JP2003145297A - 成形固化装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来に比べて機械的加圧力が小さくてすみ、
加熱量も少なくてすむ成形固化装置及び方法を提供す
る。 【解決手段】 被固化物７を加圧すると共に加熱し、被
固化物７が反応及び／又は硬化することを利用して被固
化物７を成形及び固化する装置であって、機械的圧力を
発生する手段１と、被固化物７を加熱する手段６と、被
固化物７が充填されるプレス型構造体２と、被固化物７
に超音波振動による加振力を与える超音波アクチュエー
タ３とを備え、超音波アクチュエータ３によって加えら
れる超音波振動による加振力によって、被固化物７の反
応及び／又は硬化が促進される成形固化装置が提供され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被固化物を加圧す
ると共に加熱し、被固化物が反応及び／又は硬化するこ
とを利用して被固化物を成形及び固化する装置及び方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】薬品や化学原料または廃棄物質等の種類
にかかわらず、粉末物質を成形固化して工業製品とする
場合、一般に、調合・混合された粉末に水等の溶媒を加
え、プレス成形その他の成形手段によって成形し、焼成
その他のエネルギ付加等により硬化することによって製
造する手段が採られている。その代表的なものとして
は、セメント製品の製造や、セラミックスや耐火物等を
製造する窯業のプロセス等がある。

【０００３】セメント製品では、セメント質材料の水硬
性による自硬化によってコンクリート等の製品が製造さ
れるため、成形および硬化が同時に行われるという特徴
があり、誰でも容易に製造できかつ低コストであること
から、建設材料として広く使用されている。しかし、水
硬性セメントを用いることが前提であり、自硬性のない
ものは骨材等のフィラー（充填材）としての役割しか有
しない面がある。水蒸気を利用したセメント製品の促進
養生においても、基本的にはセメントの水との硬化反応
を促進することを目的としている。

【０００４】一方、シリカ質原料と石灰質原料の調合に
よるケイカル（ケイ酸カルシウム）建材の製造法では、
オートクレーブ反応によるケイ酸カルシウムの生成反応
が工業的に利用される。オートクレーブ反応のような水
熱処理による物質の創成は、高温での焼結反応のような
多量のエネルギ消費を伴うプロセスに対し、溶媒（水）
を媒介とした化学反応を圧力と温度によって相乗的に促
進させることで、使用できる原料物質の範囲を格段に増
加させ得る。しかしながら、一般のオートクレーブ処理
では、成形後の粉末原料をオートクレーブ窯に入れて反
応硬化させるという二段階の工程を経なければならな
い。

【０００５】これに対し、成形と反応硬化を同時に行え
る方法として、「水熱ホットプレス法」（例えば、特公
平４−２０１５７号公報等）がある。「水熱ホットプレ
ス法」の特徴は、水熱条件下にある粉末材料を外部から
機械的に加圧（圧縮）し、粒子間隙に存在する水を取り
除きながら緻密化させる点にあり、ガラス粉末、石英、
シリカゲル、アナターゼ、更には炭酸カルシウム等、一
般には水和硬化しない粉末物質を硬化して、高強度固化
体とすることができる（技報堂出版“水熱科学ハンドブ
ック”、ｐ４１５−４３５，１９９７）。この場合、機
械的加圧力は、オートクレーブ容器（成形容器、即ち
型）内の圧力保持、被固化物の形状維持、粉末の物理的
圧密効果、更には、水熱条件下における物質の生成、溶
解・析出ないし結晶化に寄与する。

【０００６】しかしながら、上記の「水熱ホットプレス
法」のような機械的加圧成形法では、例えば１０ＭＰａ
以上の加圧力を与えるためには、加圧面積１ｍ²の受圧
面積に対しておよそ１０００トン以上の加圧能力が必要
となり、加圧装置としては巨大なものとなってしまい、
実際上は比較的小型の固化体（硬化体）しか作製できな
いという問題点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みてなされたもので、その目的は、被固化物を加圧す
ると共に加熱し、被固化物が反応及び／又は硬化するこ
とを利用して被固化物を成形及び固化する装置及び方法
において、従来に比べて機械的加圧力が小さくてすみ、
更には加熱量も少なくてすむ成形固化装置及び方法を提
供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に
記載された成形固化装置または方法を提供する。

