JP2008515689A - 不均一な厚いゴム製品の硬化方法の改良 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤ硬化方法の改良
【解決手段】有限要素解析または熱電対プローブを用いて大型タイヤまたはタイヤトレッド等の不均一な厚いゴム製品の各帯域ごとの硬化状態を決定し、その結果に基づいて硬化限界帯域を求め、硬化限界帯域への熱伝達を向上させ、最適な硬化を行うようにモールドに熱交換要素を追加する。タイヤ等のゴム製品の性能に実質的な影響を与えずにプレスでの総硬化時間を短縮し、硬化状態を最適化するための効率的かつ実際的な手段は熱交換ピンおよび／またはミニサイプの使用である。硬化時間を１０％以上短縮できることが証明された。

Description

本発明は、不均一な厚いゴム製品の硬化方法、特にトラックタイヤのようなタイヤの硬化方法に関するものである。

空気タイヤのようなゴム製品は、昔から、外部から加熱するタイヤモールドと内部から熱を加える硬化用のブラダーとを用いたプレスで一定時間加硫または硬化されてきた。このプレスは当業界では周知で、一般に成形および硬化機構を有する分割可能な割り型またはモールド部分（セグメントモールド部分を含む）を用い、ブラダー中に成形、加熱、冷却用の媒体を導入して製品を硬化する。この硬化用プレスは一般に機械的タイマーまたはプログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ）によって制御され、製品の成形、加熱、冷却（プロセスによる）およびプレスからの取出しの各ステップを循環する。硬化プロセスでは製品の最大厚さ部分を十分に硬化するように設定された時間、製品に高圧、高温が加えられる。硬化プロセスは通常、プレスの外側で完了するまで続く。

ゴム化学者が直面する問題は、ゴム製品の各部分が十分に硬化するまでの時間をいかに予測するかである。この時間を確立した後に製品をその時間の間加熱する。比較的薄く且つ全体にわたって均一な幾何形状および同様の成分を有するゴム製品の場合にはこの問題は比較的簡単な解析で済むが、そうでない場合、例えばタイヤのような複雑な製品、特にトラック用タイヤ、オフロード用タイヤ、農業用タイヤ、航空機用タイヤ、アースムーバー用タイヤのような大型タイヤの場合には解析ははるかに難しい。これらタイヤの硬化の程度はタイヤの各部分間の幾何形状の相違だけでなく、組成や積層構造の変化によっても影響を受ける。何百万本のタイヤの硬化に時間による制御法が用いられているが、タイヤの組成及び幾何形状は多種多量であるために、タイヤのある部分は他の部分よりも硬化され易い。従って、硬化が最も難しい部分が硬化する時間に硬化時間を設定すると、いくつかの部分で過硬化が起こり、加硫機械での製造時間がロスされ、製造効率が低下する。

厚いゴム製品をより均一に硬化するために硬化プレスの種々の設計および硬化方法が提案されてきた。いくつかの方法では熱をより長時間加えることができるようにモールドを異なる材料を用いて作ったり、断熱材料を用いたり、タイヤの各部分の間で組成を変えたり、硬化帯域を複数にしたり、ゴム製品の最大厚さ部分または最も複雑な部分により多くの熱を直接加える方法を用いたりしている。下記文献には種々の硬化方法および装置が示されている。

米国特許第３，７１８，７２１号明細書 米国特許第３，８１９，９１５号明細書 米国特許第４，３７１，４８３号明細書 米国特許第４，０４４，６００号明細書 米国特許第４，８６１，２５３号明細書 米国特許第５，０５５，２４５号明細書 米国特許第５，４８１，３１９号明細書 米国特許第６，４１３，０６８号明細書 米国特許第６，４７８，９９１号明細書 欧州特許出願第０，４８５，１２７Ａ１号公報 欧州特許出願第０，５７８，１０５Ａ２号公報 欧州特許出願第１，１７２，１９８Ａ２号公報 特開ＪＰ−６２−０３７１０７号公報 特開ＪＰ−０７−１９５３７０号公報 特開ＪＰ−２００２−１７２６２２Ａ号公報

しかし、上記の方法および装置の中で完全に満足のいくものはなく、不均一な厚いゴム製品を硬化する典型的な方法が時間制御であることに変わりはない。

従って、タイヤ業界が直面している問題は、より速い時間で均一に硬化されたタイヤをいかに製造するかという課題である。
本発明の目的は、トラックタイヤまたはタイヤ用トレッドのような不均一な厚いゴム製品の硬化方法を改良することにある。
本発明方法は特別に選択し、モールド内の特定の市に熱交換要素を配置することによってゴム製品の硬化限界部分に熱を伝達する。熱交換要素がゴム製品中に突出することによってゴム製品に小さな開口ができるが、この開口は小さく、ゴム製品の相対的機能および性能は変化しない。この開口は基本的にピンホールまたはミニサイプとして見える。

サイピングがトラクション、排水等の機能上の利点があることはタイヤ業界では周知である。タイヤにおけるサイピングの種々の効果は下記文献に記載されている。
米国特許第６，１９６，２８８号明細書 米国特許第４，２９８，０４６号明細書 米国特許第５，２８９，８６２号明細書 米国特許第５，８９６，９０５号明細書

従来法でのサイピングの使用と本発明のミニサイプの使用との相違点は、従来法でのサイピングの目的はタイヤの機能を変化させる、または生じさせることにあるが、本発明のミニサイプは硬化すべきタイヤまたはトレッドの相対的な機能上の性能を変化させずに硬化を良くするために選択される点にある。

この従来法と本発明との相違点はピンホールに関しても同様に当てはまる。すなわち、従来のタイヤではトレッドのピンホールは摩耗、トラクション、排水、性能等の機能的変化を生じるということは周知である（下記文献参照）：

