環境対応の新冷媒を使用した金型冷温調機


近年、射出成形および押出成形において、さまざまな形状や樹脂での成形が行われている。 特にITの急速な進展に伴い、関連機器へのプラスチック製品(導光板・コネクタ・レンズ等)の応用が急拡大している。それに伴い、金型温調機の温度制御範囲や温度精度に対する要求も高くなってくるとともに、オゾン層破壊対策による特定フロン規制のような地球環境保護に対する取り組みも求められている。
そこで、IT機器製品関連製品および環境政策への対応策として、新冷媒「R 407C」を採用したチラーを使用すると共に、高圧・大流量ポンプを搭載することにより、さまざまな精密成形品に最適な温度で媒体を供給できる機器として、小型金型冷温調機「KCW-03Hεz・05Hεz」(媒体温度10〜95℃)「KCW−03fz・05fz」(媒体温度7〜30℃)の紹介をする。


1.チラーの必要性

プラスチックの成形サイクルは、一般に樹脂の溶融、射出、成形、固化、製品の取出工程であるといえる。これらのサイクルは秒単位で繰り返されており、成形が 大量生産に適するといわれる理由である。そこで、良品を成形しつつ金型温度を1℃でも下げることによって成形サイクルをアップし、製品の単価を下げ製品自身の競争力を高めることを目的として使用する。金型の温度コントロールは、一般に液体流体(以下、媒体という)を用いて行われ、金型に設けられた冷却穴に媒体を循環させ金型を一定温度にコントロールする方法がとられている。
したがって、成形される樹脂の種類等によって温度設定がされ、媒体も冷水・温水・熱媒オイル等広く用いられている。媒体の種類によって金型温調機を分類 すると 表1 のようになる。
本稿ではこの中の冷温調機について説明する。


2.冷温調機の新機能

2-1.新冷媒への対応

現在多くの冷凍設備(チラー)に使用されている冷媒は「R 22」(HCFC)であるが、わずかながらオゾン層を破壊するため、地球環境保護の観点から代替冷媒が探索されている。
代表する代替冷媒は、表2 のとおりである。
代替冷媒の選定に当たり、(株)レイケンの選定基準を下記に記す。

1)オゾン層破壊係数( ODP )を”0”にする。
2)地球温暖化係数( GWP)を小さくする。
3)総等価温暖化指標(TEWI )が小さい。
4)安全性クラスが高い。
表2 代替冷媒の物性
項目/種類
R 22
R 407C
R 410A
アンモニア

オゾン層破壊係数 (ODP)

0,055

0

0

0

地球温暖化係数( GWP ) 1,700 1,370 1,370 <1
安全性クラス
(ASHRAE)
A 1 A 1/A1 A 1/A1 B 2
成績係数 5 5 5 4〜5

つぎに各係数等の説明をする。

1)オゾン層破壊係数
”ODP:Ozon Depleting Potential”は、オゾン層への影響度合いをCFC-11を”1”としたときの比較値のことである。
ガスが大気中に放出されたときにオゾン層に悪影響があるため”ゼロ”のガスを採用すべきと考えている。

2) 地球温暖化係数
”GWP:Gloval Warninng Potential”は、温暖化影響度合いを炭酸ガスを”1”としたときの比較値のことである。小さい値のものが、最適と考えている。

3)総等価温暖化指標
”TEWI:Total Equivalent Warninng inpact”は、ガスの大気への漏れによる直接的温暖化影響と、エネルギー使用(電力)による間接的温暖化影響を総合的に捉えて評価する指標のことである。この指標も地球温暖化の観点から判断すると、大切な項目と考えている。

4)安全性クラス
レイケンでは(社)日本冷凍空調工業連合会と同様にアメリカ暖房冷凍空調学会”ASHRAE:American society of Heating refrigerating and Air conditioning Engineers”の安全クラス分けの数値により評価している。

