WO2013089097A1 - 混練用セグメント - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a kneading segment used in an extruder or a continuous kneader, and more particularly to a kneading segment effective for dispersion kneading.
- kneading equipment such as an extruder and a continuous kneader
- materials such as polymer resin pellets and powder additives are supplied into a barrel.
- the supplied material is sent to the downstream side while being kneaded by a pair of kneading screws inserted into the barrel.
- the kneading screw includes a plurality of various types of segments, and each segment is fixed to a spline shaft that passes through the center of the segment. For example, by combining a screw segment with a kneading segment such as a rotor segment or a kneading disk segment, various materials can be kneaded according to the product application.
- Patent Document 1 discloses a screw of a twin screw extruder for satisfying the above-described requirements.
- This twin-screw extruder screw is a co-meshing twin-screw extruder screw composed of a feed section, a kneading section, and then a pumping section from the base to the tip.
- the ratio d 0 / d i of the screw outer diameter d 0 and screw root diameter d i is from 1.65 to 1.85 and A kneading screw of 1.45 to 1.63 is combined.
- Patent Document 1 describes that such a co-meshing twin-screw extruder screw ensures a self-cleaning action and enables kneading and extrusion at an appropriate temperature without local heat generation.
- kneading includes dispersion mixing (dispersion kneading) and distribution mixing (distribution kneading).
- Dispersion kneading refers to kneading that crushes agglomerates of fillers
- distributed kneading refers to kneading that makes the material uniform.
- the extension flow is superior to the shear flow of the material. Therefore, it can be said that the dispersion kneading can be more effectively performed in the barrel as the fluid volume ratio with a strong extension flow is higher.
- an object of the present invention is to provide a kneading segment that increases a flow with a high degree of elongation.
- the kneading segment of the present invention employs the following technical means.
- the kneading segment of the present invention is provided in each of a pair of kneading screws (kneading rotors) rotatably accommodated in a barrel having a cavity inside, and rotates in the same direction together with the kneading screws.
- an outer surface connecting the kneading flights is composed of a convex surface and a concave surface from one kneading flight side to the other kneading flight side, and the convex surface faces the rotation direction of the kneading segment. It is good to be.
- the kneading flight is formed continuously in a spiral shape along the axial direction of the kneading screw, and the cross-sectional shape perpendicular to the axial direction of the kneading screw is constant.
- the convex surface and concave surface of the outer surface connecting the kneading flights are continuous.
- (A) is the schematic of the twin-screw extruder by 1st Embodiment of this invention
- (b) is sectional drawing of the barrel in the axial perpendicular direction of a twin-screw extruder. It is sectional drawing which shows the structure of the segment for kneading
- a twin-screw extruder 1 of the present invention includes a barrel 2 having a hollow inside, and a kneading rotor (kneading screw) accommodated in the hollow inside the barrel 2. 3).
- a hollow is formed in the barrel 2 by drilling two circular holes 4 that can accommodate the kneading rotor 3 in parallel.
- this extruder is a biaxial extruder having two kneading rotors 3 in total.
- the left side of the paper surface of FIG. 1A is referred to as an upstream side when the twin-screw extruder 1 is described, and the right side of the paper surface is referred to as a downstream side.
- the left-right direction of the paper surface of Fig.1 (a) is called the axial direction at the time of describing the twin-screw extruder 1, and the direction perpendicular
- the barrel 2 is formed in a long cylindrical shape along the axial direction. Inside the barrel 2, as described above, the two circular holes 4, 4 are formed in parallel from the upstream toward the downstream.
- a hopper 5 for supplying material into the barrel 2 is provided on the upstream side in the axial direction of the barrel 2.
- the barrel 2 is provided with a heating device (not shown) using an electric heater or heated oil.
- the circular hole 4 is a substantially cylindrical side hole obtained by hollowing out the inside of the barrel 2 in the axial direction.
- the cross section when the barrel 2 is cut in the direction perpendicular to the axis has openings corresponding to the through holes 4 and 4.
- a pair of circular holes 4 are provided horizontally and parallel to the axial direction in the direction perpendicular to the plane of FIG. 1B, and some of the inner wall surfaces overlap each other. Therefore, the cross-sectional shape when the barrel 2 is cut in the direction perpendicular to the axis is a so-called “glass hole shape”, and the material can be distributed between the circular holes 4 and 4. Yes.
- the inter-axis distance L between the central axes of the two circular holes 4 and 4 is smaller than the inner diameter R of the circular hole 4.
- the distance L between the axes is set to be smaller than the inner diameter R of the through hole 4, so that the inner wall surface from the center axis of the through hole 4 is about 60 ° up and down.
- the inner wall surfaces overlap each other in the range of.
- the inter-axis distance L is set so that the inner wall surfaces overlap each other in a range of about 60 ° in the vertical direction.
- a pair of kneading rotors 3 is provided in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1B so as to pass through each of the circular holes 4.
- the pair of kneading rotors 3, 3 includes a spline shaft 6 disposed along the axial direction, and a plurality of segments are fixed in a skewered manner by the spline shaft 6.
- the twin-screw extruder 1 shown in the figure the pair of kneading rotors 3 and 3 are rotated in the same rotation direction in the respective circular holes 4 (in the example shown in FIG. This is a co-rotating twin-screw extruder that rotates in the rotation direction.
- the kneading rotor 3 is configured by combining various types of segments in the axial direction, and is divided into a plurality of parts according to the types of segments to be combined.
- the illustrated kneading rotor 3 is composed of three parts in the axial direction: a feed unit 8, a kneading unit 7, and an extrusion unit 9.
- the kneading part 7 is a part for kneading materials.
- the feeding unit 8 is a part that is arranged upstream of the kneading unit 7 and feeds the material to the kneading unit 7.
- the extruding unit 9 is a part that is arranged downstream of the kneading unit 7 and sends the material kneaded by the kneading unit 7 to a downstream pelletizer or the like.
- the kneading part 7 is a part located at the center of the kneading rotor 3, and is composed of a plurality of kneading segments 10A arranged continuously in the axial direction.
- the kneading segment 10A is a rotor segment, and the kneading section 7 is configured by arranging, for example, six rotor segments 10A arranged side by side in the axial direction.
- the kneading segment 10A has a substantially elliptical cross section when cut in the direction perpendicular to the axis, and has two kneading flights 11A on both end sides along the major axis of the ellipse.
- the kneading rotor 3 rotates, the kneading flights 11A and 11A rotate so that the top surface (tip) of the kneading flight 11A grazes the inner peripheral surface of the through hole 4 of the barrel 2.
- the kneading flights 11A and 11A scrape off the material adhering to the barrel 2 and knead the material.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing adjacent rotor segments 10A and 10A provided in the pair of kneading rotors 3 and 3.
- the cross-sectional view of FIG. 2 shows a cross section when the barrel 2 and adjacent rotor segments 10A, 10A are cut in the direction perpendicular to the axis, as in FIG. For convenience of explanation, hatching is omitted. As shown in FIG.
- the rotor segment 10 ⁇ / b> A is a columnar member, and in a state of being fixed to the spline shaft 6, the cross section when cut in the direction perpendicular to the axis is a substantially elliptical shape (a rugby ball shape (prolate spheroid) cross section). Shape). Therefore, the external shape of the rotor segment 10A is constituted by a convex surface.
