JP4001596B2 - シリンダホッパ - Google Patents

Description

本発明は、フィルム粉砕品を安定的に二軸スクリュ式押出機に供給するシリンダホッパに関するものである。なお、本発明において、「上流側」とは二軸スクリュ式押出機の原料の供給側を指し、「下流側」とは製造された溶融樹脂が吐出される側を指すものとする。

一般に、プラスチックスの成形時に発生する不良品及び製品残材、あるいは回収製品の再生処理の一方法として、スクリュ式混練押出機により溶融混練して再生する処理が行われている。スクリュ式混練押出機による再生処理の場合、プラスチックスは粉砕された後、粉砕原料として供給されている。

プラスチックスがフィルムの場合、一般に粉砕原料はその形状が不揃いで一定せず、また、原料の粉砕片間に大きな空間が生じて多量の空気を含むため、嵩密度が０．０２ｇ／ｃｃ〜０．２ｇ／ｃｃと非常に小さい。このような粉砕原料をそのままスクリュ式混練押出機に供給すると、原料供給装置内でブリッジ現象を起こし、スクリュへの食い込みが悪く、不安定な運転になるとともに処理効率が非常に低くなってしまう。

このような嵩密度が小さく形状の不揃いな粉砕原料のブリッジ現象の解消及び食い込み性を改善するため、二軸スクリュ式押出機において、図３および図４に示すようなシリンダホッパが提案されている。

図３（ａ）は、従来の二軸スクリュ式押出機の構成を示す模式図であり、図３（ｂ）はシリンダホッパの側断面図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）に示すＡ−Ａ方向の矢視断面図である。

二軸スクリュ式押出機１００は、フィルム粉砕品等の原料を供給するホッパ１０１と、スクリュ１２１が回転可能に収納されたシリンダ１０２と、ホッパ１０１から供給された原料をシリンダ１０２内に供給するシリンダホッパ１５０と、ホッパ１０１からシリンダホッパ１５０へと原料を供給するシュート１０３と、シリンダ１０２内のスクリュ１２１を回転駆動させるスクリュ駆動装置１０４とを有する。

図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、シリンダホッパ１５０には、スクリュ１２１が挿入されるシリンダ内孔１２２が形成され、シリンダホッパの上部には、シリンダ内孔１２２に連通する原料供給口１２３が形成されている。

図３（ｂ）に示すように、シリンダホッパ１５０の下流側壁１５０ｃの下部には、原料供給口１２３の下流側内壁面１２５から下流側に向けてアンダーカット１２７が形成されている。原料供給口１２３の上流側内壁面１２８からアンダーカット１２７の終了位置までが開口部１２９となる。原料の輸送方向の寸法ｌ、スクリュの外径寸法Ｄで示された原料供給口１２３の開口寸法比としては、この従来例では、ｌ／Ｄ＝２．０である。また、原料の輸送方向の寸法Ｌ、スクリュの外径寸法Ｄで示された開口部１２９の開口寸法比は、Ｌ／Ｄ＝２．５である。また、図３（ｃ）に示すように、原料供給口１２３のスクリュ回転側壁面のシリンダ内孔１２２近傍には、サイドカット１３０が形成されている。

アンダーカット１２７およびサイドカット１３０は、供給された原料を短時間でスクリュ１２１に巻き込ませるためのものである。アンダーダカット１２７は、原料の進行方向への食い込みを円滑に行わせるよう、進行方向に向けて断面積が小さくなっていく形状とされている。サイドカット１３０は、スクリュ回転方向の食い込みを円滑に行わせるようスクリュ１２１の回転方向に対して開口面積が小さくなっていく形状とされている。

このように構成された二軸スクリュ式押出機１００において、ホッパ１０１からシュート１０３へ供給された原料であるフィルム粉砕品は、シュート１０３内から原料供給口１２３を経てシリンダ１０２内へ強制的に供給される。シリンダ１０２内において、原料は、回転するスクリュ１２１に食い込み、下流方向へ輸送されながら溶融混練される。

図４に二軸スクリュ式押出機のシリンダホッパの他の従来例を示す（特許文献１参照）。

図４（ａ）は、従来の他の二軸スクリュ式押出機の構成を示す模式図であり、図４（ｂ）はそのシリンダホッパの側断面図であり、図４（ｃ）は図４（ｂ）に示すＢ−Ｂ方向の矢視断面図である。

