JP2020059053A - ホットプレス装置およびホットプレス装置の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置およびホットプレス装置の温度制御方法において、温度制御時の応答性または安定性に優れたホットプレス装置またはホットプレス装置の制御方法を提供する。【解決手段】熱媒によって温度制御される熱板１６を複数枚備えたホットプレス装置１１において、熱媒供給装置１３の熱媒供給管路３６または熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４の熱媒の温度を検出する温度センサ３７と、プレス装置１２の熱板１６の温度または熱媒の温度を検出する温度センサ１９，２５，２８と、前記各温度センサ１９，２５，２８，３７の検出値を用いて熱板１６の温度制御を行う制御装置２０とが備えられている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置およびホットプレス装置の温度制御方法に関するものである。

従来、熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置としては、特許文献１、特許文献２に記載されたものが知られている。特許文献１は、熱媒によって温度制御される熱板と、熱板上に載置した被加工物を圧締する圧締装置とを備えたホットプレスの温度制御方法であって、各熱板へ分配・供給される入口マニホールド内における熱媒と、各熱板から排出・収集される出口マニホールド内における熱媒と、熱板とのうちの任意の二の温度を検出し、前記二の温度を温度設定パターンの工程に応じて切換え選択し、選択した温度値が温度設定パターンに一致するようにフィードバック制御するものである。また特許文献２は、ポンプと多段プレス装置の間の熱媒体の通路に温度センサを取付けたものである。

特許第３７８５３５２号公報（請求項１、図１） 特公平３−６７４８０号公報（請求項１、第１図）

しかしながら前記特許文献のホットプレス熱媒供給装置の温度制御に際しては、熱媒供給装置からプレス装置に接続される管路の内部の熱媒の温度によってはプレス装置の熱板の温度コントロールが敏感に行えない場合があった。そしてその問題は熱媒供給装置とプレス装置とが離れており前記管路の距離が長く管路内の熱媒量が多い場合により一層顕著であった。

そこで本発明では、熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置およびホットプレス装置の温度制御方法において、温度制御時の応答性または安定性に優れたホットプレス装置、またはホットプレス装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のホットプレス装置は、熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置において、熱媒供給装置の熱媒供給管路または熱媒供給装置からプレス装置に接続される管路の熱媒の温度を検出する温度センサと、プレス装置の熱板の温度または熱媒の温度を検出する温度センサと、前記各温度センサの検出値を用いて熱板の温度制御を行う制御装置とが備えられたことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載のホットプレス装置は、請求項１において、前記熱媒供給装置の熱媒供給管路のポンプの上流側または下流側に温度センサが備えられ、温度制御されプレス装置に送られる熱媒油の温度を検出することを特徴とする。

本発明の請求項３に記載のホットプレス装置の温度制御方法は、熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置の温度制御方法において、熱媒供給装置または熱媒供給装置からプレス装置に接続される管路のプレス装置に送られる熱媒の温度を検出する温度センサと、プレス装置の熱板の温度または熱媒の温度を検出する温度センサとが備えられ、前記各温度センサの検出値を用いて熱板の温度制御を行うことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載のホットプレス装置の温度制御方法は、請求項３において、プレス装置において熱媒の温度を検出する温度センサは、少なくとも排出側マニホールドに設けられ、供給側マニホールドに設けられた温度センサを用いずに熱板の温度制御を行うことを特徴とする。

本発明のホットプレス装置は、熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置において、熱媒供給装置の熱媒供給管路または熱媒供給装置からプレス装置に接続される管路の熱媒の温度を検出する温度センサと、プレス装置の熱板の温度または熱媒の温度を検出する温度センサと、前記各温度センサの検出値を用いて熱板の温度制御を行う制御装置とが備えられているので、温度制御時の応答性または安定性に優れている。

本実施形態のホットプレス装置の概略説明図である。 本実施形態のホットプレス装置の熱板の温度制御を示した図である。 本実施形態のホットプレス装置の制御装置の設定画面を示した図である。

本発明の熱媒によって温度制御される熱板１６を複数枚備えたホットプレス装置１１について図１を用いて説明する。ホットプレス装置１１は、プレス装置１２と熱媒供給装置１３を備えている。本発明においてホットプレス装置１１とは、プレス装置１２と熱媒供給装置１３、またはそれらを作動させる制御装置２０等を含むシステム全体を指す。

