JP3962090B2 - 押出し製品の製造法、およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、半径方向において一つが他の内部に配置され且つ回転可能なローターとステーターとの間に位置した少なくとも２個の円錐形の供給間隙を具備した押出し機の中に押出すべき材料を供給し、この際押出すべき材料を各供給間隙に別々に供給する押出し製品（ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｏ ｂｅ ｅｘｔｒｕｄｅｄ）を製造する方法に関する。
さらに本発明は、半径方向において一つが他の内部に配置され且つ回転可能なローターとステーターとの間に位置した少なくとも２個の円錐形の供給間隙を具備した押出し機、押出すべき材料を各供給間隙に別々に供給する供給導管、および該供給導管に沿って該材料を供給する供給装置を具備した押出し機に関する。
米国特許３ ３１４ １０８号においては、２個の円錐形にステーター、および該ステーターの間に回転し得るように位置したローターを含む押出し機が記載されている。この装置は供給導管を含み、押出すべき材料が１個の供給導管に沿ってローターの外側に供給され、また他の供給導管に沿ってローターに取り付けられた開口部を経てローターの内部に供給される方法で、供給される材料を供給導管に沿って供給することができる。この装置を用いると例えば二層のプラスティックス・パイプのような製品を製造することができるが、パイプの層の厚さまたは押出される材料の温度をいかなる方法によっても調節または変化させることはできない。
ヨーロッパ特許０ ４２２ ０４２号には、少なくとも３個の円錐形のステーター、および該ステーターの間に配置された少なくとも２個の円錐形のローターを含む押出し機が記載されている。押出される材料は供給導管を経由してローターとステーターとの間に供給される。ローターはまた、供給される材料がローターの中に入り、またその内部につくられたローターとステーターとの間の空間に流れて行くことができる開口部を具備している。この装置を用いると例えばパイプが得られるが、異った層の性質を相互に調節することはできない。またローターの異った側の材料の温度についてもそれぞれの側で調節不可能であり、外側から冷却することもできない。さらに押出し機の中における押出される材料の温度の調節は、操作困難な別の加熱装置によって行わなければならない。
ドイツ特許１ ４５４ ７６２号には、調節可能な供給速度で操作し得る２種の供給装置が記載されている。この供給装置では、押出す材料の異った成分の塊を、それがスクリューの入口のところで混合するようにスクリューの周りの空間に供給し、このようにして押出し機により異った成分の混合物の塊が押出される。スクリューは一層から成る製品を押出すのに使用され、この場合異った供給装置から供給される成分の混合比は供給装置を調節することにより調節される。従ってこの装置では混合した一層から成る製品しか製造できない。
スイス特許３９２ ０４５号には、供給される材料流の量を調節するのに使用できる供給装置が記載されている。この場合もまた材料流はスクリューを取り巻く空間に供給され、これによって一層から成る製品が押出される。即ちこの装置では異なった層の性質が別々に調節され製品を製造することはできない。
ヨーロッパ特許０ １５３ ７１５号においては、押出すべき材料をホッパーから筒形のローターの外側の表面に供給する押出し機が記載されている。この筒形のローターには溝孔が備えられ、異ったホッパーから到着した材料は先ずローターの外側の表面の所で異った方向へ向かい、次いでローターの端を経由してその内部へ入る。この装置にはさらに強制供給環が備えられ、これによってローターの表面における材料の移動速度を調節することができる。調節をうまく行うには、複雑で取り扱いが厄介な構造が必要である。何故なら強制供給環は二つの大きな回転駆動モーターを必要とするが、これをローターの回転方向とは反対に回転させなければならないからである。さらにこの供給環はそれ自身で材料を摩砕する。この供給装置では十分な量の材料が前方へと流れるのが決して保証されず、例えば供給導管が詰まった場合、高速度で回転させても供給環を用いて十分な量の材料を前方へ供給することはできない。さらにこの装置では、必要に応じ取り扱い困難な外部の加熱または冷却装置を用いて材料の温度を調節しなければならない。
本発明の目的は、押出されるべき製品の異った層の性質を簡単且つ容易に調節し得る方法および装置を提供することである。
本発明の方法は、供給すべき材料流を別々に調節し、ローターの回転速度を調節し、材料流の量とローターの回転速度を調節することにより押出すべき材料の温度を調節することを特徴としている。
