JP2021513472A - 鋳型を冷却するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、鋳型（１４）を冷却するための装置に関する。この装置は、鋳型（１４）内に形成された蒸発チャンバ（１８）と、液体を蒸発チャンバ（１８）に供給するための第１のポンプ（２３）と、大気圧とは異なる圧力を蒸発チャンバ（１８）に加えるための第２のポンプ（３０、３１）とを備える。本発明はまた、対応の方法にも関する。本発明によって、鋳型の冷却は目標となる態様で制御され得る。これは特にプラスチック部品の射出成形に有用である。【選択図】図３

Description

本発明は、鋳型を冷却するための装置に関する。本装置は、鋳型内に形成された蒸発チャンバを備える。液体が、第１のポンプによって蒸発チャンバに供給される。

鋳物の製造においては、液状の鋳造材料が、鋳型の成形型キャビティに供給される。成形型キャビティ内では、鋳造材料は、冷却され、固体状態に変化する。成形型キャビティに対応する形状の鋳物が、形成される。鋳型を開いて成形型から鋳物を取り外すことができる。

冷却プロセスに選択的に影響を与えることができるようにするために、鋳型ハウジングの特定の領域内に蒸発チャンバを形成する既知の方法がある。高圧で蒸発チャンバに供給された液体は、蒸発チャンバ内で膨張することができ、その結果、液体は蒸発する。蒸発に必要とされる熱量は、鋳型ハウジングから、そして間接的には、成形型キャビティ内の鋳造材料から取り出され、その結果、鋳型のこの部分で鋳造材料を選択的に冷却することが可能である。鋳型を冷却するこの方法は、ジェット冷却とも呼ばれる。

液体を蒸発させることによって鋳型から熱が除去される場合、これは、蒸発温度が一定であることにより、規定された温度が蒸発チャンバ近くに確立されるという利点を有する。例えば、水が大気圧で蒸発するとき、温度は、約１００℃で実質的に一定である。

欧州特許２７９６２６８号明細書は、金型の温度を制御するための装置を示しており、ここでは、温度制御流体回路が、真空蒸発冷却によって金型を冷却するように設定される。独国公開特許第１７５８１４０Ａ１号明細書は、成形型の温度を制御するための方法および装置に関するものであり、ここでは、循環する液体が、制御可能な真空によって部分的に蒸発される。

本発明の根底にある目的は、冷却プロセスに選択的に影響を与えることができる、鋳型を冷却するための装置および方法を示すことである。引用された先行技術から進んで、本目的は、独立請求項の特徴によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項に明記される。

本発明による装置では、第２のポンプが、大気圧とは異なる圧力を蒸発チャンバ内に加えるために設けられる。蒸発チャンバ内の圧力を設定することにより、液体が蒸発する温度に影響を与えることができる。蒸発チャンバ内で加圧することにより、蒸発温度を上げることができ、蒸発チャンバ内で減圧することにより、蒸発温度を下げることができる。蒸発温度を下げることにより、冷却プロセスを加速させることができ、これを使用して鋳物の製造中、サイクル時間を短縮することができる。蒸発温度を上げると、冷却プロセスを減速させることが可能であり、それにより、特定の鋳物の表面品質を向上させ、または材料の構造を改良することが可能になる。

本発明は、蒸発チャンバに供給される液体を第１のポンプによって圧力下に置くことが好適であることを認識した。本発明による冷却装置は、蒸発チャンバまで延びる入口ラインを備える。選択的な冷却を可能にするために、液体が入口ライン内で蒸発せず、液体が入口ラインから蒸発チャンバ内に現れた場合にのみ蒸発すれば好適である。これは、入口ライン内の液体を加圧された圧力下に置くことによって達成することができる。したがって、本発明によれば、入口ライン内の液体が受ける圧力は、蒸発チャンバ内の圧力よりも高い。

