JP2019181475A - 金型冷却装置及び金型冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を円滑に流動させるとともに、冷却流路からの冷媒漏れを抑制して、冷却能力の変化による品質不良を改善することが可能な金型冷却装置及び金型冷却方法を提供する。【解決手段】金型冷却装置１０１は、第１負圧発生部１５と、第２負圧発生部２２と、制御部２３とを備える。第１負圧発生部は、冷却流路２の出口４側に設けられ、金型の冷却時に負圧を発生させ冷却流路の冷媒を吸引する。第２負圧発生部は、冷却流路の入口３側に設けられ、負圧を発生させる。制御部は、第１負圧発生部による発生圧力である第１圧力値が、第２負圧発生部による発生圧力である第２圧力値よりも低くなるように、第１負圧発生部及び第２負圧発生部を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、成形用の金型により成形する際に、金型内に形成された冷却通路に冷媒を流通させて金型を冷却する金型冷却装置及び金型冷却方法に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されるように、金型内部に冷却管を形成し、この冷却管に冷却水を供給して、金型の温度を制御する金型冷却システムが知られている。この金型冷却システムでは、金型内部の冷却管の下流側に接続する下流側流路の途中位置に、バルブ及び負圧発生部を設け、冷却回路内において負圧を付与することにより、金型の冷却を効率的に行うようにしている。

特開２０１６−１０８１３号公報

ところで、鋳造工程において、冷却管周囲の金型に亀裂が生じると、キャビティ側へ冷媒が漏出してしまう場合がある。特許文献１に記載の金型冷却システムでは、漏出した冷媒は、金型内の冷却管から排出側に吸引されるとしているが、漏れた冷媒量や流路内の残留冷媒量が多い場合には、不十分であるという問題があった。また、特に、冷却対象が低圧鋳造用の金型である場合には、キャビティに溶融金属を高圧で注入するダイカスト成形よりも金型温度が高温になることから、冷媒流路内では冷媒蒸気の逆流が発生しやすく、冷媒流動が円滑に行われないといった問題も生じていた。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、冷媒を円滑に流動させるとともに、冷却流路からの冷媒漏れを抑制して、冷却能力の変化による品質不良を改善することが可能な金型冷却装置及び金型冷却方法を提供することにある。

本発明の金型冷却装置は、成形用の金型（１）の内部に設けられた冷却流路（２）の入口（３）から出口（４）へ冷媒を流通させて金型を冷却する。金型冷却装置は、第１負圧発生部（１５）と、第２負圧発生部（２２）と、制御部（２３）とを備える。第１負圧発生部は、冷却流路の出口側に設けられ、金型の冷却時に負圧を発生させ冷却流路の冷媒を吸引する。第２負圧発生部は、冷却流路の入口側に設けられ、負圧を発生させる。制御部は、第１負圧発生部による発生圧力である第１圧力値が、第２負圧発生部による発生圧力である第２圧力値よりも低くなるように、第１負圧発生部及び第２負圧発生部を制御する。

本構成によれば、第１負圧発生部による発生圧力である第１圧力値が、第２負圧発生部による発生圧力である第２圧力値よりも低いため、この圧力差により冷媒は冷却流路の入口側から出口側へと流動する。そして、仮に何らかの原因により冷却流路の近傍に亀裂等が発生した場合であっても、冷却流路に滞留した冷媒（例えば冷却水）は、２つの負圧発生部により冷却流路から冷媒供給側及び冷媒排出側へ吸引されるため、亀裂から金型に形成されるキャビティへ冷媒が漏れ出すことを抑制することができる。

本発明の第１実施形態による金型冷却装置の全体構成を模式的に示す概略図である。 鋳造装置の全体構成を模式的に示す一部断面概略図である。 金型冷却装置の全体構成を模式的に示す概略図であり、金型に亀裂が生じた際の冷媒流れをイメージとして示す図である。 本発明の他の実施形態による金型冷却装置の全体構成を模式的に示す概略図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
［構成］
本発明の第１実施形態の構成について、図１を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態の金型冷却装置１０１は、金型１の内部に設けられた冷却流路２の入口３から出口４へと冷媒を流通させて金型１を冷却する装置である。金型１は、内部に図示しないキャビティを形成する低圧鋳造金型である。キャビティ周辺の冷却部位には、冷却流路２が形成されている。なお、図１では模式的に簡略化して示しているが、冷却流路２は、実際には複数あり、また、湯口回りやキャビティの外側付近を回り込むように適宜屈曲している。

金型冷却装置１０１は、第１タンク１１、供給側流路１２、開閉弁１３、排出側流路１４、第１負圧発生部１５、循環流路１６、復水器１７、第２タンク１８、ポンプ１９、エア供給流路２１、第２負圧発生部２２、及び制御部２３等を備えている。

