JP6684086B2 - Heating device and heating method - Google Patents
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Description
本発明は、加熱により内部に空隙を生じながらその見掛け体積が膨張する性状を有する材料の加熱装置及び加熱方法に関わるものであり、また、高周波により非加熱物を加熱する高周波加熱装置および高周波加熱方法にも関連するものである。 The present invention relates to a heating device and a heating method for a material having a property that the apparent volume expands while generating voids inside by heating, and a high-frequency heating device and a high-frequency heating device for heating a non-heating object by high frequency. It is also related to the method.
これまで、炭素繊維及び炭素繊維複合材料は、軽量、高強度、高弾性率といった特性を生かして、航空宇宙、スポーツレジャーといった分野で主に用いられてきていた。この分野は、性能、機能優先のため材料コスト、生産コストが多少高くても通用する分野であったと言える。現在、軽量化、省エネルギーといった観点から、自動車、エネルギー関連、一般産業機械といった分野への炭素繊維及び炭素繊維複合材の応用が期待されており、より低コストで大量生産が可能な炭素繊維複合材料およびその製造、成型方法が求められている。炭素繊維複合材部品の低コスト、大量生産に当たってはその生産速度、成型速度の向上が必須であり、その解決策のひとつとして期待されているのが熱可塑性樹脂の採用である。 Heretofore, carbon fibers and carbon fiber composite materials have been mainly used in fields such as aerospace and sports / leisure due to their characteristics such as light weight, high strength and high elastic modulus. It can be said that this field can be used even if the material cost and the production cost are a little high because the performance and function are prioritized. From the viewpoints of weight reduction and energy saving, application of carbon fibers and carbon fiber composite materials to the fields of automobiles, energy-related products and general industrial machinery is currently expected, and carbon fiber composite materials that can be mass-produced at lower cost. And the manufacturing and molding methods thereof are required. In low cost and mass production of carbon fiber composite parts, it is essential to improve the production speed and molding speed, and one of the solutions is expected to be the adoption of thermoplastic resin.
従来の炭素繊維複合材は、エポキシ等に代表されるマトリクス樹脂としての熱硬化性樹脂中に炭素繊維を分散等させて内包させた形態が主流であり、機械的強度や弾性率に優れるものの、それを用いた部品製造に当たっては、人手が主流の成型工程、オートクレーブと称する焼成炉内で数時間にも渡る加熱工程が必要であるなど、自動車、エネルギー関連、一般産業機械といった分野に対しては、必ずしもその生産コスト、生産性は十分なものではなかった。 The conventional carbon fiber composite material is mainly in a form in which carbon fibers are encapsulated in a thermosetting resin as a matrix resin typified by epoxy or the like, which is excellent in mechanical strength and elastic modulus, In manufacturing parts using it, it is necessary for humans to perform mainstream molding process, heating process for several hours in a firing furnace called autoclave, etc. , Its production cost and productivity were not always sufficient.
一方、熱可塑性樹脂による炭素繊維複合材料は、機械的強度や弾性率はやや劣るものの、熱可塑性であることから特に成型性、成型速度に優れ、さらに、既存の射出、押出、プレスといった成型方法や装置がそのまま、或いは軽度の変更で使用可能であるといった特長も有する。 On the other hand, a carbon fiber composite material made of a thermoplastic resin is slightly inferior in mechanical strength and elastic modulus, but is particularly excellent in moldability and molding speed because it is thermoplastic, and further, existing molding methods such as injection, extrusion, and press. It also has the feature that the device can be used as it is or with minor changes.
特に大量生産が要求される自動車及び自動車部品用途において、既存の射出成型方法、装置やプレス成型方法、装置が転用等できるメリットは大きく、そこそこの強度で済む部材の熱可塑性炭素繊維複合材の適用検討が進んでいる。 Especially in automobiles and automobile parts applications where mass production is required, the existing injection molding method, equipment, press molding method, equipment can be diverted, etc., and the merit is large, and application of thermoplastic carbon fiber composite material for members with moderate strength Consideration is in progress.
熱可塑性炭素繊維複合材料のひとつの形態として期待されているのが、スタンパブルシート、LFTP(Long Fiber Thremoplastic)、熱可塑性SMC(Sheet Molding Compound)などと呼ばれるシート状、板状の炭素繊維複合材中間素材である(以下スタンパブルシートと総称する)。これらは、射出成型用の炭素繊維複合材よりは比較的長繊維寄りの(0.1〜10cm、好ましくは1〜7cm、さらに好ましくは2〜5cm)状態に切断された炭素繊維若しくは炭素繊維束を、マトリクス樹脂たる熱可塑性樹脂中にランダムに配行、分散させて内包させた構造を有するものである。厚みは1mmから10mm程度のシート状、平板状の中間素材として提供されることが多い。 One form of thermoplastic carbon fiber composite material is expected to be a sheet-like or plate-like carbon fiber composite material such as stampable sheet, LFTP (Long Fiber Thermoplastic), thermoplastic SMC (Sheet Molding Compound), etc. It is an intermediate material (collectively referred to as stampable sheet below). These are carbon fibers or carbon fiber bundles cut into a state (0.1 to 10 cm, preferably 1 to 7 cm, more preferably 2 to 5 cm) closer to the long fibers than the carbon fiber composite material for injection molding. Is randomly distributed in a thermoplastic resin, which is a matrix resin, and is dispersed and included. It is often provided as a sheet-shaped or flat-shaped intermediate material having a thickness of about 1 mm to 10 mm.
このスタンパブルシートを、その熱可塑性樹脂の軟化開始温度以上に加熱(予備加熱と称する)して軟化させた状態でプレス加工することにより、所望の形状が付与された成型品が製造できる。これはいわば、板金プレス加工における板金材がスタンパブルシートに置き換わったものと考えてもよい。 A molded product having a desired shape can be manufactured by pressing the stampable sheet in a softened state by heating (called preheating) above the softening start temperature of the thermoplastic resin. It may be considered that the sheet metal material in the sheet metal press working is replaced with the stampable sheet.
さて、板金プレス加工における板金材は基本的に等方性材料である金属であり、よって成型前に平面状であった板金材がしわや破れなしに立体形状に塑性変形可能なわけである。即ち板金プレス加工おける板金材を炭素繊維複複合材に置き換えるには、炭素繊維複合材に等方性の性状を付与することが必須となる。然るに、炭素繊維複合材に強度、剛性を犠牲にすることなく等方性の性状を付与する事は容易ではない。 By the way, the sheet metal material in the sheet metal stamping is basically a metal which is an isotropic material, and therefore the sheet metal material which is flat before molding can be plastically deformed into a three-dimensional shape without wrinkles or tears. That is, in order to replace the sheet metal material in the sheet metal press working with the carbon fiber composite material, it is essential to impart an isotropic property to the carbon fiber composite material. However, it is not easy to impart an isotropic property to the carbon fiber composite material without sacrificing strength and rigidity.
