ﾉﾉ水包装学会記ｉ１，０Ｍ-ノⅣ０．Ｊ（2005ノ）;iG論文｢ヒートシールの数量化管理の研究」[第３報］：溶着面温度測定法による従来の管理指標の検証
菱沼一夫＊

StudyofQuantativeControIforHeatSeaIingTechnoIogy[3rdReport］TheverificationoftheconventionalmanagememindexbyTheMeasurinｇ
ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＭｅｌｔｉｎｇSurface
ＫａｚｕｏｌｌｌＳＨＩＮＵＭＡ．

プラスチックの包装資材のほとんどの封絨にはヒートシールが使われる。従来のヒートシール

管ＪＵｌｌは「iliA度｣、「時間｣、「圧力」が指標として取上げられている。しかしこの３要素の定義は１１愛昧であるので、制御要素としての|i:頼性は保証しにくいものであった。
溶論iii温度測定法：“ＭTMS.、をlllいてヒートシールの管理項目の温度要素を溶着面等の温度応答を直接測定して、従来の管理法の“不具合，、点を解明する。

本#liでは次の事項の検証を行った二（１）４重のヒートシールの各部位の温度応答、（２）圧着
圧と浴満面温腫の関係、（３）蠅発成分を含んだ溶着面温度の挙動、（４）テフロンシートの装着の効１１１、（５）発熱体の表面のilA度分ｲijの計測、（６）インバルスシールの溶着面温度挙動、（７）インダクションシールの溶請miiilill度挙動、（８）片面i加熱の力11熱而温度の挙動

キーワード：溶着面温度iⅢ定法、ヒートシール、角度法、インダクションシール、
インパルスシール、片面加熱

Ｔｈｅｈｅａｔｓｅａｌｉｎｇｉｓｕｓｅｄ（or、〔〕stsealingo「plasticpackalgingnlaterialTenlpGl･aturc･い`time簿・

an(１．.pressurearebeingtakenuptheconventionalheatsealingmanagementasindexes、
Ｉlowい，er,thereliabilityo［ｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｅｌｅｍｅｎｔｓａｓａｃｏｎｔｒｏＩｅlemerltwasdiI{iculttobe
ＣＣ

IJuaranteed，becausethedCfini[ionwasunclear．

“FaillII.e､,pointofconventjonalmanagementmｅｔｈｏｄｉｓｃｌａｒｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｄｉｒｅｃｔｌneasurenlentof
ten1I〕eratureresponsｅｏｆｗｅｌ〔ｌｉｎＲｓｕｒ[ace1etcusing．.ＭＴＭＳ“ｉｎｒｅｓｐｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｌ･eelenlGnto（
ｔｈｅｍanaIVenlentitemolheatsealinR、Inthispaper，nextlnatterswereverilied．

(1)ThetenlI〕eratureresponseofeachpartplaceolquadrupleheatsealing．
(2)TherelatiomshipbetweenwGIdinglronttemperatureandpressurejoiningpressure(3)Thebehaviorolweldinglronttemperaturewi[ｈｔhevolatjlecomponent(4)TheeIfectolthemountingoftheTelIonsheeL(5)Themeasurementofthetemperaturedistributiono｢thesurfaceoIheatingelenlenL(6)WeIdinglronttemperaturebehavioroItheimpulseheatseaIing．
(7)Welding[ronttemperaturebehavioroItheinduction葛eal．

(8)ＴｈｅｂｅｈavioroIthehotfaceteml)eratureo[onesideheating．

“ＭＴＭＳ,'：TheMeasuringMethodforTenlperatｕｒｅｏｉＭｅｌｔｉｎｇＳｕｒｆａｃｅ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：，`ＭＴＭＳ"・ＨｅａｔSeaLMeltingSurfaceTemperaIure,AngleMethod,ImpulsSGaL
lnductionSeaLSingleSideHeating

