CN108687245A - 热冲压成形用模具的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热冲压成形用模具的冷却装置，其通过将液体和气体状态共存的两相状态的制冷剂向模具内部形成的冷却通道供应，从而具有利用制冷剂的潜热使模具冷却的结构。通过在模具的冷却通道内保持相同的制冷剂温度，从而可实现模具的均匀冷却。此外，通过利用具有高蒸发热的制冷剂，可获得利用较小的流量有效地冷却模具的效果。

Description

热冲压成形用模具的冷却装置

技术领域

本发明涉及热冲压成形用模具(die)的冷却装置，更具体地，涉及一种能够更加均匀且有效地冷却模具的热冲压成形用模具的冷却装置。

背景技术

通常，为了应对基于车辆的轻量化的环境管制，汽车材料中应用高强度钢的部件的使用比率正逐步增加。

这种高强度钢板材料具有低常温下的成形性及成形后尺寸等发生变形，这成为提案在汽车车体部件的制造中扩大应用高强度钢的主要原因。

最近，为了车辆轻量化及高强度化，车体部件的制造中采用热冲压成形的比率逐渐增加。

用于热冲压成形的钢坯为Ac3，例如，可在850～950℃范围内进行加热。经加热的钢坯在数秒内输送至冲压模具进行成形的同时进行急速冷却。模具上具有用于冷却模具的冷却通道。

热冲压成形具有优秀的成形性及尺寸准确度以成形高温钢板。而且，基于热冲压成形可获得具有1500MPa以上伸张强度的车辆部件。

热冲压成形用模具的冷却通道中可供应冷却水。冷却水沿着冷却通道流动的同时吸去模具的热量，并温度逐渐上升。在模具的冷却水流入部中冷却水的温度最高，在冷却水排放部中温度最低。换而言之，流入部附近的冷却效率优秀，相反越是靠近排放部冷却效率越是降低。这指明模具冷却的不均匀性，最终导致热冲压成形部件的品质降低。

发明内容

【解决的技术问题】

本发明的目的在于，为了解决如上所述的问题，提供一种能够更加均匀且有效地冷却的热冲压成形用模具的冷却装置。

【问题的解决装置】

为了达到如上所述目的，本发明涉及的热冲压成形用模具的冷却装置，通过使液体和气体状态共存状态的制冷剂沿着在模具的内部形成的冷却通道流动，具有利用制冷剂的潜热，使模具冷却的结构。通常，热冲压成形用模具具有上部模具和下部模具。本发明涉及的冷却装置可用于上部模具及/或下部模具。

所述模具的冷却通道中流入或者供应的制冷剂可以不处于两相同存条件或者不处于饱和液体状态。冷却通道中供应的制冷剂的温度可为制冷剂的蒸发温度或者稍微低于沸腾点的温度，可优选在制冷剂蒸发温度的97～99.5％范围内。该温度条件既可以使模具中供应的制冷剂温度与从模具排放的制冷剂间的温度差值变小，又能使模具的冷却中制冷剂的蒸发热，即潜热得以充分使用。根据本发明，所述制冷剂在通过模具的冷却通道时可处于液体和气体的两相共存的区域。只要不存在环境问题，制冷剂的蒸发热越高越好。

根据本发明，可能不需要压缩机以用于压缩从所述模具排放的制冷剂。在模具冷却装置的组件中循环流动的制冷剂的温度变化十分小。从模具排放的制冷剂的温度可能接近该制冷剂的蒸发温度，为此，向模具供应的制冷剂的流量可受控制。

根据一实施例，所述热冲压成形用模具的冷却装置可包括用于存储制冷剂的储存罐；用于连接储存罐和模具的冷却通道流入部之间的制冷剂供给线；及用于连接储存罐和模具的冷却通道排放部之间的制冷剂排放线。

此外，根据实施例，所述热冲压成形用模具的冷却装置可包括用于调节模具的冷却通道中供应的制冷剂流量的流量调节部；置备于制冷剂供给线上且用于加热制冷剂的加热部。为了使制冷剂在储存罐至模具的冷却线间进行循环，制冷剂供给线及/或制冷剂排放线上可备有泵。储存罐中储存的制冷剂可为液相。

