(57)【要約】  炭素繊維複合材料など絶縁性材料中に導電性材料からなる強化材を内包分散させた構造を有する被加熱物を予備加熱するに際して、短時間かつ均一に加熱することが可能な高周波加熱装置及び加熱方法を提供すること。具体的には、絶縁性樹脂マトリクス中に導電性の強化材を分散させた構造を有する被加熱物に、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数の高周波を印加して該被加熱物を加熱することを特徴とする高周波加熱装置及び加熱方法を提供する。
2017170480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性樹脂マトリクス中に導電性の強化材を分散させた構造を有する被加熱物に、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数の高周波を印加して該被加熱物を加熱することを特徴とする高周波加熱装置。
【請求項２】
対向する一対の電極間に前記被加熱物を配置し、両電極間に高周波発生装置により発生する１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数の高周波を印加して該被加熱物を加熱することを特徴とする請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記被加熱物は板状又はシート状の形状を有するものであり、かつ前記一対の電極が、該板状又はシート状の形状を有する被加熱物を介して対向する表面を各々有することを特徴とする請求項２に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
前記一対の電極間に前記高周波発生装置より発生する前記高周波を印加している時間の少なくとも一部において、前記一対の電極の少なくとも一方の前記表面と前記被加熱物とが非接触の状態にあることを特徴とする請求項３に記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
前記一対の電極間に前記高周波発生装置より発生する前記高周波を印加している時間の少なくとも一部において、前記一対の電極の少なくとも一方の前記表面と前記被加熱物との間に絶縁材が存在することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の高周波加熱装置。
【請求項６】
前記強化材の少なくとも一部が炭素繊維であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
前記強化材が前記被加熱物内においてランダムに配向したものであることを特徴とする請求項６に記載の高周波加熱装置。
【請求項８】
前記高周波の周波数が１３ＭＨｚ以上４１ＭＨｚ以下の範囲のものであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の高周波加熱装置。
【請求項９】
絶縁性樹脂マトリクス中に導電性の強化材を分散させた構造を有する被加熱物に、１MHｚ以上１００MHｚ以下の周波数の高周波を印加して該被加熱物を加熱することを特徴とする高周波加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波帯に属する電磁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関わるものであり、とくに炭素繊維複合材料など絶縁性材料中に導電性材料からなる強化材を内包分散させた構造を有する被加熱物の加熱に適する高周波加熱装置及び加熱方法に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
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１）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。【０００３】
なお、本明細書に於いては、高周波とは特に断らない限り1０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲の電磁波をいい、マイクロ波とは２．４５ＧＨｚの電磁波のこととする。【０００４】
高周波帯において、各種産業用途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周波数のみ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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
さて、このような高周波、マイクロ波などの電磁波により炭素繊維そのものや、炭素繊維複合材（いわゆるＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）を加熱しようとする試みがなされている。【００１８】
炭素繊維及び炭素繊維複合材は、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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
熱可塑性炭素繊維複合材の成型方法の一つとしてとして、あらかじめ軟化点温度以上に加熱した熱可塑性炭素繊維複合材を射出やプレスといった公知の成型方法で成型して、所望の形状に成型する方法がある。【００２４】
