JP7163899B2 - ワーク製造システム及びワークの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク製造システム及びワークの製造方法に関する。

ワーク(金属)の周囲を過熱水蒸気で満たし、過熱水蒸気からの熱伝達でワークを加熱するステップを含むワークの製造方法が特許文献１に記載されている。

特開２０１６－０７５４６６号公報

ワークが炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、以下、ＣＦＲＰという。）のような炭素繊維と樹脂とを含む場合には、熱伝達効率が著しく低下するため、加熱に長時間を要することとなる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、加熱時間を大幅に短縮することができるワーク製造システム及びワークの製造方法を提供する。

本発明の一態様に係るワーク製造システムは、材質に炭素繊維と樹脂とを含む炭素繊維強化プラスチックを有するワークを加熱する加熱装置を備えたワーク製造システムであって、前記加熱装置は、過熱水蒸気を前記ワークの表面に接触させることによって、前記ワークの少なくとも前記表面を含む部分を、前記炭素繊維強化プラスチックの軟化温度よりも高い温度まで加熱する水蒸気加熱部と、前記軟化温度に達した前記ワークの前記表面を含む部分に差し込まれ、前記ワークの内部を直接加熱する伝熱部材と、を含む。このような構成により、加熱時間を大幅に短縮することができる。

また、前記伝熱部材は、前記過熱水蒸気を噴出する過熱水蒸気ノズルを含む。このような構成により、ワークの内部を直接加熱することができるので、加熱時間を大幅に短縮することができる。

さらに、前記伝熱部材は、ヒータを含む。このような構成により、ワークの内部を直接加熱することができるので、加熱時間を大幅に短縮することができる。

また、前記ワークの表面温度を測定する温度計と、前記前記ワークの内部温度を測定する温度センサと、前記表面温度及び前記内部温度に基づいて、前記水蒸気加熱部及び前記伝熱部材の出力を制御する制御部と、をさらに備え、前記制御部は、前記内部温度に基づいて、前記伝熱部材及び前記温度センサを前記ワークに差し込む深さを制御する。このような構成とすることにより、加熱時間をさらに短縮することができる。

本発明の一態様に係るワークの製造方法は、材質に炭素繊維と樹脂とを含む炭素繊維強化プラスチックを有するワークを加熱する加熱ステップを備えたワークの製造方法であって、前記加熱ステップは、過熱水蒸気を前記ワークの表面に接触させることによって、前記ワークの少なくとも前記表面を含む部分を、前記炭素繊維強化プラスチックの軟化温度よりも高い温度まで加熱する水蒸気加熱ステップと、前記軟化温度に達した前記ワークの前記表面を含む部分に伝熱部材を差し込み、前記ワークの内部を直接加熱する直接加熱ステップと、を含む。このような構成により、加熱時間を大幅に短縮することができる。

また、前記直接加熱ステップにおいて、前記伝熱部材として、前記過熱水蒸気を噴出する過熱水蒸気ノズルを差し込む。このような構成により、ワークの内部を直接加熱することができるので、加熱時間を大幅に短縮することができる。

さらに、前記直接加熱ステップにおいて、前記伝熱部材として、ヒータを差し込む。このような構成により、ワークの内部を直接加熱することができるので、加熱時間を大幅に短縮することができる。

また、前記水蒸気加熱ステップにおいて、温度計によって測定された前記ワークの表面温度に基づいて、前記過熱水蒸気の温度を制御し、前記直接加熱ステップにおいて、温度センサによって測定された前記ワークの内部温度に基づいて、前記伝熱部材の出力を制御するとともに、前記伝熱部材及び前記温度センサを前記ワークに差し込む深さを制御する。このような構成とすることにより、加熱時間をさらに短縮することができる。

本発明により、加熱時間を大幅に短縮することができるワーク製造システム及びワークの製造方法を提供することができる。

実施形態に係るワーク製造システムにおいて、加熱装置を例示した構成図である。 実施形態に係るワーク製造システムにおいて、ワークを加熱する伝熱部材を例示した上面図である。 実施形態に係るワークの製造方法において、ワークを加熱する加熱ステップを例示したフローチャート図である。 本実施形態に係るワークの製造方法において、水蒸気加熱ステップを例示したフローチャート図である。 実施形態に係るワークの製造方法において、加熱温度を制御するイメージを例示した図である。 実施形態に係るワークの製造方法において、ワークの表面温度と、ワークの内部温度とを例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、縦軸は、表面温度及び内部温度を示す。 実施形態に係るワークの製造方法において、直接加熱ステップを例示したフローチャート図である。 実施形態に係るワークの製造方法において、伝熱部材をワークの内部に差し込んだ状態を例示した図である。 実施形態の変形例１に係るワークの製造方法において、伝熱部材をワークの内部に差し込んだ状態を例示した図である。 実施形態の変形例２に係るワークの製造方法において、伝熱部材をワークの内部に差し込んだ状態を例示した図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。図面が煩雑にならないように、一部のハッチング、符号を省略している。

