(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給ホッパ、少なくとも１つのスクリュ、およびノズルから成る、熱処理したバイオポリマー製造用の蒸解押出機において、それぞれが表面が粗面な１つの穴の配列または穴あき板および少なくとも１つの付随する、かつ、前記穴の配列に対して鋭角で設定され表面が滑らかなヘラ部材（両方併せて「スパチュラ・ポンプ」と定義される）から成り、ヘラ部材が穴の配列の表面上を密接な間隔で通過できるようにした少なくとも１つのスパチュラ・ポンプを前記スクリュと開口部に傾斜壁を備えた前記ノズルの間に配置し、穴の配列または穴あき板に設けられた優れた熱伝達特性を持つ多数の穴のため、これらの穴あき板が、蒸気／冷却水または冷却油（thermo−oil）用のチャネル（channel）を提供することを特徴とする、蒸解押出機。
【請求項２】
供給ホッパ、少なくとも１つのスクリュ、およびノズルから成る、熱処理したバイオポリマー製造用の蒸解押出機において、それぞれが表面が粗面な１つの穴の配列または穴あき板および少なくとも１つの付随する、かつ、前記穴の配列に対して鋭角で設定され表面が滑らかなヘラ部材（両方併せて「スパチュラ・ポンプ」と定義される）から成り、ヘラ部材が穴の配列の表面上を密接な間隔で通過できるようにした少なくとも１つのスパチュラ・ポンプを前記スクリュと開口部に傾斜壁を備えた前記ノズルの間に配置し、スパチュラ・ポンプの渦巻き形構成部品の駆動軸に直交するように配置された、穴あき板上を通過するスパチュラ・アームまたは渦巻アームが、円形断面を有し、円筒形またはその外側に向かって先細りする円錐形のローラ状に形成されることを特徴とする、蒸解押出機。
【請求項３】
穴あき板の上を通過するヘラ部材（100）が、内側から外側に向かって細くなる円錐形の部材であり、それ自身の軸を中心に回転し、その最上部の穴の配列を、相補的に、つまり内側から外側に向かって広がるように設計することを特徴とする、請求項２記載の蒸解押出機。
【請求項４】
供給ホッパ、少なくとも１つのスクリュ、およびノズルから成る、熱処理したバイオポリマー製造用の蒸解押出機において、それぞれが表面が粗面な１つの穴の配列または穴あき板および少なくとも１つの付随する、かつ、前記穴の配列に対して鋭角で設定され表面が滑らかなヘラ部材（両方併せて「スパチュラ・ポンプ」と定義される）から成り、ヘラ部材が穴の配列の表面上を密接な間隔で通過できるようにした少なくとも１つのスパチュラ・ポンプを前記スクリュと開口部に傾斜壁を備えた前記ノズルの間に配置し、前記穴の配列（34）に続いて、帽子の内側の形状の別のリング形状をした穴の配列を配置し、これと一緒に中空スパチュラ空間（20）を形成し、その内部にリング形状をした穴の配列の上を通過する回転ヘラ部材を配置することを特徴とする、蒸解押出機。
【請求項５】
供給ホッパ、少なくとも１つのスクリュ、およびノズルから成る、熱処理したバイオポリマー製造用の蒸解押出機において、それぞれが表面が粗面な１つの穴の配列または穴あき板および少なくとも１つの付随する、かつ、前記穴の配列に対して鋭角で設定され表面が滑らかなヘラ部材（両方併せて「スパチュラ・ポンプ」と定義される）から成り、ヘラ部材が穴の配列の表面上を密接な間隔で通過できるようにした少なくとも１つのスパチュラ・ポンプを前記スクリュと開口部に傾斜壁を備えた前記ノズルの間に配置し、主軸上に最後に、軸にほぼ平行し、流れの方向に広がる穴を持つ円錐形状をした穴の配列（50）を配置し、中空円錐形をした穴の配列（50）によって形成されるスパチュラ空間（54）に、該スパチュラ空間（54）を充填し、かつその内側で穴の配列（50）の開口部（58）の上を通過するヘラ部材（52）を配置することを特徴とする、蒸解押出機。
【請求項６】
供給ホッパ、少なくとも１つのスクリュ、およびノズルから成る、熱処理したバイオポリマー製造用の蒸解押出機において、それぞれが表面が粗面な１つの穴の配列または穴あき板および少なくとも１つの付随する、かつ、前記穴の配列に対して鋭角で設定され表面が滑らかなヘラ部材（両方併せて「スパチュラ・ポンプ」と定義される）から成り、ヘラ部材が穴の配列の表面上を密接な間隔で通過できるようにした少なくとも１つのスパチュラ・ポンプを前記スクリュと開口部に傾斜壁を備えた前記ノズルの間に配置し、スクリュ外径に対するヘラ部材ヘッドおよび／または穴の配列の直径関係が1:2.0〜3.0であることを特徴とする、蒸解押出機。
【請求項７】
供給ホッパおよびノズルを有する、熱処理したバイオポリマー製造用の単軸スクリュ蒸解押出機において、垂直蒸解押出機が多段構造であり、様々なチャンバ容量（G;M;K;W）を提供し、質量流動の方向に圧縮が増加するように適応され、ヘラ部材（130'、130''、130'''）をある角度で配置し、穴の配列板もそれに対応してその寸法が小さくなるようにすることを特徴とする、単軸スクリュ蒸解押出機。
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明は、熱処理バイオポリマーの製造に用いられる供給ホッパと単軸スクリュとノズルを備えた蒸解押出機（cooker−extruder）に関するものであり、さらに実施例では２軸スクリュ押出機に関する。
さらに、本発明は、熱処理された粒状食品、スナック製品、シリアル、または同様の製品を製造するためのバイオポリマーの蒸解押出方法に関する。
（背景技術）
こうした蒸解押出機は知られている（例えば、EP 0 221 918 B1を参照されたい）。
