JP3820412B2 - 成形機の溝内温度分布計測用スクリュおよび成形機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、射出成形機、押出し成形機等の加熱シリンダの内部で樹脂を溶融混練するスクリュに関し、特にスクリュ溝内の溶融樹脂の深さ方向の温度分布を計測することが可能な溝内温度分布計測用スクリュおよびこれを内蔵した成形機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂の射出成形においては、ホッパから投入された樹脂ペレットは成形機の加熱シリンダ内をスクリュで送られる過程で溶融し、続くスクリュによる射出動作で金型内に移送される。この中で、スクリュ溝内での樹脂溶融状態は、その後に樹脂が金型内に移送されて製品になる過程での品質管理上極めて重要である。この可塑化過程を解析するためには、溝内の樹脂の溶融過程、またそれに対応する温度分布の計測が重要となって来ている。通常の射出成形においては、スクリュ溝内の樹脂温度は測定されることがなく、樹脂温度の管理はシリンダ温度調節器によってなされている。
【０００３】
しかしながら、シリンダ温度と樹脂温度では異なっている場合が多く、成形品の品質管理上重要な樹脂の可塑化過程の解析を行うためには、シリンダ設定温度で樹脂温度を推定するだけでは不十分であった。また赤外線放射温度計測法は、溶融樹脂の発する赤外線放射エネルギーを検出部の壁面に挿入されたサファイヤプローブを介して検出し、温度に変換するもので、現在シリンダ内温度のスポット計測に多く用いられている。この手法は応答性がよく、輻射による計測であるため周辺部の熱の影響を受けない等の特徴があるが、焦点深度の問題や、平均温度を計測するため、深さ方向の温度分布が計測できないこと、高価であること等が課題となっている。
【０００４】
これまで、スクリュー溝内樹脂温度分布を計測する試みとしては、スクリュー回転と同期させてシース熱電対を溝内に抜き差しする実験（Esseghia,M.,and Sernas,V:SPE Tech.Peper,54(1991)／盛田ら：成形加工 '91,373(1991))や、同様に集積熱電対セラミックスセンサ抜き差しで同時多点計測を行う試み（横井、黒田：成形加工 '94,227(1994))が知られている。しかし前者ではシース部の熱容量や熱伝導誤差の問題を伴っていた。またこれらはいずれもセンサを抜き差しする方法であるため、▲１▼装置の複雑さ、▲２▼センサ位置決め動作の安定性と精度、▲３▼スクリュ回転数が増加して熱電対の挿入・抜き出しのサイクル時間が短くなった場合の抜き出し動作の応答性の問題等が指摘されていた。そのため、特に高速回転では必ずしも正確には現実の温度分布を評価できるには至らなかった。
【０００５】
【発明が解決しょうとする課題】
樹脂を射出成形機等で成形する際の品質管理上重要な可塑化過程の解析を行うためには、スクリュ溝方向の樹脂の溶融過程、またそれに対応する温度分布の計測が重要な課題となっている。上記した如く従来のセンサを抜き差しする方法では種々の問題がある。特にプラスチック成型品の高精度化、高品質化の要求が急務である昨今、より一層の安定成形を可能とするために様々な成形現象の解析が必要であるにも拘わらず、その品質管理上重要な可塑化過程の解析、樹脂溶融体のスクリュ溝内の温度分布測定データの蓄積等はあまりなされていないのが現状である。従って、かかる現状に鑑みて、本願発明の目的は、計測位置でのスクリュー溝内樹脂温度分布を安定して連続モニターでき、更に同時多点計測も可能な成形機の溝内温度分布計測用スクリューおよびこれを内蔵した溶融樹脂の成形機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、種々検討した結果、本発明を完成した。即ち本発明の請求項１は、成形機の加熱シリンダ内部で樹脂を溶融・混練するスクリュであって、スクリュ溝内にスクリュ表面から、複数の熱電対の計測ポイントを有し、該各計測ポイントをスクリュ溝内の深さ方向に沿って間隔を離して設けた計測ポイント部分を突出させた状態で熱電対センサが埋設固定され、該熱電対センサの埋設箇所から熱電対信号のリード線がスクリュ軸方向に延長して設けた内部空洞の溝を通して基端部へ導かれ、そこから外部測定器へ信号を取り出すように形成し、また、該熱電対センサは、計測ポイント部分が薄板状の集積熱電対セラミックセンサであり、計測ポイント部分のみが突出して樹脂流れの沿う方向に向けて設置されて、各計測ポイントが流れの上流にある端部に形成されていることを特徴とする成形機の溝内温度分布計測用スクリュである。
