(57)【要約】【課題】オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄が少ないオートクレーブを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るオートクレーブ１は、圧力容器と、前記外側圧力容器内に配置され、前記圧力容器との間に高温ガスのガス流路Ｒ１を画成する内側容器１１と、前記内側容器内部のガスを抽気し、前記ガス流路に供給する抽気流路３０と、前記抽気流路に設けられ、前記高温ガスを加圧する加圧部３２と、前記抽気流路の下流端に設けられ、前記加圧部によって加圧された前記高温ガスを、前記ガス流路を流れる前記高温ガスの流れ方向に吹き出すノズル３３とを備えることを特徴とするオートクレーブ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力容器と、
前記外側圧力容器内に配置され、前記圧力容器との間に高温ガスのガス流路を画成する内側容器と、
前記内側容器内部のガスを抽気し、前記ガス流路に供給する抽気流路と、
前記抽気流路に設けられ、前記高温ガスを加圧する加圧部と、
前記抽気流路の下流端に設けられ、前記加圧部によって加圧された前記高温ガスを、前記ガス流路を流れる前記高温ガスの流れ方向に吹き出すノズルとを備えることを特徴とするオートクレーブ。
【請求項２】
前記抽気流路の加圧部の下流側に、前記抽気流路を流れる高温ガスの圧力と熱とを蓄える蓄圧蓄熱タンクを備え、
前記抽気流路の前記蓄圧蓄熱タンクの下流側に、前記蓄圧蓄熱タンクから前記ノズルへ供給されるガス流量を調節する排気流量調節機構を備える請求項１に記載のオートクレーブ。
【請求項３】
加熱部と、
前記加熱器から得られる熱を、前記ガス流路へ供給する第一のヒータと、
前記第一のヒータから得られる熱を、前記蓄圧蓄熱タンクへ供給する第二のヒータと備える請求項１または２記載のオートクレーブ。
【請求項４】
前記ノズルが、前記ガス流路内に、前記圧力容器の長手方向に渡って複数設けられている請求項１から３のいずれか一項記載のオートクレーブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、産業機器等の構成部品としての繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の成型材を加圧下で加熱するオートクレーブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチックは、ガラス繊維や炭素繊維をプラスチック内に入れて強度を向上させた複合材料である。
繊維強化プラスチックは、プラスチックと繊維の双方の長所をあわせ持ち、軽量であると同時に高い強度を持っている。そのため、繊維強化プラスチックは幅広い分野で利用されている。繊維強化プラスチックを材料として利用する例としては、小型船舶の船体、自動車部品、鉄道車両部品、および住宅設備部品などが挙げられる。近年では、繊維強化プラスチックが、航空機機体の材料として利用されるケースも増えている。
【０００３】
繊維強化プラスチックからなる構造体を製造する方法は、複数存在する。その中の一つに、オートクレーブで熱硬化性樹脂を硬化させて成型する方法がある。この方法では、強化プラスチックのマトリックスとして、熱硬化性樹脂を用いる。まず、熱硬化性樹脂を含んだプリプレグシートを積層して、成形材を得る。この成形材を、オートクレーブ内にて、加圧下で加熱することで、熱硬化性樹脂が硬化し、結果として、固化した繊維強化プラスチックからなる構造体が得られる。
【０００４】
近年では、航空機機体に代表される、大型の構造体の材料に、繊維強化プラスチックが利用されるケースが増えている。上記の加熱による成型方法により、繊維強化プラスチックからなる大型の構造体を製造する場合、図６および７に示した従来のオートクレーブ１０１が使用されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
図６に示すように、従来のオートクレーブ１０１は、両端が閉じた管形状をしており、その断面は図７に示すように、略円形状をしている。従来のオートクレーブ１０１は、圧力容器１１０と、その内側に、内側容器１１１を備えている。内側容器内には、成形物Ｗを支持する支持部１２０が配置されている。
【０００６】
圧力容器１１０の内壁と、内側容器１１１の外壁との間には、ガス流路Ｒ２が形成されている。内側容器１１１の上面および下面には、それぞれ、第一の内側容器開口部１１２および第二の内側容器開口部１１３が形成されている。
【０００７】
圧力容器１１０の内壁には、第一の内側容器開口部１１２に対向して、ファン１１６が配置されている。このファン１１６の整流効果によって、内側容器の内部に存在する気体は、ファン１１６が配置される方向へ吸引され、その後、ファン１１６の径方向へ送り出される。その結果、内側容器１１１内に存在した気体は、内側容器１１１内部からガス流路Ｒ２へ導かれる。
