(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維基材とマトリックスとで形成された複合材料（１２）を成形治具（１４）と共に収納した真空バッグ（１６）が設置される缶体（１８）と、前記缶体（１８）内に所定温度の水蒸気を供給する水蒸気供給手段（２０）と、前記複合材料（１２）の成形に使用した前記水蒸気を前記缶体（１８）外に排出する排気手段（２２）と、成形した前記複合材料（１２）冷却用の冷却水を供給する冷却水供給手段（２４）とを有する水蒸気加熱方式のオートクレーブ成形装置（１０）における、成形した前記複合材料（１２）を冷却する際のオートクレーブ成形装置の冷却方法であって、
成形後、先ず始めに前記缶体（１８）内が略大気圧となるように前記排気手段（２２）から水蒸気を排出することによって冷却を行い、
その後、前記冷却水供給手段（２４）により供給される冷却水で冷却を行う、
ことを特徴とするオートクレーブ成形装置の冷却方法。
【請求項２】
請求項１記載のオートクレーブ成形装置の冷却方法において、
前記排気手段（２２）には排気量を調整する減圧弁（２６）が設置され、前記缶体（１８）内の圧力に応じて前記減圧弁（２６）を制御する、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置の冷却方法。
【請求項３】
請求項１記載のオートクレーブ成形装置の冷却方法において、
前記冷却水供給手段（２４）には、冷却水の流量を調整する流量調整弁（２８）が設置され、前記缶体（１８）内または前記複合材料（１２）の温度に応じて前記流量調整弁（２８）の開度を制御する、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置の冷却方法。
【請求項４】
請求項１記載のオートクレーブ成形装置の冷却方法において、
前記冷却水供給手段（２４）には、冷却水の流量を可変可能な冷却水ポンプが設置され、前記缶体（１８）内または前記複合材料（１２）の温度に応じて前記冷却水ポンプの出力を調整する、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置の冷却方法。
【請求項５】
請求項１記載のオートクレーブ成形装置の冷却方法において、
前記冷却水供給手段（２４）から供給される冷却水が、複数の散布手段により前記真空バッグ（１６）の複数面に散布される、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、自動車および一般産業において用いられる複合材料成形品の成形に用いられるオートクレーブ成形装置の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の強化材にマトリックスと呼ばれるエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の複合材料(プリプレグ)を加熱、加圧成形して所望の断面形状を有する成形品を得る技術が知られている。炭素繊維やガラス繊維は弾性率が高いため、これらの繊維を板状の繊維の層にして、繊維方向が異なるように複数枚積層した複合材料にすることで、軽量で強度の高い製品を得ることができ、航空機、自動車および一般産業に広く利用されている。熱硬化性樹脂を基質とする複合材料は常温では柔らかく、ある一定の温度まで加熱すると反応熱を発生しながら硬化する特性を持つ。【０００３】
この複合材料の成形装置として、下記の特許文献１(日本国・特開２００９−５１０７４号公報)で示すオートクレーブ成形装置が用いられている。図４に示すように、複合材料１０１を成形治具１０２とともに耐熱・耐圧性の真空バッグ１０３で覆い、開閉扉１０４から缶体１０５内に設置する。缶体１０５内の空気をヒータ１０６で加熱して、複合材料１０１を所定温度まで昇温させる。昇温によって昇圧され、さらに加圧が必要な場合は外部から圧縮気体を供給（図示せず）することで、真空バッグ１０３内との圧力差により複合材料１０１を成形治具１０２に押し当てて、複合材料１０１を成形治具１０２の形状に成形する。その際、複合材料１０１が均一に加熱されるように、加熱する気体をファン１０７により循環させている。所定温度に所定時間維持し、複合材料１０１が硬化して成形が終了すると、複合材料１０１を冷却する。冷却は、外部から供給する冷却水により冷却器１０８を介して循環する気体を冷却することにより行う。【０００４】
しかしながら、加熱工程、冷却工程共に気体を介して熱を伝えるため、加熱工程および冷却工程に時間がかかり、生産性が低下するという課題があった。【０００５】