一般に、平面状の炭素繊維複合材の製造方法としては、相当長を有する炭素繊維の単糸若しくは繊維束を、配列、織り、編みによって平面状にいわば炭素繊維の布帛に仕上げ、該布帛に熱硬化又は熱可塑の樹脂を含浸させて製造するのが通例である。このため、炭素繊維(束)の配行している方向とそれ以外の方向では、弾性、剛性等の物性が異なる非等方性材料となるのが普通である。 Generally, as a method for producing a planar carbon fiber composite material, a single yarn or a fiber bundle of carbon fibers having a considerable length is arranged, woven, or knitted into a planar so-called carbon fiber cloth, and the cloth is heated. It is customary to manufacture by impregnating a hardened or thermoplastic resin. Therefore, an anisotropic material having different physical properties such as elasticity and rigidity is usually used in the direction in which the carbon fibers (bundles) are arranged and in the other directions.
このような非等方性材料を板金プレス同様のプレス加工を施すと、材料の変形がその非等方性の影響を受け、易変形部、非易変形部、非変形部が発生し、所望の成型形状が得られない場合が殆どである。これは、布帛を無理やり立体形状に成型した場合に、布帛が余ってしわが発生する部分、布帛が不足して緊張〜破断する部分が発生することからも容易に類推される。 When such an anisotropic material is pressed in the same manner as a sheet metal press, the deformation of the material is affected by the anisotropy, and easily deformable parts, non-deformable parts, and non-deformable parts are generated. In most cases, the molded shape of 1 cannot be obtained. This is easily inferred from the fact that when the cloth is forcibly molded into a three-dimensional shape, the cloth is excessively wrinkled, and the cloth is insufficient to cause tension and breakage.
一方、炭素繊維複合材を射出成型で成型することも可能であり、この場合、炭素繊維又は繊維束はその長さが1mm程度以下に切断されたものが用いられるのが通例である。各炭素繊維又は繊維束は主として射出成型前の混錬、撹拌によって、ランダムに配行、分散し、よって炭素繊維複合材として擬似等方的的な性状が実現されている。よって斯様な短繊維からなる炭素繊維複合材ならばプレス加工が容易となる場合も考えられるが、炭素繊維又は繊維束長が相対的に短いこと起因する、複合材料としての強度、剛性が劣ることは如何ともし難い場合が多い。 On the other hand, it is also possible to mold the carbon fiber composite material by injection molding, and in this case, it is customary to use carbon fibers or fiber bundles whose length is cut to about 1 mm or less. Each carbon fiber or fiber bundle is randomly distributed and dispersed mainly by kneading and stirring before injection molding, so that a pseudo isotropic property is realized as a carbon fiber composite material. Therefore, a carbon fiber composite material made of such short fibers may be easily pressed, but the strength and rigidity of the composite material are poor due to the relatively short carbon fiber or fiber bundle length. This is often difficult to do.
即ち、スタンパブルシートはプレス加工に必要な等方性性状を確保しつつ、かつ、必要十分な強度、剛性の実現を、その炭素繊維又は繊維束の長さ、配行状態を最適化することにより実現したものともいえる。 That is, the stampable sheet is to optimize the length and distribution state of the carbon fiber or fiber bundle while ensuring the isotropic properties necessary for press working and realizing the necessary and sufficient strength and rigidity. It can be said that it was realized by.
スタンパブルシートの製法は概略次の様な工程で行われることが多い。まず、適度に開繊された炭素繊維束を所望の長さに切断する。これを平面上に自然落下、振動、撹拌等によって、ランダムに配行させつつ積層させる。このとき、同時に粉粒体形状の熱可塑性樹脂を供給して、炭素繊維束と粉粒体形状の熱可塑性樹脂が均一に交じり合った層を形成させる場合もある。あるいはフィルム状の熱可塑性樹脂と炭素繊維束層を交互に積層させていくこともある。いずれの方式にせよ炭素繊維束層は綿状といってもよく、その見かけ厚みは、成型後の厚みよりも遙かに厚い。次に、これを圧縮させながら加熱溶融した熱可塑性樹脂を炭素繊維束間に含浸させる、或いは、既に存在する粉粒体形状またはフィルム状の熱可塑性樹脂を溶融させて炭素繊維束中に含浸させ、その後冷却して所望の厚みのスタンパブルシートを得る。炭素繊維の体積含有割合、いわゆるVfは30%程度が普通である。 A stampable sheet is often manufactured by the following steps. First, the appropriately opened carbon fiber bundle is cut into a desired length. These are stacked by randomly dropping them on a plane, vibrating, stirring, etc. while randomly arranging them. At this time, the thermoplastic resin in the form of powder or granules may be supplied at the same time to form a layer in which the carbon fiber bundles and the thermoplastic resin in the form of powder or granules are uniformly mixed. Alternatively, the film-shaped thermoplastic resin and the carbon fiber bundle layer may be alternately laminated. Regardless of the method, the carbon fiber bundle layer may be said to be cotton-like, and its apparent thickness is much thicker than the thickness after molding. Next, the resin is impregnated into the carbon fiber bundles while being heated and melted while being compressed, or the already existing thermoplastic resin in the form of powder or granules is melted and impregnated into the carbon fiber bundles. Then, it is cooled to obtain a stampable sheet having a desired thickness. The volume content of carbon fiber, so-called Vf, is usually about 30%.
以上述べた製法に起因するが、スタンパブルシート内では積層された炭素繊維束は圧縮された状態にある。したがって、スタンパブルシートが予備加熱されてその熱可塑性樹脂が軟化すると、積層された炭素繊維束の圧縮が開放され、スタンパブルシート内(各炭素繊維束間)に空隙を生じさせながら、その厚み方向に見かけ膨張するのが普通である。プレス成型に当たっては予備加熱によって見掛け膨張したスタンパブルシートをプレス成型の金型間に置き、金型締めして成型することで、前記空隙は解消し所望の成型が行われる。 Due to the above-described manufacturing method, the stacked carbon fiber bundles are in a compressed state within the stampable sheet. Therefore, when the stampable sheet is preheated and its thermoplastic resin is softened, the compression of the laminated carbon fiber bundle is released, and the thickness of the stampable sheet is increased while creating voids in the stampable sheet (between the carbon fiber bundles). It usually expands apparently in the direction. In press molding, a stampable sheet that has been apparently expanded by preheating is placed between molds for press molding, and the molds are clamped for molding, whereby the voids are eliminated and desired molding is performed.
尚、空隙を生じさせながら見掛け体積が膨張するという性状は、炭素繊維を用いたスタンパブルシートに限定されるものでなく、スタンパブルシート内で繊維束層が圧縮された状態にあるものであれば、ガラス繊維、金属繊維、ポリイミドに代表される有機繊維などを問わず、同様に見られる性状である。 In addition, the property that the apparent volume expands while generating voids is not limited to the stampable sheet using carbon fiber, and the fiber bundle layer may be in a compressed state in the stampable sheet. For example, regardless of glass fiber, metal fiber, organic fiber typified by polyimide, and the like, the properties are the same.