【０００８】
ガス流路Ｒ２へ導かれた気体は、ヒータ１１５により加熱された後、第二の内側容器開口部から、主流路１１４を経由して、内側容器１１１内へ戻る。
【０００９】
上記で説明した気体の循環により、内側容器１１１内の支持部１２０上に載置された成形物Ｗは、加熱された気体に曝される。その結果、成形物Ｗと加熱された気体との間で熱交換が起き、成形物Ｗが加熱される。
【００１０】
成形材が特に大きい場合、成形材の流動抵抗により、オートクレーブ内での加熱ガスの循環が妨げられる。その結果、オートクレーブ内での温度分布に偏りが生じやすくなる。充分に加熱されていない部分、または過剰に加熱された部分が成形材に存在すると、製品として得られた構造体の強度にばらつきが生じ、構造体の脆弱化を招く。
【００１１】
また、大型の構造体では、構造体中の位置の違いで、その厚みが大きく異なる。厚みの大きい部材の内部には、オートクレーブ内の雰囲気ガスの温度は、表面に比べて伝わりにくい。そのために、構造体中の部材の厚みの違いに起因して、成形体の異なる箇所において、加熱温度および加熱時間にばらつきが生じる。その結果、充分に加熱されていない部分、または過剰に加熱された部分ができる。そして、同様に、製品として得られた構造体の強度にばらつきが生じ、構造体の脆弱化を招く。
【００１２】
そこで、オートクレーブ内の温度をセンサにより測定し、その測定値に基づいて、自動でオートクレーブ内の温度制御を行う技術が提唱されている（例えば、特許文献２および３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第４１０９６６０号公報
【特許文献２】特許第２７３３８６９号公報
【特許文献３】特許第２７９９６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、特許文献１のオートクレーブによれば、オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄が多いという問題がある。
【００１５】
図６および図７に示される従来のオートクレーブ１０１では、気体は、ファン１１６の前方から後方に流されるのではなく、前方から吸い込まれた後に、方向を約９０度変更し、ファン１１６の径方向側に気体を押し出している。また、流路Ｒ２の幅は狭い。以上の理由から、ファン１１６から本来の整流効果を引き出すことはできない。そのために、ファン１１６として、高性能のファンを高出力で運転する必要がある。したがって、従来のオートクレーブ１０１では、オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄が多い。
【００１６】
また、特許文献２および３のオートクレーブにおいても、オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄が多い。
【００１７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされてたものであって、オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄が少ないオートクレーブ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】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るオートクレーブは、圧力容器と、前記外側圧力容器内に配置され、前記圧力容器との間に高温ガスのガス流路を画成する内側容器と、前記内側容器内部のガスを抽気し、前記ガス流路に供給する抽気流路と、前記抽気流路に設けられ、前記高温ガスを加圧する加圧部と、前記抽気流路の下流端に設けられ、前記加圧部によって加圧された前記高温ガスを、前記ガス流路を流れる前記高温ガスの流れ方向に吹き出すノズルとを備えることを特徴とする。
【００１９】
このような構成によれば、気体循環用のファンの、気流循環効率が低い場合であっても、オートクレーブ内で、充分な気体の循環を行うことができる。そのため、オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄を低減することができる。したがって、低いコストで、ムラ無く硬化された繊維強化プラスチックからなる構造体を製造することができる。また、オートクレーブ内部から気体を抽気しているので、オートクレーブ内部の気体温度の影響を受けない。
【００２０】
また、本発明に係るオートクレーブは、前記抽気流路の加圧部の下流側に、前記抽気流路を流れる高温ガスの圧力と熱とを蓄える蓄圧蓄熱タンクを備え、前記抽気流路の前記蓄圧蓄熱タンクの下流側に、前記蓄圧蓄熱タンクから前記ノズルへ供給されるガス流量を調節する排気流量調節機構を備えることが好ましい。
