JP6800569B2 - 金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車部品としてのシリンダヘッド等の金属製品を急速かつ均一に加熱するための金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置に関する。

一般に、金属製品の加熱には電気ヒータによる加熱装置や熱風加熱装置が知られているが、金属製品の温度が１００〜５００℃に達するまでに数時間を要するという欠点があった。そのような欠点を解消するために、赤外線加熱装置、ＩＨ加熱装置等が知られており、それらの加熱装置を使用すれば加熱時間を数分程度に短縮することができる。しかし、これらの加熱装置では、金属製品全体を、温度むらを生じることなく均一に加熱することが困難であった。そこで、過熱水蒸気を使用した加熱装置が提案されている。

この種の過熱水蒸気を使用した加熱装置として、特許文献１には過熱水蒸気乾燥装置が開示されている。この過熱水蒸気乾燥装置は、ボイラ装置と、該ボイラ装置からの水蒸気を過熱するヒータ装置と、電着塗装を施したワークを乾燥するオーブン装置と、ヒータ装置からオーブン装置に送られる気体の温度を調整する温度調整部と、ボイラ装置からヒータ装置に送られる水蒸気量調整部とを備えている。この過熱水蒸気乾燥装置によれば、ボイラ装置からヒータ装置に送られる水蒸気の量が調整された上でヒータ装置はオーブン装置に過熱水蒸気を送り込むため、ワークを好適な状態に乾燥することができる。

特開２０１１−８０６５８号公報

前述した特許文献１に記載されている従来構成の過熱水蒸気乾燥装置においては、過熱水蒸気によりワークを加熱してワークが１００℃に達すると、ワーク表面に過熱水蒸気による水滴（ドレン）が付着する。このため、ワーク表面のドレンが蒸発するまでワーク表面の温度は１００℃に保持され、それ以上の温度上昇には時間を要する。従って、ワークの急速な温度上昇を図り、ワークを迅速に乾燥することができないという問題があった。

そこで、本発明の目的とするところは、金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料を均一かつ急速に加熱することができる金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の金属製品の加熱装置は、金属製品を加熱する装置本体には、金属製品に過熱水蒸気を供給する過熱水蒸気供給機構と、金属製品に熱風を供給する熱風供給機構と、電気ヒータの輻射熱で金属製品を加熱するヒータ機構と、装置本体のもつ蓄熱で金属製品を加熱する蓄熱機構とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明の金属製品の加熱装置は、請求項１に係る発明において、前記金属製品の加熱初期には過熱水蒸気供給機構を稼働させて過熱水蒸気を供給し、途中で過熱水蒸気供給機構を停止し、熱風供給機構を稼働させて熱風を供給するように切り替える切替機構を備える。

請求項３に記載の発明の金属製品の加熱装置は、請求項２に係る発明において、前記切替機構は、予め過熱水蒸気供給機構により過熱水蒸気のみを金属製品に供給して測定した加熱時間と金属製品表面の温度との関係における温度勾配と、熱風供給機構により熱風のみを金属製品に供給して測定した加熱時間と金属製品表面の温度との関係における温度勾配とが一致する温度勾配に達したとき、過熱水蒸気供給機構を停止し、熱風供給機構を稼働させるように構成されている。

請求項４に記載の発明の金属製品の加熱装置は、請求項１から請求項３のいずれか一項に係る発明において、前記過熱水蒸気供給機構を構成する過熱水蒸気吹き出し用のノズルと、熱風供給機構を構成する熱風吹き出し用のノズルとを共用した。

請求項５に記載の発明の金属製品の加熱装置は、請求項１から請求項４のいずれか一項に係る発明において、前記装置本体には、金属製品に対向して配置され、過熱水蒸気又は熱風を反射させて金属製品に吹付ける反射板を備える。

請求項６に記載の発明の金属製品の加熱装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に係る発明において、前記過熱水蒸気供給機構を構成する過熱水蒸気吹き出し用のノズルを、その吹き出し方向を変更可能に構成し、過熱水蒸気を金属製品の肉厚部又は孔部に向けて吹付け可能に構成した。

請求項７に記載の発明の金属製品の加熱装置は、請求項１から請求項６のいずれか一項に係る発明において、前記装置本体には、空気を金属製品に吹付けて金属製品の表面に乱流を生じさせる乱流生成機構を備える。

請求項８に記載の発明の金属製品の加熱装置は、請求項１から請求項７のいずれか一項に係る発明において、前記装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速は、０．０５〜２ｍ／秒である。

