KR102000491B1

KR102000491B1 - 압출기 스크루 요소

Info

Publication number: KR102000491B1
Application number: KR1020177008401A
Authority: KR
Inventors: 티모씨 마조카; 앤드류 후드슨; 미첼 브릭키
Original assignee: 미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.; 꽁빠니 제네날 드 에따블리세망 미쉘린
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: US10272608B2; US20170246787A1; WO2016053240A1; CN106715079A; EP3200965B1; KR20170043659A; CN106715079B; EP3200965A1

Abstract

압출 기계를 위한 스크루 요소(100)가 제공된다. 스크루 요소(100)는 제1 섹션(200) 및 제2 섹션을 포함한다. 제1 섹션(200)은 스플라인(216)들을 따라서 서로 연결되는 복수의 파세트(214)를 구비한 제1 코어(212)를 가진다. 파세트(214)들과 스플라인(216)들은 스크루 요소(100)를 따라서 길이 방향으로 연장된다. 파세트(214)들과 스플라인(216)들은 나선형으로 형상화된다. 제1 코어(212)는 물질의 유동 방향을 따라서 연속적인 방식으로 직경이 증가한다. 제1 및 제2 섹션(200, 300)은 스크루 요소(100)의 길이 방향 축 주위를 감싸는 하나 이상의 나선 형상 플라이트(218, 219)를 포함한다.

Description

압출기 스크루 요소{EXTRUDER SCREW ELEMENT}

본 발명의 요지는 일반적으로 압출 기계(extrusion machine)의 스크루 요소에 관한 것이다.

압출 기계 또는 압출기는 전형적으로 원통형 슬리브 또는 배럴 내에 수용된 스크루 요소를 포함한다. 스크루 요소는 요소의 길이를 따라서 배열된 하나 이상의 플라이트(flight) 또는 나사를 포함한다. 스크루 요소는 슬리브 내에서 회전되면서, 예를 들어 하나 이상의 고무 또는 플라스틱과 같은 물질이 슬리브의 한쪽 단부로 공급된다. 스크루 요소의 회전은 슬리브를 통하여 물질을 미는 동안 물질을 분쇄하고(masticate) 가열한다. 압출기의 출구에 위치된 다이 플레이트는 스크루 요소의 회전에 의해 생성된 상당한 압력으로 인하여 물질이 다이 플레이트에 있는 하나 이상의 개구를 통과함에 따라서 물질에 특정 형상을 부과하도록 사용될 수 있다.

예를 들어, 타이어 제조를 위한 현대적인 공정에서, 압출기는 타이어의 트레드 부분을 위한 고무의 층을 생성하도록 사용될 수 있다. 고무의 층은 통상적으로 압출기 내로 공급된 물질의 복합 혼합물로부터 생성되며, 물질들은 다양한 탄성중합체, 수지, 카본 블랙 필러(carbon black filler), 비카본 블랙 필러, 및/또는 다른 물질들을 포함할 수 있다. 압출기는 트레드로서 사용하기 위하여 열과 압력 하에서 물질을 처리하도록 기능하는 한편, 다이 플레이트는 압출된 트레드 부분에 필요한 프로파일을 제공한다.

압출기 스크루를 위한 하나의 종래의 구성은 원통형 코어 또는 스크루 루트(screw root)를 따라서 균일하게 이격된 하나 이상의 플라이트를 포함할 수 있다. 일정하거나 또는 가변적인 피치는 플라이트들 사이에서 유지되고, 코어는 그 길이를 따라서 원형 프로파일의 일정하거나 또는 가변적인 직경을 유지한다. 압출기 스크루가 수용되는 원통형 슬리브는 특색이 없을 수 있거나 또는 하나 이상의 세로홈(flute)을 포함할 수 있다.

불행하게, 이러한 종래의 압출기 스크루 구성은 필요한 물질의 유량 또는 처리 속도에서 현대의 고무 배합물에 바람직한 처리 레벨을 제공하지 못한다. 물질이 경제적인 제조에 필요한 처리 속도로 전형적인 압출 다이에 의해 적절하게 형상화되는 것을 가능하게 하는 방식으로, 압출기 내에서 일부 고무 배합을 적절하게 분쇄하고 가열하고 유동시키는데 있어서 어려움이 마주칠 수 있다. 대신에, 예를 들어, 전체적인 처리 속도는 전형적으로 요구되는 열의 양, 균질화 및 분쇄를 얻기 위하여 상당히 느려져야만 한다. 낮은 처리 속도는 생산 공정을 늦추고, 이에 의해 비용을 증가시킴에 따라서 바람직하지 않다.