第１タンク１１は、冷却水を所定量貯留するタンクであり、大気圧に開放されている。供給側流路１２は、第１タンク１１と冷却流路２の上流端とを接続する。供給側流路１２は、「液体供給流路」に相当する。開閉弁１３は、供給側流路１２においてエア供給流路２１との合流点Ｐより冷媒流れの上流（第１タンク１１側）に設けられており、供給側流路１２を開閉または遮断する。開閉弁１３は、例えば電磁弁で構成される。

排出側流路１４は、冷却流路２の下流端に接続する。排出側流路１４の下流端には、復水器１７が設けられている。復水器１７は、水蒸気を水に戻す機能を有している。第１タンク１１から、供給側流路１２、冷却流路２、排出側流路１４、及び循環流路１６の各流路が連通しており、冷媒流路２０を形成している。なお、冷媒流れの「上流」及び「下流」と言うときは、図１に矢印Ａ１で示すように、通常の金型冷却時に冷媒が循環して流れる流動方向を指すものとする。

循環流路１６は、復水器１７から第２タンク１８までを接続する。循環流路１６の途中には、下流へ向けて順次、第１負圧発生部１５、第２タンク１８、及びポンプ１９が設けられている。第１負圧発生部１５は、復水器１７の下流側に設けられ、復水器１７で変換された水を第２タンク１８へ流通可能である。第２タンク１８は、水を所定量貯留可能である。ポンプ１９は、第２タンク１８から第１タンク１１に向けて冷却水を圧送する圧送ポンプとして機能する。

エア供給流路２１は、供給側流路１２の途中であって開閉弁１３より下流位置に接続している。エア供給流路２１は、「気体供給流路」に相当する。このエア供給流路２１の途中に、第２負圧発生装置が設けられている。図では簡略化して図示を省略しているが、エア供給流路２１の端部は、第２タンク１８の直上に配され、大気に開放している。第２負圧発生部２２は、エア供給流路２１の大気開放側からエアを吸引することが可能である。本実施形態において冷却流路２に流通する冷媒は、エアと微少量の冷却水を混合させたものである。

第１負圧発生部１５および第２負圧発生部２２は、負圧の付与源であって、例えば周知のエゼクタを含んで構成され、所定圧の負圧を発生させることが可能である。そして、各負圧発生部１５，２２は、それぞれ設定された負圧を発生させることにより、接続する流路を減圧して冷媒流路２０の冷却水を適宜吸引することが可能である。

制御部２３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等を中心とするマイクロコンピュータで構成されている。制御部２３は、第１負圧発生部１５、第２負圧発生部２２、開閉弁１３、ポンプ１９及び図示しない各種センサ等と電気的に接続しており、各機器を制御する。なお、金型１は、例えば、金型温度センサ、雰囲気温度センサ、冷却管温度センサ、冷却管圧力センサ、などの図示しない各種センサを備えている。

［作用］
次に、本実施形態の金型冷却装置１０１による、鋳造工程時の金型冷却方法について説明するにあたり、鋳造装置の構成について図２を参照して簡単に説明する。なお、図２では、金型冷却装置１０１については省略している。

図２に示すように、鋳造装置３０は、材料投入部３１、ヒータ３２、溶融金属保持炉３３、配管３４及び金型ホルダー３５等を有する。材料投入部３１は、溶融する材料が投入される。材料投入部３１に設けられるヒータ３２によって、材料を加熱溶融し、溶融金属Ｍを生成可能にする。溶融する材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）が用いられる。

溶融金属保持炉３３は、Ｕ字形状の断面を有し、材料投入部３１と連結しており、材料投入部３１によって生成した溶融金属Ｍを貯蔵する。溶融金属保持炉３３は、図示しないヒータが内蔵されており、溶融金属Ｍが固体化しない温度になっており、溶融金属Ｍを保持する。図中において、溶融金属Ｍの所在を明確にするため、ドット柄で記載している。

材料投入部３１側に設けられる図示しないエア加圧機構により、溶融金属保持炉３３に保持されている溶融金属Ｍを加圧し、配管３４に溶融金属Ｍを供給する。配管３４は、溶融金属保持炉３３と金型１とを連通する。配管３４を介して加圧された溶融金属Ｍがキャビティに注入される。

こうした鋳造装置３０を用いた鋳造製品の製造方法においては、溶湯が金型１内に流れ込んで充填された後もエア加圧を継続し、金型１内の溶湯へ一定の圧力をかけて凝固させていく。この工程中に金型内部を製品形状に合わせて、薄肉部分は相対的にゆっくりと固め、厚肉部分は早く固める指向性凝固を用いることで、湯先から順番に凝固させていき、凝固時の体積収縮分を未凝固のアルミが補完し品質の良い製品が得られる。この低圧鋳造では、炉と金型１とが直結しており、空気を巻き込まずにゆっくりとアルミを充填する層流充填が採用される。

