(57)【要約】【課題】本発明は処理材料の処理／温度上昇を簡単、効率的な態様で行なうこと。【解決手段】スクリュー機（１）は被処理材料（２）を処理する誘導加熱装置（３９）を備えている。誘導加熱装置（３９）は加熱ゾーン（２５）において材料（２）を加熱するために使用される。加熱ゾーン（２５）において、少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に電磁気的に透明な材料で作成され、この材料は非磁性、非導電性であり、少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１４）は少なくとも部分的に導電性材料で作成されている。材料（２）の処理中、誘導加熱装置（３９）は交番磁場を生成し少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１４）に渦電流損失を生じさせ、渦電流損失は少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１４）の温度上昇を引き起こす。材料（２）は少なくとも１つの加熱された処理エレメントシャフト（１４）上で、特に溶融するまで加熱される。スクリュー機（１）は材料（２）の簡単で効率的な溶融を可能にし、その結果スクリュー機（１）の機械的エネルギー入力及び結果としての摩耗を大幅に低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリュー機（１）を備え、前記スクリュー機は、
搬送方向（４）に連続して配置され複数の相互接続されるハウジング部分（５〜９）から構成されるハウジング（３）と、
ハウジング（３）に形成される少なくとも１つのハウジングボア（１１、１２）と、
ハウジングボア（１１、１２）に通じる供給開口（２２）と、
少なくとも１つのハウジングボア（１１、１２）内で回転軸線（１６、１７）の周りを回転するように駆動可能な態様で配置される少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１３、１４）と、
加熱ゾーン（２５）を形成するように構成される誘導加熱装置（３９）とを有し、
加熱ゾーン（２５）内の少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に非磁性、非導電性の材料（Ｍ４）で作成され、
少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１３、１４）は少なくとも加熱ゾーン（２５）内で導電性材料（Ｍ３）から成ることを特徴とするスクリュー機。
【請求項２】
誘導加熱装置（３９）は少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１３、１４）を取り囲んで内部空間（５０）を形成する少なくとも１つのコイル（４０）を備えることを特徴とする請求項１記載のスクリュー機。
【請求項３】
内部空間（５０）内の少なくとも１つのハウジング部分（６）は非磁性、非導電性材料（Ｍ４）のみで作成されることを特徴とする請求項２記載のスクリュー機。
【請求項４】
少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１３、１４）と少なくとも１つのコイル（４０）との間に、非磁性、非導電性材料（Ｍ４）のみが配置されることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のスクリュー機。
【請求項５】
少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも部分的に加熱ゾーン（２５）内の少なくとも１つのハウジングボア（１１、１２）を形成する内側スリーブ（４５）を備え、
内側スリーブ（４５）は非磁性、非導電性材料（Ｍ４）のみで作成されることを特徴とする請求項２乃至請求項４何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項６】
少なくとも１つのハウジング部分（６）は少なくとも１つの外側部分（４４）及び内側スリーブ（４５）を備え、
内側スリーブ（４５）は少なくとも１つの外側部分（４４）に対して支持されることを特徴とする請求項１乃至請求項５何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項７】
内側スリーブ（４５）は、少なくとも１つの１つの回転軸線（１６、１７）に沿って少なくとも１つの外側部分（４４）に対して少なくとも２つの支持位置、特に少なくとも３つの支持位置、特に少なくとも４つの支持位置で支持されることを特徴とする請求項６記載のスクリュー機。
【請求項８】
少なくとも１つのコイル（４０）に対面する外側で、内側スリーブ（４５）は少なくとも１つのコイル（４０）に対してその作用が及ばないように形成されていることを特徴とする請求項６又は請求項７記載のスクリュー機。
【請求項９】
少なくとも１つのコイル（４０）は組み合わされる導体（５１）を備え、
少なくとも１つの回転軸線（１６、１７）に直交する導体（５１）の領域において内側スリーブ（４５）は厚さＤを有し、５ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍ、特に１０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍ、特に１５ｍｍ≦Ｄ≦３０ｍｍであることを特徴とする請求項５乃至請求項８何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項１０】
少なくとも１つのコイル（４０）は、組み合わされる導体（５１）を備え、
導体（５１）は少なくとも部分的に内側スリーブ（４５）に関して直線状に形成される非円形の断面を有することを特徴とする請求項５乃至請求項９何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項１１】
少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１３、１４）は、少なくとも１つの組み合わされるシャフト（３０、３１）上で回転不可能に搬送方向（４）に連続して配置される複数の処理エレメント（３２〜３７、３２’〜３７’）を備え、