蒸解押出機の一般的説明は、とりわけ、ジャドソン・エム・ハーパー著「食品の押出し」（Judson M.Harper"Extrusion of Foods",1981,CRC Press,Inc.Boca Raton,Florida,USA）およびマーシヤー、リンコ、ハーパー共著「押出し蒸解法」（Mercier,Linko,Harper"Extrusion−Cooking",1989,American Association of Cereal Chemists,Inc.St.Paul,Minnesota,USA）に見出すことができる。
（発明の開示）
バイオポリマーの蒸解押出機に関する必要条件は、次のように要約することができる。すなわち、安定した製造条件によって決定づけられる高い製品品質と結び付いた高い処理能力、優れた均質化（混合、限定された温度発生）、適正な生地の成形性、低投資額、低維持費、柔軟なプロセス設計、そして最後に、特に始動時、取外し時、および掃除時における素早くて簡単な取扱いによる優れた制御性である。
２軸スクリュ押出機に比べて、単軸スクリュ押出機は、本明細書でも提示するように、重大な利点を有する。これは、前者が構造的に複雑で、かなり多くの磨耗部品を必要とし、したがって維持費が高くなるためである。
一方、単軸スクリュ機は柔軟性が低いとみなされ、特に、温度条件の非再現性や不良な混合効果／均質化を批判される。
上記の種類の蒸解押出機において、本発明は、そうした蒸解押出機の動作を意外な方法で、均質化の観点、より均質であるべき最終製品のキメの観点、充分かつ制御可能な膨脹の観点、および質量流量とスクリュ速度の関係を使用する温度の制御性の観点から改善する課題に基づくものである。また、原材料混合物における脂肪分および／または糖分が製品のキメにたびたび及ぼす悪影響を、緩和しなければならない。
本発明によれば、供給ホッパと少なくとも１つのスクリュ、およびノズルを有する熱処理バイオポリマー製造用の蒸解押出機において、穴の配列（matrix of holes）および少なくとも１つの付随するヘラ部材（両方併せて「スパチュラ・ポンプ（spatura−pump）」と定義される）から成る少なくとも１つのスパチュラ・ポンプを、スクリュとノズルの間に配置することによって、この目的は達成される。
単一スパチュラ・ポンプの場合、単軸スクリュ押出機におけるスクリュの押出端（flight ends）は、くさび形（Ｖ字形）に形成すると有利であり、スクリュが穴あき板に対して小さい間隙で回転することができるということを利用する。押出機のスクリュのこのくさび形端部の構造は、特に穴あき板と統合されたときに、本発明による上記の目的を満たすのである。
少なくとも２つのそうしたスパチュラ・ポンプをスクリュとノズルの間に配置することが望ましい。
驚くべきことには、それぞれ１つ若しくはそれ以上のヘラ部材と１枚の穴あき板とから構成される、先に定義した１つまたはそれ以上のスパチュラ・ポンプによって、上述の目的が達成されるのみならず、それによって、すでにヘラの形に成形されたスクリュ・ヘッドを持ち、かつ穴あき板の上を滑るように動く、例えば長さ対直径比が2:1である従来の短い単軸スクリュ押出機を補助することが、達成される。
均質化が改善され、最終製品のキメがより均質になる。生地はノズルからより均等に出てくる。非常に短い滞留時間にもかかわらず（８秒未満）、充分な膨脹を達成しながら、著しくより多くの脂肪分および／または糖分を処理することができる（通常、脂肪分および／または糖分が存在すると、膨脹が著しく低下する）。質量流量とスクリュ速度のプロセス変数の関係による温度の制御性が著しく向上する。つまり、定質量流量でスクリュ速度を上げると、追加スパチュラ・ポンプの無い同様の装置に比べて、生地温度が明らかに高くなり、また逆に質量流量を高めるとその反対になる。それによって、特定の機械的なエネルギ入力を相対的に低くすることが可能になる。スクリュ速度と生地温度の関係は、極めて顕著に直線的に変化する。
少なくとも１つの追加スパチュラ・ポンプによる同一製品品質時の処理能力は、追加スパチュラ・ポンプの無い機械に比べて、最高で100％高くなる。
原料が穴の配列を通過するときに押出機スクリュのセンタ部分になすりつけられるために、半径方向の力が支持され、そしてより優れたセンタリングのために、スクリュと押出機シリンダの接触が回避される。したがって、これらの部品の磨耗が軽減する。
こうしたスパチュラ・ポンプの構成要素は、非常に単純な設計であり、経済的に製造することができ、低い磨耗を受けるだけである。多くのスパチュラ・ポンプ段を次々に配置することによって、製造条件を非常に柔軟に調整することができ、こうして製品の需要に合わせることができる。これらの部品の組立、分解、および掃除は、非常に簡単でかつ早い。流体力学の既知の法則に従って「スパチュラ・ヘッド（spatula head）」（ヘラ表面の幅および穴の配列に対する角度）および「穴の配列（matrix of holes）」（穴の数と直径および板の厚さ）という要素を調整することによって、要求される製造条件（原料の湿度、温度、粘度、滞留時間、ノズル通過のための所要圧力など）に従った無数の特定的構成が得られ、しかもこれが経済的に得られる。
特に、穴あき板の上を滑動する渦巻形（twirling−type）スパチュラ・ポンプのスパチュラ・アームは、突起するか、また回転軸から直交方向に突起することができ、円形の断面を有し、後述するように円筒形または円錐形のローラとして形成することができる。
