JP6477667B2 - 成形体製造方法、及び、成形体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、成形体製造方法、及び、成形体製造装置に関する。

特許文献１には、金属の成形体を製造する装置が開示されている。特許文献１に開示された装置では、溶融金属（溶湯）の表面（即ち湯面）にスタータを浸漬させた後、当該スタータを引き上げることにより、溶湯の表面膜や表面張力によってスタータに追従して溶湯が導出される。ここで、溶湯を、湯面上に設置された形状規定部材を介して導出し、冷却することにより、所望の断面形状を有する成形体を連続的に形成することができる。

特許文献１に開示された装置では、形状規定部材が、成形体の断面形状のみを規定し、成形体の長手方向の形状を規定しない。そのため、形状規定部材（若しくはスタータ）を水平方向に移動させながらスタータを引き上げることにより、様々な長手方向の形状の成形体を形成することができる。具体的には、特許文献１には、長手方向に直線状でなく、長手方向にジグザグ形状あるいは螺旋状に形成された中空の成形体（即ちパイプ）が開示されている。

特許第５３７３７２８号公報

ところで、熱放射性を有するヒートシンク等の成形体を、効率的かつ高品質に製造することが求められている。熱放射性を有する成形体は、例えば、加熱した成形体の表面に、高温時に固化する性質を持つ樹脂含有塗料を塗布して放熱性被膜を形成することにより、形成される。

ここで、特許文献１に開示された装置によって形成途中の高温状態の成形体の表面に、上記の樹脂含有塗料を吹き付けることができれば、成形体を追加加熱することなく、効率的に成形体の表面に放熱性被膜を形成することができる。

しかしながら、この方法では、湯面から引き上げられた凝固前の溶湯に塗料が吹き付けられた場合、その吹き付け圧力により凝固前の溶湯の断面形状が変形してしまうため、成形体の品質が劣化してしまうという問題があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、成形体の品質を劣化させることなく、効率的に成形体の表面に放熱性被膜を形成することが可能な成形体製造方法及び成形体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る成形体製造方法は、保持炉に保持された溶湯の湯面から前記溶湯を導出して、成形体の断面形状を規定する形状規定部材を通過させることにより、前記成形体を製造する成形体製造方法であって、前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固して形成された前記成形体の表面温度を測定するステップと、前記成形体の表面温度を測定した結果に基づいて、放熱塗料が吹き付けられる前記成形体の表面温度が前記溶湯の凝固点以下となるように、塗料噴射ノズルの高さを調整するステップと、前記塗料噴射ノズルから前記成形体の表面に前記放熱塗料を噴射するステップと、を備えるものである。それにより、湯面から引き上げられた凝固前の溶湯に放熱塗料が吹き付けられるのを防ぐことができるため、成形体の品質の劣化を防ぐことができる。

塗料噴射ノズルの高さを調整するステップでは、前記放熱塗料が吹き付けられる前記成形体の表面温度が、前記放熱塗料が固化する温度以上、かつ、前記放熱塗料が分解する温度未満となるように、前記塗料噴射ノズルの高さを調整することが好ましい。それにより、高温状態の成形体の表面に吹き付けられた放熱塗料Ｐ１が正常に固化するため、効率的かつ高品質に成形体の表面に放熱性被膜を形成することができる。

本発明の一態様に係る成形体製造装置は、溶湯を保持する保持炉と、前記溶湯の湯面上に設置され、前記湯面から導出された前記溶湯が通過することにより、製造する成形体の断面形状を規定する形状規定部材と、を備えた成形体製造装置であって、前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固して形成された前記成形体の表面温度を測定する温度測定器と、前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固して形成された前記成形体の表面に放熱塗料を噴射する塗料噴射ノズルと、前記塗料噴射ノズルを上下方向に駆動するアクチュエータと、を備え、前記温度測定器による測定結果に基づいて、前記放熱塗料が吹き付けられる前記成形体の表面温度が前記溶湯の凝固点以下となるように、前記塗料噴射ノズルの高さを調整するものである。それにより、湯面から引き上げられた凝固前の溶湯に放熱塗料が吹き付けられるのを防ぐことができるため、成形体の品質の劣化を防ぐことができる。

