JP6300882B1 - 溶融装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽金属からなる成形材料を射出成形するにあたって、定期的に溶融装置内に不活性ガスを補充して溶融材料の変質を防止するとともに、不活性ガスの使用量を削減する溶融装置の提供。【解決手段】所定温度に加熱され材料供給口２３から供給される成形材料８１を溶融して溶融材料８３を生成する溶融シリンダ２１と、溶融材料８３の溶融面８５上に不活性ガスを供給し不活性ガス層３５１を形成する不活性ガス供給装置３９と、不活性ガス層３５１上に前記不活性ガスと異なる種類の気体である低比重ガスを供給し低比重ガス層３７１を形成する低比重ガス供給装置３７と、を備え、低比重ガス層３７１は、不活性ガス層３５１よりも比重が小さい、溶融装置２。【選択図】図１

Description

本発明は、溶融装置に関する。特に、本発明は成形材料が軽金属である射出成形に適する射出成形機における溶融装置に関する。

例えば射出成形のように、成形材料を溶融させて金型等に注入し、所望の製品形状に賦形する成形法が知られている。このような成形法において、成形材料が溶融時に接触した空気中の物質と反応し、変質を起こすことがある。例えば、成形材料がマグネシウムやアルミニウムの場合、空気中の酸素、窒素と反応し、酸化物や窒化物を生じる可能性がある。加えて、成形材料がマグネシウムの場合、酸素と反応し燃焼反応を起こす可能性がある。

そのため、特許文献１に開示されるように、成形材料が溶融時に直接空気と接触しないよう、装置内に溶融材料と実質的に反応しない不活性ガスを注入して、溶融材料の溶融面上に不活性ガスからなる不活性ガス層を形成する溶融装置が知られている。

特開２００４−１９５５２７号公報

一旦不活性ガスを溶融装置内に注入したとしても、溶融装置の熱で暖められた不活性ガスは比重が小さくなり、材料投入口等の開口部において外部空気との対流が起こる。その結果、溶融装置内の不活性ガスは漏出し、不活性ガス濃度が徐々に低下する。そのため、定期的に溶融装置内に不活性ガスを補充する必要がある。一方で、使用する不活性ガスの量は極力少ないことが望ましい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、不活性ガス層の上に、不活性ガスと異なる種類の気体であり不活性ガス層よりも比重が小さい低比重ガスの流れを作り低比重ガス層を形成することで、外部空気の侵入を防いで溶融材料の変質を防止するとともに、不活性ガスの使用量を低減した溶融装置を提供することを目的とするものである。

本発明によれば、所定温度に加熱され材料供給口から供給される成形材料を溶融して溶融材料を生成する溶融シリンダと、溶融材料の溶融面上に不活性ガスを供給し不活性ガス層を形成する不活性ガス供給装置と、不活性ガス層上に不活性ガスと異なる種類の気体である低比重ガスを供給し低比重ガス層を形成する低比重ガス供給装置と、を備え、低比重ガス層は、不活性ガス層よりも比重が小さい、溶融装置を提供するものである。

本発明に係る溶融装置を備える射出成形機においては、不活性ガス層の上に、不活性ガスと異なる種類の気体であり不活性ガス層よりも比重が小さい低比重ガス層を形成する。これにより、溶融した成形材料は直接空気と接触せず、成形材料の変質が防止される。さらに、低比重ガス層により不活性ガスの漏出が妨げられ、不活性ガスの使用量をより低減することができる。

本発明の溶融装置２を備えた射出ユニット１の構成図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視断面図であるとともに、材料供給装置６の概略図である。 図１のＣ−Ｃ矢視断面図である。 材料供給口蓋２３１の開閉を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に説明される各実施形態および複数の各構成部材における変形例は、それぞれ任意に組み合わせて実施することができる。なお以下の説明において、「先端」とは溶融材料８３が射出される側、具体的には、図１において溶融装置２または射出部４の図面向かって左側の端部を指し、「後端」とは成形材料８１が供給される側、具体的には、図１において溶融装置２または射出部４の図面向かって右側の端部を指す。

実施の形態の溶融装置２を備える射出成形機は、成形材料８１が軽金属である射出成形に適する構造を有する。本発明における軽金属は、比重が４以下の金属をいい、純金属だけでなく各添加元素を含む合金も含んでいう。実用上は、特に、マグネシウム合金またはアルミニウム合金が成形材料８１として有効である。なお、成形材料８１がアルミニウム合金の場合、溶損しないように、溶融材料８３と接触する部位は、基本的にサーメット系の材料で被覆されている。

