(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モールドから適宜に熱を取り去ることが必要なタイプのモールドであって、熱を取り去るべき複数区域の内の少なくとも１つの区域を覆うように広がっていて液体が中に入っている少なくとも１つの密閉された室と、前記密閉された室内で前記液体より上方の空間とを含み、前記液体の上限より上方の室内の空間には前記液体の蒸気しか存在せず、圧力は前記液体が所定の温度で沸騰することを可能にするレベルに設定され、更に、冷却により前記空間の前記液体の蒸気の凝結を起こさせる凝結手段を含んでいることを特徴とするモールド。
【請求項２】
前記室は、その中の前記液体が熱を取り去るべきモールド内の複数の区域それぞれに接触しうるような形状を持ち且つそのように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモールド。
【請求項３】
前記モールドがプラスチック材料のモールディング用のモールドであるか、あるいは金属のモールドカスト用のモールドであることを特徴とする請求項１又は２に記載のモールド。
【請求項４】
前記モールドがプラスチック材料の射出モールディング用のモールドであるか、あるいはプラスチック材料を熱成形によるモールディングのためのモールドであることを特徴とする請求項１又は２に記載のモールド。
【請求項５】
液体の上限が冷却されるモールドの区域の少なくとも一部よりも上になり、且つ前記液体の上限より上方の室内の空間には前記液体の蒸気しか存在しないようにするような容積の液体が中に入っている、密閉された室である内部冷却装置と、冷却により前記空間の前記液体の蒸気の凝結を起こさせる凝結手段とを有することを特徴とするモールド。
【請求項６】
前記密閉された室は、前記モールドが使用される際に、冷却すべきモールドの部分に隣接する室内のモールドの区域の少なくとも一部に液体が接触し、且つ前記液体の上方の室内の空間には前記液体の蒸気しか存在しないようにさせるのに十分な上限を有する液体で部分的に満たされており、前記空間内に前記凝結手段を含んでいることを特徴とする、プラスチック材料の射出モールディング用の請求項１から５の何れかに記載のモールド。
【請求項７】
前記密閉された室は、前記モールドが使用される際に、冷却すべきモールドの部分に隣接する室内のモールドの区域の少なくとも一部に液体が接触し、且つ前記液体より上方の室内の空間には前記液体の蒸気しか存在しないようにさせるのに十分な高さの上限を有する液体で部分的に満たされており、液位上方の前記室内の空間中の全ての蒸気を冷却し、もって前記蒸気中に少なくとも凝結を起こさせるための装置を含んでいることを特徴とするプラスチック材料の射出モールディング用の請求項１から５の何れかに記載のモールド。
【請求項８】
前記室内の前記液体内に少なくとも１つの加熱手段が配置され、待機時間中にモールドの温度が所定の温度範囲内に保たれるようになっていることを特徴とする、請求項６又は７に記載のモールド。
【請求項９】
前記冷却手段が、管と、前記管内のコアと、前記管に冷却水を通すようにするための手段とを含んでいることを特徴とする、請求項６から８の何れかに記載のモールド。
【請求項１０】
前記液体が水であることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載のモールド。
【請求項１１】
前記液体が水のみであることを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載のモールド。
【請求項１２】
前記蒸気が水蒸気であることを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載のモールド。
【請求項１３】
モールドの作業部分を冷却する方法であって、前記モールドは、熱を取り去るべき複数区域の内の少なくとも１つの区域を覆うように広がっていて、液体が中に入っている少なくとも１つの密封された室と、前記閉じられた室内で前記液体より上方の空間とを有し、前記空間内の圧力は前記液体が熱を取り去るべき区域の温度より低い所定の温度で沸騰することを可能にするレベルに設定されており、前記空間内の圧力の前記設定は、第１の工程として、前記室を前記液体で満たし、次に前記液体の上限より上方の室内には前記液体の蒸気しか存在しないように前記液体を抜き出し、所定の冷却温度で液体を凝結手段に通過させ、このように冷却することにより前記空間中の前記液体の蒸気の凝結を起こさせることにより達成されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記第１の工程は、前記室を前記液体で満たし、次に抜き出される液体を置換する空気が入らないようにしながら所定の割合の前記液体を抜き出すことを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記液体が水であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は機械類に適用可能な温度制御方法及び温度制御装置に関し、特に、ダイ類及びダイ類を使った製品の射出成形、熱成形、真空成形の金属ダイカスト等の工程に活用できる温度制御方法及び温度制御装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
