(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延在する押出機スクリューで、前記スクリューの入口端にある供給区間、前記スクリューの出口端にある計量区間、および前記供給区間と計量区間との間にあるバリア区間によって形成された軸方向に延在するスクリュー本体を含み、
第１前進面および第１後退面を有し、前記押出機スクリューの軸方向に沿って前記スクリュー本体の周囲に、該スクリュー本体と同軸で延在する第１螺旋形１次フライトと、
少なくとも前記供給区間の一部から前記押出機スクリューの前記出口端まで延在し、第２前進面および第２後退面を有する第２螺旋形１次フライトとを備え、
前記スクリュー本体が、前記第１前進面と第２後退面との間に第１螺旋形回転面を形成し、前記第１前進面と第２後退面と第１螺旋形回転面が協働して第１固体樹脂通路を形成し、
前記スクリュー本体が、前記第２前進面と第１後退面との間に第２螺旋形回転面を形成し、前記第２前進面と第１後退面と第２螺旋形回転面が協働して第２固体樹脂通路を形成し、
前記バリア区間が、
第３前進面および第３後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲にスクリュー本体と同軸で延在する第１バリア・フライトを含み、前記第１バリア・フライトが、前記第１前進面と第２後退面との間に配置されることによって前記第１螺旋回転面が前記第３前進面と第２後退面との間で再形成され、
前記スクリュー本体が、前記第１前進面と第３後退面との間に第３螺旋形回転面を形成し、前記第１前進面と第３後退面と第３螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第１融解物通路を形成し、さらに、
第４前進面および第４後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第２バリア・フライトを含み、前記第２バリア・フライトが、前記第２前進面と前記第１後退面との間に配置されることによって前記第２螺旋形回転面が前記第４前進面と第１後退面との間で再形成され、
前記スクリュー本体が、第２前進面と第４後退面との間で第４螺旋形回転面を形成し、第２前進面と第４後退面と第４螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第２融解物通路を形成する、軸方向に延在する押出機スクリュー。
【請求項２】
前記第１および第２・１次フライトがそれぞれ、前記押出機スクリューの長手方向に沿って変化するピッチを規定する、請求項１に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
【請求項３】
前記第１および第２融解物通路が、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に増加するピッチを形成する、請求項１に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
【請求項４】
前記第１および第２融解物通路がそれぞれ、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に増加する深さを規定する、請求項１に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
【請求項５】
前記第１および第２固体樹脂通路がそれぞれ、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に減少するピッチを形成する、請求項１に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
【請求項６】
前記第１および第２固体樹脂通路がそれぞれ、融解物通路に沿って下流方向に漸進的に減少する深さを規定する、請求項１に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
【請求項７】
前記第１および第２融解物通路がそれぞれ、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に増加するピッチを形成する、請求項１に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
【請求項８】
押出機であって、
押出機ドライブと、
前記押出機ドライブに装着され、内腔壁によって形成された内腔を含む延在する押出機バレルとを備え、前記バレルが、前記押出機ドライブに隣接するホッパ区間を有し、それによって固体樹脂材料を前記内腔に導入することができ、さらに、
軸方向に延在する押出機スクリューを備え、前記スクリューが、前記スクリューの入口端で供給区間、前記スクリューの出口端にある計量区間、および前記供給区間と計量区間の間にあるバリア区間を有するスクリュー本体を含み、
