JP2014162102A - ヒータ及び温度センサ付きヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】バルブピンに内蔵した状態で、バルブピンが作動しても、破損しにくい温度センサ付きヒータを提供する。
【解決手段】螺旋状に形成したニクロム線１２を円筒状のセラミック材１４の中空部分に挿入し、ニクロム線１２を挿入したセラミック材１４をステンレス製の円筒状の外皮１６の中空部分に挿入する。そして、セラミック材１４を挿入した外皮１６を断面形状が半円状となるように絞り加工することにより、外皮１６内でセラミック材１４を粒状に粉砕し、粒状のセラミック材によりニクロム線１２を外皮１６内で固定する。その後、絞り加工した外皮１６を半円形状の底面部分が対向するように折り曲げることにより、断面形状が円形となるヒータ１０を形成する。このヒータ１０と、クロメル・アルメルの熱電対２２とを、ステンレス製の円筒状の外筒３０に挿入し、絞り加工することにより一体化し、温度センサ付きヒータ１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータ及び温度センサ付きヒータ、特に、樹脂成形を行うバルブゲートシステムに使用されるヒータ及び温度センサ付きヒータに関する。

従来、プラスチック樹脂などの溶融材料の射出成形に用いられるバルブゲートシステムは、金型内のゲートの開閉を機械的に操作できるようになっている。したがって、溶融材料の冷却固化を待たずに強制的にゲートを切断し、金型を開くことで成形サイクルの短縮が可能であったり、多数キャビティ金型において、いずれかのゲートを不使用（閉）にして、必要なキャビティだけで成形が可能であったりするなどの利点がある。

ところが、複数の種類の溶融材料を用いて射出成形する場合、溶融材料の交換時に、ゲート内に残留樹脂（いわゆる、色替え不良）が発生する。この色替え不良の原因は、ゲート内の残留樹脂により生成されるスキン層の排出ができないことである。

そして、その原因となるのが、バルブの形状、パイプ内面の粗度及び温度管理などであるが、特に、溶融材料の流動性を保持するための温度管理が重要である。したがって、従来のバルブゲートシステムでは、マニホールド及びノズル部分にヒータを設置することによりマニホールドやノズルの温度を高めることにより、溶融材料の流動性を保持している（例えば、引用文献１参照）。

特開２００２−３３１５５２号公報

ところが、上記従来のバルブゲートシステムにおいては、マニホールド及びノズルをヒータで加熱しているのみであり、バルブピンを加熱することはなされていなかった。したがって、溶融樹脂の流路、特に、バルブピン部分で温度差が生じ、その部分でスキン層ができやすく残留樹脂が生じやすくなっているという問題があった。

そこで、バルブピンを加熱し、バルブピン部分での温度差を減少させることにより、残留樹脂を生じさせにくくすることが考えられる。
ここで、バルブピンは細長い形状であるため、バルブピンを加熱するには、細長いバルブピン全体に亘って加熱することが必要となる。したがって、加熱用のヒータをバルブピン全体に設ける必要があるが、バルブピンの外面形状は、残留樹脂を生じさせないように滑らかにする必要があるため、ヒータをバルブピンの内部に設ける必要がある。

ところが、バルブピンは、細長く、しかも、バルブピンには、マニホールドの流路を流れる溶融樹脂から横方向の曲げ力が加わるため、内部にヒータを内蔵させるとヒータに曲げ荷重が加わり、破損してしまうという問題がある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、バルブピンに内蔵した状態で、バルブピンが作動しても、破損しにくいヒータを提供することを目的とする。

この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。

上記「発明が解決しようとする課題」において述べた問題を解決するためになされた発明は、螺旋状に形成した電熱線（１２）、円筒状に形成したセラミック材（１４）及び円筒状に形成した金属製の外皮（１６）を備えたヒータ（１０）である。

そして、螺旋状の電熱線（１２）を円筒状のセラミック材（１４）の中空部分に挿入し、電熱線（１２）を挿入したセラミック材（１４）を外皮（１６）の中空部分に挿入し、セラミック材（１４）を挿入した外皮（１６）を断面形状が半円状となるように絞り加工し、絞り加工した外皮（１６）を半円形状の底面部分が対向するように折り曲げて形成してある。