【０００７】
本発明の特に好ましい実施形態として、上記スクリュは、軸方向に貫通孔を有する複数のセグメントスクリュがセンターロッドに直列に貫通されてキー溝を介してキー止めされて組み立てられたセグメントスクリュ構造を有し、熱電対信号のリード線はセンターロッド外周部に設けた空洞の溝を通して基端部まで導かれ外部に取り出すようにすることで構造が簡略化され好ましい。
【０００８】
又本発明の熱電対センサとしては、センサ部として複数の計測ポイント部を有する薄板状の集積熱電対セラミックセンサからなり、計測ポイントより下部を補強用ステンレスアダプタで保持し、各計測ポイントがスクリュ溝内の深さ方向に一定間隔で離間している構造とすることができる。深さ方向の熔融樹脂温度分布を計測する場合に好ましい。更に又その熱電対センサは、セグメントスクリュ間の接続面に形成させた幅広の掘削加工部内で挟持して埋設・固定するとよい。本発明にあっては、加熱シリンダ内部に上記した溝内温度分布計測用スクリュが内蔵されていることを特徴とする溶融樹脂の成形機とすることができ、又、この加熱シリンダの一部にはガラスを埋め込み可視化シリンダとすることができる。
【０００９】
以下本発明の構成について更に説明する。
上記した各本発明での成形機とは、射出成形機、押出成形機等であって、加熱シリンダ内部で樹脂を溶融・混練するスクリュを内蔵しているものをいう。又熱電対センサが埋設固定される位置については、任意のスクリュ溝内であり、好ましくは樹脂が固体と溶融体が３次元的に共存するスクリュの圧縮部及び樹脂が溶融状態にある計量部等のいずれか一カ所又は複数箇所に設けるのが望ましい。
更に基端部へ導かれた熱電対信号のリード線は、基端部からスリップリング方式やテレメーター等を設けた無線方式等を利用することによって成形機の外部測定器へ信号を取り出すことができる。
【００１０】
本発明では、スクリュ溝内に熱電対の計測ポイント部を突出させた状態で熱電対センサが埋設固定されている。この場合の計測ポイントとしては、一個又は複数個設けることができる。特に複数個をスクリュ溝内での溶融樹脂の深さ方向に離間して設置することにより、計測位置での溶融樹脂の内部温度分布状況が安定して連続モニタ（監視）できる同時多点計測が可能となる利点がある。またスクリュは特に限定するものではないが、スクリュ軸方向の貫通孔にセンターロッドを通して組み立てるセグメントスクリュ方式とした場合、熱電対信号リード線をセンターロッド外周部にキー溝と同様に掘削して設けた溝を通して外部に取り出せることで装置を簡略化でき好ましい。この場合のセンターロッド外周部に掘削して設ける溝は、熱電対信号リード線の数に見合うものであればよい。
【００１１】
またこの方式においては、２つのセグメント間の接続部におけるセンターロッド外周部と貫通孔内壁の間に設けた掘削加工部に熱電対センサを挟持する構造とすることにより、センサ保持部の大きさに柔軟に対応でき、センサ位置決め精度が高く、熱伝導誤差も少なく、さらに、高いメインテナンス性も達成できる。
なお信号取り出しはスクリュの回転中でも、又は停止しているときでも可能であり、成形機内の任意の位置におけるスクリュ溝内にある溶融樹脂の温度計測結果を容易に得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の具体的な構成を添付図面に従って更に詳細に説明する。
図１の（ａ）は、成形機におけるセグメントスクリュに、熱電対センサユニットを埋設・固定したときの本発明の一実施例を示す一部切り欠き断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。