【０００９】請求項１に記載の発明は、被固化物を加圧
すると共に加熱し、被固化物が反応及び／又は硬化する
ことを利用して被固化物を成形及び固化する装置であっ
て、被固化物を加圧する機械的圧力を発生する手段と、
被固化物を加熱する手段と、被固化物が充填されるプレ
ス型構造体と、被固化物に超音波振動による加振力を与
える超音波アクチュエータとを備え、超音波アクチュエ
ータによって加えられる超音波振動による加振力によっ
て、被固化物の反応及び／又は硬化が促進される成形固
化装置を提供する。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の成形固化装置において、被固化物が、オートクレーブ
密閉条件下におかれるか、またはこれに近い半オートク
レーブ半密閉条件下におかれる成形固化装置を提供す
る。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２に記載の成形固化装置において、超音波アクチュエー
タが、超磁歪素子を使用したボルト締めランジュバン型
振動子を含む成形固化装置を提供する。

【００１２】請求項４に記載の発明は、被固化物を加圧
すると共に加熱し、被固化物が反応及び／又は硬化する
ことを利用して被固化物を成形及び固化する方法であっ
て、被固化物を加圧すると共に加熱する段階と、被固化
物に超音波振動による加振力を加える段階とを含み、超
音波振動による加振力によって、被固化物に対する加圧
力が増加されると共に、被固化物の反応及び／又は硬化
が促進される、成形固化方法を提供する。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
の成形固化方法において、超音波振動による加振力が、
超磁歪素子を使用したボルト締めランジュバン型振動子
により加えられる成形固化方法を提供する。

【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項４または
５に記載の成形固化方法において、被固化物が、粉末材
料と適切な溶媒とを含む成形固化方法を提供する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態について詳細に説明する。尚、図面において、
同一または類似の構成要素には共通の参照番号を付す。

【００１６】図１は、本発明の一実施形態である超音波
水熱成形固化装置１００の全体システム構成の概略を示
したものであり、図２は、その超音波水熱成形固化装置
１００の作動部３０について基本構成を模式化し、後述
する加圧力発生手段である油圧ジャッキ１ａ以外の部分
を断面図として示したものである。

【００１７】成形固化装置１００は、図１に示したよう
に作動部３０とこの作動部３０の各構成要素の作動を制
御する制御部２０とを有して構成される。この作動部３
０には、機械的加圧力を発生する加圧装置（加圧手段）
１と、被固化物である粉末材料７が充填され、成形固化
装置１００の本体部を構成するプレス型構造体２と、各
々が冷却機能付きエンクロージャ４に包囲された二つの
超音波アクチュエータ３とが含まれる。

【００１８】図２に示したように、加圧装置１には下側
固定部材１ｂと上側固定部材１ｃとを有する架台と下側
固定部材１ｂ上に配設される加圧力発生手段である油圧
ジャッキ１ａとが含まれ、本体部であるプレス型構造体
２が冷却機能付きエンクロージャ４に包囲された二つの
超音波アクチュエータ３によって上下方向から挟まれた
状態で油圧ジャッキ１ａの可動部３１と上側固定部材１
ｃとの間に配設される。このような構成により、油圧ジ
ャッキ１ａの可動部３１が上方に駆動されることによっ
てプレス型構造体２に冷却機能付きエンクロージャ４に
包囲された超音波アクチュエータ３を介して機械的加圧
力を加えることができる。制御部２０は、温度／加圧・
振動計測部２１、温度制御部２２、加圧・振動制御部２
３等を含み、装置１００の作動部３０の各構成要素の作
動を制御するように適切に接続されている。

【００１９】本実施形態において、加圧装置１は加圧力
発生手段として油圧ジャッキ１ａを用いた上記のような
構成としたが、適切な加圧力によってプレス型構造体２
を加圧可能であれば、他の加圧手段であっても良い。実
際に本実施形態の成形固化装置１００で必要とされる機
械的加圧力は、１０ＭＰａ以下の加圧力であり、粉末粒
子同士が接触する状態を保つ程度で良い。また、加圧装
置１は、粉末材料７の処理中に粉末材料７の密度変化に
応じてストロークが追従できるように機械的サーボ駆動
機構による加圧装置であることが望ましい。