本発明はある活用例に関連づけて説明するが、本発明のコンセプトは、単にその活用例に限定されるものではない。ダイ内の経路に水を通し、別の熱交換場所まで導くことにより、ダイをある許容温度範囲内に保つことができることはよく知られている。
【０００３】
ダイの設計における課題の１つは、ダイの作動部品の十分近くに確実に冷却水を通せるようにすることである。これは、十分な量の水をある箇所に送り込み、そこから送り出すための適当な通路用に利用できる空間の余裕がほとんどない場合など、非常に困難となることが実際に時々ある。
【０００４】
ダイを許容温度範囲内に保つという課題は決して簡単なことではなく、ダイの製造及び作動に多大なコストが派生することにもなりかねない。これまでに経験した問題点の１つに、多量の交換用水が必要となることから一般的には非経済的であるが、水中の鉱物質を除去しなければ、スケールが沈積し、ここでも処置に費用が掛かり、予定時間を超える冷却で効率が下がる結果となりかねないという問題が挙げられる。
【０００５】
更なる問題は、空気を含んだ冷却水に曝されることにより、冷却用通路に錆が発生することである。
更に、冷却効率は、ダイの反復使用率において非常に重大な要素となりうる。ダイを冷却するより効果的な方法があるなら、ダイはより高い反復率で使用可能となり、これはダイを使う際の製造費に関する限り重要なことである。
又、モールディング用ダイの異なる部分間での冷却速度が不均等であると、モールド成形された部品に歪みが生じ、やはりその修正又は補正に費用が掛かることになりかねない。
【０００６】
（発明の概要）
本発明の目的は、上記難題の幾つかを少なくとも低減する、機械の効果的な温度制御に対する代わりの方法を提案することである。
本発明の１つの形態では、これは、その時折に熱を取り除くことが必要な型式の機械において、その機械が、熱を取り去るべき複数区域の内の少なくとも１区域を覆うように広がっていて液体が中に入っている少なくとも１つの密閉された室と、その密閉された室内の液体より上方の空間とを含んでおり、その中の圧力はその液体が選択された温度で沸騰できるようなレベルに設定され、更に冷却により空間内の液体の蒸気に凝結を起こす凝結手段を含んでいることを特徴とする機械に属することであると言えよう。
【０００７】
複数の室が設けられ、各室は、熱を取り去るべき機械内の各区域を液体が覆うように、ある液位の液体を入れる形状を持ちそのように配置されていることが望ましい。
前記液体は水であることが望ましい。
前記機械は、プラスチック材料のモールディング用のダイであることが望ましい。
前記機械は、プラスチック材料の射出モールディング用のダイであることが望ましい。
前記機械は、プラスチック材料を熱成形でモールディングするためのダイであることが望ましい。
前記機械は金属のダイカスト用のダイであることが望ましい。
【０００８】
本発明の別の好適な形態では、これは、ある容積の液体を中に入れた密閉された室を含み、その液体の上限が冷却すべきダイの各区域の上にあり、実質的に室内の液体の蒸気だけがその液体の上限より上にあるようにした、内部冷却装置を有するダイに属することであると言える。
【０００９】
本発明の更に別の好適な形態では、これは、部分的に液体で満たされた密閉された室である内部冷却装置を有し、前記液体は冷却すべきダイの部品に隣接する室内のダイのその区域が液体で覆われるに十分な上限を有し、室内中の液体上部の空間には実質的に液体の蒸気しか存在しないことを特徴とする、プラスチック材料の射出モールディング用のダイに属することであると言える。
【００１０】
本発明の更に別の好適な形態では、これは、部分的に液体で満たされた密閉された室である内部冷却装置を有し、前記液体は冷却すべきダイの部品に隣接する室内のダイのその区域が液体で覆われるに十分な高さの上限を有し、室内の液体上方の空間には実質的に液体の蒸気しか存在しない構成となっており、更に室内の液位より上方の空間中の蒸気を冷却して、蒸気に少なくともある程度の凝結を起こさせるための装置を有することを特徴とする、プラスチック材料の射出モールディング用のダイに属することであると言える。
【００１１】
