JP6830775B2 - 誘導加熱装置及び誘導加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状の複数の加熱対象物に対する誘導加熱を効率よく行うことができる誘導加熱装置及び誘導加熱方法に関する。

従来から、加熱対象物の被加熱面を非接触で加熱する方法として、高温の気体を吹き付けて被加熱面の熱伝達を使って加熱する方法、電熱線ヒータ等の高温の発熱体を加熱対象物の被加熱面に接近させ、発熱体からの輻射熱で加熱する方法、ランプヒータ等の赤外線を被加熱面に当て、赤外線による輻射熱で加熱する方法、電磁誘導コイルを用いて被加熱面に誘導電流を誘起させ、加熱対象物の材質による抵抗熱で被加熱面を加熱する方法などがある。

ここで、誘導加熱コイルを用いて被加熱面を加熱する場合、誘導加熱コイルを移動して被加熱面を満遍なく撫でるように加熱している。この誘導加熱コイルを移動させる方法としては、ロボットアーム先端の手首部に誘導加熱コイルを装着し、ロボットのプログラムに従って誘導加熱コイルを被加熱面の形状に合わせて移動している。

なお、特許文献１には、誘導加熱コイルを用いて薄板状の被加熱対象物を加熱する際、被加熱対象物の幅に応じて、２つの略Ｖ字形状コイルを合成して形成される合成コイル形状を可変にし、被加熱対象物のエッジ部での過剰加熱を小さくするものが記載されている。

特開２０１０−２４５０２９号公報

ところで、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状の複数の加熱対象物、例えばＣＦＲＰ板材を、誘導加熱コイルを用いて加熱する場合、ＣＦＲＰ板材の主材質は熱伝導率が低い樹脂であり、炭素繊維を誘導加熱してもＣＦＲＰ板材全体を、プレス加工などの成形加工のために軟化点温度まで昇温するには時間がかかる。

一方、誘導加熱コイルによって予備加熱されたＣＦＲＰ板材に対するプレス加工などの成形加工時間は短い。

この結果、ＣＦＲＰ板材の予備加熱と成形加工とを連続して行う生産加工時間はＣＦＲＰ板材の誘導加熱時間によって左右される。すなわち、誘導加熱時間が長いので生産効率が低下する。この誘導加熱時間を短縮するためには複数の誘導加熱装置を設けることが必要であるが、装置規模が大きくなるとともに、予備加熱されたＣＦＲＰ板材の成形加工機への受け渡し処理が複雑化する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状の複数の加熱対象物に対する誘導加熱を効率よく行うことができる誘導加熱装置及び誘導加熱方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる誘導加熱装置は、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状の加熱対象物を複数枚重ね、重ねられた複数の加熱対象物の最上面あるいは最下面を被加熱面とし、前記被加熱面側から誘導加熱コイルを用いて、複数の前記加熱対象物を同時に加熱することを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記誘導加熱コイルは、前記被加熱面に比して小さい加熱面を有し、前記複数の加熱対象物と前記誘導加熱コイルとを非接触で相対的に移動させて前記複数の加熱対象物を加熱することを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、複数の加熱対象物に対する同時加熱を含む所定時間間隔で、前記最上面または前記最下面を有する加熱対象物を搬出する搬出機構と、前記加熱対象物の搬出後、残りの加熱対象物を繰り上げる繰り上げ機構と、前記所定時間間隔で、前記搬出機構によって加熱対象物が搬出された後、搬出された加熱対象物の反対側の前記最下面または前記最上面から新たな加熱対象物を搬入する搬入機構と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記加熱対象物の加熱は、成形加工前の予備加熱であり、前記所定時間間隔は、予備加熱された１つの加熱対象物に対する成形加工時間であることを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記誘導加熱コイルを挟み、前記加熱対象物の被加熱面とは反対側の面に磁性体を配置したことを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記加熱対象物は、薄板状のＣＦＲＰ板材であることを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱装置は、上記の発明において、前記加熱対象物の加熱温度は、ＣＦＲＰ板材の軟化点温度であることを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱方法は、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状の加熱対象物を複数枚重ね、重ねられた複数の加熱対象物の最上面あるいは最下面を被加熱面とし、前記被加熱面側から誘導加熱コイルを用いて、複数の前記加熱対象物を同時に加熱することを特徴とする。