前記押出機スクリューが、さらに、
前記第１前進面および第１後退面を有し、前記押出機スクリューの長手方向に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第１螺旋形１次フライトと、
少なくとも前記供給区間の一部から前記押出機スクリューの前記出口端まで延在し、第２前進面および第２後退面を有する第２螺旋形１次フライトとを備え、
前記スクリュー本体が、前記第１前進面と第２後退面との間で第１螺旋形回転面を形成し、前記第１前進面と第２後退面と第１螺旋形回転面が協働して第１固体樹脂通路を形成し、
前記スクリュー本体が、前記第２前進面と第１後退面との間で第２螺旋形回転面を形成し、前記第２前進面と第１後退面と第２螺旋形回転面が協働して第２固体樹脂通路を形成し、
前記バリア区間が、
第３前進面および第３後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第１バリア・フライトを含み、前記第１バリア・フライトが、前記第１前進面と第２後退面との間に配置され、それによって前記第１螺旋形回転面が、前記第３前進面と第２後退面との間で再形成され、
前記スクリュー本体が、前記第１前進面と第３後退面との間で第３螺旋形回転面を形成し、前記第１前進面と第３後退面と第３螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第１融解物通路を形成し、さらに、
第４前進面および第４後退面を有し、前記バリア区間に沿って前記スクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する第２バリア・フライトを含み、前記第２バリア・フライトが、前記第２前進面と前記第１後退面との間に配置され、それによって前記第２螺旋形回転面が、前記第４前進面と第１後退面との間で再形成され、
前記スクリュー本体が、前記第２前進面と第４後退面との間で第４螺旋形回転面を形成し、前記第２前進面と第４後退面と第４螺旋形回転面が協働して、前記バリア区間に沿って延在する第２融解物通路を形成し、さらに、
前記バレルの前記ホッパ区間に隣接して、前記内腔によって形成され、前記押出機の運転中に、前記供給区間にある固体樹脂材料の供給速度および圧力を上昇させるため、前記押出機スクリューの前記供給区間に延在する複数の溝を備える押出機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は概ね固体樹脂材料を処理する機械に関し、特に前記樹脂材料を混合し、融解する押出機に関する。
【０００２】
（発明の背景）
ポリマ樹脂材料の融解、混合および配合に使用する押出機スクリューは通常、３つの区間、つまり供給区間、計量区間、および供給区間と計量区間の間に配置された融解区間を使用する。通常、押出機スクリューは押出機バレル内に回転可能なように配置され、バレルはスクリューの供給区間に隣接するホッパ区間、およびホッパ区間の反対側でスクリューの計量区間に近い排出端を含む。運転中、固体樹脂材料がホッパ・ステーションを通して導入され、スクリューの供給区間に移動し、ここで融解し始める。固体樹脂材料は、次に融解区間に搬送され、ここで供給区間の場合より高速で溶融し、最終的に完全に溶融状態に変態する。溶融材料は、融解区間から計量区間へと移送され、押出機の排出端へと搬送されて、ここで通常はダイを通過する。
【０００３】
歴史的に、従来の押出機スクリューは、スクリューの根元または本体区間の周囲に配置され、これと協働して通路を形成する１つの螺旋形フライトを備え、押出機に導入される樹脂材料が、通路に沿って搬送されている。材料は、融解区間に入ると、材料自身内の摩擦によって生じた熱、およびバレルを通して伝達された外部熱源からの熱によって融解し始める。溶融材料は、押出機バレルの内面に付着する融解薄膜を形成する。薄膜の厚さが押出機バレルとフライト間のクリアランスを超えると、フライトの前縁が融解薄膜をバレルの内面から掻き取り、溶融材料がフライトの前進縁に沿ってプールを形成するようにする。材料が融解し続けるにつれ、通常は固体樹脂ベッドと呼ばれ、通路内にある固体の塊が固体材料の集塊へと破壊し、次にこれが溶融材料のプールと混合する。
【０００４】
このようなことが発生すると、加熱されたバレルに曝されている固体材料の量が大幅に減少する。固体材料が、溶融材料のプールに混入した集塊の形態になるからである。したがって、混入した固体材料を融解するため、十分な熱が溶融プールを通して固体樹脂に移行しなければならない。大部分のポリマは良好な断熱特性を有し、断熱材として作用するので固体樹脂ベッドが破壊すると、押出機の融解効率が低下する。
【０００５】