穴の配列の概念は、媒体と接触する大きな金属表面全体が利用できることを確実にする。従来の押出機構成方法（主に押出機シリンダを介してのみ）における熱伝達能力と比較すると、この大きい表面は、例えば蒸気／冷却水を運搬したり、あるいは穴の配列内に存在するチャネル（channel）内に油を運搬することによる、所望される可能性のあるどのような熱伝達（冷却または加熱）にも非常に有利である。
スパチュラ・ポンプの驚くべき作用により、押出機のスクリュはその機能を、予備圧縮用の簡単な供給スクリュにまで落とすことができることがわかる。
例えば、スパチュラ押出機を縦方向に配置し、原料を強制的に直接多段スパチュラ・ポンプに供給すれば、押出機スクリュを完全に省略することさえ可能である。
ヘラ部材は、共通の主軸を介して相互同士およびスクリュに接続することができる。生地の特性から高圧端部における回転密閉が許される限り、スクリュとは独立して、１つまたはそれ以上のスパチュラ・ポンプ用の駆動装置を持つことさえ可能である。
蒸解押出機は、一連のそうしたスパチュラ・ポンプのみによって構成することができ、その場合、スパチュラ押出機は、主として縦方向に配列しなければならないということは興味深い。こうして、押出機スクリュを完全に省略することができる。
本発明の最も重要な利点は、押出機の部品、特に特定の状況下の押出シリンダ、スクリュ、穴の配列、ヘラ部材、およびノズル等は、鋼、鋳鉄、また食品用途の観点から危険性の無いその他の同様の材料から形成することができるところにある。つまり、硬化や磨耗防止のために、通常用いられている重金属や添加剤を含む必要がない。磨耗のために生じる寸法の変化は、従来の設計に比べ、製造工程、特に生産量に対して無視できる程度の影響しか及ぼさない。従来知られているスクリュ装置では、磨耗によって生じるスクリュとシリンダ間の1mmの何分の１といった間隙の増加が、すでに30〜40％の能力低下を引き起こしたり、生地へのエネルギ入力を受け入れられない値にまで増加することがある。
決定的な利点をもたらす本発明の特殊な設計により、穴の配列は、流入側に凹面として形成することができ、この凹面を補充する対応ヘラ部材は、その真反対側に配置し、その輪郭線に従って設計することができる。
本発明の根拠は上記の製法でもあり、そこでは、押出しの後で、押出ストランドをノズルで成形する前に、最小限２つのスパチュラ・ポンプに通す。
200ないし350kg/時の質量流量と２ないし４秒の滞留時間で、１つのスパチュラ・ポンプ当たりわずか約200cm3の製造量を処理できるようにすることが望ましい。
いわゆるペレット・プレスは公知であり、それは材料を粉末状、粒状または繊維状に圧縮するために使用され、ペレットつまり圧縮粒状物質を生産する。これらは、回転リングのマトリックスによってのみだけでなく、固定リングのマトリックスと回転ツールであるとか、円板形のマトリックスや円錐形あるいは円筒形の圧縮ローラによって、すでに製造されている。しかし、本発明ではペレットの製造を意図していないので、ペレット・プレスは本発明が行なわれた領域とは何の関係もない。このようなペレット・プレスでは、当然その最善を尽くして第１プレス段階を通過した後の圧力の発生を防止しようとする。その目的は結局のところ圧縮造粒であり、蒸解押出機の場合のように、最大可能な均質質量ではない。これは、特定の状況下で、水分の蒸発によって多孔性のさくさくしたキメを生じる。
本発明では、穴の配列から出てきた材料に圧力を掛け、材料を圧縮して流体の塊にする。この塊は、その後、次のスパチュラ段（材料の顕著な流体的特性のため、「ポンプ（pump）」という用語が望ましい）を通過させられ、加工のためにさらなる混合と均質化を達成するため、または材料をノズルから押し出すのに、より高い最終圧力を発生するために、この工程は多数回繰り返すことができる。
実際に重要なことは、前後に据え付けられた２つのスパチュラ・ポンプ相互、若しくは代替的にスパチュラ・ヘッドのように形成された押出機スクリュの端部および穴の配列と別のスパチュラ段との結合動作である。
明らかに、穴の配列の領域で流体化された材料は、振動運動をし始める。これは、例えば、ヘラ部材を通過した後で、排出側で高い圧力を受ける流体化された材料の一部が、穴の配列に逆流するような方法で、達成される。少なくとも、そうした状況を思い描くことができる。
振動運動を生じるゆっくりとした圧力変化は、膜やピストンなど、他の周知の手段を通して起こすことができる。また、偏心スクリュ、脈動、または超音波によって起こすこともできる。
第１「スパチュラ段（spatula−stages）」と第２「スパチュラ段」との間に、まだ圧縮されている材料があり、これはその凝集状態で「ほぼ流体」または「流体」である。つまり、まだ固体粒子若しくはそうした痕跡を含んでいるが、その主相は流体である。
運動の方向からみて、回転スパチュラ・アームの前では高い圧力が形成され、スパチュラ・アームの後では低い圧力となることが望ましい。生地は、振動流動および振動圧力を受ける。この目的のために、10バール（bars）を超える平均圧力が、第１段と第２段の間に維持される。
単段しか存在しない場合には、穴の配列は必ずしもノズルと同一である必要は無い。むしろ、必要な圧力を形成するために、さらに多くの圧力部材およびノズルが必要である。
これらの認識される代替的な効果は、合理的な方法で製品および製法上の要求に関連付けることができる。
スパチュラ表面の形状：これは平面、曲面、または円筒形や球形、あるいは回転する形状であってもよい。「回転」という用語により、例えば叩解機の１軸が回転し、叩解アーム自体（駆動軸に直交するもの）もローラの胴体の形で回転する、渦巻叩解機（twirling beater）を理解することができる。
