JP3999235B2 - 金型冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイカスト鋳造や樹脂成形等において、金型に設けた冷却通路に冷却水を供給して金型を冷却するための金型冷却装置に関する。

例えば、ダイカスト鋳造、低圧鋳造、重力鋳造（グラビティー鋳造）等の鋳造工程においては、鋳造のサイクルタイム短縮や金型キャビティー内に注入された金属溶湯の凝固コントロールによる品質安定化などを目的として、金型の強制冷却を行っている。このような金型の強制冷却は、通常、圧送ポンプにより加圧された冷却水を金型の冷却通路に圧送することにより行われている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、冷却水を金型の冷却通路に圧送する方式では、冷却水が配管系や金型の冷却通路を流通する際に圧力損失が生じ、あるいは、乱流状態が生じて、流通経路全体に均一に流通しないことがある。そのために、冷却水が流通しにくい箇所では水アカやカス等が堆積し、それによって金型の冷却通路への十分な冷却水の供給が阻害される場合がある。また、長期使用に伴う熱疲労などにより金型に亀裂が生じた場合、冷却水がこの亀裂を介して金型の外部やキャビティー内に漏れる心配がある。

そこで、上記の不都合を回避するため、金型の強制冷却の手段として、金型の冷却通路の出口側に吸引ポンプを接続し、この吸引ポンプの吸引力によって冷却水を吸引して、金型の冷却通路を流通させる方式が採られることがある（例えば、特許文献２〜５）。
特開平１０−８０７５８号公報 特開平９−８５４２０号公報 特開平８−２４３７１３号公報 特開平９−２５３８２５号公報 特開平１１−１７００２４号公報

金型の冷却通路を流通する冷却水は、金型キャビティー内に注入された溶湯の熱量を受けて気化し、水蒸気となることがある。特に、中子ピンのような金型キャビティー内で突出した部位は溶湯からの受熱量が多く、他の部位よりも高温になりやすい。したがって、冷却水の水蒸気化は、中子ピンのような突出した部位の内部に設けられる冷却通路内で起こり易く、とりわけ、金型温度が高い冷却初期時に起こり易い。また、金型の冷却通路内で発生した水蒸気は、微細な気泡として冷却水中に均一に分散した状態になることは殆どなく、比較的大きな容積もった水蒸気塊となって冷却水から分離した状態になる。

金型の冷却通路内で発生した水蒸気塊は、吸引ポンプの吸引力に引かれて冷却通路の出口から排出側配管に流出するが、排出側配管内に水蒸気塊が存在することにより、水蒸気塊よりも冷却通路側に在る冷却水が水蒸気塊の蒸気圧を受けて流通しにくくなり、その結果、冷却通路内を流通する冷却水の水量が不足して、冷却効率が低下する場合がある。また、高温の水蒸気塊が吸引ポンプに吸引されることにより、吸引ポンプの負担が大きくなり、吸引ポンプの耐久性に好ましくない影響が生じる。すなわち、冷却初期に、多量に発生する高温の水蒸気は、排出側配管内に急速な体積膨張と圧力増加をもたらす。そして、通常に使用されている吸引ポンプに、この水蒸気が吸引されると、高温による吸引ポンプ劣化と、水蒸気の圧力に起因する吸引不足が発生して、冷却効率がさらに低下する。

本発明の課題は、排出側配管内の水蒸気塊に起因する上記の問題を解決し、冷却効率の向上と吸引ポンプの耐久性向上を図ることである。

上記課題を解決するため、本発明は、金型に設けられた冷却通路に冷却水を流通させて該金型を冷却する金型冷却装置であって、冷却水が貯溜される貯水槽と、貯水槽から金型の冷却通路の入口に至る供給側管路と、金型の冷却通路の出口から貯水槽に至る戻り側管路と、戻り側管路に介装された吸引ポンプと、吸引ポンプに接続され、又は、吸引ポンプよりも上流側の位置で戻り側管路に分岐接続されたバイパス管路とを備え、吸引ポンプは、歯車の回転により負圧を発生させる吸引室と、吸引室から吐出される冷却水の旋回流を発生させる旋回室とを備え、吸引ポンプの作動時に発生する負圧により貯水槽内の冷却水を吸引して、供給側管路から金型の冷却通路を介して戻り側管路に冷却水を流通させると共に、バイパス管路を介して吸引ポンプに冷却水を供給する構成を提供する。

