誘導加熱されるサセプタの平衡温度を調整するシステム及び方法
【課題】ワークピースを誘導加熱するためのシステム。
【解決手段】ワークピース１５０を誘導加熱するためのシステムは、誘導コイル７６、少なくとも一つのサセプタ表面板５０、及び連結された電流コントローラ８８を含むことができる。誘導コイル７６は、交流電流８６を導通させて、交流電流８６により磁場を生成する。サセプタ表面板５０には、ワークピース１５０が配置される。サセプタ表面板５０は強磁性合金から形成することができ、この強磁性合金はキュリー温度を有し、磁場によりキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱可能である。電流コントローラ８８は、誘導コイル７６に連結されて、サセプタ表面板５０の少なくとも一つの加熱パラメータの変化を生じさせるように交流電流８６を調節する。
【解決手段】ワークピース１５０を誘導加熱するためのシステムは、誘導コイル７６、少なくとも一つのサセプタ表面板５０、及び連結された電流コントローラ８８を含むことができる。誘導コイル７６は、交流電流８６を導通させて、交流電流８６により磁場を生成する。サセプタ表面板５０には、ワークピース１５０が配置される。サセプタ表面板５０は強磁性合金から形成することができ、この強磁性合金はキュリー温度を有し、磁場によりキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱可能である。電流コントローラ８８は、誘導コイル７６に連結されて、サセプタ表面板５０の少なくとも一つの加熱パラメータの変化を生じさせるように交流電流８６を調節する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して複合材料に関し、具体的には熱可塑性の物品を成形する間のそのような物品の加熱に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合品の成形においては、一般に、プリフォームを圧密化する間に、圧縮力を印加しながらプリフォームを加熱することが必要である。プリフォームを加熱するとき、一般的には、最終品に所望の機械特性が達成されるように、プリフォームを高温、且つプリフォームの材料系又は樹脂組成に対応する比較的狭い温度範囲内に維持することが望ましい。熱可塑性物品を成形するとき、熱可塑性樹脂の溶融温度を上回るまでプリフォームを加熱することにより、圧密化の間にプリフォーム全体に樹脂を流すことが必要である。
【０００３】
熱可塑性物品に所望の機械特性を達成するためには、さらに、プロフォームの温度を、溶融温度から、それよりも低い第２の温度に低下させることによりプリフォームの温度を周期的に変化させ、所定の期間にわたってプリフォームを第２の温度に維持することが必要である。所定の期間にわたってプリフォームを第２の温度に維持するにより、熱可塑性物品に所望のレベルの結晶化度が達成される。結晶化度は、最終品の機械特性に影響しうる。最終的な熱可塑性物品の機械特性は、温度サイクリングの間の、プリフォームの加熱速度及び／又は冷却速度によっても影響されうる。
【０００４】
従来の複合品成形技術では、プリフォームを圧密化して所望の形状にプリフォームを成形するために、オートクレーブ及び従来のツーリングを使用する。残念ながら、オートクレーブ及びツーリングは、一般に比較的大きな熱質量を有するので、最初にプリフォームを溶融温度に加熱するために膨大な時間を要する。加えて、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が比較的大きいことにより、温度サイクリングの間に物品を冷却するために膨大な時間を要する。さらに、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が比較的大きいことにより、最終品に最適な機械特性を達成するために特定の期間にわたって物品を所望の温度に維持することが困難になる。
【０００５】
オートクレーブ及び従来のツーリングの使用に関連するさらなる欠点は、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が比較的大きいために、物品を均一に加熱することが困難なことである。さらに、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が大きいことにより、安全に取り扱える温度まで物品を冷却するために比較的長時間を要する。加えて、オートクレーブは、オートクレーブの内部及びツーリングを最初に加熱する間に、比較的大量の電力を消費する。
【０００６】
このように、当技術分野において、プリフォームの加熱温度を高レベルで制御できるプリフォームの加熱システム及び方法に対する需要が存在する。加えて、当技術分野には、比較的短時間で、且つ最終品の機械特性が最適化されるように制御しながら、プリフォームを加熱及び冷却することを支援するシステム及び方法に対する需要が存在する。さらに、当技術分野には、プリフォーム全体に熱を均一に分配できるプリフォームの加熱システム及び方法に対する需要が存在する。好適には、このようなシステム及び方法はエネルギー効率及び経費効率のよい方法で運用される。
【発明の概要】
【０００７】
高レベルの温度制御性をもって物品を加熱することに関する上記需要は、ワークピースを誘導加熱するためのシステムを提供する本発明により特に対処される。本発明の一態様によれば、誘導コイル、少なくとも一つのサセプタ表面板、及び電流コントローラを含むシステムが提供される。誘導コイルは、交流電流を導通させて、交流電流により磁場を生成する。サセプタ表面板には、ワークピースが配置される。サセプタ表面板は、キュリー温度を有する強磁性合金から形成することができ、強磁性合金は、磁場によりキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱可能である。電流コントローラは、誘導コイルに連結されて、サセプタ表面板の少なくとも一つの加熱パラメータの変更を生じさせるように交流電流を調節する。
【０００８】
有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の平衡温度に変化を生じさせるように、交流電流の周波数を調節する。好適には、電流コントローラは、サセプタ表面板の平衡温度を華氏約５〜１５度だけシフトさせるように、交流電流の周波数を調節する。有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の平衡温度に変化を生じさせるように、交流電流のアンペア数を調節する。有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の加熱速度に変化を生じさせるように、交流電流の周波数を調節する。有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の加熱速度に変化を生じさせるように、交流電流のアンペア数を調節する。有利には、交流電流は、約１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲を有する。有利には、交流電流は、約１０アンペア〜１０，０００アンペアのアンペア数を有する。有利には、誘導コイルは、複数の層にわたって延びる複数の上側コイル部分と下側コイル部分とを含む。有利には、誘導コイルは、上側コイル部分と下側コイル部分とを含み、一対のサセプタ表面板の間にワークピースが締め付けられるとき、上側ダイのコイル部分と下側ダイのコイル部分とが互いに電気的に連結して誘導コイルを形成する。有利には、システムは、サセプタ表面板を冷却するための冷却システムをさらに備える。有利には、システムはワークピースに圧縮力を印加するためのプレス機をさらに備える。
【０００９】
本発明の一態様によれば、ワークピースの誘導加熱方法が提供される。この方法は、少なくとも一つのサセプタ表面板が隣接して装着される誘導コイルに交流電流を印加するステップを含み、このサセプタ表面板はキュリー温度を有する強磁性合金から形成される。この方法は、磁場を生成すること、及び磁場によりキュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板を誘導加熱することを含む。方法は、また、交流電流の少なくとも一つの電流パラメータを調節すること、及び電流パラメータの調節により、サセプタ表面板の平衡温度をシフトさせることを含む。
【００１０】
有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流の周波数を調節すること、及びサセプタ表面板の平衡温度をシフトさせることを含む。好適には、周波数を調節するステップは、サセプタ表面板の平衡温度を華氏約５〜１５度だけシフトさせるように、交流電流の周波数を調節することを含む。有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流のアンペア数を調節すること、及びサセプタ表面板の平衡温度をシフトさせることを含む。有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流の周波数を調節すること、及びサセプタ表面板の加熱速度を変化させることを含む。有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流のアンペア数を調節すること、及びサセプタ表面板の加熱速度を変化させることを含む。有利には、方法は、ワークピースに圧縮力を印加するステップをさらに含む。有利には、方法は、サセプタ表面板を能動的に冷却するステップをさらに含む。さらなる実施形態では、ワークピースを誘導加熱する方法であり、サセプタ表面板が隣接して装着される誘導コイルに交流電流を印加することを含む方法が開示される。サセプタ表面板は、キュリー温度を有する強磁性合金から形成される。この方法は、交流電流によりサセプタ表面板に沿って磁場を生成すること、及び磁場によりキュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板を誘導加熱することをさらに含む。方法は、さらに、サセプタ表面板と熱接触するワークピースを伝導加熱すること、及びキュリー温度より低い平衡温度でサセプタ表面板の温度を安定化させることを含む。方法は、また、交流電流の少なくとも一つの電流パラメータを調節すること、及び交流電流の電流パラメータを調節することにより、サセプタ表面板の少なくとも一つの特徴を変化させることを含む。
【００１１】
上述のフィーチャ、機能および利点は、本発明の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態について、後述の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の上述のフィーチャ及び他のフィーチャは、添付図面からさらに明らかとなる。図を通して、同様の参照番号は同様の部品を示す。
【００１３】
【図１】ワークピースを誘導加熱する間にワークピースに圧縮力を印加するためのプレス機の一実施形態の斜視図である。
【図２】プレス機に装着された下側ダイの一実施形態の斜視図であり、この下側ダイは、サセプタ表面板を支持しており、誘導加熱のためにワークピースを受けるように構成されている。
【図３】開位置にある上側ダイ及び下側ダイの一実施形態の概略側面図であり、この上側ダイ及び下側ダイには、対応する上側サセプタ表面板及び下側サセプタ表面板が取り付けられており、さらには、一実施形態の上側サセプタ表面板及び下側サセプタ表面板を誘導加熱するための上側コイル部分及び下側コイル部分が示されている。
【図４】閉位置にある上側ダイ及び下側ダイの一実施形態の概略側面図であり、両サセプタ表面板の間にワークピースが締め付けられている。図示される位置実施形態では、上側コイル部分と下側コイル部分とが相互接続し、誘導コイルに電流が流れることによりサセプタ表面板に誘導電流が流れる。
【図５】図４の線５に沿った上側ダイ及び下側ダイの断面図であり、誘導コイル中の電流の流れにより生成される磁場を示しており、磁場の力線の方向は、誘導コイル中を流れる電流の方向に直交している。
【図６】図５の線６に沿った上側サセプタ表面板及び下側サセプタ表面板の部分拡大断面図であり、サセプタ表面板を流れる誘導電流の方向を示している。
【図７】磁性状態にあるサセプタ表面板の概略断面図であり、サセプタ表面板の表面に隣接して流れる誘導電流の濃度を示している。
【図８】図７に示す磁性状態でのサセプタ表面板の電流密度に対応する相対的電流密度を示す凡例である。
【図９】図７に示す磁性状態でのサセプタ表面板のサセプタ厚に対する電流密度のグラフであり、サセプタ表面板の表面に隣接する地点での比較的高マグニチュードの電流密度とその濃度、並びにサセプタ表面板の表面から内側に遠ざかるにつれて指数関数的に低下する電流密度を示している。
【図１０】非磁性状態でのサセプタ表面板の概略断面図であり、サセプタ表面板の表面から内側に遠ざかるにつれてほぼ一様に低下する電流密度を示している。
【図１１】図１０に示す非磁性状態にあるサセプタ表面板の電流密度に対応する相対的電流密度を示す凡例である。
【図１２】図１０に示す非磁性状態でのサセプタ表面板のサセプタ厚に対する電流密度のグラフであり、サセプタ表面板の表面から内側に遠ざかるにつれてほぼ一様に低下する電流密度、並びに電流密のマグニチュードの低下を示している。
【図１３】強磁性合金の温度に対する透磁率の図であり、温度がキュリー温度に近づくにつれて指数関数的に低下する透磁率を示しており、さらには、誘導コイルの電流パラメータの調節による平衡温度の変化を表わす低い及び高い平衡温度点を示している。
【図１４】誘導コイルに異なる周波数／アンペア数の交流電流を印加することにより誘導加熱された強磁性材料の三つの異なる熱プロファイルをグラフ化したものであり、強磁性合金の平衡温度及び加熱速度に対するそれらの影響を示している。
【図１５】サセプタ表面板の複数の異なる位置の熱プロファイルをグラフ化したものであり、誘導加熱による異なる位置での温度の均一性を示しており、さらには、能動的冷却によるサセプタ表面板の温度サイクリング能を示している。
【図１６】サセプタ表面板の形成に使用できる広範な種類の強磁性合金のうちのいくつかの強磁性合金の図である。
【図１７】ワークピースを誘導加熱し、及び交流電流の一又は複数の電流パラメータ（例えば、誘導コイルに印加する交流電流の周波数及び／又はアンペア数）を変更することによるワークピースの一又は複数の加熱パラメータの調節する方法のフロー図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に参照する添付図面は、本発明の種々の好ましい実施形態を例示することのみを目的としており、図１は、ワークピース１５０（図３）の誘導加熱の間にワークピース１５０に圧縮力１４を印加するために使用されるプレス機１２の一実施形態を示している。プレス機１２は、ワークピース１５０を物品１５４（図４）に成形するために使用されるものである。ワークピース１５０の加熱は、プレス機１２に動作可能に連結される一又は複数のサセプタ表面板（例えば、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２）を用いて実行することができる。例えば、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、プレス機１２の対応する上側ダイ２４及び下側ダイ２６にそれぞれ取り付けられる。
【００１５】