図１（ａ）において軸方向の中心部に貫通孔２を有し、外表面には一定ピッチのスクリュフライト３を有する複数のセグメントスクリュ１がセンターロッド４で直列に貫通して配列され、掘削されたキー溝５を介してキー６にてキー止めされて一体に組み立てられたセグメントスクリュウーの一部切り欠き断面図を示すものであって、右方向がスクリュウの基端部、左方向が成形機の先端部に相当する。
【００１３】
該セグメントスクリュ１には、スクリュフライト３間の溝内において熱電対センサ７が計測ポイント部だけをスクリュ溝内の表面から突出させた状態で、下部をアダプター８とともにセグメント分割部の幅広の掘削加工部内に挟持させ埋設固定されている。セグメントスクリュ１の貫通孔２の内壁とセンターロッド４間には、通常回り止めのキー溝５が掘削加工されている。ここではセンターロッド４の外周部３箇所にキー溝と同様の掘削した溝加工を施している（図１（ａ）のＥおよび図１（ｂ）のＦ，Ｇ参照）。この溝の一つ（Ｇ）はキー溝５として用いるが、残り２つ（Ｅ，Ｆ）は熱電対信号のリード線９を通すための溝として利用する。
【００１４】
この溝全体の中で、熱電対センサ７の設置箇所にはアダプター８を理設するための幅広の掘削加工がなされる。なお掘削加工部内に熱電対センサ７を設置して生じた上側の隙間には、メインテナンス性を重視してポリイミド系接着剤等を充填する。その他センサ交換等で分解する必要がなければ銀ろう等を充填してもよい。リード線９用の溝がＥ，Ｆ２つしかないことが示すように、本スクリュー設計では、熱電対センサ埋設数は同時に２ケで、これによりスクリユー溝内温度分布は同時に２箇所までの計測を可能としている。１０はシリンダ内壁面で外壁面は省略してある。
なおスクリュー溝内への熱電対センサ７の固定角度は、熱電対カップリング部のある端部を上流に向け、できる限り樹脂流れに沿う方向に埋設・固定する必要がある。この理由は、カップリング部が下流にあるとせん断発熱の影響で温度が変わってしまうし、又流れに沿っていないとセンサが障害物になり、樹脂流れが乱れたり、折角薄くしたセンサが折れる危険がある。
【００１５】
図２の（ａ）は上記図１に使用する熱電対センサ７の一例として、集積熱電対セラミックセンサの具体的なパターンを示す拡大図（表側）であり、図２の（ｂ）は同じ拡大図（転倒させた裏側）を示す。また図２の（ｃ）は計測ポイント部１３のＡ部分拡大図である。センサベース基板１１は、例えばジルコニアセラミック製とし、その長さはスクリューへの埋設可能な長さ１４ｍｍ，幅と厚さは３．０×０．２ｍｍ程度のものである。パターンニングは集積度を上げるために表側の片面に銅からなる熱電対の回路１２を、裏側の片面にはニッケルからなる熱電対の回路１２’を形成する。
【００１６】
右側先端の熱電対の計測ポイント１３（Ａ部分）は、図２の（ｃ）に拡大して示した如く、表裏の銅とニッケルがカップリングするスルーホールＢ（凹み部）にて形成することとし、各計測ポイントはスクリュ溝内の深さ方向に一定間隔で離間している。図２においては計測ポイントが５箇所、その間隔ｓは特定するものではないが、各計測ポイントがスクリュ溝内の深さ方向に一定間隔で離間して埋設される。この一例としては、スクリュー位置の溝深さに対応して、例えば０．４ｍｍ又は０．６５ｍｍ程度のパターンとしてある。
なお計測ポイント１３より左側（下部）には熱電対信号リード線への各接続端子１４が設けられている。
【００１７】
上記した集積熱電対セラミックセンサ７は、通常、図３の（ａ），（ｂ）に示す如き補強用ステンレスアダプタ８に、図３（ｃ）の如くユニットとして固定される。即ち図３における補強用ステンレスアダプタ８は、円筒状の上部８ａと拡大部８ｂ及びそれより部分的に半割りとした下部８ｃからなり、かつその中央部には縦方向に一連のスリット１５が形成されている。集積熱電対セラミックセンサ７のアダプタ８への固定方法としては、計測ポイント部１３だけを上部８ａよりも上に突出させ且つ接続端子部１４を半割りとした下部８ｃの解放側に露出した状態となるようにアダプタ８の中央部に形成させた０．３ｍｍ程度のスリット１５に例えばポリイミド系接着剤等にて接着固定する。このようにして集積熱電対セラミックセンサ７を補強用ステンレスアダプタ８に取り付けた後で、接続端子部１４に対して、図４に示す熱電対信号リード線９を専用のコネクタで接続する。但し該アダプタの形状は、計測ポイント部１３を露出させ、熱電対信号リード線に接続可能に端子部１４を形成したものであればよく、図示したもの以外に適宜変更が可能である。
