(57)【要約】【課題】  射出成形機やダイカストマシンにおいて、溶融状態の樹脂やアルミニウムを金型内に射出充填後冷却する際、金型を介して温調用の冷却媒体に排出される熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収し、再利用しようとする成形機の省エネ技術に関する。【解決手段】  成形工程において、金型の温度を一定に保つため金型温調機を用いて冷却媒体を金型内に流通するとともに、金型への入り側の冷却媒体と金型からの出側の冷却媒体の温度差を利用し、熱電変換モジュールを用いて発電することにより電気エネルギーを得る金型からの排熱回収方法。【選択図】        図１
2010036338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定金型と可動金型の間に形成された空間部であるキャビティに溶融状態の樹脂あるいはアルミニウムを射出充填し、冷却凝固後に固定金型と可動金型を開いてキャビティ内で成形された製品を取り出す成形工程において、
金型の温度を一定に保つため金型温調機を用いて冷却媒体を金型内に流通するとともに、金型への入り側の冷却媒体と金型からの出側の冷却媒体の温度差を利用し、熱電変換モジュールを用いて発電することにより電気エネルギーを得ることを特徴とする金型からの排熱回収方法。
【請求項２】
請求項１の方法によって得られた電気エネルギーを、充電器に蓄え、成形運転に必要なときに電気エネルギーとして利用することを特徴とする成形機の運転方法。
【請求項３】
請求項１の方法によって得られた電気エネルギーを、成形機を制御するための制御装置の冷却ファンを駆動する電気エネルギーとして利用することを特徴とする成形機の運転方法。
【請求項４】
成形機と金型と金型温調機と、金型温調機により温度調節された後に金型へ入る側の冷却媒体と金型からの出る側の冷却媒体の温度差を利用して発電し電気エネルギーを得ることが可能な熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置、から構成されることを特徴とする成形機の排熱回収装置。
【請求項５】
成形機は電動方式のものであることを特徴とする請求項４に記載の成形機の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
プラスチックやアルミニウムなどに熱を加えて溶融し、金型内に射出充填後冷却凝固させて成形品を取り出す射出成形機やダイカストマシンにおいて、溶融状態の樹脂やアルミニウムを冷却する際、金型を介して冷却媒体に排出される熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収し、再利用しようとする省エネ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
最初に、プラスチック製品を成形する射出成形機の構造および動作を、図５を用いて説明する。図５に示してある射出成形機は、近年において主流となっている電動方式のものである。
【０００３】
電動式射出成形機６０は、大きく分けて図面左側の型締装置６１と右側の射出装置７０から構成されている。金型５０の固定側は固定プラテン６２に、可動側は可動プラテン６３にそれぞれ取付けされている。可動プラテン６３は、リンク機構６５を介してリンクハウジング６４と連結する。リンクハウジング６４には、型締用サーボモータ６６が装着されており、ボールねじの軸を回転させることによってクロスヘッド６７を前後進させ、リンク機構６５の動作を介して金型５０の開閉および型締力の負荷を行なう。
【０００４】
射出装置７０には、スクリュー７４を内蔵し周囲にヒータ７３が巻き付けられているバレル７２、バレル７２の先端に固着され溶融樹脂を金型５０内に射出充填するための流路となるノズル７５、ペレット状（小球状）の樹脂を貯留しバレル７２内に送り込むホッパー７１、スクリュー７４を回転させるための計量用サーボモータ７６、スクリュー７４をバレル７２内で前後進させるための射出用サーボモータ７７、射出用サーボモータ７７の回転運動を直線運動に変換するボールねじ７８が備えられている。射出装置７０は、図示せぬ駆動機構により一体で前後進可能であり、前進することによってノズル７５の先端が金型５０の樹脂流入口とタッチできる。
【０００５】
ホッパー７１内に貯留された固体のペレット状樹脂は、計量用サーボモータ７６の回転によるスクリュー７４の回転に伴ってバレル７２内に導かれた後、スクリュー７４の外周に形成された螺旋状のフライトの作用によって前方（図５において左方向）に送られる。その際、ヒータ７３の発熱により温度上昇しているバレル７２の内壁面の熱をもらい、徐々に溶融状態となってスクリュー７４の前方に固着されているスクリューヘッドの前方に貯留される。
【０００６】