少なくとも更に、待機時間中にダイ又はモールドが選択された温度範囲内に保たれるように、室内の液体中に加熱手段が配置されていることが望ましい。冷却手段は、管、管内のコア、及び冷却水が前記管を通り抜けるようにするための手段を含んでいることが望ましい。
【００１２】
本発明の又別の好適な形態では、これは、熱を取り去るべき複数区域の内の少なくとも１区域を覆うように広がっていて液体が中に入っている少なくとも１つの密閉された室と、その密閉された室内の液体上方の空間とを有しており、その中の圧力は、その液体の沸点温度が、熱を取り去るべき区域の温度よりも低い選択範囲に少なくとも入るようなレベルとなるようになっており、更に冷却により前記空間内の液体の蒸気の凝結を起こす凝結手段が設けられている、機械の部品を冷却する方法に属することであると言える。
【００１３】
本発明の又別の好適な形態では、これは、熱を取り去るべき複数区域の内の少なくとも１区域を覆うように広がっていて液体が中に入っている少なくとも１つの密閉された室と、その密閉された室内の液体上方の空間とを有しており、その中の圧力は、その液体の沸点温度が、熱を取り去るべき区域の温度よりも低い選択範囲に少なくとも入るようなレベルとなるようになっており、これは、第１段階として密閉室を液体で満たし、次に選択された量の液体を代わりに空気が入り込まないように抜き出し、選択された冷却温度で液体を凝結手段内に流して、このような冷却により空間内の液体の蒸気を凝結させる故である、ということを特徴とする機械の部品を冷却する方法にあるということが言える。
【００１４】
使用に際し、蒸気の凝結は、液位の上方にある空間内にある独立した部材によるか、又は液表面上の区域の室を形成している壁の一部又は全てを有し、事が起きない限りは温度がより低いところの何れかを熱交換に用いることにより効果が得られ、液体の蒸気からの熱の交換がかなり有効に行なわれ、これが次に凝結して液体になり、前記密閉室内の液体本体に流れ戻るということになる。
熱を受け取った室内の部分は、直に隣接する液体の温度が他の隣接区域の液体の温度よりも上昇することにより、この区域の液体の状態に作用して蒸気に変えるが、これは蒸気の潜熱容量がまさに実質的に熱の運搬体になるからである。相対密度により、このように生成された蒸気は液体の表面に上昇し、継続して液体の上方の空間を満たし、そこで熱の逆交換により引き続き凝結を起こす。
【００１５】
本発明の密閉室は液体操作が選択可能であるので、自身の蒸気圧及び外部の熱入力により室は統制された温度と圧力に保たれる。
概括的なコンセプトの範囲には多種多様な変型が組み入れられよう。第１の方法では、内部室は使用される液体で満たされている。そのような液体は、プロセス全体に亘ってプロセス又は効率に悪影響を及ぼすことになる不純物のない純正液体であることが望ましいので、溶解した気体及び他の不要な物質を取り除くために前もって処置されることが好ましい。
【００１６】
一旦満たされて密封されると、室は次にゲート弁を介してアクセスされ、液体の一部は、液位が室の上部内の凝結部材又は手段より低く、且つ熱を散逸するための熱源に接触する液体があるように、選定されたレベルまでポンプで吐き出される。
【００１７】
これらの段階を経ると、ダイは使用される準備が整ったことになり、内部室の上部には熱交換器があって熱交換を行い、ここでは好適なモールド又はダイ作業温度で、しかし、好ましくは液体の凍結を引き起こす温度ほどには低くない温度で、熱交換器を介してさらに液体がくみ上げられる。
この段階において液体は水であるとするのが普通であるが、水以外にも良好な効果をもたらす液体がたくさんあると理解されたい。
個々の環境により、移し替えられる熱の温度、冷却される熱い面の範囲、及び作用する全般的な温度は、室の全体的な寸法、使用する液体、液体レベル上方の蒸気空間の温度、及び蒸気空間内の凝結手段を考慮して検討する必要がある。
これまでに行なわれた実験では、このような装置は非常に効率の高い比較的均一的な熱伝達を提供している。室を引用して説明してきたが、別の本体がシールした導管により接続されている場合であってもかまわないわけである。
室は、したがって密閉されているなら如何なる環境をも範囲に含む広義のコンセプトであると考えられたい。
【００１８】
(好適な実施例の詳細な説明)
本発明を詳しく説明するに当たり、添付図面を参照しながら実施例を説明してこれを行うこととする。
図１を詳しく参照すると、熱成形装置１には成形空洞３にプラスチックシートを押し込むためのプラグ２が設けられている。シート４は、空圧駆動で成形シート４を空洞３に非常に近い形状に成形する等の従来的な処理を受ける。
空洞３は、導管６、７及び凝結容器８と協同で密閉された室を形成している中空本体５により囲まれている。凝結容器８内には、熱交換コイル９があって適当な冷却用の冷媒が供給される。
