JP2021049661A - 射出成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータを用いてバレル内の樹脂材料を溶融させる射出成形装置において、バレルの温度制御応答性およびエネルギー効率を向上させる。【解決手段】金型３のキャビティ９と連通する、軸方向に延びる中空部１１が形成されたバレル１０と、中空部１１に投入された樹脂材料６０を加熱するカートリッジヒータ５０と、を備える射出成形装置１である。カートリッジヒータ５０は、棒状であり、中空部１１の周りで中空部１１に沿って軸方向に延びるようにバレル１０に内蔵されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータを用いてバレル内の樹脂材料を溶融させる射出成形装置に関するものである。

金型のキャビティと連通する、バレルに形成された軸方向に延びる中空部に樹脂材料を投入し、投入された樹脂材料をヒータで溶融しながら、中空部内に回転可能かつ進退可能に設けられたスクリューにてキャビティへ押し出すことで、所望の形状の樹脂製品を成形する射出成形装置が従来から知られている。

このような射出成形装置において樹脂材料を溶融させるヒータとしては、バレルの外周面に巻き付けられた、軸方向に並ぶ複数のバンドヒータを用いるのが一般的である（例えば特許文献１）。

特開２０１８−００１７１３号公報

しかしながら、バレルの外周面に巻き付けられたバンドヒータを用いて、バレルの中空部に投入された樹脂材料を溶融させる、上記特許文献１を初めとする従来の射出成形装置には、以下のような問題がある。

すなわち、従来の射出成形装置では、バレルの外周面に巻き付けられたバンドヒータから、中空部に投入された樹脂材料に熱が伝わるまでに、バレルの肉厚の分だけ時間がかかるため、温度制御応答性が悪く、温度調整に時間がかかってしまうという問題がある。

また、バンドヒータの場合、加熱面である内周面および外周面のうち、バレルと接しているのは内周面だけであり、外周面の熱は外気や保温ジャケットに放熱されてしまうため、昇温時のエネルギー効率が悪い（熱損失が大きい）という問題もある。

さらに、これら伝熱性およびエネルギー効率が悪いという欠点を補いつつ、昇温完了までの時間を短縮するために、バンドヒータのワット数を上げると、加熱面が高温になり過ぎてしまうため、バンドヒータ内部の絶縁層が熱劣化し、バンドヒータの寿命が短くなるという問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヒータを用いてバレル内の樹脂材料を溶融させる射出成形装置において、バレルの温度制御応答性およびエネルギー効率を向上させる技術を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る射出成形装置では、樹脂材料を溶融するためのヒータを、バレルの外周面に巻き付けるのではなく、バレルの内部に配置するようにしている。

具体的には、本発明は、金型のキャビティと連通する、軸方向に延びる中空部が形成されたバレルと、当該中空部に投入された樹脂材料を加熱するヒータと、を備える射出成形装置を対象としている。

そして、この射出成形装置は、上記ヒータは、棒状であり、上記中空部の周りで当該中空部に沿って軸方向に延びるように上記バレルに内蔵されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、中空部の周りで中空部に沿って軸方向に延びるように、棒状のヒータがバレルに内蔵されていることから、中空部に投入された樹脂材料を確実に溶融させることができる。

しかも、ヒータをバレルに内蔵することによって、ヒータと中空部との距離が短縮されることから、バレルの肉厚の分だけ中空部と離れるバンドヒータに比して、温度制御応答性を向上させることができる。また、ヒータをバレルに内蔵することによって、バレル外への放熱が抑制されるので、昇温時のエネルギー効率を向上させることができる。このように、温度制御応答性およびエネルギー効率が向上することで、ヒータのワット数を上げなくても昇温完了までの時間を短縮することが可能となることから、ヒータが高温になり過ぎるのを抑えて、ヒータの寿命を延ばすことができる。

