JP2016112775A

JP2016112775A - 加熱シリンダの温度制御におけるエネルギ節約方法および射出装置

Info

Publication number: JP2016112775A
Application number: JP2014253209A
Authority: JP
Inventors: 惟由山本; Iyoshi Yamamoto
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-23

Abstract

【課題】加熱シリンダの温度制御におけるエネルギの節約方法を提供する。【解決手段】軸方向に複数のゾーンに区分され複数枚のバンドヒータ（７）が巻かれた加熱シリンダ（２）において該バンドヒータ（７）を覆うように断熱材（１４）を備えた断熱カバー（９）を設ける。断熱カバー（９）には冷却手段（１９、２１、１６）によって冷却用の空気を供給できるようにし、断熱カバー（９）毎に、すなわちゾーン毎に温度制御できるようにする。そして、断熱カバー（９）には吸引手段（１７、２４、２６）を設けて断熱カバー（９）内の高温の空気を吸引できるようにし、高温の空気の拡散・散逸を防ぐ。射出装置（１）はスターリングエンジン（２５）を備え、吸引した高温の空気を熱源として駆動させて発電する。【選択図】図１

Description

本発明は、射出装置の加熱シリンダの温度を制御する温度制御において、エネルギを節約する方法、および射出装置に関するものである。

従来周知のように射出成形機の射出装置は、加熱シリンダ、この加熱シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動可能なスクリュ、等から構成されている。加熱シリンダにはその外周部に複数枚のバンドヒータが巻かれて加熱できるようになっている。加熱シリンダ、あるいはスクリュは軸方向のそれぞれの部分によって奏する作用が相違しており、例えば加熱シリンダの後方寄りが材料の樹脂ペレットが供給される供給ゾーン、中間が樹脂ペレットが溶融される溶融ゾーン、そして前方寄りが溶融した樹脂が混練されると共に圧縮される混練ゾーンのように区分されている。加熱シリンダに巻かれている複数枚のバンドヒータは、各ゾーンにおいて独立してＯＮ／ＯＦＦされ、各ゾーンは所望の目標温度になるように制御される。

特開２０１０−２４７４５８号公報特開平５−５４７９号公報

２００〜３００℃に加熱される加熱シリンダは外気に大量の熱量が放出されてしまうので、その分だけバンドヒータで加熱しなければならずエネルギロスが大きい。そこで、加熱シリンダの外周面に巻かれたバンドヒータの上から保温効果を有する断熱カバーで覆われた射出装置も周知である。このような射出装置では、断熱カバーが外気への熱の放出を抑制するので、エネルギ効率に優れている。ところで射出成形機では、樹脂の色替え等により加熱シリンダの設定温度を下げたい場合もある。色替え前の加熱シリンダの温度が設定温度よりも高い場合には、自然放熱によって、あるいは送風機等によって風を当てて冷却され目標温度に達するのを待つようにしている。しかしながら加熱シリンダに断熱カバーが設けられていると冷却に長時間を要するので、射出成形機の稼働率が低下して成形品の生産性が悪化することになり、結果的にコスト高になってしまう。そこで、このような問題を解決する断熱カバーを備えた射出装置が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の断熱カバーは、バンドヒータに接する内側は空気を通す通気性シートから、露出している外側は空気を通さない気密シートからそれぞれ構成され、内部にはグラスファイバーやシリカ等からなる断熱材が充填されている。そして外部から冷却用の圧縮空気を供給できるようになっている。従って、色替え等の必要により加熱シリンダの温度を低下させたいときは、圧縮空気を断熱カバーに供給する。そうすると圧縮空気は断熱材内で拡散され、そして通気性シートから加熱シリンダに供給される。これによって短時間で加熱シリンダを冷却でき、射出成形機の稼働率を高めることができる。

ところで射出成形機と直接関係はないが、省エネルギーの分野において近年スターリングエンジンが注目されている。スターリングエンジンは、シリンダ内のガスをシリンダの外部の熱源によって加熱・冷却してガスの体積を変化させ、この変化をシリンダ内で摺動するピストンによって取り出して運動エネルギーを得る外燃機関である。スターリングエンジンは、いくつかの種類があり、例えば特許文献２に記載されているような、低温側と高温側の２本のシリンダが互いに連結されている２ピストン型スターリングエンジン、１本のシリンダ内を低温部と高温部に区分するディスプレーサピストンを備えたディスプレーサ型スターリングエンジン等が周知である。スターリングエンジンは２つの熱源があれば、それらの温度差から容易に運動エネルギーとしてエネルギーを取り出して発電等することができるので、例えば従来無駄に捨てられてきた高温の工場排水等からエネルギーを回収することができ、省エネルギーの分野において注目されている。