穴の配列に対するスパチュラ表面の傾斜角度:90度より小さく、０度より大きい値を選択する。小さい角度をとると、処理量が低下し、圧力が高くなる。一方、大きい角度では、処理量がより高くなり、圧力が低下する。最適輸送が望まれる場合、ヘラ表面の表面特性は、特定の条件下では塗膜してでもできるだけ滑らかにする。それによって、滑るとまではいかなくても、低摩擦となる。これに反して、穴の配列はできるだけ粗面であり、これによって高い摩擦が生じる。これはすでに穴によって達成されるが、適切な手段によってさらに高めることができる。
穴あき板若しくは穴の配列の厚さ：選択する厚さが大きければ、流動抵抗が高くなり、材料の剪断レベルが高くなり、エネルギ消費が高くなり、生地の温度も高くなる。厚さが小さければ、全て低くなる。
穴の数：穴の数が多ければ、抵抗が低くなり、穴の配列内の通過流量（through−flow）が高くなる。
穴の直径：直径が大きければ、抵抗が低くなり、処理量が高くなる。直径が小さければ、抵抗が高くなり、穴の配列における製品の剪断／均質化／混合効果が高くなる。
ボア（bores）若しくは穴の配列の断面：これらは、状況に応じて長さに沿って変化させることができる。先細り、幅広がり、または両方の円錐形とすることができる。特殊流動学的効果も考慮することができる。ベンチュリ・ノズル形も可能である。
穴あき板の形状：これは、最も簡単な形状、つまり平面にすることができる。ヘラ部材および所望の製品流動に対応して、例えば、先細りまたは幅広がりの球形または円錐形といった表面形状とすることができる。
ボアの角度：スパチュラ面に対し直角または傾斜、回転軸に対して偏心、または回転の方向に向かってまたは対抗して傾斜した計画された方法で非対称のいずれかとする。
段数（一連のスパチュラ・ポンプ）：これらは、必要な押出し圧力、必要または最大許容滞留時間、材料の加工に必要な機械的エネルギ入力によって選択される。また、必要な場合には、特殊混合および混練機能のために反対方向に運搬する、１つまたはそれ以上のスパチュラ・ポンプの形を取ることもできる。
構造の点で、個別の部材に対する機械的な要求は、通常のスクリュやスリーブに比較して少ない。一方、特定量の磨耗による影響は、1mmの何分の１の変化でさえも製造に著しく影響する従来の押出機の場合ほど、製造状態に悪影響を及ぼさない。
最後に、本発明ではさらに、粒状食品、スナック製品およびシリアルの製造用のバイオポリマーの蒸解押出の方法を提供する。これは、バイオポリマーが２つのスパチュラ段を通過し、ノズル前で圧力を形成した後、ノズルを通過することを特徴とし、この工程を垂直方向に実行することが望ましい。この提案で革命的であるのは、押出機スクリュの使用を完全に省くことができる点である。
提示する説明では、垂直設計であることを特に明示しない場合は、押出機シリンダを水平方向に配置した水平形設計を指す。ヘラ部材のアームは、円形の断面を有することができ、固定することができ（スパチュラまたはスクレーパ）、あるいは穴の配列上で回転することができる。多段の場合、第１段に回転ローラを設けることができる。
この穴あき板上で滑動する部材は、内側から外側に減少する円錐形とすることができ、特定の状況下では、穴の配列をその上側で相補的に整形し、つまり内側から外側に向かって厚くして、それ自体の軸上で回転することもできる。
別の解決法は、フライトの深さとスクリュの直径の関係からみて、スクリュのフライト深さを極端に小さく、例えばわずか1/20から1/50の間にすることである。大半はスクリュを使用しない垂直多段蒸解押出機の場合、材料の流れ方向に増加する圧縮に対応して異なるチャンバ容積とすることができる。これによって、この中に配置するヘラ部材もまた、それに対応してその寸法をより小さく設計される。
また、回転する円筒形のローラに対し垂直方向の主軸を有し、前記ローラが穴の配列上を転がり若しくは、通過する１種のペレット・プレスのように設計することもできる。さらに、この種の型では、ノズルを穴の配列に続けて配置し、ローラまたは同様の部材の前では生地を圧力によって流体化し、ローラの後ろでは穴の配列の流出側で蒸発を生じうる。
この工程は、また、次のように説明することができる。すなわち、スクリュの輸送圧力、押し出される材料の質量流量、押出機内の温度または前記の全てのものを除く押出機の温度、穴の配列またはその上で滑動するヘラ部材の前後の圧力を、スパチュラ・チャンバ内のヘラ部材の後部に低い圧力帯があって、押し出される材料に含まれる流体が蒸発し、そしてヘラ部材の前方の穴あき板の圧力領域では圧力が形成され、流体蒸気、特に水蒸気の流体化が起こるように、選択する。
また、ヘラ部材は、円形または好ましくは穴の配列の表面に鋭角で設定された金属薄板の形状とし、穴あき板の表面によって形成される各スパチュラ・チャンバの前後の表面上を、技術的に実現可能な限り密接な間隔で通過できるようにすることも可能である。さらに、質量流動の方向からみて、前側にある穴の配列で高い摩擦を達成し、それによってスパチュラ・ポンプ段の高い輸送効率を達成するために、ヘラ部材とその前側にある穴の配列との間の間隙は、後側にある穴の配列との間隙に比べて、小さくすることができる。
本発明は、また、記載された請求項の１つに示される方法の２軸スクリュ押出機についての応用に関する。これらは、ずっと短く構成することができ、したがって単純かつ経済的に構成することができる。複雑な混練および混合要素は省くことができる。こうした２軸スクリュ押出機は、結果的に、より優れた均質化、より均等な剪断と熱分布、より優れた磨耗作用、およびより優れた制御性を発揮する。