上記構成において、供給側管路にエアー供給管を分岐接続し、冷却水による金型の冷却が終了した後、供給側管路をエアー供給管よりも上流側の位置で閉じ、エアー供給管から圧縮エアーを供給側管路に供給するようにしても良い。

あるいは、上記構成において、供給側管路にエアー供給管を分岐接続し、冷却水による金型の冷却が終了した後、供給側管路をエアー供給管よりも上流側の位置で閉じると共に、エアー供給管を外部空気に開放し、吸引ポンプの作動により、エアー供給管から外部空気を供給側管路に導入するようにしても良い。

本発明によれば、十分な量の冷却水を金型の冷却通路に流通させて冷却効率を高めることできる、また、水蒸気の吸引に起因する吸引ポンプの耐久性低下を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、実施形態に係る金型冷却装置１を示している。この金型冷却装置１は、例えば、ダイカスト鋳造等の鋳造工程において金型２を強制冷却するものである。金型冷却装置１は、冷却水が貯留される貯水槽３と、貯水槽３の第１給水口３ａから金型２の冷却通路２ａの入口２ａ１に至る供給側管路４と、金型２の冷却通路２ａの出口２ａ２から貯水槽３に至る戻り側管路５と、戻り側管路５に介装された吸引ポンプＶＰと、貯水槽３の第２給水口３ｂから戻り側管路５（吸引ポンプＶＰよりも上流側の位置）に至るバイパス管路６とを備えている。

貯水槽３には、水道等の水源Ｌから給水弁７を介して冷却水が供給される。給水弁７は、貯水槽３に所要量の冷却水が貯溜された時点で閉じられ、貯水槽３に貯留された冷却水の水量はオーバーフロー弁８と自動給水弁９によって所定量に維持される。すなわち、貯水槽３内の冷却水が規定量を越えると、その規定量を越えた水量がオーバーフロー弁８に流入し、排水管１０を介して貯水槽３の外部に排出される。また、貯水槽３内の冷却水が規定量未満になると、その水量の減少が検知手段１１によって検知され、自動給水弁９が開いて貯水槽３に冷却水が自動供給される。

貯水槽３の第１給水口３ａは、供給側管路４を介して金型２の冷却通路２ａの入口２ａ１に接続される。供給側管路４には、上流側（貯水槽３の側）から順に、開閉弁１２、ストレーナ１３、マニホールド１４、開閉弁１８が介装され、ストレーナ１３とマニホールド１４との間にエアー供給管１５が分岐接続される。エアー供給管１５は圧縮空気源Ａに接続されており、圧縮空気源Ａからエアーフィルター１６及び開閉弁１７を介して圧縮エアーが供給側管路４に供給される。

戻り側管路５の一端は金型２の冷却通路２ａの出口２ａ２に接続され、他端は水エアー分離器１９に接続される。また、戻り側管路５には、上流側（金型２の側）から順に、開閉弁２０、マニホールド２１、開閉弁２２、吸引ポンプＶＰが介装され、吸引ポンプＶＰより上流側の位置、具体的には吸引ポンプＶＰと開閉弁２２との間にバイパス管路６が分岐接続され、開閉弁２２とマニホールド２１との間にエアー排出管２３が分岐接続される。バイパス管路６には開閉弁（又は流量調整弁）２４が介装され、また、バイパス回路６から貯水槽３への冷却水の逆流を防止するために、貯水槽３の第２給水口３ｂに逆止弁２５が取付けられている。エアー排出管２３は、開閉弁２６の操作により開閉可能である。

図３に模式的に示すように、吸引ポンプＶＰは、内部に歯車３１ａが配設された吸引室３１と、吸引室３１から吐出される流体の旋回流を発生させる旋回室３２と、吸引室３１と旋回室３２との境界部に設置された旋回板３３とを備えている。また、旋回室３２の上部には、吸引口３２ａと排出口３２ｂが設置されている。図３において、排出口３２ｂは紙面手前側、吸引口３２ａは紙面奥側に設定され、吸引口３２ａは破線で示されている。吸引口３２ａと排出口３２ｂの一端は、それぞれ戻り側管路５に接続される。吸引口３２ａの他端は旋回室３２内を貫通して旋回板３３に接続され、排出口３２ｂの他端は旋回室３２内と連通している。

