(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バレルの円筒状内部内に回転自在に設置されると共に、螺旋羽根を有するコアの直径がバレルの全長にわたって下流方向に逓増する状態に形成されている供給スクリューと、バレルから混合物を受取り押し出される素子を形成すべくバレルに接続されたダイを有する形式のスクリュー押し出し装置内に樹脂バインダーと粒状基礎材料の混合物から多孔性複合ブロック素子を連続的に押し出す方法であって、前記方法が：
（１）固体状態の混合物をバレル内に供給する段階；
（２）樹脂バインダーを溶融し、混合物を固まり状態にするようバレル内の混合物を加熱する段階；
（３）混合物を、下流方向に向かって直径が逓増するスクリュウで圧縮しつつ混合し、バレル内を移動させる段階；
（４）バレルの下流側端部及びダイの上流側端部においてバレル内に、円筒形のバレルの内表面と、螺旋羽根の最後のピッチ長さとほぼ同じ軸方向の長さにわたって直径が急激に低減化するコアとによって容積が逓増する領域を提供し、バレル内部で混合物を攪拌し、混合のための螺旋パターンの流れを攪乱させる段階；及び
（５）攪拌された混合物を直接ダイ内に進め、一定の密度と多孔性を有する多孔性複合ブロック素子を形成する段階
から成る方法。
【請求項２】
コア直径を低減化する段階が、螺旋羽根の最後のピッチ長さとほぼ同じ軸方向の長さにわたってコアの端部をテーパー状にすることから成る請求の範囲１項記載の方法。
【請求項３】
コア直径を低減化する段階が減径円筒端部分を形成する肩部を有することから成る請求の範囲１項記載の方法。
【請求項４】
樹脂バインダーと粒状基礎材料の複合ブロックを形成し、樹脂バインダーが所定処理温度を有する押し出し装置であって：
長手方向軸線に沿って延在し、バインダーと基礎材料用の入力ポートと排出ポートを有する中空で全体的に円筒形のバレル；
入力ポートと排出ポートの間にあってバレル内で同軸的に位置付けられたコアに形成されている螺旋羽根を有し、長手方向軸線の周りで回転自在となり、コアの直径がバレルの全長にわたって下流方向に逓増する状態に形成されているスクリュー；
樹脂バインダーを処理温度に加熱するため入力ポートと排出ポートの間に位置付けられた加熱器；
コアの軸方向にわたって形成され、樹脂バインダーと粒状基礎材料の混合物を一様に混合し圧縮する領域と、バレルの下流側端部及びダイの上流側端部においてバレル内に、円筒形のバレルの内表面と、螺旋羽根の最後のピッチ長さとほぼ同じ軸方向の長さにわたって直径が急激に低減化するコアとによって容積が逓増する領域を提供し、バレル内部で混合物を攪拌し、混合のための螺旋パターンの流れを攪乱させる混合攪拌領域；
バレルに隣接して長手方向軸線に沿って延在し、バレルの排出ポートと連通状態にある入口端部と、多孔性複合ブロック用の排出端部を備え、樹脂バインダーの処理温度よりも低い温度で維持されているダイ・アッセンブリー；
ダイ・アッセンブリーを所定温度に冷却するようダイ・アッセンブリー周りに位置付けられた冷却ジャケットから成る装置。
【請求項５】
更に、バレルの長手方向軸線に直角の軸線に沿って延在するホッパーを含み、当該ホッパーがバレルの入力ポートと連通状態にある供給スロートを有するようにした請求の範囲４項記載の押し出し装置。
【請求項６】
更に、ホッパー内にあってバレルの長手方向軸線に直角の軸線に沿って延在し軸線の周りに回転自在の垂直オーガーを備えている請求の範囲５項記載の押し出し装置。
【請求項７】
螺旋羽根がバレルの長手方向軸線を横断する全体的に平坦な表面内の排出ポートに終端している請求の範囲４項記載の押し出し装置。
【請求項８】
スクリューの螺旋羽根が全体的に円筒形のコアから突出し、当該コアがバレルの排出ポートに隣接する下流側端部と、ダイの入力端部となる上流側端部とを有するようにした請求の範囲７項記載の押し出し装置。
【請求項９】
