圧縮成形装置、及び金型
【課題】効率的な熱成形が可能な圧縮成形装置、及び金型を提供することを課題とする。
【解決手段】金型に原料１０を投入して加熱し加圧して成形する圧縮装置１であって、原料１０を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型３と、型枠に入れた原料１０を圧縮する第二の金型６と、第二の金型６を支持して加熱する熱源部７と、を備え、第二の金型６は、熱源部７側に一端１６が位置し、原料１０を押圧する押圧面１４側に他端１７が位置するヒートパイプ１３と、ヒートパイプ１３の長手方向に沿ってヒートパイプ１３を包む断熱層１５と、を有する。
【解決手段】金型に原料１０を投入して加熱し加圧して成形する圧縮装置１であって、原料１０を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型３と、型枠に入れた原料１０を圧縮する第二の金型６と、第二の金型６を支持して加熱する熱源部７と、を備え、第二の金型６は、熱源部７側に一端１６が位置し、原料１０を押圧する押圧面１４側に他端１７が位置するヒートパイプ１３と、ヒートパイプ１３の長手方向に沿ってヒートパイプ１３を包む断熱層１５と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮成形装置、及び金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、金型に原料を投入して加熱・加圧成形して作製される、車両を制動するブレーキ用摩擦部材は、車軸と共に回転するディスクやブレーキドラムと接触する摩擦材がプレッシャプレートあるいはリムに圧着されている。摩擦材は、苛酷な使用環境下においても所定の摩擦力を発揮するべく、各種の材料を混ぜたものを結合材で結合している。
【０００３】
摩擦材の熱成形に際しては、金型の熱伝導率を高めるため、例えば、金型にヒートパイプを埋設したものが考案されている（例えば、特許文献１を参照）。なお、ヒートパイプは、他の成形金型や融雪装置などでも利用されている（例えば、特許文献２〜４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平５−９１８２０号公報
【特許文献２】特許第３８９６４６１号公報
【特許文献３】特開平１１−３５０４１１号公報
【特許文献４】特開平５−３３７９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧縮成形に用いる金型の熱容量が大きいと、熱源から被成形物と接する押圧面への伝熱に時間を要する。伝熱速度の問題はヒートパイプで解消し得るが、金型の熱容量が大きいと押圧面が所望の温度に達するまでに時間を要する。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、効率的な熱成形が可能な圧縮成形装置、及び金型を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、金型に内蔵したヒートパイプを断熱層で包むことにした。
【０００８】
詳細には、金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、前記第二の金型は、前記熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有する。
【０００９】
上記圧縮成形装置は、例えば、ディスクブレーキやドラムブレーキの摩擦材といった被成形物の熱成形に適用することが可能であり、プレッシャプレートやリムに摩擦材を圧着して熱成形することができる。
【００１０】
ここで、金型は、様々な形状のものを生産可能なようにするべく、成形装置の熱盤といった熱源部に載置される。よって、被成形物に効率よく熱が伝わるようにするには、金型
の熱伝導率の向上が求められる。上記圧縮成形装置は、熱源部側に一端が位置し、被成形物を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプを金型に設けることで、金型の熱伝導率の向上を図っている。
【００１１】
ところで、例えば摩擦材のような被成形物を熱成形するという観点に鑑みれば、金型全体が昇温される必要はなく、被成形物と接触する押圧面さえ昇温されていればよい。ところが、ヒートパイプは、局部的に加熱されて蒸発した作動液が非加熱部分で凝縮することで熱を瞬時に移動させるものであるため、はじめは被成形物と接触する押圧面にのみ熱が移動するが時間が経過するにつれて金型全体に広がってしまう。また、ヒートパイプの側面から金型内部への熱の移動もあり、熱が押圧面以外の昇温に奪われてしまう。そこで、上記圧縮成形装置は、ヒートパイプの長手方向に沿ってヒートパイプを包む断熱層を有している。これにより、熱源部の熱が押圧面に伝わりやすくなり、金型内部への熱の伝達を防ぎ、効率的な熱成形が可能となる。
【００１２】
なお、前記断熱層は、前記第二の金型の内部に形成される空間であり、該空間には前記熱源部側から前記押圧面側へ延在して該押圧面を背後から支持する支持部が設けられていてもよい。このように形成される金型であれば、押圧面の昇温に寄与しない金型の内部が空洞になっているので、押圧面がヒートパイプにより効率的に昇温され且つヒートパイプによって移動した熱が押圧面の昇温以外に浪費されにくくなり、効率的な熱成形が可能となる。更に、押圧面は背後から支持部によって支持されているので、被成形物を押圧する際の押圧力にも耐えられる。
【００１３】
また、前記第二の金型は、前記押圧面を形成する第一の部材と、前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、前記第一の部材と前記第二の部材との間に挟まれる第一の断熱材と、前記第二の部材と前記熱源部との間に挟まれる第二の断熱材と、を有するものであってもよい。これにより、金型は、押圧面を形成する第一の部材とそれ以外の第二の部材と別々に構成され、更に、第二の部材は、第一の断熱材と第二の断熱材で挟まれる。金型がこのように形成されていれば、熱源部の熱が第二の部材に伝わることなく、ヒートパイプによって第一の部材へ伝えられるため、効率的な熱成形が可能となる。
【００１４】
また、前記ヒートパイプの両端のうち少なくとも一端側には、該ヒートパイプの熱伸縮量を吸収する隙間が設けられていてもよい。このような隙間が設けられていれば、ヒートパイプの、常温時と熱成形時の使用温度差による線膨張率の違いから生じる伸縮によるヒートパイプの損傷を予防することができる。
【００１５】
また、前記第二の金型は、前記押圧面を形成する第一の部材と、前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されていてもよい。第二の部材にヒートパイプがこのように埋設されていれば、熱源部から第二の部材を介して第一の部材へ熱が伝わる過程で、第二の部材から周囲へ放射される熱量が少なくなるので、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わる。
【００１６】
なお、本願発明は、金型としての側面からも捉えることができる。例えば、本願発明は、金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形用の金型であって、前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、を備え、前記第二の金型は、前記第二の金型を支持して加熱する熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有するものであってもよい。
【００１７】
また、本願発明は、金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、前記第二の金型は、前記押圧面を形成する第一の部材と、前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されているものであってもよい。第一の部材を支持する第二の部材に、ヒートパイプがこのように埋設されていれば、第二の部材を介して第一の部材の押圧面へ伝わる熱源部の熱が、第二の部材から周囲へ放熱されにくくなるので、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わるようになる。
【００１８】
また、前記第二の部材は、前記第一の部材と該熱源部との間に配置される板状の部材であり、前記第二の部材には、前記熱源部の熱のうち前記第一の部材が配置されている領域以外の領域の熱を該第一の部材へ運ぶ、該第一の部材を支持する面に沿って延在する前記ヒートパイプが、該第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置された状態で埋設されていてもよい。第一の部材と熱源部との間に配置された板状の部材に、第一の部材が配置されている領域以外の領域の熱を第一の部材へ運ぶヒートパイプが埋設されていれば、周囲へ放熱される熱源部の熱が第一の部材へ集まるため、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わるようになる。
