JP7801525B1 - 単軸押出機用スクリュー、および単軸押出機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱可塑性樹脂組成物の混練押出を行った際、原料の局所的な温度上昇を抑えて樹脂温度を抑制するとともに、混練時の混練性および分配、拡散性に優れた単軸押出機用スクリュー及び単軸押出機を提供する。
【解決手段】
混練部に混練部品を備えた単軸押出機に使用されるスクリューであって、前記混練部品が螺旋状のフライトと、溝と、前記溝内に設ける複数の凸部を備え、前記溝は、楕円体形状の一部を切り取る形状の曲面が、前記楕円体形状の長軸を前記フライトのねじれ角方向に配置して、多数連続して接続する形状をなし、前記凸部は、前記溝の曲面の間の接続部の稜線として形成し、前記凸部の稜線は、前記フライトより低い高さを有し、前記フライトと前記溝の曲面が交わる曲線は、前記フライトから見て凹状の円弧が連続して接続する形状であることを特徴とする単軸押出機用スクリュー。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱可塑性樹脂組成物を混練する単軸押出機用スクリュー、および単軸押出機に関するものである。

熱可塑性樹脂（以下、樹脂ともいう）同士の混練や、樹脂と添加剤との混練、あるいは樹脂と粉体粒子との混練といった２種類以上の原料を熱可塑性樹脂組成物として混練する場合、特に樹脂として熱可塑性樹脂を使用して混練物を連続的に製造する場合には、量産性の観点から、スクリューを備えた押出機を用いて混練がなされる。押出機による混練においては、押出機内で加熱溶融された原料を十分に混練し、混練後の熱可塑性樹脂組成物が均一な状態で吐出されるような性能が求められ、混練が不十分で、不均一なまま押出機から押し出されると、各成分の濃度の偏りによって混練物の物性が低下する、また混練物から添加剤が分離し、その効果が十分に発揮しない等の不具合が発生する。

スクリューによる混練装置の一つとして、単軸押出機が挙げられる。単軸押出機はシリンダー内に一本のスクリューを備え、スクリューを回転させることによって、押出機上流の供給部において供給された原料をスクリューの螺旋方向の流路に強制的に移送させ、押出機の混練部においてシリンダーからの熱により溶融・可塑化させながら混練し、その後、押出機の下流側の計量部において溶融した混練物を加圧しながら定量して、先端の金型・ダイスから溶融した混練物を吐出して混練物を得る機構をとる。しかし、単軸押出機は連続製造に優れるものの、他の混練機と異なり、スクリューの螺旋方向が一定方向であるために高い混練作用は得られず、またスクリュー内の流路すべてに原料を満たした高圧下で混練する構造であるために、局所的なせん断に伴う高温のせん断熱により、混練物の樹脂温度が過度に上昇するとともに、混練物内の樹脂温度にムラが生じることで均一なせん断が行えない、また局所的な発熱により樹脂や粉体粒子が焼ける問題点があり、対策として、スクリューの混練部の部品の混練性能を向上させるよう、従来、様々な加工が施されてきた。

樹脂温度の過度の上昇を抑え、高い混練性能が得られる加工の一つとして、本出願人による特許文献１が挙げられる。特許文献１では、複数条の螺旋状のフライトと溝を備え、前記螺旋状の溝の幅方向に渡って延びて隆起し、頂部に幅を有する凸部を混練部品として備える単軸押出機用スクリューを開示している。特許文献１は、前記の単軸押出機用スクリューとすることで、樹脂温度の上昇を抑えながら、高い混練性能が得られることを見いだしたものである。しかし、特許文献１は凸部の特徴的な形状により優れた混練を得られるものの、凸部以外の混練物の流路は螺旋状フライトに沿って平行であるため、流れ方向での混練は優れるものの、最終的な混練物においてさらなる均一性および温度ムラの抑制を求める用途では、混練された混練物が拡散して混合するさらなる性能が求められた。

また、特許文献２は、連続した凹凸のある底面を有する複数の溝を備えると共に、その帯域の周側方に位置するシリンダーの内周面に前記溝をまたぐ複数の凹溝を設けてなる押出機が開示されている。特許文献２の第２図に図示されるスクリューの要部のねじ溝７は、軸線に対して傾斜角β、いわゆるねじれ角をなし、溝内に傾斜角βよりも軸線に対して大きな傾斜角γをなす長楕円形の溝状凹陥部９を多数互いに隣接させて形成していることが開示されている。
特許文献２では、後述のシリンダーの溝との相互作用による樹脂の転がり効果を生じさせるとともに、長楕円形の前記傾斜角γを大きい角度に並べることで、自掃性がよく、かつ大きい押し込み効果が得られることが開示されている。
また、特許文献２は、第１図に開示される帯域Ｂを前記第２図の構造として前記傾斜角βを小さい角度とした上で、押出機のシリンダー３には前記スクリューの溝をまたぐよう軸線方向に設けられた複数の溝１０を設けることで、第２図に図示されるように、スクリューの溝状凹陥部９ａから十分な押し込み効果を与えられ第２の溝状凹陥部９ｂに樹脂材料が前進して移動するとともに、前記溝状凹陥部９ａの樹脂材料は、溝底が浅くなる前記溝状凹陥部９ａと溝状凹陥部９ｂの接触部からシリンダーの溝１０にも流れた後に前記溝状凹陥部９ｂに流れることで、樹脂材料が転がり回転作用をうけて添加剤が急速に樹脂に包まれて混練が進むことが開示されている。
しかし、特許文献２は、スクリューの溝状凹陥部とシリンダーに設ける溝における樹脂材料の転がり回転作用という局所的な混練を得るものであるため、樹脂材料に局所的に発生するせん断熱が高く、結果、樹脂材料が高温に伴う焼け・劣化を生じる問題があった。さらに、シリンダーに特別な溝を設ける必要があるため、第１図のシリンダー２およびシリンダー４の中間にシリンダー３を接続して設けるように特殊な押出機が必要であり、また各シリンダーの接続部の樹脂材料の流路側は接続にともなうわずかな段差が生じるために、段差部分に対流した樹脂材料によっては、樹脂焼けや樹脂劣化が生じやすい問題があった。