図４（ｂ）に示すように、シリンダホッパ２５０には、スクリュ２３１が挿入されるシリンダ内孔２３２が形成され、シリンダホッパ２５０の上部には、シリンダ内孔２３２に連通する原料供給口２３９が形成されている原料供給部２３４が取り付けられている。

原料供給部２３４には、原料供給口２３９の下流側内壁面２３５から下流側に向けてシリンダ内孔２３２の上方に空所２３６が形成されており、また、この空所２３６の下流側には原料の食い込み特性を向上させるためアンダーカット２３７が形成されている。なお、空所２３６とは、スクリュ２３１の回転軸に平行な壁面２３６ａとスクリュ２３１とで囲まれた空間であり、アンダーカット２３７によって形成されたアンダーカット面２３７ａとスクリュ２３１とで囲まれた空間は含まない。この原料供給部２３４において、原料供給口２３９の上流側内壁面２３８からアンダーカット２３７の先端までが開口部２３３となる。

原料供給口２２３の開口寸法比は、この従来例においては、ｌ／Ｄ＝３．０であり、開口部２２９の開口寸法比は、開口部２２９の開口寸法比についてはＬ／Ｄ＝２．５〜８．０の範囲内で設定され、本例ではＬ／Ｄ＝４．７である。また、図４（ｃ）に示すように、開口部２３３のスクリュ回転側壁面のシリンダ内孔２３２近傍に、図３（ｂ）に示すシリンダホッパ１５０と同様にサイドカット２４０が形成されている。

図４（ｂ）に示すシリンダホッパ２５０は、図３（ｂ）に示すシリンダホッパ１５０に対して開口部２３３のＬ／Ｄを特に大きくしたことによりスクリュ下部２３１ｂへの原料の巻き込みが良好となっている。
特開２００２−３０７５２５号公報

しかしながら、図４（ｂ）に示すシリンダホッパ２５０の場合、開口部２３３のＬ／Ｄを大きくしてはいるものの、原料供給口２３９のｌ／Ｄについてはそれほど拡大していない構成であるため下流側内壁面２３５からアンダーカット２３７の開始位置までの間に空所２３６が形成されている。すなわち、空所２３６の分だけ原料供給口２３９の開口面積が小さくなるので、嵩比重が小さいフィルム粉砕品を原料とする場合、食い込み能力が低減してしまう。また、スクリュ２３１の回転軸とアンダーカット面２３７ａとの間の角度がα＝１５°〜３０°で形成されているため、食い込み量も制限されていた。

処理量の低下を補うため、スクリュ回転速度を上げて対処しようとすると原料の温度上昇により原料が黄変してしまう場合があるため、単純に回転数を上げて対処することもできない。

また、原料の黄変を避けるため、スクリュの回転数を下げると、嵩比重が小さいフィルム粉砕品の場合、供給した側へと押し戻されてしまうフィードネック現象が発生しやすくなる。

以上のように、嵩比重が小さいフィルム粉砕品の処理においては、二軸スクリュ式押出機の回転数の運転範囲が狭くなってしまうという問題があった。

さらには、薄いフィルムを粉砕したフィルム粉砕品を原料とする場合、フィルム粉砕品形状は、厚みが薄く、大きさが不均一であるため、原料供給部２３３にて、シリンダ熱、蒸気による熱をもらい受けると、原料がその熱により軟化し、スクリュ２３１がないところでは原料供給部２３４に付着軟化し、供給に支障を来たしていた。

以上の課題を解決するために、原料供給部部材２３４を用いなくすると、原料供給口２３９のＬ／Ｄを大きくすることはできるが、アンダーカット２３７が無くなるため原料の円滑な食い込みができなくなり、結局、食い込み能力が低下することとなる。