【００２１】
このような構成によれば、複数回に渡り、異なる成形材の加熱硬化を行う場合、前回の加熱硬化に使用した高圧ガスから蓄圧および蓄熱することができる。この蓄えられた圧力と熱を、次回の成形固化に利用することで、気体の加熱にかかるコストをさらに削減することができる。
【００２２】
また、本発明に係るオートクレーブは、加熱部と、前記加熱器から得られる熱を、前記ガス流路へ供給する第一のヒータと、前記第一のヒータから得られる熱を、前記蓄圧蓄熱タンクへ供給する第二のヒータとを備えることが好ましい。
【００２３】
このような構成によれば、第一のヒータの熱であって、ガス流路内の気体へ伝達されずに残った分の一部を、蓄圧蓄熱タンクに蓄えることができる。この蓄えられた熱を、再度成形固化に利用することで、気体の加熱にかかるコストをさらに削減することができる。
【００２４】
また、本発明に係るオートクレーブは、前記ノズルが、前記ガス流路内に、オートクレーブの長手方向に渡って複数設けられていることが好ましい。
【００２５】
このような構成によれば、前記圧力容器の長手方向で、均一に低コストで充分な気体循環を得ることができる。これにより、内側容器内に配置された成形材を、前記圧力容器の長手方向に渡って均一に加熱することが可能となる。したがって、より低いコストで、よりムラ無く硬化された繊維強化プラスチックからなる構造体を製造することができる。
【００２６】
また、成形材の形状から、前記圧力容器の長手方向で、求められる気体循環効率が異なる場合、径が異なるノズルを適宜使用することで、前記圧力容器の長手方向で、異なった気体循環効率を設定することができる。これにより、成形材の形状から、前記圧力容器の長手方向で、求められる気体循環効率が異なる場合であっても、より低いコストで、よりムラ無く硬化された繊維強化プラスチックからなる構造体を製造することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係るオートクレーブによれば、オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第一実施形態に係るオートクレーブを側面から見た際の縦断面図を含む模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るオートクレーブを正面から見た際の縦断面図を含む模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係るオートクレーブを正面から見た際の縦断面図を含む模式図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係るオートクレーブを正面から見た際の縦断面図を含む模式図である。
【図５】本発明の第四実施形態に係るオートクレーブを側面から見た際の縦断面図を含む模式図である。
【図６】従来のオートクレーブを側面から見た際の縦断面図である。
【図７】従来のオートクレーブを正面から見た際の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［第一実施形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の第一実施形態に係るオートクレーブについて説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係るオートクレーブを側面から見た際の縦断面図を含む模式図である。図２は、本発明の第一実施形態に係るオートクレーブを正面から見た際の縦断面図を含む模式図である。
【００３０】
図１に示すように、本発明の第一実施形態に係るオートクレーブ１は、両端が閉じた管形状をしており、その断面は図２に示すように、略円形状をしている。本発明の第一実施形態に係るオートクレーブ１は、圧力容器１０と、その内側に、内側容器１１を備えている。内側容器１１内には、成形物Ｗを支持する支持部２０が配置されている。
【００３１】
圧力容器１０の内壁と、内側容器１１の外壁との間には、ガス流路Ｒ１が形成されている。内側容器１１の上面および下面には、それぞれ、第一の内側容器開口部１２および第二の内側容器開口部１３が形成されている。
【００３２】
圧力容器１０の内壁には、第一の内側容器開口部１２に対向して、ファン１６が配置されている。このファン１６の整流効果によって、内側容器の内部に存在する気体は、ファン１６が配置される方向へ吸引され、その後、ファン１６の径方向へ送り出される。その結果、内側容器１１内に存在した気体は、内側容器１１内部からガス流路Ｒ１へ導かれる。
【００３３】