この課題に対して、下記の特許文献２(日本国・特開２０１２−１５３１３３号公報)に示すオートクレーブ装置が用いられている。図５を用いて説明すると、この装置は、空気を循環させずに、加熱媒体として水蒸気を用いている。複合材料１１１を成形治具１１２とともに真空バッグ１１３で覆い、開閉扉１１４から缶体１１５内に設置する。その後、水蒸気供給管１１６から缶体１１５内に高温・高圧の水蒸気を供給する。水蒸気は真空バッグ１１３まで直接流れ、真空バッグ１１３の上面および成形治具１１２の下面で凝縮し、その時発生する大量の凝縮熱を複合材料１１１と成形治具１１２に与え、複合材料１１１と成形治具１１２を急速に昇温させる。同時に、水蒸気の圧力と真空バッグ１１３内の圧力差により、複合材料１１１を成形治具１１２に密着させ、複合材料１１１を成形治具１１２の形状に成形する。水蒸気は凝縮すると体積が１００分の１以下程度に減少するため、凝縮が生じた場所には更に新鮮な水蒸気が流れ込み、複合材料１１１および成形治具１１２はほぼ均一な温度に加熱される。所定温度に所定時間維持し、複合材料１１１が硬化して成形が終了すると、複合材料１１１を冷却する。冷却は、外部から供給する冷却水を冷却水供給管１１７から噴霧して、真空バッグ１１３を直接冷やす。これにより、加熱工程および冷却工程にかかる時間を大幅に短縮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５１０７４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５３１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の通り、水蒸気を用いた加熱は急速な加熱が可能であり、かつ複雑な形状を有する成形品にも適したものであるが、かかるオートクレーブ成形装置を更により良い装置とするためには、以下の課題を解決することが必要であろう。【０００８】
すなわち、上記の冷却工程の際に缶体１１５内へと供給する冷却水の圧力は、缶体１１５内の水蒸気の圧力以上に上げる必要があることから、冷却開始時の水蒸気の圧力が高い段階では、大きなポンプ設備が要求される。また、缶体１１５内の水蒸気の冷却には冷却水の顕熱分しか利用できないため、大量の冷却水が必要となる。その結果、冷却時間を短くするためには、大きなポンプ設備が必要であると共に、電力消費の増大が生じていた。【０００９】
それゆえに、本発明は、前述の問題に鑑みてなされたものであり、水蒸気加熱方式のオートクレーブ成形装置の冷却工程において、冷却設備を大きくすることなく、冷却時間の短い効率的な冷却が可能なオートクレーブ成形装置の冷却方法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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明にかかるオートクレーブ成形装置の冷却方法を次のように構成した。
すなわち、繊維基材とマトリックスとで形成された複合材料１２を成形治具１４と共に収納した真空バッグ１６が設置される缶体１８と、前記缶体１８内に所定温度の水蒸気を供給する水蒸気供給手段２０と、前記複合材料１２の成形に使用した前記水蒸気を前記缶体１８外に排出する排気手段２２と、成形した前記複合材料１２冷却用の冷却水を供給する冷却水供給手段２４とを有する水蒸気加熱方式のオートクレーブ成形装置１０における、成形した前記複合材料１２を冷却する際のオートクレーブ成形装置の冷却方法であって、成形後、前記排気手段２２からの水蒸気の排出による冷却を行い、その後、前記冷却水供給手段２４により供給される冷却水で冷却を行うことを特徴とする。【００１１】
本発明のオートクレーブ成形装置の冷却方法において、冷却開始時における缶体１８内の水蒸気の圧力が高い状態では、排気手段２２を使用して水蒸気の圧力を減圧することにより、蒸気の圧力に関する平衡温度を利用して複合材料１２を冷却し、缶体１８内の圧力が低下した後に、冷却水による冷却を開始することで、冷却水ポンプなどの冷却水供給手段２４を構成する設備を大きくすることなく、少ない電力消費量で且つ短い時間での冷却が可能となる。【００１２】
本発明においては、前記排気手段２２に排気量を調整する減圧弁２６を設け、前記缶体１８内の圧力に応じてその減圧弁２６を制御することや、前記冷却水供給手段２４に冷却水の流量を調整する流量調整弁２８や冷却水ポンプを設け、前記缶体１８内または前記複合材料１２の温度に応じてその流量調整弁２８の開度や冷却水ポンプの出力を制御することが好ましい。また、前記冷却水供給手段２４から供給される冷却水が、複数の散布手段により前記真空バッグ１６の複数面に散布されることが好ましい。【００１３】
