(57)【要約】【解決手段】  複数のノズル孔（３０）を有する、熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板（１０）であって、各ノズル孔の長さは、ノズル孔での溶融材料の流量がほぼ均一となるような長さである有孔板。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
好ましくは各孔径が均一である複数のノズル孔（３０）を有する、熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板（１０）であって、各ノズル孔（３０）の長さは、ノズル孔（３０）での溶融材料の流量がほぼ均一となるような長さである、有孔板（１０）。
【請求項２】
前記ノズル孔（３０）の長さは、計算流体力学により三次元シミュレーションによって決定される、請求項１に記載の有孔板（１０）。
【請求項３】
前記有孔板（１０）は、前記熱可塑性プラスチック材料から微小顆粒を製造するための有孔板であり、前記有孔板は、前記有孔板（１０）の少なくとも一つの構成円として配置される複数のノズルネスト（２０）を有し、各ノズルネスト（２０）は、同一の孔径を有する複数のノズル孔（３０）を有し、前記ノズル孔（３０）の径は１．０ｍｍ未満であり、好ましくは０．２〜０．８ｍｍの範囲にある、先行するいずれかの請求項に記載の有孔板（１０）。
【請求項４】
熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板（１０）に関してノズル孔の長さを決定するためのコンピュータによって実施する方法であって、前記有孔板（１０）は複数のノズル孔（３０）を有し、
ａ）少なくとも前記複数のノズル孔（３０）の部分集合の領域において、前記有孔板（１０）を表すモデルを作成し（１１０）、
ｂ）少なくとも一つの所望の使用状態についての使用パラメータを予め設定し（１２０）、
ｃ）前記モデルを用いて前記ノズル孔（３０）の部分集合を通過する溶融材料の流れをコンピュータによって計算及び／又はシミュレーションして、前記部分集合の各ノズル孔（３０）に関して溶融材料の流量を決定し（１３０）、
ｄ）より均一な流量とするために前記ノズル孔の長さを変える（１６０）工程を備える、方法。
【請求項５】
前記工程ｃ）において、計算流体力学による三次元シミュレーションを実行する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記モデルは、少なくとも前記ノズル孔（３０）の部分集合近傍における、熱伝達に関する前記有孔板（１０）の形状及び材料特性を規定する、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記使用パラメータは、前記溶融材料の粘度、供給ライン近傍での前記溶融材料の温度、有孔板の加熱温度、及び冷却流体の温度を含む、請求項４から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記ノズル孔（３０）を通る溶融材料の流量は、前記ノズル孔（３０）を通る溶融材料の流れの速さを決定することにより、決定される、請求項４から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記工程ｄ）において、前記ノズル孔（３０）に関して決定した溶融材料の流量を基準値と比較して、前記流量が前記基準値に対して所定の量を超えて外れている場合には、前記ノズル孔（３０）長さを変更し、前記基準値は、溶融材料の流量に関する所定の設定値、基準として選択されたノズル孔（３０）に関して決定された溶融材料の流量の値、及び前記ノズル孔（３０）の部分集合の全てのノズル孔（３０）を通る溶融材料の流量の平均値のいずれかである、請求項４から８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記工程ｄ）において、決定した溶融材料の流量が前記基準値より小さい場合には、前記ノズル孔（３０）の長さを短くし、好ましくは工程ｄ）において所定の増加量刻みで前記長さを変更する、請求項４から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記有孔板（１０）は、熱可塑性プラスチック材料から微小顆粒を製造するための有孔板（１０）であり、前記有孔板は、前記有孔板（１０）の少なくとも一つの構成円として配置される複数のノズルネスト（２０）を有し、前記ノズル孔（３０）の部分集合は、少なくとも一つのノズルネスト（２０）に対応する、請求項４から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記ノズル孔（３０）の部分集合の前記ノズル孔（３０）を通る溶融材料の流量の偏差を表す品質基準を決定する工程（１