【００１８】
図４の（ａ），（ｂ）は補強用ステンレスアダプタ８に取り付けた接続端子１４に熱電対信号リード線９を接続する場合のコネクタの取り付け状況を示す。
集積熱電対セラミックセンサ７の下部に設けた接続端子部１４と補償導線（熱電対信号リード線）９の接合は、専用のコネクタ１６がセンサの両側接続端子部１４に接触するようにコネクタホルダ１７で押さえ付ける方式としている。コネクタ１６はスクリユ内に設置されることから耐熱性が要求されるため、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等の耐熱性樹脂製とし、補償導線９により接点を形成する。スクリュ溝内でのセンサ固定角度は、熱電対カップリング部のある端部１３を上流に向けて埋設し、できる限り樹脂流れの沿う方向に固定する必要がある。
【００１９】
上記した集積熱電対セラミックセンサ７をステンレスアダプタ８に取り付けて、熱電対信号リード線９とともに、セグメントスクリュ１の溝内へ埋設・固定した一例として、スクリュ径３６ｍｍφ、圧縮比２．２、Ｌ／Ｄが２０のスクリュの場合を図５に示す。図５における数字は、上流側からの寸法（ｍｍ）を表している。該スクリュは、供給部Ａから圧縮部Ｂ、計量部Ｃに区分されるが、これらの内、圧縮部Ｂ及びその前後の溝内は、固体と溶融液体が３次元的に共存し温度分布状態は極めて複雑になると予測される。そのため可塑化過程の解析にはこの領域の温度分布を計測することが極めて重要である。
【００２０】
そこでセンサ埋設可能な位置は圧縮部Ｂの３分割面の２箇所１８、１９と圧縮部終端部（計量開始部）２０及び樹脂が溶融状態となる計量部中央付近２１の合計４箇所とし、いずれも各フライト間（スクリュ溝内）の中央部としている。なおスクリュへのセンサ固定角度は、熱電対カップリング部のある端部を上流に向けて埋設しできる限り樹脂流れに沿う方向に固定する必要がある。前述したように本スクリュ設計では、センサ埋設数は同時に２ケで、スクリュ溝内温度分布は同時にこの４箇所のうち２箇所までの計測を可能としている。
【００２１】
なおスクリュー本体の先端部には、スクリュヘッド２２がネジ止めにて固定されている。この集積熱電対セラミックセンサを埋め込んだスクリュを射出成形機加熱筒内に内蔵し設置することで、樹脂可塑化時の温度測定を行うわけであるが、加熱シリンダの集積熱電対セラミックセンサを埋め込んだ加熱筒付近にガラスを埋め込んだ可視化シリンダとすることで、スクリュ溝内温度分布計測に加えて樹脂流動の挙動観察も同時に行うことが可能であり、これにより更に詳細に樹脂可塑化過程の現象を総合的に解析できる可能性が期待される。
【００２２】
なおセンサからの熱電対信号リード線９は、セグメントスクリュ内の軸方向の溝から基端部２１のスプライン側に取り出される。このリード線から外部測定器へ信号を取り出すためには、スクリュは回転及び前後進するため、▲１▼無線方式、▲２▼スリップリング方式等が考えられいずれを用いてもよい。ただし後者の場合、接点摩擦により信号を伝達しているため、熱電対回路に直接スリップリングを使用した場合、スリップリング部で新たな接点が形成されること、またこの接点の温度が回転体であるため不確定であること、スリップリング内部にも温度傾斜が存在すること等により、誤差が非常に大きくなるなどの問題が指摘される。このスリップリング接点部の温度および電極接点での高周波ノイズの影響を低減するために、スリップリング接点の前段で基準温度補償機能付きの熱電対アンプにより熱電対温度信号を増幅する方式を採用することが望ましい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では温度センサをスクリュに埋設・固定することにより装置を簡略化し、さらにセンサ位置決め精度が高く熱伝導誤差の少ない構造であるため、計測位置での温度分布を安定して連続モニタできる同時多点計測が可能となった。