特許文献３は、図１および図２において、特許文献２に記載されるスクリューの要部と同じ形状の排出側の要部２cを、異なる特徴の形状を有する要部２ｂとともに設けたスクリューが開示され、図１および図２における要部２ｃの詳細が図４として開示されている。
なお、特許文献３の図４に記載されるねじり角βとγは、特許文献２の第２図における傾斜角βとγと逆の記載となり、また角度の基準がスクリュー特許文献２ではスクリューの軸方向ではなく、前記軸方向の直角を基準としているが、特許文献３の段落［００２５］から、凹凸底面がねじり角γに並び、多数の前記凹凸底面を有する溝のひとつひとつは、スクリューの軸の直角方向に傾いていることが解り、特許文献３の図４に記載されるものは、特許文献２の第２図と同じ形状であることが解る。
特許文献３では、前記形状の要部を、他の要部２ｂとともに設けることで均一な混練ができるとあるが、要部２ｃが設けられるスクリューの排出側、いわゆるスクリューの計量部は、特許文献１および特許文献２のようなスクリュー中間に設けられる混練部とは異なり、すべての溶融が完了した樹脂材料が流れる区間であるため、溶融と加熱により粘度が低下した樹脂材料では十分な混練力を得ることができるものではなかった。

特許第６４７３０９８公報 特開平４－６２１３１公報 特開平５－２２８９０２０公報

本発明では、熱可塑性樹脂組成物の混練押出を行った際、原料の局所的な温度上昇を抑えて樹脂温度を抑制するとともに、混練時の混練性および分配、拡散性に優れた単軸押出機用スクリュー及び単軸押出機を提供することを課題とする。

本発明者は、課題を解決するために、単軸押出機用スクリューの混練部品の構造について鋭意検討の結果、以下の形状の混練部品を有する単軸押出機用スクリューにより課題を解決することを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の単軸押出機用スクリューは、
（１）混練部に混練部品を備えた単軸押出機に使用されるスクリューであって、前記混練部品が螺旋状のフライトと、溝と、前記溝内に設ける複数の凸部を備え、前記溝は、楕円体形状の一部を切り取る形状の曲面が、前記楕円体形状の長軸を前記フライトのねじれ角方向に配置して、多数連続して接続する形状をなし、前記溝内には、前記溝の曲面の間の接続部の稜線として形成する凸部を複数設け、前記凸部は、隣り合う前記フライトの間に渡って形成される円弧状の稜線であって、前記凸部の稜線は、前記フライトより低い高さを有し、前記スクリューの円周方向における前記混練部品を平面に展開した図において、前記フライトと前記溝の曲面が交わる曲線は、前記フライト側に凹む円弧が連続して接続する形状であることを特徴とする単軸押出機用スクリュー、
（２）（１）に記載の凸部の稜線が、ねじれ角の直交方向に伸びるよう前記フライトの間に渡って形成される稜線または前記溝の幅方向中央における前記稜線の接線がねじれ角に直交する稜線であることを特徴とする単軸押出機用スクリュー、
である。
また、本発明の単軸押出機は、前記単軸押出機用スクリューを備えることを特徴とする単軸押出機である。

本発明は、熱可塑性樹脂組成物の混練押出を行った際、原料の局所的な温度上昇を抑えて樹脂温度を抑制するとともに、混練時の混練性および分配、拡散性に優れた単軸押出機用スクリュー及び単軸押出機を提供する。

本発明の単軸押出機用スクリューを備えた単軸押出機の断面図 本発明の第１実施形態の単軸押出機用スクリューにおける混練部品の投影図 本発明の第１実施形態の単軸押出機用スクリューの混練部品のスクリュー円周方向における展開図、および断面の概念図 本発明の第１実施形態の単軸押出機用スクリューの混練部品の加工例を示す概念図 本発明の第１実施形態の単軸押出機用スクリューの混練部品のスクリュー円周方向における展開図および断面概念図において、原料の流れを示した図 本発明の第２実施形態の単軸押出機用スクリューの混練部品のスクリュー円周方向における展開図、および断面の概念図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。また、本明細書中、数値範囲の説明における「ａ～ｂ」との表記は、特に断らない限り、ａ以上ｂ以下のことを表す。