歯車３１ａは複数の歯３１ａ１を備えており、各歯３１ａ１は吸引室３１の内壁に僅かな隙間をもって適合している。歯車３１ａが回転すると、吸引室３１内に負圧が発生し、この負圧により流体（液体、気体、又は気液混合流体）が吸引口３２ａから吸引ポンプＶＰ内に吸引される。

吸引口３２ａから吸引された冷却水は、旋回室３２と吸引室３１との境界部に設置されている旋回板３３に入り、旋回板３３の旋回通路３３ａを通って吸引室３１に吸引される。そして、吸引室３１内の歯車３１ａの回転による高エネルギーを与えられた冷却水は、再び旋回板３３の旋回通路３３ｂを通して（旋回通路３３ａと旋回通路３３ｂは相互に独立した通路になっている。）、吸引室３１よりも空間容積が多く設計されている旋回室３２に旋回しながら高速で流れ込む。旋回室３２に流れ込んだ冷却水は、旋回室３２の内部の傾斜壁３２ｃ、３２ｄやその他の壁面にぶつかりながら旋回しつつ排出口３２ｂの部分で合流し、大きなエネルギーを有する冷却水となって排出口３２ｂより排出される。

例えば、冷却の初期においては、図２に模式的に示すように、金型２の冷却通路２ａから戻り側管路５に大量の水蒸気のみが排出されて水蒸気塊が生成される場合が多いが、この水蒸気は吸引ポンプＶＰによって吸引される。一方、吸引ポンプＶＰにはバイパス管路６を介して貯水槽３から冷却水が常に供給されるため、吸引ポンプＶＰに吸引された水蒸気は、旋回室３２内を高速で旋回する冷却水の旋回流によって冷却されて収縮する。従って、戻り側管路５や吸引ポンプＶＰの内部で水蒸気の滞留がなく、冷却水の流通が円滑に行なわれる。また、バイパス管路６を介して吸引ポンプＶＰに供給される冷却水によって吸引ポンプＶＰの内部、特に歯車３１ａの軸受部分やシール部分などが冷却されることにより、吸引ポンプＶＰの耐久性も向上する。

ところで、供給側管路４、冷却通路２ａ、及び戻り側管路５（吸引ポンプＶＰに至る部分）からなる一連の管路の管路抵抗（圧損を含む。）が、貯水槽３からバイパス管路６を介して吸引ポンプＶＰに至る管路の管路抵抗（圧損を含む。）よりも大きくなると、冷却水が上記一連の管路を流通せず、バイパス管路６を介してのみ吸引ポンプＶＰに流入する現象が起こる場合がある（バイパス管路６での冷却水通路の短絡現象）。そこで、バイパス管路６の管径を戻り側管路５等の管径よりも小さくし、及び／又は、流量調整弁等による流量調整により、バイパス管路６を流通する冷却水の流量を絞ることにより、両者の管路抵抗を等しくし、両者の経路から冷却水が吸引ポンプＶＰに吸引されるようにする。その結果、バイパス管路６を介して吸引ポンプＶＰに流入する冷却水の水量は相対的に小さくなるが、上記のように、この実施形態の吸引ポンプＶＰは、旋回室３２内で高速の旋回流を発生させる構造を有するため、バイパス管路６を介して供給される少量の冷却水によって、吸引した水蒸気を十分に冷却して収縮させることが可能である。