４０）を更に備え、前記品質基準は特に、前記工程ｃ）で決定した前記ノズル孔（３０）を通る溶融材料の流量の最小値及び／又は最大値、前記工程ｃ）で決定した前記ノズル孔（３０）を通る溶融材料の流量の最小値と最大値との差、及び前記決定した前記ノズル孔（３０）を通る溶融材料の流量と前記決定した溶融材料の流量の平均値との差の二乗の合計のいずれかに基づくものであり、前記工程ｃ）及びｄ）は、前記品質基準が所定の基準を満たすまで繰り返し実行される、請求項４から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記ノズルの長さは、請求項４から１２のいずれに記載の方法により決定する、請求項１から３のいずれかに記載の有孔板（１０）。
【請求項１４】
熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板（１０）を製造する方法であって、有孔板構造を製造し、請求項４から１２のいずれかに記載の方法でノズル孔の長さを決定し、前記決定したノズル孔の長さに従って前記有孔板（１０）を製造する工程を備える、方法。
【請求項１５】
請求項１から３又は１３のいずれかに記載の有孔板（１０）、又は請求項１４に記載の方法に従って製造した有孔板（１０）を備える、ホットカット造粒装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造粒用有孔板、造粒用有孔板の孔の長さを計算する方法、及び造粒用有孔板を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性プラスチック材料、特にポリスチレンやポリプロピレン等の高分子化合物から顆粒を製造するために、押し出された溶解プラスチック材料を、加圧により有孔板のノズル孔を通過させ、切断チャンバに入った水等の冷却流体内へと加圧し、出てきた溶融材料を可能な限り素早く冷却することで硬化させる装置がよく用いられる。切削チャンバは更にカッタ装置を含み、カッタが有孔板の開口部を通過して紐状の材料を切削し、ペレットが形成される。
【０００３】
近年、１．０ｍｍ以下の大きさの顆粒を示す用語である微小顆粒は、微小射出成形、回転射出成形、マスターバッチの充填又は配合等の、多種多様な応用分野での用途の増加が見られる。ほとんどの場合、微小顆粒化は、特別に製造した多数のノズル孔を備えた有孔板を用いて行われる。ノズル孔は、クラスターとも呼ばれるネスト状の孔にグループ化され、多数のノズル孔が極めて近接して配置される。多数のネスト状の孔は、更に有孔板の一つ以上の構成円として配置される。
【０００４】
この種の粒化装置として、例えばＡｕｔｏｍａｔｉｋ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  ＧｍｂＨ社の製品名ＳＰＨＥＲＯ（登録商標）の水中造粒機の形式が知られている。
【０００５】
有孔板の上と内部とで異なる温度が広がることにより、有孔板に特有の温度プロファイルが生じる原因となる。例えば有孔板を加熱するために２４０℃の熱伝達油が循環する加熱導管のごく近傍、又は２３０℃で有孔板に融液が供給される融液源の近傍での有孔板のより高温の区域が、冷却流体と接触して冷却流体を浴びる有孔板の開口側面のような、例えば７０℃の温度となり得るようなより低温の区域の隣に位置する。
【０００６】
この場合の冷却流体の冷却の影響は、特にノズルネストとノズル孔の近傍で顕著であり、これらの領域では、有孔板の接触面が冷却流体と特に集中的に接触しているからである。
【０００７】
これに関連して、冷却の影響は、ノズルネストのノズル孔間で異なった作用を及ぼすことがわかっており、ノズルネストの周辺領域に位置するノズル孔が、中央に位置するノズル孔よりも低温になることが考えられる。
【０００８】
ノズルネストのそれぞれのノズル孔の近傍で異なる温度が広がることにより、各ノズル孔に含まれる融液の量は、それに応じて異なって冷却される。これにより、より冷却されたノズル孔では、より温められたノズル孔よりも、融液がゆっくりと流れ、それに応じて低い流量となる。
【０００９】
このようにネスト状の孔を通る溶融材料の流量分布が不均一であることにより、形成された微小顆粒は、それに応じて顆粒の大きさの分布が大きくなる。
【００１０】
各ノズル孔の流量の均一性を増加させる一つの可能性は、ノズル孔を同心円状に配置することであり、これによって隣接したノズル孔間及び個々の円についての相互作用の計算が容易となり、比較的計算が簡単で、少なくともほぼ均一な温度が得られ、ある程度所望されるように顆粒の大きさの分布を減らす傾向になる。しかし、この円状の配置によるプラスの効果はそれだけでは、通常上記のような相互作用及び、例えば顆粒の大きさの分布に関する、関連する望ましくない影響を最小限に減少させるのに十分ではない。
【００１１】
