KR20180120740A - 스크루식 압출기 - Google Patents

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KR20180120740A
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가즈히사 후쿠타니
고스케 히가시
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

스크루식 압출기의 일례로서의 롤러 다이를 구비한 압출기는, 나선형 플라이트가 축부의 외주면에 마련된 스크루와, 스크루를 수용하는 챔버를 구비하고 있다. 플라이트의 선단부이며 또한 플라이트의 회전 방향 이측에 플라이트 두께 확장부로서의 리브가 마련되어 있다.

Description

스크루식 압출기
본 발명은 혼련물의 압출을 행하는 스크루식 압출기에 관한 것이다.
자동차용 타이어의 제조 프로세스에 있어서, 타이어의 원료인 고무의 혼련기 하에 설치하고, 혼련기로부터 투입된 고무(혼련물)를 연속적으로 압출하면서 시트 형상으로 성형하는 압출 성형기가 사용된다. 이러한 종류의 압출 성형기에 관한 기술로서, 예를 들어 하기의 특허문헌 1에 기재된 것이 있다. 특허문헌 1에 기재된 기술은, 상기 압출 성형기를 구성하는 스크루에 관한 기술이다. 스크루의 코어부 및 플라이트부의 내부에, 물 등의 매체를 순환시키는 유로를 마련하고, 온도 조정된 상기 매체를 이 유로로 흘림으로써, 플라이트부를 포함하는 스크루 전체의 온도를 균등하게 제어하여, 스크루면으로의 혼련물의 부착을 방지하고 있다.
근년, 저연비 타이어의 수요가 증가하고 있다. 저연비 타이어의 원료인 고무에는 실리카가 높은 비율로 배합되는 경우가 많다. 실리카를 높은 비율로 배합한 고무(혼련물)는 압출 성형기에 있어서 시트 형상으로 성형하기 어렵다는 문제가 있다. 그 때문에, 상류측 프로세스의 혼련기에 있어서 뿐만 아니라, 압출 성형기에 있어서도 고무(혼련물)의 분산 혼합성을 높일 것이 요망된다. 고무(혼련물)의 분산 혼합성을 높이기 위해서는, 혼련물에 보다 많은 에너지를 가할 필요가 있다.
고무의 분산 혼합성을 높일 수 있는 압출 성형기를 구성하는 스크루에 관한 기술로서, 예를 들어 하기의 특허문헌 2에 기재된 것이 있다. 특허문헌 2에는, 스크루를 구성하는 플라이트부의 비틀림 각도를 작게 하거나, 플라이트부의 전체를 두껍게 하거나 하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 평9-300433호 공보 미국 특허 출원 공개 제2008/0069916호 명세서
그러나, 플라이트부의 비틀림 각도를 도중에 변경하는 것은 그 가공이 어렵다. 또한, 플라이트부의 전체를 두껍게 설계하면, 플라이트부의 굽힘 가공, 절삭 가공 등의 가공이 어렵다. 이와 같이, 플라이트부의 비틀림 각도를 작게 하거나, 플라이트부의 전체를 두껍게 하거나 하는 것은, 스크루의 제작을 어렵게 한다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 혼련물의 분산 혼합성을 높일 수 있고 또한 제작이 용이한 구조의 스크루를 구비하는 스크루식 압출기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 스크루식 압출기는, 나선형 플라이트가 축부의 외주면에 마련된 스크루와, 상기 스크루를 수용하는 챔버를 구비하는, 혼련물의 압출을 행하는 스크루식 압출기이다. 상기 플라이트의 선단부이며 또한 상기 플라이트의 회전 방향 이측에 플라이트 두께 확장부가 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 플라이트의 선단부와 챔버의 내면 사이의 플라이트의 회전 방향에 있어서의 간극의 거리가 길어진다. 이에 의해, 이 간극 부분에서 혼련물에 전단력이 오래 가해지므로 혼련물에 가해지는 에너지가 증가하고, 혼련물의 분산 혼합성이 높아진다. 혼련물에 종래보다도 전단력을 오랜 시간 가하는 것뿐이라면, 플라이트 선단부의 회전 방향 표측에 플라이트 두께 확장부를 마련해도 된다. 그러나, 본 발명에서는 플라이트 선단부의 회전 방향 이측에 플라이트 두께 확장부를 마련한다. 이에 의해, 플라이트 선단부의 회전 방향 표측에 플라이트 두께 확장부를 마련하는 경우보다도, 플라이트 선단부와 챔버의 내면 사이의 간극에 원활하게 혼련물을 유입시킬 수 있다. 그 결과, 플라이트 선단부와 챔버의 내면 사이의 간극에 유입되어 전단력을 받는(혼련되는) 혼련물의 양이 증가된다.