上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２は、強磁性合金６６の組成によって変化するキュリー温度を有する導電性の強磁性合金６６材料から形成される。これに関して、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２を形成する強磁性合金６６は、ワークピース１５０を加熱したいと思う所望の温度に基づいて選択することができる。例えば、強磁性合金６６の組成は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度がワークピース１５０の所望の温度（例えば、ワークピース１５０の処理温度）とほぼ一致する又はそのような温度に相当するようなキュリー温度を有するように選択される。処理温度には、熱可塑性プリフォーム１５６中の樹脂１５８（図４）の溶融温度又はガラス転移温度が含まれる。しかしながら、所望の温度には、熱硬化性のワークピース１５０の所与のマトリックス材を硬化させる硬化温度が含まれてもよい。所望の温度には、金属製のワークピース１５０に所望の熱処理温度、又はワークピースの処理に関連する他の温度が含まれてもよい。
【００１６】
図１では、上側サセプタ表面板５２及び／又は下側サセプタ表面板５２は、誘導加熱システム７２の一部を形成する。上側サセプタ表面板５２及び／又は下側サセプタ表面板５２は、一又は複数の誘導コイル７６を流れる交流電流８６（図４）により平衡温度まで誘導加熱される。誘導コイル７６は、上側ダイ２４及び下側ダイ２６に隣接して取り付けられる。一又は複数の誘導コイル７６は、誘導コイル７６を流れる交流電流８６により磁場９０（図５）を生成する。磁場９０は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２と磁気的に連結されて、キュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板５０、５２の誘導加熱を引き起こす。これに関して、サセプタ表面板５０、５２の温度がキュリー温度に接近するにつれて強磁性合金６６の磁気的特性が弱まり、それによりサセプタ表面板５０、５２の誘導加熱が低減する。サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に達した部分は非磁性状態になり、サセプタ表面板５０、５２のそのような部分における誘導電流の流れ９４は、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度を安定化又は維持するのに十分なレベルまで自動的に縮小する。このようにして、ワークピース１５０はほぼ均一に加熱される。
【００１７】
有利には、本明細書に開示されるシステム１０及び方法は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度及び／又は加熱速度を、微調整、変更、調節、又はシフトする手段として交流電流８６（図４）の周波数を調節する手段も含む。加えて、システム１０及び方法は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度及び／又は加熱速度を、微調整、変更、調節、又はシフトする手段として交流電流８６の振幅又はアンペア数（Ａ）を調節する手段を含む。例えば、システム１０は、交流電流８６の周波数又はアンペア数を増大させることにより上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度を上昇させる手段を提供することができる。このようにして、サセプタ表面板の温度は、特定の温度範囲内で、ワークピース１５０に所望の温度にさらに近づくように調節される。
【００１８】
有利には、交流電流の周波数及び／又はアンペア数を制御することにより、新規の強磁性材料６６の組成を考案する必要なく、且つやや高いキュリー温度を有する異なる強磁性合金６６を調達する必要なく、サセプタ表面板の平衡温度及び加熱速度を、ワークピースに所望の温度及び加熱速度に概ね一致させることができる。これに関して、本明細書に開示されるシステム１０及び方法は、サセプタ表面板の平衡温度及び加熱速度を調整する手段を提供し、粉末治金などにより新規の強磁性合金６６を作製すること、又は発見が困難な強磁性合金６６を検索することに関連する時間と費用を回避する。このようにして、本明細書において開示されるシステム１０は、サセプタ表面板に利用可能な強磁性合金６６を用いてワークピース１５０の所望に温度を微調整する又は概ね達成するための、費用効率がよく、且つ時間効率のよい方法を提供する。例えば、ワークピース１５０を加熱、モールディング、成形、圧縮、圧密化、硬化、シェーピング、又はその他の方法で処理するための所望の温度と概ね一致する平衡温度を有する市販の強磁性合金６６を使用して、サセプタ表面板を形成することができる。本明細書に開示されるシステム１０により、複合ワークピース１５０の所望の温度又は処理温度を微調整する手段、又はそのような所望の温度に近づける手段、或いは金属製のワークピース１５０の所与の熱処理プロセス（例えば、アニーリングプロセス）の温度を微調整する手段が提供される。
【００１９】
図１は、上側ツール１６及び下側ツール１８を含むプレス機１２の一実施形態を示している。上側ダイ２４及び下側ダイ２６は、上側ツール１６及び下側ツール１８のそれぞれに取り付けられている。上側ツール１６及び／又は下側ツール１８は、閉位置３０と開位置２８との間で、上側ダイ及び下側ダイを互いの方へ及び互いから離れるようにスライドさせることができるように、一又は複数のポスト２０に取り付けられている。開位置において上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間にワークピース１５０を配置し、その後上側ダイ２４及び／又は下側ダイ２６を移動させて両ダイを互いに接近させることにより、上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間でワークピース１５０が締め付けられて、複合ワークピース１５０が圧密化される。
【００２０】
誘導コイル７６及びサセプタ表面板は、プレス機１２に含まれる誘導加熱システム７２の一部を形成している。誘導加熱システム７２は、上側ダイ２４及び／又は下側ダイ２６の積層３４中に形成される切り込み又は貫通孔４４中に延びる一又は複数の誘導コイル７６に交流電流８６（図４）を供給する電源７４を含むことができる。上記のように、且つ後述でさらに詳細に説明するように、誘導コイル７６を流れる交流電流８６は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の周囲に磁場９０（図５）を生成する。この磁場により、平衡温度になるまでサセプタ表面板は誘導加熱される。有利には、誘導加熱システム７２は、交流電流８６の一又は複数の電流パラメータを制御するために誘導コイル７６に連結される電流コントローラ８８を含む。例えば、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板の少なくとも一つの加熱パラメータに変化を生じさせるように、交流電流８６の周波数を調節するように構成される。上述の一実施形態では、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板の平衡温度をシフトさせるように、交流電流８６の周波数を調節するように構成されている。電流コントローラ８８は、交流電流８６の周波数を調節することによりサセプタ表面板の加熱速度を変化させ、それによりワークピース１５０の加熱速度に変化が生じるように構成されてもよい。また、電流コントローラ８８は、交流電流８６のアンペア数を調節することにより、サセプタ表面板の平衡温度のシフト又はサセプタ表面板の加熱速度の変化を引き起こすように構成することもできる。これについては後述でさらに詳細に説明する。
【００２１】
図１では、誘導加熱システム７２は、サセプタ表面板を能動的に冷却する冷却システム１００を含んでいる。しかしながら、冷却システム１００は、随意で、受動的手段（図示しない）によりサセプタ表面板を冷却するように構成されてもよい。一実施形態では、冷却システム１００は冷却剤源を含み、冷却剤源からは、一又は複数の冷却剤導管１０２を用いて冷却剤上側ダイ２４及び下側ダイ２６に向かって冷却剤が方向づけられる。冷却剤は液体及び／又は気体の形態で供給される。冷却剤ライン１０４は、冷却ガス１０６がサセプタ表面板を冷却するためにサセプタ表面板の裏側表面５６、６０に向かうように、上側ダイ２４及び／又は下側ダイ２６を通って延びている。このようにして、ワークピース１５０の温度は、比較的速く、且つ制御されて低下し、ワークピース１５０の機械又は物理特性の最適化を助ける所望の期間にわたって低温に維持される。
【００２２】
図２は、下側サセプタ表面板を支持するための下側ダイ２６の一実施形態を示している。本明細書に記載される下側ダイ２６及び下側サセプタ表面板５２は、図１に示す上側ダイ２４及び上側サセプタ表面板５０とほぼ同様に構成されており、よって後述の下側ダイ２６及び下側サセプタ表面板５２の説明は、上側ダイ２４及び上側サセプタ表面板にも適用可能である。図２に示す実施形態では、下側ダイ２６は、互いに間隔を空けて配置された比較的薄い複数の板又は薄層３４からなり、これらの層３４の間には一連の空隙又はスペーシング３８が画定される。一又は複数の下側コイル部分８２は、積層３４中に形成された貫通孔４４を通って延びている。
【００２３】
積層３４の方向は、一又は複数の誘導コイル７６に概ね垂直であり、プレス機１２によって印加される圧縮力１４（図４）の方向に概ね平行である。積層３４と圧縮力１４の方向が整列していることにより、積層３４はサセプタ表面板５０、５２中に圧縮力１４を効果的に伝達することができる。有利には、積層３４間のスペーシング３８は、上側コイル部分と下側コイル部分８２とが互いに電気的に接続されるときに集約的に画定される、誘導コイル７６を流れる交流電流８６（図４）によって生じる磁場９０（図５）の発する電磁エネルギーに対する干渉を最小化する。これに関して、積層３４間のスペーシング３８があることで、磁場９０は主に下側サセプタ表面板５２に連結し、積層３４への連結は最小となる。
【００２４】
下側ダイ２６の積層３４によって画定されるダイ表面４６は、下側サセプタ表面板によって加熱されるワークピース１５０から形成される物品１５４（図４）の最終形状と相補的な輪郭を含むことができる。下側サセプタ表面板５２は、モールディング表面５４とは反対側に裏側表面６０を有する。下側ダイ２６の積層３４は、下側サセプタ表面板の裏側表面と相補的な形状を有する。積層３４は、タック溶接などの任意の手段により下側サセプタ表面板５２に取り付けることができる。積層３４は、通常は非磁性材料である比較的薄い（例えば、０．１００〜０．５０インチ厚）の材料、例えば様々な合金のうちのいずれか一つとして提供されるオーステナイト系ステンレス鋼から形成することができる。積層３４は、セラミック材又は通常は非磁性的な他の材料から形成されてもよい。積層３４は、比較的低いレベルの熱伝導率を有することにより下側サセプタ表面板上に対する積層３４の熱的慣性効果を最小化する材料から形成されてもよい。しかしながら、積層３４は、限定しないが、磁性材料又は非磁性材料を含み、且つ熱伝導率が比較的低い又は高い材料を含むいずれの材料から形成されてもよい。
【００２５】
図２では、下側ダイ２６を通って延びる複数の下側コイル部分８２の数は、上側ダイ２４（図１）を通って延びる対応する複数の上側コイル部分７８（図１）と一致している。下側コイル部分８２は、上側ダイ２４と下側ダイ２６とが閉位置３０（図４）をとり、一又は複数の誘導コイル７６からなる電気回路が完成するとき、上側コイル部分７８（図３）に電気的に接続される。一実施形態では、上側コイル部分７８と下側コイル部分８２との結合によりらせん状に巻かれた誘導コイル７６が形成されて、下側コイル部分８２の一つの一端のエンドコネクタ８４が、下側コイル部分８２の他端のエンドコネクタ８４が接続する上側コイル部分７８とは異なる上側コイル部分８４に電気的に接続される。システム１０を図４に示す方向から見ると、相互接続された上側コイル部分７８と下側コイル部分８２とのらせん状の構成は、矩形形状を有している。しかしながら、誘導コイル７６のらせん状の構成は、上側コイル部分７８及び下側コイル部分８２の形状又は構造に応じて矩形以外の形状を有してもよい。誘導コイル７６は、交流電流８６（図４）を導通させ、交流電流８６により磁場９０（図５）を生成する。上側コイル部分７８と下側コイル部分８２との相互接続が形成する一又は複数の誘導コイル７６の構成によって、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、その長さと幅にわたってほぼ均一に誘導加熱される。
【００２６】
図２は、一又は複数の誘導コイル７６の上方に位置する複数の冷却剤ライン１０４を含む能動的冷却システム１００の一実施形態を示している。上述のように、冷却剤ライン１０４は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２（図１）を冷却するための冷却媒体を運搬する。一実施形態では、冷却剤ライン１０４は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２（図１）を強制空冷するためのガスを運搬する。例えば、冷却ガス１０６は、下側サセプタ表面板５２の温度を下げるために下側サセプタ表面板５２の裏側表面６０に向けられる。上側サセプタ表面板５０は、下側サセプタ表面板５２と同じ方法で能動的に冷却することができる。一実施形態では、冷却剤ライン１０４は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のような重合材料などの通常は非磁性の材料から形成される。しかしながら、冷却剤ライン１０４は、磁性材料を含む様々に異なる材料のいずれか一つから形成されてよい。
【００２７】
図３は、開状態２８における上側ダイ２４及び下側ダイ２６を示しており、上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間にワークピース１５０が配置されており、このワークピース１５０はこの後上側ダイ２４と下側ダイ２６との間に締め付けられる。ワークピース１５０の形状、大きさ、構成、及び材料は様々でよい。例えば、ワークピース１５０は、複合品（図示しない）用のプリフォーム１５２として提供されてよく、例えば加熱され、上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間で圧密化される熱可塑性のプリフォーム１５６とすることができる。プリフォーム１５２は、プリフォーム１５２から形成される物品１５４の最終形状に近い形状で提供されてよい。上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２のモールディング表面５４、５８も、プリフォーム１５２から形成される物品１５４の最終形状と相補的な形状又は輪郭を有することができる。
【００２８】
上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、ワークピース１５０の処理に関連する所望の温度に対応するキュリー温度を有する強磁性合金６６から形成することができる。例えば、強磁性合金６６には、熱可塑性プリフォーム１５６の処理温度に近いキュリー温度を有するものが選択される。これに関して、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、熱可塑性プリフォーム１５６の溶融温度又はガラス転移温度に近いキュリー温度を有する強磁性合金６６から形成することができる。しかしながら、上述のように、本明細書に記載されるシステム１０は、様々に異なる材料のいずれか一つからなるワークピースを形成するために実施され、そのような材料には、熱可塑性材料から形成される複合プリフォーム及び／又は本明細書に開示されるシステム１０及び方法を用いて熱処理される金属製ワークピースが含まれる。
【００２９】
