JPS6139114A

JPS6139114A - 表面温度制御装置

Info

Publication number: JPS6139114A
Application number: JP11866885A
Authority: JP
Inventors: スコツト・シー・ホールデン; ジヨン・エヌ・ボーダー; ナム・ピー・スー
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-06-01
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1986-02-25
Also published as: EP0164259A2; EP0164259A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は一般的には表面温度制Ｗ装置、さらにとくには
本体表面の熱応答および断熱特性を制御するための表面
温度制御装置に関する。

本体に付加されるエネルギ束に対する表面の熱応答を制
御することによって、またその表面からのエネルギ束伝
達を制御するようにその表面の断熱特性を制御すること
によって、本体の表面温度および熱損失を制御すること
はしばしば好ましくまたある場合には必要となる。たと
えばある適用例では、加熱サイクルの間むだな電力を消
費することなく表面がある所定湿度まで加熱され次に比
較的急速に冷却されるように表面温度を制御することが
しばしば好ましくなる。

たとえばプラスチック成型工程においては、成型材料が
型内へ射出されている間型表面の温度を高めて（エネル
ギ束を熱の形で付加づ°ることにより、すなわち強制熱
源を使用することにより、あるいは溶融成型材料自身か
らの供給熱を使用することにより）射出工程の間比較的
高温に保持し、次に部品取出しのために表面と成型部品
とを冷却することが有益である場合がしばしばある。さ
らに、成型部品内の温度勾配を制限するように冷却速度
を制御することが好ましく、これにより残留応力を減少
可能である。このような熱冷却工程は成型部品の特性を
改良するものではあるが、このような成型部品の製作時
間、または大量生産の場合の全製作時間を増大させるも
のであってはならない。

型の表面温度を独立に制御させることによりたとえば現
在の射出成型工程におけるような成型工程の改良が達成
河能である。成型装置におけるこのような温度および熱
流の正確な制御により、たとえば射出中の溶融材料の流
動コラムの冷却固化は回避され薄物および長物の製作も
可能である。

射出成型中の表面温度および冷却中の表面からの熱損失
を制御することにより、残留応力すなわち分子配列、し
たがって光学特性および表面特性、ちまた改良可能であ
る。さらに表剰渇度を制御するのに別の表面層を使用す
る場合、それは射出成型圧力に耐えると同時にその伯の
必要な描込上の要求も満足しなければならない。

来技術とその問題点たとえば固体などの表面温度を制御１“る方法の１つと
して、その固体の全体を加熱する方法がある。この方法
は、たとえば型本体の表面温度制御に従来用いられてき
た。しかしながらこの場合、必要なエネルイ量は比較的
大きく、このような表面の冷却時間とくに成型工程中の
冷却時間が比較的長くなるので、この方法を商業生産に
有効に適用することは、生産速度を上げる必要がある場
合は制約される。表面を所定温度まで上げる代りに、選
定した中間温度まで加熱する方法がしばしば実行される
が、この方法は最適応力緩和すなわち最適冷却が可能で
はなくむしろ折衷的の方法である。

表面温度制御の他の方法は、たとえばＦ、　Ｊ、　Ｎｕｓｓｂａｕｍに対し１９７３年５月１
５日および１９７３年１０月２日のそれぞれの日に発行
された米国特許第３、７７３．１６１号および第３．７
６３．２４３号、およびＮ、Ｐ、Ｓｕｈ他に対し１９８
２年７月６日に発行された米国特許第４，３３８，０６
８号に提示されている。これらの特許においては、型の
輪郭壁の比較的薄い−が熱伝導性に作られ、型本体と結
合された複数個の流体熱導管またはチャンネルが輪郭壁
の種々の領域の湿度を制御するように熱伝達流れを導入
している。しかしながら、この方法はチャンネルに対す
る構造的サポートが不完全なこと、４Ｉ造が複雑なこと
、および極端な温度条件間の急速な加熱および冷却に対
し材料が追従しないこと、などにより用途が制約される
。

とくに冷却中は、ｓｕｈ他の方法はヒートパイプ装置の
使用を必要とし、この構造は比較的複雑で製作費がかか
る。

他の従来技術では、型本体上に電気抵抗材料の層を設け
てそれに電位を負荷することにより表面加熱を実施して
いる。たとえばり、　ｌ、、　Ｂｏｌｓｔａｄに対し１
９６１年４月１８日に発行された米国特許第２．９７９
．７７３号および−，Ｊ、　Ｙａｎｇに対し１９８３年
６月２８日に発行された米国特許第４，３９０，４１５
号はこの方法を開示している。この方法は一般に相当の
電力を必要とし、そして、それに含まれる熱抵抗は比較
的に小さいので、型本体全体の実質的加熱に長時間を要
し、したがって冷却時間も比較的良くなる。

従来技術の表面層を使用したときに発生する他の問題は
、加熱冷却サイクル、とくに回数の多いこのサイクルの
間中に発生する熱応力に有効に耐え得ないことであり、
この層は破損したり剥離したりしがちであり、そのため
それが有する有効１１を失うことになる。

したがって、たとえば加熱サイクル中に表面温度を上げ
るためエネルギ束を変化させるのに必要な時間とエネル
ギ揚とを最小し、たとえば表面の冷却のような次のエネ
ルギ束の変化が加熱完了後ただちに制御された方法で比
較的迅速かつ容易に実行可能であるように熱慣性を最小
にして表面の温度を制御する技術を発明することが必要
である。