［単軸押出機］
図１に本発明の単軸押出機用スクリュー（以下、「スクリュー」ともいう）を備えた単軸押出機の断面図を示す。図１が示すように、単軸押出機１は、内部が空洞となったシリンダー２とシリンダー内に収容されたスクリュー３を有し、単軸押出機が備えるモーターおよび減速機９の回転動力は、減速機出力軸とスクリュー３がスクリュー接続部９１で接続することで前記スクリュー３に伝達され、スクリュー３が回転する。
スクリュー３は、順方向の螺旋状のフライト５と谷部６を有し、回転動力によりスクリューを順方向に回転させることで、ホッパー４から定量供給される熱可塑性樹脂を含む原料（以下、「原料」ともいう）を、シリンダーに巻かれたヒーター８により加熱されたシリンダー２と谷部６の間の流路に螺旋の順方向に送りながら、スクリュー軸方向の下流９４へと移送する。シリンダー２と谷部６の間で移送される原料は、下流方向へ移送されるに伴い、シリンダーに巻かれたヒーター８からの熱、ならびに原料とシリンダー及び原料とスクリューのせん断熱により加温されて原料中の熱可塑性樹脂（以下、「樹脂」ともいう）が溶融して原料は可塑化され移動し、混練され、下流に設置するダイス１０を通り混練物が熱可塑性樹脂組成物として吐出される。

前記スクリュー３は、ホッパー４から供給された原料を搬送供給する供給部１１、原料中の樹脂が溶融可塑化するとともに原料が混練される混練部１２、および可塑化された原料を計量する計量部１３の３箇所のゾーンに分けられ、混練部１２には下記に記載する混練部品７を備える。

［第１実施形態の混練部品を備える単軸押出機用スクリュー］
第１実施形態の単軸押出機用スクリューが備える混練部品７の投影図を図２に、またスクリュー円周方向における混練部品７を平面に展開した図を、図３（ａ）に示す。
また、図３（ａ）の展開図における、ねじれ角８０方向に図示する仮想線Ｌ－Ｌ’の断面の概念図を図３（ｂ）に、また図３（ａ）の展開図における、ねじれ角８０に対して直交する方向に図示する仮想線Ｍ－Ｍ’の断面の概念図を図３（ｃ）に示す。
なお、図３（ａ）は一条の螺旋状のフライトである混練部品７を示した展開図であり、図３（ａ）は図の上部と下部が円周方向に接続するものであり、仮想線Ｌ－Ｌ’は溝２１のねじれ角８０方向に見た幅の中央を通る線である。
図３（ｂ）は、図３（ａ）のＬ－Ｌ’の断面図であり、フライト２０も仮想線で図示する。また、図３（ｂ）ではフライト２０までの凸部２２も仮想線で図示する。
図３（ｂ）と（ｃ）は、上が押出機のスクリューのシリンダー側の方向であり、下がスクリューの軸中心方向にあたり、また、図３（ｂ）と（ｃ）は概念図であって、スクリューの円周方向に展開した図３（ａ）に対応している。
図３（ｃ）は、図３（ａ）の図の中央の凸部２２に沿うよう図示した前記Ｍ－Ｍ’断面の断面図であり、曲面２３のもっとも深い断面も、仮想線で図示する。
また、本実施形態では、図３（ａ）および（ｃ）に示すように、仮想線Ｍ－Ｍ’上に、凸部２２と、曲面２３の最も幅広く最も深い箇所が並ぶよう、凸部間の距離を調整したものを例示する。

前記混練部品７は、図２および図３（ａ）に示すように、順方向の螺旋状のフライト２０と、溝２１と、前記溝２１内に設ける複数の凸部２２を備え、前記フライト２０は、樹脂をせき止めるよう設けられる、ねじれ角８０を有する順方向の螺旋状のフライトである。
前記溝２１は、図３（ａ）に示すように、長軸３４を前記螺旋状のフライトのねじれ角８０の方向に配置する楕円体形状の一部を切り取る形状の曲面２３が、各曲面２３の前記長軸３４が前記螺旋状のフライトのねじれ角８０の方向に並ぶよう多数連続して接続する形状をなし、それぞれの曲面２３の間の接続部には、接続部の稜線として前記凸部２２が設けられる。
なお、ねじれ角８０とは、スクリュー軸方向を基準として螺旋状のフライトが傾く角度で定義され、図３において図の左をスクリュー軸方向の下流９４、右をスクリュー軸方向の上流９５とする。
また、本明細書における楕円体形状とは、長軸を有し、長軸を含む垂直断面および中心を含み長軸に直交する垂直断面が楕円状または円状、並びに表面が曲面で構成される形状を指し、具体的には回転楕円体や歪楕円体等が挙げられる。
また、前記溝２１における各曲面２３はそれぞれが楕円体形状の下部表面の一部を切り取った形状の曲面である。