ダイ・アッセンブリーがダイ・アッセンブリーの入力端部と排出端部の間に位置付けられているブロック形成用の通路を含むようにした請求の範囲４項記載の押し出し装置。
【請求項１０】
更に、ダイ・アッセンブリー内のブロック形成用の通路を通じて延在する長手方向にわたって円筒形のマンドレルを含むようにした請求の範囲９項記載の押し出し装置。
【請求項１１】
更に、ダイ・アッセンブリーに隣接する長手方向軸線の周りに位置付けられ、長手方向軸線に沿って延在する冷却トンネルを含み、当該冷却トンネルが所定温度にてその貫流する空気の流れを提供するようにした請求の範囲４項記載の押し出し装置。
【請求項１２】
更に、背圧制御装置を含み、当該背圧制御装置がダイの排出端部から出る押し出されるブロックと係合するよう設置された対向する第１ホイールと第２ホイールを含み、各ホイールが長手方向軸線を横断する別の軸線の周りで回転自在になっている請求の範囲４項記載の押し出し装置。
【請求項１３】
更に、両方のホイールの間の圧縮力を変える手段を含む請求の範囲１２項記載の押し出し装置。
【請求項１４】
更に、各ホイールの回転を制限する可変抵抗ブレーキを含む請求の範囲１２項記載の押し出し装置。
【請求項１５】
更に、制動抵抗をモニターし、制動抵抗を所定値に調節する手段を含む請求の範囲１４項記載の押し出し装置。
【請求項１６】
多孔性ブロック素子の連続押し出しを行う方法であって：
粉状炭素基礎材料と樹脂バインダーの混合物を提供する段階；
押し出しバレルのほぼ全長にわたって延在し、螺旋羽根が設けられたコアから成るスクリューを回転させることによりスクリュー押し出し装置のバレル内で当該混合物を移送する段階；
当該混合物が、バレル内で、溶融した樹脂バインダーと炭素基礎材料との固まりを形成するよう当該混合物を加熱する段階；
当該混合物を移送しながら加熱して圧縮する段階；
バレルの下流側端部において、円筒形のバレルの内表面と、螺旋羽根の最後のピッチ長さとほぼ同じ軸方向の長さにわたって直径が急激に低減化するコアとによって容積が逓増する領域を提供し、バレル内部で混合物を攪拌し、混合のための螺旋パターンの流れを攪乱させる段階；
当該混合物の固まりを絶えずダイ内に供給する段階；及び
押し出される多孔性ブロック素子を形成するようダイ内で当該固まりを冷却する段階から成る方法。
【請求項１７】
予め混合された混合物を加熱する前に当該混合物を予熱する段階を含む請求の範囲１６項記載の方法。
【請求項１８】
当該混合物を加熱する段階前に垂直オーガーを用いて入力ポートと排出ポートを有するスクリュー押し出し機バレル内に当該混合物を供給する段階を含む請求の範囲１６項記載の方法。
【請求項１９】
当該混合物が加熱されている間に押し出し機バレルを通じてスクリュウで当該混合物を移送する段階を含む請求の範囲１８項記載の方法。
【請求項２０】
固まりを冷却する段階が：
水ジャケットをダイの周りに位置付ける段階；及び
冷却水を水ジャケットを通じて流す段階から成る請求の範囲１６項記載の方法。
【請求項２１】
固まりを冷却する段階が：
固まりを冷却トンネル内に位置付ける段階；及び
所定温度にある空気をその固まりの上に流す段階を含むようにした請求の範囲１６項記載の方法。
【請求項２２】
更に、ダイ内の背圧を制御する段階を含む請求の範囲１６項記載の方法。
【請求項２３】
ダイ内の圧力を制御する段階が：
ダイ内の背圧をモニターする段階；及び
ダイから出る混合物の流量を変える段階を含むようにした請求の範囲２２項記載の方法。
【請求項２４】
ダイを通る混合物の流れを変える段階が：
第１ホイールと第２ホイールの間にその押し出されるブロックを通す段階；及び
両方のホイールの間の当該押し出されるブロックの通過速度を制限するよう制動力を両方のホイールに与える段階を含む請求の範囲２３項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景及び要約
本発明は押し出し装置に関するもので、更に詳細には多孔性活性炭素ブロック・フィルター素子の連続押し出し方法とその装置に関するものである。