米国特許第２，５０４，０９０号明細書 米国特許第３，４０９，０６４号明細書 米国特許第３，６３７，００１号明細書 米国特許第３，６４５，３１３号明細書 米国特許第３，７４９，１４５号明細書 米国特許第３，９９８，２５６号明細書 米国特許第４，２６６，５９２号明細書 米国特許第４，３０５，４４５号明細書 米国特許第４，７２３，５８４号明細書 米国特許第５，０２７，８７６号明細書 米国特許第６，３７４，８８６号明細書 米国特許公報第２００３／００８９４３９号公報 米国特許公報第２００２／０１００５２７号公報 英国特許第５４６，９７５号公報

タイヤのトレッド側に横方向ピンホールを入れてタイヤ性能を機能的に変化させる特許もある（下記文献参照）：
米国特許第１，４０８，１００号明細書 米国特許第１，５０９，２５９号明細書 米国特許第１，７３３，０６４号明細書 米国特許第１，７７８，０７１号明細書 米国特許第１，８７７，９８８号明細書 米国特許第３，８４８，６５１号明細書 米国特許第４，９７９，５４９号明細書 日本特許第Ｐ２００２−３０７４４２Ａ号公報 日本国特許出願第３−３５５０７１号公報

本発明は、硬化モールドおよびプレスを用いて不均一な厚いゴム製品を硬化する従来方法を改良して、モールド内の予め定められた特定の位置に熱交換要素を配置してゴム製品の硬化限界部分に熱を伝達する。
本発明はゴム製品の硬化を速くするだけでなく、ゴム製品の硬化状態をより均一にするものである。熱交換要素はゴム製品の機能または性能を実質的に変化させないように選択し、位置決めし、使用する。モールドのみを変更すればよく、硬化装置全体およびゴム製品の組成は変化または調節する必要がない。モールド内での総硬化時間が短縮されて生産性が増大することで時の硬化法の改良が達成できる。

本発明の一つの実施例は下記の（ａ）と（ｂ）の段階を含む、トラックタイヤまたはタイヤ用トレッドのような不均一な厚い製品を硬化するためのモールドの製造方法である：
（ａ）製品のどの部分が硬化中に追加の熱を受けるべきかを決定して、硬化中に追加の熱を受ける必要のある部分の硬化を硬化時間中に加速し、
（ｂ）タイヤ硬化中に追加の熱を必要とするゴム製品の上記部分中に貫入するように熱交換要素をモールド内に取り付ける。

本発明の別の実施例は、熱交換要素をモールドに追加することによってタイヤモールドを再生する方法である。この方法ではモールドに挿入されるタイヤの全ての部分がより均一に硬化されるように熱交換要素の形状を決め、互いに間隔をあけて配置する。

空気タイヤのような不均一な厚いゴム製品の硬化プロセスにおける当業界の課題は、ゴム製品の不均一な厚い部分に十分な量の熱エネルギーを供給してゴム製品の薄い部分を過硬化させずに上記部分を実質的に硬化させることができる硬化プロセスを提供し、それを実際の生産現場で使えるようにすることである。

本発明方法を実施する場合には、先ず最初に、不均一な厚いゴム製品のどの部分がその部分を効率的かつ実質的に硬化させるための追加の熱エネルギーを必要とするかを決定しなければならない。これは有限要素解析（ＦＥＡ）または熱電対プローブのような周知の技術を用いて製品の各帯域の硬化状態を求めて行うことができる。これらの帯域および組成物の硬化速度が分かれば、より速い硬化時間およびより均一な硬化を行うためにより多くの伝熱を受けるべき部分が識別できる。本発明はこの目的を達成するための効率的かつ実際的な手段として熱交換要素を用いる。タイヤの全ての帯域をより均一な硬化状態にでき、プレス内での硬化時間を短縮することができる特定の熱交換要素を提案する。本発明方法を用いるとプレス内での硬化時間を最大で１０％以上短縮できる。さらに、本発明の改良された硬化方法では、本発明の特定の熱交換要素を使用しても、基本的なタイヤ性能パラメータで評価したタイヤの性能は実質的に影響を受けないことが証明されている。

従って、本発明は下記（ａ）〜（ｅ）の段階を含むことを特徴とする不均一な厚いゴム製品の硬化方法にある：
（ａ）ゴム製品の各部分の硬化速度を予め求めて硬化限界部分を決定し、
（ｂ）モールド内面から突出するように少なくとも一つの熱交換要素をモールド内に配置して、ゴム製品の硬化限界位置で熱交換要素がゴム製品中に貫入するように、モールドを変更し、
（ｃ）ゴム製品をモールド内に配置し、
（ｄ）ゴム製品が規定の硬化状態に達するまでゴム製品と熱交換要素に熱を加え、
（ｅ）ゴム製品をモールドから取り出す。

本発明で変更したモールドは、ゴム製品と接触する少なくとも一つの内面を有し、この内面にはモールドの内面から突出した少なくとも一つの熱交換要素が設けられ、この熱交換要素からゴム製品の硬化限界部分へ硬化中に熱が伝達される。

本発明は下記（ａ）〜（ｅ）の段階を含む、タイヤ用トレッドの硬化方法として特に適用可能である：
（ａ）硬化限界部分を決定したモールドに挿入されるトレッドのほぼ全ての部分の硬化速度を予め測定し、
（ｂ）トレッドの硬化限界部分中に突出するように配置した少なくとも一つの熱交換要素を有する従来のモールド内に、未硬化トレッドを配置し、
（ｃ）モールドおよび熱交換要素を介してトレッドに熱を加え、
（ｄ）モールドからトレッドを取出す時にトレッドから熱交換要素も取り出す。