上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、誘導コイル７６を流れる交流電流８６（図４）によって生成される磁場９０（図５）によりサセプタ表面板５０、５２の誘導加熱を強化するために、比較的小さな厚みで供給される。例えば、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の各々は、約０．０５０〜０．２５インチの厚みを有する。一実施形態では、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２はそれぞれ約０．１００〜０．１５０インチの厚みで提供される。しかしながら、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、限定されることなくどのような厚みに形成されてもよい。一実施形態では、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、強磁性合金６６材料のブロック又は板からモールディング表面５４、５８及び／又は裏側表面５６、６０の凹凸を有する形状を機械加工することにより形成することができる。しかしながら、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、シートメタルを所望の形状に屈曲させることにより、或いは、他の様々な自動又は手動成形プロセスのいずれか一つを用いることにより、シートメタルから形成されてもよい。
【００３０】
図４は、閉位置３０にある上側ダイ２４及び下側ダイ２６と、それらのダイの間に締め付けられているワークピース１５０とを示している。圧縮力１４は、ワークピース１５０を成形又は圧密化するためにプレス機１２によって印加されている。上側ダイ２４及び下側ダイ２６が閉位置３０へと移動すると、上側コイル部分及び下側コイル部分８２のエンドコネクタ８０、８４により、誘導コイルの回路が閉じる。電源７４によって誘導コイル７６に交流電流８６が供給されて、誘導コイル７６に電流が流れる。誘導コイル７６に交流電流８６が流れることにより、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２に誘導電流９４（図４）が流れ、磁場９０（図５）が生成されて上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２が誘導加熱され、ワークピース１５０が上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２と熱的に接触していることにより、ワークピース１５０が伝導加熱される。
【００３１】
図５は、上側ダイ２４及び下側ダイ２６と、図６の上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２、並びにそれら表面板の間に締め付けられるワークピース１５０の断面図であり、誘導コイル７６を流れる交流電流８６によって生成される磁場９０を示している。磁場９０は、図４に示す誘導コイル７６を流れる交流電流８６の方向に対して概ね垂直な複数の力線９２によって示されている。キュリー温度未満の温度では、磁場９０は上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の強磁性合金６６に磁気的に連結している。上側ダイ２４及び下側ダイ２６を形成する、間隔を空けて配置された比較的薄い層３４は、誘導コイル７６を流れる交流電流８６によって生成される磁場９０に対する干渉を最小化することができる。
【００３２】
図１及び２〜５に示す一又は複数の誘導コイル７６が誘導コイル７６の別の構成を制限するものではないことに注意されたい。これに関して、図１及び４は、上側コイル部分と下側コイル部分との相互接続により、らせん状に巻かれた誘導コイル７６が形成さている様子を示しており、ここで、下側コイル部分８２の一つの一端のエンドコネクタ８４は、上述したように、下側コイル部分８２の他端のエンドコネクタ８４が接続する上側コイル部分７８とは異なる上側コイル部分７８に電気的に接続されている。誘導コイル７６のこのようならせん状の構成により、有利には、図５に示す方向とほぼ同じ方向に向かう力線９２（図５）を有する磁場９０（図５）が形成される。加えて、このような誘導コイル７６の構成により、さらに有利には、サセプタ表面板５０、５２の強磁性合金６６（図６）が磁性状態にあるとき（図９）の、サセプタ表面板５０、５２の外表面（図６）（例えば、モールディング表面５４、５８（図６）及び裏側表面５６、６０（図６）に沿った誘導電流９４（図５）密度が増大する。
【００３３】
しかしながら、本明細書に開示されるシステム１０は、誘導コイル７６の様々な別の構成のいずれか一つを含むことができ、図１及び４に示して上述したような、らせん状に巻かれた誘導コイル７６に限定されない。様々な実施形態のいずれか一つ（図示しない）では、一又は複数の誘導コイル７６は、サセプタ表面板５０、５２（図５）の強磁性合金６６（図５）との磁気的連結が最大になり、サセプタ表面板５０、５２が磁性状態であるとき（図９）に、サセプタ表面板５０、５２の外表面に隣接する誘導電流９４（図６）の密度を増大させるような磁場９０（図５）が得られるように配置される。さらにこれに関して、サセプタ表面板５０、５２の強磁性合金６６は、サセプタ表面板５０、５２の温度がキュリー温度に近づいて強磁性合金６６の磁気特性が低下する間に、サセプタ表面板５０、５２内部を流れる誘導電流９４の電流濃度を最大にするものが選択される。強磁性合金６６は、磁場９０との磁気的な連結を最大化し、且つ交流電流８６の所与の周波数又は周波数範囲の電流密度（図９）を最大化するものが選択されてもよい。
【００３４】
図６は、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の一部分の部分断面図であり、それらの間に締め付けられているワークピース１５０を示している。図示のように、誘導電流９４（図４）の流れは、誘導コイル７６（図４）を流れる交流電流８６（図４）によって生成される磁場９０（図５）により、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の各々の内部で循環している。ワークピース１５０（例えば、プリフォーム１５２）は、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２のモールディング表面５４、５８と熱的に接触している。誘導コイル７６を交流電流８６が流れることにより上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２が加熱されると、ワークピース１５０の誘導加熱が引き起こされる。サセプタ表面板５０、５２中の誘導電流９４の流れは、通常、温度が強磁性合金６６のキュリー温度未満でサセプタ表面板５０、５２の強磁性合金６６が磁性状態にあるとき、サセプタ表面板５０、５２の外表面の近くで（例えば、モールディング表面５４、５８、及び裏側表面５６、６０に沿って）濃縮される。
【００３５】
図７〜９を参照する。図７は、サセプタ表面板２００の一部分の概略図であり、キュリー温度未満で磁性状態２０６にあるサセプタ表面板２００中の誘導電流９４（図４）が測定された。図７は、サセプタ表面板２００の外表面２０４に沿って流れる誘導電流９４の濃度を示す。図８は、図７に示すサセプタ表面板２００の断面中の異なる位置に対応する電流密度２１２を示す凡例である。図７に示すように、サセプタ表面板２００は、外表面２０４の近くで比較的高い電流密度２１８を有し、内部で比較的低い電流密度２２０を有する。図９は、図７に概略的に示すサセプタ表面板２００のサセプタ厚２１４に対する全体の電流密度２１２を示すグラフである。図９は、サセプタ表面板２００の外表面２０４において増大した比較的高い電流密度２１８と、磁性状態２０６にあるサセプタ表面板２００の外表面から内側に向かって離れるにつれて指数関数的に低下２１０する電流密度とをグラフで示している。図９では、外表面２０４における電流密度は約３．８×１０７アンペア／ｍ２である。
【００３６】
図１０〜１２は、図７に示したものと同じサセプタ表面板２００の一部分の概略図である。しかしながら、図１０に示すサセプタ表面板２００は、一定期間にわたって誘導加熱された後でサセプタ表面板２００の温度がサセプタ表面板２００を形成している強磁性合金６６のキュリー温度に接近するか又は近くなったときに起こるような、非磁性状態２０８にある。キュリー温度に近い又はキュリー温度における磁性材料で生じる電流キャンセル（図示しない）の結果として、図１０は、図９に示す磁性状態におけるサセプタ表面板２００の外表面２０４における比較的高い電流密度２１８の大きさに対して、サセプタ表面板２００の外表面２０４（例えば、モールディングライン表面、裏側表面）に沿った比較的低い電流密度２２０を示している。
【００３７】
図１１は、図１０に示すサセプタ表面板２００の断面中の異なる位置に対応する電流密度２１２を示す凡例である。図１２は、図１０に概略的に示すサセプタ表面板２００のサセプタ厚２１４に対する全体の電流密度２１２を示すグラフである。図１２は、図９に示す磁性状態における約３．８×１０７アンペア／ｍ２というサセプタ表面板２００の高いマグニチュードの電流密度に対して、非磁性状態２０８における約５．０×１０６アンペア／ｍ２というサセプタ表面板２００の外表面２０４に沿った低い電流密度のマグニチュードを示している。これに関して、図１２に示す非磁性状態２０８におけるサセプタ表面板２００の電流密度は、概ね図９に示す磁性状態におけるサセプタ表面板２００の電流密度より低いマグニチュードのオーダーである。図１２は、さらに、図９に示す磁性状態でのサセプタ表面板２００の電流密度の指数関数的低下とは対照的に、サセプタ表面板２００の外表面２０４から内側に離れるにつれて電流密度がほぼ一様に低下することを示している。
【００３８】
図１３は、強磁性合金材料の温度２３２に対する透磁率２３０をグラフ化したものであり、強磁性合金の温度２３２がこの強磁性合金のキュリー温度２３６に接近するにつれて、この強磁性合金から形成されるサセプタ表面板（図示しない）の透磁率２３０を表わす曲線が指数関数的に低下することを示している。図１３は、さらに、曲線上の低い平衡温度２３８点と、曲線上の高い平衡温度２４０点とを示している。曲線上の低い平衡温度２３８点は、サセプタ表面板の比較的高い透磁率に対応し、この比較的高い透磁率は、誘導コイル（図示しない）を流れる交流電流（図示しない）の比較的低い周波数に対応している。曲線上の高い平衡温度２４０点は、サセプタ表面板の比較的低い透磁率に対応し、これには誘導コイルを流れる交流電流の周波数が高いことが必要である。図７に関連して記載したように、サセプタ表面板２００が磁性状態であるとき、サセプタ表面板の外表面に沿って電流密度が上昇する。交流電流の周波数が増大するにつれて、サセプタ表面板の外表面に沿って濃縮される電流の部分が増大し、それにより、誘導電流の密度を増大させるために利用可能なサセプタ表面板の断面積の量が増大する。このようにして、所与のサセプタ厚について、周波数を上昇させるために交流電流を調節することにより、サセプタ表面板の平衡温度が上昇する。
【００３９】
有利には、本明細書に開示されるシステム１０は、図１及び４に示す電流コントローラ８８を使用することなどにより、交流電流（図４）の周波数を調節する手段を提供する。一実施形態では、交流電流８６は、約１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの周波数で一又は複数の誘導コイル７６（図４）に供給される。例えば、交流電流８６は、約２ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数範囲で供給することができる。交流電流８６のアンペア数は、約１０アンペア〜１０，０００アンペアの範囲内で誘導コイル７６に供給されるが、交流電流は１０アンペアより小さいアンペア数で供給されても、１０，０００アンペアを上回るアンペア数で供給されてもよい。また、交流電流８６は、約１０ボルト〜３００ボルトの圧力で供給されてよいが、１０ボルトより小さい電圧で供給されても、３００ボルトを上回る電圧で供給されてもよい。
【００４０】
一実施形態では、電流コントローラ８８（図４）は、誘導コイル７６（図４）に連結されて、サセプタ表面板の一又は複数の加熱パラメータの変化を生じさせるように交流電流８６（図４）を調節する。例えば、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板５０、５２（図４）の平衡温度に変化又はシフトを生じさせるように、交流電流８６を調節するように構成される。電流コントローラ８８は、サセプタ表面板の初回加熱時に誘導コイル７６に供給される交流電流８６の周波数を調節するように構成されてもよく、及び／又はサセプタ表面板の平衡温度を上昇又は下降させるためのサセプタ表面板の初期平衡温度が達成されたら、交流電流８６の周波数を調節するように構成されてもよい。
【００４１】
電流コントローラ８８（図４）は、一実施形態では、最初の平衡温度から平衡温度に華氏（Ｆ）約５〜１５度の変化又はシフトを生じさせるために、交流電流８６の周波数を調節するように構成されるが、平衡温度に華氏５度を下回る又は華氏１５度を上回るシフトを生じさせるために、交流電流８６の周波数を調節するように構成されてもよい。電流コントローラ８８は、一実施形態では、サセプタ表面板５０、５２（図４）の最初の平衡温度から平衡温度に華氏（Ｆ）約±７度のシフトを生じさせるために、交流電流８６の周波数を調節するように構成されるが、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に、それよりも大きな（すなわち、華氏±７度を上回る）シフトを生じさせるように構成されてもよい。平衡温度のシフトのマグニチュードは、交流電流８６の周波数の変化のマグニチュードに基づいていてよい。
【００４２】
一実施形態では、交流電流８６の周波数のファクター２までの上昇又は下降、或いはファクター２を上回る上昇又は下降に対応して、平衡温度が華氏約５〜１５にわたって上昇又は下降する。例えば、交流電流８６の周波数が約１０ｋＨｚから２０ｋＨｚに上昇すると、平衡温度は華氏約５〜１５度にわたって上昇する。同様に、交流電流８６の周波数が約２０ｋＨｚから１０ｋＨｚに下降すると、平衡温度は華氏約５〜１５度にわたって下降する。別の実施例では、交流電流８６の周波数が約２０ｋＨｚから４０ｋＨｚに上昇すると、平衡温度は華氏約５〜１５度にわたって上昇する。これに関して、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に所望の上昇又は下降を生じさせる交流電流８６の周波数の上昇又は下降のマグニチュードは、初期平衡温度における交流電流８６の周波数によって決まる。所与の平衡温度における交流電流８６の周波数が比較的高い場合には、それに対応して、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に所与の上昇又は下降を生じさせるために、比較的大きな周波数の上昇又は下降が必要となる。
【００４３】
また、平衡温度のシフトのマグニチュードは、サセプタ表面板５０、５２を形成する強磁性合金６６の組成によって決まる。例えば、強磁性合金６６（図４）の特定の組成は、交流電流８６に同じ範囲の周波数変化を生じさせた時にそれとは異なる強磁性合金６６の組成を使用した場合に生じる平衡温度の範囲と比較して、所与の範囲の周波数変化に対する平衡温度の範囲を広くする。
【００４４】
電流コントローラ８８（図１）は、サセプタ表面板５０、５２の一又は複数の加熱パラメータに変化が生じるように、交流電流８６（図４）のアンペア数を調節することもできる。例えば、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度を変化又はシフトさせてサセプタ表面板５０、５２の平衡温度を上昇又は下降させるように、アンペア数を調節することができる。例えば、電流コントローラ８８は、交流電流８６のアンペア数を少なくとも約１０アンペア又は約１０アンペアを上回る分だけ調節することにより、平衡温度を華氏約５〜１５度にわたってシフトさせるように構成することができるが、平衡温度を華氏５度未満だけ又は華氏１５度を上回るだけシフトさせるように、アンペア数を調節するように構成することもできる。電流コントローラ８８は、交流電流８６のアンペア数を調節することによりサセプタ表面板５０、５２の加熱速度を変化させるように構成されてもよい。
【００４５】
