JP7116478B2

JP7116478B2 - 加熱装置

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Publication number: JP7116478B2
Application number: JP2018151709A
Authority: JP
Inventors: 勝彦布谷; 高之福永; 宗則石田; 純一北田
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2038-08-10
Also published as: JP2020027736A

Description

本発明は、導電性シートを含む成形品を誘導加熱する加熱装置に関し、特に電磁誘導加熱が可能な炭素繊維熱可塑性プラスチック（ＣＦＲＴＰ）等の成形品をプレス加工前に予備加熱するための加熱装置に関する。

従来の加熱プレス装置では、例えばローラに巻き掛けられたベルトが対向配置され、その間に、ＣＦＲＴＰの成形品を通し、加熱およびプレスを行うことでＣＦＲＴＰの完成品を得ていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－１４７２８０号公報

しかしながら、ＣＦＲＴＰの成形品をプレス加工して完成品にする場合、炭素繊維材料と熱可塑性樹脂との積層体を加熱プレス装置に挿入した後に、室温から熱可塑性樹脂の含浸温度まで積層体を熱伝導、熱伝達および輻射等の伝熱方式を用いて加熱する必要があり、加熱に時間がかかるという問題があった。特に、積層体の積層数が多くなり成形品の膜厚が厚くなると、成形品の厚さ方向の熱伝導に時間を要し、加熱時間がさらに長くなるという問題があった。さらに、加熱プレス装置内に大型の加熱機構を設ける必要があり、プレス装置の構造が複雑になると共に、小型化が困難であるという問題もあった。

そこで、本発明は、プレス装置の前段に誘導加熱装置を設けることにより、炭素繊維材料と熱可塑性樹脂との積層体を、均一で効率的に予備加熱し、小型のプレス装置で迅速にＣＦＲＴＰの完成品を作製することを目的とする。

本発明は、
導電性シートと熱可塑性樹脂シートが積層された成形品を平坦に保持しながら搬送する搬送機構と、
成形品の表面側に、表面と平行に配置された第１コイルと、
成形品の裏面側に、裏面と平行に配置された第２コイルと、
を含み、第１コイルおよび第２コイルにそれぞれ電流を供給し、成形品中の導電性シートを誘導加熱する加熱装置であって、
成形品の表面に対して鉛直方向から見た場合に、第１コイルと第２コイルとが重ならないことを特徴とする加熱装置である。

かかる加熱装置を用いることにより、成形品の予備加熱が可能となり、プレス加工の迅速化、プレス装置の小型化が可能となる。特に、本発明の加熱装置では、成形品中の導電性シートを直接誘導加熱できるため、均一で効率的な成形品の加熱が可能となる。

本発明の実施の形態にかかるＣＦＲＴＰの加工システムの概略図である。本発明の実施の形態にかかる加熱装置を上方から見た場合の概略図である。比較実験に用いたＣＦＲＴＰ成形品を説明する図である。実施例１の、Ｋ熱電対による温度測定結果である。実施例１の、サーモグラフィによる温度測定結果である。比較例１の、Ｋ熱電対による温度測定結果である。比較例１の、サーモグラフィによる温度測定結果である。比較例２の、サーモグラフィによる温度測定結果である。ＣＦＲＴＰ成形品の膜厚を変えた場合の加熱結果である。ＣＦＲＴＰ成形品の膜厚を変えた場合の加熱結果である。ＣＦＲＴＰ成形品の膜厚を変えた場合の加熱結果である。

図１は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態にかかる炭素繊維熱可塑性プラスチック（ＣＦＲＴＰ）の加工システムを横方向から見た場合の概略図である。加工システム１０００は、加熱装置１００とダブルベルト式のプレス装置２００を有し、複数のシート５０ａ～５０ｅのラミネート構造からなる成形品５０が矢印Ａの方向に搬送されて、加熱装置１００で所定の温度に加熱された後、プレス装置２００で加熱プレスされ、完成品５５となる。成形品５０はシート状または平板状である。

加熱装置１００は、対向配置された第１ローラ１５ａ、１５ｂと、同じく対向配置された第２ローラ１６ａ、１６ｂを備える。成形品５０は、第１ローラ１５ａ、１５ｂ、および第２ローラ１６ａ、１６ｂの、それぞれの間に挟まれて、プレス装置２００の方向（矢印Ａの方向）に搬送される。

