JP6376812B2 - 冷却構造、及び金型冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用金型などの冷却対象を冷却するための冷却構造、及び金型冷却装置に関する。

従来、冷却対象である蓄熱体の熱を移動させて放熱する素子として、グラフェンシートが積層された構造を有するグラファイトを利用したものが知られている。例えば、特許文献１には、冷却対象からの熱を受ける受熱部としてグラファイトよりも熱伝導率の劣る金属を設け、その金属がグラファイトの一部に埋め込まれた熱伝導体が開示されている。

また、従来、金型などの鋼材を冷却する手法として、鋼材に形成された孔部に冷却水を循環供給して前記鋼材を冷却する方法や、孔部に挿入された銅パイプ内に冷却水を流して前記鋼材を冷却する方法（特許文献２参照）が知られている。

特開２００８−２８２８３号公報 特開２００７−１３６５１２号公報

しかしながら、グラファイトは、一般に組成が脆く崩れ安い性質を有しているため、特許文献１の熱伝導体では、金属との接触部分が崩れ易く、熱伝導体としての寿命が短いという問題がある。また、受熱部としてグラファイトよりも熱伝導率の劣る金属を介在させているため、グラファイトを受熱部とする熱伝導体に比べて効率のよい熱伝導を実現できない。

また、孔部に冷却水などの冷媒を供給して金型を冷却する方法は、孔部の深部に至るまでの部分の熱が冷却水に吸収されるため、孔部の深部における冷却効果が低いという問題がある。特に、溶融金属を成型する鋳造用の金型においては、成型品と金型との凝着を防止するためにキャビティを冷却させる必要があり、そのため、孔部はキャビティ付近まで形成されている。それにもかかわらず、孔部の深部における冷却効果が低いため、キャビティが十分に冷却されず、成型品と金型との凝着を確実に防止することができない。また、従来の冷却方法では、成型後に前記孔部の深部以外の部分が先に急激に冷却されるため、前記深部とそれ以外の部分との間に過大な温度差が生じる。この過大な温度差は、金型に過大な熱応力を生じせる。このため、前記熱応力によって金型に割れや歪み、変形が生じるおそれがある。特に、金型によって溶融金属の成型品を連続して形成する場合、金型に対して加熱及び冷却が繰り返して行われるため、熱応力による割れや歪み、変形が生じ易い。

そこで、本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱される鋼材や成型時の鋳造用金型の冷却効果を高めるとともに冷却温度差を抑えて熱応力による割れや歪み、変形を防止することが可能な冷却構造、及び鋳造用金型を提供することにある。

本発明の冷却構造は、孔部と、熱伝導部材と、冷媒供給部とを備える。前記孔部は、冷却対象である鋳造用金型の表面から内部へ向けて形成されている。前記熱伝導部材は、グラファイトで構成されており、前記孔部に充填されている。前記冷媒供給部は、前記孔部の開口側に装着され、前記孔部から露出する前記熱伝導部材の露出面に対して冷媒を循環供給する。

本発明の冷却構造は、冷却対象である鋼材の表面から内部へ向けて形成された孔部と、前記孔部に充填されたグラファイトから成る熱伝導部材と、前記孔部の開口側に装着され、前記孔部から露出する前記熱伝導部材の露出部に対して冷媒を循環供給する冷媒供給部と、を備える。

本発明の金型冷却装置は、金型と、熱伝導部材と、冷媒供給部と、を備える。前記金型は、表面から内部へ向けて形成された孔部を有する。前記熱伝導部材は、グラファイトで構成されており、前記孔部に充填されている。前記冷媒供給部は、前記孔部の開口側に装着され、前記孔部から露出する前記熱伝導部材の露出面に対して冷媒を循環供給する。

このように冷却構造が構成されているため、孔部の深部における熱が熱伝導部材を通じて冷媒供給部へ効率的に移動する。そして、冷媒供給部において循環供給される冷媒によってその熱が熱交換される。これにより、孔部の深部を効率よく冷却することができる。