もしこのような制御が成型工程で実行可能ならば、プラ
スチック成型工程の射出サイクルのような短かい時間内
に温度勾配をつくるのにはたとえば加工材料から与えら
れる熱を使用することが可能である。強制加熱源を使用
するときは、加熱要素に必要とされる電力密度を最小と
することがまたさらに好ましい。さらに、この表面層の
材料は広い温度範囲にわたる相当の回数の加熱冷却サイ
クルに耐えてしかもなおその構造一体性の維持が可能で
あることが好ましい。

発明の摘要本発明によると、エネルギ束に曝される本体の付着表面
層は、層および本体内に形成される温度勾配の主要部分
とくにその実質的部分が層内に存在してこの湿度勾配を
形成するために必要なエネルギ伝達を最小にするように
、層および本体内の温度勾配を制御可能である。本体の
負部特性および熱伝導特性だけではその表面はただ比較
的緩慢な熱応答しか示さないが、このような層を選定す
ると本体表面に起る温度の急速な変化も可能にする。た
とえば型本体の表面に設ける材料層の熱抵抗は、急激な
表面加熱を実行するために充分に大きくなければならな
いが、表面および型に射出された加工成型材料を比較的
急激に冷却させるのに差し支えるほど大きくてはならな
い。付加される熱に急速に応答するように比較的小さい
熱慣性（小さい熱質量）を有し、また加熱源を取除いた
とき急速ではあるがしかし制御された方法で応答して冷
却されるよう良好な断熱特性を有する材料の比較的薄い
断熱層でこれが達成されることが見出された。

この目的のためには一般に、平衡温度勾配が主としてこ
の比較的薄い表面層内で形成されるように材料特性が選
定される。熱応答の好ましい制御を達成するためには材
料は低密度ρ、低熱容量Ｃ１、および低熱伝導率ｋを有
するように選定することが好ましい。一般には、この選
定は通常積ρＣｐＫをなるべく小さくすること、すなわ
ちこの値を大抵の固体メタルに関して低い範囲である１
、０（ワット／ｃ２／’Ｃ）２　・秒という値より少く
とも１桁小さくすることが必要であり、さらに２ないし
３桁小さければより好ましい。

この層を用いた本体表面の熱応答は、大抵の場合この層
を使用しないときより少くとも１桁速い。

この点で有用であると思われる材料はエポキシ樹脂また
はシリコン樹脂のようなポリマープラスチック材料であ
る。このような断熱樹脂層は、比較的小さい熱慣性を有
し、適切に選定した厚さで所定の断熱特性を付与するこ
とが可能であり、これにより表面を比較的急速に加熱し
たり比較的迅速に制御的に冷却したりすることが可能で
ある。

多くの適用例で、ポリマー材料は、複数個のきわめて小
さい中空のフェノール、ガラス、またはセラミック球（
ときにマイクロバルーンと呼ばれる）を用いるなどして
空洞で充填されることが好ましい。マイクロバルーンの
存在は所定の断熱を達成するのに必要な材料の量を減少
させしたがって表面の機械的特性、硬さおよび成型可能
性を低下することなく実質的に熱慣性を最小にして良好
な断熱特性を提供することがわかった。たとえばセラミ
ックまたはガラスマイクロバルーンは、その良好な温度
抵抗性、強度および低熱膨張のために、フェノール要素
より大幅に樹脂構造を強化する性質を有する。

前述のように、従来技術で提示された表面加熱方法の問
題点の１つは、表面層として用いられる材料は有用な作
業温疫において割れや剥離が発生しがちであるというこ
とである。これらの問題１よ、層が設けられている支持
本体はそれほど加熱されないが、加熱された表面材料は
付着力で拘束されて大容量の本体に対し相対運動をしな
いことから発生りる。表面層と本体との間の温度差によ
り、表面層材料の熱膨張係数とその弾性係数との積に応
じて層材料内にエネルギが蓄積される。このエネルギ蓄
積による破損は剥離、破壊またはサイクル疲労などであ
る。本発明により、拘束された状態の加熱冷却が行われ
たときエネルー１！蓄積を制限するような材料を選定す
ればこの問題は回避可能である。熱膨張係数と弾性係数
との積が比較的小さい材料を選定することにより、付着
力は維持され、温度差が比較的大きい状態下でさえ上記
の破損は防止可能である。

このような材料の例は高温用エポキシ、シリコンゴム、
インパール（Ｉｎｖａｒ）のような低膨張メタル、およ
び黒鉛（たとえば肉盛コーティングおよび編クロスまた
は織クロスの形状で）のようなある種の非金属材料など
がある。ｌ　ｎＶａｒおよび黒鉛は弾性係数は高いが、
熱膨張係数が通常２マイクロインチ／インチ／下以下と
きわめて小さいので、それで弾性係数の高さが相殺され
る。一方、ポリマーは熱膨張係数は比較的大きいが弾性
係数はきわめて小さい。最終的な材料の選定は、材料が
使用される適用例、温度範囲、用いられる製作方法など
に依存する。

断熱樹脂内に埋め込まれた黒鉛布のような表面層は大抵
の適用例に十分用をなすことはわかっているが、黒鉛ク
ロスを使用したある適用例では、断熱層の黒鉛繊維束の
間の領域になお割れが発生しやすいことがさらにわかっ
ている。本発明のさらに他の実施例では、ランダムな繊
維配置をなして装置の頂層として埋めこまれたたとえば
黒鉛またはセラミックの繊維紙のような比較的薄い繊維
紙を用い、それを断熱層内の黒鉛繊維布に重ねることで
この割れ傾向を低減可能である。このような複合層は低
熱慣性を提供して急速な加熱冷却を許容ししかも同時に
割れまたは剥離の傾向を最小にする。たとえば型本体に
使用した場合、これは良好な表面仕上げを提供しさらに
表面を改良するための表面仕上げ処理を許容１−る。

