WO2017010303A1

WO2017010303A1 - 電動射出成形機のインバータの冷却方法およびインバータ冷却装置

Info

Publication number: WO2017010303A1
Application number: PCT/JP2016/069469
Authority: WO
Inventors: 倫範河口
Original assignee: 株式会社日本製鋼所
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2017-01-19
Also published as: JP6219342B2; CN107848172A; US20180194052A1; DE112016003127T5; JP2017019173A

Abstract

電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータ（５ａ、５ｂ）を構成しているＩＧＢＴ（６）は冷却板（２）に取付けられる。冷却板（２）の内部には冷却液管（８）を設け冷却液を供給して冷却するようにする。射出工程において冷却液が多くなるように供給する。冷却板（２）には複数個分のインバータ（５ａ、５ｂ、５ｃ）に相当する複数組のＩＧＢＴ（６）を取付け、冷却液を複数組のＩＧＢＴ（６）の近傍で循環させる。

Description

電動射出成形機のインバータの冷却方法およびインバータ冷却装置

　本発明は、電動射出成形機のサーボモータ等のモータを駆動するインバータの冷却方法、およびインバータ冷却装置に関するものである。

　周知のように射出成形機は、金型を型締めする型締装置、樹脂を溶融して型締めされた金型に樹脂を射出する射出装置、金型から成形された成形品を突き出す突出装置等から構成され、電動射出成形機は、これらの各装置がサーボモータ等のブラシレスモータによって駆動されるようになっている。電動射出成形機にはコンバータが設けられ、外部から供給される三相交流電圧が直流電圧に整流されている。そして、この直流電圧が、ブラシレスモータ毎に設けられているインバータによって三相交流電圧に変換されて、ブラシレスモータが駆動されるようになっている。なお、サーボモータを駆動するインバータはサーボアンプとも呼ばれている。

　インバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワートランジスタから構成され、発熱により高温になる。パワートランジスタは半導体素子がパッケージに入れられた状態で提供される。内部の半導体素子の接合部の温度、つまりジャンクション温度が高温になるとパワートランジスタの寿命が短くなる。例えば、ジャンクション温度が１７５℃の高温に達すると、パワートランジスタが破壊してしまう。そのため、従来のインバータにおいて、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタは放熱フィンを備えた冷却板に取付けられており、冷却ファンからの送風によって強制的に空冷されるようになっている。これによってジャンクション温度が、例えば１２０℃以下になるように抑制されている。

日本国特開２００６－１７７６０１号公報

　特許文献１には、電動射出成形機のサーボアンプであって、水冷式で冷却されるサーボアンプが記載されている。特許文献１に記載のサーボアンプは、冷却液が流れる冷却管が内部に設けられた金属製の冷却板にＩＧＢＴが取付けられている。冷却板に供給される冷却液は所定の圧送ポンプによって送られて循環するようになっている。さらに、冷却液は、ヒートポンプによって冷却されるように構成されている。サーボアンプは空気に比して熱容量の大きい冷却液によって強制的に冷却されるので、確実にＩＧＢＴの温度上昇を抑制できる。

　さらに、特許文献１に記載のサーボアンプにおいて、循環している冷却液の温度は、冷却板近傍の周囲温度と比して５℃以内になるようにヒートポンプが制御されている。従って、冷却し過ぎによる結露の心配もなく、安全にサーボアンプを冷却することができる。

　なお、特許文献１に記載の装置において、サーボモータ毎に設けられている複数個のサーボアンプは、複数枚の冷却板に設けられている。従って、冷却液はこれらの複数枚の冷却板に対して並行して供給されるようになっている。

　従来のように空冷により冷却するようにしても、あるいは特許文献１に記載のように水冷により冷却するようにしても、インバータを冷却してＩＧＢＴを保護することはできる。しかしながら、それぞれに解決すべき問題も見受けられる。

　まず、従来の空冷により冷却する方法については、冷却効率が小さい点が問題であるといえる。近年、電動射出成形機に要求される出力は高くなってきており、大型のサーボモータを駆動するために大容量のインバータが必要になっている。このようなインバータではＩＧＢＴにおける電流が大きく発熱量が大きい。空気は熱容量が小さいので空冷式によってはインバータを十分に冷却できない。ジャンクション温度が許容値を超える虞がある。また、空冷においては冷却ファンを必要とする点にも問題が見受けられる。冷却ファンは騒音が大きいし、ホコリを巻き上げて周囲環境を汚染してしまう。