【００１９】
また、前記第一の部材は、前記第二の部材の中心部で支持されており、前記第二の部材には、前記中心部の周辺部と該中心部とを跨ぐように配置した前記ヒートパイプが埋設されていてもよい。第一の部材を支持している第二の部材の中心部とその周辺部とを跨ぐように配置したヒートパイプが前記第一の部材に埋設されていれば、周辺部から周囲へ放熱される熱源部の熱が中心部へ集まるため、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
効率的な熱成形が可能な圧縮成形装置、及び金型を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態に係る成形装置の構造図である。
【図２】第一変形例に係る成形装置の構造図である。
【図３】第二変形例に係る成形装置の構造図である。
【図４】第二変形例の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図５】第二変形例の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図６】ヒートパイプの上端の固定状態を拡大した図である。
【図７】変形例に係る嵌合部の斜視図である。
【図８】伝熱グリースの充填状態を示す図である。
【図９】ヒートパイプの下端の固定状態を拡大した図である。
【図１０】第一変形例の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図１１】下型に埋め込んだヒートパイプの位置を上から見た図である。
【図１２】実施形態の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図１３】実施形態の別態様に係る成形装置の熱の移動を示した図である。
【図１４】実施形態の別態様に係る成形装置の変形例を示した図である。
【図１５】ヒートパイプと放熱との関係を示した図である。
【図１６】下熱盤から押圧面までの温度勾配を示したグラフである。
【図１７】押圧面の昇温が完了するまでの温度変化のグラフである。
【図１８】ヒートパイプの本数と到達可能な温度との関係を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本願発明の実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る成形装置１の構造図である。成形装置１は、図１に示すように、上型２、中型３、及び下型４の上に立設されたパンチ６を有する金型５と、下型４を介してパンチ６が固定された下熱盤７および上型２が固定された上熱盤８を有する熱成形装置本体９とを備える。下熱盤７および上熱盤８は、図示しない加温ヒータを内蔵している。下熱盤７の熱はパンチ６へ伝わり、上熱盤８の熱は上型２へ伝わる。また、下熱盤７は、図示しない油圧シリンダにより上下動に動き、金型５に入れられた摩擦材１０の原料を成形可能な様になっている。
【００２３】
金型５は、ディスク式ブレーキのブレーキパッドの摩擦材を熱成形するための金型５であり、中型３が構成する型枠内に摩擦材１０の原料を投入したのち、ばね部材１２に弾性支持された中型３の上にプレッシャプレート１１を載せ、下型４を上に上げてプレスする。下型４を上に上げるとパンチ６が摩擦材１０の原料を圧縮し、やがてプレッシャプレート１１が上型２に接触する。これにより、プレッシャプレート１１の摩擦材１０を熱成形すべき領域が中型３の型枠によって囲まれる。
【００２４】
金型５は、上熱盤８と下熱盤７によって加熱されているため、成形を続けると、摩擦材１０の原料に含まれている摩擦調整材等の成分が結合材によって結合され、プレッシャプレート１１に固定された状態で熱成形される。
【００２５】
ここで、パンチ６は、図１に示すように、ヒートパイプ１３を有している。ヒートパイプ１３は、パンチ６の下端付近に一端が位置しており、摩擦材を押圧する押圧面１４の背部、換言すると、パンチ６の上端付近に他端が位置するように、パンチ６の内部で上下方向に複数本配置されている。
【００２６】
また、パンチ６は、図１に示すように、ヒートパイプ１３の長手方向に沿って該ヒートパイプ１３を包む断熱層１５を有している。この断熱層１５は、空気の層である。ヒートパイプ１３の周囲に断熱層１５が設けられていることにより、ヒートパイプ１３の下側、換言すると下熱盤７側の端部である下端１６に入った熱は、途中でパンチ６に奪われること無くそのまま上端１７に伝えられる。なお、上記断熱層１５は、中空の空気層のみならず、熱伝導性の低い各種素材を用いて熱伝導を抑える構成を採ってもよい。
【００２７】
ヒートパイプ１３は、パイプ中に揮発性の作動液を封入したものであるため、局部的に加熱されると作動液が蒸発して非加熱部分で凝縮するというサイクルを繰り返すことで、熱を瞬時に移動する。ヒートパイプ１３を設けない場合、不可避的にパンチ６全体を温めることになるので多くの熱と目標温度に到達するまでに長い時間を必要とし、また、金型５は主成分が鉄であるために熱伝導も非常に遅い。ヒートパイプ１３の熱伝導率が２００００〜４００００Ｗ／ｍＫであるのに対し、鋳鉄の熱伝導率は８４Ｗ／ｍＫ程度である。
【００２８】
断熱層１５を設けない場合、ヒートパイプ１３内で下端１６から伝わる熱が上端１７に到達する前にヒートパイプ１３の側面からパンチ６に広がってしまう。しかし、本実施形態に係るパンチ６は、断熱層１５を設けているため、ヒートパイプ１３の下端１６で下熱盤７から受けとった熱がヒートパイプ１３の側面からパンチ６内部へ逃げることなく上端１７へ伝わる。これにより、下熱盤７の熱が効率的に押圧面１４に移動する。このため、本実施形態に係る金型５によれば、冷温状態から起動しても押圧面１４が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。
【００２９】
なお、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。説明の便宜上、上述した実施形態に係る成形装置１の構成要素と同一の部材については同一の符号を付し、その詳細な説
明を省く。
【００３０】
図２は、第一変形例に係る成形装置１Ａの構造図である。成形装置１Ａは、図２に示すように、上型２、中型３、及び下型４の上に立設されたパンチ６Ａを有する金型５Ａと、下型４を介してパンチ６Ａが固定された下熱盤７および上型２が固定された上熱盤８を有する熱成形装置本体９とを備える。
【００３１】
ここで、パンチ６Ａは、摩擦材を押圧する押圧面１４を形成する上部パンチ２８と、上部パンチ２８を支持する下部パンチ２９の２つの部材を備えており、また、パンチ６と同様にヒートパイプ１３や断熱層１５を有している。また、上部パンチ２８と下部パンチ２９との間、及び下部パンチ２９と下型４との間には、断熱材がそれぞれ配置されている。下側の断熱材を下部断熱材１８、上側の断熱材を上部断熱材１９と呼ぶことにする。パンチ６Ａは、これらの部材、すなわち、上部パンチ２８や下部パンチ２９、上部断熱材１９や下部断熱材１８を図示しないボルトで締結することにより構成される。上部断熱材１９や下部断熱材１８は、熱成形時の押圧力に耐えられる材料であり、例えば、マイカ、ガラス、ガラス繊維、シリコンなどの複合材料で構成される。
【００３２】
下部断熱材１８は、下熱盤７の熱がパンチ６Ａの加熱不要な中間部分である下部パンチ２９に拡散するのを防ぐことで、下熱盤７の熱がヒートパイプ１３に伝わりやすくする。また、上部断熱材１９は、ヒートパイプ１３から得た熱が下部パンチ２９に拡散するのを防ぐことで、ヒートパイプ１３の熱が上部パンチ２８の押圧面１４に伝わりやすくする。パンチ６Ａが上部パンチ２８や下部パンチ２９、上部断熱材１９や下部断熱材１８による複層構造を採るため、本変形例に係る金型５Ａによれば、冷温状態からの起動であっても押圧面１４が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。
【００３３】
図３は、第二変形例に係る成形装置１Ｂの構造図である。成形装置１Ｂは、図３に示すように、上型２、中型３、及び下型４の上に立設されたパンチ６Ｂを有する金型５Ｂと、下型４を介してパンチ６Ｂが固定された下熱盤７および上型２が固定された上熱盤８を有する熱成形装置本体９とを備える。
【００３４】
