JP4284303B2 - 注型装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばガス遮断器等の電力機器・受配電機器に用いるブッシング、絶縁スペーサや樹脂モールドコイル、モールドバルブなどの高電圧用エポキシ樹脂注型品を短時間で大量生産する注型装置に関する。

高速注型とはエポキシ樹脂注型品を短時間で硬化成形する製造手法であり、一般に高速注型装置は、樹脂混合タンクと真空室を介して配管で接続された注型金型と金型を駆動する開閉装置で構成される。

注型にはシリカ粉やアルミナ粉を充填した反応性の高いエポキシ樹脂が用いられ、樹脂は混合タンク内で真空脱泡しながら硬化剤と攪拌混合される。

金型には予め予熱乾燥した金属導体やインサートを設置し、金型を真空室内で開閉装置によって閉鎖し真空室を真空にした後、金型底部に設けられた注入口から混合タンクを加圧することによって樹脂注入を行う。

金型に樹脂が充填された後は、混合タンク側から０．１〜０．５ＭＰａ程度の樹脂圧力を与えたまま加熱硬化させる。

通常、高速注型では注入前の樹脂温度をポットライフ（可使時間）を確保するために４０〜６０℃と低温に設定し、一方の金型には短時間に硬化物を得るために１２０℃以上の高温が設定される。

この技術では、樹脂量１０ｋｇ以上の大型の注型品を、２０〜６０分という非常に短時間で離型することができる。金型を開放し離型した注型品は、２次硬化炉に投入され樹脂の反応が終了するまで完全に硬化される。

高速注型では樹脂の反応性が高く硬化発熱も大きくなるため、注入する樹脂の温度、圧力、注入速度などの条件の偏差や金型の温度バランス、硬化時間などの製造条件によって、注型品の耐クラック性、寸法精度、部分放電特性が大きく左右され不良率が上昇するおそれがある。

また、金型内部の樹脂硬化のバランスがくずれると、注型品の残留応力は増大し収縮マーク等の発生によって、耐クラック性能や寸法精度が低下し、応力による導体と樹脂間の剥離や残留ボイドによって部分放電特性等の電気特性が著しく低下する。

高速注型の生産性を向上するため複数の製品形状を金型に彫り込み同時に注型する高サイクル化の試みは碍子などの小形絶縁部品に適用した例はあるが、この場合樹脂注入配管を金型外で分岐させることが一般的な手法であった。

しかし、配管内の温度や樹脂粘度の制御が課題となり、注入時間のばらつきが大きくなり注型条件の偏差を無視することができなくなるため、高電圧部品に適用することが困難であった。

一方、型内に分岐配管を持つ金型は熱可塑性樹脂を用いたインジェクション成形等では実績があり、配管中の樹脂をショットごとに除去するため注入バランスが得られやすい利点があるが、熱硬化性樹脂を用いる高速注型の場合、型内配管の樹脂硬化が早く注入経路が先に閉塞するため、配管経路から未硬化樹脂によって供給される注型品の収縮補償が阻害され、高速注型が正常に作動しないという課題があった。

また、金属埋め込み物を伴う複雑な形状を持つ注型品の注型をする場合は、とくに樹脂注入、硬化バランスが重要となる。硬化速度が遅いと離型時に十分な強度を確保することができず、一方硬化速度が速いと、金型に拘束されたまま樹脂の収縮が進行するため、残留ひずみが生じて導体部やインサートの剥離が発生し部分放電特性が低下したり、クラックに至ることがあった。

以上の課題は、特にエポキシ樹脂の耐熱性が高くなる程顕著になり、硬化・収縮が大きくなるためにプロセス制御が難しくなる。従来の技術では、耐熱性を表す物性であるガラス転移温度が１００℃を越える樹脂を用いる注型の高サイクル化は課題が多く、耐熱性の観点からも高電圧部品への適用が困難であった。

そこで本発明の目的は、エポキシ注型樹脂を用いて、耐クラック性、寸法精度、部分放電特性等の優れた３個以上の注型品を同時に一括して注型することができる注型装置を提供することである。

本発明は、それぞれが背面の熱板に取り付けられ、開閉可能に構成された２つの型からなる金型に３個以上の注型キャビティーを設けるとともに、注型キャビティーにエポキシ注型樹脂を注入するための、金型の下部の注入口から分岐してそれぞれの注型キャビティーに至る分岐配管を金型内部に配置し、同時に３個以上の注型品を一括して注型できるようにした注型装置において、エポキシ注型樹脂のガラス転移温度よりも金型の温度を高く設定するとともに、分岐配管の樹脂硬化を遅延させるための放熱または冷却用の溝を金型背面に設け、かつエポキシ注型樹脂を加圧することにより注型キャビティーにエポキシ注型樹脂を充填して加熱硬化させることを特徴とする。