ノズル７５の先端を金型５０の樹脂流入口にタッチさせた後、型締用サーボモータ６６を回転することにより、可動プラテン６３が動いて金型５０が閉じ型締力が負荷される。この状態で、射出用サーボモータを回転させるとスクリュー７４が前進し、スクリューヘッドの前方に貯留されている溶融樹脂が、ノズル７５を通って金型５０のキャビティ（固定型と可動型の間に形成された製品形状の空間）内に射出充填される。
【０００７】
金型５０には冷却媒体を流すための媒体流路が加工されており、溶融樹脂を適度な温度まで冷却するために、図示せぬ金型温調機によって温度調節された冷却媒体（水やエチレングリコールなど）が流通されて、金型温度を一定に保っている。そのため、射出充填された溶融樹脂の持っていた熱は、金型５０を介して冷却媒体に奪われ、温度が低下し冷却凝固する。
【０００８】
アルミニウム製品を成形するダイカストマシンにおいても構造及び動作はよく似ており、溶解炉において溶融状態になったアルミニウムがラドルによって射出スリーブに給湯され、その後射出プランジャの前進動作により、金型内に射出充填される。そして同様に、冷却媒体に熱を奪われながら凝固冷却していく。
【０００９】
従来は、射出成形機やダイカストマシンなど成形機の駆動には油圧装置が使われており、定回転の電気モータによって油圧ポンプが回転し、高圧の作動油が吐出されて各アクチュエータに送られることにより、成形のための所定の動作が行なわれていた。
しかし近年、この駆動をサーボモータとボールねじの組み合わせによって行なう図５のような電動方式の成形機が主流になってきている。従来の油圧装置による駆動方式では、電気モータ及び油圧ポンプが常時回転して電力を消費し続けているのに対し、電動方式では各部位が動作する時にのみサーボモータが回転するため、電力の消費量が非常に少なくなり、省エネ運転が可能となっている。
【００１０】
さらに、特許文献１に開示されている技術では、型開閉動作などの重量物の減速制御時において、サーボモータで発生する電流を充電装置に流し電気エネルギーとして蓄え、後の成形機の動作など必要なときに再利用するようにしている。通常の技術では、発生した電流を回生抵抗に流して熱として大気に放出するので、省エネ効果がさらに大きくなっている。
【００１１】
【特許文献１】特許第３４５１４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
プラスチックの射出成形では、バレルを加熱するためヒータに通電した電気エネルギーは溶融樹脂の熱エネルギーに変わる。また、スクリューを回転するために計量用サーボモータに与えられる電気エネルギーも、高粘度の溶融樹脂を混練する際に溶融樹脂の熱エネルギーに変わる。さらに、スクリューを大きな力で前進させるために射出用サーボモータに与えられる電気エネルギーも、溶融樹脂が流動する際に生じるせん断発熱作用により溶融樹脂の熱エネルギーに変換される。
このように、ヒータ、計量用サーボモータ、射出用サーボモータに与えられる電気エネルギーは、全て溶融樹脂の熱エネルギーに変換され、金型内での凝固冷却時に金型を介して冷却媒体の熱エネルギーとして吸収される。そして、金型温調機内に備えられているチラーで冷却される際に、高温の空気に変わり大気中に放出される。
【００１３】
同様に、アルミニウムのダイカスト成形においても、アルミニウムを溶解するため溶解炉に与えられた電気エネルギーも、金型内で凝固冷却する際に冷却媒体に奪われ、そして温調機において大気中に放熱され棄てられる。
【００１４】
特許文献１に開示されている発明では、型開閉用サーボモータに与えられた電気エネルギーのみ、充電装置に回収されて再利用が図られている。
本発明は、ヒータ、計量用サーボモータおよび射出用サーボモータに与えられた電気エネルギーを回収して再利用を図り、成形機の省エネ運転に貢献しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上の課題を解決するために、本発明では、
固定金型と可動金型の間に形成された空間部であるキャビティに溶融状態の樹脂あるいはアルミニウムを射出充填し、冷却凝固後に固定金型と可動金型を開いてキャビティ内で成形された製品を取り出す成形工程において、金型の温度を一定に保つため金型温調機を用いて冷却媒体を金型内に流通するとともに、金型への入り側の冷却媒体と金型からの出側の冷却媒体の温度差を利用し、熱電変換モジュールを用いて発電することにより電気エネルギーを得る金型からの排熱回収方法とする。
また、得られた電気エネルギーを、充電器に蓄え、成形運転に必要な電気エネルギーとして利用することとする。
さらに、得られた電気エネルギーを、成形機を制御するための制御装置の冷却ファンを駆動する電気エネルギーとして利用することとする。
成形機と金型と金型温調機と、金型温調機により温度調節された後に金型へ入る側の冷却媒体と金型からの出る側の冷却媒体の温度差を利用して発電し電気エネルギーを得ることが可能な熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置、から構成される成形機の排熱回収装置とする。
