二段ベント付きシングルスクリュー押出機のポンプ比をマスターする

二段ベント付きシングルスクリュー押出機は、多くの用途と樹脂で一般的に使用されています。ベント（脱気）はスチレン系樹脂や、ポストコンシューマー再生（PCR）樹脂を用いるほぼすべての用途で一般的です。適切に設計された押出機とスクリューであれば、揮発分をベントから90%以上除去し、ダイでの流れのサージングなく安定稼働し、ベント開口から樹脂が流出することもありません。

これらの処理目標を達成するには、以下の設計要素が必要です：

• ベント部の長さと深さ
• ベントダイバータの設計
• 第二段メータリングチャネルの長さ
• ポンプ比

図1は二段ベント付き押出機の概略図を示しています。

図1： 二段ベント付きシングルスクリュー押出機の概略図。出典（すべて）：M.A. Spalding

ポンプ比とは、第二段メータリング部のポンプ能力に対する第一段メータリング部のポンプ能力の比率です。通常、ポンプ比は1.1〜1.5の範囲です。リード長が一定のスクリューでは、ポンプ比は第二段メータリングチャネルの深さを第一段メータリングチャネルの深さで割った値になります。ポリスチレン（PS）向けの典型的なスクリューのチャネル深さと長さを、直径6インチのスクリューで図2に示します。

この設計では、第一段メータリング部が吐出量を制御します。ポンプ比は1.44です。ペレットのみの原料では、圧縮比は3です。リード長一定のスクリューでは、圧縮比はフィードチャネルの深さを第一段メータリングチャネルの深さで割った値になります。圧縮比は、第一段メータリングチャネルが樹脂で満たされ加圧された状態を維持するのに十分な高さでなければなりません。

軸方向圧力プロファイルがポンプ比に意味するもの

ポンプ比を説明する前に、スクリューの軸方向圧力プロファイルについて説明するのが有益です。図2に示すPSスクリュー設計の軸方向圧力プロファイルは、吐出量1,500 lb/hr、スクリュー回転数55 rpm、比吐出量27.3 lb/(hr・rpm)の条件で数値シミュレーションにより求められました。比吐出量とは、吐出量をスクリュー回転数で割ったものです。軸方向圧力プロファイルを図3に示します。この条件では、PS樹脂は下流設備を稼働させるために1,600 psiの吐出圧力を必要としました。第一段メータリング部の、圧力勾配なしでスクリュー回転のみによる理論比吐出量は23.0 lb/(hr・rpm)です。第二段メータリングチャネルは深いため、回転のみによる理論比吐出量は32.7 lb/(hr・rpm)と高くなります。

図2： PS樹脂向け6インチ径スクリューの典型的なチャネル深さ。圧縮比は3、ポンプ比は1.44。図の上部水平線がバレル壁を表します。

図3に示す通り、圧力は第一段メータリング部入口で最大の1,800 psiとなり、ベント手前でゼロ圧力まで低下します。ベントでの圧力はゼロでなければならず、そうでなければ樹脂がベント開口から流出してしまいます。したがって、第一段メータリングチャネルには負の圧力勾配があります。この負の圧力勾配により、チャネル内の流量は回転のみによる比吐出量より大きくなります。ここでは流量が27.3 lb/(hr・rpm)で、回転のみによる理論値23.0 lb/(hr・rpm)を上回っています。

図3： 図2のPS押出機における、吐出量1,500 lb/hr、スクリュー回転数55 rpmでの軸方向圧力プロファイル。

この追加の4.3 lb/(hr・rpm)は負の圧力勾配によって生じたものです。適切に設計された二段押出機では、固形輸送と溶融により第一段メータリング入口での圧力が比較的高く、ベントチャネルではゼロ圧力である必要があるため、この負の圧力勾配は必ず発生します。

ベントチャネルの圧力は、揮発分除去と樹脂のベント流出防止のためゼロでなければなりません。ベント流出防止には、ベントポートに配置されたダイバータも関わります。ベント流出については、2023年2月号の『Plastics Technology』で議論されています。チャネルを非常に深くすることで圧力をゼロに近づけ、チャネルが部分充填状態となり、溶融ポリマーの広い表面積がチャネルの空隙部分に露出します。これにより揮発分が質量移動により空隙へ移動し、ベントから除去されます。

ベントチャネルの下流には短い移行部があり、チャネル深さが浅くなり、最終的に第二段メータリングチャネルの深さと等しくなります。溶融樹脂が第二段メータリング部に向かって移動すると、チャネル流量がゼロ圧力の部分充填状態から完全充填状態へ変わる位置が生じます。これを一般に「充填位置」と呼びます。充填位置は移行部または第二段メータリング部内で発生します。チャネルが完全充填になると圧力発生が可能になります。図3では、充填位置は第二段メータリング部の入口にあります。