ガス流路Ｒ１へ導かれた気体は、第一のヒータ１５により加熱された後、第二の内側容器開口部１３から、主流路１４を経由して、内側容器１１内へ戻る。第一のヒータ１５は、ガス流路Ｒ１内に配置された管であり、その内部に加熱された熱媒体が通される。ガス流路Ｒ１内では、管を隔てて、熱媒体とガス流路Ｒ１内を流れる気体との間で熱交換が行われ、熱媒体は熱を失い、気体は熱を受け取る。
【００３４】
上記で説明した気体の循環により、内側容器１１内の支持部２０上に載置された成形物Ｗは、加熱された気体に曝される。その結果、成形物Ｗと加熱された気体との間で熱交換が起き、成形物Ｗが加熱される。
【００３５】
本発明の第一実施形態に関わるオートクレーブ１は、ガス流路Ｒ１中を流れる気体の循環を補助する、抽気流路３０を備える。抽気流路３０は、内側容器１１の内部に存在する気体の一部を抽気し、ガス流路Ｒ１に排出する。
【００３６】
この抽気流路３０は、抽気口３１と、加圧部３２と、ノズル３３とを備える。
抽気口３１は、内部容器１１の内部に存在する気体の一部を抽気（取り出す）ための管であり、オートクレーブ１の外部から、圧力容器１０および内部容器１１を貫いて、内部容器１１の内部まで延びている。この抽気口３１は、内部容器１１の内部に少なくとも一つの開口部を有する。
【００３７】
加圧部３２は、抽気口３１より抽気された気体を加圧する。加圧された気体は、給気流路３０の下流側に送られ、ノズル３３から排出される。
【００３８】
ノズル３３は、加圧された気体をガス流路Ｒ１内に排出するための管であり、流路Ｒ１内に少なくとも一つの開口部を有する。
【００３９】
ノズル３３の先端部分では、管の長さ方向が、ガス流路Ｒ１内を流れる高温ガスの流れる方向（図２において、ガス流路Ｒ１内の矢印でしめす）に沿って形成されている。
【００４０】
ノズル３３から、ガス流路Ｒ１内を流れる高温ガスの流れ方向に、加圧された気体が排出されるため、ガス流路Ｒ１内に流れる高圧ガスは、高い効率で加速される。そのために、ガス流路Ｒ１内を流れる気体の時間当たりの流量が増加する。そして、気体循環用のファンの、気流循環効率が低い場合であっても、本発明の第一実施形態に関わるオートクレーブ１内で、充分な気体の循環を行うことができる。そのため、オートクレーブ内のガス循環に使用されるエネルギーの無駄を低減することができる。したがって、低いコストで、ムラ無く硬化された繊維強化プラスチックからなる構造体を製造することができる。また、オートクレーブ内部から気体を抽気しているので、オートクレーブ内部の気体温度の影響を受けない。
【００４１】
図１および図２に示された本発明の本発明の第一実施形態に係るオートクレーブ１においては、加圧部３２からノズル３３への配管は二つに分岐され、ガス流路Ｒ１内の二箇所にノズル３３が配置されている（一方の配管は図２では省略されている）。この二つのノズル３３は、図２の縦断面図における、右側のガス流路と左側のガス流路とにそれぞれ配置されている。
これにより、図２で見た場合の右側および左側のガス流路の両方で、気体がより高い効率で循環する。
【００４２】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係るオートクレーブの構成について説明する。図３は、本発明の第二実施形態に係るオートクレーブを正面から見た際の縦断面図を含む模式図である。。尚、蓄圧蓄熱タンク３４および排気流量調節機構３５以外の構成は、図１および図２に示す第一実施形態と同じであるため、同じ符号を用いて説明を省略する。
【００４３】
図３に示すように、本発明の第二実施形態に係るオートクレーブ１の抽気流路３０は、加圧部３２の下流に、抽気流路３０を流れる気体の圧力および熱を蓄えるための、蓄圧蓄熱タンク３４を備える。また、本発明の第二実施形態に係るオートクレーブ１の抽気流路３０は、蓄圧蓄熱タンクとノズル３３の間に、ノズル３３からの排気流量を調節するための排気流量調節機構３５を備える。
【００４４】
蓄圧蓄熱タンク３４は、高圧高熱ガスを蓄えることのできる耐圧耐熱容器であり、ガス流入口およびガス排出口は任意に開閉することができる。蓄圧蓄熱タンク３４は、ヒータ１７および１８を備えており、必要であれば蓄えられた気体の温度を上げることができる。
【００４５】
蓄圧蓄熱タンク３４に、一時的に耐圧容器１０内の気体の圧力および熱を蓄えることができる。これにより、複数回に渡り、異なる成形材の加熱硬化を行う場合、前回の加熱硬化に使用した高圧ガスから蓄圧および蓄熱することができる。この蓄えられた圧力と熱を、次回の成形固化に利用することで、気体の加熱にかかるコストをさらに削減することができる。
【００４６】
排気流量調節機構３５は、ノズル３３からの加圧気体排出量を制御するバルブである。排出流量調節機構３５により、容易にノズル３３からの加圧気体排出量を制御する事が可能となる。これにより、本発明の第二実施形態に係るオートクレーブ１内での、気体循環を適切に制御する事が出来る。
【００４７】
