JP2016215274A - 遠心鋳造装置用水冷式冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、モールドの高速回転中にも安定して冷却水を供給、排出することができる遠心鋳造装置用水冷式冷却器を提供する。【解決手段】 互いに噛み合って回転する上部金型と下部金型との間に形成された鋳型空間に溶湯を注入して鋳造する遠心鋳造装置を冷却させる水冷式冷却器であって、内部に第１冷却流路が形成され、端部にノズルが形成された回転軸と、回転軸に連結され、内部に鋳型空間と離隔してチャンバが形成され、ノズルから噴射される冷却水を貯蔵し、チャンバから外周面方向に延びた第２冷却流路が１つ以上形成された下部金型と、下部金型の側面を取り囲み、下部金型から離隔して設置され、第２冷却流路を介して下部金型の側面に排出される冷却水を収集する収集部と、を含むことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、遠心鋳造装置用水冷式冷却器に係り、より詳細には、遠心鋳造に用いられる金型の内部に形成された流路に冷却水を流し込んで冷却効率を向上させた遠心鋳造装置用水冷式冷却器に関する。

遠心鋳造とは、溶湯を注入して凝固させる過程中に鋳型を高速で回転させ、この時発生する遠心力を利用して鋳物を成形する工法である。このような遠心鋳造工法で鋳造するためには、溶湯を鋳型に迅速かつ均一に注入し、溶融金属が鋳型に接触する表面から内側方向に凝固して、はじめて内部欠陥のない高品質の鋳造製品を得ることができる。このためには、鋳型の回転速度、溶湯の注入温度、及び注入速度を均一に維持しなければならない。また、鋳型が十分に予熱されていなければ、溶湯が注入されてすぐに凝固し、溶湯内部にあった気泡が捕集されたままの状態で凝固して、内部の品質に問題が発生してしまう。

アルミニウムのような高温（６６０〜７５０℃）の溶湯を連続的に鋳造する場合には、鋳型の温度が連続的に上昇するために、凝固が遅延したり、製品の形状によっては局所的な熱孤立が発生し、製品内部に鋳造欠陥（気泡欠陥、収縮欠陥）が発生することがあるという問題がある。この問題を解決するためには、鋳造時に鋳型を冷却しなければならないが、遠心鋳造の特性上、鋳造時には鋳型が３００〜３０００ＲＰＭで回転するため、冷却水を用いた循環型冷却器を適用することが難しいのが現状である。

冷却水を用いない従来の鋳型の冷却方法は、鋳造作業を中断し、鋳型の内部に冷気を吹き込んで冷却させたり、鋳型の表面に冷気や水を噴射して冷却する方法を利用した（例えば、特許文献１を参照）。しかし、鋳型の内部を冷却するのには、鋳造工程を中断しなければならず、外部を空気冷却する方法では冷却効率が高くなく、外部を水冷する方法（例えば、特許文献１を参照）では大量の水を散布しなければならないという問題があった。

冷却水を用いた鋳型の冷却方法が、「ステンレススチールパイプフランジ用ブランクの鋳造装置」として特許文献２に開示されている。
特許文献２に開示した鋳造装置は、パイプを鋳造するための回転モールドの底面に形成された冷却ジャケットに、冷却水を供給して回転モールドを冷却する技術である。前記鋳造装置は、中空軸の内部に冷却水流入管と冷却水流出管とをそれぞれ設けた循環式冷却システムをであって、冷却水が中空軸を通して冷却ジャケットに供給された後、再び中空軸を通して排出される。この時、回転モールドが回転すると、遠心力によって冷却水が冷却ジャケットの外周面方向に押しつけられる現象が発生するが、冷却水が外郭部に停滞すれば、冷却水が加熱されて回転モールドの冷却効率が低下し、冷却水流入管を通して流入した冷却水がすぐに冷却水流出管を通して排出されてしまうという問題があった。

このような問題を解決するために、冷却ジャケットの形態をチャンバ形状からパイプ形状に変更することもできるが、この場合にも、パイプに形成された変曲部に冷却水が停滞する問題が発生する。これを解消するためには、冷却水の供給圧力をさらに上昇させるための、３００ｂａｒ以上の高圧ポンプが必要になる。
従って、このような問題を解決できるように、モールドの高速回転中にも安定して冷却水を供給、排出することができる水冷式冷却器が要求されている。

