JP2006213587A - 加熱冷却装置及び熱間プレス成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高温度領域の材料であってもエネルギーロスを小さく抑えて加熱冷却する加熱冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 熱間プレス成形によって成形される金型内成形材料の加熱冷却をする加熱冷却装置を前提とし、導電性の発熱体（５１０）と、前記発熱体の表面に構成され、前記金型に当接されると前記発熱体及び前記金型間に熱の流れを形成する非導電性放熱部材（５１１）と、前記金型に前記非導電性放熱部材を当接し、前記金型にプレス力が加わると前記非導電性放熱部材を前記金型に当接させた状態で前記非導電性放熱部材及び前記発熱体を前記プレス力から回避させる当接回避手段（５１２）と、前記金型に加えられた前記プレス力を受け止める土台（５１３）と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高温度領域のガラス材料を使用して光学ガラス素子を熱間プレス成形する成形装置に関し、特に、金型に収容した上記ガラス材料を加熱冷却する加熱冷却装置に関する。

近年の各種の電子・電気機器や光学装置の高性能化および小型化は著しく、これに伴い、これらの光機能装置に用いられている光学ガラス素子（例えば光学レンズやプリズムなど）には、小寸化および極薄肉化に加え、高精度のものが求められている。

このような高精度な光学ガラス素子は、材料を熱間でプレス成形する熱間プレス成形により生成できる。この熱間プレス成形では、光学ガラス素子の材料を金型の上型と下型の間に収容し、これを高温度に加熱して軟化させ、上型を下型に押し当ててその材料を成形し、最後にこれを冷却し、所望の光学ガラス素子を得る。

上記材料の加熱方法には赤外線を照射して加熱する方法が知られており、この方法では、金型の外周をチャンバ（例えば透明な石英ガラスからなるガラス管）で囲み、その外周に赤外線ランプとこの赤外線ランプから発した光を上記金型に集める反射ミラーとを配設し、チャンバ内部を不活性ガス雰囲気下にして上記赤外線ランプを発光し、金型を加熱する（特許文献１参照）。
特許第２６４２０１９号（段落「００１５」−「００２０」、図１）

上述したように、熱間プレス成形による金型内部の成形材料への加熱は、赤外線ランプヒータから金型に赤外線を照射することで行なえる。金型に対する赤外線照射は、当該赤外線ランプから発せられる赤外線が放射状に放出される性質から、金型と反対方向へ放出される光は反射ミラーで跳ね返し、できるだけ多くの光を金型に照射できるようにしている。

しかし、赤外線ランプから発せられた光の中には反射ミラーの方向とは外れた方向へ放出され、金型に照射されないものもあるため、赤外線ランプで発せられた光のエネルギーはその一部が金型に吸収されず僅かにロスしている。また、反射ミラー方向に放出された光にあっても、その一部は反射ミラーの温度を上昇させる熱エネルギーとして反射ミラーに吸収されるため、反射ミラーに照射された光のエネルギーの一部は金型で吸収されず、ここでもエネルギーロスが生じている。また更に、金型と赤外線ランプとは不活性ガスの領域を隔てているため位置が離れており、赤外線ランプと金型との間でもエネルギーが浪費されている。

このため、金型内部の温度を例えば６４０℃などに加熱しようとすると、上述したエネルギーロスの量を補う多大な電気量で赤外線ランプを発光させなければならない。そして、金型内部の温度をより上げる要求が生じれば、その温度の上昇につれて指数関数的に赤外線ランプの電気量を増やさなければならず、金型の加熱だけで多大な電力が消費されることとなる。昨今では光学ガラス素子の材料として高温度領域のガラス材料の使用も望まれるが、このような材料を使用すると金型を８００℃またはそれ以上の高温度に加熱しなければならず、各所に熱による不具合が発生し、問題であった。

そこで本発明は、高温度領域の材料であってもエネルギーロスを小さく抑えて加熱冷却する加熱冷却装置及び熱間プレス成形装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために以下のように構成する。
本発明の加熱冷却装置の態様の一つは、熱間プレス成形によって成形される金型内成形材料の加熱冷却をすることを前提とし、導電性の発熱体（例えば炭化ケイ素の発熱体や、その他の抵抗発熱体など）と、上記発熱体の表面に構成され、上記金型に当接されると上記発熱体及び上記金型間に熱の流れを形成する（発熱体が金型よりも高温であれば発熱体から金型への熱の流れを形成し、発熱体が金型よりも低温であれば金型から発熱体への熱の流れを形成する）非導電性放熱部材と、上記金型に上記非導電性放熱部材を当接し、上記金型にプレス力が加わると上記非導電性放熱部材を上記金型に当接させた状態で上記非導電性放熱部材及び上記発熱体を上記プレス力から回避させる当接回避手段と、上記金型に加えられた上記プレス力を受け止める土台と、を有するように構成する。