拳菱沼技術士!)l務所（〒2l2-0054川崎市幸区'1､倉1232）：

ＨＩＳＨＩＮＵＭＡＣＯＮＳＵＬＴＩＮＧＥＮＧＩＮＥＥＲＯＦＦICE12320guraSaiwai､WardKawasaki212-0054Japan

－２３３－

ビートシールの数避化琶理の１５形ｾﾞデ

1．緒言

発成分のような感圧反応系が存在する場合を除き、系の熱伝導と接着面の'`接触”を完成する二次的要素であって直接関係する要素で1.1本研究の概要

プラスチックの包装資材のほとんどの封鍼はない。ヒートシールは次の要素を確実に達成することによって完成し、かつ信頼性が確にはヒートシールが使われる。

従来のヒートシール管理は「温度｣、「時間｣、｢圧力」が指標として取上げられている。し保できる．
(1)包装材料の溶着層の溶融温度（１）を把握

かしこの３要素の定義は暖昧であるので、制する

御要素としての信頼性は保証しにくいもので(2)溶着層を溶融温度以上（２）に加熱するあった。

(3)過加熱温度範囲（４）を掌握する

本研究の第１報で提示した溶着面温度測定（ヒートシーラント、表層材料の２種）

法（以下の記述は“ＭTMS”と称す）を用い(4)適正加熱温度に到達する時間（３）の制御て従来から行われているヒートシールの管理を行う

項目の温度要素を溶着面等の温度応答を直接４要素の関係を図１に示した。

測定して、従来の管理法の“不具合”点を解加熱体との接触部位の表層温度の応答はT3のみを示した。

明する。本報では次の事項の検証を行う。

(1)４重のヒートシールの各部位の温度応答

従来は、溶着面温度の直接測定技法が完成(2)ヒートシールの圧着圧と溶着面温度の関されていなかったので、加熱体の温度調節値

や加熱時間を調節した加熱試料群の溶着面の係(3)揮発成分を含んだヒートシールの溶着面

引き裂きテスト'）２）や観察に依っていた。
従来法では、溶着条件以上の加熱が行われ温度の挙動(4)発熱体にテフロンシートを装着した場合ていることの定性的な確認はできる。
しかし、従来法では加熱が適正範囲か過加熱の被加熱体との接触面の温度挙動(5)発熱体の表面の温度分布の計測(6)インパルスシールの溶着面温度挙動(7)インダクションシールの溶着面温度挙動(8)片面加熱の加熱面温度の挙動
2．理論
ヒートシールは加熱プロセスである。制御の３要素として「温度｣、「時間｣、「圧力」が提起されているが主制御要素は「温度」であって「時間」は加熱操作のエネルギー供給のファクターである。「圧力」は溶着面に揮－２３４－

FiglTheprocedureoftheBigPrinciplefor
CompleticnofHeatSealing日本包装学会誌ＶＤＬＩ４ノV０．４（200句の領域力､の識別は困難であり、適正条件を調2.2ヒートシールの圧着圧と溶着面温度の関係

節することは困難であった。

このために、従来の管理手法では過加熱に

多くの文献、資料にヒートシール強さと圧

よって材料の熱変性を起こし、ピンホールや着圧の関係が記されているが根拠が明確では

エッジ切れ等の包装の基本機能を失う不具合ない。ヒートジョー方式の加熱に付いて考察の発生源になっている3)。

してみると、伝熱は被加熱材との接触によっ

適正加熱温度の選択はヒートシール強さ、て行われる。ヒートシールの完成は数ミクロ

PeelSeaI又はTearSeal領域の選択と表層包ンの伝熱ギャップによって影響を受けるので装材料の熱劣化を考慮して選択するのが好ま

4)、接触状態によってヒートシールの完成にしい。

変化が生じる。しかし強すぎる圧着圧は本研

表層材の熱劣化を考慮するとＴ２、Ｔ３の加究の（第１報）4.1.3.で論じたようにヒート
シーラント層が溶出するので避けなければな

熱では、適正加熱範囲は狭まる。
ヒートシール強さに及ぼす熱劣化は「角度らない。

法｣3〉によって容易に識別できる。

包装材料のミクロな“しわ”を除去して溶着面を確実に接触させる適正加圧条件の検証

２．１４重のヒートシールの各部位の温度応が期待される。図３にその様子を示した。

答

スタンドパウチ、袋、縦ピロー等の包装袋

2.3揮発成分を含んだヒートシールの溶着では図２に示したように単純な２枚重ねのヒ

面温度の挙動ートシールではなく４重のヒートシール部位

ヒートシールの溶着面には被包装品の液等と２重のヒートシール部位が混在する。

が付着することがある。又、使用した包装

両面同一温度加熱の場合でも４重の１－２，材料が持っている未重合物質や包装材料が吸２－３層、２重の１－１層の溶着面温度の応

収した水分等の揮発`性物質が溶着面やラミネ

答は異なる。片面加熱の場合には応答の相違

ーション層に存在すると揮発反応が起こるのは更に大きくなる。

で溶着面温度は揮発成分が系外排出されるま適正加熱条件の検証には各部位の温度応答の測定検証が不可欠である。

で蒸気圧温度に拘束される。系外排出が拘束される場合はヒートシール面が“泡状”になる。

Fig2Featu『esoftheheatseaIingplaneofthe

Fig3TheremovaIoftheminutewrinkｌｅ’bypressureioiningsIructureofthecontainerbythedifference－２３５－ビートシールの数凝化繊翅の"焼０Ｈｍｔｊａｗ

Mclting｡＝･■■■

Sw全亜

ＨＥ２ｑ
麺由I生面

二:醤iii;!；鍾愛､２で畷

ＨｍｔＪａｗ

CoverMateriaI

且

oftopside

Packaging
MateriaI

CoverMsteriaI
ofbottomside

ThDvolatjlocomponemcouunnedln

paCkagingmaYcrialby
fOaｍｉｎｇ(a)Thocasoofthc

permeBbilityppckagingmatcriaII餓蟇R>『鼠owti…｡。

(b)ＴｈｅcaseofthDimpcrrTCabiIlty

Fig4Thebehaviorofvolatilecomponent
intheheatsealing

揮発成分挙動の推定を図４に示した。

※Theheatflowinthiscaseisdecided

inthecharacteristicofcovermaterial

Fig5Simulationcircuitoftheheatflowcontrol
bythecove「material

2.4発熱体にテフロンシートを装着した場

合のヒートシール操作への影響

発熱体の表面にテフロンシートのカバーをシート使ったり、枚数を増やして熱抵抗を大きくして、ステップ加熱による溶着面温度の装着することが習慣的に多用されている。
導入目的の発言を列挙してみると以下のよ応答をみるとテフロンの熱抵抗と包装材料の熱容量で決定されることになる。