- An insertion hole (not shown) through which the spline shaft 6 can be inserted is formed in the center of the cross section of the rotor segment 10A along the axial direction.
- half of the major axis when the major axis of the substantially elliptical shape is the major axis is represented by symbol c and is called the outer diameter of the rotor segment 10A.
- half of the minor axis of the substantially elliptical shape is the minor axis
- half of the minor axis is represented by the symbol a and is called the valley diameter of the rotor segment 10A.
- the intersection of the major axis and the minor axis is represented by the symbol d, and is the axis of the rotor segment 10A and the axis of the spline shaft 6.
- the distance when the valley diameter a of the rotor segment 10A is extended to the inner wall surface of the circular hole 4 of the barrel 2, that is, from the surface of the rotor segment 10A on the extended line of the valley diameter a to the inner wall surface of the circular hole 4 The distance is represented by the symbol b.
- the radius (curvature radius) of the circular hole 4 of the barrel 2 is represented by the symbol r
- the radius r of the circular hole 4 of the barrel 2 is slightly larger than the outer diameter c of the rotor segment 10A, and the relationship (r> c) is established.
- the difference (rc) between the radius r and the outer diameter c is the clearance between the barrel 2 and the kneading flight 11A.
- the inter-axis distance L between the central axes of the two through-holes 4 and 4 is slightly larger than the sum of the valley diameter a and the outer diameter c of the rotor segment 10A, and the relationship (L> a + c) is established.
- the difference between the inter-axis distance L and the sum of the valley diameter a and the outer diameter c (a + c) is the clearance between segments.
- the rotor segment 10A has at least two kneading flights 11A protruding outward in the radial direction along the outer diameter direction. Since the rotor segment 10A is a columnar member having the above-described cross-sectional shape, the cross-section when cut in the direction perpendicular to the axis at any position along the axial direction has the same shape as the cross-section described above. However, two kneading flights 11A and 11A are formed in a spiral shape on the surface of the rotor segment 10A like a drill blade.
- the rotor segment 10A has an external shape like a drill blade.
- the kneading flight 11A formed on the surface of one rotor segment 10A does not twist, for example, 360 ° or 720 ° about the axis d along the axial direction.
- the twist of the kneading flight 11A is, for example, about 0 ° to 180 °.
- the ratio (a / r) of the valley diameter a to the curvature radius r of the circular hole 4 that is the cavity of the barrel 2 is 0.6 or less (a / r ⁇ 0.6).
- the outer diameter c of the rotor segment 10A is shorter than the radius r of the circular hole 4 by the clearance of the barrel 2 and the kneading flight 11A, but this clearance is very small with respect to the radius r.
- the rotor segment 10A has a cross-sectional shape as described above, and the ratio (a / c) of the valley diameter a to the outer diameter c is 0.6 or less (a / It can be said that c ⁇ 0.6).
- the valley diameter a of the rotor segment 10A needs to satisfy the relationship a> D. Therefore, the ratio of the valley diameter a to the curvature radius r of the circular hole 4 is (a / r)> (D / r).
- the radius of curvature r of the circular hole 4 of the barrel 2 and the size of the valley diameter a with respect to the outer diameter c of the rotor segment 10A are defined to be a predetermined value or less.
- the ratio of the valley diameter a to the radius r and the outer diameter c is smaller than a predetermined size, a space between the barrel 2 and the valley portion of the rotor segment 10A can be increased. This can increase the flow with a high degree of elongation in the material to be kneaded.
- the kneading portion 7 of the kneading rotor 3 is configured by arranging, for example, six rotor segments 10A having the above-described configuration continuously in the axial direction of the spline shaft 6.
- the six rotor segments 10A are attached to the spline shaft 6 while changing the attachment angle around the shaft center, and the respective spiral kneading flights 11A, 11A are connected to the downstream rotor segment 10A from the upstream rotor segment 10A. It has become continuous over time.
- a kneading flight 11A twisted, for example, 360 ° or 720 ° around the axis center d like a drill blade is formed from the upstream rotor segment 10A to the downstream rotor segment 10A. It is formed.
- each of the kneading portions 7 and 7 of the pair of kneading rotors 3 and 3 has a major axis in each cross section of the rotor segments 10A and 10A when cut in the direction perpendicular to the axis. It is meshed so that it becomes vertical.
- the major axes of the rotor segments 10A and 10A are always substantially perpendicular to each other.
- FIG. 4 is a graph showing “FN> 0.7 volume ratio (%)” with respect to the ratio (a / r) of the valley diameter a to the radius r of the circular hole 4 of the barrel 2.
- “FN> 0.7 volume ratio (%)” is a value indicating the volume ratio in the total material of a material that causes an elongational flow such that FN (flow number) exceeds 0.7.
- FN (flow number) is an index indicating the degree of expansion of the flow field, and is defined by the following equation (1).
- FN (
- FN 0 is pure rotation
- FN 1 is pure elongation
- FN 0.5 is pure shear. Therefore, it can be said that a high volume ratio of FN> 0.7 indicates that a flow having a high degree of elongation occurs in all materials.
- the circle M1 indicates experimental data when the conventional rotor segment (a / r> 0.6) is used.
- this conventional rotor segment (a / r ⁇ 0.638) is used, “FN> 0.7 volume ratio (%)” is about 8.00%.
- FN> 0.7 volume ratio (%) is only about 8.00%. It is shown that.
- FIG. 4 shows experimental data when the rotor segment 10A (a / r ⁇ 0.567) according to the present embodiment is used as a white circle M2.
- “FN> 0.7 volume ratio (%)” indicates a value exceeding 8.50%, which is higher than the conventional rotor segment, “FN> 0.7 volume ratio (%)”.
- “FN> 0.7 volume ratio (%)” indicates a value exceeding 8.50%, which is higher than the conventional rotor segment, “FN> 0.7 volume ratio (%)”.
- FIG. 4 shows experimental data when the rotor segment 10A of (a / r ⁇ 0.537) according to the present embodiment is used by a white circle M3.
- “FN> 0.7 volume ratio (%)” indicates a value exceeding 9.00%. Therefore, it is shown that when the rotor segment 10A (a / r ⁇ 0.537) according to the present embodiment is used, a flow with a higher degree of elongation can be caused.
- the rotor segment 10A according to the present embodiment satisfying the condition (a / r ⁇ 0.6) and the condition (a / c ⁇ 0.6) is used, the degree of elongation in the kneaded material as compared with the conventional example. The high flow can be increased.
- FIG. 3 is a cross-sectional view showing adjacent rotor segments 10B and 10B provided in the pair of kneading rotors 3 and 3.
- the cross-sectional view of FIG. 3 shows a cross section when the barrel 2 and adjacent rotor segments 10B and 10B are cut in the direction perpendicular to the axis, similarly to FIG. 2 in the first embodiment.
- hatching is omitted.
- the rotor segment 10 ⁇ / b> B is a columnar member formed so that a cross section when cut in the direction perpendicular to the axis is substantially S-shaped in a state of being fixed to the spline shaft 6.
- the cross section of the rotor segment 10B shown in FIG. 3 has a shape in which a part of the cross section of the substantially elliptical rotor segment 10A shown in FIG. 2 is cut out, and has a major axis and a short axis in a substantially elliptical shape. It has become. Similar to the kneading segment 10A according to the first embodiment, the kneading segment 10B according to the present embodiment has two kneading flights 11B and 11B on both end sides along the major axis.
