JP5946750B2 - 射出成形機、および射出成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機、および射出成形方法に関する。

射出成形機は、内部に成形材料（例えば樹脂ペレット）が供給されるシリンダと、シリンダ内に回転自在に且つ進退自在に配設されるスクリュと、シリンダの外周を囲むバンドヒータとを備える（例えば、特許文献１参照）。スクリュに形成される螺旋状の溝内に供給された樹脂は、スクリュの回転に伴って前方に送られると共に、シリンダからの熱等によって徐々に溶融される。溶融された樹脂がスクリュの前方に送られ、シリンダ前部に蓄積されるにつれ、スクリュが後退させられる。その後、スクリュが前進させられると、スクリュの前方に蓄積された溶融樹脂は、シリンダの前端に設けられる射出ノズルから射出され、金型装置のキャビティ空間に充填される。充填された溶融樹脂を固化させることによって成形品が得られる。

特開２００９−１３７０８３号公報

熱源であるバンドヒータと、成形材料との間にシリンダが存在し、成形材料の加熱効率が悪かった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、成形材料の加熱効率の良い射出成形機の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様による射出成形機は、
内部に成形材料が供給されるシリンダを備え、
前記シリンダには、前記成形材料を加熱する熱媒体を前記シリンダ内に供給する供給部が設けられ、
前記シリンダの内壁における前記熱媒体の供給口は、前記シリンダ内に配設されるスクリュの軸方向に細長い形状であるか、または、前記スクリュの軸方向に対して斜めの方向に細長い形状であり、
前記供給口の長さは、前記スクリュのフライトのピッチよりも長い。

本発明によれば、成形材料の加熱効率の良い射出成形機が得られる。

本発明の第１実施形態の射出成形機を示す図である。 本発明の第１実施形態の射出成形機におけるシリンダの断面図である。 本発明の第１実施形態の射出成形機におけるシリンダ内壁に形成される熱媒体の供給口を示す図である。 本発明の第２実施形態の射出成形機を示す図である。 本発明の第３実施形態の射出成形機を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。以下、樹脂の射出方向を前方とし、樹脂の射出方向とは反対方向を後方として説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の射出成形機を示す図である。図１において、図２に示すノズルブロック２１の図示を省略する。図２は、本発明の第１実施形態の射出成形機におけるシリンダの断面図であって、シリンダの軸方向と垂直な断面図である。図２において、説明の都合上、図１に示すフライト１６の図示を省略する。図３は、本発明の第１実施形態の射出成形機におけるシリンダ内壁に形成される熱媒体の供給口を示す図である。

射出成形機１０は、内部に成形材料（例えば樹脂ペレット）が供給されるシリンダ１１と、シリンダ１１の前端に設けられる射出ノズル１２と、シリンダ１１内に回転自在に且つ進退自在に配設されたスクリュ１３と、シリンダ１１の後方に配設される駆動装置１４とを備える。駆動装置１４は、スクリュ１３を回転させる計量モータ、およびスクリュ１３を進退させる射出モータを含む。

スクリュ１３は、シリンダ１１内に回転自在に且つ進退自在に配設される。スクリュ１３は、シリンダ１１と同軸的に配設される回転軸１５と、回転軸１５の周りに螺旋状に設けられるフライト１６とを有し、フライト１６に沿って螺旋状の溝１７が形成される。スクリュ１３が回転すると、フライト１６が動き、溝１７内に供給された樹脂が前方に送られる。

スクリュ１３は、軸方向に沿って後方（ホッパ１９側）から前方（射出ノズル１２側）にかけて、供給部１３ａ、圧縮部１３ｂ、計量部１３ｃとして区別される。供給部１３ａは、樹脂を受け取り前方に送る部分である。圧縮部１３ｂは、供給された樹脂を圧縮しながら溶融する部分である。計量部１３ｃは、溶融した樹脂を一定量づつ計量する部分である。スクリュ１３の溝１７の深さは、供給部１３ａで深く、計量部１３ｃで浅く、圧縮部１３ｂにおいて前方に向かうほど浅くなっている。