このようなヒータ（１０）では、電熱線（１２）が螺旋状に形成してあるため、電熱線（１２）の長さを長くすることができ、発熱量を大きくすることができる。
また、円筒状のセラミック材（１４）の中空部分に螺旋状の電熱線（１２）を挿入し、電熱線（１２）を挿入したセラミック材（１４）を円筒状の外皮（１６）の中空部分に挿入し、その外皮（１６）を断面形状が半円状となるように絞り加工してある。

すると、外皮（１６）を絞り加工する際に外皮（１６）の中空部分が潰れるため、挿入されているセラミック材（１４）も細かな粒状に潰れ、螺旋状の電熱線（１２）が、潰れた粒状のセラミック材（１４）で被覆されたようになる。つまり、外皮（１６）内部において螺旋状の電熱線（１２）がセラミック材（１４）で被覆された状態で固定される。

このようにして断面形状が半円状になった外皮（１６）を半円形状の底面部分（半円の弦の部分）が対向するように折り曲げてある。すると、ヒータ（１０）の断面形状は、円形状となるので、曲げ荷重に対して強くなり、破損しにくくすることができる。

さらに、ヒータ（１０）が電熱線（１２）で構成されているので、細長い形状とすることができる。したがって、バルブピン内部に挿入できるような形状とすることができる。つまり、バルブピンに内蔵した状態で、バルブピンが作動しても、破損しにくいヒータ（１０）とすることができる。

また、請求項２に記載のように、電熱線（１２）に外部から電力を供給するための導電線（４２）を備え、電熱線（１２）は、螺旋部分の両端に延出部分（１３）を有し、外皮（１６）を絞り加工する前に、電熱線（１２）の螺旋部分の両端それぞれにおいて、導電線（４２）を電熱線（１２）の螺旋部分に所定の長さ挿入した後、導電線（４２）と電熱線（１２）の螺旋部分両端の延出部分（１３）とを撚り合わせて電力供給線（４０）とした後、外皮（１６）を絞り加工するようにするとよい。

このようにすると、電熱線（１２）の螺旋部分に挿入された導電線（４２）が絞り加工により螺旋部分で電熱線（１２）に接触するとともに、電熱線（１２）の延出部分（１３）で電熱線（１２）と導電線（４２）とが撚り合わされるので、電熱線（１２）と導電線（４２）とが電気的に並列接続されることになる。

したがって、導電線（４２）の抵抗値を電熱線（１２）の抵抗値に比べて低くすれば、電熱線（１２）と導電線（４２）とが撚り合わされている部分の抵抗値が螺旋部分の抵抗値に比べて低くなる。つまり、電熱線（１２）は螺旋部分で発熱し、撚り合わせ部分では発熱が低くなるヒータ（１０）とすることができ、使いやすいものとなる。

ところで、バルブピンを加熱する際に、バルブピンの温度を検出することができれば、単にバルブピンを加熱するだけでなく、精度よく温度制御を行うことができる。そこで請求項３に記載の発明のように、ヒータ（１０）、温度センサ（２０）及び外筒（３０）を備えた温度センサ付きヒータ（１）とするとよい。

ここで、ヒータ（１０）は、請求項１又は請求項２に記載のヒータ（１０）であり、温度センサ（２０）は、温度検出のための熱電対からなるセンサであり、外筒（３０）は、円筒形状を有し、ヒータ（１０）と温度センサ（２０）とを挿入した後、絞り加工によりヒータ（１０）及び温度センサ（２０）を一体化して固定するための金属製の筒である。

このような温度センサ付きヒータ（１）では、断面形状が円形のヒータ（１０）と熱電対からなる温度センサ（２０）とが円筒形状の外筒（３０）に挿入され、絞り加工されている。したがって、温度センサ（２０）は、断面形状が円形であるヒータ（１０）とともに断面形状が円形となるように、外筒（３０）内に固定されるので、温度センサ（２０）も横荷重に対して破損し難いものとなる。

