2 段ベント式単軸押出機のポンプ比をマスターする

2 段階のベント付き単軸押出機は、多くの用途や樹脂で一般的です。通気は多くのスチレン系樹脂や、消費者リサイクル（PCR）樹脂を使用するほとんど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は、ベントを通じて揮発性物質の 90% 以上を除去でき、ダイでの流れが急上昇することなく安定して動作し、ベント開口部から材料が流出することはありません。

これらの処理目標を達成するには、次のようないくつかの設計機能が必要です。

注目のコンテンツ

• 通気セクションの長さと深さ
• ベントダイバーターの設計
• 第 2 段階の計測チャネル長
• ポンプ比

図 1 の概略図は、2 段階のベント付き押出機を示しています。

図 1: 2 段階のベント付き単軸押出機の概略図。出典 (すべて):M.A. スポルディング

ポンプ比とは、１段目の計量部のポンプ能力に対する２段目の計量部のポンプ能力の比である。通常、ポンプ比は 1.1 ～ 1.5 の範囲になります。リード長が一定のスクリューのポンプ比は、第 2 段階の計量チャネルのチャネル深さを第 1 段階の計量チャネルの深さで割ったものです。ポリスチレン (PS) 用に作られた一般的なネジの溝の深さと長さは、直径 6 インチのネジの場合の図 2 に示されています。

この設計では、最初の段階の計量セクションがレートを制御します。ポンプ比は1.44です。ペレットのみの原料の場合、圧縮比は 3 です。リード長が一定のスクリューの圧縮比は、供給チャネルの深さを第 1 段階の計量チャネルの深さで割ったものです。圧縮率は、樹脂が充填されて加圧されたときに第 1 段階の計量チャネルを維持できるほど十分に高くなければなりません。

ポンプ比に対する軸方向圧力プロファイルの意味

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しておくと有益です。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、速度 1,500 lb/hr、比速度 27.3 lb/(hr rpm) のスクリュー速度 55 rpm の数値シミュレーションを使用して決定されました。比速度は、単純に速度をスクリュー速度で割ったものです。軸方向の圧力プロファイルを図 3 に示します。この速度では、PS 樹脂が下流の装置を稼働させるために 1,600 psi の吐出圧力が必要でした。圧力勾配を加えずにスクリューを回転させるだけで計算される比速度は、第 1 段階の計量セクションで 23 lb/(hr rpm) です。第 2 段階の計量チャネルはより深いため、回転だけによる速度は 32.7 ポンド/(hr rpm) と高くなります。

図 2: PS 樹脂用の直径 6 インチのネジの一般的な溝の深さ。圧縮比は 3、ポンプ比は 1.44 です。バレルの壁は、図の上部の水平線です。

図 3 に示すように、圧力は、第 1 段階の計量セクションの開始時に 1,800 psi で最大となり、ベントの前でゼロ圧力まで低下します。ベントの圧力はゼロでなければなりません。そうしないと、樹脂がベント開口部から流出します。したがって、第 1 段階の計量チャネルは負の圧力勾配を持ちます。この負の圧力勾配により、回転だけでチャネル内の流れが特定の速度よりも高くなります。ここで、流量は 27.3 lb/(hr rpm) であり、回転だけによる計算された比速度は 23.0 lb/(hr rpm) であることを思い出してください。

図 3: 図 2 の PS 押出機の軸方向圧力プロファイル (速度 1,500 ポンド/時間、スクリュー速度 55 rpm)。

追加の 4.3 ポンド/(hr rpm) は、負の圧力勾配によって引き起こされました。この負の圧力勾配は、適切に設計された 2 段押出機で発生する必要があります。これは、固体の搬送と溶融のため、第 1 段メーターへの入口では比較的高い圧力が必要であり、ベント チャネルでは圧力がゼロであるためです。

揮発性物質を除去し、ベント開口部からの樹脂の流れを防止するには、ベント チャネル内の圧力をゼロにする必要があります。ベントの流れの防止は、ベントポートに配置されたダイバータにも依存します。ベントの流れについては、プラスチック テクノロジーの 2023 年 2 月号で説明されました。 。チャネルを非常に深くすることにより、ベント内の圧力はゼロまで減少します。これにより、チャネルが部分的に満たされ、溶融ポリマーの広い表面積が露出し、揮発性物質がチャネルの空隙部分に物質輸送されます。その後、揮発性物質が通気口から除去されます。

ベントチャネルの下流には短い移行セクションがあり、そこでチャネルの深さは浅くなり、最終的には第 2 段階の計量チャネルの深さと同じになります。溶融樹脂が第 2 ステージのメーターに向かって移動すると、チャネルの流れがゼロ圧力で部分的に満たされた状態から完全に満たされた状態に変化する場所が発生します。これは一般にフィル位置と呼ばれます。フィル位置は、トランジションセクションまたは第 2 ステージのメーターで発生する可能性があります。チャネルが満たされると、圧力が発生する可能性があります。図 3 の充填位置は、第 2 段階の計量セクションの入口にあります。

第 2 段階の計量チャネルの入口 (または充填位置) では圧力がゼロに近く、圧力は最大吐出圧力 1,600 psi まで増加し、正の軸方向圧力勾配が形成されます。正の圧力勾配により、回転により比速度が計算された比速度よりも小さくなります。比速度は 27.3 lb/(hr rpm) であり、第 2 段階の計量チャネルの回転による計算された比速度は 32.7 lb/(hr rpm) であることを思い出してください。したがって、正の圧力勾配により、速度は 5.4 ポンド/(hr rpm) 減少しました。

