JP3175513U - 赤外線ヒータを用いる熱溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着温度が２５０℃以上で炭素繊維やガラス繊維強化樹脂の部材同士を強固に溶着するための装置を提供する。
【解決手段】被溶着部材Ａ、Ｂを固定する下部受け台１と上部受け台２からなる被溶着部材保持手段と、上下の受け台１、２の間に出入り自在のフレーム８に取り付けられた赤外線ヒータ６と、赤外線ヒータ６を上部から覆って保護するシャッター７と、コントローラ１９からなる。コントローラ１９は、被溶着部材Ａ、Ｂの溶着面が赤外線ヒータ６に近接するまでに設定された温度に達するように制御する。
【選択図】図１

Description

本考案は、ハロゲンまたはカーボンヒータ（以下「赤外線ヒータ」という。）を用いて行う熱可塑性樹脂同士の熱溶着装置であって、特に溶着温度が２５０℃を超え、炭素繊維やガラス繊維等が配合強化されていている熱可塑性樹脂材料からなる２つの部材を、短時間で熱溶着する装置に関する。

対をなす被溶着部材の溶着面を溶着温度に加熱し、この加熱により溶融した溶着面を相互に圧着して熱溶着し、目的の製品に加工する赤外線ヒータを用いて行う熱可塑性樹脂の溶着装置が知られている。

例えば、特許文献１には、接合部にビードが発生しないように接合する管端の内外面に放熱板を嵌入し、この放熱板で管端の内外面を放熱しながら管端の管肉厚の中心部を赤外線ヒータにより加熱溶融させ、この端部同士を突き合わせて加圧し、融着により接合させる内容のものが紹介されており、また特許文献２には、移動型と固定型を使用して第１、第２の半成形品に接合端面を射出成形し、第２の半成形品が残った状態で移動型をスライドさせて（ダイスライド方式）、それぞれの接合端面を整合させ、その間にハロゲンヒータまたはカーボンヒータからなるヒータを挿入して接合端面を溶融してからヒータを退避させ、その上で型閉じを行って接合端面を溶着する装置が紹介されている。

特開平８−２１６２６１号公報 特開２００９−２２０４２９号公報

しかし、上記特許文献１の場合、管端の内外面に放熱板が嵌合しているため赤外線ヒータからの熱はこの放熱板の加熱に一部費やされる。また、赤外線ヒータ内には冷却管が組み込まれていて、この冷却管も赤外線ヒータの熱を吸収することから、加熱のレスポンスと熱効率が悪く、生産性が低下し、更に消費電力が増大するという問題がある。

また、２箇所の溶着部を同時に加熱するためには２組みの前記加熱装置の温度コントロールを完全に同期させないと、融着部の加熱にバラツキが生じて、接合不良が発生しやすいと共に、放熱板と反射板を有する複雑な構造のため加熱装置の微妙な加熱制御が難しいという問題がある。

次に、特許文献２の場合、ダイスライド方式の金型を用いた射出成形機に溶着装置を取り付けて射出成形機内で溶着を行うものであるため、ダイスライド方式は金型内のキャビティが摺動する複雑な構造で、金型及び成形機が大型化すると共にここに取り付ける溶着装置も大掛かりになるため装置が高額になる。また、溶着工程は成形工程と同時の制御が必要であるため、成形条件と溶着を併せた全工程の条件調整が必要であり、安定した溶着品質を保証するためには高度な管理が必要となる。

本考案は、2つの被溶着物の溶着面を１つの赤外線ヒータにより短時間で加熱し、溶融、圧着、溶着まで自動的に行うことが出来るシンプルな溶着装置であって、更に赤外線ヒータに埃等が付着して加熱ムラが発生したり赤外線ヒータに物が当って損傷したりするのを防止することが出来る溶着装置を提供するのが目的である。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の考案は、赤外線ヒータを用いる熱溶着装置において、
ａ．下部受け台と上部受け台を同軸線上に配置すると共に下部受け台の上面に被溶着部材の一方を固定することができ、上部受け台の下面に被溶着部材のもう一方を固定することができ、更に下部受け台と上部受け台の間隔を任意に制御自在に構成して成る被溶着部材保持手段と、
ｂ．前記被溶着部材保持手段の上下の受け台間に出入り自在のフレームに取り付けられた赤外線ヒータと、
ｃ．前記赤外線ヒータの上部において、赤外線ヒータが赤外線発熱し、被溶着物を加熱している間は当該赤外線ヒータの上部から逃れ、加熱が終了し、被溶着物から赤外線ヒータが逃れている間は当該赤外線ヒータを上部から覆って当該赤外線ヒータを保護するシャッターと、
ｄ．前記溶着部材保持手段の上下の受け台の間隔を制御し、かつ前記赤外線ヒータが上下の受け台に取り付けられた被溶着部材間に出入りするのを制御し、更に前記シャッターの出入りを制御し、更に前記赤外線ヒータの加熱温度を制御するコントローラと、から成ることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の考案は、請求項１に記載の熱溶着装置において、
前記赤外線ヒータの加熱タイミングは、被溶着部材の溶着面が赤外線ヒータに近接するまでに、あらかじめ設定した温度に達するように前記コントローラにおいて制御することを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の考案は、請求項１に記載の熱溶着装置において、前記赤外線ヒータは、被溶着部材の溶着面の形状に沿うように形成されていることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の考案は、請求項３に記載の熱溶着装置において、前記赤外線ヒータは、被溶着部材の溶着面の鉛直方向を向いたコイル形状からなることを特徴とするものである。

