(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6396953
(24)【登録日】2018年9月7日
(45)【発行日】2018年9月26日
(54)【発明の名称】ニーディングディスク、スクリュエレメント及び押出機
(51)【国際特許分類】
B29B 7/42 20060101AFI20180913BHJP
B29C 47/52 20060101ALI20180913BHJP
【FI】
B29B7/42
B29C47/52
【請求項の数】10
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2016-138524(P2016-138524)
(22)【出願日】2016年7月13日
(65)【公開番号】特開2018-8416(P2018-8416A)
(43)【公開日】2018年1月18日
【審査請求日】2017年5月12日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004215
【氏名又は名称】株式会社日本製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】100123788
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100127454
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 雅昭
(72)【発明者】
【氏名】竹内 貴季
(72)【発明者】
【氏名】中村 素惟
【審査官】
辰己 雅夫
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第2011/078192(WO,A1)
【文献】
特開2005−035212(JP,A)
【文献】
特開2003−211440(JP,A)
【文献】
特開2002−210731(JP,A)
【文献】
特開2001−205625(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B29B 7/00− 7/94
B29C47/00−47/96
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転可能なシャフトに嵌められ、シリンダ内に配置されるニーディングディスクであって、
前記シリンダと対向する外周面は、前記シャフトの軸方向における前記ニーディングディスクの両端間を延び前記シリンダとの間隙が極小となる帯状部を有し、前記帯状部は少なくとも一つの屈曲部を有し、周方向のどの位置でも前記帯状部と前記シリンダの内面との間隔が一定である、ニーディングディスク。
【請求項2】
前記帯状部は、前記軸方向に対して斜めに延びる第1の部分と、前記屈曲部で前記第1の部分と接続され、前記軸方向に関し前記第1の部分と反対方向に斜めに延びる第2の部分と、を有している、請求項1に記載のニーディングディスク。
【請求項3】
前記第1及び第2の部分は直線状に延び、前記第1及び第2の部分が前記軸方向となす鋭角は30度以上である、請求項2に記載のニーディングディスク。
【請求項4】
前記第1及び第2の部分は曲線状に延びている、請求項2に記載のニーディングディスク。
【請求項5】
請求項1から4のいずれか1項に記載の複数のニーディングディスクが前記軸方向に一体化されたスクリュエレメント。
【請求項6】
前記ニーディングディスクの厚さは前記ニーディングディスクの最大直径の0.05〜2倍であり、前記ニーディングディスクの枚数は2〜30枚である、請求項5に記載のスクリュエレメント。
【請求項7】
前記帯状部が前記屈曲部の付近に形成するポケットは、前記シャフトの回転方向に関し前記屈曲部の前方にある、請求項5または6に記載のスクリュエレメント。
【請求項8】
前記帯状部が前記屈曲部の付近に形成するポケットは、前記シャフトの回転方向に関し前記屈曲部の後方にある、請求項5から6のいずれか1項に記載のスクリュエレメント。
【請求項9】
請求項5から8のいずれか1項に記載の複数のスクリュエレメントと、前記複数のスクリュエレメントが嵌められるシャフトと、前記スクリュが配置されるシリンダと、を有する押出機。
【請求項10】
前記複数のスクリュエレメントは、樹脂原料の搬送方向における上流側に配置された第1のスクリュエレメントと、前記第1のスクリュエレメントの下流側に配置された第2のスクリュエレメントと、前記第2のスクリュエレメントの下流側に配置された第3のスクリュエレメントと、を有し、