本発明の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置によれば、金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料を均一かつ急速に加熱することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態における加熱装置の全体構成を示す概略正面図。 （ａ）は加熱装置を示す概略平面図、（ｂ）は加熱装置を示す概略右側面図。 加熱装置の筒体を示す図であって、（ａ）は筒体を示す概略側面図、（ｂ）は（ａ）の３ｂ−３ｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）の３ｃ−３ｃ線における断面図、（ｄ）は（ａ）の３ｄ−３ｄ線における断面図及び（ｅ）は（ａ）の３ｅ−３ｅ線における断面図。 加熱装置の切替機構を示す概略斜視図。 過熱水蒸気又は熱風の吹き出し用のノズル、シリンダヘッド及び反射板を示す斜視図。 反射板の作用を示す図であって、筒体内部を示す断面図。 第１実施形態における加熱時間（秒）とシリンダヘッド表面の温度（℃）との関係を示すグラフ。 第２実施形態における加熱装置を示す図であって、（ａ）は金属製品であるインサートを加熱装置の筒体内に挿入する前の状態を示す断面図、（ｂ）はインサートを筒体内に挿入する直前の状態を示す断面図及び（ｃ）はインサートを筒体内に配置して過熱水蒸気を吹付ける状態を示す断面図。 （ａ）は過熱水蒸気又は熱風吹き出し用のノズルを有するノズル用筒体を示す斜視図及び（ｂ）はインサートを示す斜視図。 第２実施形態における加熱時間（秒）とインサート表面の温度（℃）との関係を示すグラフ。 第３実施形態における加熱装置とその両側方に位置する金属製品としての金型を示す概略斜視図。 加熱装置を示す断面図。 （ａ）は加熱装置を示す平面図、（ｂ）は加熱装置を示す左側面図及び（ｃ）は加熱装置を示す右側面図。 第３実施形態における加熱時間（秒）と金型表面の温度（℃）との関係を示すグラフ。 本発明の別例を示す図であって、金属製品に空気を吹付けるための空気供給配管及び吹き出し部を模式的に示す斜視図。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図７に基づいて詳細に説明する。
この第１実施形態では、金属製品として自動車部品であるシリンダヘッドを加熱する加熱装置について説明する。

図１及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように、加熱装置１０の装置本体を構成する筒体１１は頂壁１２、底壁１３及び両側壁１４により四角筒状に形成され、底壁１３に固定された支持レール１５上に金属製品としてのシリンダヘッド１６が載置されている。該支持レール１５は、筒体１１の両開口部から両側方へ延び、シリンダヘッド１６を筒体１１内へ案内するとともに、筒体１１内から加熱されたシリンダヘッド１６を案内して取り出すようになっている。シリンダヘッド１６はアルミニウム製で、加熱装置１０により約５００℃まで加熱された後に冷却される。

前記加熱装置１０上部の支持枠１７には、装置本体を構成するシャッター１８がエアシリンダ１９によって上下動可能に支持され、筒体１１の両開口部を開閉可能にしている。筒体１１の両開口部側の支持枠１７には押えシリンダ２０が固定され、シャッター１８が筒体１１の両開口部を覆った状態で、両シャッター１８の外方からシャッター１８を筒体１１に押え付けて筒体１１内を密閉できるように構成されている。従って、装置本体は前記筒体１１とシャッター１８とにより構成され、その内部に密閉空間が形成される。

図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、前記筒体１１の頂壁１２及び底壁１３には、それぞれ複数（各４つ）の過熱水蒸気又は熱風吹き出し用のノズル２１が筒体１１内に向けて突設されている。図３（ａ）、（ｂ）及び（ｅ）に示すように、筒体１１の両側壁１４には、上下２段にそれぞれ複数（各７つ）の過熱水蒸気又は熱風吹き出し用のノズル２１が筒体１１内に向けて突設され、筒体１１内のシリンダヘッド１６を過熱水蒸気又は熱風で加熱するようになっている。このように、過熱水蒸気吹き出し用のノズル２１と熱風吹き出し用のノズル２１とは共用されている。なお、両側壁１４にはこれらのノズル２１に過熱水蒸気又は熱風を供給する給気通路２２が設けられるとともに、頂壁１２及び底壁１３には装置本体内の高温流体の一部を排気する排気通路２３が形成されている。

図３（ｄ）及び（ｅ）に示すように、筒体１１の頂壁１２、底壁１３及び両側壁１４には、それぞれ温度センサ２４が筒体１１内に突出形成され、装置本体内の温度を検出し、装置本体内の温度調整を行うようになっている。なお、シリンダヘッド１６表面の複数箇所には図示しない熱電対が配置され、シリンダヘッド１６表面の温度を測定できるようになっている。

図１及び図２（ｂ）に示すように、前記筒体１１の下方位置には、複数の過熱水蒸気タンク２５と、複数の熱風タンク２６とが配置されている。過熱水蒸気タンク２５では飽和水蒸気が図示しないヒータで加熱されて形成された過熱水蒸気が収容され、熱風タンク２６では常温の空気が図示しないヒータで加熱されて形成された熱風が収容されている。