図１４は、異なる周波数及び／又は異なるアンペア数で誘導コイル（図示しない）に印加された交流電流（図示しない）によって誘導加熱した同じニッケル鋼強磁性合金（図示しない）からなるサセプタ材料の、三種類の熱プロファイル２５６、２５８、２６０をグラフ化したものである。第１の熱プロファイル２５６は、１０ｋＨｚで２０アンペア（Ａ）の交流電流を印加した結果である。第２の熱プロファイル２５８は、第１の熱プロファイル２５６によって表される同じニッケル鋼強磁性合金６６に１０ｋＨｚで４０アンペアの交流電流を印加した結果である。図１４に示すように、第１の熱プロファイル２５６の場合の２０アンペアから第２の熱プロファイル２５８の場合の４０アンペアへとアンペア数を増大させることにより、第１の熱プロファイル２５６の比較的低い第１の加熱速度２６８が、第２の熱プロファイル２５８の比較的高い第２の加熱速度２７０へと上昇する。加えて、交流電流のアンペア数が第１の熱プロファイル２５６から第２の熱プロファイル２５８へと増大することにより、第１の熱プロファイル２５６の第１の平衡温度２６２が、第２の熱プロファイル２５８の第２の平衡温度２６４へと上昇する。
【００４６】
図１４には、平衡温度に対するアンペア数の変化の影響と、平衡温度に対する周波数の変化の影響との違いも示されている。例えば、第３の熱プロファイル２６０の高い第３の平衡温度２６６は、第２の熱プロファイル２５８の場合に低い周波数１０ｋＨｚで大きなアンペア数４０アンペアを印加したのに対し、周波数２０，０００Ｈｚ（２０ｋＨｚ）で小さなアンペア数３０アンペアを印加した結果であり、これにより、少なくとも図１４に示すニッケル鋼強磁性合金（図示しない）の組成については、平衡温度の変化に影響するものとして、（アンペア数より）周波数が優勢といえる。言うまでもなく、図１４に示される熱プロファイル２５６、２５８、２６０は、サセプタに印加される交流電流（図示せず）の周波数又はアンペア数の調整に別の範囲を使用することを制限するものではない。これに関して、ここに開示されるシステム１０の実施においては、交流電流の周波数及びアンペア数があらゆる範囲にわたっていてよい。
【００４７】
図１５は、サセプタ表面板（図示しない）上の異なる位置に取り付けられた複数の熱電対（図示しない）のほぼ同様の熱プロファイル２８０をグラフ化したものであり、強磁性合金の使用による異なる位置での温度の均一性と、本明細書に開示されるシステム１０（図１）を使用した場合の温度サイクリングとを示している。有利には、サセプタ表面板の長さ及び幅にわたる温度の均一化は強磁性合金材料によって達成され、この場合、サセプタ表面板の平衡温度に到達した部分が非磁性となることにより、サセプタ表面板のこのような部分を流れる誘導電流が、この部分の温度を平衡温度で安定させるのに十分なレベルまで自動的に低減する。サセプタ表面板の平衡温度を下回る部分は磁性状態のままで、サセプタ表面板のそのような部分を、この部分も平衡温度に達するまで局所的に加熱し続ける。
【００４８】
図１５に示すように、熱プロファイル２８０の各々は、初期温度２８２からほぼ同じ加熱速度で上昇し、第１の期間２８８内にほぼ同じ第１の平衡温度２８４に到達する。図１５は、さらに、第２の期間２９０の間は第１の平衡温度２８４がほぼ維持され、その後誘導コイル（図示しない）への交流電流（図示しない）の流れが停止することを示している。次いで、サセプタ表面板（図示しない）には能動的冷却（図示しない）が行われ、第３の期間２９２の間に、第１の平衡温度２８４は第２の平衡温度２８６まで低下する。例えば、冷却システム（図示しない）は、冷却ガス（図示しない）をサセプタ表面板（図示しない）に導き、ワークピース（図示しない）の残留熱及び／又はサセプタ表面板の残留熱を用いて制御下でサセプタ表面板の温度を第２の平衡温度２８６まで低下させる。このように、能動的冷却システム１００を使用して、ワークピース及びサセプタ表面板の温度の低下速度を制御することができる。上述のように、ワークピース（例えば、熱可塑性プリフォーム）の加熱速度及び冷却速度を制御することができることで、最終品の機械特性及び／又は物理特性の最適化が容易に行える。
【００４９】
図１６は、強磁性合金６６の成分である鉄、コバルト、及びニッケルの図２９０であり、このような成分は、サセプタ表面板（図示しない）に所望の加熱特性を達成するために、互いに又は他の合金に対しして様々に異なる割合のうちのいずれか一つに選択することができる。これに関して、サセプタ表面板に所望の平衡温度を付与するため、又は誘導コイル（図示しない）を流れる交流電流（図示しない）の一又は複数の電流パラメータを調節することによりサセプタ表面板に生じうる平衡温度の所望の範囲を達成するために、合金の様々な組み合わせを選択することができる。上述のように、このような電流パラメータには、誘導コイルを流れる交流電流の周波数及びアンペア数が含まれる。電流パラメータを調節することにより、サセプタ表面板の一又は複数の加熱パラメータを変化させることができる。例えば、電流パラメータは、サセプタ表面板の平衡温度又は加熱速度を上昇又は下降させるように調節される。さらに、平衡温度がシフトする範囲を広げるため又は狭めるため、或いは、交流電流の周波数又はアンペア数を所与の量だけ変化させることにより加熱速度が調節される範囲を広げるため又は狭めるために、合金の様々な組み合わせを選択することができる。
【００５０】
図１７は、ワークピース１５０（図４）の誘導加熱方法３００のフロー図である。有利には、この方法は、交流電流８６（図４）の一又は複数の電流パラメータを変更することによりワークピース１５０の一又は複数の加熱パラメータを調節することを含む。例えば、方法は、誘導コイル７６（図４）に印加される交流電流の周波数及び／又はアンペア数を調節することにより、サセプタ表面板（図４）の平衡温度のシフト、及び／又はサセプタ表面板の加熱速度の変化を生じさせることを含む。
【００５１】
図１７の方法３００のステップ３０２では、一又は複数の誘導コイル７６（図４）に交流電流８６（図４）が印加される。一又は複数のサセプタ表面板５０、５２（図４）は誘導コイル７６に隣接して取り付けられる。サセプタ表面板５０、５２は、キュリー温度を有する強磁性合金６６（図４）から形成される。キュリー温度は、サセプタ表面板５０、５２に接触するワークピース１５０（図４）に所望の温度に対応させることができる。一実施形態では、ワークピース１５０は、ワークピース１５０から形成される物品の最終形状に相補的なモールディング表面５４、５８を有する少なくとも二つのサセプタ表面板５０、５２の間に挟まれる。
【００５２】
図１７の方法３００のステップ３０４は、誘導コイル７６への交流電流８６（図４）の印加によりサセプタ表面板５０、５２（図４）に沿った磁場９０（図５）を生成することを含む。例えば、図４は、上側ダイ２４及び下側ダイ２６（図４）とが閉位置３０にあるとき（図４）に上側コイル部分７８と下側コイル部分８２（図４）との電気接続によって形成される誘導コイル７６（図４）に、交流電流８６が印加されることを示している。
【００５３】
図１７の方法３００のステップ３０６は、サセプタ表面板５０、５２（図４）をキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱することを含む。サセプタ表面板５０、５２は、図５に示すように生成される磁場９０（図５）により加熱される。サセプタ表面板５０、５２が磁場９０に磁気的に連結されることにより、サセプタ表面板５０、５２は誘導加熱される。
【００５４】
図１７の方法３００のステップ３０８は、サセプタ表面板５０、５２（図４）と熱的に接触するワークピース１５０（図４）を伝導加熱することを含む。ワークピース１５０とサセプタ表面板５０、５２との熱的接触は、サセプタ表面板５０、５２からワークピース１５０への伝導伝熱によりワークピース１５０の温度の上昇を引き起こす。サセプタ表面板５０、５２（図４）の温度は、キュリー温度未満の平衡温度で安定化する。これに関して、サセプタ表面板５０、５２の温度がキュリー温度に接近して強磁性合金６６（図４）の磁気特性（例えば、透磁率）が低下し始めると、サセプタ表面板５０、５２の誘導加熱は弱まる。磁気特性の低下により、サセプタ表面板５０、５２の誘導加熱が弱まる。サセプタ表面板５０、５２の温度は、サセプタ表面板５０、５２内を流れる誘導電流９４（図４）が、サセプタ表面板５０、５２の温度を平衡温度に維持するのに十分なレベルに自動的に弱まると安定化する。
【００５５】
図１７の方法３００のステップ３１０は、交流電流８６の少なくとも一つの電流パラメータを調節することを含む。例えば、電流パラメータは、交流電流８６の周波数又はアンペア数を含む。交流電流８６の周波数は、所定の範囲内で上昇又は降下させることができる。アンペア数も、所定の範囲内で上昇又は降下させることができる。
【００５６】
図１７の方法３００のステップ３１２は、交流電流８６（図４）の一又は複数の電流パラメータの調節により、サセプタ表面板の少なくとも一つの加熱特性を変化させることを含む。例えば、加熱パラメータには、交流電流８６の周波数又はアンペア数を変更又は調節することによりシフトしうるサセプタ表面板の平衡温度が含まれる。加熱パラメータには、サセプタ表面板が加熱される加熱速度であり、且つ交流電流８６のアンペア数の増大又は減少によってそれぞれ上昇又は低下しうる加熱速度が含まれてもよい。
【００５７】
図１７の方法３００のステップ３１４は、サセプタ表面板５０、５２（図４）の加熱特性を調節することにより、ワークピース１５０（図４）の加熱を変更することを含む。例えば、ワークピース１５０の温度は、交流電流８６（図４）の周波数及び／又はアンペア数を増大させることにより上昇させることができる。ワークピース１５０の加熱速度も、交流電流８６（図４）の周波数及び／又はアンペア数を増大させることにより上昇させることができる。例えば、ワークピース１５０の加熱速度は、交流電流８６の周波数及び／又はアンペア数を増大させることにより上昇させることができる。逆に、ワークピース１５０の加熱速度は、交流電流８６の周波数及び／又はアンペア数を減少させることにより低下させることができる。
【００５８】
ワークピース１５０（図４）の誘導加熱方法は、サセプタ表面板５０、５２（図４）を形成する強磁性合金６６（図４）であって、ワークピース１５０（図４）が加熱される際の温度範囲に適合する強磁性合金を選択することも含みうる。これに関して、方法は、ワークピース１５０の所望の処理温度に対応するキュリー温度を有する強磁性合金６６を選択することを含むことができる。強磁性合金６６は、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度がワークピース１５０に所望の温度の所定の範囲内に収まるようなキュリー温度を有するものが選択される。
【００５９】
例えば、強磁性合金６６には、サセプタ表面板５０、５２（図４）の平衡温度が、熱可塑性プリフォーム１５６（図４）に含まれる熱可塑性樹脂１５８（図４）の溶融温度又はガラス転移温度以上になるキュリー温度を呈するものを選択することができる。また、交流電流８６（図４）を、交流電流８６の周波数又はアンペア数を調節することによりサセプタ表面板５０、５２の平衡温度の微調整ができるように選択することで、熱可塑性プリフォーム１５６中の熱可塑性樹脂１５８に所望のレベルの粘度を達成するために必要なだけプリフォーム１５２の温度を上昇又は低下させて、圧密化の間にプリフォーム１５２の繊維質材料（図示しない）全体に樹脂１５８をほぼ均一に分布することが容易になる。
【００６０】
当業者には、本発明の他の修正例及び改良例が明らかであろう。したがって、本明細書に記載及び例示した部分の具体的な組み合わせは、本発明の特定の実施形態を表しているに過ぎず、本発明の精神及び範囲に含まれる別の実施形態又はデバイスを制限するものではない。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 誘導加熱システム
１２ プレス機
１４ 圧縮力
１６ 上側ツール
１８ 下側ツール
２０ ポスト
２４ 上側ダイ
２６ 下側ダイ
２８ 開位置
３０ 閉位置
３４ 積層
３８ スペーシング
４４ 貫通孔
４６ ダイ表面
５０ 上側サセプタ表面板
５２ 下側サセプタ表面板
５４、５８ モールディング表面
５６、６０ 裏側表面
６６ 強磁性合金
７２ 誘導加熱システム
７４ 電源
７６ 誘導コイル
７８ 上側コイル部分
８０、８４ エンドコネクタ
８２ 下側コイル部分
８６ 交流電流
８８ 電流コントローラ
９０ 磁場
９２ （磁場の）力戦
９４ 誘導電流
１００ 能動的冷却システム
１０２ 冷却剤導管
１０４ 冷却剤ライン
１０６ 冷却ガス
１５０ ワークピース
１５２ プリフォーム
１５４ 物品
１５６ 熱可塑性プリフォーム
１５８ 熱可塑性樹脂
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して複合材料に関し、具体的には熱可塑性の物品を成形する間のそのような物品の加熱に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合品の成形においては、一般に、プリフォームを圧密化する間に、圧縮力を印加しながらプリフォームを加熱することが必要である。プリフォームを加熱するとき、一般的には、最終品に所望の機械特性が達成されるように、プリフォームを高温、且つプリフォームの材料系又は樹脂組成に対応する比較的狭い温度範囲内に維持することが望ましい。熱可塑性物品を成形するとき、熱可塑性樹脂の溶融温度を上回るまでプリフォームを加熱することにより、圧密化の間にプリフォーム全体に樹脂を流すことが必要である。
【０００３】
熱可塑性物品に所望の機械特性を達成するためには、さらに、プロフォームの温度を、溶融温度から、それよりも低い第２の温度に低下させることによりプリフォームの温度を周期的に変化させ、所定の期間にわたってプリフォームを第２の温度に維持することが必要である。所定の期間にわたってプリフォームを第２の温度に維持するにより、熱可塑性物品に所望のレベルの結晶化度が達成される。結晶化度は、最終品の機械特性に影響しうる。最終的な熱可塑性物品の機械特性は、温度サイクリングの間の、プリフォームの加熱速度及び／又は冷却速度によっても影響されうる。
【０００４】
従来の複合品成形技術では、プリフォームを圧密化して所望の形状にプリフォームを成形するために、オートクレーブ及び従来のツーリングを使用する。残念ながら、オートクレーブ及びツーリングは、一般に比較的大きな熱質量を有するので、最初にプリフォームを溶融温度に加熱するために膨大な時間を要する。加えて、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が比較的大きいことにより、温度サイクリングの間に物品を冷却するために膨大な時間を要する。さらに、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が比較的大きいことにより、最終品に最適な機械特性を達成するために特定の期間にわたって物品を所望の温度に維持することが困難になる。
【０００５】
オートクレーブ及び従来のツーリングの使用に関連するさらなる欠点は、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が比較的大きいために、物品を均一に加熱することが困難なことである。さらに、オートクレーブ及びツーリングの熱質量が大きいことにより、安全に取り扱える温度まで物品を冷却するために比較的長時間を要する。加えて、オートクレーブは、オートクレーブの内部及びツーリングを最初に加熱する間に、比較的大量の電力を消費する。
【０００６】
このように、当技術分野において、プリフォームの加熱温度を高レベルで制御できるプリフォームの加熱システム及び方法に対する需要が存在する。加えて、当技術分野には、比較的短時間で、且つ最終品の機械特性が最適化されるように制御しながら、プリフォームを加熱及び冷却することを支援するシステム及び方法に対する需要が存在する。さらに、当技術分野には、プリフォーム全体に熱を均一に分配できるプリフォームの加熱システム及び方法に対する需要が存在する。好適には、このようなシステム及び方法はエネルギー効率及び経費効率のよい方法で運用される。
【発明の概要】
【０００７】