実施例図面を用いて本発明をさらに詳細に説明する。

第１図の実施例において、表面層１２は本体１０の表面
１１に付着され、図示の例の層はポリマー樹脂層１３か
ら成る。

第１図とそれに続く図では、わかり易くするために本体
１０の厚さに比較して層の厚さを誇張して図示しである
。　　　　　　□ ある実施例では、該樹脂として高温用エポキシ型樹脂を
選定する。本発明においてとくに良好に働くこの種の樹
脂は、例えば、インチエムレジン社Ｎｓｏｃｈｅｍ　Ｒ
ｅ５ｉｎｓ　Ｉｎｃ、　（１，１ｎｃｏＩｎ、　Ｒｏｄ
ｅＩｓｌａｎｄ））の「Ｎ０ＶＩＨＩＤＥｊど称づ′る
製品であるが、他の高温用エポキシ型樹脂でももちろん
使用可能である。さらにマイクロバルーンのような種々
の充填材料を有するシリコン樹脂も使用されるが、これ
はのちにさらに説明する高温用エポキシ樹脂は比較内熱質ｍ（熱慣性）が小さく
有用な断熱特性を有しているので、たとえば熱が付加さ
れると表面層１３の温度は急速に上昇し大ぎな温度勾配
を形成する。表面温度が所定最高値に達したとき、たと
え長期工程時間中でも平衡温度勾配が主として表面層自
身内に存在するように、すなわち平衡温度勾配の５０％
以上が表面層内に存在し５０％以内が本体１０内に存在
することとなるように、材料を選択する。かくして第２
図の実線で示した平衡温度勾配カーブ１４を参照すると
、−ｒ　　　＜表面）からＴ１　（界面）への渇痕勾Ａ
Ｘ配は、本体１０内のＴ　からＴＨＩＭへの温度勾配よ■ り大きい。このような温度勾配は、表面層を用いた前述
の従来技術に対し点線カーブ１５が示すＪ：うにＴ′　
　からＴ′１への温度勾配がＴ′１からＡＸＴ′　　への温喰勾配より小さいのとは対照的でＩＭある。

層１２の比熱抵抗は層厚を変えることで決定され、また
層１２の熱慣性は比較的小さいので、この層は表面温度
の急激な変化には抵抗せずしたがってきわめて有効な温
度制御装置が利用可能となる。このような層の厚さは約
５’、０．、以°Ｆに選定され、典型例では約０．５ｍ
、から約１ｍｍ５ｍ１ｍｍの範囲とするのが好ましい。

この層を通過づる熱流れは通常のように冷却が行われれ
ば基体１０には急激な温度上昇を与えない。

このような断熱層を用いることにより、たとえば、型へ
流動するポリマープラスチック材料は断熱されて熱損失
が制御され、一方向時によう静的な熱抵抗（ヒートドレ
ーン）を確立するために交換されねばならない熱量は最
小となり、材料が射出されたどき溶融ポリマーの温度降
下を最小にすることが可能である。

プラスチック部品の成型に用いられるポリマープラスチ
ックは、型の中に１／１０秒のオーダーの時間で流入す
る。

しかしながら成型部品自身に断熱特性があるので、冷却
は普通の大きさの部品では数十秒のオーダーどなる。も
し型の表面熱伝導性があまりにも大き過ぎて溶融成型部
品を形成する溶融ポリマー材料の表面が射出時間（すな
わち１／１０秒程度）に匹敵する時間範囲で冷却固化さ
れるにうでは、冷却工程があまりにも早過ぎて表面付近
のポリマーの急速冷却が原因で残留応力や成型射出不足
などの問題が発生する可能性がある。さらに表面熱伝導
率があまりに大きすぎると型壁に直接隣接するポリマ一
部分から熱が逃げてこれが原因でポリマ一層の外表面が
あまりにも急激に固化して成型ポリマーの表面層と内部
との間に大きな温度差が発生する。次に内部熱の除去が
ポリマーの中心から表面への熱伝導で行われるので完成
部品の全冷却時間を減少する真の有利さは達成されない
。

したがって、中心部分を完全に冷ｔＪ１するのに必要な
時間を実質的に増加することなく成型部分の表面温度を
さらにゆ・つくり降下するように表面層の断熱能力を選
定することが好ましい。第１図の断熱層１２のような表
面層を用いることにより、成型部分の外側部分が固化し
ても成型部分内に大きな温度差が存在する傾向もなく最
終成型部分上の残留応力やひけマーク（ｓｉｎｋ　ｍａ
ｒｋ）が減少するような表面冷却速度が得られる。表面
断熱層を適切に選定することにより熱の総体損失をバラ
ンスさせれば、最初に熱損失速度が大き過ぎて不良品を
作る状態は防止可能である。表面断熱特性が決定される
と、ポリマーの型内への射出中のような処理工程中の最
も急激な変化をも許容するためにダイナミックな熱応答
断熱材を有することが有利である。第１図に示す断熱病
のように平衡温度勾配の５０％以上が層内身内にあり、
層厚が約５　ｍ　、以下であると、表面冷却速度を低下
させ、しかも同時に中心部分を完全に冷却させるための
時間は実質的には増加しないという上記の利点をすべて
満足させてくれる。

上記の平衡温度勾配を達成するために表面層がたとえば
５　ｍ　、以上の厚さ番必要とする材料を含有する場合
もあろ゛う。この場合層の質ｍ（体積）が増大するので
熱応答時間は増大１′るが、このような熱応答時間の緩
慢化は好ましくないであろう。