少なくとも１つの処理エレメント（３３、３３’）はその少なくとも１つの処理エレメント（３３、３３’）の表面を形成する金属加熱層（５９）を備え、
少なくとも１つの処理エレメント（３３、３３’）は加熱層（５９）をシャフト（３０、３１）から熱絶縁する絶縁層（５８）を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１０何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項１２】
誘導加熱装置（３９）は冷却装置（４２）、特に水冷装置によって冷却可能である少なくとも１つのコイル（４０）を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１１何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項１３】
誘導加熱装置（３９）は少なくとも１つのコイル（４０）及び組み合わされるエネルギー供給装置（４１）を備え、
エネルギー供給装置（４１）は交番電圧（ＵＳ）及び／又は交流電流（ＩＳ）を、特に調整可能な周波数（ｆ）及び／又は調整可能な振幅（Ａ）で提供することを特徴とする請求項１乃至請求項１２何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項１４】
被処理材料２の温度（ＴＫ）を測定するように構成される温度測定センサ（６０）と、
被処理材料（２）の測定温度（ＴＫ）に応じて誘導加熱装置（３９）を制御するように構成される制御装置（６１）とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１３何れか１項記載のスクリュー機。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４何れか１項記載のスクリュー機（１）を提供する工程と、
少なくとも１つのハウジングボア（１１、１２）内に被処理材料（２）を供給する工程と、
誘導加熱装置（３９）によって少なくとも１つの処理エレメントシャフト（１３、１４）を加熱する工程と、
被処理材料（２）を少なくとも１つの熱処理された処理シャフト（１３、１４）上で特に被処理材料（２）が少なくとも部分的に加熱ゾーン（２５）内で溶融するまで加熱する工程とから成ることを特徴とする被処理材料の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリュー機及び被処理材料の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック材料の処理のために、知られているスクリュー機は入口ゾーンと、その下流に配置される溶融又は可塑化ゾーンとを有する。入口ゾーンにおいて、ポリマー粉末又はポリマーペレットのようなプラスチック材料はスクリュー機に供給し、可塑化ゾーンの方向に搬送され、そこでプラスチック材料は混練エレメントによって提供される機械的エネルギー入力の結果として溶融される。この溶融工程において、通常、全体の機械的エネルギー入力の６０％以上が第１の混練ブロックを介して導入される。したがって、非常に高い機械力がスクリュー機の可塑化ゾーンに生起し、このため処理エレメントシャフトが振動し、それで処理エレメント及びハウジングの機械的摩耗を引き起こす。
【０００３】
必要な機械的エネルギー入力を低減するために、加熱装置が使用される。特許文献１（ＤＥ ４４ ０４ ０３１ Ｃ１）から、電気的に加熱可能なハウジング部分を有するスクリュー機が知られている。ハウジング部分は複数の電気抵抗加熱エレメントを備える熱伝導性鋳造インサートを有する。抵抗加熱エレメントは熱伝導性鋳造インサートにその異なるレベルで鋳込まれる。
【０００４】
特許文献２〔ＤＥ ３５ ２３ ９２９ Ａ１（＝ＧＢ ２ １６３ ６３０ Ａ）〕から、押出機のハウジング部分を誘導加熱装置によって加熱することが知られている。この目的のために、コイルはそれぞれの鉄心によって加熱可能なハウジング部分の外側に配置される。加熱すべきプラスチック材料はハウジング部分を通って搬送され、それによって加熱される。
【０００５】
特許文献３（ＤＥ １ １０５ １４３ Ａ）はシリンダ内で逆方向に走る２本のスクリューが配置されたスクリュー押出機を開示している。シリンダはスクリュー押出機の誘導加熱のために使用される耐熱コイルによって取り囲まれている。シリンダは非磁性鉄などの非磁性材料で作成され、一方スクリューは磁性材料から成る。これにより、スクリューを誘導によって直接加熱することができる。
【０００６】
特許文献４（ＷＯ ２００５／０５３ ８２６ Ａ２）からプラスチック材料を溶融させる装置が知られており、この装置はスクリュー無しでデザインされて互いに摩擦接触する部品の数を減らし、したがってそれらの摩耗を減少している。この装置はプラスチック材料を溶融させるためにオーミック加熱又は誘導加熱によって加熱されるスタティックミキサーを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＤＥ ４４ ０４ ０３１ Ｃ１
【特許文献２】ＤＥ ３５ ２３ ９２９ Ａ１（＝ＧＢ ２ １６３ ６３０ Ａ）
【特許文献３】ＤＥ １ １０５ １４３ Ａ
【特許文献４】ＷＯ ２００５／０５３ ８２６ Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、被処理材料を簡単、効率的に加熱する態様を提供するスクリュー機を提供することを目的とする（第１の目的）。特に、スクリュー機は溶融するまで材料の加熱を可能にすることを意図している。
【０００９】