本発明の別の実施例は、下記（ａ）〜（ｃ）の段階を含む、不均一な厚いゴム製品を硬化するための従来のモールドの製造方法または改良方法である：
（ａ）モールドに挿入される製品のほぼ全ての部分の加熱速度を決定し、
（ｂ）製品の硬化中に追加の熱を受けることができるように、製品のどの部分が硬化限界であるかを決定し、
（ｃ）モールドの内側表面から突出し、ゴム製品の硬化中にゴム製品の硬化限界部分中に貫入する少なくとも一つの熱交換要素をモールドに取り付ける。

本発明は、下記（ａ）〜（ｃ）の段階を含む、モールドがタイヤと接触する内面を有するタイヤ用モールドを作製するのに特に適用できる：
（ａ）モールドに挿入されるタイヤのほぼ全ての部分の加熱速度を決定し、
（ｂ）タイヤの硬化中にタイヤのどの部分が硬化限界で、追加の熱を必要とするかを決定し、
（ｃ）モールドの内側表面から突出し、タイヤの硬化中に追加の熱を必要とするタイヤの上記部分中へ貫入する少なくとも一つの熱交換要素をタイヤモールドに取り付ける。

有限要素解析（Finite Element Analysis）
本発明では、硬化中にタイヤまたはトレッド等の製品の部分に生じる伝熱を従来方法を用いて評価する。伝熱を測定する一つの周知方法はタイヤを製造し、タイヤ中に熱電対を配置し、硬化過程中の温度分布を記録する方法である。温度分布が分かれば反応速度基準を用いてタイヤ全体の硬化状態を決定することができる。
別の周知方法は有限要素解析（ＦＥＡ）を用いる方法で、この方法では外部負荷（すなわち熱負荷）を加える製品をコンピュータでモデル化し、得られた結果を解析する。熱伝導の解析では製品の伝導性または熱力学をモデリングする。これに関しては下記文献を参照されたい。
Jain Tong達「タイヤ硬化プロセスの有限要素解析」、強化プラスチックおよび複合材料ジャーナル、第２２巻、２００３年１１月号、９８３〜１００２頁

硬化状態、α
αは硬化状態を示す測度値で、下記式で与えられる：
α＝（タイヤモールド内の硬化時間）／ｔ９９
（ここで、ｔ９９は硬化が９９％が完了するまでの時間で、トルクで測定され、レオメータ曲線で示される）
振動レオメータを用いるゴム化合物の硬化時間の測定方法（硬化開始を時間ｔ０とし、硬化の９９％がする完了を時間ｔ９９とする）はＡＳＴＭ Ｄ２０８４およびＩＳＯ ３４１７に記載されている。これらの規格は参考として本明細書の一部を成す。

以下に、本発明方法が従来の硬化方法およびモールドとどのように異なるのかを説明する。本発明方法は特に不均一な厚いゴム製品を対象としている。不均一とは（ａ）製品の幾何学的厚さが変化する、（ｂ）製品の材料組成が変化する、（ｃ）製品に積層構造が存在するおよび／または（ｄ）上記の全てを意味する。不均一な厚いゴム製品の例としてはトラックタイヤ、オフロード車両用タイヤ、農業機械用タイヤまたはアースムーバータイヤ等の大型タイヤが挙げられるが、ホース、ベルト、振動マウント、バンパー等の任意の不均一な厚いゴム製品も本発明方法を用いて効率的に硬化できる。

従来のモールドを用いた従来の硬化方法ではゴム製品の全ての部分の加熱速度を解析するが、結局は、モールドの各部分により高い温度またはより長時間を用いたとしても、総硬化時間はゴム製品の一つまたは複数の「硬化限界」部分を実質的に硬化するのに必要な時間で決まる。「硬化限界（cure-limiting）」とは組成物の伝熱特性、製品の厚さおよび／または複雑性のために硬化が困難か、硬化に最も長い時間がかかる製品の一つまたは複数の部分を意味する。すなわち、プレス内の硬化時間が長くなり、硬化装置の使用効率が悪くなる。本発明の方法は（ａ）プレス内での硬化時間を短縮し、（ｂ）製品の相対的性能を変えずにより均一な硬化状態を達成することができる。

本発明方法も、従来の硬化方法と同様に、周知なＦＥＡ解析、熱電対解析または、その他の手段を用いて不均一な製品の各部分の種々の硬化速度および状態を測定するが、本発明ではそれをさらに先に進めて、どの形状および配置の熱交換要素が、ゴム製品の性能をほとんど損なわずに、硬化時間を短縮し、より均一な硬化状態を得るのに有効であるかを決定する。

本発明者は、タイヤおよびタイヤ用トレッドで使用する種々の形状および寸法の熱交換要素、例えばショルダー溝、サイプ（直線、曲線、楔形）およびピンを用いて実験した。これら全ての型式の熱交換要素がタイヤまたはトレッドの総硬化時間を短縮できるが、これらの要素の大部分は使用によってトレッドブロックの剛性を実質的に変え、タイヤの性能を損なうということを本発明者は見出した。すなわち、ピンおよびミニサイプを用いることによってのみ、トレッドブロックの剛性およびタイヤの性能を実質的に損なわずに、硬化時間の短縮および改良された硬化の均一性が得られた。

モールド用のピンおよびミニサイプはモールドとの組合せが可能な任意の材料で作ることができる。タイヤモールドの材料は一般に鋼またはアルミニウムである。ピンおよびミニサイプは溶接のような従来の任意の方法でモールドに追加または接着するか、新しいモールドの設計時に付けることができる。プレス、その他の硬化装置に変更はない。