他の可能性として、より外側のより冷たいノズル孔の溶融材料が、もはや流体ではない硬化するところにまで冷却されることがある。影響を受けた孔は「凍結」し、それに応じて、使用可能で粒化に利用可能な溶融材料が出てくる有孔板のノズル孔の数が減少する。ノズル孔の凍結はそれゆえ、粒化出力の減少及び／又はペレットの顆粒の大きさの分布の平均の望ましくない増加を導くこととなり、これは個々のノズル孔の凍結によって、残りの開いたノズル孔を通る流量が増えるためである。
【発明の概要】
【００１２】
従って、本発明の目的の一つは、上述の欠点を克服する有孔板を開示することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、顆粒の大きさの分布を減少させる、顆粒、特に微小顆粒の製造を可能とする有孔板を開示することである。
【００１４】
本発明の更に他の目的は、凍結したノズル孔の発生を可能な限り防ぐ又は少なくとも減少させる有孔板を開示することである。
【００１５】
本発明の、このような及びその他の目的は、請求項１に記載の、熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板、請求項４に記載の、熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板のノズル孔の長さの決定をコンピュータで実施する方法、及び請求項１４に記載の、熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板を製造する方法によって達成される。
【００１６】
その他の本発明の好適な実施態様は、従属クレームにおいて開示される。
【００１７】
第一の態様において、本発明は、熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための有孔板に関し、有孔板は多くのノズル孔を有し、各ノズル孔の長さは、ノズル孔での溶融材料の流量がほぼ均一となるような長さとする。
【００１８】
本発明によれば、各ノズル孔の長さ及び従ってノズル孔による水圧抵抗を変化させることで、ノズル孔を通る溶融材料の不均一な流量がほぼ補償される。可能な限り最も均一な流量の分布が、これに応じて変化させた、異なる長さを有するノズル孔によって達成可能である。
【００１９】
このように、個々のノズル孔での溶融材料の流量が、他のノズル孔より極端に低くなることを避けることも特に可能となり、それゆえ、溶融材料の流量が低いことによる孔の凍結の危険性が減少する。
【００２０】
本有孔板は、好ましくは熱可塑性プラスチック材料から微小顆粒を製造するための有孔板であり、有孔板の少なくとも一つの構成円として配置された複数のノズルネストを有する。各ノズルネストは、好ましくは均一な孔径を有する複数のノズル孔を有してもよい。ノズル孔は、１．０ｍｍ未満、好ましくは０．２から０．８ｍｍの範囲の径を有する。
【００２１】
孔の長さは、特に、予め開けたより大きな径を有する孔を提供することで、短くすることができ、ノズル孔は皿穴状となる。
【００２２】
代わりに又は更に、何らかの別の方法で部分的な厚さを変えるか又はノズルネストのトポロジーを変えてもよく、より短いノズル孔の長さを有するノズル孔を得るようにする。特に、このトポロジーは、カッタ装置から離れて及び／又は入口導管に向かって方向づけられたノズルネストの一側面を表す、階段状の表面又は球状の表面により表される。
【００２３】
孔の長さは、１０分の数ミリメートル変化させてもよい。
【００２４】
ノズル孔の長さは、特に計算流体力学（ＣＦＤ：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）による３次元シミュレーションを利用して決定してもよく、このシミュレーションは、好ましくは所定の、所望の使用状態及び／又は所望の使用状態に近い範囲に関して行われる。
【００２５】
第二の態様において、本発明は、熱可塑性プラスチック材料から顆粒を製造するための複数のノズル孔を有する有孔板のノズル孔の長さの決定をコンピュータで実施する方法に関連し、以下の工程を備える。即ち、複数のノズル孔の少なくとも部分集合の領域において有孔板を表すモデルを作成し、少なくとも一つの所望の使用状態の使用パラメータを予め設定し、部分集合の各ノズル孔に関して溶融材料の流量を決定するために、部分集合のサブセットを通る溶融材料の流れについてこのモデルを用いてコンピュータによる計算及び／又はシミュレーションを実行し、より均一な流量とするために、ノズル孔の長さを変化させる工程を備える。
【００２６】
ここでの部分集合は、有孔板において互いに隣接して配置された及び／又は有孔板の規定可能な領域に設けられた多数のノズル孔を表す。ここでの部分集合は、有孔板の全てのノズル孔の部分集合であってもよい。同様に、本方法により有孔板の全てのノズル孔を考慮することが可能であり、この場合、部分集合は、複数のノズル孔全体に相当する。
