JP3578806B2 - 高圧窒素発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は高圧窒素発生装置に関し、高圧の窒素ガスを必要とするガス注入射出成形等に利用できる。
【０００２】
【背景技術】
従来より、内部に中空部分を備えた成形品を成形するガス注入射出成形では、金型に充填した溶融樹脂の内部に高圧ガスを注入することにより、内部に中空部を成形しており、注入するガスとしては、窒素ガスを利用している。
高圧の窒素ガスは、市販の高圧窒素ガスボンベや、液体窒素を気化することにより得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高圧窒素ガスボンベを利用する場合、高圧窒素ガスの使用量が多いと、ボンベを頻繁に交換しなければならず、ボンベの交換作業が煩雑となるという問題がある。
また、ボンベに充填されている窒素ガスは高圧であるため、取扱上の誤りにより事故が発生するおそれがあり、交換作業に危険が伴うという問題がある。
一方、液体窒素を利用する場合、液体窒素は、非常に低温なので取扱が煩雑であるという問題がある。
また、低温の液体窒素に触れると、低温火傷を負うので、高圧窒素ガスボンベを利用する場合と同様に、取扱には危険が伴うという問題がある。
【０００４】
なお、窒素ガス以外のほぼすべてのガスを透過させる中空糸膜、および、窒素ガス以外のほぼすべてのガスを吸着する吸着剤等により、大気中の空気の中から窒素ガスを分離する分離装置を利用すれば、危険の伴う作業を行うことなく、窒素ガスを得ることはできる。
しかし、これらの分離装置では、得られる窒素ガスの量が原料となる空気の１０〜４０％（体積比）と少ないうえ、同窒素ガスの圧力が低いので、これらの分離装置では、多量の高圧窒素ガスを瞬時に注入するガス注入射出成形に利用できないという問題がある。
しかも、分離装置で得た窒素ガスを増圧しようとしても、ガスの供給量が少ないため、分離装置や増圧装置の圧力制御系の動作が不安定となり、高圧窒素ガスを安定して供給することが困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、取扱に危険が伴わず、高圧の窒素ガスを安定供給できる高圧窒素発生装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、大気中の空気に含まれる窒素ガスを当該空気中の他のガスから分離する分離手段と、この分離手段で得た窒素ガスを圧縮して増圧する増圧手段と、前記分離手段および前記増圧手段の間に設けられる第１の窒素タンクと、前記増圧手段の下流側に設けられる第２の窒素タンクと、前記第１の窒素タンクに設けられるとともに圧力が所定の値まで低下すると電気接点が閉じる第１の圧力スイッチと、前記第２の窒素タンクに設けられるとともに圧力が所定の値まで低下すると電気接点が閉じる第２の圧力スイッチと、前記増圧手段の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第１の圧力スイッチの電気接点が開いておりかつ前記第２の圧力スイッチの電気接点が閉じている場合に前記増圧手段を動作させることを特徴とする。
以上において、分離手段としては、空気中の窒素ガス以外のほぼすべてのガスを透過させる中空糸膜で窒素ガスを大気中の他のガスから分離する透過式の分離装置、あるいは、空気中の窒素ガス以外のほぼすべてのガスを吸着する吸着剤で窒素ガスを大気中の他のガスから分離する吸着式の分離装置等が採用できる。
また、増圧手段としては、特に制限がなく、様々な形式のものが採用できる。例えば、シリンダ内を往復動するピストンで前記窒素ガスを圧縮するレシプロ式の増圧装置や、タービンブレードを回転させて前記窒素ガスを圧縮するタービン式の増圧装置等が採用できる。
さらに、第２の窒素タンクに蓄積される窒素ガスは、溶融樹脂を金型内に射出するとともに高圧ガスを前記金型内の溶融樹脂に向かって噴射するガス射出成形用の成形装置に供給され、ガス射出成形で使用されることが望ましい。