ODP・GWPのみの二つのスケールで見ると、アンモニア冷媒がオゾン層破壊係数、地球温暖化係数ともにゼロで最良な自然媒体であるが、安全性クラスの分類では低可燃性、毒性がありB2で評価されている。現にアンモニアは可燃性、毒性、腐食性等の規制があり、国内法規でも安全面での厳しい設置基準や保安基準が設けられている。また総統価温暖化影響指標は,以下のように表される。

総統価温暖化影響指標(TEWI )

=冷媒の漏れによる温暖化因子・・・・・・・・・・(1)

+冷媒未回収分による温暖化因子・・・・・・・(2)

+エネルギー使用による間接的影響因子・・・(3)

TEWI=(GWP×L×N) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

+(GWP×m×(1-α))・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

+(N×E×β)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

GWP:地球温暖化係数(CO2 換算)

L:年間漏れ量(kg)

N:使用年数(年)

m:冷媒充填量(kg)

α:回収率

E:年間電力消費量(kwh)

β: 発電CO2量(kg/kwh)



地球温暖化は上記のように、TEWIが提案されており、これは冷媒による地球温暖化の寄与と運転に伴う CO 2の排出による地球温暖化に対する寄与を総合的に判断しようとするものである。

したがってTEWIを評価するとき、レイケンのチラーでは、クローズループで冷媒を循環させており、冷媒漏れがないと、 (1)式をゼロにすることができる。また、(2) 式は機器の廃棄時の回収と再利用を確実にすることによりほとんどゼロにすることが可能である。

したがって、(3)式のエネルギー効率のみ評価すればよいことになる。仮に何らかのトラブルによって冷媒ガスを排出することになったとしても,R 407Cの冷凍サイクルはオゾン層の破壊は行わず、ガスの中に熱エネルギーをもつが、ガス自身がエネルギーを発散することがなく、エネルギー効率が高いためもっとも優れたシステムであると考えている。

また、一般にいわれる冷凍サイクルの実際の成績係数は、必要冷却能力(kW)/冷却消費電力(kW)比となる。 今回のR407Cを使用したチラーでは、成績係数が4.5以上を目標に行った。

成績係数=冷却能力(kW)/冷却消費電力(kW)
以上のことより、レイケンではR-22に代わる冷媒としては、地球温暖化係数が小さく安全性の高い冷媒であるR-407C が最適であると判断し選択した。


2-2. 信頼性の高い高効率チラーの開発

新冷媒のR407C採用に伴い、成績係数の高いチラーを開発するため、構成する機器も高性能で信頼の高い物を選定した。
2-2-1.圧縮機はダイキン工業精密閉型スクロール
1)広い運転範囲をもち高い効率が得られる。
2)スクロールが非接触渦巻で、信頼性が高く、低騒音である。
(騒音比較:スクロール65dB,レシプロ70dB)。
3)小型でシンプルな構造で故障が皆無である。

2-2-2. 蒸発器および凝縮器はブレージングプレート式の熱交換器。
1)伝熱性能が高く従来のチューブ式に比較して3〜5倍の伝熱係数が得られる。
2)プレート材質は耐食性が高いSUS316を使用している。
3)小型で冷媒の保有量もレイケン比較で、30%削減が図られている。

表3 KCW−05Hε;z(50Hz)の成績係数
冷水温度 (℃)
冷凍能力 (kw)
冷凍消費電力 (kw)
成績係数
5
10
20
30
14
16
19.5
23.2
3.06
3.09
3.2
3.26
4.58
5.18
6.09
7.12
これらの結果、最高のチラーシステムを組むことができ、従来のチラーより冷水取出温度を高くできるとともに、成績係数の高いチラーが開発できた。KCW-05Hεz(50Hz)の冷却能力と、冷却消費電力を表3に示す。


2-3. 新型コントローラを搭載


製造現場の情報化に伴い、コントローラ(装置)に求められる機能も高度・多様化し続けている。レイケンでは設計開発も含めて、製造現場のニーズを徹底検証し、装置のシステム・メンテナンス性などきめ細かく検討を加えた結果、過去に例を見ない多彩な機能を搭載したコントローラとなっている。

