成形装置および成形方法
【課題】成形工程におけるエネルギーの利用効率を向上させることが可能な成形技術を提供する。
【解決手段】成形室６の内部に、成形型５０が順次移動される加熱ステージ１１、プレスステージ１２、冷却ステージ１３を配置して、加熱、プレス成形、冷却の各工程を実施する成形装置Ｍ１において、冷却ステージ１３の第１冷却プレート２５および第２冷却プレート２７の成形型５０と反対側の背面に熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂを配置し、成形型５０の冷却過程で得られる熱エネルギーを電力に変換して回収することで、成形工程におけるエネルギーの利用効率を向上させる。
【解決手段】成形室６の内部に、成形型５０が順次移動される加熱ステージ１１、プレスステージ１２、冷却ステージ１３を配置して、加熱、プレス成形、冷却の各工程を実施する成形装置Ｍ１において、冷却ステージ１３の第１冷却プレート２５および第２冷却プレート２７の成形型５０と反対側の背面に熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂを配置し、成形型５０の冷却過程で得られる熱エネルギーを電力に変換して回収することで、成形工程におけるエネルギーの利用効率を向上させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形装置および成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ガラスレンズ、プリズム、ミラー等の光学素子の製造に関しては、生産性が高いため加熱プレスによる成形技術が多く用いられている。
【０００３】
このような光学素子の加熱、プレス成形では、成形型に光学素子材料を配置し、成形型をブロック状の加熱手段である加熱ブロックにより加熱プレスした後、冷却プレートで冷却する手法が一般的に用いられている。
【０００４】
そして、たとえば、成形温度の比較的高い光学ガラス素材を用いる高精度な光学素子の成形では、成形型を高温に加熱する必要があるため、大量の電力を必要としていた。
【０００５】
また、加熱時の電力量を削減するために、例えば、特許文献１では、加熱ブロックにおいて、成形型と当接する面とは反対の面にヒータブロックの内部に設けられたヒータを取り囲むように空洞の断熱部を形成し、加熱ブロックの背面側からの伝熱を抑制して、加熱ブロックから成形型に対する伝熱効率を高めようとする技術が開示されている。
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１では、高温に加熱された成形型に蓄えられた熱エネルギーは、冷却工程で、成形型を冷却する過程で環境中に散逸して失われるため、エネルギー損失が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２００７−１１２６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、成形工程におけるエネルギーの利用効率を向上させることが可能な成形技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点は、成形素材が実装された成形型を加熱する加熱ステージと、
加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレスステージと、
成形された前記成形型を冷却する冷却ステージと、を備え、
前記冷却ステージは、
前記成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、
前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、冷却の際に前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、
を具備した成形装置を提供する。
【００１０】
本発明の第２の観点は、成形素材が実装された成形型を加熱する加熱工程と、加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレス工程と、前記成形型を冷却する冷却工程とを実行する成形方法であって、
前記冷却工程では、前記成形型の持つ熱を電力に変換することによって当該成形型の冷却を行う成形方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３の観点は、成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、を含む成形装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、成形工程におけるエネルギーの利用効率を向上させることが可能な成形技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態である成形装置の全体の構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態である成形装置の冷却ステージの構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である成形装置を構成する熱発電モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態の成形装置の変形例における冷却ステージの構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施の形態の一態様では、たとえば、ガラス等の成形素材を収容した成形型を上下から挟み込み、加熱、プレス、冷却を順次行うことで光学素子を成形する光学素子成形装置において、成形型を冷却するための冷却ステージは、成形型と接触し成形型の熱を吸収する冷却プレートと、冷却水によって冷却されている水冷ブロックと、冷却プレートと水冷ブロックの両方に面接触するように配置された熱発電モジュールからなる構成とする。
【００１５】
この熱発電モジュールは、たとえば、Ｐ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントが複数個直列にＰＮ接合されてなる構成を用いることができる。
さらに、熱発電モジュールの冷却プレートおよび水冷ブロックに対する接触力や接触状態を調整することのできるコンプライアンス機構を備えている。
【００１６】
本態様の成形装置では、高温に加熱された成形型の熱エネルギーは、冷却プレートの温度を上昇させることにより、熱発電モジュールの冷却プレート側の接合面を加熱する。
【００１７】
また、熱発電モジュールの水冷ブロック側の接合面は、成形装置の全体を一定温度に保つための冷却水路により水冷ブロックが冷却されているため、熱発電モジュールの両端面で温度差が生じる。
【００１８】
この熱発電モジュールの両端面に温度差が生じることで、発電を行うことが可能となり、成形型の加熱に用いられた熱エネルギーを環境中に散逸させることなく、冷却ステージにて電力として回収し、蓄積して再利用することが可能となる。
【００１９】
すなわち、高温に加熱された成形型が持っている熱エネルギーを冷却時に電力として回収することにより、成形工程に必要なエネルギーの利用効率を向上させることが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態である成形装置の構成の一例を示す全体図であり、図２は、本発明の一実施の形態である成形装置の冷却ステージの一例を示す断面図であり、図３は、本実施の形態の成形装置を構成する熱発電モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【００２１】
本実施の形態の成形装置Ｍ１では、一例として光学ガラス素子の製造装置に適用した場合を例にとって説明する。
なお、本実施の形態では、図１において、左右方向をＸ方向、上下方向をＺ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向として説明する。また、一例として、Ｚ方向は鉛直方向、Ｘ−Ｙ平面は水平面とする。
【００２２】