前記放熱塗料が吹き付けられる前記成形体の表面温度が、前記放熱塗料が固化する温度以上、かつ、前記放熱塗料が分解する温度未満となるように、前記塗料噴射ノズルの高さを調整することが好ましい。それにより、高温状態の成形体の表面に吹き付けられた放熱塗料Ｐ１が正常に固化するため、効率的かつ高品質に成形体の表面に放熱性被膜を形成することができる。

本発明により、成形体の品質を劣化させることなく、効率的に成形体の表面に放熱性被膜を形成することが可能な成形体製造方法及び成形体製造装置を提供することができる。

実施の形態１に係る成形体製造装置を模式的に示す断面図である。 図１に示す形状規定部材の平面図である。 図１に示す成形体製造装置により製造された成形体の表面温度の温度勾配の一例を示す図である。 実施の形態１に係る成形体製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る成形体製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る成形体製造装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る成形体製造装置を模式的に示す断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る成形体製造装置は、溶湯保持炉（保持炉）１０１、形状規定部材１０２、支持ロッド１０４、アクチュエータ１０５、冷却ガスノズル１０６、熱電対１０７、塗料噴射ノズル１０８、アクチュエータ１０９、制御部１１０、及び、引上機１１１を備えている。なお、図１には、構成要素の位置関係を説明するために便宜的に右手系ｘｙｚ座標が示されている。図１におけるｘｙ平面は水平面を構成し、ｚ軸方向が鉛直方向である。より具体的には、ｚ軸のプラス方向が鉛直上向きとなる。

溶湯保持炉１０１は、例えばアルミニウムやその合金などの溶湯Ｍ１を収容し、溶湯Ｍ１が流動性を有する所定の温度に保持する。図１の例では、成形体Ｍ３の製造中に溶湯保持炉１０１に溶湯Ｍ１を補充しないため、溶湯Ｍ１の表面（即ち湯面）は徐々に低下する。他方、成形体Ｍ３の製造中に溶湯保持炉１０１に溶湯Ｍ１を随時補充し、湯面を一定に保持するような構成としてもよい。ここで、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げると凝固界面ＳＩＦの位置を上げることができ、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げると凝固界面ＳＩＦの位置を下げることができる。なお、当然のことながら、溶湯Ｍ１は他のアルミニウム以外の金属や合金であってもよい。

形状規定部材１０２は、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、湯面上に配置されている。形状規定部材１０２は、製造する成形体Ｍ３の断面形状を規定する。図１に示した成形体Ｍ３は、水平方向の断面（以下、横断面と称す）の形状が円形状の中実部材である。なお、当然のことながら、成形体Ｍ３の断面形状は特に限定されない。即ち、成形体Ｍ３の横断面の形状は矩形状であってもよいし、成形体Ｍ３は丸パイプや角パイプなどの中空部材であってもよい。

図１の例では、形状規定部材１０２は、その下側の主面（下面）が湯面に接触するように配置されている。それにより、溶湯Ｍ１の表面に形成される酸化膜や溶湯Ｍ１の表面に浮遊する異物の成形体Ｍ３への混入が抑制される。他方、形状規定部材１０２は、その下面が湯面に接触しないように配置されてもよい。具体的には、形状規定部材１０２は、その下面が湯面から所定の距離（例えば０．５ｍｍ程度）だけ離間するように配置されてもよい。それにより、形状規定部材１０２では、熱変形や溶損が抑制されるため、耐久性が向上する。

図２は、図１に示す形状規定部材１０２の平面図である。ここで、図１の形状規定部材１０２の断面図は、図２のＩ−Ｉ断面図に相当する。図２の例では、形状規定部材１０２は、矩形状の平面形状を有し、中央部に円形状の開口部を有している。この開口部が、溶湯Ｍ１が通過する溶湯通過部１０３となる。なお、図２におけるｘｙｚ座標は、図１と一致している。

図１に示すように、溶湯Ｍ１は、浸漬されたスタータＳＴと結合した後、その表面膜や表面張力により外形を維持したままスタータＳＴに追従して引き上げられ、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通過する。溶湯Ｍ１が形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通過することにより、溶湯Ｍ１に対し形状規定部材１０２から外力が印加され、成形体Ｍ３の断面形状が規定される。ここで、溶湯Ｍ１の表面膜や表面張力によってスタータＳＴ（又は、スタータＳＴに追従して引き上げられた溶湯Ｍ１が凝固して形成された成形体Ｍ３）に追従して湯面から引き上げられた溶湯を保持溶湯Ｍ２と呼ぶ。また、成形体Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との境界が凝固界面ＳＩＦである。