以上説明したように、本発明に係る射出成形装置によれば、バレルの温度制御応答性およびエネルギー効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る射出成形装置を模式的に示す縦断面図である。 計量時における射出成形装置を模式的に示す縦断面図である。 射出時における射出成形装置を模式的に示す縦断面図である。 バレルを模式的に示す図であり、同図（ａ）は斜視図であり、同図（ｂ）は横断面図である。 ＣＡＥ解析に用いたバレルモデルを模式的に示す図である。 バレルの肉厚と局所応力との関係を示すグラフ図である。 バレルにおける温度制御位置を示す模式図である。 カートリッジヒータにおける発熱部の組合せを模式的に示す図である。 昇温完了時におけるバレル軸方向の温度分布を模式的に示すグラフ図である。 バレルにおける温度検出位置を示す模式図である。 成形時における、時間経過に伴うバレルの温度変化を模式的に示すグラフ図である。 始動時における昇温時間を模式的に示すグラフ図である。 成形中の消費電力量の推移を模式的に示すグラフ図である。 バレルにおける温度制御位置を示す模式図である。 カートリッジヒータを模式的に示す図である。 昇温完了時におけるバレル軸方向の温度分布を模式的に示すグラフ図である。 従来のバレルを模式的に示す斜視図である。 従来のバレルにおけるヒータ通電時間とバレル内部温度との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

−射出成形装置−
図１は、本発明の実施形態に係る射出成形装置１を模式的に示す縦断面図である。射出成形装置１は、金型３と、バレル１０と、ホッパユニット２０と、スクリュー３０と、押出し装置４０と、カートリッジヒータ５０と、を備えている。この射出成形装置１は、ホッパユニット２０からバレル１０内に投入された樹脂材料６０を、カートリッジヒータ５０による加熱およびスクリュー３０による剪断発熱によって溶融しながら、溶融した樹脂材料（以下、「溶融樹脂材料６０’」ともいう。図２および図３参照。）を、押出し装置４０により進退するスクリュー３０によって金型３のキャビティ９へ押し出すことで、所望の形状の樹脂製品を成形するものである。

金型３は、シリンダ（図示せず）の駆動力によりバレル１０の軸方向（図１の左右方向）に移動可能に構成された可動プラテン（図示せず）に支持される可動金型５と、移動不能に設けられた固定プラテン（図示せず）に支持された固定金型７と、を備えている。固定金型７には、スクリュー３０によって押し出される溶融樹脂材料６０’が流れ込むゲート７ａが形成されている。

この金型３では、シリンダの駆動によって可動金型５が図１の右側に移動して型締めされることにより、可動金型５と固定金型７との間に所定形状（成形する樹脂製品と同じ形状）のキャビティ９が形成されるようになっている。また、この金型３には、キャビティ９内に射出された溶融樹脂材料６０’を冷却するための水冷式の冷却装置（図示せず）が設けられている。

ホッパユニット２０は、ユニット本体２１と、ホッパ２５と、を有している。ユニット本体２１には、バレル１０の軸方向と同じ方向に延びる貫通孔２３が形成されている。ホッパ２５は、ユニット本体２１の上部に接続されていて、その下端の材料落下口が貫通孔２３と連通している。これにより、ホッパ２５に供給された樹脂材料６０等が、ホッパ２５の材料落下口から貫通孔２３へ投入されるようになっている。

樹脂材料６０は、特に限定されないが、例えばペレット状のＰＰ（ポリプロピレン）を挙げることができる。また、樹脂材料６０と共に、発泡剤を投入してもよく、発泡剤としては、化学発泡剤（例えば炭酸水素ナトリウム系発泡剤等）や物理発泡剤（例えば発泡性マイクロカプセル等）を挙げることができる。

バレル１０は、先端部（図１の左側の端部）が金型３（固定金型７）に接続されている一方、基端部（図１の右側の端部）がホッパユニット２０（ユニット本体２１）に接続されている。

より詳しくは、バレル１０には、軸方向に延びるとともに、その先端部１１ａがバレル１０の先端に向かって窄む中空部１１が形成されている。中空部１１の先端部１１ａは、バレル１０の先端部に形成されたノズル孔１３と繋がっている。バレル１０は、固定金型７に形成されたゲート７ａとノズル孔１３とが連通するように、先端部が固定金型７に接続されている。これにより、中空部１１は、ノズル孔１３およびゲート７ａを介して、金型３のキャビティ９と連通している。

