JP4600721B2 - 粉体や粒体の加熱・供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、工業用材料の粉体や粒体の加熱・供給装置に関する。

粉体や粒体の加熱・供給装置において、加熱は、各種の熱交換器を用いて間接的に熱媒と接触させ行うか、直接熱ガスや熱空気と接触させて行っている。
例えば、熱交換器を用いる方法は、実公昭５９−３５３１８号公報に記載されているように、槽内に加熱媒体を通過させる配管を設置した加熱・供給装置を用いて行われ、直接熱ガスや熱空気と接触させる方法では、実公昭５４−３５１２７号公報や特開昭５５−１０９５４１号公報に記載されているように、吹き上げる温風により粉体を流動化させつつ加熱する方法が示され、特開昭５９−１９１５４０号公報には、温風を下方に吹き出して加熱させる装置が示されている。

実公昭５９−３５３１８号公報 実公昭５４−３５１２７号公報 特開昭５５−１０９５４１号公報 特開昭５９−１９１５４０号公報

しかし、熱交換器を用いて間接的に熱媒と接触させて行う方法では、粉体や粒体の温度ムラ、過昇温防止や伝熱効率を高めるために、粉対や粒体を流動化させる必要があるので、装置が複雑になるという課題があり、直接熱ガスや熱空気と接触させる方法では、ガスや空気の熱容量が小さく、また気体と固体間の熱移動のため熱交換効率が低いので、どうしても装置容量が大きくなり、量産設備では設置スペースに制約が生じたり、エネルギーの無駄遣いになるという課題があった。

本発明の目的は、粉体や粒体を加熱し、あるいは、その加熱温度を精密に制御できる加熱・供給装置であって、コンパクトな加熱・供給装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、絶縁性外筒１と、その絶縁性外筒１の一部を被う電磁誘導コイル２と、その電磁誘導コイル２に供給する電力を制御する高周波電源３と、前記絶縁性外筒１の内側で回転し、粉体や粒体を前記絶縁性外筒１の軸方向に運搬するスクリューコンベア４であって、スクリューコンベア４の軸内に冷媒用流路４１が設けられ、前記電磁誘導コイル２によって誘導される電磁界によって発熱する磁性体からなるスクリューコンベア４と、からなることを特徴とする粉体や粒体の加熱・供給装置である。
請求項２に記載の発明は、前記スクリューコンベア４の軸が鉄であり、羽根がステンレスであることを特徴とする請求項１に記載の粉体や粒体の加熱・供給装置である。
請求項３に記載の発明は、前記絶縁性外筒１の一部に設けられた、粉体や粒体の投入口１１に粉体や粒体の重量を測定するロードセル１２または加熱供給装置の主要部の重量を測定するロードセル１２を備え、そのロードセル１２からの信号が、常に一定になるように前期スクリューコンベア４の回転数を制御するスクリューコンベア回転数制御手段５１を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粉体や粒体の加熱・供給装置である。
請求項４に記載の発明は、前記スクリューコンベア４の表面温度をスクリューコンベア温度検出手段４４により測定し、その温度を一定にするように前記高周波電源３の出力を調節・制御するスクリューコンベア温度制御手段５２を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の粉体や粒体の加熱・供給装置である。
請求項５に記載の発明は、前記冷媒用流路４１に、冷媒を流し、前記スクリューコンベア４の表面温度を一定にするようにその供給量を制御するスクリューコンベア冷却制御手段５３を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の粉体や粒体の加熱・供給装置である。
請求項６に記載の発明は、前記絶縁性外筒１の一部に設けられた、粉体や粒体の取り出し口１３に設けた粉体や粒体の温度検出手段４５で、取り出された粉体や粒体の温度を測定し、その温度を一定にするように前記高周波電源３の出力を調節・制御するスクリューコンベア温度制御手段５２を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の粉体や粒体の加熱・供給装置である。