そして、成形機は電動方式であることとする。
【発明の効果】
【００１６】
従来は金型からの排熱として棄てられていた熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することにより、成形機を運転するためのエネルギーなどとして再利用できるため、省エネ及び電気代のコストダウンを達成することができる。
特に、高い省エネ機能を持つ回生機能付きの電動成形機における使用においては、放出され棄てられるエネルギーは殆ど無くなるため、成形運転における消費エネルギーを０に近づけることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて、本発明に係る実施例を説明する。
【実施例】
【００１８】
本発明においては、金型温調機から金型内に入る冷却媒体と金型から出てくる冷却媒体の温度差を利用し、熱電変換モジュールに温度差を与えることにより発電し、排熱を電気エネルギーとして回収、再利用する。
【００１９】
まず、熱電変換モジュールによって熱を使い発電を行なう原理、状態を、図４を用いて説明する。
ゼーベック効果やペルチェ効果など、熱の流れと電流とが相互に影響を及ぼしあう物理現象は、「熱電効果」と総称される。そして、熱電効果は異なる熱電能をもつ金属や半導体を接合した回路に発生する。前記接合部に温度差がある場合、この回路に電流が生じる現象はゼーベック効果と言われる。このゼーベック効果を持つ熱電変換モジュールは、発電装置として利用されている。
一方、前述の回路に電流を流すと、前記接合部は一方が発熱し、他方が吸熱する現象が起き、この現象はペルチェ効果と言われる。ペルチェ効果をもつ熱電変換モジュールは、ペルチェ素子とも呼ばれており、このペルチェ素子は、電気部品などの温度を冷却するのに利用されている。
【００２０】
図４に示すように熱電変換モジュールは、π型に接続されるＰ型半導体１及びＮ型半導体２で構成される熱電変換素子を備えている。熱電変換素子は、例えば、一般的にはビスマス−テルル化合物、アンチモン−テルル化合物、ビスマス−テルル−アンチモン化合物、ビスマス−テルル−セレン化合物のほかに、鉛−ゲルマニウム化合物、シリコン−ゲルマニウム化合物などの材料が用いられる。
Ｐ型半導体１及びＮ型半導体２はほぼ同じ高さを有し、電極３を介してπ型に接続されている。電極３は平板状の導電性金属板であり、電気抵抗が低いことが望ましい。電極３には冷側電気絶縁基板６と温側電気絶縁基板７が当接されている。この冷側電気絶縁基板６と温側電気絶縁基板７は、良熱伝導性でかつ電気絶縁性を有する材料が適しており、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックが用いられる。
【００２１】
このような構成の熱電変換モジュールにおいて、＋側電極５と−側電極４を、配線を用いて電球と接続し閉回路を作成する。そして、冷側電気絶縁基板６を冷やして低温にし、温側電気絶縁基板７を温めて高温にすることにより、熱電変換素子に温度差を与える。すると、プラス側電極５とマイナス側電極４の間に起電力が発生し、回路に電流が流れて電球が燈る。このような現象がゼーベック効果であり、熱から電力を取り出すことができ、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能であることが分かる。
【００２２】
図３は、本発明の実施形態による熱電変換モジュール１０の構成を示す分解斜視図である。
柱状に形成された３２個のＰ型半導体１と３２個のＮ型半導体２は、ほぼ同じ高さを有し、交互に配置され、複数の電極３と接合して、π型に直列接続されている。
始端列の始端行に配置されるＰ型半導体１の下端面には、外部接続される−側電極４が接合され、始端列の終端行に配置されるＮ型半導体２の下端面には、外部接続される＋側電極５が接合されている。
Ｐ型半導体１とＮ型半導体２の個数および大きさは、外部に接続され発電電力を利用する電気機器が所望する電流値や電圧値に起電できるように、適宜選定される。
【００２３】
このように接続されたＰ型半導体１、Ｎ型半導体２及び電極３〜５において、上側の電極３には冷側電気絶縁基板６が、下側の電極３〜５には温側電気絶縁基板７がそれぞれ接合される。
そして、冷側電気絶縁基板６が冷やされ、温側電気絶縁基板７が加熱されると、温度差が生じ、−側電極４と＋側電極５の間に起電力が発生する。
【００２４】
図２において、本発明の実施例にかかわる熱電変換装置４０を説明する。図２の左側の図が示すように、熱電変換装置４０は大きく分けて、熱電変換モジュール１０、冷側ブロック２０、温側ブロック３０から構成される。冷側ブロック２０は熱電変換モジュール１０の冷側電気絶縁基板６と、また温側ブロック３０は温側電気絶縁基板７とそれぞれと接合される。冷側ブロック２０および温側ブロック３０は、熱電変換モジュール１０に温度を伝えやすい材料が好ましく、温度拡散率の高い銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）が適