尚、スクリュ１３の構成は特に限定されない。例えばスクリュ１３の溝１７の深さは、一定でもよく、スクリュ圧縮比が一定でもよい。

シリンダ１１の後部には、成形材料供給口としての樹脂供給口１８が形成され、樹脂供給口１８を介してホッパ１９からシリンダ１１内に樹脂が供給される。樹脂供給口１８付近で樹脂が溶融しないように、シリンダ１１の後部を冷却する冷却器２０が設けられる。冷却器２０としては、例えば水冷ジャケットが用いられる。

なお、本実施形態では、シリンダ１１内に樹脂を供給するため、シリンダ１１の後部にホッパ１９が設けられるが、ホッパ１９の代わりに、樹脂の供給量を調整できる材料供給装置が設けられてもよい。

次に、射出成形機の動作について説明する。

計量モータを駆動して、スクリュ１３を回転させると、樹脂供給口１８からシリンダ１１内に供給された樹脂が前方に送られると共に、溶融される。溶融された樹脂がスクリュ１３の前方に送られ、シリンダ前部に蓄積されるにつれ、スクリュ１３が後退させられる。スクリュ１３の前方に所定量の樹脂が蓄積されると、スクリュ１３の回転が停止される。

次いで、射出モータを駆動して、スクリュ１３を前進させると、スクリュ１３の前方に蓄積された溶融樹脂は、射出ノズル１２から射出され、金型装置のキャビティ空間に充填される。充填された溶融樹脂を固化させることによって成形品が得られる。

次に、シリンダ１１内の樹脂の加熱について説明する。
図１に示すように、シリンダ１１内の樹脂の加熱効率を向上するため、シリンダ１１には、樹脂を加熱する熱媒体を、シリンダ１１内に供給する供給部としてのノズル部３１が設けられる。ノズル部３１がシリンダ１１内に供給する熱媒体は、気体、液体のいずれの状態でもよく、気体と液体とが混在した状態でもよい。熱媒体がシリンダ１１内で樹脂と直接接触するので、樹脂の加熱効率が良い。樹脂の加熱効率が良いので、樹脂のシリンダ軸方向における温度勾配が急になり、シリンダ１１の全長の短縮が可能である。また、熱媒体がシリンダ１１内で樹脂と直接接触するので、樹脂の温度制御が容易であり、樹脂の温度が安定化するまでの時間が短く、樹脂の熱劣化を抑制することができる。また、熱媒体は、樹脂の溶融時に生じるガスを、シリンダ１１の外に搬送する役割を果たす。

シリンダ１１内に供給された熱媒体は、シリンダ１１の内壁と、スクリュ１３の表面との両方に接触し、シリンダ１１とスクリュ１３とを略同時に加熱する。そのため、シリンダ１１の内壁とスクリュ１３のフライト１６との間のギャップが変動しにくく、シリンダ１１からのスクリュ１３の抜き差しが容易である。また、シリンダ１１からのスクリュ１３の抜き差し時に、シリンダ１１の内径を大きくするための、シリンダ１１の加熱が不要になる。

ノズル部３１は、例えば図２に示すように、シリンダ１１およびノズルブロック２１に連続的に形成される開口部として設けられる。ノズルブロック２１は、シリンダ１１に固定されている。なお、ノズルブロック２１はなくてもよく、ノズル部３１はシリンダ１１に形成される開口部として設けられてもよい。

なお、本実施形態のノズル部３１は、シリンダ１１などに形成される開口部として設けられるが、シリンダ１１などとは別に筒状に形成され、シリンダ１１などに形成される孔に挿着されてもよい。

ノズル部３１の位置は特に限定されないが、加熱効率を高めるため、冷却器２０よりも前方にノズル部３１が設けられてよい。また、ノズル部３１は、樹脂の溶融開始位置よりも後方に設けられてよい。樹脂の溶融開始位置よりも後方では、樹脂が溶けていないので、樹脂の隙間を熱媒体が流動しやすい。