一方、バレル１０の基端部にはフランジ（図示せず）が形成されており、かかるフランジをユニット本体２１にボルト締結することで、バレル１０の基端部がホッパユニット２０に接続されている。なお、ユニット本体２１の貫通孔２３の径と、中空部１１の径とは、同じ径に設定されており、バレル１０の基端部がホッパユニット２０に接続された状態では、図１に示すように、貫通孔２３の孔壁面と中空部１１の壁面とが面一になっている。

スクリュー３０は、バレル１０の中空部１１およびホッパユニット２０の貫通孔２３に回転可能かつ進退可能に収容されている。スクリュー３０は、ホッパ２５を経て貫通孔２３に投入された樹脂材料６０（および発泡剤）を、その回転によってバレル１０の中空部１１に送りながら混練するとともに、カートリッジヒータ５０による加熱に加え、その剪断発熱によって樹脂材料６０を溶融する。また、スクリュー３０は、回転しながら適宜な長さ後退することにより、溶融樹脂材料６０’を計量し、中空部１１の先端部１１ａに所望量の溶融樹脂材料６０’を貯溜する役割を担うとともに、回転することなく前進することで射出圧を発生させて、貯溜された溶融樹脂材料６０’をノズル孔１３およびゲート７ａを経由して金型３のキャビティ９に射出する役割を担っている。なお、中空部１１に投入された樹脂材料６０を加熱するカートリッジヒータ５０については後述する。

押出し装置４０は、コントローラ（図示せず）と電気的に接続されていて、コントローラからの指令信号に従って、レール４３上をバレル１０の軸方向に進退するように構成されている。また、押出し装置４０は、コントローラからの指令信号に従って回転するロッド４１を有していて、かかるロッド４１の先端がスクリュー３０の後端に接続されている。これにより、押出し装置４０のロッド４１を制御することでスクリュー３０の回転／停止が制御されるとともに、押出し装置４０をレール４３上で進退させることでスクリュー３０がバレル１０内で軸方向に進退するようになっている。

つまり、本実施形態の射出成形装置１では、樹脂材料６０の溶融、溶融樹脂材料６０’の計量、および、金型３のキャビティ９への溶融樹脂材料６０’の押出しが、コントローラからの指令に従って行われるようになっている。

−射出成形−
次に、以上のように構成された射出成形装置１を用いた射出成形の概略について、図１〜図３を用いて説明する。図２は、計量時における射出成形装置１を模式的に示す縦断面図であり、図３は、射出時における射出成形装置１を模式的に示す縦断面図である。

先ず、可動プラテンが固定プラテンから遠ざかっている状態から、シリンダの駆動によって可動プラテンを固定プラテンに近付けて、図１に示すように、可動金型５と固定金型７とを型締めすることで、これらの間に所定形状のキャビティ９が形成される。このとき、押出し装置４０はレール４３の前端部に位置している。

この状態で、ホッパ２５から貫通孔２３に樹脂材料６０を投入する。貫通孔２３に投入された樹脂材料６０は、スクリュー３０の回転によってバレル１０の中空部１１に送られながら、カートリッジヒータ５０により加熱されて次第に溶融し始める。溶融し始めた樹脂材料６０は、中空部１１の先端側に送られながら、スクリュー３０の回転によって強い圧縮・剪断力を受けるとともに、カートリッジヒータ５０で加熱されることで積極的に溶融される。このようにして概ね溶融された樹脂材料６０は、スクリュー３０の回転によって更に先端側に送られながら攪拌混練されることで、完全且つ均一に溶融された溶融樹脂材料６０’となる。そうして、押出し装置４０によってスクリュー３０を回転させながら適宜な長さ後退させることにより、溶融樹脂材料６０’が計量され、図３に示すように、中空部１１の先端部１１ａに所望量の溶融樹脂材料６０’が貯溜される。このとき、押出し装置４０はレール４３の中央部に位置している。

次いで、スクリュー３０の回転を停止させ、押出し装置４０をレール４３上で前進させてスクリュー３０を軸方向に前進させることにより、図４に示すように、貯溜されている溶融樹脂材料６０’が押し出されてキャビティ９内に射出され、射出工程が終了する。