そこで、本発明は、フィルム粉砕品を溶融混練するスクリュ式混練押出機の処理能力を向上させることが可能なシリンダホッパを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のシリンダホッパは、２本のスクリュを並列、かつ回転可能に収納しているシリンダ内孔が形成されたシリンダを有する二軸スクリュ式混練押出機のシリンダ内孔に、樹脂フィルムを粉砕して形成されたフィルム粉砕品を原料としてシリンダ内孔に連通する連通口および開口部を介して供給するシリンダホッパにおいて、下部にアンダーカットが形成された下流側段部が連通口内に突出して形成されており、原料供給口が形成された原料供給部が、原料供給部の下流側壁の下端部と、下流側段部の頂部とが合致するようにして、連通口内に装着されており、原料の輸送方向の寸法をｌ、スクリュの外径寸法をＤとしたとき、原料供給口の開口寸法比がｌ／Ｄ＝４．０〜９．５の範囲内であることを特徴とする。

上記の通り本発明のシリンダホッパは、原料供給部の下流側壁の下端部と下流側段部の頂部とが合致するようにして、原料供給部が連通口内に装着している。すなわち、原料供給部は、従来において原料供給部とシリンダ内孔との間に形成されていた空所が形成されることがないように、原料供給口を下流側段部の頂部にまで拡大している。これにより、嵩比重が小さいフィルム粉砕品を原料とする場合であっても、食い込み能力が低減してしまうのを防止することができる。

このように本発明のシリンダホッパは、原料を良好に食い込ませることができるので、スクリュの回転数を上げることなく原料の処理能力を向上させることができる。また、低速で回転するスクリュにより原料を溶融混練するため、樹脂温度の上昇による樹脂の黄変を防止できる。さらに、本発明のシリンダホッパは、良好な食い込みを実現できるため、スクリュを低回転で運転させてもフィードネックを発生させにくいものとなっている。

また、本発明のシリンダホッパは、原料の輸送方向の寸法をｌ、スクリュの外径寸法をＤとしたとき、原料供給口の開口寸法比がｌ／Ｄ＝４．０〜９．５の範囲内となるように設定されている。ｌ／Ｄが４．０以下であると、食い込み能力が低減してしまい、９．５以上とするとスクリュ全体長も長くする必要があり、スクリュ振れが発生する恐れがある。また、コストアップの問題も生じてしまうためである。

また、本発明のシリンダホッパは、原料供給部の原料供給口の外周を形成する壁内に、冷媒を流すための流路が形成されているものであってもよい。この場合、原料供給部の壁面に接触したフィルム粉砕品が軟化することがない。これにより、従来、シュートからの原料供給に支障を来していた、軟化したフィルム粉砕品の原料供給口への付着による実質的な開口面積の減少も抑制することができる。

また、本発明のシリンダホッパは、下流側段部のシリンダ内孔に面するアンダーカット面と、スクリュの回転軸との間の角度βは、１５°以下とすると原料の食い込みが制限されてしまい、５０°より大きいと単なる壁となってしまい原料を食い込ませることができなくなるため、１５°より大きく、かつ５０°以下の範囲内とするのが好ましい。

本発明のシリンダホッパによれば、嵩比重が小さいフィルム粉砕品を原料とする場合においても、原料を良好に食い込ませることができる。すなわち、本発明のシリンダホッパにより原料供給能力が向上することでフィルム粉砕品を溶融混練するスクリュ式混練押出機の処理能力を向上させることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に本実施形態の二軸スクリュ式押出機の構成図を示す。また、図２に本実施形態の二軸スクリュ式押出機に適用されるシリンダホッパの模式図を示す。図２（ａ）はシリンダホッパの一例の側断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＣ−Ｃ方向の矢視断面図であり、図２（ｃ）はシリンダホッパの上面図である。なお、図２（ｃ）ではスクリュ１は省略している。

なお、以下の説明において、「上流側」とは二軸スクリュ式押出機５０の原料の供給側（図１、図２（ａ）、図２（ｃ）においては左側）を指し、「下流側」とは製造された溶融樹脂が吐出される側（図１、図２（ａ）、図２（ｃ）においては右側）を指すものとする。