ノズル部３１の供給口（噴出口）３２は、シリンダ１１の内壁に形成される。ノズル部３１の供給口３２は、図１〜図３に示すようにスクリュ１３の軸方向に細長い形状であってよい。ノズル部３１から溝１７内に供給された熱媒体の流れが幅広の流れとなり、溝１７内において渦流の生じうるスペースが小さくなる。そのため、熱媒体がフライト１６に沿って流れやすい。

なお、本実施形態のノズル部３１の供給口３２は、スクリュ１３の軸方向に細長い形状であるが、スクリュ１３の軸方向に対して斜めの方向に細長い形状でもよい。例えば、ノズル部３１の供給口３２は、螺旋状のフライト１６に対して垂直な方向に細長い形状でもよい。熱媒体が、フライト１６に沿って流れやすい。また、ノズル部３１の供給口３２の形状は、特に限定されず、例えば長方形状、楕円状などでもよい。

供給口３２のスクリュ軸方向における長さＬ（図１参照）は、フライト１６のスクリュ軸方向におけるピッチＰ（図１参照）よりも長くてよい。シリンダ１１に対するスクリュ１３の位置に関係なく、ノズル部３１から溝１７内に供給された熱媒体の主流の幅が、溝１７のスクリュ軸方向における溝幅Ｗ（図１参照）の半分以上になるので、溝１７内で渦流が生じにくい。

ノズル部３１の中心線Ｃは、図２に示すように断面視で、スクリュ１３の回転軸１５からずれていてよい。ノズル部３１から噴出した熱媒体が、回転軸１５で２つの流れに分かれにくく、螺旋状のフライト１６に沿って一方向に流れやすい。

ノズル部３１の中心線Ｃは、図２に示すように断面視で、シリンダ１１の内壁と接しておらず、シリンダ１１の内壁と２回交わっていてよい。ノズル部３１から噴出した熱媒体が、シリンダ１１の内壁と、スクリュ１３のフライト１６との間の僅かな隙間に入り込みにくく、螺旋状のフライト１６に沿って一方向に流れやすい。

ノズル部３１から噴出される熱媒体の温度は、ノズル部３１が溶融した樹脂で詰まらないように、樹脂の溶融温度よりも低いことが好ましい。この場合、熱媒体と、後述のヒータＨとの組合せで、樹脂を溶融させる。

シリンダ１１には、図１に示すように、シリンダ１１内の熱媒体を排出する排出部としての排出孔３３が設けられる。シリンダ１１内から排出される熱媒体は、気体、液体のいずれの状態でもよく、気体と液体とが混在した状態でもよい。

排出孔３３の位置は特に限定されないが、シリンダ１１内で熱媒体が流動しやすいように、シリンダ１１における樹脂の溶融開始位置よりも後方に排出孔３３が設けられてよい。

排出孔３３およびノズル部３１の両方が、シリンダ１１における樹脂の溶融開始位置よりも後方に設けられる場合、シリンダ１１における樹脂の溶融開始位置よりも前方に、シリンダ１１を加熱するヒータＨが設けられてよい。ヒータＨはシリンダ１１の外周を囲み、シリンダ１１を加熱することで、シリンダ１１内の樹脂を加熱する。

排出孔３３は、ノズル部３１よりも後方に設けられてよい。ノズル部３１から噴出した熱媒体は、後方に流れると共に、樹脂やシリンダ１１、スクリュ１３などに熱を奪われ、徐々に冷却される。後方に行くほど、シリンダ１１の温度が低くなりやすく、冷却器２０に吸収される無駄な熱が少なく、熱効率が良い。

排出孔３３は、加熱効率を高めるため、冷却器２０よりも前方に設けられてよい。熱媒体は、シリンダ１１の後部とほとんど接触せずに、シリンダ１１の外部に排出される。シリンダ１１の後部の温度が低くなりやすく、冷却器２０に吸収される無駄な熱が少なく、熱効率が良い。