なお、前記土台は、前記金型との当接面を除く前記非導電性放熱部材上の表面及び前記発熱体とを覆い囲む構造をし、且つ断熱材によって構成する、ように構成してもよい。
また、更に、前記発熱体の発熱時に前記土台を冷却する第一の冷却手段と、前記発熱体の冷却時に前記土台内部に冷却ガスを送り込む第二の冷却手段と、を有するように構成してもよい。

また、上記何れか一つの態様において、前記非導電性放熱部材は、前記発熱体の上面に間隔を隔てて複数構成され、前記土台は、前記発熱体及び前記導電性放熱部材を覆い且つ導電性放熱部材が突出できる孔を上面に有し、前記当接回避手段は、前記発熱体を底面から押し上げて該発熱体の上面に構成されている前記導電性放熱部材を前記土台の前記孔から突出させ、前記伝導性放熱部材の上面が所定のプレス力で金型に押さえつけられると前記金型が前記土台に当接するまで前記金型に押されて前記導電性放熱部材が前記孔へ収納させる弾性部材を有する、ように構成しても良い。

本発明の熱間プレス成形装置の態様の一つは、上記何れか一つに記載された加熱冷却装置を構成するようにする。
本発明では、発熱体表面に構成された非導電性放熱部材が金型に当接されるように構成されているため、例えば発熱体から熱が発せられた場合には、発熱体の熱をその非導電性放熱部材を通すだけで金型に伝えることができる。そして、当接回避手段により、金型にプレス力がかかった状態でも非導電性放熱部材及び発熱体に負荷がかかることなく非導電性放熱部材を金型に当接させたままにできるため、この間、非導電性放熱部材を通すだけで発熱体及び金型の熱交換が行なえる。

また、土台を、前記金型との当接面を除く前記非導電性放熱部材上の表面及び前記発熱体とを覆い囲む構造とし且つ断熱材によって構成すれば、例えば発熱体から熱が発せられている場合にはその熱の大部分を、他に漏らすことなく非導電性放熱部材を通して発熱体に伝えることが可能になる。

以上述べたように、本発明によれば、金型と発熱体との熱交換を非導電性放熱部材を通すだけで行なえるので、他の媒体への熱の伝搬は少なく抑えることができ、総じて、エネルギーロスを小さく抑えることができる。よって、高温度領域の材料にあってはエネルギーロスをより小さく抑えることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の熱間プレス成形装置の構成の一例である。
同図の熱間プレス成形装置１は、その内部構成、特に本発明の要部の構成が分かりやすいように、側方断面図で示されている。

同図の熱間プレス成形装置１は、チャンバ２によって密閉された成形室と、成形室内部に装着する金型３（この金型３は、上型３−１と下型３−２で光学ガラス素子の材料Ｓを挟みこむ構成をとり、更にスリーブ３−３によって上型３−１と下型３−２の軸を揃えている）と、この金型３を成形室内部でプレスするプレス機構４と、成形室内部に設置され、その金型３を加熱または冷却する加熱冷却装置５（５−１及び５−２）によって構成されている。

同図の加熱冷却装置５（５−１及び５−２）はそれぞれ、金型３の上型３−１側と下型３−２側に設置されており、下型３−２側の加熱冷却装置５−２はチャンバ２に固定されている。そして、もう片方の上型３−１側の加熱冷却装置５−１は、プレス機構４の可動部（後述のプレス軸４−１）に固定され、後述のプレス動作によって可動部４−１とともにチャンバ２内部で上下動できるようになっている。これら加熱冷却装置５の下部５２は、高温状態にあるときの上部５１の温度がチャンバ２にそのまま伝わらないように徐々に冷却する冷却水路５００が内部に張り巡らされ、更に、加熱冷却装置上部５１の内部に冷却ガス（特に窒素が好ましい）を送りこむための気体冷却路５０１が内部に設けられた、冷却構造になっている。