ミニサイプは直線、曲線、丸形、楕円形または楔形等の任意の形状にすることができる。ミニサイプは１〜３ｍｍの幅および製品の厚さの約５％〜約２０％に延びるような長さを有する。トラックタイヤの場合には一般に約２〜約６ｍｍである。ミニサイプは製品の全表面、例えばトレッドブロックまたはそれより下まで伸ばすことができる。トラックタイヤの場合、トレッドブロックの境界内のミニサイプパターンが有用であることが分かった。

ピンは丸、四角、長方形または楕円の形状にすることができる。丸の場合は直径が約１〜約３ｍｍである。四角の場合は一辺が約１〜２ｍｍである。他の形状では寸法の小さい方が約１〜２ｍｍの長さで、寸法の大きい方が約１〜３ｍｍの長さである。ピンはミニサイプほど貫入しないので、ピンの長さはピンが製品の厚さの約５％〜約８０％まで延びるような長さであるが、ピンが製品の厚さの約２５％〜約５０％に及ぶのが好ましい。トラックタイヤの場合はトレッドブロック中に約３ｍｍ〜２５ｍｍ、好ましくは約１０ｍｍ〜約１５ｍｍ延びる。ピンは表面に対して直角にするか、表面対して傾けにか、製品表面に対して横方向に、製品中に突出するように形成する。

タイヤまたはトレッド等の製品中に熱交換要素を突出させることによって製品表面に圧痕が生じる。この圧痕によって製品の総表面積、例えばトレッドブロックの接地面が８％以下、好ましくは５％以下減少する。
製品の所定機能を発揮させるためには熱交換要素によって生じる圧痕によって製品の剛性を実質的に変化させてはならない。すなわち、タイヤトレッドの場合、本発明方法を用いた後のトレッドブロックの剛性は熱交換要素を用いなかった場合のトレッドブロックの剛性と同等に維持しなければならない。剛性の変化は熱交換要素の使用によって生じる容積の減少率に関係している。剛性の低下率が４％以下、好ましくは２％以下となる熱交換要素の使用は本発明に含まれる。

剛性の低下率は「熱交換要素によって形成される開口部の容積」を「製品の全容積（または熱交換要素の作用が加わった製品の分割セクション）」で割ることによって計算される。
剛性の計算をタイヤトレッドブロックに当ては場合には乗数を加える。この乗数値は深さ１〜５ｍｍの第１増分を「１」とし、深さ５〜１０ｍｍの第２増分を「２」とし、深さ１０〜１５ｍｍの第３増分を「４」とし、深さ１５ｍｍ以上の任意の増分を「８」とした。

複数の増分が含まれる場合（大抵の場合はそうである）には、各増分毎に剛性を計算し、得られた値を合計して剛性の総低下率を出す。例えば、トレッドブロック中に１４ｍｍ突出する「ピン」の熱交換要素を用いた場合、ピンの直径および長さに対応する「ホール」がブロック内に残る。従って、最初の５ｍｍの増分の開口部の容積に対して剛性の計算が為されるので、乗数は「１」である。次の５ｍｍの増分に関しては第２増分の開口部の容積に対して別の剛性計算が行われ、乗数は「２」である。最後の４ｍｍの増分に関してはさらに別の剛性計算が為され、乗数は「４」である。これら３つの計算値を合計して「ピン」の熱交換要素によって生じる剛性の総低下率とする。全ての形状および型式の熱交換要素に対して同じプロセスを用いる。
以下、本発明方法を説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。

実施例１
タイヤ再生用トレッドの硬化
本発明を再生タイヤ用トレッドの硬化に適用した。
［図１］は予備硬化されたタイヤトレッド用の従来の平らなモールドセグメントを示し、このモールドセグメントにはトレッドパターンが刻まれている。［図２］は［図１］のモールドセグメントと従来の成形プロセスとを用いて得られるトレッドパターンを示している。［図３］は［図１］のモールドにピンの熱交換要素を追加した時に得られるトレッドパターンを示している。熱交換要素（ピン）の相対位置の定義で、先ず最初にトレッドパターンのｘ−ｙ面内での最小硬化状態位置を同定した。次に、この位置をｚ方向（すなわちトレッドブロックの厚さ方向）の比較のための基準として用いた。本発明方法は均一組成トレッドまたはデュアルトレッドで用いることができる。デュアルトレッドとは第２トレッド層上に第１トレッド層を用いたトレッドを意味する。

商業的に使用されている予備硬化した再生トレッドのプラテン式プレスでは、頂部と底部のプラテンを循環加熱オイルシステムで加熱する。プラテンの内部オイル管はエネルギーが均一に分布するように設計されている。正しい熱交換システムと油温度調節装置とを用いることによってプラテンの温度は目標範囲±３℃以内に制御できる。
本実施例で評価したトレッドパターンは［図２］に示してある。このトレッドパターンはショルダーブロックが大きいためプレス内での必要硬化時間はプラテン式プレスでの従来の硬化条件下で２５分であった。

トレッドの全てのセクションでの硬化状態を定量化するためにトレッド中にプローブを配置した。第１プローブはトレッドの頂面より約１ｍｍ下に配置した。第２プローブはトレッドの頂面より約８ｍｍ下に配置し、第３プローブはトレッドの頂面より約１４ｍｍ下のトレッドの中心近くに配置した。３つのポイントでの温度プロフィル（分布）を作った（［図４］参照）。トレッドの全セクションでの硬化状態はα＝０．９にしなければならない。
この硬化プロセスに固有の問題はゴムは熱伝導が極めて悪い材料で、大抵の場合、硬化状態が不均一になるということであり、それは多くの場合、避けられないことである。この実施例では従来の硬化方法を用いた場合、トレッドブロックの表面（１ｍｍの所）では約８００秒（１００）で十分な硬化状態が得られるが、ブロックの中心（１４ｍｍの所）ではプレス内の硬化時間が約１８００秒必要である（１２０）。