特許文献１に記載の断熱カバーは、保温性に優れているので加熱シリンダを加熱するヒータの電力を節約でき、その結果射出成形機のエネルギー効率を改善できる。また色替え等により加熱シリンダの設定温度を変更するときにも比較的短時間で加熱シリンダを冷却して稼働率を高く維持することができる。つまり特許文献１に記載の断熱カバーは、稼働率を高く維持しながらエネルギを節約することができ、優れているといえる。しかしながら、エネルギの節約という点においてはさらに改善の余地がありそうである。例えば、特許文献１に記載の断熱カバーを備えた射出成形機は強制的に加熱シリンダを冷却するときに大量の高温の空気が発生するが、これらを単に廃棄すると熱エネルギを無駄にしてしまう。仮にこの高温の空気を熱源として利用して、スターリングエンジンによって発電等をすれば熱エネルギを回収することはできそうである。しかしながら特許文献１に記載の断熱カバーは、外部から圧縮空気を供給して加熱シリンダを冷却するとき高温になった空気は加熱シリンダと断熱カバーの隙間から外部に漏れて周囲に拡散・散逸してしまい利用できない。つまりスターリングエンジンによって熱エネルギの回収はできない。これは特許文献１に記載の断熱カバーを備えていない、従来の射出成形機においても同様である。つまり従来の射出成形機の加熱シリンダにおいても高温の空気が加熱シリンダの近傍で大量の発生するが、これらは拡散・散逸してしまうのでスターリングエンジン等によって回収することができない。従来の射出成形機や、特許文献１に記載の断熱カバーを備えた射出成形機において、加熱シリンダの全体を収納するような大型のカバーを設けるようにして高温の空気の拡散・散逸を防止すれば、スターリングエンジンの熱源として利用して熱エネルギを回収することができるかも知れない。しかしながらこのような大型のカバーはコストが大きいし、射出成形機の操作を妨げてしまうので実用的ではない。

特許文献１に記載の断熱カバーを備えた射出成形機において、仮に高温の空気の拡散・散逸を防止でき、この高温の空気を熱源としてスターリングエンジンを使って熱エネルギを回収できたとしても若干の問題がある。具体的には、特許文献１に記載の断熱カバーにおいて高温の空気が大量に発生するのは色替え等の必要が生じたときだけであると考えられ、スターリングエンジンを駆動できるのは色替え時のみということになりかねない。そうするとスターリングエンジンが無駄になる。もしスターリングエンジンを常時駆動させようとすれば、定常的に高温の空気を排出させなければならないが、そうすると断熱カバーに圧縮空気を常時供給しなければならず、加熱シリンダから定常的に熱エネルギが奪われてしまう。そうすると断熱カバーによってエネルギロスを防止している意味が無くなってしまう。

本発明は、上記したような問題点を解決した、加熱シリンダの温度制御におけるエネルギの節約方法を提供することを目的としており、具体的には、加熱シリンダを所望の温度に制御するときに、エネルギ効率が高く、外部に排出される高温の空気から熱エネルギを回収して、全体としてエネルギを節約することができるエネルギの節約方法、およびそのようなエネルギの節約方法を実施する射出装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記の目的を達成するために、加熱シリンダが軸方向に複数のゾーンに区分され、各ゾーンのそれぞれが該加熱シリンダの外周面に巻かれた複数枚のバンドヒータと、該バンドヒータの外側に設けられている複数枚の断熱カバーと、該断熱カバー毎に独立して外部から空気を供給するようになっている冷却手段とを備えた射出装置において、各ゾーンを独立して温度制御するとき、前記断熱カバー内の空気を所定の吸引手段によって吸引し、該吸引された空気を熱源としてスターリングエンジンを駆動して発電することを特徴とする加熱シリンダの温度制御におけるエネルギ節約方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、加熱シリンダが軸方向に複数のゾーンに区分され、各ゾーンのそれぞれが該加熱シリンダの外周面に巻かれた複数枚のバンドヒータと、該バンドヒータの外側に設けられている複数枚の断熱カバーと、該断熱カバー毎に独立して外部から空気を供給するようになっている冷却手段とを備え、各ゾーンが独立して温度制御されるようになっている射出装置であって、前記射出装置は所定の吸引手段とスターリングエンジンとを備え、前記吸引手段はそれぞれの前記断熱カバーから空気を吸引するようになっており、前記スターリングエンジンは前記吸引された空気を熱源として駆動されて発電するようになっていることを特徴とする射出装置として構成される。

