JP2005518924A - 発泡金属を作るための、シールされたインペラ、装置、及び方法 - Google Patents

発泡金属を作るための、シールされたインペラ、装置、及び方法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】 発泡金属を作るための装置であって、溶融金属を収容する槽と、溶融金属中に液没すべく槽の底部を介して延入している回転シャフトないしインペラと、シャフトにおける液没している端部に設けられた気体放出ノズルとを備えた装置である。シャフトにおける反対端部は、気体供給ラインに結合されて、シャフトはモータを用いて回転される。槽における底部に設けられた開口には、シールが提供されて、溶融金属が漏れることを防止する。

Description

本発明は、一般に、液没型のインペラに関し、より詳しくは、発泡金属を作るために使用されるインペラに関する。
様々な物品を製造するために使用すべく、高強度と軽量な特性をもった素材に対する大きな要望が存在する。そうした素材は、特に自動車産業及び建築産業において要望されている。かかる要望を満たすために、発泡金属が提案されている。発泡金属は、一般的に、溶融金属槽の中に気体を導入し、その表面に泡を発生させることによって形成される。アルミニウムは（その他の金属も使用できるけれども）、強度対重量比が優れているために、発泡金属を作るのに好まれる材料である。泡を取り出してから、所望の形状に形成ないし鋳造する。溶融金属槽の中に気体を導入するために、様々な方法が提案されている。そうした方法では、気体を発生する添加物を使用したり、空気を吹き込んだりしている。後者の方法について見ると、溶融金属中に気体を吹き込むための、様々な機器及び装置が知られている。そうした装置は、ノズル及びインペラ、その他の類似装置を含んでいる。
米国特許第５，３３４，２３６号に開示されている発泡金属の発生装置では、供給管の端部にある気体ノズルか、または、気体が通過する複数の開口をもった中空の回転インペラか、によって空気が導入される。いずれの場合にも、管又はインペラは、金属槽に設けた開口に通して斜めに取り付けられる。この特許には、どのように、そうした開口をシールして、溶融金属が漏れないようにするのかについて、まったく教示されていない。さらに、管又はインペラを形成するのに用いられるシャフトは、それらが溶融金属中に沈められるという理由から、ステンレス鋼によって形成されている。それにもかかわらず、そうしたシャフトは、溶融金属に長時間沈めた後には劣化して、しばしば交換しなければならないということが知られている。これらの公知の気体導入装置における別の欠点は、シャフトが溶融金属槽の中に斜めに提供されるために、槽の深さが深くなると、シャフトの長さを調節しなければならないことである。そうした装置における駆動機構の必要条件を別にしても、各シャフトのためのコストが高くなることは理解できるだろう。このことと、シャフトを定期的に交換する必要があることとのために、運用コストは高騰する。
米国特許出願第６０／３１２，７５７号において、本願と同一の発明者は、改良された発泡金属の発生及び鋳造装置を提供している。この装置では、気泡を発生させるべく、金属槽の底部に気体を導入することによって、発泡金属を作っている。次に、気泡は、金型のキャビティに結合された上昇管を通って、上昇する。そして、気泡は、キャビティの中に、発泡体を形成する。キャビティが充填された後には、これを冷却して、形成された発泡金属の物品を取り出す。この事例では、気泡は、特定の箇所で発生させることが好ましい。この引例では、溶融金属槽の底部に配置される多孔質のノズルを、上昇管の略直下に配置して提供している。そうした多孔質のノズルは、望ましい泡を発生させるけれども、回転式のノズルは泡の特性を向上させると信じられている。しかしながら、当業者に知られている回転式のノズルは、上述したように様々な欠点を有している。この特定の用途においては、さらにひとつの欠点、つまり斜めのインペラ・シャフトにあっては、形成された気泡を上昇管の中に確実に導入することがしばしば困難であるという欠点がある。さらに、上述した装置は、発泡チャンバの加圧を伴なっている。そうした場合には、インペラのまわりに、漏れを防ぐための適切なシールが必要である。インペラが溶融金属槽の側面を介して導入される場合には、そうしたシールを実現することは困難である。
米国特許第５，３３４，２３６号 米国特許出願第６０／３１２，７５７号
従って、発泡金属を発生させるための、改良されたインペラ装置に対する要望が存在する。
従って、本発明によるひとつの実施形態によれば、容器中の液体に気体を供給するための液没型の気体放出インペラが提供されて、前記インペラは、
少なくともひとつのボア孔と、気体供給源に結合されてなる第１の端部と、前記容器の底部に設けられた開口を介して前記液体中に延入してなる第２の端部と、を有しているような中空シャフトを備え、
