JP6088474B2 - 冷却器、多層フィルム成形用金型及び多層フィルムの製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、構造が簡単で、温度制御性、迅速な温度制御性に優れた温調用の冷却器および、その冷却器を用いた金型、とりわけ多層フィルム(シートを含む)成形に用いる金型及び多層フィルム(シートを含む)の製造方法が要望されていた。
本発明における冷却器とは熱交換による冷却をおこなうための熱交換媒体である冷媒により冷却器を冷却し、冷却された冷却器の表面が被冷却物に接することにより冷却し、あるいは冷媒が冷却器と被冷却物の内面との間隙を流れることで被冷却物を直接冷却するものである。
本発明における冷媒(以下「冷却媒体」ともいう)とは、熱交換による冷却に用いる媒体であれば特に限定されない。気体であっても液体であっても超臨界流体であってもよい。水や油等の液体であれば抜熱に優れる。油としてはシリコーン油や高沸点の、ビフェニルとジフェニルエーテルとの混合物であるダウサムA(Dowtherm A)(登録商標)等が上げられる。気体であれば流路抵抗が小さく高速で送ることができる。中でも空気は、漏洩時の汚染がなく毒性や爆発等の危険性がないため好ましい。抜熱効率を上げるために空気にスプレー等による微水滴、ドライアイス粉等を含んでいるものであってもよい。低温冷却用の場合には冷媒は液体窒素、ドライアイスとメタノールの混合物、ブライン等であってもよい。
冷媒供給ラインは、区分毎に冷却能が調整されうればよいため、最後の流量調整弁や圧力調整弁以前は共通のものが用いられていてもよい。
また排出管の先は、先の冷媒供給ラインと接続され、温まった冷媒が再度冷やされて用いられる閉じたループになっていることが好ましいが、冷媒が空気の場合は大気中に放出してもよい。
棒状体の包絡面の軸方向に垂直な断面形状は円形、楕円形、多角形等いずれでもよいが、円形が製造が容易で、金型に設けられた孔への挿入、抜き取りが容易なため好ましい。
棒状体の径は一定であることが好ましいが、挿通される孔の形状によっては先細りになるようテーパがついていてもよい。
棒状体のアスペクト比は限られない。金型等の孔に本体を挿通して用いられるためにはアスペクト比が大きいほど孔径が小さく深部まで冷却でき好ましく、断面積が小さいと強度が弱くなり、冷媒の通路の構築が難しいため、2〜50が好ましく、5〜40がより好ましい。
棒状体は軸方向に軸方向を区切るように区分が設けられ、棒状体の端部から区分毎に冷媒が供給、排出されることにより、区分毎の冷却能を制御できるようになっている。区分毎に冷媒を供給、排出するためには冷媒供給、排出路は、中実で内部に冷媒の通路となる孔が通っていて区分内で開口していてもよく、供給管、排出管が通され区分毎に冷媒の供給口と排気口が開口していてもよい。
PMX−573はガラス繊維を強化剤とする高強度タイプ品(〜250℃)であり、PMX−561はホウ酸塩系を結合剤とする耐熱用途向けである。(〜700℃)、PGX−595(HGタイプ)は耐熱性(〜400℃)・機械的強度・寸法安定性等に優れる。したがって、冷却器の使用される温度により使い分けるのが好ましい。
熱絶縁材料帯の軸方向の長さ、即ち、幅は、限定されないが、通常、本来熱伝導により冷却するための、熱伝導部の軸方向の長さ、即ち、幅と同じ又は小さい方が好ましい。
熱絶縁材料としては常温における熱伝導率が10W/(m・K))よりも小さい材料であれば限られない。塗料型のものとしては、ガンマーケミカル株式会社の断熱塗料HSD−20WH、HSD−250H、トラスコ中山株式会社製αステンレスコートスプレー、メーカー品番「ALP−SUS」が例示される。特にHSD−250Hはシリコーン樹脂塗料であって、250℃(MAX300℃)の耐熱性と優れた密着性を有するため好ましい。