蒸発チャンバに隣接する入口ラインのセクションは、蒸発チャンバからより離れたセクション内の入口ラインの直径よりも小さい直径を有することができる。蒸発チャンバに隣接する入口ラインのそのセクションは、入口ライン内に局所的狭窄部を形成し、蒸発チャンバ内に現れることができる。本発明による装置の作動中、局所的狭窄部にわたって圧力差が存在し得る。局所的狭窄部にわたる圧力差は、第１のポンプの出口と第２のポンプの入口との間に存在する全圧力差の少なくとも２％、好ましくは少なくとも５％、さらに好ましくは少なくとも１０％を占め得る。圧力差が考慮される経路は、第１のポンプから、局所的狭窄部および蒸発チャンバを経由して、第２のポンプまで延びる。局所的狭窄部にわたる圧力差は、好ましくは、全圧力差の３０％から９０％の間である。それにより、狭窄部までの入口ライン内の液体が確実に蒸発しないような十分高い圧力を保持することを確実にすることが可能である。局所的狭窄部を形成し、蒸発チャンバに隣接して位置するセクションにおいて、入口ラインは、０．５ｍｍから２ｍｍの間、好ましくは０．８ｍｍから１．２ｍｍの間の直径を有することができる。これは、円形断面を有する入口ラインを指す。異なる断面積を有する入口ラインの場合、断面積は、対応する大きさのものであることができる。

入口ライン内の温度が蒸発チャンバ内の蒸発温度を大幅に上回っているときでも入口ライン内の液体の蒸発を防ぐために、入口ライン内の液体は、適切に高い圧力下にあることができる。例えば、入口ライン内の圧力は、蒸発チャンバ内の圧力よりも少なくとも５ｂａｒ、好ましくは少なくとも１０ｂａｒ、さらに好ましくは少なくとも２０ｂａｒ高くなることができる。本発明による装置の第１のポンプは、液体をそのような圧力で入口ラインを通して運ぶのに適した液体ポンプであることができる。

本発明による装置は、出口ラインを備えることができ、この出口ラインを介して、液体の残留物を蒸発状態または液体状態で蒸発チャンバから排出することができる。液体が蒸発するときの蒸発チャンバ内の急激な圧力上昇を回避するために、出口ラインは、入口ラインよりも大きな断面を有することができる。

本発明によって蒸発チャンバ内の圧力を設定する第２のポンプは、出口ラインに連結され得る。これは、第２のポンプによって生成された圧力が、出口ラインを介してまたは出口ラインの一セクションを介して蒸発チャンバに伝えられることを意味する。

本発明による装置は、凝縮器に連結することができ、凝縮器内で、蒸発チャンバからの蒸発した量の液体を再凝縮することができる。凝縮器は、熱交換器を備えることができ、それにより、過剰な熱が放散される。例えば、凝縮器の冷却媒体として水を使用することができる。

凝縮器は、タンクを備えることができ、その下側領域は、液体で満たされる。第１のポンプは、タンクの下側領域に連結され得る。第１のポンプが作動しているとき、液体は、タンクの下側領域から引き込まれ、入口ラインを通って蒸発チャンバに運ばれる。

蒸発チャンバ内で所望の圧力を生成するための第２のポンプは、凝縮器のタンクの、液面より上に連結され得る。第２のポンプによって生成された真空または過剰圧力は、凝縮器のタンクおよび出口ラインを通って蒸発チャンバに送られる。蓄圧器を第２のポンプと蒸発チャンバとの間に配置することができ、したがって、第２のポンプが作動していないときでも、蒸発チャンバ内で所望の圧力を維持することができる。

開放状態で出口ラインと大気圧との間に連結を確立する弁を出口ラインに連結することが可能である。弁が開いているとき、出口ラインと環境との間で均圧化が行われ、その結果、出口ライン内に大気圧が生じる。冷却を目的として蒸発チャンバ内で液体が蒸発される２つのサイクルの間で、冷却作用が望まれない段階中に液体量の蒸発を防ぐために、大気圧への均一化を実行することが好都合になり得る。

弁は、蒸発チャンバと第２のポンプとの間の適切な点、例えば出口ライン、凝縮器、または蓄圧器上に配置され得る。

本発明による冷却装置は、ガス連結部を備えることができ、蒸発チャンバから液体残留物を排出するために、ガス連結部を介して、ガス、特に空気を蒸発チャンバ内に導くことができる。蒸発チャンバからの液体残留物の除去は、次の冷却プロセスのために、蒸発チャンバがもっぱらガスで充填される規定された初期状況を作り出すために実行することができる。ガス連結部は、例えば、蒸発チャンバまたは入口ラインの一セクションに直接連結することができる。