　このような従来の空冷による冷却方法に対して、特許文献１に記載の水冷によりインバータを冷却する方法は、冷却ファンが不要であるし、空気に比して熱容量が大きい冷却液で冷却するので冷却効率も高く、優れているといえる。しかしながら、特許文献１に記載の水冷方法にも改善の余地が見受けられる。具体的には、ＩＧＢＴのさらなる長寿命化と、冷却に要するエネルギーの削減に関する改善の余地である。

　水冷によって冷却されているＩＧＢＴは、駆動されるとジャンクション温度が上昇し、停止すると速やかに低下する。このジャンクション温度の上下の温度差が大きいとＩＧＢＴの寿命に影響する。特許文献１に記載のインバータでは、圧送ポンプによって常時冷却板は冷却されている。しかし、このように強制的に冷却されていると通常のＩＧＢＴのジャンクション温度がかなり低くなる。特許文献１に記載のインバータでは、複数枚の冷却板に並行して冷却液が供給されている。しかし、これもＩＧＢＴのジャンクション温度をかなり低くしてしまう原因になる。すなわち、それぞれのインバータが駆動されて発熱するのは対応するモータを駆動するときだけであるのに、駆動と関係がないインバータの冷却板も不必要に冷却している。従って、ＩＧＢＴのジャンクション温度がかなり低くなる。このようなＩＧＢＴのジャンクション温度がかなり低い状態からＩＧＢＴを駆動すると、ジャンクション温度の変化が大きい。そうするとＩＧＢＴの寿命に影響する。

　冷却に要するエネルギーの削減についても、常時圧送ポンプが駆動されている点、および複数枚の冷却板に並行して冷却液が供給されている点が問題になる。本来は、ＩＧＢＴが高温になったときだけ冷却すれば、冷却に要するエネルギーを削減できると考えられる。また、複数枚の冷却板に冷却液を並行して供給するようにすると大容量のポンプが必要になるのでエネルギーが無駄になると思われる。しかし、そのような点に関する考慮は特許文献１には記載されていない。

　本発明は、上記したような問題点を解決した、電動射出成形機のインバータの冷却方法およびインバータ冷却装置を提供することを目的としている。具体的には、本発明は、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタの寿命を可及的に長くすることができ、冷却に要するエネルギーコストが小さい、電動射出成形機のインバータの冷却方法およびインバータ冷却装置を提供することを目的としている。

　本発明は、本発明の目的を達成するために、電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータを冷却する方法として構成する。インバータを構成しているパワートランジスタは所定の冷却板に取付ける。この冷却板の内部には冷却液管を設け、冷却液を供給して冷却するようにする。冷却液は、射出成形の成形サイクルに同期して供給する流量を変化させるように構成する。また、冷却板には複数個分のインバータに相当する複数組のパワートランジスタを取付けるようにし、冷却液が複数組のパワートランジスタの近傍を循環するように構成する。

　本発明の上記目的は、下記構成により達成される。
（１）　電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータを冷却する方法であって、前記インバータを、該インバータを構成しているパワートランジスタが冷却液によって冷却される所定の冷却板に取付け、前記冷却液の供給流量を射出成形の成形サイクルに同期して変化させる電動射出成形機のインバータの冷却方法。

（２）　上記（１）に記載の冷却方法において、前記冷却板に複数個分の前記インバータに相当する複数組の前記パワートランジスタを取付け、前記冷却液を前記複数組のパワートランジスタの近傍で循環させる電動射出成形機のインバータの冷却方法。

（３）　電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータを冷却するインバータ冷却装置であって、前記インバータ冷却装置は、前記インバータを構成しているパワートランジスタが取付けられる冷却板と、前記冷却板の内部に形成されている冷却液管に冷却液を供給するポンプとから構成され、前記ポンプは、インバータ制御されるモータにより駆動され、射出成形の成形サイクルに同期して前記冷却液の流量が変化するように構成されている電動射出成形機のインバータ冷却装置。

