JP2007290279A - 金型温度制御方法および金型温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金型の加熱および冷却に要する時間を短くすると共に構成を単純にする。
【解決手段】金型温度制御装置（１０）が、伝熱媒体流路が形成されている金型（２０）と、伝熱媒体を加熱して蒸気を発生させるボイラ（Ｂ）と、伝熱媒体の蒸気を凝縮するコンデンサ（Ｃ）と、伝熱媒体流路の他方の端部に接続されると共に凝縮した伝熱媒体を回収する伝熱媒体タンク（３５）とを含む。駆動時には、ボイラにより発生した伝熱媒体の蒸気を金型の伝熱媒体流路に供給することにより金型を加熱し、金型の伝熱媒体流路において凝縮して伝熱媒体タンクに回収された伝熱媒体を伝熱媒体流路に戻して該伝熱媒体流路において沸騰した伝熱媒体の蒸気を伝熱媒体流路の一方の端部を通じてコンデンサに供給することにより、金型を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型の温度を制御する金型温度制御方法およびこの方法を実施する金型温度制御装置に関する。

プラスチックを成形する際には、加熱溶融させた材料をシリンダなどによってノズルを通じて閉鎖金型内に射出する射出成型法が広範に用いられている。近年では、金型内面の微細形状をプラスチック成型品の表面に精密に転写するために、成型時の金型温度を高めることが求められている。金型温度を高めるために、例えば熱水または油などの伝熱媒体を使用するか、あるいは金型表面に電気ヒータを設置することなどが行われる。

ところが、金型の熱容量は比較的大きいため、加熱・冷却能力が不足する場合もある。このような場合には、金型の加熱および冷却に要する時間が長くなるので、成型品の生産性が低下することになる。このような事態を改善するために、発熱密度の高い電気ヒータを設置することが考えられるが、電気ヒータの使用に伴う付帯設備の大きさおよび費用が新たな問題になる。また、微少なプラスチック成型品を作成する場合には、電気ヒータを金型に設置すること自体が困難になり、金型温度を要求通りに上昇させられない場合もある。

特許文献１および特許文献２に開示される金型温度制御装置においては、電気ヒータの設置に代えて、伝熱媒体として蒸気を金型内部に流通させ、それにより、金型温度を高めるようにしている。このような蒸気の使用は、微少なプラスチック成型品を作成する場合に特に有利である。
特開平６−３１７８５号公報 特開平７−２７６３６９号公報

しかしながら、これら特許文献１、２に開示される金型温度制御装置においては、金型を加熱するための蒸気の発生源と、金型を冷却するための冷却水源とを別々に備える必要がある。このため、従来技術の金型温度制御装置は装置全体の構成が複雑になり、その製造費用が増すだけでなく、加熱用蒸気および冷却水のランニングコストもかなり増加することになる。

また、特許文献２においては、金型の冷却時に金型内部の蒸気を排出するための吸引ポンプが必要とされるので、金型温度制御装置の構成はさらに複雑になる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の場合と比較して金型の加熱および冷却に要する時間を短くできて構成が単純な金型温度制御方法およびこの方法を実施する金型温度制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、伝熱媒体流路が形成されている金型と、伝熱媒体を加熱して蒸気を発生させるボイラと、伝熱媒体の蒸気を凝縮するコンデンサとを具備し、前記ボイラおよびコンデンサは前記伝熱媒体流路の一方の端部に互いに切換可能に接続されており、さらに、前記伝熱媒体流路の他方の端部に接続されると共に凝縮した伝熱媒体を回収する伝熱媒体タンクとを具備し、前記ボイラにより発生した前記伝熱媒体の蒸気を前記金型の前記伝熱媒体流路に供給することにより前記金型を加熱し、前記金型の前記伝熱媒体流路において凝縮して前記伝熱媒体タンクに回収された前記伝熱媒体を前記伝熱媒体流路に戻して該伝熱媒体流路において沸騰した前記伝熱媒体の蒸気を前記伝熱媒体流路の前記一方の端部を通じて前記コンデンサに供給することにより、前記金型を冷却するようにした金型温度制御装置が提供される。