따라서, 개선된 수행 능력을 가지는 압출기가 유용할 것이다. 특히, 물질의 수용 가능한 처리 속도에서 원하는 수준의 물질 처리를 제공할 수 있는 압출기 스크루가 유용할 것이다. 현대의 고무 배합물로 수행할 수 있는 이러한 압출기 스크루가 또한 특히 유용할 것이다.

본 발명은 압출 기계, 특히 압출 기계에서 사용되는 스크루 요소에 관한 것이다. 스크루 요소는 제1 섹션 및 제2 섹션을 포함한다. 제1 섹션은 스플라인(spline)들을 따라서 서로 연결된 복수의 파세트(facet)를 갖는 제1 코어를 가진다. 파세트들과 스플라인들은 스크루 요소를 따라서 길이 방향으로 연장된다. 파세트들과 스플라인들은 나선형으로 형상화될 수 있다. 제1 코어는 물질의 유동 방향을 따라서 직경이 증가한다. 제1 및 제2 섹션들은 스크루 요소의 길이 방향 축 주위를 감싸는 하나 이상의 나선 형상 플라이트를 포함한다.

파세트들과 스플라인들은 제1 섹션을 위한 다각형 단면 형상을 제공하며, 이러한 것은 스크루 요소의 회전 동안 압출 기계에 의해 처리되는 물질의 신속하고 연속적인 일련의 압축 및 감압 사이클들을 생성한다. 그리하여, 본 발명은 특정의 종래의 압출 기계와 비교하여 보다 높은 처리 속도로, 물질의 가열, 균질화, 및 분쇄를 포함하는 바람직한 레벨의 처리를 유익하게 제공할 수 있는 압출기 스크루를 제공한다. 또한, 이러한 유익한 공정은 전체 기계를 당업자에게 공지된 고비용의 대안적인 압출 기술로 대체하는 것보다는 기존의 압출 기계를 본 발명의 스크류 요소로 개조하는 것에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 추가의 목적 및 이점은 다음의 설명에서 부분적으로 설명되거나, 설명으로부터 자명해질 수 있거나, 또는 본 발명의 실시를 통해 학습될 수 있다.

하나의 예시적인 실시예에서, 본 발명은 스크루 요소를 포함하는 압출 기계를 제공한다. 스크루 요소는 길이 방향, 원주 방향, 및 반경 방향을 한정하며, 길이 방향은 스크루 요소의 축방향 길이를 따라서 한정된다. 스크루 요소는 길이 방향을 따라서 순차적으로 위치된 제1 섹션 및 제2 섹션을 포함한다.

제1 섹션은 원주 방향을 따라서 각각에 인접하여 위치된 복수의 파세트를 가지는 제1 코어를 포함한다. 각각의 파세트는 제1 섹션에 걸쳐서 길이 방향으로 연장된다. 각각의 파세트는 제1 섹션에 걸쳐서 길이 방향으로 연장되는 스플라인들을 따라서 인접한 파세트에 연결된다. 제1 코어는 제2 섹션을 향하여 길이 방향을 따라서 연속으로 증가하는 직경을 가진다.

제1 나선 형상 플라이트는 스크루 요소의 제1 코어 주위를 감싼다. 제1 나선 형상 플라이트는 제1 섹션에 걸쳐서 길이 방향으로 연장되고, 복수의 파세트의 외측을 향해 반경 방향으로 돌출된다.

제2 섹션은, 길이 방향을 따라서 연장되고 원통 형상 표면을 가지는 제2 코어를 포함한다. 제2 나선 형상 스크루 플라이트는 스크루 요소의 제2 코어 주위를 감싼다. 제2 나선 형상 플라이트는 제2 섹션에 걸쳐서 길이 방향으로 연장되고 제2 코어로부터 외측을 향해 반경 방향으로 돌출된다.

본 발명의 이들 및 다른 특징부, 양태 및 이점은 다음의 설명 및 첨부된 청구항들을 참조하면 더욱 잘 이해될 것이다. 첨부된 도면은 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 실시예를 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

당업자에게 안내되는, 본 발명의 최상의 모드를 포함하는 본 발명의 완전하고 가능한 개시는 첨부된 도면을 참조하여 이루어진 명세서에서 설명된다:
도 1은 본 발명의 스크루 요소 또는 압출기 스크루의 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 예시적인 스크루 요소의 분해도이다.
도 3은 예시적인 제1 섹션을 포함하는 도 1의 예시적인 스크루 요소의 일부의 측면도이다.
도 4는 예시적인 제2 섹션을 포함하는 도 1의 예시적인 스크루 요소의 일부의 측면도이다.
도 5는 도 1의 예시적인 스크루 요소의 예시적인 출구 원뿔(exit cone)의 측면도이다.
도 6은 도 1 및 도 3에서 도시된 예시적인 제1 섹션의 클로즈업 도면(close-up view)이다.
도 7은 도 2의 선 7-7을 따라서 취한 예시적인 제1 섹션의 단면도이다.