本発明の注型装置によれば、エポキシ注型樹脂を用いて、同時に３個以上の注型品を一括して注型することができ、耐クラック性、寸法精度、部分放電特性の優れた、信頼性の高い高電圧絶縁部品等の注型品を大量に生産することができる。

以下、本発明の一実施形態として２２〜７７ＫＶ・Ｃ−ＧＩＳ用Ｔ分岐母線を同時に３個注型可能な高サイクル注型装置の構成について、図面を参照して説明する。

（注型装置の基本的構成）
まず、この実施形態の基本的な構成について図１を参照して説明する。図１は熱板上に搭載した高サイクル注型金型の正面図を示す。

高サイクル注型金型の真空開閉にはスイス・スータ社製高速注型装置を用いた。高速注型では温度設定が可能な熱板１上に任意の形状の金型２が搭載できる基本構造を取り、熱板に取り付けられた左右対称の金型は油圧の開閉装置によって駆動し真空室の中で閉鎖する機構を持つ。

図１の高サイクル注型装置では、金型２内部に樹脂注入のための分岐配管を配置する。この分岐配管は、中央部が注入口４に接続され、図中横方向に配置される分岐主配管３と、それぞれの一端がこの分岐主配管３に接続されそれぞれの他端が各注型キャビティー５の注入口に接続され、図中縦方向に配置される垂直分岐配管７とで構成される。これらの分岐配管によりこの金型下部の注入口４から供給される注型樹脂を３分割し各注型キャビティー５に注型樹脂を分配し、熱硬化により同時に３個の注型品を硬化させる構成をとる。

注型樹脂には、硬化物のガラス転移温度が１１０℃を越えるビス・フェノール型液状エポキシ樹脂と酸無水物系硬化剤に約７０重量％のシリカ粉を充填したものを予め真空予熱攪拌した後、注入を行った。

この構成によると３個のＣ−ＧＩＳ用Ｔ分岐母線を１工程で一括して真空高速注型することが可能になる。従って、Ｔ分岐母線が、従来の注型法の４８倍、高速注型の３倍の生産性で製造することができる。

（分岐配管への熱伝達を遮断する構成）
次に分岐配管への熱伝達を遮断する構成について、図１、及び図２を参照して説明する。図２は、熱板上に搭載した高サイクル注型金型の側面図を示す。

金型２には左右型ともに、熱板１から樹脂注入用分岐主配管３への熱伝達を遮断する矩形冷却溝６と、熱板１からの熱伝達を遮断する垂直分岐配管７に沿った管状冷却溝８を配置する。

なお、矩形冷却溝６と管状冷却溝８としては単に溝を形成するだけでもよいが、ここでは、冷却効率を高めるため、これらの溝に冷却ノズル９を与え、常に一定量のエアーをパージさせるように構成している。

また、冷却効率の一層の向上のため冷媒として水などの液体冷媒を循環させる構成をとっても良い。このように液体冷媒を循環させるには、例えば、溝内に液体冷媒を通す螺旋状のパイプを配置すればよい。

以上のように、金型２内に配置した樹脂注入分岐配管、即ち分岐主配管３及び垂直分岐配管７を冷却し、分岐配管中の樹脂硬化を遅延させることによって、配管中の樹脂硬化を遅延させることができる。そして、配管中の樹脂硬化を遅延させることによって、金型内の樹脂硬化の収縮分を配管樹脂が圧力補償するシステムが確実にはたらき、寸法精度、機械特性および電気特性が向上する効果がある。

（分岐配管の構成）
次に分岐配管の構成について、図２を参照して説明する。

分岐配管、即ち分岐主配管３及び垂直分岐配管７は、左右金型の１方にのみ加工し、これらの樹脂注入配管は、それぞれの配管の奥行方向（樹脂の流れる方向）に対して垂直な断面が半月形状になる構成とする。また３つの垂直分岐配管７は、注型品の形状や注型キャビティー数にかかわらず注型キャビティー５までの距離が等しくなる構成を与える。

樹脂注入配管の形状を片方の金型に配置することにより金型加工の工数が低減し、また注型キャビティー５までの距離が等しくなる配管形状により３つのキャビティー５に同じタイミングで均等な樹脂注入を与えることができる。

