JP5478318B2 - 高圧ガスの定量供給装置および定量供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧の炭酸ガスなどの高圧ガスを定量供給する装置およびその方法に関するものである。

合成樹脂の発泡成形方法として、炭酸ガスなどの気体からなる発泡剤を用い、これを樹脂発泡成形機の成形用金型に高圧で圧入し、金型内で樹脂を発泡させて、発泡合成樹脂成形品を製造する方法がある。
この樹脂発泡成形工程において、発泡剤は、樹脂発泡成形機に一定サイクルで間欠的に定量供給する必要があるが、炭酸ガス等の発泡剤は、高圧ガスであり状態変化が激しいため、樹脂発泡成形機への定量供給を安定且つ正確に行うことが困難であった。
特に、炭酸ガス等の発泡剤の供給は、バルブの開閉に伴い圧力変動が生じるため、発泡剤供給量を流量調整器によって一定に保持することが困難である。

樹脂発泡成形工程においては発泡剤の供給が短時間サイクルで間欠的に行われることが多いが、樹脂発泡成形機へのガス供給ラインの閉止から開放までの時間及び／又は開放から閉止までの時間が短いことから、発泡剤の流量調整弁の開閉に伴って圧力が激しく変動して、樹脂発泡成形機への発泡剤供給量及び発泡剤圧力を安定させることができない現象が生じる。
特に、発泡剤として超臨界流体である炭酸ガスを使用する場合には、圧力変動により膨張，液化、凝固が生じるため定量供給は難しいという問題があった。

このため、特開２０００−２１８６４７号公報では、図７に示すように発泡剤５１をガス状態で輸送，供給させず、液状態（液化ガス）で樹脂発泡成形機５２に供給させるように工夫されたものが提案されている。
この装置は、液化ガス（液化二酸化炭素）である発泡剤５１の充填タンク５３から樹脂発泡成形機５２に至る供給ライン５４に、冷却器５５（冷凍機５６により冷却された冷媒との熱交換により冷却するもの）及び定量ポンプ５７を配設して、発泡剤５１を冷却器５５により冷却保温させた液状態のまま定量ポンプ５７により樹脂発泡成形機５２に定量供給するように構成されている。

さらに、特開２００２−２０１１１０号公報においては、図８に示すように、ガス供給源６１から導かれたガス流路６２と、ガス流路６２の下流端から分岐された２つの流路であって、下流端が高圧ガス使用部６３に導かれたガス供給流路６４及び下流端がガス流路の上流側部分に接続されたガス循環流路６５と、ガス流路におけるガス循環流路６５の下流端接続部より下流側に配設されており、ガス供給流路６４とガス循環流路６５とを交互に開閉する流路切り替え手段６６と、ガス循環流路における流路切り替え手段６６の下流側に配設されており、差圧調整手段６７の下流側におけるガス圧を所定圧に保持する圧力調整手段６８とを具備して、ガス供給流路を開放させることにより流量及び圧力を一定に保持されたガスが高圧ガス使用部６３に供給されるように構成された高圧ガスの定量供給装置が開示されている。
図８に示す循環流路６５に流れるガスを背圧調整器６９により樹脂発泡成形機６３の圧力への供給圧力と同等に設定し、成形機で必要なタイミングに成形機と同一圧力で発泡剤の供給を行うことが開示されている。

また、特開２００６−２０７９２５号公報に開示のように、流量をモニターすることで流量調整弁の開度を制御することで流量調整を行うものもある。このものでは、瞬時の圧力変動では制御が追いつかず、急激な成形機側の圧力変動が生じた際に樹脂成型体へ供給される発泡剤の量が大きく変動してしまう問題があった。

このように、従来の定量供給装置によれば、押出成形機のように成形機側の緩やかな圧力変動においては精度の高い発泡剤の定量供給制御が可能であった。しかしながら、射出成形機のように短時間の間隔で金型に樹脂を注入する際に、精度良く発泡剤を注入する必要がある場合、成形機側の圧力変動に伴う瞬間的な発泡剤の注入量の変動が度々起こる問題があった。

