JP2012000835A - 射出成形機のスクリュ温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度調整の応答性や熱交換効率に優れ、且つ簡易な構造を有するスクリュ温度調整装置を提供する。
【解決手段】熱交換媒体を用いてスクリュ２の温度を調整するための射出成形機のスクリュ温度調整装置９に係る。スクリュ２のスクリュ軸４の外周面を被覆する第１のジャケット１０と、第１のジャケット１０の内周面に形成された溝１１とスクリュ軸４の外周面とで形成された熱交換媒体を流す流路１２と、を備える。流路１２は、第１のジャケット１０の外周面から熱交換媒体を溝１１へ供給するための供給口１３と、溝１１から熱交換媒体を第１のジャケット１０の外周面へ排出するための排出口１４と、を有し、溝１１は、供給口１３から排出口１４まで一定の流路幅を保つように形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、射出成形機のスクリュ温度制御装置に関する。特に、熱交換媒体を用いてスクリュの温度を調整する射出成形機のスクリュ温度制御装置に関する。

樹脂材料を射出成形する際に用いられる射出成形機は、樹脂材料を融解するためのシリンダと、該シリンダの内部にシリンダの軸方向に沿って移動可能且つシリンダの軸周りに回転可能なスクリュと、を備えている。スクリュは、スクリュ軸と該スクリュ軸の外周面に螺旋状に形成されたブレードとを含んでいる。スクリュの回転に伴って該ブレードから力を受けて樹脂材料が射出成形機の射出口の方へ運ばれる。

シリンダの内部における樹脂材料の搬送は、シリンダやブレードと樹脂材料との間で生じる摩擦抵抗の大きさに依存する。具体的には、ブレードと樹脂材料との間の摩擦抵抗が、シリンダと樹脂材料との間の摩擦抵抗よりも小さい場合、樹脂材料はブレードを滑り、シリンダの内周面に沿って射出口の方へ搬送される。ブレードと樹脂材料との間の摩擦抵抗が、シリンダと樹脂材料との間の摩擦抵抗よりも大きい場合には、樹脂材料はシリンダの内周面を滑り、ブレードと一体となって回転するため、射出口の方へ搬送されなくなる。

射出口方向への樹脂材料の搬送が行われなくなると、シリンダの内部で樹脂材料の密度が不均一になる。その結果、射出成形後の成形品の重量や密度に偏りが生じ、均一な成形品を得られなくなるといった問題が生ずる場合があった。

シリンダやブレードと樹脂材料との間の摩擦抵抗の大きさは、シリンダやブレード及び樹脂材料の温度によって大きく変化する。そのため、シリンダや、ブレードを有するスクリュの温度を調整することが求められていた。

射出成形機に固設されているシリンダでは、ヒータやその他の温度調整手段を設けて比較的簡単に温度制御を行うことができるため、従来から数多くのシリンダ温度調整装置および調整方法が提案されている。

一方、射出成形機本体に対して直線運動や回転運動といった複雑な動きをするスクリュでは、電気的な接続を必要とするヒータや温度調整手段の取り付けが難しく、スクリュの温度調整はあまり行われていなかった。

そこで、特許文献１や特許文献２では、例えば温調水といった熱交換媒体を用いてスクリュの温度調整を行うスクリュ温度調整装置が開示されている。スクリュ温度調整装置には、熱交換媒体の流量や温度などを制御する熱交換媒体制御手段が設けられている。テレメータを用いてスクリュの温度検出値を熱交換媒体制御手段へ送り、スクリュの温度が予め設定された温度になるように熱交換媒体制御手段によって熱交換媒体の流量や温度などが制御されている。

特開平９−１６１２号公報 特許第３５１５２４５号公報

特許文献１では、スクリュ軸の内部にスクリュ軸の軸方向に沿って深穴を穿設し、該深穴に熱交換媒体を流通させてスクリュと熱交換媒体との間の熱交換を行うスクリュ温度調整装置が開示されている。熱交換媒体がスクリュに直接当たるため、スクリュ温度の応答性や熱交換の効率が高められる。