本発明の溶融装置２を備える射出成形機は、主に、成形材料８１を溶融する溶融装置２を含み所定の量の溶融材料８３を金型のキャビティ空間に注入する射出ユニット１と、型開閉および型締を行なう不図示の型締ユニットと、射出ユニットと型締ユニットの動作を制御する不図示の制御ユニットとを備える。

図１に示すように、溶融装置２は、所定温度に加熱され成形材料８１を溶融して溶融材料８３を生成する溶融シリンダ２１を備え、溶融シリンダ２１は、溶融装置２の後端側に設けられる竪シリンダ２１１と、前端側に設けられる横シリンダ２１３とを含む。横シリンダ２１３は、溶融材料８３が貯留される樋部２１５と、横シリンダ２１３上部に設けられる蓋部２１７とを有する。図１から図３にそれぞれ示すように、竪シリンダ２１１は垂直方向に延びる断面Ｕ字形状であり、横シリンダ２１３の樋部２１５は水平方向に延びる断面Ｕ字形状である。竪シリンダ２１１および樋部２１５には、Ｕ字形状に沿ってそれぞれ密着するように複数のヒータ２５が設けられる。ヒータ２５の周囲には断熱素材からなる断熱部２５１が設けられ、ヒータ２５からの熱が外部に逃げないようにして熱効率を向上させる。蓋部２１７は断熱素材からなり、開閉または脱着可能に構成される。蓋部２１７を開放する（または取り外す）ことで溶融シリンダ２１のメンテナンスが容易になる。また、蓋部２１７は溶融材料８３と直接接触しないことが望ましい。なお、本明細書中において、断面Ｕ字形状とは、１対の側面と底面とからなる形状であって、側面と底面とが曲線的に接続されるものをいう。例えば、底面が略半円形状であるものや、図２や図３のように側面と底面とが接続する角が丸みを帯びた形状であるものを含んでいう。断面Ｕ字形状のシリンダに対しては、側面と底面で分割せずに一体となったヒータ２５を密着するように設けることが容易となる。

竪シリンダ２１１は、材料供給口２３から供給された成形材料８１をヒータ２５によって加熱して溶融して溶融材料８３を生成し横シリンダ２１３へと送る。横シリンダ２１３へと送られた溶融材料８３は、ヒータ２５によって十分な熱を与えられながら前方へと送られ、連結部材５の連通路５１を経由して射出部４に送り出される。

溶融装置２には、後端側から先端側へと延び溶融シリンダ２１の少なくとも両端を除いた内部を仕切る仕切板２７と、溶融材料８３を攪拌する攪拌装置２９とが設けられる。攪拌装置２９は、例えば、溶融シリンダ２１内に設けられた攪拌翼２９１をシャフト２９３を通じてモータ２９５で回転させるギヤポンプである。このような構成により、仕切板２７の周囲を循環する溶融材料８３の流動が形成され、溶融材料８３の滞留を防止することができる。結果として、溶融シリンダ２１内の溶融材料８３の温度が均一化され、沈降偏析現象等を防止することができる。特に、本実施例のように水平方向に延びる横シリンダ２１３を含む溶融シリンダ２１においては、単純に攪拌しただけでは攪拌箇所付近以外での滞留を防止することは困難であるため、仕切板２７の周囲を循環するように溶融材料８３を流動させることが特に有効である。なお、攪拌装置２９は溶融シリンダ２１のどこに設けてもよいが、未溶融の成形材料８１が攪拌翼２９１と接触するのを防ぐため、材料供給口２３からある程度離して設けることが望ましい。

好適には、モータ２９５の回転数および回転トルクを検出するトルク計２９７が設けられる。回転数と回転トルクを測定することにより、溶融材料８３の粘度を算出することができる。ひいては、成形材料８１の種類と粘度から、溶融材料８３の溶融状態を判断することができる。

溶融材料８３の酸化や窒化を防止するため、溶融面８５上には所定濃度の不活性ガスが充満される。特に、成形材料８１がマグネシウム合金である場合は、空気中の酸素と反応し燃焼する可能性があるため、不活性ガスの供給は極めて重要である。本実施形態では、溶融シリンダ２１の内部に不活性ガス供給装置３５から不活性ガスを供給することで、溶融面８５上に所定濃度の不活性ガスからなる不活性ガス層３５１を形成する。不活性ガスは溶融材料８３と実質的に反応しない気体であればよいが、比較的比重が大きく、容易に入手可能であり、人体・環境に対して無害であるアルゴンが好適である。また、不活性ガス層３５１の雰囲気成分を測定する雰囲気測定計３１が設けられ、不活性ガス供給装置３５は雰囲気測定計３１の測定結果に応じて、不活性ガス層３５１の不活性ガスが所定濃度になるよう不活性ガスの供給量を制御することが望ましい。雰囲気測定計３１としては直接不活性ガスの濃度を測定するものであってもよいし、酸素濃度または窒素濃度を測定するものであってもよい。このようにすれば、過不足なく不活性ガスを供給することができる。なお好適には、溶融シリンダ２１と雰囲気測定計３１との間に冷却器３１１を設け、冷却器３１１を通りある程度冷却された不活性ガスが雰囲気測定計３１によって測定される。