このような厚みは、層の容積または密度を減少させて、
しかも所定の熱応答効果を達成させることにより５　ｍ
ｍ　、以°Ｆに減少可能である。そうするためには、第
３図に示すように樹脂層１２′　に実質的に空洞を充填
すればよく、図示の実施例における空洞はしばしば「マ
イクロバルーン」と呼ばれる小さな中空球１６の形状で
あって、その外径は約０．１咽、以下であり、この充填
材料はフェノール、ガラス、またはセラミック材料の市
販品を利用可能である。このマイクロバルーン材料は、
たとえばピー・ニー・インダストリーズ（Ｐ、Ａ、Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（ＣｈａｊａｎＯＯ
（ｌｃｌ、　　Ｔｅｎｎｅ’３Ｓ’ｅｅ）　　）から購
入可能である。５ｍ、以下の厚さを有する層を用いたと
きでさえもこのような空洞を用いてさらに厚さくしたが
って層の質量）を減少し熱応答時間をより早くさせるこ
とにより、熱応答特性をさらに改良可能である。かくし
てたとえばマイクロバルーン充填材料を使用すれば、必
要な熱特性を達成するためにこのような空洞なしの樹脂
を用いたどきよりも、必要な全容積（質量）シたがって
層厚を減少可能どする。

第１図の層１２と同様に層１２′　もまたその熱慣性は
小さい。これに熱が負荷されると、第２図で述べたよう
に層１２′　の上表面から型本体１０内領域にかけて平
衡温度勾配が形成され、この温度勾配は主として層１２
′　内に存在する。

たとえば型に用いた場合、型に射出されて第１図および
ｆｆ１３図のそれぞれの表面層１２または表面層１２′
　と接触する溶融成型材料自体から熱が供給される。層
１２または１２′　の熱質量（熱慣性）は小さいのでそ
の温度は急激に上昇して型表面の温度を成型材料の温度
付近に保持でる。成型材料が完全に射出されると、次に
より長い時間の冷却が始まる。上述のように、冷却も比
較的急速なｉ間（加熱時間よりはずっと長いが）で行わ
れるが、成型部品の内部の冷却に比較して成型部品の表
面をそれほど早く冷却させないよう十分なる断熱性を提
供するように層１２または１２′の材料およびその肉厚
が選定される。このような層の断熱特性は、熱損失速度
を制御しその結果として熱の散逸を確立するために伝達
されるエネルギを最小にする。

上述のように層１２′の厚さは約ｓ’、　ａｍ　、以下
であり、典型的にはたとえば約０．５ｍ、から約１ｍｍ
５＃ｌＩＩ＋。

の範囲にあることが好ましい。

断熱層の構造一体性を確立するために膨張係数が４　ｘ
　１Ｏ−６ｉｎ．／ｉｎ．／°Ｆ以下と値の小さい補強
充填材料を用いて補強することも可能である。このよう
な月利はたどえばガラス、セラミック、または低膨張メ
タルｍｌのようなもののＩＪＩｆｆ状とすることが可能
で、これらのａｍは一般に第４図に示す。

にうにその長軸を表面に平行かまたはほぼ平行に配列し
、一方断熱層１３′はマイクロバルーン１６および繊１
ｉｙを充填されたポリ゛マー材Ｆ１ｍｍ１３を有り′る
。

ｍ雑は一般に図示のように表面方向に沿って配置され上
述のようにその長軸に沿った膨張係数が小さいものが選
定される。［ｆが存在すると、層が４００下以上の比較
的高温に曝され一方本体１０の大部分が低い温度（１５
０下□以下）のままであっても層１３′の構造一体性が
鞘持されることがわかった。

ある適用例では、補強充填材料は膨張係数の小さい粒子
の形状としてもよい。その−例は力〜ボンブラン９粒子
である。

ある適用・例では、強制熱・発生装置たとえば外部電源
を用いて表面温度を急速に上昇することが望ましい場合
もある。かくしである成型プロセスにおいては成型材料
の射出の前かまたはそれと同時に型全体の表面かまた番
よその特定範囲の表面を加熱することが好ましい場合も
ある。この目的のために第５図に示すような層を用いる
ことが可能である。この場合、型本体の表面１１上の層
２０は実際上１１ｉ性とされ適切なスイッチ装置２２を
介して外部電源２１から電圧が負荷される。図示の実施
例では、たとえば第３図と同様な実質的にマイクロバル
ーンは球２４を充填されたポリマー（たとえばエポキシ
）樹脂層２３を用いることも可能である（反対にある適
用例ではマイクロバルーン要素がない方が好ましい場合
もある。）さらに黒鉛繊１２５Ａを有する黒鉛！Ｉ維ク
ロス２５のような導電層が層２０の一部としてポリマー
樹脂２３の上部領域内に埋め込まれるが、この領域の樹
脂は繊維材料に浸透するかまたは浸漬するかする。導電
性ｌ！雑は電気抵抗加熱に寄与するばかりでなく、上述
のようにまた層２０の構造一体性を維持する補強繊維と
して役立つ。さらに追加オプションとして（詳細は以°
Ｆに記述する）ランダムに分配された繊ＩＩＩｔ２６Ａ
を有する熱膨張の小さいｍｔｉａ紙（たとえば黒鉛）の
比← 較的薄い層２６を黒鉛繊維クロス２５の上部表面上に配
置してもよい、（第５図では厚さは拡大して図示されて
いる）。樹脂はこの場合もｌ！維紙を浸漬する。熱は、
樹脂と接触する導電層、すなわち黒鉛繊維クロス２５に
電１Ｉ２１から電圧を印加して発生される。全ｍ脂Ｈの
熱慣性は小さいので層全体での熱の発生で表面を比較的
短時間で加熱してしまう。前述の実施例と同様に第５図
の実施例の平衡温度勾配も主として層２０内に存在する
。