特許文献１で開示されているスクリュ温度調整装置では、スクリュ軸の軸方向に沿って深穴を加工することは難しく、加工のコストが高くなる虞がある。特に、スクリュの外径が小さくなるほど深穴の加工はより難しくなり、加工のコストがより高くなる。また、スクリュ軸の内部に深穴を形成した場合、スクリュの強度が低下し、スクリュの耐久性の低下を招くかもしれない。

特許文献２では、熱交換媒体の流路が形成されたジャケットを備えたスクリュ温度調整装置が開示されている。スクリュ軸の外周面を被覆するようにジャケットを設け、該流路に熱交換媒体を流すことによって熱交換媒体とスクリュとの間の熱交換が行われる。

特許文献２で開示されているスクリュ温度調整装置では、流路とスクリュ軸との間はジャケットで隔てられており、熱交換媒体がスクリュ軸に直接当たらないようになっている。スクリュと熱交換媒体との間の熱交換が、ジャケットを間に挟んで行われるため、スクリュ温度の応答性や熱交換効率の向上に限界がある。特に、スクリュ軸とジャケットとの間に隙間が形成されている場合には、スクリュの熱が空気層を介して授受されるため、温度調整の応答性や熱交換効率がより低下する。

スクリュ温度の応答性や熱交換効率を高めるために、熱交換媒体をスクリュ軸に直接当てて温度調整を行う方法が挙げられる。具体的には、スクリュ軸の外周面とジャケットの内周面とで流路を形成し、該流路に熱交換媒体を流す。その結果、スクリュと熱交換媒体との間で熱の授受が直接行われ、スクリュ温度の応答性と熱交換効率が高められる。

しかしながら、射出成形機では、スクリュはその中心軸周りに回転する。スクリュの回転に伴って、熱交換媒体の流れが乱れ、流路の内部で滞留が生じることがある。熱交換媒体の滞留によって、スクリュの温度調整の応答性や熱交換効率が低下することがあった。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、温度調整の応答性や熱交換効率に優れ、且つ簡易な構造を有するスクリュ温度調整装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一つの態様は、熱交換媒体を用いてスクリュの温度を調整するための射出成形機のスクリュ温度調整装置に係る。本発明は、スクリュのスクリュ軸の外周面を被覆する第１のジャケットと、第１のジャケットの内周面に形成された溝とスクリュ軸の外周面とで形成された熱交換媒体を流す流路と、を備える。流路は、第１のジャケットの外周面から熱交換媒体を溝へ供給するための供給口と、溝から熱交換媒体を第１のジャケットの外周面へ排出するための排出口と、を有し、溝は、供給口から排出口まで一定の流路幅を保つように形成されている。

本発明によれば、温度調整の応答性や熱交換効率に優れ、且つ簡易な構造を有するスクリュ温度調整装置を提供することができる。

本発明のスクリュ温度調整装置を適用可能な射出成形機の断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるスクリュ温度調整装置をスクリュの回転軸と平行な面で切断したときの断面図である。 図２に示すスクリュ温度調整装置をスクリュの回転軸と垂直に交わる面（図２に示すＡ−Ａ面）で切断したときの断面図である。 第１の実施形態のスクリュ温度調整装置に係るジャケットの内周面を展開したときの図である。 熱交換媒体の滞留が比較的生じやすいジャケットの内周面の展開図である。 本発明の第２の実施形態におけるスクリュ温度調整装置をスクリュの回転軸と平行な面で切断したときの断面図である。 図６に示すスクリュ温度調整装置をスクリュの回転軸と垂直に交わる面（図６に示すＡ−Ａ面）で切断したときの断面図である。

（実施例１）
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明のスクリュ温度調整装置を適用可能な射出成形機の断面図である。

図１に示すように、射出成形機は、樹脂材料を融解するためのシリンダ１と、シリンダ１の内部にシリンダ１の軸方向に前進及び後退可能、且つシリンダ１の軸周りに回転可能に設けられたスクリュ２と、を備えている。