【００２７】
本方法は、微小顆粒を製造するための有孔板のノズル孔の長さを決定するのに使用され、有孔板は、有孔板の少なくとも一つの構成円として配置された、複数のノズルネストを有することが好ましい。ここでのノズル孔の部分集合は、少なくとも一つのノズルネストのノズル孔に相当してもよい。
【００２８】
コンピュータで実施するシミュレーションは、計算流体力学（ＣＦＤ）による三次元シミュレーションとして実行されることが好ましい。
【００２９】
このモデルにより、少なくともノズル孔の部分集合領域における熱伝達に関する、有孔板の形状及び材料の特性を規定してよい。このモデルにより、部分集合として、一つのノズルネスト又は数個のノズルネストを表すことができる。同様に、有孔板全体のモデルを使用することも可能である。
【００３０】
使用パラメータは、特に溶融材料の粘度パラメータ、供給ライン領域での溶融材料の温度、有孔板の加熱温度、及び／又は冷却流体の温度であってよい。
【００３１】
ノズル孔を通る溶融材料の流量は、ノズル孔を流れる溶融材料の速さを決定することにより決定してもよい。この場合、速度プロファイルは、例えば少なくとも一つのノズルネストの径及び／又は径による平均速度によって決定することができる。
【００３２】
基準値は、溶融材料の流量の所定の設定値、基準として選択されたノズル孔に関して決定された、溶融材料の流量の値、又はノズル孔の部分集合の全てのノズル孔を通る溶融材料の流量の平均値であることが好ましい。ノズルネストの中心に位置するノズル孔が、このノズル孔として選択されることが好ましい。
【００３３】
あるノズル孔に関して決定された溶融材料の流量が基準値より小さい場合は、このノズル孔の長さを短くしてもよい。
【００３４】
固定された所定の増加量刻みで、ノズル孔の長さを変化させてもよい。ノズル孔の長さは値を変化させて変えていくことが好ましい。特に、ノズル孔を通る溶融材料の流量の計算及び／又はシミュレーションを繰り返すことにより、最適なノズル孔の長さの決定を繰り返し、繰り返し毎に増加量が減少する。
【００３５】
ノズルネストのノズル孔を通る溶融材料の流量の偏差を表すような品質基準を決定することが好ましい。品質基準は特に、ノズル孔を通る溶融材料の、決定された流量の最小値及び／又は最大値、ノズル孔を通る溶融材料の、決定された流量の最大値と最小値の差、又はノズル孔を通る溶融材料の、決定された流量と溶融材料の決定された流量の平均値との差の二乗の合計に基づくものであってよい。
【００３６】
品質基準は特に、ノズル孔の長さの決定の繰り返しにおいて、予め設定した基準と比較するために用いられ、品質基準がこの基準を満たしたときに、繰り返しは中断してもよい。
【００３７】
本方法は、有孔板のノズル孔の適切な、特に最適な長さを決定するために用いることができる。
【００３８】
本方法は、熱可塑性プラスチック材料から微小顆粒を製造するための有孔板を製造する方法の構成要素となり、これによって、有孔板は決定されたノズル孔の長さに従って製造される。
【００３９】
有孔板は、ホットカット粒化装置の一部であってよい。
【００４０】
出願人の技術センターにおいて、本発明によるノズル長の補償についての試験が行われた。これらの試験において、ＬＤＰＥと５％の白色マスターバッチとからなる微小顆粒が、流量１６ｋｇ／ｈで材料が通過する２０個の孔を備えた有孔板と、速度３５００ｒｐｍで回転する６個のカッタを備えた関連するカッタ支持具とを備えたＳＰＨＥＲＯ５０水中造粒システムを用いて製造された。このようにして得られた粒子の大きさの分布は、Ｒｅｔｓｃｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＧｍｂＨ社のカムサイザー（Ｃａｍｓｉｚｅｒ）を用いて求めた。
【００４１】
その他は均一な試験条件として、以下の異なる製造シナリオが試験された。
【００４２】
開始状態として、
【００４３】
２０個のノズル孔の全てに関して、０．８ｍｍのノズル径を有し、５ｍｍの長さの円筒状のノズルが均一に設けられた。
【００４４】
この結果、平均粒径Ｍｖ３＝１２０１μｍ、標準偏差シグマ３＝１０６μｍとなった。
【００４５】
本発明による第一のＣＦＤシミュレーションによる補正は、以下の通りである。
【００４６】
１０個のノズル孔について、円筒状ノズルの長さを４．６ｍｍまで小さくした。残りの１０個のノズル孔は、５ｍｍのままとした。
【００４７】
この結果、平均粒径Ｍｖ３＝１２１４μｍ、標準偏差シグマ３＝９２μｍとなった。
【００４８】
本発明による新たなＣＦＤシミュレーションによる更なる補正は、以下の通りである。
【００４９】
６個のノズル孔は、円筒状ノズルの長さを５ｍｍのままとし、８個のノズル孔は、円筒状ノズルの長さが４．６ｍｍで、残りの６個のノズル孔は円筒状のノズルの長さを４．２ｍｍにまで短くした。