当業界では、スクリュー押し出し機と射出成型機は公知である。樹脂バインダーと粉体又は粒状材料を含む複合製品の押し出しに使用する当技術の方法と装置の現行の状態における著しい欠点は、材料がスクリュー外に流れ出してダイ内に流入して冷却と硬化を開始する際、そのスクリューから突出している羽根部分が材料の外表面に沿ってスパイラル状の「ニット・マーク（knit mark）」を生じる点にある。このスパイラル状の材料の表面に沿った「ニット・マーク（knit mark）」は、結果的にその材料の本体を通って延在し且つ密度が低く、多孔性が高い材料の軸方向長さに沿って全て弱くなっている螺旋状の弱い領域を生み出す。製品の強度とフィルター能力が、両者共逆の影響を受ける。
材料の螺旋状になった弱い領域に沿う低い密度と高い多孔性を補償する目的から当技術の方法と装置の現行の状態は、全体の密度が高くなった製品を形成する。これは逆に材料使用量が増え、生産割合が低くなり、押し出し装置の磨耗と亀裂が増加し、電力消費量が高くなることが原因で生産コストが高くなる状態を生じる。
当技術の押し出し方法と装置の現行の状態における諸欠点を克服する試みについては、コスロー（Koslow）の米国特許第５．１８９．０９２号及びコスローの米国特許第５．２４９．９４８号に開示してある。コスローの、０９２特許とコスローの、９４８特許は一層均一な押し出し製品を提供する装置と方法を開示している。このコスローの両特許は、粉体材料をスクリュー・フィーダーに依り押し出し機のバレルに通すことを開示している。押し出し装置内の材料は予熱器に依りバレル内で予熱され、しかる後、ダイ内に通され、そこで更に要求された処理温度迄ヒーター素子に依り加熱される。
ダイ内の材料の加熱が重要である。ダイ内を通じて流れる材料の加熱が短か過ぎ、材料の流れが早過ぎると、固体目的物を形成するのに要求される熱を伝達することは不可能となり、材料が適切に固化しないこともある。他方、加熱部分が長過ぎると、背圧が制御不能に増加して、その材料が硬化し、押し出し機をロック・アップする。更に、材料の冷却は材料のロック・アップを生じ得る可能性がある背圧の制御不能の量を生じることなく、ダイから材料が出る際の材料の構造的一体性を保持するよう十分長くなければならない。
しかしながら、他の先行技術の押し出し装置の場合と同様、スクリューの羽根部分は押し出し成型されたブロックの外面に沿って螺旋状の「ニット・マーク（knit mark）」を生じる。従って、この押し出されたブロックは、その全体の軸方向長さに沿って弱くなった領域を備えている。先に述べた如く、この弱くなった領域は密度が低く、多孔性が高くなっている。
従って、本発明の主たる目的と特徴は、ブロック素子の外面に沿った螺旋状「ニット・マーク」を無くすブロック素子の連続押し出しを行う方法と装置を提供することにある。
本発明の他の目的と特徴は、要求される材料の量を低減化し、生産割合を高め、電力消費量を低減化するブロック素子の連続押し出し方法とその装置を提供することにある。
本発明の更に他の目的と特徴は、密度が一定で多孔性が一定の製品を生み出すブロック素子の連続押し出しを行う方法及び装置を提供することにある。
本発明に依れば、ブロック素子の連続押し出しを行う方法と装置が提供される。この装置には、長手方向軸線に沿って延在している中空で全体的に円筒状のバレルが含まれている。このバレルは入力ポート、排出ポート及びその両ポート間のスクリュー受入れ空洞を備えている。
スクリューはバレルと同軸状になったスクリュー空洞受入れ体内に位置付けられ、その長手方向軸線の周りで回転自在になっている。バレルを所定温度に加熱するため入力ポートと排出ポートの間にヒーターが位置付けてある。このヒーターに隣接する長手方向軸線に対してダイ・アッセンブリーが延在している。このダイ・アッセンブリーはバレルの排出ポートと連通状態にある入力ポート、及び排出ポートを備えている。このダイ・アッセンブリーを所定温度に冷却するため水冷ジャケットがダイ・アッセンブリーの周りに位置付けてある。