또한, 종래 기술과 같이 플라이트의 전체를 두껍게 하는 것이 아니라, 플라이트의 일부만을 두껍게 하므로, 종래 기술보다도 제작이 용이하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 플라이트 두께 확장부가 마련된 상기 선단부의 외주면은, 상기 플라이트의 회전 방향에 있어서 원호 형상으로 형성되어 있고, 상기 챔버의 내벽면 중 적어도 일부의 면은, 상기 플라이트 두께 확장부를 포함하는 상기 선단부의 외주면과의 사이에 균일한 치수의 간극이 형성되는 원호 형상으로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 플라이트 선단부와 챔버의 내면 사이의 간극을, 혼련물이 원활하게 흐르므로, 플라이트 선단부와 챔버의 내면 사이의 간극에 유입되어 전단력을 받는(혼련되는) 혼련물의 양을 보다 증가시킬 수 있다.
추가로 본 발명에 있어서, 상기 플라이트 두께 확장부는, 상기 축부의 중심측으로 갈수록 두께가 감소되는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 플라이트의 회전 방향 이측에 혼련물이 체류되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 혼련물의 열화를 방지할 수 있다.
추가로 본 발명에 있어서, 상기 챔버는, 상부에 혼련물 공급구가 마련된 챔버 상류부와, 주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부를 갖고, 상기 플라이트 중 상기 플라이트 두께 확장부가 마련된 부분이, 상기 챔버 하류부에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 혼련물 공급구가 상부에 마련된 챔버 상류부보다도, 주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부 쪽이 혼련물이 빠져나가는 공극이 적으므로, 플라이트 중 플라이트 두께 확장부가 마련된 부분을 상기 챔버 하류부에 배치함으로써, 혼련 효과를 높일 수 있다.
추가로 본 발명에 있어서, 상기 플라이트 중 상기 챔버 하류부에 배치되어 있는 부분이, 복수 조의 플라이트부로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 플라이트부를 복수 조로 함으로써, 거기에 거의 비례하여 스크루의 토크(혼련 에너지)가 증가하므로, 혼련 효과를 보다 높일 수 있다.
본 발명에 의하면, 혼련물의 분산 혼합성을 높일 수 있고 또한 제작이 용이한 구조의 스크루를 구비하는 스크루식 압출기를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스크루식 압출기의 일 실시 형태로서의 롤러 다이를 구비한 압출기의 평단면도이다.
도 2는 도 1의 II-II 단면도이며, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 롤러 다이를 구비한 압출기의 종단면도이다.
도 3은 도 2의 III-III 단면 중 제1 스크루측의 모식 단면도이다.
도 4는 유동 해석의 해석 조건을 설명하기 위한 도 3에 상당하는 모식 단면도이다.
도 5는 플라이트 두께 확장부의 변형예를 나타내기 위한 도 3에 상당하는 모식 단면도이다.
도 6은 플라이트의 변형예를 나타내기 위한 도 3에 상당하는 모식 단면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 이하의 실시 형태에서 나타내는 스크루식 압출기는, 고무 등의 고분자 재료의 혼련물을 시트 형상으로 압출 성형하는 롤러 다이를 구비한 스크루 압출기(이하, 「롤러 다이를 구비한 압출기」라고 칭함)이다. 또한, 본 발명의 스크루식 압출기는, 고분자 재료의 혼련물을 다수의 원형 구멍을 갖는 다이스로부터 압출한 후에 원통형 펠릿으로 절단 성형하는 펠리타이저라고 불리는 기계에도 사용할 수 있다.
(롤러 다이를 구비한 압출기의 구성)
도 1 내지 도 3을 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 롤러 다이를 구비한 압출기(1)에 대하여 설명한다. 롤러 다이를 구비한 압출기(1)는 혼련물의 압출을 행하는 2개의 스크루(제1 스크루(2), 제2 스크루(3))와, 스크루(2, 3)를 수용하는 챔버(4)를 갖는다. 챔버(4)의 전방에는 상하 한 쌍의 롤러(9, 10)가 배치된다. 챔버(4)와 롤러(9, 10) 사이에는, 스크루(2, 3)에 의해 압출된 혼련물의 고임부(11)가 마련되어 있다. 롤러(9, 10)는, 서로 역방향으로 회전하도록 연결된다. 또한, 롤러(9, 10)는, 롤러 다이라고 불리고 있다.