図１に例示されるように、本実施の形態の成形装置Ｍ１は、下ベース４、上ベース３、側板９で構成された成形室６を備えている。
【００２３】
この成形室６の内部には、後述の成形型５０に対して、加熱、加圧、冷却等の一連の成形工程を順次実施するために、加熱ステージ１１（加熱工程）と、プレスステージ１２（プレス工程）と、冷却ステージ１３（冷却工程）がＸ方向に一列に配置されている。
【００２４】
加熱ステージ１１とプレスステージ１２と冷却ステージ１３が収容される成形室６の内部は、成形型５０の酸化を防止するとともに、ガラスが失透するなど還元雰囲気による悪影響を与えたりしないために、９９．９％以上の窒素ガスと０．１％以下の水素ガスを混合した混合ガス９２の雰囲気となっている。
【００２５】
この成形室６内の雰囲気を構成する混合ガス９２は、成形室６の外部に設けられたガス供給器９０からガス供給路９１を通して成形室６に供給されている。
ガス供給器９０は、成形型５０の材質やガラスの材質、成形温度などの成形条件によっては、混合ガス９２の混合比を変えることが可能な構成となっている。
【００２６】
成形室６において、Ｘ方向の配列端に位置する加熱ステージ１１および冷却ステージ１３の各々に面した側板９には、投入シャッタ７および排出シャッタ８が設けられており、投入シャッタ７の側には投入台１が配置され、排出シャッタ８の側には、排出台２が配置されている。
【００２７】
投入台１には、Ｘ方向に往復動作する投入爪５が設けられており、投入台１に載置された後述の成形型５０を、投入シャッタ７を通じて成形室６内の加熱ステージ１１に押し込んで投入する動作が行われる。
【００２８】
成形室６には、図示しない成形搬送手段が設けられ、投入台１から加熱ステージ１１に投入された成形型５０は、順次、プレスステージ１２、冷却ステージ１３に移動された後、排出シャッタ８から外部の排出台２に排出される。
【００２９】
加熱ステージ１１およびプレスステージ１２の各々には、下ベース４の側に支持された下冷却ブロック１７、下断熱ブロック１８、下加熱プレート２０が設けられている。
下加熱プレート２０には、ヒータ２０ａが設けられ、下加熱プレート２０に載置される成形型５０を下側から所望の温度に加熱することが可能になっている。
【００３０】
下加熱プレート２０の成形型５０と反対の背面側に位置する下断熱ブロック１８は、下加熱プレート２０の熱が下ベース４の側に散逸することを防止して成形型５０の加熱効率を向上させる。
【００３１】
さらに下断熱ブロック１８の、下加熱プレート２０と反対の背面側に下ベース４との間に位置する下冷却ブロック１７は、内部に図示しない通水路が設けられ、この通水路に冷却水を通すことによって下加熱プレート２０の熱によって下ベース４が過熱することを防止している。
【００３２】
一方、下加熱プレート２０とＺ方向に対向する位置には、上軸１４およびシリンダ１０を介して上ベース３の側に支持された上加熱プレート１９、上断熱ブロック１６、上冷却ブロック１５が設けられている。
【００３３】
成形型５０に上側から当接する上加熱プレート１９には、ヒータ１９ａが設けられ、成形型５０を上側から所望の温度に加熱することが可能になっている。
【００３４】
上加熱プレート１９の成形型５０と反対の背面側には、上断熱ブロック１６が設けられ、上加熱プレート１９の熱が上ベース３の側に散逸することを防止して、成形型５０の加熱効率を向上させている。
【００３５】
上断熱ブロック１６の背面側に上軸１４との間に設けられた上冷却ブロック１５は、上述の下冷却ブロック１７と同様の構造を持ち、上側の上軸１４、シリンダ１０、上ベース３等が上加熱プレート１９の熱で過熱することを防止している。
シリンダ１０は、上軸１４を介して上加熱プレート１９を上下方向（Ｚ方向）に駆動する動作を行う。
【００３６】
本実施の形態の場合、加熱ステージ１１では、シリンダ１０は、上加熱プレート１９を成形型５０の上側に当接させ、下加熱プレート２０との間で成形型５０を挟むように動作する。
【００３７】
また、プレスステージ１２では、シリンダ１０は、上加熱プレート１９を所定のプレス圧力で成形型５０に当接させ、下加熱プレート２０との間で成形型５０を挟圧することで成形動作を行う。
【００３８】
一方、図１および図２に例示されるように、各ステージの配列終端に位置する本実施の形態の冷却ステージ１３は、シリンダ１０、冷却ブロック駆動軸２１、第１水冷ブロック２２、第１コンプライアンス機構２３、第１冷却水路２４、第１冷却プレート２５、第２冷却水路２６、第２冷却プレート２７、第２コンプライアンス機構２８、第２水冷ブロック２９、熱発電モジュール３０Ａ（熱発電手段）、熱発電モジュール３０Ｂ（熱発電手段）を備えている。
【００３９】
本実施の形態の成形装置Ｍ１では、第１冷却プレート２５の成形型５０に当接する面と反対側の背面には、第１コンプライアンス機構２３、熱発電モジュール３０Ａ、および第１水冷ブロック２２を介して冷却ブロック駆動軸２１が接続されている。
冷却ブロック駆動軸２１は、シリンダ１０を介して上ベース３に支持されている。
【００４０】
同様に、Ｚ方向に第１冷却プレート２５に対向し、成形型５０が載置される第２冷却プレート２７の背面側には、第２コンプライアンス機構２８、熱発電モジュール３０Ａ、および第２水冷ブロック２９が配置され、第２水冷ブロック２９は、下ベース４に支持されている。
【００４１】
第１コンプライアンス機構２３は、第１水冷ブロック２２に対して第１冷却プレート２５を変位自在に支持する柔軟支持構造であり、第１水冷ブロック２２の側に固定された熱発電モジュール３０Ａに対する第１冷却プレート２５の姿勢を柔軟に変化させることにより、温度変動による寸法変化などの影響を補正して、第１冷却プレート２５の背面と熱発電モジュール３０Ａとの接触面が、最大の接触面積を保つことができるように、すなわち、第１冷却プレート２５と熱発電モジュール３０Ａとの間の伝熱効率が最大となるように配置されている。
【００４２】
同様に、第２コンプライアンス機構２８は、第２水冷ブロック２９に対して第２冷却プレート２７を変位自在に支持する柔軟支持構造であり、温度変動による寸法変化などの影響を補正して、第２冷却プレート２７の背面と熱発電モジュール３０Ｂとの接触面が、最大の接触面積を保つことができるように、すなわち、第２冷却プレート２７と熱発電モジュール３０Ｂとの間の伝熱効率が最大となるように配置されている。
【００４３】
また、第１水冷ブロック２２は、当該第１水冷ブロック２２に接続される冷却ブロック駆動軸２１や当該冷却ブロック駆動軸２１を駆動するシリンダ１０等が熱により変形しないように配置されている。
【００４４】
この第１水冷ブロック２２は内部に第１冷却水路２４が配置され、冷却水等の冷却媒体が常に流れており、常時、熱発電モジュール３０Ａ等の冷却が行われる構造となっている。
【００４５】
同様に、第２コンプライアンス機構２８を介して第２冷却プレート２７を背後から支持する第２水冷ブロック２９の内部にも第２冷却水路２６が配置され、冷却媒体が常に流れて、常時冷却が行われる構造となっており、成形装置Ｍ１の成形室６を構成する下ベース４等を熱から保護する構造となっている。
【００４６】
この場合、第１冷却プレート２５の背面側と第１水冷ブロック２２との間に配置された熱発電モジュール３０Ａ、および第２冷却プレート２７の背面側と第２水冷ブロック２９の間に配置された熱発電モジュール３０Ｂの各々は、例えば、ＰＮ接合を構成するように、Ｐ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントが複数個直列に接続されてなる構成となっており、両端面に温度差が生じることで、熱発電モジュール３０Ａ（熱発電モジュール３０Ｂ）が発電する構造となっている。
【００４７】
図３は、本実施の形態における熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂの構成を例示した側面図である。この場合、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂは同一の構成であり、取り付け姿勢がＺ方向に互いに反転している。
【００４８】
熱発電モジュール３０Ａ（熱発電モジュール３０Ｂ）は、複数のＰ型半導体３１（Ｐ型熱電材料エレメント）およびＮ型半導体３２（Ｎ型熱電材料エレメント）を、ＰＮ接合を構成するように、複数の熱源側電極３３および冷却側電極３４を介して交互に直列に接続した構成となっており、その両端の冷却側電極３４に、リード線３５およびリード線３６が接続されている。
