JP2005104087A - 蓄熱式金型冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の金型冷却システムは、金型冷却用の冷凍機の容量が大きくなりがちで、金型の温度変動が大きかった。
【解決手段】冷凍部と金型冷却部との間に蓄熱部を介在させ、冷凍部で発生した冷熱を蓄熱部に蓄え、この蓄熱部に蓄えられた熱を金型の要求する冷却熱量に応じて、所望量熱輸送して金型に送る。また必要に応じて蓄熱部と金型冷却部間に温度調節機構を介在させることにより達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は金型を冷凍機を用いて冷却する、冷却システムの構成に関する発明である。

従来金型を冷却するために冷凍機から発生する冷熱を熱媒体に伝え、この熱媒体を金型の冷却部に導入して金型を冷却する方法を採っていた。
特開平８−２９０４５２号公報

前述した従来のシステムには次のような課題があった。
（１）冷凍機の蒸発部の温度変動が、そのまま熱媒体に伝わるため、金型の冷却部も温度変動を受けて、金型内に注入する流動性の素材（プラスチックやアルミニュウムなど）も温度変動を受けて、流動性と冷却度合いが変化し、成型品としてばらつきが生じ易かった。
（２）金型の冷却部で発生する熱量が大きい場合には、その熱量を冷凍機によって一揆に冷却する必要があり、それに対応して冷凍機の容量を決定した熱設計となり、冷凍機の容量が大きくなりがちであった。
（３）またこの場合、電動圧縮機を利用した冷凍機を利用する場合には電力量が大きくなり、現場で電気の調達に無理が生じ、過電流による電力供給用の遮断器が動作することがあり、システムが停止してしまうことがあった。

金型冷却部と冷凍部との間に蓄熱容量の大きな蓄熱部を設け、必要に応じて金型冷却部と蓄熱部との間に温度調節部を設けることにより達成される。冷凍部に用いる電動圧縮機への電源容量に制限がある現場には、排熱または燃焼熱で駆動できる吸着式冷凍機または吸収式冷凍機を冷凍部に導入する。

（１）深夜電力等を利用して夜間蓄熱部に大容量の冷熱を蓄熱でき、この冷熱をポンプを用いて温度調節機構を介して金型冷却部に導入できるので、金型冷却部の温度が所望の温度に設定でき、かつ温度変動が少ない状態で調節できる。また蓄熱部の導入により、電動圧縮機の容量を小さくでき、現場に合った電力設計、熱設計ができる。
（２）また冷凍部に排熱あるいは燃焼熱によって駆動できる吸着式冷凍機または吸収式冷凍機を導入し、電力使用量を削減し、現場の熱設計を容易にできる。

図１は本発明の金型冷却システムの一実施例の構成図である。主要構成は冷凍部１００，蓄熱部２００，温度調節部３００，金型冷却部４００から成っている。冷凍部１００は電動用の圧縮機１，放熱部２，減圧機構（膨張弁）５、蓄熱槽１０内に設けてあるコイル状の蒸発器６及びそれらをループ状に結ぶ配管７，８，９から構成されている。放熱部２には凝縮器３が設けてあり、必要に応じてファン４が付いている。このようなループで構成された回路内に冷媒（フロンなど）が封入されている。

蓄熱部２００は槽１０に入った液体（水など）１１と蒸発器６から構成されている。温度調節部３００は槽２１，その中に入っている液体（水など）１１、蓄熱部２００と連絡するポンプ１５を設けたパイプ１４及び戻し用のパイプ１３から構成されている。また金型冷却部４００は金型３８、槽２１と連なるバルブ３５、ポンプ３１を設けて成るパイプ３３，バルブ３６の付いたパイプ３２，バルブ３７の付いた逃がしパイプ３４から成っている。

冷凍部１００において、圧縮機１で断熱圧縮された冷媒は配管７を通って凝縮器３に入りここで放熱し、ここで冷却されて液化した冷媒は配管８を通って、減圧機構（膨張弁）５を通る過程において温度低下し、温度低下した冷媒は蒸発器６に入り、その後配管９を通って圧縮機１に戻って前と同じサイクルを繰り返す。このような過程において蒸発器６内のマイナス温度に冷却された冷媒によって蒸発器６の周りの液体（水）１１は氷結し、蒸発器６の周りには凝固した固体（氷）１２が発生する。この結晶の成長とともに蓄熱部２００には大容量の冷熱が蓄えられる。