融解効率を改善しようとして、溶融区間に第２フライトを組み込み、第２フライトが、スクリューの本体部分の周囲に延在して、第２フライトの前進面と１次フライトの後退面との間に固体樹脂の通路を形成する押出機スクリューが開発された。また、第２フライトの後退面と１次フライトの前進面との間には、溶融材料を搬送する融解物通路も形成された。スクリューの根元または本体区間の直径は、固体樹脂通路内で漸進的に増加し、融解区間に沿って通路の深さが減少し、融解通路に沿って減少するので、融解通路の深さが増加する。運転中は、固体樹脂ベッドと加熱バレル表面との境界面に形成された融解薄膜が、第２フライトを越えて融解通路へと移動するので固体樹脂ベッドの破壊が最小になる。
【０００６】
このタイプのスクリューでは、固体材料が融解する速度は、加熱バレルの壁と接触した固体樹脂ベッドの表面積、およびバレル壁と固体樹脂ベッドの間に形成された融解薄膜の厚さによって決定された。バレル壁に接触する固体材料の表面積が増加すると、バレルから固体樹脂ベッドの露出表面への熱伝達が改善されるので、融解速度が上昇した。しかし、固体樹脂ベッドとバレル間の融解薄膜の厚さが増加すると、該融解薄膜が断熱材として作用するのでバレルから固体材料への熱伝達が低下し、融解速度が低下した。したがって、固体樹脂材料を溶融状態に変態させるために、これらの押出機スクリューの融解区間を非常に長く構成し、その結果、このようなスクリューを使用する押出機の製造費と運転費が双方とも増加した。
【０００７】
以上に基づき、先行技術のスクリューの問題および欠点を克服する押出機スクリューを提供することが、本発明の全体的な目的である。
【０００８】
スクリューに導入された固体材料が効率的な方法で融解され、混合される押出機スクリューを提供することが、本発明のより特定の目的である。
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、スクリュー本体および軸方向に延在する押出機部分を含む、軸方向に延在する押出機スクリューに存する。押出機部分は、３つの区間、つまり押出機スクリューの入口端にある供給区間、スクリューの出口端にある計量区間、および供給区間と計量区間の間にあるバリア区間によって形成される。第１螺旋形１次フライトが、押出機スクリューの全長にわたって、スクリュー本体から、スクリュー本体と同軸で延在し、第１前進面および第１後退面を含む。第２螺旋形１次フライトは、少なくとも供給区間の一部に沿って、次に押出機スクリューの残りの長手方向に沿って延在し、第２前進面および第２後退面を含む。画定
【００１０】
スクリュー本体は、第１前進面と第２後退面との間に位置して、該第１前進面と第２後退面と協働し、第１固体樹脂通路を画定する第１螺旋回転面を形成する。スクリュー本体は、第２前進面と第１後退面との間に位置する第２螺旋形回転面も含む。第２前進面と第１後退面は、第２螺旋形回転面と協働して、第２固体樹脂通路を形成する。第１および第２固体樹脂通路は、少なくとも押出機スクリューのバリア区間の全長に沿って延在する。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態では、バリア区間は第１バリア・フライトを含み、これは第３前進面および第３後退面を有し、バリア区間の長手方向に沿ってスクリュー本体の周囲に、これと同軸で延在する。第１バリア・フライトは、第１前進面と第２後退面との間に位置するので第１螺旋形回転面を第３前進面と第２後退面の間で再画成する。第１バリア・フライトの結果、スクリュー本体は、第１前進面と第３後退面との間にあって、これと協働する第３螺旋形回転面を形成し、バリア区間に沿って延在する第１融解物通路を形成する。
【００１２】
第４前進面および第４後退面を有する第２バリア・フライトも、バリア区間に沿ってスクリュー本体の周囲に、スクリュー本体と同軸で延在する。第２バリア・フライトは、第２・１次フライトの第２前進面と第１・１次フライトの第１後退面との間に位置するので第２螺旋形回転面を第４前進面と第１後退面の間で再画成する。
【００１３】
第２バリア・フライトは、第２前進面と第４後退面の間に第４螺旋形回転面が生成されるのも促進し、第２前進面と第４後退面と第４螺旋形回転面が協働して、バリア区間に沿って延在する第２融解物通路を形成する。第１および第２・１次フライトのピッチ、さらに第１および第２バリア・フライトのピッチは、少なくともバリア区間の長手方向に沿って変化することが好ましい。本発明の好ましい実施形態では、このようにピッチが変化する結果、バリア区間に沿って下流方向に、固体樹脂通路の幅が減少し、融解物通路の幅が増加する。これによって、固体樹脂通路内の固体樹脂の量が、バリア区間に沿って下流方向に減少し、加熱された押出機バレルに接触して融解する。逆に、融解物通路の幅の増加は、自身内で移送される溶融材料の量の増加を受容する。
【００１４】