本発明は、加熱シリンダが軸方向に複数のゾーンに区分され、各ゾーンのそれぞれが該加熱シリンダの外周面に巻かれた複数枚のバンドヒータと、該バンドヒータの外側に設けられている複数枚の断熱カバーと、該断熱カバー毎に独立して外部から空気を供給するようになっている冷却手段とを備えた射出装置を対象としており、これらの各ゾーンを独立して温度制御するときのエネルギ節約方法として構成されている。本発明のエネルギの節約は断熱カバー内の空気を所定の吸引手段によって吸引し、該吸引された空気を熱源としてスターリングエンジンを駆動して発電することによって行う。従って、加熱シリンダを冷却するときに発生する空気の排熱を利用して発電できるのでエネルギを無駄にしないで済む。発電された電力は適宜コンデンサ等の蓄電手段によって蓄電すれば、必要な時に利用することができ、全体としてエネルギの節約になる。スターリングエンジンは高温と低温の熱源の温度差だけで発電ができ、低温の熱源は室温の空気をそのまま利用できるので、高温の熱源となる断熱カバー内の空気が安定的に供給できれば安定的に発電できる。一般的に断熱カバー内の高温の空気を利用するのは２点の理由から困難であるが本発明はこれらを解決している。まず困難となる第１の理由は、断熱カバー内の空気が外部に拡散・散逸して利用しにくいことであることであるが、本発明は吸引手段によって断熱カバー内の空気を吸引するので空気が拡散・散逸することなく利用可能になり問題を解決している。そして困難となる第２の理由は、断熱カバー内の高温の空気を安定的に利用しようとすると必然的に冷却用の空気を供給しなければならないので加熱シリンダを冷却し過ぎてしまい結果的にエネルギロスになる危険があることである。しかしながらこれも解決している。加熱シリンダの各ゾーンを検討すると、加熱シリンダには内部の樹脂の剪断による発熱量が小さいゾーンもあれば大きいゾーンもあることが分かる。発熱量が小さいゾーンであれば冷却の必要性が小さく断熱カバー内の高温の空気を定常的に利用することはできないが、発熱量が大きく定常的に冷却が必要なゾーンであれば定常的に高温の空気を吸引してもエネルギロスにはならない。本発明によると冷却手段は断熱カバー毎に独立して外部から空気を供給しているので、定常的に冷却が必要なゾーンのみ選択的に冷却用の空気を供給することができる。これによって安定的に高温の空気が得られる。つまり、エネルギロスなく高温の空気が安定的に得られ、それによって安定的に発電ができる。

本発明の実施の形態に係る射出装置を示す正面断面図である。

本実施の形態に係る射出装置１は、図１に示されているように加熱シリンダ２、この加熱シリンダ２内で軸方向と回転方向とに駆動されるスクリュ３、加熱シリンダ２の先端に設けられている射出ノズル５、加熱シリンダ２の後方に設けられているホッパ６、等から構成されている。そして加熱シリンダ２は軸方向に複数のゾーン、本実施の形態においては４個のゾーンに区分され、それぞれのゾーンにおいて加熱シリンダ２の外周部にバンドヒータ７、７、…が巻かれている。

本実施の形態に係る射出装置１は、これらのバンドヒータ７、７、…に本実施の形態に係る断熱カバー９、９、…がかぶせられている。本実施の形態に係る断熱カバー９は、外側を覆う外側シート１１と、内側に位置してバンドヒータ７に接している内側シート１２と、外側シート１１と内側シート１２の間に充填されている断熱材１４とから構成されている。外側シート１１はグラスファイバーからなる織布でありシリコンコーティングされて気密性を備えている。すなわち通気性がない気密性シートになっている。これに対して内側シート１２もグラスファイバーからなる織布であるがシリコンコーティングされていないので通気性を備えている。つまり通気性シートになっている。これによってバンドヒータ７、７、…や加熱シリンダ２に冷却用の空気が供給されるようになっている。ところで本実施の形態においては、外側シート１１はその端面が加熱シリンダ２の外周面に接するように形成され加熱シリンダ２の外周面との隙間はわずかになっている。従って、内側シート１２からバンドヒータ７、７、…や加熱シリンダ２に供給された空気のうち外部に漏れ出す量はわずかであり、大部分は内側シート１２を通って断熱カバー９、９、…内に戻る。つまり断熱カバー９、９、…の外部に拡散・散逸する空気の量はわずかになっている。断熱材１４はグラスファイバーの中綿からなり、冷却用の空気が容易に内部に浸透・拡散するようになっている。