ここで、ガス射出成形とは、金型内に溶融樹脂の充填を開始した後に、高圧ガスを前記金型内の溶融樹脂に向かって噴射する成形方法のすべてをいい、溶融樹脂の内部に高圧ガスを注入して中空部を設け、この中空部内の高圧ガスの圧力で「ひけ」を防止するガス注入射出成形、および、溶融樹脂の内部に中空部を設ける代わりに、前記金型の成形面と溶融樹脂の表面との間に高圧ガスを注入し、この高圧ガスの圧力で「ひけ」を防止する射出成形等を含む。
【０００７】
【作用】
このような本発明では、分離手段で分離した窒素ガスは、第１の窒素タンクに送られ、この第１の窒素タンクで蓄積される。増圧手段は、第１の窒素タンクから窒素ガスを取出して圧縮し、高圧の窒素ガスを生み出す。この高圧窒素ガスは、第２の窒素タンクに送られて蓄積される。
ここで、第１および第２の窒素タンクとして、適切な内容積を有するものを採用することにより、第１および第２の窒素タンクの内部圧力が窒素ガスの使用量の変動や、増圧手段の起動・停止等によって大きく変動することがなくなる。
このため、分離手段の制御を第１の窒素タンクの圧力値に基づいて行うとともに、増圧手段の制御を第２の窒素タンクの圧力値に基づいて行うようにすれば、分離手段や増圧手段の動作が不安定となることがなく、高圧の窒素ガスの安定供給が可能となる。
しかも、分離手段および増圧手段として、電気や空気圧等を駆動源とするものを採用すれば、高圧ボンベや液体窒素等の取扱に危険を伴うものが一切不要となり、これらにより前記目的が達成される。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
図１には、本実施例に係る高圧窒素発生装置１が示されている。この高圧窒素発生装置１は、周囲の空気を吸入して圧縮する空気圧縮機２と、この空気圧縮機２から供給された圧搾空気から窒素ガスを分離する分離手段としての透過式の分離装置１０と、この分離装置１０からの窒素ガスを圧縮してさらに高圧の窒素ガスに増圧する増圧手段としての増圧装置２０とを備えたものである。
なお、高圧窒素発生装置１が発生する高圧窒素ガスは、図中右端に配置されたガス注入射出成形機４０に供給されるようになっている。このガス注入射出成形機４０は、金型内に充填された溶融樹脂の内部に高圧窒素ガスを注入して中空部を形成し、この中空部内の窒素ガスの圧力により「ひけ」の発生を防止しつつ射出成形を行う射出成形機である。
高圧窒素発生装置１には、前記増圧装置２０の他に、第１の窒素タンク３、第２の窒素タンク４、酸素濃度計５、減圧弁６、および、空気圧縮機２等を制御する制御装置７が備えられている。このうち、第１の窒素タンク３および酸素濃度計５は、分離装置１０と増圧装置２０との間に設けられ、第２の窒素タンク４および減圧弁６は、増圧装置２０の下流側に設けられている。
【０００９】
空気圧縮機２は、モータで駆動されるレシプロ式およびスクリュウー式等の様々な形式のものが選択できる。本実施例では、最大吐出圧０．８５ＭＰａ 、定格吐出量０．２６ｍ^３／ｍｉｎのスクリューコンプレッサ（神戸製鋼社製 ＡＭ３ＵＤ−５ ）を採用し、吐出圧力を０．７ＭＰａに設定した。
酸素濃度計５は、分離装置１０から吐出されるガスに含まれる酸素の濃度を検出するものであり、分離装置１０が正常に機能しているか否かを監視するために設けられている。本実施例では、（株）シンキー社製 ＲＸ−２４０８を採用し、酸素濃度を１．０ ％に設定した。これにより、供給中の窒素ガスの純度が９９％以上を維持するように、監視可能となっている。
第１の窒素タンク３は、空気圧縮機２の性能に応じた耐圧および容積を有する密閉容器である。空気圧縮機２の定格から、容積が２０〜５０リットル（以下「Ｌ 」と略す。）のものが採用でき、具体的には、耐圧０．９９ＭＰａ 、容積３８Ｌ の市販品を採用した。
第１の窒素タンク３には、空気圧縮機２を制御するための圧力スイッチ３Ａ， ３Ｂが取付けられている。
【００１０】
増圧装置２０は、大口径のシリンダ２１および小口径のシリンダ２２を備えた低圧側圧縮機２３と、この低圧側圧縮機２３と同様に大口径のシリンダ２４および小口径のシリンダ２５を備えた高圧側圧縮機２６と、低圧側圧縮機２３で圧縮した窒素ガスを冷やすクーラ２７とを有するものである。ここでは、高圧ガス容器の法規定に適合した増圧機を採用した。