（４）　上記（３）に記載のインバータ冷却装置において、前記冷却板は複数個分の前記インバータに相当する複数組の前記パワートランジスタが取付けられ，前記冷却液管は前記複数組のパワートランジスタのそれぞれの近傍で循環している電動射出成形機のインバータ冷却装置。

　以上のように本発明は、電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータを冷却する方法であって、インバータは、該インバータを構成しているパワートランジスタを冷却液によって冷却される所定の冷却板に取付け、冷却液は射出成形の成形サイクルに同期して供給する流量を変化させるように構成されている。そうするとまず、インバータは水冷式で冷却するので、冷却効率が高くなり、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタのジャンクション温度の大幅な上昇を確実に抑制できる。これによってＩＧＢＴ等のパワートランジスタの寿命を延ばすことができる。さらに、冷却効率が高いので冷却装置を小さくすることができ、コストも小さくすることができる。

　ところで、電動射出成形機にはサーボモータ等のブラシレスモータが複数個設けられているが、成形サイクルの各工程において駆動されるブラシレスモータは一部だけであり、他は停止している。そして、他と比して高出力が要されるブラシレスモータは、射出工程において使用される射出用サーボモータであり、発熱量が大きいのはこれを駆動するサーボアンプ、つまりインバータということができる。

　本発明によると、冷却液は射出成形の成形サイクルに同期して供給する流量を変化させるように構成されているので、発熱量の大きさに応じて冷却液の流量をきめ細かく制御できる。具体的には、射出工程において冷却液の流量を大きくする等の対応ができる。そうすると必要な時だけインバータを冷却することが可能になり、パワートランジスタの過度な冷却を防止できる。これによってジャンクション温度の変化をさらに小さくでき、パワートランジスタの寿命を延ばすことができる。そして、冷却に要するコストを小さくできる。

　他の発明によると、冷却板には複数個分のインバータに相当する複数組のパワートランジスタを取付けるようにし、冷却液が複数組のパワートランジスタの近傍を循環するように構成されている。ところで、前記したように電動射出成形機に設けられている複数のブラシレスモータは、成形サイクルの各工程の一部でのみ使用されるので、成形サイクル全体で見ると同時に駆動されているブラシレスモータの個数は少ない。そうすると、同時に駆動されているインバータの個数も少ない。本発明によると冷却板には複数組のパワートランジスタが設けられて、冷却液はこれらを循環するので、複数個のインバータが同時に冷却されていると言える。そうすると、冷却液は少なくて済み、冷却装置を小型でかつ低コストで提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動射出成形機のインバータ冷却装置を示す図である。図１の（ａ）、図１の（ｂ）、図１の（ｃ）はそれぞれ、複数組のインバータのＩＧＢＴが取付けられている本実施の形態に係る冷却板の正面図、側面図、正面断面図である。図１の（ｄ）は本実施の形態に係るインバータ冷却装置の正面図である。図２は、成形サイクルにおいて変化する消費電力と、本実施の形態に係るインバータ冷却装置の冷却液の供給量とを示すグラフである。図３は、ＩＧＢＴを駆動したときのＩＧＢＴのジャンクション温度の変化とＩＧＢＴが入れられているケースの温度の変化とを示すグラフである。

　本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る電動射出成形機も、従来の電動射出成形機と同様に、サーボモータ等の複数個のブラシレスモータによって駆動されるようになっている。これらのブラシレスモータは、インバータによって生成された三相交流電圧によって駆動されるようになっている。本実施の形態に係る電動射出成形機において、インバータは本実施の形態に係るインバータ冷却装置に設けられている。本実施の形態に係るインバータ冷却装置１は、後で詳しく説明するが、図１の（ｄ）に示されているように、２枚の冷却板２、２を備えている。本実施の形態に係るインバータ冷却装置１の特徴は、水冷式である点、これらの冷却板２、２へ冷却液を供給する制御方法、および冷却板２の形状とインバータの配置にある。