- the cross-sectional shape of the rotor segment 10B shown in FIG. That is, the cross-sectional shape has two identical contours symmetrically with respect to the spline shaft 6.
- Each contour is composed of a convex portion and a concave portion.
- the rotor segment 10B rotates clockwise toward the plane of FIG. 3 so that the convex portion faces the rotational direction and the concave portion faces the counter-rotating direction.
- the convex portion and the concave portion are smoothly continuous, and are not discontinuous due to a step or the like at the transition from the convex portion to the concave portion.
- the contour composed of the convex curve forming the convex portion and the concave curve forming the concave portion has an inflection point.
- the convex portion constitutes a convex surface
- the concave portion constitutes a concave surface.
- the kneading flight 11B has a convex surface on the rotational direction side and a concave surface on the anti-rotational direction side.
- the outer surface connecting the two kneading flights 11B and 11B is formed of a convex surface and a concave surface from the one kneading flight 11B side toward the other kneading flight 11B side.
- An insertion hole (not shown) through which the spline shaft 6 can be inserted is formed in the center of the cross section of the rotor segment 10B along the axial direction.
- half of the long diameter when the length of the long axis is taken as the long diameter is represented by symbol c and is called the outer diameter of the rotor segment 10B.
- half of the minor axis when the minor axis is the minor axis is represented by the symbol a and is called the valley diameter of the rotor segment 10B.
- the intersection of the major axis and the minor axis is represented by the symbol d, and is the axis of the rotor segment 10B and the axis of the spline shaft 6.
- the radius r of the circular hole 4 of the barrel 2 is slightly larger than the outer diameter c of the rotor segment 10B, and the relationship (r> c) is established.
- the difference (rc) between the radius r and the outer diameter c is the clearance between the barrel 2 and the kneading flight 11B.
- the inter-axis distance L between the central axes of the two through holes 4 and 4 is slightly larger than the sum of the valley diameter a and the outer diameter c of the rotor segment 10B, and the relationship of (L> a + c) is established.
- the difference between the inter-axis distance L and the sum of the valley diameter a and the outer diameter c (a + c) is the inter-segment clearance.
- the rotor segment 10B has at least two kneading flights 11B protruding outward in the radial direction along the outer diameter direction. Since the rotor segment 10B is a columnar member having the above-described cross-sectional shape, the cross-section cut in the direction perpendicular to the axis at any position along the axial direction is also substantially S-shaped, similar to the cross-section described above. . However, two kneading flights 11B and 11B are formed in a spiral shape on the surface of the rotor segment 10B like a drill blade.
- the rotor segment 10B has an external shape like a drill blade.
- the kneading flight 11B formed on the surface of one rotor segment 10B does not twist, for example, 360 ° or 720 ° about the axis d along the axial direction.
- the twist of the kneading flight 11B is, for example, about 0 ° to 180 °.
- the ratio (a / r) of the valley diameter a to the curvature radius r of the circular hole 4 that is the cavity of the barrel 2 is 0.6 or less (a / r ⁇ 0.6).
- the rotor segment 10B has the ratio of the valley diameter a to the outer diameter c (a / c) in the cross-sectional shape as described above. Is 0.6 or less (a / c ⁇ 0.6).
- the valley diameter a of the rotor segment 10B needs to satisfy the relationship of a> D. Therefore, the ratio of the valley diameter a to the curvature radius r of the circular hole 4 is (a / r)> (D / r).
- the rotor segment 10B is characterized in that the radius of curvature r of the circular hole 4 of the barrel 2 and the size of the valley diameter a with respect to the outer diameter c of the rotor segment 10B are defined. It is said. Further, in addition to this feature, the outer diameter shape of the rotor segment 10B is configured by the smoothly continuous convex surface and concave surface, so that the rotational direction side of the kneading flight 11B is configured as a convex surface, and the counter rotational direction side is a concave surface. It is characterized by comprising.
- a large space can be secured between the barrel 2 and the rotor segment 10B on the counter-rotation direction side of the kneading flight 11B, and a large amount of kneading material is included in the space. Can do.
- the valley diameter “a” with respect to the radius “r” and the outer diameter “c” smaller than a predetermined size, it is possible to include more kneading material in the space. Thereby, the kneading time can be increased, and the probability that the fluid passes through the portion with a high degree of elongation can be increased.
- FIG. 4 is a graph showing “FN> 0.7 volume ratio (%)” as described in the first embodiment.
- FIG. 4 shows three experimental data when using the rotor segment 10B (a / r ⁇ 0.567) according to the present embodiment by three rhombus squares M4. These three square marks M4 show the results of experiments conducted by changing the clearance between the barrel 2 and the kneading flight 11B in three ways. In any square mark M4, “FN> 0.7 volume ratio (%)” is around 9.00%.
- FIG. 4 shows three experimental data when using the rotor segment 10B (a / r ⁇ 0.537) according to the present embodiment by three rhombus squares M5.
- These three square marks M5 also show the results of experiments conducted by changing the clearance between the barrel 2 and the kneading flight 11B in three ways.
- “FN> 0.7 volume ratio (%)” is around 9.00% to 9.50%, and it is shown that a flow having a higher degree of elongation can be caused.
- embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points.
- matters that are not explicitly disclosed, for example, operating conditions and operating conditions, various parameters, dimensions, weights, volumes, and the like of a component deviate from a range that a person skilled in the art normally performs. Instead, values that can be easily assumed by those skilled in the art are employed.
- the cross-sectional shapes of the rotor segment 10A according to the first embodiment and the rotor segment 10B according to the second embodiment are symmetrical vertically and horizontally, or rotationally symmetric.
- the cross-sectional shape is not necessarily limited to a symmetrical shape, and the two kneading flights may be formed to have different shapes.
- the concave surfaces of the two kneading flights 11B of the rotor segment 10B according to the second embodiment may be formed to have different curvatures.
- the pair of rotor segments 10A and the rotor segment 10B are configured to be completely meshed so that the clearance between the segments is constant.
- the clearance between the segments may be changed to a desired size by arbitrarily changing the curvature and valley diameter of the convex surfaces of the rotor segment 10A and the rotor segment 10B. That is, the pair of rotor segments 10A and the rotor segment 10B do not necessarily need to be completely meshed.