特開２０００−２１８６４７号公報 特開２００２−２０１１１０号公報 特開２００６−２０７９２５号公報

本発明における課題は、例えば射出成形機などに短時間の間に金型に樹脂を注入する際などに、この金型に気体発泡剤などの高圧ガスを精度よく注入することができ、しかも成形機側の圧力変動に伴う気体発泡剤などの高圧ガスの注入量の変動を抑えることができるようにして、高圧ガス使用部への高圧ガスの安定な定量供給ができるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１に係る発明は、ガスを貯蔵する第１バッファータンクと、この第１バッファータンクより低圧に維持された第２バッファータンクと、前記第１バッファータンク、第２バッファータンクおよび高圧ガス使用部を順に接続するガス供給経路と、このガス供給経路の第２バッファータンクの下流側に設けられた流量調整弁と、前記ガス供給経路の第１バッファータンクと第２バッファータンクの間に設けた第１バルブと、第２バッファータンクと流量調整弁の間に設けた第３バルブと、第２バッファータンクと第３バルブの間のガス供給経路から分岐した分岐経路に設けた第２バルブと、制御部を備えてなり、
この制御部は、第２バッファータンクのガス圧力が低い待機状態では第１バルブを開、第２バルブと第３バルブを閉として第２バッファータンクのガスを所定の圧力まで加圧し、高圧ガス使用部にガスを供給するガス供給状態では、第１バルブと第２バルブを閉、第３バルブを開とするとともに、流量調整弁の下流側の圧力と第２バッファータンク内の圧力との差圧が低下することに基づいて流量調整弁の開度を制御するものであることを特徴とする高圧ガスの定量供給装置である。

請求項２に係る発明は、前記差圧の低下を予め予測しておき、この予測に基づいて流量調整弁の開度を制御するものであることを特徴とする請求項１記載の高圧ガスの定量供給装置である。
請求項３に係る発明は、ガスが炭酸ガスである場合において、一対の昇圧容器を用いて第１バッファータンクに炭酸ガスを連続的に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高圧ガスの定量供給装置である。
請求項４に係る発明は、ガスが炭酸ガスである場合において、サイフォンボンベに温水ジャケットを装着し、サイフォンボンベの加熱により第１バッファータンクに炭酸ガスを連続的に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高圧ガスの定量供給装置である。
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の定量供給装置を用いることを特徴とする高圧ガスの定量供給方法である。

本発明によれば、ガス供給状態では第２バッファータンク内の圧力が低下し、この圧力と流量調整弁下流側の圧力との差圧が小さくなって、ガス供給量が低下することが防止できる。このため、樹脂発泡成形等において短時間サイクルでガス供給を開始、停止させる必要のある場合においても、高精度でガスからなる発泡剤を定量供給できる。
また、第１ないし第２バルブに安価な開閉源を用いることができるので、高価な高圧ガス用圧力調整弁を用いなくとも、第２バッファータンクの圧力制御ができる。
さらに、請求項３または請求項４の発明によれば、ブースタポンプを用いなくとも、第１バッファータンクに高圧ガスを供給でき、設備費用、運転費用、メンテナンス費用を削減できる。

本発明の高圧ガスの定量供給装置の例を示す概略構成図である。 第１圧力計と第２圧力計の差圧の変化に伴う流量の変化と流量調整弁５の開度との関係を示すグラフである。 第１バッファータンクに高圧の炭酸ガスを供給するための装置の第１の形態を示す概略構成図である。 第１バッファータンクに高圧の炭酸ガスを供給するための装置の第２の形態を示す概略構成図である。 実施例の結果を示すグラフである。 比較例の結果を示すグラフである。 従来の定量供給装置の例を示す概略構成図である。 従来の定量供給装置の他の例を示す概略構成図である。

図１は、本発明の高圧ガスの定量供給装置の一例を示すもので、樹脂発泡成形機を高圧ガス使用部とし、これに発泡剤である高圧の炭酸ガスを定量供給する形態を示すものである。
図１において、符号１は第１バッファータンクを示す。この第１バッファータンク１には、図示しない高圧炭酸ガス供給源から高圧炭酸ガスが供給され、その内部に貯えられるようになっている。