また、ヒータ（１０）と温度センサ（２０）とが一体化されているので、この温度付きヒータ（１）をバルブピン内部に挿入して使用することができ、さらに、温度センサ（２０）で検出した温度に基づいて、精度よくバルブピンの温度を制御することができる。

温度センサ付きヒータの概略の構成を示す構成図である。 ヒータの製造方法を示す図である。 温度センサ付くヒータが使用されるバルブゲートシステムの概略の構成を示す断面図である。 バルブゲートシステムにおけるバルブゲート部分の拡大図である。 ヒータ、温度センサ及び温度制御装置の電気的接続関係を示すブロック図である。

以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
（温度センサ付きヒータ１の構成）
図１は、本発明が適用された温度センサ付きヒータ１の概略の構成を示す構成図であり、時１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、ヒータ１０部分の断面図である。図２は、ヒータ１０の製造方法を示す図である。

図１に示すように、温度センサ付きヒータ１は、ヒータ１０、温度センサ２０及び外筒３０を備えている。
ヒータ１０は、図２（ｂ）に示すように、螺旋状に形成した電熱線１２、円筒状に形成したセラミック材１４及び円筒状に形成した金属製の外皮１６を備えている。

電熱線１２は、ニクロム線（以下、電熱線１２をニクロム線１２とも呼ぶ）であり、螺旋部分の両端に延出部分１３を有している（図２（ａ）参照）。また、外皮１６は、ＳＵＳ３１６などのステンレス製の筒である。

ヒータ１０は、以下の（ア）〜（カ）の工程によって製造される。
（ア）螺旋状のニクロム線１２を円筒状のセラミック材１４の中空部分に挿入する（図２（ａ）参照）。
（イ）ニクロム線１２を挿入したセラミック材１４を外皮１６の中空部分に挿入する（図２（ｂ）参照）。
（ウ）ニクロム線１２に外部から電力を供給するためのニッケル製の導電線４２を、ニクロム線１２の螺旋部分の両端それぞれにおいて、所定の長さ（本実施形態では、１０［ｍｍ］）挿入する（図２（ｂ）参照）。
（エ）導電線４２とニクロム線１２の螺旋部分両端の延出部分１３とを撚り合わせて電力供給線４０とする（図２（ｂ）参照）。
（オ）セラミック材１４を挿入した外皮１６を断面形状が半円状となるように絞り加工する（図２（ｃ）参照）。
（カ）絞り加工した外皮１６を半円形状の底面部分（半円形状の弦の部分）が対向するように折り曲げる（図２（ｄ）参照）。

なお、電力供給線４０は、テフロン（登録商標）のシースで被覆されている。
温度センサ２０は、温度検出のための一対のクロメル・アルメルからなる熱電対２２である。

熱電対２２は、ゼーベック効果を利用した、熱起電力の直線性がよく、入手しやすいクロメル（＋極）・アルメル（−極）タイプのものを、ＳＵＳ３１６などのステンレス製の外皮で被膜して、長さ約７０［ｍｍ］に形成してある。

クロメル（＋極）及びアルメル（−極）のそれぞれの後端部には、それぞれ電圧出力のためのリード線２４が接続されており、リード線は、テフロン（登録商標）のシースで被覆されている。

外筒３０は、ＳＵＳ３０４などのステンレス製の薄肉（本実施形態では、肉厚０．５［ｍｍ］）のチューブであり、内部に挿入したヒータ１０や温度センサ２０を保護する保護管の機能を有している。

外筒３０は、円筒形状を有し、ヒータ１０と温度センサ２０とが内部に挿入される。また、挿入の際には、ヒータ１０の電力供給線４０と温度センサ２０のリード線２４が後端部から外部に延出されるようにする。

そして、ヒータ１０と温度センサ２０とを挿入した後、セラミック材１４と外筒３０の間に隙間ができないように、外筒３０を絞り加工し、ヒータ１０と温度センサ２０とを一体化する。
（温度センサ付きヒータ１の使用方法）
次に図３及び図４に基づき、温度センサ付きヒータ１の使用方法について説明する。温度センサ付きヒータ１は、図３に示すように、バルブゲートシステム５において、バルブゲート５０の温度を所定の温度にするために用いられる。