Landscapes
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Abstract
本発明にかかる混練用セグメント1Aは、内部に空洞を有するバレル2に回転自在に収容される一対の混練スクリュのそれぞれに設けられて、混練スクリュとともに同方向に回転してバレル2内に供給される材料を混練するものであって、径方向外側に向かって突出する混練フライト11Aを少なくとも2つ有し、バレル2の空洞の曲率半径に対する谷径の比が0.6以下である。本発明によれば、伸長度合いの高い流れを増大させる混練用セグメントが得られる。
Description
本発明は、押出機や連続混練機などに用いられる混練用セグメントに関し、特に、分散混練に効果的な混練用セグメントに関する。
一般に、押出機や連続混練機などの混練設備においては、バレル内に高分子樹脂のペレットや粉状の添加物などの材料が供給される。供給された材料は、バレル内に挿通された一対の混練スクリュによって混練されながら下流側へ送られる。
混練スクリュは様々な種類のセグメントを複数備えており、各セグメントは、セグメントの中心を貫通するスプライン軸に固定されている。例えばロータセグメントやニーディングディスクセグメントなどの混練用セグメントにスクリュセグメントを組み合わせることにより、製品用途に合わせて様々な材料を混練できるようになっている。
混練スクリュは様々な種類のセグメントを複数備えており、各セグメントは、セグメントの中心を貫通するスプライン軸に固定されている。例えばロータセグメントやニーディングディスクセグメントなどの混練用セグメントにスクリュセグメントを組み合わせることにより、製品用途に合わせて様々な材料を混練できるようになっている。
ところで、近年、混練される材料の種類が多くなるとともに、混練機で製造される製品の種類も増加している。それに伴って、複数の材料がどの程度均等に混練されるかといった製品の均質性に対する要求も益々高くなっている。
特許文献1には、上述の要求を満たすための二軸押出機のスクリュが開示されている。この二軸押出機スクリュは、基部から先端にかけてフィード部、混練部、次いでポンピング部で構成される同方向噛合型二軸押出機スクリュである。ここでは、スクリュ谷径と相手スクリュの外径との噛合い隙間ΔSが一定のとき、スクリュ外径d0とスクリュ谷径diの比d0/diが1.65~1.85および1.45~1.63の混練用スクリュが組み合わせられている。
特許文献1には、上述の要求を満たすための二軸押出機のスクリュが開示されている。この二軸押出機スクリュは、基部から先端にかけてフィード部、混練部、次いでポンピング部で構成される同方向噛合型二軸押出機スクリュである。ここでは、スクリュ谷径と相手スクリュの外径との噛合い隙間ΔSが一定のとき、スクリュ外径d0とスクリュ谷径diの比d0/diが1.65~1.85および1.45~1.63の混練用スクリュが組み合わせられている。
特許文献1には、このような同方向噛合型二軸押出機スクリュによれば、セルフクリーニング作用が確保され、局部発熱のない適正な温度での混練押出が可能となると記載されている。
一般に、混練としては、分散混合(分散混練)と分配混合(分配混練)とがあるとされている。分散混練はフィラの凝集塊などをつぶす混練を指し、分配混練は材料を均一化する混練を指す。このうち分散混練では材料のせん断流れよりも伸長流れの方が優位であるので、バレル内において、伸長流れが強い流体体積割合が高いほど効果的に分散混練を行うことができると言える。
ところで、特許文献1に開示の同方向噛合型二軸押出機スクリュは、上述の分散混練や分配混練の別を、特には意識していない。しかし、各セグメントは、相手スクリュの付着樹脂を掻き落とすセルフクリーニング作用の能力(セルフクリーニング性)を得るために、セグメント間のクリアランス(=軸間-(セグメント外径+セグメント谷径))が一定となるように形成されている。
しかし、セグメント間のクリアランスを一定としなければならないのなら、バレルとセグメントとの間の空間を確保して流体体積割合を高めることは困難である。そのため、伸長流れを効果的に促進させつつ分散混練を行うことも困難となる。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、伸長度合いの高い流れを増大させる混練用セグメントを提供することを目的とする。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、伸長度合いの高い流れを増大させる混練用セグメントを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の混練用セグメントは以下の技術的手段を講じている。
本発明の混練用セグメントは、内部に空洞を有するバレルに回転自在に収容される一対の混練スクリュ(混練ロータ)のそれぞれに設けられて、前記混練スクリュとともに同方向に回転して前記バレルの前記空洞内に供給される材料を混練する混練用セグメントであって、径方向外側に向かって突出する混練フライトを少なくとも2つ有し、前記バレルの前記空洞の曲率半径に対する谷径の比が、0.6以下であることを特徴とする。
本発明の混練用セグメントは、内部に空洞を有するバレルに回転自在に収容される一対の混練スクリュ(混練ロータ)のそれぞれに設けられて、前記混練スクリュとともに同方向に回転して前記バレルの前記空洞内に供給される材料を混練する混練用セグメントであって、径方向外側に向かって突出する混練フライトを少なくとも2つ有し、前記バレルの前記空洞の曲率半径に対する谷径の比が、0.6以下であることを特徴とする。
好ましくは、前記混練フライト間を接続する外表面が、一方の混練フライト側から他方の混練フライト側に向かって凸面と凹面とで構成され、前記凸面が、前記混練用セグメントの回転方向を向いているとよい。
また、好ましくは、前記混練フライトは、前記混練スクリュの軸方向に沿って連続的に螺旋状に形成され、前記混練スクリュの軸方向に垂直な断面の形状が一定であるとよい。
また、好ましくは、前記混練フライトは、前記混練スクリュの軸方向に沿って連続的に螺旋状に形成され、前記混練スクリュの軸方向に垂直な断面の形状が一定であるとよい。
さらに、好ましくは、前記混練スクリュの軸方向に垂直な断面において、前記混練フライト間を接続する外表面の凸面と凹面とが連続しているとよい。
本発明によれば、伸長度合いの高い流れを増大させる混練用セグメントを提供することができる。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態による混練用セグメント10A及び2軸押出機1を、図面に基づき詳しく説明する。
図1(a)及び図1(b)に示すように、本発明の2軸押出機1は、内部が空洞となったバレル2と、バレル2内部の空洞に収容される混練ロータ(混練スクリュ)3と、を有している。バレル2の内部には、混練ロータ3を収容可能な円通孔4が平行に2つ並んで穿孔されることにより、空洞が形成されている。2つの円通孔4,4の内壁面は互いに部分的に重なり合うようになっており、一方の円通孔4から他方の円通孔4に材料が移動可能となっている。これら2つの円通孔4,4のそれぞれには混練ロータ3が挿通されている。このように、この押出機は、混練ロータ3を合計で2軸有する2軸押出機となっている。
以下、本発明の第1実施形態による混練用セグメント10A及び2軸押出機1を、図面に基づき詳しく説明する。
図1(a)及び図1(b)に示すように、本発明の2軸押出機1は、内部が空洞となったバレル2と、バレル2内部の空洞に収容される混練ロータ(混練スクリュ)3と、を有している。バレル2の内部には、混練ロータ3を収容可能な円通孔4が平行に2つ並んで穿孔されることにより、空洞が形成されている。2つの円通孔4,4の内壁面は互いに部分的に重なり合うようになっており、一方の円通孔4から他方の円通孔4に材料が移動可能となっている。これら2つの円通孔4,4のそれぞれには混練ロータ3が挿通されている。このように、この押出機は、混練ロータ3を合計で2軸有する2軸押出機となっている。