본 발명을 설명하는 목적을 위하여, 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명이 지금 참조되며, 실시예들의 하나 이상의 예가 도면에 도시되어 있다. 각각의 예는 본 발명의 설명을 통해 제공되며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어남이 없이 본 발명에 다양한 변경 및 변형이 만들어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 한 실시예의 부분으로서 도시되거나 설명된 특징은 여전히 추가의 실시예를 산출하도록 다른 실시예와 함께 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명이 첨부된 청구항들 및 그 등가물의 범위 내에 있는 것으로서 이러한 변경 및 변형을 커버하는 것이 의도된다.

도 1은 압출 기계의 예시적인 스크루 요소(100)의 사시도를 제공하는 반면에, 도 2는 그 분해도를 제공한다. 스크루 요소(100)는 길이 방향(L)과, 길이 방향(L)에 직교하는 반경 방향(R)을 한정한다. 스크루 요소(100)는 또한 길이 방향 축(A-A)을 둘러싸는 원주 방향(C)을 한정하며, 스크루 요소(100)는 사용 동안 길이 방향 축을 중심으로 회전한다. 특히, 스크루 요소(100)는 압출 기계의 압출기 배럴 또는 실린더(도시되지 않음) 내에서 축(A-A)을 중심으로 회전된다. 스크루 요소(100)의 회전은 길이 방향(L) 및 길이 방향 축(A-A)에 평행한 화살표(F)의 방향으로 물질의 전체적인 움직임을 유발한다.

스크루 요소(100)는 제1 섹션(200) 및 제2 섹션(300)을 포함한다. 요소(100)를 따라서 물질의 전체적인 유동을 나타내는 압출 공정 방향(F)이라는 면에서, 제1 섹션(200) 및 제2 섹션(300)은 제2 섹션(300)이 제1 섹션(200)에 순차적으로 이어지는(또는 예를 들어 그 하류에) 것으로 서로 인접하여 위치된다. 섹션(200 및 300)들은 인-피드 단부(in-feed end)(102)와 아웃-피드 단부(out-feed end)(104) 사이에 위치된다. 스크루 요소(100)에 의해 처리되는 물질은 인-피드 단부(102) 가까이에서 도입되고, 스크루 요소(100)에 의한 처리 후에, 물질은 아웃-피드 단부(104) 가까이에서 배출된다.

이러한 예시적인 실시예에 대하여, 스크루 요소(100)는, 스핀들(114) 상으로 제2 섹션(300)을 슬라이딩시키고 슬롯(116)들에 수용된 키(118)들에 의해 적소에서 이를 고정하는 것에 의해 조립될 수 있다. 스크루 요소(100)는 스크루 요소(100)를 회전시키기 위한 모터 또는 구동축과의 연결을 위한 노치(108)들을 구비한 연결 허브(106)를 포함한다. 아웃-피드 단부(104)는 절두형 원뿔면(frustoconical surface)(112)을 구비한 출구 원뿔(110)을 포함한다. 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 출구 원뿔(110)은 아웃-피드 단부(104) 가까이에서 스핀들(114)에 있는 개구(122) 내로 짝맞춤으로(matingly) 수용되는, 나사부(120)를 구비한 보스(124)를 포함한다. 보스(124) 상의 그루브(126)들은 스크루와 주위의 배럴 슬리브 사이의 공간에 형성된 압출 공정 체적 내로 스크루 요소(100)의 내부 챔버(128)(도 3)로부터 밖으로 냉각수의 이동을 방지하도록 O-링들과 같은 씰들을 수용한다.

본 발명은 도 2에 도시된 바와 같은 스크루 요소(100)를 위한 다편(multi-piece) 디자인으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 스크루 요소(100)는 모든 섹션뿐만 아니라 출구 원뿔을 포함하는 단일편 또는 요소로 구성될 수 있다. 다른 구성이 마찬가지로 사용될 수 있다.

이제 도 3에 제공된 측면도를 참조하면, 유동 방향(F)을 따라서, 제1 섹션(200)은 예비 코어 섹션(202), 파세트된 제1 코어 섹션(204), 및 스페이서 코어 섹션(206)을 연속하여 포함한다. 섹션(202, 204 및 206)들은 각각 길이 방향(L)을 따라서 연장되고, 길이 방향(L)을 따라서 서로 인접하여 위치된다. 또한, 스크루 요소는 제1 섹션과 제2 섹션으로 이루어진, 길이 방향을 따르는 길이(length)를 한정하며, 예비 코어와 제1 코어는 스크루 요소의 길이의 2/3인 전체 길이를 가진다.