前記樹脂原料の搬送方向における上流側から下流側をみたときに、前記第1のスクリュエレメントは、各ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置が、その上流側で隣接する前記ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置に対して、前記シャフトの回転方向の反対方向に0度を超え60度以下の範囲の角度ずれた位置にあり、前記第2のスクリュエレメントは、各ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置が、その上流側で隣接する前記ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置に対して、前記シャフトの回転方向の反対方向に90度ずれた位置にあり、前記第3のスクリュエレメントは、各ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置が、その上流側で隣接する前記ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置に対して、前記シャフトの回転方向に0度を超え60度以下の範囲の角度ずれた位置にある、請求項9に記載の押出機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ニーディングディスクとそれを用いたスクリュエレメント、及び押出機に関し、特にニーディングディスクの構成に関する。
【背景技術】
【0002】
熱可塑性樹脂原料の混合プロセスや脱揮プロセスに用いられる押出機は、シャフトに嵌められたスクリュを有し、スクリュはシャフトの軸方向において、機能別に分割されている。具体的には、樹脂原料の投入部には主に樹脂原料を搬送するためのスクリュが設けられ、その下流側には樹脂原料の可塑化や混練を行うためのスクリュが設けられている。その下流側には混練された樹脂原料をダイに向けて搬送するスクリュが設けられている。このうち、樹脂原料の可塑化や混練を行うためのスクリュは、複数のニーディングディスクがシャフトの軸方向に配列された、いわゆるニーディングディスク型スクリュとされていることが多い。
【0003】
特許文献1には、概ね楕円形の断面形状を有するニーディングディスクが開示されている。このニーディングディスクのシリンダと対向する外周面のうち、長軸上に位置する端面は他の端面と比べてシリンダとの間隙が小さくなっている。このため、長軸上の端面において強い混練作用が得られる。特許文献2には、同様の断面形状を有するニーディングディスクが開示されている。このニーディングディスクでは、長軸上に位置する端面が、シャフトの軸方向に対して傾斜する帯状部となっている。樹脂原料はこの帯状部から、シリンダの周方向だけでなく軸方向の搬送力を受けるため、樹脂原料が複雑に流動し、混練機能が高められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2001−260208号公報
【特許文献2】特開2003−211440号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に記載のニーディングディスクは端面がシャフトの軸方向と平行に延びているため、樹脂原料はほぼスクリュの回転方向に混練される。このため、樹脂原料の動きは比較的単純で、混練機能に改良の余地がある。特許文献2に記載のニーディングディスクは、樹脂原料を帯状部と直交する方向に押し出し、その力の一部がスクリュの回転方向における混練作用を担う。しかし、スクリュの回転方向における混練作用は特許文献1に記載のニーディングディスクと大きな違いはなく、依然として改良の余地がある。
【0006】
本発明は樹脂原料のスクリュの回転方向における混練作用が向上したニーディングディスクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のニーディングディスクは、回転可能なシャフトに嵌められ、シリンダ内に配置される。本発明のニーディングディスクのシリンダと対向する外周面は、シャフトの軸方向におけるニーディングディスクの両端間を延びシリンダとの間隙が極小となる帯状部を有し、帯状部は少なくとも一つの屈曲部を有している。
周方向のどの位置でも帯状部とシリンダの内面との間隔が一定である。帯状部が有する屈曲部のため、樹脂原料は帯状部に沿って複数の方向に押し出され、複雑な混練作用を受ける。
【発明の効果】
【0008】
従って、本発明によれば樹脂原料のスクリュの回転方向における混練能力が向上したニーディングディスクを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】第1の実施形態の押出機の概略正面図である。
【
図2】
図1に示す押出機のニーディングディスクの概略正面図である。
【
図3】
図2に示すニーディングディスクの側面図と外周面の展開図である。
【
図5】第2の実施形態のニーディングディスクの概略正面図である。
【
図6】第3の実施形態のニーディングディスクの外周面の展開図である。
【
図7】実施例と比較例における、樹脂原料の押出量と未溶融樹脂原料の比率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態の押出機は二軸押出機であるが、単軸押出機、多軸押出機にも適用することができる。以下の説明で「軸方向」はシャフトの軸方向を意味する。「軸方向」はスクリュの軸方向、シリンダの軸方向と一致している。「周方向」はスクリュの外周に沿い軸方向と直交する方向を意味する。「周方向」はシャフトの回転方向と、その反対方向を含む。