一例として、シート状または板状の熱可塑性炭素繊維複合材（スタンパブルシート、熱可塑性ＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ＬＦＴ−Ｄ（Ｌｏｎｇ  Ｆｉｂｅｒ  Ｔｈｒｅｍｏ−Ｄｉｒｅｃｔ）などと呼ばれることが多い）を軟化点温度以上に加熱し、既存の板金プレス加工のようにプレス機械でプレス加工して熱可塑性炭素繊維複合材を成型する方法が考案されている。  
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】エレクトロヒートハンドブック  一般社団法人日本エレクトロヒートセンター編  第１版第１冊  ２０１５．９．２５刊
【非特許文献２】石川県工業技術試験所  平成24年度研究方向vol.24
【非特許文献３】公益法人日本化学会主催  日本化学会秋季事業  第4回CSJ化学フェスタ2014予行集講演番号H2-08
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
上述したように、熱可塑性炭素繊維複合材の成型においてはその予備加熱の工程が必須であるが、現状では、雰囲気加熱や赤外線加熱等の方式を用いて加熱することが多い。予備加熱の温度は熱可塑性樹脂の軟化温度以上が必須であるが、最も一般的なナイロン（ポリアミド）系樹脂でも最低２５０℃程度は必要であり、この所望の温度まで加熱するのに時間がかかるという問題があった。【００２７】
たとえば、前述の熱可塑性スタンパブルシートのプレス成型は１分程度の所要時間で可能である場合が多いが、従来技術における雰囲気加熱や赤外線加熱では、それ以上の時間がかかることが多い。この結果として予備加熱から成型までの工程を通してのスループットが、予備加熱工程で律速されるという問題があった。【００２８】
このため、プレス装置１台に対して予備加熱装置を複数台割り当て、該複数の予備加熱装置を並行して稼動させることで、プレス装置の成型速度に予備加熱工程を間に合わさせるといったことも行われていたが、その結果、複数の予備加熱装置が必要となるため、初期投資コストが増大したり、広大な設置スペースが必要となるといった問題も発生していた。【００２９】
さらに、予備加熱温度が高すぎると熱可塑性樹脂が分解したり低分子量成分が気化するなどの変質（劣化）を起こす場合があり、予備加熱は最適な温度範囲（最適温度範囲）に加熱することが必要である。【００３０】
従来技術における、赤外線や雰囲気加熱は基本的に表面からの加熱であり、加熱時に熱可塑性炭素繊維複合材の表面と内部で温度差が生じる場合が多い（非特許文献２）。【００３１】
熱可塑性樹脂は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。【００３２】
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、結局のところ加熱時間が長くなるという問題に帰結する。【００３３】
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
そこで、電磁波による加熱の特長である、特長１：急速加熱、および特長２：内部加熱の効果を期待し、これら加熱時間の問題、表面と内部での温度差の問題を解決すべく、電磁波による加熱を予備加熱へ適用しようとする検討が行われている。【００３４】
しかしながら、電磁波加熱の一つであるマイクロ波加熱に於いては、確かにこれらの効果は期待できるものの、電磁波による加熱の第３の特長である選択加熱の効果が逆に弊害をもたらす場合が多い。即ち、熱可塑性炭素繊維複合材料の構成要素である炭素繊維と熱可塑性樹脂を比較すると、マイクロ波の吸収能は圧倒的に炭素繊維のほうが大きく、マイクロ波の照射によって炭素繊維のみが瞬間的といってよいほど急速に加熱され前記の最適温度範囲を超えてしまう場合がある。結果、炭素繊維とマトリクス材である熱可塑性樹脂の界面において熱可塑性樹脂が過剰に加熱され、前述の劣化は発生するという問題が存在する。【００３５】
この対策として、熱可塑性樹脂中に熱伝導率の高いフィラーを分散させることでこの影響を低減しようとする試みもあるが（非特許文献３）、フィラーの分散などによる製法の煩雑化、材料自体のコストアップという問題に繋がる。【００３６】
また、一般的にマイクロ波加熱は、板状、シート状など比較的大面積の対象物を均一に加熱することは難しいという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
前記課題を解決するために、本発明によれば絶縁性樹脂マトリクス中に導電性の強化材を分散させた構造を有する被加熱物に、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数の高周波を印加して該被加熱物を加熱することを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００３８】
前記課題を解決するために、本発明の好ましい態様によれば、対向する一対の電極間に前記被加熱物を配置し、両電極間に高周波発生装置により発生する１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数の高周波を印加して該被加熱物を加熱することを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００３９】