さらに本発明の装置は、各供給導管には該供給導管を経由して供給される材料流を調節するための別々に調節し得る供給装置が備えられ、押出し機はローターの回転速度を調節するための装置を具備し、材料流の量とローターの回転速度とを調節することにより材料の温度を調節し得ることを特徴としている。
本発明の本質的な概念によれば、押出し機は少なくとも２個の供給装置を含み、押出すべき材料の異った供給導管に沿って別々に各円錐形の供給間隙に供給することができる。供給される材料流の量は供給装置によって調節でき、従ってローターおよびステーターの空間が充填される程度、従って摩擦による発熱量、および得られる層の厚さに影響を及ぼすことが可能である。これらのパラメータを調節すると、当然最終製品に影響を生じる。さらに本発明の具体化例の概念によれば、ローターの回転速度を調節することができ、従って材料に影響を及ぼす摩擦による発熱量を調節することが可能になる。他の好適具体化例の概念によれば、押出し機は少なくとも２個のローターを含み、ローターの両側には材料を押出し機のノズルの供給するためのスクリュー形の溝孔が備えられ、少なくとも一つのローターのスクリュー形の溝孔の少なくとも一組は他のローターの溝孔とは異った断面を有し、また該ローターの相互間の位置を変えることができるようになっている。このような場合、ローター相互間の相対的な位置に依存して、ローターの順番に依存した性質を有する製品を製造することができる。
本発明は、本発明の方法および装置を用いれば、最終製品の性質を容易に且つ種々の方法で調節できるという利点をもっている。
次に添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。添付図面においては：
図１は本発明の押出し機の一部断面図を含む模式的側面図である。
図２は本発明の他の押出し機の詳細な断面図である。
図３ａおよび３ｂは、本発明の装置を用いてつくられた製品の壁の断面の一部を示す模式図である。
図４はローターの回転速度の関数として表した材料の塊の温度を示すグラフである。
図５は供給スクリューの回転速度の関数として表した押出し機の収率を示すグラフである。
図６は押出し機の加工窓を模式的に示す。
図１は本発明の押出し機の一部断面図を含む模式的側面図である。この押出し機は内側のステーターおよび該内側のステーターの外側に位置した外側のステーター２を具備している。少なくとも内側のステーター１の外側の表面と外側のステーター２の内側の表面とは円錐形をなしている。内側のステーター１と外側のステーター２との間には円錐形のローター３があり、この場合ローター３と内側のステーター１および外側のステーター２との間には半径方向において一つが他の内部にあるように供給間隙がつくられている。ローター３は内側のステーター１と外側のステーター２との間を動き得るようになっている。ローター３はモーター５によって回転する。このモーター５は例えば油圧モーター、電動モーター、またはこの目的に適したそれ自身は公知の他の方のモーターであることができる。モーター５はギア・システム４を通してローター３を回転させるようになっている。ローター３の回転速度はギア・システム４により所望の方法で調節することができる。他方例えば電動モーターを使用する場合、ギア・システム４は不必要である。何故ならモーター５の回転速度を公知方法で調節することによりローター３の回転周波数を容易に調節することができるからである。押出し機の上記の部品はそれ自身は公知であり、この点に関しこれ以上詳細に説明することはしない。
押出し機はさらに第１の供給導管６を具備し、これに沿って押出すべき材料をローター３と外側のステーター２との間のローターの外側へと供給することができる。押出し機はまた第２の供給導管７を具備し、これに沿ってローター３に備えられた開口部８を経由し、ローター３と内側のステーター１との間のローター３の内側へ材料を供給することができる。第１の供給導管６へと供給される材料は第１の供給装置９を用いて供給される。これに対応して供給材料を第２の供給導管７へ供給するためにこの配置では第２の供給装置１０が備えられている。供給装置９および１０は例えば供給スクリュー、ポンプ、またはそれ自身は公知の他の型のものであることができる。本質的な点は、この供給装置を用いれば供給導管へと供給される材料の流速を調節できることである。