【发明效果】

根据本发明的热冲压成形用模具的冷却装置，通过利用制冷剂的潜热对模具进行冷却，从而能够将模具的冷却通道内的制冷剂的温度保持一致，进而获得能够均匀地冷却模具的效果。

此外，根据本发明，通过利用具有高蒸发热的制冷剂，可获得利用较小的流量有效地冷却模具的效果。

附图说明

图1是图示本发明实施例涉及的热冲压成形用模具的冷却装置的概略图。

图2是图示本发明实施例涉及的热冲压成形用模具的冷却装置的概略方框图。

具体实施方式

为了有助于对本发明的特征的理解，以下对本发明实施例及相关的热冲压成形用模具的冷却装置进行详细的说明。

为了有助于对以下说明的实施例的理解，在赋予各个附图的组成要素的附图标记的过程中，需要注意的是，对于相同的组成要素即使在不同的附图中图示也尽可能地使用了相同的附图标记。

此外，在本发明的说明过程中，当针对众所周知的结构或者功能进行相关说明时，如果认为可能会混淆本发明的主旨，则可省略对其进行详细说明。

以下参照附图结合实施例对本发明进行详细说明。

图1和图2是概略地图示本发明实施例涉及热冲压成形用模具的冷却装置的图及方框图。

参照图1和图2，本发明实施例涉及的冷却装置用于冷却热冲压成形用模具10，其用于冲压成形加热的成形对象例如金属薄片或者坯。模具冷却装置冷却模具10，基于冷却的模具10对象被冷却。作为一例，放入模具中时的对象的温度为900℃，成形结束后取出时对象的温度为200℃。在热冲压成形工艺中对象由900℃被冷却至200℃，相对于该温度差的热量被传向模具。

通常的模具10用冷却媒介为水。实施例涉及的热冲压成形用模具的冷却装置通过使用非水的化学制冷剂，对模具10进行冷却。

制冷剂可加热至制冷剂的蒸发温度或者即将到达蒸发温度的温度之后向模具10供应。有的情况下，制冷剂可被加热至液体和气体两相同存的状态并向模具10供应。模具10可基于利用制冷剂的潜热而被冷却。制冷剂可在模具工作中在冷却通道的温度及压力条件下以气相和液相并存的物质中可进行选择。例如，制冷剂可在R-134a、R-245fa、R-1234yf、R-1233zd等众所周知或者待开发的制冷剂中选择。

本发明实施例涉及的模具冷却装置在装置的冷却性能或者能力方面，以利用制冷剂的潜热优于利用水的显热作为基础。假设在模具的冷却通道入口处冷却水和制冷剂的温度相同，且冷却通道中供应相同的流量时，显示出利用潜热的制冷剂相比于冷却水具有3至5倍以上的优异的冷却性能的结果。

对于现有的利用水冷却模具的情况，当通过模具的冷却通道时40℃的水被加热至50℃时，显热差值约为42kJ/kg。相比与此，40℃中作为制冷剂的R-134a的蒸发热差值约为163kJ/kg，R-245fa的蒸发热差值约为181kJ/kg，及R-1234yf的蒸发热差值约为132kJ/kg。即，相比于水，制冷剂中蒸发热差值高于3倍以上，使用这种制冷剂时，可减少冷却时使用的制冷剂的流量，从而可减少系统整体的能量消耗。

所述热冲压成形用模具的冷却装置包括用于存储液相制冷剂的储存罐100、用于连接所述储存罐100与所述模具10的冷却通道流入部11之间的制冷剂供给线200、用于调节向所述制冷剂供给线200供应的制冷剂流量的流量调节部110、用于使制冷剂在所述储存罐100至模具10之间进行循环且布置在所述制冷剂供给线200上的泵210、用于加热制冷剂且布置在所述泵210和所述模具10之间的所述制冷剂供给线200上的加热部220，及用于连接所述模具10的冷却通道排放部12与所述储存罐100之间的制冷剂排放线300。所述流量调节部110可置备于所述储存罐100上或者可置备于所述制冷剂供给线200上。

还包括流入制冷剂温度传感器230，其置备于所述制冷剂供给线200上且用于检测所述模具10的冷却通道中流入的制冷剂的温度；排放制冷剂温度传感器310，其置备于所述制冷剂排放线300上且用于检测所述模具10的冷却通道中排放的制冷剂的温度；及控制部400，其从所述流入制冷剂温度传感器230和所述排放制冷剂温度传感器310接收温度数据且对应检测的温度对所述加热部220和所述流量调节部110进行控制。

如果所述流量调节部110调节所述储存罐100中存储的液相制冷剂的流量，并向所述制冷剂供给线200供应，则所述泵210运行并将制冷剂向所述模具10侧供应。制冷剂向所述模具10的冷却通道供应之前，基于所述加热部220制冷剂被加热。通过加热部220制冷剂可被加热至蒸发温度，或者液体和气体两相共存状态或者即将成为两相共存状态之前的温度。