【００５０】
この結果、平均粒径Ｍｖ３＝１２１９μｍ、標準偏差シグマ３＝８９μｍとなった。
【００５１】
全体として、本発明により以下の結果が得られた。
【００５２】
円筒状のノズルの長さを短くすることにより、対応するノズル孔での圧力降下が減少し、ノズル孔毎の流量が若干増加し、平均粒径も若干増加する。これについては、必要があれば、カッタ速度を若干上げることで補償することができる。但し、再現可能な（一定の）試験条件とするために、ノズルの長さの補償による直接の影響を確認するべく、今回はこれを行わず、即ち更なる試験変数を用いずに行った。
【００５３】
本発明によるノズルの長さの補償により、標準偏差が大幅に減少する。即ち、ペレットの径がほぼ一定であることにより、ペレットの大きさの分布が大幅に狭くなり、それゆえノズル孔毎の流量もまた大幅により均一化される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
以下、図面に基づいて、好ましい実施様態と併せて本発明を説明する。
【図１】実施様態の一例による微小顆粒のための有孔板を示す図である。
【図２】ノズルネスト近傍の有孔板の概略断面図である。
【図３】ノズル孔の長さが均一である場合の、ノズルネスト近傍での有孔板の断面における試料温度等高線図である。
【図４】ノズル孔の長さが均一である場合の、ノズルネストのノズル孔を通る融液流の速度プロファイルの第一の分布を示す概略図である。
【図５】ノズル孔の長さが均一である場合の、ノズルネストのノズル孔を通る融液流の速度プロファイルの第二の分布を示す概略図である。
【図６】実施様態の一例による、調整後のノズル孔の長さを備えたネスト状ノズル孔の概略図である。
【図７】実施様態の一例によってノズル孔の長さを調整した場合の、ノズルネストのノズル孔を通る融液流の速度プロファイルの分布を示す概略図である。
【図８】実施様態の一例によってノズル孔の長さを調整した場合の、ノズルネスト近傍での有孔板の断面における試料温度等高線図である。
【図９】実施様態の一例による、有孔板のノズル孔の長さを決定する方法を示す図である。
【図１０】他の実施様態による、ノズルネスト近傍での有孔板の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
図１は、実施様態の一例による、熱可塑性プラスチック材料から微小顆粒を製造する有孔板１０を示し、有孔板１０の融液出口側面の上面図である。
【００５６】
図１に示すように、複数のノズル孔３０が有孔板１０に設けられ、またネスト状孔２０としてグループ化されており、クラスターとも呼ばれる。ネスト状孔２０は、有孔板１０の一つ以上の構成円として配置される。
【００５７】
図２は、他の実施様態による、熱可塑性プラスチック材料から微小顆粒を製造するための有孔板１０のノズルネスト２０近傍の断面図である。図２に示すように、複数のノズル孔３０がノズルネスト２０に設けられる。ノズル孔３０は、各々が０．１ｍｍから１．０ｍｍまでの範囲の同じ径を持つ。ノズル孔３０はそれぞれ、ノズルネスト２０内でごく近接して配置される。２つの隣接するノズル孔間の距離は、それゆえノズル孔３０の孔径の７倍未満、好ましくは５倍未満、特に好ましくは３倍未満である。これによって密な充填がなされ、多くのノズル孔３０を各々が備えた、非常に多くのノズルネスト２０を備えた有孔板１０を提供することができる。図２に更に示すように、ノズルネスト２０は、有孔板１０を形成するための有孔板本体へと挿入される挿入物２２として設けてもよい。同様に、単一の部品からなる有孔板１０として、一つの部品である有孔板１０内にノズルネストを設けてもよい。
【００５８】
ノズルネスト２０内のノズル孔３０は、不規則又は規則的に分布させてもよく、例えば同心円状又は三角形、矩形又は六角形の配列で規則的に分布させてもよい。
【００５９】
図２に更に示すように、有孔板１０は、高温の溶融材料をノズルネスト２０へと供給するための供給導管４０を備えてもよい。図２において、有孔板１０に設けられた他の導管５０が示されるが、これらは有孔板１０の温度を制御するために熱伝達流体を運ぶ機能を有する。
【００６０】
有孔板１０を使用している間、高温の溶融材料は、供給導管４０を通って運ばれ、ノズルネスト２０に供給され、ノズルネスト２０の複数のノズル孔３０を通るよう加圧され、ノズル孔３０の出口開口を通って水等の冷却流体へと加圧される。
【００６１】
従って、有孔板１０の出口側の表面は、特にノズルネスト２０近傍において、冷却流体と密着しており、例えば温度が７０℃となる。これにより高温の有孔板１０から冷たい冷却流体への熱エネルギーの流れが生まれ、特にノズルネスト２０の領域内において熱有孔板１０が局所的に冷却され、特にノズル孔３０の温度に影響を与える。
【００６２】