上記プレス機構４は、プレス軸４−１及びプレスシリンダ４−２を有し、プレスシリンダ４−２の駆動によりプレス軸４−１が下降または上昇するプレス動作を行なう。このプレス軸４−１の下部には上記上型３−１側の加熱冷却装置５−１が固定され、プレスシリンダ４−２の駆動力に応じてこの加熱冷却装置５−１と共に金型３を上方からプレスする。

同図には、チャンバ２内部に金型３が既に装着された状態が示されている。同図のチャンバ２は、チャンバ２内部への金型３の供給及びチャンバ２外部への金型３の排出が可能なように、金型３の装着位置側面（同図の左右）にシリンダ６駆動で開閉するシャッター７（供給シャッター７−１及び排出シャッター７−２）を備えている。そして更に、同図のチャンバ２は、金型３の装着位置の両隣（同図の左右）がこの装着位置と同じ高さのテーブル構造２１、２２になっている。金型３はこれらのテーブル２１、２２にガイドされながら、供給シャッター７−１側から同図に示されるように内部の装着位置に供給され、熱間プレス成形後に、その装着位置から排出シャッター７−２側へ排出される。

また、チャンバ２には、上記供給シャッター７−１及び排出シャッター７−２を閉じて密閉した成形室内部の大気ガスを窒素ガスに交換するためのＮ２パージ流入口８−１が、チャンバ２外部の不図示の窒素制御バルブに導通して構成され、更に、チャンバ２内部の大気を排出したり、チャンバ２内部のガス圧を１〜１．２気圧に保つための排気孔８−２なども備えられている。

また、特に図示されていないが、チャンバ２内部にある各種信号線（加熱冷却装置を加熱するための後述の電線や、加熱冷却装置の温度を検出するための後述の熱電対や、その他、各部を制御する信号線など）はコネクタ９を介して外部に取り出しできるようになっており、チャンバ内外の各種信号線は本熱間プレス成形装置１の上部に構成された不図示の制御装置に束になって集められている。本熱間プレス成形装置１は、この制御装置の制御下で各部が駆動され、熱間プレス成形処理が行なわれる。

図２は、図１に示した加熱冷却装置５の構成図である。
なお、加熱冷却装置５−１と５−２は構成が同じであるため、同図には加熱冷却装置５−２を示すこととし、また、その中でも、構成の理解を助けるために図面が必要とされる加熱冷却装置上部５１のみの構成を示し、ここでは下部５２の冷却機構の図は省略する。

同図（a）は、図１に示される加熱冷却装置上部５１の拡大図であり、同図（b）は、当該加熱冷却装置上部５１を上方から作図した平面図である。
本例の加熱冷却装置上部５１では、加熱冷却源として、導電性の発熱体（例えば、抵抗発熱体や炭化ケイ素の発熱体など）を使用する。ここでは一例として、その中の、炭化ケイ素の発熱体で構成した略リング形状のセラミック（SIC）ヒータ５１０を選択することにする。

また本構成では、そのセラミックヒータ５１０の表面に、円盤を４分割してそれぞれを扇形状とした放熱性のある（つまり高い熱伝導率を示す）非導電性部材（非導電性放熱部材）５１１を構成し、この部材５１１の表面を不図示の金型（図１の３）に当接させることにより金型（図１の３）とセラミックヒータ５１０との間に熱の流れを発生させる。そしてこの非導電性部材５１１に熱電対を接続し、この他端を外部の制御装置に引き出すことにより、その非導電性部材５１１の温度計測を行なう。以下、この部材５１１を熱交換部材５１１と呼ぶことにする。

また、金型（図１の３）には、プレス力（プレス軸（図１の４−１）による押圧力）が加わるため、熱交換部材５１１を金型（図１の３）に当接させることは勿論であるが、上記金型（図１の３）にプレス力がかかった時に、そのプレス力が熱交換部材５１１及びセラミックヒータ５１０にかからないように熱交換部材５１１及びセラミックヒータ５１０をそのプレス力から回避させるための当接回避手段５１２を構成する。

そして、金型（図１の３）に加えられた上記プレス力を受け止める土台（本例のプレート５１３）を構成する。
本例で使用する金型３は、上型３−１及び下方３−２に、共に、外径１０ｍｍで高さ１０ｍｍ寸法のものを使用し、材料は超硬材とする。そして、成型材料Sには、高温度領域のガラス材（S−LAH58材）を使用する。