すなわち１番目の発明においては、伝熱媒体の蒸気が伝熱媒体流路内で凝縮する際の凝縮熱伝達によって金型を加熱でき、また伝熱媒体流路に再び供給された凝縮後伝熱媒体の沸騰蒸発により金型を冷却できる。つまり、１番目の発明においては、加熱作用および冷却作用の両方において熱伝達率の高い相変化伝熱を用いているので、加熱および冷却に要する時間を短くでき、結果的に成型品の生産性を高められる。さらに、１番目の発明においては、加熱時に凝縮した伝熱媒体を冷却水の代わりに使用する、つまり加熱および冷却に同一の伝熱媒体を使用している。従って、蒸気の発生源と冷却水源の両方が必要とされる従来技術の場合と比較して、金型温度制御装置の構成が単純になり、またランニングコストを低下させられる。さらに１番目の発明においては、冷却時に沸騰蒸発した伝熱媒体の蒸気をコンデンサにおいて再び凝縮させられる。なお、冷却作用の開始時には、伝熱媒体流路の一方の端部を予めコンデンサに切換えておくのが好ましい。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記金型の冷却時には、前記伝熱媒体流路内の圧力が限界熱流束条件近傍となるように、前記コンデンサと前記伝熱媒体流路との間の圧力差を制御しつつ前記伝熱媒体を沸騰させるようにした。
すなわち、２番目の発明においては、沸騰液膜が切れるのを回避できるので、金型を迅速に冷却できる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、さらに、前記金型温度制御装置に接続された吸引ポンプを具備し、前記金型温度制御装置内の不凝縮ガスは前記吸引ポンプによって予め排除されている。
すなわち３番目の発明においては、不凝縮ガスを予め排除するので、金型温度制御装置のシステム内は伝熱媒体の蒸気により満たされる。この目的のために、伝熱媒体はボイラに供給する前に、予め脱気しておくのが好ましい。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、さらに、前記伝熱媒体通路の他方の端部と前記伝熱媒体タンクとの間に配置された第一ポンプを具備し、該第一ポンプは前記伝熱媒体タンクに収容された前記伝熱媒体を前記伝熱媒体流路に戻すのに使用される。
すなわち４番目の発明においては、第一ポンプを駆動すれば、伝熱媒体を伝熱媒体流路に短時間で戻せるので、金型の冷却作用を迅速に開始できる。

５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、さらに、前記コンデンサと前記ボイラとの間に配置された第二ポンプを具備し、該第二ポンプは前記コンデンサにおいて凝縮した伝熱媒体を前記ボイラまで供給するのに使用される。
すなわち５番目の発明においては、ボイラ内の伝熱媒体が不足した場合には、第二ポンプを駆動して、コンデンサ内の伝熱媒体でもって補うことができる。

６番目の発明によれば、４番目の発明において、前記金型内における前記伝熱媒体流路には、凝縮した伝熱媒体を収容する伝熱媒体室が形成されている。
すなわち６番目の発明においては、金型の伝熱媒体流路において凝縮した一部の伝熱媒体を伝熱媒体室に一時的に収容できる。伝熱媒体室が凝縮後の伝熱媒体で完全に充填された場合には、第一ポンプを逆転方向に駆動して伝熱媒体室の伝熱媒体を伝熱媒体タンクまで移動させられる。

７番目の発明によれば、１番目から６番目のいずれかの発明において、さらに、別の伝熱媒体流路が形成されている別の金型とを具備し、前記ボイラは前記別の伝熱媒体流路の一方の端部に前記金型と切換可能に接続されており、

さらに、前記別の伝熱媒体流路の他方の端部に接続されていて凝縮した伝熱媒体を収容する別の伝熱媒体タンクと、前記金型の前記伝熱媒体流路と前記別の金型の前記別の伝熱媒体流路とを連通させるのに使用される開閉弁とを具備し、前記金型の加熱時または冷却時の初期には、前記開閉弁を開放して、前記金型の前記伝熱媒体流路と前記別の金型の前記別の伝熱媒体流路との間で前記伝熱媒体を流通させるようにした。
すなわち７番目の発明においては、二つの金型の間の温度差が比較的大きい加熱時または冷却時の初期に、それぞれの金型の伝熱媒体を加熱または冷却のために使用できる、これにより、両方の金型の加熱または冷却に必要とされるエネルギ消費を抑えることができる。なお、二つの金型の温度が概ね等しくなった後においては、それぞれの金型をボイラまたはコンデンサに切換えれば足りる。

８番目の発明によれば、金型に形成された伝熱媒体流路の一方の端部から伝熱媒体の蒸気を前記伝熱媒体流路に供給することにより前記金型を加熱し、前記伝熱媒体流路において凝縮して前記伝熱媒体流路の他方の端部から流出した伝熱媒体を伝熱媒体タンクに回収し、前記伝熱媒体の蒸気の供給を停止し、前記伝熱媒体タンクに収容された前記伝熱媒体を前記伝熱媒体流路の他方の端部から前記伝熱媒体流路に戻して該伝熱媒体流路において沸騰した前記伝熱媒体の蒸気を前記伝熱媒体流路の前記一方の端部を通じてコンデンサに供給することにより、前記金型を冷却する金型温度制御方法が提供される。