最後に、本発明は、また、圧力、温度、流体化、および均質化など、蒸解押出に必要な条件を最終的に１つまたはそれ以上のスパチュラ・ポンプ段によって達成することを特徴とする、バイオポリマーの蒸解押出の方法に関する。
以下で、添付の図面を参照しながら、本発明の実施例をさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施例（設計）の略縦断面図である。
図２は、第２実施例の略縦断面図である。
図３は、スパチュラ・ポンプ段の断面図である。
図４は、第３実施例の略縦断面図である。
図５は、図４のスパチュラ・ポンプ段の断面図である。
図６は、左図（Ａ）が第４実施例の断面図であり、右図（Ｂ）が略図である。
図７は、左図（Ａ）が第５実施例の断面図であり、右図（Ｂ）が略図である。
図８は、押出し状態にある生地の関係を示す。
図９は、構造詳細図である。
図10は、上が４つのアームを持つ特殊な実施例の断面図であり、下が上面図である。
図11は、単段配列例を示す。
図12は、ヘラ部材とスクリュ間の様々な寸法関係を持つ実施例（設計）を示す。
図13は、絶対的に新しい原理の可能性を説明する。
図14は、図13に類似した別の実施例を示す。
図15は、先の図と比較した関係の変形を示す。
図16は、２軸スクリュ押出機の略断面図を示す。
（発明を実施するための最良の形態）
図１（最も好適な実施例）に示すように、供給ホッパ14、押出シリンダ12、および運搬スクリュ10は、従来の押出機における既存の部品であるが、本発明によって、スクリュは、現行技術に比較して、異なる機能を割り当てられることが分かる。スクリュ10の軸の延長部に主軸18があり、この上に穴の配列22およびヘラ部材24が設けられている。ヘラ部材24および穴の配列22から成る各組を、「スパチュラ・ポンプ（spatula−pump）」または「スパチュラ段（spatula−stage）」と呼ぶ。第１段は、スクリュのヘッドがくさび形に、つまり０から90度の間の角度に形成されることを前提として、運搬スクリュ10および穴の配列22から構成されると考えることができる。
この実施例では、配列された穴は総じて真っ直ぐである。ヘラ部材24は、プロペラと同様の要素からなり、例えば穴の配列の表面に対して60度の角度で設定され、技術的に実現可能な距離を置いて穴の配列の上を通過する。各配列の後部には、特定の圧力が形成される。ノズル16は、最後にノズルの開口部26で押出しが起こるまで、その案内壁における圧力要素として機能する。
図２および図３に示す第２実施例では、同様の機能を持つ部品は同じ符号を付している。供給ホッパ14、運搬スクリュ10、およびシリンダ12は、図１と同じである。主軸30が再び運搬スクリュ10の軸の延長部に設けられるが、今回その上に配置されるのは、穴の配列122、および適当な長さでかつ回転可能なヘラ部材である。これは、円筒形に形成された穴の配列34（帽子形の設計）に触れないように配置する。この穴の配列34は、穴の配列122の場合のように軸方向ではなく、半径方向に外側を向いている。したがって、穴の配列から出た後、適正な圧力が介在空間（チャネル（channel））36内に形成される。次に材料は、押出機をノズル開口部26から膨脹しながら出ていく前に、ノズル16の前の空間38における同時的な材料詰まり状態で、高粘度または流体状態に変形する（断面減少）。
ヘラ部材32は、プロペラ形状で図３に詳細に示されており、オフセット（offsets）42を有する４つのアーム40からなる。プロペラ翼は、円筒形をした穴の配列34の開口部上を次々と通過する。ヘラ部材の回転方向が示されている。ヘラ部材の実際の設定は、重要ではない。穴の配列の表面上を通過する長さであれば、穴の配列の反対側における所望の圧力によって、おそらく表面を傾斜させるだけで充分である。
図４および図５は、中空円錐形の第２番目の穴の配列50、および該穴の配列50と共にスパチュラ段を構成するスパチュラ空間54内部のヘラ部材が、円錐形に形成された、第３の可能な実施例を示す。ヘラ部材の翼56は、軸26に対してわずかに傾斜する（最大角度は中心軸に対して約30度）。この実施例では、穴の配列122の穴58および穴の配列50の穴は、軸に平行に真っ直ぐに走っている。材料がさらに運搬されてくる勢いに押されて、材料は、円錐形の空間60内の圧力に対抗して穴58に押込まれながら通過し、ノズル開口部26の傾斜壁によって詰まる。
移動方向に対して反対の方向に狭くなるチャンバのくさび効果のため、ふるいまたは穴あき板における製品の摩擦と共に圧力が生じ、それによって材料は穴またはふるい内を押し通される。
本発明による好適な実施例（充分な圧力差のため、部材の前で生地の流体化が起こり、下流側では毎回生地の蒸発および硬化が行なわれる）、および例えば穴あき板が１つしか無い単段型の実施例を製造するために、以下の２通りの方法の一方に従うことができる。すなわち、スクリュによって輸送される質量流動を、ヘラ部材の低圧側で水分の蒸発ができるように（容量の極端な減少によってのみ可能）非常に低く維持するか、若しくはヘラ部材の物理的寸法を、一般的な方法で、水分が蒸発できるような圧力関係が設定されるように決めるかのいずれかとしなければならない。
大半の設計では、対称に形成された部材が回転し、穴あき板の上を通過する場合にのみ、その部材の輸送効果が使用される。その場合、輸送の方向と非常に密接に通過する穴あき板と生地との摩擦が、後側に比較してより大きいときに、輸送効果が生じる。丸い撹拌棒でも、本発明による処置に従って使用すると、混合機能だけでなく、輸送および流体力学的機能をも発揮する。