二軸スクリュ式押出機５０は、樹脂フィルムを粉砕して形成されたフィルム粉砕品等の原料を供給するホッパ５１と、２本の並列に配置されたスクリュ１が回転可能に収納されたシリンダ５２と、ホッパ５１から供給された原料をシリンダ５２内に供給するシリンダホッパ２０と、ホッパ５１からシリンダホッパ２０へと原料を供給するシュート５３と、シリンダ５２内のスクリュ１を回転駆動させるスクリュ駆動装置５５とを有する。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、シリンダホッパ２０には、並列に配置された２本のスクリュ１が回転可能に収納されているシリンダ内孔２が形成されている。また、このシリンダ内孔２の上部には、シュート５３とシリンダ内孔２を連通させるための連通口２０Ｄが形成されており、後述する原料供給部４を装着するための装着部２０ｃとして連通口２０Ｄ内に突出した上流側段部２０ａおよび下流側段部２０ｂが設けられている。下流側段部２０ｂの下部はアンダーカット加工されており、このアンダーカット７を形成する、すなわち、シリンダ内孔２に面するアンダーカット面７ａとスクリュ１の回転軸との間の角度βは１５°より大きく、かつ５０°以下の範囲内で形成されている。角度βを１５°以下とすると原料の食い込みが制限されてしまい、５０°より大きいと単なる壁となってしまい原料を食い込ませることができなくなるためである。また、下流側段部２０ｂの下部をアンダーカット加工することで、アンダーカット面７ａと、原料供給部４の下流側壁４ｃが当接する面との間には鋭角的な角部となる頂部２０ｂ₁が形成されている。

連通口２０Ｄ内の装着部２０ｃに装着された原料供給部４には、輸送方向側面４ａ、上流側壁４ｂ、下流側壁４ｃを外周壁とした矩形状の原料供給口９が形成されている。原料供給部４はシリンダホッパ２０に形成された上流側段部２０ａおよび下流側段部２０ｂの上面で位置決めされて装着部２０ｃに装着されている。

原料供給部４の上流側壁４ｂは上流側段部２０ａの側面に沿って嵌入されている。また、原料供給部４の下流側壁４ｃは、下流側壁４ｃの内面４ｃ₂が下流側段部２０ｂに形成されたアンダーカット面７ａと連続面を形成するように、下流側壁４ｃの下端部４ｃ₁を下流側段部２０ｂの頂部２０ｂ₁に対して合致させている。このような構成とすることでシリンダホッパ２０に原料供給部４を装着しても、図４（ｂ）の従来例に示すような空所２３６が形成されることがない。

原料供給口９は、図２中、原料の輸送方向の寸法ｌで示された、シリンダホッパ２０を真上から見たときスクリュ１が見える開口を指す。原料供給口９の開口寸法比は、スクリュ１の外径寸法をＤとしたとき、ｌ／Ｄ＝４．０〜９．５とするのが好適である。

また、本実施形態において、開口部３とは、原料輸送方向の寸法Ｌが原料供給部４の上流側壁４ｂの壁面からアンダーカット７までとなる開口を指す。

原料供給部４にはシリンダホッパ２０からの伝熱による温度上昇を防止するための冷却機構として、輸送方向側面４ａ内には原料の輸送方向に略平行に形成された流路１６が形成されている。各輸送方向側面４ａ内に形成された各流路１６にはそれぞれ、冷媒としての冷却水を流入させるジャケット入口１４、流出させるジャケット出口１５が形成されている。本実施形態の場合、各流路１６内を流れる冷却水の流れ方向が互いに対向するようにそれぞれのジャケット入口１４およびジャケット出口１５を設けている例を示しているがこれに限定されるものではない。また、冷媒としては、冷却水のみならず、空気、油、その他、一般に冷媒として用いられる流体であってもよい。また、流路１６は、輸送方向側面４ａ内のみでなく、上流側壁４ｂ、下流側壁４ｃ内に形成されているものであってもよい。さらに、これら各流路は互いに繋がり一本の流路を形成する構成としてもよい。

また、ジャケット入口１４を介して流路１６内へと供給される冷却水の流量および温度は、不図示のポンプおよび温度制御手段を備えた制御手段５４により制御される。温度制御手段は、加熱部および放熱部を有するものであってもよい。なお、制御手段５４は、ポンプの流量を制御することで温度制御を行うものであってもよく、この場合、温度制御手段を備えないものであってもよい。