高レベルの温度制御性をもって物品を加熱することに関する上記需要は、ワークピースを誘導加熱するためのシステムを提供する本発明により特に対処される。本発明の一態様によれば、誘導コイル、少なくとも一つのサセプタ表面板、及び電流コントローラを含むシステムが提供される。誘導コイルは、交流電流を導通させて、交流電流により磁場を生成する。サセプタ表面板には、ワークピースが配置される。サセプタ表面板は、キュリー温度を有する強磁性合金から形成することができ、強磁性合金は、磁場によりキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱可能である。電流コントローラは、誘導コイルに連結されて、サセプタ表面板の少なくとも一つの加熱パラメータの変更を生じさせるように交流電流を調節する。
【０００８】
有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の平衡温度に変化を生じさせるように、交流電流の周波数を調節する。好適には、電流コントローラは、サセプタ表面板の平衡温度を華氏約５〜１５度だけシフトさせるように、交流電流の周波数を調節する。有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の平衡温度に変化を生じさせるように、交流電流のアンペア数を調節する。有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の加熱速度に変化を生じさせるように、交流電流の周波数を調節する。有利には、電流コントローラは、サセプタ表面板の加熱速度に変化を生じさせるように、交流電流のアンペア数を調節する。有利には、交流電流は、約１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲を有する。有利には、交流電流は、約１０アンペア〜１０，０００アンペアのアンペア数を有する。有利には、誘導コイルは、複数の層にわたって延びる複数の上側コイル部分と下側コイル部分とを含む。有利には、誘導コイルは、上側コイル部分と下側コイル部分とを含み、一対のサセプタ表面板の間にワークピースが締め付けられるとき、上側ダイのコイル部分と下側ダイのコイル部分とが互いに電気的に連結して誘導コイルを形成する。有利には、システムは、サセプタ表面板を冷却するための冷却システムをさらに備える。有利には、システムはワークピースに圧縮力を印加するためのプレス機をさらに備える。
【０００９】
本発明の一態様によれば、ワークピースの誘導加熱方法が提供される。この方法は、少なくとも一つのサセプタ表面板が隣接して装着される誘導コイルに交流電流を印加するステップを含み、このサセプタ表面板はキュリー温度を有する強磁性合金から形成される。この方法は、磁場を生成すること、及び磁場によりキュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板を誘導加熱することを含む。方法は、また、交流電流の少なくとも一つの電流パラメータを調節すること、及び電流パラメータの調節により、サセプタ表面板の平衡温度をシフトさせることを含む。
【００１０】
有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流の周波数を調節すること、及びサセプタ表面板の平衡温度をシフトさせることを含む。好適には、周波数を調節するステップは、サセプタ表面板の平衡温度を華氏約５〜１５度だけシフトさせるように、交流電流の周波数を調節することを含む。有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流のアンペア数を調節すること、及びサセプタ表面板の平衡温度をシフトさせることを含む。有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流の周波数を調節すること、及びサセプタ表面板の加熱速度を変化させることを含む。有利には、少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップは、交流電流のアンペア数を調節すること、及びサセプタ表面板の加熱速度を変化させることを含む。有利には、方法は、ワークピースに圧縮力を印加するステップをさらに含む。有利には、方法は、サセプタ表面板を能動的に冷却するステップをさらに含む。さらなる実施形態では、ワークピースを誘導加熱する方法であり、サセプタ表面板が隣接して装着される誘導コイルに交流電流を印加することを含む方法が開示される。サセプタ表面板は、キュリー温度を有する強磁性合金から形成される。この方法は、交流電流によりサセプタ表面板に沿って磁場を生成すること、及び磁場によりキュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板を誘導加熱することをさらに含む。方法は、さらに、サセプタ表面板と熱接触するワークピースを伝導加熱すること、及びキュリー温度より低い平衡温度でサセプタ表面板の温度を安定化させることを含む。方法は、また、交流電流の少なくとも一つの電流パラメータを調節すること、及び交流電流の電流パラメータを調節することにより、サセプタ表面板の少なくとも一つの特徴を変化させることを含む。
【００１１】
上述のフィーチャ、機能および利点は、本発明の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態について、後述の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の上述のフィーチャ及び他のフィーチャは、添付図面からさらに明らかとなる。図を通して、同様の参照番号は同様の部品を示す。
【００１３】
【図１】ワークピースを誘導加熱する間にワークピースに圧縮力を印加するためのプレス機の一実施形態の斜視図である。
【図２】プレス機に装着された下側ダイの一実施形態の斜視図であり、この下側ダイは、サセプタ表面板を支持しており、誘導加熱のためにワークピースを受けるように構成されている。
【図３】開位置にある上側ダイ及び下側ダイの一実施形態の概略側面図であり、この上側ダイ及び下側ダイには、対応する上側サセプタ表面板及び下側サセプタ表面板が取り付けられており、さらには、一実施形態の上側サセプタ表面板及び下側サセプタ表面板を誘導加熱するための上側コイル部分及び下側コイル部分が示されている。
【図４】閉位置にある上側ダイ及び下側ダイの一実施形態の概略側面図であり、両サセプタ表面板の間にワークピースが締め付けられている。図示される位置実施形態では、上側コイル部分と下側コイル部分とが相互接続し、誘導コイルに電流が流れることによりサセプタ表面板に誘導電流が流れる。
【図５】図４の線５に沿った上側ダイ及び下側ダイの断面図であり、誘導コイル中の電流の流れにより生成される磁場を示しており、磁場の力線の方向は、誘導コイル中を流れる電流の方向に直交している。
【図６】図５の線６に沿った上側サセプタ表面板及び下側サセプタ表面板の部分拡大断面図であり、サセプタ表面板を流れる誘導電流の方向を示している。
【図７】磁性状態にあるサセプタ表面板の概略断面図であり、サセプタ表面板の表面に隣接して流れる誘導電流の濃度を示している。
【図８】図７に示す磁性状態でのサセプタ表面板の電流密度に対応する相対的電流密度を示す凡例である。
【図９】図７に示す磁性状態でのサセプタ表面板のサセプタ厚に対する電流密度のグラフであり、サセプタ表面板の表面に隣接する地点での比較的高マグニチュードの電流密度とその濃度、並びにサセプタ表面板の表面から内側に遠ざかるにつれて指数関数的に低下する電流密度を示している。
【図１０】非磁性状態でのサセプタ表面板の概略断面図であり、サセプタ表面板の表面から内側に遠ざかるにつれてほぼ一様に低下する電流密度を示している。
【図１１】図１０に示す非磁性状態にあるサセプタ表面板の電流密度に対応する相対的電流密度を示す凡例である。
【図１２】図１０に示す非磁性状態でのサセプタ表面板のサセプタ厚に対する電流密度のグラフであり、サセプタ表面板の表面から内側に遠ざかるにつれてほぼ一様に低下する電流密度、並びに電流密のマグニチュードの低下を示している。
【図１３】強磁性合金の温度に対する透磁率の図であり、温度がキュリー温度に近づくにつれて指数関数的に低下する透磁率を示しており、さらには、誘導コイルの電流パラメータの調節による平衡温度の変化を表わす低い及び高い平衡温度点を示している。
【図１４】誘導コイルに異なる周波数／アンペア数の交流電流を印加することにより誘導加熱された強磁性材料の三つの異なる熱プロファイルをグラフ化したものであり、強磁性合金の平衡温度及び加熱速度に対するそれらの影響を示している。
【図１５】サセプタ表面板の複数の異なる位置の熱プロファイルをグラフ化したものであり、誘導加熱による異なる位置での温度の均一性を示しており、さらには、能動的冷却によるサセプタ表面板の温度サイクリング能を示している。
【図１６】サセプタ表面板の形成に使用できる広範な種類の強磁性合金のうちのいくつかの強磁性合金の図である。
【図１７】ワークピースを誘導加熱し、及び交流電流の一又は複数の電流パラメータ（例えば、誘導コイルに印加する交流電流の周波数及び／又はアンペア数）を変更することによるワークピースの一又は複数の加熱パラメータの調節する方法のフロー図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に参照する添付図面は、本発明の種々の好ましい実施形態を例示することのみを目的としており、図１は、ワークピース１５０（図３）の誘導加熱の間にワークピース１５０に圧縮力１４を印加するために使用されるプレス機１２の一実施形態を示している。プレス機１２は、ワークピース１５０を物品１５４（図４）に成形するために使用されるものである。ワークピース１５０の加熱は、プレス機１２に動作可能に連結される一又は複数のサセプタ表面板（例えば、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２）を用いて実行することができる。例えば、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、プレス機１２の対応する上側ダイ２４及び下側ダイ２６にそれぞれ取り付けられる。
【００１５】
上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２は、強磁性合金６６の組成によって変化するキュリー温度を有する導電性の強磁性合金６６材料から形成される。これに関して、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２を形成する強磁性合金６６は、ワークピース１５０を加熱したいと思う所望の温度に基づいて選択することができる。例えば、強磁性合金６６の組成は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度がワークピース１５０の所望の温度（例えば、ワークピース１５０の処理温度）とほぼ一致する又はそのような温度に相当するようなキュリー温度を有するように選択される。処理温度には、熱可塑性プリフォーム１５６中の樹脂１５８（図４）の溶融温度又はガラス転移温度が含まれる。しかしながら、所望の温度には、熱硬化性のワークピース１５０の所与のマトリックス材を硬化させる硬化温度が含まれてもよい。所望の温度には、金属製のワークピース１５０に所望の熱処理温度、又はワークピースの処理に関連する他の温度が含まれてもよい。
【００１６】
図１では、上側サセプタ表面板５２及び／又は下側サセプタ表面板５２は、誘導加熱システム７２の一部を形成する。上側サセプタ表面板５２及び／又は下側サセプタ表面板５２は、一又は複数の誘導コイル７６を流れる交流電流８６（図４）により平衡温度まで誘導加熱される。誘導コイル７６は、上側ダイ２４及び下側ダイ２６に隣接して取り付けられる。一又は複数の誘導コイル７６は、誘導コイル７６を流れる交流電流８６により磁場９０（図５）を生成する。磁場９０は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２と磁気的に連結されて、キュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板５０、５２の誘導加熱を引き起こす。これに関して、サセプタ表面板５０、５２の温度がキュリー温度に接近するにつれて強磁性合金６６の磁気的特性が弱まり、それによりサセプタ表面板５０、５２の誘導加熱が低減する。サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に達した部分は非磁性状態になり、サセプタ表面板５０、５２のそのような部分における誘導電流の流れ９４は、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度を安定化又は維持するのに十分なレベルまで自動的に縮小する。このようにして、ワークピース１５０はほぼ均一に加熱される。
【００１７】
有利には、本明細書に開示されるシステム１０及び方法は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度及び／又は加熱速度を、微調整、変更、調節、又はシフトする手段として交流電流８６（図４）の周波数を調節する手段も含む。加えて、システム１０及び方法は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度及び／又は加熱速度を、微調整、変更、調節、又はシフトする手段として交流電流８６の振幅又はアンペア数（Ａ）を調節する手段を含む。例えば、システム１０は、交流電流８６の周波数又はアンペア数を増大させることにより上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の平衡温度を上昇させる手段を提供することができる。このようにして、サセプタ表面板の温度は、特定の温度範囲内で、ワークピース１５０に所望の温度にさらに近づくように調節される。
【００１８】
有利には、交流電流の周波数及び／又はアンペア数を制御することにより、新規の強磁性材料６６の組成を考案する必要なく、且つやや高いキュリー温度を有する異なる強磁性合金６６を調達する必要なく、サセプタ表面板の平衡温度及び加熱速度を、ワークピースに所望の温度及び加熱速度に概ね一致させることができる。これに関して、本明細書に開示されるシステム１０及び方法は、サセプタ表面板の平衡温度及び加熱速度を調整する手段を提供し、粉末治金などにより新規の強磁性合金６６を作製すること、又は発見が困難な強磁性合金６６を検索することに関連する時間と費用を回避する。このようにして、本明細書において開示されるシステム１０は、サセプタ表面板に利用可能な強磁性合金６６を用いてワークピース１５０の所望に温度を微調整する又は概ね達成するための、費用効率がよく、且つ時間効率のよい方法を提供する。例えば、ワークピース１５０を加熱、モールディング、成形、圧縮、圧密化、硬化、シェーピング、又はその他の方法で処理するための所望の温度と概ね一致する平衡温度を有する市販の強磁性合金６６を使用して、サセプタ表面板を形成することができる。本明細書に開示されるシステム１０により、複合ワークピース１５０の所望の温度又は処理温度を微調整する手段、又はそのような所望の温度に近づける手段、或いは金属製のワークピース１５０の所与の熱処理プロセス（例えば、アニーリングプロセス）の温度を微調整する手段が提供される。
【００１９】
図１は、上側ツール１６及び下側ツール１８を含むプレス機１２の一実施形態を示している。上側ダイ２４及び下側ダイ２６は、上側ツール１６及び下側ツール１８のそれぞれに取り付けられている。上側ツール１６及び／又は下側ツール１８は、閉位置３０と開位置２８との間で、上側ダイ及び下側ダイを互いの方へ及び互いから離れるようにスライドさせることができるように、一又は複数のポスト２０に取り付けられている。開位置において上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間にワークピース１５０を配置し、その後上側ダイ２４及び／又は下側ダイ２６を移動させて両ダイを互いに接近させることにより、上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間でワークピース１５０が締め付けられて、複合ワークピース１５０が圧密化される。