【００４９】
熱源側電極３３および冷却側電極３４の各々の外面は、例えば、セラミックス等の耐熱性の絶縁体からなる絶縁カバー３７および絶縁カバー３８で覆われている。
【００５０】
そして、熱源側電極３３（絶縁カバー３７）の側を高温の第１冷却プレート２５に当接させ、冷却側電極３４（絶縁カバー３８）の側を低温の第１水冷ブロック２２の側に当接させることで、リード線３５およびリード線３６から、第１水冷ブロック２２と第１冷却プレート２５の温度差に応じた電力が、熱発電モジュール３０Ａのリード線３５およびリード線３６に取り出される。
【００５１】
同様に、熱源側電極３３（絶縁カバー３７）の側を高温の第２冷却プレート２７に当接させ、冷却側電極３４（絶縁カバー３８）の側を低温の第２水冷ブロック２９の側に当接させることで、リード線３５およびリード線３６から、第２水冷ブロック２９と第２冷却プレート２７の温度差に応じた電力が、熱発電モジュール３０Ｂのリード線３５およびリード線３６に取り出される。
【００５２】
本実施の形態の場合、一例として、上述の熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂのリード線３５およびリード線３６は電力を蓄積することが可能な二次電池６０に接続され、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂが発電した電力が二次電池６０に蓄積される構成となっている。
【００５３】
また、上述の二次電池６０を成形装置Ｍ１の一部、もしくは他の装置の電気機器に接続して、熱発電モジュール３０Ｂが発電した電力を利用する構成としても良い。
【００５４】
図２に拡大して例示したように、一例として、成形型５０は、筒状のスリーブ５３の内部に、上型５１および下型５２が対向して配置され、各々の対向端に設けられた成形面５１ａおよび成形面５２ａの間に、熱可塑性の成形素材４０が実装される構成となっている。
【００５５】
スリーブ５３の壁面部には、上型５１の成形面５１ａと下型５２の成形面５２ａとの間に形成される成形空間に連通するように通気孔５３ａが形成されおり、成形時に、当該成形空間内の空気が速やかに外部に排出されるようになっている。
【００５６】
そして、成形型５０の全体を所望の成形温度に加熱した状態で、上型５１および下型５２を軸方向に挟圧することで、成形面５１ａおよび成形面５２ａを成形素材４０に転写する型成形が行われる。
【００５７】
（作用）
以下、本実施の形態の成形装置Ｍ１の作用を説明する。
まず、加熱ステージ１１およびプレスステージ１２の各々では、上加熱プレート１９および下加熱プレート２０が、ヒータ１９ａおよびヒータ２０ａによって所定の温度に加熱されている。
【００５８】
この状態で、投入シャッタ７を通じて、投入台１から投入爪５によって成形型５０を成形室６の内部に投入し、加熱ステージ１１の下加熱プレート２０に載置する。
【００５９】
そして、シリンダ１０によって上軸１４を駆動することにより、上加熱プレート１９をＺ方向に下降させ、成形型５０の上型５１に当接させることで、下加熱プレート２０と上加熱プレート１９の間に成形型５０を挟持し、成形型５０に対して上下両方からヒータ１９ａおよびヒータ２０ａの熱を伝えることにより、成形型５０の温度を成形素材４０が成形可能な所定の温度に上昇させる。
【００６０】
次に、図示しない成形型搬送手段によって成形型５０をプレスステージ１２の下加熱プレート２０に移載する。
【００６１】
そして、シリンダ１０によってプレスステージ１２の上軸１４を駆動させることによって上加熱プレート１９を下降させ、下加熱プレート２０と上加熱プレート１９との間で成形型５０を挟持して、上下方向からヒータ１９ａおよびヒータ２０ａの熱を成形型５０に伝えて当該成形型５０の温度を維持すると共に、さらに、上軸１４によって上加熱プレート１９を下降させて成形型５０の上型５１にＺ方向にプレス圧力を加え、成形型５０における上型５１および下型５２の成形面５１ａおよび成形面５２ａの形状を成形素材４０に転写する。
【００６２】
次に、図示しない成形型搬送手段によって成形型５０を冷却ステージ１３の第２冷却プレート２７の上に移載して、シリンダ１０によって冷却ブロック駆動軸２１を駆動し、第１冷却プレート２５を下降させ、第２冷却プレート２７との間で成形型５０を挟持する。
【００６３】
このとき、本実施の形態の場合には、第１冷却プレート２５は第１コンプライアンス機構２３を介して第１水冷ブロック２２に支持されているため、第１冷却プレート２５の背面が熱発電モジュール３０Ａに全面にわたって密着し伝熱抵抗が小さくなるように当該第１冷却プレート２５の姿勢が自律的に調整される。
【００６４】
同様に、第２冷却プレート２７も第２コンプライアンス機構２８を介して第２水冷ブロック２９に支持されているため、第２冷却プレート２７の背面が熱発電モジュール３０Ｂの全面にわたって密着し伝熱抵抗が小さくなるように当該第２冷却プレート２７の姿勢が自律的に調整される。
【００６５】
そして、成形型５０の熱エネルギーを成形型５０との接触面を通して第１冷却プレート２５および第２冷却プレート２７に伝達させる。
この場合、成形型５０から第１冷却プレート２５に伝えられた熱は、当該第１冷却プレート２５に上述のように密着した熱発電モジュール３０Ａに効率よく伝達される。
【００６６】
同様に、成形型５０から第２冷却プレート２７に伝えられた熱は、当該第２冷却プレート２７に上述のように密着した熱発電モジュール３０Ｂに効率よく伝えられる。
これにより成形型５０の温度は、室温付近にまで冷却され、後述のように、冷却過程で成形型５０から放出された熱は電力に変換されて回収される。
【００６７】
その後、排出シャッタ８を通じて成形型５０を成形装置Ｍ１の外の排出台２に搬出し、内部の成形済みの成形素材４０である光学素子を取り出す。
【００６８】
ここで、本実施の形態の場合、成形型５０を冷却ステージ１３で冷却する際、高温に加熱されていた成形型５０の熱エネルギーは、第１冷却プレート２５に伝えられ、さらに、この第１冷却プレート２５と密着した熱発電モジュール３０Ａの一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３７側）が同時に加熱される。
【００６９】
また、同様に第２冷却プレート２７にも伝えられ、さらにこの第１冷却プレート２５と密着した熱発電モジュール３０Ｂの一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３７側）が同時に加熱される。
また、前記熱発電モジュール３０Ａの他端面は第１水冷ブロック２２と接触しており、常に冷却されている。
【００７０】
同様に熱発電モジュール３０Ｂの他端面は第２水冷ブロック２９と接触しており、常に冷却されている。
【００７１】
したがって、熱発電モジュール３０Ａは、一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３８の側）が第１冷却プレート２５を通して加熱され、他端面（冷却側電極３４の絶縁カバー３８の側）が第１水冷ブロック２２により冷却されている状態となり、熱源側電極３３と冷却側電極３４の間に温度差を生じる。
【００７２】
同様に熱発電モジュール３０Ｂは、一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３８の側）が第２冷却プレート２７を通して加熱され、他端面（冷却側電極３４の絶縁カバー３８側）が第２水冷ブロック２９により冷却されている状態となり、熱源側電極３３と冷却側電極３４の間に温度差を生じる。
【００７３】
熱発電モジュール３０Ａは両端で温度差が生じると、Ｐ型半導体３１およびＮ型半導体３２が電力を発生するため、リード線３５およびリード線３６を二次電池６０に接続することで、成形装置Ｍ１の冷却ステージ１３において、高温に加熱された成形型５０を冷却する際に捨てられていた熱エネルギーを、電力として回収して二次電池６０に蓄電して適宜の目的に再利用することが可能となる。
【００７４】
同様に、熱発電モジュール３０Ｂにおいても、リード線３５およびリード線３６から電力を回収することができ、有効に再利用することができる。