一方の端部に冷媒の供給路及び排出路が共に形成されていると、冷却器を金型等に挿通して用いる場合に冷媒の供給、排出のためのアダプタが棒状体の径よりも大きくても許容されるため好ましい。尚、両方の端部を用いる場合には片端を冷媒供給路、他端を排出路に分ければ構造が簡単になり製造も容易となる。冷媒が空気等であって、金型近傍で大気に排出する場合等には好ましい。
冷媒の供給路及び排出路を通過する冷媒の流量や温度は筒体の端部よりも外に位置する流量弁や冷媒の温調器等にて行うことが、スペース制約上も好ましい。
区分毎の冷媒の混合、漏洩を防ぐためにはリブの外側面にオーリングのようなガスケットが付設されていることが好ましい。更に冷媒の漏出を防ぐため、特に金型等に開けられた孔の冷却器の投入口や、孔が貫通孔の場合にはその先の孔から冷媒が漏れないようにシールすることが好ましい。
このような棒状体の外側面が螺子状に形成されている冷却器の場合は、金型等内の孔の内側面と棒状体の外側面の螺子山とが接し、螺子状の間隙部となる谷部等を冷媒が螺旋状に回転しながら流れ冷却するので冷却効率が高い。
カートリッジヒーターと、本冷却器の、各樹脂流路の流れ方向における配置はいずれが樹脂流の上流側であってもよいが、下流側は合流部の直前の為、より効果を発揮する為に樹脂流路の上流側に冷却器を配置する方が好ましい。
冷却器1は、本体が断面形状が円で両端面を有するステンレス製の内部が空洞筒状の棒状体であって、その軸に垂直な隔壁26、27により軸方向に11、12、13の三つの区分に分けられている。
一方の端面29から、冷媒供給管14、15、16、冷媒排出管17、18、19が必要な隔壁を貫通して挿通されており、各冷媒供給管、各冷媒排出管の先端付近には開口20、21、22、23、24、25が設けられており、各々の区分毎内にて冷媒が供給及び排出されるようになっている。冷媒供給管から噴き出す冷媒には空洞壁面に沿って旋回するように供給管の先端形状が傾斜したものであることが好ましい。
冷媒供給ラインは、区分毎に冷却能が調整されうればよいため、最後の流量調整弁や圧力調整弁以前は共通のもが用いられていてもよい。
また冷媒排出管17、18、19は延長されて冷媒の外部接続用排出管34、35、36、となり、更にそれぞれ異なる冷媒排出ライン(図示せず)に接続されている。冷媒は循環使用されるために先の冷媒供給ラインと接続され、温まった冷媒が再度冷やされて用いられる閉じたループを形成している。
ただ冷媒が空気や水のような安全なものの場合は、排出部で直接大気中に放出する等、安全なところで開放されるようになっていてもよい。
それぞれの、隔壁を構成する部分には冷媒の供給管、排出管が密接に接して貫通する孔が開けられている。
図2(e)は冷媒の供給管、排出管が貫通する孔が開けられている先端部、中央部、根元部をそれぞれ接続固着するパーツである。
図2(f)は供給管と排出管であり、それぞれの冷却器内に挿通される先端近辺には冷媒の供給口、あるいは排出口が開口されており、図2(e)の接続パーツを介して、供給口又は排出口が必要な位置まで挿通される。
又各冷媒供給管は、個別に、冷却能が調整された冷媒が供給されるようそれぞれの冷媒供給ラインに接続されている。
又各冷媒排出管は、個別に、それぞれの冷媒供給ラインに接続されている。
本実施例2の冷却器は断面が円の直な棒材にてなる中実な棒状体50の外側面に螺子状に溝51が形成されており、棒状体の内部に冷媒を供給する冷媒供給路70及び冷媒を排出する冷媒排出路71が棒状体50に付設されたアダプタ53をも貫通して穿孔されて形成されている。冷媒供給路70は当該区分の螺子の谷部にてなる溝部に開口72するように連通して穿孔されている。同様に、冷媒排出路71は当該区分の螺子の谷部にてなる溝部51に開口73するように連通して穿孔されている。