ここで、パンチ６Ｂは、パンチ６と同様にヒートパイプ１３や断熱層１５Ｂを有している。ここで、本変形例に係る断熱層１５Ｂは、既述した断熱層１５と同様、ヒートパイプ１３の長手方向に沿って該ヒートパイプ１３を包んでいるが、この層はパンチ６Ｂの内部の全体に広がっている。すなわち、断熱層１５Ｂは、パンチ６Ｂの内部に空洞を形成している。パンチ６Ｂの内部に空洞が形成されていることにより、熱容量を小さくし、途中で放熱することなくヒートパイプ１３の下端１６から上端１７へ熱が伝わり、また、下熱盤７の熱が拡散することなくヒートパイプ１３に伝わりやすくなる。パンチ６Ｂが中空構造を採るため、本変形例に係る金型５Ｂによれば、冷温状態からの起動であっても押圧面１４が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。
【００３５】
なお、成形装置１Ｂは、例えば、図４に示すように、成形時の押圧面１４の撓みを抑えるため、断熱層１５Ｂ内に立設される支持部２０を設けてもよい。この支持部２０は、柱状のものであってもよいし、板状のものであってもよい。断熱層１５Ｂに支持部２０が設けられていれば、成形時に押圧面１４に加わる荷重に耐えることができる。支持部２０の配置箇所や形状、本数、大きさは、断熱層１５Ｂの大きさやヒートパイプ１３の本数、成形時の荷重等に応じて適宜決定する。例えば、図５に示すような変形例もある。
【００３６】
ところで、上記各実施形態や変形例に係る各ヒートパイプは、以下のようにして固定されている。図６は、実施形態に係る金型５のヒートパイプ１３の上端１７の固定状態を拡大した図である。ヒートパイプ１３が銅で構成されているのに対し、パンチ６は鋳鉄で構
成されているため、ヒートパイプ１３の熱膨張率は下型４やパンチ６よりも大きい。そこで、パンチ６は、常温の場合、図６に示すようにヒートパイプ１３の上端１７とパンチ６の対向面２２との間に隙間２３Ａができるように構成する。この隙間２３Ａの上下方向の長さは、パンチ６とヒートパイプ１３との熱膨張率の差、ヒートパイプ１３の常温から使用温度へ昇温させたときの線膨張差、ヒートパイプ１３の長さ等に応じて適宜決定する。また、ヒートパイプ１３の上端１７と対向するパンチ６の対向面２２と押圧面１４との間の厚さＨは、圧縮成形による変形がないよう適切な強度計算によって設計される。なお、上記パンチ６は鋳鉄のみならず、他の鉄系材料（例えば、鋼材や各種の合金類）を使用してもよい。また、ヒートパイプの材料は、銅に限定されず、例えば、アルミニウムやステンレスなどを採用してもよい。
【００３７】
また、隙間２３Ａには、ヒートパイプ１３とパンチ６との間の熱伝導率を保つため、伝熱グリースを注入しておいてもよい。伝熱グリースは、高い熱伝導率が発揮されるよう、銅粉等が混入された粘性の液体であり、ヒートパイプ１３をパンチ６に組み付ける際に嵌合部２１内に注入しておく。なお、伝熱グリースを用いる場合は、例えば、図７に示すように、対向面２２の縁に環状のスリット２５を設けてもよいし、敢えてスリット２５を設けずに、ヒートパイプ１３と周壁面２４との間に隙間ができるようにしてもよい。対向面２２の縁にスリット２５を設けておけば、図８に示すように、ヒートパイプ１３の上端１７と嵌合部２１とが熱膨張により相対的に変位しても、隙間２３Ａに入っている伝熱グリース２７がスリット２５に保持される。よって、熱膨張により隙間２３Ａが狭くなっても嵌合部２１の周壁面２４とヒートパイプ１３との間の隙間から伝熱グリースが噴出して断熱層１５内に飛散し、嵌合部２１内から失われてしまうようなことが無い。
【００３８】
なお、ヒートパイプ１３は、以下のように固定してもよい。図９は、実施形態に係る金型５のヒートパイプ１３の下端１６の固定状態を拡大した図である。ヒートパイプ１３の下端１６は、常温の場合、図９に示すようにヒートパイプ１３の下端１６と下熱盤７との間に隙間２３Ｂができるように構成する。この隙間２３Ｂの上下方向の長さは、隙間２３Ａと同様、パンチ６とヒートパイプ１３との熱膨張率の差、ヒートパイプ１３の常温から使用温度へ昇温させたときの線膨張差、ヒートパイプ１３の長さ等に応じて適宜決定する。ここで、この隙間２３Ｂには、隙間２３Ａと異なり、板バネ２６が挿置されている。板バネ２６は、ヒートパイプ１３の下端１６を上方向に付勢する。これにより、ヒートパイプ１３とパンチ６とが熱膨張しても、ヒートパイプ１３の上端１７と嵌合部２１の対向面２２との密着性、換言すると、ヒートパイプ１３の上端１７とパンチ６との間の熱伝導率が保たれる。なお、板バネ２６の代わりに螺旋状のバネ、或いは耐熱性の弾性部材を挿置してもよい。
【００３９】
なお、図７〜９では、実施形態に係る金型５を変形する場合について例示したが、各変形例に係る金型５Ａ，Ｂについても同様に変形可能である。
【００４０】
また、上記各実施形態や変形例は、以下のように変形してもよい。第一実施形態の第一変形例に係る成形装置１Ａの別態様を図１０に示す。なお、ここでは上記成形装置１Ａの別態様を例示しているが、実施形態に係る成形装置１や、第二変形例１Ｂについても同様に適用できる。本態様に係る成形装置１Ａｘは、図１０に示すように、下熱盤７を覆う板状の下型４ｘにヒートパイプ１３ｘが横方向に埋め込まれている。このヒートパイプ１３ｘは、下熱盤７に内蔵されている図示しない加温ヒータの熱をパンチ６へ集めることで、下型４の放熱を抑制する。
【００４１】
ヒートパイプ１３ｘは、下熱盤７に内蔵されている加温ヒータの熱がパンチ６に集中するよう、図１１（Ａ）や図１１（Ｂ）や図１１（Ｃ）に示すように、パンチ６が配置されている領域ＲＩとそれ以外の領域ＲＯとを跨ぐ様に下型４に埋め込まれている。ヒートパ
イプ１３ｘは、一端が領域ＲＩにあり他端が領域ＲＯに位置して両領域を跨いでいてもよいし、両端が領域ＲＯにありその間に領域ＲＩが挟まれるように位置して両領域を跨いでいてもよい。領域ＲＩは、パンチ６が配置されている領域であって、加熱されるとパンチ６の押圧面１４が昇温する領域である。また、領域ＲＯは、パンチ６が配置されている領域以外の領域であって、下熱盤７の熱を周囲の空気へ放熱する領域である。なお、図１１に示すヒートパイプ１３ｘの位置は単なる一例であって本発明はこれに限定されるものでなく、領域ＲＩと領域ＲＯとを跨ぐものであれば如何なる位置に配置されていてもよい。例えば、パンチ６が複数配置されていれば、パンチ６が配置されている各領域ＲＩとそれ以外の領域ＲＯとを跨ぐようにヒートパイプ１３ｘが配置してもよい。
【００４２】
また、ヒートパイプ１３ｘを下型４に横方向に埋め込むことによるパンチ６への集熱効果は、パンチ６の内部に埋め込んだヒートパイプ１３の有無に関わらない。すなわち、上記成形装置１Ａｘは、例えば、パンチ６に埋め込んだヒートパイプ１３を省いてもよい。ヒートパイプ１３を省いた構成については、本態様を実施形態に係る成形装置１や第二変形例１Ｂについて適用した場合についても同様に適用できる。実施形態に係る成形装置１のヒートパイプ１３を省く代わりに、下型４にヒートパイプを横方向に埋め込んだ態様を図１２に示す。本態様に係る成形装置１ｙは、図１２に示すように、パンチ６に埋め込まれていたヒートパイプ１３を省く代わりに、下型４ｙにヒートパイプ１３ｙが横方向に埋め込まれている。このヒートパイプ１３ｙは、下熱盤７の熱をパンチ６へ集める。ヒートパイプ１３ｙの位置は、図１１に示したものと同様であり、パンチ６が配置されている領域ＲＩとそれ以外の領域ＲＯとを跨ぐ様に下型４に埋め込まれている。
【００４３】
図１３は、本態様に係る成形装置１ｙの熱の移動を示した図である。成形装置１ｙは、ヒートパイプ１３ｙが埋め込まれているため、例えば、図１３に示すように、下型４ｙの上に配置されたパンチ６の周囲から放熱される下熱盤７の熱の放散が抑えられる。ヒートパイプ１３ｙは、温度の高い所から低い所へ熱を輸送する性質を有するため、摩擦材１０が金型５へ繰り返し投入されることで熱が奪われるパンチ６へ周囲の熱が集まる。
【００４４】
一方、例えば、図１４に示すように、ヒートパイプ１３ｙが埋め込まれていない場合、摩擦材が金型へ繰り返し投入されて熱が奪われてもパンチへ周囲の熱が集まらず、パンチの周囲から放熱される下熱盤の熱の放散が抑えられない。
【００４５】
また、横のヒートパイプ１３ｘと縦のヒートパイプ１３とは互いに別体であるものに限定されるものではなく、例えば、ヒートパイプが領域ＲＯから領域ＲＩを通過してから上方向へ曲がってパンチ内に配置されたような、Ｌ字状に形成されていてもよい。
【００４６】
ヒートパイプと放熱との関係を図１５に示す。ヒートパイプ１３のみを設けたもの、換言すると、縦のヒートパイプのみを設けたものを図１５（Ａ）に示す。また、ヒートパイプ１３ｘのみを設けたもの、換言すると、横のヒートパイプのみを設けたものを図１５（Ｂ）に示す。また、ヒートパイプ１３とヒートパイプ１３ｘの両方を設けた本変形例のものを図１５（Ｃ）に示す。なお、図１５（Ａ）〜（Ｃ）では、パンチと下型のみを図示しており、その他は省いている。図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、縦のヒートパイプのみを設けたものは下熱盤の熱がパンチへ集まらないため、下型の放熱量が多い。また、横のヒートパイプのみを設けたものは下熱盤の熱がパンチへ集まるものの、パンチの押圧面までの間の側方への放熱量が多い。一方、縦と横の両方のヒートパイプを設けたものは、下熱盤の熱がパンチの押圧面へ効率的に集まり、放熱量が少ない。