同時に、ノズルネスト２０のノズル孔３０の内壁は、ノズル孔３０を通って流れる高温の溶融材料と密着しており、内壁を介して各々のノズル孔３０へと、溶融材料に含まれる熱エネルギーの一部が伝達する。これに関連して、ノズルネスト２０の中心に位置するノズル孔３０は完全に他のノズル孔３０に囲まれており、一方ノズルネスト２０の端に位置するノズル孔３０は、その外側には更なるノズル孔が無いことを考慮する必要がある。
【００６３】
ノズル孔３０が全て同じ形状、特に同じ径及び長さである場合を考えてみる。この場合、ノズルネスト２０の中心に位置するノズル孔３０から放散された熱は、より少ない体積のノズルネスト２０に供給され、結果として、ノズルネスト２０の端に位置するノズル孔３０よりも、より強く加熱することとなる。同時に、ノズルネスト２０の端に位置するノズル孔３０へと分配される低温の冷却流体に接する表面の部分は、隣接するノズル孔の数がより少なくなることにより、ノズルネスト２０の中心に位置するノズル孔３０の部分より大きくなる。結果として、ノズルネストの端のノズル孔３０がより冷却され、ノズルネスト２０の中心のノズル孔３０より低い温度となる。
【００６４】
このことは図３に例示され、ノズルネスト２０及びノズルネスト２０を囲む有孔板１０の部分の温度等高線図のシミュレーションの結果を示す。図３は、ノズルネスト２０の中央領域が端の領域よりも温度が高いことを示す。
【００６５】
ノズル孔３０でのこのような温度差により、ノズルネスト２０の端に位置するノズル孔３０を通って流れる溶融材料は、内部壁が比較的低温であるため、比較的ノズル孔が温かいノズルネストの中心に位置するノズル孔３０を通って流れる溶融材料の場合より冷却される。
【００６６】
この冷却の差により、各ノズル孔において溶融材料は異なる粘度となり、それに応じて異なる速度で流れる。これは例えば図４に示され、ノズルネスト２０を通る溶融材料の流れのシミュレーション結果を示した図である。図４において、各ノズル孔３０に関して、それぞれのノズル孔３０を通り、そこから出てくる溶融材料の流れの速度のベクトルが示されている。図４において、速度ベクトルの長さや幅が異なることから明らかなように、ノズルネスト２０の中心に位置するノズル孔３０を通る溶融材料の流れが最も速く、ノズルネスト２０の端に近くなるにつれて速度が減少することが明らかである。
【００６７】
図５は、ノズルネスト２０を通る溶融材料の流れの、別のシミュレーションによる他の結果を示し、この場合、ノズルネスト２０の端に位置するノズル孔３０は、溶融材料がもはや流れない所まで冷却され、端に位置するノズル孔３０が「凍り」、図５に示すように、影響を受けたノズル孔３０では、速度ベクトルが見えない状態となっている。ノズルネスト２０の中心に向かって、溶融材料の速度は着実に増加し、凍結していない個々のノズル孔を通って流れ、そこから出てくる溶融材料の流れの速度とは目に見える大きな差がある。
【００６８】
そこで本発明は、ノズル孔の長さを変え、ほぼ均一な溶融材料の流れを実現するよう調整することを提案する。
【００６９】
例えば、図６に示すように、ノズル孔３０は予め開けた孔を備えた皿穴状であってもよく、それぞれのノズル孔３０の長さが異なるように、予め開けた孔によってノズル孔３０を皿穴状にする。特に図６に示されるように、ノズルネスト２０の端に位置するノズル孔２０は、より深く予め孔が開けられ、ノズルネスト２０の端に位置するノズル孔３０が、ノズルネスト２０の中心に位置するノズル孔よりも短いノズル孔の長さとなるようにする。
【００７０】
ノズル孔の長さを短くすることにより、影響を受けたノズル孔３０の水圧抵抗が減少し、融液流への流体抵抗がより少なくなる。それゆえ溶融流体は、短いノズル孔３０を通ってより速く流れる。理想的には、結果的に調整した水圧抵抗により、温度差によってもたらされる影響ができるだけ最適に補償されるように、ノズル孔の長さの大きさを決める。ノズルネスト２０のノズル孔３０の長さを適切に選ぶことにより、ノズル孔３０を通る溶融材料の流量を、ノズルネスト２０の全てのノズル孔３０全体に関してほぼ均一とすることが可能である。
【００７１】
図７は、このことを例示した図であり、ノズル孔の長さが調整された場合の、ノズルネストのノズル孔を通じて流れる融液流の速度プロファイルの分布を示す図である。図７に示すように、溶融材料の速度ベクトルは、ノズルネスト２０の全てのノズル孔３０についてほぼ同じである。図７から更にわかるように、このことは、ノズル孔の長さ、特にノズルネスト２０の端に位置するノズル孔３０の長さを、それに応じてかなり減少させ、端に位置するノズル孔３０のノズル孔の長さを可能な限り最良の補償がなされる程度にまで調整且つ短くすることにより達成された。
【００７２】