さらに、本発明は、後述する実施形態に記載された特有の構成を付加することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、水蒸気加熱方式のオートクレーブ成形装置の冷却工程において、冷却設備を大きくすることなく、冷却時間の短い効率的な冷却が可能なオートクレーブ成形装置の冷却方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明方法にかかるオートクレーブ成形装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明にかかる加熱冷却工程の温度と圧力の制御方法の一例を示す図である。
【図３】本発明および従来の冷却方法における温度変化と冷却水積算量とを示すモデル図である。
【図４】従来技術のオートクレーブ成形装置の構成図である。
【図５】従来技術の水蒸気加熱方式のオートクレーブ成形装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に用いて説明する。図１は、本発明方法にかかるオートクレーブ成形装置１０の一例を示す概略図である。この図が示すように、本実施形態のオートクレーブ成形装置１０は、大略、繊維基材とマトリックスとで形成された複合材料１２を成形治具１４と共に収納した真空バッグ１６が設置される缶体１８と、前記缶体１８内に所定温度の水蒸気を供給する水蒸気供給手段２０と、前記複合材料１２の成形に使用した前記水蒸気を前記缶体１８外に排出する排気手段２２と、成形した前記複合材料１２冷却用の冷却水を供給する冷却水供給手段２４とを備えた水蒸気加熱方式のものである。
【００１７】
このオートクレーブ成形装置１０は、繊維基材に、マトリックスとして熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料１２と成形治具１４を真空バッグ１６で覆ったものを予備真空引きし、これを開閉扉１９から缶体１８内の成形室１８ａ内に搬入する。搬入後に真空バッグ１６を真空手段３０に接続し、成形時の真空を維持する。
【００１８】
複合材料１２の加熱に必要な熱は、水蒸気供給手段２０から供給される水蒸気の凝縮熱により与えられる。水蒸気供給手段２０には制御弁３２が設置され、これを用いて供給する水蒸気の温度および平衡圧力が制御される。また、水蒸気供給手段２０には、水蒸気が均一に供給されるように複数の蒸気用ノズル３４が設けられている。図１の実施形態では、蒸気用ノズル３４を有する水蒸気供給手段２０は単管としているが、成形室１８ａの大きさ等により、適度の本数に分岐して設置される。水蒸気は真空バッグ１６まで直接流れ、真空バッグ１６の上面および成形治具１４の下面で凝縮する。その時発生する大量の凝縮熱を複合材料１２と成形治具１４に与え、熱伝導によって複合材料１２は急速に昇温する。水蒸気は凝縮すると体積が１００分の１以下程度に減少するため、凝縮が生じた場所には更に新鮮な水蒸気が流れ込み、複合材料１２および成形治具１４はほぼ均一な温度を保ちながら昇温する。
【００１９】
加熱時に生じる凝縮水は、成形室１８ａの底部に溜り、ドレン水排出手段３６により成形室１８ａの外に排出される。ドレン水排出手段３６にはドレン水排出弁３８が設置され、溜まったドレン水の量に応じて排出量が制御される。
【００２０】
複合材料１２の成形後、缶体１８内(より詳しくは成形室１８ａ内)の複合材料１２の成形品(以下、単に「複合材料１２成形品」とも言う。)を冷却するため、排気手段２２と冷却水供給手段２４とが設置されている。本発明では、最初は排気手段２２による減圧冷却を行い、その後、冷却水供給手段２４を用いて冷却水で冷却する二段階の冷却を行う。
【００２１】
最初の冷却は、排気手段２２により成形室１８ａ内の水蒸気を排出することで、水蒸気の圧力を下げ、それにより平衡温度が低下することで、成形室１８ａ内の複合材料１２成形品を冷却する。温度降下の速さは排気手段２２に設けられた減圧弁２６により調整される。水蒸気の大気への排出による冷却は、大気圧の平衡温度である１００℃が限界になる。第二段階目の冷却は、冷却水供給手段２４により供給される冷却水を成形室１８ａ内に散布することで行う。冷却水供給手段２４には、冷却水流量を制御(調整)する流量調整弁２８が設置されている。
【００２２】
複合材料１２は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の積層物を使用しており、マトリックスとなる熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などが使用される。また、真空バッグ１６の構成素材は、ナイロン、シリコーンゴムなど、耐熱、耐水性を備えたものであればよい。
【００２３】
次に、本発明にかかるオートクレーブ成形装置１０を用いたオートクレーブ成形の各工程における温度および圧力の制御方法を、図２を用いて説明する。温度と圧力の表示において、実線が制御の対象となることを示している。
【００２４】