【００４７】
本実施形態の効果を実験で検証したので、その結果を以下に示す。図１６は、ヒートパイプや断熱層を有しない金型（比較例１）、縦のヒートパイプを有し断熱層を有しない金型（比較例２）、縦のヒートパイプと断熱層を有する第一変形例に係る金型（実施例１）
、横のヒートパイプを有する実施形態の別態様に係る金型（実施例２）、縦と横のヒートパイプと断熱層を有する第一変形例の別態様に係る金型（実施例３）について、下熱盤から押圧面までの温度勾配を示したグラフである。図１６のグラフから明らかなように、比較例１の場合、熱盤から離れて押圧面に近づくにつれて徐々に温度が低下することが判る。比較例２の場合、比較例１ほど急激ではないものの、比較例１と同様に温度が低下することが判る。他方、実施例１〜３の場合、熱盤から離れて押圧面に近づくにつれても、温度がほとんど低下しないことが判る。特に、実施例３の場合には実施例１や実施例２に比べても著しく温度低下しないことが判る。
【００４８】
これは、次のような理由による。すなわち、比較例１の場合、熱の輸送経路は、熱盤―パンチ内部―押圧面というルートをたどる。比較例２の場合、熱の輸送経路は、熱盤―ヒートパイプ―パンチ内部―押圧面というルートをたどる。これに対し、実施例１や実施例３の場合、熱の輸送経路は、熱盤―ヒートパイプ―押圧面―パンチ内部というルートをたどる。すなわち、パンチ内部への伝熱が最後になるため、押圧面が優先的に昇温される。また、実施例２の場合、熱の輸送経路は、熱盤―横ヒートパイプ―パンチ内部―押圧面というルートをたどる。すなわち、下熱盤の熱が下型に広がるよりも前にパンチ内部へ集まるため、押圧面が優先的に昇温される。これにより、コールドスタート後であっても押圧面が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。特に実施例３の場合、下型の周囲への放熱量が少ないので、熱盤の熱が効率的にヒートパイプへ伝わり、押圧面が更に優先的に昇温される。
【００４９】
また、実施例１〜３と比較例１、比較例２について、押圧面の昇温が完了するまでの温度変化のグラフを図１７に示す。図１７に示すように、実施例１の場合、約１５０℃で飽和するまでの時間は１０分程度である。また、実施例２の場合、約１５１℃で飽和するまでの時間は１２分程度である。また、実施例３の場合、約１５３℃で飽和するまでの時間は５分程度である。一方、比較例１の場合、約８０℃で飽和するまでに８０分程度を要する。また、比較例２の場合、約１４０℃で飽和するまでに５０分程度を要する。なお、この実験を行なった際の熱盤の設定温度は１６０℃である。
【００５０】
このように、実施例１〜３は比較例１や比較例２よりも極めて瞬時に押圧面が昇温されるため、以下のような有利な点がある。すなわち、比較例１や比較例２のように、昇温が遅いため、熱盤の温度と押圧面の温度との差を無視できない場合、押圧面が所望の温度に達して例えば、摩擦材を熱成形可能であるか否かを確かめるために、熱電対をパンチ内部に埋め込み、配線類を下型から取り出す等の措置を講ずる必要がある。このため、熱盤に載せた金型の交換等が極めて面倒となる。一方、実施例１〜３のように、昇温が速いため、熱盤の温度と押圧面の温度との差がほとんど生じないと、押圧面が所望の温度に達して摩擦材を熱成形可能であるか否かを確かめるために、熱電対をパンチ内部に埋め込む必要が無い。熱盤の温度を計測すれば済むからである。よって、配線類を下型から取り出す等の措置を講ずる必要がなくなり、熱盤に載せた金型の交換等が極めて容易となる。また、実施例のように押圧面の温度が制御しやすいと、成形する摩擦材の品質を安定させやすい。特に、実施例３の場合には実施例１や実施例２に比べても下型における放熱量が少ないので押圧面の飽和温度も高く、しかも短時間で飽和温度に達する。
【００５１】
なお、ヒートパイプの本数は、押圧面が到達可能な温度と相関があると考えられたので、その検証結果を以下に示す。
【００５２】
図１８は、ヒートパイプの本数と到達可能な温度との関係を比較したグラフである。図１８に示すように、ヒートパイプが１，２本程度だと到達する温度（飽和温度）が９０〜１１０℃程度であるの対し、ヒートパイプが３本以上だと到達する温度が１２０℃程度となることが判る。なお、このときの熱盤の設定温度は１２０℃としている。そして、ヒー
トパイプの本数を増やすと、昇温速度は速くなるものの、この検証結果においては飽和温度は３本以上であればほとんど差異が無い事が判る。ヒートパイプの本数やヒートパイプの長さ、形状（断面）、太さ（径）は製造する製品の形状や昇温速度、金型の温度が安定する飽和温度に応じて適宜決定することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１，１Ａ，１Ｂ・・成形装置
５，５Ａ，５Ｂ・・金型
６，６Ａ，６Ｂ・・パンチ
７・・下熱盤
１０・・摩擦材
１１・・プレッシャプレート
１３，１３ｘ・・ヒートパイプ
１４・・押圧面
１５，１５Ｂ・・断熱層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮成形装置、及び金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、金型に原料を投入して加熱・加圧成形して作製される、車両を制動するブレーキ用摩擦部材は、車軸と共に回転するディスクやブレーキドラムと接触する摩擦材がプレッシャプレートあるいはリムに圧着されている。摩擦材は、苛酷な使用環境下においても所定の摩擦力を発揮するべく、各種の材料を混ぜたものを結合材で結合している。
【０００３】
摩擦材の熱成形に際しては、金型の熱伝導率を高めるため、例えば、金型にヒートパイプを埋設したものが考案されている（例えば、特許文献１を参照）。なお、ヒートパイプは、他の成形金型や融雪装置などでも利用されている（例えば、特許文献２〜４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平５−９１８２０号公報
【特許文献２】特許第３８９６４６１号公報
【特許文献３】特開平１１−３５０４１１号公報
【特許文献４】特開平５−３３７９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧縮成形に用いる金型の熱容量が大きいと、熱源から被成形物と接する押圧面への伝熱に時間を要する。伝熱速度の問題はヒートパイプで解消し得るが、金型の熱容量が大きいと押圧面が所望の温度に達するまでに時間を要する。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、効率的な熱成形が可能な圧縮成形装置、及び金型を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、金型に内蔵したヒートパイプを断熱層で包むことにした。
【０００８】
詳細には、金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、前記第二の金型は、前記熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有する。
【０００９】
上記圧縮成形装置は、例えば、ディスクブレーキやドラムブレーキの摩擦材といった被成形物の熱成形に適用することが可能であり、プレッシャプレートやリムに摩擦材を圧着して熱成形することができる。
【００１０】
ここで、金型は、様々な形状のものを生産可能なようにするべく、成形装置の熱盤といった熱源部に載置される。よって、被成形物に効率よく熱が伝わるようにするには、金型
の熱伝導率の向上が求められる。上記圧縮成形装置は、熱源部側に一端が位置し、被成形物を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプを金型に設けることで、金型の熱伝導率の向上を図っている。
【００１１】
ところで、例えば摩擦材のような被成形物を熱成形するという観点に鑑みれば、金型全体が昇温される必要はなく、被成形物と接触する押圧面さえ昇温されていればよい。ところが、ヒートパイプは、局部的に加熱されて蒸発した作動液が非加熱部分で凝縮することで熱を瞬時に移動させるものであるため、はじめは被成形物と接触する押圧面にのみ熱が移動するが時間が経過するにつれて金型全体に広がってしまう。また、ヒートパイプの側面から金型内部への熱の移動もあり、熱が押圧面以外の昇温に奪われてしまう。そこで、上記圧縮成形装置は、ヒートパイプの長手方向に沿ってヒートパイプを包む断熱層を有している。これにより、熱源部の熱が押圧面に伝わりやすくなり、金型内部への熱の伝達を防ぎ、効率的な熱成形が可能となる。
【００１２】