本発明の方法には予め混合された材料を提供し、その材料をバレル内に供給することが含まれる。バレル内に在る際、その材料は材料が固まりを形成するよう加熱される。この固まりは攪拌され、スクリューの周りの螺旋羽根が終端している殆ど平坦な表面でコンパクトにされながら、ダイ内に送られる。この固まりは押し出されるブロックを形成するよう冷却される。
ダイ内の圧力を制御する目的からダイ圧力がモニターされ、そのダイから出る材料の流量が制御される。これは第１ホイールと第２ホイールの間でダイから出る押し出されたブロックを通過させることで達成される。しかる後、両者間の間にある材料の流れを制限するよう制動力が両方のホイールに与えられ、逆にこの流れが圧力を変える。
好適実施態様の簡単な説明
本明細書に添付の図面は前掲の諸利点と諸特徴が明確に開示されている本発明の好適な構成と併せて図示の実施態様に関する以下の説明から容易に理解される内容を図解している。
図面において：
図１は本発明に依るブロック・フィルター素子の連続押し出し装置の横断面図である。
図２は図１の押し出し装置で形成されたブロックにかかる背圧を制御する背圧制御装置の側面図である。
図３は図１の押し出し装置と併用するスクリューの一部分の拡大した側面図である。
図４は図３のスクリューの端面図である。
図５は図１の押し出し装置と併用するスクリューの別の端部分の拡大側面図である。
好適実施態様の詳細な説明
図１を参照すると、本発明の押し出し装置は全体的の参照番号１０で表されている。好適実施態様において、押し出し装置１０は粒状物又は粉体炭素の如き予め混合された材料とポリエチレンの如きポリオレフィン・バインダーの混合物で形成された多孔性で活性化された炭素ブロック・フィルター素子を連続的に押し出すよう設計されている。しかしながら、他の材料の混合物から他の中空で複合した固体製品を生産すべく押し出し装置を提供することは本発明の範囲内に入るものとして意図されている。
図１で最も良く理解される如く、内部に混合物を受け入れるよう適合したホッパー１２が設けてある。この混合物は例えばポリエチレンの如き熱可塑性バインダー材料、例えば活性化された炭素といった粉体状又は粒状１次材料から成る完全に混合された粉体の形態になっている。ホッパー１２にはその混合物を共有スロート１６に向かって供給する垂直オーガー１４が含まれている。ホッパー１２の供給スロート１６は、全体的に円筒形のバレル２０の内部１８と連通状態にある。
バレル２０は長手方向軸線に沿って延在しており、上流側入力ポート２３から出力端部４２へ至るバレル２０の内部１８を定める内壁２２を含む。バレル２０の内部１８内には回転自在型スクリュー２４が位置付けられ、この回転自在型スクリュー２４はバレル２０と同軸的になっている。スクリュー２４は慣用的な螺旋羽根２８で包囲された全体的に円筒形の延在するコア２６を備えている。スクリューの根元直径（コア２６）は、下流方向において入力ポート２３から徐々に増加している。
図３及び図４を参照すると、スクリュー２４には第１前方端部３０が含まれている。スクリュー２４の前方端部３０はコア２６の直径が鋭く低減化するようテーパーが付けてある。前方端部３０のテーパー３１は、加熱された固まっている材料が押し出し機からダイ内へ通過する際、その材料に対して容積の増加した領域を提供するよう作用し、この箇所でその流れる材料は更に混合され、攪拌される。前方端部３０には、またマンドレル３６の端部を前方端部に相互接続することを容易にすべく、スクリュー２４の前方面３４内の（想像線で示された）切り欠き付き空洞３２が含まれている。螺旋ばね２８は、横断方向で好適にはスクリュー２４の延在している長手方向軸線に対して直角になっている表面３７の箇所でスクリュー２４の前方端部３０付近で終端している。