本考案の熱溶着装置によると、以下の効果が得られる。
被溶着部材の間に配置された赤外線ヒータを用い、それぞれの被溶着部材が同時に溶着温度に到達するように赤外線加熱されるため、それぞれ最適な温度で溶着することができる。 また、前記特許文献１の場合のように、放熱板や冷却管を用いていないため、加熱レスポンスが良く、２つの溶着部材を短時間で加熱し、溶着できる。さらに非接触で被溶着部材の接合表面を溶融するため、接触式加熱で多発する溶融部分の糸引きや汚れなどが無く、外観もきれいに溶着でき、清掃などのメンテナンスも削減できる。

また、本考案に使用する赤外線ヒータは、石英ガラス管の中に発熱体が収納されているため、強い衝撃で物が当ると破損する恐れがあるが、本考案では赤外線ヒータ上部に進退自在のシャッターを設置し、加熱工程以外は前記シャッターが赤外線ヒータをガードして破損を防止することができると共に、作業者が赤外線ヒータに誤って触れてやけどすることを防止できる。
また、シャッターは、赤外線ヒータにゴミやホコリが付着して、赤外線の透過率の低下や付着したホコリが発火するのを防止する効果がある。

本考案に係る熱溶着装置の説明図。 （Ａ）は本考案に係る熱溶着装置の斜視図で、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図であって赤外線ヒータユニット部分を示す説明図。 （Ａ）は被溶着部材の溶着部形状の断面を示すもので、（Ｂ）は溶着面同士を圧着している状態、（Ｃ）は溶着した状態を示す説明図。 （Ａ）〜（Ｉ） 本考案に係る溶着装置を用いた溶着工程の説明図。

本考案は、熱可塑性樹脂から成る被溶着部材同士の溶着面を適切な溶着温度に加熱することが可能な赤外線ヒータを備えた装置であり、前記被溶着部材の溶着面の加熱はハロゲンまたはカーボン赤外線ヒータによる赤外線放射熱による加熱で行われ、溶着後の強度及び外観をきれいにできる溶着装置であって、特に溶着温度が２５０℃を超える炭素繊維やガラス繊維などを含有する高強度樹脂材料同士を溶着するのに適した溶着装置である。

図１に本考案に係る溶着装置の一例を示す。この溶着装置は、２つの被溶着部材Ａ、Ｂを図４（Ｉ）に示すように熱溶着するためのもので、図３（Ａ）に示すように被溶着部材Ａの接合面Ａ−１、被溶着部材Ｂの接合面Ｂ−１にはそれぞれ溶着リブＡ−２、Ｂ−２が形成されている。さらに、溶着リブＡ−２、Ｂ−２の根元にはバリ受け溝Ａ−３、Ｂ−３が形成されている

溶着装置には、上下に被溶着部材Ａ、Ｂをそれぞれ固定する下部受け台１と上部受け台２が対向するようにして配置されていて、そこに被溶着部材Ａ、Ｂをそれぞれセットすることができる。そして、下部受け台１と上部受け台２は上部駆動シリンダー４及び下部駆動シリンダー５によりその間隔を狭める方向に移動可能である。下部受け台１および上部受け台２に被溶着部材Ａ及び被溶着部材Ｂを固定する場合、下部受冶具２１、上部受冶具２２には被溶着部材Ａ、被溶着部材Ｂの内径より少し大きめの外径からなるＯリング３が設置されており、そのＯリング３の弾性を利用して被溶着部材Ａおよび被溶着部材Ｂを下部受冶具２１、上部受冶具２２に嵌め込むかたちで装着することにより固定する構成となっている。

９はヒータユニットであって、このヒータユニット９は、水平方向に出入りするヒータユニットフレーム８に赤外線ヒータ６が取り付けられている。

そして、赤外線ヒータ６の上側には、前記赤外線ヒータ６の上側に隙間を空けて、ヒータユニット９の水平移動と同方向に単独で水平方向に移動可能な赤外線ヒータシャッター７が取り付けられている。

