吸着蓄熱材内包金型によるプラスチック射出成形の金型温度制御消費エネルギーの削減

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289038
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 佐藤 勲 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (10170721)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齊藤 卓志 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (20302937) ; 川口 達也 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (40376942)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: プラスチック射出成形 / 吸着蓄熱 / 金型温度制御 / 消費エネルギー削減

Research Abstract

研究計画の第一年度では、本研究で提案する金型に内包したデシカントによる吸着蓄熱を利用した金型温度制御手法の基本特性を評価するため、模擬金型による加熱・冷却実験を行った。高品位成形のための射出成形金型の温度制御は、樹脂充填段階での高温モード（120℃程度）と、充填修了後、成形された溶融樹脂の冷却を行うための低温モード（30℃程度）の２つを周期的に繰り返す。このような動的温度制御を、吸着蓄熱材を内包した模擬金型で実現し、温度制御性や消費エネルギー削減効果を実験的に評価した。その結果、低温モードから高温モードへの移行（加熱）については、模擬金型内に充填した13Xゼオライトに低圧純水蒸気を吸着させた場合、最大発熱量120 kJ/kg-desiccant程度、最大発熱速度5 kW/kg-desiccantが得られた。その際、最大発熱速度を呈する位置は、時間の経過とともに、数mm/s～10 mm/sの速度で水蒸気供給ラインの上流側から下流側に移動していくことがわかった。これは、上流側での急速な吸着により下流側に十分な量の水蒸気が供給されないこと、上流側の吸着蓄熱材が飽和するとその部分の発熱量が低下することによるものである。したがって、射出成形金型において重要なキャビティ表面温度の均一性を担保するためには、この現象をモデル化し、水行基供給速度を適切に制御する必要があることが示された。
一方、高温モードから低温モードへの移行（冷却）においては、冷却速度は加熱に比べて一桁程度小さく、高速な冷却の実現には、強制排気による脱着プロセスが必要であることが示唆された。
これらの結果から、実際の射出成形金型の温度制御に吸着蓄熱材による発熱・吸熱を利用するための水蒸気供給・脱着排気の流量、電気加熱・冷却水冷却との切り替えタイミングについて有効な知見を得た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画の初年度である平成25年度には、本研究課題で提案した吸着蓄熱材を利用したプラスチック射出成形金型の温度制御手法について、その動作の確認と実成形金型設計に必要な基礎データを得ることができた。また、吸着蓄熱材への水蒸気供給によって最大発熱速度を呈する位置が数mm/s～10 mm/sの速度で下流側に向けて移動することが明らかとなった点は、キャビティ表面温度の均一性を重視する実成形金型の設計に対してきわめて有益な知見を得ることができた。
なお、固体吸着蓄熱材を充填することによる金型キャビティ表面剛性の確保については、定性的な知見を得るに留まっている。この点については、次年度の実成形金型による実験で、より現実的な条件の下で定量的な評価を試みることにする。

Strategy for Future Research Activity

前年度の知見を踏まえて、第二年度以降は、本研究課題で提案する吸着蓄熱材を内包した射出成形用金型を製作し、実際に射出成形加工を行って、その効果と制御性を評価する。実際の射出成形金型は、恒温の溶融樹脂と接するため、金型表面は溶融樹脂によって加熱される。このとき、溶融樹脂に接する金型表面に熱伝導率（正確には密度・比熱・熱伝導率の積）が小さい材料の被膜を施すことで、溶融樹脂・金型間の非定常熱伝導を抑制し、界面温度を高めて、成形品品位を向上させる「断熱金型」等と呼ばれる方法が用いられることがある。この方法は、型・樹脂界面温度を高めるのに溶融樹脂の持つ熱エネルギーを利用しているため、型温度の動的制御による消費エネルギー増大とは無縁であるが、制御性に乏しく、冷却時間の延長による生産性への影響を完全には排除することができない欠点を併せ持つ。本研究で検討する金型でも、吸着蓄熱材を型表面にきわめて近い位置に配置できれば、蓄熱材が断熱層として作用し、断熱金型と同等の効果が得られるとともに、蓄熱材による加熱・冷却効果によって制御性をも確保できると期待される。そこで、溶融樹脂からの熱移動による加熱効果と蓄熱材の加熱・冷却効果を組み合わせることによる温度制御性と消費エネルギー削減効果を実験的に検討する。また、高圧の溶融樹脂による金型変形を抑止する観点から、固体吸着蓄熱材を充填することによる金型キャビティ表面剛性の確保と温度制御性の関係を定量的に評価する。さらに、こうして温度制御された金型による成形品品位向上効果を、吸着蓄熱材による金型温度制御の消費エネルギー削減効果とあわせて評価する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

平成25年度計画のうち、固体吸着蓄熱材を充填することによる金型キャビティ表面剛性の確保については、定性的な知見を得るに留まっている。このため、剛性変化を実験的に評価するための模擬金型製作のための費用が抑制された。
固体吸着蓄熱材を充填することによる金型キャビティ表面剛性確保については、次年度の実成形金型による実験で、より現実的な条件の下で定量的な評価を試みることにしており、繰越残についてはより広範な条件の実成形金型製作経費に充てる。