支持ロッド１０４は、形状規定部材１０２を支持する。支持ロッド１０４は、アクチュエータ１０５に連結されている。

アクチュエータ１０５は、支持ロッド１０４を介して、形状規定部材１０２を上下方向（ｚ軸方向）に移動させることができる。それにより、成形体Ｍ３の製造中における湯面の低下とともに、形状規定部材１０２を下方向に移動させることができる。また、アクチュエータ１０５は、支持ロッド１０４を介して、形状規定部材１０２を水平方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）に移動させることができる。それにより、成形体Ｍ３の長手方向の形状を自由に変形させることができる。

冷却ガスノズル１０６は、冷却ガス（例えば空気、窒素、アルゴンなど）をスタータＳＴや成形体Ｍ３に吹き付けることで、保持溶湯Ｍ２を間接的に冷却する。冷却ガスの流量を増やすと凝固界面ＳＩＦの位置を下げることができ、冷却ガスの流量を減らすと凝固界面ＳＩＦの位置を上げることができる。なお、冷却ガスノズル１０６も、上下方向（鉛直方向；ｚ軸方向）及び水平方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）に移動可能となっている。そのため、例えば、成形体Ｍ３の製造中における湯面の低下とともに、形状規定部材１０２の下方向の移動に合わせて、冷却ガスノズル１０６を下方向に移動することができる。あるいは、引上機１１１や形状規定部材１０２の水平方向の移動に合わせて、冷却ガスノズル１０６を水平方向に移動することができる。

スタータＳＴに連結された引上機１１１により成形体Ｍ３を引き上げつつ、冷却ガスによりスタータＳＴや成形体Ｍ３を冷却することにより、凝固界面ＳＩＦ近傍の保持溶湯Ｍ２が上側（ｚ軸方向プラス側）から下側（ｚ軸方向マイナス側）へ順次凝固し、成形体Ｍ３が形成されていく。引上機１１１による引上速度を速くすると凝固界面ＳＩＦの位置を上げることができ、引上速度を遅くすると凝固界面ＳＩＦの位置を下げることができる。

なお、形状規定部材１０２を水平方向に移動させる代わりに、引上機１１１を水平方向に移動させてもよい。引上機１１１を水平方向に移動させながら引き上げることにより、保持溶湯Ｍ２を斜め方向に導出することができる。そのため、成形体Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させることができる。

熱電対１０７は、その測温接点を、保持溶湯Ｍ２が凝固して形成された成形体Ｍ３の表面に接触させることにより、当該成形体Ｍ３の表面温度を測定する。本実施の形態では、温度測定器として熱電対１０７が用いられた場合について説明しているが、これに限られず、放射温度計等が用いられてもよい。

塗料噴射ノズル１０８は、放熱塗料Ｐ１を成形体Ｍ３の表面に吹き付ける。放熱塗料Ｐ１は、高温時に固化する性質を持つ樹脂含有塗料であって、例えば、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）である。塗料噴射ノズル１０８は、アクチュエータ１０９によって上下方向（ｚ軸方向）に移動させることができる。

制御部１１０は、熱電対１０７による測定結果に基づいて、アクチュエータ１０９を制御する。それにより、塗料噴射ノズル１０８の高さ（ｚ軸方向の位置）が調整される。

ここで、制御部１１０は、事前に評価された成形体Ｍ３の表面温度の温度勾配の情報を記憶している。そのため、制御部１１０は、熱電対１０７の測定位置における成形体Ｍ３の表面温度から、塗料噴射ノズル１０８の噴射位置における成形体Ｍ３の表面温度を特定することができる。なお、成形体Ｍ３の表面温度の温度勾配は、溶湯Ｍ１（成形体Ｍ３）の材質、引き上げ速度、冷却ガスによる冷却強度などに依存して変化する。

例えば、制御部１１０は、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が高すぎる場合、塗料噴射ノズル１０８を上昇させ、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が低すぎる場合、塗料噴射ノズル１０８を下降させる。

