JPH02162019A - Ｆｒｐ成形治具 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば航空や宇宙産業等において、熱風によ
って温度をコントロールしてＦＲＰ（ｍ維強化プラスチ
ック）を成形する際に使用するＦＲＰ成形治具に係わり
、特に昇温及び冷却効率を高めて生産コストの低減及び
品質の向上を図ったＦＲＰ成形治具に関する。

〔従来の技術〕

上記成形治具として、出願人は先に包絡面を構成する複
数枚の板材の先端縁を断面円弧状となし、かつ先端縁に
開口する切欠き及び板面を貫通する孔を各板材に設けて
熱風循環通路とすることにより、加工粘度及び形状を均
一となし、更に加工温度コントロールを容品となすよう
にしたものを提案した（特開昭６３−１７７９２３号）
。

また、冷却に関しては、型内に金属製パイプを通し、こ
の金属製パイプ内に冷却水を導入して均一に熱板の冷却
を行うようにしたもの（例えば、特開昭６２−２９７１
２５号）や、型外側に冷却水を噴出するタイプで、この
冷却水の噴出方向に平行な面に複数の棒状若しくは板状
フィンを設けることにより、冷却時間の短縮を図ったも
の（同じく、特開昭６３−１３７３５号）等が種々提案
されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記特開昭６３−１７７９２３号に記載
のものは、所望の効果を奏するものの、風上側と風下側
との放熱量の相違の影響等により、第８図に示すように
、治具製作後に実際に熱風を適応して温度の（＋ｉを実
測し、この結果に基づき温度上昇が良過ぎる箇所（以下
、温度に関して敏感な箇所という）に直接熱風が吹き込
まないように、この通風孔を塞いだり、或いはゴムシー
ト等でこの表面を覆うなどのヒート・インシュレーショ
ン処理を施し、これを通常３〜５回程度繰り返して温度
分布が均一になるようにする必要があった。

このため、熱風適用時間（オートクレーブ使用時間）が
長くなり、その結果一定時間に硬化できる製品数が減少
してしまう。更に、熱可塑性樹脂を用いたＦＲＰのよう
に、成形温度が一般に使用されている熱硬化性樹脂を用
いたものに比べて非常に高く、一般的なオートクレーブ
の能力の限界に近いものが要求されるような場合にも、
鈍感な箇所に温度を合わせざるを得ないため、このよう
な一般的なオートクレーブでは必要な温度を得ることが
できない。

また、温度分布を正確に均一にすることが一般にかなり
困難であるため、特に結晶性樹脂を用いた場合に、冷却
速度に影響される結晶化率にバラつきが生じて、製品の
強度や靭性等の種々の性能に影響を与えてしまう。

更に、新しい治具を製作する度毎に、温度の６ｉをｆｌ
ｌｌＪ定し、その結果に基づいて適当な位置に温度調整
対策を施し、再び温度分布を測定するという作業を行う
ことは、特に大型で複雑な形状を持っ治具の場合に、多
大の手間を要する。

加えて、第８図に示すように、概念的なデータ（参考デ
ータ）しか取得することができず、確固とした温度２１
！整のデータを取得することができないため、設計者の
経験に頼らざるを得ないところが大きく、治具設計技術
の伝熱特性に関する進歩が遅くなってしまうばかりでな
く、設計者の違う治具を数個同時にオートクレーブに入
れた場合には、昇温や冷却の速度が大きく違い、必要以
上の長時間に亙って加熱をしなくてはならないこともあ
り、治具寿命や生産サイクル等に影響を与えることがあ
るといった問題点があることが解った。

