(57)【要約】【課題】  ゴム等の混練材料に対する冷却効率を向上して混練に要する時間を短縮すること。【解決手段】  回転シャフト５１（７１）と、回転シャフト５１（７１）の外周に設けられたロータ本体５２（７２）とを有する混練用ロータである。ロータ本体５２（７２）は、外表面に翼部５５（７５）を形成しかつ外表面における少なくとも翼部５５（７５）の形成部位に溝５６（７６）を形成した内部部材５３（７３）と、内部部材５３（７３）の外表面に倣うようにこの外表面を覆う外部部材５４（７４）とを備え、溝５６（７６）と外部部材５４（７４）とによって冷却媒体を流通させる通路空間を形成している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転シャフトと、この回転シャフトの外周に設けられたロータ本体とを有する混練用ロータであって、
前記ロータ本体は、外表面に混練用の翼部を形成しかつ該外表面における少なくとも前記翼部の形成部位に溝を形成した内部部材と、前記外表面に倣うようにこの外表面を覆う外部部材とを備え、
前記溝と外部部材とによって冷却媒体を流通させる通路空間を形成したことを特徴とする混練用ロータ。
【請求項２】
前記外部部材がステライト製の板である請求項１に記載の混練用ロータ。
【請求項３】
前記外部部材の表面の耐磨耗性を向上するため、該表面に溶射処理を施したことを特徴とする請求項1または２に記載の混練用ロータ。
【請求項４】
前記溶射処理に用いるコーティング材料がタングステンカーバイトＷＣを含有したＮｉ基溶性合金である請求項３に記載の混練用ロータ。
【請求項５】
バッチ式の混練機の混練用ロータに適用したことを特徴とする請求項１に記載の混練用ロータ。
【請求項６】
二軸混練押出機の混練用ロータに適用したことを特徴とする請求項１に記載の混練用ロータ。
【請求項７】
一軸混練押出機の混練用ロータに適用したことを特徴とする請求項１に記載の混練用ロータ。
【請求項８】
前記混練用の翼部として、少なくとも１つの長翼部を備え、前記シャフトの軸線に対する前記長翼部の捩じれ角を３５°〜５５°に設定したことを特徴とする請求項６に記載の混練用ロータ。
【請求項９】
前記混練用の翼部として、長翼部である第１翼部と、短翼部である第２翼部および第３翼部を備え、前記シャフトの軸線に対する前記第１翼部の捩じれ角および前記軸線に対する前記第２翼部、第３翼部の少なくとも一方の捩じれ角を３５°〜５５°に設定したことを特徴とする請求項６に記載の混練用ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混練機および混練押出機等の混練装置に適用される混練用ロータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来の密閉式（バッチ式）混練機を示す縦断面図である。同図に示すように、ケーシング１００内には混練室１０１が形成され、この混練室１０１内に一対のロータ１０２，１０３が平行に配置されている。ロータ１０２（１０３）は、回転シャフト１０２ａ(１０３ａ)の外周にロータ本体１０２ｂ（１０３ｂ）を嵌合固定した構成をする。
【０００３】
ホッパ１０４を介して投入された混練材料は、フローティングウエイト１０５によって混練室２内に圧入された後、互いに逆方向に回転するロータ本体１０２ｂ，１０３ｂの噛み合い作用および該ロータ本体１０２ｂ，１０３ｂと混練室１０１の内表面との間に発生するせん断作用によって混練される。そして、混練された材料は、混練室１０１の底部に設けられたドロップドア１０６を開くことによって混練室１０１外に取り出される。
【０００４】
ところで、一般に、ゴム等の混練材料を混練する際には多量の熱が発生する。そこで、上記ロータ本体１０２ｂ，１０３ｂは、内部に水等の冷却媒体を流通させて冷却するようにしている。回転シャフト１０２ａ，１０３ａに設けられたジャケット１０２ｃ，１０３ｃは、上記冷却媒体を給排するためのものである。（例えば、特許文献１）
【特許文献１】特開２００１−１５０４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の混練用ロータ１０２，１０３は、上記冷却媒体を通過させる通路の構造に起因して、混練材料に接触する外表面部の冷却効率が良好でなく、そのため、混練材料に対する冷却能力が低いという問題点を有する。
そこで、現状の混練作業では、混練中の混練材料の温度を監視して、その温度が混練材料を劣化させる前の所定の温度（例えば、ゴムにおいては約１５０℃）まで上昇した時点で混練機から混練材料から排出し、その材料を冷却した後、再び混練機に投入するという作業を適数回繰り返すようにしている。
