(57)【要約】【課題】  ゴム等の被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。【解決手段】  回転シャフト５１，７１と、回転シャフト５１，７１の外周に嵌合固定され、外表面に混練用の翼部を備えるとともに、回転シャフト５１，７１に接する内周面に外表面に向かって拡がるディスク状の溝部５７ａ，７７ａをシャフト５１，７１の軸線方向に複数配列形成したロータ本体５２，７２と、を有し、各ディスク状溝部５７ａ，７７ａに冷却媒体を流通させるように構成された混練用ロータである。各ディスク状溝部５７ａ，７７ａ内に、回転シャフト５１，７１の外周から対応するディスク状溝部５７ａ，７７ａ内に臨む中子５８，７８を配設し、この中子５８，７８によってディスク状溝部５７ａ，７７ａの深さを実質的に減少させている。【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、該回転シャフトの外周に嵌合固定さ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するとともに、前記回転シャフトに接する内周面から前記外表面に向かって拡がるディスク状の溝部を前記シャフトの軸線方向に複数配列形成して、前記各ディスク状溝部に冷却媒体を流通させるように構成され、
前記各ディスク状溝部内に、前ロータ本体の内周面から外表面に向かって伸びる中子を配設し、この中子によって前記ディスク状溝部の深さを実質的に減少させたことを特徴とする混練用ロータ。
【請求項２】
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３】
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４】
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５】
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３または４に記載の混練用ロータ。
【請求項６】
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３または４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、混練押出機等の混練機械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有する。
【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、かかる課題を解決するためになされたものであり、回転シャフトと、該回転シャフトの外周に嵌合固定さ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するとともに、前記回転シャフトに接する内周面から前記外表面に向かって拡がるディスク状の溝部を前記シャフトの軸線方向に複数配列形成して、前記各ディスク状溝部に冷却媒体を流通させるように構成され、前記各ディスク状溝部内に、前ロータ本体の内周面から外表面に向かって伸びる中子を配設し、この中子によって前記ディスク状溝部の深さを実質的に減少させたことを特徴としている。
【０００８】
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使用して好適である。
上記混練押出機に適用する混練用ロータには、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前記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、上記混練押出機に適用する混練用ロータには、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翼部を備えることができ、その場合、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°に設定することが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る混練用ロータによれば、ロータ本体に設けられた各ディスク状溝部内に中子を配設し、この中子によってディスク状溝部の深さを実質的に減少させるようにしているので、各ディスク状溝部の内側周面（底部）近傍、つまり、ロータ本体の外表面に近い部位における冷却媒体の流通速度を高めて、その部位での冷却効率を向上することができる。したがって、バッチ式の混練機や二軸もしくは一軸混練押出機に用いる混練用ロータとして最適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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、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。
混練用ロータ５，７は、同一もしくは類似した構成を有する。そこで、以下においては、主としてロータ５の構成および作用について説明する。なお、図３においては、ロータ７の構成要素の符号をカッコ内に記してある。
【００１１】
混練用ロータ５は、図３にその軸線に沿った断面を示すように、回転シャフト５１と、焼きばめ等の手段によりシャフト５１の外周に嵌合固定されたロータ本体５２とから構成されている。
回転シャフト５１は、水等の冷却媒体を循環させるための通路５３〜５６を内部に備えている。通路５３は、回転シャフト５１の軸線に沿って形成され、その先端が閉止されている。また、通路５４は、通路５３内に同軸状に形成され、その先端は通路５３の先端近傍において開放されている。一方、通路５５および通路５６は、通路５３から上記ロータ本体５２の一端部および他端部に向かって延設されている。
【００１２】
ロータ本体５２およびロータ本体７２は、それぞれ外表面に複数の翼部５９ａ，５９ｂ・・・および翼部７９ａ，７９ｂ・・・を有し、混練時には翼部５９ａ，５９ｂ・・・と翼部７９ａ，７９ｂ・・・とが噛み合う。このロータ本体５２の外表面は、耐摩耗性および耐食性を向上するために、Ｃｒメッキ等の処理が施される。なお、ステライトを肉盛した後にＣｒメッキ等の処理を施しても良い。
一方、ロータ本体５２は、シャフト５１の周面に接するその内周面に上記冷却媒体を通すための一連の溝５７を形成し、この溝５７の一端および他端をそれぞれ上記通路５５および５６に連通させてある。