챔버(4)는 상부에 혼련물 공급구(14a)가 마련된 챔버 상류부(14)와, 주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부(24)를 갖는다. 혼련물 공급구(14a)에 그 상방으로부터 공급된 고무 등의 혼련물은, 서로 역방향으로 회전하는 스크루(2, 3)에 의해 고임부(11)로 압출되어, 그 후, 롤러(9, 10) 사이를 통과함으로써 시트 형상으로 형성된다.
스크루(2, 3)에 대하여 설명한다. 또한, 제1 스크루(2)와 제2 스크루(3)는, 플라이트의 비틀림 각도가 서로 반대인 것을 제외하고는 동일한 스크루이기 때문에, 대표하여 제1 스크루(2)에 대하여 설명한다.
제1 스크루(2)는 축부(6)와, 축부(6)의 외주면에 마련된 나선형 플라이트(7)를 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 플라이트(7)의 선단부이며 또한 플라이트(7)의 회전 방향(R) 이측에는, 플라이트 두께 확장부로서의 리브(8)가 마련되어 있다. 플라이트(7)의 선단부 외주면(7a)과 리브(8)의 선단부 외주면(8a)은 상호간에 단차가 없는 면으로 되어 있고, 또한 회전 방향(R)에 있어서는 단차가 없는 원호 형상의 면으로 되어 있다. 또한, 리브(8)는 플라이트(7)의 이면에 용접 등에 의해 고정되는 것이어도 되고, 플라이트(7)와의 일체 성형품이어도 된다. 도 1, 도 2에서는, 리브(8)의 도시를 생략하고 있다.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버(4)(챔버 하류부(24))의 내벽면(4a) 중 일부의 면은, 리브(8)를 포함하는 플라이트(7)의 선단부 외주면(7a, 8a)과의 사이에 균일한 간극(S)이 형성되는 원호 형상으로 되어 있다.
또한, 리브(8)의 이면(8b)은 축부(6)의 중심(O)측으로 갈수록 리브(8)의 두께가 연속적으로 감소되도록 경사면으로 되어 있다.
또한, 리브(8)(플라이트 두께 확장부)는 플라이트(7)가 나선형으로 연장되는 방향에 있어서는, 플라이트(7)의 회전 방향(R) 이면에 연속적으로 마련되어 있다. 즉, 리브(8)(플라이트 두께 확장부)는 단면 형상이 도 3에 도시되는 형상의 띠형상체와 같은 부재이다.
플라이트(7) 중 리브(8)가 마련되어 있는 부분은, 주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부(24)의 내부에 배치된다. 또한, 챔버 상류부(14)의 내부에 배치되는 플라이트(7) 부분에도, 그 선단부의 이면에 리브(8)가 마련되어도 된다. 나아가, 챔버 상류부(14)의 내부에 배치되는 플라이트(7) 부분에만, 그 선단부의 이면에 리브(8)가 마련되어도 된다.
도 1, 도 2에 도시되는 실시 형태에서는, 플라이트(7)는 축방향에 있어서 끝에서 끝까지 1조의 플라이트로 되어 있지만, 챔버 하류부(24)의 내부이며, 플라이트(7) 중 리브(8)가 마련되어 있는 부분은, 예를 들어 2조 등, 복수 조의 플라이트부로 되는 것이 바람직하다.
(혼련물의 유동 해석)
플라이트(7)의 선단부이며 또한 플라이트(7)의 회전 방향(R) 이측에, 플라이트 두께 확장부로서의 리브(8)가 마련된 스크루(2)에 관하여, 이차원의 유동 해석을 행하였다.
도 4를 참조하면서, 유동 해석의 해석 조건에 대하여 설명한다. 먼저, 상기한 바와 같은 트윈 스크루, 즉 두개의 스크루(2, 3)가 아니라, 하나의 스크루(2)가 단면 원형의 챔버(4) 내에 수용되어 있는 것으로 하였다.
공통의 해석 조건은, 아래와 같다.