前記過熱水蒸気タンク２５、給気通路２２、ノズル２１等により過熱水蒸気供給機構が構成され、熱風タンク２６、給気通路２２、ノズル２１等により熱風供給機構が構成されている。

図４に示すように、過熱水蒸気タンク２５に接続された過熱水蒸気配管２７と熱風タンク２６に接続された熱風配管２８とが切替機構を構成する切替コック２９を介して、連結配管３０に接続されている。この連結配管３０が前記過熱水蒸気又は熱風吹き出し用のノズル２１に接続されている。そして、切替コック２９を切替操作することにより、ノズル２１から過熱水蒸気又は熱風を装置本体内に吹き出すようになっている。

そして、例えばシリンダヘッド１６の加熱初期には過熱水蒸気供給機構を稼働させてノズル２１から過熱水蒸気を吹き出し、その後切替コック２９を切替操作し、過熱水蒸気供給機構を停止して熱風供給機構に切替え、ノズル２１から熱風を吹き出すようになっている。

この過熱水蒸気から熱風への切替は、予め過熱水蒸気供給機構により過熱水蒸気のみをシリンダヘッド１６に供給して測定した加熱時間とシリンダヘッド１６表面の温度との関係における温度勾配と、熱風供給機構により熱風のみをシリンダヘッド１６に供給して測定した加熱時間とシリンダヘッド１６表面の温度との関係における温度勾配とが一致する温度勾配に達したとき、過熱水蒸気供給機構を停止し、熱風供給機構を稼働させることが最も好ましい。

図５の二点鎖線に示すように、前記ノズル２１は、その吹き出し方向が変更可能に構成され、過熱水蒸気又は熱風をシリンダヘッド１６の例えば肉厚部又は孔部に向けて吹付け可能になっている。

図３（ａ）に示すように、筒体１１の頂壁１２及び底壁１３には、ヒータ機構を構成する各々１２本ずつのシーズヒータ３１及び両側壁１４には各々６本ずつのシーズヒータ３１が筒体１１内に突出形成され、筒体１１内のシリンダヘッド１６を輻射熱により加熱するようになっている。

図３（ａ）及び図５に示すように、筒体１１内の頂壁１２には半円筒状をなす一対の反射板３２が、各円弧の内側がシリンダヘッド１６に対向するように支持されている。また、筒体１１内の底壁１３には半円筒状をなす一対の反射板３２が、各円弧の内側がシリンダヘッド１６に対向するように支持されている。そして、図６の二点鎖線に示すように、前記ノズル２１から吹き出された過熱水蒸気又は熱風がシリンダヘッド１６に当たった後、頂壁１２側の反射板３２に当たって再びシリンダヘッド１６の上面に向けて吹付けられるとともに、底壁１３側の反射板３２に当たって再びシリンダヘッド１６の下面に向けて吹付けられるように構成されている。

前記頂壁１２、底壁１３、両側壁１４及び両シャッター１８で構成される装置本体が蓄熱機構を構成し、過熱水蒸気、熱風及びシーズヒータ３１に基づく輻射熱によって加熱されて装置本体に蓄熱され、その蓄熱によっても装置本体内のシリンダヘッド１６を加熱するようになっている。

次に、前記のように構成された第１実施形態におけるシリンダヘッド１６の加熱装置１０について作用を説明する。
さて、シリンダヘッド１６を加熱する場合には、筒体１１の入口側のシャッター１８を解放した状態で、図２（ａ）の二点鎖線に示すように、支持レール１５上にシリンダヘッド１６を載せ、図２（ｂ）に示すように筒体１１内へ案内する。その後、筒体１１の入口側のシャッター１８を閉め、装置本体内を密閉状態にする。

図４の一点鎖線に示すように、切替コック２９を回動させ、過熱水蒸気配管２７が連結配管３０に連通し、熱風配管２８が連結配管３０に連通しないように遮断する。図３（ａ）及び図４に示すように、その状態で過熱水蒸気が過熱水蒸気配管２７及び連結配管３０から筒体１１の頂壁１２、底壁１３及び両側壁１４のノズル２１へ送られ、シリンダヘッド１６に向けて吹き出される。

このとき、過熱水蒸気は１００℃近傍に到るまではその性質に基づく凝縮伝熱によりシリンダヘッド１６を急速に昇温させることができるとともに、過熱水蒸気はシリンダヘッド１６の隅々まで速やかに行き渡る。従って、シリンダヘッド１６を短時間に、しかもシリンダヘッド１６全体に渡って加熱することができる。