次に、上記ヒータユニット９を用いて図３（Ａ）、（Ｂ）に示す被溶着部材Ａ、Ｂ（以下「部材Ａ」、「部材Ｂ」という。）を加熱し、溶着する工程を図４（Ａ）〜（Ｈ）に基づいて詳細に説明する。

１．部材Ａ、Ｂは、上下の受け台１、２の受け治具２１、２２にそれぞれ溶着面Ａ−２、Ｂ−２が上下において対向するように取り付けられる。この時、下部受け台１および上部受け台２の受治具２１、２２に対して、部材Ａ、ＢはＯリング３により弾性保持され、固定される。

２．赤外線ヒータ６は輻射熱により樹脂の溶着温度まで加熱可能な温度に制御される。この場合、赤外線ヒータ６は８００℃〜１，０００℃に発熱するが、常温からの前記発熱温度までの昇温時間は３〜４秒であるため常時加熱しておく必要は無い。この赤外線ヒータ６はコントローラ１９により電流制御される。赤外線ヒータ６の加熱温度は溶着部材の材質、色、赤外線ヒータ６との距離、所望する加熱時間によって適宜設定される。

３．次に、ヒータユニット９の駆動用シリンダ１０を駆動してヒータユニット９を待機位置から水平方向移動させることにより、赤外線ヒータ６を上下の部材Ａ、Ｂ間に位置させる（Ｂ）。

４．ヒータユニット９の赤外線ヒータ６が部材Ａ、Ｂ間に位置した時点で駆動シリンダ１１を駆動してヒータシャッター７を部材Ａ、Ｂ間から外側へ移動させる（Ｃ）。

５．次に、駆動装置４，５を駆動して上部受け台１と下部受け台２を下降及び上昇させて部材Ａの溶着面Ａ−２と溶着面Ｂ−２をそれぞれ赤外線ヒータ６から５ｍｍの間隔になるまで接近させる（Ｄ）。

なお、この接近は好ましくは３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で、３ｍｍ以下になると溶着面の焼けや加熱ムラが発生しやすく、１０ｍｍ以上になると加熱に時間がかかり、生産性が悪くなるので、実用的には３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲が実用的である。

６．赤外線ヒータ６は、部材Ａ、Ｂの溶着リブＡ−２、Ｂ−２が接近するまでに、適温まで加熱が到達するようにあらかじめ加熱開始タイミングが設定されていることにより、最小の消費電力で加熱が可能となる。

７．部材ＡとＢの溶着リブＡ−２、Ｂ−２が溶着温度に到達すると、赤外線ヒータ６への電流供給を停止し、上部受け台２側が上昇して赤外線ヒータ６から遠ざかる（Ｅ）。続いてヒータユニット９が水平方向に逃げると同時に駆動シリンダ１１が駆動してヒータシャッター７が赤外線ヒータ６上に戻される（Ｆ）。

８．赤外線ヒータ６が待機位置まで逃げると、上部駆動シリンダ４が駆動して上部受け台２が下部受け台１側に接近し（Ｇ）、図３（Ｂ）に示すように部材Ａの溶着リブＡ−２と部材Ｂの溶着リブＢ−２を嵌合させながら溶着面Ａ−１、Ｂ−１を圧着する。

９．この圧着により、図３（Ｃ）に示すように部材ＡとＢの溶着リブＡ−２、Ｂ−２が溶着１２し、溶着部からはみ出したバリ１３はバリ受け溝Ａ−３、Ｂ−３のバリ留め空間１４に収められる。このバリ留め空間１４の容積は溶着リブＡ−２、Ｂ−２の溶着代（つぶれ代）に対し１２０〜１５０％に設定するのが好ましく、本実施例では１３０％とした。
この溶着２９が終ると冷却エアーが図５（Ｈ）に示すノズル２３から噴出して溶着部が急冷され、部材ＡとＢは固定され、溶着が完了し、上下の受け台１、２は駆動シリンダ４，５により待機位置に戻る（Ｆ）。

１０． 以上が一連の溶着工程であって、上下の受け台１、２及びヒータユニット９の動作制御、赤外線ヒータ６の加熱制御、赤外線ヒータシャッター７の移動制御、ノズル２３からの冷却制御はコントローラ１９により行われる。

本実施例はパイプ状の端面同士の溶着としたが、赤外線ヒータ６を溶着部に合わせて形成可能であれば溶着部の形状に制限はなく、溶着面が曲面形状であっても何ら問題は無い。

また、赤外線ヒータ６の発熱容量を上げるためには本実施例のように、２重または３重のコイル状に重ねることが有効であり、溶着幅が広い場合は赤外線ヒータ６を並列に配置することも可能である。

本実施例では被溶着部材Ａ、Ｂを上下から突き合わせる縦型の装置としたが、被溶着部材Ａ、Ｂを左右から突き合わせる横型とし、赤外線ヒータユニット９を横方向または上下方向から接近させる装置とすること、または上下左右いずれかの斜め方向から突き合わせる方式とすることも可能である。