前記シャフトにおける第２の端部は、前記ボア孔に連通しているような気体放出ノズルを含み、
前記シャフトは、前記流体の漏れを防止するためのシールを含み、
シャフトを該シャフトの長手軸線を中心として回転させるような駆動手段を備えていることを特徴としている。
本発明の他の実施形態によれば、液体中に気体を放出するための装置が提供されて、この装置は、
前記液体のための容器であって、開口を備えた底部を有しているような前記容器と、
気体供給源に結合されてなる第１の端部と、前記容器の前記開口を介して前記液体中に延入してなる第２の端部と、を有しているような中空シャフトと、
前記シャフトにおける前記第２の端部に結合されてなる気体放出ノズルと、
前記液体の漏れを防止すべく、前記容器における前記開口に隣接するように提供されているシールと、
前記シャフトを該シャフトの長手軸線を中心として回転させるべく、前記シャフトに結合されているモータと、を備えていることを特徴としている。
本発明のさらに別の実施形態によれば、溶融金属から発泡金属を作るための装置が提供されて、この装置は、
前記溶融金属を収容するための槽であって、底部に開口を備えた容器から構成されているような前記槽と、
中空の回転可能であるシャフトであって、前記開口を介して前記溶融金属の中へ略垂直に延入し、前記溶融金属中に延入してなる第１の端部と、気体供給源に結合されてなる第１の端部と、を有しているような中空シャフトと、を備え、
前記シャフトにおける第１の端部は、前記溶融金属に液没しているような気体放出ノズルを含み、
前記溶融金属が通り抜けないように、前記シャフトと前記開口との間に配置されているシールと、
前記シャフトを該シャフトの長手軸線を中心として回転させるべく、前記シャフトに結合されている駆動機構と、を備えていることを特徴としている。
本発明の好ましい実施形態におけるこれらの及びその他の特徴については、添付図面を参照した、以下の詳細な説明によって、さらに明らかになるだろう。
図１は、前述の米国特許出願第６０／３１２，７５７号に開示されている発泡金属の鋳造装置を示していて、この装置に本発明を適用することができる。図示の通り、鋳造装置に含まれる金型３６は、金型キャビティ３８を有していて、該キャビティは上昇管３９に連通している。上昇管３９は、溶融金属３４を収容している槽３２の中へ延入している。槽３２は、その底部に、多孔質のプラグないしノズル４４を含んでいる。気体供給ライン４２は、ノズル４４に結合されていて、ノズル４４を介して溶融金属３４の中へ気体を導入する。そうした気体によって気泡４６が形成されて、該気泡はその浮力のために、矢印Ｃにて示した方向に優先的に上昇する。図示の通り、上昇管３９をノズル４４の略直上に配置することによって、気泡は該管に入って上昇し、発泡金属を形成する。管３９の開口に、煙突状の端部を備えるようにして、形成された気泡を集めることを補助することもできる。それによって、泡は、金型キャビティ３８に入って、これを充填することができる。当業者には理解されるだろうが、金型キャビティが発泡金属で充填されたならば、金型を冷却して、発泡体を固化し、これに続き、形成された発泡体の物品を取り出す。
図２は、図１に示して上述した発泡金属の鋳造装置において、静止した多孔質のノズルに代えて使用される、回転式の気体供給インペラの一例を示している。
図２において、本発明のひとつの実施形態による回転式のインペラは、符号１００にて示されている。インペラは、溶融金属槽（図示せず）の底部１０４に、略垂直に延入するような中空シャフト１０２を含んでいる。当業者には周知のように、底部１０４を含む槽には、溶融金属の温度に耐えられるように、耐熱ないし断熱材料１０５が備えられている。シャフト１０２における第１の端部つまり下端１０６には、シャフト１０２の中空のボア孔１１０につながる開口１０８が設けられている。シャフト１０２のボア孔１１０には、開口１０８に気体供給ライン（後述）を結合することによって、空気が導入される。
図３を簡単に参照すると、気体供給装置の一例が示されている。図示の通り、シャフト１０２は、ボア孔１１０の内壁にネジ付き部分（図示せず）を含んでいる。回転ユニオン継手１６０は、ボア孔１１０のネジに対して相補的であるような、ネジの付いたコネクタ１６２を含んでいる。回転ユニオン継手１６０は、コネクタ１６２をボア孔１１０に螺入させることによって、シャフト１０２に固定される。回転ユニオン継手１６０は、回転部分１６４と静止部分１６６とを含んでいる。部分１６４と部分１６６とを結合する手段については一般的に公知であり、実際、回転ユニオン継手１６０それ自体は商業的に入手することができる。静止部分１６６には、気体供給ポート１６８が提供されている。そして、供給ポート１６８には気体供給ライン１７０が取り付けられる。好ましい気体供給装置について説明したけれども、様々なその他の方法によって、シャフト１０２に気体を供給することも可能であることは当業者にとって明らかであろう。