このような断熱カバー９、９、…には、外側シート１１、１１、…に冷却用空気を供給する供給口１６、１６、…が設けられている。射出装置１には冷却用の空気を圧縮して供給するコンプレッサ１９が１台設けられており、これらの供給口１６、１６、…に、開度の調整が可能な流量調整弁２１、２１、…を介して所定の管路が接続されている。つまり各断熱カバー９、９、…には、流量調整弁２１、２１、…によって独立して冷却用の空気を供給できるようになっている。コンプレッサ１９と流量調整弁２１、２１、…と供給口１６、１６、…とが、加熱シリンダ２の各ゾーンを独立して冷却する冷却手段を構成している。

本実施の形態においては、エネルギを節約するための特別な構造が設けられている。まず断熱カバー９、９、…には、内部の空気を吸引する吸引口１７、１７、…が設けられている。そして本実施の形態に係る射出装置は、所定のポンプからなる吸引装置２４と、スターリングエンジン２５とが設けられている。断熱カバー９、９、…の吸入口１７、１７、…から、開閉弁２６、２６、…を介して所定の管路が吸引装置２４に接続され、吸引装置２４から所定の管路がスターリングエンジン２５に接続されている。吸入口１７、１７、…と開閉弁２６、２６、…と吸引装置２４とから吸引手段が構成されており、加熱シリンダ２を冷却して高温になった空気が吸入されて、スターリングエンジン２５に供給されるようになっている。

スターリングエンジン２５は従来周知であるので簡単に説明するが、本実施の形態に係るスターリングエンジン２５は、いわゆるディスプレーサ型スターリングエンジンになっている。つまりスターリングエンジン２５は、シリンダ２８と、シリンダ２８内で気密的に摺動するパワーピストン２９と、シリンダ２８の内壁と所定の隙間を確保して上下にスライドするディスプレーサピストン３１と、パワーピストン２９とディスプレーサピストン３１とを連結しているクランク軸３２とからなる。シリンダ２８の下部は露出していて室温の空気によって冷却されるようになっているが、上部は吸入手段によって供給される高温の空気によって加熱されるようになっている。ディスプレーサピストン３１はシリンダ２８内を上側の高温部と下側の低温部に区分している。このディスプレーサピストン３１がシリンダ２８内で上寄りに位置するときはシリンダ２８内の低温部の領域が広くなり、それによって冷却されて収縮する空気の量が多くなり、シリンダ２８内の容積が小さくなって、パワーピストン２９が上方に駆動される。一方ディスプレーサピストン３１がシリンダ２８内で下寄りに位置するときはシリンダ２８内の高温部の領域が広くなって熱せられて膨張する空気の量が多くなり、シリンダ２８内の容積が大きくなって、パワーピストン２９が下方に押し出される。このようなパワーピストン２９の上下の駆動によってクランク軸３２が回転すると、ディスプレーサピストン３１が上下に駆動される。ディスプレーサピストン３１はクランク軸３２によってパワーピストン２９と所定の位相差を維持して駆動されるようになっているからである。位相差を維持してディスプレーサピストン３１が駆動されることによってパワーピストン２９が上下に駆動され、スターリングエンジン２５は自律的かつ連続的に駆動される。このようなクランク軸３２には図に示されていない発電機が設けられており、発電されるようになっている。

本実施の形態において、加熱シリンダ２には、各ゾーンに対応して温度センサ２２、２２、…が設けられ、これらの温度センサ２２、２２、…は、図示されないコントローラに接続されている。また、流量調整弁２１、２１、…も開閉弁２６、２６、…も、そしてバンドヒータ７、７、…にＰＷＭ制御で電力を供給する図示されていない電力供給装置もコントローラに接続され、コントローラによって制御されるようになっている。