特開２０１２−１３５８１０号公報 大韓民国公開特許第１０−２００２−００３７４２９号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、金型の冷却効率を向上させた遠心鋳造装置用水冷式冷却器を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の遠心鋳造装置用水冷式冷却器は、互いに噛み合って回転する上部金型と下部金型との間に形成された鋳型空間に、溶湯を注入して鋳造する遠心鋳造装置を冷却する水冷式冷却器であって、内部に第１冷却流路が形成され、端部にノズルが形成された回転軸と、回転軸に連結され、内部に鋳型空間と離隔してチャンバが形成され、ノズルから噴射される冷却水を貯蔵し、チャンバから外周面方向に延びた第２冷却流路が１つ以上形成された下部金型と、下部金型の側面を取り囲み、下部金型から離隔して設置され、第２冷却流路を介して下部金型の側面に排出される冷却水を収集する収集部と、を含む。

前記下部金型の側面に形成された第２冷却流路の排出口は、ノズルの高さより高く形成されることを特徴とする。
前記チャンバは、下部金型の中心軸線上にノズルと対向する面が凹状に形成され、第２冷却流路は、チャンバの下部側面に形成された流入口と、流入口に連通され、下部金型の外周面方向に延伸され、上方に折曲げられた上昇部と、上昇部に連結され、排出口方向に水平に形成された冷却部とを有する。

前記排出口は、下部金型の側面外方に突出して形成されることを特徴とする。
前記回転軸は、内部に軸方向に沿った第１冷却流路が形成され、一端に注入ホースが連結され、他端に前記ノズルが設けられたコアと、コアを取り囲むパイプ形状のケースとを含み、コアとケースとは、ベアリングを介して連結され、コアが固定され、ケースが独立して回転することを特徴とする。

前記ノズルは、コアとケースとの間の隙間を塞ぐことができるように、コアの直径より広い直径を有することを特徴とする。
前記収集部は、下部金型の周辺を取り囲むリング形状の本体と、本体に収集された冷却水を浄化するフィルタと、フィルタを通過した冷却水を再び前記第１冷却流路に還流させるポンプとを含み、下部金型と対面する本体の内周面には、冷却水を受ける収集溝が形成されたことを特徴とする。

前記本体は、一方が下方に傾いて設けられ、一方の下部に排水口が形成され、排水口から排出された冷却水をフィルタに送る排出ホースと、フィルタとポンプを通過した冷却水を第１冷却流路に送る注入ホースとを更に含むことを特徴とする。

本発明に係る遠心鋳造装置用水冷式冷却器によれば、次のような効果がある。
第一、回転軸ではなく、回転モールドの側面に排出口が形成されるため、比較的低い圧力で冷却水を供給することができる。
第二、遠心力によって冷却水が速い速度で回転モールドの外部に排出されるため、新しい冷却水が速やかに供給され、冷却効率が高い。
第三、回転モールドの内部を直接冷却するので、外部冷却方法より冷却効率が高い。
第四、鋳物を速やかに冷却して均一に凝固させることにより、鋳物の組織を微細化させ、鋳物の物性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る遠心鋳造装置用水冷式冷却器を示す断面図である。 遠心鋳造装置用水冷式冷却器の全体冷却水循環構造を示す図である。 収集部と冷却水循環構造を示す平面図である。 従来の方法で製造した鋳物と、本発明を適用して製造した鋳物との物性を比較するグラフである。 従来の方法で製造した鋳物と、本発明を適用して製造した鋳物との組織を比較する写真である。 従来の方法で製造された鋳物の凝固時の温度を示す熱画像写真である。 本発明の一実施形態に係る鋳物の凝固時の温度を示す熱画像写真である。

ここで使われる専門用語は、単に特定の実施形態を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使われる単数の形態は、文言がこれと明らかに反対の意味を示さない限り、複数の形態も含む。明細書で使われる「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、及び／又は成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分、及び／又は群の存在や付加を除くものではない。

別途に定義しないものの、ここで使われる技術用語及び科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同じ意味を有する。通常使われる辞書に定義された用語は、関連する技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加的に解釈され、定義されない限り、理想的又は非常に公式的な意味で解釈されない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態に係る遠心鋳造装置用水冷式冷却器について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る遠心鋳造装置用水冷式冷却器を示す断面図であり、図２は、遠心鋳造装置用水冷式冷却器の全体冷却水循環構造を示す図である。
図１及び図２に示すように、本発明の遠心鋳造装置は、下部金型２０と噛み合って回転する上部金型１０と、上部金型１０及び下部金型２０の間に形成された鋳型空間Ｃに溶湯を注入して鋳造する遠心鋳造装置を冷却するための冷却水を供給する第１冷却流路２００が内部に形成された回転軸１００と、この回転軸１００に連結されて共に回転し内部に第２冷却流路３００が形成され側面から冷却水を排出する下部金型２０と、下部金型２０の側面に排出される冷却水を収集するための収集部５００と、を含むことが好ましい。