　最初に冷却板２について説明する。冷却板２はアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属から構成され、図１の（ａ）、（ｂ）に示されているように、長辺が長い長方形で所定の板厚に形成されている。従来のインバータにおいては、１個のインバータを構成する３個のＩＧＢＴが１組として所定の冷却板に取付けられている。これに対し、本実施の形態においては、１枚の冷却板２に対して、その表面と裏面とに６個のインバータ５ａ、５ｂ、…に相当する６組のＩＧＢＴ６、６、…、つまり１８個のＩＧＢＴ６、６、…が取付けられている。つまり、本実施の形態は、比較的多くのインバータ５ａ、５ｂ、…が１枚の冷却板２に取付けられている点に特徴がある。これらのＩＧＢＴ６、６、…を冷却するために、冷却板２の内部には、図１の（ｃ）に示されているように、冷却液管８が設けられ冷却液が循環するようになっている。

　本実施の形態において、冷却液管８は、冷却板２の内部を長辺方向に２往復しており、冷却液管８の出入口である管路端子９、９が冷却板２の一方の短辺に設けられている。冷却液は不銹剤、凍結防止剤等が添加された水からなり、液体なので熱容量が大きい。従って、冷却板２は多数のＩＧＢＴ６、６、…が設けられていてもこれらを効率よく冷却することができる。そして、長辺方向に２往復する冷却液管８によって全てのＩＧＢＴ６、６、…を均等に冷却することができる。

　本実施の形態に係るインバータ冷却装置１は、このような２枚の冷却板２、２と、冷却液を所定量貯めるリザーブタンク１１と、リザーブタンク１１の冷却液を冷却板２、２に供給するポンプ１４と、冷却板２、２から戻されて液温が高くなった冷却液が冷却される熱交換器１２と、リザーブタンク１１とポンプ１４と冷却板２、２と熱交換器１２とを接続して冷却液を循環させる冷却液循環管路とから構成されている。

　熱交換器１２には、外部から供給される外部冷却水が供給されるようになっており、冷却液と熱交換されるようになっている。熱交換器１２における熱交換によって、リザーブタンク１１内の冷却液は所定の温度範囲に維持されている。このように構成されているので、ポンプ１４を駆動すると冷却液が循環して冷却板２、２を冷却して、インバータ５ａ、５ｂ、…を冷却できる。

　ところで、本実施の形態においてポンプ１４は、インバータ制御されるモータによって駆動されるようになっている。従って、モータの回転数を変化させることによって、冷却液の供給量を変化させることができるようになっている。

　本実施の形態に係るインバータ冷却装置１の運転方法を説明する。電動射出成形機において射出成形の成形サイクルを実施すると、各工程において所定のブラシレスモータを回転させるためにインバータを駆動するので、インバータにおける電流が変化する。実際の電流の変化は複雑であるが、図２には電流のおおよその変化を模式的に示したグラフが示されている。成形サイクルにおいては、計量工程は符号２１によって示されているように比較的長時間に渡って可塑化モータを駆動するので電流が所定値で安定する。型開閉工程においては符号２２に示されているように短時間に若干高い電流が流れる。そして、射出工程においては符号２３に示されているように短時間に高い電流が流れる。

　ところで、図３に示されているように、インバータを符号２５に示されているように駆動すると、インバータを構成しているＩＧＢＴは温度が上昇し、駆動を停止すると温度は低下する。より詳しく説明すると、ＩＧＢＴのパッケージ温度は符号２６に示されているように変化し、ジャンクション温度は符号２７に示されているように変化する。インバータにおける電流の大きさはインバータの駆動時間によって変化するが、ＩＧＢＴの温度の上昇にも影響する。従って、計量工程２１に比して射出工程２３はＩＧＢＴの温度の上昇の度合いは大きい。

　ところで、ジャンクション温度の変化差の大きさがＩＧＢＴの寿命に影響するので、温度の変化差が小さくなるようにインバータを冷却したい。また、過大な冷却能力を必要としないときには、冷却に要するコストを低下させたい。そこで、本実施の形態においては、インバータ冷却装置１において冷却板２、２に供給する冷却液の量を、成形サイクルに同期して変化させ、少なくともインバータにおける電流が最も大きくなる射出工程２３において最大の供給量になるようにする。

　図２に示されている符号３０のグラフは、そのような冷却液の供給量の変化の一例である。計量工程２１を含む全体としては一定の供給量とし、型開閉工程では若干多くなるように、そして、射出工程２３においては最大の供給量になるようにする。このように運転することにより、ＩＧＢＴのジャンクション温度の変化が小さくなり、ＩＧＢＴの寿命が延びる。そして、冷却に要するコストを抑制することができる。