本実施の形態に係る射出装置１の作用を説明する。射出装置１においてコントローラは温度センサ２２、２２、…を監視しながらバンドヒータ７、７、…に通電して加熱シリンダ１のそれぞれのゾーンを所望の温度に制御する。ホッパ６から樹脂ペレットを供給してスクリュ３を回転すると加熱シリンダ１からの熱とスクリュ３の回転の剪断力によって発生する熱とによって樹脂ペレットは溶融して溶融樹脂となる。溶融樹脂はスクリュ３の先端に送り出され計量される。剪断力により発生する熱によって、いくつかのゾーンにおいてはバンドヒータ７、７、…の通電を停止しても温度が目標温度よりも高くなる。コントローラはコンプレッサ１９を駆動して流量調整弁２１を開き、所定の断熱カバー９に冷却用の空気を供給する。このときコントローラは対応する開閉弁２６を開き、吸引装置２４を駆動する。断熱カバー９に供給される冷却用の空気によって所定のゾーンが冷却されて目標温度に達し、冷却によって加熱された空気は吸引装置２４によって吸引され、スターリングエンジン２５に供給される。スターリングエンジン２５は回転して発電する。発電された電力はコンデンサ等の所定の蓄電装置によって蓄電される。ところでスクリュ３の剪断力による発熱量はゾーンによって異なる。例えば加熱シリンダ２の後端部寄りのゾーンにおいては剪断力は比較的小さいので剪断力による発熱量は小さい。従って冷却手段によって冷却する必要性は小さく、主としてバンドヒータ７への通電を制御するだけで温度制御ができる。しかしながら中央部、あるいは先端寄りのゾーンにおいては剪断力による発熱量が大きく、バンドヒータ７への通電を停止し続けても温度は低下しない。このようなゾーンにおいては目標温度に制御するためには定常的に冷却用の空気を供給しなければならないので、加熱された空気が定常的に発生する。このように加熱された空気は定常的に発生するので、吸引手段によって吸引してスターリングエンジン２５の熱源として安定的に利用できる。これによって安定的に発電ができエネルギを回収できる。

本実施の形態に係る射出装置１は色々な変形が可能である。例えば冷却手段を構成している流量調整弁２１は開度を調整できる弁からなるように説明したが、開閉弁から構成して全閉／全開を繰り返すようにして制御することもできる。また、吸引手段は開閉弁２６を含んでいるように説明したが、開閉弁２６は必ずしも必須ではない。吸引装置２４によって負圧を印可するとき、冷却手段によって冷却用の空気が供給されている断熱カバー９から優先的に空気が吸引されるからである。

１射出装置２加熱シリンダ
３スクリュ５射出ノズル
７バンドヒータ９断熱カバー
１１外側シート１２内側シート
１４断熱材１６供給口
１７吸引口１９コンプレッサ
２１流量調整弁２２温度センサ
２５スターリングエンジン２６開閉弁
２８シリンダ２９パワーピストン
３１ディスプレーサピストン３２クランク軸

Claims

加熱シリンダが軸方向に複数のゾーンに区分され、各ゾーンのそれぞれが該加熱シリンダの外周面に巻かれた複数枚のバンドヒータと、該バンドヒータの外側に設けられている複数枚の断熱カバーと、該断熱カバー毎に独立して外部から空気を供給するようになっている冷却手段とを備えた射出装置において、各ゾーンを独立して温度制御するとき、
前記断熱カバー内の空気を所定の吸引手段によって吸引し、該吸引された空気を熱源としてスターリングエンジンを駆動して発電することを特徴とする加熱シリンダの温度制御におけるエネルギ節約方法。
加熱シリンダが軸方向に複数のゾーンに区分され、各ゾーンのそれぞれが該加熱シリンダの外周面に巻かれた複数枚のバンドヒータと、該バンドヒータの外側に設けられている複数枚の断熱カバーと、該断熱カバー毎に独立して外部から空気を供給するようになっている冷却手段とを備え、各ゾーンが独立して温度制御されるようになっている射出装置であって、
前記射出装置は所定の吸引手段とスターリングエンジンとを備え、前記吸引手段はそれぞれの前記断熱カバーから空気を吸引するようになっており、前記スターリングエンジンは前記吸引された空気を熱源として駆動されて発電するようになっていることを特徴とする射出装置。