前記溝２１において複数の前記楕円体形状が長軸３４をねじれ角８０に対して平行となるよう配置され、さらに本実施形態では各曲面を等間隔とするよう接続するため、図３（ｂ）に示すようにねじれ角８０方向に沿った垂直断面において、その曲面２３はスクリューの軸中心に向かって凸の左右対称の円弧となり、曲面２３の接続部には稜線として凸部２２が形成される。また図３（ｃ）に示すように、ねじれ角８０に直交する方向に沿った垂直断面において、曲面２３はスクリューの軸中心に向かって凸の左右対称の円弧となる。
なお、第１実施形態において開示する各曲面２３は、いずれも深さ、幅、およびねじれ角方向への長さとも同じ形状である曲面であり、曲面がもっとも深い箇所はねじれ角８０方向およびねじれ角８０の直交方向から見て中心がもっとも深い箇所となる。
また、前記曲面２３は長軸３４をねじれ角８０方向に配置した楕円体形状の曲面であるため、曲面の中心、つまり曲面のもっとも深い部分から、ねじれ角８０方向への曲率の変化とねじれ角８０の直交方向への曲率の変化を比較した場合、ねじれ角８０方向への曲率の変化が緩やかに変化する曲面となる。

それぞれの前記曲面２３の接続部の稜線として設けられる前記凸部２２は、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、隣り合う２つのフライト２０の間に渡って形成する稜線となり、溝２１内に複数設けられる。前記凸部２２は、図３（ａ）の展開図に図示するように、その稜線がねじれ角８０に対して直交方向に伸びるようフライト２０の間に渡って形成される。
また、図３（ｃ）に示すように、ねじれ角８０に対して直交する方向に沿った垂直断面（仮想線Ｍ－Ｍ’の断面）において、前記凸部２２はスクリューの軸中心に向かって凸となる左右対称な円弧状の形状を示す。
また、図３（ｂ）に示すように、前記凸部２２は、スクリューの軸中心から見てフライト２０より低い高さを有するよう、中心から切り上がる２つの曲面２３の間の接続部、つまり頂点として溝２１の内部に設けられる。また、図３（ｃ）に示すように、フライト２０から前記凸部２２にかけての溝深さは、曲面２３の溝深さより浅い凸部となる。

図３（ａ）に示すように、前記フライト２０が、溝２１のそれぞれの前記曲面２３と交わる曲線２４は、前記フライトから見て凹状の円弧が連続して接続する形状であり、前記曲線２４の間に設けられる溝２１は、ねじれ角８０方向に流れる流路と見た場合、凸部２２において最も狭い幅となり、２つの凸部２２の中間が最も広い幅となる。
なお、本明細書において、溝の幅および曲面の幅は、ねじれ角に対して直交する方向の幅を意味する。

本発明の単軸押出機スクリューの混練部品の加工方法の一例の概念図を図４に示す。図４（ａ）および（ｂ）は、図３（ａ）および（ｂ）に対応するようスクリュー円周方向における混練部品７を平面に展開した概念図、および溝２１のねじれ角８０方向に見た幅の中央を通るよう記載した図３（ａ）に記載する仮想線Ｌ－Ｌ’における断面の概念図に、加工する線を実線で追記している。また、図４（ｂ）は、図３（ｂ）と同様、Ｌ－Ｌ’断面の奥に位置するフライト２０と、フライト２０に伸びる凸部２２も仮想線で図示する。
前記混練部品７は、円柱状のスクリュー母材に対して先端に円弧状のＲ形状の刃を有する切削具により、図４（ａ）に図示するように楕円体形状の長軸３４をねじれ角８０方向に並べ、それぞれの楕円体形状が重なり合うよう切削することで作製される。
具体的には、先端に円弧状のＲ形状の刃を有する切削具を、その刃をねじれ角８０の直交方向と平行となるようセットし、図４（ｂ）に図示するように、ねじれ角８０方向から見て凸部２２の中間の位置が最も深くなる円弧状の切削曲面８１（ａ）となるよう、ねじれ角８０方向に切削具の掘り深さを変化させながらねじれ角８０方向に切削していくことで、前記楕円体形状の長軸３４がねじれ角８０方向に並び、掘り深さの変化に伴い掘る幅も変化するため、図４（ａ）および（ｂ）に図示するような楕円体形状の下部表面の一部を切り取る形状の切削曲面８１（ａ）が形成される。この際、切削具のＲ形状と掘る長さを調整することで図４（ａ）に図示する楕円体の形状の切削を行うことができる。
その後、同様の手順で図４（ａ）および（ｂ）に図示するように、前記楕円が重なる位置から切削を開始し、切削曲面８１（ｂ）も掘り進めることで、各切削曲面８１（ａ）と８１（ｂ）の間にねじれ角８０に直交する稜線として凸部２２が作製される。以下、同様に切削曲面を設けることで、楕円体形状の下部表面の一部を切り取りねじれ角８０に直交する稜線を有する形状の曲面が多数連続して接続する溝２１となり、切削を行わなかった箇所はフライト２０を形成する。

＜第１実施形態における混練部品の作用効果＞
第１実施形態の単軸押出機用スクリューが備える混練部品７の作用効果について、図５を元に、以下に説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）は、図３（ａ）および図３（ｂ）に原料の流れを矢印で図示した図であり、図５（ｃ）は図３（ｃ）に図示した図である。また、図５（ｂ）および図５（ｃ）では、混練部品７の外周に位置するシリンダー２を追記して示し、図５（ｂ）はフライト２０と、フライト２０に伸びる凸部２２も仮想線で図示している。
なお、図５（ａ）はスクリュー円周方向における第１実施形態の混練部品７を平面に展開した図を示し、図５（ｂ）は、図３（ａ）に記載した溝２１のねじれ角８０方向に見た幅の中心を通る位置に記載した仮想線Ｌ－Ｌ’における断面図であり、図５（ｃ）は図３（ａ）にねじれ角８０に対して直交する方向に図示したＭ－Ｍ’断面の概念図である。