また、シリンダ１の軸方向の一端には樹脂材料を射出する射出口３が設けられている。成形品を成形するときには、射出口３に金型が取り付けられる。スクリュ２を、射出口３に向かって移動させることによって、シリンダ１の内部に貯留される溶融状態の樹脂材料が金型に向かって射出される。

スクリュ２は、スクリュ軸４と、スクリュ軸４の外周面に螺旋状に形成されたブレード５と、を含んでいる。スクリュ２の回転に伴ってブレード５から力を受けて樹脂材料が射出口３の方へ運ばれる。

シリンダ１の外周面には、シリンダ１の内部へ樹脂材料を投入するためのホッパ６が設けられている。ホッパ６から投入される樹脂材料は固形であり、樹脂材料は射出口３へ向かって移動しながら加熱融解される。具体的には、シリンダ１の外周に設けられたヒータ７から加えられる熱や、スクリュ２の回転に伴って発生する摩擦熱及びせん断熱によって融解される。樹脂材料の加熱融解の時間を確保するために、ホッパ６は射出口３から離れた位置に配設されている。

シリンダ１の、ホッパ６が配設されている付近には、シリンダ１を内嵌するようにホッパフランジ８が設けられている。ホッパフランジ８は温度制御可能な構造を有しており、ホッパフランジ８を用いてホッパ６の付近のシリンダ１を冷却することによって、ホッパ６の付近における樹脂材料の融解を抑制することができる。

スクリュ軸４は、シリンダ１の、射出口３と反対側に位置する開口部から突出するように設けられている。スクリュ軸４の、シリンダから突出している部分にはスクリュ２の温度を調整するためのスクリュ温度調整装置９が設けられている。なお、スクリュ軸４の当該部分にブレード５は設けられていない。

図２は、本発明の第１の実施形態における射出成形機のスクリュ温度調整装置９を、スクリュ２の回転軸と平行な面で切断したときの断面図である。図３は、図２に示すスクリュ温度調整装置９をスクリュ２の回転軸と垂直に交わる面（図２に示すＡ−Ａ面）で切断したときの断面図である。

図２及び図３に示すように、スクリュ温度調整装置９は、スクリュ軸４の外周面を被覆するように設けられたジャケット１０を備える。ジャケット１０の内周面には、例えば水などの熱交換媒体を流してスクリュ２との熱の授受を行うための溝（以下、熱交換用溝１１と称す）が形成されている。すなわち、熱交換用溝１１の壁面と、スクリュ軸４の外周面と、で囲まれた領域が熱交換媒体の流路１２となる。

流路１２は、ジャケット１０の外周面から熱交換媒体を熱交換用溝１１へ供給するための供給口１３と、熱交換用溝１１から熱交換媒体をジャケット１０の外周面へ排出するための排出口１４と、を有する。供給口１３及び排出口１４は、熱交換媒体の流量や温度を調整する熱交換媒体制御装置（不図示）と接続されている。

ジャケット１０は、射出成形機本体に固定されている。また、ジャケット１０の内周面の、スクリュ２の軸方向における熱交換用溝１１よりも両外側には、熱交換媒体の漏れを防止するためのシール部材１５が設けられている。シール部材１５を設けることによって、ジャケット１０とスクリュ２との隙間から熱交換媒体が漏れることなく、スクリュ２を回転させることができる。

図４は、本実施形態のスクリュ温度調整装置９に係るジャケット１０の内周面を展開したときの図である。図４に示すように、ジャケット１０の内周面には、熱交換媒体の流路１２となる熱交換用溝１１の他に、シール部材１５（図２）を配置するためのシール部材用溝１６が形成されている。

熱交換用溝１１の、熱媒体の流れ方向に対して垂直な方向且つジャケット１０の内周面に沿った方向の溝幅ｌは、供給口１３から排出口１４まで略等しく設計されている。また、溝幅ｌは、供給口１３の寸法ｍ及び排出口１４の寸法ｎと略等しく設計されている。すなわち、熱交換用溝１１は、供給口１３から排出口１４まで一定の流路幅を保つように形成されている。したがって、流路１２において、熱交換媒体の滞留を抑制することができる。