金型２の冷却が進行し、金型２の冷却通路２ａ内で水蒸気が発生しなくなると、供給側管路４、冷却通路２ａ、及び戻り側管路５には冷却水のみが流通することになる。この一連の長い管路の圧損に打ち勝って所定量の冷却水を流通させ続けるためには、吸引ポンプＶＰは比較的大きなポンプ能力を有していなければならない。この実施形態の吸引ポンプＶＰは、吸引室３１内の歯車３１ａの回転により冷却水に高エネルギーを与えると共に、この冷却水をさらに旋回室３２内で旋回させて高速旋回流を作り出すことで、冷却水に付加エネルギーを与える構造になっている。そのため、この実施形態の吸引ポンプＶＰは、通常使用されている吸引ポンプに比べて高いポンプ能力を実現することができ、例えば、通常使用されている吸引ポンプの能力は真空度４５ＫＰａ、流量１００Ｌ／ｍｉｎ以下が一般的であるが、この実施形態の吸引ポンプＶＰは、真空度９０ＫＰａ、流量１５０Ｌ／ｍｉｎ以上のポンプ能力を有している。

水エアー分離器１９は、冷却水中に混入したエアーを分離除去できるものであればその種類を問わないが、例えば、公知のサイクロン方式や遠心力方式の気液分離器等を用いることができる。

金型２への注湯が開始されると（射出開始）、成形機から射出開始信号が金型冷却装置１の制御部に出力される。金型冷却装置１の制御部に射出開始信号が入力されると、制御部に設けられた冷却遅延タイマーが作動し、冷却遅延タイマーによって設定された所定時間が経過した後、開閉弁１２と開閉弁２２が開き（開閉弁１７と開閉弁２６は閉じられている。）、同時に吸引ポンプＶＰが作動して、金型２に対する冷却水の供給が開始される。尚、バイパス管路６の開閉弁２４は、常時は開いている。

吸引ポンプＶＰが作動すると、供給側管路４、金型２の冷却通路２ａ、及び戻り側管路５（吸引ポンプＶＰよりも上流側の部分）内に負圧が発生する。貯水槽３に貯留された冷却水は、この負圧によって吸引されて第１給水口３ａから供給側管路４に流出し、供給側管路４を流通して金型２の冷却通路２ａに入る。そして、金型２の冷却通路２ａを流通する間に金型２から熱量を奪い、それによって金型２を冷却した後、戻り側管路５に流出する。一方、吸引ポンプＶＰの作動により、バイパス管路６内にも負圧が発生し、貯水槽３に貯留された冷却水は、この負圧によって吸引されて第２給水口３ｂからバイパス管路６に流出し、バイパス管路６を通って戻り側管路５に入る。したがって、バイパス管路６の分岐接続部分よりも下流側では、金型２の冷却通路２ａから流出する冷却水とバイパス管路６から流入する冷却水とが合流して、吸引ポンプＶＰに吸引されることになる。吸引ポンプＶＰによって吸引された冷却水は、戻り側管路５を通って水エアー分離器１９に入り、混入した気体成分（気泡や水蒸気泡）を水エアー分離器１９によって分離除去されて貯水槽３に戻される。図１では、このような冷却水の流通態様を実線矢印で示している。

冷却水の流通による金型２の冷却時間は、金型冷却装置１の制御部に設けられた冷却水タイマーによってカウントされ、冷却水タイマーによって設定された所定時間が経過すると、開閉弁１２と開閉弁２２が閉じられ、開閉弁１７と開閉弁２６が開く。これにより、圧縮空気源Ａからエアー供給管１５を介して圧縮エアーが供給側管路４に供給され、金型２の冷却通路２ａ、戻り側管路５、及びエアー排出管２３を通って外部に排出される。この圧縮エアーの流通によって、供給側管路４、金型２の冷却通路２ａ、及び戻り側管路５内に残留した冷却水がパージされると共に、管路内の負圧が取り除かれる。圧縮エアーの流通によるエアーパージ時間は、金型冷却装置１の制御部に設けられたエアーパージタイマーによってカウントされ、エアーパージタイマーによって設定された所定時間が経過すると、開閉弁１７と開閉弁２６が閉じられ、圧縮エアーの供給が停止される。図１では、このような圧縮エアーの流通態様を破線矢印で示している。

金型冷却装置１は、成形機からの信号によって上記のサイクル動作を繰り返す。１サイクル動作が終了して、次のサイクル動作に入るまでの待機時間が所定時間未満の場合、吸引ポンプＶＰは作動状態を維持するが、上記待機時間が所定時間以上になると、金型冷却装置１の制御部により吸引ポンプＶＰが停止される。上記待機時間の管理は、金型冷却装置１の制御部に設けられたポンプ停止タイマーによって行われる。