加えて、図５に示すように、シリンダヘッド１６の上方位置及び下方位置には半円筒状をなす各一対の反射板３２が配置されている。このため、図６の二点鎖線に示すように、ノズル２１から吹き出された過熱水蒸気はシリンダヘッド１６に当たった後各反射板３２に当たり、反射板３２の内面に沿って流れ、再びシリンダヘッド１６に当たる。従って、過熱水蒸気を有効に利用でき、過熱水蒸気によるシリンダヘッド１６の加熱効率を一層高めることができる。

また、図３（ａ）に示すように、筒体１１内の頂壁１２、底壁１３及び両側壁１４には多数のシーズヒータ３１が配置され、それらのシーズヒータ３１から発せられる輻射熱によってシリンダヘッド１６が上下左右から加熱される。

続いて、シリンダヘッド１６表面の温度が１００℃近傍に達すると、過熱水蒸気の凝縮が始まり、シリンダヘッド１６表面に水滴（ドレン）が生成し、その水滴が蒸発するまでシリンダヘッド１６表面の温度が上昇しなくなる。このため、そのような状態に到る直前に、図４の二点鎖線に示すように、切替コック２９を回動させ、熱風配管２８が連結配管３０に連通し、過熱水蒸気配管２７が連結配管３０に連通しないように遮断する。すると、図３（ａ）に示すように、熱風が筒体１１の頂壁１２、底壁１３及び両側壁１４のノズル２１からシリンダヘッド１６に向けて吹き出される。

図７に示すように、前記切替コック２９の切替操作は、予め過熱水蒸気供給機構により過熱水蒸気のみをシリンダヘッド１６に供給して測定した加熱時間（秒）とシリンダヘッド１６表面の温度（℃）との関係における温度勾配γと、熱風供給機構により熱風のみをシリンダヘッド１６に供給して測定した加熱時間（秒）とシリンダヘッド１６表面の温度（℃）との関係における温度勾配βとが一致する同一温度勾配αに達したときに行われる。このため、シリンダヘッド１６表面に水滴の生成が微量ですみ、シリンダヘッド１６表面の温度が連続的に上昇し、シリンダヘッド１６を短時間のうちに加熱することができる。

その上、頂壁１２、底壁１３、両側壁１４及びシャッター１８で構成される装置本体は、前記過熱水蒸気、熱風及びシーズヒータ３１による輻射熱で加熱され、その装置本体の蓄熱によってシリンダヘッド１６が加熱される。従って、シリンダヘッド１６には過熱水蒸気、熱風、シーズヒータ３１に基づく輻射熱及び装置本体による蓄熱が相俟って作用し、シリンダヘッド１６は全体にわたって迅速に加熱される。

ここで、第１実施形態における加熱時間とシリンダヘッド１６表面の温度との関係を測定した。
（加熱条件）
過熱水蒸気又は熱風の流量：１２００Ｌ／分、ノズル２１（内径６ｍｍ、ノズル２１の数２２）からの過熱水蒸気又は熱風の流速：３２ｍ／秒、過熱水蒸気の温度：３９０℃、熱風の温度３９０℃、シーズヒータ３１の温度：３９０℃、装置本体の容積：０．０９１ｍ^３
上記加熱条件下にシリンダヘッド１６を加熱したときの加熱時間（秒）とシリンダヘッド１６表面の温度（℃）との関係を測定し、その結果を図７に示した。図７中の一点鎖線は過熱水蒸気のみを供給したときの温度曲線、破線は熱風のみを供給したときの温度曲線及び実線は過熱水蒸気から熱風に切替えたときの温度曲線である。

図７に示した結果から、過熱水蒸気のみを供給したときの温度勾配γと熱風のみを供給したときの温度勾配βとが一致した同一温度勾配αで過熱水蒸気から熱風に切替えた場合には、過熱水蒸気のみを供給した場合や熱風のみを供給した場合に比べて、シリンダヘッド１６表面の温度が高く、温度変化の上昇が滑らかであった。

また、前記ノズル２１とシリンダヘッド１６との距離は７０〜９０ｍｍ、シーズヒータ３１とシリンダヘッド１６との距離は１０〜２０ｍｍであるとともに、装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速は０．１ｍ／秒であった。このような加熱条件と前述した加熱条件とによってシリンダヘッド１６の加熱効率を高くすることができる。特に、装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速を０．１ｍ／秒に維持することにより、シリンダヘッド１６表面において過熱水蒸気又は熱風の適切な流れを得ることができ、シリンダヘッド１６を連続的に昇温させることができる。従って、過熱水蒸気のみ又は熱風のみでシリンダヘッド１６を加熱する場合に比べて装置本体を小型化することができる。