上記のような再練（リミル）作業は、多大の時間を要するので、タイヤ等の製品の生産性を低下させる要因になる。このため、混練材料に対する冷却能力の高い混練用ロータが要望されている。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ゴム等の混練材料に対する冷却効率を向上して混練に要する時間の短縮を図ることができる混練用ロータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、回転シャフトと、この回転シャフトの外周に設けられたロータ本体とを有する混練用ロータであって、前記ロータ本体が、外表面に混練用の翼部を形成しかつ該外表面における少なくとも前記翼部の形成部位に溝を形成した内部部材と、前記外表面に倣うようにこの外表面を覆う外部部材とを備え、前記溝と外部部材とによって冷却媒体を流通させる通路空間を形成したことを特徴としている。
【０００８】
前記外部部材をステライト製の板で形成することにより、この外部部材の耐摩耗性を向上することができる。また、外部部材の表面の耐磨耗性を一層向上するため、該表面に溶射処理を施すことができる。溶射処理に用いるコーティング材料として、例えばタングステンカーバイトＷＣを含有したＮｉ基溶性合金を適用することができる。
【０００９】
本発明に係る混練用ロータは、バッチ式の混練機や二軸もしくは一軸の混練押出機の混練用ロータに採用して好適である。
二軸混練押出機の混練用ロータに採用する場合、前記混練用の翼部として、少なくとも１つの長翼部を備えることができ、その場合、前記シャフトの軸線に対するこの長翼部の捩じれ角を３５°〜５５°に設定することが望ましい。また、混練用の翼部として、長翼部である第１翼部と、短翼部である第２翼部および第３翼部を備えることができ、その場合、前記シャフトの軸線に対する上記第１翼部の捩じれ角および該軸線に対する上記第２翼部、第３翼部の少なくとも一方の捩じれ角を３５°〜５５°に設定に設定することが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る混練用ロータのロータ本体は、外表面に翼部を形成しかつ該外表面における少なくとも上記翼部の形成部位に溝を形成した内部部材と、上記外表面に倣うようにこの外表面を覆う外部部材とを備え、上記溝と外部部材とによって冷却媒体を流通させる通路空間を形成している。
したがって、本発明に係る混練用ロータによれば、その外表面部が集中的に効率良く冷却され、その結果、混練材料に対して高い冷却能力を発揮する。しかも、外部部材が内部部材の外表面によって支持されるので、該外部部材に薄肉の金属板を使用した場合でも、外圧に対して充分な強度を示すことになる。それゆえ、外表面と溝との間の距離を低減して、つまり、外表面部の熱抵抗を低減して、冷却能力を一層向上することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明に係る混練用ロータが適用されたバッチ式（密閉式）の混練機Ｍを示す縦断面図である。この混練機Ｍは、ケーシング１内に形成された混練室３内に本発明に係る一対の混練用ロータ５，７を配設してある。図２に示すように、混練用ロータ５，７は平行に配列され、図示していない駆動手段によって互いに逆方向に等速回転される。
【００１２】
混練用ロータ５（７）は、回転シャフト５１（７１）と、この回転シャフト５１（７１）の外周に嵌合固定されたロータ本体５２（７２）とから構成されている。
ロータ本体５２（７２）は、回転シャフト５１（７１）に焼きばめ等の手段により嵌合固定された内部部材５３（７３）と、この内部部材５３（７３）の外表面を覆う外部部材５４（７４）とを有する。なお、図２では、外部部材５４（７４）が鎖線で示されている。
【００１３】
上記内部部材５３（７３）の外表面には、複数の翼部５５（７５）が形成されるとともに、図１に示すような複数の溝５６（７６）が所定の間隔で配列形成されている。そして、この内部部材５３（７３）の外表面上には、該表面に倣う形態で上記外部部材５４（７４）が被着されている。
【００１４】
図２には、内部部材５３の外表面に設けられる複数の溝５６のうちの１つが示されている。この例では、溝５６が翼部５５に沿う方向に形成されている。溝５６の形成方向は上記の方向に限定されず、例えば、この溝５６を回転シャフト５１の軸線に沿った方向に形成しても良い。また、溝５６は、内部部材５３の外表面全域に亘って形成することが望ましいが、製造コストの低減を図るために、最も冷却能力を要求される翼部５５の表面部分のみに設けるようにしても良い。
【００１５】
