JP3949577B2 - 厚膜ヒータ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、射出成形システムに関し、特にこのようなシステムのためのホット・ランナ・システム用のヒータに関する。
【０００２】
（発明の背景）
熱可塑性のポリマー樹脂を加工するための全てのデバイスに共通であるのは、樹脂材料の物品への成形などの加工中に、樹脂の熱可塑性を得て、それを維持するための関連手段である。熱可塑性の維持は、樹脂の加工での様々な時点で、樹脂の加熱および冷却の両方を必要とすることがある。樹脂の熱劣化を回避するために冷却を必要とすることもある。ほとんどすべての樹脂加工技術は、少なくとも一部で、金属表面、加工装置の部品を仲介とした熱伝達によるポリマー樹脂の加熱または冷却に頼っている。熱は一般に、バンド・ヒータなどの集中熱源によって金属製の装置の外表面に、あるいはヒータ・ロッドまたは空気、水やその他の化学的液体などの循環する加熱流体によって金属部品の本体の内部から加えられる。すべての場合で、金属製の熱伝達構成部品は、極度の圧力および機械的力に耐えるように、かなりの厚さおよび質量にしなければならない。大きな金属質量は、熱入力における変化または冷却に対してゆっくりと応答し、したがって、狭い温度範囲の正確な制御をすることは難しい。また、同じ装置の隣接する領域で温度差を望むとき、特別な異なる温度をかなりの時間維持するように局限させることは難しい。この欠点は、大きな部品の射出成形においてなど、比較的複雑な加工技術および装置で特に面倒である。
【０００３】
ホット・ランナ射出成形システムは、流路全体にわたって一様に加熱された、溶融貯槽から金型キャビティまたはコールド・ランナに至るいくつかの溶融した材料流通路を有する。通路を通って流れる溶融した材料は、金型キャビティまたはコールド・ランナに達するまで、液体のままでなければならない。流れの速度および圧力を制御するために、加熱された通路は、外的に加熱される射出成形ランナ・ノズルに至る、またはそこから発する。このノズルは、ホット・ランナ・ゲート射出ノズルまたはホット・ランナ・プローブ射出ノズルと呼ばれることもあるが、これ以降、単に「ランナ・ノズル」と呼ぶことにする。これらのランナ・ノズルは、通常、ホット・ランナ成形システムのマニホルド・ベース内に配置されている。ノズルは、それぞれの金型キャビティに至る、または金型ブロック内の二次加熱された、または加熱されていない通路に至るポートを通って延びている。ランナ・ノズルは、金型内に射出されるすぐ前の、流通路の加熱された部分の最終点であることがよくあるため、ランナ・ノズルを十分に一様に加熱することが重要である。この点で、溶融した材料をランナ・ノズルを通って自由に流れるようにするために、材料は、その溶融点になければならない、または溶融点より高温でなければならない。それによって、流速を制御するその機能を確実に行うことができる。
【０００４】
温度の遷移が、熱可塑性プラスチックなどの溶融した材料の流体の粘稠度を変化させ、欠陥のある最終製品という結果になることがあるため、ノズルが、いかなる成形プロセスでもキー・パートとなるので、ランナ・ノズルのポイントでの顕著な温度遷移は望ましくない。また、所定のノズルのために、間欠的に流れを遮断し、逆流させることを望む場合、残留した材料を溶融状態に維持し、目詰まりを防止するためにノズルの加熱が必要である。
【０００５】
現在、ランナ・ノズルは通常、ノズル外部の熱源によって加熱される。通常、ランナ・ノズルは、抵抗線が均等に螺旋状に巻き付けられた、加熱エレメントによって加熱される。螺旋状に巻かれたエレメントは、ランナ・ノズルの外部表面の周囲に同軸に配置された円筒を形成している。しかし、このタイプのヒータ構成は、加熱エレメントが周囲環境に露出していることによる熱損失のため、非効率的に動作する。このことによって、ノズルの直径も増加し、このため、ノズルを受けるためにマニホルド・プレート内の、より大きな開口が必要となる。また、多くの標準的なノズル・ヒータは、絶縁シースによって完全に被包されてはおらず、流通路の残りの部分と一様であるランナ・ノズル位置での温度を維持することを、より困難にする。また、抵抗エレメントの物理的設計（すなわち、螺旋）も同様に制限される。十分な熱を発生するのに必要である抵抗線加熱エレメントのゲージは、電線を複雑な回路パターンに形成することができないようになっている。多くの場合、より効率的な熱分布を達成するために、単純な螺旋状パターンではない様々な複雑な回路パターンが望まれる。また、これらのタイプのヒータは、大きくて扱いづらく、維持作業および修理が困難であることがある。抵抗エレメントの大きなリードのため、設置が困難であり、金型設計者は、大きなリード、および大きくなったノズル／ヒータの組み合わせのために空間を割り当てなければならない。また、多くの場合、外部で加熱されたランナ・ノズル装置は、熱電対デバイスを収容するように構成しなければならず、熱電対およびその配線のための追加の空間を必要とする。ランナ・ノズルを一様に加熱し、効率的に加熱するためのよりよい方法が必要とされており、構成は、費用効果があり、メンテナンスおよび修理が容易であるべきである。
【０００６】
サブジェクト・ランナ・ノズルなど、流通路に外的に熱を与える従来型の産業用機器は、一般に上記に記載した手段によって、または、単独のまたは複数のバンド・ヒータ構成によって熱を与えることになる。
【０００７】
Ｊｕｌｉａｎｏ等に対する米国特許第５，９７３，２９６号では、発明は、精密に薄膜を印刷する方法によって直接付着された、誘電膜層と厚い抵抗膜層とを有する金属製の管状の基板から成る管状のヒータである。この方法は、厚膜の抵抗を作成するのに使用される方法と類似である。精密に薄膜を印刷する方法は、導電性インクを分配するファイン・チップ・ライティング・ペンを使用した高価な薄膜を印刷する機械の使用を必要とする。
【０００８】
Ｖｏｎ Ｂｕｒｅｎに対する米国特許第５，４１１，３９２号は、ホット・ランナ・ノズルを覆って設置されている、スロット付きクランプ・スリーブを伴ったスロット付きバンド・ヒータを教示している。この二部式デバイスは、外側スリーブの締付力を使用してバンド・ヒータとノズルの間の熱的連絡を維持する。 Ｂｒｅｄｔ等に対する米国特許第４，９２２，０８２号では、それぞれが、間に挟まれた加熱エレメントと密接な表面間接触状態にある、軸方向に離隔された電極を備える電気抵抗加熱デバイスが開示されている。加熱エレメントは、電極によってそれを通る電位差が加えられたとき、電気抵抗ヒータとして機能する粉末状の材料を含む。このようなエレメント内で発生した熱は、電極の少なくとも１つを通って伝導され、電極はまた、加熱しようと望む物体へ熱を伝導する。粉末状の材料は、２つの電極間の環状の空間内で押圧される。
【０００９】
ランナ・ノズルまたは他の導管を覆って容易に設置することができ、容易に大量生産でき、信頼性が高く、低い製造および維持コストで再現可能および予測可能な温度プロフィールを提供する、新規な加熱デバイスが必要とされている。
【００１０】
本発明の改良型装置は、ヒータ手段として、装置内で加工される熱可塑性ポリマー樹脂と密接に結合して取り付けることができる多層厚膜ヒータを備える。樹脂への熱伝達を行うための重金属化合物は、必要ではない。これによって、重量、材料および製造の労力を節約することができる。当該プラスチック内の加熱エレメントをより近接させると、樹脂温度のより精密な制御をより迅速な応答時間で維持することができ、隣接しているが、異なる領域または場所でさえも、所定の樹脂温度を維持することができる。より低い熱質量の加熱エレメントは、冷却、または加熱から冷却への変化、または冷却から加熱への変化に、より応答する。本装置を用いて、より正確で再現可能な温度プロフィールを得ることができ、その結果、装置性能が改良され、より高品質な最終製品になる。
【００１１】
（発明の概要）