射出工程が終了した後、金型３に備えられた冷却装置によって溶融樹脂材料６０’が冷却される。その後、溶融樹脂材料６０’の硬化に伴ってキャビティ９の形状に応じた樹脂製品が成形されることになる。このようにして成形された射出成形品は、シリンダの駆動によって可動プラテンが後退して、型開きされることで金型３から取り出される。

−カートリッジヒータ−
次に、本実施形態の射出成形装置１に用いられるカートリッジヒータ５０について説明するが、本実施形態を理解し易くするために、これに先立ち、従来の射出成形装置について説明する。

図１７は、従来のバレル１１０を模式的に示す斜視図であり、図１８は、従来のバレル１１０におけるヒータ通電時間とバレル内部温度との関係を示すグラフ図である。なお、図１８の破線は、バレル内部温度の理論上の昇温曲線を示す一方、図１８の実線は、バレル１１０におけるバレル内部温度の実測値を示している。

従来の射出成形装置においては、樹脂材料を溶融させるヒータとして、図１７に示すように、バレル１１０の外周面に巻き付けられた、軸方向に並ぶ複数のバンドヒータ１５０を用いるのが一般的である。しかしながら、バレル１１０の外周面に巻き付けられたバンドヒータ１５０を用いて、バレル１１０の中空部１１１に投入された樹脂材料を溶融させる従来の射出成形装置には、以下のような問題がある。

先ず、従来の射出成形装置では、バレル１１０の外周面に巻き付けられたバンドヒータ１５０から、中空部１１１に投入された樹脂材料に熱が伝わるまでに、バレル１１０の肉厚Ｔの分だけ時間がかかるため、温度制御応答性が悪いという問題がある。具体的には、図１８に示す例では、理論上は目標温度Ｔｔに約１０（分）で到達する筈のところが、実際には目標温度Ｔｔに到達するまでに３０（分）近くかかってしまい、温度調整に時間がかかるという問題がある。

また、バンドヒータ１５０の場合、加熱面である内周面１５０ａおよび外周面１５０ｂのうち、バレル１１０と接しているのは内周面１５０ａだけであり、図１７の白抜き矢印で示すように、内周面１５０ａで発生する熱は中空部１１１側に伝わる一方、図１７の黒塗り矢印で示すように、外周面１５０ｂで発生する熱は外気や保温ジャケットに放熱されてしまうため、昇温時のエネルギー効率が悪い（熱損失が大きい）という問題もある。

さらに、これら伝熱性およびエネルギー効率が悪いという欠点を補いつつ、昇温完了までの時間を短縮するために、バンドヒータ１５０のワット数を上げると、加熱面が高温になり過ぎてしまうため、バンドヒータ１５０内部の絶縁層が熱劣化し、バンドヒータ１５０の寿命が短くなるという問題もある。

そこで、本実施形態に係る射出成形装置１では、樹脂材料６０を溶融するためのヒータを、バレル１０の外周面に巻き付けるのではなく、バレル１０の内部に配置するようにしている。具体的には、中空部１１に投入された樹脂材料６０を加熱する棒状のカートリッジヒータ５０を、中空部１１の周りで、中空部１１に沿って軸方向に延びるようにバレル１０に内蔵するようにしている。

図４は、バレル１０を模式的に示す図であり、同図（ａ）は斜視図であり、同図（ｂ）は横断面図である。カートリッジヒータ５０は、セラミックのコア（図示せず）を軸として螺旋状に巻回されたニクロム線（図示せず）を金属製のシースで覆ったものであり、円環状のバンドヒータ１５０とは異なり、図４（ａ）に示すように、棒状をなしている。このカートリッジヒータ５０は、抵抗加熱によって発熱するものであり、ニクロム線に電圧を加えて電流を流すことで、ニクロム線が熱を発生して、シースの全周から熱を発するように構成されている。