図８の温度等高線図で図示されるように、ノズル孔の長さを調整することにより、より平坦な温度勾配がノズルネスト２０全体で発生し、ノズルネスト２０の端の領域と中心との間の温度差は、ノズル孔の長さを調整することによる補償を行わない図３に示した場合より小さくなる。
【００７３】
所望の補償を得るべく個々のノズル孔３０が有するべき長さを決定するために、有孔板のノズル孔の長さを決定する方法を使用することができ、図９に示す。
【００７４】
コンピュータ上のソフトウェアとして実行される図９の方法において、まず、ステップ１１０においてモデルを作成する。このモデルは、計算及び／又はシミュレーションのモデルとして機能し、有孔板の形状と特性を表す。特にこのモデルは、ノズル孔の径と長さ等の、ノズル孔３０自身の形状とともに、ノズルネスト２０内のノズル孔３０の数と空間配列を表す。このモデルはまた、有孔板の材料の熱挙動を表してもよい。これに関連して、このモデルによってノズルネストの領域のみを表すことができる。有孔板１０のノズルネスト２０が全て同じ条件である場合、例えば全てのノズルネスト２０が回転対称な有孔板１０の一つの構成円上に位置する場合に、特にこれが可能となり得る。或いは、このモデルにより有孔板１０全体を表す、又は、このモデルにより複数のノズルネスト２０を備えた有孔板１０のある領域を表すことも可能である。
【００７５】
更にステップ１２０において、計算及び／又はシミュレーションに必要なパラメータを設定する。これらは特に、設計すべき有孔板の所望の使用状態のパラメータである。予め決定可能なパラメータとして、特に溶融材料の粘度パラメータ、供給領域での溶融材料の温度、有孔板の加熱温度、又は冷却流体の温度が挙げられる。
【００７６】
本モデルとパラメータに基づき、ステップ１３０において、コンピュータを利用した計算及び／又はシミュレーションを実行し、溶融材料がどのようにノズルネスト３０を通って流れるかを判断する。この場合、計算流体力学を用いて三次元シミュレーションが実行されることが好ましい。このように、個々のノズル孔を通る溶融材料の流量がどのようになるかを、各ノズル孔に関して判断する。この場合の流量は、数学的値として直接求めるか、溶融材料の流速から導くことができる。
【００７７】
計算及び／又はシミュレーションの結果に基づき、ステップ１６０において、ノズル孔の長さを調整する。この場合、溶融材料の低い又は非常に低い流量を持つノズル孔３０について、ノズル孔の長さを短くする。或いは又は更に、溶融材料の高い又は非常に高い流量を持つノズル孔３０について、ノズル孔の長さを長くする。その場合、本計算手順は、対応する新しい（例えばより長い）孔を有するよう実行しなければならない。これについて、ノズル孔３０全てについて、又はノズル孔３０の一部のみについて起こる可能性がある。唯一つのノズル孔３０の長さを変更することも可能である。
【００７８】
基準値を用いて、どのノズル孔３０の長さを変えるべきかを判断してもよい。あるノズル孔について決定した溶融材料の流量が、所定の量より多く基準値から逸脱した場合、ノズル孔の長さを変更する決定がなされる。この場合、溶融材料の流量の所定の設定値、ノズルネストの中心に位置するノズル孔に関して決められた溶融材料の流量値、又はノズルネストの全てのノズル孔の溶融材料の流量の平均値を、基準値として用いることができる。
【００７９】
ステップ１６０において、ノズル孔の長さは、所定の増加量刻みで変更可能である。繰り返し方法により、この増加量を繰り返し毎に減らすことが好ましい。或いは、あるノズル孔３０について行った長さの変化を、そのノズル孔３０を通る流量が基準値からどれだけ逸脱したかの関数として計算してもよい。
【００８０】
ノズル孔の長さの新たな計算及び／又はシミュレーションを実行するために、本方法は、ステップ１６０からステップ１３０に戻ることができる。このように、反復手法において、シミュレーションを繰り返すことで、ノズル孔の長さを可能な限り最適に決定することが可能となる。
【００８１】
図９の方法において、ステップ１４０で、ノズルネストのノズル孔を通る溶融材料の流量の偏差を表す品質基準を決めてもよい。この品質基準は、ノズル孔を通る溶融材料の決定された流量の最小値及び／又は最大値、ノズル孔を通る溶融材料の決定された流量の最小値と最大値との差、又はノズル孔を通る溶融材料の決定された流量と決定された溶融材料の流量の平均値との差の二乗の合計に基づくものであってよい。このように、品質基準を、長さの変更によりなされた補償がどれだけ適切であるかの基準としてよい。従って、ステップ１５０において、この品質基準と予め決定可能な基準との比較を行い、補償が規定された要件を十分に満たしているかどうかを判断してもよい。要件を満たしていなければ、基準を満たすか又はユーザによって処理が中断されるまで、ステップ１６０、１３０、１４０及び１５０が反復して繰り返される。
【００８２】
