JP6588725B2 - 金型の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は金型の冷却構造に関し、さらに詳しくは、複雑な形状を有する成形品の冷却工程に要する時間を短縮し、また、成形時における金型の温度分布の偏り抑制する冷却回路構造に関する。

下記特許文献１には、コアの内部に円環状の水管が配置された金型が開示されている。また、下記特許文献２にはかかる円環状の水管を備える金型の製造方法が開示されている。下記特許文献３には、コアの内部に直管状の水管が配置された金型が開示されている。

特開２００６−１９８８１６号公報 特開２００３−１０３３２４号公報 特開２００８−２３８２２０号公報

特許文献１の円環状の水管および特許文献３の直管状の水管はいずれも、単純な円柱形状のコアの内部に配置されたものである（尚、特許文献１の金型１が備える流路２と伝熱部４は、金型１を均一にかつ速やかに昇温することを目的とした構成であり、本発明とはその解決課題および技術思想を異にしているが、ここでは仮に、流路２には金型１を冷却するための冷媒が循環されるものとする）。

特許文献１および特許文献３のコアの形状がより複雑である場合、例えば、コアの上面に環状の溝部が形成され、その溝部によりコアの中心側と外周側とが隔てられている場合、特許文献１の円環状の水管ではコアの中心側の冷却が遅滞し、特許文献３の直管状の水管ではコアの外周側の冷却が遅滞する。また、例えば、コアの高さ方向における基端側から先端側に向かってコアの径が段状に小さくされている場合、特許文献１の円環状の水管では先端側の小径部の冷却が遅滞し、特許文献３の直管状の水管では基端側の大径部の冷却が遅滞する。

このように成形品の各部において冷却速度にムラが生じた場合、成形精度の低下や、冷却工程の長時間化などの問題が生じることとなる。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、複雑な形状を有する成形品を均一にかつ短時間で冷却することができ、また、成形時における金型の温度分布の偏りを抑制することができる金型の冷却構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の金型の冷却構造は、可動側型板および固定側型板を備える金型の冷却構造であって、前記可動部の前記固定部との対向面には凸状部であるコアが設けられ、前記固定部の前記可動部との対向面には凹状部であるキャビティが設けられ、前記コアおよび前記キャビティは前記金型が閉じられることにより中空の成形室を形成し、前記コアの内部には、前記コアの周方向に沿って延びる冷媒流路である周方向流路と、前記コアの高さ方向に沿って延びる冷媒流路である垂直方向流路と、が別経路で配置されており、前記コアの上面には溝部が形成され、該溝部により隔てられた前記コアの一方側の内部には前記垂直方向流路が、他方側の内部には前記周方向流路が配置されていることを要旨とする。

一つのコアの内部に、そのコアの周方向に沿って延びる周方向流路と、高さ方向に沿って延びる垂直方向流路とを別経路で組み合わせて配置することにより、多様な形状に対応した冷却回路を構築することができる。これにより成形品をその内周面側から均一に冷却することが可能となり、成形品の成形精度を向上させることができるとともに、冷却工程に要する時間が短縮され、製品成形のハイサイクル化を図ることができる。また、コアの上面に溝部が設けられることにより成形品の周壁が多層構造とされている場合でも、各周壁の内側に周方向流路または垂直方向流路が配置されることにより、成形品全体を均一に冷却することができる。

また、前記周方向流路は環状に連続した流路であり、前記垂直方向流路は、前記周方向流路の環内に配置されている構成としても良い。

周方向流路を環状にすることにより、周方向の形状が円形の成形品を、その周壁の内周面側から効率的に冷却することができる。また、垂直方向流路がその環内に配置されていることから、成形品の周壁のみならず上壁についても同時に冷却することができ、成形品全体を均一に冷却することができる。

また、前記コアの高さ方向における前記垂直方向流路の上端は、該高さ方向における前記周方向流路の上端よりも上方に位置する構成としても良い。

成形品の上面に上方に突出した部分があっても、垂直方向流路をかかる突出した部分まで延出させることにより、成形品の高さ方向における基端側と先端側とを同時に冷却することができ、成形品全体を均一に冷却することができる。

また、前記可動部および前記固定部の内部にはそれぞれ、前記成形室の近傍部に、前記成形室の外周方向に沿って延びる環状の冷媒流路である可動側環状流路および固定側環状流路が配置されていることが望ましい。

可動部および固定部に、成形室の外周方向に沿って延びる環状流路を設けることにより、成形品の外周面を上下から効率的に冷却することができるのみならず、成形室近傍の昇温が抑えられる。これにより、可動側型板および固定側型板の熱疲労が低減されるとともに、金型全体における温度分布の偏りが抑制され、金型寿命の向上を図ることができる。