なお、ここで言う「一定の流路幅」とは、供給口１３から排出口１４まで流路幅が全く変化しない場合に限られず、熱交換媒体の滞留を生じない程度の流路幅の変化を含む。

図５は、熱交換媒体の滞留が比較的生じやすいジャケット１０の内周面の展開図である。具体的には、溝幅ｌが、供給口１３の寸法ｍや排出口１４の寸法ｎなどに比べて急激に変化している場合の図である。供給口１３から供給された熱交換媒体は、図に示す白抜き矢印の方向に沿って流れる。このとき、熱交換用溝１１の一部では、熱交換媒体の滞留が生じることがある。また、射出成形機においては、スクリュ軸４（図２及び図３）は回転運動する。スクリュ軸４の回転運動に伴って熱交換媒体の流れが乱れやすく、熱交換媒体の滞留が生じやすい。このような熱交換媒体が流れない滞留箇所が多くなると、スクリュ軸４と熱交換媒体との間の熱交換効率が低下する。

本実施形態では、図４に示すように、供給口１３から排出口１４まで一定の流路幅を保つように設計されている。その結果、熱交換用溝１１における熱交換媒体の滞留を抑制することができる。

また、熱交換用溝１１は、スクリュ軸４の軸方向の所定の範囲において折り返されながらスクリュ軸４の周方向に配置されている。スクリュ軸４の軸方向に沿って流路１２を形成することによって、スクリュ軸４の軸方向において熱交換をすることができ、スクリュ軸４の軸方向における温度の偏りを小さくすることが可能となる。

次に、本実施形態におけるスクリュ温度調整装置９及び射出成形機の動作について図１及び図２を用いて説明する。

ヒータ７を用いてシリンダ１を２００℃〜３００℃にした状態で、ホッパ６から固形の樹脂材料をシリンダ１の内部に投入する。ホッパ６の付近での樹脂材料の融解を防ぐため、ホッパフランジ８を４０℃〜８０℃に保つ。

シリンダ１に投入される樹脂材料の温度は、シリンダ１に投入される前に乾燥させる必要のある樹脂材料と、乾燥させる必要のない樹脂材料とで変わる。乾燥させる必要のある樹脂材料では、８０℃〜１２０℃に加熱され、水分を除去した状態で投入される。乾燥させる必要のない樹脂材料は、大気温度と略等しい１０℃〜３０℃の温度で投入される。

シリンダ１やホッパフランジ８、シリンダ１に投入される樹脂材料などの温度によってスクリュ２の温度が変動する。

本実施形態におけるスクリュ温度調整装置９では、熱交換媒体をスクリュ軸４に直接当ててスクリュ２と熱交換媒体との熱交換が行われる。そのため、スクリュ２に熱交換媒体を直接当てないスクリュ温度調整装置（例えば特許文献２）に比べてスクリュ２の温度の応答性が高い。また、熱交換用溝１１において熱交換媒体の滞留が生じないように熱交換用溝１１が設計されているため、スクリュ２と熱交換媒体との間の熱交換効率が、滞留を生じる場合に比べて高くなる。したがって、スクリュ２の温度変動をより小さくすることができる。

スクリュ２の温度を所定の温度に保つことによって、スクリュ２と樹脂材料との間の摩擦抵抗の大きさを所望の大きさとすることができる。その結果、効率よく樹脂材料をシリンダ１の射出口３の方へ移動させることが可能となる。なお、所望の温度は用いられる樹脂材料の種類により異なる。

本実施形態におけるスクリュ温度調整装置９の熱交換媒体の流路１２は、ジャケット１０の内周面に熱交換用溝１１を形成することによって得られるため、比較的簡易な加工でスクリュ温度調整装置９を提供することが可能となる。

（実施例２）
次に、本発明の第２の実施形態におけるスクリュ温度調整装置９について説明する。第２の実施形態におけるスクリュ温度調整装置９を適用可能な射出成形機は、第１の実施例と同様に、シリンダ１、スクリュ２、ホッパ６及びホッパフランジ８を備えており、スクリュ温度調整装置９はスクリュ軸４に設けられている（図１参照）。