なお、前記断熱層は、前記第二の金型の内部に形成される空間であり、該空間には前記熱源部側から前記押圧面側へ延在して該押圧面を背後から支持する支持部が設けられていてもよい。このように形成される金型であれば、押圧面の昇温に寄与しない金型の内部が空洞になっているので、押圧面がヒートパイプにより効率的に昇温され且つヒートパイプによって移動した熱が押圧面の昇温以外に浪費されにくくなり、効率的な熱成形が可能となる。更に、押圧面は背後から支持部によって支持されているので、被成形物を押圧する際の押圧力にも耐えられる。
【００１３】
また、前記第二の金型は、前記押圧面を形成する第一の部材と、前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、前記第一の部材と前記第二の部材との間に挟まれる第一の断熱材と、前記第二の部材と前記熱源部との間に挟まれる第二の断熱材と、を有するものであってもよい。これにより、金型は、押圧面を形成する第一の部材とそれ以外の第二の部材と別々に構成され、更に、第二の部材は、第一の断熱材と第二の断熱材で挟まれる。金型がこのように形成されていれば、熱源部の熱が第二の部材に伝わることなく、ヒートパイプによって第一の部材へ伝えられるため、効率的な熱成形が可能となる。
【００１４】
また、前記ヒートパイプの両端のうち少なくとも一端側には、該ヒートパイプの熱伸縮量を吸収する隙間が設けられていてもよい。このような隙間が設けられていれば、ヒートパイプの、常温時と熱成形時の使用温度差による線膨張率の違いから生じる伸縮によるヒートパイプの損傷を予防することができる。
【００１５】
また、前記第二の金型は、前記押圧面を形成する第一の部材と、前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されていてもよい。第二の部材にヒートパイプがこのように埋設されていれば、熱源部から第二の部材を介して第一の部材へ熱が伝わる過程で、第二の部材から周囲へ放射される熱量が少なくなるので、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わる。
【００１６】
なお、本願発明は、金型としての側面からも捉えることができる。例えば、本願発明は、金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形用の金型であって、前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、を備え、前記第二の金型は、前記第二の金型を支持して加熱する熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有するものであってもよい。
【００１７】
また、本願発明は、金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、前記第二の金型は、前記押圧面を形成する第一の部材と、前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されているものであってもよい。第一の部材を支持する第二の部材に、ヒートパイプがこのように埋設されていれば、第二の部材を介して第一の部材の押圧面へ伝わる熱源部の熱が、第二の部材から周囲へ放熱されにくくなるので、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わるようになる。
【００１８】
また、前記第二の部材は、前記第一の部材と該熱源部との間に配置される板状の部材であり、前記第二の部材には、前記熱源部の熱のうち前記第一の部材が配置されている領域以外の領域の熱を該第一の部材へ運ぶ、該第一の部材を支持する面に沿って延在する前記ヒートパイプが、該第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置された状態で埋設されていてもよい。第一の部材と熱源部との間に配置された板状の部材に、第一の部材が配置されている領域以外の領域の熱を第一の部材へ運ぶヒートパイプが埋設されていれば、周囲へ放熱される熱源部の熱が第一の部材へ集まるため、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わるようになる。
【００１９】
また、前記第一の部材は、前記第二の部材の中心部で支持されており、前記第二の部材には、前記中心部の周辺部と該中心部とを跨ぐように配置した前記ヒートパイプが埋設されていてもよい。第一の部材を支持している第二の部材の中心部とその周辺部とを跨ぐように配置したヒートパイプが前記第一の部材に埋設されていれば、周辺部から周囲へ放熱される熱源部の熱が中心部へ集まるため、熱源部の熱が押圧面へ効果的に伝わるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
効率的な熱成形が可能な圧縮成形装置、及び金型を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態に係る成形装置の構造図である。
【図２】第一変形例に係る成形装置の構造図である。
【図３】第二変形例に係る成形装置の構造図である。
【図４】第二変形例の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図５】第二変形例の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図６】ヒートパイプの上端の固定状態を拡大した図である。
【図７】変形例に係る嵌合部の斜視図である。
【図８】伝熱グリースの充填状態を示す図である。
【図９】ヒートパイプの下端の固定状態を拡大した図である。
【図１０】第一変形例の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図１１】下型に埋め込んだヒートパイプの位置を上から見た図である。
【図１２】実施形態の別態様に係る成形装置の構造図である。
【図１３】実施形態の別態様に係る成形装置の熱の移動を示した図である。
【図１４】実施形態の別態様に係る成形装置の変形例を示した図である。
【図１５】ヒートパイプと放熱との関係を示した図である。
【図１６】下熱盤から押圧面までの温度勾配を示したグラフである。
【図１７】押圧面の昇温が完了するまでの温度変化のグラフである。
【図１８】ヒートパイプの本数と到達可能な温度との関係を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本願発明の実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る成形装置１の構造図である。成形装置１は、図１に示すように、上型２、中型３、及び下型４の上に立設されたパンチ６を有する金型５と、下型４を介してパンチ６が固定された下熱盤７および上型２が固定された上熱盤８を有する熱成形装置本体９とを備える。下熱盤７および上熱盤８は、図示しない加温ヒータを内蔵している。下熱盤７の熱はパンチ６へ伝わり、上熱盤８の熱は上型２へ伝わる。また、下熱盤７は、図示しない油圧シリンダにより上下動に動き、金型５に入れられた摩擦材１０の原料を成形可能な様になっている。
【００２３】
金型５は、ディスク式ブレーキのブレーキパッドの摩擦材を熱成形するための金型５であり、中型３が構成する型枠内に摩擦材１０の原料を投入したのち、ばね部材１２に弾性支持された中型３の上にプレッシャプレート１１を載せ、下型４を上に上げてプレスする。下型４を上に上げるとパンチ６が摩擦材１０の原料を圧縮し、やがてプレッシャプレート１１が上型２に接触する。これにより、プレッシャプレート１１の摩擦材１０を熱成形すべき領域が中型３の型枠によって囲まれる。
【００２４】
金型５は、上熱盤８と下熱盤７によって加熱されているため、成形を続けると、摩擦材１０の原料に含まれている摩擦調整材等の成分が結合材によって結合され、プレッシャプレート１１に固定された状態で熱成形される。
【００２５】
ここで、パンチ６は、図１に示すように、ヒートパイプ１３を有している。ヒートパイプ１３は、パンチ６の下端付近に一端が位置しており、摩擦材を押圧する押圧面１４の背部、換言すると、パンチ６の上端付近に他端が位置するように、パンチ６の内部で上下方向に複数本配置されている。
【００２６】
また、パンチ６は、図１に示すように、ヒートパイプ１３の長手方向に沿って該ヒートパイプ１３を包む断熱層１５を有している。この断熱層１５は、空気の層である。ヒートパイプ１３の周囲に断熱層１５が設けられていることにより、ヒートパイプ１３の下側、換言すると下熱盤７側の端部である下端１６に入った熱は、途中でパンチ６に奪われること無くそのまま上端１７に伝えられる。なお、上記断熱層１５は、中空の空気層のみならず、熱伝導性の低い各種素材を用いて熱伝導を抑える構成を採ってもよい。
【００２７】