【００２０】図３は、図２に示された成形固化装置１０
０の作動部３０に組み込まれているプレス型構造体２の
詳細断面図を示している。本実施形態の成形固化装置１
００において、プレス型構造体２は図３に示されたよう
なオートクレーブ付きヒートプレスで構成されている。
図３に示されたように、プレス型構造体２は、最も外側
の部分を構成するリング状部材２７と、そのリング状部
材２７の内側に配設され型シリンダ部９を受容する外枠
を構成する外枠部２５と、外枠部２５に受容され粉末材
料７を充填する型部分（容器部）の周囲壁を構成する略
リング状の型シリンダ部９と、粉末材料７を充填する型
部分の上面及び下面を構成すると共に加圧装置１及び超
音波アクチュエータ３からの作用（加圧力及び加振力）
を受けて型部分内の粉末材料７を加圧及び加振する上下
二つの略円板上のピストン５とを有して構成される（図
２及び上記の説明から明らかなように、各ピストン５と
加圧装置１の油圧ジャッキ１ａの可動部３１または上側
固定部材１ｃとの間には、水冷機能付きエンクロージャ
４に包囲された超音波アクチュエータ３が介在してお
り、加圧装置１の加圧力は超音波アクチュエータ３を介
してピストン５へ伝達される。）。ピストン５にはま
た、ヒータ６が埋め込まれており、これによって成形固
化する粉末材料７を加熱することができる。また、水冷
機能付きエンクロージャ４に包囲された超音波アクチュ
エータ３に接触するプレス型構造体２の上下面は、可撓
なプレート状部材２６で構成され、加圧装置１及び超音
波アクチュエータ３からの作用（加圧力及び加振力）が
ピストン５に伝達されるようになっている。更に図３に
示された本実施形態のプレス型構造体２には、中央に穴
の開いている成形固化物を得るように穴形成用の部材２
８も配設されている。

【００２１】図３に示されているように粉末材料７を充
填して成形固化する型部分は、型シリンダ部９と二つの
ピストン５（より詳細には各ピストン５の粉末材料７と
の接触部分を構成する押えプレート５ａ）によって構成
される。この型部分は上下のピストン５によって加圧さ
れると共にシールされて密閉状態となるが、本実施形態
のプレス型構造体２は、この加圧の際に粉末材料７から
搾り出された水分がピストン５の半径方向外側に設けら
れた空間８に溜まるように構成されている。また、ピス
トン５には、上述したようにヒータ６が埋め込まれてお
り、密閉される型部分は、このヒータ６によって加熱さ
れることで、オートクレーブ装置を構成する（即ち、型
部分内に充填されている粉末材料７をオートクレーブ密
閉条件下におくことができる。）。そして、この場合、
上記の水分を溜めるための空間８は、蒸気を蓄えるため
の空間となる。

【００２２】即ち、本実施形態のプレス型構造体２内の
型部分は、空間８を含めた範囲で気密性が確保され、型
部分内で生じた水または蒸気を空間８に逃がすことで、
飽和した水または蒸気の圧力が反力となって粉末材料７
の加圧及び成形が妨げられないような構造となってい
る。つまり、本実施形態のプレス型構造体２の型部分は
粉末材料７によって充填されており、蒸気が自由になる
空間がないため、これをカバーする目的で空間８が設け
てある。型シリンダ部９とピストン５との間には、若干
のクリアランス（隙間）があり、水または蒸気が空間８
に逃げるようになっている。空間８は各Ｏリング２４
ａ、２４ｂ、２４ｃによって気密性が確保され、中に入
った水または蒸気が外へ逃げない構造になっている。

【００２３】ヒータ６の加熱方式は、一般の電気抵抗加
熱や誘導加熱等の何れでも良いが、誘導装置を用いる場
合には、型部分周囲に電磁波が与える影響を極力避ける
必要がある。また、型部分の加熱プログラム（温度変
化）については任意に制御される必要があり、例えば制
御部２０の温度制御部２２に組み込まれたプログラマブ
ル温度調節器によって制御される。ヒータ６に必要とさ
れる昇温能力は、粉末材料７の溶媒として水を考えた場
合、水のイオン積は約３００℃において最大になるた
め、処理時の最高温度をこれと同程度の温度まで上昇さ
せる能力があれば十分であり、またはこれ以下であって
も良い。