本例で使用されているプレート５１３は、下面が開口し且つ上面の４個所に扇型の孔（５１２−１、５１２−２、５１２−３、及び５１２−４）をもつ箱形状をしており、皿バネによる緩み防止させた不図示の止めピンでその下面が図１の加熱冷却装置下部５２の上面と固定され、この内部空間にセラミックヒータ５１０が収容されている。当該セラミックヒータ５１０は上面に、平面の断面形状が上記扇形状の孔（５１２−１、５１２−２、５１２−３、及び５１２−４）と一致し且つプレート５１３上面の厚さよりも厚みのある熱交換部材５１１が上記プレート５１３上面の４の孔（５１２−１、５１２−２、５１２−３、及び５１２−４）と同じ配置関係で取りつけられており、下面に伸縮自在の弾性部材（本例ではバネ）５１２−５が配置されている。上記セラミックヒータ５１０は、セラミックヒータ５１０上面に取りつけられた４つの熱交換部材５１１のそれぞれがプレート５１３上面の４つの孔（５１２−１、５１２−２、５１２−３、及び５１２−４）からそれぞれ露出されて突出できる位置にプレート５１３内部で配置され、上記弾性部材５１２−５はセラミックヒータ５１０下面と不図示の加熱冷却装置下部（図１の５２）の上面との間に挟み込んで配置されている。

このバネ５１２−５には、バネ径4ｍｍ、ストローク８ｍｍ程度のものが使用され、セラミックヒータ５１０下面と不図示の加熱冷却装置下部（図１の５２）の上面との間に挟み込まれた際に、セラミックヒータ５１０をプレート５１３上面の内側の面に当接させる（または押し当てる）とともに熱交換部材５１１をプレート５１３上面の４つの孔から突出させる程度の弾性力を有し、且つ不図示の金型（図１の３）を熱交換部材５１１上に載せた際にこの重さでストロークが縮む程度の弾性力を有するものが使用されている。

また、上記熱交換部材５１１の厚みは、薄い方が熱の伝わりが良いが、本例では強度を考慮して２ｍｍから５mm程度の厚みに設定する。また、同図には、プレート５１３から熱交換部材５１１が突出している様子が分かりやすくなるようにその突出量が大げさに示されているが、この突出量は０．２ｍｍ以下に抑えることが望ましい。

また、同図の熱交換部材５１１には不図示の熱電対が接続されており、この他端は外部の制御装置に引き出されているものとする。
また更に、本例では、プレート５１３の上面に不図示の金型（図１の３）を側方から後述するようにスライドさせて装着させるため、金型（図１の３）をスライドさせた際に熱交換部材５１１と金型（図１の３）の下型（図１の３−２）とが引っ掛からないように熱交換部材５１１の上部の角と金型（図１の３）の下型（図１の３−２）の角に互いにテーパを設け、プレート５１３上面に金型（図１の３）をスライドさせた時にその重みで熱交換部材５１１がスムーズにプレート５１３内部に引っ込むようにさせている。このため、本例の当接回避手段５１２では、金型（図１の３）が載せられた際に熱交換部材５１１がプレート５１３内に沈み込むことで、プレス軸（図１の４−１）の押圧力をプレート５１３が受け止める構成をとる。

図３は、セラミックヒータ５１０の構成例である。
同図（a）は、セラミックヒータ５１０の側面図（図２（a）と同じ方向から作図した側面図）である。

本セラミックヒータ５１０は、発熱体５１０１から２本の端子５１０１−１、５１０１−２が下方に突出し、これらの端子の下部は雌ネジが設けられている。本例の発熱体５１０１の発熱温度は８００℃以上に達することもあるため、その熱を電線や外部に伝えにくくするため、この端子には、放熱電板５１０２を介して窒化ホウ素材雄ネジ５１０３により電線５１０４の端部が接続されている。そして、この電線５１０４の他の端部は外部に引き出され、不図示の制御装置に接続されている。

なお、特に図示されていないが、その熱を電線や外部に伝えないようにするために、端子に窒素ガスを吹き付けるための端子冷却パイプを更に構成するとよい。こうすることで、電線や外部への熱の伝達を更に効果的に防止できる。