以上のように、注入配管の形状を最適化することにより、注入バランスが優れ不良率が低減する効果がある。

（注型キャビティー上部に設けられた脱泡機構）
次に、注型キャビティー上部に設けられた脱泡機構について、図１を参照して説明する。

注型キャビティー５の上部に、左右金型２、２の対向する面の間に、対向面間の距離を０．１〜１．０ｍｍに規定する樹脂流出用の第１スリット１０を配置し、注入樹脂をトラップ１１に導いた後、さらにこのトラップ１１から外部に至る左右金型２、２の対向する面の間に、対向面間の距離を２０〜１００μｍに規定する第２スリット１２を配置する。

このようなスリットの構成により、注型工程での脱泡性と樹脂のシール性を確保し、ボイド欠陥の少ない注型品を生産することができる。

更に、図１及び図２に示すように、第２スリット１２近傍に、スポットヒーター１３または空気圧によって膨張収縮するエアーパッキン１４を配置する。

なお、このスポットヒーター１３とエアーパッキン１４は、図では両方が示されているが、少なくともいずれか一方を設ければよい。

スポットヒーター１３を設けた場合は、スポットヒーター１３がスリット上の樹脂の硬化を促進し加圧硬化工程での樹脂の金型からの樹脂漏れを封止する。またエアーパッキンではこの封止を物理的により確実に行うことができる。

また、図１及び図２に示すように、注型品の上部形状に勾配を与える。即ち注型キャビティー５の上部に配置された第１スリット１０に向かう注型キャビティー５の上部側面形状に、水平面に対する１０°以上に規定するキャビティー勾配１５を与える。

このように注型品形状（注型キャビティー形状）に与えた勾配により注型樹脂中の気泡を収集しスリットからの脱泡硬化を高めることができる。

更に、注型キャビティー５の上部の第１スリット１０と第２スリット１２の間には、注型キャビティー５内の注型品樹脂容量に対して４〜８％に規定する容量を持つトラップ１１を構成する。

このような気泡を捉えるトラップの最適な構成により樹脂中のボイドを確実に除去することができる。

以上説明した脱泡機構の最適化によってボイド欠陥や収縮痕、ウェルドマーク（樹脂流れ痕）が無く部分放電特性の良い注型品が得られる。

（導体接続部への樹脂侵入を防止するシール機構）
次に、注型品における導体接続部への樹脂侵入を防止する構成について図１、図２、及び図３を参照し説明する。

図１及び図２に示されるように注型キャビティー５内にはＴ分岐母線を構成する金属製の導体１６が設置される。その拡大断面のモデルを図３に示す。

図３において、導体１６にはＴ分岐母線を構成する金属製の導体１６と外部ケーブルを接続する接点１７がある。接点１７と、内型１８ａ及び内型１８ｂとの接触界面へ樹脂部１９からの樹脂の侵入を防止するため、内型１８ａ及び内型１８ｂにパッキン２０、例えば空気を封入したリング状のエアーパッキンを配置する。

また、パッキン２０としては、リング状のエアーパッキンの代わりに耐熱性合成樹脂（例えば４フッ化エチレンを重合した合成樹脂）製リングパッキンを配置し、耐熱性合成樹脂（例えば４フッ化エチレンを重合した合成樹脂）の熱膨張と、金型の開閉装置のクランプ力によって樹脂侵入をシールする。

このようにして導体接続部即ち接点１７を、樹脂部１９から隔離するような形状を有する補助金型即ち内型１８ａ、１８ｂ（または導体支持用金型４１、内型１８ａ）と導体接続部即ち接点１７との接触界面の近傍に、パッキン２０を設けて樹脂部１９から導体接続部即ち接点１７への樹脂侵入を防ぐことにより、製品の接触不良を防止するとともに注型品の仕上げの際に発生するリーク樹脂（バリ）の除去作業を低減することができる。

高サイクル注型によって樹脂硬化プロセスが短縮されると、製品離型等のハンドリング作業が工数の多くを占めるようになるが、このようなシール機構の最適化によって、仕上げ工数の低減と製品不良を低減する効果がある。

（離型装置の構成）
次に、離型装置の構成について、図２乃至図５を参照して説明する。

まず、離型装置の第１の構成方法として、図３及び図４に示すように、導体１６を支持する内型１８（１８ａ、１８ｂ）と導体１６の座面に配置する座型２１とを同じストロークで、３〜６ｍｍピッチで押し出すノックピン２２を配置する。このノックピン２２を押し出すのに、離型レバーを挺子により操作し、または離型レバー上をハンマーの叩き出しによって操作する構成とする。例えば、図４に示すように、カム面を有する離型レバー２３を設け、ノックピン２２の一端が注型キャビティー５の内部の内型１８ａまたは座型２１に当接するとともに、ノックピン２２の他端が離型レバー２３のカム面に当接するように構成する。挺子により離型レバー２３を下方に移動させることによりノックピン２２を右方に押し出す。また、図５に示すように、離型レバー２３の上部に設けられた分銅４０を上方に引き上げた後落下させたときのハンマーアクションにより離型レバー２３を下方に移動させてノックピン２２を右方に押し出す。