スタンパブルシートのプレス成型に当たっては、少なくともその熱可塑性樹脂の軟化開始温度以上に予備加熱してからプレス成型することは前述したとおりである。この予備加熱には最適温度範囲があり予備加熱温度はそれ以上でもそれ以下でも好ましくない。 In the press molding of the stampable sheet, at least the softening start temperature of the thermoplastic resin is preheated and then the press molding is performed, as described above. This preheating has an optimum temperature range, and it is not preferable that the preheating temperature is higher or lower.
プレス成型に対して熱可塑性樹脂が適度な流動性を示す温度範囲があり、この適正範囲内に予備加熱することが必要である。これ以下の温度では熱可塑性樹脂の流動性が不足し成型不良が発生したり、逆に、高すぎると樹脂が流動しすぎるほか、樹脂そのものの分解、酸化、低分子量成分の気化といった変質(劣化)が著しいといった問題がある。これは成型後の成型品の強度不足、経時劣化の促進といった問題に繋がることがある。 There is a temperature range in which the thermoplastic resin exhibits appropriate fluidity for press molding, and it is necessary to preheat within this appropriate range. If the temperature is lower than this, the flowability of the thermoplastic resin will be insufficient and molding failure will occur.On the contrary, if it is too high, the resin will flow too much, and the resin itself will be decomposed, oxidized, and deteriorated (deteriorated) such as vaporization of low molecular weight components ) Is significant. This may lead to problems such as insufficient strength of the molded product after molding and promotion of deterioration over time.
従来技術に於いては、予備加熱には雰囲気加熱や赤外線加熱を用いることが多い。即ちスタンパブルシートを、電熱等公知の熱源を有する炉内に静置して加熱する雰囲気加熱や、遠〜近(場合によっては可視領域も含む)赤外ランプからの赤外線等の輻射により加熱する方法を用いる。 In the prior art, atmospheric heating or infrared heating is often used for preheating. That is, the stampable sheet is heated by standing in a furnace having a known heat source such as electric heating to heat the atmosphere or radiating infrared rays from a far-to-near (in some cases, visible range) infrared lamp. Use the method.
このような従来技術においては、次のような問題がある。
まず、雰囲気加熱や赤外線加熱は被加熱物の表面からの加熱であり、スタンパブルシートの表面とその内部に温度差が出来てしまう場合が多い(文献1)。スタンパブルシートは熱可塑性樹脂を主成分としたものであり金属等に比べれば熱伝導性は低い。このため表面が最適温度範囲内に達したとしても内部は最適温度下限にも達しない場合が発生する。又、逆に内部が最適温度範囲に到達したときには、表面は最適温度範囲上限を超えてしまう場合もある。
Such a conventional technique has the following problems.
First, atmospheric heating and infrared heating are heating from the surface of the object to be heated, and in many cases a temperature difference is created between the surface of the stampable sheet and the inside thereof (Reference 1). The stampable sheet contains a thermoplastic resin as a main component and has a lower thermal conductivity than metal or the like. Therefore, even if the surface reaches the optimum temperature range, the inside may not reach the optimum temperature lower limit. On the contrary, when the inside reaches the optimum temperature range, the surface may exceed the upper limit of the optimum temperature range.
この問題を軽減するためには、基本的には加熱源の出力を下げ、かつ時間をかけてゆっくり加熱することで、表面と内部の温度差を極力小さくするのが好ましい。雰囲気温度に於いては熱源の出力、赤外線加熱に於いては赤外線ランプの出力を下げ、長時間加熱することが必要となり、加熱時間が長くなるという問題が発生する。 To alleviate this problem, it is basically preferable to reduce the output of the heating source and slowly heat it over time to minimize the temperature difference between the surface and the inside. It is necessary to reduce the output of the heat source at the ambient temperature and the output of the infrared lamp at the time of infrared heating to heat for a long time, which causes a problem that the heating time becomes long.
又、被加熱物であるスタンパブルシートの温度をモニタしながら、適宜加熱源の出力を調整する等の手段も可能であるが、加熱装置が複雑、高価になり、かつその操作、制御も煩雑になるという問題も発生する。 It is also possible to appropriately adjust the output of the heating source while monitoring the temperature of the stampable sheet that is the object to be heated, but the heating device becomes complicated and expensive, and its operation and control are complicated. There is also the problem of becoming.
さらに、スタンパブルシートのプレス成型に要する時間(通常1分程度で可能)よりも、予備加熱に要する時間が長くなる場合も発生する。この場合には、予備加熱からプレス成型の工程スループットを維持するためには、1台のプレス機に対して予備加熱装置が複数台必要になり、設備費、設置場所の増大といった問題にも繋がる。 Further, the time required for preheating may be longer than the time required for press molding of a stampable sheet (usually possible in about 1 minute). In this case, in order to maintain the process throughput from preheating to press molding, a plurality of preheating devices are required for one press machine, which leads to problems such as increase in equipment cost and installation place. .
さらに、前述したようにスタンパブルシートは加熱により内部に空隙を生じながら見掛け膨張する。軟化開始温度は前述の最適温度範囲よりは低温であるのが普通であり、よってスタンパブルシートは、最適温度範囲に到達する以前から空隙を生じながら見掛け膨張を開始し、最適温度に到達するまでの間、空隙を生じた状態で加熱され続ける。 Furthermore, as described above, the stampable sheet apparently expands while generating voids inside by heating. The softening start temperature is usually lower than the above-mentioned optimum temperature range, and therefore the stampable sheet starts apparent expansion while generating voids before reaching the optimum temperature range and reaches the optimum temperature. In the meantime, the heating is continued with the formation of voids.
空隙が発生し始めると、当該空隙は熱的には絶縁物に近くマクロに見た熱伝達率も下がると予想される。これは、前述の内部、表面との温度差をさらに助長させると考えられる。 When voids start to be generated, it is expected that the voids are thermally close to the insulator and the macroscopic heat transfer coefficient is also lowered. It is considered that this further promotes the temperature difference between the inside and the surface.
また、熱可塑性樹脂は前述の最適温度範囲内又はそれ以下といえども、長時間の加熱によっては、前述した分解、酸化、低分子量成分の気化といった変質(劣化)が発生する場合がある。特にそれは表面において著しく、空隙を生じさせた状態では空隙による実質表面の増大も相まって、より、分解、酸化、低分子量成分の気化といった変質(劣化)が促進されるという問題も発生する
即ち、従来技術に付きまとうこれらの問題を回避するため、表面と内部の温度差を生じさせにくく、短時間で、かつ極力空隙を生じさせずに、スタンパブルシートを予備加熱する加熱技術が求められていた。
Further, even if the thermoplastic resin is within the above-mentioned optimum temperature range or lower, if it is heated for a long time, the above-mentioned decomposition, oxidation, and vaporization of low molecular weight components may occur (deterioration). In particular, it is remarkable on the surface, and when voids are generated, the substantial surface is also increased by the voids, and there is a problem that deterioration (deterioration) such as decomposition, oxidation, vaporization of low molecular weight components is promoted. In order to avoid these problems associated with the technique, there has been a demand for a heating technique for preheating a stampable sheet in which a temperature difference between the surface and the inside is unlikely to occur, a void is not generated in a short time.
