JP3975218B2

JP3975218B2 - プラスチック成形機の冷却システム

Info

Publication number: JP3975218B2
Application number: JP2005300775A
Authority: JP
Inventors: 稔荒本
Original assignee: 株式会社カンネツ
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP2007106045A

Description

本発明は、プラスチック成形機の冷却システムに関する。

従来、プラスチック成形機は、油圧駆動式が主流であり（例えば、特許文献１参照）、オイルポンプにより昇圧された油圧を駆動源として、金型の開閉、樹脂の射出注入に必要な動作が行われ、このときオイルポンプの駆動により作動油が昇温される。そこで、昇温を防止するためにオイルクーラが設けられている。一般的に、油圧駆動式のプラスチック成形機では、オイルクーラ，金型，ホッパー下の３箇所が冷却・温調を必要としている。プラスチック成形工場では、屋内の成形機に対応して屋外に冷却塔が設けられており、この冷却塔で冷却された冷却水が、直接的にあるいは冷凍機付水冷却機（チラー）を経由してオイルクーラ，金型，ホッパー下に送られ、冷却が行われている。
最近では、プラスチック成形の省エネルギー化による製造コスト低減や高精度化を目的として、プラスチック成形機が、従来の油圧駆動式から電動モータ駆動式へと急速に変化してきている。プラスチック成形機を電動モータ駆動式にすることによって、油圧駆動式で使用されていたオイルクーラが必要なくなり、冷却熱量負荷が少なくなる。
また、最近のプラスチック成形品では、精密成形品が多くなってきている。精密成形品は、通常の成形品より高い金型温度（例えば60℃〜80℃）で成形するものが多く、そのために冷却水温が高くても成形が可能になっている。
特開２００１−３００９８３号公報

このように、最近のプラスチック成形機では、冷却熱量負荷が少なくなってきているにもかかわらず、冷却システムは、大きな冷却熱量負荷に耐え得る従来のシステムを使用していたため、無駄が生じていた。
また、従来使用されてきた冷却塔には、開放式冷却塔と密閉式冷却塔が存在するが、開放式冷却塔では、空気中からの汚染物質や藻等の発生によって冷却水中の不純物が濃縮蓄積して機器に悪影響を及ぼすという問題点があった。また、密閉式冷却塔では、冷却水が大気に触れない分、冷却水中に不純物が蓄積するのを防止できるが、密閉式冷却塔内に散水用ポンプとその散布水を循環させる配管が存在しているので、構造が複雑であった。さらに、散布水を補充しなければならないという問題点があった。
また、従来の冷却システムは、季節，時間帯による温度変化や寒冷地における使用等で外気温度が０℃以下になった場合、配管内の冷却水をヒータにて温めながら循環させ、冷却水の凍結防止を図っていた。しかしながら、ヒータの使用は、動かすのに電気代等の多くのコストがかかるという欠点があった。
そこで、本発明は、従来の冷却塔を必要とせず、省エネルギー化を図り得るプラスチック成形機用の冷却システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るプラスチック成形機の冷却システムは、冷却水を所定の温度に調整してプラスチック成形機に供給する冷却調整手段を備え、上記冷却調整手段は、上記冷却水を貯留する冷却水タンクと、該冷却水が通る水・空気熱交換器に室外空気を直接的に当てて該冷却水を冷却する空冷式熱交換ユニットと、冷媒・水熱交換器にて該冷却水を冷却する空冷式冷凍機付水冷却機と、を有し、さらに、上記冷却水と外気温度を監視・比較し、上記冷却水を所定の冷却設定温度に維持するように制御すると共に、該冷却設定温度よりも高く設定した第１切換温度よりも外気温度が低い場合に上記熱交換ユニットを使用し、かつ、上記冷却設定温度よりも低く設定した第２切換温度よりも外気温度が高い場合に上記冷凍機付水冷却機を使用し、そして、上記第１切換温度と上記第２切換温度の温度範囲で、上記熱交換ユニットと上記冷凍機付水冷却機とを同時運転するように、制御する、制御手段を、上記冷却手段が具備している。