【００７５】
以上説明したように、本実施の形態の成形装置Ｍ１では、従来と同様の成形型５０を用いた型成形によって光学素子の製造を行う過程で、従来は大気中や第１水冷ブロック２２、第２水冷ブロック２９の冷却水中に放出され無駄となっていた熱エネルギーを、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂによって電力に変換して確実に回収することで、成形型５０の加熱に必要なエネルギーの一部の回収および蓄積と再利用を実現することが可能となる。
【００７６】
すなわち、本実施の形態の成形装置Ｍ１においては、成形型５０の成形サイクルに投入されたエネルギーの利用効率を確実に向上させることが可能となる。
【００７７】
また、本実施の形態の熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂは、複数のＰ型半導体３１およびＮ型半導体３２を用いて構成されているため、保守管理を必要とするような可動機構部が存在せず、動作の信頼性や耐久性も高い。
【００７８】
このため、たとえば、成形装置Ｍ１を連続操業等で長時間にわたって稼働させる場合でも、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂから安定して電力を取り出すことができるとともに、保守管理のために成形装置Ｍ１の稼働を停止させる頻度も減り、成形装置Ｍ１の稼働率の向上により、成形工程の生産性が向上する。
【００７９】
また、本実施の形態の場合には、熱発電モジュール３０Ａおよび成形型５０に接する第１冷却プレート２５が、第１コンプライアンス機構２３を介して第１水冷ブロック２２に支持され、熱発電モジュール３０Ｂおよび成形型５０に接する第２冷却プレート２７が、第２コンプライアンス機構２８を介して第２水冷ブロック２９に支持されていることにより、第１冷却プレート２５および第２冷却プレート２７の各々が、伝熱抵抗が小さくなるように、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂの各々に最大面積で密着する。
【００８０】
これにより、成形型５０の熱による熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂの発電効率が一層向上し、成形型５０の成形サイクルに用いられるエネルギーの回収効率および再利用効率が確実に向上する。
図４は、本実施の形態の成形装置Ｍ１の変形例である成形装置Ｍ２の冷却ステージの構成例を示す断面図である。
【００８１】
この場合、熱発電モジュール３０Ａで発電された電力が、成形装置Ｍ２の一部を構成する照明装置７０に利用され、熱発電モジュール３０Ｂで発電された電力が外部電気機器８０に利用されるようにしたところが、上述の成形装置Ｍ１と異なり、他は同様である。
【００８２】
この変形例の成形装置Ｍ２に例示したように、熱発電モジュール３０Ａ、熱発電モジュール３０Ｂから得られた電力を、照明装置７０や外部電気機器８０において直接的に利用することで、成形装置Ｍ２の稼働に必要な消費電力の削減、および成形装置Ｍ２のランニングコストの削減を実現することが可能となる。
【００８３】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で変更可能なことはいうまでもない。
たとえば、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂは、Ｐ型半導体およびＮ型半導体等の熱電材料エレメント用いる構成に限らず、比較的低温で動作する熱機関等を用いてもよい。
【００８４】
（付記１）
成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、前記成形型から伝熱により得る熱エネルギーを電力に変換する熱発電モジュールと、を含むことを特徴とする成形装置。
【００８５】
（付記２）
付記１の成形装置において、さらに、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの各々の背面を支持する第１水冷ブロックおよび第２水冷ブロックを備え、前記熱発電モジュールは、前記第１冷却プレートと前記第１水冷ブロックとの間、および前記第２冷却プレートと前記第２水冷ブロックとの間、の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする成形装置。
【００８６】
（付記３）
付記１または付記２の成形装置において、前記熱発電モジュールは、電力を蓄電する二次電池に接続されていることを特徴とする成形装置。
【００８７】
（付記４）
付記１または付記２の成形装置において、前記熱発電モジュールは、前記成形装置の一部を構成する電気機器に接続されていることを特徴とする成形装置。
【００８８】
（付記５）
付記１または付記２の成形装置において、前記熱発電モジュールは、前記成形装置以外の電気機器に接続されていることを特徴とする成形装置。
【符号の説明】
【００８９】
１ 投入台
２ 排出台
３ 上ベース
４ 下ベース
５ 投入爪
６ 成形室
７ 投入シャッタ
８ 排出シャッタ
９ 側板
１０ シリンダ
１１ 加熱ステージ
１２ プレスステージ
１３ 冷却ステージ
１４ 上軸
１５ 上冷却ブロック
１６ 上断熱ブロック
１７ 下冷却ブロック
１８ 下断熱ブロック
１９ 上加熱プレート
１９ａ ヒータ
２０ 下加熱プレート
２０ａ ヒータ
２１ 冷却ブロック駆動軸
２２ 第１水冷ブロック
２３ 第１コンプライアンス機構
２４ 第１冷却水路
２５ 第１冷却プレート
２６ 第２冷却水路
２７ 第２冷却プレート
２８ 第２コンプライアンス機構
２９ 第２水冷ブロック
３０Ａ 熱発電モジュール
３０Ｂ 熱発電モジュール
３１ Ｐ型半導体
３２ Ｎ型半導体
３３ 熱源側電極
３４ 冷却側電極
３５ リード線
３６ リード線
３７ 絶縁カバー
３８ 絶縁カバー
４０ 成形素材
５０ 成形型
５１ 上型
５１ａ 成形面
５２ 下型
５２ａ 成形面
５３ スリーブ
５３ａ 通気孔
６０ 二次電池
７０ 照明装置
８０ 外部電気機器
９０ ガス供給器
９１ ガス供給路
９２ 混合ガス
Ｍ１ 成形装置
Ｍ２ 成形装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形装置および成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ガラスレンズ、プリズム、ミラー等の光学素子の製造に関しては、生産性が高いため加熱プレスによる成形技術が多く用いられている。
【０００３】
このような光学素子の加熱、プレス成形では、成形型に光学素子材料を配置し、成形型をブロック状の加熱手段である加熱ブロックにより加熱プレスした後、冷却プレートで冷却する手法が一般的に用いられている。
【０００４】
そして、たとえば、成形温度の比較的高い光学ガラス素材を用いる高精度な光学素子の成形では、成形型を高温に加熱する必要があるため、大量の電力を必要としていた。
【０００５】
また、加熱時の電力量を削減するために、例えば、特許文献１では、加熱ブロックにおいて、成形型と当接する面とは反対の面にヒータブロックの内部に設けられたヒータを取り囲むように空洞の断熱部を形成し、加熱ブロックの背面側からの伝熱を抑制して、加熱ブロックから成形型に対する伝熱効率を高めようとする技術が開示されている。
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１では、高温に加熱された成形型に蓄えられた熱エネルギーは、冷却工程で、成形型を冷却する過程で環境中に散逸して失われるため、エネルギー損失が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２００７−１１２６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、成形工程におけるエネルギーの利用効率を向上させることが可能な成形技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点は、成形素材が実装された成形型を加熱する加熱ステージと、