ここで、バルブゲートシステム５は、図３に示すように、マニホールド６０、バルブゲート５０及び温度制御装置７０（図５参照）を備えている。
マニホールド６０は、スチールなどの金属材料の内部に溶融樹脂の供給口から吐出口への湯道を形成した金属ブロックである。

湯道は、供給口から下方に穿たれた第１湯道６１、第１湯道６１の下端から水平方向（図３中左向き）に穿たれた第２湯道６２及び第２湯道６２の左端から下方に穿たれた第３湯道６３からなっている。

マニホールド６０の供給口（第１湯道６１の上端）には、プラスチックなどの溶融樹脂を射出する図示しない射出成形機の吐出口（ノズル）を結合するためのブッシュ６４（以下、ノズルタッチブッシュ６４ともいう）が設けられている。

射出成形機のノズルとノズルタッチブッシュ６４とは、射出成形機のノズルを位置決めするための、リング状に形成された金属製のロケートリング６５を介して接合される。
また、マニホールド６０の吐出口（第３湯道６３の下端）には、溶融樹脂を成形するための図示しない金型に吐出するためのノズル６６（以下、ホットノズル６６ともいう）が設けられ、ホットノズル６６の先端には、金型を接続するためのリング状の金属製のブッシュ６８（以下、ゲートブッシュ６８ともいう）が設けられている。

ノズルタッチブッシュ６４及びホットノズル６６の側面には、それぞれヒータ８０，８２が巻き付けられており、また、ノズルタッチブッシュ６４及びホットノズル６６の先端側面には、温度センサ８４，８６が取り付けられている。

そして、温度センサ８４，８６でノズルタッチブッシュ６４及びホットノズル６６の温度を検出し、検出した温度に基づき、ノズルタッチブッシュ６４及びホットノズル６６がそれぞれ所定の温度になるように加熱することにより、供給口から供給される溶融樹脂及び吐出口から吐出される溶融樹脂を加熱して、溶融樹脂の粘度を低下させ、湯道内を流れやすくしている。

バルブゲート５０は、バルブピン５２とバルブピンガイドブッシュ５４とを備えており、マニホールド６０の内部に形成された湯道の供給口から吐出口へ流れる溶融樹脂の量を、バルブピン５２の開閉により制御する。

バルブピンガイドブッシュ５４は、内部に、断面が円形の孔が設けられ、第３湯道６３に、その中心軸に沿って挿入されるようにしてマニホールド６０に固定されており、バルブピンガイドブッシュ５４内部に設けられた孔には、バルブピンガイドブッシュ５４の上端部からバルブピン５２が挿入されている。

バルブピンガイドブッシュ５４の先端部分（図３中では下端部分）及びホットノズル６６の内部孔後端部分（図３中では上端部分）にはネジが切ってあり、バルブピンガイドブッシュ５４をマニホールド６０に設けられた取付孔に挿入し、ホットノズル６６とバルブピンガイドブッシュ５４でマニホールド６０を挟むようにして、ネジ止めすることにより、バルブピンガイドブッシュ５４がマニホールド６０に取り付けられている。

また、バルブピンガイドブッシュ５４の後端（図３中では上端）には、縦断面が凹状で、その底面の中心に孔が設けられたステンレスなどの金属製の断熱リング５６が取り付けられ、断熱リング５６の上端には、リング状のスチールなどの金属製のスペーサ５８が取り付けられている。

このスペーサ５８の厚みを調整することにより、マニホールド６０やバルブピンガイドブッシュ５４の熱膨張を見込んで、バルブゲート５０の取付寸法の調整ができるようになっている。

バルブピン５２の先端は円錐状に成形されており、その先端がゲートブッシュ６８の内部孔の端部に着座して密着することにより、バルブゲート５０は、閉となり、溶融樹脂の流れを停止させる（図３は着座状態を示している）。