また、上記冷却調整手段は、システム全体休止状態下で、上記冷却水を上記冷却水タンクと上記熱交換ユニットと上記冷凍機付水冷却機に循環させる駆動エンジン付の臨時循環ポンプと、該駆動エンジンの排熱を凍結防止用熱量とするために該冷却水を上記冷却水タンクと該駆動エンジンのラジエータとの間で循環させる排熱活用補助ポンプと、を有する凍結防止手段を備えたものである。

本発明は、次のような著大な効果を奏する。
本発明に係る冷却システムは、従来の冷却塔の代わりに熱交換ユニットを使用し、従来の冷却塔に備わっていた散水ポンプ，散布水を循環させる配管等を省略することができ、冷却システムの簡素化を図り得る。また、散水ポンプ等を駆動させるエネルギーが必要なくなるので、省エネルギー化を図り得る。
また、冷凍機付水冷却機を熱交換ユニットと併用して使用することによって、外気温度が冷却設定温度より高くなる場合にも、対応することができる。
また、制御手段にて、熱交換ユニット単独で冷却可能な温度範囲では、多くの電力を消費する冷凍機付水冷却機をなるべく使用しないようにでき、より省エネルギー化を図り得る。

また、凍結防止手段を使用する際、駆動エンジンの排熱を利用して冷却水を温めるので、別途ヒータを使用して冷却水を温めていた従来と比較して、省エネルギー化を図ることができる。

以下、実施の形態を示す図面に基づき、本発明を詳説する。図１に於て、本発明の第１の実施の形態に係る冷却システムを示す。
この第１実施形態に係る冷却システムは、冷却水Ｍを所定の温度に調整してプラスチック成形機２に供給する冷却調整手段３を備えている（なお、本発明において冷却水Ｍとは、通常の水に加えてケミカルクーラントも含むものとする）。
プラスチック成形機２は、例えば電動モータ駆動式が好ましく使用され、外部に設けられたヒータにより加熱される加熱シリンダ46と、加熱シリンダ46の内部に固形のプラスチック原料樹脂を導入するためのホッパー47と、加熱シリンダ46とホッパー47との間に設けられたホッパー下冷却部45と、金型を冷却する金型冷却部48, 48と、金型の開閉及び樹脂の射出動作を行なう駆動手段等を有している。

冷却調整手段３は、冷却水Ｍを貯留する冷却水タンク４と、冷却水Ｍが通る水・空気熱交換器５に室外空気を直接的に当てて冷却水Ｍを冷却する空冷式熱交換ユニット６と、冷媒・水熱交換器11にて冷却水Ｍを冷却する空冷式冷凍機付水冷却機７と、を有している。冷却水タンク４の底部には、送水ポンプ17によって冷却水Ｍをプラスチック成形機２へ送るための送り配管15の一端が接続されている。送り配管15の他端は、プラスチック成形機２のホッパー下冷却部45と金型冷却部48, 48に接続され、冷却水Ｍがそこに送られるようになっている。なお、図１中に２点鎖線にて示すように、温調ユニット49を介設して、金型冷却部48, 48に常に一定の温度と流量を送り、精密成形を安定して行うようにすることが望ましい。
また、ホッパー下冷却部45と金型冷却部48, 48で昇温された冷却水Ｍは、戻り配管16を通じて、冷却水タンク４へ戻されるようになっている。
また、冷却水タンク４には、タンク内水温センサ35が付設されている。