プレス装置１２は、上固定盤１４と下可動盤１５の間に複数の被加熱部である熱板１６が配置されている。そして下可動盤１５の下側には油圧機構により作動される圧締用シリンダ１７のラム１７ａが固定され、ラム１７ａを昇降させることにより下可動盤１５に固定された熱板１６が昇降可能となっている。そして熱板１６の更なる上昇に伴って中間の熱板１６も上固定盤１４に固定された熱板１６に向けて上昇可能となっている。プレス装置１２は、チャンバ１８内に収納され真空状態でプレス成形可能となっているが、チャンバを備えないものでもよい。

熱板１６は上下面が平坦な板体であって熱媒油を流通させる熱媒通路が内部に形成されている。そして各熱板１６の本体の金属部分には熱板１６の温度を検出する温度センサ１９（サーモ―カップル）が備えられ、前記温度センサ１９は制御装置２０に接続されている。図１においては省略して1枚の熱板１６のみに温度センサ１９が記載されているが、全ての熱板１６に温度センサ１９が取付けられている。プレス装置１２の熱板１６の枚数は複数枚であれば限定されず、温度センサ１９も全ての熱板１６に取付けられていないものでもよい。または熱板１６の本体の金属部分と熱媒流路内の両方または熱媒流路内のみに温度センサ１９を取付けてもよい。

またプレス装置１２は、各熱板１６へ熱媒を分配して供給する供給側マニホールド２１と、各熱板１６から排出される熱媒を集める排出側マニホールド２２が設けられている。供給側マニホールド２１と各熱板１６との間にはそれぞれ管路２３が接続されている。また供給側マニホールド２１には後述する熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４（供給側管路）が接続されている。また供給側マニホールド２１の内部には熱媒の温度を検出する温度センサ２５（サーモ―カップル）が取付けられ、前記温度センサ２５は制御装置２０に接続されている。

また排出側マニホールド２２と各熱板１６との間にはそれぞれ管路２６が接続されている。また排出側マニホールド２２にはプレス装置１２から熱媒供給装置１３に接続される管路２７（排出側管路）が接続されている。また排出側マニホールド２２の内部には熱媒の温度を検出する温度センサ２８（サーモカップル）が取付けられ、前記温度センサ２８は制御装置２０に接続されている。なお本発明においてプレス装置１２側の温度検出について、供給側マニホールド２１の温度センサ２５を無くすか使用せずに、熱板１６の温度センサ１９と排出側マニホールド２２の温度センサ２８を用いて制御を行ってもよい。またはプレス装置１２側の温度検出について、供給側マニホールド２１の温度センサ２５と排出側マニホールド２２の温度センサ２８を無くすか使用せずに、熱板１６の温度センサ１９のみを用いて制御を行ってもよい。

次に熱媒供給装置１３の概略について説明する。熱媒供給装置１３は熱媒油を加熱するボイラ２９（または電気ヒータによる加熱装置）と、冷却水により熱媒油を冷却するクーラ３０を備えている。また熱媒供給装置１３は、熱媒油の温度を制御するため熱媒油の分配量を制御する温度制御バルブ３１，３２（三方弁）と、二つのポンプ３３，３４を備えている。

更に詳しくは熱媒供給装置１３は、プレス装置１２からの熱媒供給装置１３へ接続される排出側の管路２７の延長部分には温度制御バルブ３１が備えられ、主管路３５とクーラ３０への熱媒油の供給量が制御可能となっている。またボイラ２９には循環管路４２が接続され、循環管路４２には循環用のポンプ３３と温度制御バルブ３２が設けられている。そして温度制御バルブ３２により循環管路４２から前記主管路３５へ分配される加熱された熱媒油の供給量が制御可能となっている。主管路３５の下流側においてはクーラ３０から供給される冷却された熱媒油とボイラ２９から供給される加熱された熱媒油が合流されるようになっている。そして昇温工程と加熱保持工程の際にはプレス装置１２から戻された熱媒油とボイラ２９から供給された熱媒油が混合されて次回のプレス装置１２に送られる温度制御された熱媒油が生成される。また降温工程では、プレス装置１２から戻された熱媒油とクーラ３０から供給された熱媒油が混合されて次回のプレス装置１２に送られる温度制御された熱媒油が生成される。