している。
【００２５】
図２の右側の図は熱電変換装置４０の断面図であり、冷側ブロック２０と温側ブロック３０の中には、金型温調機からの冷却媒体が流れる冷側媒体流路２１と温側媒体流路３１が貫通している。冷側媒体流路２１と温側媒体流路３１は、それぞれ冷側媒体配管２２と温側媒体配管３２が接続され、冷却媒体を温調機および金型との間で流す。
また、外側は保温カバー４１で覆われていることが好ましく、冷却媒体の温度を熱電変換モジュール１０に効率よく伝え易くなる。
【００２６】
図１において、本発明の実施例にかかる、金型、熱電変換装置、金型温調機、成形機制御装置、および配管、配線の構成を説明する。
固定側金型５１は、冷側媒体配管２２および温側媒体配管３２を介して熱電変換装置４０と固定側温調機に管路接続されている。また、熱電変換装置４０の−側電極４と＋側電極５は、電気配線８０によって成形機制御装置と電気接続されており、発電された電力は制御装置内に導かれる。
【００２７】
温調機により所望の温度に調節された冷却媒体は、冷側配管２２を通って熱電変換装置４０の冷側ブロック２０に導かれ、さらに冷側ブロック２０を出て冷側配管２２を通り金型に入る。金型内に設けられた媒体流路５３を流れる間に、冷却媒体は金型からの熱によって温度が上昇する。そして、温側媒体配管３２を通って熱電変換装置４０の温側ブロック３０の温側媒体流路３１を通過し、温側媒体配管３２を経て金型温調機に戻る。
可動側金型においても、同様である。
【００２８】
このように構成された金型や熱電変換装置を用いて、金型からの排熱を回収し電気エネルギーとして再利用する方法を説明する。
成形機の連続成形運転中において、金型キャビティ内に射出充填された高温の溶融樹脂が持つ熱エネルギーは、キャビティ表面を介して金型に熱伝達移動するため金型温度が上昇する。よって金型温度を一定に保つため、常時金型温調機から金型内に冷却媒体を循環させる。
【００２９】
その間、熱電変換装置４０の冷側ブロック２０には、金型温調機により所望の温度に調節された冷却媒体が流通し、また、温側ブロック３０には、金型内で溶融樹脂の熱をもらい温度の上がった冷却媒体が流通する。そのため、熱電変換モジュール４０には温度差が生じ、熱電変換モジュール４０は常時発電を続ける。
発電された電力は電気配線８０を経由して成形機制御装置に送られる。そして、電気接続された図示せぬ充電器に蓄えられて成形機を動作させるための電源として再利用され、あるいは制御装置内の空気温度を調節するファンの回転の電源として使われる。
【００３０】
以上により、ヒータや計量用サーボモータあるいは射出用サーボモータに与えられた電気エネルギーは、金型からの熱として回収され電気エネルギーに変換後再利用されるため、成形機の省エネ運転の達成が可能となる。
【００３１】
上記の実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例による金型、温調機、熱電変換装置、制御装置を示す図である。
【図２】本発明の実施例による熱電変換装置を示す図である。
【図３】本発明の実施例による熱電変換モジュールの分解斜視図である。
【図４】熱電変換モジュールによる発電の状態を示す図である。
【図５】一般的な電動式射出成形機と金型装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    Ｐ型半導体
２    Ｎ型半導体
３    電極
４    −側電極
５    ＋側電極
６    冷側電気絶縁基板
７    温側電気絶縁基板
１０  熱電変換モジュール
１１  電気配線
２０  冷側ブロック
２１  冷側媒体流路
２２  冷側媒体配管
３０  温側ブロック
３１  温側媒体流路
３２  温側媒体配管
４０  熱電変換装置
４１  保温カバー
５０  金型装置
５１  固定側金型
５２  可動側金型
５３  媒体流路
６０  電動式射出成形機
６１  型締装置
６２  固定プラテン
６３  可動プラテン
６４  リンクハウジング
６５  リンク機構
６６  型締用サーボモータ
６７  クロスヘッド
７０  射出装置
７１  ホッパー
７２  バレル
７３  ヒータ
７４  スクリュー
７５  ノズル
７６  計量用サーボモータ
７７  射出用サーボモータ
７８  射出用ボールねじ
８０  電気配線
【図１】
2010036338.tif 000003
【図２】
2010036338.tif 000004
【図３】
2010036338.tif 000005
【図４】
2010036338.tif 000006
【図５】
2010036338.tif 000007