本発明の主な目的は、溶融した材料の加工で使用するための改良型のヒータ装置を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、ノズル間の間隔を縮小することができる、ノズルの総直径を小さくした、典型的なホット・ランナ・ノズル上に容易に設置することができる、ヒータ・デバイスと同様のかなり薄いチューブを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、製造および維持コストが、より低いヒータを提供することである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、シルク・スクリーニング・プロセスの使用を通じての大量生産に適したヒータを提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、射出成形機に固有の高温および熱膨張の困難に耐久することができる、独特のスリップ・オンおよびスリップ・オフ電気コネクタの特徴を有する厚膜ヒータを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、その使用寿命にわたって、より安定した再現可能な温度プロフィールをも示す、より信頼性の高いヒータを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、その長さに沿って最適化された正確な温度プロフィールを提供することができる、ヒータを提供することである。
【００１８】
本発明のさらに別の目的は、所定のサイズのヒータ基板に対してヒータ出力を増加させる、多層の抵抗トレースを備えるヒータを提供することである。
【００１９】
上記の目的は、射出成形機内、特にホット・ランナ・ノズル・システム上に本発明を設置することによって達成される。本発明は、シルク・スクリーニングされた誘電体層がその上に付着された円筒形状の金属基板を備える。誘電体層上に、２つの端部を有する所定のトレース・パターンを備える抵抗層が、シルク・スクリーニングまたは別法でプリントされ、前記トレース・パターンは、ヒータの長さに沿った温度プロフィールを決定する。抵抗トレースは、熱容量を増加させるように直列接続された抵抗性材料の複数の層を備えることができる。抵抗トレース・パターンの２つの端子端部と連絡して、それを通って電流を連絡するために１対の電気コンダクタと接続するように設計された電気コンタクト・パッドが、シルク・スクリーニングされている。抵抗トレース・パターンを覆って、抵抗層を磨耗および電気的短絡から保護する絶縁層が、シルク・スクリーニングされている。ヒータの外部表面からの熱損失を減少させる熱絶縁体として作用する絶縁層を、さらに形成することができる。絶縁層は、電気コンタクトを覆って配置されてはいない。ヒータの外直径上を、およびコンタクト・パッド上を滑動する取外し可能なコネクタ・スリーブを使用することによって、電気コンダクタが配置され、電気コンタクト・パッドに堅固に固定されている。コンダクタの、コンタクト・パッドへの溶接、ろう付け、はんだ付けはない。このインタフェース面での接触は、コネクタ・スリーブによって生成された楔付動作および圧力によって維持される。
【００２０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１を参照すると、典型的なホット・ランナ・ノズル・アセンブリ８が示されている。ホット・ランナ・ノズル・アセンブリ８は、ノズル本体１４と、チャネル１６と、ノズル・チップ２０と、ヒータ・アセンブリ１２と、コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８と、少なくとも１対のコンダクタ２２とを備える。チャネル１６は、ノズル本体１４の長さ方向に走っており、溶融した材料を金型キャビティ（図示せず）へ移送するためのノズル・チップ２０と連絡している。ノズル本体１４と熱的に連絡して、チャネル１６内の材料を自由に流れる溶融状態に維持するためのヒータ・アセンブリ１２が配置されている。コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８は、ヒータ・アセンブリ１２上に滑動可能に設置され、コンダクタ２２をヒータ・アセンブリ１２に堅固に固定して、それを通って電流を連絡している。
【００２１】
図２ａ、２ｂ、２ｃおよび図３を参照すると、ヒータ・アセンブリ１２が示されている。ヒータ・アセンブリ１２は、オプショナル・スロット２４と、位置決め穴３０と、基板３４と、厚膜誘電体層２６と、厚膜抵抗層２８と、少なくとも１対のコンタクト・パッド３５と、絶縁層３２とを備える。ヒータ・アセンブリ１２は、異なる材料の様々な層を備える。好ましい実施形態での基板３４は、金属、通常鋼またはその他の熱伝導性材料製のＣ字形の部片である。オプショナル・スロット２４は、ヒータの長さ方向に走っており、ノズル本体１４の周囲に設置されたとき、基板が自己締付けばねとして作用できるようにしている。好ましい実施形態では、基板３４は、中実の棒またはチューブから、約０．０２０インチから０．０４０インチの厚さの円筒形壁面を有するように機械加工された、４３０ステンレス鋼製である。
【００２２】
基板３４の内直径は、ホット・ランナ・ノズルの外直径よりも小さいサイズにされている。この形状は、ヒータ・アセンブリ１２とノズル本体１４の間の良好な熱的連絡を提供する。前に述べたように、好ましい実施形態では、基板３４は、それに付着された厚膜層と同じ、または任意選択でわずかに低い熱係数を有する、タイプ３４０または４３０のステンレス鋼製である。別法として、基板は、特定の熱膨張係数を与えるように形成されたセラミック複合材料から作製することができる。熱膨張係数の整合は、加熱中、エレメントが膨張を始めたときの層内のひび割れを防止するために不可欠である。基板が厚膜層以上に膨張した場合、厚膜層は、ひび割れを始め、抵抗層２８を時期尚早に短絡させることになる。また、基板３４の熱膨張係数は、ノズル本体１４の熱膨張係数よりも低い。その結果、ノズル本体１４が加熱すると、基板３４よりも速く膨張し、自然の締付力が、ヒータ・アセンブリ１２とノズル本体１４の間で構成され、その結果、熱的連絡が改善される。
【００２３】
図３を参照すると、シルク・スクリーン・タイプの方法を用いた好ましい実施形態によって厚膜誘電体層２６が基板３４の外表面に付着される。シルク・スクリーン法は、特有のヒータ構成の製造時間を大いに短縮するため、好ましい。シルク・スクリーン法は、誘電体層用に単一のマスクの使用を必要とし、またシルク・スクリーン法は高速の加工に適している。好ましい実施形態では、誘電体層は、セラミック・ガラス混合物から作製され、基板３４と抵抗層２８の間の電気的絶縁を提供している。誘電体層２６が基板３４の外側に付着され、その後８５０℃で炉内で硬化される。好ましい実施形態では、誘電体層２６は、１０００〜１５００ＶＡＣの間の最小絶縁耐力と、１００メガ・オームより大きい絶縁抵抗を有する。これを達成するためには、絶縁耐力は、通常、少なくとも３つの連続した、誘電性材料の厚膜層の適用が必要である。
【００２４】
「厚膜」という用語は、焼成後、およそ０．００１インチの厚さになる材料を記載するために従来技術で使用されている。およそ０．０００２５インチの厚さよりもはるかに薄い材料を記載するために従来技術で使用されている「薄膜」とは対照的である。厚膜材料は、通常ペーストまたはインクとして付着され、正確な熱プロフィールを使用して焼成される。厚膜材料は、シルク・スクリーニングまたはダイレクト・ライト技術のどちらかを使用して付着される。厚膜インクは、コンダクタと抵抗性材料の様々な組み合わせで、セラミックまたはガラス基材の、細かく粉砕された懸濁液を備える。厚膜インクは、コンダクタ、レジスタまたはインシュレータとして使用するように容易に形成することができる。
【００２５】