ヒートパイプ１３は、パイプ中に揮発性の作動液を封入したものであるため、局部的に加熱されると作動液が蒸発して非加熱部分で凝縮するというサイクルを繰り返すことで、熱を瞬時に移動する。ヒートパイプ１３を設けない場合、不可避的にパンチ６全体を温めることになるので多くの熱と目標温度に到達するまでに長い時間を必要とし、また、金型５は主成分が鉄であるために熱伝導も非常に遅い。ヒートパイプ１３の熱伝導率が２００００〜４００００Ｗ／ｍＫであるのに対し、鋳鉄の熱伝導率は８４Ｗ／ｍＫ程度である。
【００２８】
断熱層１５を設けない場合、ヒートパイプ１３内で下端１６から伝わる熱が上端１７に到達する前にヒートパイプ１３の側面からパンチ６に広がってしまう。しかし、本実施形態に係るパンチ６は、断熱層１５を設けているため、ヒートパイプ１３の下端１６で下熱盤７から受けとった熱がヒートパイプ１３の側面からパンチ６内部へ逃げることなく上端１７へ伝わる。これにより、下熱盤７の熱が効率的に押圧面１４に移動する。このため、本実施形態に係る金型５によれば、冷温状態から起動しても押圧面１４が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。
【００２９】
なお、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。説明の便宜上、上述した実施形態に係る成形装置１の構成要素と同一の部材については同一の符号を付し、その詳細な説
明を省く。
【００３０】
図２は、第一変形例に係る成形装置１Ａの構造図である。成形装置１Ａは、図２に示すように、上型２、中型３、及び下型４の上に立設されたパンチ６Ａを有する金型５Ａと、下型４を介してパンチ６Ａが固定された下熱盤７および上型２が固定された上熱盤８を有する熱成形装置本体９とを備える。
【００３１】
ここで、パンチ６Ａは、摩擦材を押圧する押圧面１４を形成する上部パンチ２８と、上部パンチ２８を支持する下部パンチ２９の２つの部材を備えており、また、パンチ６と同様にヒートパイプ１３や断熱層１５を有している。また、上部パンチ２８と下部パンチ２９との間、及び下部パンチ２９と下型４との間には、断熱材がそれぞれ配置されている。下側の断熱材を下部断熱材１８、上側の断熱材を上部断熱材１９と呼ぶことにする。パンチ６Ａは、これらの部材、すなわち、上部パンチ２８や下部パンチ２９、上部断熱材１９や下部断熱材１８を図示しないボルトで締結することにより構成される。上部断熱材１９や下部断熱材１８は、熱成形時の押圧力に耐えられる材料であり、例えば、マイカ、ガラス、ガラス繊維、シリコンなどの複合材料で構成される。
【００３２】
下部断熱材１８は、下熱盤７の熱がパンチ６Ａの加熱不要な中間部分である下部パンチ２９に拡散するのを防ぐことで、下熱盤７の熱がヒートパイプ１３に伝わりやすくする。また、上部断熱材１９は、ヒートパイプ１３から得た熱が下部パンチ２９に拡散するのを防ぐことで、ヒートパイプ１３の熱が上部パンチ２８の押圧面１４に伝わりやすくする。パンチ６Ａが上部パンチ２８や下部パンチ２９、上部断熱材１９や下部断熱材１８による複層構造を採るため、本変形例に係る金型５Ａによれば、冷温状態からの起動であっても押圧面１４が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。
【００３３】
図３は、第二変形例に係る成形装置１Ｂの構造図である。成形装置１Ｂは、図３に示すように、上型２、中型３、及び下型４の上に立設されたパンチ６Ｂを有する金型５Ｂと、下型４を介してパンチ６Ｂが固定された下熱盤７および上型２が固定された上熱盤８を有する熱成形装置本体９とを備える。
【００３４】
ここで、パンチ６Ｂは、パンチ６と同様にヒートパイプ１３や断熱層１５Ｂを有している。ここで、本変形例に係る断熱層１５Ｂは、既述した断熱層１５と同様、ヒートパイプ１３の長手方向に沿って該ヒートパイプ１３を包んでいるが、この層はパンチ６Ｂの内部の全体に広がっている。すなわち、断熱層１５Ｂは、パンチ６Ｂの内部に空洞を形成している。パンチ６Ｂの内部に空洞が形成されていることにより、熱容量を小さくし、途中で放熱することなくヒートパイプ１３の下端１６から上端１７へ熱が伝わり、また、下熱盤７の熱が拡散することなくヒートパイプ１３に伝わりやすくなる。パンチ６Ｂが中空構造を採るため、本変形例に係る金型５Ｂによれば、冷温状態からの起動であっても押圧面１４が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。
【００３５】
なお、成形装置１Ｂは、例えば、図４に示すように、成形時の押圧面１４の撓みを抑えるため、断熱層１５Ｂ内に立設される支持部２０を設けてもよい。この支持部２０は、柱状のものであってもよいし、板状のものであってもよい。断熱層１５Ｂに支持部２０が設けられていれば、成形時に押圧面１４に加わる荷重に耐えることができる。支持部２０の配置箇所や形状、本数、大きさは、断熱層１５Ｂの大きさやヒートパイプ１３の本数、成形時の荷重等に応じて適宜決定する。例えば、図５に示すような変形例もある。
【００３６】
ところで、上記各実施形態や変形例に係る各ヒートパイプは、以下のようにして固定されている。図６は、実施形態に係る金型５のヒートパイプ１３の上端１７の固定状態を拡大した図である。ヒートパイプ１３が銅で構成されているのに対し、パンチ６は鋳鉄で構
成されているため、ヒートパイプ１３の熱膨張率は下型４やパンチ６よりも大きい。そこで、パンチ６は、常温の場合、図６に示すようにヒートパイプ１３の上端１７とパンチ６の対向面２２との間に隙間２３Ａができるように構成する。この隙間２３Ａの上下方向の長さは、パンチ６とヒートパイプ１３との熱膨張率の差、ヒートパイプ１３の常温から使用温度へ昇温させたときの線膨張差、ヒートパイプ１３の長さ等に応じて適宜決定する。また、ヒートパイプ１３の上端１７と対向するパンチ６の対向面２２と押圧面１４との間の厚さＨは、圧縮成形による変形がないよう適切な強度計算によって設計される。なお、上記パンチ６は鋳鉄のみならず、他の鉄系材料（例えば、鋼材や各種の合金類）を使用してもよい。また、ヒートパイプの材料は、銅に限定されず、例えば、アルミニウムやステンレスなどを採用してもよい。
【００３７】
また、隙間２３Ａには、ヒートパイプ１３とパンチ６との間の熱伝導率を保つため、伝熱グリースを注入しておいてもよい。伝熱グリースは、高い熱伝導率が発揮されるよう、銅粉等が混入された粘性の液体であり、ヒートパイプ１３をパンチ６に組み付ける際に嵌合部２１内に注入しておく。なお、伝熱グリースを用いる場合は、例えば、図７に示すように、対向面２２の縁に環状のスリット２５を設けてもよいし、敢えてスリット２５を設けずに、ヒートパイプ１３と周壁面２４との間に隙間ができるようにしてもよい。対向面２２の縁にスリット２５を設けておけば、図８に示すように、ヒートパイプ１３の上端１７と嵌合部２１とが熱膨張により相対的に変位しても、隙間２３Ａに入っている伝熱グリース２７がスリット２５に保持される。よって、熱膨張により隙間２３Ａが狭くなっても嵌合部２１の周壁面２４とヒートパイプ１３との間の隙間から伝熱グリースが噴出して断熱層１５内に飛散し、嵌合部２１内から失われてしまうようなことが無い。
【００３８】
なお、ヒートパイプ１３は、以下のように固定してもよい。図９は、実施形態に係る金型５のヒートパイプ１３の下端１６の固定状態を拡大した図である。ヒートパイプ１３の下端１６は、常温の場合、図９に示すようにヒートパイプ１３の下端１６と下熱盤７との間に隙間２３Ｂができるように構成する。この隙間２３Ｂの上下方向の長さは、隙間２３Ａと同様、パンチ６とヒートパイプ１３との熱膨張率の差、ヒートパイプ１３の常温から使用温度へ昇温させたときの線膨張差、ヒートパイプ１３の長さ等に応じて適宜決定する。ここで、この隙間２３Ｂには、隙間２３Ａと異なり、板バネ２６が挿置されている。板バネ２６は、ヒートパイプ１３の下端１６を上方向に付勢する。これにより、ヒートパイプ１３とパンチ６とが熱膨張しても、ヒートパイプ１３の上端１７と嵌合部２１の対向面２２との密着性、換言すると、ヒートパイプ１３の上端１７とパンチ６との間の熱伝導率が保たれる。なお、板バネ２６の代わりに螺旋状のバネ、或いは耐熱性の弾性部材を挿置してもよい。
【００３９】
なお、図７〜９では、実施形態に係る金型５を変形する場合について例示したが、各変形例に係る金型５Ａ，Ｂについても同様に変形可能である。
【００４０】
また、上記各実施形態や変形例は、以下のように変形してもよい。第一実施形態の第一変形例に係る成形装置１Ａの別態様を図１０に示す。なお、ここでは上記成形装置１Ａの別態様を例示しているが、実施形態に係る成形装置１や、第二変形例１Ｂについても同様に適用できる。本態様に係る成形装置１Ａｘは、図１０に示すように、下熱盤７を覆う板状の下型４ｘにヒートパイプ１３ｘが横方向に埋め込まれている。このヒートパイプ１３ｘは、下熱盤７に内蔵されている図示しない加温ヒータの熱をパンチ６へ集めることで、下型４の放熱を抑制する。
【００４１】