【0011】
図1は本発明の一実施形態の押出機の断面図を示している。押出機1はシリンダ2と、互いに平行に延びる2本の回転可能なシャフト3(
図1には1本のシャフト3のみを図示)と、シャフト3に嵌められたスクリュ4と、を有している。シャフト3とスクリュ4はシリンダ2内に配置されている。スクリュ4はスプライン継手などの適宜の方法で、シャフト3との相対回転を固定されて、シャフト3に保持されている。シャフト3はモータ(図示せず)によって中心軸3aの周りを方向Rに回転駆動される。樹脂原料はシリンダ2の上流側に設けられた投入部(図示せず)から投入され、シリンダ2内を移送されながら混練され、ダイに接続された出口部(図示せず)から流出する。スクリュ4は軸方向Xに複数のスクリュエレメントに分割されている。投入部と出口部の近傍にはそれぞれ、らせん状に延びるフライト5aが形成された複数の搬送用スクリュエレメント5が設けられ、投入部と出口部の間にはニーディングディスクを備えた複数の混練用スクリュエレメント6が設けられている。本実施形態では3つの混練用スクリュエレメント6a〜6cが設けられているが、混練用スクリュエレメント6の数は3つに限定されない。混練用スクリュエレメント6a〜6cはすべて同じ構成を有している。搬送用スクリュエレメント5は主に樹脂原料を軸方向Xに搬送する機能を有している。混練用スクリュエレメント6は主に樹脂原料を混練する機能を有している。具体的には、混練用スクリュエレメント6は樹脂原料及び樹脂原料と混合される副成分に、大きな圧力とせん断力を作用させる。これらのスクリュエレメント5,6を組み替えることで、様々なプロセスに適したスクリュ構成を実現することができる。
【0012】
図2は、
図1と同じ方向からみた混練用スクリュエレメント6の正面図を示している。個々の混練用スクリュエレメント6は軸方向Xに配列した複数のニーディングディスク7からなっている。複数のニーディングディスク7は軸方向Xに一体化され、一つの混練用スクリュエレメント6を構成している。ニーディングディスク7の厚さ(軸方向X寸法)はニーディングディスク7の最大直径の0.05〜2倍であり、ニーディングディスク7の枚数は2〜30枚である。ただし、1枚のニーディングディスク7が一つのスクリュエレメント6を構成してもよい。ニーディングディスク7の最大半径(上記最大直径の1/2)は、後述する帯状部の外周面のシャフト3の中心からの距離に等しい。
【0013】
図3は個々のニーディングディスク7を示している。
図3(a)は、樹脂原料の投入部側から軸方向Xにみた、ニーディングディスク7の側面図、
図3(b)は、ニーディングディスク7のシリンダ2と対向する外周面の展開図である。
図3(a)において、実線は
図3(b)のニーディングディスク7の軸方向X中央を通るA−A線に沿った断面図を、破線は
図3(b)のニーディングディスク7の軸方向X端部を通るB−B線に沿った断面図を示している。
【0014】
図3(a)に示すように、ニーディングディスク7は概ね楕円形の形状を有している。ニーディングディスク7は、シリンダ2と対向する外周面8を有している。ニーディングディスク7の外周面8は、ニーディングディスク7の軸方向Xにおける両端7a,7b間を延びシリンダ2との間隙が極小となる2つの帯状部9を有している。帯状部9は外周面8のうち、ニーディングディスク7の長軸7c上の互いに対向する2つの位置に設けられている。間隙が極小とは、シリンダ2との間隙が、周方向におけるその前方部と後方部における間隙よりも小さいことを意味する。帯状部9の外周面は、シリンダ2の内面2aと同軸の円弧であり、周方向のどの位置でも、帯状部9とシリンダ2の内面2aとの間隔は一定である。帯状部9は平面であってもよい。ニーディングディスク7の外周面8のうち、2つの帯状部9の間の部分は帯状部9より曲率半径が大きくなっている。
【0015】
図3(b)に示すように、帯状部9は軸方向Xにおける中央部に一つの屈曲部10を有している。屈曲部10は帯状部9の一部とこれに隣接する部分とが0度以外の角度をなす部位である。帯状部9は、軸方向Xに対して斜めに延びる第1の部分9aと、屈曲部10で第1の部分9aと接続され、軸方向Xに関し第1の部分9aと反対方向に斜めに延びる第2の部分9bと、を有している。第1の部分9aと第2の部分9bは直線状の形状をしており、屈曲部10は第1の部分9aと第2の部分9bの交点である。第1の部分9aは軸方向Xの一方の端部7aから回転方向Rと逆方向に延びており、第2の部分9bは回転方向Rと同じ方向に他方の端部7bまで延びている。この結果、帯状部9はシャフト3の回転方向Rに関し帯状部9ないし屈曲部10の前方に、一部を帯状部9で囲まれたポケット11を形成する。
【0016】
第1の部分9aと第2の部分9bは周方向に関し対称形となっている。第1の部分9aが軸方向Xとなす鋭角θ1と第2の部分9bが軸方向Xとなす鋭角θ2は共に30度以上、90度未満であることが望ましい。
【0017】
図4(a)は本実施形態の混練用スクリュエレメント6の、