本発明では選択したトレッドブロック内に直径２ｍｍの鋼の熱交換ピンの組（コンビネーション）を追加することでモールドを変更した。ピンの位置および深さはＦＥＡモデルによって得た。鋼のピンを用いる利点は既存モールドの変更で済む点にある。モールドは平らなアルミニウムセグメントで作られるので、モールドの裏面からトレッド成形表面に向かう精密な孔を位置決めし、ドリルで孔をあけ、その孔の中にピンを配置し（その方法は多数ある）、その位置を固定する。
［図３］は上記トレッド設計のために開発された解決策を示し、５本のピンからなるパターンが大きいショルダーブロックにトレッドブロックの表面に対して直角に突出するようにモールド中に位置決めされている。各ピンはトレッドブロック中に約１４ｍｍの深さで突出させた。この配置はタイヤ性能を損なわずに硬化時間を短縮させることができ、両者をバランスさせることができる。

［図４］はトレッド内での熱電対プローブの各種位置に対する硬化速度を時間の関数で示したものである。第１プローブはトレッドブロックの頂面から深さ約１ｍｍの所にセットし、第２プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ８ｍｍの所にセットし、第３プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ１４ｍｍの所にセットした。［図４］は深さ１ｍｍ、深さ８ｍｍ、深さ１４ｍｍでの従来の硬化方法を用いたピンの無しで硬化したトレッド（１００）（１１０）（１２０）と本発明の方法を用いてピンを付けて硬化したトレッド（２００）（２１０）（２２０）での硬化速度を示している。底部および頂部のプラテンに次いでブロック内部のトレッドゴムの硬化が速く、中央近くのゴムの硬化が最も遅いことは明らかである。
標準的なモールドで硬化したトレッドとピンを用いたモールドで硬化したトレッドでの１４ｍｍの中央位置での硬化速度（１２０）と（２２０）を比較すると、ピンの熱交換要素を追加することによってトレッドを硬化するためのプレス内時間が約３分短縮され、硬化時間が１２％短縮されたことがわかる。

［図５］は硬化終了時のトレッドブロック厚さ方向の硬化状態を示している。曲線が平らであればある程、硬化状態はトレッドブロックを通じてより均一である。この図はピンの熱交換要素を追加することによってトレッドブロックを通じて硬化の均一性が大いに高まるということを証明している（４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０と３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０とを比較）。

［図６］もトレッドブロック内の種々の深さにおける規定硬化状態α＝０．９０に達するのに必要な時間を示している。熱交換ピンの追加によって、α＝０．９０になるまでの総硬化時間が約３分短縮されたことがわかる（１０ｍｍ位置での５１０対５００を参照）。
５本のピンの使用で生じるトレッドブロックの表面積の減少率は約１％であり、１４ｍｍピンの使用で生じるトレッドブロックの計算上の剛性の低下率はわずか約２％である。

実施例２
各種熱交換要素の使用のモデリング
本実施例では、ＦＥＡモデリングを用いて典型的な空気トラックタイヤ（［図７］にこの種のタイヤのショルダー部分を示す）用のトレッドブロック内に種々の形状および型式の熱交換要素を配置したときに達成できる硬化時間の短縮度を示す。
トレッドブロック深さは２８ｍｍで、横方向溝の深さは２４ｍｍである。対照例（すなわち熱交換要素を全く用いない例）で計算された硬化時間は５７分である。このタイヤの硬化はショルダー部分の硬化時間で制限される。例えば、α＝０．９を得るまでにビード部は３９分かかり、サイドウォール部は２２分しかかからないので、ビード部の追加の加熱時間は１８分、サイドウォール部分の追加の加熱時間は３５分である。

［図８］は［図７］のタイヤのショルダー部分に生じる熱「分布」を示す。プレス硬化終了後のトレッドショルダーブロックの中心温度は１５℃で、これはトレッドブロックの表面温度よりも低いことがわかる。

［図９］、［図１１］、［図１２］、［図１３］はタイヤのショルダーの所のトレッドブロックに熱を伝えるのに使用できる種々の熱交換要素で変更したモールドの実施例を示し、［図１０］は大きいショルダー溝を追加したショルダートレッドの断面形状を示している。
ここでの目的は、種々の形状および型式の熱交換要素を用いることで熱エネルギーを硬化限界帯域へ伝達でき、総硬化時間を短縮でき、しかも、タイヤトレッドの剛性は実質的に変わらないということを示すことにある。
本実施例では、ある種の要素の使用によってより速い硬化時間が達成できるが、トレッドブロックの剛性が大きく損なわれるということを示す。結果は［表１］にまとめてある。

Ａ．「全深（フルデプス）」サイプ
基準タイヤモールドに大きいアルミニウムの「全深さ」サイプ（６００）を追加してタイヤのショルダーに熱を伝達した。２ｍｍ幅のサイプをトレッドブロック内に約２２ｍｍ突出させた（［図９］）。このモデルから得られた結果から、一つの全深さサイプを用いると硬化時間は５３．５分になり（すなわち３．５分短縮され）、３つの全深さサイプを用いると硬化時間は５０分になる（７分短縮される）ことがわかった。しかし、「全深さ」サイプの使用によってトレッドブロックの剛性はそれぞれ４％および１２％低下することが計算される。

Ｂ．大きいショルダー溝
熱交換要素としての大きいショルダー溝を評価した（［図１０］）。ショルダー溝の熱交換要素をモールドに追加してショルダーブロックに熱を加えた。ショルダーの溝（７００）の平均深さは２７ｍｍであった。溝は８ｍｍ幅で、ショルダーブロック中に横方向に１４ｍｍ貫入させた。このショルダー溝の使用によって硬化時間は５４分に短くなる（３分短縮）が、トレッドブロックの剛性も同様に６％低下することが計算される。