第１ローラ１５ａ、１５ｂ、および第２ローラ１６ａ、１６ｂの間には、コイル１０ａ、１０ｂが設けられている。コイル１０ａは、成形品５０の表面側に、表面と平行に配置されている。一方、コイル１０ｂは、成形品５０の裏面側に、表面と平行に配置されている。

ここでは、第１ローラ１５ａ、１５ｂ、および第２ローラ１６ａ、１６ｂを用いて成形品５０を搬送する場合について説明したが、スライドボードにのせて矢印Ａの方向に所定の速度で搬送しても良い。また、例えばゴムベルト、ガラスクロス、ガラスメッシュのような非磁性体ベルトを用いて成形品５０を搬送しても構わない。

図２は、加熱装置１００を上方（Ｚ軸方向）から見た場合の概略図である。コイル１０ａ、１０ｂは、例えば長円形状の平板状のコイルからなる。コイルの巻数は、例えば１０～２０ターンであるが、適宜変更しても構わない。

２つのコイル１０ａ、１０ｂは、長円形状の長手方向が、搬送方向Ａに直交する方向（Ｘ軸方向）であることが好ましい。

また、２つのコイル１０ａ、１０ｂは、成形品５０の表面に対して鉛直方向（Ｚ軸方向）から見た場合、重複部分が無いように配置される。図２では、２つのコイル１０ａ、１０ｂは、Ｚ軸方向から見た場合に、隣接するように配置されているが、間隔を隔てて配置しても良い。

２つのコイル１０ａ、１０ｂの位置は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に可動であっても良い。例えば、成形品５０を構成するシート５０ａ等の数により成形品５０の膜厚が異なる場合、成形品５０の膜厚に合わせてＸ軸方向の間隔を調整することができる。

また、２つのコイル１０ａ、１０ｂの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、成形品５０の幅より大きくなっている。成形品５０に含まれる炭素繊維材料の方向（例えば編み込みの方向）と、磁束の方向との関係で、成形品５０の加熱効率が変化する。このためコイル１０ａ、１０ｂの両端のターン部分以外の、直線部分で成形品５０を加熱することで、成形品５０を均一に加熱することが可能となる。

コイル１０ａ、１０ｂには、それぞれインバータ回路２０ａ、２０ｂが接続されている。商用電源（図示せず）から供給される交流電流は、インバータ回路２０ａ、２０ｂで一旦整流された後、高周波電流に変換されてコイル１０ａ、１０ｂに供給される。コイル１０ａ、１０ｂに供給される高周波電流の周波数は、例えば２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下であり、より好ましくは２３ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下である。

コイル１０ａおよびコイル１０ｂに供給される高周波電流の大きさは、インバータ回路２０ａ、２０ｂにより、別々に制御できる。コイル１０ａ、１０ｂに供給する高周波電流の周波数は、加熱する成形品５０の種類、特に成形品５０に含まれる炭素繊維材料の種類、形状、編み込み方向等に応じて調整することができる。

加熱装置１００で予備加熱された成形品５０は、矢印Ａの方向に搬送されて、ダブルベルト式のプレス装置２００に入る。

ダブルベルト式のプレス装置２００は、２つの第１駆動ローラ８０ａに巻き掛けられて周回走行する第１ベルト６０ａと、第１ベルト６０ａの下側で、２つの第２駆動ローラ８０ｂに巻き掛けられて周回走行する第２ベルト６０ｂとを有する。第１ベルト６０ａおよび第２ベルト６０ｂは、エンドレスベルトからなることが好ましい。また、第１ベルト６０ａおよび第２ベルト６０ｂは、電磁誘導加熱が可能な材料からなり、例えばステンレス鋼、特に、低炭素、マルテンサイト系、析出硬化系ステンレス鋼からなることが好ましい。

また、プレス装置２００は、所定の温度で成形品５０を加熱プレスする加熱プレスモジュール７０ａ、７０ｂを有する。加熱プレスモジュール７０ａ、７０ｂは、第１ベルト６０ａ、第２ベルト６０ｂと接触する複数の加圧ローラ７２ａ、７２ｂを有する。

加圧ローラ７２ａ、７２ｂの間には、それぞれ誘導加熱機７４ａ、７４ｂが設けられている。誘導加熱機７４ａ、７４ｂは、電磁誘導加熱により、それぞれ第１ベルト６０ａおよび第２ベルト６０ｂを加熱する。