第二段メータリングチャネルは、入口（充填位置）付近で圧力ゼロから始まり、最大吐出圧力1,600 psiまで上昇し、正の軸方向圧力勾配を形成します。この正の圧力勾配により、比吐出量は回転のみによる理論値より小さくなります。実際の比吐出量は27.3 lb/(hr・rpm)であるのに対し、第二段メータリングチャネルの回転のみによる理論値は32.7 lb/(hr・rpm)です。したがって、正の圧力勾配により5.4 lb/(hr・rpm)分、吐出量が減少しています。

常に負となる第一段勾配

二段ベント付き押出機では、第一段メータリング部には常に負の圧力勾配が、第二段メータリング部には常に正の勾配が生じます。これは、ベント部がゼロ圧力かつ部分充填で動作しなければならないためです。第一段メータリング部が吐出量を制御するため、第二段メータリング部は第一段と同じ吐出量でポンプし、加圧できる必要があります。

この動作とメータリングチャネルの圧力勾配により、第二段メータリング部は第一段より高い吐出能力を持たなければなりません。リード長一定のスクリューでは、第二段メータリングチャネルは第一段より深くする必要があります。前述の通り、一定リード長では第二段深さと第一段深さの比がポンプ比となります。

ポンプ比は特定の樹脂やプロセスに固有のものではなく、第二段メータリング部の長さ、メータリング部のリード長、樹脂粘度、下流圧力要件に依存します。例えば、図2のスクリューでは第二段メータリング部長が6D、チャネル深さ0.360インチ、吐出圧力1,600 psiです。これが8D長であれば、チャネル深さ0.330インチでポンプ比1.32にできます。

押出機直後にギアポンプを配置すれば、吐出圧力を400 psiまで下げられ、ギアポンプが下流設備に必要な圧力を生成します。この場合、第二段メータリングチャネルは6D長、深さ0.310インチでポンプ比1.24となります。より高いポンプ比で、充填位置が第二段入口より下流にある運転も許容されます。

不良設計と不良な固形輸送

不適切に設計されたベント付き押出機は、不良な固形輸送による流れのサージングを増幅させる可能性があります。流れのサージは、固形輸送部が正しく設計されていない、またはスクリューやフィードケーシングが過熱している場合に発生します。流れのサージングについては2024年8月号で議論されました。図4は、流れのサージングが発生している二段ベント押出機の軸方向圧力プロファイルを示します。実線がサージの中央値、点線がサージの高圧側と低圧側を示します。

図4： 高圧側と低圧側を持つサージング中の二段ベント押出機の軸方向圧力。

固形輸送が不良になると、第一段メータリング入口の圧力が低下し、メータリング部の負の圧力勾配の大きさが減少し、吐出量が減ります。この低流量レベルは部分充填のベント、第二段移行部、第二段メータリング部の前半を通過します。充填位置が下流に移動し、吐出圧力とダイでの吐出量が低下します。

逆に固形輸送が良好な場合、第一段メータリング入口の圧力が高くなり、負の圧力勾配の大きさが増し、吐出量が増加します。ここでは高い吐出量により充填位置が上流に移動します（図4参照）。上流への充填位置移動により、吐出圧力とダイでの吐出量が上昇します。

圧力サージの抑制

図4の吐出側圧力サージは±250 psiで、これは平均的な値です。不良な固形輸送は常にこのようなサージを引き起こしますが、第二段の設計によってはサージを抑制できます。例えば、長い第二段メータリングチャネルと低いポンプ比はサージを抑制し、短いメータリングチャネルと高いポンプ比はサージを悪化させます。サージングを緩和する最善の策は、原因である固形輸送プロセスを改善することです。

既存の押出機では、ベント位置を動かしたりメータリング部を延長したりする自由はありません。この場合、主要な設計パラメータは第一段メータリングチャネルの深さとポンプ比です。前述の通り、第一段メータリングチャネル深さが運転時の比吐出量を決め、ポンプ比が下流設備を稼働させるために必要な圧力を提供します。第一段メータリング部の深さは、吐出温度を設定する上でも重要な設計要素です。

二段ベント付き押出機とスクリューの設計における鍵は、第一段メータリングチャネルの深さ、第二段メータリングチャネルの長さ、およびポンプ比です。押出機設計者は、新規導入でも既存機でも、これらのパラメータを最適化する方法を知っています。適切な設計は、吐出量を最大化し、ベント流出なしで必要な吐出圧力を生成し、安定した吐出圧力を提供すべきです。

著者プロフィール：Mark A. Spalding氏は、Dow Inc.（ミシガン州ミッドランド）の包装・スペシャルティプラスチックおよび炭化水素R&D部門のフェローです。Dowでの40年間、ポリマープロセスの開発・設計・トラブルシューティング、特にシングルスクリュー押出に注力してきました。Gregory Campbell氏と共著で『Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders』を執筆。連絡先：989-636-9849；maspalding@dow.com；dow.com。