すなわち８番目の発明においては、伝熱媒体の蒸気が伝熱媒体流路内で凝縮する際の凝縮熱伝達によって金型を加熱でき、また伝熱媒体流路に再び供給された凝縮後伝熱媒体の沸騰蒸発により金型を冷却できる。つまり、８番目の発明においては、加熱作用および冷却作用の両方において熱伝達率の高い相変化伝熱を用いているので、加熱および冷却に要する時間を短くでき、結果的に成型品の生産性を高められる。さらに、８番目の発明においては、加熱時に凝縮した伝熱媒体を冷却水の代わりに使用する、つまり加熱および冷却に同一の伝熱媒体を使用している。従って、蒸気の発生源と冷却水源の両方が必要とされる従来技術の場合と比較して、金型温度制御装置の構成が単純になり、またランニングコストを低下させられる。さらに８番目の発明においては、冷却時に沸騰蒸発した伝熱媒体の蒸気をコンデンサにおいて再び凝縮させられる。なお、冷却作用の開始時には、伝熱媒体流路の一方の端部を予めコンデンサに切換えておくのが好ましい。

９番目の発明によれば、８番目の発明において、前記金型の冷却時には、前記伝熱媒体流路内の圧力が限界熱流束条件近傍となるように、前記コンデンサと前記伝熱媒体流路との間の圧力差を制御しつつ前記伝熱媒体を沸騰させるようにした。
すなわち、９番目の発明においては、沸騰液膜が切れるのを回避できるので、金型を迅速に冷却できる。

１０番目の発明によれば、８番目または９番目の発明において、前記金型を加熱する前に、少なくとも前記金型の前記伝熱媒体流路内の不凝縮ガスを排除する。
すなわち１０番目の発明においては、不凝縮ガスを予め排除するので、金型温度制御装置のシステム内は伝熱媒体の蒸気により満たされる。この目的のために、伝熱媒体はボイラに供給する前に、予め脱気しておくのが好ましい。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明の第一の実施形態に基づく金型温度制御装置の概念図である。図１に示される金型温度制御装置１０の金型２０は固定型２１と可動型２２とからなり、可動型２２が固定型２１に対して移動することにより金型２０は開閉する。これら固定型２１と可動型２２の当接面にはキャビティ（図示しない）が形成されている。金型２０は例えば射出成形を行うのに使用され、加熱溶融させた材料がシリンダ（図示しない）などによってキャビティに供給され、周知の手法により金型２０内で成形される。

図示されるように、固定型２１および可動型２２には当接面に沿って延びる伝熱媒体流路２５、２６がそれぞれ形成されている。これら伝熱媒体流路２５、２６のそれぞれの下端２５ｂ、２６ｂには伝熱媒体室２７、２８が形成されている。図１から分かるように、伝熱媒体室２７、２８の当接面側の面は伝熱媒体流路２５、２６と同一平面になっており、伝熱媒体室２７、２８の反対側の面が当接面から離れる方向に延びている。後述するように、これら伝熱媒体室２７、２８は凝縮した伝熱媒体の一部を一時的に保管する役目を果たす。

伝熱媒体室２７、２８から固定型２１および可動型２２の外側までそれぞれ延びる配管４１、４２は配管４３として互いに合流し、伝熱媒体タンク３５に接続している。配管４３には第一ポンプＰ１が配置されている。第一ポンプＰ１は正転時には伝熱媒体タンク３５内の伝熱媒体を伝熱媒体室２７、２８まで供給すると共に、逆転時には伝熱媒体室２７、２８内の伝熱媒体を伝熱媒体タンク３５まで供給する。

図１に示されるように、金型温度制御装置１０は、コンデンサＣとボイラＢとをさらに含んでいる。これらコンデンサＣおよびボイラＢには伝熱媒体がそれぞれ適量ずつ充填されている。本発明の金型温度制御装置１０において使用される伝熱媒体は、例えば水であり、以下、伝熱媒体が液体の水であるものとして説明するが、伝熱媒体が金型２０の温度制御条件に適した他の流体、例えばフルオロカーボンまたはアンモニア等の冷媒であってもよい。

図１に示されるように、ボイラＢは、図示しない電源に接続された電気ヒータ３１を含んでいる。電気ヒータ３１はボイラＢにおける伝熱媒体に浸漬されている。このため、電気ヒータ３１は伝熱媒体を加熱して伝熱媒体の蒸気を発生させるのに十分な温度にまで昇温できる。

また、コンデンサＣは、図示しない冷媒源において冷却された冷媒を循環する冷媒循環路３２を含んでいる。冷媒循環路３２はコンデンサＣにおける伝熱媒体よりも上方に位置決めされている。コンデンサＣに供給された伝熱媒体の蒸気は冷媒循環路３２の表面において冷却されて凝固し、コンデンサＣ内に貯留される。