従って主管路３５のうちいずれの工程であっても次回のプレス装置１２に送られる温度制御された熱媒油が送られる部分を熱媒供給装置１３の温度制御された熱媒油の熱媒供給管路３６と称する。熱媒供給管路３６には前記熱媒油をプレス装置１２に送り出すための供給用のポンプ３４が設けられている。なお図１において温度制御された熱媒油の熱媒供給管路３６の部分は判りやすいように２本線で記載する。本実施形態では熱媒供給管路３６の部分に温度センサ３７（サーモカップル）が設けられる。温度センサ３７はプレス装置１２へ送られる温度制御された熱媒油の温度を検出し、熱板１６の温度制御を行うためのものである。本実施形態では供給用のポンプ３４の下流側に温度センサ３７が備えられている。しかし温度センサ３７は供給用のポンプ３４の上流側の熱媒供給管路３６に設けられたものでもよい。

なお熱媒供給装置１３は更に熱媒油の膨張タンクなどを備えるがここでは説明を省略する。また熱媒供給装置１３については上記の形態に限定されるものではない。例えばボイラ２９、クーラ３０、温度制御バルブ３１，３２の配置形態は上記と異なりもっとシンプルなものでもよく、その場合温度制御バルブは１個でもよい。また熱媒油の供給用のポンプ３４よりも先の熱媒供給管路３６に温度制御バルブや分岐管路を設けて熱媒油の温度制御を行うものでもよい。ただしその場合は前記温度制御バルブ等よりも下流側に温度センサ３７を設ける必要がある。更に温度制御バルブ３１，３２は三方弁に限定されず、流量制御弁や開閉弁を組み合わせたものでもよい。また熱媒を加熱するヒータは熱板１６内に設けられたものでもよい。その場合はクーラとポンプを備えた熱媒供給装置の側でプレス装置の熱板に供給する熱媒油の温度の最終調整がなされ、熱媒供給通路に温度センサが取付けられる。

また前記温度センサ３７については、熱媒供給装置１３内部ではなく、熱媒供給装置１３からプレス装置１２へ接続される管路２４に設けてもよい。この場合特にホットプレス装置１１の管路２４の長さが長い場合は、熱媒供給装置１３の近傍（図１においては２本線で記載される２４ａの部分）に温度センサを設けることが望ましい。より詳しくは管路２４に温度センサ３７を設けるときは、一例として熱媒供給装置１３からホットプレス装置１２までを管路２４の全長に対して熱媒供給装置１３側の１／５以内に温度センサ３７を設けることが望ましい。これは熱媒供給装置１３からプレス装置１２へ送られる熱媒油がなるべく時間経過または温度変化しないうちに測定することが望ましいからである。

本実施形態ではプレス装置１２と熱媒供給装置１３は、レイアウトの関係で離れており、前記熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４（供給側管路）は、５ｍ以上の長さとなっている。なおプレス装置１２と熱媒供給装置１３は別々の建物に設置されることもあり、その場合は管路の長さは２０ｍ以上となることもある。ただしあまり両者の距離が離れていると配管工事のコストが高くなる上に熱効率の点でも不利であるので一例として５０ｍ以内とすることが望ましい。その場合プレス装置１２から熱媒供給装置１３への排出側の管路２７もほぼ同じ長さ必要となる。これら管路２４，２７のうち少なくとも供給側の管路２４は断熱材により断熱されていることが望ましい。

次にホットプレス装置１１の熱板１６の温度制御などを行う制御装置２０について説明する。本発明において制御装置２０は、熱媒供給装置１３の熱媒供給管路３６または熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４の熱媒の温度を検出する温度センサ３７と、プレス装置１２の熱板１６の温度または熱媒の温度を検出する温度センサ１９、２５，２８の各温度センサ１９，２５，２８，３２の検出値を用いて熱板１６の温度制御を行うものである。機能的には制御装置２０は、入力部３８、出力部３９、演算部４０、記憶部４１などを備えている。

制御装置２０の入力部３８は、熱媒供給装置１３の熱媒供給管路３６の熱媒油の温度を検出する温度センサ３７と、プレス装置１２の供給側マニホールド２１内の熱媒油の温度を検出する温度センサ２５と、熱板１６の温度を検出する温度センサ１９と、排出側マニホールド２２内の熱媒油の温度を検出する温度センサ２８に接続されている。また制御装置２０の出力部３９は熱媒供給装置１３の温度制御バルブ３１，３２に接続され、温度制御バルブ３１，３２（三方弁）の開度の制御を行う。また演算部４０はＣＰＵ等を含み、入力部３８、出力部３９、記憶部４１に接続され、後述するＰＩＤ制御による熱板１６の温度制御を行う。また記憶部はメモリ等を含み、ホットプレス装置１１の温度制御を伴う成形条件や実測値等が保存される。