次に、本実施形態による2軸押出機1の構成を詳しく説明する。
なお、以下の説明において、図1(a)の紙面の左側を2軸押出機1を説明する際の上流側と呼び、紙面の右側を下流側と呼ぶ。また、図1(a)の紙面の左右方向を、2軸押出機1を説明する際の軸方向と呼び、さらに、軸方向に対して垂直な方向を軸垂直方向と呼ぶ。
なお、以下の説明において、図1(a)の紙面の左側を2軸押出機1を説明する際の上流側と呼び、紙面の右側を下流側と呼ぶ。また、図1(a)の紙面の左右方向を、2軸押出機1を説明する際の軸方向と呼び、さらに、軸方向に対して垂直な方向を軸垂直方向と呼ぶ。
図1(a)に示すように、バレル2は、軸方向に沿って長い筒状に形成されている。バレル2の内部には、上述したように2つの円通孔4,4が平行に並んで上流から下流に向かって形成されている。バレル2の軸方向の上流側には、バレル2内に材料を供給するホッパ5が設けられている。またバレル2の内部には、電気ヒーターや加熱した油を用いた加熱装置(図示略)が備えられている。
図1(b)に示すように、円通孔4は、バレル2の内部を軸方向に向かって水平にくり抜いて得られる略円筒状の横穴である。バレル2を軸垂直方向に切断したときの断面は、円通孔4,4に対応する開口を有する。円通孔4は、軸方向に水平且つ平行に並んで図1(b)の紙面垂直方向に一対設けられており、その内壁面の一部が互いに重なり合っている。それ故、バレル2を軸垂直方向に切断したときの断面形状は、いわゆる「めがね孔状」となっており、両円通孔4,4の間で材料の流通(往来)が可能となっている。
よって、2つの円通孔4,4の中心軸同士の軸間距離Lは、円通孔4の内径Rよりも小さくなっている。図1(b)にあるように、この軸間距離Lが円通孔4の内径Rよりも小さく設定されることで、円通孔4の中心軸から内壁面を見て上下に60°程度の範囲において内壁面同士が重なり合っている。逆に言えば、上下60°程度の範囲で内壁面同士が重なるように、軸間距離Lが設定されている。
混練ロータ3は円通孔4のそれぞれを挿通するように、図1(b)の紙面垂直方向に一対設けられている。一対の混練ロータ3,3は、軸方向に沿って配置されたスプライン軸6を内部に備えており、このスプライン軸6により複数のセグメントが串刺し状に固定されている。なお、図例の2軸押出機1は、一対の混練ロータ3,3がそれぞれの円通孔4の中で互いに同じ回転方向(図1(b)の例では、いずれも紙面に向かって時計回り方向)に回転する同方向回転型2軸押出機である。
図1(a)に示すように、混練ロータ3は、さまざまな種類のセグメントを軸方向に組み合わせて構成されており、組み合わせるセグメントの種類に応じて複数のパートに分かれている。図例の混練ロータ3は、軸方向に送り部8、混練部7、及び押出部9の3つのパートで構成されている。混練部7は、材料を混練するパートである。送り部8は、混練部7より上流側に配備されてこの混練部7に材料を送るパートである。押出部9は、混練部7より下流側に配備されて混練部7で混練された材料を下流側のペレタイザなどに送るパートである。
3つのパートのうち混練部7は、混練ロータ3の中央に位置するパートであり、軸方向に連続して配備された複数の混練用セグメント10Aで構成されている。本実施形態では、混練用セグメント10Aはロータセグメントであり、このロータセグメント10Aを軸方向に連続して、例えば6個並べて配備することで混練部7が構成されている。混練用セグメント10Aは、軸垂直方向に切断したときに略楕円形状の断面を有し、楕円の長径に沿った両端側に2つの混練フライト11Aを有している。混練ロータ3が回転すると、これらの混練フライト11A,11Aは、混練フライト11Aの頂面(先端)がバレル2の円通孔4の内周面をかすめるように回転する。これにより、混練フライト11A,11Aは、バレル2に付着した材料を残さず掻き取って材料を混練するようになっている。
図2を参照しながら、本実施形態に係るロータセグメント10Aの構成について説明する。図2は、一対の混練ロータ3,3に備えられた、隣り合うロータセグメント10A,10Aを示す断面図である。図2の断面図は、図1(b)と同様に、バレル2及び隣り合うロータセグメント10A,10Aを軸垂直方向に切断したときの断面を示している。尚、説明の便宜上、ハッチングは省略する。
図2に示すように、ロータセグメント10Aは柱状の部材であり、スプライン軸6に固定された状態において、軸垂直方向に切断したときの断面が略楕円形状(ラグビーボール形状(prolate spheroid)の断面形状)となるように形成されている。よってロータセグメント10Aの外観形状は、凸面によって構成されている。
図2に示すように、ロータセグメント10Aは柱状の部材であり、スプライン軸6に固定された状態において、軸垂直方向に切断したときの断面が略楕円形状(ラグビーボール形状(prolate spheroid)の断面形状)となるように形成されている。よってロータセグメント10Aの外観形状は、凸面によって構成されている。
ロータセグメント10Aの当該断面における中央にはスプライン軸6を挿通可能な挿通孔(図示せず)が軸方向に沿って形成されている。
図2に示す略楕円形状の断面において、略楕円形状の長軸の長さを長径としたときの長径の半分は符号cで表され、ロータセグメント10Aの外径と呼ぶ。また、略楕円形状の短軸の長さを短径としたときの短径の半分は符号aで表され、ロータセグメント10Aの谷径と呼ぶ。長軸と短軸の交点は符号dで表されており、ロータセグメント10Aの軸心であると共に、スプライン軸6の軸心でもある。ロータセグメント10Aの谷径aを、バレル2の円通孔4の内壁面まで延長したときの距離、すなわち、谷径aの延長線上におけるロータセグメント10Aの表面から円通孔4の内壁面までの距離は符号bで表される。バレル2の円通孔4の半径(曲率半径)を符号rで表すと、半径rは、谷径aと距離bの和(r=a+b)で表される。
図2に示す略楕円形状の断面において、略楕円形状の長軸の長さを長径としたときの長径の半分は符号cで表され、ロータセグメント10Aの外径と呼ぶ。また、略楕円形状の短軸の長さを短径としたときの短径の半分は符号aで表され、ロータセグメント10Aの谷径と呼ぶ。長軸と短軸の交点は符号dで表されており、ロータセグメント10Aの軸心であると共に、スプライン軸6の軸心でもある。ロータセグメント10Aの谷径aを、バレル2の円通孔4の内壁面まで延長したときの距離、すなわち、谷径aの延長線上におけるロータセグメント10Aの表面から円通孔4の内壁面までの距離は符号bで表される。バレル2の円通孔4の半径(曲率半径)を符号rで表すと、半径rは、谷径aと距離bの和(r=a+b)で表される。
ここで、バレル2の円通孔4の半径rはロータセグメント10Aの外径cより若干大きく、(r>c)の関係が成立する。このとき、半径rと外径cとの差(r-c)は、バレル2と混練フライト11Aのクリアランスである。また、2つの円通孔4,4の中心軸同士の軸間距離Lは、ロータセグメント10Aの谷径aと外径cの和よりも若干大きく、(L>a+c)の関係が成立する。このとき、軸間距離Lと、谷径a及び外径cの和(a+c)との差は、セグメント間のクリアランスである。
このような形状によって、ロータセグメント10Aは、外径方向に沿って径外側に向かって突出する混練フライト11Aを少なくとも2つ有する。
ロータセグメント10Aは、上述の断面形状を有する柱状の部材であるので、軸方向に沿ったいずれの位置において軸垂直方向に切断したときの断面も、上で説明した断面と同様の形状である。しかし、ロータセグメント10Aの表面には、2つの混練フライト11A,11Aがドリルの刃のように螺旋状に形成されている。つまり、2つの混練フライト11A,11Aは軸方向に沿って連続的にねじれて螺旋状に形成されているため、ロータセグメント10Aは、ドリルの刃のような外観形状を有している。ただし、一つのロータセグメント10Aの表面に形成された混練フライト11Aは、ドリルの刃とは異なり、軸方向に沿って軸心dを中心に例えば360°や720°もねじれるものではない。混練フライト11Aのねじれは、例えば、0°~180°程度である。