また、本発明にかかる誘導加熱方法は、上記の発明において、複数の加熱対象物に対する同時加熱を含む所定時間間隔で、前記最上面または前記最下面を有する加熱対象物を搬出する搬出工程と、前記加熱対象物の搬出後、残りの加熱対象物を繰り上げる繰り上げ工程と、前記所定時間間隔で、前記搬出工程によって加熱対象物が搬出された後、搬出された加熱対象物の反対側の前記最下面または前記最上面から新たな加熱対象物を搬入する搬入工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状の加熱対象物を複数枚重ね、重ねられた複数の加熱対象物の最上面あるいは最下面を被加熱面とし、前記被加熱面側から誘導加熱コイルを用いて、複数の前記加熱対象物を同時に加熱するようにしているので、１つの加熱対象物にかかる加熱時間を短縮することができる。

図１は、本発明の実施の形態である誘導加熱装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、加熱対象物の同時加熱処理を説明する説明図である。 図３は、加熱対象物の連続同時加熱処理フローを示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態である誘導加熱装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、誘導加熱装置は、先端の手首部に誘導加熱コイル２が取り付けられたロボットアーム３、制御部５、表示部６、操作部７、及び、記憶部８を有する。

誘導加熱コイル２は、例えば、円状に巻かれた渦巻状円板コイルである。誘導加熱コイル２は、ロボットアーム３によって位置及び姿勢を変えることができる。この誘導加熱コイル２の位置及び姿勢を含む移動経路、移動速度、及び出力は、制御部５のもとに制御される。誘導加熱コイル２は、樹脂に炭素繊維が編み込まれた平板状のＣＦＲＰ板材である加熱対象物１ａ〜１ｃを重ね合わせた状態で誘導加熱する。誘導加熱コイル２は、最上部の加熱対象物１ａの上面１ｕに接近させて移動しつつ、加熱対象物１ａ〜１ｃを同時に加熱する。

誘導加熱コイル２は、図示しない電源から供給される高周波電流によって磁界を発生し、加熱対象物１ａ〜１ｃに渦電流を発生させ、その抵抗熱によって加熱対象物１ａ〜１ｃを加熱する。上面１ｕは、誘導加熱コイル２の寸法よりも大きいため、誘導加熱コイル２を移動させ、上面１ｕを満遍なく撫でるように加熱する。なお、本実施の形態では、誘導加熱コイル２を上面１ｕに対して移動させるようにしているが、加熱対象物１ａ〜１ｃとともに上面１ｕを誘導加熱コイル２に対して移動させるようにしてもよい。さらに、誘導加熱コイル２及び加熱対象物１ａ〜１ｃの双方を移動させてもよい。すなわち、上面１ｕと誘導加熱コイル２との位置関係が相対的に移動できる機構であればよい。

表示部６は、上面１ｕ、誘導加熱コイル２の移動経路及び移動状態、図示しない赤外線サーモグラフィーなどによって温度検出された加熱対象物１ａ〜１ｃの温度分布状態などの各種情報を表示出力する。

操作部７は、制御部５に対する制御指示を行う。操作部７は、キーボードやポインティングデバイスによって実現される。記憶部８は、制御プログラムや各種情報などが保持される。

（加熱対象物の同時加熱）
図２に示すように、誘導加熱コイル２は、最上部の加熱対象物１ａの上面１ｕとの間のギャップｇを維持しつつ、上面１ｕ上を満遍なく撫でるように移動しつつ、加熱対象物１ａ〜１ｃを同時に加熱する。誘導加熱コイル２から発した磁力線は、各加熱対象物１ａ〜１ｃの樹脂内にある編み込まれた炭素繊維１１に誘導電流を流し、渦電流を生成することによって炭素繊維１１を発熱させる。この炭素繊維１１の発熱によって周囲の樹脂温度も昇温する。この誘導加熱コイル２による加熱対象物１ａ〜１ｃの昇温は、加熱対象物１ａ〜１ｃが樹脂軟化温度に達するまで行う。樹脂軟化温度まで昇温するのは、加熱対象物１ａ〜１ｃをその後、プレス加工などの成形加工を行うためである。

誘導加熱する場合、誘導加熱コイル２に供給される高周波電流などの要因などによって加熱部分は加熱対象物の表面近傍となり、この表面近傍でほとんど熱エネルギーに変換される。したがって、金属などの加熱対象物を重ねて同時加熱しようとしても誘導加熱コイル２から遠い位置に配置された加熱対象物には磁力線が到達せず、昇温されない場合がほとんどである。