以上の第１実施形態により発揮される効果を以下にまとめて記載する。
（１）この第１実施形態の加熱装置１０において、装置本体には過熱水蒸気供給機構と、熱風供給機構と、ヒータ機構と、蓄熱機構とを備えている。このため、過熱水蒸気供給機構による過熱水蒸気の凝縮伝熱効果によりシリンダヘッド１６全体を迅速に加熱でき、熱風供給機構による熱風によりシリンダヘッド１６表面の水滴を蒸発させながら加熱を促進し、ヒータ機構による輻射熱と蓄熱機構による装置本体の蓄熱でシリンダヘッド１６の加熱を加速させることができる。

従って、第１実施形態の金属製品の加熱装置１０によれば、シリンダヘッド１６を均一かつ急速に加熱することができる。
（２）前記シリンダヘッド１６の加熱初期には過熱水蒸気供給機構を稼働させ、途中で過熱水蒸気供給機構を停止し、熱風供給機構を稼働させるように切り替える切替機構が設けられている。このため、過熱水蒸気の凝縮による水滴の生成を抑え、シリンダヘッド１６を一層迅速に加熱することができる。

（３）前記切替機構は、予め過熱水蒸気供給機構により過熱水蒸気のみをシリンダヘッド１６に供給して測定した温度勾配γと、熱風供給機構により熱風のみをシリンダヘッド１６に供給して測定した温度勾配βとが一致する同一温度勾配αに達したとき、過熱水蒸気供給機構を停止し、熱風供給機構を稼働させるように構成されている。従って、温度上昇の低下を招くことなく、シリンダヘッド１６を最も有効に加熱することができる。

（４）前記過熱水蒸気供給機構を構成する過熱水蒸気吹き出し用のノズル２１と、熱風供給機構を構成する熱風吹き出し用のノズル２１とは共用されている。そのため、ノズル２１を単一にすることができて加熱装置１０の構成を簡易にすることができる。

（５）前記装置本体には、シリンダヘッド１６に対向して配置され、過熱水蒸気又は熱風を反射させてシリンダヘッド１６に吹付ける反射板３２が設けられている。このため、シリンダヘッド１６に当たった過熱水蒸気又は熱風を反射板３２で反射させて再度シリンダヘッド１６に吹付けることができて、熱の有効利用を図ることができ、シリンダヘッド１６の加熱効率を向上させることができる。

（６）前記過熱水蒸気供給機構を構成する過熱水蒸気吹き出し用のノズル２１は、その吹き出し方向が変更可能に構成されている。そのため、過熱水蒸気をシリンダヘッド１６の肉厚部や孔部に向けて吹付けることができ、シリンダヘッド１６全体の昇温効果を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図８〜図１０に基づいて説明する。なお、この第２実施形態においては、主に前記第１実施形態と相違する部分について説明する。

図８（ａ）に示すように、装置本体としての筒体１１は、周壁１４１と頂壁１２とにより有蓋円筒状に形成されている。該筒体１１の頂壁１２内面の中心位置には図９（ａ）に示す有底円筒状のノズル用筒体３３が、その開口部が頂壁１２の貫通孔３４に連通させて固定されている。このノズル用筒体３３には、周方向に９０°間隔をおいてかつ上下方向に一定間隔で過熱水蒸気又は熱風のノズル２１が多数形成されている。筒体１１の頂壁１２外面の中心位置には、有蓋円筒状の供給筒３５が接合され、該供給筒３５の周壁部３５１の一部には導入筒３６が接続されている。

そして、図８（ｃ）の矢印に示すように、過熱水蒸気又は熱風が導入筒３６から供給筒３５内に導入され、筒体１１の貫通孔３４からノズル用筒体３３内に供給され、ノズル２１から吹出されるように構成されている。

前記供給筒３５の上壁３５２の中心位置にはシーズヒータ３１が貫通状態で支持され、シーズヒータ３１の先端部はノズル用筒体３３内の下部まで延びている。そして、シーズヒータ３１の輻射熱がノズル用筒体３３のノズル２１から外部へ導かれるように構成されている。

一方、図８（ａ）に示すように、筒体１１の底壁１３上に固定された保持部材３７には、図９（ｂ）に示すような金属製品としての円筒状のスリーブ３８が支持されている。このスリーブ３８は、アルミニウムダイカスト製のエンジン部品である。

そして、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、筒体１１の底壁１３を上昇させて周壁１４１の下面に当接させたとき、スリーブ３８が前記ノズル用筒体３３の外周に一定間隔をおいて配置されるようになっている。前記筒体１１の頂壁１２、周壁１４１及び底壁１３によって装置本体が構成され、その装置本体内が密閉空間となっている。