図4(b)は比較例の混練用スクリュエレメントの、
図3(b)と同様の展開図を示している。
図4では各ニーディングディスク7(比較例については107)について一つの帯状部9(比較例については109)だけを示しているが、他方の帯状部9,109も同様の構成を有している。シャフト3が回転方向Rに回転すると、樹脂原料はスクリュ4とシリンダ2の内面2a(
図3(a)参照)との間でせん断力を受け、可塑化及び混練作用を受ける。特に、スクリュ4とシリンダ2の間隔が狭まる帯状部9,109を通過する際に、樹脂原料は大きなせん断力を受ける。樹脂原料は固定されたシリンダ2の内面2aと回転するスクリュ4との間を、回転するスクリュ4に押され、帯状部9を乗り越えるように流動する。この際、
図4(a)に示す本実施形態のニーディングディスク7では、樹脂原料は矢印で示すように流動する。すなわち、第1の部分9aの近傍にある樹脂原料は、第1の部分9aに接すると、第1の部分9aに沿って、軸方向X中央部(ポケット11の中心部)に向けて、周方向に対して斜めに流動する。第2の部分9bの近傍にある樹脂原料は、第2の部分9bに接すると、第2の部分9bに沿って、軸方向X中央部に向けて、周方向に対して斜めに流動する。第1の部分9aの近傍にある樹脂原料と、第2の部分9bの近傍にある樹脂原料は、軸方向Xに関して互いに反対方向に流動する。屈曲部10の近傍にある樹脂原料は概ね周方向に、軸方向X中央部(ポケット11の中心部)に向けて流動する。この結果、樹脂原料は互いに異なる方向からポケット11に向けて集まり、シャフト3の回転に伴い、ポケット11の奥に向かってさらに移動する。これによって樹脂原料は、強い圧縮力を受ける。
【0018】
図4(b)に示す比較例のニーディングディスク107においては、樹脂原料は直線状に延びる帯状部109によって周方向のせん断力を受けるが、矢印で示すように帯状部109の端部から樹脂原料が逃げやすく、樹脂原料を効率的に捕捉することができない。これに対し本実施形態のニーディングディスク7では、樹脂原料が圧縮されながらポケット11に効率的に集められ、回転方向Rに関しポケット11のすぐ後方にある帯状部9とシリンダ2との間の間隙でさらに強い圧縮作用とせん断作用を受けるため、樹脂原料の混練機能が高められる。
【0019】
隣接するニーディングディスク7においても同様の現象が生じており、樹脂原料は周方向と軸方向Xにせん断力を受け、複雑に流動する。この結果、樹脂原料の可塑化、混練能力が高められる。
【0020】
図3(c)は帯状部の他の実施形態を示している。帯状部19は全体として曲線形状を有しており、屈曲部は軸方向Xに無限に存在している。第1の部分19aと第2の部分19bはともに曲線状に延びている。帯状部19は全体として同じ方向に湾曲しており変曲点を有していない。このため、
図3(b)に示す実施形態と同様、軸方向X中央部の付近に一つのポケット11が形成される。樹脂原料は軸方向X位置に応じて様々な方向にせん断力を受けながら混練される。従って、本実施形態においても高い混練能力が得られる。
【0021】
図3(d)は帯状部のさらに別の実施形態を示している。帯状部29は交互に向きを変える4つの部分(第1〜第4の部分29a〜29d)を有しており、第1の部分29aと第2の部分29bの間、及び第3の部分29cと第4の部分29dの間にそれぞれポケット11が形成されている。第1〜第4の部分29a〜29dは直線状に延びている。第1〜第4の部分29a〜29dが軸方向Xとなす角度(鋭角)θ1〜θ4はすべて同じであるが、互いに異なっていてもよい。本実施形態においても、樹脂原料は軸方向X位置に応じて様々な方向にせん断力を受けながら混練され、高い混練能力が得られる。
【0022】
図2(b)は各ニーディングディスク7における帯状部9の位置を模式的に示している。具体的には樹脂原料の搬送方向に関し上流側から下流側をみたときの、各ニーディングディスクの断面を模式的に示している。帯状部9の角度位置は互いに隣接するニーディングディスク7間で45度異なっている。すなわち、図示のように角度座標θを定義すると、最も左側の第1のニーディングディスク71では帯状部9はθ=90°と270°の位置にあり、ひとつ右側の第2のニーディングディスク72では帯状部9はθ=45°と225°の位置にある。同様に、第3のニーディングディスク73では帯状部9はθ=0°と180°の位置にあり、第4のニーディングディスク74では帯状部9はθ=315°と135°の位置にあり、第5のニーディングディスク75では帯状部9はθ=270°と90°の位置にある。従って、樹脂原料の搬送方向に関し上流側から下流側をみたときに、シャフト3は反時計回り方向Rに回転し、各ニーディングディスク71〜75の帯状部9は、搬送方向に関し下流側に行くに従い時計回り方向に回転するように配置される。この結果、各ニーディングディスク71〜75の帯状部9が全体として、第1のスクリュエレメントの時計回りにらせん状に延びるフライト5aと同様の作用を呈し、樹脂原料を下流側に搬送する。従って、本実施形態の混練用スクリュエレメント6は、樹脂原料を軸方向Xに搬送すると同時に、周方向への樹脂原料の圧縮作用を実現する。