回転軸１００は、内部に軸方向に第１冷却流路２００が形成されたコア１１０と、このコア１１０を取り囲み、下部金型２０と共に回転するケース１２０との２つの部分に分割することができる。コア１１０とケース１２０とは、ベアリング１３０を介して連結され、ケース１２０が回転しても、コア１１０は回転せずに固定された状態を維持することができる。このようにコア１１０が固定されることにより、後述する注入ホース７１０との連結部とがもつれなくなるのである。
コア１１０およびケース１２０の端部は、下部金型２０に形成されたチャンバ４００に連通されることが好ましい。

チャンバ４００は、下部金型２０の軸線上に形成された凹溝形状の空間であって、その溝の入口をコア１１０と回転軸１００とが閉鎖することによって内部に一定の空間を形成することができる。チャンバ４００は、鋳物が製造される鋳型空間Ｃとは離隔して形成され、鋳物に直接冷却水が接触しないようにすることが好ましい。

また、コア１１０の端部にはノズル２１０が形成され、チャンバ４００の内部に冷却水を噴射する。ノズル２１０で、コア１１０とケース１２０との間の隙間を塞ぐことで冷却水がこの隙間を通して逆流するのを防止するために、ノズル２１０の外周面の直径は、コア１１０の直径より大きく形成されることが好ましい。

チャンバ４００から下部金型２０の側面に冷却水を誘導する第２冷却流路３００が、下部金型２０の内部に形成される。第２冷却流路３００は、流入口３１０と、上昇部３２０と、冷却部３３０とを含み、チャンバ４００の下部、すなわち、回転軸１００が挿入される方向の側面に、第２冷却流路３００の流入口３１０が形成されることが好ましい。この流入口３１０を通して第２冷却流路３００に進入した冷却水は、所定角度で上方に形成された上昇部３２０を通過し、上昇部３２０に連通されて下部金型２０の外側にまで延長形成された冷却部３３０を介して下部金型２０の外部に排出されることができる。

上昇部３２０が所定角度で上方に曲折されているため、冷却部３３０の外側端部に形成された排出口３４０は、ノズル２１０の高さより高く形成される。このようにノズル２１０より排出口３４０を高く形成することにより、ノズル２１０から排出された冷却水がチャンバ４００に一次的に貯留され、金型が回転を始める時、冷却水の供給をより円滑にすることができる。
排出口３４０は、下部金型２０の側面外部に一定の長さだけ突出形成されることが好ましいが、これは、冷却水が排出されながら飛散するのを防止し、冷却水が収集部５００を通して回収されることを補助するためである。

図３は、収集部と冷却水循環構造を示す平面図である。
図１〜図３に示すように、収集部５００は、下部金型２０の周辺を取り囲むリング形状の本体５１０と、本体５１０に収集された冷却水を受けて浄化するフィルタ６００と、フィルタ６００を経た冷却水を再び第１冷却流路２００に注入するポンプ７００と、を含み、下部金型２０と対向する本体５１０の内周面には、冷却水を受ける収集溝５２０が形成されることが好ましい。

この時、本体５１０の一方が下方に傾いて設けられ、その一方の下部に排水口が形成され、冷却水は、排水口を通して排出され、排出ホース５３０を通してフィルタ６００に伝達されることができる。フィルタ６００で浄化された冷却水は、ポンプ７００によって注入ホース７１０を経て第１冷却流路２００に還流されることが好ましい。図示されていないが、フィルタ６００とポンプ７００との間には別の水タンクが設けられてもよいが、これは、冷却水循環過程中に消耗する冷却水を補充するために、外部から水を受けるための構成である。

以下、本発明の一実施形態により製造された鋳物の物性の向上について説明する。
図４は、従来の方法で製造した鋳物と、本発明を適用して製造した鋳物との物性を比較するグラフであり、図５は、従来の方法で製造した鋳物と、本発明を適用して製造した鋳物との組織を比較する写真である。

図４及び図５は、Ｓｉ７％を含むアルミニウム合金（Ａ３５６）の冷却速度の差による物性と微細組織との差を示している。従来の冷却方式を利用して作られた製品においては、冷却が不完全で表面温度が相対的に高い部位の微細組織はアルミニウムα相の大きさが粗大になり、ＤＡＳ（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ Ａｒｍ Ｓｐａｃｉｎｇ）は、３０μｍとなる（図５の左側）。
しかし、本発明の一実施形態に係る水冷式冷却器を用いて鋳物を冷却させた場合、同一部位において、組織の大きさが微細で均一に分布していることが分かる。ＤＡＳも２０μｍであり、従来の製品に比べて組織が緻密であることが分かる（図５の右側）。

