JP6308907B2 - 連続混練機 - Google Patents
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Description
連続混練機では、上述したバレルの長手方向の一方側に高分子樹脂のペレットや粉状の添加物などの材料を供給するフィード部が設けられており、フィード部に供給された材料は長手方向の中途側に設けられた混練部に送られる。混練部では、一対の混練ロータ間で材料にせん断力を付与しながら混練が行われ、混練後の材料は長手方向の他方側に設けられた絞り部(混練度調整部)に送られる。絞り部では材料の内圧が高められる。
特許文献1や特許文献2の如き、排出部に2条や3条の排出翼を用いた連続混練機で混練を行うと、排出部に材料が必要以上に滞留して、排出部から材料がスムーズに排出されなくなることが起こりやすいことが現場の実績として分かっている。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、排出部で材料の排出をスムーズに行うことができるようにして、良好な混練品質で混練を行うことができる連続混練機を提供することを目的とする。
即ち、本発明の連続混練機は、内部が空洞とされたバレルと、当該バレルに収容された一対の混練ロータとを備え、これら一対の混練ロータが異なる回転方向に向かって噛み合い状態で回転する連続混練機であって、前記バレル内には、前記混練ロータの軸方向に沿って、材料を供給するフィード部、材料を混練する混練部、混練された材料をバレル外に排出する排出部が順に設けられており、前記排出部に位置する混練ロータが、周方向に少なくとも1条の排出翼を備えていることを特徴とする。
なお、好ましくは、前記回転位相差は、一対の排出翼同士が干渉し合う位相差より大きい角度であって、且つ90°より小さい値とされているとよい。
なお、好ましくは、前記バレルの内径(バレル内周の半径)をrbとした場合に、前記排出翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径ra(混練ロータの外周の最大半径)が、0.985rbより小さくされているとよい。
なお、好ましくは、前記排出部に位置する混練ロータにおける、前記排出翼の設置箇所とは異なる箇所には、前記バレル外への混練された材料の排出を阻害しない排出非阻害翼が少なくとも1条以上設けられており、前記排出非阻害翼は、前記バレルの内径をrbとした場合に、前記排出非阻害翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径rcが、0.95rb以下となるように形成されているとよい。
また、本発明に係る連続混練機の最も好ましい形態は、内部が空洞とされたバレルと、当該バレルに収容された一対の混練ロータとを備え、これら一対の混練ロータが異なる回転方向に向かって噛み合い状態で回転する連続混練機であって、前記バレル内には、前記混練ロータの軸方向に沿って、材料を供給するフィード部、材料を混練する混練部、混練された材料をバレル外に排出する排出部が順に設けられており、前記排出部に位置する混練ロータが、周方向に少なくとも1条の排出翼を備えており、前記排出翼の頂部の最大外径r a と、前記混練ロータの軸心間の距離Lとの間に、r a >0.5Lという関係が成立し、前記一対の混練ロータの排出翼の回転領域が重なっていると共に、前記一対の混練ロータのそれぞれに備えられた排出翼が、互いに接触せずに回転するように、前記一対の混練ロータ間の回転位相差が設定されていることを特徴とする。
図1は、本発明の連続混練機1の実施形態を示している。本実施形態の連続混練機1は、内部が空洞に形成されたバレル2と、バレル2の内部を軸心方向に沿って挿通する一対の混練ロータ3、3とを有している。連続混練機1では、一対の混練ロータ3、3は互いに異方向に向かって噛み合い状態で回転しており、一対の混練ロータ3、3間で樹脂などの材料を混練を行う構成とされている。
バレル2は軸方向に沿って長い筒状に形成されており、その内部は軸垂直方向の断面が2つの円が円周の一部同士を介して互いに重なっためがね形状の空洞となっている。バレル2は、上流側から軸方向に沿って複数の部分(図1の例では4つの部分)に分かれている。これら4つの部分は、上流側から順に、材料を供給するフィード部4、材料を混練する混練部5、材料の内圧を高める絞り部6、材料をバレル外に排出する排出部7で構成されている。
絞り部6は、混練部5のさらに下流側に配備された部分であり、混練部5に材料を滞留させて材料の混練度を調整する機能を備えている。絞り部6は、バレル2内を流通する材料の流れを遮断したり変化させたりすることができるゲート部材11を備えており、ゲート部材11で材料の流通速度を変化させることで混練度を調整できるようになっている。この絞り部6のさらに下流側、言い換えればバレル2の最も下流側には、混練された材料をバレル2の外部に排出する排出部7が設けられている。