スクリュー軸方向の上流９５側から、単軸押出機のシリンダー２とスクリュー３の供給部１１を通り、前記混練部品７に流入した原料は、図５（ａ）の矢印Ａに示すように、シリンダー２と前記混練部品７に形成される溝２１の間の流路を、ねじれ角８０を有するフライト２０に沿って順方向の螺旋方向に流動する。溝を螺旋方向に流動する原料のうち、矢印Ａに示す溝の幅方向からみて中央の原料の流れは、溝の曲面２３の上を通過後、凸部２２の中央２２（ａ）を乗り越え、下流側に隣接する曲面２３に流れる。
前記凸部の中央２２（ａ）は、図５（ｂ）に示すように、フライト２０より低いが、原料の流路が狭くなるよう切り上がりおよび切り下がりの形状となる曲面の間の稜線であるため、図５（ｂ）に記載する凸部前後の原料の流れを示す矢印のように、下流に向かってシリンダー２と曲面２３の底部の間を流れる原料が、凸部の手前の切り上がる曲面上に沿って流動して凸部の中央２２（ａ）とシリンダー２の間の狭い流路へ流れ込む際に、凸部の手前では原料が圧縮されながら撹拌されるために原料が位置交換し、その後、圧縮された原料は凸部２２を超えると直ちに隣接する流路へ開放される。

凸部の下流側に位置する曲面２３は幅方向においても深さ方向においても連続的に変化する曲面であり、曲面とシリンダー間における原料の流路は広がる。このため、凸部２２を超えて隣接する流路に開放された原料の流れは、図５（ａ）において矢印Ａの左右に先端の幅が広がるよう示したハッチング矢印のように、原料の流路の広がりに伴い、原料が幅方向に流速変化を伴い拡散する流れとなり、また、図５（ｂ）に示すように同様に深さ方向への拡散も生じ、効率よく原料を拡散することができる。

また、図５（ａ）に示すように、フライトと溝の曲面が交わる曲線２４は、溝２１の流路の幅が凸部２２周辺では狭く、凸部と下流側の凸部の中間では広くなるよう緩やかな曲線として形成されているため、原料は、図５（ａ）に矢印ＢおよびＢ’を示すように、流路の幅の変化とともに流路方向を変化させた蛇行する流れとなる。前記流れにおける流路幅の変化および流路方向の変化に伴い、平面方向における原料の位置交換がなされる。

さらに、図５（ａ）に示す矢印ＢおよびＢ’の流れのように、フライトと溝の曲面が交わる曲線２４付近を流れる原料が凸部２２に流入する際、図５（ｂ）で示した矢印と同様、原料が凸部にて深さ方向の圧縮および開放を受けて位置交換するが、図５（ｃ）に示すように、円弧を描く凸部２２の断面とフライト２０からなる流路は、フライトと溝の曲面が交わる曲線２４付近の流路の端では、凸部の中央２２（ａ）付近に比べて流路が狭いため圧縮され、図５（ａ）の矢印ＢおよびＢ’を凸部周辺で太く図示したように、圧縮時に溝の幅方向にも原料が広がって位置交換が行われる。

前記混練部品７は、フライト２０の間に渡るよう設けられた凸部２２を何度も通り、そのたびに前記の複雑な位置交換による分配および拡散を行うため、均一に混練され、その結果、混練部を通過した原料は均一となる。
また、ねじれ角８０に沿って螺旋方向に流動する原料が、凸部２２において圧縮および開放される際に溝の幅方向にも広がることで、ゆるやかな圧縮と開放を複数回繰り返して三次元的な原料の位置交換および拡散を行うため、従来のスクリューのような原料の局所的な高いせん断発熱を生じることがなく、最終的に均一な熱可塑性樹脂組成物を得ることができる。

また、ねじれ角８０の方向から見た原料の流路は、いずれも曲面で構成され、さらに曲面２３、フライト２０に対して直交方向に伸びる稜線を有する凸部２２、およびフライトと溝の曲面が交わる曲線２４のいずれも幅方向に左右対称な流路を形成するため、図５（ａ）の矢印ＢおよびＢ’が示す様に原料の流れも左右対称となり、原料が局所的に滞留して発熱することなく流動するため、樹脂温度の上昇を抑制することができる。