更に、上記特開昭６２−２９７１２５号公報に記載のも
のは、型内のバイブを通る冷却水によって冷却は促進さ
れるものの、バイブの冷却水出口側に近付く程、冷却水
の温度が上がってしまうため、均一な冷却を行うことが
できない。また特開昭６３−１３７３５号公報に記載の
ものは、フィンによって放熱効率は向上するものの、フ
ィンは単に放熱面積を増やして放熱を助けるだけで、流
れの拡散によって促進される熱伝達を良くするものでは
ないため、最終的に最も温度のコントロールを行いたい
型面では、冷却流体がたとえ乱流であっても型面に非常
に近い場所では流体は層流に近くなり、このため熱伝達
という点ではあまり良くないといった問題点があると考
えられる。

本発明は上記に鑑み、熱風循環方式の加熱炉において、
熱風を最大限に利用することによって昇温及び冷却の効
率を向上させ、更に温度分布を均一となすとともに温度
コントロールを容易となして生産サイクルを短縮させ、
しがち均一な温度分布と昇温及び冷却に関して効率的な
治具を計画するデータを得ることができるようにしたも
のを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明に係るＦＲＰ成形治具
は、熱風循環方式の加熱炉内でＦＲＰを成形するように
した成形治具において、表面を製品の形を決定する形状
となした表面板を、その裏面において最低限必要な風速
を確保して該表面阪の各部での熱伝達に大きな差がない
ように構成するとともに、表面板の裏面に風の流れ方向
に沿って複数条に延びＲつ表面板の持つ熱量からある時
間内における表面板からの放熱量を引いた値の熱量を長
さ方向に沿って均一に放熱するように設定した放熱フィ
ンを並設し、更にこの放熱フィンの側面に、上記風の流
れと直交する方向に突出するフェンスを固着したもので
ある。

〔作　用〕

上記のように構成した本発明によれば、熱風を積極的に
表面板の裏面に取り込み、しかも熱風の流れに対して平
行に取付けた放熱フィンとこれに垂直に固着したフェン
スを介して、これを最大限に利用することによって、昇
温及び冷却効率を向上させることができるばかりでなく
、表面板及び放熱フィンからの放熱により、表面板の持
つ熱量を全て放熱させること等によって、温度分布を均
ｉに、且つこのフントロールを容易となすことができる
。更に、設計の段階で表面板の熱伝達量等を予め計算す
ることができるので、実ｎＩ値のデータと比較すること
によって、次の設計のための定量データを得ることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、ＦＲＰ成形治具１を裏面からみた斜視図で、
表面を製品の形を決定する形状となした表面板２の裏面
には、複数の縦枠３，３・・・と構枠４．４・・・とが
立設され、これによって複数の矩形状区域に区画されて
いる。

上記各縦枠３は、熱風等の流れ方向に直交する方向に延
び、その周壁には複数の円状通風口３ａ。

３ａ・・・及び表面板２との間で構成した矩形状通風口
３ｂ、３ｂ・・・が形成されている。また各横枠４は、
熱風等の流れ方向に延び、その周壁には複数の円状通風
口４ａ、４ａ・・・が形成されている。

上記通風口３ａ、３ａ・・・、３ｂ、　　３ｂ、・・・
及び４ａ、４ａ・・・の位置、形状及び個数等は、表面
板２の各部において、熱伝達に大きな差がないように設
定されている。

即ち、第４図に示すように、基本構造の設計後、表面板
２の各部における風速をｒΔヤ１して、このｐ側に基づ
く熱伝達率の算出する。そして、風の流れ難い箇所に通
風口３ａ、３ａ・・・、３ｂ、３ｂ。

・・・及び４ｇ、４ａ・・・や導風板（図示せず）を設
けるなどして最低限必要な風速を確保した後、再び熱伝
導率を算出して、表面板２の各部の熱伝達を算出し、こ
の熱伝達に大きな差が生じないように導風方法を検討し
ているのである。

上記表面板２の裏面の各区域内には、熱風等の流れ方向
、即ち横枠３．３・・・と・１シ行に延びる、複数の放
熱フィン５，５・・・が配設されている。

この放熱フィン５，５・・・は、温度分布の均一化、昇
温及び冷却効率の向上を図るためのものであり、上記表
面板２の持つ熱量からある時間における表面板２からの
放熱量を引いた値の熱量をその長さ方向に沿って均一に
放熱するよう設定されている。