図６は、本発明の第２の実施形態における射出成形機のスクリュ温度調整装置９を、スクリュ２の回転軸と平行な面で切断したときの断面図である。図７は、図６に示すスクリュ温度調整装置９をスクリュ２の回転軸と垂直に交わる面（図６に示すＢ−Ｂ面）で切断したときの断面図である。

図６及び図７に示すように、スクリュ温度調整装置９は、スクリュ軸４の外周面を被覆するように設けられた第１のジャケット１７と、第１のジャケット１７の外周面を被覆するように設けられた第２のジャケット１８と、を備える。第１のジャケット１７の内周面には、熱交換媒体を流すための熱交換用溝１１が形成されている。すなわち、熱交換用溝１１の壁面とスクリュ軸４の外周面とで囲まれた領域が熱交換媒体の流路１２となる。

第１のジャケット１７の外周面には、熱交換用溝１１と連通する供給口１３及び排出口１４が形成されている。したがって、供給口１３から供給された熱交換媒体が、熱交換用溝１１を通って排出口１４から排出されるようになっている。なお、供給口１３及び排出口１４は、スクリュ２の軸方向において異なる位置に形成されている。

第１のジャケット１７は、スクリュ軸４の回転に伴って回転運動可能に設けられている。第１のジャケット１７の内周面の、スクリュ２の軸方向における熱交換用溝１１よりも両外側には、熱交換媒体の漏れを防止するためのシール部材１５が設けられている。

第２のジャケット１８の内周面には、供給口１３へ熱交換媒体を供給する供給溝１９が形成されている。供給溝１９は、第２のジャケット１８の内周面の、第１のジャケット１７の回転時に供給口１３が通過する領域に形成されている。すなわち、供給溝１９は、第２のジャケット１８の内周面を一周するように形成されている。

第１のジャケット１７がスクリュ２に伴ってスクリュ２の軸方向に移動する場合には、該軸方向における供給溝１９の幅を、想定される第１のジャケット１７の該軸方向への移動距離と同じだけ確保しておく。それにより、供給口１３は供給溝１９から常に熱交換媒体を受けることが可能となる。

同様に、第２のジャケット１８の内周面には、第１のジャケット１７が回転して排出口１４が通過する領域に、排出口１４から熱交換媒体を受け取る排出溝２０が形成されている。供給口１３及び排出口１４が、スクリュ２の軸方向において異なる位置に形成されているため、供給溝１９及び排出溝２０もまたスクリュ２の軸方向において異なる位置に形成されている。

第１のジャケット１７がスクリュ２に伴ってスクリュ２の軸方向に移動する場合には、第１のジャケット１７の該軸方向への移動距離を考慮してスクリュ２の軸方向における供給口１３と排出口１４との距離を離して設計すればよい。

第２のジャケット１８の外周面には、供給溝１９及び排出溝２０と連通する外側供給口２１及び外側排出口２２が形成されている。外側供給口２１及び外側排出口２２は、熱交換媒体の流量や温度を調整する熱交換媒体制御装置（不図示）と接続されている。

第２のジャケット１８の内周面の、スクリュ２の軸方向における供給溝１９及び排出溝２０よりも両外側には、熱交換媒体の漏れを防止するためのシール部材１５が設けられている。シール部材１５を設けることによって、第１のジャケット１７と第２のジャケット１８との隙間から熱交換媒体が漏れることなく、スクリュ２及び第１のジャケット１７を回転させることができる。

第２のジャケット１８の内周面の、供給溝１９と排出溝２０との間に別途固定シール部材を設けて、供給溝１９と排出溝２０との間の熱交換媒体の移動を抑制してもよい。

第２のジャケット１８は、射出成形機本体に固定されており、回転しないようになっている。第１のジャケット１７がスクリュ２と共に回転しても、供給溝１９と熱交換用溝１１とが常に連通しており、また排出溝２０と熱交換用溝１１とが常に連通しているため、熱交換媒体の供給及び排出を連続して行うことができる。