（実施形態）
実施形態に係るワーク製造システム及びワークの製造方法を説明する。まず、ワーク製造システムの構成を説明する。その後、ワーク製造システムを用いたワークの製造方法を説明する。

（ワーク製造システムの構成）
図１は、実施形態に係るワーク製造システムにおいて、加熱装置を例示した構成図である。図２は、実施形態に係るワーク製造システムにおいて、ワークを加熱する伝熱部材を例示した上面図である。図１及び図２に示すように、ワーク製造システム１００は、加熱装置１を備えている。ワーク製造システム１００は、加熱装置１の他に、ワーク１０を製造する上で必要な成形装置等の他の装置を備えてもよい。以下で、加熱装置１の概要を説明する。その後、加熱装置１の加熱対象であるワーク１０及び加熱装置１の構成を説明する。

＜加熱装置＞
加熱装置１は、ＣＦＲＰを有するワーク１０を加熱する。加熱装置１は、ワーク１０を加熱するための構成として、チャンバー２０、水蒸気加熱部３０、伝熱部材４０、制御部５０を含む。また、加熱装置１は、温度計２２、温度センサ２３を含んでもよい。

＜ワーク＞
ワーク１０は、例えば、ＣＦＲＰを有している。ＣＦＲＰは、材質に炭素繊維と樹脂とを含む。ＣＦＲＰには、例えば、熱可塑性ＣＦＲＰ及び熱硬化性ＣＦＲＰの２種類がある。熱可塑性ＣＦＲＰは、低温から高温になると、硬化した状態から徐々に軟化した状態に変化していく性質を有している。ここで、温度の上昇によって軟化し、変形を始めるときの温度を軟化温度という。一方、熱硬化性ＣＦＲＰは、低温から高温になると、軟化した状態から徐々に硬化した状態に変化していく性質を有している。本実施形態のワーク１０は、例えば、熱可塑性ＣＦＲＰを含んでいる。

ワーク１０は、例えば、板状である。その場合には、ワーク１０は、平坦な板面を有している。板面を平面部１０ａと呼ぶ。板面に直交する方向の長さを厚みと呼ぶ。また、ワーク１０は、立方体のようなブロック状でもよい。その場合には、長さが最も小さい辺の長さを厚みと呼ぶ。最も小さい辺が延びる方向に直交する面を平面部１０ａと呼ぶ。ワーク１０を加熱する際には、ワーク１０をチャンバー２０内に配置する。

＜チャンバー＞
チャンバー２０は、被加熱物としてワーク１０を収容する容器である。チャンバー２０の内部は、例えば、密閉されている。チャンバー２０は、水蒸気加熱部３０に接続されている。チャンバー２０は、ワーク１０を加熱する際には、チャンバー２０の内部を、過熱水蒸気３３で充満させることができる。チャンバー２０の壁の一部には、耐熱ガラス２１が設けられてもよい。耐熱ガラス２１を通して、放射温度計等の温度計２２は、ワーク１０の表面温度を測定する。

なお、ワーク１０の内部温度を測定する際には、例えば、温度センサ２３を、ワーク１０の内部に差し込んで、ワーク１０の内部温度を測定する。また、ワーク１０の表面温度及び内部温度を測定する放射温度計、温度センサ等は、複数あってもよい。温度計２２及び温度センサ２３は、例えば、信号配線等の情報伝達手段により制御部５０に接続され、取得した温度の情報を制御部５０に対して出力する。

＜水蒸気加熱部＞
水蒸気加熱部３０は、過熱水蒸気３３によって、ＣＦＲＰの軟化温度よりも高い温度までワーク１０を加熱する。具体的には、水蒸気加熱部３０は、チャンバー２０内に過熱水蒸気３３を噴出させる。そして、水蒸気加熱部３０は、チャンバー２０内を過熱水蒸気３３で充満させる。これにより、水蒸気加熱部３０は、過熱水蒸気３３をワーク１０の表面に接触させることによって、ワーク１０の少なくとも表面を含む部分を、ＣＦＲＰの軟化温度よりも高い温度まで加熱する。

水蒸気加熱部３０は、例えば、ボイラー３１、過熱水蒸気発生機３２、過熱水蒸気噴出部３４を有している。なお、水蒸気加熱部３０は、ワーク１０の少なくとも表面を含む部分を、ＣＦＲＰの軟化温度よりも高い温度まで加熱することができれば、ボイラー３１、過熱水蒸気発生機３２、過熱水蒸気噴出部３４以外の部材を含んでもよいし、ボイラー３１、過熱水蒸気発生機３２、過熱水蒸気噴出部３４の部材のいくつかを除外してもよい。