本発明によって、コンパクトで、生産効率の高い、粉体や粒体の加熱・供給装置を得ることができた。

本発明に用いる絶縁性外筒１は、絶縁性のものであれば、特に制限はない。例えば、プラスチック、繊維強化プラスチック、木材、ガラス、セラミック等であっても良い。耐熱性や耐磨耗性などの特性にバランスの良いポリプロピレン製パイプ材が好ましい。その大きさは搬送量や必要熱交換容量などによって決められる。この絶縁性外筒１の耐磨耗性等を向上させるために、絶縁性外筒１の内側に耐磨耗性のより良い絶縁材、例えば超高分子量ポリエチレンを張り付けることができる。

絶縁性外筒１の一部を被う電磁誘導コイル２は、均等に巻きつけるのが原則であるが、加熱体の温度分布を制御するために、コイル間のピッチを変えて巻きつけることもできる。

電磁誘導コイル２に供給する電力を制御する高周波電源３は、トランジスタやＦＥＴを用いた電力増幅部３１と、高周波信号の発振回路３２からなる。そして、電力増幅部３１と高周波信号の発振回路３２の間には、信号の大きさすなわち、電力増幅部３１の出力電力を調節するボリューム手段３３を設ける。この高周波電源３は、電磁誘導コイル２に供給する電力を制御することで、次に説明するスクリューコンベア４に発生する熱を制御することができる。

スクリューコンベア４の材質は、発熱効率から考えると、磁性体の鉄材が好ましい。電磁誘導加熱の特性上、電磁誘導コイル２に近い物は発熱しやすく、遠いものは発熱が少ないという性質がある。発熱体であるスクリューコンベア４の温度分布を均一にするためには、スクリューコンベア４の軸を鉄にし、羽根を磁性のないステンレスにすることが好ましい。スクリューコンベア４の羽根は均等に配列しても良いが、搬送物である粉粒体にストレスを与えないために、粉体や粒体の投入部は狭く、粉粒体の搬出部は広く配列することができる。スクリューコンベア４の軸と羽根の表面積はそのまま粉体や粒体との伝熱面積になる。伝熱面積を大きくし伝熱能力を上げるためには、羽根のピッチをできるだけ狭くすることが望ましいが、粉対や粒体の搬送効率なども考慮して最適な寸法を決めるとよい。

本発明の加熱・供給装置は、また、スクリューコンベア４の軸内に、冷媒用流路４１を設けることができ、この冷媒用流路４１は、その中を冷却媒体、例えば水を通すことによって、粉体や粒体を冷却することができ、電磁誘導コイル２によって発生した熱を制御するのに用いることができ、この制御には、冷媒供給ポンプを前記の冷媒用流路に接続し、その冷媒供給ポンプの回転数を制御することにより、冷却量を制御する。その制御は、例えば、スクリューコンベア４の表面温度をサーミスタなどのスクリューコンベア温度検出手段４４で検出し、取り出し口１３から出てくる粉体や粒体の温度が一定になるようにするために、スクリューコンベア４の表面温度を一定にするように、冷媒の供給量を制御する。実際には、上記、電磁誘導コイル２によって発生した熱を制御するときに、温度を高めることは電磁誘導コイル２に供給される高周波電力を増加するだけですむが、加熱を弱め、温度を下げるには電磁誘導コイル２に供給される高周波電力を減少させるだけでは、制御速度が遅く、下がるまでに大量の粉体や粒体を消費してしまい、無駄になることが多く、この冷媒を用いて温度を下げるのが効率的である。

また、加熱制御のための検出温度としては、上記のスクリューコンベア４の表面温度だけでなく、前記絶縁性外筒１の一部に設けられた、粉体や粒体の取り出し口１３に設けた粉体や粒体の温度検出手段４５で、取り出された粉体や粒体の温度を測定することによっても行うことができる。

本発明の加熱・供給装置は、また、絶縁性外筒１の一部に設けられた、粉体や粒体の投入口１１に、粉体や粒体の重量を測定するロードセル１２、または加熱供給装置の主要部の重量を測定するロードセル（１２）を備え、そのロードセル１２からの信号が一定になるように粉体や粒体の供給速度を演算し、その供給速度を一定に保つようにスクリューコンベア４の回転数を制御する手段を設けることもできる。