図2は、図1の連続混練機1を排出部7の位置で切断した断面図(A−A線断面図)である。
ところで、本実施形態の連続混練機1は、排出部7に位置する混練ロータ3の排出翼14が、周方向に少なくとも1条であることを特徴としている。
なお、排出翼14の設置数は1条を基本とするが、図3(c)、図3(d)の二点鎖線で示すような、翼の反対側に突起形状のような形で混練に影響を与えない程度の短い翼形状の部分が存在していても構わない。
つまり、上述した排出翼14は、一方の混練ロータ3の排出翼14と、他方の混練ロータ3の排出翼14とが互いに接触しない程度の位相差δであって、材料の排出が最も効率良くなる位相差δをあけて回転するようになっている。この排出翼14同士の間に形成される位相差δは、一対の排出翼14が互いに干渉しない位相差δinterfere(δinterfereは翼形状により変化する、例えば57°)より大きくするとよい。特に好ましくは、総流量がバレル2の内直径(直径)Dbの3乗の0.00064倍と大きい場合には、位相差δは、δinterfere〜90°および -δinterfere〜 -90°の範囲に設定すると良く、さらにこの範囲内でもできる限りδinterfereに近い値とするのが好ましい。また、総流量がバレル2の内直径Dbの3乗の0.00032倍と小さい場合には、位相差δは、δinterfere〜180°および -δinterfere〜 -180°の範囲に設定しても良い。
図3(a)及び図3(b)に示すように、排出翼14は、円筒形状とされた混練ロータ3の外周面から径外側に向かって突出するように形成されており、軸垂直方向に沿った断面が略三角形状とされている。排出翼14は、混練ロータ3の外周面に少なくとも1条に亘って形成されていて、混練ロータ3の軸心Cの周りを螺旋を描くように捻れている。
さらに、本実施形態の連続混練機1は上述したように噛み合い型とされており、排出翼14の頂部19の最大外径raと、混練ロータ3の軸心間の距離Lとの間に、次の関係が成立する。
図4〜図6は、初期状態においてバレル2内の混練ロータ3の周囲に存在していた材料の流体が、混練ロータ3が回転するに連れて、バレル2内でどのように拡散していくかを、コンピュータシミュレーションで計算したものであり、排出部7から材料の流体がどのように排出されるかを示している。
さらに、シミュレーションに用いた設定条件は、材料の流体の総流量が単位時間当たりの質量で0.00032×(Db)3(kg/h)、または0.00064×(Db)3(kg/h)の場合であり、また材料の流体の密度が750kg/m3、さらに排出口15付近の圧力が0.25MPaで、左側の混練ロータ3が軸方向の下流側から見て時計回り、右側の混練ロータ3が反時計回りに回転するというものである。
[従来例]
図6(a)は、従来例の連続混練機において、混練開始前のバレル内での材料分散状態を示したものである。図6(a)に示すように、混練開始前のバレル内には、材料の流体を示す要素が上下方向及び左右方向に規則正しく並んでいる。具体的には、これらの要素は、混練ロータの表面近傍を除く領域に配備されており、バレルの内部で上下方向及び左右方向に等しい間隔をあけて並んでいる。
図6(b)は、混練開始後に混練ロータが20回転した場合に、材料の流体を示す各要素がバレル内のどの位置まで分散するかを分布図として示したものである。材料の流体を示す各要素は、図6(a)の状態に比べれば広範囲に分散しているものの、分散範囲はバレル内の混練ロータの周辺に限定されており、どの要素も排出部の外側に達しておらず、未だ排出が行われていないことが分かる。つまり、混練ロータが20回転した後でも、材料の排出能力に乏しい従来の連続混練機では、材料の排出が十分に行われていないことが分かる。
なお、この図6(a)〜図6(b)の結果は流量が0.00064×(Db)3(kg/h)の場合のものであるが、流量が0.00032×(Db)3(kg/h)の場合にも同様な結果が得られることを発明者は確認している。つまり、上述したように3翼の排出翼を用いた場合に材料が殆ど分散せずバレル内に停滞してしまうという結果は、流量が0.00032×(Db)3(kg/h)の場合にも0.00064×(Db)3(kg/h)の場合にも同様に得られる。
[実施例1]
図4(a)は、図6(b)と同様に実施例1(位相差が90°)の連続混練機1において、混練ロータ3が20回転した場合の材料の流体の分布状態を、材料の総流量が0.00064×(Db)3(kg/h)の場合について分布図として示したものである。図4(a)では、各要素(材料の流体)が、図6(b)の場合に比べてバレル2内で広範囲に分散しており、上述した従来例の排出翼に比べると材料を排出する能力が高いことがわかる。