供給装置９によって供給される材料の流速を調節することにより、ローター３とステーター１および２との間の部分への充填に影響を及ぼすことが可能である。この部分に多量の材料が含まれるほど、摩擦熱の発生量は少なくなる。供給間隙の中に供給される材料が少ないと、ローターの中における材料の滞在時間は長くなり、従って摩擦により発生する熱量は増加する。さらに供給される流量の比は得られる最終製品の層の厚さを決定する。またローター３の回転速度を調節すると、摩擦により発生する熱量を調節することができる。即ちローター３を速く回転させると、摩擦のために多くの熱が発生する。従って第１の供給装置９および第２の供給装置１０を用いて供給される材料の流量を調節し、またローター３の回転速度を調節することにより、材料の温度および最終製品の性質を調節することは容易である。
供給装置９および１０を用いると、図１の下方から見て押出し機の端から材料を供給することができる。さらに供給導管６および７は、材料を供給する場所がローターの周囲に接するように配置された位置にある。供給装置９および１０を用いて材料を押出し機の中に押し込むことは容易である。実験によれば、このような切線方向に供給を行うと材料がより効果的に供給されることが示された。換言すれば材料は装置の周辺部で止まることはない。供給装置９および１０、およびそれに対応する供給導管６および７はまた装置の軸方向において異った場所に位置させることができる。従って供給位置は摩擦によって発生する熱量に影響を及ぼすように選択することができる。何故なら材料を軸方向において早期に供給した場合、摩擦によって発生する熱量は、軸方向に後で材料を供給した場合よりも大きいからである。
供給すべき材料流はまた必要に応じ予熱することができ、他方例えば必要に応じ一つの材料流だけを予熱することもできる。また必要に応じ材料を供給する場所を冷却し、押出し機の内部の材料の温度を調節することができる。
図２は本発明の他の押出し機の詳細を示す模式的断面図である。この押出し機は内側のステーター１と外側のステーター２、並びにそれらの間に位置する円錐形の中間的なステーター１１を具備している。内側のステーター１と中間のステーター１１のとの間に回転し得る内側のローター３ａがある。中間的なステーター１１および外側のステーター２の間には、回転し得るローター３ｂがある。図２はまた内側のローター３ａおよび外側のローター３ｂの内側および外側の表面に取り付けられたネジ山が示されている。このネジ山の目的は、ローター３ａが回転する際押出すべき材料を押出し機のノズルの部分に輸送することである。内側のローター３ａの内側の溝孔１２は、内側のローター３ａの外側の溝孔１３よりも断面積が大きい。従ってこの押出し機で得られる最終製品のステーター１の側の壁の部分は、内側のローター３ａと中間のステーター１１との間で押出された区域よりも僅かに厚い。これに対応して、外側のローター３ｂの内側の溝孔１４は外側のローター３ｂの外側の溝孔１５よりも断面積が小さい。従って最終製品の壁の最も外側の部分は、外側のローター３ｂと中間のステーター１１との間で押出された部分よりも僅かに厚い。
図３ａは図２の装置でつくられた製品の可部の一部を模式的に示す。この製品は例えばプラスティックスのパイプ、ケーブルの被覆、フィルムまたは他の簡単な製品であことができる。明瞭に示すために、図３ａおよび図３ｂの両方において壁は水平に見たように表示されている。さらに図３ａおよび図３ｂでは、最終製品における異った部分の厚さの割合は強調されている。従って図２の装置を用い、図３ａに示されている最も低い部分１２’および最も高い部分１５’がその間にある部分１３’および１４’よりも厚い製品を押出すことができる。最も低い部分１２’は溝孔１２に沿って内側のローター３ａと内側のステーター１との間に供給された材料からつくられ、従って層１３’、１４’および１５’は対応する溝孔１３、１４および１５に沿って供給されたものである。内側のローター３ａおよび外側のローター３ｂの位置は容易に変えることができる。内側のローター３ａをさらに外側に置き、外側のローター３ｂをさらに内側に置くことにより、３ｂに示されるような製品を押出すことができる。このような場合、最も小さい断面をもった溝孔１３および１４は、溝孔１３が外側のステーター２に対峙しており、これに対応して溝孔１４が内側のステーター１に対峙して配置されるように押出し機の中に位置しているから、対応する方法で得られる図３ｂの最も上の層１３’および最も下の層１４は最も薄く、最も厚い層１２’および１５’は層１３’および１４’の間に位置している。従ってローター３ａおよびローター３ｂの位置を変えることは、図１に示した方法の他に、得られる最終製品の性質を変えるためのパラメータをもう一つ与えることとなる。
最終製品の異った部分の厚さの割合は、供給される材料流の量によって調節することができる。例えば図２のローター３ａの溝孔１２および１３が充填されている側の各々に多量の材料を供給すると、層の厚さの割合は実験によれば例えば約１：４になることが見出される。また例えば通常よりも少ない量の材料を小さい方の溝孔１３の側に供給すると、換言すれば少ない供給量を用いると、壁の厚さに対し約１：１０の比が得られる。大きい方の溝孔１２の側に少量の材料を供給し、小さい方の溝孔１３の側に十分量の材料を供給するか材料の強制供給を行った場合も同様な効果が得られ、最終的に製品の壁の厚さの比は約１：１になる。
