スループットは、シート押出ラインの商業的実現可能性を定義するパラメータです。 スクリュー径の押出能力 には、一般的な押出プロセスとは異なる特別な考慮事項が含まれます。少なすぎると、下流の機器が能力を下回って稼働し、マージンが損なわれます。多すぎると、冷却ロールがシートを十分に早く固化させることができなくなり、ライン速度の低下を余儀なくされます。この計算の中心となるのは押出機のスクリュー直径です。これは、機械が 1 時間あたりに処理できるポリマーの量を最も直接的に制限する唯一の変数です。スクリュー径の押出能力は一定の数値ではありません。それは、スクリューの速度、ポリマーの特性、スクリューの形状、操作圧力によって異なります。これらの変数間の関係は、総生産量を抗力流量、圧力流量、漏れ流量の成分に分ける単軸スクリュー押出成形の基本的な流れ方程式によって記述されます。この記事では、押出能力計算の背後にある理論を説明し、実際の公式を示し、一般的なシート押出ポリマーの参考スループット データを提供します。より広範な押出プロセスのコンテキストについては、次のガイドを参照してください。 シート押出技術.
押出機出力の物理学: 抗力流、圧力流、および漏れ流
単軸スクリュー押出機の出力は、3 つのフロー機構の最終的な結果です。ドラッグフローは、スクリューとバレル間の相対運動によって生じる前方への搬送作用です。これはスクリュー速度、チャネル深さ、スクリュー直径に比例し、理論上の最大出力を表します。
圧力の流れは反対方向に作用します。押出機の端にあるダイは流れに対する抵抗を生み出し、高圧ダイの端から低圧のフィード端に向かって逆流を引き起こす圧力勾配を生成します。圧力流量は、圧力勾配とチャネル深さの 3 乗に比例します。漏れ流は、スクリュー フライトの先端とバレル壁の間の小さな隙間 (通常、スクリュー直径の 0.1 ～ 0.15 パーセント) を通じて発生し、通常、総生産量の 5 パーセント未満を占めます。
総体積出力は、抗力流量から圧力流量と漏れ流量を差し引いたものです。簡略化した形式: Q = Q_drag - Q_pressure - Q_leakage 。実際的な意味は、押出機の出力は単一の数値ではなく、動作条件の関数であるということです。特定のスクリュー速度では、金型圧力が増加すると出力が減少します。溝の浅いスクリューはより平坦な特性曲線を持ち、その出力は金型圧力の変化の影響を受けにくいことを意味します。深溝スクリューは、低圧力では出力が高くなりますが、圧力が増加すると出力がより急激に低下します。
スクリュー直径とスループットスケーリング則
スクリューの直径は、直径の二乗に比例して、抗力流項を通じて出力に影響します。スクリュー直径を 2 倍にすると、理論上の出力は 4 倍に増加します。 150mm ネジは、同じネジ速度で 100mm ネジの約 2.25 倍の出力を処理できます。チャネルの深さ、L/D 比、許容スクリュー速度も直径によって変化するため、スケーリングは完全な二次関数ではありません。大きなスクリューは通常、同じ先端速度を維持するために低い RPM で動作しますが、ポリマーのせん断感度によって制限されます。
一般的な直径範囲にわたる実際のスループットは、大まかなサイズのガイドとなります。 PP を加工する 65 mm 単軸押出機は、150 ～ 250 kg/hr を供給できます。 90mm マシン: 350 ～ 500 kg/hr。 120mm マシン: 800 ～ 1,200 kg/hr。 150mm マシン: 1,200 ～ 1,800 kg/hr。の 押出スクリューの設計 LD 比は 実際のスループット上限に影響します。L/D が長いほど溶融能力が向上し、溶融が不完全になる前にスクリュー速度を高めることができます。
一般的なシートポリマーの実際のスループット表
以下のスループット範囲は、一般的なシートポリマーを 28:1 ～ 33:1 L/D で加工する、適切に設計された単軸押出機の典型的な性能を表しています。この値は、ポリマーに適切な圧縮比と混合セクションを備えたバランスの取れたスクリュー設計を前提としています。
ポリプロピレン(PP)シート:
65mm: 150-220kg/時
90mm: 320-480 kg/hr
120mm：750～1,100kg/時
150mm：1,100～1,700kg/時
ポリエチレン(HDPE/LDPE)シート:
65mm: 130-200kg/時
90mm：300～450kg/時
120mm：700～1,050kg/時
150mm：1,050～1,600kg/時
PETシート：
65mm: 120-180kg/時
90mm: 280-400 kg/hr
120mm: 650-950 kg/hr
150mm：950～1,450kg/時
PET のスループットは、処理ウィンドウが狭いことと 2 段階のベント付きスクリュー設計により、同等のスクリュー直径では PP よりも低くなります。
ポリスチレン(PS)シート:
65mm: 140-210kg/時
90mm: 310-460 kg/hr