ロータセグメント10Aは、上述の断面形状を有する柱状の部材であるので、軸方向に沿ったいずれの位置において軸垂直方向に切断したときの断面も、上で説明した断面と同様の形状である。しかし、ロータセグメント10Aの表面には、2つの混練フライト11A,11Aがドリルの刃のように螺旋状に形成されている。つまり、2つの混練フライト11A,11Aは軸方向に沿って連続的にねじれて螺旋状に形成されているため、ロータセグメント10Aは、ドリルの刃のような外観形状を有している。ただし、一つのロータセグメント10Aの表面に形成された混練フライト11Aは、ドリルの刃とは異なり、軸方向に沿って軸心dを中心に例えば360°や720°もねじれるものではない。混練フライト11Aのねじれは、例えば、0°~180°程度である。
本実施形態によるロータセグメント10Aは、上述のような断面形状において、バレル2の空洞である円通孔4の曲率半径rに対する谷径aの比(a/r)が0.6以下(a/r≦0.6)であることを特徴とする。
ここで、ロータセグメント10Aの外径cは、バレル2と混練フライト11Aのクリアランス分だけ、円通孔4の半径rよりも短いが、このクリアランスは、半径rに対して非常に小さい。よって、外径cが半径rにほぼ等しいとすれば、ロータセグメント10Aは、上述のような断面形状において、外径cに対する谷径aの比(a/c)が0.6以下(a/c≦0.6)であることを特徴とするともいえる。
ここで、ロータセグメント10Aの外径cは、バレル2と混練フライト11Aのクリアランス分だけ、円通孔4の半径rよりも短いが、このクリアランスは、半径rに対して非常に小さい。よって、外径cが半径rにほぼ等しいとすれば、ロータセグメント10Aは、上述のような断面形状において、外径cに対する谷径aの比(a/c)が0.6以下(a/c≦0.6)であることを特徴とするともいえる。
尚、ロータセグメント10Aを挿通するスプライン軸6の半径をDとしたとき、ロータセグメント10Aの谷径aは、a>Dの関係を満たす必要がある。したがって、円通孔4の曲率半径rに対する谷径aの比は、(a/r)>(D/r)である。
このように、本実施形態によるロータセグメント10Aは、バレル2の円通孔4の曲率半径r及びロータセグメント10Aの外径cに対する谷径aの大きさが所定値以下に規定されていることを特徴の一つとしている。半径rや外径cに対する谷径aの割合が所定の大きさよりも小さいことにより、バレル2とロータセグメント10Aの谷部との間の空間を大きくとることができる。これによって、混練される材料において伸長度合いの高い流れを増大させることができる。
本実施形態では、上述のような構成のロータセグメント10Aを、スプライン軸6の軸方向に連続して例えば6個並べることで混練ロータ3の混練部7が構成されている。6個のロータセグメント10Aは、軸心周りの取り付け角度を変えながらスプライン軸6に取り付けられており、それぞれの螺旋状の混練フライト11A,11Aが上流側のロータセグメント10Aから下流側のロータセグメント10Aにかけて連続するようになっている。これによって、上流側のロータセグメント10Aから下流側のロータセグメント10Aにかけて、ドリルの刃のように軸心dを中心に例えば、360°や720°ねじれた混練フライト11Aが形成され、混練部7が形成される。
この混練部7を有する一対の混練ロータ3,3を円通孔4,4のそれぞれに挿通する際には、一対の混練ロータ3,3が互いに接触しないように、送り部8、混練部7、及び押出部9を噛み合わせなくてはならない。
図2に示すように、一対の混練ロータ3,3の混練部7,7のそれぞれは、軸垂直方向に切断したときのロータセグメント10A,10Aのそれぞれの断面における各長径が、互いに対して略垂直となるように噛み合わされる。これによって、一対の混練ロータ3,3が時計回りに同じ速度で回転する限り、ロータセグメント10A,10Aの各長径は常に互いに対して略垂直となる。
図2に示すように、一対の混練ロータ3,3の混練部7,7のそれぞれは、軸垂直方向に切断したときのロータセグメント10A,10Aのそれぞれの断面における各長径が、互いに対して略垂直となるように噛み合わされる。これによって、一対の混練ロータ3,3が時計回りに同じ速度で回転する限り、ロータセグメント10A,10Aの各長径は常に互いに対して略垂直となる。
図4を参照して、本実施形態によるロータセグメント10Aを用いた場合の効果を説明する。図4は、バレル2の円通孔4の半径rに対する谷径aの比(a/r)に対する「FN>0.7体積割合(%)」を表すグラフである。
ここで、「FN>0.7体積割合(%)」は、FN(フローナンバー)が0.7を超えるような伸長流れを起こす材料の、全材料中における体積割合を示す値である。なお、FN(フローナンバー)は、流れ場の伸長度合いを示す指標であり、次の式(1)で定義される。
FN=(|相当ひずみ速度|)/(|相当ひずみ速度|+|渦度|)・・・(1)
式(1)の定義によって、FN=0は純回転、FN=1は純伸長、FN=0.5は純せん断であることを示すことができる。よって、FN>0.7の体積割合が高いということは、全材料中において伸長度合いの高い流れが起きていることを示しているといえる。
ここで、「FN>0.7体積割合(%)」は、FN(フローナンバー)が0.7を超えるような伸長流れを起こす材料の、全材料中における体積割合を示す値である。なお、FN(フローナンバー)は、流れ場の伸長度合いを示す指標であり、次の式(1)で定義される。
FN=(|相当ひずみ速度|)/(|相当ひずみ速度|+|渦度|)・・・(1)
式(1)の定義によって、FN=0は純回転、FN=1は純伸長、FN=0.5は純せん断であることを示すことができる。よって、FN>0.7の体積割合が高いということは、全材料中において伸長度合いの高い流れが起きていることを示しているといえる。
ここで、図4に戻って、丸印M1は、(a/r>0.6)である従来型ロータセグメントを用いたときの実験データを示している。この従来型ロータセグメント(a/r≒0.638)を用いたときの「FN>0.7体積割合(%)」は、約8.00%である。また、図4は、白い丸印によれば、(a/r≒0.65)前後のロータセグメントでは、「FN>0.7体積割合(%)」が約8.00%程度にしかならないことを示している。
このような従来型ロータセグメントによる「FN>0.7体積割合(%)」(約8.00%)を基準にして、本実施形態によるラグビーボール形状のロータセグメント10Aの実験データを参照する。
図4は、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Aを用いたときの実験データを、白い丸印M2で示している。丸印M2によれば、「FN>0.7体積割合(%)」が8.50%を超える値を示しており、従来型ロータセグメントよりも高い「FN>0.7体積割合(%)」を得ている。よって、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Aを用いると、従来型ロータセグメントよりも伸長度合いの高い流れを起こせることが示されている。
図4は、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Aを用いたときの実験データを、白い丸印M2で示している。丸印M2によれば、「FN>0.7体積割合(%)」が8.50%を超える値を示しており、従来型ロータセグメントよりも高い「FN>0.7体積割合(%)」を得ている。よって、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Aを用いると、従来型ロータセグメントよりも伸長度合いの高い流れを起こせることが示されている。
