(57)【要約】【課題】 熱板の加熱効率については維持しつつ、熱板の冷却手段を簡単な構造とすることができ、熱板の冷却を均一にすることができるホットプレスを提供する。特には被成形物を高温域において加熱・加圧するホットプレスにおいて、加熱、冷却を効率的に行なうことができるようにする。またホットプレスに使用される熱効率がよく、加工が簡単な熱板を提供する。  【解決手段】  熱板１４の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレス１１において、熱板１４には熱板１４を直接加熱する加熱手段２０と、加熱手段２０とは別の冷却手段としてのヒートパイプ２２とが配設される。【選択図】 図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱板の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレスにおいて、
該熱板には熱板を直接加熱する加熱手段と、
前記加熱手段とは別の冷却手段としてのヒートパイプとが配設されることを特徴とするホットプレス。
【請求項２】
前記加熱手段と前記ヒートパイプとは交互かつ平行に配設される請求項１に記載のホットプレス。
【請求項３】
被成形物を加熱・加圧するホットプレスの熱板において、
該熱板を直接加熱する加熱手段と、
前記加熱手段とは別の冷却手段としてのヒートパイプとが配設されることを特徴とするホットプレスの熱板。
【請求項４】
熱板の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレスの熱板の加熱冷却方法において、
該熱板を直接加熱する加熱手段により熱板の加熱を行なった後、
前記加熱手段とは別の冷却手段としてのヒートパイプによって熱板の冷却を行なうことを特徴とするホットプレスの熱板の加熱冷却方法。
【請求項５】
前記熱板は３００℃以上に加熱された状態から前記ヒートパイプによって冷却を行なう請求項４に記載のホットプレスの熱板の加熱冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱板の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレスに関し、特には、被成形物を高温域において加熱・加圧するホットプレスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱板の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレスの熱板の加熱には、蒸気や電気ヒータを使用し、熱板の冷却には冷却水を使用することが一般的である。しかし熱板内の管路に冷却水を流通させて熱板を冷却しようとすると、冷却水が蒸気となり熱板の内圧が上昇しすぎるという問題があった。そして熱板の内圧が上昇しすぎると、それ以上冷却水が流れないために、冷却が遅くなるとともに熱板表面の温度ムラが発生する原因となる。そのため冷却初期には前記管路内に圧縮空気を流通させてある程度熱板の温度を下げてから高圧水を前記管路に送り込むなどの方法が行なわれており、ホットプレスの構造が複雑化するとともに冷却時間の長期化に繋がっている。また近年では熱板を３００℃以上の高温域にまで加熱し、被成形物の加熱を行なうホットプレスが増加してきたが、このようなホットプレスの場合、前記の冷却の際の問題はより顕著であった。
【０００３】
また上記とは別に、熱板の加熱および冷却としての媒体に油を使用したホットプレスもある。しかし油を使用したホットプレスは、最高加熱温度の点で電気ヒータを使用したものより劣る上に、多量の油を使用するため、消防法等の基準をクリアするために工場設備に別途多額のコストがかかるものであった。更に別のホットプレスとして、特許文献１のような熱板の加熱および冷却にヒートパイプを使用したホットプレスが知られている。しかし特許文献１のようにヒートパイプの一方の端部を加熱し、ヒートパイプを介して熱板を間接的に加熱するホットプレスは、電気ヒータ等により直接熱板を加熱するものと比較して加熱効率が悪いという問題があった。そしてその問題は特に高温域になるほど顕著であった。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１５０６３０号公報（請求項１、００１３、００１４、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、熱板内の管路に冷却水を流通させて熱板を冷却させるホットプレスの場合は、冷却水が熱板内で蒸気化して熱板の冷却が遅くなるとともに熱板に温度ムラ等が発生するなどの問題があり、その問題を解決するために、圧縮空気や高圧水を供給する機構を設けるなど冷却手段の構造が複雑化していた。また熱板の加工についても、冷却水を還流させるための管路の加工が複雑化するという問題があった。また特許文献１のようにヒートパイプで熱板を加熱する場合は、熱板の加熱効率が悪いという問題があった。そこで本発明では、熱板の加熱効率については維持しつつ、熱板の冷却手段を簡単な構造とすることができ、熱板の冷却を均一にすることができるホットプレスを提供することを目的とする。そして特には被成形物を高温域において加熱・加圧するホットプレスにおいて、加熱、冷却を効率的に行なうことができるようにすることを目的とする。また前記ホットプレスに使用されるための熱効率がよく加工が簡単な熱板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】
