JP4942780B2 - カーボン射出成形のガス抜き用フィルタ - Google Patents

Description

この発明は、電磁誘導加熱が可能な炊飯釜などの調理器具に使用するカーボン凝結体の成形を行う金型の構造に係り、さらに詳しくは、カーボン粉粒と高炭素含有物質である結合材を主体とする成形材料を射出成形する際に、金型内の減圧排気に供するカーボン射出成形のガス抜き用フィルタに関する。

コンロや炊飯器などの電磁加熱調理器は、誘導加熱コイルからの渦電流により発熱する磁性金属と高熱伝導性のアルミニウムや銅などとを積層したクラッド材を鍋状に加工したもので、速やかな伝熱で均一加熱が得られるという特徴を有する。しかし、前記クラッド材は鍋や釜などの形状に加工することが困難で、表面をフッ素樹脂などの耐熱樹脂塗装面の各積層界面が剥離し易いという課題があった。

このため、従来の鉄やステンレスなどに代わる電磁誘導加熱の調理器の素材として、優れた導電性と誘電性に加え、高い熱伝導度を有しているカーボン凝結体の使用が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、棒柱状に加圧して凝縮させたカーボン圧縮体の切削加工物が紹介されており、カーボン素材が高温で使用する調理器具として有効であることを述べているものもある（例えば、特許文献２参照）。

上述の調理器具の製造方法によれば、コークスなどのカーボン粉粒をフェノールやピッチなどの高炭素含有物を結合材とした混合物の圧縮成形品を無酸素雰囲気下の１０００〜３０００℃で凝結させたカーボン圧縮体を得た後、任意の形状に切削加工したものである。しかし、カーボン圧縮体を任意形状に切削加工することは、切削の大半を占める容器の凹状部分の素材廃棄が多く、加工工数も大きい、という課題があった。

また、カーボン圧縮体に内在する欠陥を事前に検知することが困難なうえに、切削後に露出するなどして意匠、さらに発熱特性などの諸特性に悪影響を及ぼすことにもなる。

これらの課題を解決する手段として、カーボンの粉粒とフェノール樹脂の原料液やタールピッチなどの結合材との混合物である成形材料を金型内に注入して加圧して賦型した後、得られた成形品を焼成処理することにより、鍋状に成形されたカーボンの凝結体を得る手段が考案されている（例えば、特許文献３参照）。

しかし、電磁誘導加熱が可能な調理器具の必要とする特性である強度や電気伝導、熱伝導に優れる凝結体成形品を得るには結合材であるフェノール樹脂の含有量を少なくすることが肝要である。その反面、成形材料のフェノール樹脂含有量を少なくすると、カーボン粉粒の表面が十分に濡れずに凝集し易くなって流動性を喪失、未充填部分を形成し易くなる。このため、安定した射出成形を可能とする成形材料を得るには、カーボン粉粒の表面をフェノール樹脂などの結合材で十分に濡らし、見掛けの粘度を低下させ、流動性を向上させることが肝要となる。

しかし、結合材を多く添加した成形材料は、金型内での流動や硬化に伴う収縮などによって生じる内部応力が残存し易く、成形品の焼成段階に歪みの解放挙動が脆弱な部位であるウエルドや粗粒子が集合して粒子間の接着が不十分な状態に至る内層部分に残存した気泡を開始点とするクラックが発生し、さらにフェノール樹脂などの分解ガスが多く集合してフクレを発生させるという課題があった。

つまり、均質で高い物性を得るには、金型内にある空気などのガスを排出しながら成形材料の良好な流動状態を確保することが肝要で、溶融状態の結合材であるフェノール樹脂などの結合材と成形圧力の向上が必須である反面、射出成形時の硬化段階で金型内にある空気や結合材の硬化反応に伴う副生成物の各種ガスが充填の阻害や成形品への気泡の内在を促すことになる。このため、金型の合わせ面から成形時の圧力に応じてガスを排出するのみでは不十分であり、減圧排気を行うためのガス抜き孔を金型の最終充填位置に設ける必要があった。