うなものがある。

・充填物の付着の容易な掃除性（第２報）の図５に示したように熱流制御

・包装材料の焦げ付きの軽減の効果は熱勾配が小さくなるから包装材料の・ヒートシール面の布目仕上げの“美粧性”

表面と溶着面の温度差を小さくさせる機能が・クッション性ある。

・表面温度の均一化

2.4.2発熱体にテフロンシートを装着する効・オーバーヒートの抑制

用の検証

これらの期待機能の多くは工程上の不具合

テフロンシートの装着は熱流の減少化の機の対症療法的目的で適用されていて、論理性能を有している。被加熱体の熱伝導機能よが乏しいと言える。対症療法の原因に付いてり低めな熱供給をすることで被加熱材の表面の議論は別の機会に行うものとして、装着が(加熱体との接触面）と溶着面の温度傾斜をどんな機能を有している力､の検証をする。

小さくすることができるので表層の熱ダメー

2.4.1発熱体にテフロンシートを装着した場ジを軽減できる。しかしこの機能をヒート

合の被加熱体との接触面の温度挙動

シール条件が解析された系（現場）に適用す

発熱体表面にテフロンシートを装着した場るのは単に生産性を低下させるだけで得策で合の熱流のシミュレーション回路を図５に示はない。

した。シミュレーション図から理解できる

加熱体温度を加熱上限温度以下に設定して、ことは、テフロンシートは熱流抵抗（抑制）テフロンコートをせずに加熱体を直接接触加となる。特性を診るために厚手のテフロン熱する方法の加熱速度を検証して、オーバー－２３６－日本包装学会誌Ｖｏｌ.IＪｌＶｎ４（2005ノ

ヒートの危険を本質的に回避する方策を模索

PressＢａｒする。

(CradIe）

繭白濁灘ＵＨ駐鍵騨割抑簿鋒黛顛蘭靭載噂軸裟

2.5発熱体の表面の温度分布の計測

TeflonSheet

Packaging
罰画趣型健笛騒団回翻露動亜錘磁猶趣蕗鍍遍

ヒートシール面の均一完成の最大の不安定

げ、要素は加熱面の温度ムラである。

■●●

Materials

TeHonSheet

HeatingWire
CradIe

被加熱材からみると加熱ムラの原因要素は次のものがある。
Power
Source①加熱体面の温度ムラ：発熱体の長手方向の製作上の発熱ムラや直角方向の加熱体の構

ＴｉｍｉｎｇＳｗｉｔｃｈFig6TheschematicdiagramofimpuIse
heatsealing

造によって発生する。

②加熱体の圧着動作の圧着ムラ：加熱体のルでは発熱部が短時間で冷却できるのでこの表面仕上げムラ、ジョー動作の平行性／ガタ、課題に対応しやすいヒートシール方式として加熱による熱変形で発生する。

利用されている。

③加熱体の中央部と周辺の温度傾斜：長手

しかし熱容量の小さい加熱体での加熱にな方向と直角方向の温度傾斜、加熱体の形状にるのでヒータ線の発熱温度は高温になる。包

よって発生する。

装材料の表面は高温に曝されるので、表層面④放熱ムラ：加熱体周辺からの熱放射、加の過加熱に留意が必要となる。

熱体の保持構造物への伝熱、周辺空気流のムラで発生する。

原理上ヒータ線の巾を広くして均一の発熱を起こさせるのが難しいので巾の広いヒート

加熱ムラの発生は上記の要素が複合して起シールには適さない。インパルスシール装置

こるので、解析には個別要素を取上げての検では加熱性能の画一化が難しいのでヒートジ証が必要である。

ョー方式のように加熱体の表面温度でのシミュレーションがし難い。装置ごとの溶着面温2.6インパルスシールの溶着面温度挙動

度応答の性能検証が必要である。

インパルスシールの作動構造を図６に示した。インパルスシール方式はインパルス状の2.7インダクションシールの溶着面温度挙電流を抵抗線に流してジュール熱を発生させ動る。加熱量は通電時間（パルス巾）で調整

インダクションシールは２０数年前にガラするのが通常式である。抵抗線は細いので熱ス容器のインナーシールで実用化段階に入っ

容量が小さく加熱後の冷却が短時間で完了すていた。しかし条件設定の難しさと操作の信る特徴を持っている。単一フイルムのヒー

頼`性の保証方法が確立されていなかったので

トシールでは溶着面の適正加熱を行うと表層－部の製品に残ったのみで汎用的シール方法

部分は完全な溶融状態になってしまい加熱後から遠ざかっていた。

の加熱体の離脱が難しい。インパルスシー－２３７－

アメリカのSeptemberll以降、ＦＤＡは包ヒートシールの数量化欝理の"暁

装品の封絨に対するセキュリティー性の高度①被加熱体の受ける磁束密度：.励磁源の化を医薬品包装主体から食品包装にまで拡大

パワー、・磁束の収束、・励磁コイルから被している5)。具体的にはパーマネントシール

加熱体迄の距離②励磁時間：．励磁ゾーンの通過時間、・のセキュリティーの保証である。ヒートジョー方式等の発熱体を直接接触させるヒートシ

励磁装置の作動時間③金属箔発熱能力：.金属箔の電気抵ール方式はヒートシール自体の信頼`性は高い

がTamperEvidenceが低い点が指摘されて

抗、.厚み④ヒートシーラン卜の熱容量：.ヒートシいる。インダクションシール方式の概要を図７に示した。キャップ内に金属箔と－体にしーラントの厚さ、・物性⑤被接着側の熱容量：.ガラス、・プラス