誘電体層を覆って所定のトレース・パターンで、厚膜抵抗層２８が付着される。抵抗層２８は、本質的に、トレース内での抵抗損を通じて熱を発生させる電気回路である。抵抗層２８の平坦なパターンの好ましい実施形態を示す図９を参照すると、抵抗層２８は、抵抗トレース５０と低抵抗導電トレース４８の両方から作製されている。熱は、主に抵抗トレース５０から発生し、それによって、ヒータ・アセンブリ１２に沿った極めて正確に制御された位置に熱を加える。導電トレース４８は、抵抗損を最小化するために、極めて電気抵抗の低い材料製である。
【００２６】
好ましい実施形態では、抵抗トレース５０と導電トレース４８の両方が、シルク・スクリーン法を用いて誘電体層２６に付着される。別法として、抵抗トレースは、特別なプリンタを使用するダイレクト・ライト方法（direct write method）を用いて付着することも可能である。ダイレクト・ライト方法は、規模の経済が実現化されていない小ロットの生産環境に好ましい。再び、シルク・スクリーン法は、より低い製造コストのため、大量使用に好ましい。導電トレース４８は、通常およそ０．０１オーム／スクエアの抵抗を示す、パラジウム・銀マトリクスから作製される。導電トレースは約８２５℃で焼成され、抵抗トレース５０は約８００℃で焼成されるため、導電トレース４８は抵抗トレース５０より前に付着される。導電トレース４８の焼成に続いて、抵抗トレース５０がシルク・スクリーン法を用いて付着される。先に述べたように、このトレースは、その後約８００℃で焼成される。
【００２７】
抵抗層２８のパターン形成は、本発明のキーとなる利点である。熱的プロファイリングは、ホット・ランナ・ノズル構造でキーとなる設計要素である。本発明で適用可能な再現可能性および高いワット密度が、ホット・ランナ・ノズル内の面倒なホット・スポットを除去することを助ける、最適化された熱プロフィールを可能にする。好ましい実施形態で使用されるトレース・パターンは、コンピュータ熱解析に基づいて、実際に必要とされている所に熱を供給するように容易に修正することができる。好ましい実施形態では、およそ１００ワット／立方センチメートルのワット密度が、達成された。
【００２８】
導電トレース４８の形成中、少なくとも２つのコンタクト・パッド３５が、同じ材料から形成される。好ましい実施形態のコンタクト・パッド３５は、抵抗層２８の両端に配置され、ヒータ・アセンブリ１２に電力を加えるための位置を提供する。コンタクト・パッド３５は、スリーブが完全に設置され、定位置にロックされたとき、コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８と接続するために、ヒータ・アセンブリ１２上の所定の位置に配置される。
【００２９】
抵抗層２８を覆って、絶縁層３２もまたシルク・スクリーン法を用いて付着される。絶縁層２８はコンタクト・パッド３５を覆っては付着されない。絶縁層３２は、抵抗層２８を磨耗および電気的短絡から保護し、ヒータの外部表面からの熱損失を減少させる、機械的、熱的、電気的に絶縁性の物質である。絶縁層３２は、約６００℃の温度で焼成されたガラス・マトリクスを備える。
【００３０】
図４および図５を参照すると、コネクタ・スリーブ１８が、ヒータ・アセンブリ１２上に設置されて示されている。コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８は、コネクタ・ハウジング３６と、電気スプリング・コンタクト４０と、電気コンダクタ２２と、通路５４と、爪溝６４と、第１および第２のコンタクト溝、それぞれ３７および３９と、係止戻り止めアセンブリ３８とを備える。
【００３１】
コネクタ・ハウジング３６は、ヒータ・アセンブリ１２の外直径に滑動可能に係合する環状に形成されたプラグである。ハウジング３６の内直径上のキー４２は、スロット２４と接続し、スリーブ・アセンブリ１８をコンタクト・パッド３５と正確に位置合わせする。第１および第２のコンタクト溝３７および３９が、スプリング・コンタクト４０を挿入するために、コネクタ・ハウジング３６の内部表面に形成される。通路５４が、コンタクト４０に接続するためのハウジング３６の壁を通してコンダクタ２２を設置することを可能にする。
【００３２】
好ましい実施形態のコネクタ・ハウジング３６は、圧縮、焼成された９６％密度のアルミナ・セラミック材料から作製される。ここで、この材料は、高温の環境に最も適した特性を提供し、電気的および熱的絶縁特性を示す。しかし、これは、高い誘電特性と良好な熱伝導性とを有するいかなる適切な材料からも容易に製造することができる。
【００３３】
電気スプリング・コンタクト４０は、ヒータ・アセンブリ１２の表面上のコンタクト・パッド３５に電気エネルギを伝達するために使用されている。スプリング・コンタクト４０は、熱膨張を補償するためにコンプライアントであり、耐食性であり、低抵抗接続を維持している間、劣化することなく、絶えず４２５℃の温度に耐えることができなければならない。好ましい実施形態では、スプリング・コンタクト４０用の材料は、好ましくはタイプ３０１の、硬質ステンレス鋼製である。スプリング・コンタクト４０のコンタクト表面は、耐食性を改善し、接触抵抗を低減するために、金メッキされてもよい。
【００３４】
図７を参照すると、スプリング・コンタクト４０が、コンダクタ２２に溶接されている。好ましい実施形態では、コンダクタ２２は、電線に伝達される熱を減少させ、フラックス塗布および溶加剤の必要をなくするため、コンタクト４０に突合せ抵抗溶接される。このタイプの接続もまた、高温の成形プロセスに耐えることができる。好ましい実施形態では、高温の電線が、テフロン（登録商標）または繊維ガラスの絶縁体を付着して使用される。
【００３５】
図４、図５および図８を参照すると、係止戻り止めアセンブリ３８が示されている。爪アセンブリ３８は、爪溝６４内に挿入されている。爪溝６４は、ハウジング３６の長さを走っており、爪アセンブリ３８を完全に着座させるに十分広い。爪アセンブリ３８は、爪スプリング４６と爪ピン４４とを備える。ハウジング３６がヒータ・アセンブリ１２上に設置されると、爪ピン４４は、位置決め穴３０と位置合わせされ、位置決め穴と連絡される。この位置合わせは、キー４２がヒータ・アセンブリ１２のスロット２４と係合したとき、自動的に行われる。爪スプリング４６は、成形プロセスの高温に耐えることができる、ばね様の特性を示すシート材料から作製される。好ましい実施形態では、爪スプリング４６は、タイプ３０１ステンレス鋼から作製される。コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８がヒータ・アセンブリ１２を滑り降りると、爪ピン４４が、位置決め穴３０と係合するようなサイズにされ、コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８をヒータ・アセンブリ１２上で正確な位置に効率的にロックし、スプリング・コンタクト４０およびコンタクト・パッド３５を通る電流の位置合わせおよび連絡を保証する。
【００３６】
先に述べたように、コンピュータ解析を基にして、最適化された抵抗トレース５０を提供することができることが、本発明の主な利点である。図６を参照すると、様々なヒータ技術に基づいた、ノズル本体の長さに沿った様々な温度プロフィールを比較したグラフが示されている。巻線ケーブル・ヒータのプロフィール５６は、ノズル内にホット・スポットをいかにして発生させることができるかを示している。このタイプのヒータは、ノズル本体の中央部分にホット・スポットを迅速に作成し、溶融された材料の品質を劣化させることがある。また、銅のスリーブ・ヒータの温度プロフィール５８が示されている。また、このタイプのヒータは、巻線ケーブル・ヒータよりもよいが、まだホット・ランナ・ノズル内の溶融された材料の品質を劣化させるホット・スポットおよびコールド・スポットがある。ホット・ランナ・ノズル内で溶融した材料を加工するのに最もよい温度プロフィールを示す、最適化されたコンピュータ・モデル・トレース６０が示されている。本発明では、抵抗トレース５０が、この最適化された性能に近づくように設計された。曲線６２は、本発明のヒータ構成の実際に測定した性能を示している。この温度プロフィールは、最適化されたコンピュータ・モデルに近くなり、その結果、成形プロセスの性能が改善される。