この計算例を第５図に基づいて説明する。

先ず、レイノルズ数により、表面板２上が層流であるこ
とを確認する。

即ち、平板に沿って流体が流れる時のレイノルズ数Ｒは
、 ｘ ＯＸ　　　　　ν ここに、Ｖ：流体速度［ｍ／ｓコ Ｘ；・Ｉシ板先端からの距ｉ！ｔ！［ｍ］ν；流体の動
粘性係数［ｒ＆／ｓ］ と表すことができる。

円管内を流体が流れる時のレイノルズ数Ｒｅｄは、Ｖ　
・　ｄ Ｒｅｄ”　　。

ここに、ｄ；円管の直径［ｍコ と表すことができる。

レイノルズ数とは、剪断力に見合う単位面積当たりの流
体の持つ運動量の時間的変化と流体の粘性に基づき単位
面積当たり働く剪断力との比を示し、流動状態や速度分
布などを特徴づける無次元数である。

ここに、層流から乱流に遷移する時のレイノルズ数を臨
界レイノルズ数といい、これをＲとすＣ ると、 平板上の流れに対してＲ−３Ｘ１０５ Ｃ 円管内の流れに対してＲ−２３２０ Ｃ で表される。即ち、上記各式によって求めたレイノルズ
数が、この臨界レイノルズ数以上であれば乱流、これ以
下であれば層流となる。

次に、各点でのヌセルト数を求める。

・１也板において、この先端から距離ｘ　［ｍｌの局部
でのヌセルト数Ｎ　は、層流の場合には、ｘ て行くが、この点までを速度助走区間といい、この点以
後の流れを発達した流れというのであるが、この速度助
走区間内の流れとそれ以降に分けられ、速度助走区間長
さΩ　　［ｍｌ内において、層流の場合は、 （Ｐ　　　＞０．　５） ここに、α　；距ｆｉｘ　［ｍｌでの局所熱伝導率［Ｋ
ｃａｌ／ｒｒｆ　ｈ　’ＣＩ λ；流体の熱伝導率［Ｋｃａｌ／　ｍ　ｈ　’ＣＩＰ　
；プラントル数 「 乱流の場合には、 乱流の場合は、 で表され、この区間内におけるヌセルト数Ｎｕｄｘは、
層流の場合、第６図のグラフに示す通りであり、乱流の
場合は、−例として、 （Ｐ　　＞１０７） 更に、管内の流れにおいては、−様な速度分布で管内に
流入した液体は、流れの進行とともに境界層が内壁に沿
って発達し、ある点で境界層が管内に充満して以降、こ
の状態を維持したまま流れ＋（Ｇ　　−Ｐ　）”１４・
１０−３］　１１５ｄ　　　ｒ ｇ・β・Δθ・ｄ３ Ｇｒｄ”’　　　　　２ ν ここに、Ｇ　；グラスホッフ数 「 ｇ；重力加速度［ｍ／ｓ２］ β；体積膨脹係数［／ｄｅｇ］ Δθ：温度差（壁面−流体間）　［ｄｅｇ］と表すこと
ができる。

速度助走区間内以降において、層流の場合のヌセルト数
Ｎ　は、−例として、 基づく温度伝導率の比を示すもので、流体の物質特性で
定まる。

次に、各部での局所熱伝達率を求める。

平板上流れでは、 Ｎ番λ ｘ α　　冒 ｘ ここに、α　；局所熱伝達率 管内流れでは、 二二に”　ｕｄｘ　　’管内局所のヌセルト数乱流の場
合のヌセント数Ｎ　は、−例として、０．８　　　１７
３ Ｎ−０，０２３Ｒ拳Ｐ ｕｄｍ　　　　　　　　ｏｄ　　　　　　ｒここに、Ｎ
ｕｄｆｆｌ；管内平均ヌセルト数で表すことができる。