上記溝５６と、この溝５６の開口を覆う上記外部部材５４とによって構成される通路空間は、その一端および他端が回転シャフト５１の内部に設けられた冷却媒体供給路５７および冷却媒体排出路５８にそれぞれ接続される。したがって、供給路５７に加圧された水等の冷却媒体が供給されると、上記通路空間をこの冷却媒体が流通して、ロータ本体５２の表面が冷却される。
なお、ロータ本体７２の溝７６も、溝５６と同様の形態で設けられ、外部部材７４と共に冷却媒体の通路空間を構成する。
【００１６】
外部部材５４（７４）は、例えば、ステライトや鋼（例えば、ＳＳ４００）からなる薄肉の金属板によって形成され、溶接、ロウ付、ＦＳＷ接合等の適宜な接合手段を用いて内部部材５３（７３）の外表面に密に被着される。この外部部材５４（７４）の表面には、耐摩耗性（耐久性）確保のために、タングステンカーバイトＷＣを含有したＮｉ基溶性合金等のコーティング材料を溶射施工しても良い。
【００１７】
図１２に示した従来の混練用ロータ１０２（１０３）においては、外表面にステライト肉盛およびＣｒメッキを施して該表面の耐磨耗性を確保しているが、ステライト肉盛加工には手間を要するので、ロータの製造コストがアップする。また、上記の表面処理では、高硬度の新素材（例えば、シリカＳｉＯ2配合のゴム）の混練時にメッキの剥離や短期間での磨耗消失が生じるという不都合が発生する。これに対して、上記溶射処理によれば、高硬度の新素材に対しても良好な耐摩耗性が確保される。
【００１８】
次に、上記混練用ロータ５，７を備えた混練器Ｍの作用を説明する。
図１に示す混練機Ｍの混練室３に投入された混練材料、例えば原料ゴムおよび配合剤（カーボンブラック、シリカ、オイル、薬品等）は、各混練用ロータ５，７のロータ本体５２，７２にそれぞれ設けられた前記翼部５５，７５の噛合い作用および該ロータ本体５２，７２と混練室３の内表面との間に発生するせん断作用によって混練される。
【００１９】
混練中においては、ロータ本体５２（７２）に設けられた前記溝５６（７６）を冷却媒体が流通するので、混練材料が接触するロータ本体５２，７２の表面部分が効率よく冷却され、これによって混練材料の発熱が吸収される。
【００２０】
要するに、上記実施の形態に係る混練用ロータ５（７）によれば、内部部材５３（７３）の外表面に形成された溝５６（７６）と、その外表面を覆う外部部材５４（７４）とによって冷却媒体の通路空間が形成されているので、その外表面部が集中的に効率良く冷却され、その結果、混練材料に対して高い冷却能力を発揮する。
しかも、外部部材５４（７４）が内部部材５３（７３）の外表面によって支持されるので、該外部部材５４（７４）に薄肉の金属板を使用した場合でも、外圧に対して充分な強度を示す。したがって、上記混練用ロータ５（７）によれば、その外表面と溝５６（７６）との間の距離を低減して、つまり、該ロータ５（７）の外表面部の熱抵抗を低減して、冷却能力を一層向上することが可能になる。
【００２１】
図３は、本発明に係る混練用ロータが適用された二軸混練押出機の一例を概略的に示す内部平面図である。
この二軸混練押出機ＭＰは、平行する一対の回転シャフト１１，１１を有する。
各回転シャフト１１は、一端部がスクリューフィン１３と共に押出ロータ１５を、中間部がロータ本体１７と共に混練用ロータ１９を、他端部がその周囲に設けられたスクリューフィン２１と共に押出ロータ２３をそれぞれ構成している。
【００２２】
混練ロータ１９は、ロータ本体１７の外表面の構成（翼の形状）が図１に示した混練ロータ５，７のそれと異なることを除き、該混練ロータ５，７と同様の構成を有する。すなわち、図示を省略するが、混練用ロータ１９のロータ本体１７は、図１に示す内部部材５３（７３）と外部部材５４（７４）に対応した構成の内部部材および外部部材によって構成されている。
【００２３】
図４に示すように、上記ロータ本体１７は、中央部に配設された長翼部たる第１翼部１７１、第１翼部１７１の両側に配設された短翼部たる第２翼部１７２および第３翼部１７３の３枚の翼を有する。
ロータ本体１７の展開図である図５に示すように、第１翼部１７１は、前記シャフト１１（図４，５には示されていない）の軸線に対する捩じれ角θ1が３５°〜５５°に設定され、かつ図における左方の端からロータ本体１７の左端に至る軸方向距離と、右方の端からロータ本体１７の右端に至る軸方向距離とが等しくなるように形成されている。一方、第２翼部１７２および第３翼部１７３は、前者の始点がロータ本体１７の左端に位置し、後者の始点がロータ本体１７の右端に位置するように、かつ、それぞれが前記シャフト１１の軸線に対して所定の角度を持つように設けられている。
【００２４】