【００２４】図４は、図２に示された成形固化装置１０
０の作動部３０に組み込まれている水冷機能付きエンク
ロージャ４に包囲された超音波アクチュエータ３の詳細
断面図を示している。

【００２５】水冷機能付きエンクロージャ４は、超音波
アクチュエータ３の各構成部品の一体化を図ると共に、
超音波アクチュエータ３の駆動時の発熱を抑制し且つ加
圧装置１及び超音波アクチュエータ３からの作用（加圧
力及び加振力）をピストン５に伝達する機能を有してい
る。水冷機能付きエンクロージャ４は、これらの機能を
有するように図４に示されたように構成されている。即
ち、超音波アクチュエータ３を上下方向から挟むような
構成となっており、超音波アクチュエータ３の上側及び
下側に配設される各部分は略同様の円板状の構造であっ
て、それぞれ、外側環状部材３５と、中央円板部材３６
と、アクチュエータ接触部材３８とを有して構成されて
いる。これら各部材３５、３６、３８内には、互いに連
通する冷却水通路３７が設けられており、この通路内に
冷却水を流通させることで超音波アクチュエータ３を冷
却することができるようになっている。また、図４中、
参照番号３９で示される部材は、固定ネジであり、アク
チュエータ部全体を統合するためのものである。更に、
冷却水シール用円筒４１が設けられており、中央の中空
部（円筒４１内部）を通る冷却水を上下のＯリングとと
もにシールできるようになっている。なお、超音波アク
チュエータ３の上側及び下側に配設される水冷機能付き
エンクロージャ４の各部分の超音波アクチュエータ３と
反対側の各面は、可撓なプレート状部材４０で構成さ
れ、加圧装置１及び超音波アクチュエータ３からの作用
（加圧力及び加振力）がピストン５に伝達されるように
なっている。

【００２６】本実施形態の成形固化装置１００におい
て、超音波アクチュエータ３は超磁歪材料を用いて構成
された超磁歪素子１０を使用したボルト締めランジュバ
ン型振動子で構成されている。

【００２７】超磁歪材料は、一般に希土類元素と遷移元
素の合金であって、その機械的内部損失が大きいために
制御性が良く、更にその形状変化率が数千ｐｐｍと大き
いことを特徴とする。例えば、特開平５−３０６４２５
号公報では、イットリウム（Ｙ）を含む希土類元素と遷
移元素を含有しデンドライト構造を有する単結晶磁歪材
料の製造方法が開示されており、この磁歪材料は外部磁
界が３１．８〜７９．６ｋＡ／ｍ（０．４〜１．０ｋＯ
ｅ）の範囲で４８０〜１２０５ｐｐｍという大きな変位
量を示す結果が得られている。また、ランタノイド元素
（Ｒ）と鉄属元素（Ｔ）から構成されるラベース型立方
晶素材（ＲＴ₂ ）では、大きなジュール効果を示し、６
００〜７００μＨのインダクタンスによって、２５〜１
０ＭＰａという大きな発生圧力を示すことがわかってい
る（森輝夫「超磁歪材料の応用デバイス」、Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃ Ｍｏｎｔｈｌｙ，１９９６．６）。

【００２８】このような超磁歪材料を利用することによ
って、発生応力の大きなアクチュエータが設計可能とな
り、必要な機械的加圧力をより小さな装置によって満足
させることが可能となる。しかしながら、超磁歪材料は
機械的に耐え得る引張応力が小さいため、振動子として
常時振動させる場合には耐久性が確保できない等の問題
もあり、実際に振動子もしくはアクチュエータとして利
用するためには一定の工夫が必要である（例えば、特開
平５−１４５１３９号公報では、大きな変位量を得るた
めの手段として増幅機構が設けられた超磁歪材料を用い
た磁歪アクチュエータの構造が提案されている。但し、
この公報では素子と振動を伝達する部材との接触問題に
ついては何ら開示されていない。）。これに対し本願発
明者らは、特願２０００−２６３８８１において、ボル
ト締め構造を応用して上記問題を解決した超磁歪素子を
使用したランジュバン型振動子を提案しており、本実施
形態の成形固化装置１００において超音波アクチュエー
タ３として使用される超磁歪素子１０を使用したボルト
締めランジュバン型振動子の構成は、上記出願において
提案されたものと略同じである。以下で図４を参照しな
がらその構成について説明する。