きわめて重要なことは、振動逆流によって水分が蒸発するような圧力関係を達成するために、穴の配列の上を通過する回転部材の前後における上述の圧力差である。
多数のスパチュラ・ポンプ段を持つ設計では、１つまたはそれ以上のスパチュラ段が水分を蒸発させることを目的とせず、圧力の形成のためだけに使用されるようにしたり、あるいは、例えば多数のスパチュラ段の間で圧力差を形成するという明確な目的をもって材料の輸送と反対方向に作用するようにしたりが、意識的にできる。
図６および図７は、本発明のさらに別の実施例を示しており、それぞれの図面の右側（Ｂ）には、流量と圧力の関係が示されている。どちらの図においても穴の配列のチャネルが、符号122で示され、流れの方向に大きさが広がった部分124を有する。丸棒70は穴の配列上を滑動し、およそ４つの丸棒が主軸71に対して直交するのが予測され、これらは渦巻のように回転方向72に向かって滑動する。高圧かつ高温の領域は、符号Ｈで示され、低圧かつ低温の領域は符号Ｎで示される。高圧は、円筒形の部材70の前に存在し、これは生地を液化し、そして穴の配列のチャネル122内に押し込んで通過させる。Ｈにおける温度は、圧力と摩擦のために著しく増加する。質量流動の主方向は符号63で示される。（流れの方向から見て）流入側Ｏと流出側Ｏの間には、設計および操作によって、かなりの圧力低下が企図される。こうして、穴の配列の流出側の圧力は低くなり、円筒形の部材70（図７）の後部ではさらにもう少し低くなる。低圧力と低温度のゆえに、そこでは流体、特に水分やその他の溶解媒体の部分蒸発が発生して逆流が生じ、この運動によって、非常に望ましい生地の均質化が達成される。スクリュ65のヘッド端（供給ホッパ67から供給される）は、ここでもスパチュラとして形成される。装置の動作中に、生地は、中でも特にノズル69の方向への輸送を経験する。これは、左側の図に示される。ここに示すのは、単軸押出機スクリュ65を持つものであり、スパチュラ状に形成されたヘッドの他に、穴の配列122も示される。前述の空間Ｏは、第１番目の穴の配列122/1と第２番目の穴の配列122/2との間にあり、それによって第２番目の穴の配列上で、丸棒の形をしたアームを持つ渦巻形部材70が回転する。ここでは、蒸発は、大きな発泡によって行なわれ、流体生地の濃度が小さい点で示される。したがって、これは２段押出機であり、第１段は、スクリュ・プレスのスパチュラ・ヘッドおよびそれに続く穴の配列122/1によって形成され、第２段は、渦巻形成材70および第２番目の穴の配列122/2によって形成される。チャネルは常に流入側が粗く、かなり幅が広げられ、拡大接触摩擦面を提供する。この実施例では、他の大半の実施例の場合と同様に、渦巻部材とこれに対応する後続の穴の配列との間隙は小さく、そして第１番目の穴の配列の穴122/1の流出側が比較的大きい。摩擦差を生じ、そしてスパチュラ・ポンプの輸送効率を高めるために、主軸71は、第１圧力板122/1を貫通するが、第２圧力板は貫通しない。この主軸の貫通は、スクリュのセンタリングにも役立つ。部材は丸形で、穴の配列の表面に直交して配置されるが、移動と反対方向に細くなる空間のくさび効果のために、穴の配列における製品の摩擦の差と共に圧力が形成され、これが材料を穴内に押し込んで通過させる。
逆圧は、ノズルによって、またはノズルに維持される。
穴あき板122の厚さ、および穴の数と大きさによって、圧力関係は意識的に変化させることができ、さらに、ヘラ部材に対して穴を拡げることや、穴あき板の表面における塊の付着や摩擦がさらに影響を及ぼす。決定的なのは、本発明による工程動作の線形性であり、この線形性は全ての実施例に有効である。
図７は、幾分長いヘラ部材80を持つ同様の実施例を示す。部材は、（第２番目の穴の配列の表面に対し）角度αに設定される。角度αは90度未満である。高圧（Ｈ）領域および低圧（Ｎ）領域が、ここでも示される。渦巻部材の回転方向は、矢印82の通りである。
実施例の図（左）は、それ以外は図６と同様である。圧縮状態（小さい点）が、ここでも示されている。すなわち、高圧、高温の、例えば流体生地である。低圧は泡で示され、そこでは流体は蒸発し、生地は第２番目の穴の配列の後部から、２つの穴の配列の間の空間（ノズル板につながる空間である）へと逆流し、それによって、結果として生地の優れた均質化が行なわれる。
同一符号の部材は同一構造を意味する。このことは、同様の２段設計であることに関係がある。
図８は、高圧領域と低圧領域（ＨとＮ）で穴の配列に何が起きるかを詳細に示す。丸棒部材86は、穴の配列122の上を回転し、この実施例では２つのアームしか持たない。この部材は、ただ簡潔さのために２本のアームを持つ状態が示されているが、その他の形態の部材とすることもできる。ヘラ部材の前（矢印に示す回転方向で）の高圧領域Ｈでは、生地は圧縮され、水分は凝縮し、温度が上昇する。低圧領域Ｎでは、水分が蒸発し、生地は膨脹し、それによって温度は、その場所の絶対圧力に応じて変化する。低温のため、および膨脹した形態のために、生地の粘度は高くなる。これにより、穴の配列内を通して低圧領域への材料の逆流に抵抗が生じ、低圧領域に逆流する量に比較して、高圧領域ではより多くの材料が穴の配列から流れ込むようになる。この図では、生地における関係が示されているが、穴の配列における穴は示されていない。
図９は、穴あき板、若しくは圧力板122を示し、それには均等に分布した穴130と特に形成された焼戻しチャネル（tempering channel）が形成されている。流体の流動方向は矢印で示す（入口−出口）。この実施例が示すように、全ての穴の配列若しくは少数の穴の配列に、このような焼戻しチャネル132を設けることができる。