常にネガティブ

2 段階のベント付き押出機では、常に、第 1 段階の計量セクションでは負の圧力勾配があり、第 2 段階の計量セクションでは正の圧力勾配が生じます。これは、スクリューの通気セクションがゼロ圧力で部分的に充填されたチャネルで動作する必要があるためです。第 1 段階の計量チャネルが速度を制御するため、第 2 段階の計量セクションは、第 1 段階の計量の速度でポンプを送り、加圧できる必要があります。

この動作と計量チャネル内の圧力勾配のため、第 2 段階の計量セクションは、第 1 段階の計量セクションよりも高い速度でポンプを送出できなければなりません。リード長が一定のねじの場合、2 段目のメーターは 1 段目のメーターより深くする必要があります。前述したように、第 1 段階の深さに対する第 2 段階の深さの比は、リード長が一定の場合のポンプ比です。

ポンプ比は樹脂やプロセスに固有のものではありません。 むしろ、第 2 段階の計量セクションの長さ、メーターのリードの長さ、樹脂の粘度、および下流の圧力要件によって異なります。たとえば、図 2 のスクリューには、長さ 6 直径、チャネル深さ 0.360 インチ、1,600 psi の圧力で排出される第 2 段階の計量セクションがあります。第 2 段階の計量セクションが直径 8 でもっと長ければ、ポンプ比 1.32 でチャネル深さを 0.330 インチに設定できたはずです。

ギア ポンプが押出機の直後に配置されている場合、吐出圧力を 400 psi まで下げることができ、ポンプは下流の機器を動作させるために必要な圧力を生成します。ここで、第 2 段階の計量チャネルは、ポンプ比 1.24 の場合、長さが直径 6 倍、チャネル深さは 0.310 インチになります。より高いポンプ比と第 2 ステージ入口の下流の充填位置も許容可能な操作です。

設計が不十分、固形物の搬送が不十分

適切に設計されていないベント付き押出機では、不十分な固形物の搬送によって引き起こされる流れのサージングが増幅される可能性があります。流量のサージは、固体搬送セクションが正しく設計されていないか、スクリューや供給ケーシングが熱すぎる状態で動作していることから始まります。フローサージングについては、2024 年 8 月号で説明されました。図 4 は、流れが急流する 2 段ベント式押出機の軸方向圧力プロファイルを示しています。図中の実線の圧力線はサージの中点です。点線は、サージの最高点と最低点の圧力を示しています。

図 4: サージの高圧部分と低圧部分を備えた 2 段階ベント押出機の軸方向の圧力。

固形物の搬送が悪くなると、一段目メーター入口の圧力が低下します。これにより、計量セクション内の負圧勾配の大きさが減少し、速度が減少します。より低い流量は、部分的に満たされたベント、第 2 段階の移行部、および第 2 段階の計量セクションの最初の部分を通過します。充填位置が下流に移動し、ダイでの吐出圧力と流量が減少します。 

固形物の搬送量が多い場合、一段目の計量部入口の圧力が高くなり、負圧勾配が大きくなり、流量が増加します。ここで、図 4 に示すように、レートが高くなると充填位置が上流に移動します。上流の充填位置により、ダイでの吐出圧力とレートが増加します。

圧力サージの減衰

図 4 の吐出時の圧力サージは ±250 psi で、ほぼ平均値です。固形物の搬送が不十分だと常にこのようなサージが発生しますが、第 2 段階の設計によってはサージを抑えることができます。たとえば、ポンプ比が低い長い第 2 ステージ計量チャネルはサージを減衰させることができますが、ポンプ比が高い短い計量チャネルはサージの激しさを増大させる可能性があります。サージングを軽減する最善の方法は、サージングを発生源から除去することです。この場合、固形物の搬送プロセスを改善する必要があります。

既存の押出機の場合、設計者にはベントを移動したり、計量セクションを延長したりする余裕はありません。この場合、主な設計パラメータは、第 1 段階の計量チャネルの深さとポンプ比です。前述したように、第 1 段階の計量チャネルの深さによって動作の特定の速度が設定され、ポンプ比によって下流の機器の動作に必要な圧力が提供されます。第一段階の計量セクションの深さも、吐出温度を設定するための重要な設計上の特徴です。

2 段階のベント付き押出機とスクリューを設計する鍵となるのは、第 1 段階の計量チャネルの深さ、第 2 段階の計量チャネルの長さ、およびポンプ比です。押出機の設計者は、新規設置および既存の押出機に合わせてこれらのパラメータを最適化する方法を知っています。適切な設計では、流量を最大化し、ベント流を発生させずに必要な吐出圧力を生成し、安定した吐出圧力を提供する必要があります。

著者について:マーク A. スポルディング  ミシガン州ミッドランドにある Dow Inc. のパッケージングおよび特殊プラスチックおよび炭化水素の研究開発のフェローです。ダウ社での 40 年間、特に単軸押出成形におけるポリマープロセスの開発、設計、トラブルシューティングに注力してきました。彼は、単軸押出機の分析とトラブルシューティングを共著しました。  グレゴリー・キャンベルと。連絡先:989-636-9849; maspalding@dow.com; ダウ.com.