【００２９】図４中に示されている超磁歪素子１０を使
用するボルト締めランジュバン型振動子（即ち超音波ア
クチュエータ３）は、超磁歪材料を用いて構成されたリ
ング状の超磁歪素子１０と、この超磁歪素子１０をサン
ドイッチ状に挟む一対の金属環（本実施形態ではステン
レス製）１４ａ、１４ｂと、リング状の超磁歪素子１０
と金属環１４ａ、１４ｂのそれぞれの穴を貫通する、そ
の両側端部部分の外面にねじ山が設けられた中空のボル
ト１３と、超磁歪素子１０の外側に巻かれた中空管から
構成される振動励起用コイル１５と、このコイル１５を
サンドイッチ状に挟む、一対の高透磁率材料から成るリ
ング１１ａ、１１ｂと、コイル１５の外側にあって二つ
の高透磁率材料から成るリング１１ａ、１１ｂの間に挟
持されるリング状永久磁石１２とを備えて構成される。
金属環１４ａ、１４ｂの穴の内面には中空ボルト１３の
両側端部部分の外面に設けられたねじ山と螺合するねじ
山が設けられており、二つの金属環１４ａ、１４ｂを中
空ボルト３に取付けて締付けることにより超磁歪素子１
０に両端から圧縮力を加えることができる。

【００３０】本実施形態のリング状の超磁歪素子１０
は、超磁歪材料を薄くスライスした小片を貼り合わせて
構成される。こうする事により、超磁歪材料の有する材
料寸法に依存する磁歪振幅の周波数特性のために、同寸
法の一体型のリング状超磁歪素子と比較して高周波数帯
域、特に超音波帯域でも高振幅が得られるようになる。

【００３１】上述したように、超磁歪素子１０は金属環
１４ａ、１４ｂによって圧縮与圧が加えられる。これは
超磁歪素子１０を構成する超磁歪材料が引張応力に弱
く、引張応力がかかると容易に破壊されることに対応す
るためである。超磁歪素子１０は磁界の変化に対応して
伸縮するが、伸張時に素子に引張応力がかかるため、破
壊防止のために予め圧縮力をかけておく必要がある。

【００３２】一般に磁歪材料には、磁界の向きの正負に
拘らず、磁界の絶対値に比例して伸びるだけのものと縮
むだけのものの二種類があるが、本発明の超磁歪素子１
０には磁界の絶対値に比例して伸びるだけのものを用い
る。

【００３３】中空ボルト１３は、ジュラルミン、セラミ
ックス等の透磁率の低い材料で製作されるのが好まし
い。これは、後述する振動励起用コイル１５を囲う磁気
回路を構成した際に、磁束の殆どが超磁歪素子の方を通
るようにするためである。また、前述したように超磁歪
素子１０は機械的内部損失が大きいため、振動部分に熱
が発生し易いので、何らかの手段により冷却する必要が
ある。本実施形態の成形固化装置１００においては、図
２及び図４に示されたように、冷却機能付きエンクロー
ジャ４によって超音波アクチュエータ３である振動子全
体を取り囲む構造としている。

【００３４】超磁歪素子１０の半径方向外側に巻かれる
電線としての振動励起用コイル１５は、例えば銅パイプ
等の中空管等から構成するのが好ましく、その場合、中
空部に冷却水を通し、熱を放散させることが可能とな
る。コイル１５を構成する中空管等には表面にテープ等
が巻かれ、更にこれら中空管間にシリコーンゴム等が充
填されて互いに絶縁される。コイル１５は超音波帯域で
も駆動できる高周波交流電源装置に接続されている。

【００３５】一対のリング１１ａ、１１ｂは、その中央
の穴に振動部分を受容すると共にコイル１５をサンドイ
ッチ状に挟んで配置される。このリング１１ａ、１１ｂ
はフェライト等の高透磁性材料で製作されることが好ま
しく、後述する磁気回路の一部となる。