過熱水蒸気発生機３２は、過熱水蒸気３３を発生させる装置である。過熱水蒸気発生機３２は、ボイラー３１で発生させた飽和水蒸気を、さらに加熱し、高温の過熱水蒸気３３を発生させる。発生させた過熱水蒸気３３は、チャンバー２０内に配置された過熱水蒸気噴出部３４からワーク１０の表面に対して噴射される。図では、過熱水蒸気発生機３２と過熱水蒸気噴出部３４とを結ぶ配管は省略してある。

ボイラー３１及び過熱水蒸気発生機３２は、例えば、信号配線等の情報伝達手段により制御部５０に接続され、水蒸気の発生量及び水蒸気の温度等を制御部５０によって制御される。

＜伝熱部材＞
伝熱部材４０は、チャンバー２０の内部に配置されている。伝熱部材４０は、軟化温度に達したワーク１０の表面を含む部分に差し込まれる。そして、伝熱部材４０は、ワーク１０の内部を直接加熱する。伝熱部材４０は、例えば、過熱水蒸気３３を噴出する過熱水蒸気ノズルを含んでいる。その場合には、伝熱部材４０は、ワーク１０の内部に差し込んだ過熱水蒸気ノズルから過熱水蒸気３３を噴出させて、ワーク１０の内部を直接加熱する。また、伝熱部材４０は、例えば、ヒータを含んでもよい。その場合には、伝熱部材４０は、ワーク１０の内部に差し込んだヒータの熱によって、ワーク１０の内部を直接加熱する。

伝熱部材４０は、例えば、差込部４１及び連結部４２を含んでいる。差込部４１は、複数設けられている。各差込部４１は、管状または棒状の部材である。例えば、各差込部４１は、ワーク１０の平面部１０ａの上方に配置され、平面部１０ａに直交する鉛直方向に延びている。各差込部４１の一方の端部４１ａは、下方に位置し、ワーク１０に対向するように配置されている。各差込部４１の他方の端部４１ｂは、上方に位置し、連結部４２に連結されている。連結部４２は、複数の管状または棒状の部材を含んでいる。連結部４２における複数の棒状または管状の部材は、平面部１０ａに平行な水平面内で格子状に構成されている。各差込部４１の他方の端部４１ｂは、連結部４２を構成する格子の交点に連結されている。

伝熱部材４０が過熱水蒸気ノズルを含む場合には、例えば、差込部４１及び連結部４２は管状の部材で構成され、過熱水蒸気発生機３２で発生させた過熱水蒸気３３が連結部４２及び差込部４１の管内を通って、一方の端部４１ａから噴出される。伝熱部材４０がヒータを含む場合には、例えば、差込部４１は棒状のヒータとなっている。そして、図示しない電源から、連結部４２を介して差込部４１に電流が供給される。伝熱部材４０を軟化したワーク１０に差し込むことにより、ワーク１０の内部を、過熱水蒸気３３またはヒータの発熱により、直接加熱することができる。

伝熱部材４０にワーク１０の内部温度を測定する温度センサ２３が取り付けられてもよい。このような構成とすることにより、伝熱部材４０をワーク１０に差し込む際に、温度センサ２３も伝熱部材４０とともにワーク１０に差し込むことができる。

伝熱部材４０は、例えば、信号配線等の情報伝達手段により制御部５０に接続されている。伝熱部材４０及び温度センサ２３のワーク１０への差し込み動作、ワーク１０からの引き抜き動作、並びに、伝熱部材４０による加熱温度等は、制御部５０によって制御される。

＜制御部＞
制御部５０は、ワーク１０の表面温度及び内部温度に基づいて、水蒸気加熱部３０及び伝熱部材４０の出力を制御する。制御部５０は、ワーク１０の表面温度及び内部温度が所定の設定温度に達するように、温度計２２及び温度センサ２３によって監視しながら、水蒸気加熱部３０及び伝熱部材４０をフィードバック制御する。これにより、ワーク１０に含まれる樹脂がどのような種類の場合にも対応して、ワーク１０を急速に加熱することができる。

また、制御部５０は、ワーク１０の温度が所定の軟化温度に到達したとき、伝熱部材４０をワーク１０の内部に差し込むように、伝熱部材４０の動作を制御する。具体的には、制御部５０は、ＣＦＲＰの軟化温度に達したワーク１０の表面を含む部分に、伝熱部材４０を差し込む。なお、制御部５０は、伝熱部材４０とともに温度センサ２３をワーク１０に差し込んでもよい。その際、制御部５０は、内部温度に基づいて、伝熱部材４０及び温度センサ２３をワーク１０に差し込む深さを制御する。