融解物および固体樹脂通路の幅の変化に加えて、これらの通路の深さも変化する。例えば、固体樹脂通路の深さは、バリア区間に沿って下流方向に減少し、減少し続ける固体樹脂材料の量が適切に剪断され、加熱押出機バレルに暴されるので材料の融解が促進されることを保証する。また、融解物通路の深さは、増加する量の溶融材料を十分に収容するため、バリア区間に沿って下流方向に増加する。
【００１５】
本発明は、上述した押出機スクリューが回転自在に結合された押出機ドライブを含む押出機にも存する。押出機スクリューを受けるような構成である延在する軸方向の内腔を含む押出機バレルも、ドライブに装着される。押出機バレルは、押出機への固体樹脂材料の供給を容易にするため、押出機スクリューの供給区間に隣接するホッパ区間を含む。軸方向内腔は内腔壁によって形成され、この内腔壁は供給区間に沿って下流方向に前進している固体樹脂材料の供給速度および圧力を上昇させるため、押出機スクリューの供給区間の周囲に延在する複数の溝を形成する。
【００１６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１に示すように、押出機１０は、点線で示した概ね円筒形の内腔壁１６によって形成された内腔１４を有するバレル１２を含む。バレル１２は、歯車箱１８などの適切なドライブに装着され、歯車箱に隣接してバレルに取り付けられたホッパ区間２０を含む。軸方向に延在する押出機スクリュー２２が、内腔１４内に配置され、回転自在に歯車箱１８に結合される。押出機スクリュー２２は３つの区間に分割される。つまり「Ｆ」の参照符号を付けた寸法で示され、押出機スクリューの入口端２６に位置する供給区間２４、「Ｍ」の参照符号を付けた寸法で示され、押出機スクリューの出口端２８に位置する計量区間２８、および「Ｂ」の参照符号を付けた寸法で示され、供給区間と計量区間の間に配置されたバリア区間３０である。
【００１７】
運転中、固体樹脂材料は、供給ホッパ３２を通じて押出機バレル１２のホッパ区間２０に導入される。固体樹脂材料は、押出機スクリュー２２の供給区間２４に沿って前進し、ここで融解し始め、バリア区間３０に入る。以下で詳細に説明するように、固体樹脂材料は、バリア区間３０に沿って前進するにつれ、融解状態に変態し、次に押出機スクリュー２２の計量区間２８に供給される。溶融材料は、計量区間２８に入ると、前進して押出機を出るが、これは通常、バレル１２の出口端３６に装着されたダイ３４を通る。
【００１８】
図２を参照すると、圧力を上昇させることによって押出機１０の生産量を増加させるため、押出機バレル１２の内腔壁１６には押出機スクリュー２２の周囲に沿って複数の溝３８が形成されている。この溝３８は軸方向に延在する。押出機１０の運転中、押出機バレル１２の溝３８は、押出機スクリューの供給区間２４に大きい圧力勾配を生成する。この圧力勾配により、押出機内の材料の生産量が増加する。
【００１９】
図３を参照すると、押出機スクリュー２２は、スクリューの全長に沿って軸方向に延在する押出部分を有する概ね円筒形のスクリュー本体４０を含む。第１前進面４４および第１後退面４６を有する第１螺旋形１次フライト４２が、スクリュー本体４０の周囲に、これと同軸で延在する。図示の実施形態では、第２前進面５０および第２後退面５２を有する第２螺旋形１次フライト４８も、スクリュー本体４０の周囲で、これと同軸に延在する。図３に示すように、第１および第２螺旋形１次フライト４２および４８は両方とも、押出機スクリュー２２の入口端２６で開始し、相互から約１８０°の間隔がある。しかし、本発明は、その点に制限されるものではない。フライトが相互に対して１８０°以外の角度で開始できるからである。また、本明細書では、第１および第２螺旋形１次フライト４２および４８が図示され、説明されているが、本発明はその点に制限されるものではない。本発明のより広義の態様から逸脱することなく、１つ、または３つ以上の１次フライトを使用できるからである。
【００２０】
図４に示すように、スクリュー本体４０は第１螺旋形回転面５４を有し、これは第１および第２・１次フライト４２および４８それぞれの第１前進面４４および第２後退面５２と協働して、第１固体樹脂通路５６を形成する。同様に、スクリュー本体４０は第２螺旋形回転面５７を有し、これは第１および第２・１次フライト４２および４８それぞれの第２前進面５０および第１後退面４６と協働して、第２固体樹脂通路５８を形成する。
【００２１】
図５を参照すると、バリア区間Ｂで、第１および第２バリア・フライト６０および６２はそれぞれ、第１および第２・１次フライト４２および４８それぞれの一方から延在する。各バリア・フライト６０および６２は、第１および第２固体樹脂通路５６および５８のそれぞれ１つを再び画定する。したがって、第２・１次フライト４８の第２後退面５２、第１螺旋回転面５４および第１バリア・フライト６０の前進面６４の協働により第１固体樹脂通路５６が形成される。同様に、第２固体樹脂通路５８は、第１螺旋形１次フライト４２の後退面４６、第２螺旋形回転面５７、および第２バリア・フライト６２の前進面６４の協働によって再形成される。
【００２２】