さらに、本発明は処理材料の温度上昇を簡単、効率的な態様で行なうことができる方法を提供することを目的とする。特に、本発明は溶融するまで被処理材料の加熱を可能にすることを意図している（第２の目的）。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この第１の目的は、請求項１に記載の特長を有するスクリュー機によって本発明にしたがって達成される。誘導加熱装置が加熱ゾーンにおいて少なくとも１つの処理エレメントシャフトと相互作用し、少なくとも１つのハウジング部分又は複数のハウジング部分と相互作用することがない場合、少なくとも１つの処理エレメントシャフトは被処理材料と密接に接触しており、被処理材料によってその大きな表面領域にわたって取り囲まれているので、被処理材料は遙かに容易、効果的に加熱することができる。被処理材料への効率的なエネルギー入力を確実にするために、加熱ゾーン内の少なくとも１つのハウジング部分は少なくとも部分的に電磁的に透明な材料で作成され、上記材料は非磁性、非導電性である。明瞭化のために、加熱ゾーン内の少なくとも１つのハウジング部分は、以下、加熱ゾーンハウジング部分とも称される。電磁的に透明な材料は、誘導加熱装置と相互作用しない。特に、電磁的に透明な材料は非強磁性である。好ましくは、複数の加熱ゾーンハウジング部分、特に全ての加熱ゾーンハウジング部分は加熱ゾーン内において少なくとも部分的に電磁気的に透明な材料で作成される。これとは対照的に、少なくとも１つの処理エレメントシャフトは加熱ゾーン内で少なくとも部分的に導電性材料で作成され、その結果誘導加熱装置は少なくとも１つの処理エレメントシャフトに渦電流を誘導し、このためオーミック渦電流損失を惹起させて少なくとも１つの処理エレメントシャフトの温度上昇をもたらす。少なくとも１つの加熱された処理エレメントシャフトを介して、誘導加熱装置によって供給されるエネルギーは容易、効率的に最小限の損失で被処理材料中に導入される。導電性材料は、特に鉄及び強磁性である。これにより、少なくとも１つの処理エレメントシャフトをオーミック渦電流損失及びヒステリシス損失によって効率的に加熱することが可能になる。被処理材料は、特にプラスチック材料又は金属材料、例えば金属バルク材料である。
【００１１】
少なくとも１つの加熱ゾーン部分の電磁的に透明な材料は、例えばセラミック材料及び／又は繊維強化材料のような非金属材料である。対照的に、少なくとも１つの処理エレメントシャフトの導電性材料は、特にスチールのような金属材料である。
【００１２】
誘導加熱装置は交番磁場を生成する。交番磁場は少なくとも１つの処理エレメントシャフトと相互作用するが、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分とは相互作用しない。交番磁場は少なくとも１つの処理エレメントシャフトに渦電流を誘導し、渦電流は渦電流損失を惹起し、このため特にヒステリシス損失と共に、少なくとも１つの処理エレメントシャフトの温度上昇をもたらす。逆に、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分は誘導加熱装置と相互作用しないので、交番磁場は少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分に実質的な温度上昇を生じさせない。誘導加熱装置によって供給されるエネルギーは少なくとも１つの処理エレメントシャフトを介して被処理材料に導入されるので、これは被処理材料の単純で極めて効率的な加熱を可能にする。少なくとも１つの処理エレメントシャフトは被処理材料と密接に接触し、被処理材料内に配置され、言い換えれば、被処理材料は少なくとも１つの処理エレメントシャフトを実質的にその全周囲にわたって取り囲んでいるので、エネルギーの入力が実質的に損失なく行われ、それにより被処理材料を少なくとも部分的に溶融するまで誘導加熱装置によって加熱することが可能になる。これにより、スクリュー機に作用する機械的力及びその結果生じる磨耗を大幅に低減することができる。
【００１３】
交番磁場を発生するために、誘導加熱装置は特に周波数ｆで動作可能であり、周波数ｆは１ｋＨｚ≦ｆ≦５０ｋＨｚ、特に５ｋＨｚ≦ｆ≦４５ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚ≦ｆ≦４０ｋＨｚというものである。誘導加熱装置がこの第１の周波数範囲における周波数ｆで動作する場合、少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギーの入力が効率的な態様で達成される。少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分が非磁性、非導電性材料で作成されているので、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分へのエネルギー入力が効果的に防止される。これに代えて又はこれに加えて、誘導加熱装置は第２の周波数範囲における周波数ｆで動作可能であり、周波数ｆは１４０ｋＨｚ≦ｆ≦３６０ｋＨｚ、特に１５０ｋＨｚ≦ｆ≦３５０ｋＨｚ、特に１６０ｋＨｚ≦ｆ≦３４０ｋＨｚというものである。誘導加熱装置を２つの周波数範囲で動作させることにより、様々な浸透深さでの励磁又は加熱が可能になる。誘導加熱装置は、特に第１の周波数範囲及び第２の周波数範囲で交互に動作する。これは、高エネルギー入力を保証する効率的な態様を提供する。
【００１４】
好ましくは、スクリュー機は多軸スクリュー機、特に二軸スクリュー機として構成されている。多軸スクリュー機はハウジング内に形成された複数のハウジングボアを有し、組み合わされる処理エレメントシャフトは組み合わされる回転軸線の周りを回転駆動可能にそれぞれ組み合わされるハウジングボアに配置される。処理エレメントシャフトは、特に同じ方向に回転するように駆動可能である。処理エレメントシャフトは、好ましくは密接に噛合する対として構成されている。
【００１５】
請求項２に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへのエネルギーの効率的入力を確実にする。少なくとも１つのコイルのコイル軸線又は長手方向中心軸線は、実質的に少なくとも１つの処理エレメントシャフトの１本の回転軸線又は複数本の回転軸線に向かって配置される。好ましくは、少なくとも１つのコイルの長手方向中心軸線は少なくとも１つの処理エレメントシャフトの回転軸線に平行である。少なくとも１つの処理エレメントシャフトは少なくとも１つのコイルの内部空間に配置される。したがって、少なくとも１つのコイルはヘルムホルツコイルの態様で配置され、処理エレメントシャフトはコアを形成する。したがって、交番磁場の磁力線は内部空間及び少なくとも１つの処理エレメントシャフトに集中しているので、処理エレメントシャフトへの高エネルギー入力が簡単な態様で可能である。搬送方向における加熱ゾーンの長さは少なくとも１つのコイルの長さ及び／又はコイルの数によって調整可能である。少なくとも１つのコイルの長さは、特にその巻線の数を介して調節可能である。
【００１６】