次に、離型装置の第２の構成方法として、図２及び図３に示すように、導体１６を支持する内型１８（１８ａ、１８ｂ）と導体１６の座面に配置する座型２１とを同じストロークで、３〜６ｍｍピッチで押し出すノックピン２２を開閉装置の動作を利用して自動操作する構成をとる。即ち、図２のように高速注型装置は金型２を搭載した熱板１を油圧機能により開閉する原理を利用し、熱板１背面にストッパ２４を固定し、開放操作によって一端が注型キャビティー５の内部の内型１８ａまたは座型２１に当接したノックピン２２の他端がストッパ２４に当接して注型キャビティー５の注型品が注型キャビティー５から押し出される構成とした。

これら第１または第２の構成方法による離型装置によれば、柔らかい樹脂部分に応力をかけることなく短時間に離型を行うことができる。

従って、これらの離型装置を用いて離型を行うことにより、離型不良を防止し電気特性を改善することができる。

（金型位置調整のための構成）
次に、金型位置調整のための構成について、図２、図６、及び図８を参照して説明する。

金型の位置を調整するための第１の構成方法として、図２に示すように、左右の金型２の側面にノギス目盛のけがき線２５を加工し、左右の金型の上下位置関係を定量化する構成とする。

この構成により、注型装置への金型搭載時に調整が難しい左右型の位置調整を容易にして、交換作業を短縮することができる。

金型の位置を調整するための第２の構成方法として、図６に示すように、金型２の位置を規定するテーパガイド（テーパピン）２６を有する支持用治具２７を熱板３上に構成する。

この構成によっても、注型装置への金型搭載時に調整が難しい左右型の位置調整を容易にして、交換作業を短縮することができる。

従って、これらの構成により、金型調整工数が低減し生産性を向上させることができる。

（注型品の薄肉部分の構成）
次に、注型品（Ｔ分岐母線）の薄肉部分の構成について図７を参照して説明する。

図７に示すように、注型品２８のフランジ２９の上下方向の薄肉部分には凸形状３０を与え、フランジの外周の厚さＸを１５ｍｍ以上になるような形状に構成する。換言すれば、注型品２８の薄肉部分に凸形状を与えるように、注型キャビティー５を構成する。

注型品２８に配置した凸形状３０の補強効果により、高速硬化の際樹脂体積の大きい方に向かって発生する収縮力によって生じるフランジ２９の変形を防止することができる。従って、寸法精度の優れた注型品が得られる。

（金型へのインサート装着固定の構成、及び治具）
インサートを金型へ装着固定する構成について図７、及び図８を参照して説明する。

図７に示すように、注型品２８には、機器に固定するためのインサート３１が配置されている。このインサート３１を金型２に設置する際、マグネット式の座金３２を固定する構成とし、金型２への装着固定を行う。即ちインサート３１と座金３２をネジで固定した後、座金３２を金型２の底部に置き、マグネットの作用で金型２への装着固定を行う。樹脂の硬化収縮に伴い座金３２が金型２の底部から剥がれる。

また、このインサート３１を金型２に設置する際、図８に示すように、機械式のシリンダー３３により座金３２を固定する構成とし金型２への装着固定を行い、注型工程中の樹脂がゲル化した後にシリンダー３３を開放制御する。

このような構成とすれば、樹脂の硬化収縮にインサート３１が追従、微動することにより応力が低減され、樹脂との剥離を防止し、樹脂とインサート３１との接着性が向上するので、注型品の機械的・電気的特性が向上する。

更に、このインサート３１を金型２に設置する際、インサート３１の周囲を覆うインサート保護用の専用治具３４により金型への設置を行う。

このインサート保護用の専用治具３４の要部を拡大した詳細な構成を図９に示す。同図に示すように、インサート保護用の専用治具３４先端部は弾力性のある樹脂で構成し、インサート３１を挿入する凹部を有するものとする。この凹部によりインサート３１の座金３２に当接する部分以外の部分が覆われる。

このような専用治具３４を用いることにより、インサート３１の設置の際、金型２から離型剤がインサート３１に付着するのを防止することによって、樹脂とインサート３１界面での剥離が防止され、作業性も向上する。