排出孔３３から排出された熱媒体は、回収タンク４５に回収され、回収タンク４５で冷却される。回収タンク４５に蓄えられた熱媒体（例えば液体の水）は、熱媒体を加熱する加熱器（例えば水蒸気発生器４１）に送られ、加熱器で再加熱されてよい。

ノズル部３１は、樹脂を加熱する熱媒体として、過熱水蒸気をシリンダ１１内に供給してよい。過熱水蒸気は、飽和水蒸気を加熱したものであり、乾燥しているため、樹脂を乾燥することができる。また、過熱水蒸気は、ほとんど酸素ガスを含まないため、樹脂の酸化を抑制することができる。

過熱水蒸気は、水蒸気発生器４１で水を加熱して発生させた水蒸気を、過熱水蒸気発生器４２でさらに加熱して生成される。生成された過熱水蒸気は、ノズル部３１を介してシリンダ１１内に供給される。シリンダ１１内の気圧は、本実施形態では大気圧であるが、大気圧よりも低くてもよいし、大気圧よりも高くてもよい。

水蒸気発生器４１は、例えばボイラーなどで構成され、液体の水を加熱して水蒸気を生成する。水蒸気発生器４１は、射出成形機１０の一部として設けられてもよいし、射出成形機１０とは別に設けられてもよく、例えば成形品の製造工場の設備として設けられてもよい。水蒸気発生器４１と、過熱水蒸気発生器４２とを接続する配管の途中には、例えば減圧弁４３や流量調整弁４４などが設けられてよい。

過熱水蒸気発生器４２は、水蒸気発生器４１で生成した水蒸気をヒータなどで加熱して過熱水蒸気を生成する。過熱水蒸気発生器４２は、射出成形機１０に備えられてよい。

過熱水蒸気の少なくとも一部は、シリンダ１１内で気体から液体に相変化してもよい。気体が凝縮して液体になるときに放出する凝縮熱で樹脂が加熱される。水の凝縮熱は大きいので、熱伝達の効率が良い。凝縮熱伝達は、気体の温度が凝縮点付近の位置で生じる。

なお、本実施形態ではシリンダ１１の軸方向は水平であるが、過熱水蒸気の少なくとも一部がシリンダ１１内で気体から液体に相変化する場合、シリンダ１１の軸方向は水平方向に対して斜めであってよく、ノズル部３１よりも後方の排出孔３３がノズル部３１よりも下方に位置してよい。シリンダ１１内の液体の水が排出孔３３から排出されやすく、シリンダ１１内に液体の水が溜まりにくい。

［第２実施形態］
上記第１実施形態では、シリンダ１１内から排出された高温の熱媒体は、回収タンク４５に回収され、回収タンク４５で冷却される。

これに対し、本実施形態では、熱効率の向上のため、シリンダ１１内から排出された熱媒体の少なくとも一部を、熱媒体を加熱する加熱器に戻す環流部が設けられる点で相違する。以下、相違点について主に説明する。

図４は、本発明の第２実施形態の射出成形機を示す図である。図４に示すように、射出成形機１１０は、シリンダ１１内から排出された熱媒体の少なくとも一部を、加熱器としての過熱水蒸気発生器４２に戻すエゼクタ５０を備えてよい。エゼクタ５０が環流部に相当する。エゼクタ５０は、シリンダ１１内から排出された熱媒体の少なくとも一部を、室温よりも高温の状態で、過熱水蒸気発生器４２に戻してよい。

エゼクタ５０は、エゼクタノズル５１と、吸引室５２と、ディフューザー５３とを備える。エゼクタノズル５１は、水蒸気発生器４１から供給される水蒸気を吸引室５２内で噴出することで、シリンダ１１内から吸引室５２に水蒸気を吸引する吸引力を発生させる。吸引室５３に吸引された水蒸気の少なくとも一部は、エゼクタノズル５１から噴出された水蒸気と共に、ディフューザー５３を介して過熱水蒸気発生器４２に戻され、過熱水蒸気発生器４２で再加熱された後、ノズル部３１を介してシリンダ１１内に供給される。