この第１バッファータンク１の下流側には、第２バッファータンク２と、樹脂発泡成形機３が、ガス供給経路４で順に接続されている。
第１バッファータンク１は常に第２バッファータンクより高圧に維持されるようになっている。高圧炭酸ガス供給源がサイフォンボンベの場合、炭酸ガスはブースターポンプ等を利用して加圧され、第１バッファータンク１に供給される。
第２バッファータンク２は、１つのタンクで構成してもよいし、複数のタンクを直列及び／又は並列に接続して構成してもよい。

ガス供給経路４の第２バッファータンク２の下流側には、樹脂発泡成形機３へのガス供給量を調整する流量調整手段として、ニードル弁などの流量調整弁５が設けられている。
ガス供給経路４の第１バッファータンク１と第２バッファータンク２の間には第１バルブ６が設けられている。第２バッファータンク２よりも第１バッファータンク１の圧力を高く設定してあるので、第１バルブ６を開くと常に第１バッファータンク１から第２バッファータンク２へ炭酸ガスが供給されることになる。

第２バッファータンク２と流量調整弁５の間には第３バルブ７が設けられている。第２バッファータンク２と第３バルブ７の間のガス供給経路４から分岐経路８が分岐し、この分岐経路８に第２バルブ９が設けられている。
第２バッファータンク２内のガス圧力を測定する第１圧力計１０と、ガス供給経路４の流量調整弁５の下流側のガス圧力を測定する第２圧力計１１が設けられている。

制御部１２は、第１バルブ６、第２バルブ９、第３バルブ７の開閉を制御し、また第１、第２圧力計１０、１１の測定結果を所定の演算式にあてはめ、ガス供給量を一定量とするような流量調整弁５の開度を求め、流量調整弁５を制御するものである。
すなわち、図２に示すように、炭酸ガスの樹脂発泡成形機３への供給時間と共に樹脂発泡成形機３側の圧力（第２圧力計１１の圧力）と第２バッファータンク２側の圧力（第１圧力計１０の圧力）との差圧ΔＰが小さくなる傾向を予測し（フィードフォワード）、この差圧の縮小に伴って流量調整弁５の開度を開く予測制御を行う。

具体的には、樹脂発泡成形機３において必要とされるガス圧力が１５ＭＰａであり、設定差圧を３ＭＰａとしてガス供給を開始した場合、なんら対策を講じないと、時間が経過し樹脂発泡成形機３側に炭酸ガスが供給されるのに伴って差圧は徐々に低下し、ガス流量も低下していく。ガス流量の低下の度合が大きいと、ガス供給量の変動につながる。
そこで、上述のような制御を行う。これにより高圧ガス使用部である樹脂発泡成形機３に一定流量のガスを供給することが可能となる。流量調整弁５の開度は、段階的に大としても連続的に大としてもよい。

樹脂発泡成形機３への炭酸ガスの供給を開始する前は、樹脂発泡成形機３側の圧力（第２圧力計１１の圧力）と第２バッファータンク２側の圧力（第１圧力計１０の圧力）との差圧ΔＰが常に一定になるように制御、調整する。
第２バッファータンク２の圧力制御は、第１バルブ６、第２バルブ９の開閉操作によって行う（待機工程）。
具体的には、流量調整弁５の下流側におけるガス圧力（高圧ガス使用部である樹脂発泡成形機３において要求される圧力）が設定圧力となり、かつ、樹脂発泡成形機３において必要なガス流量（設定流量）を得るための第２バッファータンク２と流量調整弁５の下流側との差圧（設定差圧）が得られるように、第１バルブ６と第２バルブ９を開閉する。

樹脂発泡成形機３への炭酸ガスの供給を開始するときは第１バルブ６、第２バルブ９を閉止し、第３バルブ７を開とする。流量調整弁５は設定流量にあわせる際に、初期設定差圧で予め決めた開度にする。時間の経過とともに第２バッファータンク２内の炭酸ガスが樹脂発泡成形機３に流れるため、成形機側圧力（第２圧力計１１の圧力）と蓄圧器である第２バッファータンク側圧力（第１圧力計１０の圧力）との差圧ΔＰは図２に示すように徐々に下がっていくことを予測し、流量調整弁５の開度を開くことで差圧ΔＰが小さくなっても一定流量のガスが流れるように制御する。