図３（b）は、上記発熱体５１０１を斜め上方から作図した斜視図である。
本例のセラミックヒータ５１０は、上面が平面で中心に貫通孔５１０５を有する略ドーナツ形状の発熱体５１０１を有し、この上面の４箇所に不図示の熱交換部材（図２の５１１）が備え付けられる。上記貫通孔５１０５は、不図示の金型（図１の３）を冷却する時にこれまた不図示の加熱冷却装置下部の気体冷却路（図１の５０１）から送られる窒素ガスを同図下方から発熱体５１０１の上面一面に導くための冷却路であり、ここを通過して一面に広がった窒素ガスは発熱体５１０１の側面に回りこんで同図下方へ排出される。この排出された冷却ガスはチャンバ（図１の２）内に入り、排気孔（図１の８−２）から外部に排出される。

図４は、加熱冷却装置上部５１に構成される部品の材質選定にあたり利用した、材質情報一覧リストの一部をまとめたものである。
本例では、各構成部品の材質選定にあたり、各構成部品に求める条件を以下のように設定した。
（熱交換部材の条件）
耐熱性の高い材質（８００℃以上）、熱伝導率の良い材質（７０W／ｍ・K以上）、絶縁性のある材質（１０¹⁴以上）
（プレートの条件）
耐熱性の高い材質（８００℃以上）、耐圧性の低い材質（４００Ｇｐａ以下）、好ましくは熱伝導率の悪い材質（７０W／ｍ・K以下）、絶縁性のある材質（１０¹⁴以上）、曲げ強度の高い材質（２００Ｍｐａ以上）
（弾性部材の条件）
耐熱性の高い材質（８００℃以上）、好ましくは熱伝導率の悪い材質（７０W／ｍ・K以下）、絶縁性のある材質（１０¹⁴以上）
なお、熱交換部材の材質としては熱伝導率が高い材質ほど適する。また、プレートや弾性部材の材質としてはは熱伝導率が低い材質ほど適する。

以上の条件と本例で使用するセラミックヒータの材質情報とを比較すると、同図の一覧リストの中では、熱交換部材の材料は窒化アルミが最適であり、プレートはアルミナが好ましく、窒化ケイ素であれば更に好ましく、弾性部材の材料はアルミナが良い。なお、弾性部材については、窒化アルミや不図示の窒化ホウ素などでもよい。

本構成では、金型を保持する各種部材を金属に限らず非金属で選定させてもよい。金属は８００℃まで加熱されると溶解温度の影響で磨耗する。そのため、磨耗を避けるために非金属の中から最適な部材を、金型を保持する部材に選定することにより、装置の歪みやがたつきなどを抑止することができる。

図５は、上記条件をクリアした材質で各部品を構成した上下の加熱冷却装置５−１、５−２の間に金型３を装着し、この金型３に対して加熱処理及び冷却処理をした時の、下の加熱冷却装置５−２とその温度分布の対比図である。

同図左に加熱冷却装置５−２の構成図が示され、これまで説明してきた構成と対応する部分に同一番号を付した。また、同図右にその加熱冷却装置５−２の各部（上から熱交換部材５１１、セラミックヒータ５１０、弾性部材５１２−５、加熱冷却装置下部５２）における温度分布がグラフで示されている。

上記グラフの実線Ｌは、金型３を８００℃に加熱処理した時の温度安定状態の温度分布であり、破線Mは、金型を６００℃に冷却処理した時の温度安定状態の温度分布である。
同図からは、加熱冷却装置上部５１及び下部５２の接続付近（同図のグラフの点Ｐ）では加熱処理時も冷却処理時も温度が同じということが分かる。

この温度分布は、加熱冷却装置下部５２の冷却水路５００の太さや配置をシミュレートして最適な配置に構成したり冷却水路の流量調節をするなどして容易に実現できる。この温度分布のようにすると、上記接続付近の一定温度を基準に金型３の温度を所望の温度に上昇または下降させるだけで良いため、更に、余計なエネルギーロスが減り、また、その温度に到達させる時間が短縮される。

そしてこの温度分布は、上記条件をクリアした材質の組み合わせの中でもより最適な組み合わせを選定することで、より短時間に達成させることができ、その分、更なるエネルギーロスを抑えることができる。