昇温工程では、供給する水蒸気量を調整しながら、成形室１８ａ内の温度を所定の温度に上げる。この工程では、圧力は水蒸気の温度に関する平衡圧力となる。複合材料１２はその平衡圧力と真空バッグ１６内の圧力との差圧により成形治具１４に押し付けられ、成形治具１４に密着した状態で硬化を開始する。硬化工程の時間は複合材料１２の組成(とりわけ、マトリックスの種類や量など)により決まり、所定の水蒸気温度を保持することで、温度に関する平衡圧力下で硬化が進行する。
【００２５】
硬化終了後、複合材料１２成形品を取り出すために冷却を開始する。水蒸気供給手段２０からの水蒸気供給を停止し、最初の減圧冷却工程では、排気手段２２から水蒸気を排出する。成形室１８ａ内の温度は、圧力に関する平衡温度となるため、圧力が低下すると温度も低下する。水蒸気の温度低下により、複合材料１２の温度も低下する。冷却工程における圧力の低下により、成形室１８ａ内の圧力と真空バッグ１３内との差圧が低下する。ここで、硬化後の温度変化により複合材料１２成形品に歪が生じる可能性がある場合は、減圧弁２６の開度を変えて減圧速度を調整する。減圧冷却工程は、減圧弁２６の操作のみで行えるため、電力消費は最小限に抑えられる。また、成形室１８ａ内の温度は圧力に関する平衡温度となることから、成形室１８ａ内はほぼ均一な温度を保ちながら降温する。
【００２６】
続いて、第二段階目の冷却は冷却水冷却工程であり、成形室１８ａ内の圧力が大気圧近くになると、流量調整弁２８を開き、冷却水供給手段２４から冷却水を放出し、真空バッグ１６内の複合材料１２成形品を冷却する。この際、減圧弁２６は、成形室１８ａ内の圧力が所定の圧力まで低下した段階で閉鎖する。また、必要に応じて、ドレン水排出弁３８を開いて、成形室１８ａの底部に溜まった冷却水を排出する。この時の成形室１８ａ内の圧力は大気圧に近いため、冷却水の圧力は最小限の昇圧となり、ポンプ設備の大きさおよび消費電力を抑えることができる。
【００２７】
なお、図示しないが、冷却水供給手段２４を構成する冷却水ポンプを、インバータ等を用いて流量可変にすることで、複合材料１２成形品の温度が低下した場合には冷却水ポンプが供給する冷却水の流量を絞るようにその出力を制御すれば、さらに消費電力を抑えることも可能である。
【００２８】
上記の冷却水冷却工程では、複合材料１２成形品の温度により冷却速度を制御する。なぜなら、水蒸気の温度が１００℃以下では、平衡圧力が大気圧以下となるため、状況に応じて成形室１８ａに空気を導入（図示せず）するが、そのように成形室１８ａに空気を導入した場合、圧力による冷却速度の制御が困難になるからである。また、複合材料１２成形品の温度により冷却速度を制御する場合であっても、冷却水の噴霧状態により場所によって温度差が生じるようになるため、複合材料１２成形品の代表温度を用いて冷却速度を制御する。
【００２９】
複合材料１２の熱伝導率は金属と比較して低いことから、複合材料１２成形品の厚み方向の温度差が大きくなる。したがって、例えば図１の実施形態では、冷却水供給手段２４の配管を分岐した分岐管４０のような複数の散布手段により複合材料１２の上下面から冷却ができる構造としている。これにより、冷却速度をさらに速めることが可能となる。
【００３０】
図３は、本発明および従来の冷却方法における温度変化と冷却水積算量とを示すモデル図である。この図は、本発明による二段階の冷却と、従来の冷却水による冷却とを比較しており、それぞれの冷却方法について、冷却時間と、複合材料１２成形品の温度変化および冷却に要する冷却水積算量との関係を示している。
【００３１】
本発明による二段階の冷却では、所定の温度まで減圧冷却し、その後に冷却水による冷却を行っている。この図３が示すように、本発明の冷却方法は従来の冷却方法に比べて、冷却時間、冷却水ともに３０％程度削減できることが確認されている。
【００３２】
以上のように、本実施形態のオートクレーブ成形装置の冷却方法によれば、最初は水蒸気排気による減圧で冷却し、圧力が低下した後に冷却水による冷却を開始することで、冷却水のポンプ設備を大きくすることなく、消費する冷却水量も少なく、かつ、短時間での冷却が可能となる。
【００３３】
なお、上述の実施形態では、流量調整弁２８の開度や冷却水ポンプの流量(出力)を複合材料１２成形品の温度に基づいて制御する場合を示しているが、複合材料１２成形品の形状などによっては、この流量調整弁２８の開度や冷却水ポンプの流量(出力)を成形室１８ａ(缶体１８内)の温度に基づいて制御するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０：オートクレーブ成形装置，１２：複合材料，１４：成形治具，１６：真空バッグ，１８：缶体，２０：水蒸気供給手段，２２：排気手段，２４：冷却水供給手段，２６：減圧弁，２８：流量調整弁．
【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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