120mm：720～1,080kg/時
150mm：1,080～1,650kg/時
これらの範囲は、ライン サイズの開始点となります。実際のスループットは、押出試験または詳細な工学計算を通じて検証する必要があります。
押出能力におけるメルトポンプの役割
メルトポンプ (押出機とダイの間に設置された容積式ギアポンプ) は、押出機の出力をダイの圧力から切り離します。押出機は、ポンプの設定値よりわずかに高い速度でメルト ポンプに供給し、一定の入口圧力を維持します。ポンプは、ダイの圧力変動やスクリーン パックの負荷に関係なく、ダイへの正確な容積出力を測定します。
メルトポンプを使用すると、押出機はより低い一定の背圧に対して動作し、ポンプが圧力発生機能を引き受けます。これにより、圧力発生ではなく溶解効率を重視してスクリューを設計できます。ポンプの出力は圧力にほぼ依存しないため、ダイの抵抗の変化はダイへの質量流量に影響を与えません。その結果、特にスタートアップ時やプロセス移行時に、シートの厚さがより安定します。メルトポンプを備えたラインの場合、押出機は通常、ポンプの定格容量よりも 10 ～ 15 パーセント多くの出力を供給できるサイズに設計されています。の サーボモーター 標準モーター 押出機とメルトポンプの押出ドライブの選択は、速度制御の精度とラインのエネルギー効率の両方に影響します。
下流の機器に合わせたネジ径
下流の機器 (カレンダー加工スタック、厚さ計、巻き取りまたは切断ステーション) は、目標のライン速度で押出機の出力を処理できるサイズにする必要があります。所定のシート幅、厚さ、ポリマー密度の場合、必要なライン速度は、押出機の出力をシートの断面積と溶融密度で割ったものになります。計算されたライン速度がカレンダー ロールまたはワインダーの最大速度を超える場合は、押出機が大きすぎます。ライン速度が下流装置の最低安定速度を下回る場合、押出機のサイズが小さすぎます。
カレンダー ロールの冷却能力ももう 1 つの制約です。シートから除去する必要がある熱は、スループット、ポリマーの比熱、および溶融状態から固体状態への温度降下の積です。ロール冷却システムが必要な速度でこの熱を除去できない場合、シートは軟化点を超えてカレンダーから出てしまい、粘着や変形が発生します。
特定のスループット目標に対して正しいスクリュー直径を選択すると、押出ラインのサイズが小さすぎたり、サイズが大きすぎたりする一般的な落とし穴を回避できます。 JWELL は、ライン仕様段階で詳細なスループット計算と生産能力予測を提供し、顧客がポリマーの種類、目標生産量、下流処理要件に基づいて 65 mm から 200 mm までのスクリュー直径を選択できるように支援します。これは、選択した装置が現在の生産ニーズと将来の成長目標の両方を確実に満たすコンサルティング アプローチです。
よくある質問
スクリュー径から押出能力はどのように計算されますか?
単軸スクリュー押出機の理論上の出力は、抗力流量方程式から計算されます: Q = (1/2) * pi^2 * D^2 * N * H * sin(phi) * cos(phi)、ここで、D はスクリューの直径、N はスクリューの回転数（毎秒）、H は計量ゾーンのチャネルの深さ、phi はスクリューフライトの螺旋角度です。実際の出力率は理論上の抗力流量から圧力流量と漏れ流量を差し引いたもので、これらはダイの圧力、溶融粘度、フライトクリアランスに依存します。
スクリュー速度と出力の関係は何ですか?
理論的には、押出機の出力はスクリュー速度に直接比例します。実際には、この関係はほぼ線形ですが、完全に比例しているわけではありません。スクリュー速度が非常に低い場合、圧力流成分が抗力流の大きな部分を占め、出力は線形投影を下回ります。スクリュー速度が非常に高い場合、スクリューの供給能力によってバレルに入る材料の量が制限される可能性があり、生産量が頭打ちになったり、減少したりする場合があります。最大 RPM の 30 ～ 80% の通常の動作範囲内では、出力はスクリュー速度とほぼ線形になります。
ネジ径が大きいほど常に出力が高いことを意味しますか?
はい、出力はネジの直径に応じて、およそ直径の 2 乗に応じて増加します。ただし、実際の最大処理量は、スクリューの溶解能力、下流装置の冷却能力、カレンダーとワインダーの最大ライン速度によっても制限されます。ライン全体がスループットの増加に対応できるサイズになっている場合、スクリュー直径が大きくなっても、より高い生産量が得られます。
溶融密度は出力計算にどのような影響を与えますか?
抗力流方程式から計算された体積生産量は、加工温度でのポリマーの溶融密度を使用して質量生産量に変換する必要があります。熱膨張により、溶融密度は固体密度よりも低くなります。 PP の場合、摂氏 230 度での溶融密度は約 0.75 g/cm3 ですが、固体密度は 0.90 g/cm3 です。溶融密度の代わりに固体密度を使用すると、質量生産量が約 20 パーセント過大評価されます。正しいスループット計算には、処理温度における正確な溶融密度値が不可欠です。