【００１３】
上記溝５７は、ロータ本体５２の長手方向に並列する多数のディスク状溝部５７ａを連接することによってスパイラル状に構成されている。個々のディスク状溝部５７ａは、ロータ本体５２の外表面に近接した部位まで延びるようにその深さが設定されている。したがって、ディスク状溝部５７ａは、ロータ本体５２の翼部形成側に位置した部位の深さが翼部非形成側に位置した部位の深さよりも大きくなっている。なお、各ディスク状溝部５７ａの内周面は、溝５７の底部を構成することになる。
【００１４】
図１には、ディスク状溝部５７ａの内側周面とロータ本体５２の外表面との間の距離ｄが示されている。この距離ｄは、ロータ本体５２の熱抵抗を低減する上で、換言すれば、該ロータ本体５２の熱伝達率を向上する上で、できるだけ小さい方が望ましい。しかし、この距離ｄは、ロータ本体５２の強度や上記溝５７の加工上の観点から、むやみに小さくすることはできない。
【００１５】
上記ディスク状溝部５７ａ内には中子５８が挿入されている。この中子５８は、ディスク状溝部５７ａ内に嵌合や金属接合(溶接他)等の手段で固定され、その其端がシャフトの周面に当接するように、また、その外側周面がディスク状溝部５７ａの深さの大きな部位の内側周面に対向するように形成されている。
上記中子５８は、その外側周面と上記ディスク状溝部５７ａの深さの大きな部位の内側周面とによって、該内側周面近傍に狭い断面積の空間、つまり、シャフト５１の周面と上記ディスク状溝部５７ａの深さの小さな部位の内側周面とによって形成された空間の断面積と大差のない断面積の空間を形成する。このように、中子５８は、実質的にディスク状溝部５７ａの深さを減少させる手段として機能する。
【００１６】
次に、上記混練用ロータ５，７の作用を説明する。
図１に示す混練機Ｍの混練室３に投入された被混練材料、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相互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。
【００１７】
混練中においては、ケーシング１に設けられた冷却通路９（図１参照）に水等の加圧冷却媒体が流通されるとともに、図３に示した通路５４に同様の冷却媒体が送り込まれる。
通路５４に送り込まれた冷却媒体は、それぞれ通路５３に流入した後、通路５５を通って前記ロータ本体５２の溝５７の一端部に流入する。この溝５７に流入した冷却媒体は、各ディスク状溝部５７ａを順次通過することになる。このとき、ディスク状溝部５７ａにおける深さの大きな部位では、該ディスク状溝部５７ａの内側周面と前記中子５８の外側周面とによって挟まれた狭い断面積の通路を冷却媒体が流通するので、この深さの大きな部位においてもロータ本体５の表層部が効率よく冷却される。
【００１８】
すなわち、もし、上記中子５８が存在しない場合には、ディスク状溝部５７ａにおける深さの大きな部位の媒体通路断面積が大きくなるので、該部位での冷却媒体の流速が他の部位よりも低くなる。しかし、上記中子５８を備える混練用ロータ５によれば、ディスク状溝部５７ａの深さの大きな部位においても、その内側周面近傍で冷却媒体を高速で流通させることができるので、上記深さの大きな部位におけるロータ本体５の表層部、つまり、最も冷却を必要とする翼部の冷却効率が向上する。
【００１９】
中子７８を設けた他方の混練用ロータ７においても、ディスク状溝部７７ａにおける深さの大きな部位での冷却媒体の流通速度が高められるので、該部位におけるロータ本体７の表層部の冷却効率が向上することになる。
かくして、上記混練用ロータ５，７を適用した上記混練機Ｍによれば、ゴムに対する冷却能力を向上して、低温混練することが可能になる。
【００２０】
図４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。
【００２１】
混練ロータ１９は、ロータ本体１７の外表面の構成が図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、ロータ１９のロータ本体１７は、図２に示す複数のディスク状溝部５７ａ（７７ａ）からなる溝５７（７７）に対応した冷却用溝、ならびに図１に示す中子５８（７８）に対応した中子を備えている。また、シャフト１１には、図３に示す通路５３〜５６（７３〜７６）に対応した通路（図示していない）を設けてある。
【００２２】
図５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と、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とを有する。
ロータ本体１７の展開図である図６に示すように、第１翼部１７１は、前記シャフト１１（図５，６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。
【００２３】
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。
【００２４】
図４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被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５，６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との間に発生するせん断力によって被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。
【００２５】
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２に準じた構成を有するので、被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６に示す第１翼部１７１の捩じれ角θ1を３５°〜５５°に設定してあるので、被混練材料の温度上昇を一層抑制することができる。以下、その理由について説明する。
【００２６】
図７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、このときに被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、被混練材料の温度上昇が抑制されることになる。
【００２７】