図10は、さらに別の変形例を示す。図10Aは上面図であり、図10Bは穴あき板122の断面図である。穴の広がり（流入方向）を予測することができるが、示されていない。この実施例の特殊なところは、軸102に直交するローラが円錐形であり、内側から外側に向けて減少する断面を持つことである。穴あき板が有する外形は相補的な円錐形として示され（符号104で示すように、その厚さが内側から外側に向かって拡大する）、したがって円錐ローラは円錐形の外形104上を問題なく走ることができる。
渦巻きアーム上に配置されるローラは、他の実施例では例えば円筒形であるが、この実施例では円錐形であり、これら自体もまた回転するように設計することができる（矢印100′）。その場合、ローラ100は、それ自身の軸上を回転する。一方、渦巻アームそれ自体は、図10Aに示す方向に回転する。相互に直交する方向の回転運動は、互いに重なる。
図11は、スパチュラ形状のスクリュ端111を有する単段水平設計を示す。対応する穴あき板112は、スクリュのセンタリングのための主軸調整器114を支持する。重要なことは、スクリュの形状である。図に示すように、スクリュは、最適な生産のために、周知の設計に比べて、極めて小さいフライト深さ（flight depth）（符号115）を有する。このフライト深さは、輸送のためには最も望ましくないが、ヘラ部材の低圧側に充分に低い圧力を形成することができ、水分の蒸発が保証される。例えば、フライト深さ対直径の関係は、1/20から1/50の間とすることができる。
図12は、１つのヘラ部材126と１つの穴の配列128を有する実施例を示し、これらの直径はスクリュの直径に比べて大きい。例えば、ヘラ部材若しくは穴の配列の直径対スクリュの直径の関係は、2.0ないし3.0:1とすることができる。（図のフライト深さは浅いが）より深いフライトのスクリュが可能なので、かなり高い輸送能力を達成することができる。この設計により、穴の配列128の前の流入部、ヘラ部材126の運動の方向におけるヘラ部材の後部、および穴の配列128に関して流出側、ならびにノズルに隣接したチャンバ125で、かなり低い圧力が維持され、それによって水分の蒸発が可能になる。
図13は、完全に異なる種類の実施例で、さらに詳しくは垂直形（縦形）のものを示す。スクリュは垂直構成のこの３段蒸解押出機では使用しない。チャンバ容量Ｇ、Ｎ、Ｋ、Ｗは、粉末状態から流体への圧縮の方向に減少する（質量流動方向）。チャンバ容量が減少する３段構造が考えられ、対応するヘラ部材130'、130"、130""もまたそれに対応して小さくする。ここでは、図７のヘラ部材と同様のヘラ部材を考える。
穴あき板132、132'、132"もそれに対応して小さくする。円筒形の空間自体も、それに対応してノズル134まで段階的に減少する。
図から分かるように、質量流動がノズルの前の最小チャンバＷに至るまで穴の配列132を円滑に通過するように、穴は傾斜している。そして、穴の端部が広げられている。主軸136は、ここでも垂直方向に回転する。
図14は、他の実施例に比べて特に第１段に特徴があり、各円筒形ローラがさらにそれ自体回転可能であることを特徴とする、４段垂直蒸解押出機140を示す。ヘラ部材の主軸146の回転方向は、第１段の円筒形ローラの回転方向に対応するように示されている。第１ローラ141は、第１番目の穴の配列142'上をロール機械（calender）のように走り、残りのローラ141'、141"、141"'は、ノズル148に到達する前の、対応する穴の配列142'、142"、142""の上を滑動する。質量流動輸送方向は、白の矢印で示す。
図15は、回転可能な円筒形ローラ150、フィーダ67"'、ローラ150が例えば直交方向に配置される垂直軸156を有する、ペレット・プレスと同様に単段垂直型の実施例を示す。ローラ150は、穴の配列158の上を転がる。この実施例は、ペレット・プレスと同様であるが、本発明では出口にノズルが取り付けられている。それ以外に、圧力が形成される。前述した全ての実施例の場合と同様に、ローラや傾斜部材若しくは同様の部材の前で生地が液化し、ローラの後部で蒸発および部分逆流が起こる。
図16は、２軸スクリュ押出機を示す。ヘラ部材202'、202"は、穴の配列200'、200"のそれぞれの上を滑動する。軸受が共通ハウジング204内に配置される。この実施例の利点は短い構成であり、したがって、より単純に、かつより経済的に製作することができる。したがって、複雑な混練および均質化部材を省くことができる。単軸スクリュ機の場合と同様に、均質化が改善され、剪断および熱の分布がいっそう均等になり、改善された磨耗挙動が観察され、制御性が向上する。
一般に、こうして、本発明により、穴の配列上を滑動するアームを用いることによって、懸濁液、混練塊、ペースト物、および生地を穴の配列を通しで輸送することができる。輸送は、滑動アームの正面端（移動の方向）における圧力の上昇によって行なわれる。圧力の程度は、滑動アームの形状（丸棒、配置されたスパチュラ等）、および穴の配列からアームまでの距離によって異なる。設計は、滑動アームの前部における圧力が、マトリックス穴を通過する圧力損失を克服するのに充分な大きさとなるように、選択しなければならない。スクリュのみによる圧力の形成と比較される滑動アームの利点は、次の通りである。
1.穴で局部的な圧力が増加することが少ない。
2.スパチュラ・ポンプは、（多くのペースト物の場合のように）流動動作が剪断強度および剪断率（構造−粘度動作）に依存することが予想される場合に、特に重要な役割を担う。
スパチュラの前の集中的な混合および剪断運動は、ペースト物の慣性を低下し、したがって穴の通過時の圧力損失がわずかですむ。