ここで、空冷式熱交換ユニット６は、上記水・空気熱交換器５と、送風機18と、を有している。水・空気熱交換器５は、例えば、蛇行状の配管に多数枚の放熱フィンが付設された構造となっている。この水・空気熱交換器５は、冷却水タンク４と配管19, 20にて接続されている。そして、第１通常循環ポンプ21にて、水・空気熱交換器５と冷却水タンク４との間で冷却水Ｍの循環が行なわれる。送風機18は、ファンモータ22にて駆動され、水・空気熱交換器５に室外空気を当てるようになっている。つまり、空冷式熱交換ユニット６は、冷却水タンク４から導かれた冷却水Ｍを直接的に冷却するものであって、冷媒を介して冷却水Ｍを冷やすものではない。従って、冷媒を循環させる配管は備わっていないし、冷媒ガスを圧縮させるための圧縮機も備わっていない。このため、空冷式熱交換ユニット６の構造は、簡単なものとなっている。また、電力を消費するものは、ファンモータ22のみであるので、電力消費量が非常に小さいものとなっている。
空冷式熱交換ユニット６には、外気温度センサ32が付設され、空冷式熱交換ユニット６の水・空気熱交換器５へ冷却水Ｍを送る配管19の途中には、凍結防止温度センサ33が付設されている。また、空冷式熱交換ユニット６から冷却水タンク４へ冷却水Ｍを送る配管20の途中には、冷却水温度センサ34が付設されている。

冷凍機付水冷却機７は、上述の冷媒・水熱交換器11と、アキュムレータ23と、冷媒・空気熱交換器24と、圧縮機25と、送風機26と、を有している。冷媒・水熱交換器11は、冷却水タンク４と配管28, 29にて接続されている。そして、第２通常循環ポンプ30にて、冷媒・水熱交換器11と冷却水タンク４との間で冷却水Ｍの循環が行なわれる。冷媒・水熱交換器11で冷却水Ｍとの熱交換により蒸発した冷媒は、圧縮機25にて吸引，昇圧され、送風機26にて冷却される冷媒・空気熱交換器24で液化して、アキュムレータ23を通り、再び冷媒・水熱交換器11に入るようになっている。なお、冷凍機付水冷却機７は、送風機26を駆動させるファンモータ27，圧縮機25等により、空冷式熱交換ユニット６よりも電力消費量が大きなものとなっている。

ここで、本実施形態の冷却調整手段３は、図１及び図２（Ａ) ,(Ｂ）に示すように、冷却水Ｍの冷却設定温度Ｔ₀近傍の第１切換え温度Ｔ₁よりも外気温度が低い場合に熱交換ユニット６を使用し、かつ、冷却設定温度Ｔ₀近傍の第２切換え温度Ｔ₂よりも外気温度が高い場合に冷凍機付水冷却機７を使用するように制御する制御手段８を、有している。より詳しく説明すると、この制御手段８は、『冷却水Ｍの冷却設定温度Ｔ₀よりも外気温度が高くなって熱交換ユニット６が無力化する温度範囲において、冷凍機付水冷却機７を使用する』という趣旨に基づき制御を行うものである。つまり、図２（Ａ）に示すように、理想的には、外気温度が冷却設定温度Ｔ₀に等しいときを境に熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７との切換えが行われるのが好ましく、その場合、冷却設定温度Ｔ₀，第１切換え温度Ｔ₁，第２切換え温度Ｔ₂は一致する。しかしながら、実際には、配管内の冷却水Ｍの移動や外気温度の変動を考えると、冷却設定温度Ｔ₀の前後でわずかながら熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７とを同時運転した方がよい場合もある。その場合は、第１切換え温度Ｔ₁は冷却設定温度Ｔ₀よりもわずかに高く設定され、第２切換え温度Ｔ₂は冷却設定温度Ｔ₀よりもわずかに低く設定される。なお、冷却水Ｍが冷却設定温度Ｔ₀よりも低くなった場合にファンモータ22を停止し、温度制御を行うようにすれば、さらに電力消費量を削減させることができる。