また、同図からは、上記接続付近から加熱冷却装置下部５２の下方に向けて徐々に冷却され、加熱冷却装置下部５２の下面（つまりチャンバ上）で温度が３０℃にまで下げられているのが分かる。

このように、加熱冷却装置上部５１の下方に冷却機構を設けることにより、セラミックヒータ５１０から伝わる高温度の熱をチャンバ２に至るまでに冷却することができる。
続いて、当該加熱冷却装置による金型の加熱冷却工程について説明する。

図６は、熱間プレス成形装置１において熱間プレス成形処理が行なわれる際の、金型３に対する加熱冷却処理の動作例である。
同図には、図１の熱間プレス成形装置１の金型３及び加熱冷却装置５−２の上部５１の状態が各処理ごとに示されている。なお同図においては省略しているが、金型３の上型３−１には加熱冷却装置５−２と同様な状態で加熱冷却装置５−１が存在しており、加熱冷却装置５−２と同様な現象が生じている。ここでは、その熱の流れや力の向きのみを示すものとし、理解を助けるのに必要であれば説明を加える。

なお、同図中の実線矢印が熱の流れる向きであり、同図中の太い矢印が力の向きであり、同図中の破線矢印が冷却ガスの流れる向きである。
また、図７は、図６の加熱冷却処理動作の各時点の、金型内温度及び金型に加わるプレス力の変化を示したグラフである。同図には、横軸を時間として、熱交換部材の温度P、金型の温度Q、金型に対するプレス力Rのグラフが示されている。

以下、当グラフと比較しながら、上記図６の熱間プレス成形処理の動作を説明する。
図６（a）は、加熱冷却装置上部５１に金型３が装着される直前の状態を示している。この金型３は、開いた供給シャッタ７−１から（同図の右から）プレート５１３上をスライドさせて熱交換部材５１１上に供給される。熱交換部材５１１は、金型３の下型３−２のテーパ部が熱交換部材５１１のテーパ部に衝突すると金型３の重みでプレート５１３内に沈み込むが、バネ５１２−５の反発力により下型３−２の下面に当接する。

上記加熱冷却装置上部５１に金型３が装着されると、供給シャッタ７−１は閉じられ、排気孔８−２からチャンバー内の気体を外部に排気し、チャンバー２内を８Paまで減圧する。

その後、N2パージ流入口８−１から窒素を供給してチャンバ２内を窒素に置換し、十分に置換が行なわれてから上型３−１の上面（底面）に向けてプレス軸４−１が下がり、加熱冷却装置５−１の熱交換部材が上型３−１の上面（底面）にあたって加熱冷却装置５−１のプレート内に引っ込み、このプレートは本例では５ｋｇｆの力で上型３−１の上面（底面）に当接し、加熱冷却装置５−１は加熱冷却装置５−２と同じ状態となる。

図６（b）は、金型の加熱工程時の状態である。
同図に実線矢印で示されているように、セラミックヒータ５１０の熱は熱伝導率の良い熱交換部材５１１の中を流れ、効率良く金型３の下型３−２に伝わっている。熱伝導率の良い熱交換部材５１１はセラミックヒータ５１０からみて加熱対象の金型３の下型３−２の方向にあり、その他の方向は熱伝導率の悪いプレート５１３やバネ５１２−５、更には断熱効果のある気体などで取り囲まれているため、セラミックヒータ５１０で発生した熱は少ないロスで下型３−２を加熱する。この結果、上型３−１からの熱と下型３−２からの熱による成形材料Sの軟化が少ないエネルギーで行なえる。

図７のVは、熱交換部材が目標の８００℃に達するまでの時間であり、Wは、金型が所望の８００℃に達するまでの時間である。同図のグラフの立ち上がり方から、短時間で目標温度に到達する様子を伺うことができる。

同図（c）は、プレス軸４−１を更に下降させて上型３−１の上面（底面）に所定の押圧力を加えたプレス工程時の状態である。
この工程では、本例では２００ｋｇｆの力を上型３−１の上面（底面）へかける。このプレス力によりスリーブ３−３に沿って上型３−１が下降し、軟化した成形部材Ｓが下型３−２の上面に押し当てられる。

同図に実線矢印で示されるように、図６（ｂ）と同様に、セラミックヒータ５１０の熱は熱伝導率の良い熱交換部材５１１を通り、効率良く下型３−２に伝わる。
同図（d）は、金型の冷却工程時の状態である。