また、原料供給部４のスクリュ回転側壁面のシリンダ内孔２近傍には、図２（ｂ）に示すように、サイドカット１０が形成されている。

次に、本実施形態の二軸スクリュ式押出機におけるフィルム粉砕品の溶融混練について説明する。

まず、ホッパ５１からシュート５３へ供給された原料であるフィルム粉砕品は、シュート５３内から原料供給口９へと供給される。次に、原料供給口９へと供給されたフィルム粉砕品は、下流側段部２０ｂ下部のアンダーカット７およびサイドカット１０により案内されながら、回転するスクリュ１へと供給される。

本実施形態の場合、原料供給部４の下流側壁４ｃの下端部４ｃ₁を下流側段部２０ｂの頂部２０ｂ₁に対して合致させている。このような構成とすることで特許文献１に見られる空所（図４（ｂ）参照）をなくし、原料供給口９の開口寸法比をｌ／Ｄ＝４．０〜９．５としている。また、スクリュ１とアンダーカット面７ａとの間の角度βは、１５°より大きく、かつ５０°以下の範囲内に設定されている。

スクリュ１の上側および下側とシリンダ内孔２との間隙である上側間隙１ａおよび下側間隙１ｂにおける原料の輸送量が上側間隙１ａ≧下側間隙１ｂの充満状態の場合、スクリュ１への食い込み能力がなくなってしまうこととなるが、本実施形態の場合、空所をなくして開口面積を拡大するとともにアンダーカット角を好適な範囲内に設定したことで常に上側間隙１ａ＜下側間隙１ｂの飢餓状態の関係とすることができ、よって良好な食い込みを実現することができる。

上述のようにしてシリンダ５２内に供給されたフィルム粉砕品は、回転する２本のスクリュ１により溶融混練されながら下流方向へ輸送される。

以上のように、原料供給部４を備えた本実施形態のシリンダホッパ２０は、原料を良好に食い込ませることができるので、スクリュ１の回転数を上げることなく原料の処理能力を向上させることができる。そして、低回転のスクリュ１により原料を溶融混練するため、樹脂温度の上昇による樹脂の黄変を防止できる。さらに、原料供給部４を備えた本実施形態のシリンダホッパ２０は、良好な食い込みを実現できるため、スクリュ１を低回転で運転させてもフィードネックを発生させにくいものとなっている。

また、原料供給部４は冷却水により適度な温度に制御されているので、原料供給部４の壁面に接触したフィルム粉砕品が軟化することがない。これにより、従来、シュートからの原料供給に支障を来していた、軟化したフィルム粉砕品の原料供給口９への付着による実質的な開口面積の減少も抑制することができる。

さらには、本実施形態のシリンダホッパ２０は、嵩比重の小さいフィルム粉砕品に対応可能であることより、フィルム粉砕品よりも嵩比重の大きいペレットにも対応可能である。このため、本実施形態のシリンダホッパ２０を用いることで原料の種類に応じてシリンダホッパを複数用意する必要がない。
（実施例）
本発明のシリンダホッパを用いた場合と、従来のシリンダホッパを用いた場合とにおける、フィルム粉砕品を原料とした場合の二軸スクリュ式押出機による溶融樹脂の製造能力の比較試験を行った。すなわち、同量の溶融樹脂を吐出させるのに要するスクリュの回転数およびその際の樹脂温度の測定を行った。

比較結果を表１に示す。

表１の、従来シリンダホッパ１は図３に示した、原料供給部を備えていないタイプのシリンダホッパであり、また、従来シリンダホッパ２は図４に示した、空所が形成されている原料供給部を備えたタイプのシリンダホッパである。

本発明の原料供給口の開口寸法は、原料の輸送方向の寸法をｌ、スクリュ１の外径寸法をＤとしたとき、ｌ／Ｄ＝５．０であり、従来シリンダホッパ１のｌ／Ｄ＝２．０、従来シリンダホッパ２のｌ／Ｄ＝３．０よりも大きくしている。

また、本発明の開口部の開口寸法は、Ｌ／Ｄ＝７．０であり、従来シリンダホッパ１のＬ／Ｄ＝２．５、従来シリンダホッパ２のＬ／Ｄ＝４．７よりも大きくしている。

なお、各シリンダホッパのアンダーカット面とスクリュとの間の角度はいずれも３０°である。

以上の各シリンダホッパを用いた二軸スクリュ式押出機の、嵩密度が０．０２ｇ／ｃｃ〜０．０５ｇ／ｃｃのフィルム粉砕品を原料とする溶融樹脂の製造能力の比較試験を行った。