なお、上記ヌセルト数は、熱伝達による単位時間＋１を
位面積当たりの熱移動量と流体が停止している場合にお
ける熱伝導による単位時間単位面積当たりの熱移動量の
比を示し、プラントル数は、流体の粘性に基づく運動量
伝導率と流体の熱伝導にここに、’ｄｘ’管内局所熱伝
達率 または ここに、α７；管内平均熱伝達率 で表すことができる。

更に、第７図（ａ）に示すように、放熱フィン２の幅を
ｗ１高さをｇ１厚さｂとして、同図（ｂ）に示す第１放
熱フインからの放熱量Ｑ１を求めると、 Ｑ１■（θ。−θ　）２αｌ”　Ａ　ｐ　ｋ）　Ｗｔ　
（ｂ　＋　Ｗｔｔａｎｌ＋　（ｍ、　ＩＩ　ｌ）　　［
Ｋｃａｌｌｈ　］ただし、 ここに、Ｃ１；第１放熱フィン間での熱伝達率［Ｋｃａ
ｌｌｒｒｒｈ”ｃ］ θ０；表面板温度［ｄｅｇ］ θ　；流体温度［ｄｃｇ］ Ｗ１１第１放熱フィン区間幅［ｍ１ ｇ１；第１放熱フィン高さ［ｍ］ λ、；放熱フィン材料の熱伝導率 ［Ｋｃａｌｌ　ｍ　ｈ　”Ｃ１ で表すことができる。

上記に基づき、各点での放熱フィンの高さを決定する。

各放熱フィン区間からの放熱量を同じにするため、放熱
フィンの高さｇ　は、次のようにして求める。

各放熱）、イン間からの放熱口ＱＸは Ｑｘ＃（θ０−〇ａ）２α８・λ１．−ｂ舎Ｗｘ・（ｂ
＋ＷＸ）ｔａｎｈ（ｍ　　ＩＩ！Ｉ　　） 　　　　ｘ ここに、ｗ　　；　　（”Ｗｌ）各放熱フィン幅で表す
ことができる。

このＱＸ−０１として、ｇｘについて解くと、ただし、 Ｌａｎｈ（ｍ　　”ｊ！　　） 　　　　ｘ （θ　−θ　）　−Ｃ８・　ｐ　　　　ｘＩＷ 　　　　ａ Ｗ　） Ｙ となる。

次に、放熱フィンの枚数を決定する。

表面板２がΔθの温度差において持つ熱量Ｑ。

［Ｋｃａｌｌは、 Ｑ　　−Ｍ−Ｃ−Δθ　　　　［Ｋｅａｌ１ここに、Ｍ
；表面版の質量［Ｋｇ］ Δθ；流体と表面板の温度差［ｄｅｇｌＣ；表面板材料
の比熱［Ｋｅａｌ／Ｋｇ’Ｃ］で表す二とができる。

次に、表面板２がある時間内に放熱できる熱量を計算す
る。

表面板全体からの放熱ＷＱ　　は Ｑ−Δθ番ａ　　　争Ｓ　　　　　　［Ｋｃａｌｌｈｌ
ｓ　　　　　Ａ ここに、Ｃ８；風向き方向中央での値を用いた平均の熱
伝達率［Ｋｃａｌ／ｒｒｒＩＩ］Ｓ；表面板の面積［ｒ
ｙｒｌ ここで、オートクレーブの缶内雰囲気温度からの許容遅
れ時間をｔ分とすると、 Ｑ　−一Δθ・ａＡ−Ｓ　［Ｋｃａｌｌを分］Ｌ６０ このｔ分間でＮ枚の放熱フィンが放熱すべき熱量ΔＱに
より、放熱フィンの枚数Ｎを決定する。