なお、図４（ａ）のカートリッジヒータ５０における、ハッチングを施した部位は、電圧を加えることで熱を発する発熱部５１であり、また、白抜きで表す部位は、電圧を加えても発熱しない非発熱部５３である。このように、カートリッジヒータ５０をその全長に亘って発熱部５１だけで構成するのではなく、発熱部５１の間に非発熱部５３を介在させることで、後述するように、きめ細かい温度制御が可能となる。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、バレル１０には、中空部１１に沿って軸方向に延びる断面円形の挿入孔１５が、中空部１１の周りに等間隔で６つ形成されており、これら６つの挿入孔１５にカートリッジヒータ５０をそれぞれ挿入することで、中空部１１の周りで、中空部１１に沿って軸方向に延びるように、カートリッジヒータ５０がバレル１０に内蔵されるようになっている。また、ニクロム線に電流を流す電源コード５５は、図１に示すように、ホッパユニット２０のユニット本体２１を通って、印加する電圧を調整可能な外部電源（図示せず）に接続されている。なお、６つの挿入孔１５（カートリッジヒータ５０）は、飽くまでも例示であり、バレル１０に内蔵されるカートリッジヒータ５０の数には特に制限はない。

このように、中空部１１の周りで中空部１１に沿って軸方向に延びるようにカートリッジヒータ５０がバレル１０に内蔵されていることから、本実施形態の射出成形装置１では、中空部１１に投入された樹脂材料６０を確実に溶融させることができる。

しかも、カートリッジヒータ５０をバレル１０に内蔵することによって、カートリッジヒータ５０と中空部１１との距離が短縮されることから、バレル１１０の肉厚Ｔの分だけ中空部１１１と離れるバンドヒータ１５０に比して、温度制御応答性を向上させることができる。また、カートリッジヒータ５０をバレル１０に内蔵することによって、バレル１０外への放熱が抑制されるので、昇温時のエネルギー効率を向上させることができる。このように、温度制御応答性およびエネルギー効率が向上することで、カートリッジヒータ５０のワット数を上げなくても昇温完了までの時間を短縮することが可能となることから、カートリッジヒータ５０が高温になり過ぎるのを抑えて、カートリッジヒータ５０の寿命を延ばすことができる。

−実験例−
次に、本発明の有用性を確認するために行った各種実験例について説明する。

〈実験例１〉バレル強度
高温・高圧が繰り返し作用するバレル１０には、一定以上の強度が要求されるが、バレル１０にカートリッジヒータ５０を挿入するための挿入孔１５を形成した場合には、そのような挿入孔１５を形成していない場合に比して、バレルの強度（バレル強度）は当然低下する。そこで、本実験例では、目標とするバレル強度を得るのに必要なバレル１０の肉厚Ｔ（以下、「バレル肉厚Ｔ」ともいう。）について検証した。

図５は、ＣＡＥ解析に用いたバレルモデルを模式的に示す図である。本実験例では、図５に示すように、中空部１１の径がφ１０５（ｍｍ）のバレル１０をモデルとしてＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析を行った。その際、下記の表１に示す４つのタイプのバレルについて、バレル肉厚Ｔを６０（ｍｍ）、９０（ｍｍ）、１２０（ｍｍ）の３水準で変化させた。なお、タイプＤは、挿入孔１５を形成していない従来のバレル１１０であり、特に、タイプＤのうちバレル肉厚Ｔが６０（ｍｍ）のものは従来の市販品に当たる。

図６は、ＣＡＥ解析によって得られた、バレル肉厚Ｔと局所応力との関係を示すグラフ図である。図６に示すように、バレル肉厚Ｔが６０（ｍｍ）のものについては、局所最大応力が目標値である３２０（ＭＰａ）を下回ったのは、挿入孔１５を形成していないタイプＤだけであった。つまり、カートリッジヒータ５０を挿入するための挿入孔１５を形成したバレル１０は、疲労限界こそ下回ったものの、タイプＡ、Ｂ、Ｃのいずれにおいても、目標値である３２０（ＭＰａ）を上回る結果となった。

これに対し、バレル肉厚Ｔが９０（ｍｍ）および１２０（ｍｍ）のものについては、挿入孔１５を形成したタイプＡ、Ｂ、Ｃのいずれにおいても、目標値である３２０（ＭＰａ）を下回る結果となった。