ここで、不活性ガス層３５１の上に、低比重ガス供給装置３７によって供給された低比重ガスからなる、不活性ガス層３５１よりも比重が小さい低比重ガス層３７１が形成される。低比重ガスは、不活性ガスと異なる種類の気体であり、不活性ガス層３５１よりも比重の小さい気体であればよいが、例えば、不活性ガス層３５１よりも比重が小さくなる温度まで加熱された空気がコスト面等から好適である。このように不活性ガス層３５１の上に低比重ガス層３７１を形成することで、溶融材料８３が空気中の酸素や窒素と反応するのを防止できることはそのままに、不活性ガスの使用量を低減することができる。

低比重ガスが不活性ガス層３５１よりも比重が小さくなる温度まで加熱された空気であるとき、空気を加熱し低比重ガスを生成する加熱装置が設けられる。加熱装置は適切に空気を加熱できるものであれば種々の形態を採用可能であり、例えば、電熱線によって空気を加熱する電気ヒータであってもよい。本実施形態では、空気を供給する供給口３９１と、溶融シリンダ２１内に設けられ供給口３９１から送られた空気を加熱する管路３９３と、管路３９３を通過し加熱された空気を溶融シリンダ２１内に排出する排出口３９５と、を含む熱交換器３９である。図１および図４に示すように、供給口３９１から管路３９３へと送られた空気は、溶融シリンダ２１内の熱によって加熱され、材料供給口２３付近に設けられた排出口３９５から低比重ガスとして排出される。このような熱交換器３９であれば、溶融シリンダ２１の熱を利用して空気を加熱できるため、より安価に低比重ガスを生成可能である。なお図４ではヒータ２５および断熱部２５１は図示省略している。

低比重ガスは、成形材料８１を取り囲むように設けられた供給口３９１から略均等に供給される。供給された低比重ガスは成形材料８１を覆うように上昇しようとするが、外部空気からの圧力により留まり、不活性ガス層３５１を覆う低比重ガス層３７１として機能する。いわば、低比重ガスの流れによって外部空気の侵入を防ぐ「ガスバリア」を形成する。供給される低比重ガスの量は外部空気が流れ込まない程度であればよい。また、成形材料８１と供給口３９１との間の隙間は、不活性ガスの漏出を防止する観点からは、低比重ガスの供給が適性に行える範囲で小さい方がよく、使用が想定される最大の成形材料８１の大きさに応じて設計される。

材料供給装置６は、材料供給口２３から成形材料８１を供給する。材料供給装置６は、例えば図３に示すように、成形材料８１を把持するアーム６１１と、アーム６１１を上下させる昇降装置６１３とを備える装置である。アーム６１１は１本ずつ成形材料８１を把持する。昇降装置６１３は、アーム６１１の位置（高さ）、下降速度ならびに下降の開始および中断を任意に制御するように構成される。成形材料８１は、アーム６１１によって把持された状態で徐々に材料供給口２３から降ろされ、溶融材料８３に浸った箇所から徐々に溶融される。以上のように具体的に例示した他にも、材料供給装置６は種々の形態が利用可能であるが、部分的に溶融させる等して少量ずつ成形材料８１を供給する構成であるものが、材料供給口２３付近の急激な温度低下を防ぐ上で望ましい。

また、図５に示すように、材料供給口２３には開閉可能な材料供給口蓋２３１が設けられることが望ましい。成形材料８１の供給を行っていないときは材料供給口蓋２３１を閉めることで、不活性ガスの漏出をより好適に防止できる。なお、材料供給口蓋２３１を閉めているときは、溶融シリンダ２１の内圧が高まるのを防止するため、材料供給口蓋２３１に適する大きさの隙間を設けてもよいし、低比重ガス供給装置３７からの低比重ガスの供給を中断してもよい。また、材料供給口蓋２３１を設けない場合は、成形材料８１の供給を行っていないときに低比重ガスの供給量を多くすることで不活性ガスの漏出を抑制できる。