【0023】
本実施形態では各ニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置に対して45度ずれているが、別の角度、例えば30度や60度等の、0度を超え60度以下の範囲の任意の角度ずれていてもよい。具体的には、各ニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置に対して、シャフト3の回転方向Rの反対方向に180/N度(但し、Nは3以上の任意の整数)ずれた位置にあればよい。
【0024】
図5は本発明の第2の実施形態を示す
図1と同様の図である。本実施形態では3つの混練用スクリュエレメントの構成が異なっている。
図5における左側、すなわち樹脂原料の移送方向に関し上流側の混練用スクリュエレメント6を第1のスクリュエレメント61といい、
図5における中央、すなわち樹脂原料の移送方向に関し中央部の混練用スクリュエレメントを第2のスクリュエレメント62といい、
図5における右側、すなわち樹脂原料の移送方向に関し下流側の混練用スクリュエレメントを第3のスクリュエレメント63という。
【0025】
第1のスクリュエレメント61は第1の実施形態の混練用スクリュエレメント6aと同じ構成である。これに対し、第2のスクリュエレメント62は、各ニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置に対して、シャフト3の回転方向Rの反対方向に90度ずれた位置にある。このため、第2のスクリュエレメント62は軸方向Xへの搬送作用を有さない。一方、第3のスクリュエレメント63は第1のスクリュエレメント61と帯状部9の分布が逆になっている。樹脂原料の移送方向に関し上流側から下流側をみたときに、帯状部9は反時計回り方向に分布するため、搬送力は下流から上流側に生じる。第1のスクリュエレメント61では樹脂原料が下流側に向けて搬送され、第3のスクリュエレメント63では樹脂原料が上流側に向けて搬送されるため、樹脂原料に高い圧力が加わり、可塑化、混練能力が一層高められる。第3のスクリュエレメント63は、各ニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置が、その下流側で隣接するニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置に対して、シャフト3の回転方向Rに30度、45度または60度等の、0度を超え60度以下の範囲の任意の角度ずれていればよい。具体的には、各ニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク7の屈曲部10の角度位置に対して、シャフト3の回転方向Rに180/N度(但し、Nは3以上の任意の整数)ずれた位置にあればよい。
【0026】
図6は本発明の第3の実施形態を示す
図3(b)と同様の図である。本実施形態では帯状部9が形成するポケット11は、シャフト3の回転方向Rに関し帯状部9ないし屈曲部10の後方にある。樹脂原料はまずポケット11の裏側にある突起9cに当接し、突起9cから左右に分かれるように流動する。本実施形態では樹脂原料の高い分配作用が得られる。分配作用では樹脂原料に大きなせん断力がかかることはないが、左右に拡散されるため樹脂原料は大きなひずみを受ける。これによっても混練能力が高められる。
【0027】
(実施例)
日本製鋼所製二軸押出機1TEX30αを用いて本実施形態のニーディングディスク7と比較例のニーディングディスクの混練能力を比較した。スクリュ4の直径は30mmとした。樹脂原料として(株)プライムポリマー製ポリプロピレンJ108Mを使用し、二軸押出機への樹脂原料の投入温度は30℃、スクリュ回転数は100rpm、シリンダ設定温度は165℃とした。実施例は
図2に示す実施形態と同様とし、比較例は
図4(b)のニーディングディスク107と同様、帯状部が軸方向Xに直線状に延びる形状とした。
図7に試験結果を示す。横軸はシリンダから1時間あたりに押し出された樹脂原料の量を示し、縦軸は押し出された樹脂原料における未溶融樹脂原料の量を規準化して示している。実線は実施例の近似曲線であり、破線は比較例の近似曲線である。縦軸が1を超えると未溶融樹脂原料が一定量存在し不良と判断した。押出量が増えると未溶融樹脂原料の比率が高くなり、縦軸が1に達したときの押出量が、そのスクリュを用いた場合の可塑化能力の上限値である。近似曲線に基づくと、実施例は比較例と比べ未溶融樹脂原料の比率が1に達するときの押出量が約40%増加している。従って、本発明により単位時間に可塑化可能な樹脂原料の量が増えること、すなわち可塑化能力が高められることが確認された。
【符号の説明】
【0028】
1 押出機
2 シリンダ
3 シャフト
4 スクリュ
5 スクリュエレメント
6,6a〜6c スクリュエレメント
7 ニーディングディスク
8 ニーディングディスクの外周面
9,19,29 帯状部
9a 第1の部分
9b 第2の部分
10 屈曲部
R 回転方向
X 軸方向