＜ワークの製造方法＞
次に、ワーク１０の製造方法を説明する。ワーク１０の製造方法は、材質に炭素繊維と樹脂とを含むＣＦＲＰを有するワーク１０を加熱する加熱ステップを備える。ワークの製造方法は、加熱ステップの他に、ワーク１０を製造する上で必要な成形ステップ等の他のステップを備えてもよい。以下で、ワーク１０の加熱ステップを、フローチャート図を参照しながら説明する。

＜ワークの加熱ステップ＞
図３は、実施形態に係るワークの製造方法において、ワークを加熱する加熱ステップを例示したフローチャート図である。図３のステップＳ１１及びステップＳ１２に示すように、本実施形態のワーク１０を加熱する加熱ステップは、水蒸気加熱ステップ及び直接加熱ステップを含んでいる。水蒸気加熱ステップは、過熱水蒸気３３をワーク１０の表面に接触させることによって、ワーク１０の少なくとも表面を含む部分を、ＣＦＲＰの軟化温度よりも高い温度まで加熱するステップである。一方、直接加熱ステップは、軟化温度に達したワーク１０の表面を含む部分に伝熱部材４０を差し込み、ワーク１０の内部を直接加熱するステップである。以下で、各加熱ステップを説明する。まず、水蒸気加熱ステップを説明する。

＜水蒸気加熱ステップ＞
図４は、本実施形態に係るワークの製造方法において、水蒸気加熱ステップを例示したフローチャート図である。図５は、実施形態に係るワークの製造方法において、加熱温度を制御するイメージを例示した図である。

まず、図４のステップＳ２１に示すように、ワーク１０の表面温度を測定する。表面温度の測定は、例えば、放射温度計等の温度計２２により行われる。なお、ワーク１０の表面温度の測定は、放射温度計等の非接触の温度計２２に限らず、接触式の温度計２２でもよい。測定された温度を測定温度という。

次に、図４のステップＳ２２に示すように、温度差Ｕを算出する。温度差Ｕは、ワーク１０の設定温度とワーク１０の表面の測定温度との差である。設定温度は、例えば、ワーク１０に含まれるＣＦＲＰの軟化温度よりも高い温度である。例えば、制御部５０により、温度差Ｕが算出される。

温度差ＵがＵ＞０の場合には、図４のステップＳ２３及びステップＳ２４に示すように、制御部５０は、水蒸気加熱部３０の過熱水蒸気発生機３２に対して、水蒸気の温度を上げるように制御する。また、制御部５０は、水蒸気加熱部３０のボイラー３１に対して、水蒸気量を増加させるように制御する。制御部５０は、上記の過熱水蒸気発生機３２及びボイラー３１に対する制御を同時に行ってもよい。

このようにして、図５に示すように、制御部５０は、水蒸気温度及び水蒸気量を制御して、ワーク１０の温度を上昇させる。その後、図４のステップＳ２７に示すように、ワーク１０の表面温度を測定するために、ステップＳ２１に戻る。

一方、ステップＳ２２において、温度差ＵがＵ＜０の場合には、図４のステップＳ２５及びステップＳ２６に示すように、制御部５０は、過熱水蒸気発生機３２に対して、水蒸気の温度を下げるように制御する。また、制御部５０は、ボイラー３１に対して、水蒸気量を減少させるように制御する。制御部５０は、上記の過熱水蒸気発生機３２及びボイラー３１に対する制御を同時に行ってもよい。このようにして、図５に示すように、制御部５０は、水蒸気温度及び水蒸気量を制御して、ワーク１０の温度を降温させる。その後、ステップＳ２７に示すように、ワーク１０の表面の温度を測定するために、ステップＳ２１に戻る。

ステップＳ２２において、温度差ＵがＵ＝０の場合には、図４のステップＳ２８に示すように、制御部５０は、温度差Ｗを算出する。温度差Ｗは、ワーク１０の設定温度と、後述するワーク１０の内部の測定温度との差である。温度差Ｗ≠０ならば、ステップＳ２１に戻り、ワーク１０の表面温度を測定する。

一方、温度差Ｗ＝０ならば、図４のステップＳ２９に示すように、過熱水蒸気３３の噴射を停止する。これにより、水蒸気加熱ステップは終了する。

このように、本実施形態の水蒸気加熱ステップにおいて、制御部５０は、温度計２２によって測定されたワーク１０の表面温度に基づいて、水蒸気加熱部３０の出力を制御する。なお、ワーク１０の材質やその後の成形条件によっては、温度差Ｕを算出する際のワーク１０の設定温度と、温度差Ｗを算出する際のワーク１０の設定温度とは、異なっていてもよい。