ところで、ノズル部３１からシリンダ１１内に供給される過熱水蒸気の一部がシリンダ１１内で気体から液体に相変化する場合、排出孔３３から排出される熱媒体は、水蒸気と、液体の水の両方を含む。

吸引室５２は、シリンダ１１内の水蒸気を吸引するとき、水蒸気と共に、液体の水を吸引する。よって、液体の水がシリンダ１１内で溜まりにくい。

吸引室５２は、液体の水を排出する排出口を備えてよい。排出口から排出された液体の水は、水蒸気と共に、回収タンク４５に送られ、回収タンク４５で冷却される。

シリンダ１１内から吸引室５２に吸引された水蒸気のうち、大部分が過熱水蒸気発生器４２に戻され、残部が回収タンク４５に送られる。

なお、本実施形態のエゼクタ５０は、室温よりも高温の温水を回収タンク４５に送るが、水蒸気発生器４１に送ってもよい。水蒸気発生器４１が温水を加熱して水蒸気を生成するので、熱効率がさらに高くなる。

また、本実施形態では、環流部として、エゼクタ５０が用いられるが、環流部の構成は特に限定されない。例えば、例えば、環流部は、シロッコファンなどで構成されてもよい。シロッコファンは、シリンダ１１内の水蒸気を吸引し、吸引した水蒸気を、水蒸気発生器４１から過熱水蒸気発生器４２に水蒸気を供給する流路に送る。

［第３実施形態］
上記第１実施形態では、シリンダ１１内から排出された高温の熱媒体は、回収タンク４５に回収され、回収タンク４５で冷却される。

これに対し、本実施形態では、熱効率の向上のため、シリンダ１１内から排出された熱媒体で、シリンダ１１内に供給される熱媒体を加熱する熱交換部が設けられる点で相違する。以下、相違点について主に説明する。

図５は、本発明の第３実施形態の射出成形機を示す図である。図５に示すように、射出成形機２１０は、シリンダ１１内から排出された熱媒体で、シリンダ１１内に供給する熱媒体を加熱する熱交換部６０を備えてよい。シリンダ１１内から排出された熱媒体の熱が、樹脂の加熱に寄与するので、熱効率が良く、エネルギーの無駄が削減できる。

熱交換部６０は、例えば、水蒸気発生器４１で生成した水蒸気を過熱水蒸気発生器４２に供給する流路の途中に設けられる第１の熱交換路６１と、シリンダ１１内から排出された水蒸気など（液体の水を含んでもよい）を回収タンク４５に供給する流路の途中に設けられる第２の熱交換路６２とで構成される。第１の熱交換路６１と、第２の熱交換路６２とは隣設され、第２の熱交換路６２を流れる水蒸気の熱が、第１の熱交換路６１を流れる水蒸気に移動される。シリンダ１１内から排出された水蒸気で、シリンダ１１内に供給される水蒸気が加熱されるので、熱効率が良い。

なお、本実施形態の熱交換部６０は、シリンダ１１内から排出された水蒸気で、水蒸気発生器４１から過熱水蒸気発生器４２に供給される水蒸気を加熱するものであるが、水蒸気発生器４１内の液体の水を加熱するものでもよい。

また、本実施形態の熱交換部６０と、上記第２実施形態の環流部７０とを組み合わせて用いることも可能である。例えば、環流部は、シリンダ１１内から排出された熱媒体の一部を加熱器に戻し、熱交換部は、シリンダ１１内から排出された熱媒体の残部で、シリンダ１１内に供給する熱媒体を加熱してよい。

以上、射出成形機の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内で、種々の変形、改良が可能である。

例えば、上記実施形態のノズル部３１は、樹脂を加熱する熱媒体として過熱水蒸気をシリンダ１１内に供給するが、熱媒体の種類は、樹脂の種類に応じて適宜選択されてよい。例えば、樹脂が水で劣化する場合、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスが用いられてよい。