加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレスステージと、
成形された前記成形型を冷却する冷却ステージと、を備え、
前記冷却ステージは、
前記成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、
前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、冷却の際に前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、
を具備した成形装置を提供する。
【００１０】
本発明の第２の観点は、成形素材が実装された成形型を加熱する加熱工程と、加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレス工程と、前記成形型を冷却する冷却工程とを実行する成形方法であって、
前記冷却工程では、前記成形型の持つ熱を電力に変換することによって当該成形型の冷却を行う成形方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３の観点は、成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、を含む成形装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、成形工程におけるエネルギーの利用効率を向上させることが可能な成形技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態である成形装置の全体の構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態である成形装置の冷却ステージの構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である成形装置を構成する熱発電モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態の成形装置の変形例における冷却ステージの構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施の形態の一態様では、たとえば、ガラス等の成形素材を収容した成形型を上下から挟み込み、加熱、プレス、冷却を順次行うことで光学素子を成形する光学素子成形装置において、成形型を冷却するための冷却ステージは、成形型と接触し成形型の熱を吸収する冷却プレートと、冷却水によって冷却されている水冷ブロックと、冷却プレートと水冷ブロックの両方に面接触するように配置された熱発電モジュールからなる構成とする。
【００１５】
この熱発電モジュールは、たとえば、Ｐ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントが複数個直列にＰＮ接合されてなる構成を用いることができる。
さらに、熱発電モジュールの冷却プレートおよび水冷ブロックに対する接触力や接触状態を調整することのできるコンプライアンス機構を備えている。
【００１６】
本態様の成形装置では、高温に加熱された成形型の熱エネルギーは、冷却プレートの温度を上昇させることにより、熱発電モジュールの冷却プレート側の接合面を加熱する。
【００１７】
また、熱発電モジュールの水冷ブロック側の接合面は、成形装置の全体を一定温度に保つための冷却水路により水冷ブロックが冷却されているため、熱発電モジュールの両端面で温度差が生じる。
【００１８】
この熱発電モジュールの両端面に温度差が生じることで、発電を行うことが可能となり、成形型の加熱に用いられた熱エネルギーを環境中に散逸させることなく、冷却ステージにて電力として回収し、蓄積して再利用することが可能となる。
【００１９】
すなわち、高温に加熱された成形型が持っている熱エネルギーを冷却時に電力として回収することにより、成形工程に必要なエネルギーの利用効率を向上させることが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態である成形装置の構成の一例を示す全体図であり、図２は、本発明の一実施の形態である成形装置の冷却ステージの一例を示す断面図であり、図３は、本実施の形態の成形装置を構成する熱発電モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【００２１】
本実施の形態の成形装置Ｍ１では、一例として光学ガラス素子の製造装置に適用した場合を例にとって説明する。
なお、本実施の形態では、図１において、左右方向をＸ方向、上下方向をＺ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向として説明する。また、一例として、Ｚ方向は鉛直方向、Ｘ−Ｙ平面は水平面とする。
【００２２】
図１に例示されるように、本実施の形態の成形装置Ｍ１は、下ベース４、上ベース３、側板９で構成された成形室６を備えている。
【００２３】
この成形室６の内部には、後述の成形型５０に対して、加熱、加圧、冷却等の一連の成形工程を順次実施するために、加熱ステージ１１（加熱工程）と、プレスステージ１２（プレス工程）と、冷却ステージ１３（冷却工程）がＸ方向に一列に配置されている。
【００２４】
加熱ステージ１１とプレスステージ１２と冷却ステージ１３が収容される成形室６の内部は、成形型５０の酸化を防止するとともに、ガラスが失透するなど還元雰囲気による悪影響を与えたりしないために、９９．９％以上の窒素ガスと０．１％以下の水素ガスを混合した混合ガス９２の雰囲気となっている。
【００２５】
この成形室６内の雰囲気を構成する混合ガス９２は、成形室６の外部に設けられたガス供給器９０からガス供給路９１を通して成形室６に供給されている。
ガス供給器９０は、成形型５０の材質やガラスの材質、成形温度などの成形条件によっては、混合ガス９２の混合比を変えることが可能な構成となっている。
【００２６】
成形室６において、Ｘ方向の配列端に位置する加熱ステージ１１および冷却ステージ１３の各々に面した側板９には、投入シャッタ７および排出シャッタ８が設けられており、投入シャッタ７の側には投入台１が配置され、排出シャッタ８の側には、排出台２が配置されている。
【００２７】
投入台１には、Ｘ方向に往復動作する投入爪５が設けられており、投入台１に載置された後述の成形型５０を、投入シャッタ７を通じて成形室６内の加熱ステージ１１に押し込んで投入する動作が行われる。
【００２８】
成形室６には、図示しない成形搬送手段が設けられ、投入台１から加熱ステージ１１に投入された成形型５０は、順次、プレスステージ１２、冷却ステージ１３に移動された後、排出シャッタ８から外部の排出台２に排出される。
【００２９】
加熱ステージ１１およびプレスステージ１２の各々には、下ベース４の側に支持された下冷却ブロック１７、下断熱ブロック１８、下加熱プレート２０が設けられている。
下加熱プレート２０には、ヒータ２０ａが設けられ、下加熱プレート２０に載置される成形型５０を下側から所望の温度に加熱することが可能になっている。
【００３０】
下加熱プレート２０の成形型５０と反対の背面側に位置する下断熱ブロック１８は、下加熱プレート２０の熱が下ベース４の側に散逸することを防止して成形型５０の加熱効率を向上させる。
【００３１】
さらに下断熱ブロック１８の、下加熱プレート２０と反対の背面側に下ベース４との間に位置する下冷却ブロック１７は、内部に図示しない通水路が設けられ、この通水路に冷却水を通すことによって下加熱プレート２０の熱によって下ベース４が過熱することを防止している。
【００３２】
一方、下加熱プレート２０とＺ方向に対向する位置には、上軸１４およびシリンダ１０を介して上ベース３の側に支持された上加熱プレート１９、上断熱ブロック１６、上冷却ブロック１５が設けられている。
【００３３】
成形型５０に上側から当接する上加熱プレート１９には、ヒータ１９ａが設けられ、成形型５０を上側から所望の温度に加熱することが可能になっている。
【００３４】
上加熱プレート１９の成形型５０と反対の背面側には、上断熱ブロック１６が設けられ、上加熱プレート１９の熱が上ベース３の側に散逸することを防止して、成形型５０の加熱効率を向上させている。