請求項３に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高効率のエネルギー入力を簡単な態様で確実にする。少なくとも１つのコイルの内部空間における少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分が非磁性、非導電性の材料のみで作成されているので、誘導加熱装置によって供給されるエネルギーは少なくとも１つの処理エレメントシャフトに最小の損失でもって導入される。
【００１７】
請求項４に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギー、高効率エネルギー入力を簡単な態様で確実にする。従前、スクリュー機の磁性及び／又は導電性材料は少なくとも１つのコイル及び少なくとも１つの処置エレメントシャフトの間に配置されて誘導加熱装置によって提供される電磁エネルギーを吸収し、このため誘導加熱装置によって提供されるエネルギーは著しい量の損失をともなって少なくとも１つの処理エレメントシャフトに導入することしかできなかった。これは、本発明にしたがうスクリュー機によって効果的に防止される。好ましくは、内部空間内に配置される少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の材料はセラミック及び／又は繊維強化材料、例えば酸化物セラミック繊維強化複合材料である。酸化物セラミック繊維強化複合材料は、電磁気透過性、電気絶縁性・断熱能力、延性・非脆性破壊挙動、高張力・曲げ剛性、酸化・耐食性、１３００℃を超える温度までの高温安定性及び耐熱衝撃性などの金属及びセラミックの優れた特性を兼ね備えている。少なくとも１つのコイルの交番磁場は内部空間の外側の導電性及び／又は磁性エレメントへの低エネルギー入力のみを生成するので、内部空間の外側に配置される少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の領域は導電性及び／又は磁性材料で作成される。別法として、内部空間の外側に配置された少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の領域は非磁性、非導電性の材料で作成することもできる。
【００１８】
請求項５に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギー、高効率エネルギー入力を簡単な態様で確実にする。内側スリーブが電磁的に透明な材料のみから作成されるので、内側スリーブは交番磁場によって加熱されない。結果として、誘導加熱装置によって供給されるエネルギーは実質的に損失なく少なくとも１つの処理エレメントシャフトに導入され、そこでは熱に変換される。好ましくは、内側スリーブの材料はセラミック及び／又は繊維強化材料であり、例えば酸化物セラミック繊維強化複合材料である。酸化物セラミックス繊維強化複合材料は、電磁的透明性、電気絶縁性・断熱性、延性・非脆性破壊挙動、高張力・曲げ剛性、耐酸化性・耐食性、１３００℃以上の温度までの高温安定性、耐熱衝撃性など金属及びセラミックの優れた特性を兼ね備えている。少なくとも１つのコイルの交番磁場は導電性及び／又は磁気的エレメントへの低エネルギー入力のみを生成するので、少なくとも１つの加熱ゾーンハウジング部分の少なくとも外側部分は導電性及び／又は磁性材料で作成することができる。別法として、外側部分は電磁的に透明な材料で作成することもできる。特に、少なくとも１つの外側部分はセラミック及び／又は繊維強化材料から作成することもできる。内側スリーブは、特に少なくとも１つのハウジングボアに向かって少なくとも収容空間を形成する。少なくとも１つのコイルを収容空間に配置することにより、コイルは少なくとも１つのハウジング部分によって保護され、少なくとも１つの処理エレメントシャフトの近くに配置されることが保証される。
【００１９】
請求項６に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギー、高効率エネルギー入力を簡単な態様で確実にする。内側空間の内側に配置される内側スリーブは、内側スリーブの機械的安定性が保証される態様で、少なくとも１つの外側部分に対して支持される。内側スリーブは、好ましくは少なくとも１つの外側部分に対して両端で支持されている。機械的安定性を高めるために、内側スリーブは少なくとも１つの外側部分に対してその端部の間でさらに支持することができる。少なくとも１つの外側部分は、例えば外側ジャケットとして構成される。
【００２０】
請求項７に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギー、高効率エネルギー入力を簡単かつ確実な態様で確実にする。内側スリーブは外側部分に対して少なくとも２つの支持位置において少なくとも１つの回転軸線に沿って支持されるので、内側スリーブは高い機械的安定性を有する。したがって、内側スリーブは処理中に特に半径方向に少なくとも１つの外側部分に生起する力を消滅することができる。これにより、内側スリーブが破損するのを効果的に防止する。内側スリーブは、好ましくはセラミック及び／又は繊維強化材料で作成される。少なくとも１つの外側部分は、好ましくは金属材料で作成され、少なくとも１つの外側部分は力を吸収するのに十分な安定性を有する。好ましくは、２つの支持位置は少なくとも１つの回転軸線に沿って配置される内側スリーブの両端部の領域に位置する。
【００２１】
請求項８に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギー、高効率エネルギー入力を簡単かつ確実な態様で確実にする。その外側が少なくとも１つのコイルから効果を受けないように形成されているので、少なくとも１つのコイルは一方では少なくとも１つの処理エレメントシャフトの近くに配置され、その結果、高エネルギー、高効率エネルギー入力が保証される。他方では、内側スリーブは外側に螺旋形状で配置される支持位置又は別法として螺旋状の支持領域又は支持ウェブを形成し、このため内側スリーブは少なくとも１つの外側部分に対してその大きな表面領域にわたって支持され、それでこの領域に作用する力は簡単、確実な態様で少なくとも１つの外側部分に消滅させることができる。
【００２２】