また、前記固定部における前記キャビティの近傍部には、該キャビティ近傍部の温度を検出する温度センサが配置されていることが望ましい。また、前記可動部における前記コアの近傍部には、該コア近傍部の温度を検出する温度センサが配置されていることが望ましい。

成形室近傍部の温度を検出することにより、成形品の冷却工程の進捗を可視化することができる。これにより冷却工程のサイクルタイムを最適化することができる。

本発明にかかる金型の冷却構造によれば、複雑な形状を有する成形品を均一にかつ短時間で冷却することができ、また、成形時における金型の温度分布の偏りを抑制することができる金型の冷却構造を提供することができる。

実施形態にかかる金型の開閉方向断面図である。 コアの形状および冷却回路の説明図である。 固定側型板の底面図である。 コアの形状および冷却回路の他の実施形態を示す図である。

以下、本発明の金型の冷却構造について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態にかかる金型はプラスチック射出成形用の金型であって、一回の成形サイクルで樹脂製の成形品を４つ製造する多数個取り金型である。尚、以下の説明における「上」および「下」とは図１に示される上下をいう。

（金型構成概要）
図１は、本実施形態にかかる金型の型閉時における、可動部１０および固定部２０の開閉方向断面図である。図１に示されるパーティングラインＰＬよりも上側の半体が固定部２０であり、下側の半体が可動部１０である。本実施形態における可動部１０は、上から（固定部２０側から）順に、板状部材であるストリッパプレート１０１、可動側型板１０２、および可動側取付板１０４が積層された構造を備えており、上方に向かって外径が階段状に小さくされた略円柱状の部材であるコアユニット１０３が、ストリッパプレート１０１および可動側型板１０２を厚み方向に貫通するように配置されている。固定部２０は、下から（可動部１０側から）順に、板状部材である固定側型板２０２、および図示しない固定側取付板が積層された構造を備えている。尚、本実施形態における可動部１０はストリッパプレート１０１を備えているが、ストリッパプレート１０１は必須の構成ではなく、成形品の形状や用途、金型の設計方法によっては、可動部１０がストリッパプレート１０１を備えないことも考えられる。

可動部１０の固定部２０との対向面１０ａには、ストリッパプレート１０１から露出したコアユニット１０３の先端部である凸状のコア１１が設けられており、固定部２０の可動部１０との対向面２０ａには、固定側型板２０２に形成された凹状部であるキャビティ２１が設けられている。これらコア１１およびキャビティ２１は中空の成形室３０を形成している。尚、ＪＩＳＫ６９００（プラスチック―用語）においては「キャビティ」とは「成形品を形作るために充てんされる金型内の空間」と定義されているが、本発明においては、かかる金型内の空間を「成形室」と呼び、固定部に設けられ、コアと一組になって成形室を区画する凹状部を「キャビティ」と呼んで区別する。

コア１１の内部には、コア１１の周方向に沿って延びる環状の冷媒流路である周方向流路１２と、コア１１の高さ方向に沿って延びる冷媒流路である垂直方向流路１３とが別経路で配置されており、垂直方向流路１３は周方向流路１２の環内に配置されている。尚、本発明でいう「環内」とは、水管（流路）などにより構成される環状体の内径部分の領域をいう。また、「別経路で配置」とは、垂直方向流路１３は、周方向流路１２からコア１１の高さ方向に沿って下方へと延びる流入路１２１および流出路１２２とは別に設けられていることを意味している。

周方向流路１２および垂直方向流路１３は本実施形態における金型の冷却回路の一部であり、コア１１の内部に設けられることにより、成形品をその内周面側から冷却する。周方向流路１２および垂直方向流路１３は、圧力を掛けながら冷媒である水を循環させる図示しない金型温調機（以下、単に「温調機」という。）と接続されている。温調機で調温された冷却水は、送媒路４１を経て周方向流路１２および垂直方向流路１３へと循環し、コア１１において熱交換された後、返媒路４２を通って温調機へと戻される。

キャビティ２１の上方には、溶融した樹脂をキャビティ２１に射出充填するホットランナーシステムを備えたスプルー２９が設けられており、キャビティ２１とスプルー２９は、キャビティ２１の底面中央に設けられたゲート２１４により連通されている。

可動部１０のストリッパプレート１０１および固定部２０の固定側型板２０２にはそれぞれ、成形室３０の外周方向に沿って延びる円環状の水管である可動側環状流路１４および固定側環状流路２４が配置されている。