물질의 전체적인 유동 방향(F)이라는 면에서, 예비 코어 섹션(202)은 제1 코어 섹션(204)에 선행한다. 예비 코어 섹션(202)은 절두형 원뿔면(210)을 가지는 예비 코어(208)를 포함한다. 예비 코어(208)의 직경(D₁)은 제1 코어 섹션(204)을 향하여 유동 방향(F)으로 감소한다.

다음에, 제1 코어 섹션(204)은 복수의 파세트(214)를 가지는 제1 코어(212)를 포함한다. 도 1, 도 2, 및 도 3에 도시된 바와 같이, 파세트(214)들은 원주 방향(C) 주위에서 서로 인접하여 위치된다(도 1에서 확인됨). 각각의 파세트(214)는 또한 길이 방향(L)을 따라서 연장되는 스플라인(216)들을 따라서 인접한 파세트(214)들에 연결된다. 이러한 예시적인 실시예에 대하여, 각각의 파세트(214) 및 스플라인(216)은 길이 방향(L)을 따라서 제1 섹션(200)의 전체 길이의 절반 이상을 제공하는 길이에 대해 길이 방향(L)을 따라서 연장된다.

도 7은 도 2의 선 7-7을 따라서 취한 스크루 요소(100)의 개략 단면도를 제공한다. 추가의 명료성의 목적을 위하여, 나선 형상 스크루 플라이트(218 및 219)들은 도시되지 않았다. 도 7에 도시된 바와 같이, 스크루 요소(100)의 단면 형상(길이 방향에 직교하는 단면을 따라서 보았을 때)은 다각형이다. 비록 파세트(214)들로 형성된 6개의 평탄 측면(214)을 가지는 다각형으로부터 형성되는 것으로 도 7에 도시되었을지라도, 다른 다각형이 마찬가지로 사용될 수 있다. 예를 들어, 파세트(214)들에 의해 형성된 5, 6, 7, 또는 8개의 측면(214)을 가지는 다각형들이 사용될 수 있으며, 스크루 요소(100)에 의해 제공된 처리를 최적화하는 것으로 믿어진다. 5개 미만의 측면으로, 제1 섹션의 기계적 강도는 불충분할 수 있는 한편, 8개 이상의 측면은 파세트들의 맥동 효과(pulsating effect)를 받아들이기 어렵게 감소시킬 수 있다.

도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제1 코어(212)는 물질이 방향(F)을 따라서 유동함에 따라서 물질의 증가된 압축을 제공하도록 길이 방향(L)을 따라서 연속적인 방식으로 증가하는 직경(D₂)을 가진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "연속적인"은 직경(D₂)이 길이 방향(L)을 따라서 변하지만 직경에서 급격하거나 또는 계단식 변화가 없는 것을 의미한다. 직경(D₂)은 코어(212)의 직경을 나타내며, 플라이트들을 포함하지 않는다. "압축비"를 사용하여 정량화될 수 있는 증가량은 제1 섹션(200)에 의한 고무 압축의 정도의 선택적인 제어를 본 발명이 유익하게 제공하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, 증가하는 직경(D₂)은 약 18% 내지 25%의 범위에 있는 압축비를 갖는 파세트된 제1 코어 섹션(204)을 제공한다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 증가하는 직경(D₂)은 약 22%의 압축비를 갖는 파세트된 제1 코어 섹션(204)을 제공한다. 다른 압축비는 예를 들어 압출된 물질의 유사성(identity) 및 바림직한 처리의 레벨에 의존하여 마찬가지로 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 압축비는 길이 방향(L)을 따라서 직경(D₂)에 있어서 백분율이 증가하는 것을 의미하고, 이는 본 발명의 기술분야에서 널리 공지된 다음의 방정식으로부터 계산될 수 있다:

방정식 1:

압축비 = 제2 섹션(300)의 채널 체적 ÷ 제1 섹션(200)의 채널 체적

여기에서,

제2 섹션(300)의 채널 체적 = 섹션(300)에서 코어(306), 플라이트(306)들, 플라이트(307)들, 플라이트(308)들, 및 압출기 쉘 사이에 봉입된 체적