前記冷却構造及び前記金型冷却装置において、前記熱伝導部材は、前記孔部の深さ方向に直交する方向にグラフェンシートが積層された層構造体であることが好ましい。

この構成であれば、孔部において深部に至るまでの熱の吸収が抑制され、孔部の深部の熱が効率よく熱伝導部材によって冷媒供給部へ熱伝導される。これにより、金型において過大な温度差が生じにくくなり、熱応力が抑えられるため、熱応力による割れや歪み、変形の発生を防止できる。

また、前記冷却構造及び前記金型冷却装置において、前記熱伝導部材は、前記孔部の内面に密着した状態で前記孔部に充填されていることが好ましい。

本発明によれば、成型時の鋳造用金型の冷却効果を高めるとともに冷却温度差を抑えて熱応力による割れや歪み、変形を防止することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る金型冷却装置の構成を示す斜視図である。 図２は、図１における金型冷却装置の中央断面図である。 図３は、図１における金型冷却装置の金型に対する冷却効果確認試験の方法を説明するための図である。 図４は、図１における金型に対する冷却効果確認試験後の温度の変化を示すグラフである。

以下、図１〜図４を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明される実施形態は本発明を具体化した一例にすぎず、本発明の要旨を変更しない範囲で、本発明の実施形態は適宜変更できる。

本発明の実施形態に係る金型冷却装置１０（図１参照）は、溶融金属の成型品を連続して成型するために用いられる鋳造用の金型１１を冷却するための装置である。図１に示されるように、金型冷却装置１０は、金型１１と、熱伝導部材１３と、冷媒供給部２０と、を備えている。

金型１１は、ＳＫＤ鋼材などの鉄鋼材料（鋼材）で構成されている。金型１１は、メス型１１Ａとオス型１１Ｂとを有している。メス型１１Ａ及びオス型１１Ｂそれぞれには凹部が形成されており、メス型１１Ａとオス型１１Ｂとが上下に接合されることにより、各凹部によってキャビティ１４（図２参照）が形成される。キャビティ１４は、成型品に応じた形状に形成されている。溶融させた金属（溶湯）がキャビティ１４に直接に注ぎ込まれ、その後、冷やして固められることにより、金属製の成型品が形成される。なお、図１及び図２においては、円柱形状の金型１１を有する金型冷却装置１０が示されているが、これは、説明の便宜のために模式化して表したものであり、本発明の金型冷却装置１０がこのような形状に限定されるものではない。

金型１１のメス型１１Ａの上面には、冷媒供給部２０を取り付けるための取り付け座１２が設けられている。取り付け座１２は、メス型１１Ａの上面の中央に設けられており、また、メス型１１Ａに一体に形成されている。図２に示されるように、取り付け座１２の上面の中央には取り付け穴１５が形成されている。取り付け穴１５は、冷媒供給部２０を金型１１に取り付けるためのものであり、その深さ方向の底部はメス型１１Ａの上面付近に達している。そして、更に、取り付け穴１５の底部１５Ａから下方へ向けて孔部１６が形成されている。孔部１６は、上下方向へ長く、取り付け穴１３よりも小さい径に形成されている。孔部１６は、底部１５Ａから下方へ向けて延びており、その下端部（深部）１６Ａがキャビティ１４の付近まで達している縦孔である。孔部１６は、断面が円形の筒形状に形成されており、その下端部１６Ａは半球状に形成されている。この孔部１６は、金型１１を冷却するために用いられる。なお、孔部１６の形状は円形の筒形状に限られず、例えば上下方向に長い四角柱形状であってもよい。

鋳造用として用いられる金型１１においては、溶融金属と接する面（キャビティ１４の内面）の温度変化が大きい。また、連続して成型品が形成されることにより、加熱と冷却とが頻繁に繰り返される。そのため、キャビティ１４の内面にヒートラックと称される熱疲労による亀裂が生じたり、キャビティ１４の内面と成型品とが凝着する場合がある。また、成型時に、金型１１全体における温度差が過大となり、その温度差による熱応力が発生して、熱応力によって金型１１に割れや歪み、変形が発生する場合がある。そのため、本実施形態では、孔部１６に熱伝導部材１３が充填されている。