さらに、図4は、本実施形態による(a/r≒0.537)のロータセグメント10Aを用いたときの実験データを、白い丸印M3で示している。白い丸印M3によれば、「FN>0.7体積割合(%)」が9.00%を超える値を示している。よって、本実施形態による(a/r≒0.537)のロータセグメント10Aを用いると、さらに伸長度合いの高い流れを起こせることが示されている。
以上のように、条件(a/r≦0.6)や条件(a/c≦0.6)を満たす本実施形態のロータセグメント10Aを用いれば、従来と比べて、混練材料中に伸長度合いの高い流れを増大させることができる。
以上のように、条件(a/r≦0.6)や条件(a/c≦0.6)を満たす本実施形態のロータセグメント10Aを用いれば、従来と比べて、混練材料中に伸長度合いの高い流れを増大させることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、混練用セグメント10Aとは異なる構成の混練用セグメント10Bを用いる点で、第1実施形態とは異なる。本実施形態のその他の構成は、第1実施形態と同様である。以下、本実施形態による混練用セグメント10Bの構成について説明する。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、混練用セグメント10Aとは異なる構成の混練用セグメント10Bを用いる点で、第1実施形態とは異なる。本実施形態のその他の構成は、第1実施形態と同様である。以下、本実施形態による混練用セグメント10Bの構成について説明する。
図3は、一対の混練ロータ3,3に備えられた、隣り合うロータセグメント10B,10Bを示す断面図である。図3の断面図は、第1実施形態における図2と同様に、バレル2及び隣り合うロータセグメント10B,10Bを軸垂直方向に切断したときの断面を示している。尚、説明の便宜上、ハッチングは省略する。
図3に示すように、ロータセグメント10Bは、スプライン軸6に固定された状態において、軸垂直方向に切断したときの断面が略S字状となるように形成された柱状の部材である。図3に示すロータセグメント10Bの断面は、図2に示す略楕円形状のロータセグメント10Aの断面の一部を切り欠いた形状を有しており、略楕円形状における長軸及び短軸を有する形状となっている。本実施形態による混練用セグメント10Bは、第1実施形態による混練用セグメント10Aと同様に、長軸に沿った両端側に2つの混練フライト11B,11Bを有している。
図3に示すように、ロータセグメント10Bは、スプライン軸6に固定された状態において、軸垂直方向に切断したときの断面が略S字状となるように形成された柱状の部材である。図3に示すロータセグメント10Bの断面は、図2に示す略楕円形状のロータセグメント10Aの断面の一部を切り欠いた形状を有しており、略楕円形状における長軸及び短軸を有する形状となっている。本実施形態による混練用セグメント10Bは、第1実施形態による混練用セグメント10Aと同様に、長軸に沿った両端側に2つの混練フライト11B,11Bを有している。
図3に示すロータセグメント10Bの断面形状は、スプライン軸6に関して対称な輪郭を有していると言える。つまり、当該断面形状は、スプライン軸6に関して対称に2つの同じ形状の輪郭を有している。各輪郭は、凸部と凹部で構成されている。ロータセグメント10Bは、図3の紙面に向かって時計回りに回転し、凸部が回転方向側を向き、且つ凹部が反回転方向側を向くようになっている。ここで、凸部と凹部は滑らかに連続しており、凸部から凹部への変わり目で段差などにより不連続とならないようになっている。言い換えれば、凸部を形成する凸状曲線と凹部を形成する凹状曲線とからなる当該輪郭は、変曲点を有しているといえる。
ロータセグメント10Bの外観形状において、このような凸部は凸面を構成し、凹部は凹面を構成する。このことを踏まえて、図3を再び参照すると、混練フライト11Bの回転方向側は凸面で構成され、反回転方向側は凹面で構成されているといえる。つまり、2つの混練フライト11B,11B間を結ぶ外表面が、一方の混練フライト11B側から他方の混練フライト11B側に向かって凸面と凹面で構成されているともいえる。
なお、ロータセグメント10Bの当該断面における中央にはスプライン軸6を挿通可能な挿通孔(図示せず)が軸方向に沿って形成されている。
図3に示すロータセグメント10Bの断面において、長軸の長さを長径としたときの長径の半分は符号cで表わされ、ロータセグメント10Bの外径と呼ぶ。また、短軸の長さを短径としたときの短径の半分は符号aで表わされ、ロータセグメント10Bの谷径と呼ぶ。長軸と短軸の交点は符号dで表されており、ロータセグメント10Bの軸心であると共に、スプライン軸6の軸心でもある。ロータセグメント10Bの谷径aをバレル2の円通孔4の内壁面まで延長したときの距離、すなわち、谷径aの延長線上におけるロータセグメント10Bの表面から円通孔4の内壁面までの距離は符号bで表わされ、バレル2の円通孔4の半径(曲率半径)は符号rで表わされる。このとき、半径rは、谷径aと距離bの和(r=a+b)で表される。
図3に示すロータセグメント10Bの断面において、長軸の長さを長径としたときの長径の半分は符号cで表わされ、ロータセグメント10Bの外径と呼ぶ。また、短軸の長さを短径としたときの短径の半分は符号aで表わされ、ロータセグメント10Bの谷径と呼ぶ。長軸と短軸の交点は符号dで表されており、ロータセグメント10Bの軸心であると共に、スプライン軸6の軸心でもある。ロータセグメント10Bの谷径aをバレル2の円通孔4の内壁面まで延長したときの距離、すなわち、谷径aの延長線上におけるロータセグメント10Bの表面から円通孔4の内壁面までの距離は符号bで表わされ、バレル2の円通孔4の半径(曲率半径)は符号rで表わされる。このとき、半径rは、谷径aと距離bの和(r=a+b)で表される。
ここで、バレル2の円通孔4の半径rは、ロータセグメント10Bの外径cより若干大きく、(r>c)の関係が成立する。このとき、半径rと外径cとの差(r-c)は、バレル2と混練フライト11Bのクリアランスである。また、2つの円通孔4,4の中心軸同士の軸間距離Lは、ロータセグメント10Bの谷径aと外径cの和よりも若干大きく、(L>a+c)の関係が成立する。このとき、軸間距離Lと、谷径a及び外径cの和(a+c)との差は、セグメント間クリアランスである。
このような形状によって、ロータセグメント10Bは、外径方向に沿って径外側に向かって突出する混練フライト11Bを少なくとも2つ有する。
ロータセグメント10Bは、上述の断面形状を有する柱状の部材であるので、軸方向に沿ったいずれの位置において軸垂直方向に切断した断面も、上で説明した断面と同様の略S字状となる。しかし、ロータセグメント10Bの表面には、2つの混練フライト11B,11Bがドリルの刃のように螺旋状に形成されている。つまり、2つの混練フライト11B,11Bが軸方向に沿って連続的にねじれて螺旋状に形成されているため、ロータセグメント10Bは、ドリルの刃のような外観形状を有している。ただし、一つのロータセグメント10Bの表面に形成された混練フライト11Bは、ドリルの刃とは異なり、軸方向に沿って軸心dを中心に例えば、360°や720°ねじれるものではない。混練フライト11Bのねじれは、例えば、0°~180°程度である。
ロータセグメント10Bは、上述の断面形状を有する柱状の部材であるので、軸方向に沿ったいずれの位置において軸垂直方向に切断した断面も、上で説明した断面と同様の略S字状となる。しかし、ロータセグメント10Bの表面には、2つの混練フライト11B,11Bがドリルの刃のように螺旋状に形成されている。つまり、2つの混練フライト11B,11Bが軸方向に沿って連続的にねじれて螺旋状に形成されているため、ロータセグメント10Bは、ドリルの刃のような外観形状を有している。ただし、一つのロータセグメント10Bの表面に形成された混練フライト11Bは、ドリルの刃とは異なり、軸方向に沿って軸心dを中心に例えば、360°や720°ねじれるものではない。混練フライト11Bのねじれは、例えば、0°~180°程度である。