請求項９に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギー、高効率エネルギー入力を簡単かつ確実な態様で確実にする。内側スリーブの厚さＤが薄いほど、少なくとも１つの処理エレメントシャフトへのエネルギー入力がますます大きくなり、より効率的となり、その理由は少なくとも１つのコイルの導体が少なくとも１つの処理エレメントシャフトの近くに配置することができるからである。しかしながら、これに反して、厚さＤが厚いほど、内側スリーブの機械的安定性はますます大きくなる。導体の巻線の間、言い換えると導体の領域の外側では、厚さＤは内側スリーブが少なくとも１つの外側部分に対して支持されるようにすることができる。したがって、導体の巻線の間で、厚さＤは導体の領域における厚さＤの上限を超えることがある。
【００２３】
請求項１０に記載のスクリュー機は少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの高エネルギー、高効率エネルギー入力を簡単かつ確実な態様で確実にする。導体が非円形の断面形状を有するので、断面形状は実質的に平坦であり、このため導体又は少なくとも１つのコイルを少なくとも１つの処理エレメントシャフトに近接して配置することができ、それで高エネルギー、高効率エネルギー入力を保証する。例えば、導体は矩形の断面形状を有しており、必要に応じてコーナー部を円形にすることができる。導体は少なくとも部分的に直線状の断面形状を有するので、導体は内側スリーブにその大きな表面領域にわたって当接するように配置され、したがって少なくとも１つの処理エレメントシャフトに近接して配置することができる。より大きな寸法を有する断面形状の側部は内側スリーブに対面するように配置される。
【００２４】
請求項１１に記載のスクリュー機は被処理材料の単純、効率的な加熱を保証する。絶縁層が設けられている少なくとも１つの処理エレメントは少なくとも１つの加熱された処理エレメントのシャフト方向における熱損失を防止し、このためこれは被処理材料を加熱するために利用できない。絶縁層は、例えばセラミック材料で作成される。導電性材料は少なくとも１つの処理エレメントの少なくとも加熱層を形成し、この加熱層は被処理材料と接触する表面を形成する。好ましくは、複数の処理エレメント、特に加熱ゾーン内の全ての処理エレメントは導電性材料で作成される。少なくとも１つの処理エレメントはスクリューエレメント及び／又は混練エレメントとして構成される。混練エレメントは単一混練ディスク又は複数の相互に連結された混練ディスクから作成される単一パート混練ブロックとすることができる。
【００２５】
少なくとも１つの処理エレメントは、例えば複合材料で作成される。複合材料から作成されている少なくとも１つの処理エレメントは多数の異なる特性を有する。外部加熱層の金属材料は交番磁場によって生じる加熱層の温度上昇を確実にし、このため被処理材料を加熱層を介して直接加熱することを可能にする。外側の加熱層と内側のトルク伝達層との間に配置される絶縁層は熱損失を最小にする。その理由は内側のトルク伝達層及び少なくとも１つの処理エレメントが配置されるシャフトの方向において加熱層の熱が損失しないからである。内側のトルク伝達層は高い機械的安定性を有するので、シャフトのトルクを少なくとも１つの処理エレメントに安全に伝達することができる。特に、絶縁層は内側のトルク伝達層が熱損失によって弱体化されないことを保証する。絶縁層の材料は、特にセラミック材料である。少なくとも１つの処理エレメントは、例えばセラミック及び金属粉末から作成され、これは対応する型内で約１４００℃で焼結されて複合材料又は複合体を形成する。金属セラミック複合体の製造は知られている。横断面で見て、換言すればそれぞれの回転軸線に垂直に見て、これらの層は閉じられ、特に環状の形状を有し、少なくとも１つの処理エレメントシャフトの回転軸線を取り囲んでおり、その結果、絶縁層は加熱層をシャフトからシャフトの全面にわたって絶縁する。さらに、加熱層は最大表面領域を有し、したがって加熱層から被処理材料への良好な熱伝達を保証する。
【００２６】
請求項１２に記載のスクリュー機は高エネルギー入力を保証する。少なくとも１つのコイルはオーミック損失によって加熱される。冷却装置は少なくとも１つのコイルで発生した熱損失を消滅させる。したがって、少なくとも１つのコイルは高出力で動作させることができる。好ましくは、少なくとも１つのコイルは冷却剤を流すことができる冷却ダクト自体を形成する。冷却剤は、特に水である。さらに、収容空間は、例えば加熱ゾーンハウジング部分によって全体的に取り囲むことができるので、収容空間を冷却ダクトとして使用することができる。オーム損失を避けるために、コイルは、特にアルミニウム又は銅で作成されている。
【００２７】
請求項１３に記載のスクリュー機は誘導加熱装置によって交番磁場を提供する簡単な態様を保証する。エネルギー供給装置は、特に周波数ｆ及び／又は交流電圧及び／又は交流電流の振幅を調整可能にする周波数変換器を備えている。例えば、周波数ｆは少なくとも１つの処理エレメントシャフトへの交番電磁場の浸透深さを調整することを可能にする。好ましくは、交番電磁場は実質的に単独に又は大部分が加熱層に浸透する。誘導加熱装置及びエネルギー供給装置は、特に周波数ｆで動作し、周波数ｆは１ｋＨｚ≦ｆ≦５０ｋＨｚ、特に５ｋＨｚ≦ｆ≦４５ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚ≦ｆ≦４０ｋＨｚ及び／又は１４０ｋＨｚ≦ｆ≦３６０ｋＨｚ、特に１５０ｋＨｚ≦ｆ≦３５０ｋＨｚ、特に１６０ｋＨｚ≦ｆ≦３４０ｋＨｚのようなものである。
【００２８】
請求項１４に記載のスクリュー機は、被処理材料の制御される温度上昇を簡単な態様で保証する。温度測定センサによって測定される被処理材料の温度によって、誘導加熱装置の電力を上記測定温度に応じて調整することができる。例えば、制御装置は測定された温度を被処理材料を溶融するのに必要な所望の公称温度と比較し、必要ならば誘導加熱装置の電力を変更する。制御装置は、特に誘導加熱装置を動作させるために使用される周波数ｆ及び／又は交流電圧及び／又は交流電流の振幅を調整する。例えば、誘導加熱装置は周波数変換器を有するエネルギー供給装置を備えている。
【００２９】
さらに、本発明は処理材料の温度上昇を簡単、効率的な態様で行なうことができる方法を提供することを目的とする（上述の第２の目的）。特に、本発明は溶融するまで被処理材料の加熱を可能にすることを意図している。
【００３０】