ステップ１５０で、品質基準が規定された基準を満たすと判断した場合、本方法はステップ１７０に切り替わって終了する。その後、得られたデータに基づいて有孔板を製造する等のために、決定したノズル孔の長さが出力される。
【００８３】
図６に関して上述のように、各ノズル孔３０について設けられたノズル孔の長さとなるように、ノズル孔３０を皿穴状にした予め開けた孔を設けることにより、ノズル孔２０を調整する。或いは又は更に、何かの別の方法で、ノズルネストの部分的な厚みを変える又はノズルネストのトポロジーを変えることも同様に可能である。図１０を参照して、これについて以下に説明する。
【００８４】
図１０は、他の実施様態による、熱可塑性プラスチック材料から微小顆粒を製造するための有孔板１０のノズルネスト２０近傍の断面図である。図１０に示すように、ノズルネスト２０は、有孔板１０を形成するために、有孔板本体に挿入可能な挿入物２２として設けてもよい。ノズルネスト２０の複数のノズル孔３０は、挿入物２２内に設けられる。図１０の例の挿入物２２は、カッタ装置に向いた側が平坦であり、供給導管４０に向いた側が凸面となるよう設けられる。これにより、中心にあるノズル孔３０の長さが、挿入物２２の端に設けたノズル孔の長さより長くなるような挿入物２２のトポロジーが得られる。
【００８５】
この場合、供給導管４０側の挿入物２２の断面は、対応する決定されたノズルの長さを得るよう、例えば自由曲面として被切削表面を機械加工する複合工作機械により機械加工することができる。この場合の表面は、段階的な断面、又は図１０に示すようなほぼ線形な断面としてよい。この断面は、非球面により表される。或いは、この断面は、球面によっても表され、達成すべき決定した調整後のノズル孔の長さに可能な限り近づけるよう、球面のパラメータを選択可能である。特に球面の場合、機械加工は研削により行ってもよい。
【００８６】
このように被切削ノズル孔内において予め開けた孔を設ける必要なく、調整後のノズル孔の長さを備えたノズル孔３０をノズルネスト２０内に製造可能である。
【００８７】
上記のように、ノズル孔の長さの変更と調整により、ノズル孔を通る流量の均一性を改善することができる。
【００８８】
或いは、それぞれのノズル孔での流量の均一性を増加させるために、個々のノズル孔の径を変化させる、即ちそれに応じてノズル孔の径を温度プロファイルに適合させることも考えられる。つまり、例えば、図９を参照して説明した方法に類似した対応するシミュレーションにより、最適に均一である又は少なくとも十分に均一であるノズル孔を通る溶融材料の流量が得られるように、ノズルネストの全てのノズル孔に関して、調整後の各孔径を決定することが可能である。百分の数ミリメートルの範囲での径の変化であっても、影響を受けたノズル孔の水圧抵抗が非常に大きな変化をもたらし得るため、ノズル孔の径のパラメータは、調整可能性に関して非常に敏感である。従って、有孔板を調整するためには、ノズル孔を精密に及びそれぞれわずかにのみ異なる多くの径を有するように製造する必要がある。このような方法の実行は、製造上の観点から制御が容易なノズル孔の長さを変更及び調整する場合よりも、製造上の観点から非常に困難であるため、ノズル孔の長さを変化させ調整する方がノズル孔径を変化させ調整するよりも好ましい。
【００８９】
特に多数のノズル孔を備えた大きなノズルネストの場合及び／又はノズル孔の領域において有孔板が比較的薄い場合には、ノズル孔の長さもそれに応じて短くなり、ノズル孔の径と長さとをどちらも調整することが有利である。従って、例えば、ノズル孔の初期径に基づいて、調整するノズル孔の長さをまず決定することが可能である。決定した長さが、所望のノズル孔の最大の長さより大きい値、又はノズル孔の最小の長さより小さい値である場合、これに基づいて初期径を増加又は減少させ、ノズル孔の調整長さを再度決定してもよい。これにより、ノズル孔の長さが、望ましくない量であるかもしれない量だけ異ならない実施様態を達成可能となる。この場合、ノズル孔の起こりうる径が、例えば２、３、４、又は５等の限られた数だけの異なる径であれば、この限られた数の異なる径について、ドリルビットのような対応するツールを準備し、この限られた数の異なる径を正確に製造することが可能である。これによって、製造上の量を極端に複雑にすることなく、径と長さとの両方を調整したノズル孔を有する有孔板を製造し、ノズル孔を通る溶融材料の、可能な限り最も均一な流量を実現することができる。
【００９０】
なお、本発明は、微小顆粒を製造するための有孔板に関してこれまで説明してきたが、本発明はこの方法に限定されない。代わりに、複数のノズル孔を必ずしもノズルネストとして配置する必要がない、ノズル孔を有する他の種類の有孔板においても本発明を用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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