6/4(화)부터 6/6(목)까지 일본 출장도 있었고, 어제는 이것저것 하느라 며칠 연재 못했습니다. 재개합니다.
6.6 발열체의 표면 온도 분포의 계측과 고찰
HS면이 균일 완성의 최대의 불안정 요소는 가열면의 온도 불균일이다.
피 가열재 측으로부터 보면 가열 불균일의 원인 요소는 다음과 같다
① 가열체 면의 온도 불균일: 발열체의 길이 방향의 제작 상의 발열 불균일이나 직각방향의 가열체의 구조에 의해 발생하는 불균일
② 가열체의 압착 동작의 압착 불균일: 가열체의 표면 불균일, jaw 동작의 평행성/흔들림, 가열에 의한 열변형으로 발생한다.
③ 가열체의 중앙부와 주변의 온도경사: 길이 방향과 직각방향의 온도 경사, 가열체의 형상에 의해 발생한다.
④ 방열 불균일: 가열체 주변으로부터의 열방사, 가열체의 유지 구조물로의 전열, 주변 공기 흐름의 불균일로 발생한다. 가열 불균일의 발생은 상기 요소가 복합하여 일어나기 때문에, 가열의 적정화 해석에는 개별 요소별의 특성 검증이 필요하다.
MTMS의 메세점의 온도 측정기능을 적용하여, heat jaw 방식의 가열체의 표면온도 분포의 측정을 행하였다.
① 압착 시의 X선 방향(긴 변)의 표면온도
② 중앙부의 압착 시의 Y축 방향(짧은 변)의 표면온도
길이 100mm, 폭 30mm, 압착부 15mm의 heat jaw를 양면 동일 온도 가열(조절 감도 0.1℃)의 압착 시의 표면온도의 측정결과를 중앙부(150℃)와의 온도차를 도6.9에 나타내었다.
본 실험의 계측 대상의 heat jaw에는 X축 방향에 heat pipe가 장착되어 있기 때문에 온도 불균일은 매우 개선되고 있으나, heater의 리드선 인출 측의 발열 부족이 관찰되었다.
리드선 인출 측은 20~30mm의 zone의 사용은 피하는 편이 좋다는 것을 알 수 있다.
한편, Y 방향의 온도차는 가열체의 구조로부터 결정되는 방열이 영향이 있고, 주변으로 갈수록 낮아지는 것은 자연 현상으로서 파악할 필요가 있다. 본 시험 대상에서는 중앙부와 온도차는 0.2℃ 이하의 양호한 결과를 나타내었다. Y축 방향은 HS 강도를 보증하는 방향으로 되고, 온도차의 대소의 파악은 가열조건의 허용 범위를 결정하는 것에 중요하다. 이 지견은 HS 폭의 선택과 가열체의 형상의 설계의 참고가 된다.
6.7 편면 가열에서 자주 일어나고 있는 문제의 해석
컵 소재의 용착과 같은 편면의 가열이 곤란한 경우는 적지 않다.
편면 가열에서는 피 가열체의 열용량과 전열 특성에 의해 가열 측으로부터 비가열측으로의 열류량이 변하고, 비 가열측의 받침대의 표면 온도가 변화한다. 비 가열측의 받침대의 표면온도의 상승은 용착면 온도 상승에 영향을 주기 때문에, 가열의 불균형이 되어 적정 가열을 저해한다. 편면 가열은 가열 측의 온도, 압착시간, 인터벌, 포장재료 두께 등이 변동 요소이므로, 조작의 표준화가 어렵고, 매 조건의 가열 응답의 측정이 필요하게 된다. 두껍거나 얇은 데에서는 정반대의 영향이 된다. 받침대에 열저항의 큰 실리콘 고무를 사용한 얇은 재료의 기동 시의 받침애의 온도 변동을 관측한 것을 도6.10에 나타내었다. 조작의 인터벌은 ≒ 1회/s이다.
가열조건은 그림 내에 표시되어 있다. 받침대의 표면온도는 예열 온도에 가까운 상태로 대기하고 있다. 반복 가열 동작이 개시되면 압착 시에는 고온 측의 가열체로부터 가열류가 재료를 통과하여 받침대의 표면에 도달, 대류하기 때문에 온도가 상승한다. 간차 동작의 가열이 종료하여 heat jaw가 개방되면, 전열과 방열로 표면 온도는 저온 측의 조절 온도 부근까지 저하한다. 운전이 원래의 상태로 돌아오기 전에 다음의 가열이 행해지면, 순차 상승하여, 대류로 받침대의 온도 상승이 균형 잡히는 8회차부터 정상 상태로 된다. 운전 개시 후 수 shot의 제품을 샘플링 하여 열접착을 시험하면 가열 부족이 검출된다. 따라서, 운전자는 가열 온도를 고온 측으로 설정 변경하게 되고, 변경 후의 수 shot는 적정 가열로 되는데 연속 운전으로 되면 과 가열로 되어 버린다.
열용량의 큰 두꺼운 피 가열재의 경우는 가열체의 표면 커버의 테프론 시트의 전열 성능에 의해 열류는 가열 측도 받침대 측도 부족하여 표면 온도는 저하한다.
수 회의 반복 후에 공급 능력과 균형을 맞춰 정상상태로 된다. 이 예를 도6.11에 나타내었다. 어느 쪽의 경우도 기동 직후와 정상 상태로 된 때의 가열 온도에 큰 격차가 생겨 관리치 외로 되고 있다. 이들 사례의 부적합의 원인은 가열 측과 받침대 측에 실리콘 고무나 이중화 하여 열저항을 크게 한 테프론 시트를 사용한 것에 있다. 받침대의 온도 변화는 접착면 온도에 영향을 주기 때문에, 열전도성이 좋은 재료를 사용하여, 방열, 강제 냉각, 또는 40~50℃로 되도록 온도 조절을 할 필요가 있다.
편면 가열의 최적 조건은 몇 shot 후가 정상 상태인지에 대한 검증이 필요하다.