図３は、成形体Ｍ３（及び保持溶湯Ｍ２）の表面温度の温度勾配の一例を示す図である。図３の例では、横軸が表面温度を表し、縦軸が湯面からの高さ（ｚ軸方向の位置）を表している。図３を参照すると、表面温度は、湯面から凝固界面ＳＩＦまでの間では溶湯Ｍ１の凝固点Ｔ３（例えば約６６０度）よりも高い値を示している。つまり、溶湯Ｍ１は液体のまま保持された状態（即ち、保持溶湯Ｍ２）となっている。その後、表面温度は、凝固界面ＳＩＦにおいて溶湯Ｍ１の凝固点Ｔ３に達し、凝固界面ＳＩＦから高くなるほど徐々に低くなっている。つまり、溶湯Ｍ１は凝固して成形体Ｍ３となっている。

そこで、制御部１１０は、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が、溶湯Ｍ１の凝固点Ｔ３以下となるように、塗料噴射ノズル１０８の高さを調整する。それにより、保持溶湯Ｍ２に放熱塗料Ｐ１が吹き付けられるのを防ぐことができるため、成形体Ｍ３の品質の劣化を防ぐことができる。

続いて、図１乃至図４を参照して、実施の形態１に係る成形体製造方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る成形体製造方法を示すフローチャートである。

まず、引上機１１１によりスタータＳＴを降下させ、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通して、スタータＳＴの先端部を溶湯Ｍ１に浸漬させる（ステップＳ１０１）。

次に、所定の速度でスタータＳＴの引き上げを開始する。ここで、スタータＳＴが湯面から離間しても、溶湯Ｍ１は、表面膜や表面張力によってスタータＳＴに追従して湯面から引き上げられ（導出され）保持溶湯Ｍ２を形成する。図１に示すように、保持溶湯Ｍ２は、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３に形成される。つまり、形状規定部材１０２により、保持溶湯Ｍ２に形状が付与される（ステップＳ１０２）。

次に、スタータＳＴ又は保持溶湯Ｍ２が凝固して形成された成形体Ｍ３は、冷却ガスノズル１０６から吹き出される冷却ガスによって冷却される（ステップＳ１０３）。それにより、スタータＳＴ又は成形体Ｍ３に連続する保持溶湯Ｍ２が間接的に冷却されて上側から下側に向かって順に凝固し、成形体Ｍ３が成長していく（ステップＳ１０４）。このようにして、成形体Ｍ３を連続的に形成することができる。

ここで、熱電対１０７により、湯面から所定高さの成形体Ｍ３の表面温度を測定する（ステップＳ１０５）。制御部１１０は、熱電対１０７による測定結果に基づいて、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が溶湯Ｍ１の凝固点よりも高いと判断した場合（ステップＳ１０６のＮＯ）、塗料噴射ノズル１０８を上昇させる（ステップＳ１０７）。その後、熱電対１０７による温度測定が再び行われる（ステップＳ１０５）。

その後、制御部１１０は、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が溶湯Ｍ１の凝固点以下と判断した場合（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、塗料噴射ノズル１０８の高さを固定して、成形体Ｍ３の表面に放熱塗料Ｐ１を吹き付ける。それにより、成形体Ｍ３の表面に放熱性被膜が形成される（ステップＳ１０８）。

このように、実施の形態１に係る成形体製造装置は、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が、溶湯Ｍ１の凝固点Ｔ３以下となるように、塗料噴射ノズル１０８の高さを調整する。それにより、保持溶湯Ｍ２に放熱塗料Ｐ１が吹き付けられるのを防ぐことができるため、成形体Ｍ３の品質の劣化を防ぐことができる。

＜実施の形態２＞
図５は、実施の形態２に係る成形体製造方法を示すフローチャートである。実施の形態２に係る成形体製造方法では、実施の形態１に係る成形体製造方法と比較して、熱電対１０７による測定結果に基づく塗料噴射ノズル１０８の調整の仕方に違いがある。