万一、樹脂発泡成形機３側の圧力が不意に変化した場合は、これを第２圧力計１１にて検知し、その際にこの圧力が急激に下降した場合は第２バルブ９を開くことで樹脂発泡成形機３側の圧力（第２圧力計１１の圧力）と第２バッファータンク２側の圧力（第１圧力計１０の圧力）との差圧ΔＰが一定になるように調整して炭酸ガスの流量が一定になるように調整する。
また第２圧力計１１の圧力が急激に上昇した場合は第１バルブ６を開くことで第１バッファータンク１から炭酸ガスを第２バッファータンク２に供給し、樹脂発泡成形機３側圧力（第２圧力計１１の圧力）と第２バッファータンク２側圧力（第１圧力計１０の圧力）との差圧ΔＰが一定になるように調整することで、炭酸ガスの流量が一定になるように調整する。
流量調整弁５の急激な開閉を行わないため、圧力変動が生じても樹脂発泡成形機３に一定量の炭酸ガスの供給ができ、樹脂発泡成形機３で成型された合成樹脂発泡成形体に一定量の炭酸ガスの添加ができる。

図３は、第１バッファータンク１に高圧の炭酸ガスを供給するための装置の第１の形態を示すものである。
この装置は、熱交換可能なコイル１５を備えた２基の昇圧用容器１６、１６を用い、これら２基の昇圧用容器１６、１６を交互に使用する。ガスとして炭酸ガスを使用する場合はサイホンボンベ１７を用意し、サイフォンボンベ１７によって一方の昇圧用容器１６に液化炭酸を押し込み、弁１８、１９を閉じて液封状態する。

ついで、ヒータ２０によって昇圧用容器１６を４０℃程度まで昇温する。昇圧容器１６の圧力が所定の圧力に到達した後、弁１９を開き、第１バッファータンク１に炭酸ガスを流し始める。昇圧用容器１６と第１バッファータンク１が同じ圧力になった時点で昇圧用容器１６の前後の弁１８、１９を閉じ、昇圧用容器１６の熱交換可能なコイル１５に−２０℃程度の液化炭酸を流し昇圧用容器１６内の圧力を下げる。その後サイフォンボンベ１７から再度液化炭酸を流しこみ液封状態にした後、ヒータ２０により４０℃程度まで昇温し昇圧する。
２基の昇圧用容器１６、１６を用いて交互に切り替えて、連続的に高圧の炭酸ガスを第１バッファータンク１に供給することが可能となる。この装置では、例えば２０ＭＰａ程度の高圧が必要な場合に好適である。

図４は、第１バッファータンク１に高圧の炭酸ガスを供給するための装置の第２の形態を示すものである。この例では、サイフォンボンベ１７に温水ジャケット２１を設置し、温水循環装置２２から４０℃程度の温水を温水ジャケット２１を供給することにより、ブースターポンプを使わずに炭酸ガスを第１バッファータンク１に供給することが可能となる。このものでは、例えば７ＭＰａ程度の低圧が必要な場合に好適である。
図３または図４に示した装置構成とすれば、ブースターポンプを使わず第１バッファータンク１内を昇圧でき、設備費用、運転費用が削減でき、またブースターポンプの故障などに要する費用も削減できる。

この例の高圧炭酸ガスの定量供給装置では、制御部１２において、前記差圧（ΔＰ）を変化を予測しておき、これに基づいて流量調整弁５の開度を制御する予測制御のほかに、第１圧力計１０および第２圧力計１１での圧力を常時測定しておき、この測定圧力から差圧（ΔＰ）を算出し、この差圧に基づいて流量調整弁５の開度を制御することも可能である。

本発明の高圧ガスの定量供給方法は、上述の定量供給装置を用いて、樹脂発泡成形機などの高圧使用部に高圧炭酸ガスなどの高圧ガスを供給するもので、供給流量を一定に保って、高圧ガスを供給できる。