この目的は、請求項１５の特長によって本発明にしたがって達成される。本発明にしたがう方法の利点は、既に上述した本発明にしたがうスクリュー機の利点と同じである。特に、本発明にしたがう方法は請求項１〜１４の特長をもたせてさらに発展させることができる。
【００３１】
本発明の他の特徴、利点及び詳細は、幾つかの実施例について以下の説明から図面を参照することで明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、被処理材料の処理のための第１の実施例にしたがう多軸スクリュー機の部分断面図を示す。
【図２】図２は、図１における多軸スクリュー機の誘導加熱装置の領域における拡大図を示す。
【図３】図３は、図１における多軸スクリュー機の部分断面平面図を示す。
【図４】図４は、図１における断面線ＩＶ−ＩＶに沿った多軸スクリュー機の断面図を示す。
【図５】図５は、第２の実施例にしたがう多軸スクリュー機の誘導加熱装置の領域における拡大図を示す。
【図６】図６は、第３の実施例にしたがう多軸スクリュー機の誘導加熱装置の領域における拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の第１の実施例について図１〜図４を参照して説明する。多軸スクリュー機が被処理材料２の処理に用いられる。被処理材料２は、例えばプラスチック材料である。
【００３４】
スクリュー機１は、プラスチック材料２の搬送方向４に連続して配置されハウジングユニットとも称される複数のハウジング部分５〜９から作成されるハウジング３を有する。ハウジング部分５〜９はその端部に配置されたフランジ１０を介して互いに連結されてハウジング３を形成する態様とされている。
【００３５】
ハウジング３において、２つのハウジングボア１１、１２が形成されており、これらのボアは互いに平行であり、断面で見たときに水平の８の字状を有する態様で相互に貫通している。ハウジングボア１１、１２において、組み合わされる回転軸線１６、１７の周りを駆動モータ１５によって回転可能に駆動される２つの処理エレメントシャフト１３、１４がハウジングボアと同心円状に配置されている。処理エレメントシャフト１３、１４は同じ方向、即ち同じ回転方向１８、１９に回転軸線１６、１７の周りに駆動される。カップリング２０と分岐ギアユニット２１は駆動モータ１５と処理エレメントシャフト１３、１４との間に配置されている。
【００３６】
分岐ギアユニット２１に隣接する第１のハウジング部分５において、プラスチック材料がハウジングボア１１、１２に供給可能である供給開口２２が形成されている。供給口２２からの供給のために、ホッパとして構成される材料供給装置２３が第１のハウジング部分５上に配置される。
【００３７】
スクリュー機１は、搬送方向４に連続して配置される入口ゾーン２４、加熱ゾーン２５、均質化ゾーン２６及び圧力増強ゾーン２７を有する。最後のハウジング部分９において、ハウジング３は排出開口口２９を備えるノズルプレート２８によって閉鎖されている。
【００３８】
処理エレメントシャフト１３、１４は、シャフト３０、３１及びその上に配置される処理エレメント３２〜３７又は３２’〜３７’によってそれぞれ形成されている。第１のシャフト３０上に配置される処理エレメント３２〜３７と、第２のシャフト３１上に配置される処理エレメント３２’〜３７’とは互いに対応しており、第２のシャフト３１上に配置される処理エレメント３２’〜３７’の参照番号は「’」を付加し、第１のシャフト３０上に配置される処理エレメント３２〜３７から区別可能にしている。
【００３９】
処置エレメント３２〜３７及び３２’〜３７’は密接に噛合する対として構成され、言い換えれば互いに係合する。処理エレメントは、入口ゾーン２４及び加熱ゾーン２５においてスクリューエレメント３２、３２’及び３３、３３’として構成されている。その下流に配置された均質化ゾーン２６において、処理エレメントはスクリューエレメント３４、３４’及び混練エレメント３５、３６、３５’、３６’として構成されている。各々の混練エレメント３５、３６、３５’、３６’は混練ブロックとして構成され、言い換えればそれらは一体に構成されている。混練エレメント３５、３６、３５’、３６’は互いに角度をなして配置され、互いに連結される複数の混練ディスク３８、３８’を各々有する。圧力増強ゾーン２７において、処理エレメントは同様にスクリューエレメント３７、３７’として構成されている。
【００４０】
処置エレメント３２〜３７、３２’〜３７’は、組み合わされるシャフト３１、３１上で回転不可能に配置される。この目的のために、シャフト３０、３１は外側輪郭Ａを有し、これは処置エレメント３２〜３７及び３２’〜３７’の対応する内側輪郭Ｉと係合する。
【００４１】
加熱ゾーン２５においてプラスチック材料２を溶融するために、スクリュー機１は誘導加熱装置３９を有する。誘導加熱装置３９はコイル４０、組み合わされるエネルギー供給装置４１及び冷却装置４２を備えている。
【００４２】
コイル４０はハウジング部分６に形成される収容空間４３に配置されている。以下、加熱ゾーン２５に位置するハウジング部分６を加熱ゾーンハウジング部分とも称する。ハウジング部分６は内側スリーブ４５が配置される外側部分４４を有する。外側部分４４は外側ジャケットとして構成されている。外側ジャケット４４及び内側スリーブ４５は収容空間４３を形成する。フランジ１０は外側ジャケット４４でハウジング部分６の端部に形成され、一方、ハウジングボア１１、１２は搬送方向４に延在する第１の内側スリーブ部分４６内に形成されている。第１の内側スリーブ部分４６の両端部において、２つの内側スリーブ部分４７、４８が形成され、これらは回転軸線１６、１７を横切る方向に延在し、その端部で収容空間４３を封止する。好ましくは、内側スリーブ４５は第２の内側スリーブ部分４７、４８によって、例えば締まり嵌めによって外側ジャケット４４に固定される。
【００４３】
コイル４０は長手方向の中心軸線４９を有し、内部空間５０を形成する。長手方向の中心軸線４９は回転軸線１６、１７と本質的に平行に延在し、それで処理エレメントシャフト１３、１４はコイル４０の内部空間５０を貫通して転動する。したがって、コイル４０は加熱ゾーン２５内の処理エレメントシャフト１３、１４を取り囲んでいる。
【００４４】