　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

　本発明を詳細にまた特定の実施の態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

　本出願は、２０１５年７月１０日出願の日本特許出願（特願２０１５－１３８２９７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　ここで、上述した本発明に係る電動射出成形機のインバータの冷却方法およびインバータ冷却装置の実施の形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［４］に簡潔に纏めて列記する。

［１］　電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータ（５ａ～５ｆ）を冷却する方法であって、前記インバータ（５ａ～５ｆ）を、該インバータ（５ａ～５ｆ）を構成しているパワートランジスタ（ＩＧＢＴ６）が冷却液によって冷却される所定の冷却板（２）に取付け、前記冷却液の供給流量を射出成形の成形サイクルに同期して変化させる電動射出成形機のインバータの冷却方法。

［２］　上記［１］に記載の冷却方法において、前記冷却板（２）に複数個分の前記インバータ（５ａ～５ｆ）に相当する複数組の前記パワートランジスタ（ＩＧＢＴ６）を取付け、前記冷却液を前記複数組のパワートランジスタの近傍で循環させる電動射出成形機のインバータの冷却方法。

［３］　電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータ（５ａ～５ｆ）を冷却するインバータ冷却装置（１）であって、前記インバータ冷却装置（１）は、前記インバータ（５ａ～５ｆ）を構成しているパワートランジスタ（ＩＧＢＴ６）が取付けられる冷却板（２）と、前記冷却板（２）の内部に形成されている冷却液管（８）に冷却液を供給するポンプ（１４）とから構成され、前記ポンプ（１４）は、インバータ制御されるモータにより駆動され、射出成形の成形サイクルに同期して前記冷却液の流量が変化するように構成されている電動射出成形機のインバータ冷却装置（１）。

［４］　上記［３］に記載のインバータ冷却装置（１）において、前記冷却板（２）は複数個分の前記インバータ（５ａ～５ｆ）に相当する複数組の前記パワートランジスタ（ＩＧＢＴ６）が取付けられ，前記冷却液管（８）は前記複数組のパワートランジスタ（ＩＧＢＴ６）のそれぞれの近傍で循環している電動射出成形機のインバータ冷却装置（１）。

　本発明によれば、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタの寿命を可及的に長くすることができ、冷却に要するエネルギーコストが小さい、電動射出成形機のインバータの冷却方法およびインバータ冷却装置を提供することができる。このような効果を奏する本発明は、電動射出成形機のインバータの冷却方法およびインバータ冷却装置の分野において有用である。

　　１　　　インバータ冷却装置
　　２　　　冷却板
　　５ａ、５ｂ、５ｃ　　　インバータ
　　６　　　ＩＧＢＴ
　　８　　　冷却液管
　１１　　　リザーブタンク
　１２　　　熱交換器
　１４　　　ポンプ

Claims

　電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータを冷却する方法であって、前記インバータを、該インバータを構成しているパワートランジスタが冷却液によって冷却される所定の冷却板に取付け、前記冷却液の供給流量を射出成形の成形サイクルに同期して変化させる電動射出成形機のインバータの冷却方法。
　請求項１に記載の冷却方法において、前記冷却板に複数個分の前記インバータに相当する複数組の前記パワートランジスタを取付け、前記冷却液を前記複数組のパワートランジスタの近傍で循環させる電動射出成形機のインバータの冷却方法。
　電動射出成形機のブラシレスモータを駆動するインバータを冷却するインバータ冷却装置であって、前記インバータ冷却装置は、前記インバータを構成しているパワートランジスタが取付けられる冷却板と、前記冷却板の内部に形成されている冷却液管に冷却液を供給するポンプとから構成され、前記ポンプは、インバータ制御されるモータにより駆動され、射出成形の成形サイクルに同期して前記冷却液の流量が変化するように構成されている電動射出成形機のインバータ冷却装置。
　請求項３に記載のインバータ冷却装置において、前記冷却板は複数個分の前記インバータに相当する複数組の前記パワートランジスタが取付けられ，前記冷却液管は前記複数組のパワートランジスタのそれぞれの近傍で循環している電動射出成形機のインバータ冷却装置。