対向する一対のロータ本体１７は、互いに１８０°の位相差をもって配置され、それらの回転時には、一方のロータ本体１７の第１翼部１７１が他方のロータ本体１７の第２翼部１７２および第３翼部１７３の間をそれらと噛み合いながら通過していく。なお、図中の矢印１７４は、ロータ本体１７の回転方向を示す。
【００２５】
図３に示す二軸混練押出機ＭＰにおいて、相対向する押出ロータ１５は、図示していないホッパから投入された混練材料を下流方向に搬送して、相対向する混練ロータ１９に供給する。各混練ロータ１９は、図４，５に示した上記翼部１７１〜１７３の噛み合いによって、また、この翼部１７１〜１７３とケーシング２５の内周面との間に発生するせん断力によって混練材料を混練する。そして、各混練ロータ１９の下流側に位置する各押出しロータ２３によって混練済みの材料が次工程に搬出される。
【００２６】
前述したように、各混練ロータ１９は、図１に示した各混練ロータ５，７に準じた構成を有するので、混練材料に対し極めて高い冷却能力を示す。また、各混練ロータ１９は、図５に示したように第１翼部１７１の捩じれ角θ1を３５°〜５５°に設定してあるので、混練材料の温度上昇を一層抑制することができる。以下にその理由について説明する。
【００２７】
図６は、上記軸方向流動性を確認するための実験結果を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は前記第１翼部１７１の捩じれ角θ１、縦軸は軸方向圧力勾配である。
このグラフから明らかなように、捩じれ角θ１ が４５°のとき最大の圧力勾配が得られ、このときに混練材料の軸方向流れが最も良好となり、配合剤の混合および分散性も最も良好になる。そして、捩じれ角θ１ ＝３５°〜５５°では、必要なせん断力を維持した状態で良好な軸方向流動性が確保されることになる。このような良好な軸方向流動性が確保されれば、混練材料の温度上昇が抑制されることになる。
【００２８】
上記第２翼部１７２と第３翼部１７３の少なくとも一方の捩じれ角を第１翼部１７１の捩じれ角θ１と同様に３５°〜５５°に設定しても良い。図７は、第２翼部１７２の捩じれ角θ２を第１翼部１７１の捩じれ角θ１と同じ３５°〜５５°に設定した場合の作用を確認するための実験結果を示すグラフである。この実験では、実機を模擬した押出混練機にＣＭＣ（カルボキシル・メチル・セルロース）水溶液を充填する一方、着色ガラスビーズを被混練物として投入し、その混合度を計測するようにした。
【００２９】
このグラフにおいて、横軸は捩じれ角θ１ 、θ２ を、縦軸は均一混合に要した積算回転数をそれぞれ示している。積算回転数は、小さい程、混練が短時間で終了することを意味する。図７を参照すれば、捩じれ角θ１、θ２が４５．０°近傍の値で小さくなっていることが分かる。この場合、ロータ容積が若干減少し、混練容積が増加する。
したがって、第１翼部１７１、第２翼部１７２の捩じれ角θ１、θ２を共に３５°〜５５°に設定することにより、容積効率、空隙容積が増加し、これは二軸混練押出機の生産性および混練性の向上ならびに軽量化をもたらす。もちろん、第３翼部１７３の捩じれ角を第１翼部１７１の捩じれ角θ１と一致させてもよく、また、第２翼部１７２と第３翼部１７３の双方の捩じれ角を第１翼部１７１の捩じれ角θ１と一致させてもよい。
【００３０】
なお、以上では、長翼部が１枚で短翼部が２つの場合について説明したが、翼部の数はこれに限定されるものではない。例えば、長翼部のみを１つ以上設けるようにしてもよく、また、２以上の長翼部と３以上の短翼部を設けるようにしてもよい。
【００３１】
図８は、本発明に係る混練用ロータが適用された一軸混練押出機の一例を概略的に示す内部平面図である。この一軸混練押出機ＭＰ'と図４に示す二軸混練押出機ＭＰは、軸数が異なることと、前者のケーシング２５'の幅が後者のケーシング２５の幅よりも狭く設定されていることを除き同等の構成を有する。そこで、両者の対応する要素には、共通の符合を付してある。
この一軸混練押出機ＭＰ'の混練ロータ１９は、ロータ本体の翼部とケーシング２５'の内面との間に発生するせん断力によって混練材料を混練する。
【００３２】
図９は、図１に示したバッチ式混練機Ｍをマスター練とファイナル練の双方に適用した混練システムを示している。この混練システムでは、まず第1の混練機Ｍ１を用いて原料ゴムと配合剤が混練（マスター練）される。混練機Ｍ１は、図１に示したロータ５，７が高い冷却能力を発揮するので、従来の混練機のような再練（リミル）操作が不要になるか、もしくは、再練の回数を減少することができる。
【００３３】