れば排出方向を向いている。
また、図4(a)〜図4(c)に示す実施例1は、流量が0.00064×(Db)3(kg/h)の場合の結果であるが、流量が0.00032×(Db)3(kg/h)とされた場合(図7に示す実施例3の場合)にも同様な結果が得られることを発明者は確認している。つまり、上述した結果は0.00032×(Db)3(kg/h)または0.00064×(Db)3(kg/h)のいずれの流量についても同様に成立する。
[実施例2]
最後に、実施例2の連続混練機1での結果を説明する。
図5(c)は、右側の混練ロータ3で排出しようとする材料を左側の混練ロータ3が引き戻すといった流れが生じる場合についてのものである。この図5(c)でも、排出口15から遠い側の混練ロータ3の近傍でバレル2の外側を向く流れが材料に生じているものの、排出口15に近い側の混練ロータ3の近傍で生じるバレル2の内側を向く流れの方が強い。
なお、図5(a)〜図5(c)に示す実施例2は流量が0.00064×(Db)3(kg/h)の場合の結果であるが、流量が0.00032×(Db)3(kg/h)の場合(図7に示す実施例4の場合)には、実施例2とは異なり高い排出能力が発揮されることを発明者は確認している。つまり、位相差が180°の排出翼14を用いる場合、材料の流量が0.00064×(Db)3(kg/h)の場合には排出能力が低くくなるが、材料の流量が0.00032×(Db)3(kg/h)の場合には、高い排出能力を発揮し、両者は異なる結果となる。
一方、3翼ロータの従来例2については、累積回転数が大きくなると、充填率が93%程度まで大きくなりバレル内が材料でほぼ完全に充満していることがわかる。このことから、従来例2の排出能力は従来例1と同様に非常に小さいものと考えられる。
ところで、上述した図3(c)、図3(d)中で二点鎖線で示したように、排出翼14の反対側に突起形状のような形で混練に影響を与えない程度の短い翼形状の部分が存在していても、本願発明が有する優れた混練材料の排出性の作用効果を得ることができる。このような短い翼形状の部分は排出翼14の排出性を阻害しないものとなっており、本願明細書では排出非阻害翼20と称する。以降では、排出非阻害翼20について説明する。
図8A及び図8Bに示すように、排出非阻害翼20は、上述した排出翼14と同様に、排出部7に位置する混練ロータ3に形成されるものとなっている。具体的には、この排出非阻害翼20は、排出翼14の設置箇所とは異なる箇所に、少なくとも1条以上設けられている。この排出非阻害翼20の設置数は1翼であっても良いし、2翼以上であっても良い。なお、図8A及び図8Bでは、1条の排出翼14と1条の排出非阻害翼20とが設けられ、外観上は2条とされた連続混練機を例に挙げている。また、図9では、1条の排出翼14と2条の排出非阻害翼20とが設けられ、外観上は3条とされた連続混練機を例に挙げている。
排出非阻害翼20は、排出翼14と同様に外周側に向かって突出した断面形状を備えている。バレル2の内径をrbとした場合に、排出非阻害翼20が設けられた部分の混練ロータ3の最大外径rcが、0.95rb以下となるように形成されたものとなっている。詳しくは、排出非阻害翼20は、混練ロータ3の軸心Cから頂部20aまでの長さ(以降、翼長という)が、上述した排出翼14より若干短く形成された翼であるが、このわずかな翼長の差により混練材料に対する排出性を大きく変化可能なものとなっている。
本願発明の連続混練機1においては、排出非阻害翼20の翼長は、混練ロータ3の軸心Cから排出非阻害翼20の頂部20aまでの長さであり、「rc」で示される。この排出非阻害翼20の翼長rcは、混練ロータ3の軸心Cからバレル2の内周面までの長さ(バレル2の内径)をrbとした場合に、0.95rb以下、より好ましくは0.92rb以下となるように形成されたものとなっている。排出非阻害翼20を0.95rb以下、より好ましく0.92rb以下の長さとすれば、混練材料の排出性が排出翼14に比べて低下するため、排出部7から一旦排出された混練材料をバレル2内に引き戻すような逆流を生起することがなくなり、バレル2内の混練材料をスムーズに排出することが可能となる。
つまり、上述した排出翼14の頂部19からバレル2の内周面までのクリアランスをCL1、また排出非阻害翼20の頂部20aからバレル2の内周面までのクリアランスをCL2とした場合に、これらのクリアランス比(CL2/CL1)が以下の式(4)に示されるような関係を満足する場合に、本願発明の排出非阻害翼20が設けられていると考えることもできる。