たインナーシール材を挿入する。ボトル容器のキャッピング後に無接触で交番磁界を与えチックて金属箔にジュール熱を発生させ、この発熱

インダクションシールの不具合の発生は上をヒートシールの操作熱エネルギーとして利記の要素が複合して起こるので解析には個別用する。キャップのTamperEvidence能力の検証が必要である。

本報では“ＭTMS”の微細部位の温度測定との相乗効果でセキュリティー性は格段の向機能を適用して励磁条件の適正検証を行う。

上が図れる゜

アメリカの包装界では封絨のセキュリティー向上の要求に対応してインダクションシー

2.8片面加熱の溶着面温度の挙動
ヒートシールの方式によっては、方式の原

ル方式のリバイバルが起こっている。
インダクションシールは電気現象の基本特性から磁力線照射の導電体内に円線状にジュ理から両面の加熱が困難な方法が少なくない。

[(第２報）の表ｌ参照］
片面加熱の場合は被加熱体の熱容量と伝熱

ール熱が発生するので面加熱や矩形状のヒー
トシールは困難である。

インダクションシールの完成の要素は特性によって決定される加熱側から非加熱側への熱流量によって、被加熱側の受け台の表
面温度が変化する。非加熱側の受け台の表面温度の上昇は加熱側からの熱流量すなわち圧

着時間、インターバル、被加熱の包装材料厚さ等が変動要素となり操作の標準化が難しい。
条件毎の加熱応答の測定が必要ときれている。

3．実験
理論の項目で提起した代表的なヒートシー
Fig7Theschematicdiagramofinduction
heatsealing

ルの関連項目を＜"ＭTMS，，キット＞［(第１報）図３，写真ｌ参照］を用いて計測した。

－２３８－

日本包装学会誌ＶＯＬ１４ノVｎ４（2005ノ

4．結果

ルの最適条件の設定を行っている。溶着面温

度の③／④の温度差は材料の熱伝達特性、加４．１４重のヒートシールの各部位の温度応

熱温度と圧着時間によって決定される。実験

答

例では加熱体の表面温度を190°Ｃの場合であ同一の包装材料を４枚重ねた１－２，２－３

るが、この実験結果から測定点の④が設定し層の溶着面温度と加熱体の表面にコートした

た所定の温度（150℃）に到達する時間を先

テフロンシート／包装材料の表層の接触点とず知ることができる。当然この時の測定点③

テフロンシート／加熱体の温度の４点を両面は④より高くなる。測定点③のこの到達温度同一温度で加熱した場合の計測結果を図８に(169℃）が試料の熱変性に不具合領域かどう示した。このケースは２重袋やガゼット袋、かの評価ができる。

スタンドパウチのガゼット折部分のヒートシもし190℃の表面温度の加熱で測定点③がール操作に相当する状態のシミュレーション

許容されるものである場合には、同じ時間のである。測定点③と④が溶着面になる。②は測定点②の到達温度を検証する。測定点②の通常言われている加熱体の表面温度に相当す

温度は試料の表面温度でもある．測定点②のる。①は加熱体の表面温度である。“ＭTMS”

温度（175°Ｃ）が試料の表層材の熱変性に不では加熱体の「表面温度」を基準にした各部

具合領域かどうかの評価ができる。

の温度のシミュレーションを行いヒートシー

加熱体の表面温度５－１０℃の間隔で変化させたグラフ群を作製して測定点の②、③、２④の制限温度条件をもとに、加熱温度と圧着
時間のマトリックスが作製できて定量化された最適なヒートシール条件を得ることができる。測定点②は、圧着以前は大気に曝されているので加熱体の表面温度とは異なっていて85°Ｃを示している。加熱体の表面温度を、１

気に曝されている状態では正確な表面温度の１バン）ｏ』昌日：Ｅロト

表面温度計を使って測定することがあるが大測定が困難であることを示唆している。加熱④

体（金属体）の表面温度はわずかの変化はあるが圧着作動中も安定している。
4.2ヒートシールの圧着圧と溶着面温度の関係:冒窒§§自室塞冒§§§：§§窯:
Ｐ｢DSgingTimD（SDC.）
Fig8TheexampIeoffour-pointsimultaneous
measurementby`１ＭＴＭＳ，，

試料に架かる圧着圧［MPa］（ヒートジョーの作動空気圧ではない）を試料の両面の接触が始まる微小圧着圧のｑＯ５ＭＰａから0.3－２３９－

ヒートシールのjIii量化静ＥＩＩのｲｶﾞＩＦ究調べるために含水した紙を使って、圧着圧と

1５０

1３０

１

１

０

９

０

７

０
０

５

（Ｐ）①』昌回』：ＥＣ」：■」」．ｍｕＥ］一，二3０

溶着面温度の応答を調べた。試料としてコピ(各テスト片は同一の含水量にしてあるが定量化していない）

圧着圧は架けた応力を試験片の受圧面積で除して求めた。測定結果を図10に示した。
含水した試料の溶着面温度応答は含水していない資料の応答と比して遅れる。溶着面温度の挙動は圧着圧によって拘束される温度が異なることがはっきり分かる。拘束温度と蒸気圧の関係6）を当てはめてみると、蒸気圧と圧着圧が略一致していることから拘束温度