また、温度差Ｕ及びＷが、一時的にＵ＝０及びＷ＝０である場合、例えば、温度上昇時に設定温度を通過して一時的にＵ＝０及びＷ＝０である場合を省くように、制御部５０は、例えば、所定の時間に渡って、Ｕ＝０及びＷ＝０であることを確認して、Ｕ＝０及びＷ＝０と判断するようにする。また、Ｕ＝０及びＷ＝０とは、温度差Ｕ及びＷが正確に０の場合だけでなく、所定の誤差範囲を含むようにしてもよい。

図６は、実施形態に係るワークの製造方法において、ワークの表面温度と、ワークの内部温度とを例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、縦軸は、表面温度（グラフ中で「表面」と示す。）及び内部温度（グラフ中で「内部」と示す。）を示す。なお、表面温度及び内部温度は、それぞれ複数測定している。

図６に示すように、過熱水蒸気３３によりワーク１０を加熱する水蒸気加熱ステップでは、ワーク１０の表面から内部へ熱伝導で温度が伝わるので、ワーク１０の表面温度の上昇に比べて、ワーク１０の内部温度の上昇は遅い。例えば、加熱完了において、ワーク１０の表面温度は、ワーク１０の内部温度よりも高くなっている。

そこで、本実施形態では、ワーク１０に含まれるＣＦＲＰが軟化した後に、伝熱部材４０をワーク１０の内部に差し込み、ワーク１０の内部を直接加熱する。このような直接加熱ステップを用いることにより、加熱時間を大幅に短縮することができる。

なお、図６に示すように、加熱完了後、ワーク１０を加熱装置１から取り出すと、ワーク１０の表面温度は低下するが、ワーク１０の内部温度は、表面からの熱伝導で温度が上昇する。ワーク１０の成形を開始した後は、表面温度は低下し、内部温度が表面温度よりも高くなって、温度が逆転している。

＜直接加熱ステップ＞
次に、直接加熱ステップを説明する。
図７は、実施形態に係るワークの製造方法において、直接加熱ステップを例示したフローチャート図である。図８は、実施形態に係るワークの製造方法において、伝熱部材４０をワーク１０の内部に差し込んだ状態を例示した図である。

図７のステップＳ３１に示すように、まず、ワーク１０の表面温度を測定する。ワーク１０の表面温度を測定する際には、例えば、放射温度計等の温度計２２を用いて測定する。なお、ワーク１０の表面温度の測定は、放射温度計のような非接触の温度計２２に限らず、接触式の温度計２２でもよい。

次に、図７のステップＳ３２に示すように、制御部５０は、温度差Ｖを算出する。温度差Ｖは、ワーク１０の表面の測定温度と、ワーク１０の軟化温度との差である。軟化温度は、ワーク１０に含まれるＣＦＲＰの軟化温度である。制御部５０は、温度差ＶがＶ＜０の場合には、ステップＳ３１に戻り、ワーク１０の温度測定を引き続き行う。

一方、温度差ＶがＶ≧０の場合には、図７のステップＳ３３に示すように、伝熱部材４０をワーク１０の内部に差し込む。例えば、制御部５０の制御により、伝熱部材４０における差込部４１の一方の端部４１ａをワーク１０の内部に差し込む。ワーク１０に含まれるＣＦＲＰは、軟化温度になると軟化する。これにより、ワーク１０の内部に伝熱部材４０を差し込むことができる。

図８に示すように、伝熱部材４０として、過熱水蒸気３３を噴出する過熱水蒸気ノズルを差し込む場合には、一方の端部４１ａより過熱水蒸気３３を噴射させて、ワーク１０の内部を加熱する。例えば、過熱水蒸気３３の噴射は、制御部５０により制御される。伝熱部材４０を、水蒸気加熱ステップで用いられる過熱水蒸気発生機３２に連結させる。これにより、水蒸気加熱ステップと同様の過熱水蒸気発生機３２で発生させた過熱水蒸気３３を用いることができる。よって、加熱装置１に特別な装置を付加しなくても直接加熱ステップを行うことができる。

例えば、伝熱部材４０として、ヒータを差し込む場合には、ヒータの出力等は、制御部５０により制御される。

次に、図７のステップＳ３４に示すように、ワーク１０の温度を測定する。例えば、制御部５０は、ワーク１０の内部温度を測定する。ワーク１０の内部温度を測定する際には、例えば、ワーク１０の内部に差し込む差込温度計等の温度センサ２３を用いてもよい。