実施例及び比較例は、いずれも排出非阻害翼20の翼長を変えた混練ロータ3が挿入されたバレル2内において、バレル2内の混練材料がどのように分散していくかをコンピュータシミュレーションを用いて解析したものである。
さらに、これらの実施例5、実施例6、実施例7(3翼の例)及び比較例3は、表1に示すように、クリアランス比(排出翼14の頂部からバレル2の内周面までのクリアランスに対する、排出非阻害翼20の頂部からバレル2の内周面までのクリアランスの比(CL2/CL1))を248〜1630%の範囲で変化させたものとなっている。
すなわち、実施例7として示す「3翼の例(黒塗りの三角形の凡例)」は、翼長がバレル内径rbの88.66%の排出非阻害翼20が2条設けられたものである。図10を見ると、この実施例7の充填率も、翼数が1条の実施例5や実施例6と同様に累積回転数の増加に伴って低下する傾向を示しており、翼数が実施例5や実施例6より多い実施例7でも排出性を良好にできる作用効果が得られていることが分かる。
また、上述した排出非阻害翼20の特徴は、バレル2の内周面との間のクリアランスを用いても規定することができる。すなわち、排出翼14の頂部からバレル2の内周面までのクリアランスをCL1、排出非阻害翼20の頂部からバレル2の内周面までのクリアランスをCL2とした場合に、クリアランス比(CL2/CL1)を百分率を用いて表1のように示すことができる。
になると考えられる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
2 バレル
3 混練ロータ
4 フィード部
5 混練部
6 絞り部
7 排出部
8 材料供給口
9 ホッパ
10 混練フライト
11 ゲート部材
12 軸受
13 スクリュフライト
14 排出翼
15 排出口
16 ギアポンプ
17 スクリーンチェンジャ
18 ペレタイザ
19 頂部
20 排出非阻害翼
20a 排出非阻害翼の頂部
Claims (6)
- 内部が空洞とされたバレルと、当該バレルに収容された一対の混練ロータとを備え、これら一対の混練ロータが異なる回転方向に向かって噛み合い状態で回転する連続混練機であって、
前記バレル内には、前記混練ロータの軸方向に沿って、材料を供給するフィード部、材料を混練する混練部、混練された材料をバレル外に排出する排出部が順に設けられており、
前記排出部に位置する混練ロータが、周方向に少なくとも1条の排出翼を備えており、
前記排出翼の頂部の最大外径r a と、前記混練ロータの軸心間の距離Lとの間に、r a >0.5Lという関係が成立し、前記一対の混練ロータの排出翼の回転領域が重なっていると共に、
前記一対の混練ロータのそれぞれに備えられた排出翼が、互いに接触せずに回転するように、前記一対の混練ロータ間の回転位相差が設定されていることを特徴とする連続混練機。 - 前記回転位相差は、一対の排出翼が干渉し合う位相差より大きい角度であって、且つ90°より小さい値とされていることを特徴とする請求項1に記載の連続混練機。
- 前記バレルの内径をrbとした場合に、前記排出翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径raが、0.985rbより小さくされていることを特徴とする請求項1または2に記載の連続混練機。
- 前記排出翼の先端には、バレルの内周面に正対する頂部が設けられており、
前記頂部の周方向に沿った幅が、前記バレルの内径rbの0.05倍以上とされていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の連続混練機。 - 前記排出部に位置する混練ロータにおける、前記排出翼の設置箇所とは異なる箇所には、前記バレル外への混練された材料の排出を阻害しない排出非阻害翼が少なくとも1条以上設けられており、
前記排出非阻害翼は、前記バレルの内径をrbとした場合に、前記排出非阻害翼が設けられた部分の混練ロータの最大外径rcが、0.95rb以下となるように形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の連続混練機。 - 前記排出部に位置する混練ロータにおける、前記排出翼の設置箇所とは異なる箇所には、前記バレル外への混練された材料の排出を阻害しない排出非阻害翼が少なくとも1条以上設けられており、
前記排出非阻害翼の先端には、バレルの内周面に正対する頂部が設けられており、
前記排出翼の頂部からバレルの内周面までのクリアランスに対する、前記排出非阻害翼の頂部からバレルの内周面までのクリアランスの比が、3.0以上とされていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の連続混練機。
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