JP2013163324A - 射出成形機とその温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂のせん断熱による成形不良を防止できる射出成形機とその温度制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】温度センサ（１６）により検出されるシリンダー（１）の温度が目標温度以上かつ切替温度未満であると制御部（１７）が認識した場合に、ゼーベック冷却発電状態に切り替えて、シリンダー（１）に熱結合された熱電変換モジュール（１３）のゼーベック効果で発電を行って充電部（１８）を充電し、温度センサ（１６）により検出されるシリンダー（１）の温度が切替温度以上であると認識した場合に、ペルチェ冷却状態に切り替えて、熱電変換モジュール（１３）のシリンダー（１）との結合面が冷える方向に直流電源部（１９）から熱電変換モジュール（１３）へ通電する。
【選択図】図３

Description

本発明は、射出成形機とヒーターで加熱されるシリンダーの温度制御方法に関する。

射出成形機は、シリンダー、シリンダー内に組み込まれたスクリュー、シリンダー内に樹脂を供給するホッパー、シリンダー周囲に配置されたヒーターなどから構成される。樹脂をホッパーからシリンダー内に導入し、スクリューを回転させて樹脂を加熱したシリンダーの先端部へ導入するとともに混練しながら樹脂を溶融する。

溶融した樹脂は、スクリューの前方に送られ、その圧力でスクリューがシリンダー内で後退する。所定量の溶融した樹脂がスクリューの前方に蓄えられた後、スクリューをシリンダー内で前進させ、シリンダーからノズルを通じて金型内に溶融した樹脂が射出される。通常、加熱したシリンダーからは多くの熱が放出されて排熱となっており、省エネルギーの観点から、いくつかの取り組みがなされている。

特許文献１には、空隙を介して加熱シリンダーを覆ったヒーターカバーの外側表面部に熱電変換モジュールを設けて、外気により冷却される熱電変換モジュールの冷却面と、シリンダーから放熱された熱により高温となるヒーターカバーで加熱される熱電変換モジュールの加熱面との温度差で、熱電変換モジュールが発電し、排熱を回収することが示されている。

また、特許文献２には、シリンダーからの放熱を抑えるために、シリンダーにグラスファイバー等の断熱繊維を用いた断熱カバーを設置してヒーターの消費電力を低減することが示されている。

特開２００９−１４８９００号公報 特開２００４−３１４５４９号公報

しかしながら、空隙を介して加熱シリンダーを覆ったヒーターカバーの外側表面部に熱電変換モジュールを設けた場合には、熱電変換モジュールによる発電は可能であるが、ヒーターの消費電力は低減できないため、省エネルギーの効果は限られていた。

また、シリンダーからの放熱を抑えるために、シリンダーにグラスファイバー等の断熱繊維を用いた断熱カバーを設置した場合には、ヒーターの消費電力を低減することが可能であるが、シリンダーの中間部においてシリンダー内のスクリューで樹脂を混練する際に、スクリューによる樹脂のせん断にともなって熱が発生し、ヒーターへの通電を中断しても温度が上昇して所定の温度に保つことが困難となり、溶融した樹脂が変色する。

本発明の射出成形機の温度制御方法は、シリンダー内の樹脂材料をヒーターによって加熱溶融して金型へ供給する射出成形機の温度制御方法であって、熱電変換モジュールを前記シリンダーに熱結合するとともに温度センサによって前記シリンダーの温度を検出し、前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が目標温度以上かつ切替温度未満であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールのゼーベック効果で発電して排熱を回収し、前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が前記切替温度以上であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールの前記シリンダーとの結合面が冷える方向に前記熱電変換モジュールへ通電することを特徴とする。

また、本発明の射出成形機は、シリンダー内の樹脂材料をヒーターによって加熱溶融して金型へ供給する射出成形機において、前記シリンダーに熱結合し前記シリンダーからの熱回収によって発電し通電方向に応じて前記シリンダーを加熱／冷却する熱電変換モジュールと、前記シリンダーの温度を検出する温度センサと、前記温度センサによる検出温度に応じて前記熱電変換モジュールの運転状態を切り換える制御部を設け、制御部は、前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が目標温度以上かつ切替温度未満であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールのゼーベック効果で発電を行って充電部を充電し、前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が前記切替温度以上であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールの前記シリンダーとの結合面が冷える方向に前記直流電源部から前記熱電変換モジュールへ通電することを特徴とする。