所述模具10的冷却通道为制冷剂发生蒸发的区域。在冷却通道内，液相的制冷剂变位气相，发生相变化。通过冷却通道的制冷剂虽然接收从所述模具10传递的热量，但是温度可能不增加。利用制冷剂的潜热所述模具10可被冷却。基于蒸发温度而被加热的液态制冷剂可能开始蒸发，直至全部变为气相为止，热虽增加但温度可能不发生变化。

通过所述模具10的冷却通道的制冷剂基本保持一定温度，由此冷却通道的任意一个位置上都能够均匀地冷却模具10。

通过所述模具10的冷却通道的制冷剂通过所述制冷剂排放线300向所述储存罐100排放并存储。为了完全以液体状态凝结制冷剂，所述制冷剂排放线300上可具有热交换器320。所述储存罐100中可存储液相的制冷剂。

所述热交换器320布置于所述制冷剂排放线300上，用于与向所述储存罐100排放的制冷剂进行热交换使制冷剂变为液体。为此，所述热交换器320中供应有冷却水，所述冷却水用于与制冷剂进行热交换且通过冷却器330进行供应。

所述控制部400为了利用制冷剂的潜热对所述模具10进行冷却，可控制所述加热部220、所述流量调节部110及所述热交换器320。

所述控制部400通过从所述流入制冷剂温度传感器230接收所述模具10的冷却通道中流入的制冷剂的温度数据，可控制所述加热部220以使所述模具10的冷却通道中流入的制冷剂的温度满足在蒸发温度的97～99.5％范围内。即，加热至即将到达蒸发温度后，可进行控制以使制冷剂流入所述模具10的冷却通道中。附图中虽未图示，但是为了精密地进行温度控制，所述加热部220中可具有温度传感器。该温度传感器还可以检测所述加热部220中进入的制冷剂的温度。

加热至蒸发温度或者即将到达蒸发温度的制冷剂在模具的冷却通道中流动，温度不发生，但热可能会增加。如果加热部220中过度加热制冷剂，则可使用的制冷剂的蒸发潜热将会减少。

如果将制冷剂以在蒸发温度中进一步加热的状态向所述模具10供应，则基于所述模具10接收的热，制冷剂以过热气体状态从模具10排放。如果制冷剂以过热气体状态排放，则为了将其冷却至液相制冷剂需要大量的能量消耗。而且，所述加热部220中加热制冷剂的过程中也会消耗能量，从而导致大量能量的重复且不必要的浪费。

如果制冷剂加热至蒸发温度以上，则很难特定用于冷却模具10可使用的蒸发热的数量。将加热至即将达到蒸发温度的制冷剂向模具10供应，通过控制冷却装置使从模具10排放的制冷剂的温度大致为蒸发温度，从而能够减少能量浪费，有效地冷却模具10。

如果所述模具10的冷却通道中排放的制冷剂的温度高于蒸发温度，则所述控制部400控制所述流量调节部110以增加制冷剂的供应流量。冷却通道中排放的制冷剂以高于蒸发温度的过热气体状态排放意味着，在模具冷却过程中制冷剂接收了超出其蒸发热的热能量。控制部400控制流量调节部110以使从模具10排放的制冷剂保持其蒸发温度。

所述制冷剂的供应流量可选定为大于或者等于所述模具10中对应于待成形对象的大小、对象成形后的目标温度及工艺时间设定的最少供应流量。制冷剂的最少供应流量作为用于将对象冷却至目标温度的、模具10中供应的制冷剂的最少流量，通过计算出为了将1次冲压冲程内对象向模具10传递的热能量在工艺时间内吸收而所需的制冷剂的流量而获得。工艺时间可包括对象的成形所需时间和替换对象所需的时间。

所述最少供应流量可通过以下的数学式设定。

在此，m_min为最少供应流量[kg/s]，A为对象的面积[m²]，D为对象的厚度[m]，ρ为对象的密度，C_p为对象的比热[kJ/kg℃]，ΔT为对象的起始温度和最终温度的差值[℃]，t₁为对象成形所需的时间[s]，t₂为替换对象时间[s]，及h_fg为制冷剂的潜热[kJ/kg]。

如果使用的制冷剂或者对象的大小发生变化，则所述控制部400控制所述流量调节部110以通过所述数学式计算出最少供应流量，并至少供应计算出的最少供应流量以上的制冷剂。

如果所述热交换器320中流入的制冷剂的温度为蒸发温度，则所述控制部400控制所述热交换器320使其运行。如果低于蒸发温度，则所述控制部400控制所述热交换器320使其不运行。为此，附图中虽未图示，所述热交换器320中还可具有用于检测制冷剂温度的温度传感器。