低圧側圧縮機２３は、空気圧縮機２から供給される圧搾空気で内部のピストン２８を往復動させるものである。ピストン２８は往復動を繰り返すことにより、第１の窒素タンク３から窒素ガスをシリンダ２２内に導入し、導入した窒素ガスを圧縮・増圧させ、高圧側圧縮機２６のシリンダ２５の内部へ送り込む。これにより、高圧側圧縮機２６のシリンダ２５内の窒素ガスは、圧縮されてさらに圧力が増圧されるようになっている。
高圧側圧縮機２６は、空気圧縮機２から供給される圧搾空気で内部のピストン２９を往復動させるものである。ピストン２９を前進させることにより、高圧側圧縮機２６のシリンダ２５の内部に蓄積された高圧の窒素ガスが第２の窒素タンク４へ押出されるようになっている。
【００１１】
第２の窒素タンク４は、増圧装置２０の性能に応じた耐圧および容積を有する高圧密閉容器である。本実施例では、高圧ガス容器の規定に適合した耐圧１５ＭＰａ 、容積４７Ｌ のものを採用した。
第２の窒素タンク４には、増圧装置２０を制御するための圧力スイッチ４Ａ， ４Ｂが取付けられている。
減圧弁６は、第２の窒素タンク４から供給される高圧窒素ガスを所定の圧力、本実施例では３．０ＭＰａに減圧・維持するものである。
【００１２】
制御装置７は、圧力スイッチ３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ の接点信号に基づいて、空気圧縮機２および増圧装置２０の動作を制御するものである。
すなわち、圧力スイッチ３Ａは、第１の窒素タンク３内の圧力が所定の値、例えば、０．７ＭＰａに達すると内部に設けられた電気接点が閉じるようになっている。
圧力スイッチ３Ｂは、第１の窒素タンク３内の圧力が所定の値、例えば、０．３ＭＰａまで低下すると、内部に設けられた第１の電気接点が閉じ、さらに、第１の窒素タンク３内の圧力が次の所定の値、例えば、０．２４ＭＰａ まで低下すると、内部に設けられた第２の電気接点が閉じるようになっている。
そして、制御装置７は、圧力スイッチ３Ａの接点が閉じると、空気圧縮機２にアンロード運転信号を送り、分離装置１０への圧搾空気の供給を停止させる一方、圧力スイッチ３Ｂの第１の電気接点が閉じると、空気圧縮機２に通常運転信号を送り、分離装置１０への圧搾空気の供給を開始させるようになっている。
【００１３】
圧力スイッチ４Ａは、第２の窒素タンク４内の圧力が所定の値、例えば、５．０ＭＰａまで低下すると、内部に設けられた電気接点が閉じるようになっている。
圧力スイッチ４Ｂは、第２の窒素タンク４内の圧力が所定の値、例えば、１３．５ＭＰａ に達すると、内部に設けられた電気接点が閉じるようになっている。
そして、制御装置７は、圧力スイッチ４Ａの接点が閉じると、空気圧縮機２に通常運転信号を送るとともに、空気圧縮機２が供給する圧搾空気を増圧装置２０に送って増圧装置２０を駆動するようになっている。
なお、第１の窒素タンク３の内部の圧力が低すぎると、増圧装置２０に適正な量の窒素ガスが供給できない。このため、増圧装置２０の駆動を開始するにあたり、圧力スイッチ３Ｂの第２の電気接点が閉じている場合には、制御装置７は、増圧装置２０を駆動せず、第１の窒素タンク３の内部の圧力が上昇し、圧力スイッチ３Ｂの第２の電気接点が開いた後に増圧装置２０を駆動するようになっている。
一方、圧力スイッチ４Ｂの接点が閉じると、制御装置７は、空気圧縮機２にアンロード運転信号を送り、空気圧縮機２の圧搾空気の供給を停止させるとともに、増圧装置２０の駆動を停止させるようになっている。
【００１４】
分離装置１０は、図２に示されるように、筒状の密閉容器１１の内部に無数の中空糸膜１２を設けたものである。中空糸膜１２は、全長に渡って延びる細孔を有する細長いチューブ状のフィルタであり、内部の細孔が容器１１の入口１３と出口１４とを連通している。
容器１１の入口１３には、空気圧縮機２からの圧搾空気が供給されるようになっている。供給された圧搾空気は、中空糸膜１２の細孔の内部を通過する間に、含まれる窒素ガス以外のほぼすべてのガスが中空糸膜１２の側壁を透過し、容器１１の側部に設けられた排出口１５から排出されるようになっている。これにより、容器１１の出口１４から純度の高い窒素ガスが得られるようになっている。