（実施例）
図１に示すガス定量供給装置を使って炭酸ガスの供給実験を行った。
第１バルブ６を開、第２バルブ９と第３バルブ７を閉とする待機工程、第１バルブ６と第２バルブ９を閉、第３バルブ７を開とする供給工程を、それぞれ２０秒毎に切り替えた。設定差圧は０．７ＭＰａ、供給圧力は５．５ＭＰａ、目標流量は２．０ｋｇ／ｈとした。流量調整弁５の開度は、初期開度を７５％とし、段階的に開度を上げていった。

具体的には、供給工程開始時点から４．８秒経過時まで開度７５％を維持、その後２．９秒経過時まで開度７５．２％、その後２．９秒経過時まで７５．４％、その後１．９秒経過時まで７５．６％、その後１．９秒経過時まで７５．８％、その後１．９秒経過時まで７６．０％、その後３．５秒経過（供給工程終了）時まで開度７６．２％とした。待機行程、供給工程を繰り返し、流量調整弁５の下流に設けた流量計にて炭酸ガスの供給流量を測定した。

結果を図５に示す。図５のグラフは１回の供給工程における流量調整弁５の開度（ライン１で示す）、第１圧力計１０の圧力（ライン２で示す）、第２圧力計１１の圧力（ライン３で示す）および炭酸ガスの供給流量(ライン４で示す）の時間的変動を示すものである。

一方、比較例として、供給工程における流量調整弁５の開度を固定して待機行程と供給工程を繰り返し、流量を測定した。なお、目標流量は１．８ｋｇ／ｈとしている。
結果を図６に示す。図６のグラフの各ラインは図５と同様であり、それらの時間的変動を示している。
図５、図６から明らかなように、比較例では供給工程における炭酸ガスの供給流量の最大値と最小値との差が約１０００ｇ／ｈだったのに対し、実施例では約５００ｇ／ｈまで縮小していた。

１・・第１バッファータンク、２・・第２バッファータンク、３・・樹脂発泡成形機、４・・供給経路、５・・流量調整弁、６・・第１バルブ、７・・第３バルブ、８・・分岐経路、９・・第２バルブ、１０・・第１圧力計、１１・・第２圧力計、１２・・制御部

Claims (5)

1. ガスを貯蔵する第１バッファータンクと、この第１バッファータンクより低圧に維持された第２バッファータンクと、前記第１バッファータンク、第２バッファータンクおよび高圧ガス使用部を順に接続するガス供給経路と、このガス供給経路の第２バッファータンクの下流側に設けた流量調整弁と、前記ガス供給経路の第１バッファータンクと第２バッファータンクの間に設けた第１バルブと、第２バッファータンクと流量調整弁の間に設けた第３バルブと、第２バッファータンクと第３バルブの間のガス供給経路から分岐した分岐経路に設けた第２バルブと、制御部を備えてなり、
   この制御部は、第２バッファータンクのガス圧力が低い待機状態では第１バルブを開、第２バルブと第３バルブを閉として第２バッファータンクのガスを所定の圧力まで加圧し、高圧ガス使用部にガスを供給するガス供給状態では、第１バルブと第２バルブを閉、第３バルブを開とするとともに、流量調整手段の下流側と第２バッファータンク内との差圧が低下することに基づいて流量調整弁の開度を制御するものであることを特徴とする高圧ガスの定量供給装置。
2. 前記差圧の低下を予め予測しておき、この予測に基づいて流量調整弁の開度を制御するものであることを特徴とする請求項１記載の高圧ガスの定量供給装置。
3. ガスが炭酸ガスである場合において、一対の昇圧容器を用いて第１バッファータンクに炭酸ガスを連続的に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高圧ガスの定量供給装置。
4. ガスが炭酸ガスである場合において、サイフォンボンベに温水ジャケットを装着し、サイフォンボンベの加熱により第１バッファータンクに炭酸ガスを連続的に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高圧ガスの定量供給装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の定量供給装置を用いることを特徴とする高圧ガスの定量供給方法。

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