0に関しては、その値が小さい程、昇圧能力が高いことを示す。
表1に示した解析結果をグラフ化したものが、図4および図5に示すグラフである。図4からわかるように、0.25<Lm/Lとすることで、材料の分散混合性が高まり、材料の均一な混練を促進することができる。また、図5からわかるように、Lm/L≦0.4とすることで、昇圧能力を高く維持することができる。また、図4および図5より、0.25<Lm/L≦0.4とすることで、昇圧能力を高く維持しつつ、材料の均一な混練を促進することができる。
(第2実施形態)
図6は、フライト部7の頂部12とケーシング4の内壁面との間のクリアランスの第2実施形態を示す、図3に対応する図である。
本実施形態では、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間において、上流側から下流側に向かってクリアランスが直線的に拡大するクリアランス拡大部22が設けられている(図3参照)。このクリアランス拡大部22を境にして、クリアランス拡大部22の上流側のクリアランスがC1で一定とされ、クリアランス拡大部22の下流側のクリアランスがC2(C2>C1)で一定とされている。
この構成によると、クリアランスが変化する部分を前記したクリアランス段差部21とした場合よりも、クリアランスが変化する部分での材料の滞留を防止することができる。
本実施形態においても、図3に示す第1実施形態の場合と同様に、Lm/Lが、0.25<Lm/Lとされることが好ましく、さらには、0.25<Lm/L≦0.4とされることが好ましい。なお、Lmは、フライト部7の下流側端とクリアランス拡大部22の軸方向中心位置との間の距離と定義される(図6参照)。
(変形例)
図7は、フライト部7の頂部12とケーシング4の内壁面との間のクリアランスの第1変形例を示す、図3に対応する図である。
図6に示す実施形態では、上流側から下流側に向かってクリアランスが直線的に拡大するクリアランス拡大部22とされている。これに代えて、図7に示すクリアランス拡大部23のように、上流側から下流側に向かってクリアランス変化率が小さくなりつつクリアランスが拡大するクリアランス拡大部とされてもよい。
また、図8に示すクリアランス拡大部24のように、上流側から下流側に向かってクリアランス変化率が大きくなりつつクリアランスが拡大するクリアランス拡大部とされてもよい。
前記した実施形態および変形例では、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間における、上流部および下流部のそれぞれにおいてクリアランスが一定の領域がある。投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間における、上流部および下流部のうちのいずれか一方のみにクリアランスが一定の領域があるようにされてもよい。
前記した実施形態および変形例では、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間にクリアランスが一定の領域がある。図9に示す第3変形例では、投入口11の下流側端11aとフライト部7の下流側端との間にクリアランスが一定の領域は無く、投入口11の下流側端11aからフライト部7の下流側端まで、上流側から下流側に向かってクリアランスが直線的に拡大されている。なお、投入口11の下流側端11aからフライト部7の下流側端まで、上流側から下流側に向かってクリアランス変化率が小さくなりつつクリアランスが拡大されていてもよいし、上流側から下流側に向かってクリアランス変化率が大きくなりつつクリアランスが拡大されていてもよい。
前記した実施形態および変形例では、フライト部7の頂部12の外径を変化させることにより、当該頂部12とケーシング4の内壁面との間のクリアランスを変化させている。これに代えて、ケーシング4の形状・寸法によってクリアランスを変化させてもよい。
前記した実施形態の左右一対のスクリュ2,3は、1つの駆動手段により同一の回転数で回転させられる構成とされている。これに代えて、左右一対のスクリュ2,3が、2つの駆動手段により、それぞれ独立に回転させられるように構成されていてもよい。
ケーシング4(ケーシング下流部14)の内部の圧力を計測する圧力センサ5を、ケーシング4(ケーシング下流部14)の底部ではなく、ケーシング4(ケーシング下流部14)の側部または上部に取り付けてもよい。
左右一対のスクリュ2,3ではなく、スクリュを1本のみ有するスクリュ式押出機であってもよい。
その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行える。
1:ローラダイ付押出機(スクリュ式押出機)
2、3:スクリュ
4:ケーシング
5:圧力センサ
6:軸部
7:フライト部
8、9:ローラ
11:投入口
11a:下流側端
12:頂部
21:クリアランス段差部
22:クリアランス拡大部
C1、C2:クリアランス

Claims (11)

  1. スクリュと、
    前記スクリュを収容し、上流側に材料の投入口が設けられたケーシングと、
    を備える、混練物の押出を行うスクリュ式押出機において、
    前記スクリュは、軸部と、当該軸部の外周面に設けられた螺旋状のフライト部と、を有しており、
    前記フライト部の下流側端における、前記フライト部の頂部と前記ケーシングの内壁面との間のクリアランスが、前記投入口の下流側端における前記クリアランスよりも大きくされており、
    前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間において、上流側から下流側に向かって前記クリアランスが縮小する領域がないことを特徴とする、スクリュ式押出機。
  2. 請求項1に記載のスクリュ式押出機において、
    前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間における、上流部および下流部のうちの少なくともいずれかにおいて前記クリアランスが一定の領域があることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  3. 請求項2に記載のスクリュ式押出機において、
    前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間における、上流部および下流部のそれぞれにおいて前記クリアランスが一定の領域があることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のスクリュ式押出機において、
    前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間において、上流側から下流側に向かって前記クリアランスが階段状に拡大するクリアランス段差部があり、当該クリアランス段差部の上流側および下流側の前記クリアランスがそれぞれにおいて一定とされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  5. 請求項1〜3のいずれかに記載のスクリュ式押出機において、
    前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間において、上流側から下流側に向かって前記クリアランスが直線的に拡大するクリアランス拡大部があり、当該クリアランス拡大部の上流側および下流側の前記クリアランスがそれぞれにおいて一定とされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  6. 請求項4に記載のスクリュ式押出機において、
    前記軸部の軸方向における、前記フライト部の下流側端と前記投入口の下流側端との間の距離をL、前記フライト部の下流側端と前記クリアランス段差部との間の距離をLm、としたとき、0.25<Lm/Lとされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  7. 請求項6に記載のスクリュ式押出機において、
    0.25<Lm/L≦0.4とされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  8. 請求項5に記載のスクリュ式押出機において、
    前記軸部の軸方向における、前記フライト部の下流側端と前記投入口の下流側端との間の距離をL、前記フライト部の下流側端と前記クリアランス拡大部の軸方向中心位置との間の距離をLm、としたとき、0.25<Lm/Lとされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  9. 請求項8に記載のスクリュ式押出機において、
    0.25<Lm/L≦0.4とされていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  10. 請求項1〜9のいずれかに記載のスクリュ式押出機において、
    前記フライト部の頂部の外径によって、前記クリアランスが変化させられていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
  11. 請求項1〜10のいずれかに記載のスクリュ式押出機において、
    前記投入口の下流側端と前記フライト部の下流側端との間における下流側の前記クリアランスが一定の領域の前記ケーシングの内部の圧力を計測する圧力センサを有し、
    前記圧力センサにより計測された圧力に応じて前記スクリュの回転数が制御されていることを特徴とする、スクリュ式押出機。
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