【００２０】
誘導コイル７６及びサセプタ表面板は、プレス機１２に含まれる誘導加熱システム７２の一部を形成している。誘導加熱システム７２は、上側ダイ２４及び／又は下側ダイ２６の積層３４中に形成される切り込み又は貫通孔４４中に延びる一又は複数の誘導コイル７６に交流電流８６（図４）を供給する電源７４を含むことができる。上記のように、且つ後述でさらに詳細に説明するように、誘導コイル７６を流れる交流電流８６は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２の周囲に磁場９０（図５）を生成する。この磁場により、平衡温度になるまでサセプタ表面板は誘導加熱される。有利には、誘導加熱システム７２は、交流電流８６の一又は複数の電流パラメータを制御するために誘導コイル７６に連結される電流コントローラ８８を含む。例えば、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板の少なくとも一つの加熱パラメータに変化を生じさせるように、交流電流８６の周波数を調節するように構成される。上述の一実施形態では、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板の平衡温度をシフトさせるように、交流電流８６の周波数を調節するように構成されている。電流コントローラ８８は、交流電流８６の周波数を調節することによりサセプタ表面板の加熱速度を変化させ、それによりワークピース１５０の加熱速度に変化が生じるように構成されてもよい。また、電流コントローラ８８は、交流電流８６のアンペア数を調節することにより、サセプタ表面板の平衡温度のシフト又はサセプタ表面板の加熱速度の変化を引き起こすように構成することもできる。これについては後述でさらに詳細に説明する。
【００２１】
図１では、誘導加熱システム７２は、サセプタ表面板を能動的に冷却する冷却システム１００を含んでいる。しかしながら、冷却システム１００は、随意で、受動的手段（図示しない）によりサセプタ表面板を冷却するように構成されてもよい。一実施形態では、冷却システム１００は冷却剤源を含み、冷却剤源からは、一又は複数の冷却剤導管１０２を用いて冷却剤上側ダイ２４及び下側ダイ２６に向かって冷却剤が方向づけられる。冷却剤は液体及び／又は気体の形態で供給される。冷却剤ライン１０４は、冷却ガス１０６がサセプタ表面板を冷却するためにサセプタ表面板の裏側表面５６、６０に向かうように、上側ダイ２４及び／又は下側ダイ２６を通って延びている。このようにして、ワークピース１５０の温度は、比較的速く、且つ制御されて低下し、ワークピース１５０の機械又は物理特性の最適化を助ける所望の期間にわたって低温に維持される。
【００２２】
図２は、下側サセプタ表面板を支持するための下側ダイ２６の一実施形態を示している。本明細書に記載される下側ダイ２６及び下側サセプタ表面板５２は、図１に示す上側ダイ２４及び上側サセプタ表面板５０とほぼ同様に構成されており、よって後述の下側ダイ２６及び下側サセプタ表面板５２の説明は、上側ダイ２４及び上側サセプタ表面板にも適用可能である。図２に示す実施形態では、下側ダイ２６は、互いに間隔を空けて配置された比較的薄い複数の板又は薄層３４からなり、これらの層３４の間には一連の空隙又はスペーシング３８が画定される。一又は複数の下側コイル部分８２は、積層３４中に形成された貫通孔４４を通って延びている。
【００２３】
積層３４の方向は、一又は複数の誘導コイル７６に概ね垂直であり、プレス機１２によって印加される圧縮力１４（図４）の方向に概ね平行である。積層３４と圧縮力１４の方向が整列していることにより、積層３４はサセプタ表面板５０、５２中に圧縮力１４を効果的に伝達することができる。有利には、積層３４間のスペーシング３８は、上側コイル部分と下側コイル部分８２とが互いに電気的に接続されるときに集約的に画定される、誘導コイル７６を流れる交流電流８６（図４）によって生じる磁場９０（図５）の発する電磁エネルギーに対する干渉を最小化する。これに関して、積層３４間のスペーシング３８があることで、磁場９０は主に下側サセプタ表面板５２に連結し、積層３４への連結は最小となる。
【００２４】
下側ダイ２６の積層３４によって画定されるダイ表面４６は、下側サセプタ表面板によって加熱されるワークピース１５０から形成される物品１５４（図４）の最終形状と相補的な輪郭を含むことができる。下側サセプタ表面板５２は、モールディング表面５４とは反対側に裏側表面６０を有する。下側ダイ２６の積層３４は、下側サセプタ表面板の裏側表面と相補的な形状を有する。積層３４は、タック溶接などの任意の手段により下側サセプタ表面板５２に取り付けることができる。積層３４は、通常は非磁性材料である比較的薄い（例えば、０．１００〜０．５０インチ厚）の材料、例えば様々な合金のうちのいずれか一つとして提供されるオーステナイト系ステンレス鋼から形成することができる。積層３４は、セラミック材又は通常は非磁性的な他の材料から形成されてもよい。積層３４は、比較的低いレベルの熱伝導率を有することにより下側サセプタ表面板上に対する積層３４の熱的慣性効果を最小化する材料から形成されてもよい。しかしながら、積層３４は、限定しないが、磁性材料又は非磁性材料を含み、且つ熱伝導率が比較的低い又は高い材料を含むいずれの材料から形成されてもよい。
【００２５】
図２では、下側ダイ２６を通って延びる複数の下側コイル部分８２の数は、上側ダイ２４（図１）を通って延びる対応する複数の上側コイル部分７８（図１）と一致している。下側コイル部分８２は、上側ダイ２４と下側ダイ２６とが閉位置３０（図４）をとり、一又は複数の誘導コイル７６からなる電気回路が完成するとき、上側コイル部分７８（図３）に電気的に接続される。一実施形態では、上側コイル部分７８と下側コイル部分８２との結合によりらせん状に巻かれた誘導コイル７６が形成されて、下側コイル部分８２の一つの一端のエンドコネクタ８４が、下側コイル部分８２の他端のエンドコネクタ８４が接続する上側コイル部分７８とは異なる上側コイル部分８４に電気的に接続される。システム１０を図４に示す方向から見ると、相互接続された上側コイル部分７８と下側コイル部分８２とのらせん状の構成は、矩形形状を有している。しかしながら、誘導コイル７６のらせん状の構成は、上側コイル部分７８及び下側コイル部分８２の形状又は構造に応じて矩形以外の形状を有してもよい。誘導コイル７６は、交流電流８６（図４）を導通させ、交流電流８６により磁場９０（図５）を生成する。上側コイル部分７８と下側コイル部分８２との相互接続が形成する一又は複数の誘導コイル７６の構成によって、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、その長さと幅にわたってほぼ均一に誘導加熱される。
【００２６】
図２は、一又は複数の誘導コイル７６の上方に位置する複数の冷却剤ライン１０４を含む能動的冷却システム１００の一実施形態を示している。上述のように、冷却剤ライン１０４は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２（図１）を冷却するための冷却媒体を運搬する。一実施形態では、冷却剤ライン１０４は、上側サセプタ表面板５０及び／又は下側サセプタ表面板５２（図１）を強制空冷するためのガスを運搬する。例えば、冷却ガス１０６は、下側サセプタ表面板５２の温度を下げるために下側サセプタ表面板５２の裏側表面６０に向けられる。上側サセプタ表面板５０は、下側サセプタ表面板５２と同じ方法で能動的に冷却することができる。一実施形態では、冷却剤ライン１０４は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のような重合材料などの通常は非磁性の材料から形成される。しかしながら、冷却剤ライン１０４は、磁性材料を含む様々に異なる材料のいずれか一つから形成されてよい。
【００２７】
図３は、開状態２８における上側ダイ２４及び下側ダイ２６を示しており、上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間にワークピース１５０が配置されており、このワークピース１５０はこの後上側ダイ２４と下側ダイ２６との間に締め付けられる。ワークピース１５０の形状、大きさ、構成、及び材料は様々でよい。例えば、ワークピース１５０は、複合品（図示しない）用のプリフォーム１５２として提供されてよく、例えば加熱され、上側サセプタ表面板５０と下側サセプタ表面板５２との間で圧密化される熱可塑性のプリフォーム１５６とすることができる。プリフォーム１５２は、プリフォーム１５２から形成される物品１５４の最終形状に近い形状で提供されてよい。上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２のモールディング表面５４、５８も、プリフォーム１５２から形成される物品１５４の最終形状と相補的な形状又は輪郭を有することができる。
【００２８】
上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、ワークピース１５０の処理に関連する所望の温度に対応するキュリー温度を有する強磁性合金６６から形成することができる。例えば、強磁性合金６６には、熱可塑性プリフォーム１５６の処理温度に近いキュリー温度を有するものが選択される。これに関して、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、熱可塑性プリフォーム１５６の溶融温度又はガラス転移温度に近いキュリー温度を有する強磁性合金６６から形成することができる。しかしながら、上述のように、本明細書に記載されるシステム１０は、様々に異なる材料のいずれか一つからなるワークピースを形成するために実施され、そのような材料には、熱可塑性材料から形成される複合プリフォーム及び／又は本明細書に開示されるシステム１０及び方法を用いて熱処理される金属製ワークピースが含まれる。
【００２９】
上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、誘導コイル７６を流れる交流電流８６（図４）によって生成される磁場９０（図５）によりサセプタ表面板５０、５２の誘導加熱を強化するために、比較的小さな厚みで供給される。例えば、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の各々は、約０．０５０〜０．２５インチの厚みを有する。一実施形態では、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２はそれぞれ約０．１００〜０．１５０インチの厚みで提供される。しかしながら、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、限定されることなくどのような厚みに形成されてもよい。一実施形態では、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、強磁性合金６６材料のブロック又は板からモールディング表面５４、５８及び／又は裏側表面５６、６０の凹凸を有する形状を機械加工することにより形成することができる。しかしながら、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２は、シートメタルを所望の形状に屈曲させることにより、或いは、他の様々な自動又は手動成形プロセスのいずれか一つを用いることにより、シートメタルから形成されてもよい。
【００３０】
図４は、閉位置３０にある上側ダイ２４及び下側ダイ２６と、それらのダイの間に締め付けられているワークピース１５０とを示している。圧縮力１４は、ワークピース１５０を成形又は圧密化するためにプレス機１２によって印加されている。上側ダイ２４及び下側ダイ２６が閉位置３０へと移動すると、上側コイル部分及び下側コイル部分８２のエンドコネクタ８０、８４により、誘導コイルの回路が閉じる。電源７４によって誘導コイル７６に交流電流８６が供給されて、誘導コイル７６に電流が流れる。誘導コイル７６に交流電流８６が流れることにより、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２に誘導電流９４（図４）が流れ、磁場９０（図５）が生成されて上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２が誘導加熱され、ワークピース１５０が上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２と熱的に接触していることにより、ワークピース１５０が伝導加熱される。
【００３１】
図５は、上側ダイ２４及び下側ダイ２６と、図６の上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２、並びにそれら表面板の間に締め付けられるワークピース１５０の断面図であり、誘導コイル７６を流れる交流電流８６によって生成される磁場９０を示している。磁場９０は、図４に示す誘導コイル７６を流れる交流電流８６の方向に対して概ね垂直な複数の力線９２によって示されている。キュリー温度未満の温度では、磁場９０は上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の強磁性合金６６に磁気的に連結している。上側ダイ２４及び下側ダイ２６を形成する、間隔を空けて配置された比較的薄い層３４は、誘導コイル７６を流れる交流電流８６によって生成される磁場９０に対する干渉を最小化することができる。
【００３２】
図１及び２〜５に示す一又は複数の誘導コイル７６が誘導コイル７６の別の構成を制限するものではないことに注意されたい。これに関して、図１及び４は、上側コイル部分と下側コイル部分との相互接続により、らせん状に巻かれた誘導コイル７６が形成さている様子を示しており、ここで、下側コイル部分８２の一つの一端のエンドコネクタ８４は、上述したように、下側コイル部分８２の他端のエンドコネクタ８４が接続する上側コイル部分７８とは異なる上側コイル部分７８に電気的に接続されている。誘導コイル７６のこのようならせん状の構成により、有利には、図５に示す方向とほぼ同じ方向に向かう力線９２（図５）を有する磁場９０（図５）が形成される。加えて、このような誘導コイル７６の構成により、さらに有利には、サセプタ表面板５０、５２の強磁性合金６６（図６）が磁性状態にあるとき（図９）の、サセプタ表面板５０、５２の外表面（図６）（例えば、モールディング表面５４、５８（図６）及び裏側表面５６、６０（図６）に沿った誘導電流９４（図５）密度が増大する。
【００３３】
しかしながら、本明細書に開示されるシステム１０は、誘導コイル７６の様々な別の構成のいずれか一つを含むことができ、図１及び４に示して上述したような、らせん状に巻かれた誘導コイル７６に限定されない。様々な実施形態のいずれか一つ（図示しない）では、一又は複数の誘導コイル７６は、サセプタ表面板５０、５２（図５）の強磁性合金６６（図５）との磁気的連結が最大になり、サセプタ表面板５０、５２が磁性状態であるとき（図９）に、サセプタ表面板５０、５２の外表面に隣接する誘導電流９４（図６）の密度を増大させるような磁場９０（図５）が得られるように配置される。さらにこれに関して、サセプタ表面板５０、５２の強磁性合金６６は、サセプタ表面板５０、５２の温度がキュリー温度に近づいて強磁性合金６６の磁気特性が低下する間に、サセプタ表面板５０、５２内部を流れる誘導電流９４の電流濃度を最大にするものが選択される。強磁性合金６６は、磁場９０との磁気的な連結を最大化し、且つ交流電流８６の所与の周波数又は周波数範囲の電流密度（図９）を最大化するものが選択されてもよい。
【００３４】