層１２．１２’または２３（第１図、第３図、第４図ま
たは第５図）の比熱抵抗は層の肉厚を変えて決定可能で
あり、また層１２．１２’　または２３の熱慣性は各々
比較的小さいので、各々の場合層は表面温度の急変に抵
抗せず内部熱発生源かまたは外部熱発生源かを使用して
きわめて有効な湯度η−制御装買の利用が可能どなる。

従来提示された型本体上の表面層において、この目的の
ために提示された層は所定の高温度で種々の材料内に発
生する熱応力に基づく蓄積されたエネルギによる割れや
剥離によるようなｌｌｉ造一体性の損失を起こしやすい
。従来使用されてきた断熱加熱材料は正の非ゼロ（比較
的大きい）熱膨張係数を有し、また大きい弾性係数を有
する。

これに反して１１１１２．１２’　または２３はさらに
小さい熱膨張係数を有し、従来技術による層におけるよ
りはるかに割れや剥離を防止することが可能である。第
１図および第３図の実施例はこの点で一応効果はあるが
、第４図および第５図の実施例はその中の！ｌ＠がきわ
めて小さい熱膨張係数を有し、４００下以上の温度範囲
まで加熱されても応力の発生は最小であるのでこのよう
な割れまたは剥離をきわめてよく防止する傾向を有する
。このような繊維は全表面積が大きく、このような表面
積はしたがって樹脂装置に大きな接触面積を提供するの
で割れや剥離を発生する傾向は実質的に減少または除去
可能である。代りに、他の１ＩｉＩｌ材料、たとえばｌ
！雑フェルト、線繊維材料または！１ｌｆｆ１紙などは
繊維クロス材料に代えて樹１１ｆｔｆｌとともに使用可
能である。

しかしながら上述のように、ある適用例ではクロス状の
含繊ＩＩＩ層を用いても、その繊維束の間に純ポリマー
樹脂材料が存在するため、なお問題が発生することがあ
る。たとえば黒鉛繊維クロス内にＩ！ｉ帷が少ないかま
たは全くない領域がある。ある適用例では多数の使用サ
イクル回数のあと繊維による構造的補強が施こされてい
ないこのような、樹脂の豊富な領域で樹脂に割れがはい
りやすい。

このような適用例でこのような割れを防止するために樹
脂含浸繊維クロスに隣接しでそれに組合せてたとえば黒
鉛１ｌｉＨ紙のような薄いａｒｉａ紙層２６を追加して
使用可能である。このような黒鉛繊維紙は断熱層２０の
厚みに比較して相対的に薄く、全装置の頂部層上に繊＠
　２６Ａをランダムに配置している。このような黒鉛繊
維紙を使用すると、黒鉛繊維クロス２５の繊維間の領域
で樹脂に割れがはいる傾向をかなり軽減する。

ポリマープラスチック材料を成型するために使用される
本発明の典型的な装置で第５図のように黒鉛繊維クロス
および黒鉛繊維紙を用いた場合、樹脂断熱層２０の部分
２３の厚さは約０．１＃ｌｌ１１ｍｍから約０．５ｍ、
の範囲とすることが可能である。断熱層２０の樹脂含浸
黒鉛クロス領域２５の厚さは約０．ＩＩｎＭ。

から約０．５ｍ、の範囲とすることが可能であり、−黒
鉛繊維紙２６の厚さは通常的０．０２＃１１ｍｍから０
．１厘、の範囲である。全肉厚は約５．０Ｍ、以下とす
べきである。外部電源を用いるときは、適当な導電性接
着剤を用いて黒鉛クロスへの電気接続が可能である。

以下の説明は、本発明による表面温度制御に使用すると
きたとえば型のような本体の表面上に第５図に示すよう
な本発明の表面層２０を製作するのに適切な模範的技術
を開示している。　−鋼または他の適当なメタル材料で
まず型空洞形状の雄ひな型を製作する。

次に雄の整形状の上に黒鉛紙２６の層を置き、適切なｉ
ｓ維一体性と順応性とを有する黒鉛クロス２５０層をこ
の黒鉛紙の上に置き、この紙とクロスとはできるだけ雄
の型形状に密着させる。ベース１゜のようなメタル製の
型ベースは紙とクロス層との組合せの上に配置され、型
ベース表面と黒鉛クロスの露出表面との間に所定のｒａ
門を設けるように機械的に保持される。隙間はその中に
形成される樹脂層２３に正確な肉厚を与えるように選定
される。

たとえば型ベースは有用なプラスチック型ベース部品を
作るように必要な調整ビンと冷却ラインとを含有してい
る。

断熱ｆ１２０を饅込むのに液体樹脂混合物が使用され、
これは黒鉛クロス２５を含浸１“るための樹脂でもある
。典型的な混合物は、１パート（ｐａｒｔ）のＮ０ＶＩ
旧旺樹脂、０．０５パートのカーボンブラック粉末、０
．０５パートのガラスまたはフェノールのマイクロバル
ーン充填材料および０．６パーツの硬化剤、たとえばイ
ソチェム・レジン社（（ＩｓｏｃｈｅｍＲｅｓｉｎｓ　
（Ｌｉｎｃｏｌｎ、　Ｒｈｏｄｅ　ｌ５ｌａｎｓ））が
ら購入可能な硬化剤ＰＲＯ−２０、を含有するものであ
る（これらはすべて重量パーツである）。