以上より、中空部１１の径がφ１０５（ｍｍ）のバレル１０に、本発明を適用する場合には、バレル肉厚Ｔを９０（ｍｍ）以上とすることで、目標とするバレル強度を確保することが可能であることが確認された。

〈実験例２〉バレル軸方向の温度分布
本実験例では、カートリッジヒータ５０を用いた場合における、バレル軸方向の温度分布、換言すると、バレル軸方向の温度のバラツキについて検証した。

図７は、バレル１０における温度制御位置ＣＰを示す模式図であり、図８は、カートリッジヒータ５０における発熱部５１の組合せを模式的に示す図である。具体的な実験方法としては、昇温完了時における、図７の温度制御位置ＣＰの温度が目標温度Ｔｔとなるように、カートリッジヒータ５０に電圧を加えた（電流を流した）場合に、バレル軸方向における、温度制御位置ＣＰ以外の位置の温度がどのように分布するかを温度センサで検出した。

その際、カートリッジヒータ５０として、Ａタイプ（均一ワット密度タイプ）とＢタイプ（ワット密度変化タイプ）を用意した。Ａタイプ（均一ワット密度タイプ）とは、図８（ａ）に示すように、非発熱部５３を介在させて８００（Ｗ）の発熱部５１ａ，５１ｂ，５１ｃを軸方向に３つ並べたものである。一方、Ｂタイプ（ワット密度変化タイプ）とは、図８（ａ）に示すように、８００（Ｗ）の発熱部５１ａ、４００（Ｗ）の発熱部５１ｂ’、および、８００（Ｗ）の発熱部５１ｃを、非発熱部５３を介在させてこの順で軸方向に並べたものである。

図９は、昇温完了時におけるバレル軸方向の温度分布を模式的に示すグラフ図である。図９において、破線はＡタイプの温度分布を、また、実線はＢタイプの温度分布をそれぞれ示している。なお、グラフの横軸はバレル軸方向の位置を表し、カートリッジヒータ５０の先端（金型３側の端）が０（ｍｍ）に対応し、また、温度制御位置ＣＰは４００（ｍｍ）に対応している。

図９の破線で示すように、８００（Ｗ）の発熱部５１ａ，５１ｂ，５１ｃを３つ並べたＡタイプでは、約２００（ｍｍ）よりも先端側および約６００（ｍｍ）よりも基端側（押出し装置４０側）におけるバレル１０の温度が、目標温度Ｔｔを中心とする所定の目標温度帯ＴＲｔから外れていることが確認された。これは、温度制御位置ＣＰは、中央の発熱部５１ｂによる加熱の他に、両隣の発熱部５１ａ，５１ｃが発する熱の影響も受けるところ、温度制御位置ＣＰの温度が目標温度Ｔｔとなるように外部電源の電圧を制御すると（相対的に下げると）、相対的に電圧が下げられた両隣の発熱部５１ａ，５１ｃでしか加熱されない、約２００（ｍｍ）よりも先端側および約６００（ｍｍ）よりも基端側で、バレル１０の温度が下がってしまったことに因る。

これに対し、８００（Ｗ）の発熱部５１ａ，５１ｃの間に４００（Ｗ）の発熱部５１ｂ’を挟んだＢタイプでは、図９の実線で示すように、バレル軸方向の全域において、バレル１０の温度が目標温度帯ＴＲｔに収まることが確認された。これは、温度制御位置ＣＰは、両隣の発熱部５１ａ，５１ｃが発する熱の影響も受けるが、中央の発熱部５１ｂ’がそもそも４００（Ｗ）なので、外部電源の電圧を相対的に下げなくても、温度制御位置ＣＰの温度を目標温度Ｔｔとすることができ、これにより、発熱部５１ａ，５１ｃでしか加熱されない、約２００（ｍｍ）よりも先端側および約６００（ｍｍ）よりも基端側でも、バレル１０の温度が下がらなかったことに因る。

以上より、バレル１０に内蔵されるカートリッジヒータ５０としては、同じワット密度の発熱部５１を軸方向に並べたもの（均一ワット密度タイプ）よりも、異なるワット密度の発熱部５１を軸方向に並べたもの（ワット密度変化タイプ）の方が、温度制御という観点からはより好ましいことが確認された。