このようにして蓄熱部２００に蓄えた冷熱は、温度調節部３００に付いているポンプ１５の付いた吐出パイプ１４と上方部に設けた戻し用のパイプ１３によって、液体１１を槽１０から槽２１へ循環しながら温度調節部３００に移送する。つまり温度の高い槽２１の液体１１をポンプ１５により槽１０内に成長した固体１２周りに導入することにより、固体１２は徐々に融解する。これによりパイプ１３を介して、冷却された液体１１が槽１０から槽２１側に移送される。ポンプ１５の運転率または回転数による流量制御によって、槽２１内の液体１１の温度は調節される。

このように温度調節された槽２１内の液体１１は、ポンプ３１を駆動することによってパイプ３３を介して金型３８内の冷却流路に導入され、その後パイプ３２から再び槽２１内へ戻される。この時の流量はパイプ３３に付いたバルブ３５、パイプ３２に付いたバルブ３６の開度を調節して制御される。また金型３８の温度の微少調節はパイプ３２と３３との間に設けたパイプ３４のバルブ３７の開度を変えて調節することができる。なおこの実施例において冷凍部１００のパイプ８に分岐して別個の冷却系を設けてもよい。つまり、パイプ７−aと８−aを新たに分岐接続し、その端部に蒸発器６−aを設け、これを槽２１内の液体１１に浸漬する。パイプ８部のバルブ１９−aとパイプ８−a部のバルブ１９の開閉によって蒸発器６側に冷媒を流して夜間蓄冷をし、一方蒸発器６−a側にのみ冷媒を流して昼間の追い掛け冷却ができる。このようにすることにより昼間の電力削減と圧縮機１の容量の低減が図れる。

図２は本発明の金型冷却システムの他の実施例の構成図である。これは槽２１内の液体１１中に仕切板２２を設けて金型３８内に導入される液体１１の温度変動を小さくするようにしたものである。すなわち槽１０に連なる戻し用のパイプ１３と、金型３８に連なる戻し用のパイプ３２を槽２１の仕切板２２の右側の液体１１−b側に戻し、パイプ１３からの冷却された液体１１とパイプ３２からの昇温した液体１１とを仕切板２２の右側の液体１１−b部に良好に混合した後、緩やかな対流運動によって仕切板２３の左側の液体１１−a部に移される。このような操作によって左側の液体１１−a部では温度変動が少なく抑えられる。

このように温度変動を小さく抑えた液体１１―aはポンプ３１によってパイプ３３から金型３８に供給される。またこの実施例に於いてポンプ１５の回転数を制御して、パイプ１４から槽１０側に、槽２１内の液体１１を移し、パイプ１３を介して槽２１に戻す際の流量を制御すれば温度制御が更に良好に行われるようになっている。このため入力用電源コード２３を調節器２４に接続し、その入力量を調節した後、連絡線２７を介してポンプ１５に送るようになっている。また槽２１内の液体１１−a中にはセンサー２５が設けてあり、この信号はリード線２６を介して調節器２４に導入される。このセンサー２５からの信号量に応じて連絡線２７からポンプへ１５への入力量が調節される。

図３は本発明の他の実施例の構成図である。これは戻し用のパイプ１３内に撹拌板１７を設け、このパイプ１３の上方部に戻し用のパイプ３２を直結したものである。このようにするとパイプ１３への槽１０からの冷却された液体１１と、金型３８を出た後のパイプ３２内からの昇温水とが、撹拌板１７を通る間に良好に混合して温度調節される。またセンサー２５は槽２１に設けてある吸込用のパイプ３３内へ設けてあり、金型３８に供給される液体１１−aの温度そのものを検知できるので良好な温度制御ができる。

図４は本発明の他の実施例の構成図である。これは仕切板２２を水平に配置し、仕切板２２の下方部に吐出側の液体１１−bを集め、その反対側の上方部に対流によって温度調節された液体１１−aを集めるものである。金型３８へ導入するための液体１１−aを集めるために、吸込用のパイプ３３は仕切板２２の上部の位置に設けてある。

図５は本発明の金型冷却システムの他の実施例の構成図である。これは槽１０と槽２１とを結ぶパイプ１４を太パイプとしてポンプは付加していない構成とする。すなわち槽１０からの融解によって冷却された液体１１は、自然にパイプ１４を通って槽２１内へ流れる。一方金型３８を通って昇温した水は吐出用のパイプ３２を通った後、直接槽１０へ戻される構成となっている。また仕切板２２の右側の液体１１−bと左側の液体１１−aとの対流をよくするため、液体１１−b側と液体１１−a側との間にポンプ１５を設けたパイプ１８−aと１８−bを配設し、液体１１−ｂを液体１１−a側に移送する方法を採ってもよい。この移送量を調節するには液体１１−a側に設けたセンサー２５の信号量をリード線２６を介して調節器２４に導入し、これにより連絡線２７を介して入力量を調節してポンプ１５の回転数を変えるとよい。