一寸．。

②②。□

Ｓ恩胃皀劉圏●････●

ぬ国。

Ｃ･･

ｄロロ

ＢＳｇ

如呵つ

ijijfJ

ー用紙を湿したタオルで包み含水させた。

と圧着圧の関係が有意になっている。この試

PｒｃｓｓＴｉｍｏ（ＳＤＣ.）

Fig9Differenceandmeltingsu｢facetemperature
responseofpressｕｒｅ
ＩＯＤ

ＭＰａまで変化させて溶着面の温度応答を計測した結果を図９に示した。この結果、圧着
１４，

圧が低い領域では溶着面温度の応答が明らか

０

６

０

域（0.16秒付近）で応答が早くなっている。

８を注意深く観察すると溶融温度以上の温度領０定になることが分かる。０．３MPaの応答結果，が0.08MPa付近以上で熱伝達状態がほぼ一０化は見られなくなった。この結果から圧着圧０くなる。更に圧着圧を増加させても応答の変２

圧着圧が０.O8MPaになると応答は非常に速①」二一旬」の。Ｅ①ト ①。ｑ」』。の ｍ仁一一一の二に遅れて熱伝導が不完全であることが分かる。

溶着状態に変化が起こっていることが分かる。
高い圧着圧で溶融層の流動が起こっているこ

塵一一・－－Ｐ３＝０．１４

４０－－－－－－－－ＰＯＤｒｙとが推察され、高い圧着圧操作に留意が必要

SarnpIe:Paper（９０回）

面温度の挙動[？Ｆ､一ｍロ
●●－－－

②（．剣

4.3揮発成分を含んだヒートシールの溶着⑩⑩6回②②

②⑨。創

２０

ＮｃｏＣ

であることを示唆している。

ＰｒｏＳｓＴｉｒｎＣ（ＳＤＣ.）

FiglOTheresponsewiththevoIatilecomponent

揮発成分のヒートシールにおよぼす影響を－２４０－

inmeItingsurface

(ﾉ水包装学会誌ＶＯＬノィノV０．J（2005ノ

験の場合は試料が繊維状なので内部の水分は4.4発熱体にテフロンシートを装着した場
合のヒートシール操作への影響

加熱によって系外に突沸したことが温度上昇

4.4.1発熱体にテフロンシートを装着した場から理解できる。

合の被加熱体との接触面の温度挙動

プラスチック包装材料の場合でも揮発成分が溶着面に存在する場合は同等の現象になる

テフロンシートをカバーした場合のテフロがラミネーションフイルムの内側屑に揮発成

ン表面と被加熱試料の接触面の繰り返し操作分が存在する場合は包装材料の伸びやデ・ラの温度変化の測定結果を図12に示した。測ミネーション強さに左右されて気化したガス

定点の温度は被加熱材の接触によって急激に体は発泡体として層間内に残る。内部に揮発低下する。低下速度と上昇は一義的には被加成分を含んだ試料の“発泡，,例を図1１（写真）

熱材の初期温度と熱容量、二義的にはテフロに示した。この例はラミネーション層にナイ

ンシートの熱抵抗で決定される。

ロンを持ったレトルトパウチ包装材料である。

下降／上昇した時の接触面温度がシミュレ

145℃ではPeelSeal状態であり、外観は透ーションデータの加熱体表面温度に到達すれ明である。剥離状態は表層剥離である。

ば適正加熱を達成したことになる。（シミュ150℃加熱は外観からも発泡状態が確認でレーションデータを採取する時に“ＭTMS”

き、剥離はTearSeal状態であり発泡によっ

キットに実際と同じテフロンシートを装着して溶着面に気泡の仕切りができている。

て行えばこの配慮は不要になる）

揮発成分を含んだ系では［揮発温度]、「加この系では表面温度が定常状態に復帰する

熱温度｣、「溶着温度」の三者の関係に注目す

時間よりも短い時間の間欠動作が行われればる必要がある7)。

テフロン表面温度は低温側にオフセットして行って加熱が不足する事態になり、ヒートシール運転は失敗することを示唆している。
4.4.2発熱体にテフロンシートを装着する効用の検証

溶着面目標温度：140°Ｃ、過熱制限温度：
TheoUmUunGat145℃

150

ＴｂｅｐｅｅＵｎｇｐｋｍｅａｔ145℃

５

５
も■

知
４

５

⑩

（。。）心』ゴ首』Ｕ□Ｅｇｕｕ幻セョ、

５
Ｊ

Theo1ⅡUlnept150℃ThepeeUngplanent150℃
FigllTheaspectwhichfoamsinlaminationlaye「intheheatseaIingpIane1]⑪ロ｡‐■－－○℃＝、ロロ‐□西口つむ⑤￣｡･マー釣｡Ｃマー－丙。、、、守一‐の画一｡｡←へ‐￣￣の･･ロロ－－ちぃ。可Ｔｉｎ応（ＳＣＣ）