このロードセル１２は、圧電素子などを用い、その圧電素子に加わる歪の大きさを重量として測定するものであり、本発明の絶縁性外筒１の一部に設けた投入口１１を通過する粉体や粒体の重量を測定できるのであるが、実際の投入口では、粉体や粒体は流れているので、ロードセルの出力としては、投入口１１に加わる重量の変化として、信号を取り出すことができ、その信号の平均値が一定になるように積分回路を用いるか、あるいは、一旦、信号をデジタル値に変換して、プログラムで平均値を求めるようにすることで、時間あたりの供給量を演算することができる。
また、加熱供給装置の主要部の重量を測定するロードセル（１２）で粉体や粒体の重量を測定し、重量の変化として、信号を取り出すことができ、その信号の平均値が一定になるように積分回路を用いるか、あるいは、一旦、信号をデジタル値に変換して、プログラムで平均値を求めるようにすることで、時間あたりの供給量を演算することができる。加熱供給装置の主要部は、絶縁性外筒１、スクリュウーコンベア４、投入口１１、スクリューコンベア駆動モータ４３、電磁誘導コイル２及びその付帯物、例えば、スクリューコンベア温度検出手段４４、粉体や粒体の温度検出手段４５、冷媒用流路の冷媒等である。粉体や粒体の重量を測定するため加熱供給装置の全体の重量を１つ、又は複数のロードセル（１２）で測定し、そこからの信号が、常に一定、すなわち重量変化がある範囲内にあるように、スクリューコンベア（４）の回転数を制御するものである。

その信号は、おおまかには、スクリューコンベア４の運搬能力を測定しておき、後は予め実験で、必要な供給量と、スクリューコンベア４の回転速度と供給量の関係を求めておけば、供給量の変化に対して、スクリューコンベア４の回転数をどのように制御するかを決めることができ、必要な供給量を一定に保つことができる。

本発明のスクリューコンベア４の表面温度を測定するスクリューコンベア温度検出手段４４には、熱電対やサーミスターなどを用いることができるが、絶縁性外筒１の内部にあるスクリューコンベア４に直接接触させるのは困難であるため、絶縁性外筒１の外に出ているスクリューコンベア４の端部に接触させ、できれば、実験で内部の温度とその端部の温度との相関を取り、内部のスクリューコンベア４の温度が推測できるようにしておくことが好ましい。

その信号を、積分回路で平均化したアナログ信号や、アナログ/デジタル変換回路で処理したデジタル信号をプログラムによって平均化したデジタル信号とし、表面温度を上げたい場合には、前記の高周波電源３のボリューム手段３３を用い可変し、高周波電源３の出力電力を大きくし、下げたい場合には、出力電力を小さくする。このときに、温度を下げたいときに、すぐに下げたいことがあれば、前記したように、スクリューコンベア４の軸内に冷媒用流路４１を設け、冷却すれば、温度制御応答時間は短くできる。温度を下げる制御は、上記のように、冷媒供給ポンプ回転数を制御するか、冷媒用流路４１に冷媒を圧力をかけて流しておき、電磁弁４６を設けてその開度や開閉の頻度を制御して冷却すればよい。

本発明の加熱・供給装置は、また、絶縁性外筒１の一部に設けられた、粉体や粒体の取り出し口１３に、粉体や粒体の温度を測定し、スクリューコンベア４の温度を調節・制御する手段を設けることもできる。この温度を測定する方法は、スクリューコンベア４の表面温度を測定する方法と同様の方法で行うことができ、スクリューコンベア４の温度を調節・制御する手段も、前記と同様の方法を用いることができる。