ガス連結部が開いている場合、ガスは、圧力差の影響により蒸発チャンバに入ることができる。蒸発チャンバ内に真空が存在する場合、大気圧に対する圧力差は、ガスを駆動するのに十分になり得る。大気圧に対して過剰な圧力でガス連結部内にガスを導入することも可能である。入口ラインを通る液体供給は、ガスが蒸発チャンバに入る間、中断されることが好ましい。

１つの実施形態では、第２のポンプは、蒸発チャンバ内に大気圧よりも低い圧力を加えるように設計された真空ポンプである。第２のポンプが作動しているときの蒸発チャンバ内の絶対圧力は、例えば、５０ｍｂａｒから８００ｍｂａｒの間、好ましくは１００ｍｂａｒから５００ｍｂａｒの間であることができる。例えば、蒸発チャンバ内の圧力が２００ｍｂａｒに低下した場合、水は７０℃ちょうどで蒸発する。本発明によって冷却プロセスを加速させる場合、真空ポンプの使用が、好都合である。

鋳造プロセスが１００℃未満の成形型温度で行われる場合、第２のポンプとして真空ポンプを使用するとさらに好都合である。大気圧で水を蒸発させることにより、冷却効果を得ることができなくなる。１００℃未満の成形型温度は、例えば、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、またはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの特定のプラスチックを射出成形するときに使用される。

別の実施形態では、第２のポンプは、蒸発チャンバ内に大気圧よりも高い圧力を加えるように設計された過剰圧力ポンプである。第２のポンプが作動しているときの蒸発チャンバ内の絶対圧力は、例えば、５ｂａｒから１５ｂａｒの間であることができる。本発明によって冷却プロセスを減速させる場合、第２のポンプとして過剰圧力ポンプを使用することが好都合になり得る。

１００℃を大幅に超える成形型温度で作業する場合、水が蒸発チャンバ内で大気圧で蒸発されると、鋳型は、局所域内で非常に集中的に冷却される。このような集中的な局所冷却は、鋳型内の材料の構造に望ましくない影響を及ぼす可能性があり、または表面品質の低下につながる可能性がある。蒸発チャンバ内の絶対圧力が、例えば１０ｂａｒの値に上がると、水は、約２００℃の温度でのみ蒸発する。このようにして、鋳型内の材料が急激な冷却を受けにくくすることができる。例えば、特定のプラスチックを射出成形する場合、より遅い冷却プロセスが望まれ得る。そのようなプラスチックの例は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリフタルイミド（ＰＰＡ）またはポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）である。

本発明による冷却装置は、真空ポンプおよび過剰圧力ポンプを備えるように構成され得る。真空ポンプと過剰圧力ポンプとの間を切り替えるための切り替えバルブを設けることができき、これにより、蒸発チャンバ内の望ましい冷却温度に応じて、真空ポンプと過剰圧力ポンプとの間を切り替えることが可能である。

本発明による装置の鋳型は、複数の蒸発チャンバを備えることができる。蒸発用の液体は、同期して、または独立して蒸発チャンバに供給され得る。

本発明による装置の第１のポンプおよび第２のポンプは、別個の構造ユニットとして設計され得る。第１のポンプおよび第２のポンプが単一のポンプユニット内の機能要素であることも可能である。

本発明は、さらに、そのような装置によって射出成形型が冷却されるプラスチック射出成形機に関する。

本発明は、さらに、鋳型を冷却するための方法であって、鋳型内に形成された蒸発チャンバに液体が供給されて、蒸発チャンバ内で液体を蒸発させる、鋳型を冷却するための方法に関する。この方法では、大気圧とは異なる圧力が、蒸発チャンバ内に加えられる。この場合、入口ライン内の液体は加圧された圧力下に置かれ、その結果、液体は、入口ライン内で蒸発しない。本発明は、さらに、プラスチック射出成形品を製造するための方法であって、射出成形型がこの方法によって冷却される、プラスチック射出成形品を製造する方法に関する。

本方法は、本発明による装置と併用して説明される、さらなる特徴によって改良され得る。装置は、本発明による方法と併用して説明される、さらなる特徴によって改良され得る。