図２を参照すると、シャフト１０２における第２の端部つまり上端１１２には、気体出口ノズル１１４が設けられている。シャフト１０２における上端１１２は、開口１１６を介して溶融金属槽の中へ延入し、底部１０４と耐熱材料１０５とを貫通している。底部１０４に設けられた開口１１６には、中央にボア孔１２０をもった支持体１１８が提供されている。シャフト１０２は、支持体１１８における中央のボア孔１２０を介して延在していて、中央のボア孔１２０は、シャフト１０２が自由に回転可能であるような寸法になっている。支持体１１８は、略円錐形である上部１２２を含み、該上部に含まれる環状の肩部１２４は、開口１１６に隣接している、底部１０４における内面１２６の部分に当接している。支持体１１８は、略円筒形である本体１１７を含み、これを通してボア孔１２０が延在し、本体１１７は好ましくは開口１１６に延通している。本体１１７の外径は、開口１１６の中に締り嵌めを提供できるような寸法に定められることが好ましい。上述したように、支持体１１８における上部１２０は、略円錐形である構造になっている。そうした構造は、溶融金属をシャフト１０２から遠ざけるための助けになる。支持体１１８及び開口１１６の好ましい構造形態について説明したけれども、当業者にあっては、本発明の範囲内において、様々な他の形状を採用できることを理解されたい。また、支持体１１８は、溶融金属の温度に耐えられるような材料から作ることが好ましいことも理解されたい。例えば、適切な材料には、珪酸アルミニウムや、グラファイト、又はセラミックスが含まれる。
支持体１１８における中央のボア孔１２０は、支持体１１８の上端に、ボア孔１２０の直径に比べて大きい直径を有しているような、上部領域１２１を含んでいる。こうして直径が拡大されているために、シールないしブッシング１３０を支持するための、棚部１２８が提供される。ブッシング１３０は、略円筒形の外壁１３２を有していて、これは支持体１１８における上部領域１２１の直径に略一致した直径をもっている。好ましい実施形態においては、ブッシング１３０は、その外壁１３２と上部領域１２１との間に生じる摩擦接触によって、上部領域１２１の内部における所定位置に維持される。さらに、そうした構成によれば、ブッシング１３０と支持体１１８との間に密封シールが確保される。好ましい実施形態においては、ブッシング１３０は、該ブッシングが曝される溶融金属の温度に耐えるべく、グラファイトから作られている。しかしながら、セラミックスや、金属、又は複合素材その他の材料を使用することもできることは、当業者には明らかであろう。ブッシング１３０として使用可能であるいくつかの例示的な材料には、とりわけ、グラファイト、硼化チタン、タングステン、アルミナ、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、炭化珪素、窒化珪素、硝化硼素、炭化チタン、及び炭化タングステンが含まれる。
他の実施形態においては、支持体１１８は、シールないしブッシング１３０と一体的に形成される。しかしながら、シール１３０が摩耗した時に容易に交換できるように、独立したシールが好ましいことを理解されたい。また、最適なシールを形成するためには、ノズル１１４の下側は、シールないしブッシング１３０における上部接触面に対して、直角をなしているべきであることを理解されたい。
好ましい実施形態においては、シールないしブッシング１３０として選択される材料は、溶融金属に「濡れない」材料になっている。同様に、インペラ又はその一部も、「濡れない」材料から作られている。他の実施形態においては、溶融金属に接触する構成要素、つまりシール・ブッシング１３０、支持体１１８、ノズル１１４、及びインペラにおける他の部分は、溶融金属に濡れることに抵抗し、及び／又は、装置における漏れを防ぐようにシールするような、保護材料によって被覆されている。
ブッシング１３０は、中央にボア孔１３４を含んでいて、この中に、シャフト１０２の上端が収容されて、シャフトが回転できるようになっている。シャフト１０２の外径とブッシング１３０のボア孔１３４との間のクリアランスは、両者の間にシール構造を提供すべく、可能な限り最小に維持されることが好ましい。これにより、また、ブッシング１３０と支持体１１８との間のシールにより、槽内の溶融金属が漏れることは防止される。
気体放出ノズル１１４は好ましくは、シャフトの上端に固定されてなる略円筒形の本体を備えている。好ましい実施形態においては、ノズル１１４の本体は、本体の中心軸線から放射状に延在してなる、複数のフィン１１５を備えている。ノズル１１４は、中央に開口１３６を含んでいて、該開口は、シャフト１０２の中央のボア孔１０８に連通している。好ましい実施形態においては、開口１３６は、ノズル１１４の本体の全体にわたるのではなく、それに代えて、ノズル１１４の本体は、１以上の、好ましくは複数の、気体放出通気口１３８をフィン１１５に通して延在させて備えている。通気口１３８は、ノズル１１４における開口１３６から広がっていて、該開口に連通している。通気口１３８は、シャフト１０２を通して供給された気体を溶融金属の中に放出すべく、溶融金属槽の中に開口している。ノズル１１４をシャフト１０２に固定させているので、シャフト１０２が回転すると、ノズルも回転することが理解できるだろう。好ましい実施形態においては、ノズル１１４の底面は、ブッシング１３０の上面に当接し、両者の間にシール構造を確立している。