図５に示すように、制御部１１０は、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が、放熱塗料Ｐ１が分解する温度Ｔ２（図３参照）以上と判断した場合（ステップＳ２０６のＮＯ）、塗料噴射ノズル１０８を上昇させる（ステップＳ２０７）。また、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が、放熱塗料Ｐ１が分解する温度Ｔ２未満であっても（ステップＳ２０６のＹＥＳ）、放熱塗料Ｐ１が固化するのに十分な温度Ｔ１（図３参照）未満と判断した場合（ステップＳ２０８のＮＯ）、塗料噴射ノズル１０８を下降させる（ステップＳ２０９）。その後、熱電対１０７による温度測定が再び行われる（ステップＳ１０５）。

その後、制御部１１０は、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が、放熱塗料Ｐ１が固化する温度Ｔ１（ポリアミドイミドの場合には１８０度）以上、かつ、放熱塗料Ｐ１が分解する温度Ｔ２（ポリアミドイミドの場合には４００度）未満と判断した場合（ステップＳ２０８のＹＥＳ）、塗料噴射ノズル１０８の高さを固定して、成形体Ｍ３の表面に放熱塗料Ｐ１を吹き付ける。それにより、成形体Ｍ３の表面に放熱性被膜が形成される（ステップＳ１０８）。

このように、実施の形態２に係る成形体製造装置は、放熱塗料Ｐ１が吹き付けられる成形体Ｍ３の表面温度が、放熱塗料Ｐ１が固化する温度Ｔ１以上、かつ、放熱塗料Ｐ１が分解する温度Ｔ２未満となるように、塗料噴射ノズル１０８の高さを調整する。それにより、高温状態の成形体の表面に吹き付けられた放熱塗料Ｐ１が正常に固化するため、効率的かつ高品質に成形体の表面に放熱性被膜を形成することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０１ 溶湯保持炉
１０２ 形状規定部材
１０３ 溶湯通過部
１０４ 支持ロッド
１０５ アクチュエータ
１０６ 冷却ガスノズル
１０７ 熱電対
１０８ 塗料噴射ノズル
１０９ アクチュエータ
１１０ 制御部
１１１ 引上機
Ｍ１ 溶湯
Ｍ２ 保持溶湯
Ｍ３ 成形体
Ｐ１ 放熱塗料
ＳＴ スタータ

Claims (4)

1. 保持炉に保持された溶湯の湯面から前記溶湯を導出して、成形体の断面形状を規定する形状規定部材を通過させることにより、前記成形体を製造する成形体製造方法であって、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固して形成された前記成形体の表面温度を測定するステップと、
   前記成形体の表面温度を測定した結果に基づいて、前記溶湯の凝固点以下の表面温度を示す、前記成形体と前記溶湯との界面よりも高い位置の前記成形体の表面に放熱塗料が吹き付けられるように、塗料噴射ノズルの高さを調整するステップと、
   前記塗料噴射ノズルから前記成形体の表面に前記放熱塗料を噴射するステップと、
   を備えた、成形体製造方法。
2. 塗料噴射ノズルの高さを調整するステップでは、
   前記成形体と前記溶湯との界面よりも高い位置の前記成形体のうち、前記放熱塗料が固化する温度以上、かつ、前記放熱塗料が分解する温度未満を示す成形体の表面に前記放熱塗料が吹き付けられるように、前記塗料噴射ノズルの高さを調整する、
   請求項１に記載の成形体製造方法。
3. 溶湯を保持する保持炉と、
   前記溶湯の湯面上に設置され、前記湯面から導出された前記溶湯が通過することにより、製造する成形体の断面形状を規定する形状規定部材と、
   を備えた成形体製造装置であって、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固して形成された前記成形体の表面温度を測定する温度測定器と、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固して形成された前記成形体の表面に放熱塗料を噴射する塗料噴射ノズルと、
   前記塗料噴射ノズルを上下方向に駆動するアクチュエータと、
   を備え、
   前記温度測定器による測定結果に基づいて、前記溶湯の凝固点以下の表面温度を示す、前記成形体と前記溶湯との界面よりも高い位置の前記成形体の表面に前記放熱塗料が吹き付けられるように、前記塗料噴射ノズルの高さを調整する、成形体製造装置。
4. 前記成形体と前記溶湯との界面よりも高い位置の前記成形体のうち、前記放熱塗料が固化する温度以上、かつ、前記放熱塗料が分解する温度未満を示す成形体の表面に前記放熱塗料が吹き付けられるように、前記塗料噴射ノズルの高さを調整する、
   請求項３に記載の成形体製造装置。

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