次に、図７のステップＳ３５に示すように、制御部５０は、温度差Ｗを算出する。温度差Ｗは、ワーク１０の設定温度と、ワーク１０の内部の測定温度との差である。制御部５０は、温度差ＷがＷ＞０の場合には、ステップＳ３６に示すように、ワーク１０の内部の加熱を維持または増加させる。具体的には、伝熱部材４０として、過熱水蒸気ノズルを用いた場合には、過熱水蒸気ノズルより噴出させる過熱水蒸気３３の温度の上昇、過熱水蒸気３３の量の増加、または、過熱水蒸気３３の噴射の維持を行う。また、伝熱部材４０として、ヒータを用いた場合には、ヒータの発熱量の増加、または、発熱量の維持を行う。どの程度の量及びどの程度の時間、増加させるか、または、維持させるかは、温度差Ｗの値により判断される。そして、ステップＳ３８に示すように、ワーク１０の内部の温度測定をするために、ステップＳ３４に戻る。

一方、温度差ＷがＷ＜０の場合には、ステップＳ３７に示すように、ワーク１０の内部の加熱を低減または停止させる。具体的には、伝熱部材４０として、過熱水蒸気ノズルを用いた場合には、過熱水蒸気ノズルより噴出させる過熱水蒸気３３の温度の低下、過熱水蒸気３３の量の低減、または、過熱水蒸気３３の噴射の停止を行う。また、伝熱部材４０として、ヒータを用いた場合には、ヒータの発熱量の低減、または、ヒータの停止を行う。どの程度の量及びどの程度の時間、低減させるか、または、停止させるかは、温度差Ｗの値により判断される。そして、図７のステップＳ３８に示すように、ワーク１０の内部の温度測定をするために、ステップＳ３４に戻る。

また、温度差ＷがＷ＝０ならば、図７のステップＳ３９に示すように、制御部５０は、温度差Ｕを算出する。温度差Ｕは、ワーク１０の設定温度と、前述したワーク１０の表面の測定温度との差である。温度差Ｕ≠０ならば、ステップＳ３４に戻り、ワーク１０の内部温度を測定する。

このように、本実施形態の直接加熱ステップでは、温度センサ２３によって測定されたワーク１０の内部温度に基づいて、伝熱部材４０の出力を制御する。なお、温度センサ２３によって測定されたワーク１０の内部温度に基づいて、伝熱部材４０の出力を制御するとともに、伝熱部材４０及び温度センサ２３をワーク１０に差し込む深さを制御してもよい。

一方、ステップＳ３９において、温度差Ｕ＝０ならば、図７のステップＳ４０に示すように、制御部５０は、伝熱部材４０によるワーク１０の加熱を停止する。具体的には、伝熱部材４０が過熱水蒸気ノズルの場合には、過熱水蒸気３３の噴射を停止する。伝熱部材４０がヒータの場合には、ヒータへの電流を切断とする。そして、伝熱部材４０をワーク１０から引き抜く。このようにして、直接加熱ステップは終了する。

なお、ワーク１０の材質やその後の成形条件によっては、温度差Ｕを算出する際のワーク１０の設定温度と、温度差Ｗを算出する際のワーク１０の設定温度とは、異なっていてもよいこと、及び、制御部５０は、例えば、所定の時間に渡って、Ｕ＝０及びＷ＝０であることを確認して、Ｕ＝０及びＷ＝０と判断するようにすることは、前述の水蒸気加熱ステップの場合と同様である。

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態のワーク製造システム１００は、水蒸気加熱部３０及び伝熱部材４０を有している。そして、水蒸気加熱部３０によって、ワーク１０を軟化させた後、伝熱部材４０をワーク１０に差し込んで、ワーク１０の内部を直接加熱している。これにより、ワーク１０の表面からの加熱の他に、ワーク１０の内部を直接加熱することができる。よって、加熱時間を大幅に短縮することができる。

単に、ワーク１０の表面に過熱水蒸気３３を接触させて加熱する方法では、ワーク１０の芯まで昇温させることに時間がかかる。特に、厚みのあるワーク１０の場合には、ワーク１０の加熱に長時間を要し、量産向けではない。また、熱伝導率が小さい熱可塑性ＣＦＲＰを材料に含む場合にも、単に、ワーク１０の表面から熱伝導を用いて加熱する方法では、内部への熱伝導に時間を要することとなる。

しかしながら、本実施形態のワーク製造システム１００においては、加熱ステップの途中から、伝熱部材４０をワーク１０に差し込んで、ワーク１０の内部を直接加熱する。よって、加熱時間を大幅に短縮することができるので、量産に適用することができる。