ヒートパイプ１３ｘは、下熱盤７に内蔵されている加温ヒータの熱がパンチ６に集中するよう、図１１（Ａ）や図１１（Ｂ）や図１１（Ｃ）に示すように、パンチ６が配置されている領域ＲＩとそれ以外の領域ＲＯとを跨ぐ様に下型４に埋め込まれている。ヒートパ
イプ１３ｘは、一端が領域ＲＩにあり他端が領域ＲＯに位置して両領域を跨いでいてもよいし、両端が領域ＲＯにありその間に領域ＲＩが挟まれるように位置して両領域を跨いでいてもよい。領域ＲＩは、パンチ６が配置されている領域であって、加熱されるとパンチ６の押圧面１４が昇温する領域である。また、領域ＲＯは、パンチ６が配置されている領域以外の領域であって、下熱盤７の熱を周囲の空気へ放熱する領域である。なお、図１１に示すヒートパイプ１３ｘの位置は単なる一例であって本発明はこれに限定されるものでなく、領域ＲＩと領域ＲＯとを跨ぐものであれば如何なる位置に配置されていてもよい。例えば、パンチ６が複数配置されていれば、パンチ６が配置されている各領域ＲＩとそれ以外の領域ＲＯとを跨ぐようにヒートパイプ１３ｘが配置してもよい。
【００４２】
また、ヒートパイプ１３ｘを下型４に横方向に埋め込むことによるパンチ６への集熱効果は、パンチ６の内部に埋め込んだヒートパイプ１３の有無に関わらない。すなわち、上記成形装置１Ａｘは、例えば、パンチ６に埋め込んだヒートパイプ１３を省いてもよい。ヒートパイプ１３を省いた構成については、本態様を実施形態に係る成形装置１や第二変形例１Ｂについて適用した場合についても同様に適用できる。実施形態に係る成形装置１のヒートパイプ１３を省く代わりに、下型４にヒートパイプを横方向に埋め込んだ態様を図１２に示す。本態様に係る成形装置１ｙは、図１２に示すように、パンチ６に埋め込まれていたヒートパイプ１３を省く代わりに、下型４ｙにヒートパイプ１３ｙが横方向に埋め込まれている。このヒートパイプ１３ｙは、下熱盤７の熱をパンチ６へ集める。ヒートパイプ１３ｙの位置は、図１１に示したものと同様であり、パンチ６が配置されている領域ＲＩとそれ以外の領域ＲＯとを跨ぐ様に下型４に埋め込まれている。
【００４３】
図１３は、本態様に係る成形装置１ｙの熱の移動を示した図である。成形装置１ｙは、ヒートパイプ１３ｙが埋め込まれているため、例えば、図１３に示すように、下型４ｙの上に配置されたパンチ６の周囲から放熱される下熱盤７の熱の放散が抑えられる。ヒートパイプ１３ｙは、温度の高い所から低い所へ熱を輸送する性質を有するため、摩擦材１０が金型５へ繰り返し投入されることで熱が奪われるパンチ６へ周囲の熱が集まる。
【００４４】
一方、例えば、図１４に示すように、ヒートパイプ１３ｙが埋め込まれていない場合、摩擦材が金型へ繰り返し投入されて熱が奪われてもパンチへ周囲の熱が集まらず、パンチの周囲から放熱される下熱盤の熱の放散が抑えられない。
【００４５】
また、横のヒートパイプ１３ｘと縦のヒートパイプ１３とは互いに別体であるものに限定されるものではなく、例えば、ヒートパイプが領域ＲＯから領域ＲＩを通過してから上方向へ曲がってパンチ内に配置されたような、Ｌ字状に形成されていてもよい。
【００４６】
ヒートパイプと放熱との関係を図１５に示す。ヒートパイプ１３のみを設けたもの、換言すると、縦のヒートパイプのみを設けたものを図１５（Ａ）に示す。また、ヒートパイプ１３ｘのみを設けたもの、換言すると、横のヒートパイプのみを設けたものを図１５（Ｂ）に示す。また、ヒートパイプ１３とヒートパイプ１３ｘの両方を設けた本変形例のものを図１５（Ｃ）に示す。なお、図１５（Ａ）〜（Ｃ）では、パンチと下型のみを図示しており、その他は省いている。図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、縦のヒートパイプのみを設けたものは下熱盤の熱がパンチへ集まらないため、下型の放熱量が多い。また、横のヒートパイプのみを設けたものは下熱盤の熱がパンチへ集まるものの、パンチの押圧面までの間の側方への放熱量が多い。一方、縦と横の両方のヒートパイプを設けたものは、下熱盤の熱がパンチの押圧面へ効率的に集まり、放熱量が少ない。
【００４７】
本実施形態の効果を実験で検証したので、その結果を以下に示す。図１６は、ヒートパイプや断熱層を有しない金型（比較例１）、縦のヒートパイプを有し断熱層を有しない金型（比較例２）、縦のヒートパイプと断熱層を有する第一変形例に係る金型（実施例１）
、横のヒートパイプを有する実施形態の別態様に係る金型（実施例２）、縦と横のヒートパイプと断熱層を有する第一変形例の別態様に係る金型（実施例３）について、下熱盤から押圧面までの温度勾配を示したグラフである。図１６のグラフから明らかなように、比較例１の場合、熱盤から離れて押圧面に近づくにつれて徐々に温度が低下することが判る。比較例２の場合、比較例１ほど急激ではないものの、比較例１と同様に温度が低下することが判る。他方、実施例１〜３の場合、熱盤から離れて押圧面に近づくにつれても、温度がほとんど低下しないことが判る。特に、実施例３の場合には実施例１や実施例２に比べても著しく温度低下しないことが判る。
【００４８】
これは、次のような理由による。すなわち、比較例１の場合、熱の輸送経路は、熱盤―パンチ内部―押圧面というルートをたどる。比較例２の場合、熱の輸送経路は、熱盤―ヒートパイプ―パンチ内部―押圧面というルートをたどる。これに対し、実施例１や実施例３の場合、熱の輸送経路は、熱盤―ヒートパイプ―押圧面―パンチ内部というルートをたどる。すなわち、パンチ内部への伝熱が最後になるため、押圧面が優先的に昇温される。また、実施例２の場合、熱の輸送経路は、熱盤―横ヒートパイプ―パンチ内部―押圧面というルートをたどる。すなわち、下熱盤の熱が下型に広がるよりも前にパンチ内部へ集まるため、押圧面が優先的に昇温される。これにより、コールドスタート後であっても押圧面が瞬時に加熱され、速やかに熱成形を開始することができる。特に実施例３の場合、下型の周囲への放熱量が少ないので、熱盤の熱が効率的にヒートパイプへ伝わり、押圧面が更に優先的に昇温される。
【００４９】
また、実施例１〜３と比較例１、比較例２について、押圧面の昇温が完了するまでの温度変化のグラフを図１７に示す。図１７に示すように、実施例１の場合、約１５０℃で飽和するまでの時間は１０分程度である。また、実施例２の場合、約１５１℃で飽和するまでの時間は１２分程度である。また、実施例３の場合、約１５３℃で飽和するまでの時間は５分程度である。一方、比較例１の場合、約８０℃で飽和するまでに８０分程度を要する。また、比較例２の場合、約１４０℃で飽和するまでに５０分程度を要する。なお、この実験を行なった際の熱盤の設定温度は１６０℃である。
【００５０】
このように、実施例１〜３は比較例１や比較例２よりも極めて瞬時に押圧面が昇温されるため、以下のような有利な点がある。すなわち、比較例１や比較例２のように、昇温が遅いため、熱盤の温度と押圧面の温度との差を無視できない場合、押圧面が所望の温度に達して例えば、摩擦材を熱成形可能であるか否かを確かめるために、熱電対をパンチ内部に埋め込み、配線類を下型から取り出す等の措置を講ずる必要がある。このため、熱盤に載せた金型の交換等が極めて面倒となる。一方、実施例１〜３のように、昇温が速いため、熱盤の温度と押圧面の温度との差がほとんど生じないと、押圧面が所望の温度に達して摩擦材を熱成形可能であるか否かを確かめるために、熱電対をパンチ内部に埋め込む必要が無い。熱盤の温度を計測すれば済むからである。よって、配線類を下型から取り出す等の措置を講ずる必要がなくなり、熱盤に載せた金型の交換等が極めて容易となる。また、実施例のように押圧面の温度が制御しやすいと、成形する摩擦材の品質を安定させやすい。特に、実施例３の場合には実施例１や実施例２に比べても下型における放熱量が少ないので押圧面の飽和温度も高く、しかも短時間で飽和温度に達する。
【００５１】
なお、ヒートパイプの本数は、押圧面が到達可能な温度と相関があると考えられたので、その検証結果を以下に示す。
【００５２】
図１８は、ヒートパイプの本数と到達可能な温度との関係を比較したグラフである。図１８に示すように、ヒートパイプが１，２本程度だと到達する温度（飽和温度）が９０〜１１０℃程度であるの対し、ヒートパイプが３本以上だと到達する温度が１２０℃程度となることが判る。なお、このときの熱盤の設定温度は１２０℃としている。そして、ヒー
トパイプの本数を増やすと、昇温速度は速くなるものの、この検証結果においては飽和温度は３本以上であればほとんど差異が無い事が判る。ヒートパイプの本数やヒートパイプの長さ、形状（断面）、太さ（径）は製造する製品の形状や昇温速度、金型の温度が安定する飽和温度に応じて適宜決定することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１，１Ａ，１Ｂ・・成形装置
５，５Ａ，５Ｂ・・金型
６，６Ａ，６Ｂ・・パンチ
７・・下熱盤
１０・・摩擦材
１１・・プレッシャプレート
１３，１３ｘ・・ヒートパイプ
１４・・押圧面
１５，１５Ｂ・・断熱層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、
