JP2014030906A - 射出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形材料の加熱効率の良い射出装置を提供すること。
【解決手段】射出装置１０は、成形材料が供給されるシリンダ１１と、シリンダ１１を誘導加熱する誘導加熱部２１とを備える。シリンダ１１は、シリンダ本体１７と、シリンダ本体１７よりも内側に配設される導電層１８とを有する。導電層１８の透磁率をμ１、導電層１８の導電率をσ１、シリンダ本体１７の透磁率をμ２、シリンダ本体１７の導電率をσ２とすると、μ１×σ１＞μ２×σ２の式が成立する。
【選択図】図１

Description

本発明は、射出装置に関する。

射出装置は、溶融樹脂を金型装置内に射出する。金型装置は固定金型及び可動金型で構成され、型締め時に固定金型と可動金型との間にキャビティ空間が形成される。キャビティ空間で冷却固化された樹脂は、型開き後に成形品として取り出される。

射出装置は、成形材料としての樹脂ペレットが供給されるシリンダを備える。シリンダは外側からヒータによって加熱され、シリンダ内の樹脂が溶融される。溶融された樹脂は、シリンダの先端部に形成されるノズルから金型装置内に射出される。

ヒータは、安価であり、また、シリンダの外周に容易に設置できる。しかし、ヒータとシリンダとの間の接触熱抵抗のため、シリンダの加熱効率が低く、シリンダ内の樹脂の加熱効率が低い。

そこで、シリンダを誘導加熱する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、シリンダ自体が発熱するので、シリンダの加熱効率が高く、シリンダ内の樹脂の加熱効率が良い。

国際公開第２００５／０４６９６２号

従来の誘導加熱の場合、表皮効果によって、シリンダの外周面及びその近傍が集中的に誘導加熱される。そのため、シリンダの熱が外気等に逃げやすく、シリンダの熱がシリンダ内の成形材料に伝わりにくかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、成形材料の加熱効率の良い射出装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、
成形材料が供給されるシリンダと、
該シリンダを誘導加熱する誘導加熱部とを備え、
前記シリンダは、シリンダ本体と、該シリンダ本体よりも内側に配設される導電層とを有し、
前記導電層の透磁率をμ１、前記導電層の導電率をσ１、前記シリンダ本体の透磁率をμ２、前記シリンダ本体の導電率をσ２とすると、μ１×σ１＞μ２×σ２の式が成立する。

本発明によれば、成形材料の加熱効率の良い射出装置が提供される。

本発明の一実施形態による射出装置を示す図である。 本発明の一実施形態によるシリンダの誘導加熱時の渦電流を示す図である。 本発明の一実施形態によるシリンダの誘導加熱時の渦電流密度、及び従来のシリンダの誘導加熱時の渦電流密度を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態による射出装置を示す図である。

射出装置１０は、シリンダ１１内で溶融した樹脂をノズル１２から射出し、図示されない金型装置内のキャビティ空間に充填する。金型装置は固定金型及び可動金型で構成され、型締め時に固定金型と可動金型との間にキャビティ空間が形成される。キャビティ空間で冷却固化された樹脂は、型開き後に成形品として取り出される。成形材料としての樹脂ペレットは、ホッパ１６からシリンダ１１の後部に供給される。

射出装置１０は、例えば図１に示すように、成形材料としての樹脂ペレットが供給されるシリンダ１１と、シリンダ１１内で回転自在に且つ軸方向に移動自在に配設されるスクリュ１３と、シリンダ１１を加熱する加熱装置２０と、シリンダ１１を冷却する冷却装置３０とを備える。

シリンダ１１は加熱装置２０によって加熱され、シリンダ１１内の樹脂が溶融される。溶融された樹脂は、シリンダ１１の先端部に形成されるノズル１２から金型装置内に射出される。シリンダ１１内には、樹脂を送るスクリュ１３が設けられる。

スクリュ１３は、スクリュ回転軸１４と、スクリュ回転軸１４の周りに螺旋状に設けられるフライト１５とを一体的に有する。スクリュ１３が回転すると、スクリュ１３のフライト（ねじ山）１５が動き、スクリュ１３のねじ溝内に充填された樹脂ペレットが前方に送られる。