〈実験例３〉バレル周方向の温度分布
本実験例では、カートリッジヒータ５０を用いた場合における、バレル周方向の温度分布、換言すると、バレル周方向の温度のバラツキについて検証した。

図１０は、バレル１０における温度検出位置を示す模式図である。具体的な実験方法としては、図１０に示すように、ヒータ本数１２本のバレル１０を用意し、カートリッジヒータ５０の先端から２９０（ｍｍ）の位置で、周方向における隣り合うカートリッジヒータ５０の間の部位である１２カ所の部位から、ランダムに３カ所の測定位置（第１測定位置ｃｈ１、第２測定位置ｃｈ２および第３測定位置ｃｈ３）を選び、成形時における、第１〜第３測定位置ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３でのバレル１０の温度を温度センサで検出した。なお、カートリッジヒータ５０は、異なるワット密度の発熱部５１を軸方向に並べたもの（ワット密度変化タイプ）を用いた。

図１１は、成形時における、時間経過に伴うバレル１０の温度変化を模式的に示すグラフ図である。図１１に示すように、第１〜第３測定位置ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３のいずれにおいても、目標温度Ｔｔからのバラツキがほとんど生じないことが確認された。なお、第１〜第３測定位置ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３のいずれにおいてもバラツキ幅は±５（℃）以内に収まっていた。

以上より、カートリッジヒータ５０を内蔵したバレル１０では、カートリッジヒータ５０の配置等に特に工夫を凝らすことなく、その全周に亘って、ほぼ均一に樹脂材料６０を加熱可能であることが確認された。

〈実験例４〉始動時の昇温時間
本実験例では、始動時の昇温時間について検証した。具体的には、カートリッジヒータ５０が内蔵されたバレル１０と、バンドヒータ１５０が外周面に巻き付けられたバレル１１０とを用意し、両者１０，１１０について、外部電源をＯＮにしてから、バレル１０，１１０の温度が目標温度Ｔｔに達する（昇温完了）までの時間を計測した。なお、カートリッジヒータ５０は、異なるワット密度の発熱部５１を軸方向に並べたもの（ワット密度変化タイプ）を用いた。

図１２は、始動時における昇温時間を模式的に示すグラフ図である。図１２において、破線は比較例を、また、実線は本実施例をそれぞれ示している。

バンドヒータ１５０が外周面に巻き付けられたバレル１１０を用いた比較例では、バレル１１０の肉厚Ｔの分だけ時間がかかるため、図１２の破線で示すように、外部電源をＯＮにしてから昇温完了までに、３０（分）近くかかった（効率＝０．４）。

これに対し、カートリッジヒータ５０が内蔵されたバレル１０を用いた本実施例では、カートリッジヒータ５０と中空部１１との距離が短縮されることから、図１２の実線で示すように、外部電源をＯＮにしてから約１０（分）で昇温完了に至り、理論上の昇温曲線（効率＝１．０）とほぼ同様の結果が得られた。

なお、カートリッジヒータ５０が内蔵されたバレル１０を用いた場合には、バンドヒータ１５０が外周面に巻き付けられたバレル１１０を用いた場合に比して、昇温時の消費電力量を約７４（％）も低減することができた。

以上より、カートリッジヒータ５０を内蔵したバレル１０を用いる本実施形態の射出成形装置１では、バンドヒータ１５０が外周面に巻き付けられたバレル１１０を用いる従来の射出成形装置に比して、温度制御応答性を向上させることが可能であることが確認された。

〈実験例５〉成形中のヒータ消費電力量
本実験例では、成形中のヒータ消費電力量について検証した。具体的には、カートリッジヒータ５０が内蔵されたバレル１０と、バンドヒータ１５０が外周面に巻き付けられたバレル１１０とを用意し、両者１０，１１０について、成形中のヒータ消費電力量の推移を検証した。