【００３５】
上断熱ブロック１６の背面側に上軸１４との間に設けられた上冷却ブロック１５は、上述の下冷却ブロック１７と同様の構造を持ち、上側の上軸１４、シリンダ１０、上ベース３等が上加熱プレート１９の熱で過熱することを防止している。
シリンダ１０は、上軸１４を介して上加熱プレート１９を上下方向（Ｚ方向）に駆動する動作を行う。
【００３６】
本実施の形態の場合、加熱ステージ１１では、シリンダ１０は、上加熱プレート１９を成形型５０の上側に当接させ、下加熱プレート２０との間で成形型５０を挟むように動作する。
【００３７】
また、プレスステージ１２では、シリンダ１０は、上加熱プレート１９を所定のプレス圧力で成形型５０に当接させ、下加熱プレート２０との間で成形型５０を挟圧することで成形動作を行う。
【００３８】
一方、図１および図２に例示されるように、各ステージの配列終端に位置する本実施の形態の冷却ステージ１３は、シリンダ１０、冷却ブロック駆動軸２１、第１水冷ブロック２２、第１コンプライアンス機構２３、第１冷却水路２４、第１冷却プレート２５、第２冷却水路２６、第２冷却プレート２７、第２コンプライアンス機構２８、第２水冷ブロック２９、熱発電モジュール３０Ａ（熱発電手段）、熱発電モジュール３０Ｂ（熱発電手段）を備えている。
【００３９】
本実施の形態の成形装置Ｍ１では、第１冷却プレート２５の成形型５０に当接する面と反対側の背面には、第１コンプライアンス機構２３、熱発電モジュール３０Ａ、および第１水冷ブロック２２を介して冷却ブロック駆動軸２１が接続されている。
冷却ブロック駆動軸２１は、シリンダ１０を介して上ベース３に支持されている。
【００４０】
同様に、Ｚ方向に第１冷却プレート２５に対向し、成形型５０が載置される第２冷却プレート２７の背面側には、第２コンプライアンス機構２８、熱発電モジュール３０Ａ、および第２水冷ブロック２９が配置され、第２水冷ブロック２９は、下ベース４に支持されている。
【００４１】
第１コンプライアンス機構２３は、第１水冷ブロック２２に対して第１冷却プレート２５を変位自在に支持する柔軟支持構造であり、第１水冷ブロック２２の側に固定された熱発電モジュール３０Ａに対する第１冷却プレート２５の姿勢を柔軟に変化させることにより、温度変動による寸法変化などの影響を補正して、第１冷却プレート２５の背面と熱発電モジュール３０Ａとの接触面が、最大の接触面積を保つことができるように、すなわち、第１冷却プレート２５と熱発電モジュール３０Ａとの間の伝熱効率が最大となるように配置されている。
【００４２】
同様に、第２コンプライアンス機構２８は、第２水冷ブロック２９に対して第２冷却プレート２７を変位自在に支持する柔軟支持構造であり、温度変動による寸法変化などの影響を補正して、第２冷却プレート２７の背面と熱発電モジュール３０Ｂとの接触面が、最大の接触面積を保つことができるように、すなわち、第２冷却プレート２７と熱発電モジュール３０Ｂとの間の伝熱効率が最大となるように配置されている。
【００４３】
また、第１水冷ブロック２２は、当該第１水冷ブロック２２に接続される冷却ブロック駆動軸２１や当該冷却ブロック駆動軸２１を駆動するシリンダ１０等が熱により変形しないように配置されている。
【００４４】
この第１水冷ブロック２２は内部に第１冷却水路２４が配置され、冷却水等の冷却媒体が常に流れており、常時、熱発電モジュール３０Ａ等の冷却が行われる構造となっている。
【００４５】
同様に、第２コンプライアンス機構２８を介して第２冷却プレート２７を背後から支持する第２水冷ブロック２９の内部にも第２冷却水路２６が配置され、冷却媒体が常に流れて、常時冷却が行われる構造となっており、成形装置Ｍ１の成形室６を構成する下ベース４等を熱から保護する構造となっている。
【００４６】
この場合、第１冷却プレート２５の背面側と第１水冷ブロック２２との間に配置された熱発電モジュール３０Ａ、および第２冷却プレート２７の背面側と第２水冷ブロック２９の間に配置された熱発電モジュール３０Ｂの各々は、例えば、ＰＮ接合を構成するように、Ｐ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントが複数個直列に接続されてなる構成となっており、両端面に温度差が生じることで、熱発電モジュール３０Ａ（熱発電モジュール３０Ｂ）が発電する構造となっている。
【００４７】
図３は、本実施の形態における熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂの構成を例示した側面図である。この場合、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂは同一の構成であり、取り付け姿勢がＺ方向に互いに反転している。
【００４８】
熱発電モジュール３０Ａ（熱発電モジュール３０Ｂ）は、複数のＰ型半導体３１（Ｐ型熱電材料エレメント）およびＮ型半導体３２（Ｎ型熱電材料エレメント）を、ＰＮ接合を構成するように、複数の熱源側電極３３および冷却側電極３４を介して交互に直列に接続した構成となっており、その両端の冷却側電極３４に、リード線３５およびリード線３６が接続されている。
【００４９】
熱源側電極３３および冷却側電極３４の各々の外面は、例えば、セラミックス等の耐熱性の絶縁体からなる絶縁カバー３７および絶縁カバー３８で覆われている。
【００５０】
そして、熱源側電極３３（絶縁カバー３７）の側を高温の第１冷却プレート２５に当接させ、冷却側電極３４（絶縁カバー３８）の側を低温の第１水冷ブロック２２の側に当接させることで、リード線３５およびリード線３６から、第１水冷ブロック２２と第１冷却プレート２５の温度差に応じた電力が、熱発電モジュール３０Ａのリード線３５およびリード線３６に取り出される。
【００５１】
同様に、熱源側電極３３（絶縁カバー３７）の側を高温の第２冷却プレート２７に当接させ、冷却側電極３４（絶縁カバー３８）の側を低温の第２水冷ブロック２９の側に当接させることで、リード線３５およびリード線３６から、第２水冷ブロック２９と第２冷却プレート２７の温度差に応じた電力が、熱発電モジュール３０Ｂのリード線３５およびリード線３６に取り出される。
【００５２】
本実施の形態の場合、一例として、上述の熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂのリード線３５およびリード線３６は電力を蓄積することが可能な二次電池６０に接続され、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂが発電した電力が二次電池６０に蓄積される構成となっている。
【００５３】
また、上述の二次電池６０を成形装置Ｍ１の一部、もしくは他の装置の電気機器に接続して、熱発電モジュール３０Ｂが発電した電力を利用する構成としても良い。
【００５４】
図２に拡大して例示したように、一例として、成形型５０は、筒状のスリーブ５３の内部に、上型５１および下型５２が対向して配置され、各々の対向端に設けられた成形面５１ａおよび成形面５２ａの間に、熱可塑性の成形素材４０が実装される構成となっている。
【００５５】
スリーブ５３の壁面部には、上型５１の成形面５１ａと下型５２の成形面５２ａとの間に形成される成形空間に連通するように通気孔５３ａが形成されおり、成形時に、当該成形空間内の空気が速やかに外部に排出されるようになっている。
【００５６】
そして、成形型５０の全体を所望の成形温度に加熱した状態で、上型５１および下型５２を軸方向に挟圧することで、成形面５１ａおよび成形面５２ａを成形素材４０に転写する型成形が行われる。
【００５７】
（作用）
以下、本実施の形態の成形装置Ｍ１の作用を説明する。
まず、加熱ステージ１１およびプレスステージ１２の各々では、上加熱プレート１９および下加熱プレート２０が、ヒータ１９ａおよびヒータ２０ａによって所定の温度に加熱されている。
【００５８】
この状態で、投入シャッタ７を通じて、投入台１から投入爪５によって成形型５０を成形室６の内部に投入し、加熱ステージ１１の下加熱プレート２０に載置する。
【００５９】
そして、シリンダ１０によって上軸１４を駆動することにより、上加熱プレート１９をＺ方向に下降させ、成形型５０の上型５１に当接させることで、下加熱プレート２０と上加熱プレート１９の間に成形型５０を挟持し、成形型５０に対して上下両方からヒータ１９ａおよびヒータ２０ａの熱を伝えることにより、成形型５０の温度を成形素材４０が成形可能な所定の温度に上昇させる。