从所述模具10排放的制冷剂可在通过所述制冷剂排放线300的同时被冷却。流入所述热交换器320中时，如果制冷剂的温度低于蒸发温度，则制冷剂可能为液相。这种情况下，为了最小化能量消耗，所述热交换器320可能不运行。

所述制冷剂供给线200和所述制冷剂排放线300上可具有分别开关它们流道的阀门240、340。阀门240、340可使所述模具10的替换更加方便。替换所述模具10时，通过关闭所述阀门240、340，封闭所述制冷剂供给线200和所述制冷剂排放线300之后，从所述模具10卸载所述制冷剂供给线200和所述制冷剂排放线300。由此，只舍弃模具10和所述制冷剂供给线200的阀门240之间及模具10和所述制冷剂排放线300的阀门340之间残留的制冷剂，从而可最小化舍弃制冷剂量。

如上所述的实施例涉及的所述模具冷却装置可单独使用，也可以与利用水的冷却装置一同使用。作为一例，可使用水冷却装置对模具全部进行冷却，对于仍需局部冷却的部位，可利用实施例涉及的冷却装置进行冷却。这种情况下，实施例涉及的所述热交换器320中可连接水冷却装置。例如，水冷却装置的冷却水供应部可作为实施例涉及的所述冷却器330而使用。

如上所述，虽然通过有限的实施例和附图对本发明进行说明，但是本发明不限于此，而且可包括基于本发明所属的技术领域具有一般知识的技术人员在本发明的技术思想及以下记载的权利要求书等同的范围内进行的各种修改和变形。

Claims (10)

1.一种热冲压成形用模具的冷却装置，该冷却装置内部形成有用于冷却模具的冷却通道，其特征在于，该冷却装置包括：

储存罐，其用于存储制冷剂；

制冷剂供给线，其用于连接所述储存罐和冷却通道的流入部；及

制冷剂排放线，其用于连接所述冷却通道的排放部和储存罐；

沿着所述冷却通道流动的制冷剂具有液体和气体两相共存的状态，且具有可通过潜热来冷却模具的结构。

2.如权利要求1所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

还包括流量调节部，其设置于所述储存罐或者制冷剂供给线上，用于调节向冷却通道的流入部供应的制冷剂流量；以及

加热部，其设置于所述制冷剂供给线上，用于加热制冷剂。

3.如权利要求2所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

还包括：流入制冷剂温度传感器，其设置于所述制冷剂供给线或者模具的冷却通道流入部上，且用于检测向模具供应的制冷剂的温度；及

排放制冷剂温度传感器，其设置于所述制冷剂排放线或者模具的冷却通道排放部上，其用于检测从模具排放的制冷剂的温度。

4.如权利要求3所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

还包括控制部，其从所述流入制冷剂温度传感器和排放制冷剂温度传感器接收温度数据，且对应温度数据控制加热部和流量调节部。

5.如权利要求4所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

所述控制部控制加热部以使所述模具的冷却通道中流入的制冷剂的温度处于蒸发温度的97～99.5％范围内。

6.如权利要求5所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

如果从所述模具的冷却通道排放的制冷剂的温度高于蒸发温度，则所述控制部控制流量调节部以增加向冷却通道供应的制冷剂的流量。

7.如权利要求4所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

还包括热交换器，其设置于所述制冷剂排放线上，且用于将向储存罐供应的制冷剂制冷为液体。

8.如权利要求1所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

还包括：流量调节部，其设置于所述储存罐或者制冷剂供给线上，用于调节向冷却通道的流入部供应的制冷剂的流量；及

加热部，其设置于所述制冷剂供给线上，用于加热制冷剂；

且具有如果从所述模具排放出过热气体或者从模具排放的制冷剂的温度高于蒸发温度，则增加向模具供应的制冷剂流量的结构，

从所述模具排放的制冷剂为非压缩状。

9.如权利要求4所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

所述控制部控制流量调节部从而能够对应于成形对象的大小、对象成形后目标温度及工艺时间，以大于或等于设定的最少供应流量的流量向模具的冷却线供应。

10.如权利要求9所述的热冲压成形用模具的冷却装置，其特征在于，

所述最少供应流量基于以下的数学式设定，

其中，m_min为最少供应流量，单位为[kg/s]，A为成形对象的面积，单位为[m²]，D为成形对象的厚度，单位为[m]，ρ为成形对象的密度，C_p为成形对象的比热，单位为[kJ/kg℃]，ΔT为成形对象的初始温度和最终温度的差值，单位为[℃]，t₁为成形对象的成形所需时间，单位为[s]，t₂为成形对象的替换时间，单位为[s]，及h_fg为制冷剂的潜热，单位为[kJ/kg]。