コイル４０は通常の態様で導体５１を含み、この導体５１は巻回されコイル４０を形成して複数の巻線を有する。導体５１はアルミニウムや銅のような良導電性の材料から成る。導体５１において、冷却装置４２の一部である冷却剤ダクト５２が形成されている。導体５１はコイルの両端部で外側ジャケット４４に形成された貫通開口５３、５４を介してコイル４０から導出される。ハウジング部分６の外側で、冷却剤ダクト５２は冷却剤を冷却剤ダクト５２を通して送給するために設けられた冷却剤ポンプ５６に接続されている。冷却剤ポンプ５６は冷却装置４２の一部である。好ましくは、水は冷却剤として使用される。
【００４５】
コイル４０はエネルギー供給装置４１に接続され、これでコイル４０に交流電圧ＵＳ及び／又は交流電流ＩＳを調整可能な周波数ｆ及び／又は調整可能な振幅Ａで供給する。エネルギー供給装置４１は、特に周波数変換器である。エネルギー供給装置４１は、端子５５を介して、主電圧ＵＮを供給する主電源に接続されている。
【００４６】
プラスチック材料２を加熱することは処理エレメント３３、３３’によって行われる。単純、効率的な加熱のために、処理エレメント３３、３３’は３層構造を有する。内側のトルク伝達層５７は絶縁層５８によって取り囲まれ、そしてこれは外側の加熱層５９によって取り囲まれている。それぞれの処理エレメント３３、３３’の絶縁層５８は組み合わされる加熱層５９を組み合わされるトルク伝達層５７及び組み合わされるシャフト３０又は３１をそれぞれ熱絶縁する。この目的のために、それぞれの絶縁層５８はトルク伝達層５７の全周及び全長にわたって設けられている。したがって、それぞれの絶縁層５８は組み合わされる回転軸線１６又は１７をそれぞれ取り囲んでいる。それぞれの加熱層５９は処理エレメント３３又は３３’の表面を形成する。
【００４７】
層５７〜５９を形成するために、処理エレメント３３、３３’は金属セラミック複合材料で作成される。それぞれのトルク伝達層５７は第１の金属Ｍ１から作成され、加熱層５９は第２の金属材料Ｍ３から作成され、その間に配置されたそれぞれの絶縁層５８はセラミック材料Ｍ２から作成される。材料Ｍ１は例えばスチールであり、その理由はスチールが適切な機械的強度を有するからである。これに対して、材料Ｍ２は、熱的、電気的に非伝導性、非導電性で非磁性であり、換言すれば電磁気的に透明である。材料Ｍ３は鉄、例えばスチールであり、それで誘導加熱装置３９によって誘導された渦電流が渦電流損を発生させ、これにより加熱層５９を所望の加熱温度ＴＨに加熱することができる。さらに、誘導加熱装置３９の交番磁場は鉄材料Ｍ３内にヒステリシス損失を生じさせ、加熱層５９のさらなる温度上昇をもたらす。
【００４８】
内側スリーブ４５は電磁気的に透明な材料Ｍ４から作成される。電磁気的に透明な材料Ｍ４は非磁性で非導電性である。これは誘導加熱装置３９の交番磁場によって引き起こされる内側スリーブ４５の温度上昇を防止する。材料Ｍ４は、好ましくはセラミック材料である。材料Ｍ４は、例えば酸化物セラミック繊維強化複合材料である。酸化物セラミックス繊維強化複合材料は電磁的透明性、電気絶縁性・断熱性、延性・非脆性破壊挙動、高張力・曲げ剛性、耐熱衝撃性、１３００℃を超える温度までの温度安定性などの金属とセラミックスの性質を併せ持っている。
【００４９】
内部空間５０において、加熱ゾーンハウジング部分６は非磁性、非導電性材料Ｍ４のみで作成されている。内側空間５０に位置する内側スリーブ５４の部分は非磁性、非導電性の材料Ｍ４のみで作成されている。
【００５０】
外側ジャケット４４がコイル４０の外側に配置されるので、低い渦電流のみが外側ジャケット４４に交番磁場によって誘起される。したがって、外側ジャケット４４は金属材料Ｍ５で作成されている。好ましくは、他のハウジング部分５、７〜９も同様に金属材料Ｍ５で形成される。金属材料Ｍ５は、特にスチールである。別法として、外側ジャケット４４は同様に材料Ｍ４から作成することができる。これにより、外側ジャケット４４の温度上昇が実質的に完全に防止される。
【００５１】
プラスチック材料２の温度ＴＫを測定するために、スクリュー機１は温度測定センサ６０を有する。温度測定センサ６０は、例えばハウジング部７上で、均質化ゾーン２６の開始部に配置される。温度測定センサ６０は制御装置６１と信号通信して、制御装置６１はスクリュー機１及び特に誘導加熱装置３９を制御するために使用される。この目的のために、制御装置６１は、特にエネルギー供給装置４１及び冷却装置４２と信号通信する。制御装置６１は、特に測定された温度ＴＫに応じて誘導加熱装置３９を制御するために使用される。
【００５２】
さらに、スクリュー機１は冷却装置を有し、これはハウジング部分７及び８に形成される冷却ダクト６２を備えている。冷却ダクト６２は冷却剤を冷却ポンプ５６によって通常の態様で送給することを可能にする。冷却剤は、特に水である。必要であれば、冷却ダクト６２をハウジング部分６の外側ジャケット４４に形成することもできる。
【００５３】
内側スリーブ４５は、導体５１に隣接して回転軸線１６、１７に対して直交する領域Ｂにおいて厚さＤを有し、５ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍ、特に１０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍ、特に１５ｍｍ≦Ｄ≦３０ｍｍである。回転軸線１６、１７に沿って、内側スリーブ４５は外側ジャケット４４に対して２つの支持位置Ｓ１及びＳ２で支持されている。支持位置Ｓ１及びＳ２は第２の内側スリーブ部分４７、４８によって形成される。
【００５４】
好ましくは、導体５１は非円形の断面形状を有する。断面形状は少なくとも部分的に直線状である。例えば、導体５１は矩形の断面形状を有する。好ましくは、導体５１は内側スリーブ４５に対して断面形状の線状の長辺が当接する。
【００５５】
スクリュー機１の機能は以下の通りである。
【００５６】
供給開口２２を介して、粉末又はペレット状プラスチック材料２がスクリュー機１の入口ゾーン２４に供給される。入口ゾーン２４において、プラスチック材料２は搬送方向４に加熱ゾーン２５まで搬送される。
【００５７】