雄のひな型と型ベースとを含有する部品は鋳込み工程の
前に８０℃ぐらいの適当な温度に全体を予熱する。次に
樹脂混合物は型ベースと、黒鉛の紙およびクロス層を有
する維ひな型との間の隙間に鋳込まれて黒鉛のクロスお
よび紙層に浸透する。

樹脂装置は炉内で通常約１００”Ｃ−１５０℃で養生さ
れる。「Ｅａｓｙ　Ｒｅ１ｅａｓｅＪとしＴ　Ｇｅｏｒ
ｇｅ　Ｈａｎｎ　＆　Ｃｏ。

社（Ｐｒｏｖｉｄｅｎｃｅ、　Ｒｈｏｄｅ　ｌ５ｌａｎ
ｄ）がら購入可能な適切な型抜材料を雄ひな型の上に施
せば、樹脂、型ベースおよび黒鉛層の鋳物全体を分離可
能である。

繊維の不連続部の補強および充填のために用いられる樹
脂中にカーボンブラックを入れると黒鉛繊維クロスと型
ベースとが電気的に導通して好ましくないので、鋳込工
程の前に電気絶縁ワニスを塗布する。この目的に使用可
能な適当なワニスの１つはＨｏｎ５ａｎｔｏ　Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社（Ｓｔ、Ｌｏｕｉ
ｓ、　Ｈｉｓｓｏｕｒｉ）からｒ　５ｋｙｂｏｎｄ　Ｊ
の商品名で市販されている。

仕上がると、鋳込層は型空洞の雄ひな型の形状を正確に
複写し、黒鉛繊ＩＩ紙と黒鉛ＩＩＩＥクロスとの層は鋳
込れたマイクロバルーン／樹脂の層の外表面に密着形成
される。

上記の説明から、本発明により同様な方法で他の層との
種々な組合せが使用可能であることは当業者には明らか
であろう。

たとえば上記方法で製作された表面を有する第５図の型
本体の最初のテストで、所望の特性を有する低熱慣性プ
ラスチック型の初期要求が基本的に確認された。

成型部品は４幅１０３長さ１５ｃ、のプレート形状に成
形され、プレート両端で黒鉛ＩＩ＠クロス層の幅方向両
端に接続された銅電極に２５ボルトの交流電圧を印加し
て型本体の表面は１０ｏ下から３５０″Ｆ−へ６秒間で
上昇した。

電気接点は商品名［Ｆｉｂｅｒ　ＣｅｍｅｎｔＪでＦｉ
ｂｅｒｌａｔｅｒｉａｌＳ、　Ｉｎｃ、社（Ｂｉｄｄｅ
ｆｏｒｄ、　Ｈａｉｎｅ）がら購入可能な適切な電線接
着剤を用いてクロスに接続された。電流は約４０アンペ
アであった。加熱が終了すると表面温度は約１０秒間で
約１２５°Ｆに降下した。実験用型の表面に対し上記の
加熱／冷却サイクルを１０．０００回以上繰返したが型
表面上のポリマー樹脂にきわめて微少な割れが発生した
にすぎなかった。冷却工程で発生した割れも表面を加熱
すると閉じる性質があるので、プラスチックの射出時に
おいてはプラスチック型の表面仕上要求は満足する。

上述のように、ある適用例では上記の断熱樹脂の断熱特
性を必要とする材料の層を用いるのが好ましい場合もあ
るし、断熱特性を必要としない場合もある。このような
場合材料の層は種々の適用に対するその表面精度、その
硬度、その摩耗性、その電気抵抗特性に応じて選定され
、たとえばマルチサイクル加熱冷却工程でエネルギ束の
変化に曝されたとき、使用中の構造一体性を維持するよ
うに選定されなければならない。このような目的のため
に熱膨張係数と弾性係数との積が小さい材料の層が選定
される。これらの実施例は第６図、第７図および第８図
に示されている。

たとえば第６図に示すように、ここでは熱膨張係数と弾
性係数との積が２００　ｐ、ｓ、ｉ、／℃以下であるよ
うな材料の層が選定されている。第６図に示す特定の例
では層３ｏは熱膨張係数と弾性係数との２積が約３０１
）、　Ｓ、　ｉ、／　℃であるインパールの層を有し、
この層は適切な接着剤３１を用いて本体１ｏに接着され
ている。

代替法として、Ｍ７図に示すように、このような層を断
熱樹脂の層に接着丈ることができるが、第７図の場合マ
イクロバルーン充填材料（たとえば第３図に示すタイプ
）を用いた断熱樹脂の層３２にインパール層３０が接着
され、領域３１では接着剤として味樹脂が使われている
。マイクロバルーンは、該樹脂に加えな（でもよい場合
もある。

さらに別の代替法として、たとえば第８図に示すように
繊維材料で適切に補強された断熱樹脂の層にインパール
層が接着され、この場合、その中に黒鉛繊維（たとえば
第４図に示ずタイプ）を埋めこまれた断熱樹脂の層３３
にインパール層３ｏが接着され、ここでも接着剤として
該樹脂が使われている。− かくして断熱層にカーボンブラック、セラミックまたは
ガラスのマイクロバルーンの充填材料、および織クロス
または編クロス、フェルトまたは紙のような黒鉛繊維、
これらを含有する場合と含有しない場合とがあるがいず
れにおいてもシリコンゴム断熱材、エポキシ断熱材の層
を右Ｊる基体に接着されたインパールのシートはすべて
、層とその層が付着されている本体との間の温度差が３
００″Ｆになっても構造破損の生じない有効な熱応答層
を提供することがわがった。エポキシ樹脂のような断熱
材の中にクロス材料を埋込んで使用した場合の１つの利
点は、きわめて広い接触面積を提供することであって、
したがって多くの適用例において付着力が改善される。