なお制御装置２０は、１個の制御装置をプレス装置１２か熱媒供給装置１３のいずれかに設けるかまたは前記装置１２，１３とは独立して設けてもよい。また制御装置２０は、プレス装置１２、熱媒供給装置１３、それ以外の場所のいずれかに機能を分散して設け、全体でホットプレス装置１１の温度制御を行うものでもよい。

次に本実施形態のホットプレス装置１１の温度制御方法について説明する。本発明では最終的な制御対象物はプレス装置１２の熱板１６の温度であるが、前記熱板１６の温度を予め設定した温度となるように制御するために熱媒供給装置１３から送り出される熱媒油の温度を制御する。より具体的には上記したように昇温工程と加熱保持工程の際にはプレス装置１２から戻された熱媒油とボイラ２９から供給された熱媒油が混合されて次回のプレス装置１２に送られる温度制御された熱媒油が生成される。そしてプレス装置１２に送られる熱媒供給通路３６の温度センサ３７の温度が検出され、重みづけされて予め設定した昇温および温度保持パターンになるように熱板１６の昇温制御および温度保持制御に利用される。また降温工程では、プレス装置１２から戻された熱媒油とクーラ３０から供給された熱媒油が混合されて次回のプレス装置１２に送られる温度制御された熱媒油が生成される。そしてプレス装置１２に送られる熱媒供給通路３６の温度センサ３７の温度が検出され、重みづけされて予め設定した降温パターンになるように熱板１６の降温制御に利用される。ただし昇温工程や加熱保持工程であってもオーバーシュートを防止するためにクーラ３０からの熱媒油も加えてもよく、降温工程でも同様にボイラ２９からの熱媒油も加えてもよい。

ホットプレス装置１１の前記昇温工程、保持工程、降温工程からなる１サイクルの成形時間については、成形品により異なり限定されないが一例として数分から数時間のものもある。前記昇温工程、加熱保持工程、降温工程ともに温度制御は、２段階以上に温度を変更して行われるものでもよい。

ホットプレス装置１１の温度制御は、一般的にＰＩＤ制御により行われる。表３に一例が示されるようにそれぞれ４つの温度センサ１９，２５，２８，３７により検出される温度は、各工程または温度帯ごとに最適な比率となるように重みづけされて制御に用いられる。また、昇温工程、加熱保持工程、降温工程のそれぞれにおいて、温度帯ごとにＰ制御（比例制御）の設定温度に対する%、Ｉ制御（時間積分制御）の時間（秒）、Ｄ制御（微分制御）の時間（秒）の制御定数を定め、応答の安定性と即応性の両立を図っている。なおＰＩＤ制御についてはオートチューニングによるかオートチューニングしたものを補正したものでもよい。

特に本実施形態の特性としては、熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４の長さが長く、管路２４内部の熱媒の容量も多い。そのため特許文献１のようにプレス装置側の熱媒の温度のみ検出して熱媒供給装置の温度制御バルブを制御していたのでは応答性に劣ることになる。そのため表３で「熱媒供給装置出口（％）」と記載されるように、熱媒供給装置１３の供給用のポンプ３４の下流側の熱媒油の温度を温度制御のための検出値に加えている。なお前記に変えて、プレス装置１２に接続される管路２４の熱媒供給装置１３近傍の熱媒油を検出して制御してもよいことは上記した通りである。

このことにより特許文献１のようにプレス装置の熱板の温度または供給側マニホールド内および排出側マニホールド内の熱媒油の温度のみを検出して熱媒供給装置の温度制御バルブ（三方弁）を制御していた場合と比較して、本発明では従来発生していた制御遅れとそれに伴う熱板温度のハンチングを減少させることができる。このことは前記熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４の長さが短い場合でもハンチングの減少等の改善に繋がるが、管路２４の長さが長い場合にはより一層大きな改善に繋がる。

更には熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４の長さがそれほど長くない場合などでは、熱板１６に熱媒油が送られるまでの所要時間、温度低下ともに小さい。その場合は、供給側マニホールドブロックの温度センサ２５は廃止するか、または温度センサ２５は設けておくものの使用せずに、プレス装置１２の側は熱板１６の温度センサ１９で検出される温度と排出側マニホールド２２の温度センサ２８で検出される温度を用いて制御を行ってもよい。またはプレス装置１２については熱板１６の温度を検出する温度センサ１９のみを制御に用いてもよいが、その場合は熱板１６の熱媒通路の入口側と出口側の両方の温度を測定することがより一層望ましい。