射出圧力を高くしてカーボン粉粒同士が密接するようにしたことに加え、流動性向上を目的にフェノール樹脂などの結合材量を多くしたことにより発生する上記課題を解決するため、該成形材料の流出抑止の目的で金型に細孔を設けたり、微細気孔を備えたフィルターを設置して排気を促すことによって抑止する手段を用いていた。

例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子から成る多孔質フィルターを装着したタイヤ加硫成形用金型が提案されている。該多孔質フィルターは、１〜５μｍの微粒子を用い、粒子間の空隙率が４０％以上を有して成るものである（例えば、特許文献４参照）。

特開平９−７５２１１号公報 特開平９−７０３５２号公報 特開２００７−０４４２５７号公報 特開平１０−０４４１５４号公報

しかし、最終充填部分のガス抜き孔から成形材料が漏れないようにするため、これらフィルターに成形材料が含浸したことに伴う流動抵抗を利用して流出を抑止しているので、成形の都度にフィルターを交換することが求められるので、生産性の低下を余儀なくされていた。

一方、多孔体であるフィルターに圧縮力を付加して、保有する気孔を圧縮して無くすスポンジ状のものを用いることにより、成形材料の流出を阻止する手段もあるが、フィルターが備える気孔を潰すために要する応力負荷によって、フィルターの変形量が増して成形品の流動端末部分が受ける応力を緩和するので、粒子の密接や残留気泡の排除を阻害する結果を招くことになる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、成形品のガス抜き孔の近傍における部位であっても、緻密で平滑な外観を確保し、成形品の強度や熱伝導率を向上することができるカーボン射出成形のガス抜き用フィルタを提供する。

この発明に係るカーボン射出成形のガス抜き用フィルタは、カーボン粉粒と結合材が主体の混合物である成形材料を射出成形する金型の最終充填部分に配設されるカーボン射出成形のガス抜き孔用フィルタであって、
金型に接して保持される保持部と、金型に接しない胴部とを有し、外郭を形成するホルダーと、
胴部内に充填される粒状樹脂と、を備えたものである。

この発明に係るカーボン射出成形のガス抜き用フィルタは、カーボン粉粒と結合材が主体の混合物である成形材料を射出成形する金型の最終充填部分に配設されるカーボン射出成形のガス抜き孔用フィルタであって、金型に接して保持される保持部と、金型に接しない胴部とを有し、外郭を形成するホルダーと、胴部内に充填される粒状樹脂とを備えた構成にしたので、金型に成形材料が充填完了した際の圧力付加により、ガス抜き孔上部に配して軟化状態の粒状樹脂が変形して粒子間にある空隙を縮減、さらに閉塞して成形材料の排出を抑止できる効果を奏する。

実施の形態１を示す図で、ガス抜き孔用フィルタ１０を金型２に設置した状態を示す断面図。 実施の形態１を示す図で、金型２の開口部２ａ付近の要部断面図。 実施の形態１を示す図で、ガス抜き孔用フィルタ１０の断面図。 比較のために示す図で、従来のスポンジ状を成す発泡ウレタンなどの多孔体を充填したガス抜き孔用フィルタ２０の構造を示す断面図。

実施の形態１．
先ず、本実施の形態の概要を説明する。本実施の形態は、電磁誘導加熱が可能な調理器具に用いるカーボン凝結体成形品の製造に関するものである。成形材料のフェノール樹脂の未硬化物とカーボン粉粒との混合物を、加温した金型内に射出成形による加圧充填によって成形品を得る手段として、金型内底部に配して減圧状態に維持するため、成形材料の最終充填部分に位置するガス抜き孔用フィルタ（カーボン射出成形のガス抜き孔用フィルタ）の構造を適正化したものである。

ガス抜き孔用フィルタは、内部に直径が０．５〜３．０ｍｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂の粒状体を充填した構造を成して、成形材料の流出を防止するフィルターの役目を担う。