さらに、図示されるように、コンデンサＣ内の伝熱媒体とボイラＢ内の伝熱媒体とは配管４４によって互いに接続されている。配管４４に設けられる第二ポンプＰ２はコンデンサＣ内の伝熱媒体をボイラＢまで搬送する役目を果たす。

また、コンデンサＣおよびボイラＢからそれぞれ延びる配管４５、４６は切換弁Ｖ１に接続している。切換弁Ｖ１から延びる配管４７は配管４８、４９に分岐している。これら配管４８、４９は伝熱媒体流路２５、２６の上端２５ａ、２６ａにそれぞれ接続している。なお、コンデンサＣと切換弁Ｖ１とを接続する配管４５には、流量調整弁Ｖ２が設けられている。この流量調整弁Ｖ２は例えばＰＩＣコントロールバルブであり、通常は開放状態にある。

さらに、配管４５、４６、４７の途中から延びる細管９５、９６、９７は互いに合流して吸引ポンプＰ３に接続されている。これら細管９５、９６、９７には開閉弁がそれぞれ設けられており、これら三つの開閉弁をまとめて開閉弁Ｖ３と呼ぶ。また、図面には示さないものの、開閉弁を備えた別の細管が他の配管４１〜４４を吸引ポンプＰ３に接続していてもよい。なお、各弁、ポンプ、ボイラＢおよびコンデンサＣはデジタルコンピュータなどの制御装置（図示しない）に接続されており、この制御装置が金型温度制御装置１０全体の動作を制御するものとする。

本発明の金型温度制御装置１０に含まれる固定型２１および可動型２２の伝熱媒体流路２５、２６、伝熱媒体タンク３５、ボイラＢ、コンデンサＣ、第一ポンプＰ１、第二ポンプＰ２、切換弁Ｖ１、流量調整弁Ｖ２ならびに配管４１〜４９は互いに流体密に接続されている。従って、金型温度制御装置１０の駆動時に伝熱媒体が金型温度制御装置１０から漏洩することはない。また、配管４１〜４９による圧力損失は十分に小さく、その影響は無視できるものとする。

本発明の金型温度制御装置１０を動作させるにあたって、はじめに細管９５、９６、９７上の開閉弁Ｖ３を開放して、吸引ポンプＰ３を駆動する。これにより、金型温度制御装置１０内に存在していた不凝縮ガス、例えば空気は細管９５、９６、９７を通じて金型温度制御装置１０外部に排出される。その結果、金型温度制御装置１０のシステム内は伝熱媒体の蒸気で充満されるようになる。不凝縮ガスの排出後は、開閉弁Ｖ３を閉鎖して吸引ポンプＰ３を停止する。

なお、開閉弁Ｖ３の閉鎖後においては、新たな不凝縮ガスが金型温度制御装置１０内部で発生した場合、例えば金型温度制御装置１０内の伝熱媒体から空気が発生した場合などを除いて、吸引ポンプＰ３を再駆動する必要はない。このため、金型温度制御装置１０において使用される伝熱媒体は予め脱気しておくのが好ましく、それにより、金型温度制御装置１０の駆動時に伝熱媒体内の溶存空気が金型温度制御装置１０内に発生するのを抑制することができる。

ボイラＢおよびコンデンサＣを予め駆動する。ボイラＢ内の伝熱媒体は電気ヒータ３１によって蒸気となり、ボイラＢ内部を充填するので、ボイラＢ内の圧力はコンデンサＣ内の圧力よりも高くなる。

図２は金型温度制御装置１０の動作を示すタイムチャートである。具体的には、図２におけるタイムチャートは切換弁Ｖ１、第一ポンプＰ１および金型２０の状態を示している。さらに、図３（ａ）および図３（ｂ）のそれぞれは、加熱作用から冷却作用への切換時における金型の圧力と時間との関係および金型の温度と時間との関係の一例を示す図である。これら図面においては横軸は時間を示しており、縦軸はそれぞれ金型の伝熱媒体流路２５、２６における圧力および温度を示している。以下、これら図面を参照しつつ、本発明の金型温度制御装置１０の動作について説明する。

はじめに、図２に示される時間ｔ０において切換弁Ｖ１をボイラＢ側に切換える。ボイラＢ内の圧力は伝熱媒体の蒸気によって高くなっているので、ボイラＢ内の伝熱媒体の蒸気が配管４６、４７、４８、４９を通って固定型２１および可動型２２の伝熱媒体流路２５、２６にそれぞれ流入する。従って、伝熱媒体流路２５、２６内の圧力はボイラＢの圧力に応じた圧力、例えば９ｋＰａまで上昇する。