スクリュー本体４０は第３螺旋形回転面６６を有し、これは前進面４４およびバリア・フライト６８の第３後退面６８と協働して、第１融解物通路７０を形成する。同様に、スクリュー本体４０は第４螺旋形回転面７２を有し、これは第２前進面５０、および第２バリア・フライト６２の第４後退面７４と協働して、第２融解物通路７６を形成する。固体樹脂材料がバリア区間に沿って下流方向に前進するにつれ、第１および第２固体樹脂通路５６および５８で、材料が融解し、第１および第２融解物通路７０および７６それぞれへと移動する。
【００２３】
図５から図７で示すように、第１および第２固体樹脂通路５６および５８はそれぞれ、図３において矢印Ｄで示される下流方向に、バリア区間に沿って漸進的に減少する深さｄｓ１およびｄｓ２を画定する。この現象も、図３に示す固体樹脂通路の深さの概略的表示７８で図形的に図示される。固体樹脂通路と同様、第１および第２融解物通路７０および７６はそれぞれ深さｄｍ１およびｄｍ２を画定するが、この深さは、図３に示す融解物通路の深さの略図８０で図形的に示すように、下流方向で増加する。
【００２４】
上述した通路深さの変化に加えて、１次フライト４２および４８、およびバリア・フライト６０および６２のピッチも、バリア区間で変化する。このピッチの変化により、第１および第２融解物通路７０および６５によって画定された幅ｗｍ１およびｗｍ２が、バリア区間に沿って下流方向に増加する。それと同時に、第１および第２固体樹脂通路によって画定された幅ｗｓ１およびｗｓ２も変化する。したがって、バリア区間に沿って下流方向に移動するにつれ、第１および第２固体樹脂通路が狭く、かつ浅くなり、第１および第２融解物通路が広く、かつ深くなる。
【００２５】
図１から図７を参照し、本発明の押出機スクリーン２２の動作について詳細に説明する。固体樹脂材料は、通常は粉砕再生材料、ペレットおよび／または粉末の形態であり、ホッパ３２を通して供給され、押出機バレル１２のホッパ区間２０に入る。固体樹脂材料は、第１および第２固体樹脂通路５６および５８に収集され、押出機スクリュー２２が図において矢印Ｒによって示された方向に回転した結果、固体樹脂材料が供給区間「Ｆ」に沿ってバリア区間「Ｂ」へと搬送される。材料が供給区間「Ｆ」に沿って移動するにつれ、１次および第２・１次フライト４２および４８の第１および第２前進面４４および５０がこの中の固体材料と係合し、そのため固体樹脂ベッド内に凝縮する。また、押出機バレル内の複数の溝は、通常は温度が制御され、固体樹脂通路内の材料をさらに凝縮して圧迫することによってより高速に搬送し、融解を開始させる。この融解作用は、押出機スクリュー２２の供給区間にある１次フライトの前進面に隣接して融解物のプールが形成されるのを促進する。
【００２６】
供給区間の材料は、押出機スクリュー２２のバリア区間に入ると、材料の剪断と押出機バレル１２からの熱との組合せにより、融解し続ける。溶融材料は、バリア・フライト６０および６２上で第１および第２固体樹脂通路５６および５８から移動して第１および第２融解物通路７０および７６に入る。このプロセスは、バリア区間に沿って下流方向にその端部まで続き、そこで押出機スクリュー２２の計量区間がダイ３４を通して溶融材料を供給する。
【００２７】
好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および置換を実行することができる。したがって、本発明は例示的に説明されたのであり、制限的ではないことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による押出機バレルおよびスクリューを使用する押出機の側面断面図である。
【図２】  押出機バレルの供給区間によって形成された溝を示す、図１の押出機バレルの部分断面図である。
【図３】  本発明の押出機スクリューの部分側面図であり、スクリューの長手方向に沿った固体樹脂および融解物通路の深さの略図も含む。
【図４】  図３の押出機スクリューの供給区間にある２本の固体樹脂通路を示す、図３の線４−４に沿って切り取った部分断面図である。
【図５】  図３の押出機スクリューバリア区間の冒頭にある２本の固体樹脂通路および２本の融解物通路を示す、図３の線５−５に沿って切り取った部分断面図である。
【図６】  図３の押出機スクリューのバリア区間に沿ってほぼ中間で２本の固体樹脂通路および２本の融解物通路を示す、図３の線６−６に沿って切り取った部分断面図である。
【図７】  図３の押出機スクリューの供給区間からさらに離れたバリア区間の最後で、２本の固体樹脂通路および２本の融解物通路を示す、図３の線７−７に沿って切り取った部分断面図である。
【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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