さらに黒鉛繊維のような補強繊維は導電性を有するので
、これに電圧を印加すると補強材料はさらに強制抵抗ヒ
ータの役をなす。

上記の実施例は一般的に本体の表面層の加熱という意味
でのエネルギ束伝達のことを説明しているが、この原理
は表面の冷却が行われる状況でも同様に適用される。た
とえば、表面内と本体内とに負の、すなわち反転した、
平衡温度勾配が形成されるように表面を冷却してその温
度を下げることも可能である。本発明の原理により各平
衡温度勾配の主要部分は表面層内にある。

要約すると、本発明は場合に応じて種々の組合せからな
る上記の種々の実施例のいずれかを使用可能である。あ
る場合には樹脂材料だけの方が有効であり、樹脂とマイ
クロバルーンとの組合せがより有効である場合もある。

さらに他の場合では、非導電性または導電性の補強繊維
または他の補強充填材料を使用することも可能であり、
こときもマイクロバルーンを用いる場合と用いない場合
とある。ある適用例では上記の組合せのいずれかにさら
に構造上の改良を付与するためにさらに繊維紙の使用も
可能である。さらに別の適用例では膨張係数と弾性係数
との積が小さい材料の連続表面層の使用が可能で、この
材料は単独か、または、ある所定の表面特性を提供する
ためあるいは抵抗ヒータとして使用可能な層を提供づ“
るために断熱層内に組込んで使用される。

さらに、上記の説明は表面の熱特性を有効に制御するた
めの特定の実施例を開示しているが、当業者には本発明
の精神と範囲内でこれに対する他の変更も可能である。

かくして、型表面を形成するには低膨張係数／弾性係数
材料だ１ノを使用してもよく、適切に選定されたポリマ
ー材料だけでもよく、空洞を充填したポリマー材料でも
よく、このポリマー材料は補強充填材料を用いて一形成
する場合とそうでない場合とあり、さらに膨張係数／弾
性係数が小さい表面層を追加使用してもよ〜い゛。

上記の考え方による他の適当な組合せもまた本発明によ
り使用可能である。したがって本発明は上記の特定実施
例に限定するものとは解釈されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本体表面の温度制御を実行する本発明の表面温
度制御装置の一実施例を示す断面図、第２図は第１図の
実施例で存在する温度勾配を定性的に示寸図、第３図は
本発明の他の実施例を示す図、第４図は本発明のさらに
別の実施例を示す断面図、第５図は本発明のざらに別の
実施例を示す断面図、第６図、第７図および第８図は本
体表面を形成づる層の構造一体性を維持するために選定
された材料を使用した本発明の種々の実施例を示す断面
図である。１０・・・本　休　　　　　　　１１・・・表　面１２
、１３・・・樹脂材料１２’　、　１３’　、　２０．２３．３０．３２．３
３・・・層１４・・・温度勾配カーブ（本発明による）
１５・・・温度勾配カーブ（従来技術による）１６、２
４・・・空洞（中空球）１７・・・補強材料（ＩＩ　Ｉ
ｌｔ　）２１・・・電気エネルギ源２２・・・電気接続装置（スイッチ）２５・・・補強材料（クロス）２５Ａ・・・繊維（クロ
ス）２６・・・補強紙　　　　　　　２６Ａ・・・ｌｌ
ｌ１ｌｌ［（紙）３１・・・接着剤（外５名）図面のｔ’ｉ＋化（内容に変更なし）ＦＩＧ、　１ＦＩＧ、６　　　　　　　　　ＦＩＧ、７ＦＩＧ、　８手続補正書昭和Δθ年を月−？７日２、発明の名称禾面籠Ａ判御％先ろ、補正をする者事件との関係　　特許出願人４代理人