これにより、伝熱媒体の蒸気が凝縮熱伝達を生じさせ、伝熱媒体流路２５、２６の内壁を通じて固定型２１および可動型２２全体が加熱されるようになる。従って、金型２０は所望の温度、例えば４０℃まで上昇する（図３（ｂ）を参照されたい）。凝縮熱伝達は金型の温度が蒸気の飽和温度よりも低い箇所で集中的に生じるので、固定型２１および可動型２２は所望の温度まで概ね均等に加熱される。伝熱媒体の相変化伝熱が生じる温度は伝熱媒体の圧力によって定まるので、ボイラＢ内の圧力は金型２０を所望の加熱温度にするのに適した圧力に予め調節されているものとする。

図３（ｂ）における破線Ｘ１は伝熱媒体流路２５、２６内の温度を示しており、実線Ｘ２は金型２０のキャビティの温度を示している。金型２０を加熱するにあたって、キャビティの温度が伝熱媒体流路２５、２６の温度よりもわずかながら遅れて上昇するのが分かるであろう。

金型２０を加熱しているときには、伝熱媒体の蒸気はボイラＢから金型２０の伝熱媒体流路２５、２６まで連続的に供給される。一方、伝熱媒体流路２５、２６において蒸気から液体に凝縮した伝熱媒体は伝熱媒体室２７、２８に一時的に収容される。そして、これら伝熱媒体室２７、２８が液体の伝熱媒体により完全に満たされると、図２の時刻ｔ１において第一ポンプＰ１が逆転方向に駆動して、伝熱媒体室２７、２８内の伝熱媒体が伝熱媒体タンク３５まで搬送される。

このような加熱作用を所定時間にわたって行うことによって金型２０のキャビティに充填された材料の附形が終了すると、第一ポンプＰ１を正転方向に駆動して（時刻ｔ２）、伝熱媒体タンク３５内の伝熱媒体を伝熱媒体流路２５、２６に再び戻す。そして、第一ポンプＰ１の正転方向駆動と同時に、切換弁Ｖ１を比較的低圧のコンデンサＣ側に切換える。

これにより、伝熱媒体流路２５、２６内の圧力は低下し、伝熱媒体流路２５、２６内の伝熱媒体は比較的低温であっても沸騰する。従って、固定型２１および可動型２２は冷却されるようになる（図３（ｂ）を参照されたい）。伝熱媒体流路２５、２６中での伝熱媒体の沸騰による冷却を効率化するために、金型温度制御装置１０中の不凝縮ガスは十分に排除され、制御装置内の圧力がそれぞれの位置における温度に対応した飽和圧力、例えば水を伝熱媒体とする場合、２０℃で２．３ｋＰａとなっているものとする。

金型２０の冷却時に生じた伝熱媒体の蒸気は配管４８、４９、４７および配管４５を通じてコンデンサＣに流入する。そして、コンデンサＣに流入した伝熱媒体の蒸気は冷媒循環路３２の表面において凝縮し、液体の伝熱媒体としてコンデンサＣ内に貯留される。

金型２０が所定の温度まで冷却されると、可動型２２を固定型２１から離間させてキャビティ内の成型品を取出し、可動型２２を固定型２１に当接させ、次の加熱溶融材料をキャビティに充填する。そして、金型２０を加熱させる準備が終了すると、時刻ｔ３において第一ポンプＰ１を停止して切換弁Ｖ１をボイラＢ側に切換えて、前述した加熱作用を行う。その後は、前述したのと同様に冷却作用を行い、以下、加熱作用およびび冷却作用を繰返すものとする。

このような加熱作用および冷却作用を繰返すと、ボイラＢ内の伝熱媒体量は次第に少なくなり、その代わりにコンデンサＣ内の伝熱媒体量が増加する。従って、所定の回数だけ加熱作用および冷却作用を繰返した後で、第二ポンプＰ２を駆動し、それにより、コンデンサＣ内の伝熱媒体の一部をボイラＢまで搬送する。つまり、ボイラＢ内の伝熱媒体が不足した場合には、コンデンサＣ内の伝熱媒体でもって補うようにする。このため、本発明においては、ボイラＢおよびコンデンサＣ内の伝熱媒体量を所定の範囲内に維持することができる。

このように、本発明においては加熱作用および冷却作用の両方において熱伝達率の高い相変化伝熱を利用しているので、加熱および冷却に要する時間を短くでき、結果的に成型品の生産性を高められる。さらに、本発明においては、加熱および冷却に同一の伝熱媒体を使用しているので、金型温度制御装置１０の構成が単純になる。

また、吸引ポンプＰ３によって金型温度制御装置１０を減圧した後においては吸引ポンプＰ３を再駆動する必要はなく、また、従来技術のように蒸気の発生源と冷却水源の両方を必要とすることがない。従って、本発明の金型温度制御装置１０においては、従来技術の場合と比較してランニングコストを低下させられる。