図１３は、成形中の消費電力量の推移を模式的に示すグラフ図である。図１３において、破線は比較例を、また、実線は本実施例をそれぞれ示している。

図１３に示すように、カートリッジヒータ５０が内蔵されたバレル１０を用いた本実施例では、成形の全期間において、バンドヒータ１５０が外周面に巻き付けられたバレル１１０を用いた比較例に比して、消費電力量を抑えられることが確認された。具体的な数値を示すと、樹脂製品を１つ成形するに当たり、本実施例では、比較例に比して消費電力量を約４０（％）も低減することができた。

以上より、カートリッジヒータ５０を内蔵したバレル１０を用いる本実施形態の射出成形装置１では、バンドヒータ１５０が外周面に巻き付けられたバレル１１０を用いる従来の射出成形装置に比して、バレル１０外への放熱が抑制されるので、昇温時のエネルギー効率を向上させることが可能であることが確認された。

〈実験例６〉ゾーン別制御
本実験例では、均一ワット密度タイプのカートリッジヒータ５０において、軸方向に並ぶ発熱部５１をそれぞれ個別に制御した場合における、バレル１０の温度制御性について検証した。

図１４は、バレル１０における温度制御位置ＣＰ１，ＣＰ２を示す模式図であり、図１５は、カートリッジヒータ５０を模式的に示す図である。具体的な実験方法としては、カートリッジヒータ５０として、図１５に示すように、非発熱部５３を介在させて８００（Ｗ）の発熱部５１ａ，５１ｂが軸方向に２つ並べた均一ワット密度タイプのヒータで、且つ、発熱部５１ａの電源コード５５ａが第１外部電源（図示せず）に接続されている一方、発熱部５１ｂの電源コード５５ｂが第２外部電源（図示せず）に接続されているものを用意した。そうして、昇温完了時における、図１４の温度制御位置ＣＰ１および温度制御位置ＣＰ２の温度が共に目標温度Ｔｔとなるように、第１および第２外部電源の電圧をそれぞれ制御した場合に、バレル１０における温度制御位置ＣＰ１および温度制御位置ＣＰ２以外の位置の温度がどのように分布するかを温度センサで検出した。

図１６は、昇温完了時におけるバレル軸方向の温度分布を模式的に示すグラフ図である。発熱部５１ａ，５１ｂをそれぞれ個別に制御する本実施例では、図１６に示すように、均一ワット密度タイプのカートリッジヒータ５０を用いた場合でも、上記実施例２の場合と異なり、バレル軸方向の全域において、バレル１０の温度が目標温度帯ＴＲｔに収まることが確認された。

以上より、バレル１０に内蔵されるカートリッジヒータ５０としては、軸方向に並ぶ発熱部５１ａ，５１ｂを一律に制御するよりも、それぞれ個別に制御する方が、温度制御という観点からはより好ましいことが確認された。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態では、バレル１０に形成された挿入孔１５にカートリッジヒータ５０を挿入したが、これに限らず、例えば分割構造のバレルでカートリッジヒータ５０を挟むようにしてもよい。具体的には、軸方向に延びる複数の溝が外周面に形成された内筒（図示せず）と、外筒（図示せず）とを用意し、内筒の溝に嵌められたカートリッジヒータ５０を外筒で覆うことで、内筒と外筒との間にカートリッジヒータ５０を挟むようにしてもよい。

また、上記実験例６では、均一ワット密度タイプのカートリッジヒータ５０において、軸方向に並ぶ発熱部５１をそれぞれ個別に制御したが、これに限らず、ワット密度変化タイプのカートリッジヒータ５０において、軸方向に並ぶ発熱部５１をそれぞれ個別に制御してもよい。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明によると、バレルの温度制御応答性およびエネルギー効率を向上させることができるので、ヒータを用いてバレル内の樹脂材料を溶融させる射出成形装置に適用して極めて有益である。

１ 射出成形装置
３ 金型
９ キャビティ
１０ バレル
１１ 中空部
５０ カートリッジヒータ
６０ 樹脂材料

Claims (1)

1. 金型のキャビティと連通する、軸方向に延びる中空部が形成されたバレルと、当該中空部に投入された樹脂材料を加熱するヒータと、を備える射出成形装置であって、
   上記ヒータは、棒状であり、上記中空部の周りで当該中空部に沿って軸方向に延びるように上記バレルに内蔵されていることを特徴とする射出成形装置。

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