［第２実施形態の混練部品を備える単軸押出機用スクリュー］
第２実施形態の単軸押出機用スクリューが備える混練部品７を、スクリュー円周方向における平面に展開した図として図６（ａ）に示す。
図６（ａ）の展開図における、ねじれ角８０方向に図示する仮想線Ｌ－Ｌ’の断面の概念図を図６（ｂ）に、また図６（ａ）の展開図における、ねじれ角８０に対して直交する方向に図示する仮想線Ｍ－Ｍ’の断面の概念図を図６（ｃ）に示す。
なお、 図６（ａ）は一条の螺旋状のフライトである混練部品７を示した展開図であり、図６（ａ）は図の上部と下部が円周方向に接続するものである。
図６（ｂ）は、図６（ａ）に記載する溝２１のねじれ角８０方向に見た幅の中央を通るよう記載した仮想線Ｌ－Ｌ’における断面図であり、フライト２０も仮想線で図示する。また、図６（ｂ）では、フライト２０までの凸部３２も仮想線で図示する。
図６（ｂ）と（ｃ）は、上が押出機のスクリューのシリンダー側の方向であり、下がスクリューの軸に向かう方向にあたり、また、図６（ｂ）と（ｃ）は概念図であって、スクリューの円周方向に展開した図６（ａ）に対応している。
図６（ｃ）は、図６（ａ）の凸部３２（ｂ）とその左右のフライト２０が交わる点に沿うよう記載した仮想線Ｍ－Ｍ’における断面図であり、Ｍ－Ｍ’断面の奥に位置する凸部３２（ｂ）の稜線も示し、また２種類の深さの異なる曲面３３（ａ）、３３（ｂ）も仮想線で図示する。

第２実施形態における混練部品７は、図６（ａ）に示すように、溝２１を構成するそれぞれの曲面３３の幅およびねじれ角方向の長さは同じであるが、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、曲面３３の深さが深い曲面３３（ａ）と浅い曲面３３（ｂ）という２種類の深さの異なる楕円体形状の一部を切り取る形状の曲面を交互に組み合わせた点で、第１実施形態と異なる。
なお、図６（ｂ）では、前記深い曲面３３（ａ）におけるもっとも深い部分を仮想線Ｎで示し、また図６（ｃ）におけるもっとも深い部分を仮想線Ｎ’として示している。

第２実施形態の混練部品７は、前記深い曲面３３（ａ）と、前記浅い曲面３３（ｂ）をねじれ角８０の方向に交互に組み合わせたものであるため、図６（ａ）に図示するように、各曲面の稜線、すなわち凸部３２の形状は、前記深い曲面３３（ａ）から前記浅い曲面３３（ｂ）に向かって凸状となる円弧の形状となる。
一方、第２実施形態における曲面３３は深さが異なるが、いずれの曲面３３とも第１実施形態と同様、長軸をフライトのねじれ角８０方向に配置する楕円体形状の一部を切り取る形状として設け、各曲面は長軸３４が前記螺旋状のフライトのねじれ角８０の方向に並ぶよう多数連続して接続し、各曲面の接続部が凸部３２となるため、図６（ａ）に示すように、ねじれ角８０方向にみて溝２１の幅方向の中央における凸部３２の稜線の接線８２（ａ）および８２（ｂ）は、いずれもねじれ角８０に対して直交する。
また、図６（ａ）および図６（ｃ）に示すように、溝２１における各曲面３３、稜線である凸部３２、およびフライト２０が曲面３３と交わる曲線２４は、第１実施形態と同様、左右対称の形状となり、図６（ｃ）に示すようにねじれ角８０に直交する方向に沿った垂直断面から見た凸部３２の形状はスクリューの軸中心に向かって凸の左右対称な円弧の形状となる。

＜第２実施形態における混練部品の作用効果＞
第２実施形態における混練部品７も、第１実施形態と同様、シリンダーと混練部品の溝の間に設けられる原料の流路において、凸部の手前における原料の圧縮に伴い位置交換し、隣接する凸部の下流側の曲面３３も、幅方向においても深さ方向においても連続的に変化するため、凸部３２を越え隣接する流路に開放された原料は幅方向にも深さ方向にも流速変化を伴い拡散する流れとなり、効率よく原料を拡散することができる。
また、溝のフライトと曲面が交わる曲線２４は、第１実施形態と同様、溝２１の流路の幅が凸部３２周辺では狭く、凸部と隣接する凸部の中間では広くなるよう緩やかな曲線として形成されているため、原料は流路の幅の変化とともに流路方向を変化する蛇行した流れとなるため、前記流れにおける流路幅の変化および流路方向の変化に伴う原料の位置交換がなされるとともに、図６（ｃ）に示す円弧状の凸部３２とフライト２０間の流路は左右が狭い流路となることで三次元的な原料の位置交換が行われる。
第２実施形態の混練部品７は、第１実施形態と同様、ねじれ角８０に沿って螺旋方向に流動する原料が、凸部３２を何度も通り、そのたびに複雑な位置交換による分配および拡散を行うため、均一に混練され、その結果、混練部を通過した原料は均一となるとともに、ゆるやかな圧縮と開放を複数回繰り返して三次元的な原料の位置交換および拡散を行うため、従来のスクリューのような原料の局所的な高いせん断発熱を発生することなく、均一な熱可塑性樹脂組成物を得ることができる。

さらに、第２実施形態における混練部品７は、第１実施形態と異なり、溝２１における各曲面３３（ａ）および３３（ｂ）の深さが異なることで、各凸部３２とシリンダー２間を連続して流れる原料の圧縮および開放、並びに曲面の変化に伴う拡散が連続的に変化し、また凸部３２の稜線形状がねじれ角８０の方向への原料の流れに対して凸状となる向きを連続して変化させるため、ねじれ角８０の方向への流れにおいても原料に複雑な圧縮および開放が与えられて原料の三次元的な位置交換が進み、第１実施形態と比較して、最終的により均一な熱可塑性樹脂組成物を得ることができる。