ペースト物の「流体化」は、材料の内部特性（材料本来の構造−粘度）となることがある。水分を含む混濁液と生地の場合、条件パラメータ（圧力／温度）自体が沸点に近くなると、そうした現象を予想することができる。
a.条件パラメータが沸点に対応する場合、水分は部分的に蒸気の形で得られる。その場合、生地は比較的高い粘度を持つ泡を形成する。滑動アームで圧縮すると、水は凝縮し、生地は流体になり、それ自体を高スループットで穴に押し通すことができる。通過後、生地は硬化し、それによって滑動アームの下流側への逆流は防止される。したがって、比較的高い逆圧に対抗して、輸送することが可能になる。
b.条件パラメータが沸点より少し低い場合には、水分は流体である（発泡せず）。
高圧側で処理することによって、エネルギが入力される（弾性圧力エネルギおよび散逸剪断エネルギ）。散逸剪断エネルギは、局部的な温度増加につながる。下流側に低圧があり、これは流体の一部の蒸発を生じ、それによって生地に発泡ができる。冷却または圧力の増加により、水蒸気は凝縮する（空洞現象）。
3.上述の条件下で、装置はポンプの機能を持ち、したがって、多段配列によって形成される圧力を増加することができる。多段配列では、ポンプ効果に関連して「非対称性」を確保しなければならない。つまり、ポンプは「輸送方向」を示さなければならない。この輸送方向は、一方では、輸送方向の取付角度によって確保することができ、また他方では、活動アームと上下の穴あき板との距離の相違または表面特性（摩擦）の相違によって確保することができる。完全な幾何学的対称性および同一摩擦挙動の場合、スパチュラ・ポンプに外部圧力を重ねる必要がある。「スパチュラ・ポンプ」は、この場合、「液化装置」としてのみ機能する。
本発明の手段によって満たされる目的または利点は、以下のように要約することができる。
最高100％の処理能力の向上
より均等な流動および均等なキメによる、より優れた製品品質
優れた工程制御能力
非常に容易な部品の取扱い
経済的ツール
磨耗部品費の著しい節約
原料の変化に対する非感受性
配合成分の自由度の著しい向上
粉末状態の原料のより優れた入口動作
本発明の手段によって、既存の「磨耗した」スクリュ押出機、つまり押出機スクリュを再び装備することができ、それによってその寿命を著しく延長することができる。
例
通常のスクリュ形状を有する既知の設計の４つのフライト・スクリュは、通常どおりスパチュラ形のスクリュ・ヘッド表面の前に配置され、ヘラ部材を取り付けるために使用される第１圧力板内を通したアダプタによって、ヘッド部を延長する。これは、第２圧力板上を滑動し、それによって第２スパチュラ段を形成する。通常のノズル板によりシステムは完成する。両方の圧力板は、ヘラ部材がその中で回転するスパチュラ・チャンバを形成する。円形の断面を持つヘラ部材の厚さは、２つの圧力板によって形成されるスパチュラ空間より、ほんのわずかに薄い。圧力関係は、圧力板の厚さおよび穴の数と大きさによって明確に変化させることができる。ヘラ部材に向かって広がる円錐形の穴は、穴の板の表面における塊の接着／摩擦に影響し、それによってその輸送特性に影響する。
ここで本発明の手段を実現すると、使用済み（中古）のスクリュで優れた結果を達成することができる。ここでは、スクリュとスリーブとの間隙は約1.6mmとする。ヘラ部材を運動状態に設定すると、回転方向におけるヘラ部材の前に高圧帯が形成され、また回転方向から見てヘラ部材の後部に低圧帯が形成される。次に、生地が低圧帯で140℃の温度を持ち、そこにおける圧力が、より3.5バール低ければ、水分は蒸発し、生地はその体積を増加する。この状態（水蒸気の発泡と流体の混合）の生地は、純粋な流体形に比較して、著しく高い粘度を有する。したがってスパチュラ付近に高い抵抗が生じ、それによって圧力が形成され、水分が凝縮し、凝縮エネルギが再び生地などを加熱する。水または流体の沸点以下のヘラ部材によって生じる高圧と低圧との間の絶え間ない変化は、生地に大きな均質化効果を生じ、きわめて効果的なエネルギ交換をまねき、したがって部分的過熱が防止され、最も高い可能性として、それがスパチュラ段の驚くほど優れたポンピング動作の基本的な根拠を形成すると考えられる。膨脹と圧縮が交互に繰り返し発生するため、装置内の熱伝達は著しく改善され、最終的にバイオポリマー生地の流動特性に良い影響を与える。
出願に負担を掛け過ぎないために、多くの従属請求項は特定の主請求項にのみ関連させた。いうまでもなく、こうした好適な実施例は、技術的に実現可能である限り、その他の大半の主請求項の従属請求項の形でも記載できるものと考えられる。
【図１】
0003654531.tif 000002
【図３】
0003654531.tif 000003
【図２】
0003654531.tif 000004
【図５】
0003654531.tif 000005
【図４】
0003654531.tif 000006
【図６】
0003654531.tif 000007
【図７】
0003654531.tif 000008
【図８】
0003654531.tif 000009
【図９】
0003654531.tif 000010
【図１０】
0003654531.tif 000011
【図１１】
0003654531.tif 000012
【図１２】
0003654531.tif 000013
【図１３】
0003654531.tif 000014
【図１４】
0003654531.tif 000015
【図１５】
0003654531.tif 000016
【図１６】
0003654531.tif 000017