【０００６】
本発明の請求項１に記載の熱板の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレスは、熱板には熱板を直接加熱する加熱手段と、加熱手段とは別の冷却手段としてのヒートパイプとが配設されることを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２に記載のホットプレスは、請求項１において、加熱手段とヒートパイプとは交互かつ平行に配設されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項３に記載の被成形物を加熱・加圧するホットプレスの熱板は、熱板を直接加熱する加熱手段と、加熱手段とは別の冷却手段としてのヒートパイプとが配設されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項４に記載の熱板の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレスの熱板の加熱冷却方法は、熱板を直接加熱する加熱手段により熱板の加熱を行なった後に、加熱手段とは別の冷却手段としてのヒートパイプによって熱板の冷却を行なうことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項５に記載のホットプレスの熱板の加熱冷却方法は、請求項４において、熱板は３００℃以上に加熱された状態から前記ヒートパイプによって冷却を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の熱板の間で被成形物を加熱・加圧するホットプレスおよび請求項３に記載の熱板、請求項４のホットプレスの加熱冷却方法は、熱板には（熱板を直接加熱する）加熱手段と、加熱手段とは別の冷却手段としてのヒートパイプとが配設され、ヒートパイプにより熱板が冷却されるので、熱板の加熱が効率的に行なえるとともに熱板の冷却を略均一に行なうことができる。
また本発明の請求項２に記載のホットプレスは、（熱板を直接加熱する）加熱手段は棒状部を有するものであり、ヒートパイプと交互かつ平行に配設されるので、熱板の加工が容易になるとともに、熱板の厚さを薄くすることができ、その結果加熱および冷却を効率的に行なうことができる。
更に本発明の請求項５に記載のホットプレスの熱板の加熱冷却方法は、熱板は３００℃以上に加熱された状態からヒートパイプによって冷却を行なうので、高温の熱板の冷却に際して、熱板を略均一に冷却できるとともに、冷却時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態について図１、図２を参照して説明する。図１は、本発明のホットプレスの全体図である。図２は、本発明のホットプレスの熱板と冷却水ジャケットの断面図である。
【００１３】
図１によりホットプレス１１の各部について説明すると、ホットプレス１１は、上盤１２に対して昇降自在に可動盤１３が設けられている。熱板１４は、上盤１２の下面と可動盤１３の上面に配設される他、その間に中間の熱板１４が配設されている。可動盤１３には加圧手段である油圧シリンダ１５のラム１６が取付けられている。そして中間の熱板１４は、ラム１６の下降時にはホットプレス１１の両側に立設された段板１７の上に所定の間隔を隔てて載置される。そして前記油圧シリンダ１５の駆動によるラム１６および可動盤１３の上昇とともに、可動盤１３の上面の熱板１４と中間の熱板１４は上昇され、熱板１４の間で被成形物である積層成形品等の加熱・加圧が行なわれる。本実施形態ではホットプレス１１は図示しない真空チャンバ内に配設されており、真空チャンバの前部扉を開閉して積層成形品の搬入、搬出が行われる。なお本発明において熱板１４は少なくとも２枚以上であればよい。
【００１４】