−枚の放熱フィンからのｔ分間の放熱ｆｆ１ＱＦは、ｔ
ａｎｂ　（ｍＡすＡ）　　　［Ｋｃａｌｌ　を分］Ｎ枚
の放熱フィンから放熱すべき熱量ΔＱは、ΔＱ−Ｑｏ−
Ｑｓｔ ［Ｋｃａｌｌ よって、放熱フィンの枚数Ｎは、 Ｎ−ΔＱ／Ｑ。

によって求められる。

上記を具体例を以下に説明する。

直径３０印、長さ５０ｃｍの円筒治具の外周側に積層を
行う場合の放熱フィンの枚数を決定する。

ここに、オートクレーブ内の流速を３．４ｍ／ｓ、冷却
の際に表面板の温度が３５０℃、管内雰囲気が３００℃
の場合を代表として、１０分間の遅れで治具温度が雰囲
気温度に追従することを条件とする。

また、放熱フィン及び表面板は、共に厚さ２關のスチー
ル製とする。

先ず、菅がｐ　　／ｄ−１，３と極めて短いので平板と
みなして、流れを確認し、先端から０．１ｍ毎のＲ、Ｎ
　　及びα　を求める。

ｅｘ　　　　　　ｕｘ　　　　　　　　ｘ空気と平板の
平均温度３２５℃での空気の物性値は、 λ−０，０３８［Ｋｃａｌｌｍｈ”ｃ］である。

従って、０．１ｍの位置では、 Ｎ　　　−０，４５８ｘ６３５５””ｘｏ、７２０”３
ｕｘＯ，１ −３２，７２ 次に、第１放熱フィン区間からの放熱ｍＱ１は、Ｑ＝（
θ　−θ　）　−“ｘｏ、Ｉ　　Ｐ　　　１　　　１１
　０　　ａ　　　　　　　　　Ｗ　″　ゞｔａｎｈ　（
ｍｌＩ）　ｌ） 口（３５０−３００）　　　　ｘ ｔａｎｈ（１４，２４Ｘ０．０１５） −１，８７［Ｋｅａｌ／ｈコ × ３２．７２ｘＯ，０３８ −１２，４３ ｘｏｏｌｏ、ま ただし、 となり、同様にして、 ［Ｋｃａｌ／ｒｒｆｈ’ｃ］ −１４，２４ となる。

ここに・λＦ′″ θ０− θ　　〜 ΩＸＯ，Ｊ″″ となる。

６２、　５　　［Ｋｃａｌ／ｍｈ℃コ ３５０［’Ｃコ ３００［℃］ ２市−０，００２［ｍ］ １００ｍｍ−０，１［ｍｌ Ｉ　５ｍｍ＝０．　０１５　　［ｍｌ 各放熱フィン間での放熱量を同じにするために（θ　−
θ　）　−αｘ　”　　ｐ　”　　Ｗｘ十ｗＸ　　　　
ａ として、 ここに、７−７．８７ｘ１０３［Ｋｇ／ｒｒｔコＭ−７
，４２［Ｋｇ］ Ｃ−０，１０８［Ｋｃａｌ／Ｋｇ’Ｃ］表面板が１０分
間で放熱できる熱量Ｑ　　は、で求めると、 次のようになる、 細５０Ｘ７．１８ＸＯＪ　ＸπＸ０．５　ＸＩ／１３−
２８．２０　　［Ｋｃａｌ／１０分］ただし、αＡは、
放熱フィンの中央で代表１７次に、放熱フィンの枚数を
決定する。

表面板の持つ熱量Ｑ。は、 Ｑｏ−ＭＣΔＴ−４０，０７［Ｋｃａｌ］ている。

この１０分間で全部の放熱フィンが残りの熱量を放熱す
るのであるが、−枚のｈｋ熱ラフインらの１０分間の放
熱量ＱＰＡは ＱＦＡ−５０ｘ、　　ｘ　　、ｘ、　　ｘ。

争Ｌａｎ１＋（ＩＯ，８２Ｘ０．０２Ｂ）ＸＩ／６−１
．５３３　　　［Ｋｃａｌ／１０分］放熱フィ分会放熱
フィン全部き熱量はΔＱは、ΔＱ−４０．０７−２８．
２−１１．８７　　　［Ｋｃａｌ］よって、放熱フィン
の枚数Ｎは、 Ｎ−１１，８７／１．５３３−７．７幻８枚となる。