シャフト１０２は、槽の下方に配置された、静止した支持体１４０に設けられた開口に通して延在している。支持体１４０は好ましくは、ベアリング１４２を含んでいて、その中央のボア孔１４４の直径は、シャフト１０２の直径に比べて大きくなっている。ボア孔１４４は好ましくは、ブッシング１４６を備え、該ブッシングを通ってシャフト１０２が延通している。シャフト１０２は、ブッシング１４６の中に、回転可能に収容されていることが理解できるだろう。ベアリング１４２のひとつの目的は、理解できるだろうが、シャフト１０２の回転中に該シャフトを支持して安定化させることである。ベアリング１４２は好ましくは、その底部にワッシャ１４８を備え、これを通ってシャフト１０２が延在している。ワッシャ１４８の目的については、以下に説明する。
シャフト１０２の下端１０６には、シャフトに固定された、カラー１５０が備えられている。カラー１５０とワッシャ１４８との間には、バネ１５２が設けられ、該バネは圧縮状態になっている。このようにバネを設けることによって、ワッシャ１４８とカラー１５０とには押圧力が働いて、ワッシャとカラーとは互いに押し離される。この力は、シャフト１０２の長さに沿って延びることで、ノズル１１４の底面をブッシング１３０の上面に当接させて、ノズルとブッシングとの間のシールを強化して、溶融金属が槽から漏れることを防止する。かかる力によって、支持体１１８は確実に槽の内面に対して押圧され、両者の間のシールも同じく確保されることが理解できるだろう。しかしながら、バネ１５２によって力を加えることの主たる理由は、ノズルをブッシングに対してシールすることである。バネ１５２を使用することは所望のシールを得るための好ましい方法ではあるけれども、あらゆる他の手段を採用することができることを理解されたい。例えば、シャフト１０２は、所望の結果を得るために、他の任意の力作用手段に取り付けるようにしても良い。変形例としては、シャフトとこれに関連する構成要素との重量によって、必要なシール力を十分に得られることもある。
本発明においては、シャフト１０２を回転させるために様々な手段を想定することができる。ひとつの実施形態においては、シャフト１０２にプーリー１５４を設けて、シャフト１０２の長さに沿った一箇所に固定しても良いプーリー１５４は、それに加えられた駆動力を、シャフト１０２の軸線回転に変換する。当業者には公知のように、プーリー１５４は、駆動モータ（図示せず）に結合された駆動ベルトに係合するように適合している。他の実施形態においては、プーリー１５４に代えて、モータの駆動軸のスプロケットに係合するようなスプロケットを使用しても良い。シャフト１０２を軸線回転させる駆動手段の選択は、使用される駆動機構に依存することになる。ボア孔１０８に気体を供給する気体供給ラインと干渉することがないように、駆動手段（例えばプーリー１５４）は、シャフト１０２の下端１０６から遠ざけて配置することが好ましいことも理解されたい。
好ましい実施形態においては、槽における底部１０４の下側には、ベアリング１５６がさらに設けられている。ベアリング１５６は、例えば、上述したベアリング１４２と同一の構造になっている。ベアリング１５６の目的は、回転中のシャフト１０２を支持して安定化させることであることを理解されたい。本発明の他の実施形態においては、シャフト１０２がそれ自体を支えられるのであれば、ベアリング１５６は不要であることも理解されたい。図示の通り、本発明の好ましい実施形態においては、ベアリング１５６にもまた、ブッシング１４６と同様なブッシング１５７が提供されている。装置の必要性に応じ、任意の数のベアリングやブッシングを使用することができることを理解されたい。
上述したように、本発明のインペラによれば、溶融金属の中に放出される気体の分散作用を改善することができる。また、本発明のインペラでは、溶融金属に曝されるシャフトの長さを最小化ないし解消するので、該シャフトに対する前述のような損傷を回避することができると共に、溶融金属の流体中でシャフトを回転させることに伴なう、他の有害な影響を回避することができる。また、気体放出手段を槽の底部に直接に提供することによって、求められるような気体気泡の垂直な上昇を得ることができる。
上述した実施形態においては、単一のインペラ・シャフトと気体放出ノズルとを有しているような装置を開示した。しかしながら、本発明においては、複数のインペラと複数のノズルとを採用しているような他の装置を想定することもできる。上昇管３９の直径が大きい場合には、２以上のインペラとノズルとを組み合わせれば、より効率的になることは、当業者には明らかであろう。