これに対し、ＣＦＲＰ板材である加熱対象物１ａ〜１ｃは、誘電体（非磁性体）である樹脂を主材質とするため、樹脂部分で磁力線が通過するため、誘導加熱コイル２から遠い加熱対象物１ｃにも磁力線が到達し、加熱対象物１ｃの炭素繊維１１に誘導電流が流れ、加熱される。本実施の形態では、この原理を用いて、複数の加熱対象物１ａ〜１ｃを同時加熱するようにしている。

なお、図２に示すように、誘導加熱コイル２を挟み、加熱対象物１ａの被加熱面である上面１ｕとは反対側の面にフェライトなどの磁性体４を配置することが好ましい。磁性体４を配置することによって、誘導加熱コイル２の上部での磁力線が折り返されエネルギーロスが減少する。

本実施の形態では、複数の加熱対象物１ａ〜１ｃを同時加熱するようにしているので、１つの加熱対象物に対する加熱時間を短縮することができる。

なお、誘導加熱コイル２による加熱対象物１ａ〜１ｃの同時加熱は、加熱対象物１ｃの下面１ｌ側から加熱するようにしてもよい。また、加熱対象物１ａ〜１ｃは、水平方向に向けて配置し、誘導加熱コイル２を鉛直方向に移動するようにしてよい。要は、加熱対象物１ａ〜１ｃと誘導加熱コイル２との相対位置関係が維持されていれば、これらの絶対的な向きあるいは位置はどのような状態であってもよい。

また、加熱対象物１ａ〜１ｃの間は隙間を設けてよいし、密着した状態で重ね合せてもよい。

（加熱対象物の連続同時加熱）
図３は、加熱対象物の同時加熱を連続して行う場合の処理フローを示す図である。図３では、図２と同様に、３つの加熱対象物を同時に加熱している。この連続同時加熱処理では、図３（ａ）に示すように、まず、加熱対象物１ａ〜１ｃを誘導加熱コイル２によって同時加熱する。その後、図３（ｂ）に示すように、搬出機構２１によって、誘導加熱コイル２側の加熱対象物１ａが搬出され、図示しない成形加工機に送られる。

その後、図３（ｃ）に示すように、繰り上げ機構２２によって残った加熱対象物１ｂ，１ｃが加熱対象物１ａ，１ｂが配置されていた位置に繰り上げられる。その後、搬入機構２３によって、新たな加熱対象物１ｄが、加熱対象物１ｃが配置されていた位置に搬入される。この結果、図３（ｄ）に示すように、３つの加熱対象物１ｂ〜１ｄが重なった状態となる。この状態で、図３（ａ）と同様に、加熱対象物１ｂ〜１ｄを誘導加熱コイル２によって同時加熱する。

その後、図３（ｅ）に示すように、搬出機構２１によって、誘導加熱コイル２側の加熱対象物１ｂが搬出され、図示しない成形加工機に送られる。

その後、図３（ｆ）に示すように、繰り上げ機構２２によって残った加熱対象物１ｃ，１ｄが加熱対象物１ｂ，１ｃが配置されていた位置に繰り上げられる。その後、搬入機構２３によって、新たな加熱対象物１ｅが、加熱対象物１ｄが配置されていた位置に搬入される。その後は、図３（ｄ）と同様に、加熱対象物１ｃ〜１ｅを誘導加熱コイル２によって同時加熱し、上述した図３（ｅ），図３（ｆ）の処理を繰り返す。

この連続同時加熱処理によって、誘導加熱装置から図示しない成形加工機に対して所定時間Ｔ毎に１つの加熱対象物が送られることになる。しかも、例えば、誘導加熱装置から送られる加熱対象物１ａは、送られる前に３回加熱され、特に、加熱対象物１ｂの位置に配置された時、及び加熱対象物１ｃの位置に配置された時に、予備加熱されているため、３回目の同時加熱時の加熱時間が短縮されることになる。

なお、連続同時加熱処理において、誘導加熱コイル２側から加熱対象物を搬出し、誘導加熱コイル２から遠い位置に加熱対象物を搬入するようにしていたが、誘導加熱コイル２から遠い位置の加熱対象物を搬出し、誘導加熱コイル２側から加熱対象物を搬入するようにしてもよい。