上記混練機Ｍ１においては、ゴムと配合剤の分散がほぼ終了するＢＩＴ（Blackcarbon incorporate time）に達した時点で混練材料が排出される。排出された混練材料は、アンダーミキサ２９によって冷却かつシート化された後、加硫剤とともに第２の混練機Ｍ２に投入されて混練（ファイナル練）される。そして、ファイナル練が終了して混練機Ｍ２から取り出されたゴム材料は、アンダーミキサ３１によって冷却かつシート化され、タイヤ等のゴム製品の材料として使用される。
上記するように、この製造システムによれば、混練機Ｍにおける再練操作が不要になるか、もしくは、再練の回数が減少するので、混練時間を短縮して生産性を向上することができる。
【００３４】
図１０は、図１に示すバッチ式混練機Ｍをマスター練に適用し、図３に示した二軸混練押出機ＭＰをファイナル練に適用した混練システムの他の例を示したものである。
この混練システムは、混練機Ｍによってマスター練を行うこと、マスター練を終了した材料をアンダーミキサ２９によって冷却かつシート化することにおいて前記システムと共通している。アンダーミキサ２９によってシート化されたゴム材料は、加硫剤とともに二軸混練押出機ＭＰに投入されて押出、混練（ファイナル練）、冷却および押出の各処理を施された後、シート化されることになる。
上記二軸混練押出機ＭＰは、図３に示す混練ロータ１９が前記混練機Ｍの混練ロータ５，７（図１参照）と同様の高冷却機能を有する。したがって、この混練システムでは、上記のようにファイナル練を二軸混練押出機ＭＰで連続的に実行して生産性を一層向上することができる。
【００３５】
図１１は、図３に示した二軸混練押出機ＭＰをマスター練およびファイナル練の双方に使用した混練システムの更に別の例を示している。
この混練システムでは、まず第１の二軸混練押出機ＭＰ１によって原料ゴムと配合剤が連続的に混練（マスター練）されかつ押し出され、このマスター練されたゴム材料が加硫剤と共に第２の二軸混練押出機ＭＰ２によって連続的に混練（ファイナル練）される。このように、この混練システムによれば、マスター練からファイナル練までが連続化されるので、図１０に示したシステムよりも更に生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る混練用ロータが適用されたバッチ式混練機の要部を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す混練用ロータの内部部材の外観構成を例示した図である。
【図３】本発明に係る混練用ロータが適用された二軸混練押出機の内部平面図である。
【図４】図３に示す混練用ロータの外観構成を例示した図である。
【図５】図４に示すロータ本体の展開図である。
【図６】図５に示すロータ本体の軸方向流動性を確認するための実験結果を示すグラフである。
【図７】図５に示す第２翼の捩じれ角を第１翼の捩じれ角と同じ３５°〜５５°に設定した場合の作用を確認するための実験結果を示すグラフである。
【図８】本発明に係る混練用ロータが適用された一軸混練押出機の一例を概略的に示す内部平面図である。
【図９】本発明に係るロータを適用したバッチ式混練機をマスター練とファイナル練の双方に用いた混練システムを示す概略図である。
【図１０】本発明に係るロータを適用したバッチ式混練機および二軸混練押出機をそれぞれマスター練およびファイナル練に用いた混練システムを示す概略図である。
【図１１】本発明に係るロータを適用した二軸混練押出機をマスター練およびファイナル練の双方に使用した混練システムを示す概略図である。
【図１２】従来の密閉式混練機の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２  バッチ式混練機
１  ケーシング
３  混練室
５，７  混練用ロータ
５１，７１  回転シャフト
５２，７２  ロータ本体
５３，７３  外部部材
５４，７４  外部部材
５５，７５  翼部
５６，７６  溝
ＭＰ  二軸混練押出機
ＭＰ'  一軸混練押出機
１１  回転シャフト
１５，２３  押出ロータ
１７  ロータ本体
１９  混練用ロータ
１７１〜１７３  翼部
２９，３１  アンダーミキサ
【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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【図１１】
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【図１２】
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