제1 섹션(200)의 채널 체적 = 섹션(200)에서 코어(214), 플라이트(218)들, 플라이트(219)들 및 압출기 쉘 사이에 봉입된 체적

도 3을 계속 참조하면, 제1 섹션(200)은 유동 방향(F)을 따라서 파세트된 제1 코어 섹션(204)을 따르는 스페이서 코어 섹션(206)을 포함할 수 있다. 스페이서 코어 섹션(206)은 절두형 원뿔면(222)을 가지는 스페이서 코어(220)를 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에 대하여, 스페이서 코어(220)의 직경(D₃)은 제2 섹션(300)을 향하여 유동 방향(F)으로 감소한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예들에서, 스페이서 코어 섹션(206) 및/또는 예비 코어 섹션(202)은 본 발명의 개선된 성능 특성을 얻도록 반드시 필요하지 않음에 따라서 포함되지 않을 수 있다. 그러나, 스페이서 코어 섹션(206) 및/또는 예비 코어 섹션(202)은 기존의 압출 기계를 본 발명의 예시적인 스크류 요소로 개조하는데 유용할 수 있다.

제1 섹션(200)은 제1 코어(212)와 스크루 요소(100)의 길이 방향 축(L) 주위를 감싸는 제1 나선형 스크루 플라이트(218)를 또한 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에 대하여, 플라이트(218)는, 예비 코어 섹션(202), 파세트된 제1 코어 섹션(204), 및 스페이서 코어 섹션(206)을 포함하는 제1 섹션(200)의 전체에 걸쳐서 길이 방향으로 연장된다. 플라이트(218)는 도시된 바와 같이 나선 형상을 형성하고, 복수의 파세트(214)로부터 반경 방향(R)을 따라서 외측을 향해 연장된다. 그리하여, 플라이트(218), 코어(212), 및 주변 압출 배럴(도시되지 않음) 사이에 봉입된 공간은 스크루 요소(100)를 따라서 압출 기계를 통한 물질의 움직임을 조성하기 위한 경로 또는 채널을 생성한다. 요구되지 않을지라도, 제1 섹션(200)은, 또한 제1 코어(212) 주위를 감싸고 스크루 요소(100)의 길이 방향 축(L)을 따라서 연장되는 보충 제1 나선 형상 플라이트(219)를 또한 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에 대하여, 플라이트(218 및 219)들의 부분들은 제1 섹션(200)의 길이에 걸쳐서 서로 평행하다.

제1 섹션(200)에 있는 스플라인(216)들은 종래의 원형 코어와 비교하여 제1 코어(212)를 위한 추가의 구조적 보강(특히 비틀림 강도)을 제공한다. 추가적으로, 스플라인(216)들은 플라이트(218 및 219)들에 추가의 기계적 지지를 제공한다. 이러한 것은 냉공급(cold-fed) 고무 압출기들에서, 플라이트들이 피로 파괴의 위험이 있기 때문에 원형 코어를 가지는 종래의 스크루 디자인 이상의 이점이 있다.

도 4는 스크루 요소(100)의 제2 섹션(300)의 측면도를 제공한다. 제2 섹션(300)은, 길이 방향(L)을 따라서 연장되고 원통 형상 표면(304)을 가지는 제2 코어(302)를 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에 대하여, 제2 코어(302)는, 길이 방향 축(A-A)을 따라서 코어(302)의 길이에 걸쳐서 실질적으로 균일한 직경(D₄)을 가진다. 예를 통하여, 섹션(300)의 길이는 특정 실시예들에 대하여 공칭 스크루 직경(nominal screw diameter)(D₅)의 크기의 적어도 2배이다.

제2 나선 형상 플라이트(306)는 제2 코어(302)와 길이 방향 축(A-A) 주위를 감싸고, 제2 섹션(300)에 걸쳐서 길이 방향으로 연장된다. 플라이트(306)는 제2 코어(302)로부터 외측을 향해 반경 방향으로 연장된다. 제2 나선 형상 플라이트(306)들은 도 1에 도시된 바와 같이 길이 방향(L)을 따라서 플라이트(218 및 219)들과 다른 피치를 가질 수 있다.

도면에 도시된 예시적인 실시예에 대하여, 플라이트(218 및 300)들은 제1 섹션(200) 및 제2 섹션(300)의 이산 요소(discrete element)들이다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 제1 나선 형상 플라이트(218) 및 제2 나선 형상 플라이트(306)는 연속적인 플라이트를 형성하도록 길이 방향(L)을 따라서 제1 섹션(200)과 제2 섹션(300)의 길이에 걸쳐서 연결되거나 또는 일체로 형성된다.

섹션(200)과 유사하게, 제2 섹션(300)은, 제2 코어(302) 및 길이 방향 축(A-A)을 감싸고 제2 섹션(300)에 걸쳐서 길이 방향으로 연장되는 보충 제2 나선 형상 플라이트(307)를 또한 포함할 수 있다. 보충 플라이트(306)는 제2 코어(302)로부터 외측을 향해 반경 방향으로 연장된다. 이러한 예시적인 실시예에 대하여, 플라이트(306 및 307)들의 부분들은 제2 섹션(300)의 길이에 걸쳐서 서로 평행하다.