さらに、本発明においては、金型２０に伝熱媒体流路２５、２６等を形成して、その内面を加熱および冷却のための伝熱面として使用している。このような伝熱媒体流路２５、２６等は比較的小型の金型２０であっても形成することができるので、本発明の金型温度制御装置１０は、電気ヒータの設置場所が制限されるマイクロ射出成形の場合などに特に有利である。

ところで、図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ金型の加熱時および冷却時における過熱度と熱流束値との関係の一例を示す図である。これら図面において横軸は過熱度ΔＴ、すなわち伝熱媒体蒸気の飽和温度と金型２０温度との間の温度差を示しており、縦軸は伝熱媒体流路２５、２６の表面における熱流束値ｑを示している。なお、図４（ａ）においては金型加熱熱流束を正とし、図４（ｂ）においては冷却熱流束を負としている。

図４（ａ）から分かるように、金型２０の加熱時における熱流束値ｑは過熱度ΔＴに比例している。このため、金型２０を加熱する際には、より飽和温度の高い蒸気、すなわちより圧力の高い蒸気を用いるのが好ましく、これにより、金型２０の加熱に要する時間をより短くすることが可能となる。

また、図４（ｂ）から分かるように、金型２０の冷却時における熱流束値ｑは過熱度ΔＴの３乗に概ね比例している。すなわち、金型２０を冷却する際には、伝熱媒体蒸気を低下させることにより、より短時間での冷却が可能となる。ただし、コンデンサＣ内の圧力によって定まる飽和温度と金型２０の温度との間の温度差（過熱度）が所定の値よりも大きい場合には沸騰液膜が切れて熱流束が減少する限界熱流束条件に至り、冷却性能が低下する。従って、伝熱媒体の蒸気圧力が限界熱流束条件を越えない範囲で当該蒸気圧力が最も低くなるように調節するのが好ましく、それにより、金型２０を迅速に冷却することができる。伝熱媒体の蒸気圧力の調整は流量調整弁Ｖ２により行うようにし、冷却開始時からの経過時間に応じてコンデンサＣに流れる蒸気圧力を徐々に低下させるようにする。

さらに、図５は或る実験例において金型の温度と時間との関係を示す他の例図である。図５において横軸は時間を示しており、縦軸は金型２０の温度を示している。図５における実線Ｙ１は金型２０のキャビティの温度を表しており、破線Ｙ２は伝熱媒体流路２５、２６の温度を表している。なお、図５における実線Ｙ０は、電気ヒータによる加熱と冷却水による冷却とを行うようにした従来技術の金型の温度を表している。

図５に示されるように、金型２０を加熱して例えば５０℃まで冷却させることを望む場合には、従来技術の場合には時間Ａ３が必要とされる。一方、本発明の金型温度制御装置１０を用いた場合には、加熱と冷却との両方に要する時間は時間Ａ１またはＡ２まで短縮できる。図５から分かるように、本発明の金型温度制御装置１０によって加熱および冷却に要する時間の総量を約１５％から約２０％程度だけ短縮できる。

なお、図５においては、金型２０の冷却の初期段階Ｚ１と後期段階Ｚ２とではコンデンサＣに流入する伝熱媒体の蒸気圧力を変化させている。すなわち、後期段階Ｚ２における蒸気圧力は初期段階Ｚ１における蒸気圧力よりも低く設定されている。そして、初期段階Ｚ１と後期段階Ｚ２との間の領域においては流量調整弁Ｖ２を閉鎖している。前述したように、このような制御を行うことによって、伝熱媒体の蒸気圧力が限界熱流束条件を越えない範囲で低くなるような調節ができ、その結果、金型２０を迅速に冷却することが可能となる。当然のことながら、流量調整弁Ｖ２の閉鎖段階を設けることなしに、冷却開始時からの経過時間に応じて蒸気圧力を徐々に小さくするようにしてもよい。

図６は本発明の第二の実施形態に基づく金型温度制御装置の概念図である。第二の実施形態において前述したのと同じ部材については説明を省略する。図６に示される金型温度制御装置１０’は金型２０に加えて他の金型５０をさらに備えている。金型５０は金型２０と同一の構成であり、伝熱媒体流路５５および伝熱媒体室５７が形成されている固定型５１と、伝熱媒体流路５６および伝熱媒体室５８が形成されている可動型５２とを含んでいる。また、図示されるように、伝熱媒体室５７、５８から延びる配管７５、７６は配管７７に合流して伝熱媒体タンク６５に接続されている。配管７７上には、第一ポンプＰ１と同様な構成の他のポンプＰ１’が配置されている。