さて、スリーブ３８を加熱する場合には、図８（ａ）に示すように、スリーブ３８を筒体１１の底壁１３の保持部材３７にセットする。次いで、図８（ｂ）に示すように、底壁１３を真直ぐ上昇させ、スリーブ３８をノズル用筒体３３に嵌挿する。図８（ｃ）に示すように、筒体１１の底壁１３を周壁１４１の下面に当接させ、筒体１１内を密閉状態にする。その状態で、図８（ｃ）の矢印に示すように、過熱水蒸気を導入筒３６から導入し、供給筒３５及びノズル用筒体３３を経てノズル２１から筒体１１内へ吹き出すと、過熱水蒸気はスリーブ３８の内周面に当たって上昇又は下降し、スリーブ３８の外周面へと流れる。このため、スリーブ３８を過熱水蒸気により内周面及び外周面の双方からスリーブ３８全体を速やかに加熱することができる。

そして、過熱水蒸気から熱風への切替は、予め過熱水蒸気供給機構により過熱水蒸気のみをスリーブ３８に供給して測定した加熱時間とスリーブ３８表面の温度との関係における温度勾配と、熱風供給機構により熱風のみをスリーブ３８に供給して測定した加熱時間とスリーブ３８表面の温度との関係における温度勾配とが一致する温度勾配に達したときに行われる。

加えて、ノズル用筒体３３内に配置されたシーズヒータ３１に基づく輻射熱と装置本体の蓄熱とにより、スリーブ３８が加熱される。
従って、この第２実施形態によれば、スリーブ３８表面に水滴の生成が微量ですみ、スリーブ３８表面の温度を連続的に上昇させることができ、スリーブ３８を短時間のうちに加熱することができる。

ここで、第２実施形態における加熱時間とスリーブ３８表面の温度との関係を測定した。
（加熱条件）
過熱水蒸気又は熱風の流量：１２００Ｌ／分、ノズル２１（内径５ｍｍ、ノズル２１の数２４）からの過熱水蒸気又は熱風の流速：４２ｍ／秒、過熱水蒸気の温度：３９０℃、熱風の温度３９０℃、シーズヒータ３１の温度：３９０℃、筒体１１の容積：０．００１７ｍ^３
上記加熱条件下にスリーブ３８を加熱したときの加熱時間（秒）とスリーブ３８表面の温度（℃）との関係を測定し、その結果を図１０に示した。図１０中の一点鎖線は過熱水蒸気のみを供給したときの温度曲線、破線は熱風のみを供給したときの温度曲線及び実線は過熱水蒸気から熱風に切替えたときの温度曲線である。

図１０に示した結果から、過熱水蒸気のみを供給したときの温度勾配γと熱風のみを供給したときの温度勾配βとが一致した同一温度勾配αで過熱水蒸気から熱風に切替えた場合には、過熱水蒸気のみを供給した場合や熱風のみを供給した場合に比べて、スリーブ３８表面の温度を高く維持でき、温度変化の上昇が滑らかであった。

また、前記ノズル２１とスリーブ３８との距離は１０ｍｍ、シーズヒータ３１とスリーブ３８との距離は３０ｍｍであるとともに、装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速は１ｍ／秒であった。このような加熱条件と前述の加熱条件とによってスリーブ３８の加熱効率を高くすることができる。特に、装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速を１ｍ／秒に維持することにより、スリーブ３８表面において過熱水蒸気又は熱風の適切な流れを得ることができ、スリーブ３８を速やかに昇温させることができる。従って、過熱水蒸気のみ又は熱風のみでスリーブ３８を加熱する場合に比べて装置本体を小型化することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図１１〜図１４に基づいて説明する。なお、この第３実施形態においても、主に前記第１実施形態と相違する部分について説明する。

図１１に示すように、この第３実施形態の加熱装置１０は、金属製品としての２つの金型３９、４０が開口部を有する両側面に密接されることにより加熱されるように構成されている。これらの金型３９、４０はアルミニウム製で、樹脂成形用金型、ダイカスト用金型等として使用される。図１２及び図１３（ａ）に示すように、装置本体としての筒体１１は四角筒状に形成され、頂壁１２及び底壁１３にはそれぞれ一対の過熱水蒸気又は熱風吹き出し用のノズル２１が固着されている。これらのノズル２１から過熱水蒸気又は熱風が筒体１１内に吹き出されるようになっている。

図１２及び図１３（ｂ）に示すように、筒体１１の両側壁１４間には、複数本のシーズヒータ３１が架設され、輻射熱によって装置本体内を加熱するように構成されている。図１２及び図１３（ｃ）に示すように、前記各シーズヒータ３１の端部にはリード線４１が接続され、それらのリード線４１が束ねられて接続端子４３に接続されている。