熱伝導部材１３は、グラファイトで構成されており、上述したように、孔部１６に充填されている。熱伝導部材１３は、孔部１６の形状に対応する形状、つまり、断面が円形状であり、その下端部１３Ａは半球状に形成されている。このため、熱伝導部材１３が孔部１６に装着されると、熱伝導部材１３は、孔部１６の内面に密着した状態で孔部１６に充填される。なお、孔部１６の内面と熱伝導部材１３との間が密着せずに隙間が生じる場合は、熱伝導性の高い充填材を後部１６の内面に付着させた上で熱伝導部材１３を孔部１６に装着してもよい。

熱伝導部材１３は、孔部１６の深さ方向に直交する方向（図２おいて左右方向）にグラフェンシートが積層された層構造体である。熱伝導部材１３は、六員環が共有結合して形成されたグラフェンシートが一方向に沿って複数積層された結晶構造を有するグラファイトで構成されている。各グラフェンシートの層間は、ファンデルワールス力で結合されているため、グラフェンシートは剥がれ易い性質を有している。一方、グラフェンシートの層面に沿う方向（図２において上下方向）の熱伝導率は、グラフェンシートの層面に直交する方向の熱伝導率よりも極めて大きい。そのため、孔部１６の深さ方向に直交する方向にグラフェンシートが積層された層構造とすることにより、熱伝導部材１３は、孔部１６において上方の開口から下端部１６Ａに至るまでの部分の熱を吸収しにくい構造となっており、また、孔部１６の下端部１６Ａにおける熱を効率よく孔部１６の外側へ熱伝導することができる。

本実施形態では、熱伝導部材１３の材質として、一般的なグラファイトよりも高い熱伝導性を有する高配向性熱分解グラファイトが採用されている。具体的には、熱伝導部材１３は、米国ＭＩＮＴＥＱ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ ＨＴ」で構成されている。この高配向性熱分解グラファイトにおいては、グラフェンシートの層面に直交する方向の熱伝導率よりも層面に沿う方向の熱伝導率が極めて高く、詳細には、層面に沿う方向の熱伝導率は１５００Ｗ／ｍｋ以上であり、層面に直交する方向の熱伝導率は５〜１０Ｗ／ｍｋである。

冷媒供給部２０は、孔部１６の開口側に装着されており、孔部１６から露出する熱伝導部材１３の露出面１３Ｂに対して冷却水（冷媒）を循環供給する。具体的には、冷媒供給部２０は、取り付け座１２の取り付け穴１５に装着される第１ジョイント２１と、第１ジョイント２１の上端に取り付けられる第２ジョイント２２を有する。更に、冷媒供給部２０の内部には、冷却水を通水するためのパイプ２９が設けられている。第１ジョイント２１の側面には給水口２７が形成されており、第２ジョイント２２の側面には排水口２８が形成されている。第２ジョイント２２には給水口２７から連続する貫通孔２２Ａが形成されており、パイプ２９の上端は、貫通孔２２の出口側（図２における下端部）に装着されている。第１ジョイント２１にはパイプ２９が挿通可能なサイズの貫通孔２１Ａが形成されている。貫通孔２１Ａに排水口２８が連通している。

第２ジョイント２２は、貫通孔２１Ａにパイプ２９が挿入されるようにして、第１ジョイント２１に連結されている。第１ジョイント２１及び第２ジョイント２２が連結された状態で、パイプ２９の内孔が給水口２７から露出面１３Ｂに至る給水路３３（図１参照）を構成している。また、パイプ２９の外周面と貫通孔２１Ａの内面との隙間は、パイプ２９の下方の開口２９Ａから露出面１３Ａを通って熱交換された冷却水を排水口２８へ導く排水路３４（図１参照）を構成している。図１に示されるように、給水口２７には、給水パイプ２５が軸継手２３によって連結されており、排水口２８には、排水パイプ２６が軸継手２４によって連結されている。

