(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バレル内で噛合回転する２軸スクリューにより樹脂原料を混練溶融して押出成形する２軸押出機における前記バレル内部の樹脂状態を計測する方法であって、
前記バレルの、軸方向位置の少なくとも１個所における当該軸方向に垂直な断面上において、少なくとも前記樹脂の圧力または温度の一方を複数の所定角位置にて検知する計測手段を用意する第１のステップと、
前記２軸スクリューによる混練溶融中であって、当該２軸スクリューが複数回連続して回転している間、前記第１のステップで用意された計測手段を用いて前記樹脂の圧力および／または温度を計測する第２のステップと、
同第２のステップで得られる計測値データをコンピュータシステムへ入力して、前記複数の所定角位置に対応する樹脂圧力および／または温度分布並びにこれらに関連する所要の樹脂特性データを演算出力する第３のステップ、
からなることを特徴とする２軸押出機のバレル内部状態計測方法。
【請求項２】
バレル内で噛合回転する２軸スクリューにより樹脂原料を混練溶融して押出成形する２軸押出機において、
前記バレルの軸方向位置の少なくとも１個所における当該軸方向に垂直な断面上において、少なくとも前記樹脂の圧力または温度の一方を複数の所定角位置にて検知する圧力および／または温度センサと、
前記各所定角位置に対応するスクリュー回転位置を設定する位置センサと、
前記各センサからの計測値データおよび設定信号を連続的に処理するマルチプレクサおよび信号処理器を含み、さらに演算ＣＰＵ、内部メモリ、出力ディスプレイおよび／またはプリンタからなるコンピュータシステムを備え、前記２軸スクリューが複数回連続して回転している間に生成される前記計測値データを前記コンピュータシステムに入力することにより、前記複数の所定角位置における圧力および／または温度分布並びにこれらに関連する所要の樹脂特性データをディスプレイおよび／またはプリンタへ出力するように構成することを特徴とする２軸押出機の内部状態計測装置。
【請求項３】
圧力および／または温度を計測するバレルの軸方向位置は、バレル内におけるスクリュー軸のニーディング部を含む位置に対応する前記バレル部分に設定してなる請求項２記載の２軸押出機の内部状態計測装置。
【請求項４】
圧力および／または温度を計測するバレル軸方向に垂直な断面上の複数の所定角位置は、バレル内の２軸スクリュー噛合部近傍の位置を含むように設定してなる請求項２記載の２軸押出機の内部状態計測装置。
【請求項５】
圧力および／または温度分布の出力表示は、圧力および／または温度計測値の平均値、最大値、最小値およびこれらのスクリュー回転毎の変動幅の代表値を数値表示するように構成してなる請求項２記載の２軸押出機の内部状態計測装置。
【請求項６】
さらに、スクリュー駆動用モータの負荷電流および電圧、バレル温調器のヒータ出力および冷却水流量を含む押出機運転状態データの１つ以上を、前記コンピュータシステムに入力するように構成してなる請求項２記載の２軸押出機の内部状態計測装置。
【請求項７】
さらに、押出機出口部における溶融樹脂の温度、圧力および色相を含む原料出口状態データの１つ以上を、前記コンピュータシステムに入力するように構成してなる請求項２記載の２軸押出機の内部状態計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、２軸押出機の内部状態、すなわち混練溶融中の原料（樹脂）の挙動を、連続的に計測する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、押出機の内部状態計測は、スクリューの最適設計もしくは運転条件の最適設定のために不可欠である。
【０００３】
しかるに、この種の内部状態計測には、従来より、運転中の押出機を急停止かつ急冷却した上で、スクリューを引抜き（もしくはバレルを２つ割りに分割してスクリューを取出し）、観察する方法、あるいはバレルに透明観察窓を設け、運転中に直接内部状態を観察する方法が採用されている。しかるに、これらの方法は、いずれも以下に述べるような難点を有していた。
【０００４】
すなわち、先ず前者の方法は、押出機が一時的に停止することから、連続的もしくは安定的な計測が不可能であり、また後者の方法は、透明観察窓が壊れやすくかつバレル壁面条件が変動することから、実際的には正確な計測が困難であると同時に、生産機への適用も不適であった。
【０００５】
そこで、本出願人は、先に、前記難点を克服する新規技術を開発し、提案を行った（特開平６−３１７９５号公報参照）。すなわち、前記技術によれば、バレルの軸方向に沿って複数の放射温度計および圧力計を設けることにより、バレル内のスクリュー溝内の原料樹脂の温度および圧力分布をそれぞれ軸方向にグラフィック表示できるように構成されている。従って、本技術によれば、内部状態を連続的かつ良好に計測できると同時に、実験機および生産機の双方に対しても好適に適用し得ることは明らかである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、前記技術（以下、従来技術と称する）は、以下に述べるような基本的難点を有していた。