【００１９】
導管７はプラスチックシート保持手段１３の下を通っており、従って、凝結容器９に到る蒸気の通路に液体ブロッキング効果を生じるおそれがある。
この効果は、加熱コイル１１を介して追加の熱を導入し、この箇所で液体の気化を起こすことにより排除される。
【００２０】
本装置の初期立ち上げ時には、先ず、中空の本体５、導管６及び７、そして容器８を含め室を水で満たす。次に、弁１２を介して水を、符号１５で示すレベルに下降するまで抜き取る。これにより上部排出空間１６は、実質的には液体の蒸気により暗黙的に満たされた状態にされる。
これより装置は密閉システム状態に入り、空洞３の壁からの熱は蒸発潜熱に変換され、蒸気が凝結室８に到って液体に戻る際に、蒸発潜熱が熱交換コイル９に伝達されることになる。これより図２から図５までを参照するが、この中で、図２、３、５は射出ダイの雄型側を示しており、説明を簡単にするためにまずこれらの部品を参照した後に、図４でより概括的に示す雌側の説明を行なうことにする。
【００２１】
図より分かるように、雄型枠１７は符号１８と示される箇所等に配置された適当なボルトを介してブロック１９に取り付けられ、背板２０と協同で、全体を符号２２で示す選定された量の水を保持する密閉室２１を形成する。雄型枠１７とブロック１９とは一体に形成してもよい。
水２２は密封閉鎖空間２１全体を満たしている訳ではなく水２４の上限より上の空間２３は残っている。
【００２２】
熱交換式冷却装置２５には、空間２３内に水蒸気がある場合にその水蒸気の冷却を効果的に行なうため、多数のフィン２７を有する管２６が設けられている。
フィン２７の温度は、冷却水を導入口２８に通し、脱着コア２９の中心を抜けて終点３０まで流し、この終点３０から、らせん状の間隙３１を通り抜けさせ、こうして中空コア２９の全長を通過して通路３２から出て行くように流すことにより制御される。
この装置の都合のよい点は、中空コア２９がプラグ３３により保持されているので、時折、コアを簡単に取外して水垢やぼた等の沈積物を効果的に除去清浄できることである。
【００２３】
ゲート弁３４は孔３５と排出口４４を効果的に塞ぐようになっており、更に、閉鎖可能なプラグが３６に設けられている。
ダイを交換する際は、先ず、溶解している可能性のある気体を水から追い出すため、水を少なくとも１分間激しく沸騰させる。次に、その水を孔３６を通して室２１に注ぎ、室を完全に満たす。ゲート弁３４上には一対のシール部材４５が装着されており、この弁が開いているときには、孔３５を閉鎖した状態に保ちながら排出口４４を通して水を室から抜き取ることができ、閉じているときには排出口４４から空気が室内に流れ込むのを防ぐという具合に働く。
【００２４】
排出される水の量は、選択された水位の上方に、冷却器が普通は水蒸気だけで液体状態の水を含まない環境内で作動することを可能にさせるのに十分な空間ができる程度の量である。ガス抜きされた水で密閉室２１を部分的に満たすと、水は、例えば図２に示すように、ダイのある部品を覆うようになるのが分かるが、それらの部品というのは加熱されたプラスチック材料に接し、そこから熱が除去される区域に直に隣接した箇所である。
【００２５】
密閉室２１内の圧力を下げることにより、ダイのより高温の部品に隣接する水は摂氏１００度（華氏２１２度）より幾分低い温度で沸騰するが、水の蒸発潜熱の値が高いことから、このような作用によりダイのより高温の部品からの熱の抽出が非常に効果的に行なわれる結果となる。
ダイの配置方位及びダイの内部部品の形状により、蒸気が生成された場合、その蒸気は密閉室２１の最上部の空間へと上昇し、次に、この空間に濃縮された水蒸気は熱交換システムからの熱交換により冷やされて凝縮するという具合になっている。
【００２６】
密閉室２１内の液体の状態を準備するために使える方法は多様であり、ここでは一般的なやり方について説明してきたが、別の方法では、このような装置には先ず、充満された密閉室２１から除去される水の容積よりも大きい容積への導入口又は充填口と嵌合するねじの切られた流し口を持つトンネルが設けられる。
１回のストローク容量が除去される水の容積に等しい往復真空ポンプが排出口に取り付けられる。
一旦水が室を満たすと、真空ポンプを使って何度も引き出しと戻しを繰返し、システム内の水をサージ状に出し入れして、充満の途中で閉じ込められたおそれのある大きな気泡の排除を助ける。
【００２７】
幾らかの空気が追い出され水の表面に移動すると、室には再び水が充填され、そして導入口又は充填口が閉じられる。
真空ポンプは再度引き出しと戻しを何度も繰返し、システム内の水をサージ状に出し入れする。引き出すごとに、室内部の圧力はかなり低下し、閉じ込められた気泡が残っていれば、それら気泡は広がって大部分は水面まで上昇する。真空ポンプストロークはここで戻され、室には再び水が充填され、そして導入口が閉じられる。