上述したように構成された金型冷却装置１０において、金型１１を冷却する場合、給水パイプ２５から冷却水が供給される。供給された冷却水は、給水路３３を通って取り付け穴１５の底部１５Ａに運ばれて、熱伝導部材１３の露出面１３Ｂに接触しつつ、露出面１３Ｂとの間で熱交換を行う。その後、熱交換によって温められた冷却水は、排水路３４を通って排水口２８へ運ばれて、排水パイプ２６から排出される。

このように、本実施形態では、孔部１６に冷却水を循環供給する従来の構成とは異なり、グラファイトで構成された熱伝導部材１３が孔部１６に充填されて、その露出面１３Ｂに対して冷却水が循環供給される構成が採用されている。また、上述したように、熱伝導部材１３は、孔部１６において下端部１６Ａに至るまでの部分の熱伝導率が低く、孔部１６の下端部１６Ａにおける熱に対して熱伝導率が高い構成となっている。したがって、熱伝導部材１３の露出面１３Ｂに対して冷却水が循環供給されることによって、熱伝導部材１３を伝達された孔部１６の下端部１６Ａの熱が冷却水に熱交換される。これにより、金型１１の他の部分を極端に冷却させることなく、孔部１６の下端部１６Ａ付近の熱だけを効率よく冷却することが可能となる。その結果、冷却水との熱交換によって成型時の金型１１の冷却効果を高めることができ、且つ、金型１１の全体における冷却温度差を縮小させて、熱応力による割れや歪み、変形を防止することが可能になる。

以下、図３及び図４を参照して、金型冷却装置１０による冷却時の金型１１のメス型１１Ａの冷却効果について説明する。図３は、メス型１１Ａに対する冷却効果確認試験の方法を説明するための図である。図４（Ａ）は、メス型１１Ａの位置Ｐ１における温度変化を示すグラフである。図４（Ｂ）は、メス型１１Ａの位置Ｐ２における温度変化を示すグラフである。なお、図３では、説明の便宜上、冷媒供給部２０の図示が省略されている。

図３に示されるように、前記冷却効果確認試験は、最初に、金型１１のメス型１１Ａの底面を６００度のヒーター３５によって直接に加熱する。そして、メス型１１Ａの底面の温度が４７０度になると、ヒーター３５をオフして、メス型１１Ａからヒーター３５を取り外し、冷却水の通水を開始して、冷却水を６０秒間循環供給する。熱伝導部材１３が孔部１６に充填されてないメス型１１Ａ、及び熱伝導部材１３が孔部１６に充填されたメス型１１Ａそれぞれに対して上述の試験を行い、それぞれにおけるメス型１１Ａの温度変化を測定した。測定箇所は、孔部１６の下端部１６Ａの直下の位置Ｐ１と、孔部１６の上下方向の中央部よりも少し上側の位置Ｐ２の２箇所とした。それぞれの位置Ｐ１，Ｐ２までメス型１１Ａの側面から横穴を形成し、位置Ｐ１，Ｐ２それぞれに熱伝対を設けて温度を測定した。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、点線で示されるグラフ４１は熱伝導部材１３が孔部１６に充填されて露出面１３Ｂに冷却水が循環供給されたメス型１１Ａの温度変化を示し、実線で示されるグラフ４２は熱伝導部材１３が充填されずに孔部１６に冷却水が循環供給されたメス型１１Ａの温度変化を示す。図４（Ａ）に示されるように、いずれのグラフ４１，４２も、冷却開始前に位置Ｐ１の温度が５００度であったが、冷却開始後に緩やかに温度が低下しており、６０秒の冷却後は、グラフ４１では４００度まで低下しており、グラフ４２では３５０度まで低下している。試験後の位置Ｐ１の温度に５０度程度の差があり、熱伝導部材１３が充填されたメス型１１Ａのほうが若干冷却効果が低いが、双方ともに、概ね同様の低下率で温度が低下しているといえる。