スクリュ１３は、例えば図１に示すように、軸方向に沿って後方（ホッパ１６側）から前方（ノズル１２側）にかけて、供給部１３ａ、圧縮部１３ｂ、計量部１３ｃとして区別される。供給部１３ａは、樹脂を受け取り前方に搬送する部分である。圧縮部１３ｂは、供給された樹脂を圧縮しながら溶融する部分である。計量部１３ｃは、溶融した樹脂を一定量づつ計量する部分である。スクリュ１３のねじ溝の深さは、供給部１３ａで深く、計量部１３ｃで浅く、圧縮部１３ｂにおいて前方に向かうほど浅くなっている。尚、スクリュ１３の構成は特に限定されない。例えばスクリュ１３のねじ溝の深さは、一定であってもよい。

加熱装置２０は、シリンダ１１の軸方向に沿って配列される複数の加熱源２１〜２５を有する。複数の加熱源２１〜２５は、シリンダ１１を軸方向に複数のゾーン（図１では５つのゾーンＺ１〜Ｚ５）に分けて個別に加熱する。各ゾーンＺ１〜Ｚ５の温度が設定温度になるように、複数の加熱源２１〜２５がフィードバック制御される。

加熱装置２０は、複数の加熱源２１〜２５として、例えば、シリンダ１１を誘導加熱する誘導加熱部としての誘導コイル２１と、シリンダ１１を外側から加熱するヒータ２２〜２５とを有する。

誘導コイル２１はシリンダ１１と同軸的に配置され、シリンダ１１の外側に配設される。誘導コイル２１とシリンダ１１とは絶縁のため離間しており、誘導コイル２１とシリンダ１１との間には図示されない断熱材が介装されてもよい。

誘導コイル２１に交流電流が供給されると、誘導コイル２１内のシリンダ１１に交番磁界が形成され、シリンダ１１に渦電流（誘導電流）が流れ、シリンダ１１自体が発熱する。シリンダ１１自体が発熱するので、シリンダ１１の加熱効率が良い。

誘導コイル２１は、例えば図１に示すように、加熱装置２０が加熱する複数のゾーンＺ１〜Ｚ５のうち、冷却装置３０に最も近いゾーンＺ１を加熱するものであってよい。冷却装置３０に最も近いゾーンＺ１では、シリンダ１１の熱がシリンダ１１を伝って冷却装置３０に逃げやすく、シリンダ１１の温度を所定の温度に保つための発熱量が多くなるためである。

尚、誘導コイル２１の加熱位置や数は特に限定されない。例えば、誘導コイル２１は、冷却装置３０から最も遠いゾーンＺ５（つまり、ノズル１２）を加熱するものでもよい。また、加熱装置２０は、複数の誘導コイルを有してもよい。

誘導コイル２１は、インバータに接続されている。インバータは、マイクロコンピュータ等で構成されるコントローラの制御下で、直流電流を任意の周波数の交流電流に変換する。インバータによって、誘導コイル２１に供給される交流電流の振幅、周波数が可変となっている。

冷却装置３０は、加熱装置２０よりも後方に設けられ、例えばシリンダ１１の後部を冷却し、シリンダ１１の後部やホッパ１６内で樹脂ペレットのブリッジ（塊化）が生じないように、樹脂ペレットの表面が溶融しない温度にシリンダの後部の温度を保つ。冷却装置３０は、水や空気などの冷媒の流路３１を有する。

次に、射出装置１０の動作について説明する。

射出装置１０がスクリュ１３を回転させると、スクリュ１３のフライト（ねじ山）１５が動き、スクリュ１３のねじ溝内に充填された樹脂ペレットが前方に送られる。樹脂は、シリンダ１１内を前方に移動しながら、シリンダ１１からの熱などで加熱される。シリンダ１１の先端部において、樹脂は完全に溶融した状態となる。そして、スクリュ１３の前方に溶融樹脂が蓄積されるにつれ、スクリュ１３は後退する。スクリュ１３が所定距離後退し、スクリュ１３の前方に所定量の樹脂が蓄積されると、スクリュ１３の回転は停止される。射出装置１０は、スクリュ１３の回転を停止した状態で、スクリュ１３を前進させることにより、シリンダ１１の先端部に形成されるノズル１２から金型装置内に溶融樹脂が射出される。

次に、図１を再度参照して、シリンダの構成について説明する。

シリンダ１１は、シリンダ本体１７と、シリンダ本体１７よりも内側に配設される導電層１８とを有する。導電層１８の透磁率μ１は、シリンダ本体１７の透磁率μ２よりも高くてよい。ここで、「透磁率」は、外部磁場のない状態での透磁率、つまり、初期透磁率を意味する。

シリンダ本体１７は、樹脂の射出圧で変形しないように、耐久性の高い材料で構成される。シリンダ本体１７の材料としては、窒化処理によって表面を硬化した窒化鋼などが挙げられる。窒化処理される鋼としては、例えば、アルニウムクロムモリブデン鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼などがある。

導電層１８は、シリンダ本体１７よりも内側に配設される。導電層１８は、シリンダ本体１７の内周面に固定されてよい。シリンダ本体１７と、筒状の導電層１８とは、焼き嵌め又は冷やし嵌めで嵌合されてよい。シリンダ１１の製造が容易である。

尚、シリンダ１１の製造方法は多種多様であってよく、例えば、シリンダ１１は、シリンダ本体１７の内周面に導電層１８を成膜してなるものでもよい。また、シリンダ１１は、シリンダ本体１７の内周面に接着剤で導電層１８を貼り付けてもよい。接着剤の場合、導電層１８とシリンダ本体１７との間に接着層が形成される。

導電層１８の透磁率μ１は、シリンダ本体１７の透磁率μ２よりも高い。導電層１８の材料は磁性材であってよく、磁性材の中でも、保持力が小さく、透磁率が高い軟磁性材が望ましい。軟磁性材料としては、例えば炭素鋼（例えばＳＳ材、ＳＣ材）、電磁鋼（例えばケイ素鋼）、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）、パーメンダ（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｖ系合金）等が用いられる。

導電層１８は、加熱装置２０が加熱する複数のゾーンＺ１〜Ｚ５のうち、少なくとも誘導コイル２１が加熱するゾーン（本実施形態ではゾーンＺ１）に設けられ、図１に示すようにその他のゾーンＺ２〜Ｚ４に延設されてもよい。

導電層１８は、誘導コイル２１の交流電流によって誘導コイル２１内に形成される交番磁界が導電層１８を通りやすいように、螺旋状の誘導コイル２１内を貫通してよい。この場合、導電層１８の軸方向長さは、誘導コイル２１の軸方向の長さよりも長くなる。

図２は、本発明の一実施形態によるシリンダの誘導加熱時の渦電流を示す図である。図２では、図面を見やすくするため、スクリュ１３のうちフライト１５の図示を省略してある。尚、図２は一例であって、渦電流の向きは時間の経過と共に繰り返し反転する。

本実施形態のシリンダ１１は、シリンダ本体１７よりも透磁率の高い導電層１８を有する。そのため、誘導コイル２１の交流電流によって誘導コイル２１内に生じる交番磁界がシリンダ本体１７よりも導電層１８を通りやすく、渦電流が導電層１８で生じやすいで、導電層１８が加熱されやすい。加熱される導電層１８は、シリンダ本体１７よりも内側に配設され、シリンダ本体１７よりも樹脂に近いので、樹脂の加熱効率が良い。導電層１８の内周面は、樹脂の加熱効率を高めるため、樹脂と接触する面であってよい。

図３は、本発明の一実施形態によるシリンダの誘導加熱時の渦電流密度、及び従来のシリンダの誘導加熱時の渦電流密度を示す図である。横軸はシリンダ中心からの距離ｒ、縦軸は渦電流密度の実効値Ｊｅを表す。図３において、太い実線は本実施形態のシリンダにおける渦電流密度を示し、太い破線は従来のシリンダにおける渦電流密度を示す。従来のシリンダは、本実施形態のシリンダ本体１７と同じ窒化鋼のみで構成され、本実施形態のシリンダ１１と同じ寸法（内径、外径など）及び同じ形状を有するとした。

図３に太い破線で示すように、従来のシリンダの渦電流密度は、表皮効果によって、シリンダの径方向内方に向かうほど小さくなる。渦電流密度が小さくなるほど、ジュール熱が小さくなるので、シリンダの外周面及びその近傍が集中的に加熱される。そのため、シリンダの外周面から外気などに逃げる熱や、シリンダを伝って冷却装置に逃げる熱が多く、シリンダの内周面が加熱され難かった。従って、シリンダ内の樹脂の加熱効率が悪かった。

これに対し、図３に太い実線で示すように、本実施形態では、導電層１８で渦電流が生じやすく、導電層１８が加熱されやすい。加熱される導電層１８は、シリンダ本体１７よりも内側に配設され、シリンダ本体１７よりも樹脂に近い。よって、シリンダ全体の単位時間当たりの発熱量が従来と同じ場合、シリンダ１１の内周面が加熱されやすく、樹脂の加熱効率が従来よりも良くなる。

導電層１８の渦電流密度は、図３に太い実線で示すように、表皮効果によって、シリンダ１１の径方向内方に向かうほど小さくなる。導電層１８の渦電流密度は、導電層１８の外周面で最も高くなり、導電層１８の内周面で最も低くなる。