次に図２により本実施形態の熱板１４について説明する。熱板１４は厚さが４０ないし１２０ｍｍ程度の金属性の矩形の板体である。そして中間の熱板１４は両面、上盤１２および可動盤１３に配設される熱板１４，１４は一方の面に平坦な加圧面が形成されている。また本実施形態の熱板１４は、一側から他側に向けて複数の貫通孔１８，１９がガンドリルにより平行に設けられている。そして前記貫通孔１８は、棒状部を有し熱板１４を直接加熱する加熱手段であるカートリッジヒータ２０が挿入される比較的内径が大きい孔である。また貫通孔１９は、後述するヒートパイプ２２が挿入される比較的内径が小さい孔である。そして貫通孔１８と貫通孔１９は、交互に（一本置きに）形成されている。そして本実施形態において前記貫通孔１８，１８の間隔、または貫通孔１８，１９の間隔は、熱板１４の中央部の間隔と比較して両端側の間隔の方が狭くなっている。これは熱板１４の両端側の方が中央部より放熱される面積が大きいため、カートリッジヒータ２０の間隔を狭くして両端側の方が単位面積当たりの熱供給量が多くなるようにしてあり、全体として熱板１４が均一な温度に加熱されるようにしている。なお、貫通孔１８，１８の間隔、または貫通孔１８，１９の間隔はそれぞれ均等にしてもよい。そして本実施形態ではカートリッジヒータ２０とヒートパイプ２２が挿入される貫通孔１８，１９が平行に貫通して形成されていることにより、熱板１４の加工が簡単になり、加熱手段と冷却手段の管路等を熱板１４内で交差して配設しなくてもよいので、熱板１４の厚さを薄くすることができる。
【００１５】
熱板１４の貫通孔１８には電気ヒータであるカートリッジヒータ２０がそれぞれ挿入されている。真空下で電気ヒータを用いる場合は、真空放電の問題があるので、カートリッジヒータ２０が用いられることが一般的である。そしてカートリッジヒータ２０の端部２０ａは熱板の一側１４ａから所定寸法だけ突出しており、カートリッジヒータ２０の加熱部２０ｂが熱板１４内に配設されている。また前記カートリッジヒータ２０の端部２０ａには前記カートリッジヒータ２０に通電される電線２１が接続されている。なお熱板１４を直接加熱する加熱手段としては、前記したカートリッジヒータ２０の他、熱板１４内に棒状部を有する管路を形成し、蒸気および熱油等の熱媒を流通させるものであってもよい。また真空下で加熱・加圧しない場合は、カートリッジヒータ２０以外の抵抗加熱方式や誘導加熱方式を用いても良い。
【００１６】
また熱板１４の貫通孔１９には加熱手段とは別に、冷却媒体を用いて間接的に熱板１４を冷却する冷却手段としてのヒートパイプ２２がそれぞれ挿入されている。ヒートパイプ２２は、真空の円筒容器の内部に少量の液体を封入し、多孔質材料が内張りされた棒状部を有する超熱伝導素子であって、一端側の熱を他端側に極めて効率良く伝熱させることができ、その熱伝導率は銅の数十倍〜数千倍である。ヒートパイプ２２の直径は貫通孔１９の内径よりも僅かに小さく、その貫通孔１９とヒートパイプ２２との隙間部分には熱伝導コンパウンドが充填され、ヒートパイプ２２から熱板１４への熱伝導を良好にしている。そして熱板の他側１４ｂからはヒートパイプ２２の端部２２ａおよび所定長さの非本体部２２ｂが突出しており、ヒートパイプ２２の本体部２２ｃは熱板１４内に配設されている。そしてヒートパイプ２２の端部２２ａおよび非本体部２２ｂを冷却可能なように冷却水ジャケット２３が配設されている。
【００１７】
冷却水ジャケット２３について説明すると、冷却水ジャケット２３は熱板の他側１４ｂに配設されている（図１では熱板１４のみを記載し、その手前側にある冷却水ジャケット２３は省略して記載せず）。冷却水ジャケット２３は、熱板１４と略同一の厚みを持つ金属板からなり、その金属板部２７に前記ヒートパイプ挿入孔２４が一側から他側方向に熱板１４のヒートパイプ２２と同軸位置に複数形成されている。ヒートパイプ挿入孔２４の内径は、ヒートパイプ２２の直径よりもわずかに大きく形成されている。また冷却水ジャケット２３においては、前記ヒートパイプ挿入孔２４と直角方向に、冷却水用流路２５が金属板部２７を貫通して形成されており、前記ヒートパイプ挿入孔２４と、冷却水用流路２５は内部で繋がっている。そしてヒートパイプ２２の端部２２ａが冷却水用流路２５の内部に位置するように形成されている。そして前記冷却水用流路２５の導水側入口、および排水側出口にはそれぞれ送水管２６ａ、２６ｂが接続され、前記送水管２６ａ，２６ｂは冷却水供給機構３１に接続されている。よってヒートパイプ２２はその端部２２ａ付近が冷却水用流路２５内を流れる冷却水によって冷却される。また熱板１４から突出しているヒートパイプ２２のうちの端部２２ａ以外の非本体部２２ｂも、冷却水ジャケット２３のヒートパイプ挿入孔２４に冷却水が導入されるとともに、冷却水ジャケット２３の金属板部２７から冷却水を介して伝熱されることによって冷却される。
【００１８】
そして冷却水ジャケット２３における一側（熱板１４側）には、断熱板２８が取付けられ、熱板１４からの伝熱の防止と、ヒートパイプ挿入孔２４から冷却水の漏れを防止している。そして冷却水ジャケット２３を用いることにより、冷却水を直接熱板１４の中に導水して熱板１４を直接冷却しないから、冷却水の温度は急上昇することがなくなる。よって従来のように高圧水を使用したり圧縮空気を使用する必要がなくなり、熱板１４を均一に冷却できるとともに使用する水量も削減することができる。そして本発明では、ヒートパイプ２２と冷却水ジャケット２３から冷却手段が構成されている。なお冷却水ジャケット２３の金属板部２７は鉄以外の更に伝熱性に優れた金属を用いても良く、金属板部２７が直接ヒートパイプ２２の非本体部２２ｂに接触するようにしてもよい。またヒートパイプ２２の非本体部２２ｂについても冷却水用流路２５内にあって冷却水の流れに晒されるようにしてもよい。更に冷却媒体については、冷却水以外の媒体、例えば圧縮空気を用いてもよい。冷却媒体に圧縮空気を用いる場合は、ホットプレス１１の構造をより簡素化できる。また冷却の初期に圧縮空気を用い、後期には冷却水を使用してもよい。