本発明の装置を用いれば層の厚さの割合を上記のように調節することが可能である。何故なら、製品全体の壁厚を一定に保つ工具を使用し始める前に、ローターおよびローターの端付近の区域で異った材料層が近づくからである。従来法においては、例えば２台の押出し機を相前後して配置する方法で多層製品を押出す。この場合異った層は、一緒にする前にこれを長い通路に通さなければならない。従って本発明になるような壁厚の変動の調節は行うことはできない。何故ならば層を厚くするために多量の材料を長い予備通路に通して押出すと、大きな圧力損失が起こるので摩擦によって多量の熱が発生するからである。他方押出し機が２個のローターを含む図２の場合には、層の厚さの調節が可能なために、最も離れたローターの端から問題の材料層の厚さの１００倍よりは短い距離にある境界面において、４つの異った材料流はすべて一緒になる。
図４はローターの回転速度Ｎｒの関数として供給すべき材料の温度ＴＭを模式的に示している。曲線Ａは供給スクリューの速度Ｎｆが２０ｒｐｍの場合を示す。また曲線Ｂは供給スクリューの速度Ｎｆが４０ｒｐｍの場合を示している。破線は、ローターの回転速度Ｎｒを調節することにより添付図面に従って到達し得る温度が例えば２１５℃であることを示しており、この図は、供給スクリューの速度Ｎｆが例えば２０ｒｐｍの時ローターの回転速度Ｎｒが１１ｒｐｍで上記温度が得られることを示している。これに対応して供給スクリューの速度Ｎｆが４０ｒｐｍの時、ローターの回転速度Ｎｒが１５ｒｐｍで同じ温度が得られる。
図５は供給スクリューの回転速度の関数としての押出し機の収率Ｑを示している。上方の曲線Ｃはローターの回転速度Ｎｒが２０ｒｐｍの場合を示す。これに対応して下方の曲線Ｄは回転速度Ｎｒが１０ｒｐｍの場合を示している。収率Ｑは供給スクリューの回転速度Ｎｆを調節することにより調節することができる。しかし供給スクリューの回転速度Ｎｆが増加すると、収率曲線は或は段階で飽和値に達する。この飽和はローターの回転速度Ｎｒが小さいほど速く起こる。図４および５に示した数値は単に例示のための値があり、それぞれの場合で変わることができる。
図６は押出し機の加工窓（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）、即ち押出し機の収率の調節可能な範囲、を模式的に示す。区域Ａはノズルの対抗圧力の関数として本発明の押出し機の収率Ｑを表している。この対抗圧力が上昇するにつれ、収率は典型的には僅かに減少する。区域Ａはまた供給量に関する本発明の押出し機の収率６の調節区域、即ち加工窓を示している。これに対応して区域Ｂは従来の円筒形の押出し機の加工窓を示している。工程の操作点Ｑ_pはノズルの圧力Ｐ_Dと区域Ａとが交叉する所にある。従って本発明の押出し機の加工窓は従来の押出し機の加工窓よりも幅が広い。
添付図面およびそれに関連する説明は、本発明の概念を例示するためのものに過ぎない。本発明の詳細点は添付特許請求の範囲の中で変えることができる。即ち２個のローターが存在し、従って得られる最終製品は当然数層から成るものであることもできる。このような場合、ローターの場所を変えるとさらに別の同等代替物が得られる。またローターの外側および内側に備えられた溝孔は或るローターでは断面が等しいこともできるが、ローターの位置を変化することによる利点を得るためには、これらの溝孔は少なくとも一つのローターが他のローターに比べ異っているか、または異った順序で配置されていることができる。
外側のステーター２は必要に応じ回転するようにすることができる。溝孔１２〜１５は、ローターに取り付けないで、またはローターに取り付ける以外に、ステーターに取り付けることができる。特に高分子量材料を加工する場合、溝孔はローターおよびステーターの両方に備えられていることが好ましい。この場合ローターはステーターに比べほぼ２倍の大きさの溝孔を備えていることが特に好適である。また少なくとも部分的に容積が減少している供給間隙に材料を供給し、装置の収率と調節性を改善するすることが好ましい。
粘度が高い材料に関しては、滞在時間を短くし、従って材料の温度を低下させるために、ステーターの溝孔の勾配はローターの溝孔の勾配よりも大きいことが好ましい。そうでない場合にはステーターの溝孔の勾配を小さくすることが好ましい。それぞれの場合、ローターおよびステーターの全長に沿って溝孔が配置されている時には、同じ供給間隙の異った側に備えられたローターおよびステーターの中で溝孔は異った長さをもっている。また溝孔のスクリューの凹部の長さおよび勾配はローターの異った側で互いに異っていることができる。