【００１５】
このような本実施例では、空気圧縮機２で圧搾空気を分離装置１０に供給し、この分離装置１０で窒素ガスのみを取り出し、取り出された窒素ガスを第１の窒素タンク３に蓄積する。そして、第１の窒素タンク３内の窒素ガスは、増圧装置２０で圧縮されて増圧された後、第２の窒素タンク４に蓄積される。
ここで、空気圧縮機２および増圧装置２０は、所定の容積を有することから、圧力の変動が少ない第１の窒素タンク３および第２の窒素タンク４の各々の圧力値に基づき起動・停止が制御されるので、分離装置１０の窒素ガス供給量が僅かなものであっても、ハンチング等の不安定な動作がなく、安定した動作が維持されるようになる。
【００１６】
前述のような本実施例によれば、次のような効果がある。
すなわち、空気圧縮機２および増圧装置２０の制御を、圧力の変動が少ない第１の窒素タンク３および第２の窒素タンク４の各々の圧力値に基づいて行うようにしたので、分離装置１０の窒素ガス供給量が僅かなものであっても、ハンチング等の不安定な動作がなくなり、空気圧縮機２および増圧装置２０を安定して動作させることができる。
【００１７】
また、第２の窒素タンク４に蓄積した高圧窒素ガスを供給するようにしたので、必要なだけ窒素ガスを供給することができ、窒素ガスの使用量が大きく変動しても、ガス注入射出成形装置等に窒素ガスを安定して供給することができる。
【００１８】
さらに、モータ駆動の空気圧縮機２、透過式の分離装置１０、および、空気圧縮機２の圧搾空気で駆動する増圧装置２０を採用したので、高圧ボンベや液体窒素等の取扱が危険なものが一切不要となるうえ、高圧ボンベ等の交換作業を行うことなく連続的に高圧窒素ガスを供給できるようになるため、高圧窒素発生装置１に係る作業の効率および安全性を向上できる。
しかも、空気圧縮機２、分離装置１０、および、増圧装置２０は、メンテナンス・フリーのものが採用でき、保守作業が最小限ですむので、保守作業により高圧窒素発生装置１やその周囲が汚れることが少なく、作業環境を衛生上の面で向上できる。
【００１９】
また、高圧窒素ガスは、使用されると同時に、高圧窒素発生装置１で常に製造されて補給されるので、高圧窒素ガスの平均備蓄量を増大することがきでる。
さらに、増圧手段をレシプロ式の増圧装置２０とし、これにより、増圧装置２０への窒素ガスの供給量や圧力が低くとも増圧可能としたので、透過式の分離装置１０から得られる窒素ガスが少量であっても、確実に増圧することができる。
【００２０】
以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明は、この実施例に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
例えば、高圧窒素発生装置としては、空気圧縮機２、分離装置１０、および、増圧装置２０等を各１台ずつ備えた高圧窒素発生装置１に限らず、空気圧縮機２、分離装置１０、および、増圧装置２０等を複数台ずつ有するものでもよい。このようにすれば、１台が故障しても他のものに交代して運転を続けることができ、一部の故障によらず、高圧窒素ガスを連続供給できる。
【００２１】
また、分離手段としては、透過式の分離装置１０に限らず、図３に示されるように、複数のタンク３１Ａ， ３１Ｂを有する吸着式の分離装置３０でもよい。
この吸着式の分離装置３０は、タンク３１Ａ， ３１Ｂの内部に、加圧時に空気中に含まれる窒素ガス以外のほとんどすべてのガスを吸着する吸着剤を入れたものである。タンク３１Ａ に接続される配管には、電磁弁３２Ａ 〜 ３４Ａが設けられ、タンク３１Ｂ に接続される配管には、電磁弁３２Ｂ 〜 ３４Ｂが設けられている。
このような吸着式の分離装置３０では、タンク３１Ａ 側の電磁弁３２Ａ， ３３Ａを開けるとともに、電磁弁３４Ａ を閉じ、かつ、タンク３１Ｂ 側の電磁弁３２Ｂ， ３３Ｂを閉じるとともに、電磁弁３４Ｂ を開けた状態で、分離装置３０の入口３５に圧搾空気を供給することにより、タンク３１Ａ の吸着剤により、出口３６から窒素ガスのみを取り出せるようになっている。