챔버(4)의 내경: Dmm
스크루(2)의 축부(6)의 직경: 0.5Dmm
리브(8)가 마련되지 않은 부분의 플라이트(7)의 두께(T): 0.05Dmm
스크루(2)의 회전수: 15rpm
혼련물의 점성 및 밀도: 1000Pa·s, 1000kg/m
또한, 비교예에 따른 플라이트(플라이트 두께 확장부가 선단부에 마련되지 않은 플라이트)에 대해서도, 본 발명에 따른 플라이트에 대해서도, 그 선단부 외주면(본 발명에 따른 플라이트에 대해서는 리브부를 포함함)은 챔버(4)의 내벽면(4a)의 원호에 따르는 동심의 원호 형상으로 하였다.
플라이트(7)와 챔버(4)의 내벽면(4a) 사이의 간극(S) 및 플라이트(7) 선단부의 두께(W) 및 챔버(4) 내부의 혼련물 충만율을 변화시켜서, 혼련물에 가해지는 에너지를 조사하였다. 또한, 혼련물에 가해지는 에너지의 대소는, 스크루(2)가 2회전했을 때의 스크루(2)의 평균 회전 토크로 평가하였다. 토크가 크다(또는 작다)라는 것은, 혼련물에 가해지는 에너지가 크다(또는 작다)라는 것이다. 해석 결과를, 표 1, 표 2에 나타내었다. 또한, 표 1, 표 2에는, 플라이트 두께 확장부가 선단부에 설치되지 않은 비교예에 따른 플라이트(플라이트 선단부 두께(W): 0.05D)에 관한, 간극(S): 0.01D, 충만율: 100％일 때의 평균 회전 토크를 1.000으로 했을 경우의 비로, 각 조건의 플라이트에 관한 평균 회전 토크를 나타내고 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1, 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 플라이트(7) 선단부의 두께(W)가 두꺼울수록, 평균 회전 토크(혼련물에 가해지는 에너지)가 커졌다. 이것으로부터, 플라이트 선단부에 리브(8)(플라이트 두께 확장부)를 마련하고, 플라이트 선단부 두께(W)를 크게 하면, 혼련물의 분산 혼합성이 향상되는 것을 알 수 있다.
혼련물의 충만율에 대해서는, 표 1과 표 2의 간극(S): 0.01Dmm에서의 해석 결과의 비교로부터, 충만율이 높은 쪽이, 혼련물에 가해지는 에너지가 커지는 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 혼련물의 충만율이 높은 조건에서, 플라이트(7) 선단부의 두께(W)가 두꺼운 스크루(2)를 사용하는 것이, 혼련물의 분산 혼합성을 향상시키는 데 보다 유효하다. 즉, 혼련물 공급구(14a)가 마련된 챔버 상류부(14)보다도, 주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부(24)쪽이 혼련물의 충만율이 높아진다. 그 때문에, 상기한 바와 같이, 플라이트(7) 중 리브(8)가 마련되어 있는 부분을, 주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부(24)의 내부에 배치하는 것이 바람직하다.
나아가, 혼련물의 충만율이 높아지는 챔버 하류부(24)의 내부에, 플라이트(7) 중 리브(8)가 마련되어 있는 부분을 복수 조로 배치함(플라이트를 복수로 함)으로써, 혼련물에 가해지는 에너지를 보다 크게 할 수 있어, 혼련물의 분산 혼합성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 상기한 유동 해석의 결과로부터, 플라이트 두께 확장부를 플라이트의 선단부 이면측에 갖지 않은 비교예에 따른 스크루에서는, 회전하는 플라이트 선단부의 이측에 혼련물이 체류하기 쉽다는 것을 알았다. 혼련물이 체류하면 혼련물의 냉각이 저해되어서, 오랜 시간, 고온 상태로 된다. 고온 상태의 계속은, 혼련물의 열화 원인으로 되고, 혼련 품질이 떨어져 버린다. 이것으로부터, 상기한 실시 형태와 같이, 스크루 축의 중심측으로 갈수록 두께가 연속적으로 감소되는 리브(8)(플라이트 두께 확장부)가 플라이트 선단부의 이측에 마련됨으로써, 이 부분에서의 혼련물의 체류를 방지할 수 있다. 이에 의해 혼련물의 열화를 억제할 수 있다.
(변형예)
도 5에, 플라이트 두께 확장부의 변형예를 도시하고 있다. 도 3, 4에 도시된 플라이트 두께 확장부로서의 리브(8)는 스크루의 축부(6)의 중심(O)측으로 갈수록 리브(8)의 두께가 연속적으로 감소되도록 형성되어 있다. 이것 대신에 도 5에 도시되는 리브(12)(플라이트 두께 확장부)처럼, 거의 균일한 두께의 리브여도 된다.