上記の課題を解決するために、本発明によれば、マトリクス樹脂中に少なくとも一部が炭素繊維である強化繊維を内包した材料からなる、平板状の被加熱物の加熱装置であって、
少なくとも前記被加熱物が膨張を開始する温度(膨張開始温度)以上に到達するまで前記被加熱物の膨張を抑制しながら前記被加熱物を加熱する、対向する一対の加熱表面と、
前記一対の加熱表面間に周波数が10MHz以上100MHz以下の電磁波を印加するための電磁波発生源を備え、
前記被加熱物に対して、前記加熱表面からの熱伝導による加熱と、
前記電磁波印加に起因する前記マトリクス樹脂の誘電加熱および前記炭素繊維の誘導加熱による内部からの加熱を同時に行うことが可能な加熱装置が提供される。
In order to solve the above-mentioned problems, according to the present invention, a heating device for a flat object to be heated, which is made of a material in which at least a part of the matrix resin contains reinforcing fibers which are carbon fibers ,
Heating the object to be heated while suppressing expansion of the object to be heated at least until the object to be heated reaches a temperature at which expansion starts (expansion start temperature), a pair of opposing heating surfaces,
An electromagnetic wave generation source for applying an electromagnetic wave having a frequency of 10 MHz or more and 100 MHz or less is provided between the pair of heating surfaces,
For the object to be heated, heating by heat conduction from the heating surface,
There is provided a heating device capable of simultaneously performing dielectric heating of the matrix resin due to application of the electromagnetic wave and heating from the inside by induction heating of the carbon fiber .
本発明の好ましい態様によれば、前記一対の加熱表面を前記被加熱物に接触させて前記被加熱物を加熱し、前記被加熱物の少なくとも一部が前記膨張開始温度以上に到達した後に、前記一対の加熱表面の少なくとも一方と前記被加熱物との接触を解除することを特徴とする加熱装置が提供される。 According to a preferred aspect of the present invention, the pair of heating surfaces is brought into contact with the object to be heated to heat the object to be heated, and at least a part of the object to be heated reaches the expansion start temperature or higher, A heating device is provided which releases contact between at least one of the pair of heating surfaces and the object to be heated.
本発明の好ましい態様によれば、前記一対の加熱表面は導電性を有するものであることを特徴とする加熱装置が提供される。 According to a preferred embodiment of the present invention, the pair of heating surfaces of the heating means, characterized in that as it has conductivity is provided.
本発明のさらに好ましい態様によれば、前記被加熱物と前記一対の加熱表面の少なくとも一方との間に絶縁材層が存在することを特徴とする加熱装置が提供される。 According to a further preferred aspect of the present invention, there is provided a heating device characterized in that an insulating material layer is present between the object to be heated and at least one of the pair of heating surfaces.
本願発明によるさらに好ましい態様によれば、前記マトリクス樹脂が熱可塑性の樹脂を含むものであることを特徴とする加熱装置が提供される。 According to a further preferred aspect of the present invention, there is provided a heating device characterized in that the matrix resin contains a thermoplastic resin.
本発明の趣旨は、まず、加熱時間を短くする観点から、スタンパブルシートを加熱表面と接触させて接触伝熱による急速加熱の効果を利用し、さらに、表面と内部の温度差を低減させるべく、該表面から高周波を印加していわゆる高周波加熱による内部加熱の効果を発揮させたものである。 From the viewpoint of shortening the heating time, the purpose of the present invention is to bring a stampable sheet into contact with a heating surface to utilize the effect of rapid heating by contact heat transfer, and further to reduce the temperature difference between the surface and the inside. By applying a high frequency from the surface, the effect of internal heating by so-called high frequency heating is exhibited.
さらには、該表面によって、スタンパブルシートの見かけ体積膨張を抑制するという効果もあわせて発揮させている。 Further, the surface also exerts an effect of suppressing the apparent volume expansion of the stampable sheet.
高周波、マイクロ波など電磁波による加熱技術は、各種ハンドブック的書籍(非特許文献2)が発刊されていることからも分かるようにように、加熱、溶解、熱処理、接着、解凍などを目的に遍く用いられている加熱技術である。 As can be seen from the publication of various handbook-like books (Non-Patent Document 2), heating technology using electromagnetic waves such as high-frequency waves and microwaves is used uniformly for the purpose of heating, melting, heat treatment, bonding, thawing, etc. It is a heating technique used.
高周波領域において、各種産業分野において加熱等の目的で使用される周波数は、日本国内においては実質的には13.56MHz、27.12MHz,40.68MHzの3周波数帯がその使用が認められている(いわゆるISMバンド周波数)。尚、この3周波数帯以外の周波数の高周波も漏洩電磁界強度が規定値以下となるような対策を施せば、産業用途として使用可能である。 In the high frequency region, the frequencies used for heating and the like in various industrial fields are substantially approved to be used in three frequency bands of 13.56 MHz, 27.12 MHz and 40.68 MHz in Japan. (So-called ISM band frequency). It should be noted that even if high frequencies of frequencies other than these three frequency bands are taken so that the leakage electromagnetic field strength is equal to or less than the specified value, it can be used for industrial purposes.
高周波、マイクロ波など電磁波による加熱は、式(1)で示される電磁波と物質の相互作用によるものである。 The heating by electromagnetic waves such as high frequency waves and microwaves is due to the interaction between the electromagnetic waves and the substance represented by the formula (1).
P=πfε0εr”|E|2+πfμ0μr”|H|2+(1/2)σ|E|2
・・(1)
ここで、
P:単位体積あたりのエネルギー損失(=発熱量)[W/m3]
π:円周率
f:電磁波の周波数[s−1]
ε0:真空の誘電率[F/m]
εr”:物質の誘電損失[F/m]
E:電磁波の電場[V/m]
μ0:真空の透磁率[H/m]
μr”:物資の磁気損失[H/m]
H:電磁波の磁場[A/m]
σ:物質の電気伝導度[S/m]
である。
P = πfε 0 ε r "| E | 2 +
.. (1)
here,
P: Energy loss per unit volume (= calorific value) [W / m 3 ]
π: Circularity f: Electromagnetic wave frequency [s −1 ]
ε 0 : Dielectric constant in vacuum [F / m]
ε r ”: Dielectric loss of material [F / m]
E: Electric field of electromagnetic waves [V / m]
μ 0 : Permeability of vacuum [H / m]
μ r ”: Magnetic loss of material [H / m]
H: Magnetic field of electromagnetic waves [A / m]
σ: electric conductivity of the substance [S / m]
Is.