1)ホストから最大32台までの温調機をコントロール可能である。
2)本体をタッチモニタで制御・監視ができる。
3)リモート温度設定器で遠隔地からでも温度設定等が行える。
4)多彩なオプション機能
1)K、J、Ptの温度入力センサに対応できる。
2)カレンダ、ウィークリータイマが搭載できる。
3)†t表示での金型温度制御が可能である。
4)プログラムによる温度調節が可能である。
5)設定温度を60データまで記憶できる。
6)リモートからの温度制御が可能である。
7)通信機能搭載可能である(標準)。
8)SPIによる通信機能も搭載できる。
9)タッチパネルでの制御・監視ができる。


3.特徴と構成

KCW-Hεzは、10〜95℃の幅広い温度域、KCW-fzは、7〜30℃の低音域を一年通じて制御が可能であ る。 また、わが国の環境において水冷式クリーニングタワーおよび水道水を使用した場合、冷却水の温度は、冬場0〜5℃(下限)夏場30〜35℃(上限)という環境になる。この場合 冷凍サイクルを持たない通常の金型温調機の場合、40℃以下での温度調節はクリーニングタワー水温度の影響を受けて困難となり冬場は希望温度で温度調節が可能であっても、夏場では2〜3℃ひどい場合は、10〜20℃も金型温度が上昇してしまい成形サイクルおよび成形品の品質に悪影響を及ぼす場合がある。
そこで金型温度40℃付近あるいは40℃以下とし、一年 を通じて(春夏秋冬)同一金型温度・同一成形条件で成形を行うためには必ず必要となる.したがって、媒体温度10〜95℃の広範囲な温度域で成形されるハイサイクル成形や高精度成形にはKCW-03Hεz・05Hεzが最適である。



チラー能力により、つぎの2種類がある。
型式では 1)KCW-03Hεz(3馬力)、2)KCW-05Hεz(5馬力)
全体の外観は写真1、仕様書は表4、フローシートは図4、冷却能力は図5、媒体ポンプの吐出流量と圧力は、図6に示す。
また、媒体温度設定7〜30℃の低音域のみ使用されるハイサイクル成形を行う場合には、KCW-03fz・05fzが適する。
チラー能力により、つぎの2種類がある。

型式は、1)KCW-03fz(3馬力)と、2)KCW-05fz(5馬力)
仕様書は表5、フローシートは図7、媒体ポンプの吐出流量と圧力は図8に示す。
主な機能としては、冷媒ガスとしてR407Cを使用した冷凍サイクルによって媒体温度に比例した冷水を冷水タンクに 作る。この冷水を媒体循環ユニットに冷却が必要な量に応じて冷水を入れ必要に応じて冷却する。また加熱が必要な場合はヒーターをONにすることにより設定温度に媒体を調節する。また、多機能コントローラにより媒体温度を設定することにより冷水温度が自動的に設定され、常に冷凍能力の高い冷水温度で運転を可能にした。
レイケン自社比較で媒体温度の設定を60℃にしたときの冷却能力を比較すると、従来方式(冷水温度の設定が7 ℃で固定) での最大冷却能力が15kwであったのに対し、KCW-05Hεz(50Hz)を使用した場合、媒体温度設定が40℃以上のとき、冷水温度の設定は30℃(29〜31℃)とる。冷却能力は、23kwで1.5倍もの能力で運転でき、当然
成績係数も5.0から7.12に上がり(表3)、単位冷却能力を発揮するための電力消費量が下がるとともに総合温暖化因子も小さくすることができた。また、媒体温度安定精度は、通常運転時は±0.5℃で高い精度が保持できる。




表4 KCW−03,05Hεz仕様
項目/型式
KCW−03Hεz
KCW−05Hεz
電源
媒体温度範囲
媒体
冷却能力
AC200V/200,220V,50/60Hz  3Φ
10〜95℃
清水
図5参照