【００６０】
次に、図示しない成形型搬送手段によって成形型５０をプレスステージ１２の下加熱プレート２０に移載する。
【００６１】
そして、シリンダ１０によってプレスステージ１２の上軸１４を駆動させることによって上加熱プレート１９を下降させ、下加熱プレート２０と上加熱プレート１９との間で成形型５０を挟持して、上下方向からヒータ１９ａおよびヒータ２０ａの熱を成形型５０に伝えて当該成形型５０の温度を維持すると共に、さらに、上軸１４によって上加熱プレート１９を下降させて成形型５０の上型５１にＺ方向にプレス圧力を加え、成形型５０における上型５１および下型５２の成形面５１ａおよび成形面５２ａの形状を成形素材４０に転写する。
【００６２】
次に、図示しない成形型搬送手段によって成形型５０を冷却ステージ１３の第２冷却プレート２７の上に移載して、シリンダ１０によって冷却ブロック駆動軸２１を駆動し、第１冷却プレート２５を下降させ、第２冷却プレート２７との間で成形型５０を挟持する。
【００６３】
このとき、本実施の形態の場合には、第１冷却プレート２５は第１コンプライアンス機構２３を介して第１水冷ブロック２２に支持されているため、第１冷却プレート２５の背面が熱発電モジュール３０Ａに全面にわたって密着し伝熱抵抗が小さくなるように当該第１冷却プレート２５の姿勢が自律的に調整される。
【００６４】
同様に、第２冷却プレート２７も第２コンプライアンス機構２８を介して第２水冷ブロック２９に支持されているため、第２冷却プレート２７の背面が熱発電モジュール３０Ｂの全面にわたって密着し伝熱抵抗が小さくなるように当該第２冷却プレート２７の姿勢が自律的に調整される。
【００６５】
そして、成形型５０の熱エネルギーを成形型５０との接触面を通して第１冷却プレート２５および第２冷却プレート２７に伝達させる。
この場合、成形型５０から第１冷却プレート２５に伝えられた熱は、当該第１冷却プレート２５に上述のように密着した熱発電モジュール３０Ａに効率よく伝達される。
【００６６】
同様に、成形型５０から第２冷却プレート２７に伝えられた熱は、当該第２冷却プレート２７に上述のように密着した熱発電モジュール３０Ｂに効率よく伝えられる。
これにより成形型５０の温度は、室温付近にまで冷却され、後述のように、冷却過程で成形型５０から放出された熱は電力に変換されて回収される。
【００６７】
その後、排出シャッタ８を通じて成形型５０を成形装置Ｍ１の外の排出台２に搬出し、内部の成形済みの成形素材４０である光学素子を取り出す。
【００６８】
ここで、本実施の形態の場合、成形型５０を冷却ステージ１３で冷却する際、高温に加熱されていた成形型５０の熱エネルギーは、第１冷却プレート２５に伝えられ、さらに、この第１冷却プレート２５と密着した熱発電モジュール３０Ａの一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３７側）が同時に加熱される。
【００６９】
また、同様に第２冷却プレート２７にも伝えられ、さらにこの第１冷却プレート２５と密着した熱発電モジュール３０Ｂの一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３７側）が同時に加熱される。
また、前記熱発電モジュール３０Ａの他端面は第１水冷ブロック２２と接触しており、常に冷却されている。
【００７０】
同様に熱発電モジュール３０Ｂの他端面は第２水冷ブロック２９と接触しており、常に冷却されている。
【００７１】
したがって、熱発電モジュール３０Ａは、一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３８の側）が第１冷却プレート２５を通して加熱され、他端面（冷却側電極３４の絶縁カバー３８の側）が第１水冷ブロック２２により冷却されている状態となり、熱源側電極３３と冷却側電極３４の間に温度差を生じる。
【００７２】
同様に熱発電モジュール３０Ｂは、一端面（熱源側電極３３の絶縁カバー３８の側）が第２冷却プレート２７を通して加熱され、他端面（冷却側電極３４の絶縁カバー３８側）が第２水冷ブロック２９により冷却されている状態となり、熱源側電極３３と冷却側電極３４の間に温度差を生じる。
【００７３】
熱発電モジュール３０Ａは両端で温度差が生じると、Ｐ型半導体３１およびＮ型半導体３２が電力を発生するため、リード線３５およびリード線３６を二次電池６０に接続することで、成形装置Ｍ１の冷却ステージ１３において、高温に加熱された成形型５０を冷却する際に捨てられていた熱エネルギーを、電力として回収して二次電池６０に蓄電して適宜の目的に再利用することが可能となる。
【００７４】
同様に、熱発電モジュール３０Ｂにおいても、リード線３５およびリード線３６から電力を回収することができ、有効に再利用することができる。
【００７５】
以上説明したように、本実施の形態の成形装置Ｍ１では、従来と同様の成形型５０を用いた型成形によって光学素子の製造を行う過程で、従来は大気中や第１水冷ブロック２２、第２水冷ブロック２９の冷却水中に放出され無駄となっていた熱エネルギーを、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂによって電力に変換して確実に回収することで、成形型５０の加熱に必要なエネルギーの一部の回収および蓄積と再利用を実現することが可能となる。
【００７６】
すなわち、本実施の形態の成形装置Ｍ１においては、成形型５０の成形サイクルに投入されたエネルギーの利用効率を確実に向上させることが可能となる。
【００７７】
また、本実施の形態の熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂは、複数のＰ型半導体３１およびＮ型半導体３２を用いて構成されているため、保守管理を必要とするような可動機構部が存在せず、動作の信頼性や耐久性も高い。
【００７８】
このため、たとえば、成形装置Ｍ１を連続操業等で長時間にわたって稼働させる場合でも、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂから安定して電力を取り出すことができるとともに、保守管理のために成形装置Ｍ１の稼働を停止させる頻度も減り、成形装置Ｍ１の稼働率の向上により、成形工程の生産性が向上する。
【００７９】
また、本実施の形態の場合には、熱発電モジュール３０Ａおよび成形型５０に接する第１冷却プレート２５が、第１コンプライアンス機構２３を介して第１水冷ブロック２２に支持され、熱発電モジュール３０Ｂおよび成形型５０に接する第２冷却プレート２７が、第２コンプライアンス機構２８を介して第２水冷ブロック２９に支持されていることにより、第１冷却プレート２５および第２冷却プレート２７の各々が、伝熱抵抗が小さくなるように、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂの各々に最大面積で密着する。
【００８０】
これにより、成形型５０の熱による熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂの発電効率が一層向上し、成形型５０の成形サイクルに用いられるエネルギーの回収効率および再利用効率が確実に向上する。
図４は、本実施の形態の成形装置Ｍ１の変形例である成形装置Ｍ２の冷却ステージの構成例を示す断面図である。
【００８１】
この場合、熱発電モジュール３０Ａで発電された電力が、成形装置Ｍ２の一部を構成する照明装置７０に利用され、熱発電モジュール３０Ｂで発電された電力が外部電気機器８０に利用されるようにしたところが、上述の成形装置Ｍ１と異なり、他は同様である。
【００８２】
この変形例の成形装置Ｍ２に例示したように、熱発電モジュール３０Ａ、熱発電モジュール３０Ｂから得られた電力を、照明装置７０や外部電気機器８０において直接的に利用することで、成形装置Ｍ２の稼働に必要な消費電力の削減、および成形装置Ｍ２のランニングコストの削減を実現することが可能となる。
【００８３】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で変更可能なことはいうまでもない。