【００３６】リング状の永久磁石１２は、コイル１５の
半径方向外側で、且つ一対のリング１１ａ、１１ｂに挟
まれるように配置され、超磁歪素子１０にバイアス磁界
を与える。本発明で利用する超磁歪素子１０は前述した
ように磁界の絶対値に対して伸びる性質のものであるの
で、超磁歪素子１０はリング状永久磁石１２のバイアス
磁界により常に伸張した状態となる。この状態でコイル
１５によって交流磁界を重畳させることにより、超磁歪
素子１０を伸縮させ、振動の挙動を得ることができる。
この際、バイアス磁界を調整することにより、超磁歪素
子１のヒステリシスの直線性の高い部位を利用すること
が可能である。更には、超磁歪素子１０にバイアス磁界
をかけて金属環１４ａ、１４ｂによる締付け力に抗して
伸張させることにより、機械的な圧縮力だけでなく磁気
的な圧縮力もかけることができる。この事は、機械的圧
縮力だけであると、超磁歪素子１０は高速応答性であっ
て高周波の磁界の変化に対応できるが、金属環１４ａ、
１４ｂはこの変位速度に追従できないため、高速で素子
１０が収縮した時に超磁歪素子１０と金属環１４ａ、１
４ｂとの界面で剥離が起き、圧縮力が加えられなくなる
時間が生じる可能性が有ることから、常に超磁歪素子１
０に圧縮力を加えるために必要である。

【００３７】図４を参照すると、振動励起用コイル１５
を囲う形で、リング状永久磁石１２から一方の高透磁性
材料リング１１ａ、一方の金属環１４ａ、超磁歪素子１
０、他方の金属環１４ｂ、他方の高透磁性材料リング１
１ｂと続いてリング状永久磁石１２に戻る磁気回路が構
成されていることが分かる。この磁気回路は、高透磁性
材料リング１１ａ、１１ｂとリング状永久磁石１２とか
らなる外側部分と、超磁歪素子１０と金属環１４ａ、１
４ｂとからなる振動部分側とに分けられ、これら二つの
部分は極狭い間隙を介して近接していて、磁気的には一
体の回路を構成し、振動的には相互に結合しないように
なっている。

【００３８】リング状永久磁石１２によって発生した磁
束は上述した磁気回路を通って、また、振動励起用コイ
ル１５によって発生した磁束は金属環１４ａ、１４ｂを
通じて超磁歪素子１０に流れ、超磁歪素子１０を変形さ
せる。従って、振動励起用コイル１５に所望の振動数と
等しい周波数の交流電流を流すことによって、振動子を
所望の振動数で振動させることができ、所望の振動数の
振動を得ることができる。なお、中空ボルト１３は低透
磁率の材料で製作されているために殆ど磁束が通らない
ので効率的な励振が可能となる。

【００３９】上記のように構成された超磁歪素子を用い
たランジュバン型振動子では、従来の磁歪材料及び圧電
材料から製作された素子と比較して超磁歪素子の形状変
化率がはるかに大きいため、従来の素子を用いた場合の
ように大振幅の超音波振動を発生させるために共振を利
用して素子の変形量を増大させる必要がなく、従って素
子固有の共振周波数に使用が限定されず広周波数帯域に
対応可能である。これにより本実施形態のような成形固
化装置において、様々な径の粒子あるいはこれと溶媒と
により構成される粉粒体の締め固めに適切な振動制御を
行うことが可能となり、特に、水分含有量の少ない粉流
体系において流動化させるための最適な振動周波数を得
ることができる。

【００４０】以上のように、本実施形態の成形固化装置
１００において超音波アクチュエータ３を構成する超磁
歪材料を用いて構成された超磁歪素子１０を使用したボ
ルト締めランジュバン型振動子は、発生応力（発生振動
応力）が大きく、幅広い周波数帯域で大振幅の超音波振
動を発生することができる。