Ｃ．ミニサイプ
熱交換要素としてのミニサイプ（８００）すなわちトレッドブロックの深さ方向に３ｍｍの深さで延びる２ｍｍ幅のサイプを評価した（［図１１］）。この短いミニサイプはトレッドブロックの剛性を実質的に妨害しないと考えられる。計算される剛性も約１％しか低下しない。３つのミニサイプの使用によって硬化時間は５６．５分となり、総時間は０．５分短縮される。

Ｄ．楔サイプ
楔形の熱交換要素（９００）も調べた（［図１２］）。この楔は２ｍｍ幅で、その底辺の長さは２０ｍｍで、ブロック内に約２２ｍｍ突出するようにモールドに配置した。一つの楔を用いたことで硬化時間は５４．５分に短縮された（２．５分すなわち約４％短縮）。３つの楔を使用すると硬化時間は５２分に短縮された（５分すなわち約９％短縮）。ブロックの剛性はそれぞれ１％および４％低下することが計算される。

Ｅ．熱交換ピン
７、１０、１４、１７、１９、２２ミリメートルの種々の長さの４本の熱交換ピン（１０００）のセットを２つ用いて評価した。これらのピンを上記Ｃで説明した浅いミニサイプと組み合わせて用いた（［図１３］参照）。両型式の熱交換要素を使用するとピンホールがミニサイプ中に隠れるので美観が向上する。
ピンをミニサイプと組み合わせて使用した場合、硬化時間はが７ｍｍ長さのピンで２分、１０ｍｍ長さのピンで３分、１４ｍｍ長さのピンで４．５分、１７ｍｍ長さのピンで５．５分、１９ｍｍ長さのピンで７．５分、２２ｍｍ長さのピンで９分短縮される。各ピン長さに対するトレッドブロックの計算剛性は１〜３％低下する。

本発明の目的はトレッドブロックの剛性を実質的に変えずにプレス内での硬化時間を短縮することにあるので、計算剛性の低下率が４％以下、好ましくは２％以下に維持される熱交換要素を選択する。

実施例３
トラックタイヤ
本実施例では、本発明を用いることによって実際の「駆動軸の」トラックタイヤのプレス内での硬化時間が短縮されることを証明する。既存のトラックタイヤ設計ではタイヤの全部分が十分に硬化するのに必要な長い硬化時間を選択していた。このタイヤ寸法の通常のプレス硬化条件下での硬化時間は５２分である。タイヤはＦＥＡモデルを用いて評価した。タイヤのショルダー上の大きいトレッドブロックが硬化限界帯域であることがわかった。ＦＥＡモデルを用いて導入した形状の熱交換要素をタイヤ用モールドに挿入した。

ショルダートレッドブロック用に８本の熱交換ピンの配置と内部トレッドブロック用に３本のピンを含む単一のミニサイプ（１１００）を選択した。熱交換要素の型式およびパターンはトレッドブロックの剛性を実質的に変えずに硬化時間を短縮するように開発した。目的はタイヤの性能を実質的に変えないことである。
［図１４（ａ）］はトレッドブロック中での硬化ピンおよびミニサイプの配置例を示す。各ピンは直径２ｍｍで、トレッドブロック内に１４ｍｍ突出している（２８ｍｍのトレッド深さの５０％）（［図１４（ｂ）］）。ピンは鋼製で、既存のモールドに容易に組み入れでき、新しいモールドに直接製造できる。

［図１４］からわかるように、８本のピンから成るパターンをショルダーブロックに使用し且つ３本のピンを含むミニサイプのパターンを内部トレッドブロックに使用した。ミニサイプは２ｍｍ幅で、ブロック内に３ｍｍ深さで突出させ、トレッドブロックの境界内に含ませた（［図１４（ｃ）］）。
本発明方法を用いることでプレス内での硬化時間は４７．５分になり、規定状態α＝０．９の硬化を得るのに必要な時間は８％短縮された。

ショルダートレッドブロックの計算剛性の低下率は８ピン配置で約２％であり、表面積の減少率は１％以下であった。ミニサイプと３本のピンとを組み合わせたものの内部トレッドブロックの計算剛性の低下率は約２％で、表面積の減少率は２％以下である。

［図１４（ａ）］は硬化タイヤに刻まれたパターンを示している。このタイヤを試験して摩耗率およびブロック耐久性を評価した。摩耗結果からタイヤ性能は維持されることがわかった。ネバダ州のシルバースプリングにあるオン／オフアグレッシブ道路コース上でタイヤを走行させた。３６００マイル走行後の基準タイヤ（熱交換要素無し）の損失重量および摩耗率はそれぞれ４６．５３ｇ／１００マイルおよび１０．３６ｍｍ／１０ｋマイルであり、本発明タイヤの損失重量および摩耗率はそれぞれ４８．７５ｇ／１００マイルおよび１０．５１ｍｍ／１０ｋマイルであった。従って、本発明のタイヤは基準タイヤの摩耗率から１％しか摩耗率が減少していないことが示された。従って、タイヤの摩耗率では実質的な変化は生じなかった。更なる実地試験で基準タイヤを本発明のタイヤに対して評価した結果では、本発明タイヤはトレッド引裂、チャンキング、チッピングおよび一般的トレッド耐久性に関して基準タイヤと同等の性能を示した。

要約すると、ＦＥＡモデリング技術を用いて熱交換ピンの配置を決定し、プロトタイプモールドを作り、トラックタイヤを硬化し、試験した。本発明方法は従来プロセスと比較してプレス内での硬化時間を４．５分すなわち８％低下できることが示された。この低下率はα＝０．９の目標硬化状態の達成に必要な硬化時間を設定するのに用いた熱電対測定で確認した。タイヤ試験から本発明方法はオリジナルタイヤの設計性能を実質的に低下させずにプレス内での硬化時間を大幅に短縮できるということがわかった。