【０００７】
すなわち、前記従来技術においては、一般的もしくは特定の場合には、前述したように、連続的かつ良好な計測を達成すると同時に、生産機にも好適に適用し得るが、これらは通常の押出機（単軸押出機）に対しては可能であるが、２軸押出機に対しては適用し得ないものであった。そして、混練溶融中の原料樹脂が、単軸押出機においてはバレル内を均質に充満しているが、２軸押出機においては完全には充満せず、空隙が存在すると共に２軸スクリューの関係位置によって混練溶融状態が異なることが、前記の原因であることが判明した。換言すれば、混練溶融中の原料樹脂の内部状態は、バレルの同一断面に関して、単軸押出機においては、バレル内の原料樹脂は均質に充満されているので、断面上任意の一点のみの計測（前記従来技術においては、同一断面に関して１つの温度計および圧力計のみが設けられている）によって、断面上全ての点について把握される。しかし、２軸押出機においては、バレル内の原料樹脂は空隙を有すると共にその角位置によって混練溶融状態を異にするので、断面上任意の一点のみの計測によっては、断面上全ての点については把握し得ないことが判明した。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、２軸押出機に対して連続的かつ良好な計測を達成すると同時に、生産機にも好適に適用することができる、内部状態計測方法および装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
先の目的を達成するために、本発明に係る２軸押出機の内部状態計測方法は、バレル内で噛合回転する２軸スクリューにより樹脂原料を混練溶融して押出成形する２軸押出機における前記バレル内部の樹脂状態を計測する方法であって、前記バレルの、軸方向位置の少なくとも１個所における当該軸方向に垂直な断面上において、少なくとも前記樹脂の圧力または温度の一方を複数の所定角位置にて検知する計測手段を用意する第１のステップと、前記２軸スクリューによる混練溶融中であって、当該２軸スクリューが複数回連続して回転している間、前記第１のステップで用意された計測手段を用いて前記樹脂の圧力および／または温度を計測する第２のステップと、同第２のステップで得られる計測値データをコンピュータシステムへ入力して、前記複数の所定角位置に対応する樹脂圧力および／または温度分布並びにこれらに関連する所要の樹脂特性データを演算出力する第３のステップ、から構成される。
【００１０】
また、前記方法を実施するための発明に係る２軸押出機の内部状態計測装置は、バレル内で噛合回転する２軸スクリューにより樹脂原料を混練溶融して押出成形する２軸押出機において、前記バレルの軸方向位置の少なくとも１個所における当該軸方向に垂直な断面上において、少なくとも前記樹脂の圧力または温度の一方を複数の所定角位置にて検知する圧力および／または温度センサと、前記各所定角位置に対応するスクリュー回転位置を設定する位置センサと、前記各センサからの計測値データおよび設定信号を連続的に処理するマルチプレクサおよび信号処理器を含み、さらに演算ＣＰＵ、内部メモリ、出力ディスプレイおよび／またはプリンタからなるコンピュータシステムを備え、前記２軸スクリューが複数回連続して回転している間に生成される前記計測値データを前記コンピュータシステムに入力することにより、前記複数の所定角位置における圧力および／または温度分布並びにこれらに関連する所要の樹脂特性データをディスプレイおよび／またはプリンタへ出力するように構成される。
【００１１】
その場合、圧力および／または温度を計測するバレルの軸方向位置は、バレル内におけるスクリュー軸のニーディング部を含む位置に対応する前記バレル部分に設けることができる。
さらにその場合、圧力および／または温度を計測するバレルの軸方向に垂直な断面上の複数の所定角位置は、バレル内の２軸スクリュー噛合部近傍の位置を含むように設定することができる。
【００１２】
また、圧力および／または温度分布の出力表示は、圧力および／または温度計測値の平均値、最大値、最小値およびこれらのスクリュー回転毎の変動幅の代表値を数値表示するように構成することができる。
【００１３】