도 6에, 플라이트의 변형예를 도시하고 있다. 도 3 내지 5에 도시된 플라이트(7)(플라이트 본체부)는 그 두께가, 축부(6)의 중심(O)측 부분인 기단부로부터 선단부에 걸쳐서 한결같이 되어 있다. 이 대신에, 도 6에 도시되는 플라이트(13)처럼, 기단부가 굵고, 기단부로부터 선단부에 걸쳐서 가늘어지는 플라이트여도 된다. 바꿔 말하면, 선단부로부터 기단부에 걸쳐서 굵어지는(두께가 증가하는) 플라이트여도 된다. 이러한 플라이트로 함으로써, 플라이트의 강도를 높일 수 있음과 함께, 플라이트간에서의 혼련물의 체류를 보다 방지할 수 있다.
또한, 도 3, 도 4, 도 5에 도시되는, 리브(8, 12)를 포함하는 플라이트(7)의 선단부 외주면은, 모두, 플라이트(7)의 회전 방향에 있어서 원호 형상으로 되어 있지만, 원호 형상이 아니어도 된다(도 6에 도시되는 플라이트(13)에 대해서도 마찬가지임). 즉, 플라이트 두께 확장부를 포함하는 플라이트 선단부의 외주면과, 챔버의 내벽면 사이의 간극은, 균일한 치수가 아니어도 된다.
도 1, 2에 도시되는 롤러 다이를 구비한 압출기(1)는 트윈 스크루, 즉 두개의 스크루(2, 3)를 구비하는 스크루식 압출기이지만, 스크루를 하나만 구비하는 스크루식 압출기여도 되고, 스크루를 세개 이상 구비하는 스크루식 압출기여도 된다.
기타로, 당업자가 상정할 수 있는 범위에서 다양한 변경을 행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 실시 형태의 각 구성을 서로 조합하는 것이나, 명세서의 기재, 및 주지의 기술에 기초하여, 당업자가 변경, 응용하는 것도 본 발명이 예정하는 바이며, 보호를 구하는 범위에 포함된다.
본 출원은 2016년 4월 20일 출원된 일본 특허 출원(특원2016-84212)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
1: 롤러 다이를 구비한 압출기(스크루식 압출기)
2: 제1 스크루(스크루)
3: 제2 스크루(스크루)
4: 챔버
4a: 내벽면
6: 축부
7: 플라이트
8: 리브(플라이트 두께 확장부)
7a, 8a: 외주면
9, 10: 롤러
14: 챔버 상류부
14a: 혼련물 공급구
24: 챔버 하류부
S: 간극

Claims (7)

  1. 나선형 플라이트가 축부의 외주면에 마련된 스크루와,
    상기 스크루를 수용하는 챔버
    를 구비하는, 혼련물의 압출을 행하는 스크루식 압출기에 있어서,
    상기 플라이트의 선단부이며 또한 상기 플라이트의 회전 방향 이측에 플라이트 두께 확장부가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루식 압출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라이트 두께 확장부가 마련된 상기 선단부의 외주면은, 상기 플라이트의 회전 방향에 있어서 원호 형상으로 형성되어 있고,
    상기 챔버의 내벽면 중 적어도 일부의 면은, 상기 플라이트 두께 확장부를 포함하는 상기 선단부의 외주면과의 사이에 균일한 치수의 간극이 형성되는 원호 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루식 압출기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라이트 두께 확장부는, 상기 축부의 중심측으로 갈수록 두께가 감소되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루식 압출기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상부에 혼련물 공급구가 마련된 챔버 상류부와,
    주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부
    를 갖고,
    상기 플라이트 중 상기 플라이트 두께 확장부가 마련된 부분이, 상기 챔버 하류부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루식 압출기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상부에 혼련물 공급구가 마련된 챔버 상류부와,
    주위가 벽면으로 둘러싸인 챔버 하류부
    를 갖고,
    상기 플라이트 중 상기 플라이트 두께 확장부가 마련된 부분이, 상기 챔버 하류부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루식 압출기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 플라이트 중 상기 챔버 하류부에 배치되어 있는 부분이, 복수 조의 플라이트부로 되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루식 압출기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 플라이트 중 상기 챔버 하류부에 배치되어 있는 부분이, 복수 조의 플라이트부로 되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루식 압출기.
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