この工程では、同図（c）の配置のままセラミックヒータ５１０への電力供給を停止し、更に加熱冷却装置下部５２から冷却ガス（窒素ガス）をプレート５１３内部に充満させて、金型３を冷却する。

同図に実線矢印で示されているように、成形材料Sと下型３−２の熱は熱伝導率の良い熱交換部材５１１へと逆流する。また、加熱冷却装置下部５２の気体冷却路５０１から送りこまれた冷却ガスは、同図に破線矢印で示されているように、セラミックヒータ５１０の中心部を通ってセラミックヒータ５１０上面とプレート５１３下面との間の空間に満たされ、この冷却ガスはセラミックヒータ５１０の側面を通って加熱冷却装置下部５２からプレート外部に排出される。

この結果、上型３−１及び下型３−２から短時間で熱が奪われ、成形材料Sが固化し、高精度の光学ガラス素子ができあがる。
図７のXは、熱交換部材が８００℃から目標の３０℃に冷却されるまでの時間であり、Yは、金型が８００℃から目標の３０℃に冷却されるまでの時間である。同図のグラフの下降状態から、短時間で目標温度に到達する様子を伺うことができる。

なお、同図には示されていないが、この構成によりエネルギーロスが抑制されるため従来の構成よりも使用する電気量を約２０％減らすことができる。
（変形例１）
図８は、加熱冷却装置（５−１または５−２）の変形例（その１）である。

本例の加熱冷却装置も、上型と下型を有する金型のそれぞれの型側に同様に構成される二つの加熱冷却装置かなり、それらの構成は同様であるため、片方の加熱冷却装置の構成（下型側の加熱冷却装置の構成）を説明する。

同図は、下型側に構成される加熱冷却装置の側方断面図である。
同図の加熱冷却装置８０は、セラミックヒータ８００、熱交換部材８０１、プレート８０２、及び弾性部材８０３によって構成され、下型８０４の底面は上記熱交換部材８０１を収納するための収納空間が構成されている。なお、ここに構成されているセラミックヒータ８００、熱交換部材８０１、プレート８０２、弾性部材８０３、下型８０４は、それぞれ、セラミックヒータ５１０、熱交換部材５１１、プレート５１３、弾性部材５１２−５、金型の下型３−２と同じ材質を使用できる。

同図のセラミックヒータ８００は、円柱形状に構成されている。
また同図の熱交換部材８０１は、上記セラミックヒータ８００と同サイズの空間を内部にもつこれまた円柱形状に構成されており、内部に上記セラミックヒータ８００を収納している。

また同図のプレート８０２は、上面が開口した箱形状をしており、不図示の加熱冷却装置下部５２から送られる冷却ガスを開口部付近に送るための空気冷却路８０２−１が、底面から側面を介して開口部付近にまで延在している。

本例の加熱冷却装置８０は、セラミックヒータ８００を収納した熱交換部材８０１を、プレート８０２内部の底面との間に弾性部材８０３を配置してプレート８０２内部に収納し、下型８０４の下面に構成された上記収納空間に熱交換部材８０１の上部が入るように下型８０４を位置合わせをすることで、弾性部材８０３の反発力により熱交換部材８０１の上部が下型８０４の収納空間に収まり、熱交換部材８０１の上面及び上部側面が下型８０４の収納空間の壁面に当接する。

本構成では、上方からプレス力が加わるとそのプレス力は、下型８０４の底面と接触するプレート８０２の上面で受け止められる。
（変形例２）
図９は、加熱冷却装置（５−１または５−２）の変形例（その２）である。

本例の加熱冷却装置も、上型と下型を有する金型のそれぞれの型側に同様に構成される二つの加熱冷却装置かなり、それらの構成は同様であるため、片方の加熱冷却装置の構成（下型側の加熱冷却装置の構成）を説明する。

同図は、下型側に構成される加熱冷却装置の側方断面図である。
同図の加熱冷却装置９０は、セラミックヒータ９００、熱交換部材9０１、プレート9０２、及び弾性部材9０３によって構成され、下型9０４は下部が逆すり鉢形状をしている。なお、ここに構成されているセラミックヒータ9００、熱交換部材9０１、プレート9０２、弾性部材9０３、下型9０４は、それぞれ、セラミックヒータ５１０、熱交換部材５１１、プレート５１３、弾性部材５１２−５、金型の下型３−２と同じ材質を使用できる。