さらに、コンピュータシステムには、信号処理器を介して、さらに、スクリュー駆動用モータの負荷電流および電圧、バレル温調器のヒータ出力および冷却水流量を含む押出機運転状態データの１つ以上を入力し、あるいはさらに、押出機出口部における溶融樹脂の温度、圧力および色相を含む原料出口状態データの１つ以上を入力するように構成することができる。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、混練溶融中の原料樹脂の内部状態を計測する圧力および／または温度センサは、バレルの軸方向に垂直な同一断面上における複数の所定角位置に配置されている。従って、原料樹脂の内部状態は、この原料樹脂がバレル内において空隙を有しかつ同一断面上の複数の所定角位置によって混練溶融状態を異にしていても、前記複数の所定角位置を適切に選定することにより、連続的かつ良好に計測表示することができる。また、生産機に対しても好適に適用することができる。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明に係る２軸押出機の内部状態計測方法の実施例につき、この方法を実施する装置との関係において、以下詳細に説明する。
【００１６】
図１および図２において、先ず２軸押出機１０は、一般的には、ヒータ１２ａを有するバレル１２内で、スクリューが互いに噛合回転するようモータ１４を介して駆動される２つのスクリュー１６（１６Ｌ、１６Ｒ）からなり、そしてこのスクリュー１６により、バレル１２内をホッパ１８から押出機出口部２０方向へ向けて流動する樹脂原料２２を、混練溶融した後、押出成形するように構成されている。
【００１７】
しかるに、本発明においては、前記構成において、そのバレル１２の軸方向位置の少なくとも１個所（スクリュー１６の軸のニーディング部を含む位置に対応するバレル部分）におけるバレル軸方向に垂直な断面上の複数の所定角位置で、（図２を参照して後述される）圧力および温度を計測する圧力、温度センサＰm、ＴmとＰnとＴn（図１においては軸方向位置Ｍ、Ｎの２個所に設定されている）と、前記複数の所定角位置に対応するスクリュー１６の回転位置を設定するようにスクリュー駆動軸の一部に取付けられる位置センサ２４と、さらに演算ＣＰＵ３２、内部メモリ３４、出力ディスプレイ３６、プリンタ３８を含むコンピュータシステム３０とを設ける。なお、前記位置センサ２４からはスクリュー１６が前記設定された回転位置にきたとき設定信号を出力するようになっている。
【００１８】
そして、スクリュー１６による混練溶融中であって、当該スクリュー１６が複数回連続して回転している間に生成する前記計測および設定信号Ｐａ、Ｔａ、２４ａを、前記コンピュータシステム３０を構成するマルチプレクサ２６および信号処理器２８を介して、入力することにより、前記複数の所定角位置での圧力、温度分布（後述する図３および図４を参照して詳述される）およびこれに関連する所要の運転データ等をディスプレイ３６およびプリンタ３８に出力表示するよう構成されている。なお、図中の参照符号４０はＡ／Ｄ変換器、４２は出力インタフェース、４４はブザー、そして４６はフロッピディスクをそれぞれ示し、これらは前記コンピュータシステム３０を構成している。参照符号３２ａは切替信号、３２ｂはトリガ信号をそれぞれ示す。
【００１９】
そこで、前記複数の所定角位置につき説明すると、これらはバレル内の原料樹脂の空隙部もしくは特異状態部等の特定点（言換えれば、原料樹脂の内部状態の把握上、特定されるべき特異点）を、特に（もしくは適切に）含むように設定されている。すなわち、これら複数の所定角位置を例示する図２において、例えば圧力センサＰが挿着される各所定角位置Ａ、Ｂ、Ｃの圧力は、一般的に、強い剪断力が作用する位置Ｃ（両スクリュー１６Ｌ、１６Ｒの噛合部近傍）において最も高く、これから順に位置Ｂへ、さらに位置Ａへと（空隙部が存在する場合は特に）低減されている。なお、これら複数の所定角位置における具体的な圧力、温度分布は、次に詳述される。
【００２０】
すなわち、図３（なお本図は、図１の軸方向位置Ｍにおける実験例であり、原料がポリポロピレンで、スクリュー回転数が１９３．６ｒｐｍの時の多数回転分の重ね書きプリンタ３８の出力を示す）を参照すると、先ず、位置Ｍ１における温度分布Ｔｍ１は、原料樹脂が未溶融であるため低温である（図４の温度分布Ｔｎ２を比較参照）ことを示している。また、両位置Ｍ２、Ｍ３における圧力分布Ｐｍ２、Ｐｍ３は、共に圧力０の領域を有しており、空隙が存在することを示している。前者Ｐｍ２の方がピーク圧力は高いが、圧力の０領域の幅が広いことから、ここでの空隙の度合は、大きいことが理解される。
【００２１】
次に、図４（図１の軸方向位置Ｎにおける図３に対応する実験例である）を参照すると、先ず、位置Ｎ２における温度分布Ｔn2は、原料樹脂温度が溶融点近くまで上昇して溶融が進行していることを示している。また、各位置Ｎ１、Ｎ３、Ｎ４における各圧力分布Ｐn1、Ｐn3、Ｐn4は、いずれも、空隙が解消されて溶融樹脂で均質に充満され、従って圧力が比較的上昇しかつ安定していることを示している。なお、前記複数の所定角位置は、使用される樹脂材料等に対応して任意適宜に選定することができ、また圧力および温度分布の出力表示は、必要に応じて圧力、温度計測値の平均値、最大値、最小値およびこれらのスクリュー回転毎の変動幅の代表値（これらの値は、本発明における樹脂特性データを構成している）を数値表示するように構成することができる。なお、前記図３、図４における各グラフの横軸θはスクリュの回転角を示しており、各図の左端から右端までが１回転に対応している。