이러한 예시적인 실시예에 대하여, 제2 섹션(300)은 제3 나선 형상 플라이트(308)를 또한 포함한다. 플라이트(306 및 307)들과 마찬가지로, 제3 나선 형상 플라이트(308)들은 제2 코어(302) 및 길이 방향 축(A-A) 주위를 감싸고 길이 방향(L)을 따라서 연장된다. 플라이트(308)는 플라이트(306 및 307)들에 의해 세그먼트들로 분할되고, 길이 방향(L)을 따라서 플라이트(306 및 307)들 사이에 위치된다. 플라이트(306 및 307)들과 비교하여, 플라이트(308)는 반경 방향(R)을 따라서 높이에서 약간의 차이를 가진다. 특히, 플라이트(306 및 307)들은 더욱 크며, 즉, 제3 나선 형상 플라이트(308)보다 반경 방향(R)을 따라서 더욱 외측을 향해 연장된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 플라이트(306 및 308)들은 약 0.5㎜ 내지 3㎜의 범위에서 반경 방향(R)을 따라서 높이에서 차이를 가진다.

이제, 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 종래의 디바이스에 비해 추가의 이점을 제공하며, 그 중 일부가 예시적인 압출기 스크루(100)를 참조하여 더욱 설명될 수 있다. 예를 들어, 상기된 바와 같이, 파세트된 제1 코어 섹션(204)은 종래의 압출기 스크루의 둥글거나 또는 원형 단면이 없다. 대신에, 파세트(214)들에 의해 생성되고 스플라인(216)에 결합된 다각형 형상은 스크류가 고정 배럴에 대해 회전함에 따라서 전단 운동으로 주변 배럴(도시되지 않음)의 벽을 향해 처리 물질을 강요한다. 그러므로, 처리 물질의 분쇄는 맥동 방식으로 일어나며, 맥동 방식은 파세트로부터 인접한 하나의 파세트(214)로의 다각형 형상의 각각의 스플라인(216)이 고정 배럴에 대하여 회전함에 따라서 스크류 플라이트들과 배럴 사이의 개방 체적의 급속한 압축 및 감압으로서 설명될 수 있다.

고무 물질에 대하여, 이러한 맥동 여압(pulsating pressurization) 및 전단 경험은 물질의 바람직한 분자 사슬 절단(molecular chain scission)을 제공한다. 전형적으로, 높은 압축은 물질을 과열할 위험 때문에 압출기 스크루의 인-피드 단부 가까이에서 바람직하지 않다. 이러한 물질이 예를 들어 고무 배합물인 경우에, 이러한 과열은 경화로서 당업자에게 공지된 조기 열 유도 화학제 가교(premature thermally induced chemical cross-linking)로 이어질 수 있다. 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이 맥동 방식으로 높은 압축을 수행하는 것에 의해, 고무 물질은 급격한 전단 및 절단 후에, 급속한 감압을 겪으며, 이러한 것은 고무 물질이 완화되어 열을 소산시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 열 소산은 고무의 조기 경화를 피하는 데 유익한 한편, 압출 기계의 증가된 유량 또는 처리량을 가능하게 한다. 추가적으로, 임의의 특정 이론에 구속되기를 원하지 않지만, 제2 섹션(300)을 통해 유동하는 고무 물질의 능력이 제1 코어(212)를 위한 파세트 디자인을 사용하여 제1 섹션(200)에서 일어나는 맥동 분쇄 거동(pulsing mastication behavior)에 의해 상당히 개선되는 것으로 믿어진다.

도면들에 도시된 예시적인 실시예에서, 파세트(214)들 및 스플라인(216)들은 스크루 요소(100)의 길이 방향(L)을 따라서 나선형으로 형상화된다. 대안적으로, 제1 코어 섹션(204)은 길이 방향 축(A-A)을 따르는 나선형 비틀림을 포함한다. 본 발명의 다른 이점에서, 비틀림의 양(즉, 길이 방향(L)에 대한 스플라인(216)들의 각도)은 물질이 플라이트(218)들을 따라서 구동됨에 따라서 길이 방향(L)을 따르는 물질의 유동 방향(F)을 선택적으로 촉진하거나 또는 지연시키도록 사용될 수 있다.