図５を参照すると、スクリュー２４の第２実施態様が図示してある。理解を容易にする目的から共通した参照文字が使用してある。スクリュー２４には第１前方端部３０が含まれている。スクリュー２４の前方端部３０はコア２６の直径が徐々に低減化するようテーパーが付けてある。コア２６のテーパー付き部分３５は肩部３９で終端しており、当該肩部３９は全体的に平坦なディスク型表面４１を定めている。ディスク型表面４１は、コア２６の全体的に円筒形部分４３に依りスクリュー２４の前方面３４から隔てられている。
公知の如く、予め混合された材料はそれが流動可能状態にとどまるよう予熱素子３８に依りバレル２０内で予熱されねばならない。次に、その複合材料は更に１次ヒーター４０に依り樹脂溶融温度にて又はこれを下廻る所要の処理温度に加熱される。予め混合された材料がバレル２０から熱を吸収するのに伴ないポリエチレン・バインダーは柔らかくなり、部分的に溶け出し、バレル２０の出力端部４２から押し出される固まりを形成するよう炭素粒子の間に「ブリッジ」を作成し始める。
バレル２０の出力端部４２は、ダイ・アッセンブリー４４の入力端部に供給する。ダイ・アッセンブリー４４には貫通する全体的に円筒形の通路５０を定める内側面４８を有する延在したダイ４６が含まれている。ダイ４６の外周縁部５１の周りには、水冷ジャケット５２が位置付けてある。この水冷ジャケット５２には、水冷ジャケット５２を貫通する冷却水の流れを提供すべく、水入口５４と水出口５６が含まれている。冷却水は、樹脂溶融温度を下廻る温度に維持される。
以下説明する如く、ダイ・アッセンブリー内に流入する固まりは内部で部分的に固化し、押し出されるブロック６４を形成する。ダイ４６の出力端部５８から出る押し出されたブロック６４は、ダイ４６に隣接して位置付けられた冷却トンネル６０を通過する。冷却トンネル６０には入口６２が含まれ、当該入口６２は冷却空気を受け取り、最終的な複合製品を完全に固化する目的からその冷却空気を押し出されたブロック６４上方に流す。
図２を参照すると、ダイ４６内の材料の圧力を制御する目的で、背圧制御装置６６が設けてある。背圧制御装置６６はダイ４６からのその押し出されたブロック６４の運動に対して抵抗を与える。背圧制御装置６６には、隔てられた第１ホイール６８と第２ホイール７０が含まれ、これらの両ホイールは所望の押し出し速度と等しい速度で押し出される製品６４が冷却トンネル６０から出る際、連続して押し出されてくる製品６４と回転接触状態に保持される。好適実施態様においては、第１ホイール６８と第２ホイール７０はウレタン材料で作成され、その押し出された製品の円筒形面に一致する溝が設けられている。
第１ホイール６８と第２ホイール７０は、それぞれ対応する支持板７２及び７４上に設置してある。各支持板７２及び７４にはそれぞれ支持部材７６及び７８が含まれ、当該支持部材は当該支持板から突出している。支持部材７６及び７８はヒンジ８０に依り相互に接続され、これにより支持板７２及び７４は第１ホイール６８と第２ホイール７０の間の垂直空間を変えるようヒンジ８０を軸にして回動できる。連結棒８２も支持板７２及び７４を相互に接続している。連結棒８２は、支持板７２及び７４を引き離して配置させるばね８４を備えている。第１ホイール６８と第２ホイール７０との間を移動する押し出し物に、選択された調節自在の支持負荷を与えることができるよう連結棒８２の第１端部８８上には蝶ナット８６が設けてある。
背圧力を測定するため、負荷セル９０が支持板７４と静止面９３の間に相互に接続されている。負荷セル９０はデータ・ライン９２に沿った背圧力に比例する信号を張力制御装置９４に与える。エア・ブレーキに依り第１ホイール６８と第２ホイール７０の一方若しくは両方におけるブレーキ張力を制御する張力制御装置９４は、背圧力の設定とその押し出されるブロック６４上の一定の背圧力を提供するよう自動的に又はオペレーターに依り調整自在である。エア・ブレーキは、ブレーキ・ライン９６内の圧力に依り制御可能である。