逆に、バルブピン５２の先端がゲートブッシュ６８の内部孔の端部から離隔することにより溶融樹脂の流れの量を制御することができる。
つまり、バルブピン５２がバルブピンガイドブッシュ５４の内部を、その中心軸に沿って移動（図３中では上下に移動）することにより、溶融樹脂の流れの量を制御するようになっている。

また、バルブピン５２の上部（図４中「Ａ」で示す部分）の内部は中空になっており、その中空部分に温度センサ付きヒータ１を挿入するようになっている。
バルブピン５２の上端部は、スペーサ５８から突出しており、突出した部分の端部（上端部）は、スペーサ５８の内径よりも大きな直径を有するフランジ５２ａになっている。そして、そのフランジ６２ａ部分が連結ジョイント５９を介して、エアシリンダ９０に連結され、エアシリンダ９０の上下運動により、バルブピン５２が上下に動くようになっている。

温度センサ付きヒータ１の後端部には、リード線２４（図３参照）が接続されており、リード線２４が、バルブピン５２のフランジ６２ａの側面に設けられた開口部から外部に延出され、温度制御装置７０に接続されて、電力が供給されるようになっている。

温度制御装置７０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏを備えており、図６に示すように、温度センサ付きヒータ１のリード線２４によって、それぞれヒータ１０及び温度センサ２０に接続されている。

温度制御装置７０は、ヒータ１０に電力を供給するとともに、温度センサ２０により検出したバルブピン５２の温度に基づいて、バルブピン５２が所定の温度となるようにヒータ１０に供給する電力を制御することにより、バルブピン５２の温度制御を行う。

なお、「所定の温度」とは、溶融樹脂が湯道内部を流れるのに適した温度であり、溶融樹脂の種類によって定められる温度である。
（温度センサ付きヒータ１の特徴）
以上のような温度センサ付きヒータ１では、ヒータ１０のニクロム線１２が螺旋状に形成してあるため、電熱線１２の長さを長くすることができ、発熱量を大きくすることができる。

また、円筒状のセラミック材１４の中空部分に螺旋状のニクロム線１２を挿入し、そのセラミック材１４を円筒状の外皮１６の中空部分に挿入し、その外皮１６を断面形状が半円状となるように絞り加工してある。

したがって、外皮１６を絞り加工する際に外皮１６の中空部分が潰れ、挿入されているセラミック材１４が細かな粒子状に潰れて、螺旋状のニクロム線１２が、潰れて粒子状になったセラミック材１４で被覆されたようになる。つまり、外皮１６内部において螺旋状のニクロム線１２がセラミック材１４で被覆された状態で固定される。

さらに、断面形状が半円状になった外皮１６を半円形状の底面部分（半円の弦の部分）が対向するように折り曲げてあるので、ヒータ１０の断面形状は、円形状となる。したがって、曲げ荷重に対して強くなり、破損しにくくすることができる。

さらに、ヒータ１０がニクロム線１２で構成されているので、細長い形状とすることができる。したがって、バルブピン内部に挿入できるような形状とすることができる。つまり、バルブピンに内蔵した状態で、バルブピンが作動しても、破損しにくいヒータ１０とすることができる。

また、外皮１６を絞り加工する前に、ニクロム線１２の螺旋部分の両端それぞれにおいて、導電線４２をニクロム線１２の螺旋部分に所定の長さ挿入した後、導電線４２とニクロム線１２の螺旋部分の両端の延出部分１３とを撚り合わせて電力供給線４０とした後、外皮１６を絞り加工する。

したがって、ニクロム線１２の螺旋部分に挿入された導電線４２が絞り加工により螺旋部分でニクロム線１２に接触するとともに、ニクロム線１２の延出部分１３でニクロム線１２と導電線４２とが撚り合わされるので、ニクロム線１２と導電線４２とが電気的に並列接続されることになる。

ここで、導電線４２（ニッケル線）の抵抗値がニクロム線１２の抵抗値に比べて低いので、ニクロム線１２と導電線４２とが撚り合わされている部分の抵抗値が螺旋部分の抵抗値に比べて低くなる。つまり、ニクロム線１２は螺旋部分で発熱し、撚り合わせ部分では発熱が低くなるヒータ１０とすることができ、使いやすいものとなる。