また、上記実施形態のノズル部３１は、シリンダ１１内で少なくとも一部が気体から液体に相変化する熱媒体として、過熱水蒸気をシリンダ１１内に供給するが、過熱水蒸気の代わりに、例えばハロゲン系化合物のガス、イオン性化合物のガス、グリコール系化合物のガスなどをシリンダ１１内に供給してもよい。これらのガスは、シリンダ１１内で少なくとも一部が気体から液体に相変化しうる。

また、上記実施形態のノズル部３１は、樹脂を加熱する熱媒体をシリンダ１１内に供給するが、メンテナンスなどのため、シリンダ１１を冷却する場合、シリンダ１１を冷却する冷媒をシリンダ１１内に供給してもよい。

また、上記実施形態のノズル部３１は、スクリュ・インライン方式の射出装置のシリンダ１１に設けられるが、スクリュ・プリプラ方式の射出装置のシリンダに設けられてもよい。スクリュ・プリプラ方式の射出装置は、可塑化シリンダ内で溶融された樹脂を射出シリンダに供給し、射出シリンダから金型装置内に溶融樹脂を射出する。スクリュ・プリプラ方式の場合、ノズル部３１は、可塑化シリンダ、射出シリンダのいずれに設けてもよく、両方に設けてもよい。スクリュ・プリプラ方式の場合、ノズル部３１は、ガスが流動しやすい可塑化シリンダに設けることが好ましい。

また、上記実施形態のノズル部３１および排出孔３３は、それぞれ１つずつシリンダ１１に設けられるが、ノズル部３１の設置数は複数でもよく、また、排出孔３３の設置数は複数でもよい。

１０ 射出成形機
１１ シリンダ
１２ 射出ノズル
１３ スクリュ
１５ スクリュの回転軸
１６ スクリュのフライト
１７ スクリュの溝
１９ ホッパ
２０ 冷却器
３１ ノズル部（供給部）
３２ ノズル部の供給口（供給部の供給口）
３３ 排出孔（排出部）
４１ 水蒸気発生器
４２ 過熱水蒸気発生器

Claims (8)

1. 内部に成形材料が供給されるシリンダを備え、
   前記シリンダには、前記成形材料を加熱する熱媒体を前記シリンダ内に供給する供給部が設けられ、
   前記シリンダの内壁における前記熱媒体の供給口は、前記シリンダ内に配設されるスクリュの軸方向に細長い形状であるか、または、前記スクリュの軸方向に対して斜めの方向に細長い形状であり、
   前記供給口の長さは、前記スクリュのフライトのピッチよりも長い、射出成形機。
2. 前記供給部は、前記成形材料を加熱する熱媒体として、過熱水蒸気を前記シリンダ内に供給する、請求項１に記載の射出成形機。
3. 前記供給部は、前記シリンダ内で少なくとも一部が気体から液体に相変化する熱媒体を前記シリンダ内に供給する、請求項１または２に記載の射出成形機。
4. 前記シリンダには、前記シリンダ内の熱媒体を排出する排出部が設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の射出成形機。
5. 前記排出部は、前記シリンダの後部を冷却する冷却器よりも前方に設けられる、請求項４に記載の射出成形機。
6. 前記シリンダ内から排出された熱媒体の少なくとも一部を、前記シリンダ内に供給される熱媒体を加熱する加熱器に戻す環流部を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の射出成形機。
7. 前記シリンダ内から排出された熱媒体で、前記シリンダ内に供給される熱媒体を加熱する熱交換部を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の射出成形機。
8. シリンダ内で成形材料を加熱する工程を有し、
   前記成形材料を加熱する熱媒体を前記シリンダ内に供給し、
   前記シリンダの内壁における前記熱媒体の供給口は、前記シリンダ内に配設されるスクリュの軸方向に細長い形状であるか、または、前記スクリュの軸方向に対して斜めの方向に細長い形状であり、
   前記供給口の長さは、前記スクリュのフライトのピッチよりも長い、射出成形方法。

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