その結果、本発明のシリンダホッパは、スクリュの回転数を９０ｒｐｍまで落としても吐出量２００ｋｇ／ｈの溶融樹脂を製造することができ、同じ吐出量とするために２９０ｒｐｍで運転しなければならない従来シリンダホッパ１の回転数に比べて、その回転数を１／３以下とすることができた。なお、従来シリンダホッパ１は、２９０ｒｐｍ以下とするとフィードネックにより原料の安定供給ができなくなった。また、従来シリンダホッパ２も１２５ｒｐｍまで回転数を落として試験を行ったところ、この回転数ではフィードネックにより原料の安定供給ができなくなった。

吐出量２００ｋｇ／ｈとした場合、樹脂温度は、従来シリンダホッパ１が２８５℃、従来シリンダホッパ２が２５５℃まで上昇した。一方、本発明のシリンダホッパは、冷却機構を備えているため、２４５〜２５０℃までしか上昇しなかった。また、本発明のシリンダホッパを用いると、吐出量３００ｋｇ／ｈを得るためにスクリュの回転数を１８５ｒｐｍまで上げても樹脂温度は２６５℃までしか上昇せず、フィードネックを起こすことなく原料を安定供給することができた。

本発明の二軸スクリュ式押出機の一例の構成図である。 本発明のシリンダホッパの一例の断面図である。 従来の二軸スクリュ式押出機の一例の構成図およびシリンダホッパの一例の断面図である。 従来の二軸スクリュ式押出機の他の例の構成図およびシリンダホッパの他の例の断面図である。

符号の説明

１ スクリュ
１ａ 上側間隙
１ｂ 下側間隙
２ シリンダ内孔
３ 開口部
４ 原料供給部
４ａ 輸送方向側面
４ｂ 上流側壁
４ｃ 下流側壁
４ｃ₁ 下端部
４ｃ₂ 内面
７ アンダーカット
７ａ アンダーカット面
９ 原料供給口
１０ サイドカット
１４ ジャケット入口
１５ ジャケット出口
１６ 流路
２０ シリンダホッパ
２０ａ 上流側段部
２０ｂ 下流側段部
２０ｂ₁ 頂部
２０ｃ 装着部
３４ 原料供給部
５０ 二軸スクリュ式押出機
５１ ホッパ
５２ シリンダ
５３ シュート
５４ 制御手段
５５ スクリュ駆動装置

Claims (3)

1. ２本のスクリュを並列、かつ回転可能に収納しているシリンダ内孔が形成されたシリンダを有する二軸スクリュ式混練押出機の前記シリンダ内孔に、樹脂フィルムを粉砕して形成されたフィルム粉砕品を原料として前記シリンダ内孔に連通する連通口および開口部を介して供給するシリンダホッパにおいて、
   下部にアンダーカット（７）が形成された下流側段部（２０ｂ）が連通口（２０Ｄ）内に突出して形成されており、原料供給口（９）が形成された原料供給部（４）が、前記原料供給部（４）の下流側壁（４ｃ）の下端部（４ｃ₁）と、前記下流側段部（２０ｂ）の頂部（２０ｂ₁）とが合致するようにして、前記連通口（２０Ｄ）内に装着されており、
   前記原料の輸送方向の寸法をｌ、前記スクリュ（１）の外径寸法をＤとしたとき、前記原料供給口（９）の開口寸法比がｌ／Ｄ＝４．０〜９．５の範囲内であることを特徴とするシリンダホッパ。
2. 前記原料供給部（４）の前記原料供給口（９）の外周を形成する壁内に、冷媒を流すための流路（１６）が形成されている、請求項１に記載のシリンダホッパ。
3. 前記下流側段部（２０ｂ）のシリンダ内孔（２）に面するアンダーカット面（７ａ）と、前記スクリュ（１）の回転軸との間の角度（β）は、１５°より大きく、かつ５０°以下の範囲内である、請求項１または２に記載のシリンダホッパ。

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