アダプタ側面には冷媒供給路70と連通し、開口54する孔が穿孔されており、開口54内には冷媒供給ラインから冷媒の供給を受けるために供給管と接続用の螺子が切られている。
同様にアダプタの反対側の側面には冷媒排出路71と連通し、開口57する孔が穿孔されており、開口57内には冷媒排出ラインに冷媒を排出するための排出管との接続用の螺子が切られている。アダプタの正面の開口64、および開口67は、主に穿孔による冷媒供給路、冷媒排出路を製造するための孔であるため、製造時の穿孔後は冷媒が漏れない様密封封止されている。
本例では図示を簡略にするため区分の数を3にしている。丸棒81の片端にアダプタ83が密着固定接続されている。
アダプタ内で冷却器の外部にある冷媒供給ライン(図示せず)からの外部冷媒供給管87、87、87が接続されている。同様にアダプタ内で冷却器の外部にある冷媒排出ライン(図示せず)からの外部冷媒排出管88、88、88が接続されている。
冷媒は各区分毎に冷却能が冷媒供給ライン(図示せず)により、個別に制御されて供給される。
実施例3の冷却器は、リブの外側面より僅かに大きい径の金型等に設けられた孔に挿通して用いられ、冷媒は区分毎にリブで仕切られた金型等の孔の内側面と棒状体の外側面間を流動し、区分毎に、金型から効率的に抜熱し、金型の各区分に接する部分の温度を調節することができる。
したがって各冷却媒体は独立してアダプタに供給された後、中実丸棒状体111中の冷媒供給路を通り、各冷却区分内で中実棒状体111の外側面と外筒125の内側面との間隙を流れ、中実丸棒状体中の冷媒排出路を通り、排出部で大気中に排出される。
試験金型130は、外径φ65mm長さ300mmの円柱状体131でSCM440鋼製にてなり、円柱の中心軸を中心とする約φ12mmの内径の冷却器挿通用貫通孔138を有する。試験金型には金型の温調用及び金型の冷却器近傍の温度測定のための孔132、133、134が、円柱の一の端面から50mm、150mm、250mmの位置の3か所に、円柱の中心軸に対し垂直に一列状に設けられている。図9に示す様にその金型の外側面に接して、半円筒薄板状で長さが100mmのバンドヒーター139が合わさり金型を覆い、長さ方向に3組並んで取り付けられている。上記温調用の孔にあたるヒーターにも相当の位置に貫通孔が設けられている。上記孔に金型の温調用の温調用熱電対が熱電対ホルダ140にとりつけられており、すなわち温調点数は3点である。一方近傍に設けられた深部測温用孔135、136、137には測温(データ取)用熱電対が挿通されている。
それぞれのバンドヒーターは独立に温度制御できるようにされている。各ゾーンのヒーターの定格はそれぞれ220V×500Wである。
図10は中実丸棒状体111の中心軸と第1冷却区分115への冷媒供給路119と、第1冷却区分115からの冷媒排出路120を含む断面図である。試験金型130の第1ゾーンに実施例4の冷却器110の第1冷却区分115が収納され、第2ゾーンに第2冷却区分116が収納され、第3ゾーンに第3冷却区分117が収納されている。
温調用熱電対は金型表面近くに設置し、データ採取用熱電対は内部冷却管表面近くまで挿入されている。
図12に示す2流体ノズルは株式会社いけうち製SETJetシリーズ「SETO2220S303+TS303」を組み込んだ噴霧ユニットである。同噴霧ユニットから冷却器のアダプタに冷媒を供給した。噴霧ユニットの仕様はエア圧0.3MPaにおいて最大空気消費量290L/min、噴霧量は液圧0MPaのとき26L/hr、液圧0.05MPaのとき111L/hrである。
第2冷却区分にのみ空気を5L/min送った。第2ゾーンの温度が約40秒で4.0℃下がり、約90秒後に温度が冷却開始以前の状態に戻った。この間第2ゾーンのヒーターの操作量は空気送気前の10%から急激に100%近くまで上がりその後急激に0%まで下がった。なお、第1ゾーン、第3ゾーンも2.5℃下がったが、ヒーターの操作量は30〜40%上昇後10数%に下降した。本発明の冷却器が急速な部分的金型の冷却に効果を有することが示された。