たとえば、熱発電モジュール３０Ａおよび熱発電モジュール３０Ｂは、Ｐ型半導体およびＮ型半導体等の熱電材料エレメント用いる構成に限らず、比較的低温で動作する熱機関等を用いてもよい。
【００８４】
（付記１）
成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、前記成形型から伝熱により得る熱エネルギーを電力に変換する熱発電モジュールと、を含むことを特徴とする成形装置。
【００８５】
（付記２）
付記１の成形装置において、さらに、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの各々の背面を支持する第１水冷ブロックおよび第２水冷ブロックを備え、前記熱発電モジュールは、前記第１冷却プレートと前記第１水冷ブロックとの間、および前記第２冷却プレートと前記第２水冷ブロックとの間、の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする成形装置。
【００８６】
（付記３）
付記１または付記２の成形装置において、前記熱発電モジュールは、電力を蓄電する二次電池に接続されていることを特徴とする成形装置。
【００８７】
（付記４）
付記１または付記２の成形装置において、前記熱発電モジュールは、前記成形装置の一部を構成する電気機器に接続されていることを特徴とする成形装置。
【００８８】
（付記５）
付記１または付記２の成形装置において、前記熱発電モジュールは、前記成形装置以外の電気機器に接続されていることを特徴とする成形装置。
【符号の説明】
【００８９】
１ 投入台
２ 排出台
３ 上ベース
４ 下ベース
５ 投入爪
６ 成形室
７ 投入シャッタ
８ 排出シャッタ
９ 側板
１０ シリンダ
１１ 加熱ステージ
１２ プレスステージ
１３ 冷却ステージ
１４ 上軸
１５ 上冷却ブロック
１６ 上断熱ブロック
１７ 下冷却ブロック
１８ 下断熱ブロック
１９ 上加熱プレート
１９ａ ヒータ
２０ 下加熱プレート
２０ａ ヒータ
２１ 冷却ブロック駆動軸
２２ 第１水冷ブロック
２３ 第１コンプライアンス機構
２４ 第１冷却水路
２５ 第１冷却プレート
２６ 第２冷却水路
２７ 第２冷却プレート
２８ 第２コンプライアンス機構
２９ 第２水冷ブロック
３０Ａ 熱発電モジュール
３０Ｂ 熱発電モジュール
３１ Ｐ型半導体
３２ Ｎ型半導体
３３ 熱源側電極
３４ 冷却側電極
３５ リード線
３６ リード線
３７ 絶縁カバー
３８ 絶縁カバー
４０ 成形素材
５０ 成形型
５１ 上型
５１ａ 成形面
５２ 下型
５２ａ 成形面
５３ スリーブ
５３ａ 通気孔
６０ 二次電池
７０ 照明装置
８０ 外部電気機器
９０ ガス供給器
９１ ガス供給路
９２ 混合ガス
Ｍ１ 成形装置
Ｍ２ 成形装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形素材が実装された成形型を加熱する加熱ステージと、
加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレスステージと、
成形された前記成形型を冷却する冷却ステージと、を備え、
前記冷却ステージは、
前記成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、
前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、冷却の際に前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、
を具備したことを特徴とする成形装置。
【請求項２】
前記成形型を冷却する前記冷却ステージは、さらに、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの各々の前記成形型と反対側の背面を、コンプライアンス機構を介して変位自在に支持する第１水冷ブロックおよび第２水冷ブロックを備え、
前記熱発電手段は、前記第１冷却プレートと前記第１水冷ブロックとの間、および前記第２冷却プレートと前記第２水冷ブロックとの間、の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
【請求項３】
前記熱発電手段は、前記成形型に接する高温側の前記第１冷却プレートまたは前記第２冷却プレートに接する複数の熱源側電極と、低温側の前記第１水冷ブロックまたは前記第２水冷ブロックに接する複数の冷却側電極とに交互に直列に接続された複数のＰ型熱電材料エレメントおよび複数のＮ型熱電材料エレメントからなる熱発電モジュールであることを特徴とする請求項２記載の成形装置。
【請求項４】
成形素材が実装された成形型を加熱する加熱工程と、加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレス工程と、成形された前記成形型を冷却する冷却工程とを実行する成形方法であって、
前記冷却工程では、前記成形型の持つ熱を電力に変換することによって当該成形型の冷却を行うことを特徴とする成形方法。
【請求項５】
成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、を含むことを特徴とする成形装置。
【請求項１】
成形素材が実装された成形型を加熱する加熱ステージと、
加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレスステージと、
成形された前記成形型を冷却する冷却ステージと、を備え、
前記冷却ステージは、
前記成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、
前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、冷却の際に前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、
を具備したことを特徴とする成形装置。
【請求項２】
前記成形型を冷却する前記冷却ステージは、さらに、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの各々の前記成形型と反対側の背面を、コンプライアンス機構を介して変位自在に支持する第１水冷ブロックおよび第２水冷ブロックを備え、
前記熱発電手段は、前記第１冷却プレートと前記第１水冷ブロックとの間、および前記第２冷却プレートと前記第２水冷ブロックとの間、の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
【請求項３】
前記熱発電手段は、前記成形型に接する高温側の前記第１冷却プレートまたは前記第２冷却プレートに接する複数の熱源側電極と、低温側の前記第１水冷ブロックまたは前記第２水冷ブロックに接する複数の冷却側電極とに交互に直列に接続された複数のＰ型熱電材料エレメントおよび複数のＮ型熱電材料エレメントからなる熱発電モジュールであることを特徴とする請求項２記載の成形装置。
【請求項４】
成形素材が実装された成形型を加熱する加熱工程と、加熱された前記成形型を加圧して前記成形素材を成形するプレス工程と、成形された前記成形型を冷却する冷却工程とを実行する成形方法であって、
前記冷却工程では、前記成形型の持つ熱を電力に変換することによって当該成形型の冷却を行うことを特徴とする成形方法。
【請求項５】
成形型を挟持する第１冷却プレートおよび第２冷却プレートと、前記第１冷却プレートおよび前記第２冷却プレートの少なくとも一方に配置され、前記成形型から放出される熱エネルギーを電力に変換する熱発電手段と、を含むことを特徴とする成形装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２２８９７７（Ｐ２０１０−２２８９７７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７８８３３（Ｐ２００９−７８８３３）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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