再生タイヤ用の硬化トレッドを製造するための平らなトレッドモールドの頂部部分を示す図。この頂部によってトレッドにパターンが刻まれる。番号（１０）は「全深さ（full depth)、フルデプス）」の溝をトレッドパターンに与えるモールドセクションを示し、この溝によってトレッドブロック（２０）が形成される。 従来法で硬化された再生タイヤ用トレッドの硬化後のトレッドパターンを示す図。大きな横方向溝（１０）とトレッドブロック（２０）とが示される。トレッドの底面からトレッドブロックの頂面までの厚さ（３０）は約２５ｍｍである。横方向溝の深さ（４０）は約２２ｍｍである。 本発明の方法を用いて硬化した再生タイヤ用トレッドの硬化秋のトレッドパターンを示す図。図２の硬化トレッドパターンと図３に示すトレッドパターンとの唯一の相違は「ピンホール」（５０）の存在の有無である。トレッドブロックの頂面からピンホールの深さは約１４ｍｍである。 図２および図３に示した硬化トレッドの各トレッド中に挿入した熱電対プローブの種々の位置での時間を関数にした硬化速度を示すグラフ。第１プローブはトレッドブロックの頂面から深さ１ｍｍの所に置き、第２プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ８ｍｍの所に置き、第３プローブは同じトレッドブロックの頂面から深さ１４ｍｍの所に置く。ピンのない従来の硬化法を用いて硬化したトレッド（図４の１００、１１０、１２０の位置で示す）と、ピンを有する本発明の方法を用いて硬化したトレッド（図４の２００、２１０、２２０の位置で示す）の両方について深さ１ｍｍ、深さ８ｍｍ、深さ１４ｍｍで硬化速度を示す。 一定のプレス時間硬化時間（２６分）後の、図２および図３に示した硬化トレッドの各トレッドブロックの頂面から深さ１ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ、１４ｍｍ、１８ｍｍ、２２ｍｍの深さの熱電対プローブの硬化状態（α）を示すグラフ。ピンのない従来の硬化法を用いて硬化したトレッド（図４の３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０の位置で示す）と、ピンを有する本発明の方法を用いて硬化したトレッド（図５の４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０の位置で示す）の両方の上記深さで硬化状態を示す。 図２および図３に示した硬化トレッドで、図５と同じ熱電対のトレッド深さでのα＝０．９の硬化状態に達するまでに必要なプレス内での硬化時間（秒）を示すグラフ。従来の硬化法を用いて硬化したトレッドの各深さでα＝０．９に達する時間は線（５００）で示され、本発明方法を用いて硬化したトレッドの各深さでα＝０．９に達する時間は線（５１０）で示される。 典型的なトラックタイヤショルダー部の断面形状を示す図で、タイヤの複雑性および幾何形状の不均一を示す図。 従来の時計制御法を用いて硬化し、プレスからタイヤを取出した時の図７のトラックタイヤのショルダーでの温度分布を示す図。 約２２ｍｍの高さのサイプ（６００）を追加したトラックタイヤのショルダー用モールドセクションの図。このモールドセクションはショルダーに横方向溝を形成するもので、高さは約２４ｍｍ（６１０）である。 ショルダー溝（７００）を追加した図７のトラックタイヤのショルダーの断面形状を示す図。ショルダー溝は平均深さが約２７ｍｍで、幅が約８ｍｍで、ショルダートレッドブロックまで横方向に約１４ｍｍ延びる。 高さが約３ｍｍのミニサイプ（８００）を追加したトラックタイヤ用モールドセクションを示す図。ショルダーに横方向溝を形成するモールドセクションは高さが約２４ｍｍ（６１０）である。 高さが約２２ｍｍで、底辺が２２ｍｍの楔サイプ（９００）を追加したトラックタイヤのショルダー用モールドセクションを示す図。ショルダーに横方向溝を形成するモールドセクションは高さが約２４ｍｍ（６１０）である。 高さが約２２ｍｍの複数のピン（１０００）を追加したトラックタイヤ用モールドセクションを示す図。ショルダーに横方向溝を形成するモールドセクションは高さが約２４ｍｍ（６１０）である。 図１４（ａ）は本発明のピンおよびミニサイプの熱交換要素を用いて硬化したタイヤトレッドを示す図。横方向溝（１０）はトレッドブロック（２０）の頂面からの深さが約２４ｍｍである。ピンホール（５０）はトレッドブロックの頂面から約１４ｍｍの深さにある（図１４（ｂ））。ミニサイプ（１１００）はトレッドブロック（２０）の頂面から約３ｍｍの深さにあり、各ミニサイプ内には約１４ｍｍの深さで３つのピンホール（１１００）がある（図１４（ｃ））。

Claims (29)