Claims

【特許請求の範囲】

（１）固体本体の表面に付着された熱応答材料の層から
成り、その材料は約５．０ｍｍ以下の厚さを有し、その
材料の断熱特性は、その表面にエネルギー束が付加され
てその表面層と本体との一度が変化したとき表面側と本
体との間に形成される平衡温度勾配の少くとも５０％が
この層内に存在するように選定されたことを特徴とする
固体本体の表面温度制御装置。
（２）熱応答材料はポリマープラスチック材料であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
（３）このポリマープラスチック材料はエポキシ型樹脂
であることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の装
置。
（４）このエポキシ型樹脂はＮｏｖｉｍｉｄｅ樹脂であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。
（５）この熱応答材料は複数個の空洞を含有することを
特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の装
置。
（６）この空洞は複数個の中空球を有する充填材料を用
いて形成されることを特徴とする特許請求の範囲第５項
記載の装置。
（７）この中空球はフェノール、ガラスまたはセラミッ
クのマイクロバルーンであることを特徴とする特許請求
の範囲第６項記載の装置。
（８）この中空球の直径は約０．１ｍｍ以下であること
を特徴とする特許請求の範囲第７項記載の装置。
（９）エネルギ束は熱の形で付加されてこの表面および
本体の湿度が上昇されることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の装置。
（１０）この層はさらに補強充填材料を含有することを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
（１１）この補強材料は熱膨服係数が約４×１０＾−＾
６ｉｎ．／ｉｎ．／°Ｆ以下の複数個の繊維を有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の装置。
（１２）この層はポリマープラスチック材料から成り、
この繊維は導電性繊維であることを特徴とする特許請求
の範囲第１１項記載の装置。
（１３）この導電性繊維は黒鉛繊維であることを特徴と
する特許請求の範囲第１２項記載の装置。
（１４）この黒鉛繊維は、黒鉛繊維織物材料（ｗｏｖｅ
ｎ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ
）であることを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載
の装置。
（１５）この黒鉛繊維は黒鉛繊維編物材料（ｋｎｉｔｔ
ｅｄｇｒａｐｈｉｔｅ　ｆｉｂｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ
）であることを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載
の装置。
（１６）この黒鉛繊維は黒鉛フェルト材料であることを
特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の装置。
（１７）この黒鉛繊維材料に隣接して補強紙の層を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１２項、第１３項
または第１４項記載の装置。
（１８）この補強紙は黒鉛繊維紙であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１７項記載の装置。
（１９）この補強充填材料は、熱膨張係数が約４×１０
＾−＾６ｉｎ．／ｉｎ．／°Ｆ以下である導電性粒子か
ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の
装置。
（２０）この導電性粒子はカーボンブラック粒子である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１９項記載の装置。
（２１）この補強材料は補強繊維材料を含有することを
特徴とする特許請求の範囲第１７項、第１８項または第
１９項記載の装置。
（２２）この熱応答材料に熱を付加する装置を有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の装置。
（２３）この層は熱応答材料と接触して配置された導電
性材料を有し、この熱付加装置はこの導電性材料に電気
エネルギを付加するための電気エネルギ源と、電気エネ
ルギ源および導電性材料に接続される電気接続装置と、
を有し、このエネルギ源が励起されるとこの層の表面温
度が上昇されることを特徴とする特許請求の範囲第２２
項記載の装置。
（２４）このエネルギ源はこの表面温度を約１５０°Ｆ
ないし約４５０°Ｆへ上昇して保持するのに十分な時間
だけ励起されていることを特徴とする特許請求の範囲第
２３項記載の装置。
（２５）この固体本体を少くとも１２０°Ｆ以下の温度
に連続的に冷却する装置をさらに有し、このエネルギ源
は非励起状態とされて２ないし４０秒の範囲内でこの表
面温度が約１５０°Ｆに降下されることを特徴とする特
許請求の範囲第２４項記載の装置。
（２６）この本体は型本体であつて、この表面温度は成
型材料がこの型本体内に射出されている間に上昇され、
この成型材料がこの型本体に完全に射出されたあとこの
表面温度が降下されることを特徴とする特許請求の範囲
第９項記載の装置。
（２７）固体本体の表面に付着された熱応答材料の層か
ら成り、この材料は、エネルギ束がそれに付加されてそ
の表面層と本体との温度が変化したとき表面層と本体と
の間に形成される平衡湿度勾配の少くとも５０％がこの
層内に存在するように選定された熱慣性特性を有し、そ
の材料はさらに低密度ρ、低熱容量Ｃ＿ｐ、低熱伝導率
ｋを有するように選定されたことを特徴とする固体本体
の表面温度制御装置。
（２８）積ρＣ＿ｐｋは１．０（ワット／ｃｍ＾２／℃
）＾２・秒より少くとも１桁小さいことを特徴とする特
許請求の範囲第２７項記載の装置。
（２９）このエネルギ束は熱の形で付加されてこの層お
よび本体の温度が上昇されることを特徴とする特許請求
の範囲第２７項記載の装置。
（３０）本体表面に付着された熱応答材料の層から成り
、この材料はエネルギ束がそれに付加されてその表面層
と本体との湿度が変化したとき表面層と本体との間に形
成される平衡温度勾配の少くとも５０％がこの層内に存
在するように選定された熱慣性特性を有し、この材料は
さらにこの層がないときの前記表面の熱応答時間より少
くとも１桁小さい表面熱応答時間を与えるように選定さ
れたことを特徴とする本体の表面温度制御装置。
（３１）このエネルギ束は熱の形で付加されてこの層お
よび本体の温度が上昇されることを特徴とする特許請求
の範囲第３０項記載の装置。
（３２）本体の表面に付着された熱応答材料の層から成
り、その熱膨張係数が約４×１０＾−＾６ｉｎ．／ｉｎ
．／°Ｆ以下である材料を含有し、この熱応答材料はエ
ネルギ束がそれに付加されて、その表面層と本体との温
度が変化したとき表面層と本体との間に形成される平衡
温度勾配の大部分がこの層内に存在するように選択され
たことを特徴とする本体の表面温度制御装置。
（３３）平衡温度勾配の少くとも５０％はこの層内に存
在することを特徴とする特許請求の範囲第３２項記載の
装置。
（３４）このエネルギ束は熱の形で付加されてこの層お
よび本体の温度が上昇されることを特徴とする特許請求
の範囲第３２項記載の装置。
（３５）本体の表面に付着された熱応答材料の層から成
り、この層は本体の温度をほぼ一定に保持しつつ本体温
度とは実質的に異なる温度をこの層内に形成するために
用いられ、この層と本体との間の温度差が少くとも約１
５０°Ｆのときでもこの層の構造一体性を維持するよう
にその熱膨張係数と弾性係数との積が十分小さくなるよ
うに選定された材料をこの層の少くとも一部分が有して
いることを特徴とする本体の表面温度制御装置。
（３６）この積が約２００ｐ．ｓ．ｉ．／℃以下である
ようにこの材料が選定されたことを特徴とする特許請求
の範囲第３５項記載の装置。