また、本実施形態のワーク製造システム１００は、伝熱部材４０を差し込み可能な熱可塑性ＣＦＲＰを材質に含むワーク１０の加熱に適用される。具体的には、ＣＦＲＰには、熱可塑性ＣＦＲＰと熱硬化性ＣＦＲＰの２種類あるが、本実施形態では、熱可塑性ＣＦＲＰを含むワーク１０を軟化させた後、伝熱部材４０をワーク１０に差し込んで、ワーク１０の内部を直接加熱する。また、制御部５０は、熱可塑性ＣＦＲＰの軟化温度の違いに対応して、フィードバック制御する。このように、本実施形態では、ワーク１０の材質に適切な加熱方法を用いることができ、加熱時間を大幅に短縮することができる。

熱可塑性ＣＦＲＰの中には、軟化とともに板厚膨張するものがある。その場合には、表面から内部への熱伝導の速度はさらに低下する。また、板厚膨張した熱可塑性ＣＦＲＰの表面付近に空気層ができる場合があり、その場合には、表面から内部への熱伝導の速度がさらに低下する。しかしながら、本実施形態のワーク製造システム１００では、伝熱部材４０をワーク１０に差し込んで、内部を直接加熱する。これにより、ワーク表面と内部の温度差を縮小し、短時間でワーク１０を加熱することができる。

また、本実施形態のワーク製造システム１００は、加熱装置１の側面に耐熱ガラス２１を設置し、放射温度計によって耐熱ガラス２１越しにワーク１０の表面温度を測定している。また、温度センサ２３をワーク１０に差し込んで、ワーク１０の内部温度を測定している。そして、ワーク１０の表面温度及び内部温度を監視し、水蒸気加熱部３０及び伝熱部材４０の出力、具体的には、ボイラー３１が発生させる水蒸気量、過熱水蒸気発生機３２における水蒸気を加熱する出力、過熱水蒸気ノズルから噴出する過熱水蒸気量、及び、ヒータの出力等をフィードバック制御させている。よって、ワーク１０の表面及び内部の温度ムラを捉え、温度を最適化することができる。これにより、加熱時間を大幅に短縮することができる。また、加熱に要するエネルギーを最適化することができるため、消費エネルギーを低減することができる。

本実施形態のワーク１０の製造方法は、水蒸気加熱ステップ及び直接加熱ステップを有している。そして、水蒸気加熱ステップにおいて、ワーク１０を軟化させた後、直接加熱ステップにおいて、伝熱部材４０をワーク１０に差し込んで、ワーク１０の内部を直接加熱している。これにより、ワーク１０の水蒸気加熱ステップの途中から、直接加熱を行うことができるようになるため、加熱時間を大幅に短縮することができる。

（変形例１）
次に、実施形態の変形例１を説明する。
図９は、実施形態の変形例１に係るワークの製造方法において、伝熱部材４０をワーク１０の内部に差し込んだ状態を例示した図である。図９に示すように、本変形例のワーク１１は、直接加熱ステップにおいて、軟化層１１ａ及び硬化層１１ｂを有している。

本変形例では、伝熱部材４０の差込部４１を、ワーク１１の軟化層１１ａに差し込み、ワーク１０の硬化層１１ｂを直接加熱している。これにより、ワーク１０の内部の硬化層１１ｂを軟化層１１ａに変化させる。そして、軟化層１１ａに転じた部分に伝熱部材４０をさらに差し込む。

このように、本変形例では、軟化層１１ａに転じた部分にさらに伝熱部材４０を差し込み、ワーク１０の内部を直接加熱することができるので、加熱時間をさらに短縮することができる。軟化層１１ａに転じた部分に伝熱部材４０をさらに差し込む際には、温度センサ２３もさらに差し込んでもよい。これにより、ワーク１０の内部温度を高精度で測定することができる。

（変形例２）
次に、実施形態の変形例２を説明する。
図１０は、実施形態の変形例２に係るワークの製造方法において、伝熱部材４０をワークの内部に差し込んだ状態を例示した図である。図１０に示すように、本変形例のワーク１２は、軟化と共に膨張するＣＦＲＰを含んでいる。

熱可塑性樹脂を含むＣＦＲＰには、熱可塑性樹脂の材質によって、軟化と共に膨張するＣＦＲＰと、軟化の際に膨張しないＣＦＲＰの２種類がある。軟化と共に膨張するＣＦＲＰは、表面から軟化していくにつれ、表面から徐々に膨張する。このようなＣＦＲＰを加熱する場合、膨張するにつれ、スポンジのような構造になるため、ＣＦＲＰを含むワーク１０の密度が低下し、ワーク１２の内部への熱伝導率が低下する。また、膨張することによって、表面からワーク１２の内部への距離も大きくなる。このように、軟化と共に膨張するＣＦＲＰでは、過熱水蒸気３３による表面からの加熱だけでは、内部を加熱するのに長時間を要するようになる。