本発明は、添付の図面を参照して有利な実施形態によって以下の例によって説明される。

本発明によるプラスチック射出成形機の概略図である。 図１の詳細の拡大図である。 鋳型を冷却するための本発明による装置の概略図である。

図１に示すプラスチック射出成形機は、射出成形型１４を備え、その中に成形型キャビティ１５が、形成される。射出成形型１４は開いた状態で示され、射出成形型１４の２つの半体は、離間している。開いた状態において、射出成形品を射出成形型１４の成形型キャビティ１５から取り外すことができる。

次の射出成形プロセスのために、射出成形型１４は、閉状態にもっていかれ、ここでは、射出成形型１４の２つの半体は、互いに漏れなく接触する状態となる。往復ねじ１６の前進運動により、液体状態のプラスチック材料が、成形型キャビティ１５に導入される。プラスチック材料が冷えて固まるまで、時間をおく。射出成形型１４は開かれ、完成した射出成形品が取り出される。

射出成形型１４は、成形型キャビティ１５内に突出し、射出成形品内に円筒状くぼみを形成する成形型コア１７を備える。円筒状くぼみの領域内で射出成形品の良好な構造および表面品質を得るために、冷却プロセスは、この領域内で選択的に制御されなければならない。

この目的のために、図２の拡大図に示すように、成形型コア１７は、蒸発チャンバ１８を備え、この蒸発チャンバ内で、液体が冷却プロセス中に蒸発される。液体の蒸発温度に対応する温度が、蒸発チャンバ１８内で確立され、その結果、成形型キャビティ１５内のプラスチック材料の冷却は、規定された条件下で行われる。

図２の拡大図によれば、蒸発チャンバ１８までチャネルとして延びる入口ライン１９が、成形型コア１７内に形成される。入口ライン１９の前方セクション内に配置されているのは、約１ｍｍの直径を有する毛細管２０である。

液体、例えば水が、高圧で、入口ライン１９および毛細管２０を通って蒸発チャンバ１８に導入される。入口ライン１９内の圧力は、例えば、１５ｂａｒであることができる。入口ライン１９内の圧力は、毛細管２０にわたって、入口ライン１９から毛細管２０への移行部と蒸発チャンバ１８内の毛細管２０の出口との間で降下し得る。成形型コア１７の温度は水の蒸発温度よりも高いため、蒸発チャンバ１８内の水は、蒸発する。

図１によれば、入口ライン１９は、冷却装置２２に連結される。図３の概略図によれば、冷却装置２２は、第１のポンプ２３を備え、この第１のポンプは、水を高圧で入口ライン１９を通して蒸発チャンバ１８に圧送するように設計される。蒸気および液体残留物は、蒸発チャンバ１８から排出され、出口ライン２１を通って冷却装置２２に送り返される。

蒸気が内部で再凝縮される凝縮器２４が、冷却装置２２内に形成される。凝縮熱は、冷水回路２６に連結された熱交換器２５によって凝縮器２４から放散される。水は、凝縮器２４の下側セクション内に集まり、ポンプ２３によって再び引き込まれ得る。

圧縮機２８が、さらに、圧縮空気ライン２７を介して入口ライン１９に連結される。冷却プロセスの終了後、そして射出成形型１４が開いているとき、蒸気および液体の残留物を蒸発チャンバ１８から完全に押し出して、冷却プロセスの規定された開始条件を確保するために、圧縮空気パルスが入口ライン１９を通過する。作動チャンバ１８内に大気圧が存在する場合、水は、１００℃で蒸発する。検討中の例示的な実施形態では、作業は９０℃の成形型温度で行われるため、１００℃での蒸発では冷却効果を達成することはできない。

したがって、本発明による射出成形機の冷却装置２２は、圧力モジュール２９を備え、この圧力モジュールは、蒸発温度に影響を与えるために蒸発チャンバ１８内に特定の圧力を選択的に加えるように設計される。これは、２つの方向で行うことができる。蒸発チャンバ１８内で減圧することにより、蒸発温度を下げることができる。蒸発温度を下げることにより、冷却プロセスを加速させることができ、これを使用して射出成形品の製造中、サイクル時間を短縮することができる。蒸発チャンバ１８内で加圧することにより、蒸発温度は上がり、それにより、プラスチック材料の冷却プロセスを減速させることができる。これにより、特定のプラスチック材料では、表面品質を向上させることが可能である。