同図のセラミックヒータ9００は、円柱形状に構成されている。
また同図の熱交換部材9０１は、同図に示されるように左右に二つ構成され、互いに向かい合う面が斜めになるように（互いの面を合わせるとすり鉢型になるように）カットされている。これらはそれぞれ上記セラミックヒータ9００と同サイズの空間を内部に二つもっており、それぞれの空間に上記セラミックヒータ9００が収納されている。

また同図のプレート9０２は、上面が開口した箱形状をしており、不図示の加熱冷却装置下部５２から送られる冷却ガスを開口部付近に送るための空気冷却路9０２−１が、底面から側面を介して開口部付近にまで延在している。

本例の加熱冷却装置9０は、セラミックヒータ9００を収納した二つの熱交換部材9０１をプレート9０２内部の底面上に、該底面と摺動できるように上記カット面を互いに向き合わせて載せ、プレート９０２内部の底面から下型９０４が浮いた状態で熱交換部材９０１のカット面に下型９０４下部の逆すり鉢形状の面が当接するように、各熱交換部材９０１の背面とプレート９０２内部の側面間に弾性部材9０３をそれぞれ配置する。

本構成では、上方からプレス力が加わると、熱交換部材９０１は互いに離れる向きに後退し、下型９０４はその下部の逆すり鉢上の面が互いの熱交換部材９０１のカット面に接触しながら下方へ滑り落ちる。そして、下型９０４の下面がプレート９０２内部の底面に達すると、このプレートの面でそのプレス力が受け止められることにより、この位置で下型９０４は停止する。。

本発明の熱間プレス成形装置の構成の一例である。 図１に示した加熱冷却装置５の構成図である。 セラミックヒータ５１０の構成例である。 材質情報一覧リストである。 加熱冷却装置５−２とその温度分布の対比図である。 金型３に対する加熱冷却処理の動作例である。 金型内温度及び金型に加わるプレス力の変化を示したグラフである。 加熱冷却装置（５−１または５−２）の変形例（その１）である。 加熱冷却装置（５−１または５−２）の変形例（その２）である。

符号の説明

５１ 加熱冷却装置上部
５１０ セラミックヒータ
５１１ 熱交換部材
５１２ 当接回避手段
５１２−１、５１２−２、５１２−３、５１２−４ 孔
５１２−５ 弾性部材
５１３ プレート

Claims (5)

1. 熱間プレス成形によって成形される金型内成形材料の加熱冷却をする加熱冷却装置であって、
   導電性の発熱体と、
   前記発熱体の表面に構成され、前記金型に当接されると前記発熱体及び前記金型間に熱の流れを形成する非導電性放熱部材と、
   前記金型に前記非導電性放熱部材を当接し、前記金型にプレス力が加わると前記非導電性放熱部材を前記金型に当接させた状態で前記非導電性放熱部材及び前記発熱体を前記プレス力から回避させる当接回避手段と、
   前記金型に加えられた前記プレス力を受け止める土台と、
   を有することを特徴する加熱冷却装置。
2. 前記土台は、前記金型との当接面を除く前記非導電性放熱部材上の表面及び前記発熱体とを覆い囲む構造をし、且つ断熱材によって構成されている、
   ことを特徴する請求項１に記載の加熱冷却装置。
3. 更に、
   前記発熱体の発熱時に前記土台を冷却する第一の冷却手段と、
   前記発熱体の冷却時に前記土台内部に冷却ガスを送り込む第二の冷却手段と、
   を有することを特徴する請求項１または請求項２に記載の加熱冷却装置。
4. 前記非導電性放熱部材は、前記発熱体の上面に間隔を隔てて複数構成され、
   前記土台は、前記発熱体及び前記導電性放熱部材を覆い且つ導電性放熱部材が突出できる孔を上面に有し、
   前記当接回避手段は、前記発熱体を底面から押し上げて該発熱体の上面に構成されている前記導電性放熱部材を前記土台の前記孔から突出させ、前記伝導性放熱部材の上面が所定のプレス力で金型に押さえつけられると前記金型が前記土台に当接するまで前記金型に押されて前記導電性放熱部材が前記孔へ収納させる弾性部材を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の加熱冷却装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載された加熱冷却装置を備えている熱間プレス成形装置。