また、溶融シリンダ２１内の溶融面８５の高さを測定する液面計３３が設けられる。液面計３３としてはフロート式、レーザ式等種々の方式のものが採用可能である。材料供給装置６は、溶融面８５の高さが所定範囲内となるよう、成形材料８１を供給する。これにより、成形材料８１を過不足なく供給することができるとともに、蓋部２１７と溶融材料８３の接触を防止することができる。

射出部４は、プランジャ駆動装置４１を作動してプランジャ４３を後退させ、溶融シリンダ２１から連結部材５の連通路５１を通して射出部４に送られてくる溶融材料８３を計量する。射出部４は、複数のヒータ４７によって溶融材料８３が溶融している状態を維持できる所定の温度の範囲に保温されている。射出部４は、溶融材料８３を計量してから連通路５１を閉鎖した後、プランジャ駆動装置４１を作動してプランジャ４３を射出部４の所定の位置まで前進させる。プランジャ４３が所定の位置まで前進すると、射出部４の中の所定の量の溶融材料８３が射出ノズル４５から図示しない金型のキャビティ空間に射出される。

連結部材５は、溶融シリンダ２１と射出部４を連結し、溶融シリンダ２１と射出部４は連結部材５中の連通路５１で連通している。連結部材５は、ヒータ５３によって溶融材料８３が溶融している状態を維持できる所定の温度の範囲に保温されている。

逆流防止装置７は、例えば、溶融シリンダ２１の内孔面上に形成された弁座７１と、弁座７１に離接する棒状の逆流防止弁棒７３と、溶融シリンダ２１の側面に固定されて逆流防止弁棒７３を進退駆動する弁棒駆動装置である油圧シリンダ等の流体圧シリンダ７５を備える。連通路５１は、逆流防止装置７によって、計量動作の開始時に開かれ射出動作の直前に閉じられる。なお、逆流防止装置７は射出部４または連結部材５に設けてもよく、また、チェックバルブあるいはロータリバルブなどの従来公知のバルブが採用されても良い。

以上説明した発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらをこの発明の範囲から排除するものではない。特に具体的な装置については、本発明の趣旨に添った基本的な機能を有するものは、本発明に含まれる。

２ 溶融装置
２１ 溶融シリンダ
２３ 材料供給口
３１ 雰囲気測定計
３５ 不活性ガス供給装置
３７ 低比重ガス供給装置
３９ 熱交換器
８１ 成形材料
８３ 溶融材料
８５ 溶融面
２３１ 材料供給口蓋
３１１ 冷却器
３５１ 不活性ガス層
３７１ 低比重ガス層
３９１ 供給口
３９３ 管路
３９５ 排出口

Claims (8)

1. 所定温度に加熱され材料供給口から供給される溶融時に空気と接触すると反応する軽金属である成形材料を溶融して溶融材料を生成する溶融シリンダと、
   前記溶融材料の溶融面上に不活性ガスを供給し不活性ガス層を形成する不活性ガス供給装置と、
   前記不活性ガス層上に前記不活性ガスと異なる種類の気体である低比重ガスを供給し低比重ガス層を形成する低比重ガス供給装置と、を備え、
   前記低比重ガス層は、前記不活性ガス層よりも比重が小さい、溶融装置。
2. 前記不活性ガスはアルゴンである、請求項１に記載の溶融装置。
3. 前記低比重ガスは前記不活性ガス層よりも比重が小さくなる温度まで加熱された空気である、請求項１または２に記載の溶融装置。
4. 前記低比重ガス供給装置は、空気を加熱し前記低比重ガスを生成する加熱装置を含む、請求項３に記載の溶融装置。
5. 前記加熱装置は、電気ヒータである、請求項４に記載の溶融装置。
6. 前記加熱装置は、
   空気を供給する供給口と、
   前記溶融シリンダ内に設けられ前記供給口から送られた空気を加熱する管路と、
   前記管路を通過し加熱された空気を前記溶融シリンダ内に排出する排出口と、を含む熱交換器である、請求項４に記載の溶融装置。
7. 前記不活性ガス層の酸素濃度、窒素濃度または不活性ガス濃度の少なくともいずれか１つを測定する雰囲気測定計と、
   前記溶融シリンダと前記雰囲気測定計との間に設けられ前記不活性ガスを冷却する冷却器と、をさらに備え、
   前記不活性ガス供給装置は、前記雰囲気測定計の検出値が所定の範囲内を示すように不活性ガスの供給量を制御する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の溶融装置。
8. 前記材料供給口に設けられた開閉可能な材料供給口蓋をさらに備え、
   前記材料供給口蓋は、前記成形材料を供給していないときは閉じられる、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の溶融装置。

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