また、第１実施形態と同様に、ねじれ角８０の方向から見た原料の流路は、いずれも曲面で構成され、さらに曲面３３、溝の幅中央における接線がねじれ角８０と直交する凸部３２、および溝のフライトと曲面が交わる曲線２４のいずれも幅方向に左右対称な流路を形成するため、原料の流れも左右対称となり、原料が局所的に滞留して発熱することなく流動するため、樹脂温度の上昇を抑制することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

本発明のスクリュー３が有する混練部品７におけるフライトの条数は、第１実施形態および第２実施形態に開示するように１条のフライトとしてもよく、混練性および拡散性を向上させる観点から、上流から原料を分岐させて混練部品へ流入させるよう多条の螺旋状のフライトとして各フライトの間に溝を設けたものとしても良い。多条の際の条数は、１２条以下であることが好ましく、１２条以下とすることで、樹脂温度の上昇を抑制しながら、より優れた混練性および拡散性を得ることができる。
また、混練部品のフライトのねじれ角は、２５～８０°とすることが好ましい。２５°以上とすることで混練に必要な原料を螺旋方向に安定して押し出す流動が得られ、８０°以下とすることでフライトにより原料を下流側に効率よく搬送することすることができる。

本発明のスクリュー３が有する混練部品７の溝における曲面は、楕円体形状の一部を切り取る形状の曲面が、前記楕円体形状の長軸をフライトのねじれ角方向に配置することが好ましく、前記長軸を、スクリューを切削する加工精度の範囲でねじれ角方向に配置すればよい。前記形状の曲面とすることで、原料に左右均等な流れが生じ、樹脂温度の上昇を抑制でき、均一な熱可塑性樹脂組成物を得ることができる。

前記溝は、フライト間の溝の幅の最大値が１．０～５０．０ｍｍとなる曲面を設けることが好ましい。１．０ｍｍ以上とすることで螺旋方向への安定した流動が生じることで樹脂温度の上昇を抑制することができ、５０．０ｍｍ以下とすることで、フライトと曲面が交わる曲線における流動変化に伴う位置交換および凸部における圧縮および開放の効果による優れた混練性および拡散性を得ることができる。
また、前記溝におけるフライトに渡って設けられる凸部の幅が溝の幅の最小値となるが、前記幅の最大値と幅の最小値との比は、１．１～３．０とすることが好ましい。１．１以上とすることで、樹脂温度の上昇を抑えることができ、また３．０以下とすることでフライトと曲面が交わる曲線に沿った流動変化および幅の変化に伴う位置交換および凸部による混練および拡散を得ることができる。

溝に設ける各曲面の深さは第１実施形態のように全て同じ深さでもよく、混練性と拡散性を高めるよう第２実施形態のように２種類の異なる深さの曲面を組み合わせて接続したものを連続して配置したものでも良いが、樹脂温度を上昇させない範囲でさらに任意の組み合わせとすることもできる。
また、前記曲面は、第１実施形態および第２実施形態に示すように、曲面におけるねじれ角に直交する幅が同じである曲面を接続することが好ましいが、上記の溝の最大幅の範囲で、１：１～１：３の範囲で幅を変えた曲面を組み合わせても良い。

前記溝におけるもっとも深い部分は、第１実施形態および第２実施形態に示すように、原料の圧縮および開放を伴う安定した流動を生じる観点から、ねじれ角方向から見て凸部と凸部の中間の位置が最も深くなる曲面となることが好ましいが、図４(a)にて図示した加工例における楕円の形状の切削位置を調整して、１つの曲面内における（ねじれ角方向の上流側凸部から溝の最深部までの距離）：（溝の最深部から下流側の凸部までの距離）の比が、１：１０～１：１の範囲となるよう調整しても良い。前記の比とすることで、原料を効率よく拡散できるとともに、溝の最深部から下流側の凸部に渡って原料を効率よく圧縮できるため凸部における原料の位置交換による分配も効率よく行うことができる。

前記溝の曲面は、６～１５０個の曲面を連続して接続することで、流動する原料が、ゆるやかに圧縮と開放を複数回繰り返して三次元的な原料の位置交換を行ないながら混練されるため、樹脂温度の上昇を抑制し、均一な混練物を得ることが出来る。

本発明のスクリュー３が有する混練部品７における凸部は、前記曲面の接続部に設けられるが、ねじれ角方向における凸部から隣接する凸部への長さは、１０～１００ｍｍであることが好ましい。１０ｍｍ以上の長さとすることで、流路での局所的なせん断発熱を抑え、焼けのない熱可塑性樹脂組成物を得ることができるとともに、樹脂温度の上昇を抑えることができ、１００ｍｍ以下の長さとすることで、凸部を通過して開放された原料が、隣接する下流側の凸部へ行くまでの曲面とシリンダー間の流路で十分に混練および拡散され、均一な熱可塑性樹脂組成物を得ることが出来る。