第2冷却区分にのみ空気を10L/min送った以外は冷却実験1と同様に行った。第2ゾーンの温度低下は1.9℃であった。
第2冷却区分にのみ空気を20L/min送った以外は冷却実験1と同様に行った。第2ゾーンの温度低下は4.2℃であった。
第2冷却区分にのみ空気を10L/min、水50mL/minによる混合流体を送った以外は冷却実験1と同様に行った。第2ゾーンの温度低下は7.0℃であった。
第1冷却区分にのみ空気を20L/min、水を50mL/minによる混合流体を送った以外は冷却実験1と同様に行った。第1ゾーンの温度低下は9℃であった。温度変化を図13に示す。第2ゾーンの温度低下は6℃、第3ゾーンの温度低下は2℃であった。
図13において、横軸は時刻、縦軸はゾーン毎の温度を示す。TC1は第1ゾーンの金型温度、TC2は第2ゾーンの金型温度、TC3は第3ゾーンの金型温度を示す。
図17に試験金型に冷却器を挿通した外観の模式図を示す。実施例5の冷却器150が試験金型130に挿通されている。
図18に実施例5の冷却器が試験金型に挿通された状態における冷却器の中心軸に平行な断面図を示す。試験金型130の第1ゾーンには実施例5の冷却器150の第2熱絶縁材製区分173が、第2ゾーンには、第3冷却区分174が、第3ゾーンには第3熱絶縁材製区分175が収容されている。
第3冷却区分174にのみ空気20L/min、水50mL/minの混合気体を送った以外は上記冷却実験と同様の方法にて行った。第2ゾーンの温度低下は約30秒間に15℃であった。第1、第3ゾーンの温度低下は略同時間で約6℃であった。温度変化を図19に示す。
図19において、横軸は時刻、縦軸はゾーン毎の温度を示す。TC1は第2熱絶縁材製区分173収容部の金型温度、TC2は第3冷却区分174収容部の金型温度、TC3は第3熱絶縁材製区分175収容部の金型温度を示す。断熱材による独立した冷却の効果が認められた。
三層フィルム又はシートの押出成形用T字金型90は600mm幅のT字金型の幅方向に、各樹脂の流路の整流部の内壁の近傍にT字金型の両端面を結び貫通した各2個の対となる略直径12mmの孔97、98、99、100、101、102が設けられている。
尚冷却器の冷却区分と同じ区分で温度調節が可能なカートリッジヒーターを近傍の孔に挿通して合わせて使用すれば、金型の幅方向の温度コントロール精度が上がり好ましい。例えば、冷却しているゾーンの影響を受けて温度が下がってしまった近接するゾーンを部分的に加熱して温度が下がらないようにする等もすることができる。
このため、製造立ち上げ時の効率が高まり、多層フィルム又はシートを生産効率良く厚み精度よく製造することができる。
尚、本金型には内部ディッケル装置が付設されており、金型の両端面から樹脂流路に内部ディッケルが任意の位置に挿入可能にされているが、本発明では冷却器で温度コントロールすることができるため、従来のチョークバー操作が不要である。
内外層用樹脂にはLDPEであるLC720(MFR9.4)を、中間層用樹脂としてはLDPEであるLF405M(MFR2.0)を用いた。
樹脂圧力はダイ本体のチョ−クバー(内層、中間層、外層の3点)を測定した。樹脂温度測定は上記チョークバー部(内層、中間層、外層の3点)の樹脂圧力計の熱電対を使用した。中間層の幅方向の温度は上記幅方向測定用熱電対束にて測定した。
冷却区分図中丸数字1と図中丸数字2のみに空気を5L/min送った以外は上記冷却実験と同様の方法にて行った。OS端のT7の温度が4℃低下した。それ以外の温度低下は1〜2℃であった。