成形材料を充填しない無加圧の状態では、粒状樹脂間の空隙から排気を可能とするが、成形材料が金型内に充填して加圧された状態では金型温度と加圧力に応じて空隙を埋めるように変形して空隙が閉塞され、成形材料の流出を抑止する。

射出成形のような高粘度であっても高圧の押圧力であれば、小さい細孔や長い通過距離を用いて、外部流出の抑止には高強度の多孔質部材の使用が必須である。別の事例は、フィルターが備える気孔が変形して閉塞することによって流出を抑止していたが、変形の際に射出圧が放散し、成形品の外観や特性の低下を招いていた。

本実施の形態は、ガス抜き孔用フィルタが受ける受圧力による変形による空隙の閉塞による成形材料を排出抑止するフィルタ機能が発現できる。粒子の変形は金型に成形材料が充填完了した時の圧力において、僅かな変位を呈するのみで粒子間の空隙を閉塞するので、射出成形による金型内の圧力低下を抑制できる。

この結果、成形品のガス抜き孔近傍における部位であっても、射出成形による金型内圧力を十分に保持できるため、内部に残留する気泡を潰して微細化して緻密で平滑な外観を確保し、強度や熱伝導率が向上する特徴を備えることができる。

カーボン粉粒と結合材との混合物を原料として金型に充填する射出成形による炊飯器の内釜を成形する手段において、金型内に配して減圧排気に供するガス抜き孔用フィルタの構造と、その機構について、以下に詳述する。

図１乃至図３は実施の形態１を示す図で、図１はガス抜き孔用フィルタ１０を金型２に設置した状態を示す断面図、図２は金型２の開口部２ａ付近の要部断面図、図３はガス抜き孔用フィルタ１０の断面図である。

図４は比較のために示す図で、従来のスポンジ状を成す発泡ウレタンなどの多孔体５を充填したガス抜き孔用フィルタ２０の構造を示す断面図である。

石油コークスを無酸素状態で高温（約３０００℃）焼成によりグラファイト化した塊状物を、０．３ｍｍ以下に粉砕したカーボン粉粒と未硬化状態のフェノール樹脂とを混合したものを、成形材料として用いた。

次に、この成形材料を、約１６０℃に加熱した金型内に射出成形したのち、３分間の保持時間を経て硬化させたのち、炊飯器の内釜となる成形品を金型から取り出した。

得られた成形品は、無酸素状態で約１２００℃の雰囲気下に放置してフェノール樹脂を炭化させることによって、鍋状を成すカーボン凝結体成形品を得た。このとき、２５０℃程度の低温領域において、フェノール樹脂を完全に硬化させた後、さらなる高温領域では無酸素状態の雰囲気下で炭化させた。このとき、分解ガスが当該成形品から放散せずに内部に滞留して断層亀裂を発生して生じる局部的な膨れを防止するため、フェノール樹脂の分解が活発になって急激な重量減少を来す３５０℃、５００℃、８００℃の近傍では温度の緩い上昇または保持を行うことが有効である。

これら一連の内釜（鍋状を成すカーボン凝結体成形品）製造工程において、焼成工程でのクラックやフクレを抑制するうえで、金型内を成形材料が流動する際に金型内にある空気が負荷とならないように円滑に排出すること、また流動時に巻き込んだ空気を射出圧で潰すようにして微細化することが肝要であるため、減圧排気状態の金型内に成形材料を充填するようにした。

図１乃至図３により、金型２に設置されるガス抜き孔用フィルタ１０について説明する。ガス抜き孔用フィルタ１０は、射出した成形材料が最終充填する金型２の底面２ｂ部分の略中央に配して成り、金型内を減圧状態になる排気状態を維持する。

次いで、結合材が溶融して流動状態を呈した成形材料が金型内に射出する。金型内は減圧に維持されて成るので、残存する空気が圧縮されて流動の抵抗となることもなく、最終充填部分にあるガス抜き孔用フィルタ１０に到達する。