【００２２】
このように、本発明によれば、混練溶融中の原料樹脂の内部状態を計測する圧力および／または温度センサが、バレル軸方向に垂直な同一断面上における複数の所定角位置に配置されているので、バレル内部の樹脂圧力や温度の状態を、この原料樹脂がバレル内において空隙を有しかつその複数の所定角位置によって混練溶融状態を異にしていても、前記複数の所定角位置を適切に選定することにより、連続的かつ良好に計測表示することが可能となる。言換えれば、２軸押出機において、スクリューの最適設計および運転条件の最適設定が可能となる。また、生産機に対しても好適に適用されることが可能となる。
【００２３】
次に、本発明は、種々の追加もしくは変更を実施することができる。すなわち、例えば図示されているように、スクリュー駆動用モータ１４の負荷電流、電圧（モータ動力）およびスクリュー回転数、バレル温調器５０のヒータ１２ａの出力および冷却水（図示せず）の流量等を含む押出機の運転状態データの１つもしくはそれ以上を、コンピュータシステム３０を形成する各信号ライン１４ａ、５０ａおよび信号処理器２８を介して入力することができる。なお、この場合、これら各運転状態データと前述した原料樹脂の内部状態とを同時に計測し、演算、表示、記録し、そして対比検討することにより、前記両者（運転条件と内部状態）の関係を的確に把握して、これらを最適化することができる。因みに、スクリュー回転数は、原料樹脂の剪断速度に比例し、モータ動力は原料樹脂に対する負荷エネルギに対応し、バレル温調器負荷は各バレルセクションの熱収支に対応することは明らかである。
【００２４】
また、例えば、同じく図示されているように、押出機出口部２０における溶融樹脂の温度Ｔ０、圧力Ｐ０および色相（図示せず）等を含む原料出口状態データの１つもしくはそれ以上を、コンピュータシステム３０を形成する各信号ライン２０ａ、２０ｂおよび信号処理器２８を介して、入力することができる。この場合、原料樹脂の前記出口および内部状態を同時に計測し、そして表示、記録することにより、前記両者間の関係を的確に把握して製品の品質を向上することができる。因みに、例えば、出口部温度の基準範囲からの逸脱は、樹脂物性の低下を意味し、出口部圧力の不当な変動は、押出し状態の不安定性を意味し、色相の異常な悪化は、混練溶融状態等の不適切さを意味することは明らかである。
【００２５】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内において多くの改良変更が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る２軸押出機の内部状態計測方法および装置は、要約的に説明すると、混練溶融中の原料樹脂の内部状態を計測する圧力および／または温度センサが、バレルの軸方向に垂直な同一断面上における複数の所定角位置に配置されているので、原料樹脂の内部状態を、この原料樹脂がバレル内において空隙を有しかつ前記所定角位置によって混練溶融状態を異にしていても、前記複数の所定角位置を適切に選定することにより、連続的かつ良好に計測表示することが可能となる。言換えれば、２軸押出機において、スクリューの最適設計および運転条件の最適設定を容易に達成することができる。また、生産機に対しても好適に適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２軸押出機の内部状態計測装置の一実施例を示すシステム構成図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１の軸方向位置Ｍにおけるスクリュー多数回転分の重ね書きプリンタの出力状態を示す説明図である。
【図４】図１の軸方向位置Ｎにおける図３に対応するスクリュー多数回転分の重ね書きプリンタの出力状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  ２軸押出機
１２  バレル
１２ａ  ヒータ
１４  モータ
１６  スクリュー
１８  ホッパ
２０  押出機出口部
２２  樹脂材料
２４  位置センサ
２６  マルチプレクサ
２８  信号処理器
３０  コンピュータシステム
３２  ＣＰＵ
３４  内部メモリ
３６  ディスプレイ
３８  プリンタ
４０  Ａ／Ｄ変換器
４２  出力インタフェース
４４  ブザー
４６  フロッピディスク
５０  バレル温調器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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