このような制御手段８は、図１及び図３に示すように、タンク内水温センサ35，外気温度センサ32，凍結防止温度センサ33，冷却水温度センサ34等の温度センサと電気的に接続され、また、制御手段８は、空冷式熱交換ユニット６のファンモータ22，冷凍機付水冷却機７の圧縮機25，冷凍機付水冷却機７のファンモータ27，送水ポンプ17，第１通常循環ポンプ21，第２通常循環ポンプ30等と電気的に接続されている。制御手段８は、タンク内水温センサ35や冷却水温度センサ34からの情報にて冷却水Ｍの温度を監視し、外気温度センサ32からの情報にて外気温度を監視するようになっている。そして、冷却水Ｍと外気温度との温度比較を行い、かつ、冷却水Ｍを冷却設定温度Ｔ₀に維持できるように、空冷式熱交換ユニット６や冷凍機付水冷却機７を制御する。具体的には、空冷式熱交換ユニット６を動かす場合、タンク内水温センサ35, 冷却水温度センサ34, 外気温度センサ32の情報に基いて、ファンモータ22，第１通常循環ポンプ21等を制御する。また、冷凍機付水冷却機７を動かす場合、タンク内水温センサ35, 冷却水温度センサ34の情報に基いて、圧縮機25, ファンモータ27，第２通常循環ポンプ30等を制御する。
また、制御手段８は、タンク内水温センサ35，冷却水温度センサ34，外気温度センサ32の情報に基いて、（第１切換え温度Ｔ₁，第２切換え温度Ｔ₂を境として）空冷式熱交換ユニット６を動かすか、冷凍機付水冷却機７を動かすかを判断する。

また、第１実施形態の冷却調整手段３は、システム全体休止状態下で、冷却水Ｍを冷却水タンク４と熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７に循環させる駆動エンジン10付の臨時循環ポンプ９と、駆動エンジン10の排熱を凍結防止用熱量とするために冷却水Ｍを冷却水タンク４と駆動エンジン10のラジエータ13との間で循環させる排熱活用補助ポンプ12と、電動式の臨時循環ポンプ31と、を有する凍結防止手段14を備えている。凍結防止手段14は、システム全体休止状態下で第１通常循環ポンプ21及び第２通常循環ポンプ30が停止し、かつ、配管内を通る冷却水Ｍの温度が０℃近傍の所定の温度になった場合に、使用されるように設定されている。
臨時循環ポンプ９，排熱活用補助ポンプ12，臨時循環ポンプ31は、図３に示すように、制御手段８と電気的に接続されている。また、臨時循環ポンプ９，排熱活用補助ポンプ12，臨時循環ポンプ31は、制御手段８と電気的に接続される凍結防止温度センサ33の情報に基いて、制御されるようになっている。

次に、図４に於て、本発明の第２の実施の形態に係る冷却システムを示す。上述の第１実施形態では、冷却システムの構築時に、熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７との両方を設置する場合を例示していた。しかしながら、第２実施形態では、冷媒・水熱交換器11にて冷却水Ｍを冷却する空冷式冷凍機付水冷却機７を有し、かつ、冷却水Ｍを所定の温度に調整してプラスチック成形機２に供給する既設の冷却調整手段３Ａに、冷却水Ｍが通る熱交換器５に室外空気を直接的に当てて該冷却水Ｍを冷却する空冷式熱交換ユニット６を、増設した場合を例示している。