真空ポンプのフルストロークにより必要量の水が抜き出され、ゲート弁３４がねじ込まれ、排出口４４が閉じる。
【００２８】
このプロセスの間、ゲート弁３４は、水が重力によってポンプに簡単に入って行けるようにしている。実質的に空気は除去されているので、液体を真空ポンプ内に動かすには重力が必要となる。
これより、先に述べたように射出ダイの一方の側に関して説明を行なうが、図４に射出ダイの更なる部分が分解されて詳しく示されている。このケースでは、密閉室３７が雌型形状３８を取り囲み、その又中に雌型部１７が配置され、両者の間に導入口３９が付いた成形用空間が形成されている。
【００２９】
背板４０はダイ４１と密閉係合しており、熱交換手段が４２で、中空の脱着可能コア４３と共に示されている。
ダイの当側の充填手順は最初のダイの雄型部の場合と同じである。
説明した本装置の都合のよい点の１つは、温度がより高い箇所で優先的に沸騰が起き、それによりその周囲の区域の温度が下がるので、ダイの温度が自動的に均一にされるということである。
その結果、本システムを採用すれば、温度の優先的均一効果がもたらされ、これは温度を均一に保つためのより精巧な技術を試みることはもはや必要でないということを意味する。
【００３０】
例えば、モールド温度は、水などのクーラントの流れを熱交換器を介して制御することにより、非常に均等且つ効率的に制御することができる。これは、密閉室の液体の温度に反応するようにサーモスタットを配置することを含む、他の配置に連なっている。
従って、これはサーボ制御装置を介して接続され、温度が選択された値より低くなる都度、クーラント液が熱交換器中を流れるのを中断させ、密閉室内の液体の温度が、もう一つの僅かに高い選択された値より上昇する都度、クーラント液の流量を復元又は増加させるようにすることができる。
【００３１】
（実験結果）
試作装置を製作し試験した。この装置では、射出ダイの雄型部は図２、図３及び図５に示す配置で製作され、表面積が２５０ｍｍ2で、開示された突出型コアの直径は７０ｍｍで長さは５５ｍｍであった。密閉室の壁厚はダイ部分が１２ｍｍであった。
ガス抜きをした水の注入を行い、次に、水の一部を排除して空間内に水蒸気だけが残るようにする説明済みの方法を適用した。
【００３２】
説明してきた冷却行為の有効性を以下のように試験した。
１．クーラント水を、試験時の室温であった摂氏２７度で熱交換器に供給した。２．２本のガスブローランプをコアの表面に向け、突起型ダイ面の外面を連続的に加熱しつづけた。クーラントの温度、コアの温度、及び密閉室内の水の温度はデジタル高温計を使って監視した。
３．熱交換器を通るクーラントの流量は、毎分４リットルの流量が実現できるように調整した。
４．ブローランプの出力は、クーラント中の温度上昇が摂氏２．７度になるまで調整した。これは７５０ワットの冷却率に匹敵する。
５．ダイの温度は、これらの条件下では、摂氏４８度に到達しその温度に維持されることが分かったが、この温度はつまりクーラント温度よりも摂氏２１度高いものである。
６．密閉室の水の温度は安定し、摂氏３５度であった。
その幾何学形状と試験条件に基づき、コアの予測温度の直接計算を行った。ココアの壁を介した温度差の計算値は摂氏１２度で、これは実験結果と非常に良好に対応していることが分かった。温度差の余り部分（摂氏８度分）は熱交換器の交換効率の関数である。
【００３３】
以上の実験結果から、これらは非常に特出した実効結果を示しており、機械を冷却しなければならず、冷却作用の均等化の実現に価値がある場合には、非常に意義深い値となるであろうと考察できる。
更に、密閉室は全冷却過程を通し同じ水を保持しているので、鉱物質沈積物又は他の重大な錆が（空気欠如の結果として）現れることもないと期待できる。
水だけを使用するのが好ましいが、他の液体又は混合液体を使用してもよく、そのような場合は、密閉室の液の液面上方の空間には実質的にその液体の蒸気しか存在しないことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例による熱成形装置の概略断面図である。
【図２】  プラスチック射出ダイの雄型側の断面図である。
【図３】  本発明の第２実施例である図２の３−３線に沿った断面図である。
【図４】  プラスチック射出ダイの分解組立斜視図であり、その雄型側は図２及び図３に示している。
【図５】  図２及び図３に示す第２実施例の部分を形成している部品の分解組立斜視図である。
【図６】  図３の３−３線に沿った断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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