プレス装置２００では、第１ベルト６０ａと第２ベルト６０ｂの間に挟まれて供給された成形品５０が、上下の加熱プレスモジュール７０ａ、７０ｂの間で、加熱されながら加圧され、完成品５５となる。成形品５０は、例えば導電性シートと熱可塑性樹脂シートとが交互に重ねられた積層体からなり、プレス装置２００で、熱可塑性樹脂の含浸温度に加熱された状態で加圧されて完成品５５になる。

本発明の実施の形態では、プレス装置２００の前段に加熱装置１００を設けて、成形品５０を予備加熱した後に、プレス装置２００で加熱プレスすることにより、成形品５０の均一で効率的な予備加熱が可能となり、プレス装置２００での加熱時間を短くできる。さらに、プレス装置２００中の誘導加熱機７４ａ、７４ｂを小さくでき、プレス装置２００の小型化が可能となる。

ここでは、プレス装置２００での加熱を、誘導加熱機７４ａ、７４ｂを用いた誘導加熱で行ったが、熱風や熱流体を用いた加熱でも構わない。

なお、本発明の実施の形態では、プレス装置２００の前段に加熱装置１００を配置して成形品５０の予備加熱を行ったが、加熱装置１００単独で加熱装置として用いることも可能であることは言うまでも無い。

次に、加熱装置１００について、２つのコイル１０ａ、１０ｂの位置を変えて、加熱特性、特に加熱温度の均一性について行った比較実験の結果を説明する。

コイル１０ａ、１０ｂの配置は、以下の（１）～（３）の３種類とした。以下で述べる配置は、Ｚ軸方向に見た場合の配置である。

（１）実施例１：２つのコイルが隣接する配置（本実施の形態の配置）
（２）比較例１：２つのコイルが半分重なる配置（Ｙ軸方向にコイル幅の１／２が重複）
（３）比較例２：２つのコイルが完全に重なる配置

図３は、比較実験に用いたＣＦＲＴＰ成形品を説明する図である。図３（ａ）に示すように、幅（Ｘ軸方向の長さ）が５００ｍｍのＣＦＲＴＰ成形品をスライドボードに載せて、矢印で示す搬送方向に移動させて加熱した。移動速度は５０ｍｍ／秒とした。

コイルには、長円形状の平板状コイルを用い、巻数は１７ターンとした。２つのコイルの配置は、長円形状の長手方向が、搬送方向に直交するように（図２参照）配置した。

ＣＦＲＴＰ成形品の加熱の目標温度は８０℃とした。ＣＦＲＴＰ成形品の温度は、Ｋ（クロメル－アルメル）熱電対と、サーモグラフィを用いて測定した。温度の測定は、図３（ａ）に示すように、ＣＦＲＴＰ成形品の搬送方向の先端から３５０ｍｍの位置で、中心点、および中心点から左右にそれぞれ１００ｍｍ、２００ｍｍ、２４５ｍｍの点で行った。

ＣＦＲＴＰ成形品には、図３（ｂ）に示すように、カプトンシート（熱可塑性樹脂シート）とカーボンシート（導電性シート）を、上端および下端がカプトンシートとなるように交互に積層したものを用いた。カーボンシートの枚数は１４枚とした。

Ｋ熱電対は、図３（ａ）に示した位置で、下から４枚目、７枚目（中央）、１０枚目のカーボンシート取り付けた。図３（ｂ）に示すように、各測定点は、ＣＨ１～ＣＨ２１と呼ぶ。

一方、サーモグラフィは、Ｋ熱電対の貼り付け位置の直上で行った。

比較実験の結果を図４～８に示す。図４、５は、（１）実施例１：２つのコイルが隣接する配置（本実施の形態の配置）の、Ｋ熱電対による温度測定結果、およびサーモグラフィによる温度測定結果である。また、図６、７は、（２）比較例１：２つのコイルが半分重なる配置（Ｙ軸方向にコイル幅の１／２が重複）の、Ｋ熱電対による温度測定結果、およびサーモグラフィによる温度測定結果である。一方、図８は、（３）比較例２：２つのコイルが完全に重なる配置の、サーモグラフィによる温度測定結果であり、後述するようにこの配置では加熱ができなかった。