図１１及び図１２に示すように、筒体１１の開口部を有する両側面に２つの金型３９、４０が密接されることによって装置本体内が密閉され、その密閉空間内が加熱されることにより、両金型３９、４０が加熱される。

さて、金型３９、４０を加熱する場合には、図１１に示すように、２つの金型３９、４０を筒体１１の両開口部に対向させて配置した後、両金型３９、４０を筒体１１の両開口部を塞ぐように密着させる。続いて、図１２に示すように、上下のノズル２１から過熱水蒸気を装置本体内に吹き出すとともに、シーズヒータ３１による輻射熱で装置本体内を加熱する。さらに、筒体１１の頂壁１２、底壁１３及び両側壁１４に蓄えられた蓄熱により装置本体内を加熱する。

このとき、両金型３９、４０の側面が装置本体内に臨んでいることから、両金型３９、４０の各側面は急速に加熱される。
従って、この第３実施形態によれば、両金型３９、４０の各側面を迅速に加熱することができ、加熱された両金型３９、４０の側面同士を対向させることにより、樹脂成形やダイカスト成形に利用することができる。

ここで、第３実施形態における加熱時間と金型３９、４０表面の温度との関係を測定した。
（加熱条件）
過熱水蒸気又は熱風の流量：１２００Ｌ／分、ノズル２１（内径１６ｍｍ、ノズル２１の数４）からの過熱水蒸気又は熱風の流速：２５ｍ／秒、過熱水蒸気の温度：３９０℃、熱風の温度３９０℃、シーズヒータ３１の温度：３９０℃、装置本体の容積：０．０１１ｍ^３
上記加熱条件下に金型３９、４０を加熱したときの加熱時間（秒）と金型３９、４０表面の温度（℃）との関係を測定し、その結果を図１４に示した。図１４中の一点鎖線は過熱水蒸気のみを供給したときの温度曲線、破線は熱風のみを供給したときの温度曲線及び実線は過熱水蒸気から熱風に切替えたときの温度曲線である。

図１４に示した結果から、過熱水蒸気のみを供給したときの温度勾配γと熱風のみを供給したときの温度勾配βとが一致した同一温度勾配αで過熱水蒸気から熱風に切替えた場合には、過熱水蒸気のみを供給した場合や熱風のみを供給した場合に比べて、金型３９、４０表面の温度を高く設定でき、温度変化の上昇が滑らかであった。

また、前記ノズル２１と金型３９、４０との距離は２００〜３００ｍｍ、シーズヒータ３１と金型３９、４０との距離は２０〜７０ｍｍであるとともに、装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速は０．６ｍ／秒であった。このような加熱条件と前述の加熱条件とによって金型３９、４０の加熱効率を高くすることができる。特に、装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速を０．６ｍ／秒に維持することにより、金型３９、４０表面において過熱水蒸気又は熱風の適切な流れを得ることができ、金型３９、４０を迅速に昇温させることができる。従って、過熱水蒸気のみ又は熱風のみで金型３９、４０を加熱する場合に比べて装置本体を小型化することができる。

以上の第１〜第３実施形態に示したように、本発明の実施形態においては、ノズル２１と金属製品との距離は１〜３００ｍｍ、シーズヒータ３１と金属製品との距離は５〜３００ｍｍが好ましく、ノズル２１及びシーズヒータ３１は１〜１００本、シーズヒータ３１の熱量は１〜１００ｋＷが好ましい。また、過熱水蒸気又は熱風の流量は１００〜１００００Ｌ／分、温度は１００〜６００℃が好ましい。

加えて、前記装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速は、０．０５〜２ｍ／秒であることが好ましい。過熱水蒸気又は熱風の平均流速をこのような範囲に設定することにより、金属製品表面において過熱水蒸気又は熱風の適切な流れを得ることができ、金属製品表面での過熱水蒸気の撹拌効果により、熱伝達を良好にでき、金属製品の加熱効率を向上させることができる。

過熱水蒸気又は熱風の平均流速が０．０５ｍ／秒を下回る場合には、金属製品表面における過熱水蒸気又は熱風の流れが弱く、金属製品の加熱効率が低下する。その一方、過熱水蒸気又は熱風の平均流速が２ｍ／秒を上回る場合には、過熱水蒸気又は熱風の過剰な流量を必要とするとともに、それに見合う金属製品の加熱効率が得られず、好ましくない。

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・図１５に示すように、第１実施形態において、前記筒体１１の挿通孔４４に空気供給配管４５を挿通し、その空気供給配管４５を筒体１１内の側壁１４に沿うように蛇行部４５１とし、さらに３つの分岐配管４５２、４５３、４５４に分岐し、各分岐配管４５２、４５３、４５４の先端部をシリンダヘッド１６に対向する吹き出し部４５５、４５６、４５７としてもよい。この場合、空気は筒体１１内の蛇行部４５１で装置本体内の温度まで加熱される。前記空気供給配管４５、吹き出し部４５５、４５６、４５７等により乱流生成機構が構成される。