また、第二の実施形態においては、配管４７が延びる切換弁Ｖ１は配管４５、４６を接続する配管７１に設けられている。そして、図示されるように、配管４５、４６は他の切換弁Ｖ１’にも接続している。他の切換弁Ｖ１’から延びる配管７３は途中で配管７８、７９に分岐しており、これら配管７８、７９は伝熱媒体流路５５、５６の上端にそれぞれ接続している。

さらに、第二の実施形態においては、切換弁Ｖ１から延びる配管４７と他の切換弁Ｖ１’から延びる配管７３とが、配管７４によって互いに接続されている。そして、開閉弁Ｖ４が配管７４に設けられている。また、図示されるように、吸引ポンプＰ３から延びる細管９５、９６、９７、９８は配管４５、配管４６、配管４７、配管７３にそれぞれ接続されている。なお、これら開閉弁Ｖ４およびポンプＰ１’も制御装置（図示しない）に接続されているものとする。

第二の実施形態における金型２０および他の金型５０の加熱作用および冷却作用は図１等を参照して説明したのと概ね同様であり、それぞれの金型２０、５０に対応するポンプＰ１、Ｐ１’および切換弁Ｖ１、Ｖ１’を前述したように動作させることにより行われる。

図７は第二の実施形態に基づく金型温度制御装置のタイムチャートである。図７に示されるように、第二の実施形態においては金型２０と他の金型５０の加熱および冷却作用は交互に行われる。すなわち、金型２０が加熱状態にあるときには他の金型５０は冷却状態にあり、他の金型５０が加熱状態にあるときには金型２０は冷却状態にある。

ただし、図７から分かるように、加熱作用と冷却作用とを切換えるときには、切換弁Ｖ１および他の切換弁Ｖ１’はＯＦＦ状態、すなわちボイラＢおよびコンデンサＣの両方に一時的に接続しないようにする。そして、これら切換弁Ｖ１、Ｖ１’がＯＦＦ状態にあるときに、開閉弁Ｖ４を開放し、高温側金型のポンプＰ１もしくはＰ１’を正転方向に運転して伝熱媒体を伝熱媒体流路２５、２６もしくは伝熱媒体流路５５、５６に戻す。これにより、高温側の金型、つまり加熱作業が直前まで行われていた金型においては、伝熱媒体が沸騰し、それにより、金型が冷却される。同時に、低温側の金型、つまり冷却作業が直前まで行われていた金型においては、高温側の金型から伝熱媒体の蒸気が流入して凝縮し、それにより、金型の加熱が行われる。

言い換えれば、第二の実施形態においては、高温側の金型をボイラＢとして、および低温側の金型をコンデンサＣとして一時的に利用する。第二の実施形態においては、加熱作用および冷却作用の初期において、ボイラＢおよびコンデンサＣを一時的に利用しないようにしているので、両方の金型の加熱または冷却に必要とされるエネルギ消費を抑えることが可能となる。

このような金型の利用は、二つの金型の間の温度差が比較的大きい切換直後にのみ行われる。或る程度の時間が経過すると二つの金型の温度は概ね等しくなるので、第二の実施形態においては、所定の時間Ｔ０が経過すると、切換弁Ｖ１、Ｖ１’を本来の切換対象（ボイラＢまたはコンデンサＣ）に切換えると共に開閉弁Ｖ４を閉鎖する。これにより、第一の実施形態の場合と同様の加熱作用および冷却作用が行われるようになる。

なお、さらに多数の金型を使用することは本発明の範囲に含まれるものとする。

本発明の第一の実施形態に基づく金型温度制御装置の概念図である。 図１に示される金型温度制御装置の各要素の動作を示すタイムチャートである。 （ａ）加熱作用から冷却作用への切換時における金型の圧力と時間との関係の一例を示す図である。（ｂ）加熱作用から冷却作用への切換時における金型の温度と時間との関係の一例を示す図である。 （ａ）金型の加熱時における過熱度と熱流束値との関係の一例を示す図である。（ｂ）金型の冷却時における過熱度と熱流束値との関係の一例を示す図である。 金型の温度と時間との関係を示す他の例図である。 本発明の第二の実施形態に基づく金型温度制御装置の概念図である。 図６に示される金型温度制御装置のタイムチャートである。

符号の説明

１０、１０’ 金型温度制御装置
２０ 金型
２５、２６ 伝熱媒体流路
２５ａ、２６ａ 上端
２５ｂ、２６ｂ 下端
２７、２８ 伝熱媒体室
３１ 電気ヒータ
３２ 冷媒循環路
３５ 伝熱媒体タンク
４１〜４９ 配管
５０ 金型
５５、５６ 伝熱媒体流路
５７、５８ 伝熱媒体室
６５ 伝熱媒体タンク
７１、７３〜７９ 配管
９５、９６、９７、９８ 細管
Ｂ ボイラ
Ｃ コンデンサ
Ｐ１、Ｐ１’ 第一ポンプ
Ｐ２ 第二ポンプ
Ｐ３ 吸引ポンプ
Ｖ１、Ｖ１’ 切換弁
Ｖ２ 流量調整弁
Ｖ３ 開閉弁
Ｖ４ 開閉弁