また、上述した誘導加熱コイル２の加熱面は、加熱対象物の被加熱面に比して小さいため、誘導加熱コイル２は被加熱面上を満遍なく撫でるように加熱している。誘導加熱コイル２による加熱は、誘導加熱コイル２の直下でしか加熱できないため、一度に加熱できる被加熱面の面積が狭く、被加熱面全体を加熱するには時間がかかる。さらに、加熱対象物内の温度差が大きいと、加熱対象物に熱応力が発生し、加熱対象物が変形するおそれがあるため、加対象物表面上を複数回、撫でるように誘導加熱コイル２を移動して加熱対象物の温度を徐々に上昇させるようにしているので、この点からも加熱時間が長くかかる。

本実施の形態では、誘導加熱コイル２を用いた場合における上述した長い加熱時間を、同時加熱処理あるいは連続同時加熱処理によって短縮することができる。

また、同時連続加熱処理では、後工程である成形加工機の生産間隔に合わせて加熱対象物内の樹脂の軟化点温度まで加熱したＣＦＲＰ板材を供給することができ、生産効率を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態では、加熱対象物１ａ〜１ｃが矩形であったが、これに限らず、円形や楕円形などの各種形状であってもよい。さらに、各加熱対象物１ａ〜１ｃの形状が異なっていてもよい。

１ａ〜１ｅ 加熱対象物
１ｕ 上面
１ｌ 下面
２ 誘導加熱コイル
３ ロボットアーム
５ 制御部
６ 表示部
７ 操作部
８ 記憶部
２１ 搬出機構
２２ 繰り上げ機構
２３ 搬入機構
Ｔ 所定時間

Claims (9)

1. 樹脂に炭素繊維が編み込まれ成形加工単位である平板状の加熱対象物を複数枚重ね、重ねられた複数の加熱対象物の最上面あるいは最下面を被加熱面とし、前記被加熱面側から誘導加熱コイルを用いて、成形加工前の複数の前記加熱対象物を同時に予備加熱し、予備加熱された成形加工単位の１つの加熱対象物を成形加工側に搬出するとともに新たな１つの加熱対象物を搬入して残りの加熱対象物に重ねて予備加熱を継続することを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記誘導加熱コイルは、前記被加熱面に比して小さい加熱面を有し、前記複数の加熱対象物と前記誘導加熱コイルとを非接触で相対的に移動させて前記複数の加熱対象物を加熱することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 複数の加熱対象物に対する同時加熱を含む所定時間間隔で、前記最上面または前記最下面を有する加熱対象物を搬出する搬出機構と、
   前記加熱対象物の搬出後、残りの加熱対象物を繰り上げる繰り上げ機構と、
   前記所定時間間隔で、前記搬出機構によって加熱対象物が搬出された後、搬出された加熱対象物の反対側の前記最下面または前記最上面から新たな加熱対象物を搬入する搬入機構と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記所定時間間隔は、予備加熱された１つの加熱対象物に対する成形加工時間であることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置。
5. 前記誘導加熱コイルを挟み、前記加熱対象物の被加熱面とは反対側の面に磁性体を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の誘導加熱装置。
6. 前記加熱対象物は、薄板状のＣＦＲＰ板材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の誘導加熱装置。
7. 前記加熱対象物の加熱温度は、ＣＦＲＰ板材の軟化点温度であることを特徴とする請求項６に記載の誘導加熱装置。
8. 樹脂に炭素繊維が編み込まれ成形加工単位である平板状の加熱対象物を複数枚重ね、重ねられた複数の加熱対象物の最上面あるいは最下面を被加熱面とし、前記被加熱面側から誘導加熱コイルを用いて、成形加工前の複数の前記加熱対象物を同時に予備加熱し、予備加熱された成形加工単位の１つの加熱対象物を成形加工側に搬出するとともに新たな１つの加熱対象物を搬入して残りの加熱対象物に重ねて予備加熱を継続することを特徴とする誘導加熱方法。
9. 複数の加熱対象物に対する同時加熱を含む所定時間間隔で、前記最上面または前記最下面を有する加熱対象物を搬出する搬出工程と、
   前記加熱対象物の搬出後、残りの加熱対象物を繰り上げる繰り上げ工程と、
   前記所定時間間隔で、前記搬出工程によって加熱対象物が搬出された後、搬出された加熱対象物の反対側の前記最下面または前記最上面から新たな加熱対象物を搬入する搬入工程と、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の誘導加熱方法。

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