式(1)において、πfε0εr”|E|2 と記されている第1項は誘電項とも呼ばれ、印加される電磁波の電界によって生じる誘電損失による発熱を示す。
また、πfμ0μr”|H|2 と記されている第2項は磁性項ともよばれ、印加される電磁波の交番磁界によって、多くは導電体である被加熱物に生じる渦電流のジュール発熱による誘導発熱を示す項である。
更に、(1/2)σ|E|2 と記されている第3項は電流項と呼ばれ、印加される電磁波の電界によって生じる静電誘導電流によるジュール発熱を表す。
In the formula (1), the first term described as πfε 0 ε r ″ | E | 2 is also called a dielectric term, and indicates heat generation due to dielectric loss caused by an electric field of an applied electromagnetic wave.
The second term, which is written as πf μ 0 μ r ″ | H | 2 , is also called a magnetic term, and Joule heat generation of an eddy current that is mostly generated in an object to be heated that is an electric conductor due to an alternating magnetic field of an applied electromagnetic wave. This is a term showing induction heat generation by.
Further, the third term described as (1/2) σ | E | 2 is called a current term and represents Joule heat generation due to an electrostatic induction current generated by an electric field of an applied electromagnetic wave.
第1項が支配的な場合を誘電加熱と呼び、第2項が支配的な場合を誘導加熱と呼ぶ場合もある。 The case where the first term is dominant may be called dielectric heating, and the case where the second term is dominant may be called induction heating.
誘電加熱は、被加熱物が絶縁体(誘電体)の場合に多く用いられ、プラスチック、木材、紙、接着剤等の加熱、乾燥などの目的で用いられることが多い。いわゆる電子レンジでの2.45GHzのマイクロ波による水分子の誘電加熱はその代表例である。
高周波を用いた誘電加熱装置の形態としては、図1に概略示すように、対向する一対の電極間に被加熱物を配置し、両電極間に高周波を印加して、被加熱物を高周波誘電加熱する形態のものが多い。電極形状は図1では略平板状となっているが、電極面を曲面等で構成する等、被加熱物の形状に合わせて、電極形状を変更することも可能である。
Dielectric heating is often used when an object to be heated is an insulator (dielectric), and is often used for the purpose of heating and drying plastic, wood, paper, adhesive, and the like. A typical example is dielectric heating of water molecules by a microwave of 2.45 GHz in a so-called microwave oven.
As a form of a dielectric heating device using high frequency, as shown schematically in FIG. 1, an object to be heated is placed between a pair of electrodes facing each other, and a high frequency is applied between both electrodes to generate a high frequency dielectric Many of them are heated. Although the electrode shape is a substantially flat plate shape in FIG. 1, it is also possible to change the electrode shape according to the shape of the object to be heated, such as by forming the electrode surface with a curved surface or the like.
一方、誘導加熱は、被加熱物が導電体の場合が多く、鉄鋼材料への焼入れ等の熱処理、粉末冶金における材料の溶解、加熱などが代表的なものである。いわゆるIH調理器など称されている交番磁界を用いた加熱調理器具もこの応用ともいえる。 On the other hand, the induction heating is often an object to be heated which is a conductor, and is typically performed by heat treatment such as quenching of a steel material, melting of the material in powder metallurgy, or heating. It can be said that this is also applied to a heating cooker using an alternating magnetic field, which is called a so-called IH cooker.
尚、電磁波による加熱方法で、第3項(電流項)が支配的となっている応用例は少ない。 In addition, there are few application examples in which the third term (current term) is dominant in the heating method using electromagnetic waves.
マイクロ波、高周波など電磁波による加熱の特徴として次の3点が考えられる。
特徴1:急速加熱
一般的な加熱方法は、輻射加熱を除けば加熱源からの熱エネルギーが伝導、対流によって、いわばゆっくりと伝播してくるのが普通である。これに対し、電磁波による加熱は加熱に要するエネルギーが電磁波の形態で空間を光速で伝達して来るとも表現でき、急速な加熱が出来るのが特徴のひとつである。
特徴2:内部加熱
電磁波は被加熱物の物性にも因るが、その内部に浸透、透過しながら被加熱物吸収され、熱エネルギーに変換される。したがって、加熱を被加熱物の表面からだけでなく内部から行なうことも可能である。
特徴3:選択加熱
被加熱物の物性によって、吸収される電磁波の波長(周波数)選択性がある。よって、複数の物質の混合物であっても、電磁波の波長を選択すれば特定の物質だけを選択的に加熱することも可能である。
The following three points can be considered as features of heating by electromagnetic waves such as microwaves and high frequencies.
Feature 1: Rapid heating In a general heating method, heat energy from a heating source is generally propagated slowly by conduction and convection, except for radiant heating. On the other hand, heating by electromagnetic waves can be expressed as energy required for heating being transmitted in the form of electromagnetic waves through the space at the speed of light, and one of its characteristics is that heating can be performed rapidly.
Feature 2: Internal heating electromagnetic waves are absorbed by the object to be heated while penetrating and penetrating into the inside, and are converted into thermal energy, though it depends on the physical properties of the object to be heated. Therefore, heating can be performed not only from the surface of the object to be heated but also from the inside.
Feature 3: Selective heating There is wavelength (frequency) selectivity of the electromagnetic wave absorbed depending on the physical properties of the heated object. Therefore, even if it is a mixture of a plurality of substances, it is possible to selectively heat only a specific substance by selecting the wavelength of the electromagnetic wave.
本発明は、この第2の効果を積極的に利用し、表面と内部の温度差を生じさせにくく、短時間で加熱するという課題を解決しているといえる。 It can be said that the present invention solves the problem that the second effect is positively utilized, a temperature difference between the surface and the inside is less likely to occur, and heating is performed in a short time.
本発明に寄れば、表面と内部の温度差を生じさせにくく、短時間で、極力空隙を生じさせずにスタンパブルシートを予備加熱できる装置が実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize an apparatus that hardly causes a temperature difference between the surface and the inside and can preheat a stampable sheet in a short time without generating voids as much as possible.
本明細書の以降の記載に於いては、特に断らない限り10MHz〜100MHzの範囲の電磁波を高周波と呼ぶこととする。 In the following description of this specification, an electromagnetic wave in the range of 10 MHz to 100 MHz will be referred to as a high frequency unless otherwise specified.