そして、各吹き出し部４５５、４５６、４５７から空気をシリンダヘッド１６に吹付けてシリンダヘッド１６の表面に乱流を生じさせる。この乱流生成機構により、シリンダヘッド１６表面における熱の皮膜形成を抑制でき、伝熱効果を高めることができる。

・前記切替機構による過熱水蒸気から熱風への切替えを、金属製品表面における温度勾配が低下し始めたときや、金属製品表面に水滴が生成し始めたとき等に設定してもよい。
・前記ノズル２１を、過熱水蒸気用ノズルと熱風用ノズルとに分離して構成してもよい。

・前記金属製品として、鉄製、ニッケル製等のものを使用したり、自動車部品以外の機械部品、電気部品等を使用したりしてもよい。
・前記第２実施形態において、ノズル用筒体３３のノズル２１の大きさ、形状、数等をスリーブ３８に応じて適宜変更してもよい。

・前記第３実施形態において、装置本体としての筒体１１の開口部の一方を封鎖して開口部を１つのみとし、金型３９、４０のうちの１つを加熱装置１０で加熱するように構成してもよい。

・前記金属製品に代えて、炭素繊維、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の炭素繊維材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリアミド（ナイロン）等の樹脂材料を使用してもよい。

・前記高温流体として過熱水蒸気供給機構により過熱水蒸気のみを使用したり、或いは高温流体として熱風供給機構により熱風のみを使用したりすることも可能である。
・前記高温流体として、過熱水蒸気や熱風に代えてアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを使用することも可能である。

１０…加熱装置、１１…装置本体を構成する筒体、１６…金属製品としてのシリンダヘッド、１８…装置本体を構成するシャッター、２１…過熱水蒸気又は熱風のノズル、２５…過熱水蒸気供給機構を構成する過熱水蒸気タンク、２６…熱風供給機構を構成する熱風タンク、２９…切替機構を構成する切替コック、３１…電気ヒータとしてのシーズヒータ、３２…反射板、３８…金属製品としてのスリーブ、３９、４０…金属製品としての金型、４５…乱流生成機構を構成する空気供給配管、４５５、４５６、４５７…乱流生成機構を構成する吹き出し部、α、β、γ…温度勾配。

Claims (8)

1. 金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料を密閉空間に収容した状態で加熱する装置本体には、装置本体内に過熱水蒸気を供給して金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料を全体に渡って加熱する過熱水蒸気供給機構と、装置本体内に熱風を供給して金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の表面の水滴を蒸発させながら加熱する熱風供給機構と、装置本体内に配置される電気ヒータの輻射熱で金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料を加熱するヒータ機構と、装置本体のもつ蓄熱で金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料を加熱する蓄熱機構とを備え、
   前記装置本体内における過熱水蒸気又は熱風の平均流速は、０．０５〜２ｍ／秒であることを特徴とする金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。
2. 前記金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱初期には過熱水蒸気供給機構を稼働させて過熱水蒸気を供給し、途中で過熱水蒸気供給機構を停止し、熱風供給機構を稼働させて熱風を供給するように切り替える切替機構を備える請求項１に記載の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。
3. 前記切替機構は、予め過熱水蒸気供給機構により過熱水蒸気のみを金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料に供給して測定した加熱時間と金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の表面の温度との関係における温度勾配と、熱風供給機構により熱風のみを金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料に供給して測定した加熱時間と金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の表面の温度との関係における温度勾配とが一致する温度勾配に達したとき、過熱水蒸気供給機構を停止し、熱風供給機構を稼働させるように構成されている請求項２に記載の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。
4. 前記過熱水蒸気供給機構を構成する過熱水蒸気吹き出し用のノズルと、熱風供給機構を構成する熱風吹き出し用のノズルとを共用した請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。
5. 前記装置本体には、金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料に対向して配置され、過熱水蒸気又は熱風を反射させて金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料に吹付ける反射板を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。
6. 前記過熱水蒸気供給機構を構成する過熱水蒸気吹き出し用のノズルを、その吹き出し方向を変更可能に構成し、過熱水蒸気を金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の肉厚部又は孔部に向けて吹付け可能に構成した請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。
7. 前記装置本体には、空気を金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料に吹付けて金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の表面に乱流を生じさせる乱流生成機構を備える請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。
8. 前記切替機構は、過熱水蒸気から熱風への切替えを、金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料表面における温度勾配が低下し始めたときや、金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料表面に水滴が生成し始めたときに行うように構成されている請求項２に記載の金属製品、炭素繊維材料又は樹脂材料の加熱装置。

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