これに対して、本変形例では、ワーク１２の内部に伝熱部材４０を差し込み、ワーク１２の内部を直接加熱している。よって、軟化と共に膨張するＣＦＲＰにおいても、ワーク１２の隅々まで過熱水蒸気３３を充満させることができ、加熱時間をさらに短縮することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、本実施形態の水蒸気加熱ステップ及び直接加熱ステップにおいて、設定温度と、ワーク１０の表面温度との温度差Ｕ、及び、設定温度と、ワーク１０の内部温度との温度差Ｗが、ともに０になった時に、各加熱ステップが終了するようにしたが、これに限らない。ワーク１０の材質やその後の成形条件によっては、一方のみ設定温度に達した時点で、ワーク１０の加熱を終了してもよい。また、ワーク１０の材質やその後の成形条件によっては、水蒸気加熱ステップの設定温度と、直接加熱ステップの設定温度とが異なっていてもよい。

また、伝熱部材４０は、ワーク１０に対向する差込部４１と、格子状の連結部４２とを有する構成としたが、これに限らない。ワーク１０の内部に差し込み、ワーク１０の内部を直接加熱することができれば、どのような構成でもよい。さらに、差込部４１が延びる方向は、鉛直方向に限らず、適宜選択してもよい。また、各差込部４１が延びる方向は、一様でなくてもよい。

水蒸気加熱部３０が接続されるチャンバー２０は、加熱炉に限らず、成形型における型内でもよい。

１ 加熱装置
１０ ワーク
１０ａ 平面部
１１ ワーク
１１ａ 軟化層
１１ｂ 硬化層
１２ ワーク
２０ チャンバー
２１ 耐熱ガラス
２２ 温度計
２３ 温度センサ
３０ 水蒸気加熱部
３１ ボイラー
３２ 過熱水蒸気発生機
３３ 過熱水蒸気
３４ 過熱水蒸気噴出部
４０ 伝熱部材
４１ 差込部
４１ａ、４１ｂ 端部
４２ 連結部
５０ 制御部
１００ ワーク製造システム

Claims (8)

1. 材質に炭素繊維と樹脂とを含む炭素繊維強化プラスチックを有するワークを加熱する加熱装置を備えたワーク製造システムであって、
   前記加熱装置は、
   過熱水蒸気を前記ワークの表面に接触させることによって、前記ワークの少なくとも前記表面を含む部分を、前記炭素繊維強化プラスチックの軟化温度よりも高い温度まで加熱する水蒸気加熱部と、
   前記軟化温度に達した前記ワークの前記表面を含む部分に差し込まれ、前記ワークの内部を直接加熱する伝熱部材と、
   を含む、
   ワーク製造システム。
2. 前記伝熱部材は、前記過熱水蒸気を噴出する過熱水蒸気ノズルを含む、
   請求項１に記載のワーク製造システム。
3. 前記伝熱部材は、ヒータを含む、
   請求項１に記載のワーク製造システム。
4. 前記ワークの表面温度を測定する温度計と、
   前記前記ワークの内部温度を測定する温度センサと、
   前記表面温度及び前記内部温度に基づいて、前記水蒸気加熱部及び前記伝熱部材の出力を制御する制御部と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記内部温度に基づいて、前記伝熱部材及び前記温度センサを前記ワークに差し込む深さを制御する、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のワーク製造システム。
5. 材質に炭素繊維と樹脂とを含む炭素繊維強化プラスチックを有するワークを加熱する加熱ステップを備えたワークの製造方法であって、
   前記加熱ステップは、
   過熱水蒸気を前記ワークの表面に接触させることによって、前記ワークの少なくとも前記表面を含む部分を、前記炭素繊維強化プラスチックの軟化温度よりも高い温度まで加熱する水蒸気加熱ステップと、
   前記軟化温度に達した前記ワークの前記表面を含む部分に伝熱部材を差し込み、前記ワークの内部を直接加熱する直接加熱ステップと、
   を含む、
   ワークの製造方法。
6. 前記直接加熱ステップにおいて、
   前記伝熱部材として、前記過熱水蒸気を噴出する過熱水蒸気ノズルを差し込む、
   請求項５に記載のワークの製造方法。
7. 前記直接加熱ステップにおいて、
   前記伝熱部材として、ヒータを差し込む、
   請求項５に記載のワークの製造方法。
8. 前記水蒸気加熱ステップにおいて、
   温度計によって測定された前記ワークの表面温度に基づいて、前記過熱水蒸気の温度を制御し、
   前記直接加熱ステップにおいて、
   温度センサによって測定された前記ワークの内部温度に基づいて、前記伝熱部材の出力を制御するとともに、前記伝熱部材及び前記温度センサを前記ワークに差し込む深さを制御する、
   請求項５～７のいずれか１項に記載のワークの製造方法。

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