이제 도 6을 참조하면, 각도(α)는 길이 방향 축(A-A)에 대한 스파인(216)의 각도를 나타낸다. 각도(α)가 도 6에 도시된 바와 같이 0 내지 +90°의 양의 수인 경우에, 제1 코어(212)의 다각형 형상은 압출 공정 방향(F)으로 유동을 촉진하는 플라이트(218)에 대한 물질의 분쇄 동안, 플라이트(218)가 물질의 전진 유동(forward flow)을 지연시키는 것을 도울 것이다. 반대로, 각도(α)가 0 내지 -90°의 음의 수인 경우에, 제 1 코어(212)의 다각형 형상은 플라이트(218)들에 의해 생성된 유동 거동을 보충하는 압출 공정 방향(F)으로의 물질의 전진 움직임을 촉진할 것이다.

따라서, 각도(α)는 상기 디자인의 압출기 스크루 요소(100)가 특정 유동학을 갖는 고무 혼합물과 같은 특정 물질에 대해 조정되는 것을 가능하게 한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 각도(α)는 0° 내지 +25° 범위에 있는 값을 가지거나, 또는 다른 예시적인 실시예에서, 각도(α)는 약 ±15°이다. 다른 예시적인 실시예에서, 각도(α)는 0° 내지 -25°범위에 있는 값을 가지거나, 또는 다른 예시적인 실시예에서 각도(α)는 약 -15°이다.

계속 도 6을 참조하면, 플라이트(218)의 반경 방향 최외측 가장자리를 따르는 임의의 지점(M)에 대해, 각도(θ)는 지점(M)에서 스크루 플라이트(218)에 대한 접선과 지점(M)에서 길이 방향(L) 또는 축(A-A)에 대한 법선인 평면(P) 사이의 각도를 나타낸다. 당업자에게 나선 각도로서 공지된 각도(θ)는 제1 섹션(200)을 통한 물질 처리 및 처리 속도의 레벨을 제어하기 위한 또 다른 변수를 제공한다. 하나의 특정 실시예에서, 각도(θ)는 55° 내지 65° 범위에 있는 값을 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 각도(θ)는 약 60°의 값을 가진다.

본 발명의 또 다른 이점은 전체 기계를 교체하는 것보다 기존의 압출 기계를 개조하기 위해 용이하게 사용될 수 있다는 것이다. 특히, 성능 개선은 종래의 스크루 요소를 본 명세서에서 설명되고 청구된 본 발명의 스크루 요소로 대체하는 것에 의해 얻어질 수 있다. 예를 통하여, 본 발명의 스크루 요소의 예시적인 실시예는 200㎜의 외경 및 5.5의 길이 대 직경 비를 가지는 기존의 압출기를 개조하도록 사용되었다. 동일한 고무 혼합 및 스크류 속도에 대하여 종래의 스크루 요소와 비교하여, 본 발명의 스크루 요소의 시험은 조기 경화를 유발함이 없이 보다 높은 20℃ 내지 44℃의 압출 온도를 초래하였다. 또한, 고무 압출 물질이 개선된 기하학적 형상 적합성뿐만 아니라 압출 다이를 통한 개선된 유동성을 가진다는 것이 관찰되었다. 추가적으로, 본 발명의 스크루 요소는 종래의 디자인에서 겪은 것보다 넓은 범위의 고무 배합(즉, 상이한 양 및 형태의 필러, 가소제, 탄성중합체 분자 중량 및 수지) 이상의 개선된 결과를 제공할 수 있다.

본 요지가 특정의 예시적인 실시예들 및 그 방법들에 관하여 상세히 설명되었지만, 당업자라면 상기된 내용을 이해하는 것으로, 이러한 실시예에 대한 대안, 변형 및 등가물을 용이하게 생산할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 제한의 방식이기보다는 예의 방식이며, 본 발명은 본 명세서에 개시된 교시를 사용하여 당업자에게 용이하게 자명한 바와 같이 본 요지에 대한 이러한 변경, 변형 및/또는 추가물의 포함을 배제하지 않는다.