Ｆｉｇ．１２Thedynamicswithheatingsurface
tｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－２４１－

ヒートシールの数量化雀f理の研究

160°Ｃの条件における最速加熱条件のシミュ験結果を加熱温度ベースで溶着面温度がレーションを140°Ｃに到達する時間とその時の表層温度デ(1)テフロンシートの熱流制御機能

ータをまとめて示した。この結果からテフロ(2)加熱体の直接接触の加熱温度制限方式にンコートの効果は、①加熱時間が遅延する。

よる比較検証を行った。

②応答を速めるためには加熱温度を高くする

シミュレーション結果を図13に示した。

必要がある。③加熱が高温側に移動するので、

図13(a)は加熱体の表面温度を150℃に設

表層の熱ダメージのリスクが増加する。等が定してテフロンなしとｔ＝0.14ｍｍシートで分かった。

挟んだ条件で、略同一の応答を示した185°Ｃ

ヒートシールの安定化の技術的視点から診加熱の応答を併記したものである。この事例

るとテフロンを装着する有用性は見出せなかの場合、150°Ｃ加熱で目標の140℃の加熱にった。

は＝0.5秒を要した。この時の表層温度143℃である。テフロンなしの場合の加熱条

4.5発熱体の表面の温度分布の計測

件では加熱時間の上限の制約はなく、長時間“ＭTMS”の微細点の温度測定機能を適用

加熱になっても過加熱の危険は本質的にない。

して、ヒートジョー方式の加熱体の表面温度

一方t＝0.14ｍｍのテフロン装着の加熱で

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でｔ＝0.1ｍｍのテフロンコートを加えた実１

図１３(b)には図13(a)に示した同一の方法

４ていることが分かる。

。．ｓ一幻④二：①」⑪』．］、」の。Ｅの』８巴』．⑪晋一』｜④三⑩二］二⑪三三ｃ一⑪Ｅ－トｏニト

温度傾斜の途中での正確な加熱停止を要求し

1.6

〈Ｕ

熱が必要であることが分かる。更に表層の加熱制限条件の160℃とのマージンも小さく、

1７０

1８

は同等の加熱時間を得るためには185℃の加9０Ｉ４ｍｍｊＢ５℃ＭＴ

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0.2

等扇留呂忠皀控＆呂一一一一一一一一一ＨｅａｔｉｎｇＴｉｍｃ(SG5）HeatingT6mperaturc(。C）

Fig.１３(a）Thediffe｢encecaseoftheresponseof

Fig.１３(b）TheutiIitycomparisonoftheresponse

meltingsurIacetemperatweofthe
mountingoItheTefloncoatbythe

ofmeltingsurfaceofthemountｉｎｇｏｆ
ｔｈｅＴｅｆＩｏｎｃｏａｔｂｙｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅ

existence－２４２－

日本包装学会誌ＶＤｌ.Ｉ４Ａｂ､４（2005）

分布の測定を行った。

4.6インパルスシールの溶着面温度挙動①圧着時のＸ軸方向（長辺）の表面温度

インパルスシーラーでの実際のヒートシー②中央部の圧着時のＹ軸方向（短辺）の表面

ルの溶着面温度と表層温度の応答測定の結果

温度を図15に示した。通常のインパルスシーラー

長さ100ｍｍ、幅30ｍｍ、圧着部１５ｍｍのヒートジョーを両面同一温度加熱（調節感度

では加熱電流は一定にして通電時間をタイマーで調節して加熱量を制御している。

0.1℃）の圧着時の表面温度の測定結果を中通電ＯＦＦの時点がヒートジョー方式の開央部（150°Ｃ）との温度差を図14に示した。

放のタイミングに相当する。タイマーの設定

本実験の計測対象のヒートジョーにはＸ軸

時間が長くなると表面温度／溶着面温度共、方向にヒートパイプが装着されているので温上昇線は１次応答曲線上になることが分かる。

度ムラは非常に改善されているがヒータのリインパルスシール方式は発熱体の熱容量がード線引き出し側の発熱不足が観察された。

小さいのが特徴であるので、被加熱材に必要

リード線引き出し側は２０～３０ｍｍのゾーン

な熱エネルギーはチャージ温度によって供給の使用は避けた方が良いことが分かった。

を制御する必要がある。

一方、Ｙ方向の温度差は加熱体の構造から

この実験の場合、１１５°Ｃの溶着面温度を得決まる放熱が起こり、周辺に行くに従って低ようとすると0.6秒の通電条件が適当である

くなるのは自然現象として捉える必要がある。

ことが分かるが、この時のヒータ線との接触

本試験対象では中央部との温度差は0.2°Ｃ

表面温度は０．１ｍｍのテフロンを介しても以下の良好な結果を示した。

165℃に達している。表層包装材料に対するＹ軸方向はヒートシール強さを保証する方

熱ダメージの大きいことが分かる。

綴

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靹蠅師師關銚》

ii：

翁鐸曄犀》》》の形状の設計に大きな参考になる。

扣如帥加巧巧この知見はヒートシール巾の選択と加熱体’’一一一一

許容範囲を決めるのに重要である。

⑰⑪③⑳⑨⑨加即印加
２１１１

向になり、温度差の大小の把握は加熱条件の

、、

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Figl4Thedistributicnmeasuremenｔｏfsurface●●●･･●－-－－－ＣｕＮＥｕ￣副【ウ8つ■ワピ弓Ｇ刀
１０