可動側環状流路１４は径方向断面が矩形状の水管であり、成形室３０の下方において、垂直方向流路１３と、周方向流路１２の流入路１２１および流出路１２２とをその環内に囲むように配置されている。固定側環状流路２４は径方向断面が円形状の水管であり、キャビティ２１のゲート２１４をその環内に囲むように配置されている。これら可動側環状流路１４および固定側環状流路２４も、周方向流路１２および垂直方向流路１３と共通の温調機に接続されており、図示しない別系統の送媒路および返媒路により冷却水が循環される。

本実施形態にかかる金型は、金型温度が２０度前後となるよう温調設計されている。スプルー２９および成形室３０は溶融した樹脂が流入することにより高温となり、さらに、本実施形態におけるスプルー２９はホットランナーであることから、その温度は２００度前後まで上昇する。また、コア１１の内部を循環した後の冷却水も、コア１１からの伝熱により高温となる。可動部１０および固定部２０に、可動側環状流路１４および固定側環状流路２４が配置されていることにより、かかる高温部近傍の昇温が抑えられ、金型全体における温度分布の偏りが改善されている。

（コア形状および冷却回路構成）
図２はコア１１の形状およびコア１１内部の冷却回路の構成を示す図である。図２（ａ）は図１における成形室３０部分の拡大図である。図２（ｂ）はコア１１を上方から見た平面図であり、図２（ｃ）はコア１１の外観斜視図である。

図２に示すように、本実施形態におけるコア１１は、略円柱状の外形を有する凸状部である。コア１１の上面１１ａには円環状に連続した溝部１１３が形成されている。コア１１は、かかる溝部１１３を境として、径方向Ｒにおける内側の中心部１１１と、外側の外周部１１２とにより構成されている。中心部１１１は円柱状の外形を有し、外周部１１２は円筒状の外形を有し、これらは同心円状に配置されている。中心部１１１の上面１１１ａは、コア１１の高さ方向Ｈにおいて、外周部１１２の上面１１２ａよりも高い位置にある。

キャビティ２１は、コア１１の外形に対応した凹状部であり、その開口から底面に向けて内周面の径が段状に小さくされた段差部２１３を境に、開口側の大径部２１１と底面側の小径部２１２とを有する。大径部２１１および段差部２１３はコア１１の外周部１１２の形状に沿って形成され、小径部２１２およびその底面は中心部１１１の形状に沿って形成されている。

上で述べたように、コア１１の内部には、コア１１の周方向Ｃに沿って延びる周方向流路１２と、コア１１の高さ方向Ｈに沿って延びる垂直方向流路１３と、が別経路で配置されている。

周方向流路１２は円環状の水管であり、周方向Ｃにおける対称位置には、高さ方向Ｈに沿って下方へと延びる一対の水管である流入路１２１および流出路１２２が接続されている。流入路１２１は温調機の送媒路４１に、流出路１２２は温調機の返媒路４２にそれぞれ接続されている。温調機から金型に注入された冷却水は、送媒路４１から流入路１２１を経て周方向流路１２に流入し、周方向流路１２を循環した後、流出路１２２を通って返媒路４２に合流し、温調機へと戻される。尚、本実施形態における周方向流路１２のように、金型の内部においてその進行方向が分岐あるいは曲折している管部を形成するには、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）による接合方法を利用することができる。

本実施形態におけるコア１１は、中心部１１１と外周部１１２とが溝部１１３により隔てられていることから、一本の直管状の水管によってはその全体を冷却することはできない。また、外周部１１２を直管状の水管により冷却しようとする場合、一本の水管につき外周部１１２の一部しか冷却することができない。本実施形態においては外周部１１２の内部にその周方向Ｃに沿って周方向流路１２が延びていることにより、外周部１１２を均一に、かつ、効率的に冷却することが可能とされている。

垂直方向流路１３は二重管構造の直管状の水路であり、外管１３２と、外管１３２内に配置された内管１３１とにより構成されている。内管１３１は温調機の送媒路４１に、外管１３２は温調機の返媒路４２にそれぞれ接続されている。温調機から金型に注入された冷却水は、送媒路４１を経て内管１３１を上昇し、内管１３１の開口から流出した後、内管１３１の外周面と外管１３２の内周面との間に設けられた間隙１３ａを下降して返媒路４２に合流し、温調機へと戻っていく。

垂直方向流路１３は、コア１１の高さ方向Ｈにおいて、周方向流路１２の配置位置よりも高く延びている。上で述べたように、コア１１の中心部１１１の上面１１１ａは、外周部１１２の上面１１２ａよりも高い位置にあるが、垂直方向流路１３を中心部１１１の上面１１１ａ付近まで延ばすことにより、高さの異なる中心部１１１および外周部１１２を均一に冷却することが可能とされている。