図６は、従来の方法で製造された鋳物の凝固時の温度を示す熱画像写真であり、図７は、本発明の一実施形態に係る鋳物の凝固時の温度を示す熱画像写真である。 図６及び図７には、従来の冷却方法と、本発明の一実施形態に係る冷却方法を用いる場合と、それぞれの鋳物の凝固時の温度を示した熱画像写真を示されている。
図６では、温度上昇部（円内部）が比較的広範囲で温度偏差の大きいことが観測されるのに対し、図７では、温度上昇部（円内部）の範囲が比較的狭くて温度偏差が少ないことが分かる。

このように、組織の大きさの差や、温度上昇部の範囲及び温度偏差の程度は、物性の差にもつながる。従来の方法で製造された鋳物は、降伏強度２２１ＭＰａ、引張強度２５２ＭＰａ、延伸率６．２％を示したが、本発明の一実施形態により製造された鋳物は、降伏強度２３９ＭＰａ、引張強度２９３ＭＰａ、延伸率１１．１％を示した。それぞれ降伏強度が８％、引張強度が１６％、及び伸び率が７９％向上する結果を示し、同一の材料の鋳物でも、本発明の一実施形態に係る冷却方法を用いて製造された鋳物の物性が、従来の冷却方法を用いて製造された鋳物の物性よりはるかに優れていることが分かる。

以上、添付した図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施可能であることを理解することができる。
そのため、以上に述べた実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導出されるすべての変更又は変更された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。

１０ 上部金型
２０ 下部金型
１００ 回転軸
１１０ コア
１２０ ケース
１３０ ベアリング
２００ 第１冷却流路
２１０ ノズル
３００ 第２冷却流路
３１０ 流入口
３２０ 上昇部
３３０ 冷却部
３４０ 排出口
４００ チャンバ
５００ 収集部
５１０ 本体
５２０ 収集溝
５３０ 排出ホース
６００ フィルタ
７００ ポンプ
７１０ 注入ホース
Ｃ 鋳型空間

Claims (8)

1. 互いに噛み合って回転する上部金型と下部金型との間に形成された鋳型空間に、溶湯を注入して鋳造する遠心鋳造装置を冷却する水冷式冷却器であって、
   内部に第１冷却流路が形成され、端部にノズルが形成された回転軸と、
   前記回転軸に連結され、内部に鋳型空間と離隔してチャンバが形成され、前記ノズルから噴射される冷却水を貯蔵し、前記チャンバから外周面方向に延びた第２冷却流路が１つ以上形成された下部金型と、
   前記下部金型の側面を取り囲み、前記下部金型から離隔して設置され、前記第２冷却流路を介して前記下部金型の側面に排出される冷却水を収集する収集部と、
   を含むことを特徴とする遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
2. 前記下部金型の側面に形成された前記第２冷却流路の排出口は、前記ノズルの高さより高く形成されることを特徴とする請求項１に記載の遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
3. 前記チャンバは、前記下部金型の中心軸線上に前記ノズルに対向する面が凹状に形成され、
   前記第２冷却流路は、前記チャンバの下部側面に形成された流入口と、前記流入口に連通され、前記下部金型の外周面方向に延伸され、上方に折曲げられた上昇部と、前記上昇部に連通され、前記排出口方向に水平に形成された冷却部と、を有することを特徴とする請求項２に記載の遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
4. 前記排出口は、前記下部金型の側面の外方に突出して形成されることを特徴とする請求項３に記載の遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
5. 前記回転軸は、内部に軸方向に沿った前記第１冷却流路が形成され、一端に注入ホースが連結され、他端に前記ノズルが設けられたコアと、前記コアを取り囲むパイプ形状のケースとを含み、
   前記コアと前記ケースとは、ベアリングを介して連結され、前記コアが固定され、前記ケースが独立して回転することを特徴とする請求項１に記載の遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
6. 前記ノズルは、前記コアと前記ケースとの間の隙間を塞ぐことができるように、前記コアの直径より広い直径を有することを特徴とする請求項５に記載の遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
7. 前記収集部は、前記下部金型の周辺を取り囲むリング形状の本体と、前記本体に収集された冷却水を浄化するフィルタと、前記フィルタを通過した冷却水を再び前記第１冷却流路に還流させるポンプと、を含み、
   前記下部金型と対面する前記本体の内周面には、冷却水を受ける収集溝が形成されることを特徴とする請求項１に記載の遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
8. 前記本体は、一方が下方に傾いて設けられ、一方の下部に排水口が形成され、前記排水口から排出された冷却水を前記フィルタに送る排出ホースと、前記フィルタと前記ポンプを通過した冷却水を前記第１冷却流路に送る注入ホースとを、更に含むことを特徴とする請求項７に記載の遠心鋳造装置用水冷式冷却器。
   

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