より具体的に説明すると、既設の冷却調整手段３Ａは、本発明の空冷式熱交換ユニット６を増設する以前から、プラスチック成形工場の冷却システムを構築していたものであり、上記冷凍機付水冷却機７の他、送水ポンプ17，冷却水タンク４，第２通常循環ポンプ30等を備えていた。
第２実施形態では、このような既設の冷却調整手段３Ａに、第１実施形態と同様の空冷式熱交換ユニット６が増設されている。そして、冷却水Ｍを冷却水タンク４と水・空気熱交換器５に循環させる第１通常循環ポンプ21と、冷却水Ｍの冷却設定温度Ｔ₀近傍の第１切換え温度Ｔ₁よりも外気温度が低い場合に熱交換ユニット６を使用し、かつ、冷却設定温度Ｔ₀近傍の第２切換え温度Ｔ₂よりも外気温度が高い場合に冷凍機付水冷却機７を使用するように制御する制御手段８も、増設されている。
さらに、システム全体休止状態下で、冷却水Ｍを冷却水タンク４と熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７に循環させる駆動エンジン10付の臨時循環ポンプ９と、駆動エンジン10の排熱を凍結防止用熱量とするために冷却水Ｍを冷却水タンク４と駆動エンジン10のラジエータ13との間で循環させる排熱活用補助ポンプ12と、電動式の臨時循環ポンプ31と、を有する第１実施形態と同様の凍結防止手段も増設されている。
つまり、第２実施形態では、既設の冷却調整手段３Ａを使用して、第１実施形態と同様の構成の冷却システムが構築されている。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されない。例えば、電動モータ駆動式のプラスチック成形機に適用するのに限るのではなく、油圧駆動式のプラスチック成形機に適用してもよい。
また、第１，第２実施形態では、空冷式熱交換ユニット６を動かすときは第１通常循環ポンプ21を駆動させ、冷凍機付水冷却機７を動かす場合には第２通常循環ポンプ30を駆動させるように構成したが、本発明はこれに限らず、配管の途中に３方バルブを設ける等して、通常循環ポンプを１台としてもよい。
また、冷凍機付水冷却機７は、屋内・屋外のどちらに設置してもよい。
また、凍結防止手段14は冷却水Ｍを冷却水タンク４と熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７に循環させる（あるいは、冷却水タンク４と熱交換ユニット６との間で循環させる）臨時循環ポンプ９と、駆動エンジン10のラジエータ13の排熱活用補助ポンプ12と、電動式の臨時循環ポンプ31と、）で構成したが、本発明はこれに限らず、容量を増加した１台のポンプ（及び分岐配管）によって構成してもよい。

以上のように、本発明に係る冷却システムは、冷却水Ｍを所定の温度に調整してプラスチック成形機２に供給する冷却調整手段３を備え、冷却調整手段３は、冷却水Ｍを貯留する冷却水タンク４と、冷却水Ｍが通る水・空気熱交換器５に室外空気を直接的に当てて冷却水Ｍを冷却する空冷式熱交換ユニット６と、冷媒・水熱交換器11にて冷却水Ｍを冷却する空冷式冷凍機付水冷却機７と、を有し、さらに、冷却水Ｍと外気温度を監視・比較し、冷却水Ｍを所定の冷却設定温度Ｔ₀に維持するように制御すると共に、冷却設定温度Ｔ₀よりも高く設定した第１切換温度Ｔ ₁ よりも外気温度が低い場合に熱交換ユニット６を使用し、かつ、冷却設定温度Ｔ₀よりも低く設定した第２切換温度Ｔ ₂ よりも外気温度が高い場合に冷凍機付水冷却機７を使用し、そして、第１切換温度Ｔ ₁ と第２切換温度Ｔ ₂ の温度範囲で、熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７とを同時運転するように、制御する、制御手段８を、冷却手段３が具備しているので、従来の冷却塔の代わりに熱交換ユニット６を使用し、従来の冷却塔に備わっていた散水ポンプ，散布水を循環させる配管等を省略することができる。これにより、冷却システムの簡素化を図り得る。また、散水ポンプ等を駆動させるエネルギー（燃料，電力）が必要なくなるので、省エネルギー化を図り得る。また、冷却設備を簡素化できる分、冷却システム全体としてのＣＯ₂排出量を抑制できる。即ち、従来の冷却塔と比較すれば、補給水が不要となってＣＯ₂の排出量が削減される。また、冷凍機を使用する場合と比較すれば、電力量削減によってＣＯ₂の排出量が削減される。

また、冷凍機付水冷却機７を熱交換ユニット６と併用して使用することによって、外気温度が冷却設定温度Ｔ₀より高くなる場合にも、対応することができる。
また、制御手段８にて、熱交換ユニット６単独で冷却可能な温度範囲では熱交換ユニット６のみを使用することによって、多くの電力を消費する冷凍機付水冷却機７をなるべく使用しないようにでき、より省エネルギー化を図り得る。