本発明に関わる、予備加熱装置1の該略図を図1に示す。
対向する一対の加熱電極10(その対向する表面が本発明にいう加熱表面であり、該加熱電極が膨張抑制部材を兼ねる)間に被加熱物11が配置される。加熱電極10は導電材料からなり、一方(図では下側)の加熱電極(下電極2)は加熱装置1の筐体12と電気的に絶縁され接地されている。他方の電極(上電極3と呼ぶ)も、予備加熱装置1の筐体12等からは電気的に絶縁され、マッチング装置5を介して高周波電源6(電磁波発生源)に接続される。加熱電極10の導電材料としてはアルミニウム系合金、ステンレスなどが使用できる。ステンレスは非磁性のものが好ましい。
The schematic diagram of the
An object to be heated 11 is arranged between a pair of opposing heating electrodes 10 (the opposing surfaces are the heating surfaces according to the present invention, and the heating electrodes also serve as expansion suppressing members). The
下電極2は予備加熱装置1の筐体12に絶縁部材4を介して固定されており、上電極3は電極昇降装置9よって下電極2に対し図中矢印Aで示すように上下動作可能となっている。
The lower electrode 2 is fixed to the
上電極2、下電極3とも内部にヒータ及び温度度測定素子を有し(図示せず)、温度制御装置(図示せず)によって電極全体(即ち加熱表面も)を所望の温度に加熱する。電極の加熱温度は被加熱物11中の熱可塑性樹脂の軟化開始温度以上かつ最適加熱範囲上限以下が好ましい。この温度範囲内であれば、どんなに長時間被加熱物11が上電極2または下電極3と接触したとしても、被加熱物11の温度は最適加熱範囲上限を超えることが無く好適である。
Both the upper electrode 2 and the
被加熱物11は下電極2上に載置される。次いで上電極3が電極昇降装置9によって降下し所定圧力で被加熱物11に密着する。同時に高周波電源6から高周波が発振される。被加熱物11は接触した加熱電極10からの熱伝導による表面からの加熱と印加された高周波による内部から加熱、双方で加熱される。
The object to be heated 11 is placed on the lower electrode 2. Next, the
被加熱物11の温度が軟化開始温度以上となっても、被加熱物11は膨張抑制部材たる上下電極2および3に挟まれており、内部に空隙を生じながらその見かけ体積が膨張することはない。尚、当然ではあるが上電極3の前記所定圧力は、被加熱物11の膨張によって生じる圧力より大きくなければならない。
Even if the temperature of the object to be heated 11 becomes equal to or higher than the softening start temperature, the object to be heated 11 is sandwiched by the upper and
所定の加熱時間経過後、又は、別途設けた被加熱物11の温度測定装置(図示せず)の測定結果より、被加熱物11が最適温度範囲内の所定の温度に到達すると、上電極3を上方に離間させる。この瞬間から被加熱物11は膨張を開始する。
After the elapse of a predetermined heating time, or when the object to be heated 11 reaches a predetermined temperature within the optimum temperature range based on the measurement result of a temperature measuring device (not shown) for the object to be heated 11 provided separately, the
高周波は、上電極3が離間を開始した時点で発振を止めても良いし、上電極3が離間開始した後も所定の時間、又は上電極3が所定の高さに到達するまで、印加を継続しても良い。
The high frequency may stop the oscillation when the
上電極3が所定の高さに到達すれば、被加熱物11を加熱電極10間から取り出し、プレス工程に搬送する。
When the
上記態様に於いては、被加熱物11が膨張を開始する軟化開始温度に到達した後も、最適加熱温度に達するまでの間、膨張抑制部材たる上下の加熱電極10でその膨張が抑制されるため、被加熱物11が膨張状態にある時間が短縮され、空隙を生じている時間が極力短く出来るという効果が発揮できる。
In the above aspect, even after the object 11 to be heated reaches the softening start temperature at which it starts to expand, the expansion is suppressed by the upper and
さらに、加熱電極10からの熱伝導による被加熱物11の表面からの加熱と、高周波による内部からの加熱を併用することで、加熱時間の短縮と、被加熱物11の表面と内部の温度差低減の効果が発揮できる。
(実施例)
以下に、本発明の実施例を述べる。
予備加熱装置として山本ビニター株式会社製、コンパクト型高周波ウェルダーYRP−400T−RCを改造した装置を用いた。該装置の高周波発振周波数は40.68MHz、最大出力400Wである。
Furthermore, the heating time is shortened and the temperature difference between the surface and the inside of the object to be heated 11 is shortened by using the heating from the surface of the object to be heated 11 by the heat conduction from the
(Example)
Examples of the present invention will be described below.
As a preheating device, a device obtained by modifying a compact type high frequency welder YRP-400T-RC manufactured by Yamamoto Vinita Co., Ltd. was used. The high frequency oscillation frequency of the device is 40.68 MHz and the maximum output is 400W.
加熱電極はアルミニウム製、横85mm×縦55mm×厚み15mmの大きさで、内部にシーズヒータ(200W)及び温度センサを内蔵し、加熱表面温度最大300℃に維持可能である。上電極はロボシリンダ(登録商標)に直結され、スタート位置、ストップ位置、及びそれらにタイミング、移動速度などを任意に設定して上下動作できるようになっている。 The heating electrode is made of aluminum and has a size of 85 mm in width × 55 mm in length × 15 mm in thickness. A sheathed heater (200 W) and a temperature sensor are built in the heating electrode, and the heating surface temperature can be maintained at a maximum of 300 ° C. The upper electrode is directly connected to the ROBO Cylinder (registered trademark), and can be vertically moved by arbitrarily setting a start position, a stop position, and timings, moving speeds, and the like.
被加熱物たるスタンパブルシートは、厚み3mm、ナイロン6系熱可塑性樹脂に体積含有量Vf=30%で、炭素繊維束(長さ3〜5cm)をランダムに配行、分散させたものである。該スタンパブルシートの最適加熱温度範囲は下限250℃、上限290℃である。
The stampable sheet that is the object to be heated has a thickness of 3 mm, a nylon 6 thermoplastic resin with a volume content Vf of 30%, and a carbon fiber bundle (
該スタンパブルシートを恒温槽内に静置し、ゆっくりと加熱していったときの温度と膨張の関係を図2に示す。該スタンパブルシートは190℃付近より膨張を開始し、元の厚み(3mm)の5倍程度である15mm程度まで見かけ膨張する。図3に膨張した該スタンパブルシートの断面模式図を示す。内部の炭素繊維は層状に積層されており、その層間が剥離する様に空隙が発生している。 FIG. 2 shows the relationship between temperature and expansion when the stampable sheet was allowed to stand in a constant temperature bath and slowly heated. The stampable sheet starts to expand at around 190 ° C. and apparently expands to about 15 mm which is about 5 times the original thickness (3 mm). FIG. 3 shows a schematic sectional view of the expanded stampable sheet. The carbon fibers inside are laminated in layers, and voids are formed so that the layers are separated.
このスタンパブルシートを80mm×50mmに切り出したサンプルを、該予備加熱装置で加熱したときの温度プロファイルの一例を図4に示す。 FIG. 4 shows an example of a temperature profile when a sample obtained by cutting this stampable sheet into 80 mm × 50 mm is heated by the preheating device.