Claims

압출 기계로서,
길이 방향, 원주 방향 및 반경 방향을 한정하도록 실린더 형상으로 형성되는 스크루 요소를 구비하고,
상기 스크루 요소는 상기 기계에 의해 처리되는 물질이 도입되는 인-피드 단부(in-feed end)와 상기 물질이 상기 기계에서 배출되는 아웃-피드 단부(out-feed end)를 포함하고, 상기 아웃 피드 단부는 상기 물질의 유동 방향을 따라 상기 인-피드 단부로부터 하류에 있고,
상기 스크루 요소는 상기 인-피드 단부 가까이에 있는 제 1 섹션 및 상기 아웃-피드 단부 가까이에 있는 제 2 섹션을 포함하고, 상기 제 1 섹션 및 제 2 섹션 은 상기 길이 방향을 따라 순차적으로 위치되고, 상기 제 2 섹션은 상기 인-피드 단부로부터 상기 아웃-피드 단부로의 상기 물질의 유동 방향을 따라 상기 제 1 섹션의 하류에 있으며;
상기 제1 섹션은,
상기 원주 방향으로 서로 인접하여 위치된 복수의 파세트(facet)를 포함하는 제1 코어로서, 각각의 파세트가 상기 제1 섹션에 걸쳐서 상기 길이 방향으로 연장하고, 각각의 파세트가 상기 제1 섹션에 걸쳐서 길이 방향으로 연장하는 스플라인(spline)들을 따라서 인접한 파세트에 연결되며, 상기 제1 코어는 상기 제2 섹션을 향하여 상기 길이 방향을 따라서 연속적인 방식으로 증가하는 직경을 가지는, 상기 제1 코어; 및
상기 스크루 요소의 제1 코어 주위를 감싸는 제1 나선 형상 스크루 플라이트(helically-shaped screw flight)로서, 상기 제1 섹션에 걸쳐서 길이 방향으로 연장하고 상기 복수의 파세트의 외측을 향해 반경 방향으로 돌출되는, 상기 제1 나선 형상 스크루 플라이트를 포함하며;
상기 제2 섹션은,
상기 길이 방향을 따라서 연장하고 원통 형상 표면을 가지는 제2 코어; 및
상기 스크루 요소의 제2 코어 주위를 감싸는 제2 나선 형상 스크루 플라이트로서, 상기 제2 섹션에 걸쳐서 길이 방향으로 연장하고 상기 제2 코어로부터 외측을 향해 반경 방향으로 돌출되는, 상기 제2 나선 형상 스크루 플라이트를 포함하고,
상기 제1 섹션은 상기 제1 코어와 상기 제2 코어 사이에 위치된 스페이서 코어를 추가로 포함하며, 상기 스페이서 코어는 상기 길이 방향을 따라서 연장하고 상기 제2 코어를 향하여 직경이 감소하는 절두형 원뿔면을 형성하는, 압출 기계.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 섹션은 상기 제1 코어 앞에 위치된 예비 코어를 추가로 포함하며, 상기 예비 코어는 상기 길이 방향을 따라서 연장하고 상기 제1 코어를 향해 직경이 감소하는 절두형 원뿔면을 형성하는, 압출 기계.
제 2 항에 있어서, 상기 스크루 요소는 상기 제1 섹션과 상기 제2 섹션으로 이루어진, 상기 길이 방향을 따르는 길이(length)를 한정하며, 상기 예비 코어와 상기 제1 코어는 상기 스크루 요소의 길이의 2/3인 전체 길이를 가지는, 압출 기계.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 제2 섹션은, 상기 길이 방향의 축 주위를 감싸고 상기 길이 방향을 따라서 연장하는 제3 나선 형상 플라이트를 추가로 포함하며, 상기 제3 나선 형상 플라이트는 상기 제2 나선 형상 플라이트 사이에 위치된 세그먼트들로 분할되며, 상기 제2 나선 형상 플라이트는 상기 반경 방향을 따라서 상기 제3 나선 형상 플라이트보다 더욱 외측을 향해 연장하는, 압출 기계.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 코어는 5, 6, 7 또는 8개의 측면을 가지는 다각형으로 형상화된, 상기 길이 방향에 직교하는 단면을 가지는, 압출 기계.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 섹션은 18% 내지 25%의 범위에 있는 압축비를 가지는, 압출 기계.
제 7 항에 있어서, 상기 제1 섹션은 22%의 압축비를 가지는, 압출 기계.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 나선 형상 스크루 플라이트는 상기 반경 방향으로부터 55°내지 65°의 범위에 있는 각도(θ)를 형성하는, 압출 기계.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 코어는 상기 길이 방향의 축을 따라서 균일한 직경을 가지는, 압출 기계.
제 1 항에 있어서, 상기 스플라인들과 상기 파세트들은 상기 스크루 요소의 길이 방향을 따라서 나선형으로 형상화되는, 압출 기계.
제 11 항에 있어서, 상기 스플라인들은 상기 길이 방향으로부터 0° 내지 +25°의 범위에 있는 각도(α)를 형성하는, 압출 기계.
제 11 항에 있어서, 상기 스플라인들은 상기 길이 방향으로부터 0° 내지 -25°의 범위에 있는 각도(α)를 형성하는, 압출 기계.
제 11 항에 있어서, 상기 스플라인들은 상기 길이 방향으로부터 +15°의 각도(α)를 형성하는, 압출 기계.
제 11 항에 있어서, 상기 스플라인들은 상기 길이 방향으로부터 -15°의 각도(α)를 형성하는, 압출 기계.