導電層１８の厚さが厚くなるほど、導電層１８の渦電流量が増え、導電層１８の発熱量が増える。しかし、導電層１８の厚さがある程度厚くなると、表皮効果のため、導電層１８の渦電流量がほとんど増えなくなり、導電層１８の発熱量がほとんど増えなくなる。また、導電層１８の外周面から内周面に向かうほど発熱量が減るので、導電層１８の厚さが厚くなりすぎると、導電層１８から樹脂に熱が伝達しにくくなり、導電層１８の熱抵抗が増える。従って、導電層１８の厚さは、導電層１８の発熱量と、導電層１８の熱抵抗とのバランスを考慮して設定される。

導電層１８は、軟磁性材で形成されてよく、誘導コイル２１の交流電流によって誘導コイル２１内に生じる交番磁界で励磁されてよい。導電層１８の磁極が反転することで、導電層１８の外側に配設されるシリンダ本体１７にも渦電流が生じる。シリンダ本体１７の渦電流の方向と、導電層１８の渦電流の方向とは、図２に示すように同じ方向であってよい。

シリンダ本体１７の渦電流密度は、導電層１８に近い位置ほど高くなる。シリンダ本体１７に生じる渦電流の密度は、シリンダ本体１７の内周面で最も高くなり、シリンダ本体１７の外周面で最も低くなる。シリンダ本体１７の発熱量はシリンダ本体１７の内周面で最も多くなるので、シリンダ本体１７の熱が導電層１８を介して樹脂に伝達しやすい。

尚、導電層１８の外周面で渦電流密度が最大となる態様であれば、シリンダ本体１７の渦電流密度分布は本実施形態に限定されない。

ところで、誘導コイル２１に同じ交流電流（同じ周波数、同じ振幅の交流電流）を流す場合、シリンダの透磁率と、シリンダの導電率との積が大きくなるほど、シリンダの単位時間当たりの発熱量が増える。

そこで、導電層１８の透磁率をμ１、導電層１８の導電率をσ１、シリンダ本体１７の透磁率をμ２、シリンダ本体１７の導電率をσ２とすると、μ１×σ１＞μ２×σ２の式が成立することが望ましい。シリンダ１１全体の単位時間当たりの発熱量が同じ場合、シリンダ本体１７の単位時間当たりの発熱量の割合が減り、導電層１８の単位時間当たりの発熱量の割合が増える。導電層１８は、シリンダ本体１７よりも樹脂に近いので、樹脂の加熱効率がさらに良くなる。

尚、μ１×σ１＞μ２×σ２の式が成立すれば、導電層１８の透磁率μ１と、シリンダ本体１７の透磁率μ２との大小関係は本実施形態に限定されない。

以上、射出装置を実施形態で説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。

例えば、上記実施形態のシリンダ本体１７は導電性を有し、誘導コイル２１はシリンダ本体１７及び導電層１８の両方を誘導加熱するが、シリンダ本体１７は絶縁性を有し、誘導コイル２１は導電層１８のみを誘導加熱してもよい。

また、上記実施形態の射出装置は、スクリュ・インライン方式のものであるが、プランジャ・プリプラ方式やスクリュ・プリプラ方式のものでもよい。プリプラ方式では、可塑化用シリンダ内で溶融された樹脂を射出用シリンダに供給し、射出用シリンダから金型装置内に溶融樹脂を射出する。プリプラ方式の場合、誘導コイル２１が加熱するシリンダは、可塑化用シリンダ、射出用シリンダのいずれでもよい。

１０ 射出装置
１１ シリンダ
１２ ノズル
１３ スクリュ
１７ シリンダ本体
１８ 導電層
２０ 加熱装置
２１ 誘導コイル（誘導加熱部）
２２〜２５ ヒータ
３０ 冷却装置

Claims (2)

1. 成形材料が供給されるシリンダと、
   該シリンダを誘導加熱する誘導加熱部とを備え、
   前記シリンダは、シリンダ本体と、該シリンダ本体よりも内側に配設される導電層とを有し、
   前記導電層の透磁率をμ１、前記導電層の導電率をσ１、前記シリンダ本体の透磁率をμ２、前記シリンダ本体の導電率をσ２とすると、μ１×σ１＞μ２×σ２の式が成立する、射出装置。
2. 前記シリンダ本体と、筒状の前記導電層とが焼き嵌め、又は冷やし嵌めで嵌合されている、請求項１に記載の射出装置。

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