temperatureofheatiaw

１７mo(SGc）

Figl5ResponseexampIeoftheheatinｇｂｙｔｈｅ
ｉｍｐｕｌｓｅｓｅａｌｅｒ－２４３－

ヒートシールの数量化葺潔の研笏

この結果からヒータ線の上昇温度は電流値

220によって決まるので、発熱温度は表層材の耐200

熱温度以下になるように電流を調節する必要

8０（Ｕ）②』已円』Ｕ□ＢＵトＵＣ垣』易曲目｛＠重は、電流値を小さくする要求があるが、この結果生産性は大幅に低下する。
インパルスシールを利用する場合には生産性と熱ダメージの兼ね合いの留意が必要であ

００００００６４２０８６

表層包装材料の熱ダメージを避けるために

１１１１があることが分かる。

4０

ることが分かった。

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適用する特徴があるから、少なくとも表層がPa｢mancnl←。■。Ｉ

インパルスシールの場合は単一フイルムに

2０

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Figl6MeltingSurfaceTemperatu｢ｅ「esponse

保持する必要がある。実験例の②では冷却応

oflmductionSealby“ＭＴＭＳ,，

答から溶着面温度が溶融温度以下になるのに
1.5-2.0秒の待機が必要であることが分かように配慮した。そして上部から磁気を照射る。インパルスシールにおいては、通電時間、した。予め適正加熱条件は熱特性測定法を使通電電流と開放タイミングが制御ファクターってシール材とボトル材の溶融特性を掌握しになることが分かった。

ておいたデータを元にヒートシール条件を評

4.7インダクションシールの溶着面温度挙価した。インダクションシールのオーバーヒ

動ートは金属箔の溶解となりシール材に穴が開インダクションシールの加熱時間は被加熱くので重大な欠陥を発生させる。
インダクションシールは誘導電流の発生経体が交番磁界内に置かれた時間になる。
その方法は被ヒートシール物を停止して磁路と所望のヒートシール線を一致させ、かつ界を一定時間照射するか、連続に照射されて適正な発熱を実行する必要があり、検証の重いる磁界ゾーンの通過時間を制御するかによ

要さが分かった。

本実験はミシガン州立大学包装学科との協って実施できる。図16に被ヒートシール体を停止して照射時間を調節する方法のインダク業で行った。

ションシールの溶着面温度の応答を示した。
計測方法は微細センサーをボトルのヒートシ

4.8片面加熱の溶着面温度の挙動
スタンドパウチやガゼット袋のヒートシー

ール面に予めセットし、キャップを装着してルでは、曲線状のヒートシール線の要求があ締めた。

温度計測機の入力端子の直前に励磁周波数る。又２重と４重の同時加熱がある場合の均の誘導信号を除外するフィルター回路を設置

一な圧着のために受け台側にクッション性をして、熱電対の微弱な直流信号が乱されない持たせる論理があって片側加熱の方法が適用－２４４－

日本包装学会誌Ｗ/Ｊイノv０．４（2005）

されている。片側加熱の場合は被加熱材の熱低温側にｔ＝５ｍｍのクッション用のシリコ

容量（厚さ）によって連続運転時の溶着面温ンゴムを装着して、１０４°Ｃに加熱している。

度挙動が大きく変化する。

温度測定は加熱側の表面温度とシリコンゴム

図17は薄手の包装材料･の場合の連続運転のの表面温度を測定した。

立ち上げ時の受け台の表面温度の挙動を

このケースの場合は高温加熱の熱流はほと＜"ＭＴＭＳ”キット＞でシミュレーションしんどが被加熱材で消費され、受け台のシリコ

た結果を示した。操作のインターバルは＝１ンゴムの表面温度はシリコンゴムの伝熱性能

回／Seｃである。この場合、加熱熱流は包装で決まる補給熱量と被加熱材に奪われる熱量

材料を通過して、非加熱側の受け台を加熱すとバランスした状態で一定になる。

るので、受け台の表面温度は放熱とバランス

この場合は数ショット後の製品ではヒート

するまで徐々に上昇する。運転開始後数ショ

シールが良好でも通常運転状態になると加熱ットの製品では溶着不良が発生する。

不良が発生するシステムになっていることが数ショット後の製品を良品化しようとして分かる。片面加熱の最適条件は何ショット打

加熱温度を高温側に設定変更すると通常運転った点が定常状態である力､の検証の必要性を時にはオーバーヒートになってしまうことを2１０示唆している。

２００

図18は厚手の包装材料の場合の＜"ＭTMS”

１９０

キット＞によるシミュレーション結果である。

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Ｆｉｇｌ７Ｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｏｆａｄ｢iftofthesurface
temperatu｢einadifferenttemperature
setup[Thecaseofthethinpackaging
material］

Figl8Theexampleofadriftofthesurface

temperatureinadifferenttemperature

setup[Thecaseofthethickpackaging
material］－２４５－ビートシールのjIitff化管理Ｉのii形15;