冷却区分図中丸数字3と図中丸数字4のみに空気を10L/min送った以外は上記冷却実験と同様の方法にて行った。OS中央寄りのT9の温度が約9℃低下した。DS中央寄りのT6の温度が約8℃低下した。それ以外は3〜6℃の低下であった。
冷却区分図中丸数字3と図中丸数字4のみに空気10L/min、水50mL/minの混合流体を送った以外は上記冷却実験と同様の方法にて行った。図23に示す様に、約20分間で急激に温度が低下し、その後も緩やかな温度低下が続き、DS中央寄りのT6の温度は約95℃低下した。OS中央寄りのT9の温度は約60℃低下した。DS次端のT5が約55℃低下した。DS端T4、OS端T7の温度低下は10〜20℃であり、明らかに中央部が冷却されていた。
各層の厚みを測定した結果を図24、図25に示す。図24は冷却開始直前の幅方向の各層の厚み分布、図25は冷却開始後60分経過後の幅方向の各層の厚み分布図である。
外観上も、中央部を冷却することで、金型から引取機に向かうフィルムの中央部が白っぽく見え、厚みの変化が目視でも確認された。
一方、図20押出成形用T字金型90の101と102の孔に冷却に実施例5の冷却器2本をTダイの左右から挿入し、冷却区分図中丸数字3と図中丸数字4のみに空気10L/minと、水50mL/minによる混合流体を送り、外層用樹脂流の近傍の金型の中央部を冷却したところ、冷却開始60分後にはフィルムの幅方向の厚み精度は全厚の厚み精度は±5.69%、内層は±7.74%、中間層は±11.71%、外層は±9.44%であり、外層の厚み精度の向上が確認された。
冷却区分の長さをより短くすれば、金型のより微細部分の冷却調整が可能になり、冷却器の軸方向、この場合は金型の幅方向のフィルム厚さの調整が容易になる。
三層Tダイにおいては、内層、外層にも本発明の冷却器を用いることができ各層の厚み絶対厚及び厚みの幅方向分布の調整が迅速容易になる。
本発明の冷却器を用いれば、温度データ及び又は膜厚測定データに基づき、冷却器による冷却とヒーターによる加温を制御することにより、より正確・迅速にフィルム又はシートの押出制御ができる。
また、冷却力が大きいことから、冷却器の挿通された物体中の特に熱に弱い部分を過温から保護することができ、高温からの保護用途にも用いることができる。工業用途に留まらず医療その他広い産業分野で利用することができる。
11 第一区分
12 第二区分
13 第三区分
14、15、16 冷媒供給管
17、18、19 冷媒排出管
20、21、22 冷媒供給管の開口
23、24、25 冷媒排出管の開口
26、27 隔壁
30、31、32 冷媒の外部接続用供給管
34、35、36 冷媒の外部接続用排出管
50 冷却器本体
51 冷媒流動用溝
52、52' 冷媒区分間混交防止オーリング用溝
53 アダプタ
54、55、56 冷媒供給用開口
57、58、59 冷媒排出用開口
64、65、66 冷媒供給路穿孔後封止部
67、68、69 冷媒排出路穿孔後封止部
70 冷媒供給路
71 冷媒排出路
72 冷媒供給路溝中開口
73 冷媒排出路溝中開口
80 冷却器本体
81 丸棒
82 リブ(ドーナツ状円板)
83 アダプタ
84 冷媒供給路
85 冷媒排出管
86 オーリング
87 外部冷媒供給管
88 外部冷媒排出管
90 Tダイ本体
91 第1層樹脂流入口
92 第2層樹脂流入口
93 第3層樹脂流入口
94 第1層樹脂整流部
95 第2層樹脂整流部
96 第3層樹脂整流部
97、99、101 孔
98、100、102 孔
103 合流層整流部
104 三層フィルム
110 冷却器本体
111 棒状体
113 アダプタ
114 冷却媒体供給部
115 第1冷却区分
116 第2冷却区分
117 第3冷却区分
118 排出部
119 第1冷却区分用冷媒供給路
120 第1冷却区分用冷媒排出路
121 オーリング用溝
122 オーリング
123 第1冷却区分用冷媒供給路開口