ガス抜き孔用フィルタ１０は、金型２の底面２ｂの略中央に形成される開口部２ａに設置される。

図３に示すように、ガス抜き孔用フィルタ１０は、ホルダー３が外郭を形成する。ホルダー３は、胴部３ａと保持部３ｂとを有する。

保持部３ｂは、内部がハニカム構造の排気孔７をなし、金型２に接して固定されている。保持部３ｂの外径は、一例では８ｍｍである。保持部３ｂは、高熱伝導性金属で構成される。

図１に示すように、ガス抜き孔用フィルタ１０の下部を構成する胴部３ａは、金型２と接することなしに保持されている。胴部３ａと金型２の間に、１．０〜２．５ｍｍの空隙４を設けて配設される。内部には直径が０．５〜１．０ｍｍで、軟化点が１５５℃である粒状樹脂６が充填されて成る。胴部３ａは保持部３ｂよりも、熱伝導性が低い低熱伝導性物質で構成される。

金型に設置されたガス抜き孔用フィルタ１０は、それに接続した減圧装置（図示せず）を用いて減圧排気をしているが、金型２を開放している時は外気がガス抜き孔用フィルタ１０を通り抜けて冷却効果を生むことになる。従って、金型２に固定して成るガス抜き孔用フィルタ１０の保持部３ｂは伝熱されて金型温度近傍に達するが、胴部３ａはそれより約１５℃も低い温度に止まる。

この状態で金型２を閉塞して内部を減圧状態に保持した状態になったら、成形材料を射出して金型２内に充填した。この段階で、内部に充填されて保持部３ｂ近傍に位置する粒状樹脂６の温度は金型２の温度近傍に達するが、胴部３ａにある粒状樹脂６は十分に低い温度で保持されている。

射出された成形材料は、金型２内の空隙を充填しながら最終充填位置にあるガス抜き孔用フィルタ１０に達する。成形材料は、電磁誘導加熱による発熱効率と伝熱に優れる特性を具備する必要があるため、カーボン粉粒と混合する結合材であるフェノール樹脂などの溶融する物質の添加量は２０〜３５％程度である。この結果、成形材料は極めて高い粘度を備えるとともに、流動過程で加温されて金型２の温度に近い温度状態になる。

成形材料が到達したガス抜き孔用フィルタ１０の内部に充填した粒状樹脂６は、成形材料の射出圧を受けて保持部３ｂの近傍に位置する粒状樹脂６が変形して、粒子間にある空隙を閉塞することになる。反面、胴部３ａにある粒状樹脂６は軟化点に達していないので、その態様を維持して変形を最小限に止めることができる。

また、上述の粒状樹脂６は、高粘度のポリプロピレンに４０ｗｔ％のパルプ繊維を混合、均一分散させた複合体の粒状加工品であり、金型温度近傍の軟化点を備えるとともに、粘度が極めて高いチクソ性を備えて成ることから、軟化しても変形するのみで流動に至ることはない。従って、胴部３ａにある粒状樹脂６が軟化点を超えない条件を維持していれば、流動すること無しに胴部３ａ内に止まるので粒子間にある空隙を成形材料が通過することがない。

上述したガス抜き孔用フィルタ１０を成形材料の最終充填部分となる金型２内に配した状態で、炊飯器の内釜が備える開口部の外周部分に設けたゲート部から、カーボン粉粒と未硬化状態のフェノール樹脂とを混練した成形材料を金型内に射出して、金型の合わせ面から成形材料が僅かに漏れ出す程度の過剰充填を行い、ガス抜き孔用フィルタ１０からの成形材料の漏れ状態と、得られた成形品のガス抜き孔周辺の外観状態を観察した。