この構成によれば、断熱部によってシリンダーの放熱を抑えてヒーターの消費電力を低減した場合であっても、熱電変換モジュールで温度調節を行うことで、樹脂のせん断熱による成形不良を防止できる。

本発明の実施の形態における射出成形機の正面断面図 本発明の実施の形態における射出成形機の側面断面図 本発明の実施の形態における本発明の射出成形機の温度制御方法を用いて、成形を行った際の成形工程と熱電変換工程、スクリュー位置、温度センサにより検出されるシリンダー温度を示す図 本発明の実施の形態における制御部の構成図

以下、本発明の温度制御方法を図１〜図４に示す実施の形態に基づいて説明する。
図１は本発明における射出成形機の正面から視た状態を示す断面図、図２は本発明の実施の形態１における射出成形機を側面から視た状態を示す断面図である。

射出成形機には、シリンダー１、シリンダー１の周囲に配置されたヒーター２、シリンダー内に組み込まれたスクリュー３、シリンダー１内に樹脂を供給するホッパー４が構成されている。

射出成形機には、ヒーター２の周囲に配置された熱伝導部１１、熱電変換モジュール１３に熱を伝える熱伝導接合部１２、熱電変換モジュール１３からの熱を放熱する放熱部１４、熱伝導部１１を覆う断熱部１５、シリンダー１内に設置された温度センサ１６、温度センサ１６による温度を検知して熱電変換モジュール１３への通電および熱電変換モジュール１３からの発電を制御する制御部１７が構成されている。

熱電変換モジュール１３は、高温側と低温側との温度差に応じて起電力を発生するＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが基板上に交互に配列されると共に互いに直列に接続されたものである。Ｎ型熱電素子からＰ型熱電素子へ電流を流すとＮ型熱電素子とＰ型熱電素子が接続された側で吸熱、Ｐ型熱電素子からＮ型へ電流を流すとＮ型熱電素子とＰ型熱電素子が接続された側で発熱が生じる。したがって、熱電変換モジュールの一方の面が吸熱し、他方の面が発熱する。また、電流方向を逆に流すと、吸熱と発熱が反転する。さらに、熱電変換モジュール１３を高温側熱源と低温側熱源との間に配置して温度差をつけると、その温度差に応じて起電力を発生し、発電を行うこともできる。

熱伝導部１１および熱伝導接合部１２は、熱伝導率が高いことが望ましく、グラファイトや銅、アルミ等の金属等を用いることができ、これらを積層、複合して用いてもよい。
断熱部１５には、グラスファイバー等の断熱繊維を用いた断熱カバーを用いることができる。

図４は制御部１７の構成を示す。
制御部１７は、充電部１８と、直流電源部１９と、スイッチ２０，２１を有しており、温度センサ１６の検出温度に基づいて、直流電源部１９から熱電変換モジュール１３への給電状態と、熱電変換モジュール１３から充電部１８への充電状態を制御している。

制御部１７の構成を射出成形工程に基づいて詳しく説明する。
図３は、本発明の射出成形機の温度制御方法を用いて成形を行った際の成形工程と熱電変換工程、スクリュー位置、温度センサ１６により検出されるシリンダー温度を示す。

射出成形は、樹脂をホッパー４からシリンダー１内の導入部５へ導入し、スクリュー３を回転させて樹脂を加熱したシリンダー１の先端部へ導入するとともに混練しながら樹脂を溶融する。溶融した樹脂は、回転するスクリュー３の溝に沿って先端部に送られ、溶融した樹脂がスクリュー３の先端部のシリンダー１内に押し込まれる反力で、スクリュー３がシリンダー１内でホッパー４側へ後退する。所定量の溶融した樹脂がスクリュー３の先端部のシリンダー１内に蓄えられた後、スクリュー３をシリンダー１内でノズル側へ前進させ、シリンダー１からノズル６を通じて金型内７に溶融した樹脂が射出される。樹脂の溶融温度はその種類により通常２００℃〜３００℃に設定される。これらの工程が繰り返されて、成形品が生産される。このとき、シリンダー１の中間部においてシリンダー１内のスクリュー３で樹脂を混練する際に、スクリュー３による樹脂のせん断に伴って熱が発生し、ヒーター２への通電を中断しても温度が上昇する。