前記凸部の断面形状は、第１実施形態の図３（ｃ）および第２実施形態の図６（ｃ）に開示するように、下に凸の左右対称な円弧であるが、前記凸部の円弧における下面の高さは、混練部品に設ける曲面の溝の最も深い部分を基準として、前記溝の最も深い部分からのフライトの高さに対する、前記溝の最も深い部分から凸部の円弧における下面までの高さが、０．１～０．９倍の高さになることが好ましい。０．１倍以上となる凸部の円弧における下面までの高さとすることで、凸部とシリンダーの間の流路において原料が十分に圧縮および開放されて混練および拡散するため、均一な熱可塑性樹脂組成物を得ることができ、０．９倍以下となる凸部の円弧における下面までの高さとすることで、前記流路でのせん断発熱を抑え、樹脂焼けのない熱可塑性樹脂組成物を得ることができるとともに、樹脂温度の上昇を抑えることができる。

前記フライトの高さは、単軸押出機のシリンダーとスクリューの口径や、求める樹脂の吐出量により任意に設定できるが、フライトの径がシリンダー口径に対して－０．５～－０．１ｍｍ程度とする事が好ましい。

本発明のスクリュー３は、スクリューの混練部に開示した混練部品を有すればよい。前記混練部の上流側および下流側におけるスクリューパーツは、フルフライトのような原料を混練部に安定して流動させるパーツでもよく、その前後に本発明の効果を損なわない範囲で、その他の混練部品を有してもよい。

本発明の単軸押出機１は、本発明の単軸押出機用スクリューを有する単軸押出機であればよい。単軸押出機の回転動力によるスクリューの回転方向は、スクリューにおける混練部品のフライトが有する螺旋の順方向が右周りであれば右周りで回転させ、螺旋の順方向が左周りであれば左周りで回転させる。
また、本発明の単軸押出機は、図１に図示すように、円筒状のシリンダーを備え、上流側のホッパー４とシリンダー２とを連通する垂直な孔を設けたものであればよいが、別途、図１に図示するように、原料中のガスの脱気や水分の除去のために真空ベント９２を設けるよう、さらにシリンダー２に連通する垂直の孔を設けてもよい。
前記円筒状のシリンダーの断面形状は、混練部品の溝内の原料に一定方向の流動を与えて局所的なせん断発熱を伴うことなく混練性および拡散性を高める点から円状が好ましいが、任意に多角形としても良い。また、混練部１２における前記シリンダー２の内壁は平滑であることが好ましいが、任意に溝形状を設けても良い。

本発明の単軸押出機用スクリュー３および単軸押出機１は、前記構成とすることで、熱可塑性樹脂組成物の混練押出を行った際、原料の局所的な温度上昇を抑えて樹脂温度を抑制するとともに、混練性および分配、拡散性に優れたスクリュー及び単軸押出機を提供することができる。
特に、本発明のスクリュー３および単軸押出機１は、徐々に圧縮および開放を加えて混練し、混練した熱可塑性樹脂組成物を分配および拡散させて均一とする機構であるため、複数の材料を混練して拡散し、熱可塑性樹脂とする用途においても、好適な混練を行うことができ、また局所的な温度上昇を生じないため、例えば界面活性剤のような添加剤を顔料および樹脂とともに好適に混練することができる。
また、本発明の単軸押出機１は、高吐出量の混練を行う目的で、高回転数のスクリュー回転数で混練を行った際も、前記混練部品の構造により、原料の発熱を抑えた好適な混練を行うことができる。

１ 単軸押出機
２ シリンダー
３ スクリュー
４ ホッパー
５ スクリューフライト
６ スクリュー溝
７ 混練部品
８ ヒーター
９ モーターおよび減速機
１０ ダイス
１１ 供給部
１２ 混練部
１３ 計量部
２０ フライト
２１ 溝
２２ 凸部
２３ 曲面
２４ フライトと曲面が交わる曲線
３２ 凸部
３３ 曲面
３４ 長軸
８０ ねじれ角
８１ 切削曲面
８２ 稜線の接線
９１ スクリュー接続部
９２ 真空ベント
９４ スクリュー軸方向の下流
９５ スクリュー軸方向の上流

Claims (3)

1. 混練部に混練部品を備えた単軸押出機に使用されるスクリューであって、
   前記混練部品が螺旋状のフライトと、溝と、前記溝内に設ける複数の凸部を備え、
   前記溝は、楕円体形状の一部を切り取る形状の曲面が、前記楕円体形状の長軸を前記フライトのねじれ角方向に配置して、多数連続して接続する形状をなし、
   前記溝内には、前記溝の曲面の間の接続部の稜線として形成する凸部を複数設け、
   前記凸部は、隣り合う前記フライトの間に渡って形成される円弧状の稜線であって、
   前記凸部の稜線は、前記フライトより低い高さを有し、
   前記スクリューの円周方向における前記混練部品を平面に展開した図において、前記フライトと前記溝の曲面が交わる曲線は、前記フライト側に凹む円弧が連続して接続する形状である
   ことを特徴とする単軸押出機用スクリュー。
   
2. 請求項１記載の凸部の稜線が、
   ねじれ角の直交方向に伸びるよう前記フライトの間に渡って形成される稜線
   または前記溝の幅方向中央における前記稜線の接線がねじれ角に直交する稜線である
   ことを特徴とする単軸押出機用スクリュー。
   
3. 請求項１または２に記載される単軸押出機用スクリューを備える単軸押出機。