前記課題を解決するために、本発明のさらに好ましい態様によれば、前記被加熱物は板状又はシート状の形状を有するものであり、かつ前記一対の電極が、該板状又はシート状の形状を有する被加熱物を介して対向する表面を各々有することを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００４０】
前記課題を解決するために、本発明のさらに好ましい態様によれば、前記一対の電極間に前記高周波発生装置より発生する前記高周波を印加している時間の少なくとも一部において、前記一対の電極の少なくとも一方の前記表面と前記被加熱物とが非接触の状態にあることを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００４１】
前記課題を解決するために、本発明のさらに好ましい態様によれば、前記一対の電極間に前記高周波発生装置より発生する前記高周波を印加している時間の少なくとも一部において、前記一対の電極の少なくとも一方の前記表面と前記被加熱物との間に絶縁材が存在することを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００４２】
前記課題を解決するために、本発明のさらに好ましい態様によれば、前記強化材の少なくとも一部が炭素繊維であることを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００４３】
前記課題を解決するために、本発明のさらに好ましい態様によれば、前記強化材が前記被加熱物内においてランダムに配向したものであることを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００４４】
前記課題を解決するために、本発明のさらに好ましい態様によれば、前記高周波の周波数が１３ＭＨｚ以上４１ＭＨｚ以下の範囲のものであることを特徴とする高周波加熱装置が提供される。【００４５】
前記課題を解決するために、本発明の別の態様によれば、絶縁性樹脂マトリクス中に導電性の強化材を分散させた構造を有する被加熱物に、１MHｚ以上１００MHｚ以下の周波数の高周波を印加して該被加熱物を加熱することを特徴とする高周波加熱方法が提供される。
【発明の効果】
【００４６】
高周波加熱においては、後述する本発明者による実験結果からも分かるように、熱可塑性複合材料の構成要素である炭素繊維と熱可塑性樹脂の双方を同程度に加熱することができる。即ち、マイクロ波に比べ前述の炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面における過剰な加熱及びそれに起因する熱可塑性樹脂の劣化を軽減することが出来る。【００４７】
また、高周波加熱においては平板状の一対の対向電極間に板状、シート状の平板状の加熱対象物を載置して加熱するという方法は多用されており、板状、シート状など比較的大面積の熱可塑性炭素繊維複合材を加熱することに適しているという特長も期待できる。
さらに、高周波加熱はこれまで加熱対象物として、木材や熱可塑性樹脂などいわゆる誘電体の加熱に広く適用されていた。また、これら誘電体の加熱に於いては、加熱対象物と電極間には空隙を設けず、電極と加熱対象物は密着させるのが通常であった。これは、一般的には空隙が容量成分として作用し、高周波の伝播が阻害されるためと考えられている。ところが、本発明者らが炭素繊維複合材など誘電対中に導電性物質が分散された加熱対象物の高周波加熱現象を詳細に検討したところ、このような加熱対象物に於いては、原因は定かではないものの、電極との間に若干の空隙を設けても問題なく加熱が行えることを見出した。
このことは、次のようなメリットも期待できる。
従来、高周波加熱に於いては電極と加熱対象物は接触しているのが通常であり、よって、たとえば電極表面に部分的なキズ、凹み、異物の付着等が発生した場合、それにより加熱対象物表面にもそれらの転写により、その表面に突起、凹み、異物付着などの不良が発生する場合がある。
炭素繊維複合材におては、表面に存在する多少の突起、凹み、異物付着などはその機械的特性などには影響せず無視できる場合も多いのであるが、近年、炭素繊維複合材料を、例えば自動車ボディー外装など、意匠性、デザイン性が必要とされる部材に適用する場合がある。特に熱可塑性炭素繊維複合材がこの用途への適用要求が大きい。このような意匠性、デザイン性が要求される部材に於いては、表面の突起、凹み、異物は致命的であり、電極と加熱対象物間に空隙が存在しこれらの発生が原理的に回避できる高周波加熱は好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による予備加熱装置を示す概略図である。
【図２】本発明による予備加熱装置による、スタンパブルシートの加熱の効果を示す図である。
【図３】異なる高周波周波数による、スタンパブルシートの加熱の効果を示す図である。
【図４】炭素繊維、炭素繊維複合材、樹脂材の高周波による加熱の効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
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、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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の空隙をもって被加熱物１１と対向する。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は下電極３からの熱伝達、上電極から熱輻射、及び印加された高周波による内部から加熱で加熱される。