成形工程において、型閉、射出、保圧、冷却、型開、取り出しが繰り返され、冷却から取り出しの間に、所定量の溶融した樹脂がスクリュー３の先端部のシリンダー１内に蓄えられる計量が行われる。スクリュー位置は、射出・保圧のときに前進して金型に樹脂を充填し、計量のときにスクリュー３が回転しながら後退して樹脂を混練しながらシリンダー１の先端部へ樹脂を導入する。

このときシリンダー１の中間部においてスクリュー３による樹脂のせん断にともなって熱が発生し、シリンダー温度が上昇する。
良好な成形品が得られるシリンダー温度が目標温度、シリンダー温度が上昇しすぎて樹脂が変色し始める温度を樹脂変色温度とすると、制御部１７は温度センサ１６により検出されるシリンダー温度が、目標温度と樹脂変色温度の間に設定された切替温度を境に、次のように運転状態を切り換えている。

− ペルチェ加熱状態 −
温度センサ１６により検出されるシリンダー温度が目標温度未満であると認識した制御部１７は、シリンダー１の温度を保持するペルチェ加熱状態に切り替わる。このペルチェ加熱の場合には、制御部１７に設けられたスイッチ２０，２１を切り替えることにより、直流電源部１９から熱電変換モジュール１３へ、熱電変換モジュール１３のシリンダー１との結合面が発熱する方向に電流を流し、シリンダー１を加熱して、温度を保持させる。

− ゼーベック冷却発電状態 −
温度センサ１６により検出されるシリンダー温度が、目標温度以上かつ切替温度未満であると認識した制御部１７は、熱電変換モジュール１３のゼーベック効果で発電を行うとともにシリンダー１の冷却を行うゼーベック冷却発電状態に切り替わる。このゼーベック発電冷却を行う場合には、制御部１７に設けられたスイッチ２０を切り替えることにより熱電変換モジュール１３で発生した電流を充電部１８に流し、充電部１８内のバッテリーを充電する。バッテリーに充電された電力は、熱電変換モジュール１３のペルチェ効果を利用する場合の補助電源に用いることもできるし、照明等の電源として用いることもできる。

− ペルチェ冷却状態 −
温度センサ１６により検出されるシリンダー温度が、切替温度以上であると認識した制御部１７は、熱電変換モジュール１３に通電を行いシリンダー１の冷却を行うペルチェ冷却状態に切り替わる。このペルチェ冷却の場合には、制御部１７に設けられたスイッチ２０，２１を切り替えて、熱電変換モジュール１３のシリンダー１との結合面が冷える方向に直流電源部１９から熱電変換モジュール１３へ電流を流し、シリンダー１を冷却して、温度を降下させる。

実施例
樹脂変色温度２８０℃の樹脂を用いて、目標温度を２６０℃、切替温度を２７０℃に設定して成形を行った。成形工程における計量の際に生じるシリンダー部の発熱量は最大で８０Ｗであった。そこで、熱電変換モジュール１３として１００Ｗの冷却能力を有するを用いた。成形工程における計量において、シリンダー温度が上昇し、目標温度以上かつ切替温度未満であることを制御部１７が検出して、熱電変換モジュール１３のゼーベック効果で発電を行うとともにシリンダー１の冷却を行った。シリンダー温度がさらに上昇し、切替温度以上に高くなったことを制御部１７が検出して、熱電変換モジュール１３に通電を行いシリンダー１の冷却を行った。

シリンダー温度が切替温度未満となったことを制御部１７が検出して、熱電変換モジュール１３のゼーベック効果で発電を行うとともにシリンダー１の冷却を行った。
シリンダー温度が目標温度未満となったことを制御部１７が検出して、熱電変換モジュール１３に逆方向に通電して、シリンダー１の温度を保持した。