このときの高周波発振出力200W、電極の加熱温度250℃である。横軸10秒において、上電極が降下してスタンパブルシートと接触、同時に高周波の発振が開始する、高周波は60秒間発振し、横軸70秒において上電極が離間し、同時に高周波の発振も停止する。 The high frequency oscillation output at this time is 200 W and the electrode heating temperature is 250 ° C. At 10 seconds on the horizontal axis, the upper electrode descends and comes into contact with the stampable sheet, and high frequency oscillation starts at the same time. High frequency oscillates for 60 seconds, and at 70 seconds on the horizontal axis, the upper electrode separates and at the same time the high frequency oscillation stops. To do.
なお、高周波の発振は上述のように上電極の離間開始と同時に停止しても構わないし、上電極の離間動作中或いは離間完了後も所定の時間継続させてもかまわない。
図4より分かるように、スタンパブルシートは膨張開始温度190℃に達しても加熱電極即ち膨張抑制部材でその膨張が抑制されており、最適加熱範囲内である260℃に達して後、上電極が離間した後に始めて膨張が開始する。
Note that the high-frequency oscillation may be stopped at the same time as the separation of the upper electrode is started as described above, or may be continued for a predetermined time during the separation operation of the upper electrode or after the separation is completed.
As can be seen from FIG. 4, even if the stampable sheet reaches the expansion start temperature of 190 ° C., its expansion is suppressed by the heating electrode, that is, the expansion suppressing member, and after reaching the optimum heating range of 260 ° C., the upper electrode The expansion starts only after they are separated from each other.
また、該加熱装置には自動マッチング追従回路、反射波測定回路も組み込まれており、高周波発振中の反射波エネルギーは2W以下(即ちマッチング効率99%以上)であり、以下の議論に於いてはマッチング効率は100%としても差し支えない。
温度測定は、安立計器株式会社製蛍光式光ファイバー温度計FL−2000と蛍光式光ファイバー温度計プローブFS−1Mを組み合わせ、図4右側に示すようにスタンパブルシートの端面に窄孔した直径1.8mm、深さ15mmの小孔に該プローブを挿入して測定している。
In addition, the heating device also incorporates an automatic matching follow-up circuit and a reflected wave measurement circuit, and the reflected wave energy during high frequency oscillation is 2 W or less (that is, matching efficiency is 99% or more). In the following discussion, The matching efficiency may be 100%.
For temperature measurement, a fluorescence type optical fiber thermometer FL-2000 manufactured by Anritsu Keiki Co., Ltd. and a fluorescence type optical fiber thermometer probe FS-1M were combined, and a diameter of 1.8 mm was formed on the end face of the stampable sheet as shown in the right side of FIG. The measurement is carried out by inserting the probe into a small hole having a depth of 15 mm.
図中破線は高周波の発振無し、すなわち加熱電極からの伝熱だけで加熱されたときの温度プロファイルである。両者の温度差(70s付近で70℃程度ある)が高周波による加熱の効果といえる。 In the figure, the broken line is a temperature profile when high frequency oscillation is not performed, that is, when heating is performed only by heat transfer from the heating electrode. It can be said that the difference in temperature between the two (about 70 ° C. in the vicinity of 70 s) is the effect of high frequency heating.
図中白丸(高周波発振無し)及び黒丸(高周波発振あり)は、70sで上電極が離間した直後のスタンパブルシートの上面の温度を放射温度計(TASCO社製、THI−500)で測定したものである。高周波を印加したものは、温度プローブによる測定との温度差が小さく、内部と表面の温度差が小さいこと、即ち高周波による内部加熱の効果が発揮されていることを示していると考えられる。 In the figure, the white circles (without high-frequency oscillation) and black circles (with high-frequency oscillation) are the temperatures of the upper surface of the stampable sheet immediately after the upper electrode was separated at 70 s, measured with a radiation thermometer (TASCO, THI-500). Is. It is considered that the one to which the high frequency is applied has a small temperature difference from the temperature measured by the temperature probe and the temperature difference between the inside and the surface is small, that is, the effect of the internal heating by the high frequency is exhibited.
図5には異なる周波数での加熱結果を示す。実施例の予備加熱装置の高周波電源、マッチング回路等を取り替えて測定した。電極加熱は行っていない。27.12MHzのみやや温度上昇が小さいが、いずれの周波数でも加熱が行われていることがわかる。
同じ大きさのスタンパブルシートを、従来技術である雰囲気加熱(ヤマト科学株式会社製、真空乾燥炉DP−21を260℃設定、常圧で使用。内蔵ヒータ680W)で加熱した場合、同等の温度、膨張状態となるのに4〜5分を要した。
FIG. 5 shows the heating results at different frequencies. The measurement was performed by replacing the high frequency power source, the matching circuit, etc. of the preheating device of the example. The electrodes were not heated. Only at 27.12 MHz, the temperature rise is slightly small, but it can be seen that heating is performed at any frequency.
Equivalent temperature when heating stampable sheets of the same size with conventional atmosphere heating (Yamato Scientific Co., Ltd., vacuum drying furnace DP-21 set at 260 ° C. and normal pressure, built-in heater 680 W) It took 4 to 5 minutes to reach the expanded state.
以上の結果より、本発明による予備加熱装置では、従来技術による加熱装置に比して、表面と内部の温度差を生じさせにくく、短時間で極力空隙を生じさせずに、スタンパブルシートを予備加熱することが可能である。 From the above results, in the preheating device according to the present invention, as compared with the heating device according to the prior art, it is less likely to cause a temperature difference between the surface and the inside, and the stampable sheet is preliminarily prepared in the shortest time without generating voids. It is possible to heat.
尚、本予備加熱装置において炭素繊維そのものや、スタンパブルシートなどの炭素繊維複合材等のサンプルを加熱するに当たって、サンプルの組成によっては電極とサンプル間で局所的なリークやスパークが発生する場合がある。このような場合、加熱電極とサンプルの間に絶縁層を設ければ、リークやスパークが抑制でき好適である。絶縁層の材質としては、耐熱性に優れかつそれ自体が高周波で加熱されることの少ない、誘電損失の小さい材質が好ましい。具体的にはPTFE(テフロン(登録商標))などのフッ素系樹脂、ポリアミド系樹脂(商標名カプトンなど)、PPS樹脂、セラミック等の無機材料などが好ましい。これらでできたシート、フィルム材をサンプルと電極間に挟んでもよく、また電極自体にフッ素系樹脂、セラミック等をコーティングすることでもよい。 When heating a sample of carbon fiber itself or a carbon fiber composite material such as a stampable sheet in this preheating device, a local leak or spark may occur between the electrode and the sample depending on the composition of the sample. is there. In such a case, it is preferable to provide an insulating layer between the heating electrode and the sample because leakage and sparks can be suppressed. As a material for the insulating layer, a material having excellent heat resistance, being less likely to be heated by a high frequency, and having a small dielectric loss is preferable. Specifically, fluorine-based resins such as PTFE (Teflon (registered trademark)), polyamide-based resins (trade name Kapton, etc.), PPS resins, inorganic materials such as ceramics are preferable. The sheet or film material made of these may be sandwiched between the sample and the electrode, or the electrode itself may be coated with a fluororesin, ceramic or the like.