作動にあたり、炭素とポリエチレン・バインダーの予め混合された材料が室温にてホッパー１２内に供給される。低速度で回転している垂直オーガー１４は、その予め混合された材料を供給スロート１６を通じてバレル２０の内部１８内に供給する。スクリュー２４の回転に伴い、その予め混合された材料はバレル２０の内部１８に沿ってバレル２０の前端部３０に向かって移動する。スクリューのコア２６の根元直径の増加に拠りその前進している混合物が圧縮され、その捕獲された空気がその混合物から絞り出される。予め混合された材料が予熱器３８で予熱される、しかる後ヒーター４０で加熱される。予め混合された材料はポリエチレン・バインダーが柔らかくなって部分的に溶け出し、その炭素粒子の間に「ブリッジ」を生成し始めるようバレル２０から熱を吸収する。バレル２０の出力端部４２を通じてダイ・アッセンブリー４４内へ強制的に送られ、固まりが形成される。
スクリュー２４の減径されたテーパー状の前端部３０には、流動している予め混合された材料を、図３の羽根２８によって攪拌できるように空間が設けられている。羽根２８の表面３７は重ねられた固まりを攪拌し、その重ねられた固まりをダイ４４内にコンパクトにするよう作用する。スクリュー端部３０で生じる材料の攪拌と混合は、この材料がスクリューに沿って移動する際複合材料に与えられる螺旋パターンを乱すことが判明していた。この押し出し過程は、一定の均質な押し出された製品の連続的形成を可能とし、可視的螺旋マーク及び高い密度と低い密度の螺旋領域を無くすことが出来る。
スクリュー２４の別の実施態様においては、流動している予め混合された材料を攪拌できるように円筒形面４３とバレル２０の内壁２２の間の空間が増加されている。
固まりは、形成されるべき押し出されたブロック６４の内径をマンドレル３６が形成するようダイ４６の通路５０内及びマンドレル３６の外周縁の周りに流される。過剰熱をその固まりから除去して、その押し出されたブロック６４を形成するよう、冷却水が水冷ジャケット５２を通じて循環される。その樹脂の溶融温度は、典型的には２００ー５００°Ｆの範囲内にあり、従って、冷却水は任意の適切な低い温度、典型的には９０ー１４０°Ｆの範囲内に維持できる。押し出されたブロック６４は或る程度の堅固性を以てダイ４４外に出る。そのため、その押し出されたブロック６４は更にその押し出されたブロック６４を固化して固体の最終製品を形成するよう冷却トンネル６０に通される。
次に、この押し出されたブロック６４は背圧制御装置６６の第１ホイール６８と第２ホイール７０の間を通過する。押し出されたブロック６４に適用される背圧は押し出されたブロック６４の密度を制御する。従って、押し出されたブロック６４上に与えられる背圧が高くなればなる程、その密度は高くなり、又、逆に低くなればなる程、低くなる。
先に説明した如く、押し出し過程における背圧は、２個のウレタン・ホイール６８及び７０で制御される。オペレーターは予め決定された背圧力に対して張力制御装置９４をプログラムする。第１ホイール６８と第２ホイール７０で適用される圧縮力は、最初連結棒８５上に又はその外に蝶ナット８６を調節することに依り設定される。第１ホイール６８と第２ホイール７０の間の圧縮力に依りこれらのホイールは押し出されたブロック６４を把持出来る。張力制御装置９４はブレーキ・ライン９６内の圧力を変えることに依り第１ホイール６８と第２ホイール７０上のブレーキ張力を制御する。
押し出されたブロック６４上の背圧力の値は、支持板７４と静止面９３の間に設置された負荷セル９０に接続されている張力制御装置９４で制御される。負荷セル９０は押し出されたブロック６４上の背圧力を表す信号を発生し、データ・ライン９２に沿って張力制御装置９４へその情報を提供し、このデータ・ラインは逆に一定の背圧力を維持すべく第１ホイール６８及び／又は第２ホイール７０上のブレーキ張力を変える。
本発明を実行する各種モードは、本発明として考えられる主題を特に指摘し且つ顕著に特許請求している以下の請求の範囲にあるものとして意図されている。
【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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