この場合、赤外線ヒータシャッター７は赤外線ヒータ６の垂直方向上側に設置することでゴミやホコリの付着を防止することが望ましい。

また、下部受け台１と上部受け台２は、本実施例では双方を上下に夫々駆動させているが、何れか一方のみが上昇又は下降して接近自在としても良い。

実験例

１．被溶着物Ａ、Ｂの材質
Ａ，Ｂ：ＰＡ６６ＣＦ３０ （ナイロン６６ カーボンフィラー３０％）
２．被溶着物の大きさ
Ａ，Ｂ：外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍ 高さ５０ｍｍ
３．溶着リブ φ ３５．０ｍｍ（外径φ３７mm 内径φ３３ｍｍ）
幅 ２．０ｍｍ
高さ １．０ｍｍ
４．バリ逃げ溝 溶着リブの両側に
幅 １．０ｍｍ
深さ ０．７ｍｍ
５．赤外線ヒータ６の寸法 φ３５ｍｍ３重巻（外径φ4０ｍｍ 内径φ３０ｍｍ）
発熱部ガラス管 φ５ｍｍ（カーボンヒータ内蔵）
６．赤外線ビータ６の温度 ９００〜９５０℃ （サーモグラフィによる測定）
７．溶着部の加熱時間 １２秒
８．強度試験方法
引張試験
測定器 引張試験機 ストログラフＶ10-Ｃ （東洋精機製作所製）
９．強度試験結果
引っ張り強度 Ｎ＝５の平均 １８．５Ｍｐａ

比較例

上記実験例と比較のため部材Ａ、部材Ｂを熱板に接触加熱して溶着したもので強度試験を行った。熱板の温度を２９０℃、加熱時間を7秒とした以外は同一条件である。

この時の強度は１４．５ＭＰａであった。実施例１との差の原因は、
ａ、部材Ａ、部材Ｂ共に熱板に接触した溶着面に溶融樹脂が付着して糸引きが発生。
ｂ、溶着を繰り返すに従って、熱板へ樹脂の付着量が増大すると共に、付着した樹脂に焼きつきが発生。
ｃ、前記付着樹脂により溶着を繰り返したときに加熱ムラが発生。
ｄ、溶着面に設けた溝Ａ−1、及びリブＢ−1の形状が熱板の離脱時に崩れ、このため溶着面が不揃いになり、溶着部の溶融樹脂が不足し、強度が落ちたと考えられる。

１ 下部受け台
２ 上部受け台
３ Ｏリング
４ 上部駆動シリンダ
５ 下部駆動シリンダ
６ 赤外線ヒータ
７ 赤外線ヒータシャッター
８ ヒータユニットフレーム
９ ヒータユニット
１０ ヒータユニット駆動シリンダ
１１ 赤外線ヒータシャッター駆動シリンダ
１２ 溶着部
１３ 溶着バリ
１４ バリ留め空間
１９ コントローラ
２０ 溶着装置
２１ 下部受冶具
２２ 上部受冶具
２３ ノズル

Claims (4)

1. ａ．下部受け台と上部受け台を同軸線上に配置すると共に下部受け台の上面に被溶着部材の一方を固定することができ、上部受け台の下面に被溶着部材のもう一方を固定することができ、更に下部受け台と上部受け台の間隔を任意に制御自在に構成して成る被溶着部材保持手段と、
   ｂ．前記被溶着部材保持手段の上下の受け台間に出入り自在のフレームに取り付けられた赤外線ヒータと、
   ｃ．前記赤外線ヒータの上部において、赤外線ヒータが赤外線発熱し、被溶着物を加熱している間は当該赤外線ヒータの上部から逃れ、加熱が終了し、被溶着物から赤外線ヒータが逃れている間は当該赤外線ヒータを上部から覆って当該赤外線ヒータを保護するシャッターと、
   ｄ．前記溶着部材保持手段の上下の受け台の間隔を制御し、かつ前記赤外線ヒータが上下の受け台に取り付けられた被溶着部材間に出入りするのを制御し、更に前記シャッターの出入りを制御し、更に前記赤外線ヒータの加熱温度を制御するコントローラと、
   ｅ．から成る赤外線ヒータを用いる熱溶着装置。
2. 前記コントローラにおいて、赤外線ヒータの加熱タイミングは、被溶着部材の溶着面が赤外線ヒータに近接するまでに、あらかじめ設定した温度に達するように制御することを特徴とする請求項１に記載の熱溶装置。
3. 前記赤外線ヒータは、被溶着部材の溶着面の形状に沿うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱溶着装置。
4. 前記赤外線ヒータは、被溶着部材の溶着面の鉛直方向を向いたコイル形状からなることを特徴とする請求項３に記載の熱溶着装置。
   

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