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８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。
【００２８】
このグラフにおいて、横軸は捩じれ角θ１ 、θ１ 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８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。
【００２９】
なお、以上では、長翼部が１枚で短翼部が２枚の場合について説明したが、翼部の枚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枚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。
【００３０】
図９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点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被混練材料を混練する。
【００３１】
図１０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に示した中子５８，７８の作用によって混練材料に対する冷却能力に優れるので、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。
【００３２】
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（Black  carbon incorporate time）に達した時点で被混練材料が排出される。排出された被混練材料は、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、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、混練作業に要する時間を短縮して生産性を向上することができる。
【００３３】
図１１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４に示した二軸混練押出機ＭＰもしくは図９に示した一軸混練押出機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ている。
この混練システムは、混練機Ｍによってマスター練を行い、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工程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もしくは一軸混練押出機ＭＰ'は、図４、図９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）と同様の冷却機能を有する。したがって、このシステムでは、上記のようにファイナル練を二軸混練押出機ＭＰもしくは一軸混練押出機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。
【００３４】
図１２は、上記二軸混練押出機ＭＰもしくは一軸混練押出機ＭＰ'をマスター練およびファイナル練の双方に使用したゴムシート製造システムの更に別の例を示している。
このシステムでは、まず、二軸混練押出機ＭＰ１もしくは一軸混練押出機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二軸混練押出機ＭＰ２もしくは一軸混練押出機ＭＰ２'によって連続的に混練（ファイナル練）されかつ押し出される。このようにこのシステムによれば、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１１に示したシステムよりも生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る混練用ロータが適用された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外観構成を例示した図である。
【図３】図１に示す混練用ロータを回転シャフトの軸線を含む面で断面した図である。
【図４】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５】図４に示す混練用ロータの外観構成を例示した図である。
【図６】図４に示す混練用ロータのロータ本体の展開図である。
【図７】図６に示す混練用ロータ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８】図６に示す第２翼部の捩じれ角を第１翼部の捩じれ角と同じ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９】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内部平面図である。
【図１０】バッチ式混練機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の構成を示す概略図である。
【図１１】バッチ式混練機をマスター練に適用し、二軸混練押出機もしくは一軸混練押出機をファイナル練に適用した混練システムの構成を示す概略図である。
【図１２】二軸混練押出機もしくは一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の構成を示す概略図である。
【図１３】従来の密閉式（バッチ式）混練機の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
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
５３〜５６，７３〜７６  通路
５７，７７  溝
５７ａ，７７ａ  ディスク状溝部
５８，７８  中子
ＭＰ，ＭＰ１，ＭＰ２  二軸混練押出機
ＭＰ'，ＭＰ１'，ＭＰ２'  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】
2005059528.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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