1. 下記（ｆ）〜（ｊ）の段階を含むことを特徴とする不均一な厚いゴム製品の硬化方法：
   （ｆ）ゴム製品の各部分の硬化速度を予め求めて硬化限界部分を決定し、
   （ｇ）モールド内面から突出するように少なくとも一つの熱交換要素をモールド内に配置して、ゴム製品の硬化限界位置で熱交換要素がゴム製品中に貫入するように、モールドを変更し、
   （ｈ）ゴム製品をモールド内に配置し、
   （ｉ）ゴム製品が規定の硬化状態に達するまでゴム製品と熱交換要素に熱を加え、
   （ｊ）ゴム製品をモールドから取り出す。
2. ゴム製品が大型タイヤである請求項１に記載の方法。
3. タイヤがトラックタイヤである請求項２に記載の方法。
4. ゴム製品がタイヤ用トレッドである請求項１に記載の方法。
5. 本発明方法を適用した時のゴム製品またはその一部の計算される剛性の低下率が４％以下である請求項１に記載の方法。
6. 本発明方法を適用した時のゴム製品またはその一部の計算される剛性の低下率が２％以下である請求項１に記載の方法。
7. 本発明方法を適用した時のゴム製品またはその一部の計算される表面積の減少率が８％以下である請求項１に記載の方法。
8. 本発明方法を適用した時のゴム製品またはその一部の計算される表面積の減少率が５％以下である請求項１に記載の方法。
9. 上記要素がピン、ミニサイプ、これらを組合せたものから成る群の中から選択される請求項１に記載の方法。
10. 上記熱交換要素がピン、ミニサイプおよび両者の組合せから成る群の中から選択される請求項３に記載の方法。
11. 上記熱交換要素がピン、ミニサイプおよび両者の組合せから成る群の中から選択される請求項４に記載の方法。
12. 上記熱交換要素がゴム製品の硬化限界部分中に貫入するピンで、このピンはゴム製品の硬化限界部分の厚さの約５％〜約８０％ような長さを有する請求項１に記載の方法。
13. 上記熱交換要素がタイヤの硬化限界トレッドブロックに貫入するピンであり、このピンは上記トレッドブロックの厚さの約５％〜約８０％の長さを有する請求項３に記載の方法。
14. 上記熱交換要素がトレッドの硬化限界トレッドブロックに貫入するピンであり、このピンは上記トレッドブロックの厚さの約５％〜約８０％の長さを有する請求項４に記載の方法。
15. 上記熱交換要素がゴム製品の硬化限界部分に貫入するミニサイプであり、このミニサイプは約１〜３ミリメートルの幅と、ゴム製品の上記硬化限界部分の厚さの約５％〜約２０％の長さを有する請求項１に記載の方法。
16. 上記熱交換要素がゴム製品の硬化限界部分に貫入するミニサイプであり、このミニサイプは約１〜３ミリメートルの幅と、ゴム製品の上記硬化限界部分の厚さの約５％〜約２０％の長さを有する請求項３に記載の方法。
17. 上記熱交換要素がトレッドの硬化限界トレッドブロックに貫入するミニサイプであり、このミニサイプは約１〜３ミリメートルの幅と、トレッドの硬化限界トレッドブロックの厚さの約５％〜約２０％の長さを有する請求項４に記載の方法。
18. 上記熱交換要素が直径が約１〜約３ミリメートルの丸いピン、一辺が約１〜２ミリメートルの四角いピン、短寸法が約１〜２ミリメートルで長寸法が約２〜約３ミリメートルである楕円形ピンおよびこれらの組合せから成る群の中から選択される請求項１に記載の方法。
19. 上記熱交換要素が直径が約１〜約３ミリメートルの丸いピン、一辺が約１〜２ミリメートルの四角いピン、短寸法が約１〜２ミリメートルで長寸法が約２〜約３ミリメートルである楕円形ピンおよびこれらの組合せから成る群の中から選択される請求項３に記載の方法。
20. 上記熱交換要素が直径が約１〜約３ミリメートルの丸いピン、一辺が約１〜２ミリメートルの四角いピン、短寸法が約１〜２ミリメートルで長寸法が約２〜約３ミリメートルである楕円形ピンおよびこれらの組合せから成る群の中から選択される請求項４に記載の方法。
21. 上記熱交換要素がゴム製品の硬化限界部分中に貫入する丸いピンであり、この丸いピンは約２ミリメートルの直径を有し、硬化限界部分の厚さの約２５％〜約５０％の長さを有する請求項１２に記載の方法。
22. 上記熱交換要素がタイヤのトレッドブロックの硬化限界部分中に貫入する丸いピンであり、この丸いピンは約２ミリメートルの直径と上記トレッドブロックの厚さの約２５％〜約５０％の長さを有する請求項１３に記載の方法。
23. 上記熱交換要素がタイヤのトレッドブロックの硬化限界部分中に貫入する丸いピンであり、この丸いピンは約２ミリメートルの直径と上記トレッドブロックの厚さの約２５％〜約５０％の長さとを有する請求項１４に記載の方法。
24. 約１〜３ミリメートルの幅とタイヤの硬化限界トレッドブロック中に貫入するミニサイプを上記ピンと組み合わせて用い、上記ミニサイプは上記硬化限界トレッドブロックの厚さの約５％〜約２０％の長さを有する請求項２２に記載の方法。
25. 約１〜３ミリメートルの幅とタイヤの硬化限界トレッドブロック中に貫入するミニサイプを上記ピンと組み合わせて用い、上記ミニサイプは上記硬化限界トレッドブロックの厚さの約５％〜約２０％の長さを有する請求項２３に記載の方法。
26. 有限要素解析を用いでゴム製品の上記硬化限界部分を決定する請求項１に記載の方法。
27. 下記の段階（ａ）と（ｂ）を含むことを特徴とする、不均一な厚いゴム製品を硬化するためのモールドの製造方法：
    （ａ）モールドに入れるゴム製品のほぼ全ての部分の硬化速度を予め求め、
    （ｂ）モールドの内側表面から突出するように少なくとも一つの熱交換要素をモールドに取り付けて、ゴム製品をモールド内に配置した時にゴム製品の硬化限界部分中に貫入させる。
28. 下記の段階（ｃ）と（ｄ）を含むことを特徴とする、大型タイヤを硬化するためのモールドの製造方法：
    （ｃ）モールドに入れるタイヤのほぼ全ての部分の硬化速度を予め求め、
    （ｄ）モールドの内側表面から突出するように少なくとも一つの熱交換要素をモールドに取り付けて、ゴム製品をモールド内に配置した時にタイヤの硬化限界部分中に貫入させる。
29. 有限要素解析を用いてタイヤの硬化限界部分を決定する請求項２８に記載の方法。

Images