本実施形態のコア１１のように、中心部１１１と外周部１１２とが溝部１１３により隔てられ、また、中心部１１１の上面１１１ａと外周部１１２の上面１１２ａの高さが異なる複雑な形状のコアであっても、周方向流路１２と垂直方向流路１３とを組み合わせることによりその内周面全体を網羅する冷却回路を設けることができる。これにより成形品をその内周面側から均一に冷却することが可能となり、成形品の成形精度を向上させることができるとともに、冷却工程に要する時間が短縮され、製品成形のハイサイクル化を図ることができる。

尚、コア１１の形状は本実施形態のものに限られず、例えば図４（ａ）および（ｂ）に示すように、高さ方向Ｈにおける中心部１１１の上面１１１ａおよび外周部１１２の上面１１２ａの位置が同じもの、溝部１１３を備えないものについても、周方向流路１２と垂直方向流路１３とを組み合わせることにより本発明の効果を得ることはできる。また、周方向流路１２の形状は、コア１１の周方向Ｃの形状に応じて、図４（ｃ）に示すように半円状としても良く、または直線状としても良い。

（温度センサ構成）
図３は固定部２０の固定側型板２０２を下方から見た底面図である。固定側型板２０２の可動部１０との対向面２０ａには、その外周における一辺２０ｂの中心と、その反対側の辺２０ｃの中心とをむすぶ線に沿って、面位置が段状に低くされた溝部２２３が形成されている。対向面２０ａは、かかる溝部２２３を境に二つのキャビティ形成部２２１、２２２に区画されており、各キャビティ形成部２２１、２２２にはそれぞれ、溝部２２３の長手方向に沿ってキャビティ２１が二つずつ配置されている。

金型の外部には電圧計を備えた制御装置が設置されている。溝部２２３には、かかる制御装置から延びる熱電対である温度センサ５１が配置されており、温度センサ５１の測温接点５１１は、各キャビティ２１の溝部２２３側に形成された測温部２２４に貼りつけられている。

また、図１に示すように、可動部１０のコアユニット１０３にも、同制御装置から延びる熱電対である温度センサ５２が配置されている。温度センサ５２は、ストリッパプレート１０１と可動側型板１０２との対向面に形成された図示しない溝部を通ってコアユニット１０３に至り、コアユニット１０３の側面１０３ａに沿って先端のコア１１側へと延びている。温度センサ５２の測温接点５２１は、かかる側面１０３ａにおいてコア１１に接近可能な最も近い位置に貼りつけられている。

成形室３０の近傍に温度センサ５１および５２が配置され、制御装置がその熱起電力を算出することにより、成形品の冷却工程の進捗を可視化することができる。これにより、冷却工程に不必要に長い時間を割り当てることが防止され、製品成形のサイクルタイムをさらに短縮することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１０ 可動部
１０１ ストリッパプレート
１０２ 可動側型板
１０３ コアユニット
１０４ 可動側取付板
１１ コア
１１１ 中心部
１１２ 外周部
１１３ 溝部
１２ 周方向流路
１３ 垂直方向流路
１４ 可動側環状流路
２０ 固定部
２０２ 固定側型板
２１ キャビティ
２４ 固定側環状流路
３０ 成形室
５１、５２ 温度センサ

Claims (6)

1. 可動部および固定部を備える金型の冷却構造であって、
   前記可動部の前記固定部との対向面には凸状部であるコアが設けられ、
   前記固定部の前記可動部との対向面には凹状部であるキャビティが設けられ、
   前記コアおよび前記キャビティは前記金型が閉じられることにより中空の成形室を形成し、
   前記コアの内部には、前記コアの周方向に沿って延びる冷媒流路である周方向流路と、前記コアの高さ方向に沿って延びる冷媒流路である垂直方向流路と、が別経路で配置されており、
   前記コアの上面には溝部が形成され、該溝部により隔てられた前記コアの一方側の内部には前記垂直方向流路が、他方側の内部には前記周方向流路が配置されていることを特徴とする金型の冷却構造。
2. 前記周方向流路は環状に連続した流路であり、
   前記垂直方向流路は、前記周方向流路の環内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の金型の冷却構造。
3. 前記コアの高さ方向における前記垂直方向流路の上端は、該高さ方向における前記周方向流路の上端よりも上方に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金型の冷却構造。
4. 前記可動部および前記固定部の内部にはそれぞれ、前記成形室の近傍部に、前記成形室の外周方向に沿って延びる環状の冷媒流路である可動側環状流路および固定側環状流路が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の金型の冷却構造。
5. 前記固定部における前記キャビティの近傍部には、該キャビティ近傍部の温度を検出する温度センサが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の金型の冷却構造。
6. 前記可動部における前記コアの近傍部には、該コア近傍部の温度を検出する温度センサが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の金型の冷却構造。
   

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