図６は、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の一部分の部分断面図であり、それらの間に締め付けられているワークピース１５０を示している。図示のように、誘導電流９４（図４）の流れは、誘導コイル７６（図４）を流れる交流電流８６（図４）によって生成される磁場９０（図５）により、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２の各々の内部で循環している。ワークピース１５０（例えば、プリフォーム１５２）は、上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２のモールディング表面５４、５８と熱的に接触している。誘導コイル７６を交流電流８６が流れることにより上側サセプタ表面板５０及び下側サセプタ表面板５２が加熱されると、ワークピース１５０の誘導加熱が引き起こされる。サセプタ表面板５０、５２中の誘導電流９４の流れは、通常、温度が強磁性合金６６のキュリー温度未満でサセプタ表面板５０、５２の強磁性合金６６が磁性状態にあるとき、サセプタ表面板５０、５２の外表面の近くで（例えば、モールディング表面５４、５８、及び裏側表面５６、６０に沿って）濃縮される。
【００３５】
図７〜９を参照する。図７は、サセプタ表面板２００の一部分の概略図であり、キュリー温度未満で磁性状態２０６にあるサセプタ表面板２００中の誘導電流９４（図４）が測定された。図７は、サセプタ表面板２００の外表面２０４に沿って流れる誘導電流９４の濃度を示す。図８は、図７に示すサセプタ表面板２００の断面中の異なる位置に対応する電流密度２１２を示す凡例である。図７に示すように、サセプタ表面板２００は、外表面２０４の近くで比較的高い電流密度２１８を有し、内部で比較的低い電流密度２２０を有する。図９は、図７に概略的に示すサセプタ表面板２００のサセプタ厚２１４に対する全体の電流密度２１２を示すグラフである。図９は、サセプタ表面板２００の外表面２０４において増大した比較的高い電流密度２１８と、磁性状態２０６にあるサセプタ表面板２００の外表面から内側に向かって離れるにつれて指数関数的に低下２１０する電流密度とをグラフで示している。図９では、外表面２０４における電流密度は約３．８×１０７アンペア／ｍ２である。
【００３６】
図１０〜１２は、図７に示したものと同じサセプタ表面板２００の一部分の概略図である。しかしながら、図１０に示すサセプタ表面板２００は、一定期間にわたって誘導加熱された後でサセプタ表面板２００の温度がサセプタ表面板２００を形成している強磁性合金６６のキュリー温度に接近するか又は近くなったときに起こるような、非磁性状態２０８にある。キュリー温度に近い又はキュリー温度における磁性材料で生じる電流キャンセル（図示しない）の結果として、図１０は、図９に示す磁性状態におけるサセプタ表面板２００の外表面２０４における比較的高い電流密度２１８の大きさに対して、サセプタ表面板２００の外表面２０４（例えば、モールディングライン表面、裏側表面）に沿った比較的低い電流密度２２０を示している。
【００３７】
図１１は、図１０に示すサセプタ表面板２００の断面中の異なる位置に対応する電流密度２１２を示す凡例である。図１２は、図１０に概略的に示すサセプタ表面板２００のサセプタ厚２１４に対する全体の電流密度２１２を示すグラフである。図１２は、図９に示す磁性状態における約３．８×１０７アンペア／ｍ２というサセプタ表面板２００の高いマグニチュードの電流密度に対して、非磁性状態２０８における約５．０×１０６アンペア／ｍ２というサセプタ表面板２００の外表面２０４に沿った低い電流密度のマグニチュードを示している。これに関して、図１２に示す非磁性状態２０８におけるサセプタ表面板２００の電流密度は、概ね図９に示す磁性状態におけるサセプタ表面板２００の電流密度より低いマグニチュードのオーダーである。図１２は、さらに、図９に示す磁性状態でのサセプタ表面板２００の電流密度の指数関数的低下とは対照的に、サセプタ表面板２００の外表面２０４から内側に離れるにつれて電流密度がほぼ一様に低下することを示している。
【００３８】
図１３は、強磁性合金材料の温度２３２に対する透磁率２３０をグラフ化したものであり、強磁性合金の温度２３２がこの強磁性合金のキュリー温度２３６に接近するにつれて、この強磁性合金から形成されるサセプタ表面板（図示しない）の透磁率２３０を表わす曲線が指数関数的に低下することを示している。図１３は、さらに、曲線上の低い平衡温度２３８点と、曲線上の高い平衡温度２４０点とを示している。曲線上の低い平衡温度２３８点は、サセプタ表面板の比較的高い透磁率に対応し、この比較的高い透磁率は、誘導コイル（図示しない）を流れる交流電流（図示しない）の比較的低い周波数に対応している。曲線上の高い平衡温度２４０点は、サセプタ表面板の比較的低い透磁率に対応し、これには誘導コイルを流れる交流電流の周波数が高いことが必要である。図７に関連して記載したように、サセプタ表面板２００が磁性状態であるとき、サセプタ表面板の外表面に沿って電流密度が上昇する。交流電流の周波数が増大するにつれて、サセプタ表面板の外表面に沿って濃縮される電流の部分が増大し、それにより、誘導電流の密度を増大させるために利用可能なサセプタ表面板の断面積の量が増大する。このようにして、所与のサセプタ厚について、周波数を上昇させるために交流電流を調節することにより、サセプタ表面板の平衡温度が上昇する。
【００３９】
有利には、本明細書に開示されるシステム１０は、図１及び４に示す電流コントローラ８８を使用することなどにより、交流電流（図４）の周波数を調節する手段を提供する。一実施形態では、交流電流８６は、約１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの周波数で一又は複数の誘導コイル７６（図４）に供給される。例えば、交流電流８６は、約２ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数範囲で供給することができる。交流電流８６のアンペア数は、約１０アンペア〜１０，０００アンペアの範囲内で誘導コイル７６に供給されるが、交流電流は１０アンペアより小さいアンペア数で供給されても、１０，０００アンペアを上回るアンペア数で供給されてもよい。また、交流電流８６は、約１０ボルト〜３００ボルトの圧力で供給されてよいが、１０ボルトより小さい電圧で供給されても、３００ボルトを上回る電圧で供給されてもよい。
【００４０】
一実施形態では、電流コントローラ８８（図４）は、誘導コイル７６（図４）に連結されて、サセプタ表面板の一又は複数の加熱パラメータの変化を生じさせるように交流電流８６（図４）を調節する。例えば、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板５０、５２（図４）の平衡温度に変化又はシフトを生じさせるように、交流電流８６を調節するように構成される。電流コントローラ８８は、サセプタ表面板の初回加熱時に誘導コイル７６に供給される交流電流８６の周波数を調節するように構成されてもよく、及び／又はサセプタ表面板の平衡温度を上昇又は下降させるためのサセプタ表面板の初期平衡温度が達成されたら、交流電流８６の周波数を調節するように構成されてもよい。
【００４１】
電流コントローラ８８（図４）は、一実施形態では、最初の平衡温度から平衡温度に華氏（Ｆ）約５〜１５度の変化又はシフトを生じさせるために、交流電流８６の周波数を調節するように構成されるが、平衡温度に華氏５度を下回る又は華氏１５度を上回るシフトを生じさせるために、交流電流８６の周波数を調節するように構成されてもよい。電流コントローラ８８は、一実施形態では、サセプタ表面板５０、５２（図４）の最初の平衡温度から平衡温度に華氏（Ｆ）約±７度のシフトを生じさせるために、交流電流８６の周波数を調節するように構成されるが、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に、それよりも大きな（すなわち、華氏±７度を上回る）シフトを生じさせるように構成されてもよい。平衡温度のシフトのマグニチュードは、交流電流８６の周波数の変化のマグニチュードに基づいていてよい。
【００４２】
一実施形態では、交流電流８６の周波数のファクター２までの上昇又は下降、或いはファクター２を上回る上昇又は下降に対応して、平衡温度が華氏約５〜１５にわたって上昇又は下降する。例えば、交流電流８６の周波数が約１０ｋＨｚから２０ｋＨｚに上昇すると、平衡温度は華氏約５〜１５度にわたって上昇する。同様に、交流電流８６の周波数が約２０ｋＨｚから１０ｋＨｚに下降すると、平衡温度は華氏約５〜１５度にわたって下降する。別の実施例では、交流電流８６の周波数が約２０ｋＨｚから４０ｋＨｚに上昇すると、平衡温度は華氏約５〜１５度にわたって上昇する。これに関して、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に所望の上昇又は下降を生じさせる交流電流８６の周波数の上昇又は下降のマグニチュードは、初期平衡温度における交流電流８６の周波数によって決まる。所与の平衡温度における交流電流８６の周波数が比較的高い場合には、それに対応して、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度に所与の上昇又は下降を生じさせるために、比較的大きな周波数の上昇又は下降が必要となる。
【００４３】
また、平衡温度のシフトのマグニチュードは、サセプタ表面板５０、５２を形成する強磁性合金６６の組成によって決まる。例えば、強磁性合金６６（図４）の特定の組成は、交流電流８６に同じ範囲の周波数変化を生じさせた時にそれとは異なる強磁性合金６６の組成を使用した場合に生じる平衡温度の範囲と比較して、所与の範囲の周波数変化に対する平衡温度の範囲を広くする。
【００４４】
電流コントローラ８８（図１）は、サセプタ表面板５０、５２の一又は複数の加熱パラメータに変化が生じるように、交流電流８６（図４）のアンペア数を調節することもできる。例えば、電流コントローラ８８は、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度を変化又はシフトさせてサセプタ表面板５０、５２の平衡温度を上昇又は下降させるように、アンペア数を調節することができる。例えば、電流コントローラ８８は、交流電流８６のアンペア数を少なくとも約１０アンペア又は約１０アンペアを上回る分だけ調節することにより、平衡温度を華氏約５〜１５度にわたってシフトさせるように構成することができるが、平衡温度を華氏５度未満だけ又は華氏１５度を上回るだけシフトさせるように、アンペア数を調節するように構成することもできる。電流コントローラ８８は、交流電流８６のアンペア数を調節することによりサセプタ表面板５０、５２の加熱速度を変化させるように構成されてもよい。
【００４５】
図１４は、異なる周波数及び／又は異なるアンペア数で誘導コイル（図示しない）に印加された交流電流（図示しない）によって誘導加熱した同じニッケル鋼強磁性合金（図示しない）からなるサセプタ材料の、三種類の熱プロファイル２５６、２５８、２６０をグラフ化したものである。第１の熱プロファイル２５６は、１０ｋＨｚで２０アンペア（Ａ）の交流電流を印加した結果である。第２の熱プロファイル２５８は、第１の熱プロファイル２５６によって表される同じニッケル鋼強磁性合金６６に１０ｋＨｚで４０アンペアの交流電流を印加した結果である。図１４に示すように、第１の熱プロファイル２５６の場合の２０アンペアから第２の熱プロファイル２５８の場合の４０アンペアへとアンペア数を増大させることにより、第１の熱プロファイル２５６の比較的低い第１の加熱速度２６８が、第２の熱プロファイル２５８の比較的高い第２の加熱速度２７０へと上昇する。加えて、交流電流のアンペア数が第１の熱プロファイル２５６から第２の熱プロファイル２５８へと増大することにより、第１の熱プロファイル２５６の第１の平衡温度２６２が、第２の熱プロファイル２５８の第２の平衡温度２６４へと上昇する。
【００４６】
図１４には、平衡温度に対するアンペア数の変化の影響と、平衡温度に対する周波数の変化の影響との違いも示されている。例えば、第３の熱プロファイル２６０の高い第３の平衡温度２６６は、第２の熱プロファイル２５８の場合に低い周波数１０ｋＨｚで大きなアンペア数４０アンペアを印加したのに対し、周波数２０，０００Ｈｚ（２０ｋＨｚ）で小さなアンペア数３０アンペアを印加した結果であり、これにより、少なくとも図１４に示すニッケル鋼強磁性合金（図示しない）の組成については、平衡温度の変化に影響するものとして、（アンペア数より）周波数が優勢といえる。言うまでもなく、図１４に示される熱プロファイル２５６、２５８、２６０は、サセプタに印加される交流電流（図示せず）の周波数又はアンペア数の調整に別の範囲を使用することを制限するものではない。これに関して、ここに開示されるシステム１０の実施においては、交流電流の周波数及びアンペア数があらゆる範囲にわたっていてよい。
【００４７】
図１５は、サセプタ表面板（図示しない）上の異なる位置に取り付けられた複数の熱電対（図示しない）のほぼ同様の熱プロファイル２８０をグラフ化したものであり、強磁性合金の使用による異なる位置での温度の均一性と、本明細書に開示されるシステム１０（図１）を使用した場合の温度サイクリングとを示している。有利には、サセプタ表面板の長さ及び幅にわたる温度の均一化は強磁性合金材料によって達成され、この場合、サセプタ表面板の平衡温度に到達した部分が非磁性となることにより、サセプタ表面板のこのような部分を流れる誘導電流が、この部分の温度を平衡温度で安定させるのに十分なレベルまで自動的に低減する。サセプタ表面板の平衡温度を下回る部分は磁性状態のままで、サセプタ表面板のそのような部分を、この部分も平衡温度に達するまで局所的に加熱し続ける。
【００４８】
図１５に示すように、熱プロファイル２８０の各々は、初期温度２８２からほぼ同じ加熱速度で上昇し、第１の期間２８８内にほぼ同じ第１の平衡温度２８４に到達する。図１５は、さらに、第２の期間２９０の間は第１の平衡温度２８４がほぼ維持され、その後誘導コイル（図示しない）への交流電流（図示しない）の流れが停止することを示している。次いで、サセプタ表面板（図示しない）には能動的冷却（図示しない）が行われ、第３の期間２９２の間に、第１の平衡温度２８４は第２の平衡温度２８６まで低下する。例えば、冷却システム（図示しない）は、冷却ガス（図示しない）をサセプタ表面板（図示しない）に導き、ワークピース（図示しない）の残留熱及び／又はサセプタ表面板の残留熱を用いて制御下でサセプタ表面板の温度を第２の平衡温度２８６まで低下させる。このように、能動的冷却システム１００を使用して、ワークピース及びサセプタ表面板の温度の低下速度を制御することができる。上述のように、ワークピース（例えば、熱可塑性プリフォーム）の加熱速度及び冷却速度を制御することができることで、最終品の機械特性及び／又は物理特性の最適化が容易に行える。
【００４９】
図１６は、強磁性合金６６の成分である鉄、コバルト、及びニッケルの図２９０であり、このような成分は、サセプタ表面板（図示しない）に所望の加熱特性を達成するために、互いに又は他の合金に対しして様々に異なる割合のうちのいずれか一つに選択することができる。これに関して、サセプタ表面板に所望の平衡温度を付与するため、又は誘導コイル（図示しない）を流れる交流電流（図示しない）の一又は複数の電流パラメータを調節することによりサセプタ表面板に生じうる平衡温度の所望の範囲を達成するために、合金の様々な組み合わせを選択することができる。上述のように、このような電流パラメータには、誘導コイルを流れる交流電流の周波数及びアンペア数が含まれる。電流パラメータを調節することにより、サセプタ表面板の一又は複数の加熱パラメータを変化させることができる。例えば、電流パラメータは、サセプタ表面板の平衡温度又は加熱速度を上昇又は下降させるように調節される。さらに、平衡温度がシフトする範囲を広げるため又は狭めるため、或いは、交流電流の周波数又はアンペア数を所与の量だけ変化させることにより加熱速度が調節される範囲を広げるため又は狭めるために、合金の様々な組み合わせを選択することができる。
【００５０】