一方、図４（Ｂ）に示されるように、グラフ４１については、冷却開始前に位置Ｐ２の温度が５００度であったが、冷却開始後に緩やかに温度が低下しており、６０秒の冷却後は、４００度まで低下している。熱伝導部材１３では、位置Ｐ２の熱の冷却が抑えられていることを意味する。これに対して、グラフ４２については、冷却開始前に位置Ｐ２の温度が６００度であったが、冷却開始後に急激に冷却されて、冷却１０秒後には３１０度まで低下し、冷却３０秒後には２００度まで低下しており、そこから緩やかに温度が低下して、６０秒の冷却後は１８０度まで低下している。これは、孔部１６を通水された冷却水によって位置Ｐ２の熱が急激に冷やされたことを示す。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）から理解できるように、熱伝導部材１３が充填されていないメス型１１Ａの場合は、孔部１６への冷却水による冷却によって、メス型１１Ａにおける温度差が１７０度もあるため、メス型１１Ａに過大な熱応力が生じやすく、前記熱応力によってメス型１１Ａに割れや歪み、変形が生じるおそれがある。しかしながら、熱伝導部材１３が充填されたメス型１１Ａの場合は、孔部１６の周辺の熱は熱伝導部材１３が吸収し、露出面１３Ｂから冷却水によって熱交換がされるため、メス型１１Ａにおける温度差がほとんど無く、そのため、メス型１１Ａに熱応力が生じず、前記熱応力によるメス型１１Ａの割れや歪み、変形などといった問題も生じない。

なお、上述では、本発明の実施形態として金型冷却装置１０を例示して説明したが、本発明は、孔部１６、熱伝導部材１３、及び冷媒供給部２０からなる冷却構造として捉えることもできる。また、前記冷却構造は、金型１１の冷却に限られず、加熱された鋼材の冷却にも適用することが可能である。

１０：金型冷却装置
１１：金型
１２：取り付け座
１３：熱伝導部材
１４：キャビティ
１６：孔部
２０：冷媒供給部

Claims (6)

1. 冷却対象である鋳造用金型の表面から内部へ向けて形成された孔部と、
   前記孔部に装着され、グラフェンシートが一方向に沿って積層された層構造体であるグラファイトから成る熱伝導部材と、
   前記孔部の開口側に装着され、前記孔部から露出する前記熱伝導部材の露出面に対して冷媒を循環供給する冷媒供給部と、を備え、
   前記熱伝導部材は、前記グラフェンシートの積層方向が前記孔部の深さ方向に直交するように前記孔部に装着されている冷却構造。
2. 前記熱伝導部材は、前記孔部の内面に密着した状態で前記孔部に装着されている請求項１に記載の冷却構造。
3. 冷却対象である鋼材の表面から内部へ向けて形成された孔部と、
   前記孔部に装着され、グラフェンシートが一方向に沿って積層された層構造体であるグラファイトから成る熱伝導部材と、
   前記孔部の開口に装着され、前記孔部から露出する前記熱伝導部材の露出部に対して冷媒を循環供給する冷媒供給部と、を備え、
   前記熱伝導部材は、前記グラフェンシートの積層方向が前記孔部の深さ方向に直交するように前記孔部に装着されている冷却構造。
4. 前記熱伝導部材は、前記孔部の内面に密着した状態で前記孔部に装着されている請求項３に記載の冷却構造。
5. 表面から内部へ向けて形成された孔部を有する金型と、
   前記孔部に装着され、グラフェンシートが一方向に沿って積層された層構造体であるグラファイトから成る熱伝導部材と、
   前記孔部の開口側に装着され、前記孔部から露出する前記熱伝導部材の露出面に対して冷媒を循環供給する冷媒供給部と、を備え、
   前記熱伝導部材は、前記グラフェンシートの積層方向が前記孔部の深さ方向に直交するように前記孔部に装着されている金型冷却装置。
6. 前記熱伝導部材は、前記孔部の内面に密着した状態で前記孔部に装着されている請求項５に記載の金型冷却装置。