加熱ゾーン２５において、プラスチック材料２は誘導加熱装置３９によって加熱される。この目的のために、誘導加熱装置３９はエネルギー供給装置４１及びコイル４０によって交番磁場を生成する。加熱装置３９は特に周波数ｆで動作し、第１の周波数範囲の周波数ｆは１ｋＨｚ＜ｆ≦５０ｋＨｚ、特に５ｋＨｚ≦ｆ≦４５ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚ≦ｆ≦４０ｋＨｚのようなものである。さらに、第２の周波数範囲の周波数ｆは１４０ｋＨｚ≦ｆ≦３６０ｋＨｚ、特に１５０ｋＨｚ≦ｆ≦３５０ｋＨｚ、特に１６０ｋＨｚ≦ｆ≦３４０ｋＨｚのようなものである。好ましくは、誘導加熱装置３９は両方の周波数範囲で交互に動作し、その結果、交番磁場の様々な浸透深さが達成される。交番磁場の磁線Ｆが図２に図示されている。磁力線Ｆの濃度（集中）はコイル４０の内部空間５０において高く、よってここでは磁場強度は高い。処置エレメントシャフト１３、１４の加熱層５９はコア（磁芯）の態様でさらに作用する。交番磁場は加熱層５９に渦電流を誘起させ、この渦電流はオーミック渦電流損失を生じる。また、交番磁場はヒステリシス損失を加熱層５９に発生させる。オーミック渦電流損失及びヒステリシス損失により、加熱層５９が加熱温度ＴＨまで昇温する。加熱温度ＴＨは周波数ｆ及び／又は振幅Ａによって変化させることができる。プラスチック材料２の処理エレメントシャフト１３、１４との密着により、プラスチック材料２は加熱層５９によって加熱される。したがって、加熱層５９で発生した熱がプラスチック材料２に伝導し、その温度を加熱ゾーン２５において温度ＴＫまで上昇させる。温度ＴＫは、特にプラスチック材料２の溶融温度を上回り、これで固体プラスチック材料２を少なくとも部分的に加熱ゾーン２５において溶融させる。
【００５８】
内側スリーブ４５は非磁性、非導電性の電磁気的に透明な材料Ｍ４のみで作成されているので、交番磁場は内側スリーブ４５の温度上昇をもたらさない。誘導加熱装置３９によって供給されるエネルギーは処理エレメント３３、３３’の加熱層５９を介して簡単、効率的態様でプラスチック材料２に導入される。さらに、絶縁層５８は加熱層５９で発生した熱がシャフト３０、３１の方向に伝導するのを防止する。
【００５９】
プラスチック材料２の温度ＴＫは温度測定センサ６０によって測定され、制御装置６１に送信される。制御装置６１は温度ＴＫを好ましくは溶融温度よりも高い所定の公称温度ＴＳと比較する。温度ＴＫが公称温度ＴＳよりも低い場合、制御装置６１はエネルギー供給装置４１を作動させて振幅Ａ及び／又は周波数ｆを増加させる。逆に、温度ＴＫが高すぎると、振幅Ａ及び／又は周波数ｆが減少する。高電流ＩＳがコイル４０の導体５１を流れるので、必要に応じて導体５１を冷却する必要がある。この目的のために、冷却装置４２は冷却剤ポンプ５６によって冷却ダクト５２に冷却剤、特に水を供給する。
【００６０】
均質化ゾーン２６において、固体のプラスチック材料２が未だ残っている場合には、プラスチック材料２は完全に均質化されて溶融される。必要であれば、プラスチック材料２は冷却剤ダクト２６を通じて送給される冷却剤、特に水によって冷却される。
【００６１】
圧力増強ゾーン２７において、完全に溶融し均質化されたプラスチック材料２の圧力が上昇する。次いで、プラスチック材料２は排出開口２９を介して排出される。
【００６２】
以下、本発明の第２の実施例について図５を参照して説明する。第１の実施例とは対照的に、加熱ゾーンハウジング部分６は内側スリーブ４５を有し、内側スリーブ４５の両端部は２つの外側部分４４に収容されている。外側部分４４は内側空間５０の外側に配置されている。さらに、外側部分４４はフランジ１０を形成するような板状のデザインを有している。外側部分４４は、それらの間に距離が設けられる態様でねじ付きロッド６３によって互いに接続されている。さらに、ねじ付きロッド６３は外側部分４４と隣接するハウジング部分５〜７との間にスクリュー結合を提供する。したがって、収容空間４３は部分的に外側に開いている。ねじ付きロッド６３の間には、導体５１の貫通開口５３、５４が形成されている。回転軸線１６、１７に沿って、内側スリーブ４５は外側部分４４に対して支持位置Ｓ１及びＳ２において支持される。デザイン及び機能に関し更に詳細な事項は第１の実施例の説明において見出すことができる。
【００６３】
以下、本発明の第３の実施例について図６を参照して説明する。上述した複数の実施例とは異なり、コイル４０に対面する内側スリーブ４５の外側がコイル４０に対してその作用が及ばないように形成されている。したがって、コイル４０は内側スリーブ４５内に埋め込まれ、その結果螺旋状の支持領域又は支持ウェブ６４が第２の内側スリーブ部分４７、４８の間に形成される。支持ウェブ６４はコイル４０の巻線の間に配置される。支持ウェブ６４に因り、内側スリーブ４５は、内側スリーブ４５が外側部分４４に対して支持される支持位置Ｓ１及びＳ２に加えて、回転軸線１６及び１７に沿って複数の追加の支持位置を形成する。図６は支持位置Ｓ３〜Ｓ６の例示的な図を示し、内側スリーブ４５が外側部分４４に対してその大きな表面積領域にわたって支持されることを可能にする。一般に、加熱ゾーンハウジング部分６は内側スリーブ４５が支持される複数の外側部分４４を備えることもできる。これにより、加熱ゾーンハウジング部分６の取り付けが容易になる。デザイン及び機能に関し更に詳細な事項は上述した複数の実施例の説明において見出すことができる。
【００６４】
実施例の特長は任意の組み合わせで使用することができる。
【００６５】
本発明にしたがうスクリュー機１は誘導又は熱によって簡単、効率的態様で処理材料２にエネルギーを導入することができるので、機械的エネルギー入力を大幅に減少させることができ、その結果スクリュー機１の機械的負荷及び磨耗が大幅に低減される。さらに、効率的なエネルギー入力はスクリュー機１の省エネ動作を可能にする。スクリュー機１の総電力に関して、誘導加熱装置３９は特に、１０％〜９０％、特に２０％〜８０％、特に３０％〜７０％の加熱電力を有する。必要であれば、同時に誘導加熱装置３９を複数の異なる周波数ｆで動作させることもできる。これにより、周辺加熱層５９のように、様々な距離に配置された領域を加熱することができる。
【００６６】
処理エレメント３３、３３’の複合材料は、例えば焼結又はフレーム溶射によって製造される。この種の複合材料又は複合体の製造方法は知られている。
【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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【国際調査報告】
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