又可塑化の進行とともに溝内は、加熱筒温度とスクリュ温度が支配因子となり、固体と溶融体が３次元的に共存して温度分布状態は極めて複雑になっているが、この可塑化過程を、連続的に樹脂温度分布を測定することで定量解析することが可能であり、従来ブラックボックスとされていた樹脂溶融プロセスを系統的に把握し、並びにスクリュ設計に有効的に役立てられる等工業的に極めて有意義な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は成形機におけるセグメントスクリュに、熱電対センサユニットを埋設・固定したときの本発明の一実施例を示す一部切り欠き断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。
【図２】（ａ）は集積熱電対セラミックセンサのパターンの一例を示す表側拡大図で、（ｂ）はその裏側、（ｃ）は計測ポイント部Ａの拡大図である。
【図３】（ａ）はアダプタの正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図、（ｃ）はアダプタに熱電対センサユニットを取り付けた状態の（ａ）のＣ−Ｃ’矢視縦断面図である。
【図４】（ａ）はアダプタに取り付けた集積熱電対セラミックセンサの接続端子への熱電対信号リード線を接続するコネクタ取り付け状況を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’矢視断面図である。
【図５】所定の位置に、複数の熱電対センサユニットを埋設・固定した本発明のセグメントスクリュー全体図である。
【符号の説明】
１ セグメントスクリュー
２ 貫通孔
３ スクリューフライト
４ センターロッド
５ キー溝
６ キー
７ 熱電対センサユニット
８ 補強用ステンレスアダプタ
９ リード線
１０ シリンダ内壁面
１１ センサベース基板
１２ 熱電対の回路
１３ 計測ポイント
１４ 接続端子
１５ スリット
１６ 専用のコネクタ
１７ コネクタホルダ
１８〜２１ センサ埋設位置

Claims (5)

1. 成形機の加熱シリンダ内部で樹脂を溶融・混練するスクリュであって、スクリュ溝内にスクリュ表面から、複数の熱電対の計測ポイントを有し、該各計測ポイントをスクリュ溝内の深さ方向に沿って間隔を離して設けた計測ポイント部分を突出させた状態で熱電対センサが埋設固定され、該熱電対センサの埋設箇所から熱電対信号のリード線がスクリュ軸方向に延長して設けた内部空洞の溝を通して基端部へ導かれ、そこから外部測定器へ信号を取り出すように形成し、また、該熱電対センサは、計測ポイント部分が薄板状の集積熱電対セラミックセンサであり、計測ポイント部分のみが突出して樹脂流れの沿う方向に向けて設置されて、各計測ポイントが流れの上流にある端部に形成されていることを特徴とする成形機の溝内温度分布計測用スクリュ。
2. スクリュは、軸方向に貫通孔を有する複数のセグメントスクリュがセンターロッドに直列に貫通されてキー溝を介してキー止めされて組み立てられたセグメントスクリュウ構造を有し、熱電対センサは、セグメントスクリュ間の接続面に形成させた掘削加工部内で挟持して埋設固定され、また熱電対信号のリード線はセンターロッド外周部に設けた空洞の溝を通して基端部まで導かれ外部に取り出される請求項１記載の成形機の溝内温度分布計測用スクリュ。
3. 成形機の加熱シリンダ内部に請求項１又は２に記載の溝内温度分布計測用スクリュが内蔵されていることを特徴とする成形機。
4. スクリュフライトの外径が加熱シリンダ内径にほぼ等しくなっている請求項３記載の成形機。
5. 加熱シリンダの一部にガラスを埋め込み可視化シリンダとしている請求項３記載の成形機。

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