以上のような構成により、樹脂とインサートの接着性が向上し機械特性と電気特性を満足する注型品が得られる。

（導体支持用金型の構成）
次に、注型品の導体を支持する導体支持用金型の構成について、図３を参照して説明する。

図３に示すように高サイクル注型では、導体支持用金型４１は金型座面からの継ぎ目のない一体構造によって構成する。

このように、一体構造の導体支持用金型４１の熱伝導により導体１６の予熱が促進されるため、導体１６周辺から樹脂硬化が起こり、導体１６と樹脂との接着性が向上し、剥離防止により部分放電特性が向上する。

（離型機構側の金型に残留させるための構成）
次に、注型品を離型機構側の金型に残留させるための構成について図３を参照して説明する。

金型開放の際に左右対称形の注型品が必ず離型機構のある一方の金型（図３における左側の金型）に残留するよう専用の内型１８ｂにより導体部分を強制固定する構成をとる。

この構成により、注型品は確実に離型機構側の金型に残留するため離型不良を防止することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、熱板に金型を搭載する高速注型法を展開した。しかしながら大量の製品を生産し高サイクル注型機を専用機として使用するには、熱板１の代わりに、金型２内にヒーターを配置した構成とすることができる。この場合、金型２の温度分布をより精密に設定することができ、特に樹脂注入のための分岐配管の断熱設計が容易になる利点がある。

また、上記実施形態では分岐配管（分岐主配管３及び垂直分岐配管７）の温度制御や、第２スリット１２の制御、シリンダー３３の制御について説明した。製品形状によってはこれらの制御をより精密に行う必要がある。この場合、金型２にセラミック製の誘電センサーを有する誘電計測装置を配置し、この誘電計測装置により硬化度をモニターし制御することとしてもよい。誘電計測装置には、例えば、米国マイクロメット社製誘電計測装置を用い、配管内部、泡抜き用のスリット部の樹脂硬化監視を行い制御のタイミングを調整すると、より高い精度で高サイクル注型を行うことができる。

更に、上記実施形態では、３個のＴ分岐母線を高サイクル注型する装置を実施したが、同一注型品の複数取りの他に異種部品、たとえばブッシング、碍子、操作ロッドなどを同時に高サイクル注型することも可能である。このときの配管設計、脱泡機能は上記実施形態の場合と同様なものとすることができる。

本発明の一実施形態に係る高サイクル注型金型の構成を示す正面図。 本発明の一実施形態に係る高サイクル注型金型の構成を示す側面図。 本発明の一実施形態に係る高サイクル注型金型の要部を拡大して示す断面図。 本発明の一実施形態に係る高サイクル注型金型の他の構成を示す側面図。 本発明の一実施形態に係る高サイクル注型金型の更に他の構成を示す側面図。 本発明の一実施形態に係る高サイクル注型金型の他の構成を示す正面図。 本発明の一実施形態における注型品の形状を示す正面図。 本発明の一実施形態に係る高サイクル注型金型の更に他の構成を示す側面図。 本発明の一実施形態における専用治具の要部を拡大して示す断面図。

符号の説明

１…熱板
２…金型
３…分岐主配管
４…注入口
５…注型キャビティー
６…矩形冷却溝
７…垂直分岐配管
８…管状冷却溝
９…冷却ノズル
１０…第１スリット
１１…トラップ
１２…第２スリット
１３…スポットヒーター
１４…エアーパッキン
１５…キャビティー勾配
１６…導体
１７…接点
１８ａ、１８ｂ…内型
１９…樹脂部
２０…パッキン
２１…導体座型
２２…ノックピン
２３…離型レバー
２４…ストッパ
２５…けがき線
２６…テーパガイド（テーパピン）
２７…金型支持用治具
２８…注型品
２９…フランジ
３０…凸形状
３１…インサート
３２…座金
３３…シリンダー
３４…インサート保護用の専用治具
４０…分銅
４１…導体支持用金型

Claims (1)

1. それぞれが背面の熱板に取り付けられ、開閉可能に構成された２つの型からなる金型に３個以上の注型キャビティーを設けるとともに、前記注型キャビティーにエポキシ注型樹脂を注入するための、前記金型の下部の注入口から分岐してそれぞれの注型キャビティーに至る分岐配管を前記金型内部に配置し、同時に３個以上の注型品を一括して注型できるようにした注型装置において、
   前記エポキシ注型樹脂のガラス転移温度よりも前記金型の温度を高く設定するとともに、
   前記分岐配管の樹脂硬化を遅延させるための放熱または冷却用の溝を前記金型背面に設け、
   かつ前記エポキシ注型樹脂を加圧することにより前記注型キャビティーに前記エポキシ注型樹脂を充填して加熱硬化させることを特徴とする注型装置。

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