124 第1冷却区分用冷媒排出路開口
125 外筒
130 試験金型
131 円柱状体
132 調温用孔
133 調温用孔
134 調温用孔
135 深部測温用孔
136 深部測温用孔
137 深部測温用孔
138 冷却器挿通用孔
150 冷却器本体
153 アダプタ
154 冷媒供給管露出部
155 冷却部
156 冷媒排出管露出部
157 排出部
164 冷媒供給管
165 冷媒供給管
166 冷媒供給管
167 冷媒排出管
168 冷媒排出管
169 冷媒排出管
170 第1冷却区分
171 第1熱絶縁材製区分
172 第2冷却区分
173 第2熱絶縁材製区分
174 第3冷却区分
175 第3熱絶縁材製区分
176 円板
177 円板
178 丸棒
Claims (11)
- 冷媒により冷却する棒状の冷却器において、棒状体の軸方向に軸を区切るように冷却器が区分され、棒状体の少なくとも一方の端面を通じて各区分毎に冷却能が調整された冷媒が供給される冷媒の供給路が設けられており、各区分内毎に前記供給路に冷媒供給口が開口されていることを特徴とする冷却器。
- 前記棒状体の内部が空洞であって空洞が棒状体の軸方向と略垂直な隔壁により区分され、棒状体の少なくとも一方の端面を通じて冷媒の供給路と排出路が設けられており、各区分内毎に冷媒供給口と冷媒排出口が開口していることを特徴とする請求項1記載の冷却器。
- 棒状体の外側面に前記区分の端部毎に棒状体を取り巻く一定高さのリブが設けられており、リブとリブの間の各区分毎に冷媒の供給口と排出口が開口している請求項1記載の冷却器。
- 棒状体の外側面が螺子状に形成されており、区分毎に螺子の谷部又は山部の側面に冷媒の供給口と排気口が開口し、棒状体の内部に冷媒を供給する供給路及び又は冷媒を排出する排出路が棒状体の端面から前記開口を結んで通じている請求項1に記載の冷却器。
- 区分毎の冷却媒体の通る供給路及び又は排出路に、常温における熱伝導率が10W/(m・K))よりも小さい熱絶縁性材料が用いられていることを特徴とする請求項1乃至4に記載の冷却器。
- 区分と区分の間に、常温における熱伝導率が10W/(m・K))よりも小さい熱絶縁性材料にてなる熱絶縁材料帯が設けられていることを特徴とする請求項1乃至5に記載の冷却器。
- フィルム又はシート成形用の金型であって孔が設けられており、孔中に請求項1乃至6のいずれかに記載の冷却器が挿入され、冷却器の軸方向の区分毎に冷媒による冷却力を調整することにより金型の温度を調整する金型。
- 金型の幅方向に孔が設けられており、孔中に請求項1乃至6のいずれかに記載の冷却器が挿入され、冷却器の軸方向の区分毎に冷媒による冷却力を調整することにより金型の温度を調整する多層フィルム又はシート成形用のT字金型。
- 樹脂多層フィルム又はシート成形用のT字金型であって、金型の幅方向に、樹脂の流路の内壁の近傍に複数の孔が設けられており、複数の孔の少なくとも一の孔には請求項1乃至6のいずれかに記載の冷却器が挿入され、冷却器の軸方向の区分毎に冷媒による冷却力を調整することにより金型内の樹脂流路の温度を調整する金型。
- 樹脂多層フィルム又はシート成形用のT字金型であって、金型の幅方向に、各樹脂の流路の内壁の近傍に複数の孔が設けられており、複数の孔の少なくとも一の孔には請求項1乃至6に記載の一の冷却器が挿入され、他の孔には請求項1乃至6記載の他の冷却器が挿入され、一の冷却器の冷却部と他の冷却器の熱絶縁部が対向するように配置され、冷却器の軸方向の区分毎に冷媒による冷却力を調整することにより金型内の樹脂流路の温度を調整する金型。
- 請求項8乃至10に記載のT字金型を用いてフィルム又はシートを製造することを特徴とする樹脂多層フィルム又はシートの製造方法。
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