この指向性凝固の際、制御部２３は、冷却管内部の圧力および製品（すなわち、図示しないキャビティ）近傍の金型温度をフィードバックすることで、金型の温度を細かく温度制御する。例えば、想定の圧力値以上になった場合には、開閉弁１３を閉弁して冷媒流量を制限する。

さらに、制御部２３は、常に、第１負圧発生部１５による発生圧力である第１圧力値が、第２負圧発生部２２による発生圧力である第２圧力値よりも低くなるように、第１負圧発生部１５及び第２負圧発生部２２を制御する。例えば、第１圧力値は−４０ｋＰａとし、第２圧力値は−１０ｋＰａとする。このように、第１圧力値が第２圧力値よりも低いため、この圧力差により冷媒は、図１において矢印Ａ１に示すように冷却流路２の入口３から出口４側へと流動する。

そして、図３に示すように、仮に何らかの原因により冷却流路２の近傍に亀裂Ｃ等が発生した場合であっても、２つの負圧発生部１５，２２の作用により矢印Ａ２に示すように亀裂Ｃからエアが吸い込まれる。そして、冷媒流路２０に滞留した冷媒は、図３において矢印Ａ３、Ａ４に示すように、冷却流路２から供給側流路１２及び排出側流路１４へ吸引される。供給側流路１２へ吸引された冷媒は、エア供給流路２１および第２負圧発生部２２を介して第２タンク１８へと回収される。排出側流路１４へ吸引された冷媒は、復水器１７および第１負圧発生部１５を介して第２タンク１８へと回収される。

さらに、制御部２３は、冷却水が冷却流路２に間欠的に供給されるように開閉弁１３を開閉制御する。例えば、冷却水の間欠供給は、所定時間毎に開閉弁１３の開閉を切り替えることで実施される。または、所定量の冷却水及びエアが供給されたかどうか、すなわち冷媒の供給流量に応じて、開閉弁１３の開閉を切り替えても良い。

［効果］
（１）上記実施形態によれば、冷却流路２の入口側と出口側とに負圧発生部１５，２２を設け、冷却流路２の入口側と出口側とが共に負圧となるように、かつ、出口側の第１圧力値が入口側の第２圧力値よりも低くなるように圧力差を設けている。このため、冷媒は、冷媒流路２０内を供給側から排出側へとスムーズに流動する。さらに、仮に冷却流路２の近傍に亀裂等が発生した場合であっても、２つの負圧発生部１５，２２の作用により、亀裂Ｃが発生した部位よりも圧力の低い各負圧発生部１５，２２側へと冷媒が流動する。すなわち、冷媒流路２０内に残留した冷媒は冷却流路２から供給側流路１２及び排出側流路１４を介して第２タンク１８に回収される。

この際、従来のように、例えば流路に設けた圧力センサによる検出値により冷媒漏れを判断して開閉弁１３を閉じる等の特別な制御を経る必要もなく、金型１に亀裂が生じた際にはタイムラグが生じることなく瞬時に冷媒を回収できる。そして、亀裂から金型１に形成されるキャビティへ冷媒が漏れ出すことを抑制することができる。ひいては、冷媒漏れに起因する冷却能力の変化による品質不良を改善することができる。

（２）上記実施形態では、冷媒は、冷却水とエアとの混合としている。通常の水単独冷媒と比較して、効率的な冷却が可能となる。

（３）上記実施形態では、冷却水を間欠供給するようにしている。これにより、冷却能力の制御がより細かく実施できる。冷却水を常時供給し続けるのではなく、間欠とすることで、冷媒流路２０内での蒸気の逆流を抑制し、より円滑に冷媒を流動させることができる。特に、低圧鋳造では、キャビティに溶融金属を高圧で注入するダイカスト法に比べて金型温度が５００℃程度の高温になるため、発生する蒸気量が多く、逆流の問題が生じやすいが、本実施形態ではそうした問題を回避することができる。

（４）また、低圧鋳造法では、図２に示したように鋳造装置の構造上、溶解炉が金型の真下にあり、冷媒が漏れた際に、冷媒が接触するアルミの量が、通常の高圧を用いるダイカスト法に比べて極端に多い。通常のダイカスト成形では、溶融アルミが貯留される炉と金型との間に給湯装置が介在しており、金型内での冷媒漏れは炉から離れた所で生じることになる。よって、低圧鋳造法では、冷媒漏れが生じ、冷媒と溶湯とが接触した場合、水蒸気爆発の虞がある。