その結果、図４に示す従来のスポンジ状を成す発泡ウレタンなどの多孔体５を充填したガス抜き孔用フィルタ２０の場合、多孔体５が備える直径が約０．１ｍｍの気孔内に成形材料の含浸が見られるものの、多孔体５を保持する金型２の開口部２ａと接する外周部分に空隙を形成し、該隙間から減圧排気の配管経路に流出しているのを確認した。

これに対し、図１乃至図３に示す本実施の形態の構造を成すガス抜き孔用フィルタ１０によれば、ホルダー３上部の保持部３ｂ近傍にある粒状樹脂６が成形材料の過剰充填に伴う加圧によって軟化点近傍に加温されて変形し、ホルダー３と接する金型２の外周部分に圧接するとともに粒子間にある空隙を縮減したので、成形材料の流路を遮断して漏れを抑止していることを確認した。

また、ホルダー３下部の胴部にある粒状樹脂６は、軟化点より有意に低いことから殆ど変形せず、保持部３ｂ近傍で変形に供した粒状樹脂６を支えていた。

従来のガス抜き孔用フィルタ２０にあるスポンジ状の多孔体５は、元の厚さが１０ｍｍから２ｍｍにまで圧縮されていたのに対して、本実施の形態の構造を成すガス抜き孔用フィルタ１０では、１ｍｍ以下の陥没に止まっていたことを確認した。

この結果、従来のガス抜き孔用フィルタ２０近傍には多くの気泡が表面に残留してあばた状を成して光沢も無い状態であったが、本実施の形態によるガス抜き孔用フィルタ１０の近傍には他の部位との差異のない光沢を備えた平滑な外観を備えていることを確認した。

本実施の形態によるガス抜き孔用フィルタ１０は、成形の都度フィルタ全体を交換する必要がなくなる。成形材料が残留する保持部３ｂ及び軟化点近傍に加温されて変形した保持部３ｂ近傍の一部の粒状樹脂６を交換するだけでよい。

なお、ここでは粒状樹脂６に、高粘度ＰＰにパルプ繊維を複合化したものを用いたが、これに代えて、ＰＳ（ポリスチレン）やＡＢＳ樹脂（アクロル二トリル・ブタジエン・スチレン）を用いても良く、また、パルプ繊維に代えてガラス繊維やロックウールを解繊して得た繊維を用いても、同様の効果を得ることが出来るので、代替が可能である。

２ 金型、２ａ 開口部、２ｂ 底面、３ ホルダー、３ａ 胴部、３ｂ 保持部、４ 空隙、５ 多孔体、６ 粒状樹脂、７ 排気孔、１０ ガス抜き孔用フィルタ、２０ ガス抜き孔用フィルタ。

Claims (4)

1. カーボン粉粒と結合材との混合物を成形材料として金型に充填する射出成形の工程で、前記金型における前記成形材料の最終充填部分に設けられた開口部に取り付けて使用されるカーボン射出成形のガス抜き孔用フィルタであって、
   内部が排気孔をなし前記金型に接して保持される保持部と、前記金型に接しない胴部とを有し、外郭を形成するホルダーと、
   軟化点が所定温度近傍であり、前記胴部内に充填される粒状樹脂と、を備え、
   前記金型が前記所定温度に加熱された状態で、前記金型に前記成形材料が充填され、前記開口部に取り付けられた前記ガス抜き孔用フィルタに前記成形材料が達すると、前記粒状樹脂のうち、前記保持部の近傍に位置する粒状樹脂のみが、当該粒状樹脂を構成する粒子間の空隙を閉塞するように変形することを特徴とするカーボン射出成形のガス抜き用フィルタ。
2. 前記胴部が、前記保持部の下方に固定されて保持されることを特徴とする請求項１に記載のカーボン射出成形のガス抜き用フィルタ。
3. 前記胴部が、前記保持部よりも熱伝導性が低い物質で構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のカーボン射出成形のガス抜き用フィルタ。
4. 前記排気孔が、ハニカム構造の排気孔であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のカーボン射出成形のガス抜き用フィルタ。

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