また、上記放熱フィン５．５・・・の側面には、上記熱
風の流れ方向と直交する方向、即ち横枠と平行の方向に
突出したフェンス６．６・・・が固着されている。

このフェンス６．６・・・は、風を強制的に攪拌させて
乱流にし、これによって熱伝達をよくするためのもので
ある。

即ち、第３図（ｂ）に示すように、流れ方向に放熱フィ
ン５，５・・・を設けた場合、この放熱フィン５．５・
・・の付近では、非常に流速が小さくなってしまい、こ
れに作って熱伝達率も小さくなってしまう。

そこで、同図（ａ）に示すように、流れに対して垂直な
フェンス６．６・・・を設けることにより、このフェン
ス６．６・・・に流体を当てることによって、強制的に
乱流にして、放熱フィン付近の流れを剥離し拡散させる
ことによって、熱伝達を良くするのである。

なお、フェンスのピッチｐとフェンスの高さｈとの関係
については、実験的に求めるが、一般的に、ｐ−５ｈ程
度とする。

そして、第４図に示すように、治具製作後、温度分布の
実測を行い、温度分布が均一か否かを判断して、ヒート
・インシュレーション処理を施すのであるが、この温度
分布の実測は、通當１〜２回で済ますことができるとと
もに、この実測データを設計データと比較することがで
きるので、規格化することができ、この規格化されたデ
ータを用いて機械的に設計できるようにすることができ
るのである。

〔発明の効果〕

本発明は上記のような構成であるので、熱風を積極的に
取り込み、これを最大限に利用することによって昇温及
び冷却効率を向上させることができるとともに、放熱フ
ィンの設置場所及びこの高さ等を介して温度に関して鈍
感な場所を助けて敏感にすることによって、温度分布を
均一となし、これによってオートクレーブの効率化を図
ることができる。

更に、設計時と実測時のデータとを具体的に比較するこ
とができるので、次の治具へのより正確なデータを反映
することが可能となり、採取したデータによる設計の規
格化を可能となして、設計者の経験の度合い等の影響に
よる治具性能のバラつきを極力減少させることができる
といった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の治具を裏側から見た斜視図
、第２図は第１図のＡ部を拡大して示す拡大図、第３図
（ａ）及び（ｂ）はフェンスの有無による熱風の流れの
相違の説明に付する説明図、第４図は本発明の設計から
製作後に至るフローチャート、第５図は計算方法の概要
を示すブロック図、第６図は管内における速度助走区域
内での層流の際のヌセルト数を求めるためのグラフ、第
７図は放熱フィンの各フィン区間の放熱量を求める際の
記号を示す図、第８図は従来例における設計から製作後
の至るフローチャートである。 〕・・・ＦＲＰ成形治具、２・・・表面板、３・・・縦
枠、３ａ、３ｂ・・・通風口、４・・・を画枠、４ａ・
・・通風口、５・・・放熱フィン、６・・・フェンス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱風循環方式の加熱炉内でＦＲＰを成形するようにした
   成形治具において、表面を製品の形を決定する形状とな
   した表面板を、その裏面において最低限の風速を確保し
   て該表面板の各部での熱伝達に大きな差がないように構
   成するとともに、表面板の裏面に風の流れ方向に沿って
   複数条に延び且つ表面板の持つ熱量からある時間内にお
   ける表面板からの放熱量を引いた値の熱量を長さ方向に
   沿って均一に放熱するように設定した放熱フィンを並設
   し、更にこの放熱フィンの側面に、上記にの流れと直交
   する方向に突出するフェンスを固着したことを特徴とす
   るＦＲＰ成形治具。