【００３７】
本発明は、溶融したプラスチックの供給源からいかなるチャネル手段にも効率的に採用することができる。当業者なら、本発明を、その中で材料を連続的に加工するために機械の特定の領域に熱を加えることを必要とする様々な加工機械に容易に使用することができよう。本発明は、マニホルド内のホット・ランナ・チャネル、またはスプルー・バー、または、たとえばねじハウジングを可塑化する射出機に容易に採用することができる。
【００３８】
このようにして、本発明のアセンブリは、設置するのが容易であり、よりコンパクトな設計を可能にする低いプロフィールを有し、制御可能であり最適化された熱プロフィールを提供し、効率的な熱交換能力を有する低コストのヒータの解決法を呈示する。
【００３９】
本発明は、ここで説明し、図示した図面に限定されず、本発明を実施する最良形態を単に例示するだけを目的としており、形態、サイズ、部品構成および操作の詳細については修正の余地があることを理解されたい。本発明は、特許請求の範囲によって定義されたその精神および範囲内でこのようなすべての修正を包含することを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 典型的なホット・ランナ・ノズル・アセンブリ上に設置された好ましい実施形態の横断面図である。
【図２ａ】 わかりやすくするためにコネクタ・スリーブが取り外された、好ましい実施形態の平面図である。
【図２ｂ】 好ましい実施形態の簡略化された横断面図である。
【図２ｃ】 わかりやすくするためにコネクタ・スリーブが取り外された、好ましい実施形態の等角図である。
【図３】 好ましい実施形態の様々な層の横断面詳細図である。
【図４】 ヒータ上に設置されたコネクタ・スリーブの簡略化された等角図である。
【図５】 ヒータ内に設置されたコネクタ・スリーブの横断面図である。
【図６】 従来技術ならびに本発明の好ましい実施形態を示す、ホット・ランナ・ノズルの長さに沿った温度プロフィールのグラフである。
【図７】 電気コネクタ・アセンブリの平面図である。
【図８】 係止戻り止めアセンブリの横断面図である。
【図９】 厚膜抵抗／導電トレース・パターンの平面配置図である。
【符号の説明】
図面で使用した参照番号
８ ホット・ランナ・ノズル・アセンブリ
１０ 好ましい実施形態
１２ ヒータ・アセンブリ
１４ ノズル本体
１６ チャネル
１８ コネクタ・スリーブ・アセンブリ
２０ ノズル・チップ
２２ コンダクタ
２４ スロット
２６ 誘電体層
２８ 抵抗層
３０ 位置決め穴
３２ 絶縁層
３４ 基板
３５ コンタクト・パッド
６４ 爪溝
３６ コネクタ・ハウジング
３７ 第１のコンタクト溝
３８ 係止戻り止めアセンブリ
３９ 第２のコンタクト溝
４０ コンタクト
４２ キー
４４ 爪ピン
４６ 爪ばね
４８ 低抵抗導電トレース
５０ 抵抗トレース
５４ 通路
５６ 巻線ケーブル・ヒータの温度プロフィール
５８ 銅製スリーブ・ヒータの温度プロフィール
６０ 最適化されたコンピュータの温度プロフィール
６２ 好ましい実施形態の温度プロフィール
（技術分野）
本発明は、射出成形システムに関し、特にこのようなシステムのためのホット・ランナ・システム用のヒータに関する。
【０００２】
（発明の背景）
熱可塑性のポリマー樹脂を加工するための全てのデバイスに共通であるのは、樹脂材料の物品への成形などの加工中に、樹脂の熱可塑性を得て、それを維持するための関連手段である。熱可塑性の維持は、樹脂の加工での様々な時点で、樹脂の加熱および冷却の両方を必要とすることがある。樹脂の熱劣化を回避するために冷却を必要とすることもある。ほとんどすべての樹脂加工技術は、少なくとも一部で、金属表面、加工装置の部品を仲介とした熱伝達によるポリマー樹脂の加熱または冷却に頼っている。熱は一般に、バンド・ヒータなどの集中熱源によって金属製の装置の外表面に、あるいはヒータ・ロッドまたは空気、水やその他の化学的液体などの循環する加熱流体によって金属部品の本体の内部から加えられる。すべての場合で、金属製の熱伝達構成部品は、極度の圧力および機械的力に耐えるように、かなりの厚さおよび質量にしなければならない。大きな金属質量は、熱入力における変化または冷却に対してゆっくりと応答し、したがって、狭い温度範囲の正確な制御をすることは難しい。また、同じ装置の隣接する領域で温度差を望むとき、特別な異なる温度をかなりの時間維持するように局限させることは難しい。この欠点は、大きな部品の射出成形においてなど、比較的複雑な加工技術および装置で特に面倒である。
【０００３】
ホット・ランナ射出成形システムは、流路全体にわたって一様に加熱された、溶融貯槽から金型キャビティまたはコールド・ランナに至るいくつかの溶融した材料流通路を有する。通路を通って流れる溶融した材料は、金型キャビティまたはコールド・ランナに達するまで、液体のままでなければならない。流れの速度および圧力を制御するために、加熱された通路は、外的に加熱される射出成形ランナ・ノズルに至る、またはそこから発する。このノズルは、ホット・ランナ・ゲート射出ノズルまたはホット・ランナ・プローブ射出ノズルと呼ばれることもあるが、これ以降、単に「ランナ・ノズル」と呼ぶことにする。これらのランナ・ノズルは、通常、ホット・ランナ成形システムのマニホルド・ベース内に配置されている。ノズルは、それぞれの金型キャビティに至る、または金型ブロック内の二次加熱された、または加熱されていない通路に至るポートを通って延びている。ランナ・ノズルは、金型内に射出されるすぐ前の、流通路の加熱された部分の最終点であることがよくあるため、ランナ・ノズルを十分に一様に加熱することが重要である。この点で、溶融した材料をランナ・ノズルを通って自由に流れるようにするために、材料は、その溶融点になければならない、または溶融点より高温でなければならない。それによって、流速を制御するその機能を確実に行うことができる。
【０００４】
温度の遷移が、熱可塑性プラスチックなどの溶融した材料の流体の粘稠度を変化させ、欠陥のある最終製品という結果になることがあるため、ノズルが、いかなる成形プロセスでもキー・パートとなるので、ランナ・ノズルのポイントでの顕著な温度遷移は望ましくない。また、所定のノズルのために、間欠的に流れを遮断し、逆流させることを望む場合、残留した材料を溶融状態に維持し、目詰まりを防止するためにノズルの加熱が必要である。
【０００５】
現在、ランナ・ノズルは通常、ノズル外部の熱源によって加熱される。通常、ランナ・ノズルは、抵抗線が均等に螺旋状に巻き付けられた、加熱エレメントによって加熱される。螺旋状に巻かれたエレメントは、ランナ・ノズルの外部表面の周囲に同軸に配置された円筒を形成している。しかし、このタイプのヒータ構成は、加熱エレメントが周囲環境に露出していることによる熱損失のため、非効率的に動作する。このことによって、ノズルの直径も増加し、このため、ノズルを受けるためにマニホルド・プレート内の、より大きな開口が必要となる。また、多くの標準的なノズル・ヒータは、絶縁シースによって完全に被包されてはおらず、流通路の残りの部分と一様であるランナ・ノズル位置での温度を維持することを、より困難にする。また、抵抗エレメントの物理的設計（すなわち、螺旋）も同様に制限される。十分な熱を発生するのに必要である抵抗線加熱エレメントのゲージは、電線を複雑な回路パターンに形成することができないようになっている。多くの場合、より効率的な熱分布を達成するために、単純な螺旋状パターンではない様々な複雑な回路パターンが望まれる。また、これらのタイプのヒータは、大きくて扱いづらく、維持作業および修理が困難であることがある。抵抗エレメントの大きなリードのため、設置が困難であり、金型設計者は、大きなリード、および大きくなったノズル／ヒータの組み合わせのために空間を割り当てなければならない。また、多くの場合、外部で加熱されたランナ・ノズル装置は、熱電対デバイスを収容するように構成しなければならず、熱電対およびその配線のための追加の空間を必要とする。ランナ・ノズルを一様に加熱し、効率的に加熱するためのよりよい方法が必要とされており、構成は、費用効果があり、メンテナンスおよび修理が容易であるべきである。