Claims (10)

1. 伝熱媒体流路が形成されている金型と、
   伝熱媒体を加熱して蒸気を発生させるボイラと、
   伝熱媒体の蒸気を凝縮するコンデンサとを具備し、
   前記ボイラおよびコンデンサは前記伝熱媒体流路の一方の端部に互いに切換可能に接続されており、
   さらに、
   前記伝熱媒体流路の他方の端部に接続されると共に凝縮した伝熱媒体を回収する伝熱媒体タンクとを具備し、
   前記ボイラにより発生した前記伝熱媒体の蒸気を前記金型の前記伝熱媒体流路に供給することにより前記金型を加熱し、
   前記金型の前記伝熱媒体流路において凝縮して前記伝熱媒体タンクに回収された前記伝熱媒体を前記伝熱媒体流路に戻して該伝熱媒体流路において沸騰した前記伝熱媒体の蒸気を前記伝熱媒体流路の前記一方の端部を通じて前記コンデンサに供給することにより、前記金型を冷却するようにした金型温度制御装置。
2. 前記金型の冷却時には、前記伝熱媒体流路内の圧力が限界熱流束条件近傍となるように、前記コンデンサと前記伝熱媒体流路との間の圧力差を制御しつつ前記伝熱媒体を沸騰させるようにした請求項１に記載の金型温度制御装置。
3. さらに、前記金型温度制御装置に接続された吸引ポンプを具備し、前記金型温度制御装置内の不凝縮ガスは前記吸引ポンプによって予め排除されている請求項１または２に記載の金型温度制御装置。
4. さらに、前記伝熱媒体通路の他方の端部と前記伝熱媒体タンクとの間に配置された第一ポンプを具備し、該第一ポンプは前記伝熱媒体タンクに収容された前記伝熱媒体を前記伝熱媒体流路に戻すのに使用される請求項１から３のいずれか一項に記載の金型温度制御装置。
5. さらに、前記コンデンサと前記ボイラとの間に配置された第二ポンプを具備し、該第二ポンプは前記コンデンサにおいて凝縮した伝熱媒体を前記ボイラまで供給するのに使用される請求項１から４のいずれか一項に記載の金型温度制御装置。
6. 前記金型内における前記伝熱媒体流路には、凝縮した伝熱媒体を収容する伝熱媒体室が形成されている請求項４に記載の金型温度制御装置。
7. さらに、別の伝熱媒体流路が形成されている別の金型とを具備し、前記ボイラは前記別の伝熱媒体流路の一方の端部に前記金型と切換可能に接続されており、
   さらに、前記別の伝熱媒体流路の他方の端部に接続されていて凝縮した伝熱媒体を収容する別の伝熱媒体タンクと、
   前記金型の前記伝熱媒体流路と前記別の金型の前記別の伝熱媒体流路とを連通させるのに使用される開閉弁とを具備し、
   前記金型の加熱時または冷却時の初期には、前記開閉弁を開放して、前記金型の前記伝熱媒体流路と前記別の金型の前記別の伝熱媒体流路との間で前記伝熱媒体を流通させるようにした請求項１から６のいずれか一項に記載の金型温度制御装置。
8. 金型に形成された伝熱媒体流路の一方の端部から伝熱媒体の蒸気を前記伝熱媒体流路に供給することにより前記金型を加熱し、
   前記伝熱媒体流路において凝縮して前記伝熱媒体流路の他方の端部から流出した伝熱媒体を伝熱媒体タンクに回収し、
   前記伝熱媒体の蒸気の供給を停止し、
   前記伝熱媒体タンクに収容された前記伝熱媒体を前記伝熱媒体流路の他方の端部から前記伝熱媒体流路に戻して該伝熱媒体流路において沸騰した前記伝熱媒体の蒸気を前記伝熱媒体流路の前記一方の端部を通じてコンデンサに供給することにより、前記金型を冷却する金型温度制御方法。
9. 前記金型の冷却時には、前記伝熱媒体流路内の圧力が限界熱流束条件近傍となるように、前記コンデンサと前記伝熱媒体流路との間の圧力差を制御しつつ前記伝熱媒体を沸騰させるようにした請求項８に記載の金型温度制御方法。
10. 前記金型を加熱する前に、少なくとも前記金型の前記伝熱媒体流路内の不凝縮ガスを排除する請求項８または９に記載の金型温度制御方法。

Images