熱交換用溝１１は、第１の実施形態のジャケット１０の内周面に形成された熱交換用溝１１（図４参照）と同様に、熱交換媒体が滞留しないように設計されている。

本実施形態におけるスクリュ温度調整装置９では、熱交換媒体をスクリュ軸４に直接当ててスクリュ２と熱交換媒体との熱交換が行われる。そのため、スクリュ２に熱交換媒体を直接当てないスクリュ温度調整装置（例えば特許文献２）に比べてスクリュ２の温度の応答性が高い。また、熱交換用溝１１において熱交換媒体の滞留が生じないように熱交換用溝１１が設計されているため、スクリュ２と熱交換媒体との間の熱交換効率が滞留を生じる場合に比べて高くなる。したがって、スクリュ２の温度変動をより小さくすることができる。

スクリュ２の温度を所定の温度に保つことによって、スクリュ２と樹脂材料との間の摩擦抵抗の大きさを所望の大きさとすることができる。その結果、効率よく樹脂材料をシリンダ１の射出口３の方へ移動させることが可能となる。なお、所望の温度は用いられる樹脂材料の種類により異なる。

本実施形態におけるスクリュ温度調整装置９の熱交換媒体の流路１２は、ジャケット１０の内周面に熱交換用溝１１を形成することによって得られるため、比較的簡易な加工でスクリュ温度調整装置を提供することが可能となる。

さらに、本実施形態では、スクリュ２の回転に伴って第１のジャケット１７が回転する。すなわち、スクリュ２を交換する場合よりも比較的容易に交換することができる第１のジャケット１７と第２のジャケット１８との間で磨耗が生じるため、磨耗による部品交換の時間を短縮することができる。また、第１及び第２のジャケット１７、１８は、スクリュ２に比べて低コストで製造することが可能となるため、交換用の部品コストを削減することが可能となる。

本実施形態は、スクリュ軸４の磨耗が予想される場合に好適である。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、熱交換用溝１１として、図４に示すように、スクリュ２の軸方向の所定の範囲において折り返されながらスクリュ軸の周方向に配置されている形状を挙げているが、熱交換媒体の滞留が生じない流路となる形状であれば、この形状に限られない。例えば、熱交換用溝１１が、スクリュ軸４の外周面に螺旋状に形成されていてもよい。

２ スクリュ
４ スクリュ軸
５ ブレード
９ スクリュ温度調整装置
１０ ジャケット
１１ 熱交換用溝
１２ 流路
１３ 供給口
１４ 排出口
１７ 第１のジャケット
１８ 第２のジャケット
１９ 供給溝
２０ 排出溝

Claims (3)

1. 熱交換媒体を用いてスクリュの温度を調整するための射出成形機のスクリュ温度調整装置であって、
   前記スクリュのスクリュ軸の外周面を被覆する第１のジャケットと、
   前記第１のジャケットの内周面に形成された溝と前記スクリュ軸の外周面とで形成された前記熱交換媒体を流す流路と、を備え、
   前記流路は、前記第１のジャケットの外周面から前記熱交換媒体を前記溝へ供給するための供給口と、前記溝から前記熱交換媒体を前記第１のジャケットの外周面へ排出するための排出口と、を有し、
   前記溝は、前記供給口から前記排出口まで一定の流路幅を保つように形成されている、射出成形機のスクリュ温度調整装置。
2. 前記溝は、前記スクリュ軸の軸方向の所定の範囲において折り返されながら前記スクリュ軸の周方向に配置されている、請求項１に記載の射出成形機のスクリュ温度調整装置。
3. 前記第１のジャケットが前記スクリュの回転に伴って回転可能に設けられており、
   前記第１のジャケットの外周面を被覆する第２のジャケットをさらに備え、
   前記供給口及び前記排出口が、前記スクリュの軸方向において異なる位置に設けられており、
   前記第２のジャケットが、前記第２のジャケットの内周面の、前記第１のジャケットの回転時に前記供給口及び前記排出口が通過する領域に、前記供給口へ前記熱交換媒体を供給する供給溝及び前記排出口から前記熱交換媒体を受け取る排出溝を有する、請求項１または請求項２に記載の射出成形機のスクリュ温度調整装置。

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