図４、６では、横軸が測定位置（ＣＨ１～ＣＨ２１）、縦軸が測定温度（℃）である。また、図５、７、８では、横軸が測定位置、縦軸が測定温度（℃）である。温度測定結果について、以下に説明する。

＜実施例１＞
（１）実施例１：２つのコイルが隣接する配置（本実施の形態の配置）の場合、図４（ａ）に示すように、最高温度では、ＣＨ１等の周辺部で若干温度が低いものの、全体として目標温度の８０℃近傍で均一な加熱が可能であった。

図４（ｂ）に示すように、カーボン搬送完了直後（ＣＦＲＴＰ成形品がコイルを通過した直後）においても、８０℃近傍で均一な温度に保たれた。

一方、図４（ｃ）に示すように、カーボン搬送完了直後６０秒経過すると、ＣＨ１、ＣＨ７等の周辺部の温度が下がり、温度にばらつきが出た。

図５は、サーモグラフィで測定した、ＣＦＲＴＰ成形品の表面温度であり、横軸は幅方向（Ｘ軸方向）の測定位置であり、ＣＦＲＴＰ成形品の全幅に渡って等間隔で２７０点（１～２７１）の測定を行っている。また、縦軸は温度を示す。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、周辺部を除いて均一な加熱が可能となった。

＜比較例１＞
（２）比較例１：２つのコイルが半分重なる配置（Ｙ軸方向にコイル幅の１／２が重複）の場合、図６（ａ）の最高温度、図６（ｂ）のカーボン搬送完了直後、および図６（ｃ）のカーボン搬送完了６０秒後のいずれにおいても、ＣＨ１、ＣＨ７等の周辺部の温度が低くなり、加熱温度が不均一となった。

図７の、サーモグラフィで測定したＣＦＲＴＰ成形品の表面温度では、特に図７（ｂ）のカーボン搬送完了直後において温度が不均一となり、十分な加熱ができない部分が発生した。また、加熱温度も、目標温度の８０℃より低くなった。

＜比較例２＞
（３）比較例２：２つのコイルが完全に重なる配置では、ＣＦＲＴＰ成形品は加熱できなかった。図８に示すように、カーボン搬送完了直後においても、サーモグラフィで測定した成形品の表面温度は室温（約２０℃）のままであった。

以上のように、２つのコイルが隣接し、重ならない実施例１では、目標とする温度で、ＣＦＲＴＰ成形品の均一な加熱が可能であった。これに対して、比較例１では、２つのコイルの半分が重なることにより、２つのコイルの間で磁場の干渉が発生し、部分的に十分な加熱ができなかった。特に、周辺部で温度が上がらず、温度の均一性も悪くなった。さらに、２つのコイルを完全に重ねて配置した場合は、磁場の干渉により加熱ができなかった。

次に、２つのコイルが隣接し重ならない実施例１の装置において、ＣＦＲＴＰ成形品の膜厚を変えた場合の加熱結果を図９～１１に示す。図９～１１において、横軸は加熱時間、縦軸は各測定点におけるＣＦＲＴＰ成形品の温度を示す。

ＣＦＲＴＰ成形品には、カプトンシートとカーボンシートを、上端および下端がカプトンシートとなるように交互に積層したものを用いた。

図９のＣＦＲＴＰ成形品では、カーボンシートは１４枚、総膜厚を３．０ｍｍとし、成形品の表面から１枚目（上面）、３枚目、７枚目（中心）、１１枚目、１４枚目（底面）のカーボンシートの温度を測定した。

図１０のＣＦＲＴＰ成形品では、カーボンシートは２５枚、総膜厚を５．０ｍｍとし、成形品の表面から１枚目（上面）、６枚目、１２枚目（中心）、１９枚目、２５枚目（底面）のカーボンシートの温度を測定した。

図１１のＣＦＲＴＰ成形品では、カーボンシートは５０枚、総膜厚を１０．０ｍｍとし、成形品の表面から１枚目（上面）、３枚目、１２枚目、２５枚目（中心）、３８枚目、４８枚目、５０枚目（底面）のカーボンシートの温度を測定した。これらの温度測定は、ＣＦＲＴＰ成形品の幅方向に対して中央の位置で、熱電対を用いて行った。