尚、圧縮エアーの流通によるエアーパージでは、管路内に残存している水蒸気や管壁に付着している水垢、ごみ等の異物を除去しきれない場合がある。このような場合、気体も吸引可能であるという吸引ポンプＶＰの特性を生かして、吸引ポンプＶＰによる吸引を続けて、水蒸気や付着異物を除去することもできる。すなわち、圧縮空気源Ａによる圧縮エアーの供給を停止し、外部空気取入口Ｂを開き、エアー供給管１５を外部空気に開放する（この時、開閉弁２６は閉じる。）。そうすると、吸引ポンプＶＰの吸引力により、外部空気取入口Ｂからエアー供給管１５を介して管路内に外部空気が導入され、この外部空気の流通によって水蒸気や付着異物が除去される。その際、バイパス管路６を介して吸引ポンプＶＰに冷却水を供給することにより、空気のみが吸引されることによる吸引ポンプＶＰの内部、特に歯車３１ａの軸受部分やシール部分の温度上昇を抑制することができる。

図４に示す実施形態は、バイパス管路６を吸引ポンプＶＰに直接、接続したものである。この場合、吸引ポンプＶＰの吸引口３２ａを二股状に分岐させ、各分岐口にそれぞれ戻り側管路５とバイパス管路６を接続する。その他の事項は、上記の実施形態と同じであるので、重複する説明を省略する。

尚、図１及び図４は、１つの金型２を冷却する構成を例示しているが、マニホールド１４及び２１に複数の金型２を接続し、複数の金型２に対して冷却水（及び圧縮エアー）を供給して強制冷却を行うこともできる。また、本発明の冷却装置は、樹脂成形の金型冷却にも用いることができる。

実施形態に係る金型冷却装置の全体構成を示す配管図である。 冷却水の流通態様を模式的に示す図である。 吸引ポンプの構成を模式的に示す図である。 他の実施形態に係る金型冷却装置の全体構成を示す配管図である。

符号の説明

１ 金型冷却装置
２ 金型
２ａ 冷却通路
２ａ１ 入口
２ａ２ 出口
３ 貯水槽
４ 供給側管路
５ 戻り側管路
６ バイパス管路
１５ エアー供給管
ＶＰ 吸引ポンプ
３１ 吸引室
３１ａ 歯車
３２ 旋回室

Claims (3)

1. 金型に設けられた冷却通路に冷却水を流通させて該金型を冷却する金型冷却装置であって、
   冷却水が貯溜される貯水槽と、該貯水槽から前記金型の冷却通路の入口に至る供給側管路と、前記金型の冷却通路の出口から前記貯水槽に至る戻り側管路と、該戻り側管路に介装された吸引ポンプと、該吸引ポンプに接続され、又は、該吸引ポンプよりも上流側の位置で前記戻り側管路に分岐接続されたバイパス管路とを備え、
   前記吸引ポンプは、歯車の回転により負圧を発生させる吸引室と、該吸引室から吐出される流体の旋回流を発生させる旋回室とを備え、
   前記吸引ポンプの作動時に発生する負圧により前記貯水槽内の冷却水を吸引して、前記供給側管路から前記金型の冷却通路を介して前記戻り側管路に冷却水を流通させると共に、前記バイパス管路を介して前記吸引ポンプに冷却水を供給することを特徴とする金型冷却装置。
2. 前記供給側管路にエアー供給管が分岐接続されており、冷却水による前記金型の冷却が終了した後、前記供給側管路を前記エアー供給管よりも上流側の位置で閉じ、前記エアー供給管から圧縮エアーを前記供給側管路に供給することを特徴とする請求項１に記載の金型冷却装置。
3. 前記供給側管路にエアー供給管が分岐接続されており、冷却水による前記金型の冷却が終了した後、前記供給側管路を前記エアー供給管よりも上流側の位置で閉じると共に、前記エアー供給管を外部空気に開放し、前記吸引ポンプの作動により、前記エアー供給管から外部空気を前記供給側管路に導入することを特徴とする請求項１に記載の金型冷却装置。

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