成形工程における計量の際に生じるシリンダー部で生じる発熱量は、樹脂の種類や成形条件で異なるため、シリンダー部の熱容量と温度上昇から発熱量を求め、発熱量を上回る冷却能力を有する熱電変換モジュールを用いることで冷却が可能である。発熱量が大きい場合には、複数の熱電変換モジュールをシリンダーの周囲に配置してもよい。

切替温度は、目標温度と樹脂変色温度の間に設定されるが、発熱量に対して熱電変換モジュール１３のペルチェ効果による冷却能力が大きい場合には速やかに冷却が行われるため、切替温度を樹脂変色温度に近づけ、目標温度と切替温度の幅を大きくとって、ゼーベック発電冷却の範囲を広げることができる。このことにより、より省エネの効果を得ることができる。

以上の構成と工程により、断熱部でシリンダーの放熱を抑えてヒーターの消費電力を低減できるとともに、熱電変換モジュールで温度調節を行うことで、樹脂のせん断熱による成形不良を防止できることが確認できた。

本発明は射出成形機の省エネルギーを行うとともに成形品質の安定化に寄与できる。

１ シリンダー
２ ヒーター
３ スクリュー
４ ホッパー
５ 導入部
６ ノズル
７ 金型
１１ 熱伝導部
１２ 熱伝導接合部
１３ 熱電変換モジュール
１４ 放熱部
１５ 断熱部
１６ 温度センサ
１７ 制御部
１８ 充電部
１９ 直流電源部
２０，２１ スイッチ

Claims (6)

1. シリンダー内の樹脂材料をヒーターによって加熱溶融して金型へ供給する射出成形機の温度制御方法であって、
   熱電変換モジュールを前記シリンダーに熱結合するとともに温度センサによって前記シリンダーの温度を検出し、前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が目標温度以上かつ切替温度未満であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールのゼーベック効果で発電して排熱を回収し、前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が前記切替温度以上であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールの前記シリンダーとの結合面が冷える方向に前記熱電変換モジュールへ通電する
   射出成形機の温度制御方法。
2. 前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が目標温度未満であると認識した場合に前記熱電変換モジュールの前記シリンダーとの結合面が発熱する方向に通電する
   請求項１記載の射出成形機の温度制御方法。
3. 前記目標温度は、前記樹脂材料によって良好な成形品が得られる前記シリンダー（１）温度であり、前記切替温度は、前記シリンダー温度が上昇しすぎて前記樹脂材料が変色し始める温度未満である
   請求項１または請求項２記載の射出成形機の温度制御方法。
4. シリンダー内の樹脂材料をヒーターによって加熱溶融して金型へ供給する射出成形機において、
   前記シリンダーに熱結合し前記シリンダーからの熱回収によって発電し通電方向に応じて前記シリンダーを加熱／冷却する熱電変換モジュールと、
   前記シリンダーの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサによる検出温度に応じて前記熱電変換モジュールの運転状態を切り換える制御部を設け、
   制御部は、
   前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が目標温度以上かつ切替温度未満であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールのゼーベック効果で発電を行って充電部を充電し、
   前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が前記切替温度以上であると認識した場合に、前記熱電変換モジュールの前記シリンダーとの結合面が冷える方向に前記直流電源部から前記熱電変換モジュールへ通電する
   射出成形機。
5. 制御部は、
   前記温度センサにより検出される前記シリンダーの温度が目標温度未満であると認識した場合に、直流電源部から前記熱電変換モジュールへ、前記熱電変換モジュールの前記シリンダーとの結合面が発熱する方向に通電する
   請求項４記載の射出成形機。
6. 前記制御部における前記目標温度の設定は、前記樹脂材料によって良好な成形品が得られる前記シリンダーの温度であり、前記制御部における前記切替温度の設定は、前記シリンダー温度が上昇しすぎて前記樹脂材料が変色し始める温度未満である
   請求項４または請求項５記載の射出成形機。

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