Claims (11)

1. 回転可能なローター（３、３ａ、３ｂ）とステーター（１、２、１１）とが半径方向に交互に配置され、前記ローターとステーターとの間に円錐形の供給間隙を少なくとも２個有する押出し機の中に押出すべき材料を供給し、押出すべき材料を供給導管（６、７）を通して各供給間隙に別々に供給する押出し製品の製造法において、各々の供給導管（６、７）中の材料流を別々に調節し、ローター（３、３ａ、３ｂ）回転速度を調節し、供給導管（６、７）中の材料流の量およびローター（３、３ａ、３ｂ）の回転速度を調節することにより押出すべき材料の温度を調節することを特徴とする方法。
2. 供給する材料流を一定に保つことにより押出し機の収率を一定に保ちローター（３、３ａ、３ｂ）の回転速度を調節することにより押出すべき材料の温度を調節することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 少なくとも一つの材料流をそれが押出し機に供給される際に冷却することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 押出し機は少なくとも二つのローター（３、３ａ、３ｂ）を具備し、該ローターの両側にはスクリュー形の溝孔（１２、１３、１４、１５）が備えられ、少なくとも一つのローター（３、３ａ、３ｂ）の少なくとも一組にスクリュー形の溝孔（１２、１３、１４、１５）は他のローター（３、３ａ、３ｂ）のスクリュー形の溝孔（１２、１３、１４、１５）とは異なった断面を有し、ローター（３、３ａ、３ｂ）の位置は互いに変えることができ、ローター（３、３ａ、３ｂ）の位置を変えることにより押出される製品の性質を調節することができることを特徴とする請求項１〜３記載の方法。
5. 製品は少なくとも２種の異った層を含み、押出される異った材料層は、製品全体の壁の厚さを一定にする工具を使用する前に、ローター（３、３ａ、３ｂ）の先端において一緒にされ、このようにして異った層の厚さの割合を調節することができることを特徴とする押出し製品を同時押出しする請求項１〜４記載の方法。
6. 押出し機は少なくとも二つの円錐形のローター（３、３ａ、３ｂ）を具備し、各ローター（３、３ａ、３ｂ）の先端から材料の層が合わされる場所まで材料が移動する距離は、それらの材料の層の厚さの１００倍より短いことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 回転可能なローター（３、３ａ、３ｂ）とステーター（１、２、１１）とが半径方向に交互に配置され、前記ローターとステーターとの間に円錐形の供給間隙を少なくとも２個有する押出し機であって、押出すべき材料を別々に各供給間隙へ供給するための少なくとも２個の供給導管（６、７）、および該供給導管（６、７）に沿って材料を供給する供給装置（９、１０）を具備する押出し機において、各供給導管（６、７）には該供給導管（６、７）を介して供給される材料流を調節するための別々に調節し得る供給装置（９、１０）が備えられ、該押出し機はローター（３、３ａ、３ｂ）の回転速度を調節するための装置を具備し、供給導管（６、７）中の材料流の量およびローター（３、３ａ、３ｂ）の回転速度を調節することにより材料の温度を調節できることを特徴とする押出し機。
8. ローター（３、３ａ、３ｂ）はその両側にスクリュー形の溝孔（１２〜１５）を含み、スクリュー形の溝孔（１２〜１５）の長さはローターの異った側では異っていることを特徴とする請求項７記載の押出し機。
9. ローター（３、３ａ、３ｂ）およびステーター（１、２、１１）の両方は少なくとも材料の供給区域の近くにある溝孔（１２〜１５）を具備し、ローター（３、３ａ、３ｂ）における溝孔の勾配の方がステーター（１、２、１１）における溝孔の勾配より大きいことを特徴とする請求項７または８記載の押出し機。
10. 押出し機は軸方向において数個の供給導管（６、７）および供給装置（９，１０）を具備していることを特徴とする請求項７〜９記載の押出し機。
11. 該押出し機は少なくとも二つのローター（３、３ａ、３ｂ）を具備し、該ローターの両側にはスクリュー形の溝孔（１２、１３、１４，１５）が備えられ、少なくとも一つのローター（３、３ａ、３ｂ）の少なくとも一組のスクリュー形の溝孔（１２、１３、１４、１５）は他のローター（３、３ａ、３ｂ）のスクリュー形の溝孔（１２、１３、１４、１５）とは異った断面を有し、ローター（３、３ａ、３ｂ）の位置は互いに変えることができることを特徴とする請求項７〜１０記載の押出し機。

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