また、冷却調整手段３は、システム全体休止状態下で、冷却水Ｍを冷却水タンク４と熱交換ユニット６と冷凍機付水冷却機７に循環させる（あるいは、冷却水タンク４と熱交換ユニット６との間で循環させる）駆動エンジン10付の臨時循環ポンプ９と、駆動エンジン10の排熱を凍結防止用熱量とするために冷却水Ｍを冷却水タンク４と駆動エンジン10のラジエータ13との間で循環させる排熱活用補助ポンプ12と、を有する凍結防止手段14を備えたものであるので、システム全体休止状態において、季節，時間帯による温度変化や寒冷地における使用等で外気温度が０℃以下になった場合、熱交換ユニット６，冷凍機付水冷却機７，配管等の破損を防ぐことができる。また、凍結防止手段14を使用する際、駆動エンジン10の排熱を利用して冷却水Ｍを温めるので、別途ヒータを使用して冷却水Ｍを温めていた従来と比較して、省エネルギー化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る冷却システムを示す概略図である。冷却設定温度と熱交換ユニットの第１切換え温度と冷凍機付水冷却機の第２切換え温度との関係を示す説明図であって、（Ａ）は理想的な切換えを示した説明図、（Ｂ）は現実的に起こりえる切換えを示した説明図である。制御手段と、制御手段と電気的に接続される機器と、の関係を示した概略図である。本発明の第２実施形態に係る冷却システムを示す概略図である。

符号の説明

２プラスチック成形機
３冷却調整手段
４冷却水タンク
５水・空気熱交換器
６熱交換ユニット
７冷凍機付水冷却機
８制御手段
９臨時循環ポンプ
10 駆動エンジン
11 冷媒・水熱交換器
12 補助ポンプ
14, 38 凍結防止手段
Ｍ冷却水
Ｔ₀ 冷却設定温度

Claims

冷却水（Ｍ）を所定の温度に調整してプラスチック成形機（２）に供給する冷却調整手段（３）を備え、
上記冷却調整手段（３）は、上記冷却水（Ｍ）を貯留する冷却水タンク（４）と、該冷却水（Ｍ）が通る水・空気熱交換器（５）に室外空気を直接的に当てて該冷却水（Ｍ）を冷却する空冷式熱交換ユニット（６）と、冷媒・水熱交換器（11）にて該冷却水（Ｍ）を冷却する空冷式冷凍機付水冷却機（７）と、を有し、
さらに、上記冷却水（Ｍ）と外気温度を監視・比較し、上記冷却水（Ｍ）を所定の冷却設定温度（Ｔ₀）に維持するように制御すると共に、該冷却設定温度（Ｔ₀）よりも高く設定した第１切換温度（Ｔ ₁ ）よりも外気温度が低い場合に上記熱交換ユニット（６）を使用し、かつ、上記冷却設定温度（Ｔ₀）よりも低く設定した第２切換温度（Ｔ ₂ ）よりも外気温度が高い場合に上記冷凍機付水冷却機（７）を使用し、そして、上記第１切換温度（Ｔ ₁ ）と上記第２切換温度（Ｔ ₂ ）の温度範囲で、上記熱交換ユニット（６）と上記冷凍機付水冷却機（７）とを同時運転するように、制御する、制御手段（８）を、上記冷却手段（３）が具備していることを特徴とするプラスチック成形機の冷却システム。
上記冷却調整手段（３）は、システム全体休止状態下で、上記冷却水（Ｍ）を上記冷却水タンク（４）と上記熱交換ユニット（６）と上記冷凍機付水冷却機（７）に循環させる駆動エンジン（10）付の臨時循環ポンプ（９）と、該駆動エンジン（10）の排熱を凍結防止用熱量とするために該冷却水（Ｍ）を上記冷却水タンク（４）と該駆動エンジン（10）のラジエータ（13）との間で循環させる排熱活用補助ポンプ（12）と、を有する凍結防止手段（14）を備えた請求項１記載のプラスチック成形機の冷却システム。