TablelAnachievementassignmentofthe
heat-seaIingFunctionofthreｅｆｉｅＩｄｓ

示している。

CIasSincation(1)Packing

5．考察

matcrial

1rIdMdualcIemcnt

1）MeItingTcmpBraturo2)Heatconductionspced3)Heatdcnaturation(OverHegtjng）⑲(雑are3閃jlt)H日通t皀蛇blingS粒OliUth［1］(1)加熱温度／圧着時間は包装材料の①最適(2)Packaging
machincry

mate｢鰯IWa＝hTITnccd）

pDckagingn画terlaI

加熱温度、②熱変性限界温度、③表層包装
材料の耐熱、の基本特性から決まる条件を

1）Operationspced(ThehBatconductionsp□edofpackag1ng2)Heatingにmperature(Bo1owthohcatdcnatu｢ationtcmpcmLureof3)UnifbrmIbにing（AuniformheatIngsake）

4)(AS:ａ｢“uIt》H“勝鎚鳶Iingsl鵡rlglh［2１(3)Opcmtion
conditions

選択する方法を数量的に立証できた。

I）ProductionpIan（nc2rnedQutonlhebaSiSoftheｈｅａｔ
chDracteri戯icofpackpginRmBtorial）
2)Operationspecd(Itunitedwiththe8u3rdrTtcospecdcfapacking
mBch1nO〉

3】AselupofamanagementnumericalvaIuc-ItseIBction-setsup
lnthech8ractBr1stioofpackiｎｇｍＢ唾riaLandthcabiIItyrangeof
apackingmachinG(2)圧着圧とヒートシール強さの関係が論じ

4)FDimHCcntrO1㎡thefiMingthin8tca5caIBu7faCc･Stepl2PQsitiVG“hiqVcme挾○ｆａ鞠BicelBmontChBckSlirst

られるが、それは圧着が不完全な状態から

ｏＳｔｑｐ２?ｎ拍ｋｊｎｄｏｆ“ｕｓＧｏｆｇｅｎ⑥ｍＩｉｎｇｗ齢独りもuIty“aI．
Grgsp㎡q“ntity

完全な状態に移る段階の現象であって、圧ｏＳｔＣｐ３：EXsminaUOnofagCne細tlOnsOuにｃｃ月暉Ⅱｍ齢atjonmeBsuro(AppIyOf図Liq“DmppinZContmIロヴ瓠POMi曲rD3ncingCmtmr"）

着圧がヒートシール強さを支配する本質的が必要である。

な指標でないことが分かった。
強すぎる圧着は接着層に流動を起こさせ(6)インパルス、インダクションシールのよ

うにヒートシールの達成の阻害要因が複合“ポリ玉”の原因になり劣化になる。
実際には加熱温度ムラや加圧ムラによる的に存在するヒートシール方法では機器毎不均一な圧着条件によるヒートシール強さに操作量と溶着面温度の関係を直接測定しムラをTearSeal側に持っていく効果と推て複合起因を総括した条件検証が有効であ

察される。

る。

(3)溶着面に揮発成分が存在する場合には圧(7)片面加熱の受け台側は包装材料の熱容量

着圧によって溶着面温度の挙動が変化するによって挙動が異なることが分かった。

溶着面温度と受け台の温度挙動の検証がことが分かった。揮発成分を含む場合の加重要であることが分かった。

熱条件は（溶着温度)≦(加熱温度)＜(揮発温度）の条件の加熱を配慮したい7)。

(8)ヒートシールの確実な完成には①包装材(4)加熱体の表面にテフロンシートを装着す

料の加熱特性の定量化、②包装材料の性能

ることは加熱流制限を必要と特殊な場合をを考慮した機械の速度と均一加熱装置の供除いて有用な知見は得られなかった。

給、③ユーザーの包装材料の特性を考慮し通常のヒートシール操作ではテフロンのた装置の運転条件の設定と最終製品の仕上装着を排して、加熱温度を低温化すること

がり品質規格設定の遂行、この三者の機能によってより高速で信頼性の高いヒートシ

分担の実行が必要である。三者の機能分担

ールが可能でありテフロンの装着は不要でを表１に示した。

あることが分かった。

(5)ヒートシールの操作源の加熱体の表面温6．結論

度分布が存在することは必然であるので、分布を小さくする装置とヒートシール設計－２４６－

慣習と経験的に行われてきた従来のヒート

日本包装掌会i誰ＷムルｌｊＷＬ４（2005ノ

シールの管理事項を溶着面温度測定法；"ＭTMS,，を適用し種々の解析を試みた結果、各項目に定量的な検証ができ、ヒートシールの信頼`性の向上方法を見出した。

7．謝辞
インダクションシールの事例特性測定はミシガン州立大学の包装学科の協力で採取した。
協力に感謝する。
＜引用文献＞

１）ＪＩＳ：zo238U998）

２）ASTMDesignation：F88-OO（2000）
３）菱沼一夫、第12回日本包装学会年次大会

要旨集、ｐ､84-、（2003）
４）菱沼一夫、第13回日本包装学会年次大会

要旨集、ｐ､92～、（2004）
５）菱沼一夫、「包装技術｣、４１（２）４１(2003）
６）大江修造、“物性推算法,,、データブック
出版社、ｐ､6１（2002）

７）菱沼一夫、特許公開2003-1708(2003）（原稿受付2004年１２月３日）（審査受理2005年１月１３日）－２４７－