本発明者の観察によれば、上電極に比べアース接地されている下電極とサンプル間でリークやスパークが発生することが相対的に多く、下電極とサンプル間にのみ絶縁層を設けるのも好適である。 According to the observation of the inventor of the present invention, as compared with the upper electrode, a leak and a spark are relatively often generated between the lower electrode grounded to the ground and the sample, and the insulating layer may be provided only between the lower electrode and the sample. It is suitable.
さて、本発明によれば10MHz−100MHzの高周波を用いて炭素繊維複合材であるスタンパブルシートを加熱している。このときスタンパブルシートの構成要素である炭素繊維とナイロン6系樹脂のどちらが主体的に加熱されているかは興味深い問題である。
図6には実施例の予備加熱装置を用い、40.68MHz、200W、30秒の条件で炭素繊維や炭素繊維複合材、樹脂を室温から加熱した結果である。加熱後のサンプル表面を前述の放射温度計で測定した。各サンプルの大きさ、形状、質量、物性(炭素繊維含有量、比熱、熱伝導度など)が異なりもちろん定量的な比較はではないが、いずれの材料も加熱されることは確かである。即ち炭素繊維複合材を高周波で加熱した場合、程度の差はあれ炭素繊維と樹脂双方とも高周波により加熱されていると考えられる。
Now, according to the present invention, the stampable sheet which is a carbon fiber composite material is heated using a high frequency of 10 MHz-100 MHz. At this time, it is an interesting question which one of the constituent elements of the stampable sheet, carbon fiber or nylon 6 type resin, is predominantly heated.
FIG. 6 shows the results of heating the carbon fibers, the carbon fiber composite material, and the resin from room temperature under the conditions of 40.68 MHz, 200 W, and 30 seconds using the preheating device of the example. The surface of the sample after heating was measured by the above-mentioned radiation thermometer. The size, shape, mass, and physical properties (carbon fiber content, specific heat, thermal conductivity, etc.) of each sample are different, and of course no quantitative comparison is made, but it is certain that all materials are heated. That is, when the carbon fiber composite material is heated by high frequency, it is considered that both the carbon fiber and the resin are heated by high frequency to some extent.
炭素繊維そのものの高周波による加熱のメカニズムについては、前掲の式第2項の誘導加熱の効果、もしくは、第3項電流項による加熱の効果も考えられる。
さて、電磁波を用いた加熱方法としてはより高い周波数のマイクロ波帯を用いるマイクロ波加熱もある。マイクロ波加熱に於いてはISMバンドのひとつである2.45GHzが多用される。このマイクロ波でも炭素繊維は容易に加熱できることは知られており、逆に加熱されすぎる故、文献3で述べられている、炭素繊維複合材において炭素繊維と樹脂界面で樹脂の過昇温の問題も知られている。本発明者らも200W設定の電子レンジで炭素繊維束を加熱したところ20秒程度で発火する現象を確認している。
Regarding the mechanism of heating the carbon fiber itself by high frequency, the effect of induction heating in the above-mentioned equation (2) or the effect of heating by the third term (current term) can be considered.
As a heating method using electromagnetic waves, there is microwave heating using a microwave band having a higher frequency. In microwave heating, 2.45 GHz, which is one of ISM bands, is often used. It is known that the carbon fiber can be easily heated even by this microwave, and conversely, it is overheated. Therefore, in the carbon fiber composite material, the problem of excessive temperature rise of the resin at the interface between the carbon fiber and the resin is described. Is also known. The present inventors have also confirmed a phenomenon in which a carbon fiber bundle is heated in a microwave oven set to 200 W and ignites in about 20 seconds.
一方、本発明に用いた高周波領域であれば、図6に示したように炭素繊維単独でも発火することはなく、比較的緩やかな加熱が可能であり、炭素繊維複合材の電磁波による加熱では、マイクロ波帯よりも高周波帯の方が適していると考えられる。 On the other hand, in the high frequency range used in the present invention, as shown in FIG. 6, carbon fibers alone do not ignite, and relatively gentle heating is possible. It is considered that the high frequency band is more suitable than the microwave band.
1 予備加熱装置
2 下電極
3 上電極
4 絶縁部材
5 マッチング回路
6 高周波電源
7 上電極ベース
8 連結部材
9 電極昇降装置
10 加熱電極
11 被加熱物
12 筐体
1 Preheating Device 2
Claims (6)
少なくとも前記被加熱物が膨張を開始する温度(膨張開始温度)以上に到達するまで前記被加熱物の膨張を抑制しながら前記被加熱物を加熱する、対向する一対の加熱表面と、
前記一対の加熱表面間に周波数が10MHz以上100MHz以下の電磁波を印加するための電磁波発生源を備え、
前記被加熱物に対して、前記加熱表面からの熱伝導による加熱と、
前記電磁波印加に起因する前記マトリクス樹脂の誘電加熱および前記炭素繊維の誘導加熱による内部からの加熱を同時に行うことが可能な加熱装置。 A heating device for a plate-shaped object to be heated, which is made of a material in which at least a part of a matrix resin is a reinforcing fiber which is a carbon fiber ,
Heating the object to be heated while suppressing expansion of the object to be heated at least until the object to be heated reaches a temperature at which expansion starts (expansion start temperature), a pair of opposing heating surfaces,
An electromagnetic wave generation source for applying an electromagnetic wave having a frequency of 10 MHz or more and 100 MHz or less is provided between the pair of heating surfaces,
For the object to be heated, heating by heat conduction from the heating surface,
A heating device capable of simultaneously performing dielectric heating of the matrix resin due to application of the electromagnetic waves and heating from the inside by induction heating of the carbon fibers .
前記被加熱物の少なくとも一部が前記膨張開始温度以上に到達した後に、前記一対の加熱表面の少なくとも一方と前記被加熱物との接触を解除することを特徴とする請求項1に記載の加熱装置。 Heating the object to be heated by bringing the pair of heating surfaces into contact with the object to be heated;
The heating according to claim 1, wherein the contact between at least one of the pair of heating surfaces and the object to be heated is released after at least a part of the object to be heated reaches or exceeds the expansion start temperature. apparatus.
少なくとも前記被加熱物が膨張を開始する温度(膨張開始温度)以上に到達するまで、前記被加熱物の膨張を抑制しながら伝熱加熱すると同時に、周波数が10MHz以上100MHz以下の電磁波を印加して前記マトリクス樹脂の誘電加熱および前記炭素繊維の誘導加熱により前記被加熱物を内部から加熱することを特徴とする加熱方法。 A heating method for heating a flat object to be heated, which is composed of a material in which at least a part of carbon fibers is contained in a matrix resin,
At least until the heated object reaches a higher temperature to start expansion (expansion starting temperature), the same time is heated heat transfer while suppressing the expansion of the heated object, frequency by applying the following electromagnetic 10MHz or 100MHz A heating method, wherein the object to be heated is heated from the inside by dielectric heating of the matrix resin and induction heating of the carbon fiber .
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