【００５３】
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が最適温度範囲内に到達すると、上電極３を上方に離間させ同時に高周波の発振も停止させる。
【００５４】
（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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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２に示す。
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。
【００５８】
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２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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図２中一点鎖線は、高周波の発振有で上電極とサンプル間に０．５ｍｍの空隙を設けた場合である。空隙なしに比べやや低い到達温度となっているが加熱は行われている。
【００６２】
図３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。
【００６３】
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、スタンパブルシートを予備加熱できることを示している。
【００６４】
又、スタンパブルシートと電極間に空隙を設けても加熱が出来ることも示されている。このことは、例えば、前述の意匠性、デザイン性が必要とされる部材の予備加熱に本加熱装置を適用する場合に、意匠性、デザイン性が必要とされる側に空隙を設けて加熱が可能なことが示されており好適である。
【００６５】
一方で、本予備加熱装置に於いては、図２にも示されるよう電極加熱による加熱の効果も大きい。前述した、電極表面のキズ、凹み、異物の付着等の影響の程度は、サンプルがある程度加熱され、例えば軟化し始めた状態において著しくなる場合もある。よって、サンプルが軟化点に達するまでは、電極とサンプルを密着させて電極加熱の効果も積極的に利用し、軟化点に到達して以降は空隙を設けて、キズ、凹み、異物の付着等の影響を軽減させるといった運用も考えられる。
【００６６】
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（登録商標名テフロン）などのフッ素系樹脂、ポリアミド系樹脂（登録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。
【００６７】
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。
【００６８】
又、このような絶縁層を設ける場合に、電極上に絶縁層を密着させ、絶縁層とサンプル間に空隙を設けても良いし、逆に、サンプルに絶縁層を密着させ、絶縁層と電極間に空隙を設けてもかまわない。
【００６９】
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４に実施例の予備加熱装置を用い、４０．６８ＭＨｚ、２００Ｗ、３０秒、電極加熱なしの条件で炭素繊維や炭素繊維複合材、樹脂を室温（２０〜２２℃）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。
【００７０】
又、上電極と０．５ｍｍの空隙を設けても、ナイロン６樹脂板を除きやや到達温度は低いが加熱は行われていることがわかる。この実験では電極加熱していないため、電極に接触している条件では加熱されたサンプルの熱が電極に逃げていると考えられ（電極自体がは高周波で加熱されることはない）、これを考慮すれば電極接触時の高周波による加熱の効果はもう少し大きいと推定されるが、０．５ｍｍの空隙が存在しても、高周波による加熱が行われていることは確かである。ナイロン６樹脂板は０．５ｍｍの空隙を設けると到達温度は著しく低下している。
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。
【００７１】
一方、本発明に用いた高周波領域であれば、図４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。
【００７２】
以上の実施態様に於いては、熱可塑性炭素繊維複合材への適用例を示したが、これに限定されず、マトリクス樹脂としては熱硬化、熱可塑を問わず使用可能で、また、導電性の強化材としても当然金属繊維のものが適用可能である。又、絶縁性の強化材であってもその表面に金属と魚導電材を被覆したものであれば、本発明の効果は期待できる。
【符号の説明】
【００７３】
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
【図１】
2017170480.tif 000003
【図２】
2017170480.tif 000004
【図３】
2017170480.tif 000005
【図４】
2017170480.tif 000006
【国際調査報告】
2017170480.tif 000007
2017170480.tif 000008