また、前記した、電磁誘導コイル２に供給する電力を制御する高周波電源３、ロードセル１２からの信号により粉体や粒体の供給速度を演算し、その供給速度を一定に保つようにスクリューコンベア４の回転数を制御するスクリューコンベア回転数制御手段５１、スクリューコンベア４の表面温度を測定し、その温度を調節・制御する手段、粉体や粒体の温度を測定し、スクリューコンベア４の温度を調節・制御する手段については、それぞれ、アナログ方式でもデジタル方式でも独立した回路を用いることもできるが、それぞれの信号をデジタル化した上で、マイクロコンピュータを用いて制御すると、同じプログラムを用いて、粉体や粒体の種類を変えてもその種類によって、加熱温度、冷却温度、温度制御速度、供給量を変えるようにできるため、大変効率的である。

本発明の加熱・供給装置により処理される粉体や粒体は、使用目的により異なるが、一般的に２０〜１００℃、好ましくは２０〜７０℃の温度を有し、例えばレジンコーテッドサンドでは、本発明品にて適当な温度に予熱することにより冬季においても造型時間や造型不良等の不具合による鋳型の生産性の低下を解決することができる。

本実施例では、粉体として、コーテッドサンドを用いた。

加熱・供給装置としては、図１に示すように、絶縁性外筒１として、ポリプロピレンのパイプを用い、その大きさは、コーテッドサンドの粉体を２．０Ｋｇ／分の速度で、温度４０〜６０℃の範囲で搬送するために直径１２５ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、筒の厚さ８ｍｍとした。絶縁性外筒１の一部を被う電磁誘導コイル２は、絶縁性外筒１の真ん中の部分の長さ７００ｍｍにわたって、均等に巻きつけた。コイルは、１０ｍｍ^２のリッツ線を用いた。電磁誘導コイル２に供給する電力を制御する高周波電源３は、トランジスタを用いた出力３０００Ｗの電力増幅部３１と、２０〜５０ＫＨｚの高周波信号の発振回路３２からなるものを用い、電力増幅部３１と高周波信号の発振回路３２の間には、信号の大きさすなわち、電力増幅部３１の出力電力を調節するボリューム手段３３として、ＦＥＴを用いた電子アッテネータを設けた。この高周波電源は、電子アッテネータに入力する電圧を０〜１０Ｖにすることで、その出力を０〜３０００Ｗに可変できる。スクリューコンベア４の材質は、発熱効率から、ＳＧＰパイプを用いた。そして、羽根を磁性のないステンレスＳＵＳ３０４にした。スクリューコンベア４の羽根は、１回転あたり、６ｇの粉体を運搬できるものとし、また、スクリューコンベア４の軸内に、冷媒用流路４１を設け、その中に冷水を通すようにした。また、絶縁性外筒１、スクリュウーコンベア４、投入口１１、スクリューコンベア駆動モータ４３、電磁誘導コイル２及びその付帯物であるスクリューコンベア温度検出手段４４、粉体や粒体の温度検出手段４５、冷媒用流路の冷媒を含む加熱・供給装置主要部を支持する支持体に、粉体や粒体の重量を測定するロードセル１２を設け、そのロードセル１２からの信号を供給量アナログーデジタル変換回路５８で処理して、プログラム６０によって、１分間あたりの平均供給量を算出するようにした。そして、その結果と、予め実験して決めた設定値との差を演算し、その結果から、６ｇの増・減ごとに１回転、回転数を減・増できるデジタル式回転数制御回路５４でスクリューコンベア駆動モータ４３を制御した。

また、スクリューコンベア４の表面温度を測定するために、Ｋ型熱電対を用い、その信号を、温度アナログーデジタル変換回路５７で処理して、プログラムによって、１分間あたりの平均温度変化量を演算し、その結果と、予め実験により決めた設定値との差を演算し、その結果から、表面温度を制御するために、前記の高周波電源３のボリューム手段３３の入力電圧を制御するために、出力制御デジタルーアナログ変換回路５５を用い、高周波電源３の出力電力を可変することとした。また、このときに、温度が設定値より２０℃以上高いときは、すぐに下げないと、粉体が融着してしまうので、スクリューコンベア４の軸内に設けた冷媒用流路４１に電磁弁４６を設けてその開度を電磁弁制御デジタルアナログ変換回路５６で制御して、冷水の流量を制御し、スクリューコンベア４の表面温度が目的の温度になるように制御するプログラムを用いた。