【０００６】
サブジェクト・ランナ・ノズルなど、流通路に外的に熱を与える従来型の産業用機器は、一般に上記に記載した手段によって、または、単独のまたは複数のバンド・ヒータ構成によって熱を与えることになる。
【０００７】
Ｊｕｌｉａｎｏ等に対する米国特許第５，９７３，２９６号では、発明は、精密に薄膜を印刷する方法によって直接付着された、誘電膜層と厚い抵抗膜層とを有する金属製の管状の基板から成る管状のヒータである。この方法は、厚膜の抵抗を作成するのに使用される方法と類似である。精密に薄膜を印刷する方法は、導電性インクを分配するファイン・チップ・ライティング・ペンを使用した高価な薄膜を印刷する機械の使用を必要とする。
【０００８】
Ｖｏｎ Ｂｕｒｅｎに対する米国特許第５，４１１，３９２号は、ホット・ランナ・ノズルを覆って設置されている、スロット付きクランプ・スリーブを伴ったスロット付きバンド・ヒータを教示している。この二部式デバイスは、外側スリーブの締付力を使用してバンド・ヒータとノズルの間の熱的連絡を維持する。 Ｂｒｅｄｔ等に対する米国特許第４，９２２，０８２号では、それぞれが、間に挟まれた加熱エレメントと密接な表面間接触状態にある、軸方向に離隔された電極を備える電気抵抗加熱デバイスが開示されている。加熱エレメントは、電極によってそれを通る電位差が加えられたとき、電気抵抗ヒータとして機能する粉末状の材料を含む。このようなエレメント内で発生した熱は、電極の少なくとも１つを通って伝導され、電極はまた、加熱しようと望む物体へ熱を伝導する。粉末状の材料は、２つの電極間の環状の空間内で押圧される。
【０００９】
ランナ・ノズルまたは他の導管を覆って容易に設置することができ、容易に大量生産でき、信頼性が高く、低い製造および維持コストで再現可能および予測可能な温度プロフィールを提供する、新規な加熱デバイスが必要とされている。
【００１０】
本発明の改良型装置は、ヒータ手段として、装置内で加工される熱可塑性ポリマー樹脂と密接に結合して取り付けることができる多層厚膜ヒータを備える。樹脂への熱伝達を行うための重金属化合物は、必要ではない。これによって、重量、材料および製造の労力を節約することができる。当該プラスチック内の加熱エレメントをより近接させると、樹脂温度のより精密な制御をより迅速な応答時間で維持することができ、隣接しているが、異なる領域または場所でさえも、所定の樹脂温度を維持することができる。より低い熱質量の加熱エレメントは、冷却、または加熱から冷却への変化、または冷却から加熱への変化に、より応答する。本装置を用いて、より正確で再現可能な温度プロフィールを得ることができ、その結果、装置性能が改良され、より高品質な最終製品になる。
【００１１】
（発明の概要）
本発明の主な目的は、溶融した材料の加工で使用するための改良型のヒータ装置を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、ノズル間の間隔を縮小することができる、ノズルの総直径を小さくした、典型的なホット・ランナ・ノズル上に容易に設置することができる、ヒータ・デバイスと同様のかなり薄いチューブを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、製造および維持コストが、より低いヒータを提供することである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、シルク・スクリーニング・プロセスの使用を通じての大量生産に適したヒータを提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、射出成形機に固有の高温および熱膨張の困難に耐久することができる、独特のスリップ・オンおよびスリップ・オフ電気コネクタの特徴を有する厚膜ヒータを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、その使用寿命にわたって、より安定した再現可能な温度プロフィールをも示す、より信頼性の高いヒータを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、その長さに沿って最適化された正確な温度プロフィールを提供することができる、ヒータを提供することである。
【００１８】
本発明のさらに別の目的は、所定のサイズのヒータ基板に対してヒータ出力を増加させる、多層の抵抗トレースを備えるヒータを提供することである。
【００１９】
上記の目的は、射出成形機内、特にホット・ランナ・ノズル・システム上に本発明を設置することによって達成される。本発明は、シルク・スクリーニングされた誘電体層がその上に付着された円筒形状の金属基板を備える。誘電体層上に、２つの端部を有する所定のトレース・パターンを備える抵抗層が、シルク・スクリーニングまたは別法でプリントされ、前記トレース・パターンは、ヒータの長さに沿った温度プロフィールを決定する。抵抗トレースは、熱容量を増加させるように直列接続された抵抗性材料の複数の層を備えることができる。抵抗トレース・パターンの２つの端子端部と連絡して、それを通って電流を連絡するために１対の電気コンダクタと接続するように設計された電気コンタクト・パッドが、シルク・スクリーニングされている。抵抗トレース・パターンを覆って、抵抗層を磨耗および電気的短絡から保護する絶縁層が、シルク・スクリーニングされている。ヒータの外部表面からの熱損失を減少させる熱絶縁体として作用する絶縁層を、さらに形成することができる。絶縁層は、電気コンタクトを覆って配置されてはいない。ヒータの外直径上を、およびコンタクト・パッド上を滑動する取外し可能なコネクタ・スリーブを使用することによって、電気コンダクタが配置され、電気コンタクト・パッドに堅固に固定されている。コンダクタの、コンタクト・パッドへの溶接、ろう付け、はんだ付けはない。このインタフェース面での接触は、コネクタ・スリーブによって生成された楔付動作および圧力によって維持される。
【００２０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１を参照すると、典型的なホット・ランナ・ノズル・アセンブリ８が示されている。ホット・ランナ・ノズル・アセンブリ８は、ノズル本体１４と、チャネル１６と、ノズル・チップ２０と、ヒータ・アセンブリ１２と、コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８と、少なくとも１対のコンダクタ２２とを備える。チャネル１６は、ノズル本体１４の長さ方向に走っており、溶融した材料を金型キャビティ（図示せず）へ移送するためのノズル・チップ２０と連絡している。ノズル本体１４と熱的に連絡して、チャネル１６内の材料を自由に流れる溶融状態に維持するためのヒータ・アセンブリ１２が配置されている。コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８は、ヒータ・アセンブリ１２上に滑動可能に設置され、コンダクタ２２をヒータ・アセンブリ１２に堅固に固定して、それを通って電流を連絡している。
【００２１】
図２ａ、２ｂ、２ｃおよび図３を参照すると、ヒータ・アセンブリ１２が示されている。ヒータ・アセンブリ１２は、オプショナル・スロット２４と、位置決め穴３０と、基板３４と、厚膜誘電体層２６と、厚膜抵抗層２８と、少なくとも１対のコンタクト・パッド３５と、絶縁層３２とを備える。ヒータ・アセンブリ１２は、異なる材料の様々な層を備える。好ましい実施形態での基板３４は、金属、通常鋼またはその他の熱伝導性材料製のＣ字形の部片である。オプショナル・スロット２４は、ヒータの長さ方向に走っており、ノズル本体１４の周囲に設置されたとき、基板が自己締付けばねとして作用できるようにしている。好ましい実施形態では、基板３４は、中実の棒またはチューブから、約０．０２０インチから０．０４０インチの厚さの円筒形壁面を有するように機械加工された、４３０ステンレス鋼製である。