また、温度センサ付きヒータ１では、断面形状が円形のヒータ１０と熱電対からなる温度センサ２０とが円筒形状の外筒３０に挿入され、絞り加工されている。したがって、温度センサ２０は、断面形状が円形であるヒータ１０とともに断面形状が円形となるように、外筒３０内に固定されるので、温度センサ２０も横荷重に対して破損し難いものとなる。

さらに、ヒータ１０と温度センサ２０とが一体化されているので、温度付きヒータ１をバルブピン内部に挿入して使用することができ、また、温度センサ２０で検出した温度に基づいて、精度よくバルブピンの温度を制御することができる。

また、ヒータ１０がニクロム線で形成されているため、容易かつ低価格でヒータ１０を製造することができる。さらに、熱電対２２がクロメル・アルメルで形成されているので、容易かつ低価格で熱電対２２を製造することができる。また、外筒３０がステンレス製であるので、絞り加工が容易であり、かつ安価な外筒３０とすることができる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
（１）上記実施形態では、電熱線１２をニクロム線としたが、細長く、螺旋状に形成できる材料であれば、どのような電熱線であってもよい。
（２）上記実施形態では、熱電対２２をクロメル・アルメルタイプとしたが、他の形式の熱電対であってもよい。
（３）上記実施形態では、外筒３０をステンレスとしたが、溶融樹脂により腐食し難く、溶融樹脂などから加わる横荷重に耐えられ、さらに、絞り加工が可能な材料であれば、どのような材料であってもよい。

１… 温度センサ付きヒータ ５… バルブゲートシステム １０… ヒータ １２… ニクロム線（電熱線） １３… 延出部分 １４… セラミック材 １６… 外皮 ２０… 温度センサ ２２… 熱電対（クロメル・アルメル） ２４… リード線 ３０… 外筒 ４０… 電力供給線 ４２… 導電線 ５０… バルブゲート ５２… バルブピン ５２ａ… フランジ ５４… バルブピンガイドブッシュ ５６… 断熱リング ５８… スペーサ ５９… 連結ジョイント ６０… マニホールド ６１… 第１湯道 ６２… 第２湯道 ６２ａ… フランジ ６３… 第３湯道 ６４… ノズルタッチブッシュ（ブッシュ） ６５… ロケートリング ６６… ホットノズル（ノズル） ６８… ゲートブッシュ（ブッシュ） ７０… 温度制御装置 ８０，８２… ヒータ ８４，８６… 温度センサ ９０… エアシリンダ。

Claims (3)

1. 螺旋状に形成した電熱線と、
   円筒状に形成したセラミック材と、
   円筒状に形成した金属製の外皮と、
   を備え、
   前記螺旋状の電熱線を前記円筒状のセラミック材の中空部分に挿入し、
   前記電熱線を挿入した前記セラミック材を前記外皮の中空部分に挿入し、
   前記セラミック材を挿入した前記外皮を断面形状が半円状となるように絞り加工し、
   該絞り加工した外皮を前記半円形状の底面部分が対向するように折り曲げて形成したことを特徴とするヒータ。
2. 請求項１に記載のヒータにおいて、
   前記電熱線に外部から電力を供給するための導電線を備え、
   前記電熱線は、螺旋部分の両端に延出部分を有し、
   前記外皮を絞り加工する前に、前記電熱線の螺旋部分の両端それぞれにおいて、前記導電線を前記電熱線の螺旋部分に所定の長さ挿入した後、前記導電線と前記電熱線の螺旋部分両端の延出部分とを撚り合わせて電力供給線とした後、前記外皮を絞り加工することを特徴とするヒータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のヒータと、
   温度検出のための熱電対からなる温度センサと、
   円筒形状を有し、前記ヒータと前記温度センサとを挿入した後、絞り加工により前記ヒータ及び前記温度センサを一体化して固定するための金属製の外筒と、
   を備えたことを特徴とする温度センサ付きヒータ。

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