図６は本発明の他の実施例の構成図である。これは冷凍部１００に排熱や燃焼熱を利用した吸着式の冷凍機を用いた場合の実施例である。この冷凍機は冷媒（塩化カルシウム水溶液、塩化マグネシウム水溶液、エチレングリコール不凍液など）５９の入った蒸発タンク５７、凝縮タンク５８、吸着材（シリカゲル、ゼオライトなど）５３，５４の入った２つの容器５１、５２、それらを循環路を構成するように連結したバルブ６６付きのパイプ６１，バルブ６７付きのパイプ６２、バルブ６８付きのパイプ６３、バルブ６９付きのパイプ６４、バルブ７０付きのパイプ６５から成っている。

これは容器５１，５２内に入っているそれぞれの吸着材５３，５４を加熱再生した後、これら吸着材５３，５４に蒸発タンク５７内の冷媒５９を蒸発させながら吸着させ、冷媒５９をマイナス温度に冷却し、この冷熱を利用して槽１０内の液体（水）１１を固体（氷）１２に変えるものである。この吸着材５３，５４を加熱して再生した後冷却するには加熱・冷却器５５，５６なるものを用いる。この加熱・冷却器５５，５６の具体的な構成は図示していないが、排熱や燃焼熱により熱媒体（水や不凍液）を１００℃程度以上に加熱する熱回路と、冷却塔や地下水を利用して熱媒体を３０℃程度以下に冷却する熱回路から成り、この回路は通常並列回路となっていて、バルブの切換によって温熱回路と冷熱回路とが切換えられるようになっている。

このような温熱または冷熱はポンプ９０，９１，パイプ９２，９３あるいはパイプ９４，９５を介して熱媒体を流すことにより、それぞれの容器５１，５２内に設けてある熱交換器４６または４７内に導入される。一方の吸着材５３が冷却されている時は他方の吸着材５４は冷却され、加熱冷却操作は吸着材５３と５４との間で交互に行われる。今吸着材５３が加熱過程で、吸着材５４が冷却過程の時は、バルブ６６と６９が開かれ、バルブ６８と６７は閉じられている。容器５１内の吸着材５３は加熱されて、その中に吸着されている冷媒を脱着し、この時発生した蒸気はパイプ６１を介して凝縮器５８内に導入される。この蒸気は熱交換器８０によって冷却されて凝縮し、液体冷媒５９となる。熱交換器８０を冷却する方法としてはポンプ７７，パイプ７８，７９とによって熱媒体（水など）を熱交換器８０内に導入した後、外部の放熱器７５に移送し冷却する。放熱器７５の冷却力を高めるには放熱器７５をファン７６によって強制冷却する。

一方、凝縮器５８内にて冷却して液化された冷媒５９はパイプ６５を通り、バルブ７０を介して蒸発器５７内へ導入される。冷媒５９の蒸発器５７への導入量はバルブ７０の開度を変えて調節する。蒸発器５７内の液体冷媒５９は容器５２内の吸着材５４の吸着力によって蒸発しながらパイプ６４，バルブ６９を通って容器５２内の吸着材５４に吸着される。容器５２内の吸着材５４の吸着力が飽和し、容器５１内の吸着材５３の再生が終了したら、吸着材５４側は加熱過程、吸着剤５３側は冷却過程に移行する。この時にはバルブ６７、６８を開き、バルブ６６、６９は閉じる。蒸発器５７内のマイナス温度に冷却された冷媒５９の冷熱は熱交換器６０から槽１０内の蒸発器７４内へ輸送される。この熱輸送は、ポンプ７１により熱媒体（エチレングリコール等の不凍液）をパイプ７２，７３を介して循環することにより行われる。これによって蒸発器７４周りには液体１１が結晶し、固体（氷）１２が発生し蓄冷される。

図７は本発明の金型冷却システムの他の実施例の構成図である。これは槽１０内へ貯蔵する固体（氷）１２を破砕状のものとして、放冷する時の融解速度を速めるようにしたものである。このため槽１０の上部に板状の蒸発器７４を図示のように配設し、この蒸発器７４の外表面にポンプ８２を用いて槽１０内の液体１１をパイプ８３を通して散水管８１を介して噴射して、液体１１を流下液膜流として降下させる。この時の散水量はバルブ８４の開度を変えて調節する。板状の蒸発器７４はステンレス、銅、アルミニウムなどの板材を２枚はり合わせ、要所要所を溶着して残部を空気または液体を用いて圧力をかけて膨出して、冷媒流路を作るものである。