排気流量調節機構３５は、二つのノズル３３へ向けて配管が二つに分岐する分岐点の下流にそれぞれ独立して二つ設けてもよい。図３の縦断面図における、右側のガス流路および左側のガス流路におけるガス流流量をそれぞれ独立に制御する事で、図３の縦断面図における、圧力容器内の右側と左側とで異なった気体循環効率を設定することができる。
【００４８】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係るオートクレーブの構成について説明する。図４は、本発明の第三実施形態に係るオートクレーブを正面から見た際の縦断面図を含む模式図である。尚、加熱部１９、並びに第一のヒータ１５および第二のヒータ１７を接続する配管以外の構成は、図３に示す第二実施形態と同じであるため、同じ符号を用いて説明を省略する。
【００４９】
図４に示すように、本発明の第三実施形態に係るオートクレーブ１の第一のヒータ１５および第二のヒータ１７は閉じた系として接続されている。加熱部１９で加熱された熱媒体は、第一のヒータ１５へ送られる。ガス流路Ｒ１内では、管を隔てて、熱媒体とガス流路Ｒ１内を流れる気体との間で熱交換が行われ、熱媒体の持つ熱の一部は失われ、気体はその熱を受け取る。
【００５０】
一部の熱を失った熱媒体は、第一のヒータ１５と第二のヒータ１７とを接続する配管を通り、蓄圧蓄熱タンク３４に設けられる第二のヒータ１７へ送られる。第一のヒータ１５を通過した後の熱媒体に残存する熱の一部は、第二のヒータ１７を介して蓄圧蓄熱タンク３４内の気体に伝達される。第二のヒータ１７を通過した熱媒体は、加熱部１９に送られ加熱され後、再度第一のヒータ１５へ供給される。
【００５１】
上記の構成を有することにより、第一のヒータ１５を通過した後の熱媒体に残存する熱の一部を再利用することができる。したがって、本発明の第三実施形態に係るオートクレーブ１では、内部気体の加熱および加圧のために必要とされる熱量を低減することができる。
【００５２】
第一のヒータ１５を通過した後の熱媒体に残存する熱を伝える先は、第二のヒータ１７のみには限定されない。例えば、蓄圧蓄熱タンク３４からノズル３３の間の配管内で熱交換を行ってもよい。
【００５３】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係るオートクレーブの構成について説明する。図５は、本発明の第四実施形態に係るオートクレーブを側面から見た際の縦断面図を含む模式図である。尚、加圧部３２下流で、配管が複数に分岐され、その先に、圧力容器の長手方向に渡って複数のノズル３３が設けられている点以外の構成は、図１に示す第一実施形態と同じであるため、同じ符号を用いて説明を省略する。
【００５４】
図５に示すように、本発明の第四実施形態に係るオートクレーブ１の抽気流路３０は、加圧部３２よりも抽気流路３０の下流側で、配管が複数に分岐している。分岐された配管は、圧力容器１０の長手方向に渡って複数配置されるノズル３３に接続される。
【００５５】
上記の構成を有することにより、本発明の第四実施形態に係るオートクレーブ１では、前記圧力容器の長手方向で、均一に低コストで充分な気体循環を得ることができる。これにより、内側容器内に配置された成形材を、前記圧力容器の長手方向に渡って均一に加熱することが可能となる。したがって、より低いコストで、よりムラ無く硬化された繊維強化プラスチックからなる構造体を製造することができる。
【００５６】
また、成形材の形状から、前記圧力容器の長手方向で、求められる気体循環効率が異なる場合、径が異なるのノズルを適宜使用することで、前記圧力容器の長手方向で、異なった気体循環効率を設定することができる。これにより、成形材の形状から、前記圧力容器の長手方向で、求められる気体循環効率が異なる場合であっても、より低いコストで、よりムラ無く硬化された繊維強化プラスチックからなる構造体を製造することができる。
【００５７】
圧力容器１０の長手方向に渡って複数は位置されるノズル３３の個数および各ノズル３３間の間隔は、圧力容器長手方向におけるそれぞれの位置で、目的とする気体循環効率が得られれば、特に限定されない。
【００５８】
尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  オートクレーブ
１０  圧力容器
１１  内側容器
１４  主流路
１５  第一のヒータ
１６  ファン
１７  第二のヒータ
１８  第三のヒータ
１９  加熱部
２０  支持部
２１  ベースプレート
２２  載置台
３０  抽気流路
３１  抽気口
３２  加圧部
３３  ノズル
３４  蓄圧蓄熱タンク
３５  排気流量調節機構
Ｃ  コンプレッサ
Ｒ１、Ｒ２  ガス流路
Ｗ  成形物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013163282.tif 000009