さらに、型締め力は通常のダイカスト法では例えば１８００ｋＮ程度であるのに対し、低圧鋳造法では例えば３０ｋＮ程度と小さい。このため、キャビティ内で水蒸気爆発した場合、型締め力が小さいため、型が開く虞がある。型が開くと著しい製品不良及び製造作業の中断を引き起こしてしまうため、低圧鋳造法において冷媒漏れを抑制することは非常に重要である。

この点、本実施形態では、低圧鋳造法において確実に冷媒漏れを抑制しつつ、例えば厚肉であり、かつ、急激な肉厚変動部を持つような鋳造製品においても、指向性凝固による鋳造成形を実施することができる。例えば、鋳造製品としては、ディーゼルエンジンに用いられるポンプの保護部材であるポンプハウジングである。

（５）上記実施形態では、第１負圧発生部１５の上流側に復水器１７を設けている。復水器１７で、蒸気となった冷媒は体積収縮して負圧度を回復するため、第１負圧発生部１５の負荷を少なくすることができる。

〈他の実施形態〉
上記実施形態において、第１タンク１１と開閉弁１３との間に給水用のポンプを設けてもよい。

上記実施形態では、冷媒は冷却水（液体）とエア（気体）の混合物としたが、これに限られない。例えば、単純水冷却でも良い。この場合、図４に示す金型冷却装置１０２のように、エア供給流路２１の途中に逆止弁３７を設けて、通常冷却時にはエアが冷却流路２側へ吸引されないようにし、金型に亀裂が生じたときには冷却流路２から第２負圧発生部２２側への冷媒の流通が許容されるように構成することができる。

冷媒に用いられる液体は水に限定されず、液体に油を用いてもよい。また、冷媒に用いられる気体は空気に限定されず、気体に窒素、ヘリウムまたはアルゴン等の不活性ガスを用いてもよい。

上記実施形態において、復水器１７は設けなくても良い。

上記実施形態では、第２タンク１８とポンプ１９を設け、冷媒が循環するようにしたが、循環しない構成でも良く、例えば第１タンク１１に別の水供給源から水を供給するようにしても良い。

本発明の一実施形態に用いられる鋳造は、低圧鋳造法に限らず、キャビティに溶融金属を高圧で注入するダイカスト法や、溶融金属を遠心力で注入する遠心鋳造法であってもよい。また、キャビティに溶融金属を重力（大気圧）で注入する重力鋳造法であってもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１ ・・・金型
２ ・・・冷却流路
３ ・・・入口
４ ・・・出口
１５ ・・・第１負圧発生部
２２ ・・・第２負圧発生部
２３ ・・・制御部

Claims (5)

1. 成形用の金型（１）の内部に設けられた冷却流路（２）の入口（３）から出口（４）へ冷媒を流通させて前記金型を冷却する金型冷却装置であって、
   前記冷却流路の前記出口側に設けられ、前記金型の冷却時に負圧を発生させ前記冷却流路の冷媒を吸引する第１負圧発生部（１５）と、
   前記冷却流路の前記入口側に設けられ、負圧を発生させる第２負圧発生部（２２）と、
   前記第１負圧発生部による発生圧力である第１圧力値が、前記第２負圧発生部による発生圧力である第２圧力値よりも低くなるように、前記第１負圧発生部及び前記第２負圧発生部を制御する制御部（２３）と、
   を備える金型冷却装置。
2. 前記冷却流路の前記入口側に接続する液体供給流路（１２）と、
   前記液体供給流路の途中に接続する気体供給流路（２１）と、
   をさらに備え、前記冷媒は前記液体供給流路に供給される液体と前記気体供給流路に供給される気体との混合物である請求項１に記載の金型冷却装置。
3. 前記液体供給流路の途中であって、前記気体供給流路との合流点よりも冷媒流れの上流に設けられ、前記液体供給流路を開閉する開閉装置（１３）をさらに備え、
   前記制御部は、前記液体が前記冷却流路に間欠的に供給されるように前記開閉装置を制御する請求項２に記載の金型冷却装置。
4. 前記第１負圧発生部の冷媒流れの上流側に設けられる復水器（１７）をさらに備える請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の金型冷却装置。
5. 成形用の金型（１）に設けられた冷却流路（２）の入口（３）から出口（４）へ冷媒を流通させて前記金型を冷却する金型冷却方法であって、
   前記金型の冷却時に、前記冷却流路の前記出口側に設けられる第１負圧発生部（１５）による発生圧力である第１圧力値を、前記冷却流路の前記入口側に設けられる第２負圧発生部（２２）による発生圧力である第２圧力値よりも低くする金型冷却方法。

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