図１７は、ワークピース１５０（図４）の誘導加熱方法３００のフロー図である。有利には、この方法は、交流電流８６（図４）の一又は複数の電流パラメータを変更することによりワークピース１５０の一又は複数の加熱パラメータを調節することを含む。例えば、方法は、誘導コイル７６（図４）に印加される交流電流の周波数及び／又はアンペア数を調節することにより、サセプタ表面板（図４）の平衡温度のシフト、及び／又はサセプタ表面板の加熱速度の変化を生じさせることを含む。
【００５１】
図１７の方法３００のステップ３０２では、一又は複数の誘導コイル７６（図４）に交流電流８６（図４）が印加される。一又は複数のサセプタ表面板５０、５２（図４）は誘導コイル７６に隣接して取り付けられる。サセプタ表面板５０、５２は、キュリー温度を有する強磁性合金６６（図４）から形成される。キュリー温度は、サセプタ表面板５０、５２に接触するワークピース１５０（図４）に所望の温度に対応させることができる。一実施形態では、ワークピース１５０は、ワークピース１５０から形成される物品の最終形状に相補的なモールディング表面５４、５８を有する少なくとも二つのサセプタ表面板５０、５２の間に挟まれる。
【００５２】
図１７の方法３００のステップ３０４は、誘導コイル７６への交流電流８６（図４）の印加によりサセプタ表面板５０、５２（図４）に沿った磁場９０（図５）を生成することを含む。例えば、図４は、上側ダイ２４及び下側ダイ２６（図４）とが閉位置３０にあるとき（図４）に上側コイル部分７８と下側コイル部分８２（図４）との電気接続によって形成される誘導コイル７６（図４）に、交流電流８６が印加されることを示している。
【００５３】
図１７の方法３００のステップ３０６は、サセプタ表面板５０、５２（図４）をキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱することを含む。サセプタ表面板５０、５２は、図５に示すように生成される磁場９０（図５）により加熱される。サセプタ表面板５０、５２が磁場９０に磁気的に連結されることにより、サセプタ表面板５０、５２は誘導加熱される。
【００５４】
図１７の方法３００のステップ３０８は、サセプタ表面板５０、５２（図４）と熱的に接触するワークピース１５０（図４）を伝導加熱することを含む。ワークピース１５０とサセプタ表面板５０、５２との熱的接触は、サセプタ表面板５０、５２からワークピース１５０への伝導伝熱によりワークピース１５０の温度の上昇を引き起こす。サセプタ表面板５０、５２（図４）の温度は、キュリー温度未満の平衡温度で安定化する。これに関して、サセプタ表面板５０、５２の温度がキュリー温度に接近して強磁性合金６６（図４）の磁気特性（例えば、透磁率）が低下し始めると、サセプタ表面板５０、５２の誘導加熱は弱まる。磁気特性の低下により、サセプタ表面板５０、５２の誘導加熱が弱まる。サセプタ表面板５０、５２の温度は、サセプタ表面板５０、５２内を流れる誘導電流９４（図４）が、サセプタ表面板５０、５２の温度を平衡温度に維持するのに十分なレベルに自動的に弱まると安定化する。
【００５５】
図１７の方法３００のステップ３１０は、交流電流８６の少なくとも一つの電流パラメータを調節することを含む。例えば、電流パラメータは、交流電流８６の周波数又はアンペア数を含む。交流電流８６の周波数は、所定の範囲内で上昇又は降下させることができる。アンペア数も、所定の範囲内で上昇又は降下させることができる。
【００５６】
図１７の方法３００のステップ３１２は、交流電流８６（図４）の一又は複数の電流パラメータの調節により、サセプタ表面板の少なくとも一つの加熱特性を変化させることを含む。例えば、加熱パラメータには、交流電流８６の周波数又はアンペア数を変更又は調節することによりシフトしうるサセプタ表面板の平衡温度が含まれる。加熱パラメータには、サセプタ表面板が加熱される加熱速度であり、且つ交流電流８６のアンペア数の増大又は減少によってそれぞれ上昇又は低下しうる加熱速度が含まれてもよい。
【００５７】
図１７の方法３００のステップ３１４は、サセプタ表面板５０、５２（図４）の加熱特性を調節することにより、ワークピース１５０（図４）の加熱を変更することを含む。例えば、ワークピース１５０の温度は、交流電流８６（図４）の周波数及び／又はアンペア数を増大させることにより上昇させることができる。ワークピース１５０の加熱速度も、交流電流８６（図４）の周波数及び／又はアンペア数を増大させることにより上昇させることができる。例えば、ワークピース１５０の加熱速度は、交流電流８６の周波数及び／又はアンペア数を増大させることにより上昇させることができる。逆に、ワークピース１５０の加熱速度は、交流電流８６の周波数及び／又はアンペア数を減少させることにより低下させることができる。
【００５８】
ワークピース１５０（図４）の誘導加熱方法は、サセプタ表面板５０、５２（図４）を形成する強磁性合金６６（図４）であって、ワークピース１５０（図４）が加熱される際の温度範囲に適合する強磁性合金を選択することも含みうる。これに関して、方法は、ワークピース１５０の所望の処理温度に対応するキュリー温度を有する強磁性合金６６を選択することを含むことができる。強磁性合金６６は、サセプタ表面板５０、５２の平衡温度がワークピース１５０に所望の温度の所定の範囲内に収まるようなキュリー温度を有するものが選択される。
【００５９】
例えば、強磁性合金６６には、サセプタ表面板５０、５２（図４）の平衡温度が、熱可塑性プリフォーム１５６（図４）に含まれる熱可塑性樹脂１５８（図４）の溶融温度又はガラス転移温度以上になるキュリー温度を呈するものを選択することができる。また、交流電流８６（図４）を、交流電流８６の周波数又はアンペア数を調節することによりサセプタ表面板５０、５２の平衡温度の微調整ができるように選択することで、熱可塑性プリフォーム１５６中の熱可塑性樹脂１５８に所望のレベルの粘度を達成するために必要なだけプリフォーム１５２の温度を上昇又は低下させて、圧密化の間にプリフォーム１５２の繊維質材料（図示しない）全体に樹脂１５８をほぼ均一に分布することが容易になる。
【００６０】
当業者には、本発明の他の修正例及び改良例が明らかであろう。したがって、本明細書に記載及び例示した部分の具体的な組み合わせは、本発明の特定の実施形態を表しているに過ぎず、本発明の精神及び範囲に含まれる別の実施形態又はデバイスを制限するものではない。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 誘導加熱システム
１２ プレス機
１４ 圧縮力
１６ 上側ツール
１８ 下側ツール
２０ ポスト
２４ 上側ダイ
２６ 下側ダイ
２８ 開位置
３０ 閉位置
３４ 積層
３８ スペーシング
４４ 貫通孔
４６ ダイ表面
５０ 上側サセプタ表面板
５２ 下側サセプタ表面板
５４、５８ モールディング表面
５６、６０ 裏側表面
６６ 強磁性合金
７２ 誘導加熱システム
７４ 電源
７６ 誘導コイル
７８ 上側コイル部分
８０、８４ エンドコネクタ
８２ 下側コイル部分
８６ 交流電流
８８ 電流コントローラ
９０ 磁場
９２ （磁場の）力戦
９４ 誘導電流
１００ 能動的冷却システム
１０２ 冷却剤導管
１０４ 冷却剤ライン
１０６ 冷却ガス
１５０ ワークピース
１５２ プリフォーム
１５４ 物品
１５６ 熱可塑性プリフォーム
１５８ 熱可塑性樹脂
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（１５０）を誘導加熱するためのシステム（７２）であって、
交流電流（８６）を導通させて、交流電流（８６）により磁場（９０）を生成する誘導コイル（７６）と、
ワークピース（１５０）が配置される少なくとも一つのサセプタ表面板（５０）であって、キュリー温度を有し、磁場（９０）によりキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱可能な強磁性合金（６６）から形成されているサセプタ表面板（５０）と、
誘導コイル（７６）に連結されて、サセプタ表面板（５０）の少なくとも一つの加熱パラメータの変化を生じさせるように交流電流（８６）を調節する電流コントローラ（８８）と
を備えるシステム（７２）。
【請求項２】
電流コントローラ（８８）は、サセプタ表面板（５０）の平衡温度の変化及びサセプタ表面板（５０）の加熱速度の変化の一方又は両方を引き起こすように交流電流（８６）の周波数を調節する、請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項３】
電流コントローラ（８８）は、サセプタ表面板（５０）の平衡温度の変化及びサセプタ表面板（５０）の加熱速度の変化の一方又は両方を引き起こすように交流電流（８６）のアンペア数を調節する、請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項４】
交流電流（８６）は、
約１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲を有し、且つ
約１０アンペア〜１０，０００アンペアのアンペア数を有している、
請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項５】
誘導コイル（７６）は上側コイル部分（７８）及び下側コイル部分（８２）を含み、且つ
上側コイル部分（７８）及び下側コイル部分（８２）が互いに電気的に連結されていることにより、ワークピース（１５０）が一対のサセプタ表面板（５０、５２）の間に締め付けられるときに誘導コイル（７６）を形成する、
請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項６】
サセプタ表面板（５０）を冷却するための冷却システム（１００）と、
ワークピース（１５０）に圧縮力（１４）を印加するためのプレス機（１２）と
をさらに備えている、請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項７】
誘導加熱方法であって、
隣接して少なくとも一つのサセプタ表面板（５０）が取り付けられる誘導コイル（７６）に交流電流（８６）を印加するステップであって、サセプタ表面板（５０）が、キュリー温度を有する導電性の強磁性合金（６６）から形成されているステップと、
磁場（９０）を生成するステップと、
磁場（９０）により、キュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板（５０）を誘導加熱するステップと、
交流電流（８６）の少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップと、
電流パラメータを調節することにより、サセプタ表面板（５０）の平衡温度をシフトさせるステップと
を含む方法。
【請求項８】
サセプタ表面板（５０）の平衡温度を華氏約５〜１５度だけシフトさせるように、交流電流（８６）の周波数を調節することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップが、
交流電流（８６）の周波数及びアンペア数の一方又は両方の調節と、
サセプタ表面板（５０）の平衡温度をシフトさせること、及びサセプタ表面板（５０）の加熱速度を変更することの一方又は両方と
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
ワークピース（１５０）に圧縮力（１４）を印加するステップと、
サセプタ表面板（５０）を能動的に冷却するステップと
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１】
ワークピース（１５０）を誘導加熱するためのシステム（７２）であって、
交流電流（８６）を導通させて、交流電流（８６）により磁場（９０）を生成する誘導コイル（７６）と、
ワークピース（１５０）が配置される少なくとも一つのサセプタ表面板（５０）であって、キュリー温度を有し、磁場（９０）によりキュリー温度に近い平衡温度まで誘導加熱可能な強磁性合金（６６）から形成されているサセプタ表面板（５０）と、
誘導コイル（７６）に連結されて、サセプタ表面板（５０）の少なくとも一つの加熱パラメータの変化を生じさせるように交流電流（８６）を調節する電流コントローラ（８８）と
を備えるシステム（７２）。
【請求項２】
電流コントローラ（８８）は、サセプタ表面板（５０）の平衡温度の変化及びサセプタ表面板（５０）の加熱速度の変化の一方又は両方を引き起こすように交流電流（８６）の周波数を調節する、請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項３】
電流コントローラ（８８）は、サセプタ表面板（５０）の平衡温度の変化及びサセプタ表面板（５０）の加熱速度の変化の一方又は両方を引き起こすように交流電流（８６）のアンペア数を調節する、請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項４】
交流電流（８６）は、
約１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲を有し、且つ
約１０アンペア〜１０，０００アンペアのアンペア数を有している、
請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項５】
誘導コイル（７６）は上側コイル部分（７８）及び下側コイル部分（８２）を含み、且つ
上側コイル部分（７８）及び下側コイル部分（８２）が互いに電気的に連結されていることにより、ワークピース（１５０）が一対のサセプタ表面板（５０、５２）の間に締め付けられるときに誘導コイル（７６）を形成する、
請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項６】
サセプタ表面板（５０）を冷却するための冷却システム（１００）と、
ワークピース（１５０）に圧縮力（１４）を印加するためのプレス機（１２）と
をさらに備えている、請求項１に記載のシステム（７２）。
【請求項７】
誘導加熱方法であって、
隣接して少なくとも一つのサセプタ表面板（５０）が取り付けられる誘導コイル（７６）に交流電流（８６）を印加するステップであって、サセプタ表面板（５０）が、キュリー温度を有する導電性の強磁性合金（６６）から形成されているステップと、
磁場（９０）を生成するステップと、
磁場（９０）により、キュリー温度に近い平衡温度までサセプタ表面板（５０）を誘導加熱するステップと、
交流電流（８６）の少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップと、
電流パラメータを調節することにより、サセプタ表面板（５０）の平衡温度をシフトさせるステップと
を含む方法。
【請求項８】
サセプタ表面板（５０）の平衡温度を華氏約５〜１５度だけシフトさせるように、交流電流（８６）の周波数を調節することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも一つの電流パラメータを調節するステップが、
交流電流（８６）の周波数及びアンペア数の一方又は両方の調節と、
サセプタ表面板（５０）の平衡温度をシフトさせること、及びサセプタ表面板（５０）の加熱速度を変更することの一方又は両方と
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
ワークピース（１５０）に圧縮力（１４）を印加するステップと、
サセプタ表面板（５０）を能動的に冷却するステップと
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−１１５０４９（Ｐ２０１３−１１５０４９Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２５８６９４（Ｐ２０１２−２５８６９４）
【出願日】平成２４年１１月２７日（２０１２．１１．２７）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５８６９４（Ｐ２０１２−２５８６９４）
【出願日】平成２４年１１月２７日（２０１２．１１．２７）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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