【００１９】
なお本実施形態では熱板１４の載置方向は、真空チャンバの扉の方向に冷却水ジャケット２３が位置するように取付けられている。そして冷却水ジャケット２３は熱板１４から取外し自在となっている。そのため冷却水ジャケット２３およびヒートパイプ２２のメンテナンスや交換を容易に行なうことができる。またカートリッジヒータ２０については真空チャンバの背面側の扉からメンテナンスや交換を行なうことができる。よって真空チャンバに開口部がないホットプレス１１の横側からメンテナンスする必要がない。
【００２０】
次にホットプレス１１による積層成形品の成形について説明する。上盤１２の下面に配設された熱板１４以外の熱板１４の上面側の加圧面に積層成形品を載置し、図示しない前方の扉を閉めて真空チャンバ内を真空状態とする。そして次に制御機構２９から、油圧シリンダ１５を作動させる油圧機構３０に信号を送り、ラム１６と共に可動盤１３を上昇させる。積層成形品が熱板１４の間で加圧されると同時に、制御機構２９から各熱板１４のカートリッジヒータ２０に通電を行なって熱板１４の加熱を行ない、積層成形品は、加熱・加圧される。カートリッジヒータ２０による加熱により、所定時間で熱板１４は所定の温度（本実施形態では４００℃）にまで上昇し、その後は、ＰＩＤ制御により前記温度に維持される。なお加熱中には、冷却水ジャケット２３の内部は冷却水がない状態に保たれている。そしてヒートパイプ２２から冷却水ジャケット２３へ放熱される熱量は、鉄などが放熱されるものと同等であって、大きなロスにはならない。
【００２１】
所定の時間が経過すると、カートリッジヒータ２０への通電は停止され、熱板１４の加熱は終了し、次に熱板１４の冷却が行われる。熱板１４の冷却は、制御機構２９から冷却水供給機構３１に信号を送り、冷却水供給機構３１から送水管２６ａを介して冷却水が冷却水ジャケット２３に供給される。そして冷却水ジャケット２３に供給された冷却水によりヒートパイプ２２の端部２２ａおよび非本体部２２ｂの側は冷却され、冷却された熱は、ヒートパイプ２２の一側の本体部２２ｃに伝熱されヒートパイプ２２を介して熱板１４全体が冷却される。その際にヒートパイプ２２による冷却は、熱板１４内において蒸気が発生して熱板１４が部分的に高圧になったりすることがないので、熱板１４の温度を均等に下げることができる。そして冷却水ジャケット２３から排出された冷却水は送水管２６ｂを介して冷却水供給機構３１に循環され、冷却水供給機構３１において冷却水の温調がなされ、再送水される。なお冷却速度の調整方法は、冷却水供給機構３１による冷却水の温度、時間当たり送水量の制御、および冷却水ジャケット２３の冷却水用流路２５に対するヒートパイプ２２の端部２２ａの突出位置の調整等により行なわれる。やがて所定の時間が経過するか、または熱板１４が所定の温度まで低下すると、ラム１６と共に可動盤１３を下降させる。成形中かまたは成形後に真空チャンバ内の真空状態を大気圧とし、成形の完了した積層成形品を取出す。
【００２２】
なお本実施形態では熱板１４を４００℃に加熱する例について記載したが、熱板１４を加熱する温度について前記に限定するものではない。ただし熱板１４を３００℃以上の高温域に加熱する例では前記した加熱の効率化を図ることが必要であり、また熱板１４内を冷却水によって冷却したときに蒸気が発生することによる影響も大きいので、３００℃以上に加熱された状態からヒートパイプ２２によって冷却を行なうと効果が顕著である。  
【００２３】
また本発明については、一々列挙はしないが、上記した実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のホットプレスの全体図である。
【図２】本発明のホットプレスの熱板と冷却水ジャケットの断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１    ホットプレス
１２    上盤
１３    可動盤
１４    熱板
１４ａ  熱板の一側
１４ｂ  熱板の他側
１５    油圧シリンダ
１６    ラム
１７    段板
１８，１９    貫通孔
２０    カートリッジヒータ
２０ａ，２２ａ    端部
２１    電線
２２    ヒートパイプ
２２ｂ  非本体部
２２ｃ  本体部
２３    冷却水ジャケット
２４    ヒートパイプ挿入孔
２５    冷却水用流路
２６ａ，２６ｂ  送水管
２７    金属板部
２８    断熱板
２９    制御機構
３０    油圧機構
３１    冷却水供給機構
【図１】
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【図２】
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