次にホットプレス装置１１の成形について簡単に説明する。まず最初に下可動盤１５が下降位置にあり、各熱板１６の間が開いた状態であってチャンバ１８の扉も開放された状態で、図示しない搬入・搬出装置により成形品が各熱板１６の上に載置される。次にチャンバ１８の扉が閉鎖され圧締用シリンダ１７が作動されて下可動盤１５と各熱板１６が上昇して型閉がなされる。熱板１６の昇温のタイミングは限定されないが、通常は型閉後にポンプが作動されるか、または常時ポンプ作動により循環していた熱媒油がプレス装置１２に向けて供給開始される。

本実施形態では、昇温工程、加熱保持工程、降温工程ともに熱媒供給装置１３のポンプからプレス装置１２へ送られる熱媒油の単位時間当たりの供給量（流速）は一定である。しかしながら昇温時や高温時のみ熱媒油の供給量を増大させてもよい。または加熱保持工程のうちでも成形品の温度が熱板１６の温度と一致する中盤から後半については、熱媒油の供給量を減らしてもよい。これら熱媒油の供給量を可変にする場合、供給量が多い場合よりも供給量が少ない場合のほうが管路２４を熱媒油が通過する時間は長くなる。従って熱媒油の供給量が少ない場合、プレス装置１２内の温度センサ１９，２５，２８の検出値を用いた制御の重みを大きくしていたのでは追従性が悪くなることが考えられ、熱媒供給装置１３内の温度センサ３７の検出値を用いた制御の重みを大きくすることが好ましい。

そして熱板１６の温度が図２に示される設定温度と一致するように、温度センサ１９，２５，２８，３７の温度を検出して温度制御バルブ３２の制御が行われ、熱媒供給装置１３からプレス装置１２の熱板１６へ熱媒油の供給が行われる。その際のＰＩＤ制御の定数および検出値の重みづけは上記したように図３に示される通りである。そして熱板１６の昇温とともに圧締用シリンダ１７の増圧が行われ、加熱保持工程および降温工程が完了すると熱媒供給装置１３からプレス装置１２への熱媒油の供給は停止される。そして再度圧締用シリンダ１７が作動されて下可動盤１５と各熱板１６が下降されて型開が行われる。その後にチャンバ１８の扉が開放されて成形品が取り出される。

本発明については一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、実施形態の各記載を組み合わせしたものや当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。熱媒が蒸気や水の場合も同様に熱媒供給装置１３の熱媒供給管路３６または熱媒供給装置１３からプレス装置１２に接続される管路２４の温度センサ３７を用いて制御を行うことが望ましい。蒸気を用いる場合は、温度センサの同等物として圧力センサを用いて蒸気圧を検出し温度に換算するものも本発明に含まれる。

１１ ホットプレス装置
１２ プレス装置
１３ 熱媒供給装置
１６ 熱板
１９，２５，２８，３７ 温度センサ
２０ 制御装置
２１ 供給側マニホールド
２２ 排出側マニホールド
２３，２４，２４ａ，２６，２７ 管路
３１，３２ 温度制御バルブ
３３，３４ ポンプ
３６ 熱媒供給管路

Claims (4)

1. 熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置において、
   熱媒供給装置の熱媒供給管路または熱媒供給装置からプレス装置に接続される管路の熱媒の温度を検出する温度センサと、
   プレス装置の熱板の温度または熱媒の温度を検出する温度センサと、
   前記各温度センサの検出値を用いて熱板の温度制御を行う制御装置とが備えられたことを特徴とするホットプレス装置。
2. 前記熱媒供給管路のポンプの上流側または下流側に温度センサが備えられ、温度制御されプレス装置に送られる熱媒の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載のホットプレス装置。
3. 熱媒によって温度制御される熱板を複数枚備えたホットプレス装置の温度制御方法において、
   熱媒供給装置または熱媒供給装置からプレス装置に接続される管路のプレス装置に送られる熱媒の温度を検出する温度センサと、
   プレス装置の熱板の温度または熱媒の温度を検出する温度センサとが備えられ、
   前記各温度センサの検出値を用いて熱板の温度制御を行うことを特徴とするホットプレス装置の温度制御方法。
4. プレス装置において熱媒の温度を検出する温度センサは、少なくとも排出側マニホールドに設けられ、供給側マニホールドに設けられた温度センサを用いずに熱板の温度制御を行うことを特徴とする請求項３に記載のホットプレス装置の温度制御方法。