【００２２】
基板３４の内直径は、ホット・ランナ・ノズルの外直径よりも小さいサイズにされている。この形状は、ヒータ・アセンブリ１２とノズル本体１４の間の良好な熱的連絡を提供する。前に述べたように、好ましい実施形態では、基板３４は、それに付着された厚膜層と同じ、または任意選択でわずかに低い熱係数を有する、タイプ３４０または４３０のステンレス鋼製である。別法として、基板は、特定の熱膨張係数を与えるように形成されたセラミック複合材料から作製することができる。熱膨張係数の整合は、加熱中、エレメントが膨張を始めたときの層内のひび割れを防止するために不可欠である。基板が厚膜層以上に膨張した場合、厚膜層は、ひび割れを始め、抵抗層２８を時期尚早に短絡させることになる。また、基板３４の熱膨張係数は、ノズル本体１４の熱膨張係数よりも低い。その結果、ノズル本体１４が加熱すると、基板３４よりも速く膨張し、自然の締付力が、ヒータ・アセンブリ１２とノズル本体１４の間で構成され、その結果、熱的連絡が改善される。
【００２３】
図３を参照すると、シルク・スクリーン・タイプの方法を用いた好ましい実施形態によって厚膜誘電体層２６が基板３４の外表面に付着される。シルク・スクリーン法は、特有のヒータ構成の製造時間を大いに短縮するため、好ましい。シルク・スクリーン法は、誘電体層用に単一のマスクの使用を必要とし、またシルク・スクリーン法は高速の加工に適している。好ましい実施形態では、誘電体層は、セラミック・ガラス混合物から作製され、基板３４と抵抗層２８の間の電気的絶縁を提供している。誘電体層２６が基板３４の外側に付着され、その後８５０℃で炉内で硬化される。好ましい実施形態では、誘電体層２６は、１０００〜１５００ＶＡＣの間の最小絶縁耐力と、１００メガ・オームより大きい絶縁抵抗を有する。これを達成するためには、絶縁耐力は、通常、少なくとも３つの連続した、誘電性材料の厚膜層の適用が必要である。
【００２４】
「厚膜」という用語は、焼成後、およそ０．００１インチの厚さになる材料を記載するために従来技術で使用されている。およそ０．０００２５インチの厚さよりもはるかに薄い材料を記載するために従来技術で使用されている「薄膜」とは対照的である。厚膜材料は、通常ペーストまたはインクとして付着され、正確な熱プロフィールを使用して焼成される。厚膜材料は、シルク・スクリーニングまたはダイレクト・ライト技術のどちらかを使用して付着される。厚膜インクは、コンダクタと抵抗性材料の様々な組み合わせで、セラミックまたはガラス基材の、細かく粉砕された懸濁液を備える。厚膜インクは、コンダクタ、レジスタまたはインシュレータとして使用するように容易に形成することができる。
【００２５】
誘電体層を覆って所定のトレース・パターンで、厚膜抵抗層２８が付着される。抵抗層２８は、本質的に、トレース内での抵抗損を通じて熱を発生させる電気回路である。抵抗層２８の平坦なパターンの好ましい実施形態を示す図９を参照すると、抵抗層２８は、抵抗トレース５０と低抵抗導電トレース４８の両方から作製されている。熱は、主に抵抗トレース５０から発生し、それによって、ヒータ・アセンブリ１２に沿った極めて正確に制御された位置に熱を加える。導電トレース４８は、抵抗損を最小化するために、極めて電気抵抗の低い材料製である。
【００２６】
好ましい実施形態では、抵抗トレース５０と導電トレース４８の両方が、シルク・スクリーン法を用いて誘電体層２６に付着される。別法として、抵抗トレースは、特別なプリンタを使用するダイレクト・ライト方法（direct write method）を用いて付着することも可能である。ダイレクト・ライト方法は、規模の経済が実現化されていない小ロットの生産環境に好ましい。再び、シルク・スクリーン法は、より低い製造コストのため、大量使用に好ましい。導電トレース４８は、通常およそ０．０１オーム／スクエアの抵抗を示す、パラジウム・銀マトリクスから作製される。導電トレースは約８２５℃で焼成され、抵抗トレース５０は約８００℃で焼成されるため、導電トレース４８は抵抗トレース５０より前に付着される。導電トレース４８の焼成に続いて、抵抗トレース５０がシルク・スクリーン法を用いて付着される。先に述べたように、このトレースは、その後約８００℃で焼成される。
【００２７】
抵抗層２８のパターン形成は、本発明のキーとなる利点である。熱的プロファイリングは、ホット・ランナ・ノズル構造でキーとなる設計要素である。本発明で適用可能な再現可能性および高いワット密度が、ホット・ランナ・ノズル内の面倒なホット・スポットを除去することを助ける、最適化された熱プロフィールを可能にする。好ましい実施形態で使用されるトレース・パターンは、コンピュータ熱解析に基づいて、実際に必要とされている所に熱を供給するように容易に修正することができる。好ましい実施形態では、およそ１００ワット／立方センチメートルのワット密度が、達成された。
【００２８】
導電トレース４８の形成中、少なくとも２つのコンタクト・パッド３５が、同じ材料から形成される。好ましい実施形態のコンタクト・パッド３５は、抵抗層２８の両端に配置され、ヒータ・アセンブリ１２に電力を加えるための位置を提供する。コンタクト・パッド３５は、スリーブが完全に設置され、定位置にロックされたとき、コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８と接続するために、ヒータ・アセンブリ１２上の所定の位置に配置される。
【００２９】
抵抗層２８を覆って、絶縁層３２もまたシルク・スクリーン法を用いて付着される。絶縁層２８はコンタクト・パッド３５を覆っては付着されない。絶縁層３２は、抵抗層２８を磨耗および電気的短絡から保護し、ヒータの外部表面からの熱損失を減少させる、機械的、熱的、電気的に絶縁性の物質である。絶縁層３２は、約６００℃の温度で焼成されたガラス・マトリクスを備える。
【００３０】
図４および図５を参照すると、コネクタ・スリーブ１８が、ヒータ・アセンブリ１２上に設置されて示されている。コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８は、コネクタ・ハウジング３６と、電気スプリング・コンタクト４０と、電気コンダクタ２２と、通路５４と、爪溝６４と、第１および第２のコンタクト溝、それぞれ３７および３９と、係止戻り止めアセンブリ３８とを備える。
【００３１】
コネクタ・ハウジング３６は、ヒータ・アセンブリ１２の外直径に滑動可能に係合する環状に形成されたプラグである。ハウジング３６の内直径上のキー４２は、スロット２４と接続し、スリーブ・アセンブリ１８をコンタクト・パッド３５と正確に位置合わせする。第１および第２のコンタクト溝３７および３９が、スプリング・コンタクト４０を挿入するために、コネクタ・ハウジング３６の内部表面に形成される。通路５４が、コンタクト４０に接続するためのハウジング３６の壁を通してコンダクタ２２を設置することを可能にする。
【００３２】
好ましい実施形態のコネクタ・ハウジング３６は、圧縮、焼成された９６％密度のアルミナ・セラミック材料から作製される。ここで、この材料は、高温の環境に最も適した特性を提供し、電気的および熱的絶縁特性を示す。しかし、これは、高い誘電特性と良好な熱伝導性とを有するいかなる適切な材料からも容易に製造することができる。
【００３３】
電気スプリング・コンタクト４０は、ヒータ・アセンブリ１２の表面上のコンタクト・パッド３５に電気エネルギを伝達するために使用されている。スプリング・コンタクト４０は、熱膨張を補償するためにコンプライアントであり、耐食性であり、低抵抗接続を維持している間、劣化することなく、絶えず４２５℃の温度に耐えることができなければならない。好ましい実施形態では、スプリング・コンタクト４０用の材料は、好ましくはタイプ３０１の、硬質ステンレス鋼製である。スプリング・コンタクト４０のコンタクト表面は、耐食性を改善し、接触抵抗を低減するために、金メッキされてもよい。