図３によれば、圧力モジュール２９は、真空ポンプ３０と、過剰圧力ポンプ３１とを備え、それらの間を、切り替え弁３２によって切り替えることが可能である。真空ポンプ３０および過剰圧力ポンプ３１は、本発明による意味での第２のポンプである。ポンプ３０、３１により、圧力容器３３内に大気圧とは異なる圧力を加えることが可能である。大気圧との均圧化を可能にするために、圧力容器３３は、弁３５を介して環境に繋がる。

圧力容器３３からの圧力は、中間ライン３４、凝縮器２４の内部および出口ライン２１を介して蒸発チャンバ１８に送られる。圧力容器３３が、例えば、真空ポンプ３３によって２００ｍｂａｒの絶対圧力まで排気される場合、蒸発チャンバ１８内の圧力も２００ｍｂａｒである。その後、水は７０℃ちょうどの温度で蒸発し、こうして冷却プロセスを加速させる。冷却プロセスの短縮により、射出成形品の製造中のサイクル時間の短縮に貢献することが可能である。

過剰圧力が過剰圧力ポンプ３１によって圧力容器３３内に加えられる場合、この圧力もまた、蒸発チャンバ１８に送られる。蒸発チャンバ１８内の加圧により、蒸発温度は上がり、したがって冷却プロセスは減速する。特定のプラスチック材料では、射出成形品の表面品質の向上は、冷却プロセスの減速化によって達成され得る。

Claims (13)

1. 鋳型（１４）を冷却するための装置であって、
   前記鋳型（１４）内に形成された蒸発チャンバ（１８）と、液体を前記蒸発チャンバ（１８）に供給するための第１のポンプ（２３）と、大気圧とは異なる圧力を前記蒸発チャンバ（１８）に加えるための第２のポンプ（３０、３１）と、前記蒸発チャンバ（１８）まで延びる入口ライン（１９）とを備える、装置において、
   前記入口ライン（１９）内の前記液体が加圧された圧力下に置かれ、その結果、前記液体が、前記入口ライン（１９）内で蒸発せず、前記第１のポンプ（２３）が、前記液体を前記圧力で前記入口ライン（１９）を通して運ぶように設計されていることを特徴とする、装置。
2. 前記入口ライン（１９）が、前記蒸発チャンバに隣接するセクション（２０）内で、０．５ｍｍ〜２ｍｍの間、好ましくは０．８ｍｍ〜１．２ｍｍの間の直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のポンプが、前記蒸発チャンバ（１８）に供給される前記液体を、前記入口ライン（１９）内で前記蒸発チャンバ（１８）内の前記圧力より、少なくとも５ｂａｒ、好ましくは少なくとも１０ｂａｒ、さらに好ましくは少なくとも２０ｂａｒ高い圧力で運ぶように設計されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記蒸発チャンバ（１８）から延びる出口ライン（２１）を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記出口ライン（２１）が、前記入口ライン（１９）よりも大きな断面を有することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記第２のポンプ（３０、３１）が、前記出口ラインに連結されることを特徴とする、請求項４または５に記載の装置。
7. 前記蒸発チャンバ（１８）からの蒸発した液体量を凝縮するための凝縮器（２４）を特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記蒸発チャンバ（１８）にガスを供給するためのガス連結部（２７）を特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記第２のポンプが、真空ポンプ（３０）であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記第２のポンプが、過剰圧力ポンプ（３１）であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 射出成形型（１４）を有し、前記射出成形型（１４）を冷却するための装置を有するプラスチック射出成形機であって、冷却するための前記装置が、請求項１〜１０のいずれか一項に従って設計されている、プラスチック射出成形機。
12. 鋳型（１４）を冷却するための方法であって、
    前記鋳型（１４）内に形成された蒸発チャンバ（１８）に液体が供給されて、前記蒸発チャンバ（１８）内で前記液体を蒸発させ、大気圧とは異なる圧力が、前記蒸発チャンバ（１８）内に加えられる、方法において、
    前記蒸発チャンバ（１８）に至る入口ライン（１９）内の前記液体が、加圧された圧力下に置かれ、その結果、前記液体が、前記入口ライン（１９）内で蒸発しないことを特徴とする、方法。
13. 射出成形型（１４）が、請求項１２に記載の方法によって冷却される、プラスチック射出成形型構成要素を製造するための方法。

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