【００４１】以下、本実施形態の成形固化装置１００の
作動について説明する。

【００４２】まず、被固化物である粉末材料７（溶媒と
して水が加えられている）がプレス型構造体２の型部分
（容器部）に充填され、このプレス型構造体２が、図２
に示されるように、二つの水冷機能付きエンクロージャ
４に包囲された超音波アクチュエータ３の間に挟まれた
状態で加圧装置１にセットされる。次いで、プレス型構
造体２内の粉末材料７は、加圧装置１の油圧ジャッキ１
ａの可動部３１がストロークを調整すると同時に、プレ
ス型構造体２の上下面を構成するピストン５により、水
冷機能付きエンクロージャ４に包囲された超音波アクチ
ュエータ３を介して加圧される。この加圧によってプレ
ス型構造体２の型部分が、プレス型構造体２内の各Ｏリ
ング２４ａ、２４ｂ、２４ｃの変形によってシールされ
て密閉状態になると共に、粉末材料７内の余剰水分が空
間８へ絞り出される。この加圧装置１の加圧操作と同時
にヒータ６が作動され型部分に充填された粉末材料７が
加熱される。この結果、型部分内は高温高圧条件（水熱
条件）、即ちいわゆるオートクレーブ密閉条件となり、
空間８内は水蒸気で満たされる。そして更に、超音波ア
クチュエータ３が作動され型部分に充填された粉末材料
７に超音波振動による加振力が与えられ、粉末材料７が
成形固化されて所望の固化体が製造される。

【００４３】超音波アクチュエータ３により加えられる
超音波振動による加振力によって、型部分に充填された
粉末材料７に更なる加圧力が加えられると共に、粉末材
料７の粒子間の固結反応が促進される。即ち、超音波が
照射された溶媒中の粉末材料７の粒子表面が活性化さ
れ、粒子同士の化学反応が著しく促進される。これによ
り、反応時間が短縮され、効率の良い成形固化プロセス
とすることができる。特に本実施形態の成形固化装置１
００におけるプレス型構造体２の型部分内のような水熱
条件下では、高温度・高圧力による反応促進効果も組み
合わされるので、上記のような工程により、極めて反応
効率のよいプロセスでの被固化物の成形固化が実現され
る。また、超音波振動による加振力は物質反応時の粉粒
体流動化作用ももたらし、固化物の密度向上にも寄与す
る。

【００４４】上記のような本実施形態の成形固化装置１
００の作動による成形固化工程においては、事前に設定
されたプログラムに応じて、加圧装置１及び超音波アク
チュエータ３が加圧・振動制御部２３によって、並びに
ヒータ６が温度制御部２２によって、温度／加圧・振動
計測部２１等からの情報に基づいて適切に制御される。

【００４５】尚、超音波アクチュエータ３を作動させる
タイミングについては、被固化物である粉末材料７の種
類等に応じて、温度上昇前から作動させてその超音波振
動による加振力を利用する場合、及び一定温度に上昇し
た後で作動させて最高処理温度条件下でのみその超音波
振動による加振力を利用する場合等がある。更に、超音
波アクチュエータ３の作動は必要に応じ、連続的に行う
ことも、断続的に行うことも可能である。

【００４６】また、本実施形態の成形固化装置１００に
おいては、超音波アクチュエータ３は、プレス型構造体
２の上下に配設されたが、上下どちらか一方にのみ配設
されても良い。

【００４７】また、本実施形態の成形固化装置１００に
おいては、粉末材料７の粒子の固結反応の促進のために
超音波を用いたが、マイクロ波等の電磁波の利用も考え
られる。

【００４８】更に、本実施形態においては、一般のオー
トクレーブ処理と同様なバッチプロセスによって成形固
化を行う装置及び方法について例示したが、本発明にお
いては、被固化物を完全な密閉状態におかずに、加圧、
加熱及び加振して成形固化してもよい。即ち、例えば薄
いシート状製品を本発明に従って製造する場合等には、
必ずしも製品全体を完全な密閉状態におかなくとも、加
圧受動面の側面以外の大部分では原材料となる粉末材料
に対して本発明を実施しその作用効果を得ることができ
る。この場合、バッチプロセスの場合に損なわれる製品
製造の連続性が確保できる利点があり、工業上極めて有
用である。本明細書においては、上記の例の原材料側面
部を密閉状態としない場合等、材料を完全な密閉条件に
おかない場合を、完全な密閉状態での高温高圧条件を言
ういわゆるオートクレーブ密閉条件に対して、半オート
クレーブ半密閉条件と称することとする。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、被
固化物を加圧すると共に加熱し、被固化物が反応及び／
又は硬化することを利用して被固化物を成形及び固化す
る装置及び方法において、機械的加圧力は被固化物の形
状維持と、圧力保持にのみ利用する一方で、更に補助的
エネルギとして超音波振動による加振力を加えて被固化
物の固結反応を促進させる、成形固化装置及び方法が提
供される。このような成形固化装置及び方法において
は、超音波振動による加振力が加わることにより、成形
固化プロセスの条件としての機械的加圧力を必要最低限
に抑えることができると共に、超音波振動による加振力
による固結反応促進効果によって、温度条件もまた必要
最低限に抑えることできるので、従来に比べて機械的加
圧力が小さくてすみ、また、加熱量も少なくてすむ。ま
た、補助エネルギとしての超音波振動による加振力は機
械的加圧力に加えた物質反応時の粉粒体流動化作用もも
たらし、固化物の密度向上（緻密化）に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施形態である超音波水熱
成形固化装置の全体システム構成の概略を示したもので
ある。