圧縮機
3kw密閉型スクロール
3.75kw密閉型スクロール
冷媒ガス
R407C,1.2kg
R407C,1.6kg
冷凍機油
DAPHNE,FVC68D  1.5ι
蒸発器、凝縮器
クレージングプレート式熱交換器
法定冷凍t(50/60Hz)
1.0/1.19
1.42/1.68
高圧ガス取締法
に基づく手続き
なし
容量制御(%)
100-50-0
冷却水(最大)
(ι/min)
46/55
76/88
冷水ポンプ型式
グルンドフォス製 
CH4−30/CH4-20
グルンドフォス製
CH4−40/CH4-30
モータ動力(kw)
0.55/0.65
0.75/0.89
冷水タンク容量(ι)
60
75
保護装置 高圧圧力開閉器,低圧圧力開閉器,圧縮器保護サーモスタット,可溶栓,冷媒側凍結防止器,冷水側凍結防止器


ポンプ型式
CH2-50/CH2-30
CH4−50/CH4-40   
モータ動力(kw)
0.57/0.59
0.83/1.20
ポンプ能力
図3による




媒体往き,戻り
10A×2方向
10A×4方向
冷却水出入口
20A
25A
給水口
15A
給水タンクドレン
20A
ドレンパンドレン
15A
機会寸法(mm)    
B503×L657× H1.230
B553×L657×H1.330
重量(kg)
165
200
総電気容量(kVA)
12
17.6



表5 KCW−03,05Hfz仕様
項目/型式
KCW−03Hfz
KCW−05Hfz
電源
媒体温度範囲
媒体
冷却能力
AC200V/200,220V,50/60Hz  3Φ
7〜30℃
清水
図2




圧縮機
3kw密閉型スクロール
3.75kw密閉型スクロール
冷媒ガス
R407C,1.2kg
R407C,1.6kg
冷凍機油
DAPHNE,FVC68D  1.5ι
蒸発器、凝縮器
クレージングプレート式熱交換器
法定冷凍t(50/60Hz)
1.0/1.19
1.42/1.68
高圧ガス取締法
に基づく手続き
なし
容量制御(%)
100-50-0
冷却水(最大)
(ι/min)
46/55
76/88
モータ動力(kw)
0.55/0.65
0.75/0.89
冷水タンク容量(ι)
60
75
保護装置 高圧圧力開閉器,低圧圧力開閉器,圧縮器保護サーモスタット,可溶栓,冷媒側凍結防止器,冷水側凍結防止器


ポンプ型式
CH4-50/CH4-40
CH8-60/CH8-40
モータ動力(kw)
0.83/1.26
1.44/1.69
ポンプ能力
図5による




媒体往き,戻り
10A×2方向
10A×4方向
冷却水出入口
20A
25A
給水口
15A
給水タンクドレン
20A
ドレンパンドレン
15A
機会寸法(mm)    
B503×L657× H1.230
B553×L657×H1.330
重量(kg)
165
200
総電気容量(kVA)
5.3
6.8


4.今後の対応

新冷媒の採用と高効率で信頼性の高いチラー並びに多機能のコントローラをシステマチックに組み合わせた金型冷温調機ダイナサーモz・ダイナクールzシリーズを紹介した。
今後はこの技術を超小型の金型冷温調機(KCW-01Hεz)ならびに大型の金型冷温調機(10〜50馬力)にも拡大するとともに、多機能コントローラは金型冷温調機に止まらず、早期にレイケンの製品に拡大して行く予定である。
<参考文献>

1)冷媒回収管理、技術資料、
(株)日本冷凍空調設備工業連合会
2)地球環境問題と最新のアンモニアシステム、
(社)日本冷凍空調学会事業委員会、平成11年12月3日
前 隆章

Takaaki Mae, (株)レイケン 技術部 機械設計課
〒 103-0014 東京都中央区日本橋蛎殻町 1-6-9

月刊 「プラスチックス」 12月号より




株式会社レイケンのHPへは、こちらから
http://www.reikeninc.co.jp




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