前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、
前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、
前記第二の金型は、
前記熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、
前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有する、
圧縮成形装置。
【請求項２】
前記断熱層は、前記第二の金型の内部に形成される空間であり、該空間には前記熱源部側から前記押圧面側へ延在して該押圧面を背後から支持する支持部が設けられている、
請求項１に記載の圧縮成形装置。
【請求項３】
前記第二の金型は、
前記押圧面を形成する第一の部材と、
前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、
前記第一の部材と前記第二の部材との間に挟まれる第一の断熱材と、
前記第二の部材と前記熱源部との間に挟まれる第二の断熱材と、を有する、
請求項１または２に記載の圧縮成形装置。
【請求項４】
前記ヒートパイプの両端のうち少なくとも一端側には、該ヒートパイプの熱伸縮を吸収するための隙間が設けられている、
請求項１から３の何れか一項に記載の圧縮成形装置。
【請求項５】
前記第二の金型は、
前記押圧面を形成する第一の部材と、
前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、
前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されている、
請求項１から４の何れか一項に記載の圧縮成形装置。
【請求項６】
金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形用の金型であって、
前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、を備え、
前記第二の金型は、
前記第二の金型を支持して加熱する熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、
前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有する、
圧縮成形用の金型。
【請求項７】
金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、
前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、
前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、
前記第二の金型は、
前記押圧面を形成する第一の部材と、
前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、
前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されている、
圧縮成形装置。
【請求項８】
前記第二の部材は、前記第一の部材と該熱源部との間に配置される板状の部材であり、
前記第二の部材には、前記熱源部の熱のうち前記第一の部材が配置されている領域以外の領域の熱を該第一の部材へ運ぶ、該第一の部材を支持する面に沿って延在する前記ヒートパイプが、該第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置された状態で埋設されている、
請求項５または７に記載の圧縮成形装置。
【請求項９】
前記第一の部材は、前記第二の部材の中心部で支持されており、
前記第二の部材には、前記中心部の周辺部と該中心部とを跨ぐように配置した前記ヒートパイプが埋設されている、
請求項５、７、８の何れか一項に記載の圧縮成形装置。
【請求項１】
金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、
前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、
前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、
前記第二の金型は、
前記熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、
前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有する、
圧縮成形装置。
【請求項２】
前記断熱層は、前記第二の金型の内部に形成される空間であり、該空間には前記熱源部側から前記押圧面側へ延在して該押圧面を背後から支持する支持部が設けられている、
請求項１に記載の圧縮成形装置。
【請求項３】
前記第二の金型は、
前記押圧面を形成する第一の部材と、
前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、
前記第一の部材と前記第二の部材との間に挟まれる第一の断熱材と、
前記第二の部材と前記熱源部との間に挟まれる第二の断熱材と、を有する、
請求項１または２に記載の圧縮成形装置。
【請求項４】
前記ヒートパイプの両端のうち少なくとも一端側には、該ヒートパイプの熱伸縮を吸収するための隙間が設けられている、
請求項１から３の何れか一項に記載の圧縮成形装置。
【請求項５】
前記第二の金型は、
前記押圧面を形成する第一の部材と、
前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、
前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されている、
請求項１から４の何れか一項に記載の圧縮成形装置。
【請求項６】
金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形用の金型であって、
前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、を備え、
前記第二の金型は、
前記第二の金型を支持して加熱する熱源部側に一端が位置し、前記原料を押圧する押圧面側に他端が位置するヒートパイプと、
前記ヒートパイプの長手方向に沿って該ヒートパイプを包む断熱層と、を有する、
圧縮成形用の金型。
【請求項７】
金型に原料を投入して加熱し加圧して成形する圧縮成形装置であって、
前記原料を圧縮成形する領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠に入れた前記原料を圧縮する第二の金型と、
前記第二の金型を支持して加熱する熱源部と、を備え、
前記第二の金型は、
前記押圧面を形成する第一の部材と、
前記第一の部材と前記熱源部との間に配置されて該第一の部材を支持する第二の部材と、を有し、
前記第二の部材には、前記第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置したヒートパイプが埋設されている、
圧縮成形装置。
【請求項８】
前記第二の部材は、前記第一の部材と該熱源部との間に配置される板状の部材であり、
前記第二の部材には、前記熱源部の熱のうち前記第一の部材が配置されている領域以外の領域の熱を該第一の部材へ運ぶ、該第一の部材を支持する面に沿って延在する前記ヒートパイプが、該第一の部材が配置されている領域とこれ以外の領域とを跨ぐように配置された状態で埋設されている、
請求項５または７に記載の圧縮成形装置。
【請求項９】
前記第一の部材は、前記第二の部材の中心部で支持されており、
前記第二の部材には、前記中心部の周辺部と該中心部とを跨ぐように配置した前記ヒートパイプが埋設されている、
請求項５、７、８の何れか一項に記載の圧縮成形装置。
【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１８】
【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１８】
【公開番号】特開２０１１−２０７２１２（Ｐ２０１１−２０７２１２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７８６１（Ｐ２０１１−７８６１）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００００５１６）曙ブレーキ工業株式会社 (621)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００００５１６）曙ブレーキ工業株式会社 (621)
【Ｆターム（参考）】
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