【００３４】
図７を参照すると、スプリング・コンタクト４０が、コンダクタ２２に溶接されている。好ましい実施形態では、コンダクタ２２は、電線に伝達される熱を減少させ、フラックス塗布および溶加剤の必要をなくするため、コンタクト４０に突合せ抵抗溶接される。このタイプの接続もまた、高温の成形プロセスに耐えることができる。好ましい実施形態では、高温の電線が、テフロン（登録商標）または繊維ガラスの絶縁体を付着して使用される。
【００３５】
図４、図５および図８を参照すると、係止戻り止めアセンブリ３８が示されている。爪アセンブリ３８は、爪溝６４内に挿入されている。爪溝６４は、ハウジング３６の長さを走っており、爪アセンブリ３８を完全に着座させるに十分広い。爪アセンブリ３８は、爪スプリング４６と爪ピン４４とを備える。ハウジング３６がヒータ・アセンブリ１２上に設置されると、爪ピン４４は、位置決め穴３０と位置合わせされ、位置決め穴と連絡される。この位置合わせは、キー４２がヒータ・アセンブリ１２のスロット２４と係合したとき、自動的に行われる。爪スプリング４６は、成形プロセスの高温に耐えることができる、ばね様の特性を示すシート材料から作製される。好ましい実施形態では、爪スプリング４６は、タイプ３０１ステンレス鋼から作製される。コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８がヒータ・アセンブリ１２を滑り降りると、爪ピン４４が、位置決め穴３０と係合するようなサイズにされ、コネクタ・スリーブ・アセンブリ１８をヒータ・アセンブリ１２上で正確な位置に効率的にロックし、スプリング・コンタクト４０およびコンタクト・パッド３５を通る電流の位置合わせおよび連絡を保証する。
【００３６】
先に述べたように、コンピュータ解析を基にして、最適化された抵抗トレース５０を提供することができることが、本発明の主な利点である。図６を参照すると、様々なヒータ技術に基づいた、ノズル本体の長さに沿った様々な温度プロフィールを比較したグラフが示されている。巻線ケーブル・ヒータのプロフィール５６は、ノズル内にホット・スポットをいかにして発生させることができるかを示している。このタイプのヒータは、ノズル本体の中央部分にホット・スポットを迅速に作成し、溶融された材料の品質を劣化させることがある。また、銅のスリーブ・ヒータの温度プロフィール５８が示されている。また、このタイプのヒータは、巻線ケーブル・ヒータよりもよいが、まだホット・ランナ・ノズル内の溶融された材料の品質を劣化させるホット・スポットおよびコールド・スポットがある。ホット・ランナ・ノズル内で溶融した材料を加工するのに最もよい温度プロフィールを示す、最適化されたコンピュータ・モデル・トレース６０が示されている。本発明では、抵抗トレース５０が、この最適化された性能に近づくように設計された。曲線６２は、本発明のヒータ構成の実際に測定した性能を示している。この温度プロフィールは、最適化されたコンピュータ・モデルに近くなり、その結果、成形プロセスの性能が改善される。
【００３７】
本発明は、溶融したプラスチックの供給源からいかなるチャネル手段にも効率的に採用することができる。当業者なら、本発明を、その中で材料を連続的に加工するために機械の特定の領域に熱を加えることを必要とする様々な加工機械に容易に使用することができよう。本発明は、マニホルド内のホット・ランナ・チャネル、またはスプルー・バー、または、たとえばねじハウジングを可塑化する射出機に容易に採用することができる。
【００３８】
このようにして、本発明のアセンブリは、設置するのが容易であり、よりコンパクトな設計を可能にする低いプロフィールを有し、制御可能であり最適化された熱プロフィールを提供し、効率的な熱交換能力を有する低コストのヒータの解決法を呈示する。
【００３９】
本発明は、ここで説明し、図示した図面に限定されず、本発明を実施する最良形態を単に例示するだけを目的としており、形態、サイズ、部品構成および操作の詳細については修正の余地があることを理解されたい。本発明は、特許請求の範囲によって定義されたその精神および範囲内でこのようなすべての修正を包含することを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 典型的なホット・ランナ・ノズル・アセンブリ上に設置された好ましい実施形態の横断面図である。
【図２ａ】 わかりやすくするためにコネクタ・スリーブが取り外された、好ましい実施形態の平面図である。
【図２ｂ】 好ましい実施形態の簡略化された横断面図である。
【図２ｃ】 わかりやすくするためにコネクタ・スリーブが取り外された、好ましい実施形態の等角図である。
【図３】 好ましい実施形態の様々な層の横断面詳細図である。
【図４】 ヒータ上に設置されたコネクタ・スリーブの簡略化された等角図である。
【図５】 ヒータ内に設置されたコネクタ・スリーブの横断面図である。
【図６】 従来技術ならびに本発明の好ましい実施形態を示す、ホット・ランナ・ノズルの長さに沿った温度プロフィールのグラフである。
【図７】 電気コネクタ・アセンブリの平面図である。
【図８】 係止戻り止めアセンブリの横断面図である。
【図９】 厚膜抵抗／導電トレース・パターンの平面配置図である。
【符号の説明】
図面で使用した参照番号
８ ホット・ランナ・ノズル・アセンブリ
１０ 好ましい実施形態
１２ ヒータ・アセンブリ
１４ ノズル本体
１６ チャネル
１８ コネクタ・スリーブ・アセンブリ
２０ ノズル・チップ
２２ コンダクタ
２４ スロット
２６ 誘電体層
２８ 抵抗層
３０ 位置決め穴
３２ 絶縁層
３４ 基板
３５ コンタクト・パッド
６４ 爪溝
３６ コネクタ・ハウジング
３７ 第１のコンタクト溝
３８ 係止戻り止めアセンブリ
３９ 第２のコンタクト溝
４０ コンタクト
４２ キー
４４ 爪ピン
４６ 爪ばね
４８ 低抵抗導電トレース
５０ 抵抗トレース
５４ 通路
５６ 巻線ケーブル・ヒータの温度プロフィール
５８ 銅製スリーブ・ヒータの温度プロフィール
６０ 最適化されたコンピュータの温度プロフィール
６２ 好ましい実施形態の温度プロフィール
Claims (25)
- 厚膜ヒータにおいて、
ａ）熱伝導性の非平坦な基板表面と、
ｂ）前記基板表面上に付着された、シルク・スクリーニングされた誘電体層と、
ｃ）前記誘電体層上に付着され、それによって熱を発生させるための回路を形成する抵抗層であって、前記抵抗層が厚膜インクからなる少なくとも一つの抵抗トレースを周方向に不連続なパターンで有する抵抗層と、
ｄ）電源と電気的に接続するために、前記抵抗層と電気的連絡状態で付着された、少なくとも１対のシルク・スクリーニングされたコンタクト・パッドと、
ｅ）前記抵抗層を覆って付着された絶縁層と、
からなり、前記基板表面は、前記誘電体層及び前記抵抗層とほぼ同じか、僅かに低い熱膨張係数を有し、前記基板が、前記基板の全長を走る長手方向スロットをさらに備える厚膜ヒータ。 - 前記コンタクト・パッドそれぞれにコンタクトを機械的に接続するためコネクタ・ハウジングを更に備える、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記非平坦表面が円筒形である、請求項２に記載の厚膜ヒータ。
- 前記抵抗層が、抵抗トレースと低抵抗導電トレースとをさらに備える、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記抵抗トレースが、前記誘電体層上にシルク・スクリーニングされた、請求項４に記載の厚膜ヒータ。
- 前記導電トレースが、前記誘電体層上にシルク・スクリーニングされた、請求項４に記載の厚膜ヒータ。
- 前記抵抗層が、前記誘電体層上へシルク・スクリーニングされた、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記抵抗層が、前記誘電体層上へダイレクト・プリントされた、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 厚膜ヒータにおいて、