図９～１１において、ＣＦＲＴＰ成形品の移動速度は１０ｍｍ／秒、目標温度は、それぞれ２５０℃、２００℃、１５０℃とした。

図９のＣＦＲＴＰ成形品（カーボンシート：１４枚、総膜厚：３．０ｍｍ）では、約３０秒間の加熱で、上面（＃１）、底面（＃１４）を除く他の３点（＃３、＃７、＃１１）で目標温度に達した。

また、図１０のＣＦＲＴＰ成形品（カーボンシート：２５枚、総膜厚：５．０ｍｍ）では、同じく約３０秒間の加熱で、上面（＃１）、底面（＃２５）を除く他の３点（＃６、＃１２、＃１９）で目標温度に達した。

また、図１１のＣＦＲＴＰ成形品（カーボンシート：５０枚、総膜厚：１０．０ｍｍ）では、約４０秒間の加熱で、上面（＃１）、底面（＃５０）を除く他の５点（＃３、＃１２、＃２５、＃３８、＃４８）で目標温度に達した。

このように、実施例１の加熱装置では、電磁誘導加熱によりカーボンシートを直接加熱できるため、ＣＦＲＴＰ成形品の積層数（膜厚）が大きくなっても、膜厚方向に均一な加熱が可能となった。

以上の実施例、比較例からわかるように、Ｚ軸方向に見た場合に、２つのコイルが重ならないように配置することで、２つのコイルの間の磁場の干渉を防止し、目標温度で均一な温度での加熱ができることがわかった。特に、成形品の膜厚が大きい場合であっても、均一で効率的な成形品の加熱が可能となることがわかった。

１０ａ、１０ｂコイル
１５ａ、１５ｂ第１ローラ
１６ａ、１６ｂ第２ローラ
２０ａ、２０ｂインバータ回路
５０成形品
５０ａ～５０ｅシート
５５完成品
６０ａ第１ベルト
６０ｂ第２ベルト
７０ａ、７０ｂ加熱プレスモジュール
７２ａ、７２ｂ加圧ローラ
７４ａ、７４ｂ誘導加熱機
８０ａ第１駆動ローラ
８０ｂ第２駆動ローラ
１００加熱装置
２００プレス装置
１０００加工システム

Claims

導電性シートと熱可塑性樹脂シートが積層された成形品を平坦に保持しながら搬送する搬送機構と、
前記成形品の表面側のみに、表面と平行に配置された第１コイルと、
前記成形品の裏面側のみに、裏面と平行に配置された第２コイルと、
を含み、前記第１コイルおよび前記第２コイルにそれぞれ電流を供給し、前記成形品中の前記導電性シートを誘導加熱する加熱装置であって、
前記電流は、周波数が２０ｋＨ以上１２０ｋＨｚ以下の高周波電流であり、
前記成形品の表面に対して鉛直方向から見た場合に、前記第１コイルと前記第２コイルとが重ならないことを特徴とする加熱装置。
前記第１コイルと前記第２コイルは、長円形状にコイルが巻かれた平板状コイルであり、長円の長手方向が、前記成形品が搬送される方向に直交することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
前記第１コイルと前記第２コイルは、前記鉛直方向から見た場合に隣接することを特徴とする請求項１または２に記載の加熱装置。
前記成形品に対して、前記第１コイルおよび前記第２コイルの位置をそれぞれ調整できる調整機構をさらに含むことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の加熱装置。
前記鉛直方向から見た場合に、前記第１コイルおよび前記第２コイルの、前記成形品を挟んだ反対側の面にはコイルを配置しないことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の加熱装置。
前記電流は、周波数が２３ｋＨ以上５０ｋＨｚ以下の高周波電流であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の加熱装置。
前記搬送機構は、２組の対向するローラであり、対向する前記ローラの間に前記成形品が挟持されて搬送されることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の加熱装置。
前記搬送機構は、スライドテーブルまたは非磁性帯ベルトであり、前記スライドテーブルまたは非磁性帯ベルトに前記成形品が載置されて搬送されることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の加熱装置。
前記第１コイルに接続された第１インバータ回路と、前記第２コイルに接続された第２インバータ回路をさらに含み、前記第１インバータ回路および前記第２インバータ回路により、前記第１コイルおよび前記第２コイルに供給される電流が互いに独立して制御されることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の加熱装置。
請求項１～９のいずれかに記載の加熱装置と、プレス装置とを備え、
前記加熱装置で予備加熱された前記成形品が、前記プレス装置で、所定の温度でプレスされて完成品となることを特徴とする加工システム。