【図２】図２は、本発明の一実施形態である超音波水熱
成形固化装置の作動部について基本構成を模式化し、油
圧ジャッキ部分以外の部分を断面図として示したもので
ある。

【図３】図３は、図２に示された超音波水熱成形固化装
置の作動部に組み込まれているプレス型構造体の詳細断
面図を示している。

【図４】図４は、図２に示された超音波水熱成形固化装
置の作動部に組み込まれている水冷機能付きエンクロー
ジャに包囲された超音波アクチュエータの詳細断面図を
示している。

【符号の説明】

１００…超音波水熱固化成形装置 １…加圧装置 ２…プレス型構造体（オートクレーブ付きヒートプレ
ス） ３…超音波アクチュエータ（超磁歪素子を使用したボル
ト締めランジュバン型振動子） ４…冷却機能付きエンクロージャ ５…ピストン ６…ヒータ ７…粉末材料 ８…空間 ９…型シリンダ部 １０…超磁歪素子 １１ａ、１１ｂ…リング １２…リング状永久磁石 １３…中空ボルト １４ａ、１４ｂ…金属環 １５…振動励起用コイル ２０…制御部 ２１…温度／加圧・振動計測部 ２２…温度制御部 ２３…加圧・振動制御部 ２５…外枠部 ３０…作動部 ３１…可動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 和彦 山形県酒田市上本町６−７ 前田製管株式 会社内 (72)発明者 小島 博 山形県酒田市上本町６−７ 前田製管株式 会社内 Ｆターム(参考） 4G054 AA01 AA05 BB04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被固化物を加圧すると共に加熱し、被固
   化物が反応及び／又は硬化することを利用して被固化物
   を成形及び固化する装置であって、 前記被固化物を加圧する機械的圧力を発生する手段と、 前記被固化物を加熱する手段と、 前記被固化物が充填されるプレス型構造体と、 前記被固化物に超音波振動による加振力を与える超音波
   アクチュエータと、を備え、 前記超音波アクチュエータによって加えられる超音波振
   動による加振力によって、前記被固化物の反応及び／又
   は硬化が促進される成形固化装置。
2. 【請求項２】 前記被固化物が、オートクレーブ密閉条
   件下におかれるか、またはこれに近い半オートクレーブ
   半密閉条件下におかれる請求項１に記載の成形固化装
   置。
3. 【請求項３】 前記超音波アクチュエータが、超磁歪素
   子を使用したボルト締めランジュバン型振動子を含む、
   請求項１または２に記載の成形固化装置。
4. 【請求項４】 被固化物を加圧すると共に加熱し、被固
   化物が反応及び／又は硬化することを利用して被固化物
   を成形及び固化する方法であって、 前記被固化物を加圧すると共に加熱する段階と、 前記被固化物に超音波振動による加振力を加える段階と
   を含み、 超音波振動による前記加振力によって、前記被固化物に
   対する加圧力が増加されると共に、前記被固化物の反応
   及び／又は硬化が促進される、成形固化方法。
5. 【請求項５】 超音波振動による前記加振力が、超磁歪
   素子を使用したボルト締めランジュバン型振動子により
   加えられる、請求項４に記載の成形固化方法。
6. 【請求項６】 前記被固化物が、粉末材料と適切な溶媒
   とを含む、請求項４または５に記載の成形固化方法。