ａ）熱伝導性の非平坦な基板表面と、
ｂ）前記基板表面上に付着された、シルク・スクリーニングされた誘電体層と、
ｃ）前記誘電体層上に付着され、それによって熱を発生させるための回路を形成する抵抗層であって、前記抵抗層が厚膜インクからなる少なくとも一つの抵抗トレースを周方向に不連続なパターンで有する抵抗層と、
ｄ）電源と電気的に接続するために、前記抵抗層と電気的連絡状態で付着された、少なくとも１対のシルク・スクリーニングされたコンタクト・パッドと、
ｅ）前記抵抗層を覆って付着された絶縁層と、
ｆ）前記コンタクト・パッドそれぞれにコンタクトを機械的に接続するためコネクタ・ハウジングと、
からなり、前記基板表面は、前記誘電体層及び前記抵抗層とほぼ同じか、僅かに低い熱膨張係数を有し、前記コネクタ・ハウジングが、前記基板上の位置決め穴に係合する係止戻り止めをさらに備える厚膜ヒータ。 - 厚膜ヒータにおいて、
ａ）熱伝導性の非平坦な基板表面と、
ｂ）前記基板表面上に付着された、シルク・スクリーニングされた誘電体層と、
ｃ）前記誘電体層上に付着され、それによって熱を発生させるための回路を形成する抵抗層であって、前記抵抗層が厚膜インクからなる少なくとも一つの抵抗トレースを周方向に不連続なパターンで有する抵抗層と、
ｄ）電源と電気的に接続するために、前記抵抗層と電気的連絡状態で付着された、少なくとも１対のシルク・スクリーニングされたコンタクト・パッドと、
ｅ）前記抵抗層を覆って付着された絶縁層と、
ｆ）前記コンタクト・パッドそれぞれにコンタクトを機械的に接続するためコネクタ・ハウジングと、
からなり、前記基板表面は、前記誘電体層及び前記抵抗層とほぼ同じか、僅かに低い熱膨張係数を有し、前記コネクタ・ハウジングが、前記基板上の位置決め穴に係合する係止戻り止めをさらに備え、前記係止戻り止めが、前記位置決め穴から選択的に取り外される厚膜ヒータ。 - 厚膜ヒータにおいて、
ａ）熱伝導性の非平坦な基板表面と、
ｂ）前記基板表面上に付着された、シルク・スクリーニングされた誘電体層と、
ｃ）前記誘電体層上に付着され、それによって熱を発生させるための回路を形成する抵抗層であって、前記抵抗層が厚膜インクからなる少なくとも一つの抵抗トレースを周方向に不連続なパターンで有する抵抗層と、
ｄ）電源と電気的に接続するために、前記抵抗層と電気的連絡状態で付着された、少なくとも１対のシルク・スクリーニングされたコンタクト・パッドと、
ｅ）前記抵抗層を覆って付着された絶縁層と、
ｆ）前記コンタクト・パッドそれぞれにコンタクトを機械的に接続するためコネクタ・ハウジングと、
からなり、前記基板表面は、前記誘電体層及び前記抵抗層とほぼ同じか、僅かに低い熱膨張係数を有し、前記コネクタ・ハウジングが、前記基板上の位置決め穴に係合する係止戻り止めをさらに備え、前記係止戻り止めおよび前記位置決め穴が、前記コンタクトに対して所定の配置にあり、それによって、前記爪が前記穴と係合したとき前記コンタクトの電気的連絡を確実にする厚膜ヒータ。 - 厚膜ヒータにおいて、
ａ）熱伝導性の非平坦な基板表面と、
ｂ）前記基板表面上に付着された、シルク・スクリーニングされた誘電体層と、
ｃ）前記誘電体層上に付着され、それによって熱を発生させるための回路を形成する抵抗層であって、前記抵抗層が厚膜インクからなる少なくとも一つの抵抗トレースを周方向に不連続なパターンで有する抵抗層と、
ｄ）電源と電気的に接続するために、前記抵抗層と電気的連絡状態で付着された、少なくとも１対のシルク・スクリーニングされたコンタクト・パッドと、
ｅ）前記抵抗層を覆って付着された絶縁層と、
ｆ）前記コンタクト・パッドそれぞれにコンタクトを機械的に接続するためコネクタ・ハウジングと、
からなり、前記基板表面は、前記誘電体層及び前記抵抗層とほぼ同じか、僅かに低い熱膨張係数を有し、前記コネクタ・ハウジングが、長手方向スロットを前記基板内に滑動可能に係合し、それによって前記コンタクトを前記コンタクト・パッドと半径方向に位置合わせするためのキーをさらに備える厚膜ヒータ。 - 前記コネクタ・ハウジングが、セラミック材料製である、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記基板が、ノズル本体である、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記基板が、鋼製である、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記誘電体層が、１０００〜１５００ＶＡＣの間の最小絶縁耐力と、少なくとも１００メガ・オームの絶縁抵抗を有する、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記基板と、前記誘電体層と、前記抵抗層と、前記絶縁層とが、ほぼ同じ熱膨張係数を有する、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記基板が、前記誘電体層、抵抗層および絶縁層よりもわずかに低い熱膨張係数を有する、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記抵抗層が、フォト・フォーミングによって前記誘電体層に付着される、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記抵抗層が、レーザまたは研磨エッチングによって形成される、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- 前記コンタクトが、金メッキされた鋼製である、請求項１に記載の厚膜ヒータ。
- ヒータの加熱方法であって、
ａ）熱伝導性の非平坦な基板上に、前記基板とほぼ同じか、僅かに高い熱膨張係数を有する厚膜誘電体層をシルク・スクリーン・プリントするステップと、
ｂ）前記基板上に、前記基板とほぼ同じか、僅かに高い熱膨張係数を有すると共に厚膜インクからなる少なくとも一つの抵抗トレースを周方向に不連続なパターンで有する厚膜抵抗層をプリントして、電気的トレースを形成し、抵抗損を通じて熱を発生するステップと、
ｃ）前記それぞれの抵抗層と電気的に連絡した少なくとも１対のコンタクト・パッドをシルク・スクリーン・プリントするステップと、
ｄ）前記抵抗層を覆って絶縁層をシルク・スクリーン・プリントするステップと、
ｅ）環状のコネクタ・ハウジングを用いて前記コンタクト・パッドそれぞれに電気的コンタクトを係合するステップと、
ｆ）前記電気的コンタクトに電力供給するステップとを含み、
前記基板が、円筒形の表面であり、前記基板の全長を走る長手方向スロットをさらに備えるヒータの加熱方法。 - 前記基板と、誘電体層と、抵抗層と、絶縁層とが、ほぼ等しい熱膨張係数を有する、請求項２２に記載の方法。
- 同軸に配置された円筒形のヒータを有する射出成形ランナ・ノズルであって、
ａ）ランナ・ノズルよりもよりも小さい熱膨張係数を有し、それによって、前記ノズルおよび前記基板が過熱すると、前記基板を前記ノズル上にさらに締め付ける、基板の全長に走るスロットを有する円筒形の熱伝導性の基板と、
ｂ）前記基板上に付着され、シルク・スクリーニングされた誘電体層と、
ｃ）前記誘電体層上に付着され、それによって熱を発生するための電気回路を形成する抵抗層と、
ｄ）電源との電気的接続のために前記抵抗層と電気的連絡状態で付着された、少なくとも１対のシルク・スクリーニングされたコンタクト・パッドと、
ｅ）前記抵抗層を覆って付着された絶縁層と、
からなり、前記円筒形の熱伝導性の基板は、前記誘電体層及び前記抵抗層とほぼ同じか、僅かに低い熱膨張係数を有し、前記基板が、前記基板の全長を走る長手方向スロットをさらに備える射出成形ランナ・ノズル。 - 前記コンタクト・パッドそれぞれにコンタクトを機械的に接続するため環状のコネクタ・ハウジングを更に備える、請求項２４に記載の射出成形ランナ・ノズル。
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