これらのアナログーデジタル変換回路やプログラムは、Ｈ８−３０６９Ｆ(株式会社日立製作所製、商品名)というマイクロプロセッサを用いたマイクロコンピュータシステムを用いた。

また、粉体や粒体の取り出し口１３にも、粉体や粒体の温度を測定するサーミスタを設け、スクリューコンベア４の温度を調節・制御することとした。

このようにして、粉体コーテッドサンドを、流量１．５〜３．０Ｋｇ／分、温度４０〜６０℃、という加熱・供給装置を作製することができ、また、装置の大きさも、３００ｍｍ×４００ｍｍ×１２５０ｍｍという大きさで、コンパクトな仕上がりとすることができた。

このようなコンパクトな装置であって、しかも、粉体を用いた造型の不良率は、５％以下と低く、生産効率を上げることもできた。

本発明の一実施例を示す装置の概略断面図である。

符号の説明

１．絶縁性外筒
２．電磁誘導コイル
３．高周波電源
４．スクリューコンベア
１１．投入口
１２．ロードセル
１３．取出口
３１．電力増幅部
３２．高周波信号の発振回路
３３．ボリューム手段
４１．冷媒用流路
４２．冷媒
４３．スクリューコンベア駆動モータ
４４．スクリューコンベア温度検出手段
４５．粉体や粒体の温度検出手段
４６．電磁弁
５１．スクリューコンベア回転数制御手段
５２．スクリューコンベア温度制御手段
５３．スクリューコンベア冷却制御手段
５４．デジタル式回転数制御回路
５５．出力制御デジタルーアナログ変換回路
５６．電磁弁制御デジタルアナログ変換回路
５７．温度アナログーデジタル変換回路
５８．供給量アナログーデジタル変換回路
６０．プログラム

Claims (6)

1. 絶縁性外筒（１）と、その絶縁性外筒（１）の一部を被う電磁誘導コイル（２）と、その電磁誘導コイル（２）に供給する電力を制御する高周波電源（３）と、前記絶縁性外筒（１）の内側で回転し、粉体や粒体を前記絶縁性外筒（１）の軸方向に運搬するスクリューコンベア（４）であって、スクリューコンベア（４）の軸内に冷媒用流路（４１）が設けられ、前記電磁誘導コイル（２）によって誘導される電磁界によって発熱する磁性体からなるスクリューコンベア（４）と、からなることを特徴とする粉体や粒体の加熱・供給装置。
2. 前記スクリューコンベア（４）の軸が鉄であり、羽根がステンレスであることを特徴とする請求項１に記載の粉体や粒体の加熱・供給装置。
3. 前記絶縁性外筒（１）の一部に設けられた、粉体や粒体の投入口（１１）に粉体や粒体の重量を測定するロードセル（１２）または加熱供給装置の主要部の重量を測定するロードセル（１２）を備え、そのロードセル（１２）からの信号が、常に一定になるように前期スクリューコンベア（４）の回転数を制御するスクリューコンベア回転数制御手段（５１）を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粉体や粒体の加熱・供給装置。
4. 前記スクリューコンベア（４）の表面温度をスクリューコンベア温度検出手段（４４）により測定し、その温度を一定にするように前記高周波電源（３）の出力を調節・制御するスクリューコンベア温度制御手段（５２）を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の粉体や粒体の加熱・供給装置。
5. 前記冷媒用流路（４１）に、冷媒を流し、前記スクリューコンベア（４）の表面温度を一定にするようにその供給量を制御するスクリューコンベア冷却制御手段（５３）を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の粉体や粒体の加熱・供給装置。
6. 前記絶縁性外筒（１）の一部に設けられた、粉体や粒体の取り出し口（１３）に設けた粉体や粒体の温度検出手段（４５）で、取り出された粉体や粒体の温度を測定し、その温度を一定にするように前記高周波電源（３）の出力を調節・制御するスクリューコンベア温度制御手段（５２）を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の粉体や粒体の加熱・供給装置。
   

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