この冷媒流路にポンプ７１とパイプ７２、７３を介して、蒸発器５７内の冷媒５９を循環することにより冷熱を輸送する。このような操作によって蒸発器７４はマイナス温度に冷却されて、その外面に流下する液体（水）１１は固化し固体（氷）１２−a となる。蒸発器７４の外面に成長した固体（氷）１２−aを剥離させて、槽１０内へ落すには、一時的に蒸発器７４をプラス温度に加熱する。この一つの方法として凝縮器５８内の熱媒蒸気を蒸発器７４内へ導入する。このためパイプ７２に設けてあるバルブ８８を閉じ、ポンプ７１を停止する。また凝縮器５８とパイプ７２を連結するパイプ８５部のバルブ８６を開く。これによって凝縮器５８内の熱媒蒸気はパイプ８５、バルブ８６を通って蒸発器７４内へ導入され、蒸発器７４をプラス温度に加熱する。これによって蒸発器７４の外面の固体（氷）１２−aは落下し、下方部の槽１０内へ落下し破砕される。

このようにポンプ７１による冷媒を蒸発器７４内へ導入する操作と、これを停止し、凝縮器５８内の熱媒蒸気を蒸発器７４内に一時的に注入する操作とを時間的に交互に行うことにより、蒸発器７４に成長した固体（氷）１２−aは順次破砕されて槽１０内へ貯えられる。このようにして貯えられた固体（氷）１２の解氷面積は著しく大きいので、金型３８へ冷熱を輸送する際に極めて低温度の冷熱を供給し易くなり、金型の冷却が行い易くなる。また低温度の冷熱が得やすいため同一熱量を輸送するに当たってポンプ３１、１５の輸送量を絞って送ることができ、省エネルギー面でも有利となる。

なお本発明において、各図における特徴ある構成はその他の図に組合わせて実施できることは言うまでもないことである。たとえば、図１の配管８に分岐接続したパイプ７−a,８−a蒸発器６−aによる追い掛け冷却の機能は、その他の図２から図７の実施例に組合わせて利用できるものである。また図７、図８は吸着式冷凍機を例にとり説明したが、これを吸収式冷凍機に変えても本発明の主旨は失わないものである。

本発明の蓄熱式金型冷却システムの一実施例の構成図。 本発明の蓄熱式金型冷却システムの他の実施例の構成図。 本発明の蓄熱式金型冷却システムの他の実施例の構成図。 本発明の蓄熱式金型冷却システムの他の実施例の構成図。 本発明の蓄熱式金型冷却システムの他の実施例の構成図。 本発明の蓄熱式金型冷却システムの他の実施例の構成図。 本発明の蓄熱式金型冷却システムの他の実施例の構成図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 凝縮器
４ ファン
５,５−a 減圧機構（膨張弁）
６ 蒸発器
７,８,９ 配管
１０ 蓄熱槽
１１ 液体（水）
１１−a,１１−b 液体
１２ 固体（氷）
１３ パイプ
１４ パイプ
１５ ポンプ
１６ パイプ
１７ 撹拌板
１８−a,１８−b パイプ
１９,１９−a バルブ
２１ 槽
２２ 仕切板
２３ コード
２４ 調節器
２５ センサー
２６ リード線
２７ 連絡線
３１ ポンプ
３２,３３,３４ パイプ
３５,３６,３７ バルブ
３８ 金型
５１,５２ 容器
５３,５４ 反応材
５５,５６ 加熱・冷却器
５７ 蒸発タンク
５８ 凝縮タンク
５９ 冷媒
６０ 熱交換器
６１,６２,６３,６４,６５ パイプ
６６,６７,６８,６９,７０ バルブ
７１ ポンプ
７２,７３ パイプ
７４ 蒸発器
７５ 放熱器
７６ ファン
７７ ポンプ
７８,７９ パイプ
８０ 熱交換器
８１ 散水管
８２ ポンプ
８３ パイプ
８４ バルブ
８５ パイプ
８６,８７,８８ バルブ
９０，９１ ポンプ
９２，９３，９４，９５ パイプ
１００ 冷凍部
２００ 蓄熱部
３００ 温度調節部
４００ 金型冷却部

Claims (2)

1. 冷凍部と金型冷却部間に蓄熱部を介在させ、冷凍部で発生した冷熱を一時的に蓄熱部に貯え、この冷熱を金型冷却が必要な時間帯に所望量熱輸送して金型を冷却するようにした蓄熱式金型冷却システム。
2. 蓄熱部と金型冷却部との間に温度調節機構を介在させた請求項１に記載の蓄熱式金型冷却システム。

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