【００２２】
そして、タンク３１Ａ の吸着剤が飽和してガスを吸着できない状態になったら、タンク３１Ａ 側の電磁弁３２Ａ， ３３Ａを閉じるとともに、電磁弁３４Ａ を開け、かつ、タンク３１Ｂ 側の電磁弁３２Ｂ， ３３Ｂを開けるとともに、電磁弁３４Ｂ を閉じる。これにより、タンク３１Ｂ の吸着剤で窒素ガスの分離を行い、かつ、タンク３１Ａ の吸着剤は、タンク３１Ａ の内部が大気圧に復帰する際に、吸着していたガスを放出して再生されるようになっている。
このような吸着式の分離装置３０でも、透過式の分離装置１０と同様な作用、効果を奏することができる。
【００２３】
さらに、高圧窒素発生装置が発生した高圧窒素ガスの供給先としては、ガス注入射出成形機４０に限らず、金型内に溶融樹脂を充填するとともに、当該金型の成形面と内部の溶融樹脂の表面との間に高圧ガスを注入し、この高圧ガスの圧力で「ひけ」を防止しつつ射出成形を行うガス射出成形機でもよい。
なお、高圧窒素発生装置を構成する各装置・機器は、前記実施例に示した定格・容積を有するものに限らず、他の定格・容積のものでもよく、高圧窒素ガスの使用量や需要率に応じて適宜選択することができる。
【００２４】
【発明の効果】
前述のように本発明によれば、取扱に危険が伴わず作業の安全性を向上できるうえ、高圧の窒素ガスを安定供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る高圧窒素発生装置の全体を示す構成図である。
【図２】本実施例に係る分離手段である透過式の分離装置を示す断面図である。
【図３】本発明の変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 高圧窒素発生装置
３ 第１の窒素タンク
４ 第２の窒素タンク
１０ 分離手段としての透過式の分離装置
１２ 中空糸膜
２０ 増圧手段としてのレシプロ式の増圧装置
２１，２２，２４，２５ シリンダ
２８， ２９ ピストン
３０ 分離手段としての吸着式の分離装置
４０ ガス射出成形を行うガス注入射出成形機

Claims (5)

1. 大気中の空気に含まれる窒素ガスを当該空気中の他のガスから分離する分離手段と、この分離手段で得た窒素ガスを圧縮して増圧する増圧手段と、前記分離手段および前記増圧手段の間に設けられる第１の窒素タンクと、前記増圧手段の下流側に設けられる第２の窒素タンクと、前記第１の窒素タンクに設けられるとともに圧力が所定の値まで低下すると電気接点が閉じる第１の圧力スイッチと、前記第２の窒素タンクに設けられるとともに圧力が所定の値まで低下すると電気接点が閉じる第２の圧力スイッチと、前記増圧手段の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第１の圧力スイッチの電気接点が開いておりかつ前記第２の圧力スイッチの電気接点が閉じている場合に前記増圧手段を動作させることを特徴とする高圧窒素発生装置。
2. 請求項１に記載の高圧窒素発生装置において、前記分離手段は、空気中の窒素ガス以外のほぼすべてのガスを透過させる中空糸膜により、窒素ガスを大気中の他のガスから分離する透過式の分離装置であることを特徴とする高圧窒素発生装置。
3. 請求項１に記載の高圧窒素発生装置において、前記分離手段は、空気中の窒素ガス以外のほぼすべてのガスを吸着する吸着剤により、窒素ガスを大気中の他のガスから分離する吸着式の分離装置であることを特徴とする高圧窒素発生装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の高圧窒素発生装置において、前記増圧手段は、シリンダ内を往復動するピストンで前記窒素ガスを圧縮するレシプロ式の増圧装置であることを特徴とする高圧窒素発生装置。
5. 請求項４に記載の高圧窒素発生装置において、前記第２の窒素タンクに蓄積される窒素ガスは、溶融樹脂を金型内に射出するとともに高圧ガスを前記金型内の溶融樹脂に向かって噴射するガス射出成形用の成形装置に供給されることを特徴とする高圧窒素発生装置。

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