本実施形態によるロータセグメント10Bは、上述のような断面形状において、バレル2の空洞である円通孔4の曲率半径rに対する谷径aの比(a/r)が0.6以下(a/r≦0.6)であることを特徴とする。
ここで、第1実施形態と同様に外径cが半径rにほぼ等しいとすれば、ロータセグメント10Bは、上述のような断面形状において、外径cに対する谷径aの比(a/c)が0.6以下(a/c≦0.6)であることを特徴とするともいえる。
ここで、第1実施形態と同様に外径cが半径rにほぼ等しいとすれば、ロータセグメント10Bは、上述のような断面形状において、外径cに対する谷径aの比(a/c)が0.6以下(a/c≦0.6)であることを特徴とするともいえる。
尚、ロータセグメント10Bを挿通するスプライン軸6の半径をDとしたとき、ロータセグメント10Bの谷径aは、a>Dの関係を満たす必要がある。したがって、円通孔4の曲率半径rに対する谷径aの比は、(a/r)>(D/r)である。
このように、本実施形態によるロータセグメント10Bは、バレル2の円通孔4の曲率半径r及びロータセグメント10Bの外径cに対する谷径aの大きさが規定されていることを特徴の一つとしている。また、この特徴に加えて、滑らかに連続する凸面と凹面とでロータセグメント10Bの外径形状を構成することで、混練フライト11Bの回転方向側を凸面で構成し、反回転方向側を凹面で構成することを特徴としている。
反回転方向側を凹面で構成することによって、混練フライト11Bの反回転方向側においてバレル2とロータセグメント10Bとの間に大きな空間を確保することができ、多くの混練材料を当該空間に含むことができる。これに加えて、半径rや外径cに対する谷径aを所定の大きさよりも小さくすることで、当該空間にさらに多くの混練材料を含むことができる。これによって混練時間を増大させることができ、流体が、伸長度合いの高い部分を通る確率を増大させることができる。
図4を参照して、本実施形態によるロータセグメント10Bを用いた場合の効果を説明する。図4は、第1実施形態で説明したように「FN>0.7体積割合(%)」を表すグラフである。
図4は、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Bを用いたときの3つの実験データを、3つの菱形の角印M4で示している。これら3つの角印M4は、バレル2と混練フライト11Bのクリアランスを3通りに変化させて実験した結果を示している。いずれの角印M4においても、「FN>0.7体積割合(%)」が9.00%前後である。従来型ロータセグメント(a/r=0.650)に関して菱形の角印で示された実験データにおいては、「FN>0.7体積割合(%)」が約8.00%であり、本実施形態の「FN>0.7体積割合(%)」の方が高い。よって、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Bを用いると、従来型ロータセグメントよりも伸長度合いの高い流れを起こせることが示されている。
図4は、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Bを用いたときの3つの実験データを、3つの菱形の角印M4で示している。これら3つの角印M4は、バレル2と混練フライト11Bのクリアランスを3通りに変化させて実験した結果を示している。いずれの角印M4においても、「FN>0.7体積割合(%)」が9.00%前後である。従来型ロータセグメント(a/r=0.650)に関して菱形の角印で示された実験データにおいては、「FN>0.7体積割合(%)」が約8.00%であり、本実施形態の「FN>0.7体積割合(%)」の方が高い。よって、本実施形態による(a/r≒0.567)のロータセグメント10Bを用いると、従来型ロータセグメントよりも伸長度合いの高い流れを起こせることが示されている。
さらに、図4は、本実施形態による(a/r≒0.537)のロータセグメント10Bを用いたときの3つの実験データを、3つの菱形の角印M5で示している。これら3つの角印M5も、バレル2と混練フライト11Bのクリアランスを3通りに変化させて実験した結果を示している。いずれの角印M5も、「FN>0.7体積割合(%)」が9.00%~9.50%前後であり、さらに伸長度合いの高い流れを起こせることが示されている。
以上のように、(a/r≦0.6)や(a/c≦0.6)を満たすと共に、凸面と凹面で構成された混練フライト11Bを有する本実施形態のロータセグメント10Bを用いれば、従来と比べて、混練材料中に伸長度合いの高い流れを大幅に増大させることができる。
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が採用されている。
例えば、第1実施形態によるロータセグメント10A及び第2実施形態ロータセグメント10Bの断面形状は、上下左右に対称、又は回転対称であった。しかし、断面形状は、必ずしも対称形状に限定されず、2つの混練フライトが互いに異なる形状となるように形成されてもよい。特に、第2実施形態によるロータセグメント10Bの2つの混練フライト11Bにおける各凹面は、互いに異なる曲率となるように形成されても構わない。
また、第1実施形態及び第2実施形態において、一対のロータセグメント10A及びロータセグメント10Bは、セグメント間のクリアランスが一定となる完全噛合となるように構成されている。しかしながら、ロータセグメント10A及びロータセグメント10Bの凸面の曲率や谷径を任意に変化させることによって、セグメント間のクリアランスが所望の大きさとなるように変化するものであってもよい。つまり、一対のロータセグメント10A及びロータセグメント10Bは、必ずしも完全噛合である必要はない。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能である。本出願は2011年12月14日出願の日本特許出願(特願2011-273488)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
1 2軸押出機
2 バレル
3 混練ロータ
4 円通孔
5 ホッパ
6 スプライン軸
7 混練部
8 送り部
9 押出部
10A,10B 混練用セグメント
11A,11B 混練フライト
2 バレル
3 混練ロータ
4 円通孔
5 ホッパ
6 スプライン軸
7 混練部
8 送り部
9 押出部
10A,10B 混練用セグメント
11A,11B 混練フライト
Claims (4)
- 内部に空洞を有するバレルに回転自在に収容される一対の混練スクリュのそれぞれに設けられて、前記混練スクリュとともに同方向に回転して前記バレルの前記空洞内に供給される材料を混練する混練用セグメントであって、
径方向外側に向かって突出する混練フライトを少なくとも2つ有し、前記バレルの前記空洞の曲率半径に対する谷径の比が、0.6以下であることを特徴とする混練用セグメント。 - 前記混練フライト間を接続する外表面が、一方の混練フライト側から他方の混練フライト側に向かって凸面と凹面とで構成され、
前記凸面が、前記混練用セグメントの回転方向を向いていることを特徴とする請求項1に記載の混練用セグメント。 - 前記混練フライトは、前記混練スクリュの軸方向に沿って連続的に螺旋状に形成され、
前記混練スクリュの軸方向に垂直な断面の形状が一定であることを特徴とする請求項1に記載の混練用セグメント。 - 前記混練スクリュの軸方向に垂直な断面において、前記混練フライト間を接続する外表面の凸面と凹面とが連続していることを特徴とする請求項1に記載の混練用セグメント。
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