本発明について、発泡金属の鋳造装置に関連させて説明した。しかしながら、これは本発明の単にひとつの可能性のある使用方法に過ぎず、様々なその他の使用方法も本発明の範囲内に含まれる。発泡金属の発生技術における当業者には、約４５００ｒｐｍ程度のインペラ速度が知られているけれども、任意の所望の別の速度を使用することは、もちろん可能である。
本発明について、ある種の特定の実施形態を参照して説明したけれども、特許請求の範囲に記載されている本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、かかる実施形態を様々に改変できることは、当業者には明らかである。
図１は、発泡金属を鋳造する装置を示した立面断面図である。 図２は、溶融金属槽の詳細を示した立面断面図であって、本発明の実施形態によるインペラを示している。 図３は、本発明によるインペラのための気体供給機構を示した側面図である。

Claims (11)

  1. 容器中の液体に気体を供給するための液没型の気体放出インペラであって、前記インペラが、
    少なくともひとつのボア孔と、気体供給源に結合されてなる第１の端部と、前記容器の底部に設けられた開口を介して前記液体中に延入してなる第２の端部と、を有しているような中空シャフトを備え、
    前記シャフトにおける第２の端部は、前記ボア孔に連通しているような気体放出ノズルを含み、
    前記シャフトは、前記流体の漏れを防止するためのシールを含み、
    シャフトを該シャフトの長手軸線を中心として回転させるような駆動手段を備えている、
    ことを特徴とするインペラ。
  2. 前記液体は溶融金属であることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
  3. 前記インペラは前記シールに対して付勢されていることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
  4. 液体中に気体を放出するための装置であって、この装置が、
    前記液体のための容器であって、開口を備えた底部を有しているような前記容器と、
    気体供給源に結合されてなる第１の端部と、前記容器の前記開口を介して前記液体中に延入してなる第２の端部と、を有しているような中空シャフトと、
    前記シャフトにおける前記第２の端部に結合されてなる気体放出ノズルと、
    前記液体の漏れを防止すべく、前記容器における前記開口に隣接するように提供されているシールと、
    前記シャフトを該シャフトの長手軸線を中心として回転させるべく、前記シャフトに結合されているモータと、
    を備えていることを特徴とする装置。
  5. 前記液体は溶融金属であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 前記インペラは前記シールに対して付勢されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  7. 溶融金属から発泡金属を作るための装置であって、この装置が、
    前記溶融金属を収容するための槽であって、底部に開口を備えた容器から構成されているような前記槽と、
    中空の回転可能であるシャフトであって、前記開口を介して前記溶融金属の中へ略垂直に延入し、前記溶融金属中に延入してなる第１の端部と、気体供給源に結合されてなる第１の端部と、を有しているような中空シャフトと、を備え、
    前記シャフトにおける第１の端部は、前記溶融金属に液没しているような気体放出ノズルを含み、
    前記溶融金属が通り抜けないように、前記シャフトと前記開口との間に配置されているシールと、
    前記シャフトを該シャフトの長手軸線を中心として回転させるべく、前記シャフトに結合されている駆動機構と、
    を備えていることを特徴とする装置。
  8. 前記インペラは前記シールに対して付勢されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  9. 前記インペラを前記シールに対して付勢するために、前記インペラがバネに関連付けられていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 前記装置における、前記溶融金属に接触する部分は、前記溶融金属をはじくような材料から形成されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
  11. 前記装置における、前記溶融金属に接触する部分は、前記溶融金属をはじくような材料によって被覆されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
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